-
Hochdruck-Dampfkraftanlage Die vorliegende Erfindung bezieht sich
vorzugsweise auf Hochdruck-Dampfkraftanlagen für den Fahrzeugbetrieb. Um insbesondere
bei Verwendung eines Röhrendampferzeugers mit Zwangsdurchlauf des Arbeitsmittels
-während des Stillstandes des Fahrzeuges die Dampferzeugung uneingeschränkt fortsetzen
zu können, hat man einen Speicher vorgesehen, der während dieser Zeit den erzeugten
Dampf aufnimmt. Dieser Speicher liefert zugleich einerseits den Dampf für die ständig
laufenden Hilfsmaschinen, außerdem ist er so geschaltet, daß er den Abdampf des
Hochdruckteiles aufnehmen und zu gewissen Zeiten an den N iederdruckteil der Kraftmaschine
abgeben kann. Will man das mit einer derartigen Anlage ausgestattete Fahrzeug in
Bewegung setzen, so muß man also die Dampfzufuhr - zum Speicher drosseln oder ganz
absperren und dem Hochdruckteil der Maschine. Dampf zuführen. Da damit die gleichzeitige
Betätigung zweier Ventile erforderlich wird, ist die Bedienung der Maschine erschwert,
so daß gegen die Verwendung der Anlage beispielsweise im Lokomotivbetrieb Bedenken
entstehen können. Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß durch eine Kupplung der beiden
Ventile behoben, wobei eine Kupplung ganz besonderer Art verwendet wird. Sie ist
so eingerichtet, daß mit beginnender Schließbewegung des Ventils in der Speicherzuleitung
das Ventil in der Zuleitung zur Hochdruckmaschine sogleich in eine ganz geöffnete
Stellung übergeht, andererseits aber in die geschlossene Stellung zurückspringt,
kurz bevor das Ventil in der Speicherzuleitung wieder völlig geöffnet wird. Hierdurch
tritt eine indirekte Regelung der Hochdruckmaschine durch das in der Speicherzuleitung
liegende Ventil ein, indem bei stärkerer Drosselung des Speicherladeventils eine
größere Dampfmenge zur Hochdruckmaschine strömt. Außerdem wird aber erreicht, daß
trotz der verschiedenen Dampfmenge, die man infolge dieser Regelung dem Hochdruckteil
zuführen kann, dieser stets ungedrosselten Dampf erhält. Diese Maßnahme ist, wie
jedem Fachmann geläufig ist, wärmetechnisch von großer Bedeutung.
-
Würde man nun dem Ventil in der Zuleitung vom Speicher zur Niederdruckmaschine
freie Bewegungsmöglichkeit geben, so könnte der Fall eintreten, daß man der Niederdruckmaschine
eine so große Leistung entnimmt, daß dabei der Speicher allmählich ganz entladen
wird. Dies bedeutet für den Betrieb der Anlage aber eine große Gefahr, da in dem
Augenblick, in dem der Speicher völlig erschöpft ist, sämtliche Hilfsmaschinen zum
Stillstand kommen würden. Die Wiederaufnahme des Betriebes im nächsten Augenblick
wäre dadurch unmöglich gemacht. Um dieser Gefahr zu begegnen, wird deshalb erfindungsgemäß
mit dem Ventil in der Speicherzuleitung und dem in der Zuleitung zum Hochdruckteil
auch das Ventil in der Zuleitung zum Niederd'ruckteil gekuppelt. Diese Kupplung
ist so ausgebildet, daß das
Ventil in der Zuleitung zur Niederdruckmaschine
nur geöffnet werden kann, wenn gleichzeitig das Ventil in der Speicherzuleitung
geöffnet ist, so daß dem Speicher wieder Energie zugeführt wird. Die Kupplung ist
so gedacht, daß bei ganz geöffnetem Ventil in der Speicherzuleitung das in der Zuleitung
zur Niederdruckmaschine liegende Ventil jede beliebige Zwischenstellung einnehmen
kann, indessen bei einer Zwischenstellung des Ventils in der Speicherkuleitung das
zweitgenannte Ventil nur bis zu einer bestimmten zugeordneten Grenzstellung geöffnet
werden kann.
-
Vergegenwärtigt man sich die Art und Weise, wie die drei bezeichneten
Ventile miteinander gekuppelt sind, so erkennt man, daß man jederzeit in der Lage
ist, die Hochdruckmaschine mit der Niederdruckmaschine zusammen in Betrieb zu setzen,
wobei man je nach dem Ladezustand des Speichers durch das in der Speicherzuleitung
liegende Ventil die Last auf die beiden Stufen zweckmäßig verteilen kann, die Möglichkeit
aber, durch den Betrieb der Niederdruckstufe allein -den Speicher zu entladen, genommen
ist.
