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Verfahren und Einrichtungen zur Erzeugung von Dampf. Die Aufgabe,
die der Erfindung zugrunde liegt, besteht darin, bei Dampfanlagen, insbesondere
Dampfanlagen für hochgespannten Dampf, unter Vermeidung der Schwierigkeiten, die
mit der direkten Aufspeicherung hochgespannten Dampfes verbunden sind, einen Ausgleich
zwischen Wärmeanfall und Wärme- (Dampf-) Verbrauch herbeizuführen.
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Diese Aufgabe ist an sich nicht neu. So hat man bereits bei einer
besonderen Art von Dampferzeugern, die insbesondere für U-Boote gedacht waren, und
bei denen die Beheizung des eigentlichen Dampferzeugers durch eine umlaufende Heizflüssigkeit
von höherem Siedepunkt als Wasser erfolgte, in den Strom dieser Heizflüssigkeit
einen Wärmespeicher eingeschaltet, der überschüssige Mengen der Heizflüssigkeit
aufnahm, um sie wieder abzugeben, wenn größere Mengen Dampf erzeugt werden mußten,
als durch die normale Menge der umlaufenden Heizflüssigkeit erzeugt werden konnten.
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Bei diesen bekannten Einrichtungen erfolgt die Beheizung des eigentlichen
Dampferzeugers aber durch die Heizflüssigkeit selbst, und deren Strom wurde der
jeweiligen Dampfentnahme entsprechend unter Zuhilfenahme des Speichers geregelt,
wobei der Flüssigkeitsspiegel der Heizflüssigkeit im Speicher je nach dem Ladezustand
des Speichers schwankte.
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Demgegenüber wird gemäß vorliegender Erfindung nicht mit Mengenschwankungen,
sondern mit Druckschwankungen innerhalb der Heizflüssigkeit gearbeitet, und die
Erfindung bezieht sich ferner auf solche Dampfanlagen, bei denen die Wärmeübertragung
auf den eigentlichen dampferzeugenden Kesselteil durch kondensierenden Dampf eines
besonderen Wärmeübertragungsmittels bewirkt wird, wodurch die Wärmeübertragung infolge
der weit besseren Wärmeübergangskoeffizienten zwischen kondensierendem Dampf und
den Wänden des Hochdruckdampferzeugers gegenüber der bekannten Einrichtung eine
wesentlich bessere wird. Diese Art der tibertragung ist aber für die vollkommene
Lösung der Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, von grundsätzlicher Bedeutung,
da die Einrichtung nach der Erfindung, die ja gewissermaßen einen indirekten Speicher
darstellt, imstande sein muß, gegebenenfalls in kürzester Zeit sehr große Mengen
von Hochdruckdampf abgeben zu können.
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An und für sich sind Einrichtungen mit indirekter Wärmeübertragung
durch kondensierenden Dampf eines Zwischenmittels von hohem Siedepunkt allerdings
ebenfalls bekannt (schweiz. Patentschrift ror z53).
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Diese bekannten Dampferzeuger sind jedoch bisher nie anders betrieben
worden als gewöhnliche Kessel, d. h. der Druck in den das Wärmeübertragungsmittel
enthaltenden Behältern (Primärkesseln) wurde konstant gehalten und die Wärmezufuhr
zu diesen Kesseln
den jeweiligen Dampfanforderungen entsprechend
geregelt. Man hat bisher nicht erkannt, daß diese bekannten Kessel, wenn sie zielbewußt
nach den Grundsätzen des Wärmespeicherprin.ips betrieben werden, eine außerordentlich
wi.kungsvclle Vorrichtung darstellen, die gewissermaßen geLignet ist, indirekt hochgespannten
Dampf von beliebig hohem Druck zu speichern, und daß sie einen vollkommenen Wärmeausgleich
ohne besondere Hochdruckspeicherbehälter ermöglichen, weil die Speicherung selbst
infolge der . Verwendung besonderer Wärmeübertragungsmittel von hohem Siedepunkt
vollständig in das Niederdruckzebiet verlegtwerdenkann.
