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Verfahren und Einrichtung zur Sicherung des Betriebes von Turbinenanlagen,
welche mit einem aus hocherhitzter Druckflüssigkeit durch Entspannung gebildeten
innigen Gemisch aus Dampf- und Flüssigkeitsteilchen betrieben werden (Nebelturbinen)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sicherung des Betriebes von sogenannten
Nebelturbinen, d. h. solchen, welche mit einem aus hocherhitzter Druckflüssigkeit
durch Expansion gebildeten innigen Gemisch aus Dampf- und Flüssigkeitsteilchen betrieben
werden. Solche Turbinen werden aus einem Wassererhitzer ohne Dampfraum gespeist.
Bei diesen Anlagen besteht die Notwendigkeit, zu verhüten, daß durch Abschluß der
Leitung der durch den Wassererhitzer geförderten Druckflüssigkeit bei fortdauernder
Wärmezufuhr -eine unzulässige, den Betrieb gefährdende Drucksteigerung entsteht.
Man kann zur Vermeidung dieser Gefahr diese Anlagen so gestalten und betreiben,
daß zwischen dem Wassererhitzer und der Turbine überhaupt kein Absperrorgan angeordnet
wird. In diesem Fall wird bei Inbetriebsetzung der Anlage, d. h. bei beginnender
Wärmezufuhr zum Wassererhitzer, zunächst das in diesem befindliche kalte Wasser
erwärmt. Es ist daher nicht unbedingt erforderlich, wenn auch möglich, daß die Speisung
gleichzeitig mit der Wärmezufuhr oder vor dieser angestellt wird. Auf jeden Fall
muß aber die Speisewasserzufuhr mit wachsender Temperatur schließlich so weit gesteigert
werden, daß der Druck am Eintritt der Expansionsdüse der Nebelturbine mindestens
gleich dem der betreffenden Temperatur des Wassers entsprechenden Siededruck ist.
Das Abstellen der Turbine erfolgt entsprechend durch Abstellen der Beheizung des
Wassererhitzers und gleichzeitiges odernachfolgendes Abstellen seiner Speisung.
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Dieses Verfahren ist nicht immer anwendbar und insbesondere dann nicht,
wenn die Beheizung des Wassererhitzers statt durch eine Düsenfeuerung (öl oder Kohlenstaub)
durch eine Feuerung mit festen Brennstoffen erfolgt. Eine solche Feuerung läßt sich
nicht rasch genug löschen, wenn, wie dies z. B. im Lokomotivbetrieb erforderlich
ist, die Antriebsturbine rasch .ausgeschaltet werden soll. Man müßte in diesem Falle
die Turbine auskuppeln und sie unbelastet bis zum Löschen des Feuers leer laufen
lassen. Die mit diesem Betriebsverfahren verbundenen Nachteile werden gemäß der
Erfindung dadurch vermieden, daß zum Abschalten der im Betrieb befindlichen Turbine
der Strom des Treibmittels in eine Leitung umgeschaltet wird, die zu einem anderen
System führt, welches die heiße Druckflüssigkeit bzw. ihre Energie aufnimmt. Dieses
Umschalten hat im Augenblick der Absperrung oder nach einer Unterbrechung, welche
im Verhältnis zur Erwärmungsgeschwindigkeit des Erhitzers kurz ist, zu erfolgen.
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Eine Ausführungsform dieses Betriebsverfahrens besteht beispielsweise-
darin, daß -der
Heißwäs§erstrom mittels eines Dreiweghahns durch
den gleichen Handgriff, welcher die Wasserzufuhr zur Turbine sperrt, auf eine Rohrleitung
umgeschaltet wird, die zu -einer zweiten, als Kraftreserve dienenden Turbine führt,
deren Energie z. B. in Gestalt von elektrischer Energie aufgespeichert wird. Die
Umschaltung könnte statt dessen gegebenenfalls zu einer Rüekwärtsturbine erfolgen,
insbesondere bei Fahrzeugantrieben, oder auch zu besonderen Rückwärtsdüsen derselben
Turbine, um das Treibmittel, d. h.. das Dampf-Wasser-Gemisch, welches in diesen
Düsen gebildet wird, auf einen oder mehrere rückwärts gerichtete Schaufelkränze
der-Turbine zu lenken.
