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Verfahren zur Erzeugung eines gleichförmigen Flüssigkeitsgemisches
durch Entspannung einer erhitzten Flüssigkeit in einer Düse zum Betriebe von Turbinen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines gleichförmigen Dampfflüssigkeitsgemisches
(Nebel) durch Entspannung einer erhitzten Flüssigkeit in einer Düse zum Betrieb
von Turbinen. Es ist bekannt, die hohen Strömungsgeschwindigkeiten des in einer
Turbine arbeitenden Treibmittels ohne Energieverlust dadurch herabzusetzen, daß
man ein Treibmittel von höherem spezifischen Gewicht als Wasserdampf in Form eines
gleichförmigen Dampfwassergemisches verwendet, welches man durch Entspannung hoch
erhitzten Wassers in einer Düse bekommt. Ein charakteristischer Unterschied beim
Arbeiten mit einem solchen Dampfwassergeinisch gegenüber Dampf liegt darin, daß,
während man bei der adiabatischen Entspannung von Dampf eine fortschreitende Kondensation,
also Vermehrung des Wassergehaltes hat, man im Falle des Dainpfwassergemisches,
wo man von roo °,!o Wassergehalt ausgeht, bei adiabatischer Entspannung zunehmenden
Dampfgehalt des Gemisches erhält. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Entspannung
nicht rein adiabatisch, sondern durch die normalen Reibungsverluste beeinflußt ist.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei Anfangsspannungen
des unter Druck erhitzten Wassers von über 3o at der auf die Höchsttemperatur bezogene
thermische Wirkungsgrad einer solchen Nebelturbine, welcher in dem Temperaturgebiet,
das den Drülc-@ ken unter 3o at entspricht, schlechter ist als der einer Sattdampfturbine
und sogar bis zu 3o at zunehmend schlechter wird als der der Sattdampfturbine, von
diesem Punkte an jedoch gegenüber demjenigen der Sattdampfturbine besser wird. In
dem Gebiete über 3o at wird aber nicht bloß der theoretische thermische Wirkungsgrad
verhältnismäßig günstiger, sondern es wird vor allen Dingen auch der Gütegrad erheblich
besser. Dieses beides zusammen bewirkt, daß bei der Nebelturbine das Gebiet oberhalb
von 3o at gerade die praktisch brauchbaren Wirkungsgrade umfaßt.
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Die Kurve der theoretischen thermischen Wirkungsgrade der Nebelturbine
ist angenähert eine gerade Linie. Ihr Produkt mit dem Verlaufe des Gütegrades ergibt
eine nach der Abszissenachse konvexe Kurve, deren schärfste Krümmung in der Nähe
von 3o at liegt. Demgegenüber zeigt bei der Dampfmaschine diese Kurve theoretisch
eine Krümmung, welche stets gegen die Abszissenachse konkav ist, und diese Konkavitat
wird nur wenig geändert, wenn man die Werte mit dem Gütegrade multipliziert, welcher
erfahrungsgemäß bei 2o at nicht allzu verschieden von dem Werte bei 7o at oder roo
at ist.
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Dementsprechend besteht das Verfahren gemäß der Erfindung darin, daß
der Flüssigkeitsdruck vor der Entspannung der erhitzten Flüssigkeit in der Düse
zu 3o at und höher genommen wird: Während früher die mit
den üblichen
Dampfspannungen bis etwa 2o at entsprechenden Drücken betriebenen Nebelturbinen
stets einen wesentlich schlechteren Wirkungsgrad ergaben als Dampfturbinen, zeigen
die mit nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erzeugten Nebel ausgeführten Versuche
einen hohen Wirkungsgrad und Gütegrad.
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Zur Erläuterung zeigt die Abb. i der Zeichnung ein Schaubild über
den Verlauf der Kurven des theoretischen thermischen Wirkungsgrades bei verschiedenen
Höchsttemperaturen für gesättigten Dampf und Dampfwassergemisch. Die Abb.2 zeigt
ein Schema einer Turbinenanlage, welche mit einem Dampfflüssigkeitsgemisch betrieben
wird, das nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erzeugt ist. Abb.3 zeigt einen
Schnitt nach der Linie III-11I in Abb. 2.
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In Abb. i sind auf der Abszisse die Höchsttemperaturen von ioo° an
aufgetragen und auf der Ordinate die Prozente des thermischen Wirkungsgrades. a
ist die Kurve des Wirkungsgrades einer mit dem erwähnten Dampfwassergemisch betriebenen
Turbine, b ist die Kurve des Wirkungsgrades einer mit gesättigtem Dampf betriebenen
Turbine und c die Kurve der Unterschiede des Wirkungsgrades der mit gesättigtem
Dampf betriebenen Turbine, vermindert um den Wirkungsgrad der mit dem Dampfwassergetnisch
betriebenen Turbine, während d die Kurve des Verhältnisses der Wirkungsgrade der
mit gesättigtem Dampf betriebenen Turbine, geteilt durch den Wirkungsgrad der mit
dem Dampfwassergemisch betriebenen Turbine, ist.
