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Verfahren zur Erzeugung eines gleichförmigen Dampfflüssigkeitsgemisches
durch Entspannung einer erhitzten Flüssigkeit in einer Düse zum Betriebe von Turbinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines gleichförmigen Flüssigkeitsgemisches
(Nebel) durch Entspannung einer erhitzten Flüssigkeit in einer Düse zum Betriebe
von Turbinen. Bei dem bekannten Verfahren dieser Art begnügt man sich damit, den
Druck im Wassererhitzer wie in einem Dampfkessel auf der Siedespannung der Flüssigkeit
zu halten, wodurch unter Umständen sich Dampf im Kessel entwickelt. Demgegenüber
besteht das Verfahren gemäß der Erfindung darin, daß die unter Druck erhitzte Flüssigkeit
der Düse mit einem Druck zugeführt wird, der höher ist als der Siededruck der Flüssigkeit
bei der zu dem Siededruck gehörenden Temperatur. Durch die Höhe des Überdrucks,
welche sich nach den weiter unten gegebenen Richtlinien bestimmt, wird bewirkt,
daß bei Schwankungen der Temperatur oder des Druckes oder der Leistung, wie solche
Schwankungen im normalen Betrieb der Turbine auftreten, stets die Ausströmung des
Strahles in wirbelfreier, d. h. in wirtschaftlicher Weise vor sich geht, auch ohne
daß es nötig ist, die Düsenform zu ändern, was praktisch nur sehr schwer durchführbar
wäre.
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Es ist bei einem Verfahren zur Erzeugung von Dampf aus nicht siedender,
unter Überdruck stehender Flüssigkeit bekannt, diese in einer Düse auf den Siededruck
zu entspannen und das hierdurch erzeugte Flüssigkeitsdampfgemisch auf ein im Dampfraum
des Dampferzeugers laufendes, die Speisepumpe antreibendes Freistrahlturbinenrad
(Peltonrad) treibend wirken zu lassen. In diesem Fall ist aber der Überdruck über
den den Gegendruck bildenden Siededruck allein der Betriebsdruck und ein erheblicher
Drucküberschuß über den Druckunterschied zwischep Siededruck und Gegendruck hinaus
im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht vorhanden.
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In der Zeichnung sind die Abb. i und a Diagramme von Düsenquerschnitten
bei 5 at und ?o at Siededruck. Abb. 3 ist ein schematischer Schnitt senkrecht zur
Turbinenachse durch das Düsengehäuse einer Nebelturbine, die sich zur Ausführung
des Verfahrens gemäß der Erfindung eignet.
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In dem Diagramm der Abb. r sind auf der Abszisse die Werte der Drücke
von o bis 5 at aufgetragen und auf der Ordinate die Düsenquerschnitte gemessen in
cm' unter der Annahme, daß pro Sekunde z kg durch die Düse geht. Die aus dem Diagramm
ersichtlichen Kurven zeigen die auf Grund der Kontinuitätsgleichung berechneten
hydrodynamisch richtigen Werte der Querschnittsflächen der Düse, welche für einen
Siededruck von 5 at oder für eine diesem Siededruck entsprechende Temperatur von
151' C bestimmt
sind. Die zu einem bestimmten Druckzustand gehörigen
Querschnitte sind bestimmt durch die aus den thermodynamischen Daten berechenbare
Geschwindigkeit und Dichte des Dampfwassergemisches. Es besteht die oberste Kurve
a für einen Überdruck von o at, die Kurve b für einen solchen von o,i at, die Kurve
c für einen solchen von 0,5 at, die Kurve d für einen solchen von i at, die Kurve
e für einen Überdruck von 2 at und die Kurve f für einen Überdruck von 3 at. In
der Abb. 2 ist ein Siededruck von 2o at zugrunde gelegt, entsprechend einer Temperatur
von :211' C. Das Querschnittsmaß an der Ordinate ist dasselbe wie in Abb. i, nämlich
cm' für i kg pro Sek. Von den in Abb.2 eingezeichneten Kurven gilt die oberste Kurve
a' für einen Überdruck von o at im Wassererhitzer über der Siedetemperatur, die
Kurve b' für einen Überdruck von o,i at, die Kurve c' in diesem Falle für einen
Überdruck von 0,5 at, die Kurve d' für einen solchen von i at, die Kurve
e' für einen solchen von 2 at und die Kurve f' für einen Überdruck von 3 at. In
beiden Abbildungen deutet der eingezeichnete Pfeil die Eintrittsrichtung des hocherhitzten
Druckwassers in die Düse an. Wie aus beiden Diagrammen ersichtlich, wird, wie die
obersten Kurven a und ä zeigen, d. h. dann, wenn kein Überdruck vorhanden
ist, sondern das Wasser mit dem Siededruck selbst in die Düse eintritt, die Düsenform
theoretisch am Eintrittsende unendlich groß, wie sich aus dem steilen Anstieg der
obersten Kurve an diesem Ende ergibt. Die darunterliegenden OOuerschnittskurven
für wachsenden Überdruck, d. h. für einen wachsenden Unterschied zwischen dem Siededruck
und dem am Eintrittsende der Düse herrschenden Druck, lassen erkennen, daß, wenn
der Wasserdruck am Eintrittsende der Düse um mehr als i at über ,dem Siededruck
liegt, eine weitere Erhöhung des Druckes selbst in recht weiten Grenzen nur noch
geringe, praktisch zu vernachlässigende Änderungen der Düsenform erforderlich macht.