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Diese einfachste Ausführungsform erscheint auch ohne Zeichnungsbeispiel
verständlich. Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens besteht in der Umschaltung
auf einen Druc%wasserspeicher. Vorteilhaft wird dabei der Speicherkessel ganz oder
fast ganz mit Wasser gefüllt gehalten und das durch den Dreiweghahn umgeleitete
heiße Druckwasser am höchsten Punkt oder vorteilhaft in abgeteilte Kammern zugeführt,
aus denen es die kalte Füllung verdrängt- Der Druck im Speicher steigt dann sehr
rasch auf den Druck im beheizten Wassererhitzer. Das erhitzte Wasser wird dann am
Boden oder an einer anderen kälteren Stelle entnommen und der Speisepumpe für den
Wassererhitzer zugeführt. Während der Speicherung ist hierbei die Speisepumpenarbeit
verhältnismäßig sehr klein, da nur ein ganz geringer Druckunterschied zu überwinden
ist.
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In der Zeichnung zeigt die Abb. i schematisch eine Einrichtung zur
Durchführung dieser Ausführungsform des Verfahrens. In die Leitung vom beheizten
Wassererhitzer i zur Nebelturbine 3 ist ein @ Dreiweghahn z eingeschaltet, an den
eine Zweigleitung 7 nach den Kammern 5 eines Heißwasserspeichers q. angeschlossen
ist, der im Ausführungsbeispiel als Speisewasserbehälter dient. Von seinem tiefsten,
kältesten Punkt führt eine Leitung 6 über die Speisepumpe 8 nach dem Wassererhitzer
i. Das Verfahren wird in der Weise durchgeführt, daß, der Speicher q. während des
Antriebs der Turbine 3 stets mit kaltem oder vorgewärmtem Wasser gefüllt ist, welches
auch, falls die Turbine als Kondensationsmaschine betrieben wird, aus dem Kondensator
dieser Turbine entnommen werden kann. Im Augenblick der Abschaltung der Turbine
durch den Dreiweghahn a wird gleichzeitig der Kreislauf 1-7-6-8-r geschlossen. In
diesem herrscht überall der gleiche Druck, welcher der höchsten Temperatur im Wassererhitzer
i ;entspricht; wobei kleine Fehlräume der Füllung, z. B. in der Leitung 7, mit sich
entwickelndem Dampf gefüllt werden.
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Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, daß die
Umschaltung auf ein wärmeentziehendes System irgendwelcher geeigneten Art erfolgt.
In der Abb. z ist ein solches Ausführungsbeispiel dargestellt. Hier ist der Wassererhitzer
io über einen beispielsweise mit Stickstoff oder einem anderen inerten Gase gefüllten
Windkessel i i mit der Nebelturbine 13 verbunden, welche durch eine Leitung 14 mit
einem Oberflächenkondensator 15 verbunden ist. Mittels des Dreiweghahns 12 kann
die Zuleitung des Treibmittels zur Turbine auf den Unterdruckdampfraum des Kondensators
15 umgeschaltet werden. Hierbei findet zunächst beim Eintritt des `.heißen Druckwassers
in den Kondensatorraum niedrigen Druckes eine Expansion und Verdampfung des Treibmittels
statt, worauf sich der Dampf an den vom Kühlwasser durchstrichenen. Flächen des
Kondensators niederschlägt; um als abgekühltes Druckwasser durch eine Speiseptunpe
17 in den Wassererhitzer zurückgepumpt zu werden. In diesem Falle wird .also in
dem Kondensator dem Treibmittel ein großer Teil der Wärme entzogen. Die so entzogene
Wärme kann nutzbringend zu Heizzwecken und gegebenenfalls, beispielsweise bei Zweidruckanlagen,
wo, die Nebelturbine den Hochdruckteil bildet, zur Erzeugung bzw. Aufspeicherung
von Niederdruckdampf ausgenutzt werden.
