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Verfahren zum Ausgleich und zur Speicherung der Wärme in Dampferzeugungsanlagen.
Um in Dampfkesselbetrieben mit dem besten thermischen Wirkungsgrad der Gesamtanlage
zu arbeiten, muß man dafür sorgen, daß die einmal eingestellte Feuerung immer unter
den gleichen Bedingungen Weiterbetrieben wird. Dieser gleichmäßigen Betriebsweise
der Feuerung steht im allgemeinen der schwankende Dampfverbrauch der angeschlossenen
Abnahmestelle entgegen. Als Mittel zum Ausgleich sind bereits Dampfspeicher mit
Veränderlichkeit des Dampfraumes und der Wasserfüllung vorgeschlagen und angewendet
worden.
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Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein neues Verfahren zum Ausgleich
und zur Speicherung der Wärme in Dampferzeugungsanlagen. Die Erfindung geht von
der Tatsache aus, daß in derartigen Dampferzeugungsanlagen die Wärme auf drei verschiedenen
Wegen oder, was dasselbe ist, durch drei verschiedene . Mittel übertragen wird,
nämlich durch den Dampf, durch das Speisewasser und durch die Heizgase. Zwar sind
sowohl Dampfspeicher wie Speisewasserspeicher und endlich auch Heizgasspeicher je
für sich allein in einzelnen Fällen bereits vorgeschlagen worden. Die vorliegende
Erfindung besteht aber darin, daß alle drei Wärmeträger, d. h. Dampf, Speisewasser
und Heizgase, und zwar die letzteren entweder vor oder nach ihrer Entzündung, zwischen
den Betriebskesseln und besonderen Speieher- oder Ausgleichkesseln derart hin und
her geleitet werden, daß die in den drei Wärmeträgern enthaltene Wärme bei steigendem
Wärmeverbrauch den Betriebskesseln oder der Verbrauchsleitung zugeführt, bei sinkendem
Wärmeverbrauch dagegen sämtlich oder teilweise in den Speicher- oder Ausgleichkesseln
aufgespeichert wird. Der Betriebsdruck der letzteren kann gleich oder größer als
im Betriebskessel sein.
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Die Anzahl sowohl der Betriebskessel wie der Speicher- oder Ausgleichkessel
kann hier-, bei beliebig sein. Sie können sowohl in der Einzahl wie in der Mehrzahl
angeordnet sein.. Sind mehrere Kessel zu einer Batterie vereinigt, so können bei
schwankender Dampfentnahme alle Kessel bis auf einen gleichmäßig arbeiten, während
nur dieser eine die Schwankungen aufzunehmen hat und mit dem Speicher verbunden
sein muß, dessen Größe sich nach der Größe und Dauer der zu erwartenden Schwankungen
richtet.
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Das neue Verfahren läßt sich offenbar in sehr verschiedener Weise
ausführen. Jedenfalls setzt es folgende drei Umschaltungsmöglichkeiten, die bei
wechselnder Dampfentnahme selbsttätig in Wirkung treten, voraus.
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i. Umschaltung des erzeugten Dampfes von
den Betriebskesseln
zum Speicher oder umgekehrt und ferner vom Speicher zum Verbraucher.
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2. Umschaltung des auf Dampftemperatur gebrachten Speisewassers vom
Betriebskessel zum Speicherraum und umgekehrt.
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3. Umschaltung der Heizgase entweder vor oder nach ihrer Entzündung
zwischen den Betriebskesseln und dem Speicherkessel.
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Zwei Ausführungsformen des Verfahrens sollen im folgenden an Hand
der schematischen Zeichnungen Abb. i und 2 erläutert werden. Die Abb.3 bis 6 stellen
Einzelheiten dar, auf die noch zurückgekommen werden soll.
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Bei der ersten Ausführungsform des Verfahrens (Abb. i) ist der Betriebskessel
mit a, der Speicher- oder Ausgleichkessel mit b bezeichnet (beide können wie gesagt
in der Einzahl oder Mehrzahl vorhanden sein),. c ist die Verbrauchsleitung, d die
Feuerung und e die Speiseleitung. Im Gleichgewichtzustand, also bei gleichförmiger
Dampfentnahme aus der Verbrauchsleitung c arbeitet die Feuerung und die Speisepumpe
gleichmäßig. Sinkt die Dampfentnahme in der Verbrauchsleitung c, so steigt Druck
und Temperatur im Betriebskessel a. Bevor dieser abbläst, müssen die Heizgase der
Feuerung d ihm entzogen und dem Speicherkessel b zugeführt werden. Ebenso muß auch
das Speisewasser zum Speicherkessel b geleitet und endlich muß auch der noch im
Betriebskessel a entstehende Dampf ebenfalls zum Speicher b geführt werden. Das
Umgekehrte hat zu geschehen, wenn der Dampfbedarf der Abnahmestelle wieder steigt.