-
Im Interesse eines einwandfreien Betriebes ist es jedoch erforderlich,
daß die Einrichtung gemäß der Erfindung für bestimmte Betriebsfälle außer Kraft
gesetzt wird. Ein solcher Sonderfall liegt z. B. dann vor, wenn die Dampferzeugung
im Kessel noch nicht so weit gediehen ist, daß der Dampf mit der vor-,geschriebenen
Überhitzungstemperatur geliefert wird. In einem solchen Fall muß dafür Sorge getragen
werden, daß unabhängig von der Stellung der Ventile selbsttätig die Dampfzufuhr
zur Hochdruckmaschine abgesperrt wird und der gesamte Dampf, da er noch zu feucht
ist, in den Speicher geleitet wird. Zu diesem Zweck kann man z. B. einen Thermostaten
vorsehen, der die Zufuhr zur Hochdruckmaschine absperrt und eine in den Speicher
führende Umgehungsleitung öffnet. Befindet sich die ganze Kraftanlage noch im Anlaufstadium,
ist es zweckmäßig, auch den Speicher abzuschalten. Handelt es sich z. B. um eine
Anlage, bei der das Arbeitsmittel durch eine Pumpe zwangläufig durch den Kessel
hindurchgetrieben wird, so kann man einen Thermostaten vorsehen, der mit Hilfe eines
Dreiwegehahns den Speicher abschaltet und das Dampfwassergemisch abführt. Man erhält
auf diese Weise einen geschlossenen Kreislauf des Arbeitsmittels. Erst wenn der
erzeugte Dampf eine gewisse Temperatur erreicht hat, steuert der zuletzt genannte
Thermostat den Dreiwegehahn um und schaltet den Speicher in den Kreislauf ein. Ist
die Temperatur weiter gestiegen und wird die vorschriftsmäßige Überbitzungstemperatur
erreicht, wird auch der Weg zur Hochdruckmaschine für den Dampf freigegeben.
-
Die vorliegende Anlage muß selbstverständlich noch eine Sicherheitsvorrichtung
für den Fall erhalten, daß aus irgendeinem Grunde der Druck in der Hochdruckleitung
unter den Druck des Speichers sinkt, damit dann infolge des höheren Speicherdruckes
kein Wasser in die Frischdampfleitung eintritt, was unbedingt vermieden werden muß.
Diese besteht z. B. darin, draß man ein besonderes Ventil. vorsieht, das abhängig
vom Druck in der Frischdampfleitung gesteuert wird.
-
Eine Kraftanlage, bei der der Erfindungsgedanke zur Anwendung gekommen
ist, ist in der Abbildung dargestellt.
-
In der Abbildung ist io ein aus einer Rohrschlange bestehender Dampferzeuger
z. B. einer Lokomotive. Diese Rohrschlange steht an ihrem einen Ende über ein Rückschlagventil
i i mit der Speisewasserleitung 1a in Verbindung. Das andere Ende .der Rohrschlange
führt über eine Druckminderungseinrichtung 13, die z. B. ein überströmventil sein
kann, zu dem ebenfalls aus einer Rohrschlange bestehenden Überhitzer 14. An der
Dampfabflußseite ist der Kessel io mit einem Manometer 15 und einem Sicherheitsventil
16 ausgerüstet. Die Überhitzungsschlange 14 mündet in die Hauptdampfleitung 17,
die ebenfalls mit einem Sicherheitsventil 18 versehen ist. Zur Befeuerung des Kessels
kann flüssiger Brennstoff, beispielsweise Öl, verwendet werden.
-
Das Speisewasser wird mit Hilfe der Pumpe i9 durch die Rohrleitung
12 und die Vorwärmer 21, 22 und 23, 24 in den Kessel gedrückt. Der Antrieb der Speisewasserpumpe
i9 erfolgt durch die Dampfmaschine 2o. Im Vorwärmer 21, 22 wird die dem Abdampf
des Niederdruckzylinders 71 noch innewohnende Wärme und im Vorwärmer 23, 2.I die
Überhitzungswärme des in den Speicher strömenden Dampfes ausgenutzt.