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Man hat allerdings auch bereits bei Dampferzeugern ganz ähnliche Stoffe
als Wärmeübertragungsmittel zwischen den Feuergasen und dem Sekundärkessel angewandt
und in diesen Stoffen Druck- und Temperaturschwankungen zugelassen (U. S. A. Patent
12 5 12 62). Doch erfolgte bei diesen Einrichtungen wiederum die Wärmeübertragung
nicht durch kondensierenden Dampf, sondern mittels der Flüssigkeit selbst, wodurch
infolge der wesentlich kleineren Wärmeübergangszahlen die Aufgabe, die der Erfindung
zugrunde liegt, nicht restlos gelöst werden kann.
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.' Erst -durch die Kombination der vorher erwähnten Einrichtungen
mit einer Betriebsweise, wie sie an und für sich ebenfalls als bekannt zu gelten
hat; kann die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, wirklich als
gelöst gelten.
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Die Erfindung kennzeichnet sich demnach als ein Verfahren zur Erzeugung
von hochgespanntem Dampf, unabhängig von der jeweiligen Wärmezufuhr, gemäß welchem
der hochgespannte Dampf in einem Dampferzeuger erzeugt wird, der in an sich bekannter
Weise durch kondensierenden Dampf eines Wärmeübertragungsmittels beheizt wird, dessen
Dampf eine höhere Kondensationstemperatur als der Verbrauchsdampf besitzt und wonach,
um die Unabhängigkeit zwischen den anfallenden Wärmemengen und der zur Erzeugung
des Verbrauchsdampfes erforderlichen Wärmemengen zu gewährleisten, die anfallenden
überschüssigen Wärmemengen in dem Wärme übertragungsmittel unter Druck bzw. Temperaturerhöhung
aufgespeichert werden, um unter Druck- bzw. Temperatursenkung bei erhöhter Dampfentnahme
abgegeben zu werden, so daß die Einrichtung gewissermaßen wie ein indirekt wirkender
Speicher für hochgespannten Dampf wi-kt.
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Die Temperaturdruckkurven einiger Stoffe, die als Übertragungsmittel
im Sinne der Erfindung Verwendung finden können, sind in Abb. i der Zeichnung wiedergegeben.
Die Kurve I ist die Kurve für Wasser; als Beispiel für leicht zu verflüchti-ende
Stoffe bezieht sich die Kurve Il auf Schwefelkohlenstoff. Andere Stoffe wiederum
liegen jenseits der Wasserkurve. Die Kurve III gilt für Naphthalin, Kurve IV für
Que.:k3ilber und Kurve V für Schwefel. Genau wie bei Ruthsspeichern kann man diese
schwer zu verflüchtigenden Stoffe mit Vorteil verwenden, um bei höheren Temperaturen
große Wärmemengen aufzuspeichern, ohne daß allzu große Dampfdrücke hierfür erforderlich
sind. Die Grundeigenschaft des Ruthsspeichers, daß die Temperatur des Flüssigkeitsmittels
genau dem Dampfdruck oberhalb der Flüssigkeit entspricht, bleibt also beibehalten,
wobei wie beim Ruthsspeicher große Temperatur und Druckgefälle zugelassen werden.
Die einfachste Art eines solchen Speichers ist in Abb.2 der Zeichnung schematisch
veranschaulicht. Es ist hier ein gewöhnlicher Dampfkessel D zu einem Dampferzeuger
und Wärmespeicher dadurch umgebildet, daß er anstatt mit Wasser mit einem der zuletzt
genannten Stoffe, z. B. Naphthalin, Phenanthren, Quecksilber o. dgl., gefüllt ist.
Dieser Stoff -nimmt nun unter Temperatur- und Druckzunahme die Wärme vom Feuer auf.