Es ist ersichtlich, daß beispielsweise der Düsenquerschnitt gemäß der Kurve f in
Abb. i für 5 at Siededruck und 3 at Überdruck angenähert derselbe ist wie der Düsenquerschnitt
gemäß der Kurve f' in Abb. 2 für 2o at Siededruck und 3 at Überdruck, nämlich zwischen
0,35
und 0,4 cm2 für i kg Wasser pro Sekunde liegt. Es ist also dieselbe Düse
brauchbar für Siededrücke von 5 at bis 2o at und auch noch darüber hinaus. Bleibt
die Speisewasser7ufuhr unverändert, wird sie z. B. durch eine Kolbenpumpe mit gleichbleibender
Umdrehungszahl bewirkt, und ist für eine beliebigeWärmezufuhr, z.B. eine solche,
welche dem Siededruck von 5 at entspricht, die Düse so beschaffen, daß sich an ihr
ein nicht zu kleiner Überdruck ausbildet,- beispielsweise 2 at, so bildet sich entsprechend
dem engsten Düsenquerschnitt bei erhöhter Wärmezufuhr, z. B. einem Siededruck von
2o at, ein erhöhter Druck, im Falle des Beispiels ein solcher von 2,5 at selbsttätig
aus.
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Weiter besteht bei dem neuen Verfahren der wichtige Vorteil, daß man
sicher ist, daß auch bei erheblichen Schwankungen, sei es der Beheizung, sei es
der Leistungsentnahme, niemals Dampf im Wassererhitzer entstehen kann. Dadurch entfällt
die Gefahr des Verbrennens von Kesselflächen und die Notwendigkeit der Anwendung
von Wasserstandsanzeigern, die bekanntlich für hohe Drücke Schwierigkeiten bereiten.
Hierdurch ergibt sich eine Ersparnis und eine Vereinfachung gegenüber einem Dampfkessel.
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Zur Regelung der Leistung der mit dem Dampfflüssigkeitsnebel betriebenen
Turbine ist es vorteilhaft, daß man die Speisepumpe gleichmäßig oder annähernd gleichmäßig
fördern läßt und lediglich die Brennstoffzufuhr zum Flüssigkeitserhitzer regelnd
ändert. Dann ändert sich zwar der Druck vor der Düse, aber gemäß dem an Hand der
Diagramme Dargestellten bleibt doch die Form der Düse richtig, indem sich selbsttätig
der passende Überdruck einstellt. Soll eine höhere Leistung erzielt werden, so kann
dies durch zusätzliche regelnde Änderung der Speisewasserzufuhr geschehen. In Abb.3
ist ein Schnitt senkrecht zur Turbinenachse durch das Düsengehäuse einer solchen
Nebelturbine in einer Ausführungsform beispielsweise dargestellt; die Düsen 7 sind
spiralförmig gestaltet, der Flüssigkeitszutritt erfolgt bei 6. Die Düsenform selbst,
die bei 17 beginnt, wird durch halbmondförmige Platten 16 gebildet, welche einen
Teil der in das Gehäuse eingearbeiteten spiralförmigen Nuten so ausfüllen, daß die
gewünschte Düsenform entsteht und ferner durch die nach dem Austrittsende hin zunehmende,
durch Schraffur angedeutete Tiefe der Nuten. Das Laufrad der Turbine hat man sich
vor der Zeichnungsebene liegend zu denken.
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Für die praktische Durchführung des Verfahrens ist es zur Sicherung
einer möglichst gleichförmigen Zuführung der Speiseflüssigkeit zum Erhitzer vorteilhaft,
zwischen diesem und der Pumpe einen elastischen Puffer, beispielsweise einen Windkessel,
einzuschalten, der die unvermeidliche Schwankung der Fördereinrichtung ausgleicht.
Während in erster Linie als Betriebsflüssigkeit Wasser in Frage kommt, so können
naturgemäß auch andere geeignete Flüssigkeiten, beispielsweise Kohlensäure, Anilin,
Ammoniak, verwendet werden.