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Einrichtung zur Erzeugung von Dampf unter Kraftgewinnung. Die Erfindung
bezieht sich auf das bekannte Verfahren zur Erzeugung von Dampf, bei dem mittels
einer Pumpe im Kreislauf geführtes Wasser abwechselnd unter Druck gesetzt, in Heizkörpern
erhitzt und zwecks teilweiser Verdampfung entspannt wird. Die Entspannung erfolgt
bei den bekannten Anordnungen in der Regel durch Drosselung. Die bei der Entspannung
freiwerdende Energie kann jedoch auch, wie bereits vorgeschlagen, in einer Kraftmaschine
ausgenützt werden. Die Höhe der frei werdenden Energie je Kilogramm Umwälzwasser
hängt ab von der Temperaturerhöhung in den Heizkörpern. Je höher die Temperaturerhöhung
ist, desto mehr Dampf bildet sich bei der Entspannung und desto größer ist die Expansionsarbeit
des bei der Entspannung sich bildenden Dampfes.
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Untersuchungen zeigen, daß je nach Wahl der Temperaturerhöhung des
Umwälzwassers in den7`Heizkörpern `die Energieabgabe der Kraftmaschine kleiner,
gleich oder größer ist als die Energieaufnahme der Pumpe. Die Temperaturerhöhung,
bei der die Energieabgabe der
Kraftmaschine gerade gleich der Energieaufnahme
der Pumpe ist, hängt von dem Wirkungsgrad der beiden Maschinen ab.
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Gemäß vorliegender Erfindung soll nun die Temperaturerhöhung und damit
der zur Verhütung der Dampfbildung in den Heizkörpern erforderliche Druck so weit
gesteigert werden, daß ein Überschuß der Energieabgabe der Kraftmaschine über den
Energiebedarf der Pumpe erzielt wird. Dies ist insbesondere der Fall, wenn der Druck
im Heizkörpersystem auf die bei Hochdruckanlagen üblichen Drücke, z. B. 6o bis ioo
Atm., oder darüber gesteigert wird.
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In Abb. i ist in deri Kurven a die Energieaufnahme der Pumpen, in
den Kurven b die Energieabgabe der Kraftmaschinen aufgetragen bei Entspannung von
Wasser, das in den Heizkörpern unter einem Druck von 8o Atm. steht und auf die entsprechende
Sättigungstemperatur erwärmt ist. Bei beiden Maschinen ist dabei ein Wirkungsgrad
von etwa 7o Prozent angenommen. Es zeigt sich dabei, daß bei diesen Annahmen bei
Entspannung von 8o auf etwa 6o Atm. die Energieaufnabme der Pumpe gerade so groß
ist wie die Energieabgabe der Kraftmaschine. Bei Entspannung von 8o auf nur 7o Atm.
ist dagegen die Energieaufnahme der Pumpe um den Betrag h" größer als die Energieabgabe
der Kraftmaschine.
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Umgekehrt ist bei Entspannung des Wassers von 8o auf 2o Atm. die Energieabgabe
der Kraftmaschine um den Betrag h' größer als die Energieaufnahme der Pumpe, bei
Entspannung auf io Atm. um den Betrag la'. Bei genügend großer Entspannung wird
somit ein wesentlicher Energieüberschuß erzielt, der, wie aus der Abbildung hervorgeht,
bei Entspannung auf ao bzw. io Atm. ein Mehrfaches der Energieaufnahme der Pumpe
beträgt.
