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Speisung von Flüssigkeitserhitzern zum Betriebe von Nebelturbinen
Unter Nebelturbinen versteht man Kraftmaschinen nach Art einer Turbine, welche mit
einem innigen Gemisch kleinster Flüssigkeitströpfchen mit dem Dampf derselben Flüssigkeit
betrieben werden. Dieses Gemisch wird durch Entspannung einer auf hohe Temperatur
und hohen Druck gebrachten Flüssigkeit, z. B. Wasser, in einer Düse gebildet. Solche
Nebelturbinen weichen von den Dampfturbinen darin ab, daß sie keinen Dampfkessel,
sondern nur einen Flüssigkeitserhitzer besitzen. Die Speisung des Flüssigkeitserhitzers
ist naturgemäß stärker als die Speisung eines Dampfkessels, da, auf die Gewichtseinheit
der Flüssigkeit bezogen, weniger Wärme als bei der Dampfmaschine umgesetzt wird.
Außerdem arbeiten die Nebelturbinen mit durchschnittlich höheren Drucken, als sie
bei der Dampfmaschine zur Zeit üblich sind. Deshalb ist die Frage der Speisung bei
Nebelturbinen eine viel wichtigere und schwierigere, als sie es bei Dampfturbinen
ist. Einer normalen Speisung mit Hilfe einer Kolbenpumpe steht weiter noch im Wege,
daß die Nebelturbinen viel höhere Umdrehungszahlen haben als normalerweise . Dampfturbinen
(abgesehen von den Laval-Turbinen) und es deshalb einer starken Heruntersetzung
der Umlaufzahl bedarf, um eine Kolbenpumpe antreiben zu können.
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Es ist bekannt, die Kessel von Dampfmaschinen mit sogenannten Pulsometern
zu betreiben, wobei unter Pulsometer allgemein die Anordnung zu verstehen ist, bei
der Frischdampf auf die Oberfläche der Speiseflüssigkeit drückt und sie in den Kessel
hineinfördert. Da der Dampf an sich nur denselben Druck hat wie in dem zu speisenden
Kess°l, ist es erforderlich, einen geringfügigen Mehrdruck durch eine Flüssigkeitssäule
zu schaffen, welche unter dem Einfluß der Schwerkraft steht. Die Freigabe des Raumes,
den die Speiseflüssigkeit ursprünglich eingenommen hatte, erfolgt dann durch Niederschlag
des Dampfes, und zwar unter Benutzung einer selbsttätigen Steuerung.
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Dieses Verfahren ist indessen bei einer Nebelturbine nicht anwendbar,
da bei dieser kein Dampf von einem Drucke zur Verfügung steht, welcher vergleichbar
mit dem Drucke im Erhitzer wäre. Vielmehr entsteht bei ihr Dampf erst durch Entspannung
der heißen Druckflüssigkeit in der Düse. Dabei liegen die thermisch-mechanischen
Verhältnisse so, daß eine nennenswerte Menge von Dampf erst auftritt, wenn die Entspannung
auf einen Bruchteil des ursprünglichen Druckes fortgeschritten ist. Das heiße Preßwasser
etwa zum Betreiben des Pulsometers selbst zu verwenden, kommt nicht in Frage, da
sein Rauminhalt nur wenig verschieden von dem Rauminhalt der einzuspeisenden Flüssigkeitsmenge
ist.