-
An die Dampfleitung 17 ist durch eine Abzweigleitung 45 der Hochdruckzylinder
46 einer Verbundrnaschine angeschlossen. Der Abdampf des Hochdruckzylinders 46 gelangt
durch die Leitung 52 in den Speicher 48. In der Leitung 52 befindet sich ein Rückschlagventil
53 sowie eine Entölungsvorrichtung 54, die den Abdampf reinigt,. bevor er in den
Speicher gelangt. Außerdem erhält der Speicher 48 durch eine; Leitung 47 noch unmittelbar
Dampf aus der Frischdampfleitung 17. In dieser Ladeleitung befindet sich eine von
Hand bediente Regelvorrichtung 49, welche mit dem Hochdruckeinlaßventil 5o in der
Leitung 17 hinter der Abzweigstelle der Leitung
47 in Verbindung
steht, wie es schematisch durch die Linie 51 angedeutet ist. Wird das Ventil 49
geöffnet, so wird das Ventil 5o geschlossen. Bei einer bestimmten Dampferzeugung
ist diejenige Dampfmenge, die durch das Ventil 5o dem Hochdruckzylinder
46 zufließen soll, bestimmt durch die Dampfmenge, die durch das Ventil 49
zum Speicher ..18 strömt. Der Dampfverbrauch des Hochdruckzylinders 46 wird also
mittelbar durch Verstellen des Ventils 49 geregelt.
-
Eine solche Regelung wird dadurch ermöglicht, daß bereits mit beginnender
öffnungs-bzw. Schließbewegung des Regelventils 49 die Kupplung der Ventile eine
sofortige und vollständige Öffnung des Ventils 5o in der Maschinenzuleitung hervorruft.
-
Der Speicher 48 ist ein normaler Gefällespeicher, der für einen verhältnismäßig
hohen Druck, beispielsweise 17 Atm., geeignet ist. Unmittelbar vor dem Speicher
ist noch ein von Hand zu betätigendes Ventil 55 angeordnet. Der Speicherentladedampf
gelangt in die N iederdruckleitung 57, in die ein von Hand zu verstellendes Ventil
58 eingebaut ist. Ein Sicherheitsventil 59 tritt in Tätigkeit, wenn der Druck im
Innern einen bestimmten Wert, z. B. 21 Atm., überschreitet.
-
Unterhalb des Ventils 49 befindet sich in der Rohrleitung .I7 eine
Rohrverengung 63, beispielsweise in der Form einer Drosselscheibe, einer Düse oder
eines Rohrstückes von geringerem Durchmesser. Diese Rohrverengung 63 hat die Aufgabe,
den Druck in der Leitung 47 herabzusetzen, und verhindert dadurch, .d.aß der Druck
in der Leitung 17 auf den Druck im Speicher 48 sinkt.
-
Es kann aber doch die Möglichkeit eintreten, daß .der Druck in der
Leitung 17 zu gewissen Zeiten dem Speicherdruck zu nahe kommt oder gar unter
diesen fällt. Um nun zu verhindern, daß Wasser aus dem Speicher d.8 durch die Leitung
47 in die Leitung 17
gelangt, ist ein Ventil 64 unterhalb der Rohrverengung
63 vorgesehen. Dieses Ventil wird durch den in der Leitung 17 herrschenden Druck
verstellt und wird ganz geschlossen, wenn der Druck auf einen Wert sinkt, der nur
wenig über dem Speicherdruck liegt, vor allen Dingen auch dann, wenn das Sicherlieitsventil
59 sich öffnet, d. h. also, wenn ein Druck von 25 Atm. im Speicher erreicht ist.
Das Rückschlagv entil 53 verhindert, daß Wasser aus dem Speicher 48 in den Hochdruckzylinder
46 gelangen kann.
-
Um weiterhin unmöglich zu machen, d.aß der Hochdruckzylinder 46 aus
dem überhitzer 1d. mit feuchtem Dampf oder har mit Wasser gespeist wird, ist ein
Dreiwegehahn 65 vorgesehen. Dieser liegt in der Leitung 17 an der Abzweigstelle
der Leitung 67, so daß durch Umschalten desselben die Ventile 49 und 64 überbrückt
werden. Der Dreiwegehahn 65 wird durch einen Thermostaten 68, der auf die Temperatur
am Ende des Überhitzers anspricht, verstellt. Fällt also die Temperatur unter einen
bestimmten Wert, so wird der Dreiwegehahn 65 so verstellt, daß die Dampfzufuhr zum
Hochdruckzylinder 46 selbsttätig abgesperrt wird und der gesamte Dampf in den Speicher
48 fließt, ohne Rücksicht darauf, wie die Ventile 49 und 50 eingestellt sind.