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Ein Beispiel für die Durchbildung der beschriebenen Dampferzeugungsanlage
ist in den Abb. 2 und 3 dargestellt. a ist eine Pumpe, durch die das Wasser unter
Druck, z. B. 6o Atm., gesetzt und durch die Heizrohre eines Heizkörpersystems b
gefördert wird;.c ist die Kraftmaschine, der das erhitzte Wasser zur Entspannung.
z. B. auf 15 Atm., zugeführt wird; d ist ein Wasservorratsbehälter, z. B. eine Trommel,
der das nicht verdampfte Wasser und der in der Kraftmaschine infolge der Entspannung
des überhitzten Wassers sich bildende Dampf von 15 Atm. zuströmt, e ist die Verbindungsleitung
zu dem Überhitzer f. Der beispielsweise auf 350' überhitzte Dampf von 15
Atm. kann zu beliebigemZweck, insbesondere zur weiteren Energieerzeugung in Kraftmaschinen
verwendet werden.
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Der Vorteil einer solchen Dampferzeugungsanlage gegenüber einer Hochdruckkesselanlage,
in der Dampf von 6o Atm. erzeugt wird, besteht darin, daß nur die Heizkörper b unter
dem hohen Druck von 6o Atm. stehen, während die Trommel d nur unter dem Druck des
erzeugten Dampfes, in vorliegendem Beispiel 15 Atm. steht. Hierdurch werden
die Hochdrucktrommeln vermieden, die bei Hochdruckkesselanlagen das teuerste Element
darstellen. Außerdem ist die Explosionsgefahr wesentlich geringer als bei Hochdruckkesselanlagen
der üblichen Bauart, da lediglich der Wasserinhalt des Heizröhrensystems auf die
dem Hochdruck entsprechende Temperatur erhitzt wird, dieser Wasservorrat aber verhältnismäßig
klein ist.
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Außerdem können bestehende Kesselanlagen in der Weise für Hochdruck
umgebaut werden, daß durch das Heizkörpersystem Wasser unter erhöhtem Druck gefördert,
in diesem erwärmt und in der Kraftmaschine auf den in der Anlage üblichen Druck,
z. B. 15 Atm., entspannt wird. Dabei ist erforderlichenfalls das Heizkörpersystem
auszuwechseln, während die Trommel beibehalten werden kann. Wird die dann sich bildende
Dampfmenge auf den Enddruck entspannt, so werden auch besondere Dampfturbinen durch
den Übergang auf höheren Druck erspart.
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Da die das Heizkörpersystem b durchströmende Wassermenge bestimmt
ist durch die Förderung der Pumpe a, die Pumpe selbst aber etwa auftretenden Schwankungen
in der Wärmezufuhr nicht stoßweise folgen wird, wirken sich solche Schwankungen
in der Wärmezufuhr zunächst in der Weise aus, daß bei momentaner Steigerung der
Wärmezufuhr die Endtemperatur des Umlaufwassers erhöht wird und umgekehrt. Will
man deshalb in allen Betriebszuständen Dampfbildung in den Heizkörpern verhüten,
so darf im Normalbetrieb die in den Heizkörpern erreichte Wassertemperatur die dem
Druck entsprechende Sättigungstemperatur nicht erreichen.
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Für den Betrieb der Kraftmaschine c ist es außerdem zweckmäßig, dieser
immer Wasser von nahezu derselben Temperatur zuzuführen. Geringe Schwankungen stören
den Betrieb nicht.
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Die auftretenden Stöße in der Belastung oder der Wärmezufuhr können
nun dadurch gemildert werden, daß ein Teil des Heizkörpersystems, z. B. das der
Feuerung am nächsten liegende, aus dem Umwälzkreislauf ausgeschieden und- unmittelbar
an die Trommel d angeschlossen wird, wobei in diesem nur niedergespannter Dampf,
im vorliegenden Beispiel also Dampf von 15 Atm., unter natürlichem Wasserumlauf
erzeugt wird.
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Um eine möglichst tiefe Abkühlung der Rauchgase in dem Kessel zu ermöglichen,
kann außerdem hinter dem Heizkörpersystem mit künstlichem Wasserumlauf ein Heizkörper-3ystem
mit natürlichem Wasserumlauf angerdnet sein, in dem Dampf niederen Drucks (im
vorliegenden
Beispiel von 15 Atm.) erzeugt wird, da in diesem System sich dann die einem Druck
von 15 Atm. entsprechende Sättigungstemperatur einstellt.