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Die dargestellte Ausführungsform ist nur eine beispielsweise. Die
Umschaltung mittels des Dreiweghahns kann allgemein auf einen beliebigen Wärmeaustauscher
oder Wärmespeicher erfolgen. Während bei normalem Betrieb der Nebelturbine in dem
Wassererhitzer Dampfbildung streng zu vermeiden ist, kann diese im Augenblick der
Umschaltung ,auf einen Druckwasserspeicher oder ein wärmeentziehendes System zugelassen
wer. den und kann für den so umgeschalteten Betrieb unter Umständen durch den starken
Wärmeentzug sogar vorteilhaft sein. Man hat es in der Hand, durch den Querschnitt
der Umschaltleitung eine mehr oder minder große Entspannung der heißen Druckflüssigkeit
und damit eine Dampfbildung herbeizuführen oder zu vermeiden. Der gasgefüllte Windkessel
nach dem Beispiel der Abb. a dient dazu, die kurz dauernde Absperrung, welche bei
der Umstellung des Dreiweghabns erfolgt, ungefährlich zu machen und die hierbei
auftretende plötzliche Drucksteigerung auszugleichen. - , Zusätzlich zu einem solchen
Windkessel oder ,anstatt eines solchen läßt sich eine Gefahr und insbesondere die
bei . einem unbeabsichtigten Stehenbleiben des Hahns in der
Sperrzwischenstellung
dadurch vermeiden, daß der Dreiweghahn in an sich bekannter Weise so ausgebildet
wird, daß. die Zwischenwand zwischen den Bohrungen so schmal wird, daß in. dem -
Maße, wie die Turbinenzuleitung gedrosselt wird, gleichzeitig zunehmend die Zweigleitung
freigegeben wird. Das gleiche Ergebnis läßt sich dadurch erreichen, daß man ein
Ventil anbringt, das bei einer bestimmten Drucksteigerung in der Zuleitung vom Wassererhitzer
sich selbsttätig öffnet und dem heißen Druckwasser den Zutritt zur Zweigleitung
öffnet. Bei der Anordnung eines derartigen Ventils kann das Absperren der Turbine
durch einen Einweghahn erfolgen. Dieses Ventil wirkt dann in jedem Falle auch als
Sicherheitsventil neben seiner Funktion als selbsttätiges Umschaltventil beim Schließen
des Absperrorgans zur Turbinenleitung. Das bei überschüssigem Druck aus der Zuleitung
vom Wassererhitzer in die Zweigleitung überströmende Treibmittel geht auf diese
Weise nicht verloren, so daß das Offnen des Sicherheitsventils nicht mit Druckwasserverlusten
verbunden ist, die ein Nachfüllen erforderlich machen würden.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist nicht auf die Verwendung von
Wasser als Treibmittel beschränkt, sondern allgemeinanwendbar, auch wenn andere
Druckflüssigkeiten, z. B. Kohlensäure, Ammoniak, Anilin, Quecksilber oder sonst
geeignete, zum Betrieb der Nebelturbine Anwendung finden. In gewissen Fällen kann
statt eines Dreiweghahns oder eines selbsttätigen druckbeeinrlußten Umschaltventils
in Verbindung mit einem Absperrorgan in der Turbinenzuleitung in letzterer ein Absperrorgan
ganz fortgelassen werden und nur ein Absperrorgan in der zum wärmeentziehenden System
führenden Zweigleitung angeordnet sein, um die gewünschte Umschaltung auf die Zweigleitung
zu bewirken. Diese Anordnung ist für das Verfahren gemäß der Erfindung dann möglich,
wenn die Zweigleitung und das wärmeentziehende System so- gestaltet sind, daß in
ihnen ein wesentlich geringerer Drosselungswiderstand dem Treibmittel entgegensteht
als in den Düsen der Nebelturbine, in denen die Gemischbildung durch Expansion der
heißen Druckflüssigkeit erfolgt. In solchen Fällen genügt das öffnen des Absperrorgans
in der Zweigleitung zur Umschaltung, da an dem größeren Widerstand sich das Treibmittel
in der Zuleitung zur Turbine staut und von selbst den Weg des wesentlich geringeren
Widerstandes wählt.
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Wesentlich für das Verfahren gemäß der Erfindung ist nur, daß zum
Abschalten der im Betrieb befindlichen Nebelturbine der Strom des Treibmittels auf
eine Leitung umgeschaltet wird, die zu -einem ' anderen System führt, welches
imstande ist, das heiße Treibmittel bzw. seine Energie aufzunehmen.