DE454461C

DE454461C - Thermal power process for multi-fuel steam turbines

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Publication number: DE454461C
Application number: DEK96117D
Authority: DE
Original assignee: LUISE KORNDOERFER GEB JOACHIM
Current assignee: LUISE KORNDOERFER GEB JOACHIM
Priority date: 1925-10-08
Filing date: 1925-10-08
Publication date: 1928-01-11

Description

Wärmekraftverfahren für Mehrstoffdampfturbinen. Das Verfahren bezweckt die Erhöhung der Wirtschaftlichkeit von bestehenden und neuen Dampfturbinenanlagen.Thermal power process for multi-fuel steam turbines. The purpose of the procedure is increasing the profitability of existing and new steam turbine systems.

Mehrstoffdampfmaschinen oder Dampfturbinen erhöhen bekanntlich das nutzbare Wärmegefälle der Anlage und damit auch deren thermischen Wirkungsgrad, welcher sich theoretisch nach der Carnotschen Formel berechnen läßt. Praktisch ist :es von Wichtigkeit, den Wert für T1, d. h. die obere Temperatur der Wärmezuführung, so hoch als möglich zu treiben, da sich anderseits der Wert für T., d. h. die Temperatur des Abdampfes oder der Abwärme, bekanntlich nicht tiefer als etwa 3i3° abs. = 4.o° halten läßt.As is well known, multi-fuel steam engines or steam turbines increase the usable heat gradient of the system and thus also its thermal efficiency, which is theoretically based on Carnot's formula lets calculate. In practice, it is important to drive the value for T1, i.e. the upper temperature of the heat supply, as high as possible, since on the other hand the value for T, i.e. the temperature of the exhaust steam or waste heat, is known not to be lower than about 3i3 ° abs. = 4.o ° can be held.

Die bereits ausgeführten Mehrstoffdampfmaschinen mit Verwendung von Quecksilberdampf in der oberen Wärmegefällsstufe haben sich nicht bewährt, weil hochgespanntex Quecksilberdampf -in den Rohrverbindungen, Ventilen und der Turbine nicht dicht zu halten war und bei der großen Giftigkeit dieses Dampfes und dem hohen Preis dieses Metalls das Arbeiten mit dieser Maschine unmöglich war.The already executed multi-fuel steam engines with the use of Mercury vapor in the upper heat gradient stage have not proven useful because high tension mercury vapor - in the pipe connections, valves and the turbine could not be held tight and with the great toxicity of this vapor and the high Price of this metal working with this machine was impossible.

Es war bis heute überhaupt unmöglich, Mehrstoffdampfturbinen mit über ¢0o° siedenden Treibmitteln zu bauen und zu betreiben, weil durch die geringere Festigkeit des verwendeten Baustoffes bei über 4oo° Temperatur die Gefahr bestand, daß einerseits der Kessel (Verdampfer), anderseits die Turbine durch den inneren Dampfdruck oder das Schaufelrad der Turbine durch die eigene Fliehkraft zerstört werden könnte. Auch könnte bei Verwendung von hocherhitzten, gespannten Metalldämpfen die Anlage, ebenso wie bei Quecksilberdampf, nicht dicht gehalten werden, denn Metalldämpfe durchdringen die kleinsten Undichtheiten.To this day it was at all impossible to use multi-fuel steam turbines ¢ 0o ° boiling propellants to build and operate because of the lower Strength of the building material used at temperatures above 400 ° there was a risk of that on the one hand the boiler (evaporator), on the other hand the turbine through the inner Steam pressure or the impeller of the turbine destroyed by their own centrifugal force could be. This could also occur when using highly heated, tensioned metal vapors the system, as with mercury vapor, cannot be kept tight because of metal vapors penetrate the smallest leaks.

Es wurde nun gefunden, daß durch Auswahl und Verwendung bestimmter Treibmittel einerseits und anderseits durch ein bestimmtes Arbeitsverfahren die Möglichkeit geschaffen wird, derartige Mehrstoffturbinenanlagen zu bauen und mit Dämpfen zu betreiben, deren Temperatur zur Erreichung eines hohen thermischen Wirkungsgrades im Verdampfer bis zu 6oo° getrieben werden kann.It has now been found that by selection and use certain Propellant on the one hand and on the other hand by a certain working process the Possibility is created to build such multi-fuel turbine systems and with Operate vapors, their temperature to achieve a high thermal efficiency can be driven up to 600 ° in the evaporator.