-
Um einerseits zu verhindern, daß überschüssiger Dampf in der Leitung
17 den Hochdruckzylinder 46 überlastet, und um andererseits auch diesen Dampf nutzbar
zu verwerten, steht die Leitung 17 dürcli ein Überströmventil69 hinter der
Abzweigstelle der Leitung 45 mit der Zufuhrleitung 7o zum Niederdruckzylinder 71
in Verbindung. Das Überströmventil 69 hält also den Druck in der Leitung 17 konstant,
beispielsweise auf ro5 Atm. Um nun außerdem noch zu verhindern, daß der Niederdruckzylinder
71 durch einen übermäßigen Dampfdruck belastet wird, ist ein Sicherheitsventil 72
in der Leitung 7o vorgesehen, das öffnet, wenn der Druck in der Leitung 7o über
den höchsten Dampfdruck im Speicher, also 25 Atm., steigt.
-
Der Speicher 48 gibt Niederdruckdampf ab, der bei seinem Eintritt
in die Leitung 57 gesättigt ist. Die Trocknung oder Überhitzung findet in einem
Zwischenüberhitzer 73 statt. Die Anordnung kann so getroffen sein, daß dieselbe
Feuerung, die die Wärme für den Kessel ro und den Überhitzer rd. liefert, auch den
Zwischenüberhitzer 73 beheizt. Der Dampf soll möglichst ölfrei sein, wenn er in
die Rohre des Zwischenüberhitzers 73 eintritt, da bekanntlich die Anwesenheit von
Öl die Güte der Wärmeübertragung verringert und zu Koksbildungen führen kann, die
die Rohre verstopfen. Dadurch wieder können die Rohre glühend werden und schließlich
sogar platzen. Der Speicher 48 übernimmt in gewissem Sinne die Wirkung eines Entölers
und kann so gebaut sein, daß sich Wasser und Öl aus dem Dampf abscheidet, wenn er
aus dem Dom 56 entnommen wird. Außerdem ist in der dargestellten Anlage noch der
Ölabscheider 54 in der Abdampfleitung 52 vorhanden. Der Niederdruckdampf für den
Niederdruckzvlinder 71
gelangt von der Leitung 57 durch ein Ventil 76 und
ein Rückschlagventil 77 in die Einlaßleitung 70. Das Ventil 76 wird von Hand verstellt
und ist mit dem Ventil 49 auf eine solche Art verbunden, daß es nur geöffnet werden
kann, wenn das Ventil 49 geöffnet ist. In der Abbildung ist diese Verbindung schematisch
durch eine Linie angedeutet. Es
kann der Niederdruckdampf allein
der Maschine 7i nicht zugeführt werden, ohne daß Hochdruckdampf aus der Leitung
17 dem Speicher 48 zugeführt wird. Das Rückschlagventil 77 verhindert ein Zurückfließen
durch das Ventil 76. Ferner kann auch der Hochdruckzylinder 46 dadurch mit Dampf
aus dem Speicher 48 versorgt werden, daß die Einlaßleitung 70 über ein Ventil
79 mit der Leitung 17 an einer Stelle hinter dem Ventil 50 verbunden wird.
Das Ventil 8o läßt für diesen Fall den Abdampf des Hochdruckzylinders 46 ins Freie
treten. Die Ventile 79 und 8o können von Hand gleichzeitig, verstellt werden.
-
Wenn die Anlage in Betrieb genommen werden soll, ist es unter Umständen
nicht erwünscht, das Wasserdampfgemisch aus dem Überhitzer in den Speicher 48 zu
führen, da dadurch der Wasserspiegel steigen würde. Aus diesem Grunde wird die Leitung
47 mit der Pumpe i9 verbunden, so daß,das Wasser bzw. das Dampfwassergemisch so
lange einen geschlossenen Kreislauf vollführt, bis der Dampfdruck einen bestimmten
Wert erreicht hat. Zu diesem Zweck befindet sich in der Anlage ein Anlaßbehälter
81 mit einer Zuflußleitung 82, die mit .der Leitung 47 durch einen Dreiwegehahn
83 verbunden wird. Der Anlaßbehälter besitzt ein Sicherheitsventil 85 und ist teilweise
mit Wasser gefüllt. Die Ventile 26 und 83 werden durch einen Thermostaten 89 gesteuert,
der von der Temperatur der Flüssigkeit in der Leitung 47 beeinflußt wird. Wenn die
Temperatur auf einen bestimmten Wert steigt, werden die Hähne 26 und 83 verstellt
und unterbrechen die Verbindung mit dem Änlaßbehälter. Gleichzeitig wird dadurch
die Verbindung zwischen der Leitung 47 und dem Speicher 48 hergestellt, während
die Saugleitung,der Pumpe i9 von dem Behälter 81 auf eine Speisequelle umgeschaltet
wird. Diese Anordnung gestattet es, das Speisewasser mit einer hohen Temperatur
dem Dampferzeuger während der Anlaufzeit zuzuführen, und kürzt dadurch die Zeit,
die dazu erforderlich ist, den Kessel auf den normalen Arbeitsdruck zu bringen,
erheblich ab.