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Gemäß der Erfindung ist die Aufgabe, Flüssigkeitserhitzer zum Betrieb
von Nebelturbinen zu speisen, dadurch gelöst, daß dem Flüssigkeitserhitzer der Nebelturbine
ein Hilfsdampferzeuger zugeordnet ist, dessen Dampf nur die Betriebskraft für eine
einen nach außen abgeschlossenen Förderraum bildende, pulsierend
wirkende
Speisevorrichtung liefert, deren Abdampf unter Abgabe seiner Wärme an die Speiseflüssigkeit
des Flüssigkeitserhitzers in einem Wärmeaustauscher niedergeschlagen wird. Die Wärmeabgabe
des Abdampfes der Speisevorrichtung an das Speisewasser erfolgt dabei vorteilhaft
an einer Stelle, wo das Speisewasser bereits unter dem hohen Druck des Erhitzers
steht, um eine Dampfbildung infolge der Wärmezufuhr auszuschließen. Vorteilhaft
liegen ferner auch die Umsteuerungsglieder der Speisevorrichtung innerhalb des geschlossenen
Förderraumes derselben, damit Undichtheiten an den beweglichen Teilen nur ein Überströmen
innerhalb der Vorrichtung herbeiführen können. Die Folge der Speisezeiträume wird
vorteilhaft durch Strömungsdrosselung in einer der Zuleitungen zum Speisezylinder
der pulsierenden Speisevorrichtung beeinflußt, und die Regelung dieser Folge geschieht
vorteilhaft durch ein in seiner Drehzahl veränderliches Uhrwerk. Um ferner durch
Mischung der ungleich warmen Teile der pulsierend zugespeisten Flüssigkeit deren
Temperatur auszugleichen, ist eine Druckausgleichvorrichtung auf der Hochtemperaturseite
des Erhitzers, d. h. also zwischen diesem und der Turbine, vorgesehen, und diese
Druckausgleichvorrichtung kann zur selbsttätigen .Elbstellung der Wärmezufuhr zum
Flüssigkeitserhitzer und Hilfsdampfkessel in der, Weise benutzt werden, daß beim
Überschreiten eines bestimmten Füllungs- oder Druckzustandes in dieser Druckausgleichvorrichtung
und im Flüssigkeitserhitzer die Wärmezufuhr selbsttätig unterbunden wird.
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Die Zeichnung stellt eine beispielsweise Ausführungsform dar.
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Die Abb. i zeigt schaubildlich eine Nebelturbinenanlage mit Speisung
gemäß der Erfindung.
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Die Abb. 2, 3 und 4 sind Längsschnitte und. Querschnitte durch die
Speisevorrichtung.
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Die Abb.5 zeigt teilweise im Schnitt eine elektrische Umsteuerung
für die Speisevorrichtung.
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In der Abb. i ist i die Turbine, -, sind die Düsen, in denen der Dampfflüssigkeitsnebel
erzeugt wird. Der Erhitzer besteht nach dem Beispiel aus einem Schlangenrohr 4,
einem Wärmeschutzmantel5 und einem Flüssigkeitsbrenner 6. Die Brennstoffzufuhr erfolgt
selbsttätig durch ein Regelventil 30, das zu diesem Zweck mittels einer Leitung
17 unter dem Einfluß des Druckes in der Hauptleitung 3 für die Druckflüssigkeit
steht. Bei Uberschreiten eines bestimmten Druckes wird die Heizflüssigkeit gedrosselt.
31 ist ein Handabsperrventil. Durch die Feuerung wird ein Hilfsdampfkessel beheizt,
der nach dem Beispiel aus Wasserröhren 7 und ringförmigen Wasser-und Dampfsammlern
8 und 9 besteht. Der erzeugte Dampf tritt durch eine Leitung 1o in einen
Speisezylinder 11, welcher zwei rohrförmige Ansätze 12 und 13 hat. Die Speiseflüssigkeit,
z. B. Wasser, tritt aus dem Kondensator 14 der Turbine über ein Rückschlagventil15
nach dem Speisezylinder. Dieser Zutritt erfolgt selbsttätig. Wird der in dem Zylinder
11 bewegliche Kolben 33 (Abb. 2) in der Zeichnung nach abwärts bewegt, so tritt
das Speisewasser unter Schließung des Rückschlagventils 15 über ein Rückschlagventil
16 in die innere Rohrschlange 18 eines Wärmeaustauschers, der den Mantel des Erhitzers
a. umgibt. Die äußere Rohrschlange 1g nimmt durch eine Leitung 24 aus dem Speisezylinder
il den Abdampf auf, der an der Wandung der inneren Rohrschlange 18 niederschlägt.
Das Kondensat wird durch eine Leitung 21 über ein im Rohransatz 12 angeordnetes
Steuerglied, einen Zwischenbehälter 22 und ein weiteres Steuerglied im Ansatz 12
durch eine Leitung 23 dem Dampfkessel ? wieder zugeführt. In die vom Dampfsammler
g zum Speisezylinder 11 führende Dampfleitung 1o ist ein Drosselventil 26 eingeschaltet.