In diesem Falle müssen die Heizgase vorn Speicherkessel b abgezogen. und wieder
dem Betriebskessel a zugeführt,, ferner muß der letztere wieder mit Speisewasser
versehen und endlich muß der Dampf aus dem Speicher b der Verbrauchsleitung c zugeführt
werden, während Wasser von Dampftemperatur aus dem Speicher b nach dem Betriebskessel
a geleitet wird.
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Diese Arbeitsweise, die übrigens auch für die zweite Ausführungsform
gemäß Abb.2 zutrifft, soll im folgenden für jede der beiden Ausführungsformen an
Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.
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Bei der Ausführungsform gemäß Abb. i sind folgende drei Fälle möglich.
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i. Normaler Betriebszustand: Der Betriebskessel a liefert Dampf und
wird durch die Feuerung d geheizt. Die Speisung des Betriebskessels a erfolgt durch
den Speicherkessel b hindurch mit Hilfe des in der Speiseleitung e angeordneten
Speiseventils f, welches das Speisewasser dem Speicherkessel b zuführt. Aus diesem
gelangt es durch die Verbindungsleitung g, Rückschlagventil ht und Absperrorgan,
i in den Betriebskessel a. Das Absperrorgan i wird durch den im Betriebskessel
a angeordneten Schwimmer k, wie in der Zeichnung schematisch durch eine gestrichelte
Linie angedeutet ist, derart beeinilußt, daß bei höchstem Wasserstande im Betriebskessel
a die Zufuhr des Speisewassers abgeschlossen wird. Bei Weiterarbeit der Speisepumpe
steigt daher das Wasser im Speicherkessel b und zwar .bis zur Höhe G. Ist diese
Höhe erreicht, so schließt der im Speicherkessel b angeordnete Schwimmer in, wie
in der Zeichnung schematisch angedeutet, das Speiseventil f ab, so daß kein Speisewasser
mehr zufließt. Der Schwimmer nt verriegelt sich in dieser Stellung selbsttätig und
zwar mit Hilfe beliebiger mechanischer Einrichtungen, von denen eine Ausführungsform
unten noch beschrieben werden soll.
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2. Sinkende Dampfentnahme: -Sobald die Dampfentnahme in der Verbrauchsleitung
c sinkt, steigt der Druck und der Wasserstand in den Betriebskesseln a. Der Wasserstandregler
k schließt daher den weiteren Zuiiuß des Speisewassers ab. Bei weiterer Druckerhöhung
in der Speiseleitung c° über den maximalen Druck hinaus wird die Speisepumpe stillgesetzt.
Wird im Betriebskessel a der höchstzulässige Dampfdruck erreicht, so werden durch
diesen Dampfdruck, wie die gestrichelte Verbindung it schematisch andeutet, die
Rauchgasscbieber o und p derart beeinflußt, daß sie umgestellt werden, d. h. der
Schieber o wird geschlossen und der Schieber p geöffnet. Durch diese Umstellung
werden die Heizgase derart unigeleitet, daß der Betriebskessel a keine Wärme mehr
erhält, während nunmehr der Speicherkessel b geheizt wird, so daß sein Innendruck
den des Betriebskessels u ül)er@tei@eti kann.
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3. Steigende Dampfentnalinie: Wenn die Dampfentnahme aus der Verbrauchsleitung
c steigt, so sinkt der Druck und der Wasserstand im Betriebskessel a. Der Schwimmer
k öffnet daher das Absperrorgan i und läßt das Speisewasher wieder einströmen. Der
Betriebskessel a wird nunmehr aus dem Speicherkessel b gespeist, wobei alles gespeicherte
Wasser verbraucht werden kann, denn das Speiseventil f, welches durch den in gesperrter
Stellung verbleibenden Schwimmer m immer noch geschlossen gehalten wird, läßt vorläufig
kein frisches Speisewasser in den Speicherkessel b einströmen. Vielmehr wird dieses
Speiseventil f erst wieder freigegeben, wenn der Wasserstand im Speicherkessel b
bis zur Höhe g gesunken ist. Erst in dieser Stellung wird der Schwimmer in selbsttätig
entriegelt und das
Speiseventil f durch einen zweiten Schwimmer
y geöffnet, so daß der Speicherkessel b
wieder gespeist wird. Um zu erreichen,
daß das Speisewasser zwischen Speicherkessel b und Betriebskessel a immer nur in
der Richtung von b nach a und nicht umgekehrt strömen kann, ist der
Druck im Speicherkessel b stets etwas höher zu halten als in a.