Die hierfür gefundenen Treibmittel sind die nicht giftigen, leicht schmelzbaren Alkalimetalle, im besonderen das Metall Kalium (im folgenden nach der chemischen Formel K. genannt) sowie eine Beimischung zu diesem von Natriummetall (im folgenden Na genannt) in dem Verhältnis von q. Gewichtsteilen K und i Gewichtsteil Na.The propellants found for this are non-toxic, light ones fusible alkali metals, in particular the metal potassium (in the following after the chemical formula called K.) as well as an admixture of sodium metal (hereinafter referred to as Na) in the ratio of q. Parts by weight K and i part by weight N / A.

Auf den thermischen Wirkungsgrad hat diese Mischung der beiden Metalle keinen Einfluß und genügt in dieser Richtung die Verwendung von K allein, aber dieses Metall erstarrt in den Rohrleitungen bei Abkühlung unter 62,5°, kann also zu Betriebsstörungen Anlaß geben, während die genannte KNa-Legierung erst unter o° erstarrt, also in der Anlage stets flüssig bleibt.This mixture of the two metals has on the thermal efficiency has no influence and in this direction the use of K alone is sufficient, but this one Metal solidifies in the pipelines when it cools below 62.5 °, so it can cause operational malfunctions Give rise to the aforementioned KNa alloy solidified only below o °, thus always remains liquid in the system.

Die beiden wesentlichsten neuen Merkmale des Verfahrens der Erfindung beruhen nun darauf, daß a) in der genannten (später noch näher erklärten) Dampfturbinenanlage, soweit dieselbe mit K- oder IZ-Na-Dampf oder flüssigem Metall in Berührung kommt, jede Spannung über Atmosphärendruck vermieden und im Kessel (Verdampfer) des K oder KNa ein durchschnittlicher Betriebsdruck von ungefähr o,3 Atm. abs. gehalten wird. Die Kondensatorspannung des Turbinenabdampfes beträgt ungefähr o,i Atm. abs.The two main new features of the method of the invention are now based on the fact that a) in the steam turbine plant mentioned (which will be explained in more detail later), as far as it comes into contact with K or IZ-Na vapor or liquid metal, any tension above atmospheric pressure is avoided and in the boiler (evaporator) of the K or KNa an average operating pressure of approximately 0.3 atm. Section. is held. The condenser voltage of the turbine exhaust steam is approximately 0.1 atm. Section.

b; entsprechend obigen genannten Druckverhältnissen nur mit kleinen Spannungsgefällen von ungefähr 0,7 Atm. gearbeitet wird.b; according to the above-mentioned pressure conditions only with small voltage gradients of approximately 0.7 atm. is being worked on.

Die wirtschaftlichen und technischen Vorteile, welche nun durch die Verwendung von K oder KNa als Treibmittel und durch die. Anwendung der letztgenannten beiden Maßnahmen erzielt werden, sind folgende i. Ein hoher thermischer Wirkungsgrad, der im späteren Teil noch zahlenmäßig dargestellt ist und auf dem hohen Wert von T1 = 373° abs. oder 6oo° beruht.The economic and technical advantages that the Use of K or KNa as a propellant and by the. Application of the latter Both measures are achieved, the following are i. A high thermal efficiency, which is shown numerically in the later part and on the high value of T1 = 373 ° abs. or 6oo ° is based.

2. Ein gefahrloser Betrieb des Kessels und der Dampfturbine, weil kein innerer Dampfdruck vorhanden ist, der zur Zerstörung führen könnte.2. Safe operation of the boiler and the steam turbine because there is no internal vapor pressure that could lead to destruction.

3. Ein leichtes, vollständiges Abdichten, weil ein Eindringen atmosphärischer Luft von außen nach innen mit den üblichen Dichtungsmitteln vermieden werden kann.3. Easy, complete sealing because penetration is more atmospheric Air from the outside to the inside can be avoided with the usual sealants.