-
Die Wirkungsweise der Anlage soll jetzt kurz erläutert werden.
-
Um die Anlage in Betrieb zu nehmen, wird der Speicher 48 mit Dampf
von irgendeiner fremden Hilfsquelle bei einem Druck von beispielsweise 17 Atm. aufgefüllt.
Das Ventil 2oa wird darauf geöffnet, um Dampf der Hilfsmaschine 2o zuzuführen und
dadurch die Speisepumpe i9 sowie auch die nicht dargestellte Fördereinrichtung für
den Brennstoff und das Gebläse für die Verbrennungsluft in Betrieb zu nehmen. Das
Speisewasser wird von dem Anlaufbehälter 81 durch die Leitung 12, den Kessel io,
den Überhitzer 14, die Leitung 17, die Leitung 47 oder die Leitung 67 und durch
die Leitung 82 zurück in den Kessel gepumpt. Wenn die Temperatur des Dampfwassergemisches
einen bestimmten Wert erreicht hat, verstellt der Thermostat 89 die Hähne 26 und
83, schaltet damit den Anlaufbehälter 81 ab und stellt die Verbindung zwischen dem
Speicher 48 und der Leitung 47 einerseits und zwischen der Speisungsquelle der Pumpe
i9 andererseits her. Das Speisewasser wird nunmehr der Speisungsquelle entnommen
und gelangt durch die Leitung 12, in -den Kessel io. Der Dampf oder das Dampfwassergemisch
strömt aus .dem Überhitzer 14 in den Speicher 48. Wenn die Anlage noch nicht in
Betrieb ist, wird der gesamte vom Kessel erzeugte Dampf durch die Leitung 47 dem
Speicher 48 zugeführt und dort aufgespeichert. Um den Hochdruckzylinder 46 in Betrieb
zu nehmen, wird das Ventil 49 aus. seiner ganz geöffneten Stellung in die gewünschte
Lage gebracht. Dadurch wird ebenfalls das Ventil 5o aus seiner ganz geschlossenen
Stellung in eine ganz geöffnete Stellung gebracht.
-
Um den Zylinder 71 mit Niederdruckdampf zu speisen, wird das Ventil
76 auf den gewünschten Wert eingestellt. Um das Ventil 76 überhaupt öffnen zu können,
muß das Ventil 49 geöffnet sein. Ist das Ventil 49 ganz offen, so kann das Ventil
76 in jede beliebige Stellung gebracht werden. Bei nicht ganz geöffnetem Ventil
49 ist das Ventil 76
nur innerhalb bestimmter Grenzen, die von der Stellung
des Ventils 49 abhängen, beliebig einstellbar.
-
Um die Anlage als eine feuerlose Anlage zu betreiben, wenn der Druck
in der Leitung 17 sehr gering ist oder wenn sich die Maschine in einem Tunnel oder
an einer anderer. Stelle befindet, wo ein Rauchen unerwünscht ist, wird das Ventil
49 vollkommen. geöffnet und dadurch das Ventil 5o geschlossen. Ebenso wird das Ventil
55 geschlossen. Das Ventil 76 wird darauf geöffnet, um den aufgespeicherten Dampf
aus dem Speicher 48 dem Niederdruckzylinder 71 zuzuführen. Um auch den Hochdruckzylinder
46 mit Niederdruckdampf betreiben zu können, werden die Ventile 79 und 8o geöffnet.
Dadurch ist der Einlaß und Auslaß des Zylinders 46 mit der Leitung 7o bzw. mit der
Atmosphäre verbunden.
-
Aus der Beschreibung ergibt sich, daß die Hoch- und Niederdruckmaschine
beide gemeinsam mit Hochdruck- oder Niederdruckdampf oder die eine mit Hochdruck-,
die andere mit Niederdruckdampf betrieben werden können. Der Hochdruckzylinder 46
ist gegen
Wasser und feuchte Dämpfe geschützt, denn Überdruck im
Speicher kann nicht zur Folge haben, daß das Wasser in die Hauptleitung 17 oder
in den Hochdruckzylinder 46 fließt.