Eine Leitung 25 verbindet den unteren Rohransatz 13 des Speisezylinders mit der
inneren Rohrschlange 18 des Wärmeaustauschers. Der Dampfsammler g ist ferner über
ein Sicherheitsventil 3-- mit der äußeren Rohrschlange 1g des Wärmeaustauschers
verbunden. Die innere Rohrschlange 18 des Wärmeaustauschers ist ferner durch eine
Leitung 2o an den Erhitzer 4 angeschlossen. In dem Speisezylinder n bewegt sich
ein Kolben 33, dessen Kolbenstange 39 nach dem gezeichneten Beispiel am unteren
Ende als Kolben 34 ausgebildet ist. Im oberen Teil ist die Kolbenstange
39 seitlich mit einem Führungsansatz 42 versehen, welcher sich in einer Nut
43 eines Schleppschiebers 40 führt, der in dem Rohransatz 12 gleitet. Der Schleppschieber
4o wird in seine Endlagen durch eine Feder 38 mittels eines in eine Aussparung 37
eingreifenden Hebels 36 übergeführt. Die Kolbenstange 39
nimmt, wenn sie sich
ihrer unteren oder oberen Endstellung nähert, den Schleppschieber 40 mit. In der
gezeichneten Stellung ist angenommen, daß sich der Kolben 33 unter dem Einfluß des
auf dem kleinen Kolben 34 stehenden hohen Druckes im Erhitzer 4 nach oben bewegt.
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Der Speisungsvorgang verläuft folgendermaßen: In dem Erhitzer 4 herrsche
ein Druck von 15o at, in dem Speisungsdampfkessel 7, 8, g ein solcher von
155 at. Der Kolben 33 befinde sich in seiner höchsten Stellung. In diesem
Augenblicke werden durch Schleppschieber 4o die Verbindungen so gelegt, daß der
Raum über dem Kolben 33 mit dem Dampfkessel verbunden wird. Diese Verbindung wird
gegebenenfalls durch teilweises Schließen des
Ventils 26 gedrosselt.
Zugleich wird der Weg von dem Zwischenbehälter 22 zum Dampfkessel 7, 8, g freigegeben,
so daß der Inhalt dieses Zwischenbehälters in den Kessel ausläuft. Der Kolben bewegt
sich nun nach unten und schiebt das darunter befindliche Wasser über das Rückschlagventil16
in die innere Rohrschlange 18 des Wärmeaustauschers und weiter in den Erhitzer.
Wenn die tiefste Stellung des Kolbens erreicht ist, erfolgt Umsteuerung. Der Weg
zum Dampfraum des Kessels schließt sich, ebenso schließt sich die Verbindung zwischen
dem Zwischenbehälter 22 und dem Dampfkessel 7. Dafür öffnet sich die Verbindung
21 vom Zwischenbehälter 22 nach dem unteren Ende der Rohrschlange ig des Wärmeaustauschers.
Dabei läuft das Kondensat aus der Schlange 1g in den Zwischenbehälter 22 hinein.
Beim Umstellen der Verbindungen strömt naturgemäß zunächst der Dampf, welcher sich
in dem Zwischenbehälter 22 statt des ausgeflossenen Speisewassers gesammelt hat,
in die äußere Rohrschlange ig des W ärmeaustauschers. Die gesamte Wärme des Dampfes,
soweit sie nicht unmittelbar in mechanische Arbeit beim Bewegen des Kolbens umgesetzt
ist und soweit sie nicht durch Wärmeleitung nach außen verlorengegangen ist, wird
dabei in das Speisewasser übergeführt, indem sich der Dampf an der Außenwandung
des inneren Schlangenrohres 18 des Wärmeaustauschers niederschlägt. Deshalb muß
das L"berströmen von Dampfmengen, sei es durch das Sicherheitsventil 32,
sei
es aus dem Zwischenbehälter 22, ohne Arbeitsleistung vermieden werden, denn es bedeutet
einen Wärmeübergang ohne wesentlichen Verlust. Das Regelverfahren gemäß der Erfindung
gestaltet sich sehr einfach, wenn man den Dampfkessel reichlich überbemißt. Dann
geschieht alle Regelung dadurch, daß das Sicherheitsventil 32 dauernd mehr
oder weniger Dampf in die äußere Rohrschlange ig übertreten läßt. Die Aufwärtsbewegung
des Kolbens 33 erfolgt unter dem Drucke, welcher den Hilfskolben 34 nach oben schiebt.