Vermeidung der Zerstörungsgefahr des Turbinenschaufelrades durch die eigene Fliehkraft, weil infolge des niederen Spannungsgefälles und der geringen-Düsengeschwindigkeit des K- oder KNa-Dampfes eine niedere Umlaufzahl gehalten werden kann.Avoidance of the risk of destruction of the turbine impeller by the own centrifugal force because of the low voltage gradient and the low nozzle speed of the K or KNa steam can be kept at a low number of revolutions.

5. Trotz dieser geringen Umlaufzahl der Dampfturbine wird die letztere leistungsfähig sein, weil der K- oder KNa-Dampf etwa, iomal schwerer ist als der Wasserdampf, infolgedessen die Stoßwirkung dieses Dampfes etwa iomal höher ist als diejenige des Wasserdampfes bei gleicher Düsengeschwindigkeit. Natürlich wird bei gleichem Spannungsabfall die Düsengeschwindigkeit des K- oder KNa-Dampfes auch etwa i omal kleiner sein als bei Wasserdampf, wodurch die erwähnte geringe Umlaufzahl der Turbine. ebenso bedingt ist. In Ergänzung zu obigem Punkt i ist noch folgendes zu erwähnen: Kalium siedet unter normalem Luftdruck bei 667° und unter dem Vakuum des grünen Katodenlichtes bereits bei 365° (nach L a n -d o 1 t - B ö r n s t e i n , Chemisch-Physikalische Tabellen). Für die obengenannte KN,a-Legierung kann ungefähr dieselbe Siedetemperatur angenommen werden, denn reines Natrium siedet bei 742° und unter genanntem Vakuum bei 4r3°, da aber nach dem Daltonschen Gesetze sich die Siedepunkte bei Mischungen etwas erniedrigen, so kommen dieselben dem reinen Kalium ungefähr gleich.5. Despite this low number of revolutions of the steam turbine, the latter be efficient because the K or KNa vapor is about iomal heavier than that Water vapor, as a result of which the impact of this vapor is about ten times greater than that of the water vapor at the same nozzle speed. Of course, with the same voltage drop is the nozzle speed of the K or KNa steam i omal smaller than with water vapor, whereby the mentioned low number of revolutions the turbine. is also conditional. In addition to point i above, there is the following To mention: Potassium boils under normal air pressure at 667 ° and under vacuum of the green cathode light already at 365 ° (according to L a n -d o 1 t - BÖ r n s t e i n, chemical-physical tables). For the above KN, a alloy can approximately the same boiling temperature can be assumed, because pure sodium boils at 742 ° and under the mentioned vacuum at 4r3 °, but there according to Dalton's law if the boiling points of mixtures are somewhat lower, they come to the pure ones Potassium roughly the same.

Wenn also K oder KNa unter dem obenerwähnten Druck von o,3 Atm. abs. verdampft wird, so herrscht im Verdampfer eine ungefähre Temperatur von etwa 6oo°. Im Kondensator wird bei einem Druck von o, i Atm. abs. eine Temperatur von etwa 4oo° entwickelt werden und dabei die gesamte latente Abdampfwärme bei dieser Temperatur frei werden. Dieselbe kann entweder zur Verdampfung eines zweiten Arbeitsmittels oder zur Überhitzung von gespanntem Wasserdampf oder zu sonstigen Heizzwecken verwendet werden.So if K or KNa under the above mentioned pressure of 0.3 atm. Section. is evaporated, there is an approximate temperature of about 600 ° in the evaporator. In the condenser at a pressure of 0.1 atm. Section. a temperature of about 4oo ° can be developed and thereby the entire latent heat of vaporization at this temperature get free. The same can either be used to vaporize a second working medium or used to overheat pressurized steam or for other heating purposes will.

Das nutzbare Wärmegefälle beträgt also bei obengenanntem Spannungsab:all rund 2oo° für die erste, d. h. oberste Wärmegefällsstufe. Wenn nun die zweite Wärmegefällsstufe mit einem Arbeitsmittel ausgenutzt wird, so könnte in dieser das Wärmegefälle von 4oo° auf 2oo° nutzbar gemacht werden.With the above-mentioned voltage drop, the usable heat gradient is: all around 2oo ° for the first, i.e. H. top heat gradient. If now the second heat gradient is used with a work equipment, so the heat gradient of 4oo ° to 2oo ° can be made usable.