Der Verbsrauchsdampf wird in einem im Dampfraum des Kessels D angeordneten -kleinen
Dampferzeuger A, der für beliebig hohen Druck gebaut werden kann, erzeugt. Der Einfachheit
halber ist in der Zeichnung lediglich eine einfache Rohrschlange dargestellt.
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Wird nun Dampf gebraucht, so wird in diesem Falle - beispielsweise
durch eine Pumpe P Wasser in den kleinen Dampferzeuger A hineingepumpt, dort verdampft
und als Dampf beliebiger Spannung durch die Leitung L- zum Verbraucher hingeleitet.
Wird kein oder wenig Dampf benötigt, so wird die Temperatur und der Druck des Inhalts
des Primärkessels D steigen; wird wiederum aus dem Dampferzeuger A mehr Dampf entnommen,
so sinkt der betreffende Druck, immer aber besteht der physikalisch -bedingte -Zusammenhang
zwischen dem Druck im Dampfraume des Speicherkessels D und der Temperatur seines
Flüssigkeitsinhalts. Als Flüssigkeit können natürlich auch Stoffe verwendet werden,
die bei gewöhnlicher Temperatur fest sind, wie z. B. Naphthalin, Phenanthren, Schwefel,
gewisse Metalle u. dgl. Bei kompliziert aufgebauten Verbindungen ist darauf Rücksicht
zu nehmen, daß die Prozesse umkehrbar sind, so daß innerhalb. der verwendeten Druck-
und Temperaturgrenzen keine Zersetzung -stattfindet. Der Vorgang muß also rein physikalischer
und nicht chemischer Natur sein.
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Nimmt man beispielsweise an; in einem reit
Naphthalin
gefüllten Kessel sollen Druckschwankungen von 6 bis i Atm. zugelassen werden, wobei
die Temperatur des Naphthalins ungefähr zwischen 315 und 215' schwankt, so
kann, wenn in dem kleineren Dampferzeuger A mit gewöhnlichem Wasser gearbeitet wird,
diesem ständig Dampf mit einer Sättigungstemperatur von mindestens etwa zoo° entnommen
werden, d. h. also Dampf von 16 Atm. "mindestens. Bei Verwendung von geeigneten
Stoffen lassen sich in dieser Weise beliebig hohe Dampfdrücke, z. B. Drücke von
Zoo Atm. und mehr, sowie beliebig hohe Überhitzung erzielen.
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Selbstverständlich können anstatt eines Speicherkessels eine Reihe
von solchen Kesseln verwendet werden, die gegebenenfalls auf einen einzigen Dampferzeuger
arbeiten. Eine solche Ausführungsform der Erfindung zeigt Abb. 3. Hier sind die
Dampfräume aller Speicherkessel durch eine Leitung L1 verbunden, die in einen nach
Art der Oberflächenkondensatoren arbeitenden kleinen BehälterB einmündet, in dem
der eigentliche Verbrauchsdampferzeuger A eingebaut isst und von welchem das Kondensat
durch freien Fall oder unter Verwendung von Speisepumpen den Speicherkesseln wieder
zugeführt wird. In vielen Fällen kann auch die Anordnung getroffen werden, daß der
Behälter B so lang gemacht wird, daß genügend Raum für die Schwankungen des Wasserstandes
im Boden desselben vorhanden ist, so daß Behälter und Kessel nach Art kommunizierender
Röhren verbunden sind.