Dies
erreicht man beispielsweise dadurch, daß man zwischen den Dampfräumen von
b und a
eine Leitung s mit Rückschlagventil t einschaltet, so daß der
Druck in b stets gleich oder größer ist als in a. Sollte der Wasserstand im Betriebskessel
a unter die niedrigste Marke sinken, so gibt der im Betriebskessel a angeordnete
zweite Schwimmer u, welcher das Speiseventil v beeinflußt, die unmittelbare Speisung
des Betriebskessels a aus der Speiseleitung e frei. Wird der niedrigste, Dampfdruck
im Betriebskessel a unterschritten, so werden die Rauchgasschieber o und p durch
die schematisch angedeutete Beeinflussung a wieder in die vollgezeichnete Lage umgestellt,
so daß die Heizgase nicht mehr zum Speicherkessel b gelangen, sondern den Betriebskessel
a beheizen. Schließlich wird bei niedrigstem Druck in der Verbrauchsleitung c das
durch diesen Druck beeinflußte Ventil w geöffnet. Infolgedessen kann jetzt Dampf
aus dem Speicher b durch die mit Rückschlagventil x versehene Leitung y hindurch
in den Cberhitzer z des Betriebskessels a und mithin zur Verbrauchsleitung c strömen,
so daß auf diese Weise der überlhitzer nie ohne Dampf ist. Das Zurückströmen dieses
Dampfes zum Kessel a wird durch das Rückschlagventil a verhindert.
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Die Art der Beeinflussung der einzelnen, Ventile oder Schieber durch
die Höhe des Wasserstandes oder des Dampfdruckes kann ganz beliebig sein und braucht
nicht weiter auseinandergesetzt zu werden. Nur die selbsttätige Verriegelung und
Entriegelung des Schwimmers na im Speisekessel b soll an einem Beispiel
in folgendem näher erläutert werden (Abb.3 bis 6).
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Die Vorrichtung hat den Zweck, die Speisung des Speicherkessels b
bei Erreichung des höchsten Wasserständers L zu unterbrechen und das Speiseventil
erst wieder zu öffnen, wenn der niedrigste Wasserstand q unterschritten ist. Zu
diesem Zweck trägt der Schwimmer in auf seiner hohlen Führungsstange 3 einen Eisenkern
¢ und einen Rast 5. Der Schwimmer r dagegen, dessen Führungsstange 6 durch die hohle
Führungsstange 3 hindurchgebt, -trägt am oberen Ende der Führungsstange 6 einen
Kegel 7. Eine Zange 8, die mit dem Gelenkpunkt ihrer Zangenschenkel an dein aus
unmagnetischem Material bestehenden Gehäuse q gelagert ist und die durch eine Feder
geschlossen gehalten wird, kann mit ihren unteren Backen entweder auf oder unter
der Rast 5 liegen, während zwischen dem oberen Backenende der Kegel geführt wird.
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Bei niedrigstem Wasserstand, also tiefliegendem Schwimmer Y ist die
Zange durch den Kegel 7 gespreizt, d. h. die unteren Backen sind geöffnet und liegen
auf dem Umfange oder außerhalb der Rast 5. In diesem Falle befindet sich auch der
Schwimmer nz in seiner Tieflage. Erst bei der' Höchststellung des Schwimmers m schnappen
die Backen durch den Federdruck zusammen, so daß sie unter die Rast 5 greifen und
den Schwimmer in hierdurch verriegeln. Der letztere verbleibt also in dieser Stellung,
selbst wenn der Wasserstand wieder sinkt. Erst nach Erreichung des niedrigsten Wasserstandes
drückt der Kegel 7 die Zange 8 auseinander. Nunmehr ist der Schwimmer m freigegeben
und sinkt durch sein Gewicht herab, wobei er durch die Pufferfeder io gebremst wird.
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Um das rohrförmige Gehäuse 9 greift ein verschiebbarer Elektromagnet
i i. Dieser ist gemäß Abb.3 durch seine Wicklung mit einem Relais 1--2 verbunden,
mit dem er unter gleicher Spannung steht. je nachdem die Kraftlinien des Elektromagneten
i i durch Luft oder durch Eisen gehen, d. h. also je nach der Stellung des Ankers
4, ändert sich die Stromstärke in der Wicklung von i i und i z in weiten Grenzen.
Durch die Stellung des Ankers 4 wird also das Relais ia beeinflußt, welches demgemäß
den unter Federkraft stehenden Anker 13 anzieht oder freigibt. Hierdurch
wird mit Hilfe des Kontaktes 14 ein Strom in der "\T#Ticklung 15 geöffnet oder geschlossen,
d. h. der Elektromagnet des Speiseventils f wird derart beeinflußt, daß die Speisung
aussetzt, wenn der höchste Wasserstand erreicht ist, dagegen wieder beginnt, wenn
der niedrigste Wasserstand unterschritten wird. Die Schaltung ist hierbei so getroffen,
daß bei Ausbleiben der Spannung die Speisung freigegeben wird.