In der dritten Wärmegefällsstufe von 2oo° auf 4o° würde dann Wasserdampf in bekannter Weise und unter Benutzung bestehender Dampfturbinenanlagen arbeiten.In the third heat gradient from 2oo ° to 40 °, water vapor would then be produced work in a known manner and using existing steam turbine systems.

Damit würde ein lückenloses Wärmegefälle von 6oo° auf 40° - 56o° erzielt, was nach der Carnotschen Formel .einem verlustfreien thermischen Wirkungsgrad von rund 64 Prozent gleichkäme. Zieht man hiervon ein Drittel für praktische Verluste ab, so verbleibt ein effektiver thermischer Wirkungsgrad einer solchen Kraftanlage von etwa 42 Prozent.This would achieve a complete heat gradient from 6oo ° to 40 ° - 56o °, which, according to Carnot's formula, has a loss-free thermal efficiency of around 64 percent would be the same. If one takes a third of this for practical losses from, an effective thermal efficiency of such a power plant remains of about 42 percent.

Unter den vielen praktischen Ausführungsarten, welche nach dem Verfahren der Erfindung möglich sind, ist in der zugehörigen Abbildung ein Ausführungsbeispiel dargestellt, wie es nach den bisherigen Erfahrungen auf ähnlichen Gebieten in seinen Hauptbestandteilen grundsätzlich beschaffen sein muß.Among the many practical designs that can be found according to the method of the invention are possible, an exemplary embodiment is shown in the accompanying figure shown as it is based on previous experience in similar areas in his The main components must be of a fundamental nature.

In dem gußeisern@en Kessele wird das flüssige Kalium-Natrium-Gemisch c beia etwa 6oo° unter ungefährem Druck von o,3 Atm. abs. verdampft. Zur Vergrößerung der Heizflache besitzt der Kessel eine Anzahl senkrechter Siederohre b, die sich frei nach unten ausdehnen können und vom Feuer e oder den wagerecht durchstreichenden Feuergasen erhitzt werden. Aus diesem Grunde ist der Kessel a. beliebig tief gedacht, und der Abzug der Feuergase findet hinter demselben statt.The liquid potassium-sodium mixture is in the cast iron kettle c at about 600 ° under an approximate pressure of 0.3 atm. Section. evaporates. To enlarge the boiler has a number of vertical boiler tubes b, which are located on the heating surface can freely expand downwards and from the fire e or the horizontally crossing Fire gases are heated. For this reason the boiler is a. thought arbitrarily deep, and the exhaust of the gases from the fire takes place behind it.

Die noch heißen, abziehenden Rauchgase können dazu benutzt werden, das zuströmende flüssige KNa von der Kondensatortemperatur von 400'' auf die Kesseltemperatur von 6oo° vorzuwärmen, und hierauf noch durch einen Zugluftvorwärmer zur Vorerhitzung der Frischluft zur Feuerung verwendet werden. Diese Zugluftvorwärmung ist zur Erzielung eines hohen thermischen Wirkungsgrades unbedingt nötig.The still hot, exhausting smoke gases can be used to the inflowing liquid KNa from the condenser temperature of 400 '' to the boiler temperature of 6oo ° to preheat, and then through a draft preheater can be used to preheat the fresh air for firing. This draft preheating is absolutely necessary to achieve a high thermal efficiency.

Der Kessel selbst ist durch die Einmauerung und Isolierung/ gegen Wärmeverluste geschützt, ebenso der Deckel d, der gleichzeitig als Dampfdom dient.The boiler itself is due to the walling and insulation / against Heat loss is protected, as is the lid d, which also serves as a steam dome.