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Der in dem System mit natürlichem Umlauf erzeugte Dampf mischt sich
in der Trommel d mit dem aus der Kraftmaschine c kommenden Dampf und wird gemeinsam
mit diesem in dem Uberhitzer f überhitzt.
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Die Abscheidung des bei der Entspannung sich bildenden Dampfes erfolgt
in der Kraftmaschine. Diese wird deshalb zweckmäßig mit einem Sammler versehen.
Da außerdem ein Teil der bei Dampferzeugungsanlagen sich bildenden Abscheidungen
bei der Ablösung des Dampfes auftreten, werden bei der Kraftmaschine Entschlammungseinrichtungen
vorgesehen.
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Der Nt'asserdurchfluß durch die Heizkörper ist auf der einen Seite
abgeschlossen durch die Pumpe bzw. die Rückschlagklappe, auf der anderen Seite durch
das Einlaßventil zu der Kraftmaschine. Setzt die Pumpe aus, so könnte es eintreten,
daß das in den Heizkörpern befindliche Wasser nach beiden Richtungen abgeschlossen
ist, so daß bei weiterer Wärmezuführung Dampfbildung und eine unbestimmte Drucksteigerung
eintreten kann, die unter Umständen zur Zerstörung der Heizkörper führt. Um dies
zu vermeiden, werden Sicherheitsventile angebracht, durch die in den Heizkörpern
etwa sich bildender Dampf abblasen und in die Trommel d geleitet werden kann. Außerdem
ist eine Regelvorrichtung für die Brennstoff- bzw. Rauchgaszufuhr vorgesehen, die
in Abhängigkeit von dem Druck oder der Wassergeschwindigkeit in den Verbindungsröhren
oder in den Heizkörpern in der Weise betätigt wird, daß sie die Wärmezufuhr zu den
Heizkörpern vermindert oder ganz einstellt, wenn infolge Stillstand der Pumpe der
Druck oder die Wassergeschwindigkeit in den Heizkörpern sich ändert.
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Um auch beim Aussetzen der Pumpe die Kesselanlage weiterbetreiben
zu können, sind die Umgehungsleitungen (h, h) mit Ventilen (9l. 92) vorgesehen,
die selbsttätig öffnen, wenn die Pumpe aussetzt. Zweckmäßig werden diese Ventile
oder Rückschlagklappen so betätigt, daß sie unter Gewichts- oder Federbelastung
öffnen, wenn der Druck oder die Geschwindigkeit im Umwälzkreislauf fällt, «nährend
sie beim Gang der Pumpe durch den von der Pumpe erzeugten Druck oder die Geschwindigkeit
des Wassers geschlossen gehalten werden. Die Wirkungsweise ist in der Abb..l und
5 näher erläutert. y1 ist das Rückschlagventil hinter der Pumpe, das schließt, wenn
der Druck an der Pumpe a abfällt, g1 ist ein Ventil, das durch den Druck im Leitungsstück
zwischen Pumpe a und Rückschlagventil rl durch Vermittlung einer Steuerleitung q
gesteuert wird. Fällt der Druck in q, so öffnet das Ventil g, Für die Wirkungsweise
ist es gleichgültig, ob die Steuerleitung q hinter der Pumpe oder an einer Druckstufe
der Pumpe mit dem Umlaufkreislauf verbunden ist.
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In Abb. 5 sind mehrere Umgehungsleitungen angegeben. Die in den einzelnen
Leitungen angeordneten Ventile g1 bis g. werden von derselben Steuerleitung q aus
gesteuert, zweckmäßigerweise jedoch so, daß sie infolge verschiedener Gewichts-
oder Federbelastung nicht gleichzeitig, sondern nacheinander öffnen.