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An Stelle des Elektromagneten i i kann gemäß Abb. 5 und 6 eine magnetische
Waage 16
treten, die in ihrer Stellung der Bewegung des Ankers ¢ folgt und
hierdurch den Elektromagneten 15 des Speiseventils j' ein- und ausschaltet.
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Die beschriebene Vorrichtung zur Sperrung und Freigabe des Schwimmers
ist natürlich nur als ein Beispiel aufzufassen und könnte auch durch eine andere
Einrichtung ersetzt werden.
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In Abb. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Dampferzeugungsanlage
veranschaulicht. Ähnlich wie in Abb. i ist a der Betriebskessel, b der Speisekessel,
c die Verbrauchsleitung
und e die Speiseleitung. Die Wirkungsweise
der Anlage ist folgende.
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i. Normaler Betriebszustand: Der Betriebskessel a liefert Dampf und
wird allein geheizt, während der Speicherkessel b ungeheizt bleibt. Der Wasserstand
im Betriebskessel a wird auf mittlerer Höhe gehalten. Das Speiseventil f des Speicherkessels
b ist geschlossen, während das durch den Schwimmer u des Betriebskessels
a ge-
steuerte Speiseventil v geöffnet ist.
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2. Sinkende Dampfentnahme: Der Wasserspiegel im Betriebskessel a steigt,
bis das Schwimmerventil v sich schließt. Dieses Ventil wird durch den Schwimmer
u, wie die Zeichnung andeutet, mit Hilfe einer Leerlaufkuppelung 17 gesteuert.
Hat der Dampfdruck im Betriebskessel a die höchstzulässige Grenze erreicht, so wird
durch eine vom Druck abhängige beliebig gestaltete Steuervorrichtung, wie die gestrichelt
gezeichnete Verbindung n andeutet, die Drosselkappe o für die Heizgase geschlossen
und die Drosselkappe p gleichzeitig geöffnet, wodurch die Heizgasströme auf den
Betriebskessel b umgeschaltet werden. Gleichzeitig wird auch das Speiseventil f,
das bisher verriegelt war, freigegeben. Erreicht der Wasserstand in b die dem Druck
entsprechende, Sättigungstemperatur, so wird das von der Temperatur gesteuerte Speiseventil
f geöffnet. In den Speicherkessel b tritt daher Wasser ein, welches durch die Verbindungsleitung
i S auch nach dem Betriebskessel a fließt, so lange, bis der in letzterem angeordnete
Schwimmer k das Ventil i abschließt. Sobald dies geschehen ist, wird
jetzt nur noch dem Speicherkessel b Wasser zugeführt und zwar in dem Maße, wie das
Speiseventil f den Zufluß freigibt. Der im Speicherkessel b angeordnete Schwimmer
m, der das Ventil i g beeinflußt, begrenzt den höchsten Wasserstand.
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3. Steigende Dampfentnahme: Der Dampfdruck im Betriebskessel a sinkt.
Dadurch schaltet die vom Dampfdruck (vermöge der Verbindung n) beeinflußte Steuervorrichtung
um, so daß das Speiseventil f geschlossen wird und die Heizgasklappen o und p umgestellt
werden. Infolgedessen wird jetzt wieder der Betriebskessel a geheizt, während der
Speicherkessel b ungeheizt bleibt. Der Wasserspiegel im Betriebskessel a sinkt.
Infolgedessen wird durch den Schwimmer k das Ventil i geöffnet, so daß `Wasser durch
die Leitung i 8 hindurch zum Betriebskessel strömen kann. Da die Dampfräume von
a Lind b durch die Leitung y verbunden sind, strömt Wasser von
b nach a entweder durch die Schwerkraft oder durch den in b vorhandenen
Überdruck. Das Schwimmerventil v des Betriebskessels a kann wegen seiner Leerlaufkuppelung
17 noch nicht öffnen. Ist alles gespeicherte Wasser verbraucht und sinkt
der Wasserspiegel weiter, so öffnet schließlich das Ventil v die Speiseleitung.
Der niedrigste Wasserstand im Speicherkessel b ist dadurch begrenzt, daß die Wasser-
und Dampfräume von a und b in kommunizierender Verbindung stehen.
Sinkt der Dampfdruck in der Verbrauchsleitung c unter eine festgesetzte Mindestgrenze,
dann öffnet das vom Druck in der Verbrauchsleitung beeinflußte Ventil W und läßt
Dampf aus dem Speicherkessel b unmittelbar in die Verbrauchsleitung eintreten.
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Dem Grundsatz nach liegt also im wesentlichen bei dieser Ausführungsform
Abb.2 die gleiche Wirkungsweise vor wie in Abb. i. Ebenso wären auch noch andere
Ausführungsformen der ganzen Anlage möglich.