Der entwickelte Dampf strömt dann durch Rohr g zur Dampfturbine h, die infolge der geringen Düsengeschwindigkeit des durchströmenden KNa-Dampfes nur mit einem einzigen Schaufelrad i gedacht ist. Der K- oder KNa-Dampf entspannt sich in der Turbine auf ungefähr o, i Atm. abs. Druck, was einer Verdichtungstemperatur dieses Dampfes von ungefähr q.oo° entspricht. Dieselbe Temperatur besitzt auch das Schaufelrad i sowie die rechte Seite der Turbinenkammern hl, weil der KNa-Dampf diese Teile in bereits entspanntem Zustande durchstreicht.The developed steam then flows through pipe g to the steam turbine h, only because of the low nozzle speed of the KNa steam flowing through with a single paddle wheel i is intended. The K or KNa vapor relaxes in the turbine to about o, i Atm. Section. Pressure what a compression temperature corresponds to this vapor of about q.oo °. That too has the same temperature Blade wheel i and the right side of the turbine chambers hl, because the KNa steam crosses these parts in an already relaxed state.

Von den Kammern h1 strömt der Turbinenabdampf in möglichst kurzer Leitung zum Kondensator. Derselbe besteht aus dem Deckel k, dem Kondensatorkessel m mit den Siederohren y und der Zwischenwand ja, in welcher ein-- Anzahl kleiner Zuführungsrohre o eingesetzt sind. Letztere führen den KNa-Dampf bis knapp vor das Ende der Siederohre y, in welchen vollständige Kondensation des KN,a-Dampfes zu flüssigem KNa stattfindet. Das Kondensat wird durch das Rohr s von der Speisepumpe iu angesaugt, ebenso das in der Turbine h, hl sich bildende Kondensat durch das Zweigrohr t und wird darauf gemeinsam durch Rohrv entweder direkt in den Kessel a zurückgepumpt oder vorerst in den obenerwähnten (in der Zeichnung nicht ersichtlichen) Vorwärmer hinter dem Kessel a geleitet.The turbine exhaust steam flows from the chambers h1 in the shortest possible line to the condenser. It consists of the cover k, the condenser boiler m with the boiler pipes y and the partition yes, in which a number of small supply pipes o are inserted. The latter lead the KNa vapor to just before the end of the boiler pipes y, in which complete condensation of the KN, a vapor to liquid KNa takes place. The condensate is sucked in through the pipe s by the feed pump iu, as is the condensate which forms in the turbine h, hl through the branch pipe t and is then pumped back together through pipe v either directly into the boiler a or initially into the above-mentioned boiler (in the drawing not visible) preheater behind the boiler a.

Der Kondensator m mit den soeben beschriebenen Teilen bildet zugleich den Verdampfer für das in der zweiten Wärmegefällsstufe verwendete flüssige Arbeitsmittel, das mit p bezeichnet ist und durch seine Verdampfung die gesamte latente Wärme des sich verdichtenden KNa-Dampfes verbraucht.The capacitor m with the parts just described forms at the same time the evaporator for the liquid working medium used in the second heat gradient stage, which is denoted by p and through its evaporation the entire latent heat of the condensing KNa vapor consumed.

Der erzeugte Dampf des zweiten Arbeitsmittels p strömt durch den Stutzen r aus und kann zu Kraft- oder Heizzwecken verwendet werden. Im ersteren Falle ist eine dreistufige Mehrstoffdampfturbinenanlage gedacht, so daß in der ersten Wärme-gefällsstufe, wie oben beschrieben, der KNa-Dampf, in der zweiten Stufe ein geeignetes zweites Arbeitsmittel und in der dritten Stufe Wasserdampf in bekannter Weise arbeitet.The generated steam of the second working medium p flows through the nozzle r and can be used for power or heating purposes. In the former case is a three-stage multi-fuel steam turbine system, so that in the first heat gradient stage, As described above, the KNa steam, in the second stage a suitable second Working medium and in the third stage water vapor works in a known manner.

Claims

PATENT CLAIM: Thermal power process for M @ or fuel steam turbines, characterized in that potassium or sodium or mixtures of these two metals are evaporated below normal atmospheric pressure and the vapors with an inlet voltage of approximately 0.8 Atm.abs. in a steam turbine to a final voltage of approximately 0.1 atm. Section. lets work, with the latent heat of vaporization for evaporation; a second working medium or for heating purposes.