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Es ist nun ersichtlich, daß, wenn man vom höchsten Punkt der Kurve
c eine Senkrechte zur Abszisse zieht, letztere bei einem Punkt x geschnitten wird,
der bei etwa 233° liegt, was für gesättigten Wasserdampf einem Druck von
30 at entspricht. Diese Senkrechte geht auch gleichzeitig durch den Wendepunkt
der d-Kurve, wo diese ihren konkav. gekrümmten Verlauf in den konvex gekrümmten
ändert.
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Dem Diagramm liegt ein Gegendruck von i at zugrunde; bei anderen Gegendrücken
ändern sich zwar die absoluten Werte der Kurven a, b und c, nicht aber die
Lage des Scheitelpunktes von c und des Wendepunktes von d.
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Für die Praxis ist es vorteilhaft, einen möglichst hoch über 3o at
liegenden Druck von ioo bis Zoo at anzuwenden. Zwar wird bei Erhöhung des Druckes
am Düseneintritt und bei Gleichhaltung des Enddruckes die Strömungsgeschwindigkeit
erhöht; doch ist diese Erhöhung keine beträchtliche, indem beispielsweise bei einer
Erhöhung des Eintrittsdruckes von 15 at auf 50 at und bei einem Enddruck
von o,i at nur eine Geschwindigkeitszunahme von 36 °1% eintritt. Dies kommt daher,
daß die Drücke viel rascher wachsen als die Temperaturen oder Energieinhalte. In
jedem Falle wird der scheinbare Nachteil der erhöhten Strömungsgeschwindigkeit weitaus
aufgewogen durch die Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades. Ferner ist, wie aus
Abb. i ersichtlich, bei der Nebelturbine der Gewinn durch Drucksteigerung im Verhältnis
größer als bei der Sattdampfturbine, und man erhält darüber hinaus noch den Vorteil,
daß man einen feineren Nebel erhält und trotz des erhöhten Druckes in denjenigen
Gebieten der Strömungsgeschwindigkeit bleibt, die einen guten mechanischen Wirkungsgrad
ergeben, indem man beispielsweise im Gegensatz zur Dampfturbine auch bei den erwähnten
besonders hohen Drücken, mit denen man unbedenklich bis zum kritischen Druck gehen
kann, noch mit einem oder höchstens zwei Laufrädern auskommt. Bei Drücken unter
3o at läßt sich kein homogener feiner Nebel, sondern nur ein Gemisch von verhältnismäßig
groben Wassertröpfchen und Dampf erzielen, wodurch nicht nur der Gütegrad erheblich
verschlechtert wird, sondern auch der Schaufelbaustoff einem raschen Verschleiß
unterliegt. Das Verfahren ist naturgemäß nicht auf die Verwendung von Wasser beschränkt,
sondern es können hierfür auch andere Flüssigkeiten verwendet werden, beispielsweise
Anilin, Ammoniak und andere.
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Die Abb. 2 und 3 zeigen schematisch das Bild einer Nebelturbinenanlage,
die sich für den Betrieb mit dem nach dem Verfahren der Erfindung erzeugten Dampfwassergemisch
eignet. i ist ein Flüssigkeitserhitzer, bestehend aus einem in irgendeiner geeigneten
Weise beheizten geschlossenen Drucksystem, nach dem gezeichneten Beispiel eine durch
einen Ölbrenner 3 beheizte Rohrschlange 2, durch welche mittels einer Pumpe 4 die
Betriebsflüssigkeit hindurchgetrieben wird. Hierbei wird sie auf einen Druck höher
als 3o at und auf die diesem entsprechende Siedetemperatur gebracht, um mit diesem
Druck und mit dieser Temperatur in die Düsen der Turbine zu treten. Nach dem gezeichneten
Beispiel gelangt die Druckflüssigkeit in einen Verteilungsring 5 und durch zwei
Verbindungsstutzen 6 in zwei Düsen 7, in denen sie bis auf annähernd den gewünschten
Enddruck, im dargestellten Beispielsfalle einer Kondensationsturbine den Kondensatordruck,
entspannt wird, um dann gegen das Laufrad $ zu strömen. Im Raum 9 des Turbinengehäuses
trennt sich der größte Teil der Flüssigkeitsteilchen von den Dampfteilchen des
Nebels
und wird durch eine Leitung io der Speisepumpe .4 wieder zugeführt. Der ausgeschiedene
Dampf gelangt in den Kondensator i i, und das Kondensat wird durch eine Leitung
12- ebenfalls der Speisepumpe q. zugeführt. In die zur Rohrschlange 2 des Flüssigkeitserhitzers
i führende Speisepumpenleitung 13 ist vorteilhaft ein Windkessel 14 eingeschaltet,
in welchem die Flüssigkeit und das darüber befindliche Luftkissen unter gleichem
oder höheren Druck stehen als die erhitzte Flüssigkeit in der Rohrschlange 2, je
nachdem ein zwischen Windkessel und Rohrschlange angeordnetes Regelventil 15 geschlossen
oder verschieden weit geöffnet ist.