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Es kann die Anordnung auch nach Abb. q. getroffen werden, wo der KeS°el
D hauptsächlich als Erzeuger der Wärmeübertragungsdämpfe dient und wo die eigentliche
Speicherung in einem vom Kessel getrennten, gut isolierten Speicher S ausgeführt
wird, in dessen Flüssigkeitsinhalt der im Primärkessel erzeugte Dampf eingeleitet
und kondensiert wird, und von dessen tiefster Stelle die Rückleitung der Flüssigkeit
zum Kessel erfolgt. In diesem Falle können selbstverständlich auch mehrere Dampferzeuger
bzw. mehrere Kessel parallel geschaltet werden. Der eigentliche kleinere Verbrauchsdampferzeuger
A wird in diesem Falle in dem Dampfdom des großen Speichers angeordnet, der in gewissen
Fällen, wie Abb. 5 zeigt, recht große Abmessungen annehmen kann. Bei der Ausführungsform
nach Abb. 5 sind als Kessel Wasserrohrkessel gedacht, und der eigentliche Verbrauchsdampferzeuger
A ist hoch gelagert und -mittels einer weiten Leitung L2 mit dem Wärmespeicher S
verbunden. Der Dampferzeuger A ist wiederum in einem besonderen Behälter B angeordnet,
und es kann die Anordnung so getroffen werden, daß bei höchstem Flüssigkeitsstand
der untere Speicher S etwa voll aufgeladen ist. Es kann auch der Dampf von oben
in den Behälter B eingeführt werden. Auch hier werden selbstverständlich die beiden
BehälterB und S -gut isoliert.
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In vielen Fällen wird es zweckmäßig sein, den Kessel bzw. die Kessel
nach den Abb. a und 3 oder den Behälter und den eigentlichen Speicher S nach den
Abb. ¢ und 5 nicht nur mit der betreffenden Flüssigkeit, sondern noch mit einem
zusätzlichen Füllstoff zu füllen, wodurch in vielen Fällen die Anlagekosten erheblich
herabgesetzt werden. Als solcher Stoff kommt beispielsweise zweckmäßig Gußeisen
o. dgl. in Frage, das bei geringem Rauminhalt große Mengen Wärme aufzuspeichern
imstande ist, von welcher Eigenschaft des Eisens bereits R a t e a u bei seinen
ersten Speichern Gebrauch machte. Auch Erze, Hochofenschlacken und gewisse Steinarten
eignen sich besonders als zusätzlicher Füllstoff. Die Art der Heizung der Kessel
kann beliebig sein, sie können mit Kohle, Gas, Rohöl, Abhitze o. dgl. oder _auch
mit elektrischer überschußkraft ia b--kannter Weise beheizt werden.
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Die Erfindung läßt sich auch unter Verwendung vorhandener alter Kessel.
ausführen. Selbst wenn derartige Kessel nur für geringen Druck gebaut sind, kann
mit ihnen, wenn sie im Sinne der Erfindung mit einer passenden zu verdampfenden
Flüssigkeit gefüllt werden und ihnen gegebenenfalls ein besonderer Speicher nach
Abb. q. und 5 parallel geschaltet wird, jederzeit Dämpf von beliebig hoher Spannung
und Menge erzeugt werden. Die Heizung der Kessel hat also wie beim Ruthsspeicher
nur etwa nach dem mittleren Dampfverbrauch der Anlage zu erfolgen, währenddem die
Spitzenleistung durch Druckabfall und Temperaturerniedrigung des verwendeten Speicherstoffes
oder auch des eingelagerten Eisens o. dgl. gedeckt wird. Selbstverständlich gleicht
die Anlage auch Schwankungen in der Brennstoffzufuhr aus, was z. B. bei überschußgasen
wichtig ist.
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Abb. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Erfindungsgedankens,
die jedoch nicht so zweckmäßig erscheint. Es wird hier die Flüssigkeit zwischen
Kessel und Speicher mittels einer UmlaufpumpeP umgewälzt.
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Schließlich kann der im Kessel D erzeugte Dampf unmittelbar in den
Dampfraum des Speichers S übergeführt und in diesem durch die Flüssigkeit des Speichers
niedergeschlagen werden, die zu diesem Zweck durch eine Pumpe P aus dem Flüssigkeitsraum
in den Dampfraum übergeführt wird, wie die Abb. 7 veranschaulicht.