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Um die zur Ableitung der im Überschuß erzeugten Energie dienende Maschine,
z. B. einen elektrischen Generator, zu entlasten, kann die Pumpe unmittelbar mit
der Kraftmaschine - z. B. auf derselben Welle oder über ein Vorgelege - gekuppelt
werden, so daß nur die überschüssige Energie abgeleitet werden muß. Diese Anordnung
hat außerdem den Vorteil, daß diese Arbeitsmaschine so gebaut werden kann, daß sie
während der Anfahrperiode, während der die Kraftmaschine noch keine Energie liefert,
die Pumpe anzutreiben vermag, z. B. eine Maschine, die abwechselnd als Motor oder
Generator läuft.
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Mit Rücksicht auf die besonderen Betriebsbedingungen der Kraftmaschine
c kommen in erster Linie Freistrahlturbinen in Frage. Bei diesen muß der Raum, in
dem sich das Laufrad bewegt, von Wasser freigehalten werden. Dies- ist ohne weiteres
zu erreichen, wenn die Kraftmaschine höher steht als die Trommel d.
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In vielen Fällen, z. B. bei direkter Kupplung mit der Pumpe, der das
Wasser zulaufen muß, wird sie mit Rücksicht auf die Gesamtanordnung tiefer aufgestellt
werden müssen. Um auch hierbei das Gehäuse der Kraftmaschine c von Wasser freizuhalten,
wird in der Dampfleitung, die diese mit der Trommel .d verbindet, eine Drosselvorrichtung
k (Abb. 3) eingeschaltet, durch die ein der Niveaudifferenz entsprechender Druckabfall
zwischen dem Gehäuse und der Trommel hervorgerufen wird. - Die Drosselvorrichtung
kann in Abhängigkeit von einem Schwimmer gesteuert werden, der in dem Gehäuse h
angeordnet ist. Das Ventil k ruft jedoch die angestrebte Wirkung nur dann hervor,
wenn die Anlage in Betrieb ist und Dampf erzeugt, der das Ventil in der Richtung
nach der Trommel durchströmt. Um auch beim Anfahren das z. B. während des Stillstandes
sich ansammelnde Wasser aus der Kraftmaschine c zu entfernen, ist ein Injektor b
angeordnet. Als Treibflüssigkeit ist im vorliegenden Falle das Speisewasser vorgesehen.
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Bei schwankender Belastung würde der Wirkungsgrad der Kraftgewinnung
wesentlich zurückgehen, wenn man die künstlich umlaufende Wassermenge, die der höchstmöglichen
Wärmezufuhr
entsprechen muß, nicht regulieren wollte, besonders
da dann die Turbine mit stark wechselndem Druck zu arbeiten hätte. Um dies zu verhindern,
wird man mit bekannten Mitteln die MTassermenge so regeln, daß eine möglichst konstante
Temperaturdifferenz innegehalten wird, wobei die Charakteristik der Pumpe entsprechend,
d. h. in der Regel möglichst flach zu gestalten ist. Die Regelung wird durch entsprechende
Querschnittsregelung bei der Turbine erfolgen, wobei diese Querschnitte nicht unter
eine Grenze gehen dürfen, die durch die Pumpencharakteristik beschränkt ist. Bei
konstanter Temperaturerhöhung wird auch "die je KilogrammUmwälzwasser frei werdende
Energie konstant.
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Um den Energiebedarf der Pumpe a möglichst gering zu halten, ist es
erforderlich, das umgewälzte Wasser in den Heizkörpern b nahe an die dem Druck entsprechende
Sättigungstemperatur zu erwärmen. Um dies an allen Stellen gleichmäßig zu ermöglichen
und dadurch Dampfbildung an einzelnen Stellen zu verhüten, werden die parallel geschalteten
Heizrohre mit verschiedenem Durchmesser versehen, so daß diejenigen Rohre, die der
diVekten Bestrahlung oder den Gasen mit höherer Temperatur ausgesetzt sind, weiter
bemessen werden, damit sie entsprechend der höheren Wärmezufuhr eine größere Wassermenge
durchströmt als die übrigen Rohre.