Dabei tritt selbsttätig das Niederschlagswasser der Nebelturbine i in den Raum unterhalb
des Kolbens. Der Hilfskolben 34 und damit die Leitung -25 könnten gegebenenfalls
fortfallen und dafür entweder eine Feder angeordnet sein, welche die Aufwärtsbewegung
bewirkt, oder der Speisezylinder ix könnte so tief gelegt sein, daß die Flüssigkeitssäule
vom Kondensator 14 her den Kolben 33 nach oben drückt, sobald durch Niederschlag
in der Rohrschlange ig der Dampfdruck über dem Kolben 33 genügend klein geworden
ist. Es ist im allgemeinen vorteilhaft, um die Speisung schnell arbeiten zu lassen
und ihre Abmessungen dadurch klein zu machen, die Druckverhältnisse so zu wählen,
daß der Niederschlag in der äußeren Schlange ig des Wärmeaustauschers nur bis auf
einen Druck von einigen Atmosphären, z. B. 3, fortzuschreiten braucht, wenn der
Kolben sich heben soll. Die Stärke der Speisung durch Änderung der Hubdauer des
Kolbens kann, wie angegeben, durch das Drosselventil 26 oder ein an anderer geeigneter
Stelle eingeschaltetes Drosselglied verändert werden. Diese Beeinflussung kann aber
auch mittels einer elektrischen Kontaktsteuerung erfolgen, von der ein Ausführungsbeispiel
in Abb. 5 gezeigt ist. Statt des Schleppschiebers 4o ist in dem oberen Rohransatz
i2 ein Schieber 5o angeordnet, der gelenkig mittels Waagebalkens 51 mit einem Eisenkern
52 verbunden ist. Dieser Kern bewegt sich in dem Stutzen eines Gehäuses 53 aus Nicht-Eisenmetall,
z. B. Messing, und wird durch eine Spule 54 gegen die Wirkung einer Feder 55 beeinflußt.
Die Erregung der Spule erfolgt über eine Schaltuhr 56, deren Drehzahl mittels eines
Hebels 57 regelnd veränderlich ist. Wird eine solche Außensteuerung für das Steuerglied
verwendet, so kann jedes Mittel zur Aufwärtsbewegung des Kolbens 33 fortfallen,
der dann also lediglich ein frei spielender Trennungskolben ist. Will man auf den
Vor teil dieser Trennung zwischen Dampf und Speisewasser verzichten, so kann auch
dieser frei spielende Kolben wegfallen.
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Bei dein gezeichneten Ausführungsbeispie liegen vorteilhafterweise
alle Steuerungsgliede im Inneren des Rohransatzes 12, so daß ledig lich die Rohrzuleitungen
nach außen abzudichten sind und Leckstellen innerhalb eine geschlossenen Raumes
liegen. Wegen der seh großen Empfindlichkeit des Flüssigkeitserhitzers, wie er hier
zum Unterschied von einem Dampfkessel angewendet wird, gegen Zusatzspeisung, ist
diese Bedingung von erheblicher Bedeutung.
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Die Steuerung kann in jeder geeigneten bekannten Weise ausgeführt
sein. Erfindungsgemäß aber ist es besonders vorteilhaft, die Steuervorgänge in einen
nach außen vollkommen abgeschlossenen Raum zu verlegen, wie dies auch in der Zeichnung
angenommen ist. Dann sind ausschließlich nach außen hin die Rohrleitungen abzudichten,
und Undichtigkeiten der Hähne führen nur zum Überströmen von Wasser oder Dampf innerhalb
des Systems.
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Um den Flüssigkeitserhitzer dem Einfluß der durch die pulsierende
Speisevorrichtung ausgeübten Stöße zu entziehen, ist eine Druckausgleichvorrichtung
6o auf der Hochtemperaturseite, d. h. zwischen dem Erhitzer 4 und der Turbine i,
vorgesehen. Hierdurch werden nicht nur die sich aus der pulsierenden Speisung ergebenden
Stöße vom Flüssigkeitserhitzer ferngehalten, sondern es erfolgt auch ein Temperaturausgleich
durch Mischung der verschieden warm in den Speisezeiträumen aufeinanderfolgenden
Flüssigkeitsteile. Infolge der langsauren
Stöße der gespeisten
Flüssigkeit würden sonst, ohne die Druckausgleichvorrichtung, unerwünschte Schwankungen
sowohl des Druckes wie der Temperatur entstehen.
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Der Betrieb einer mit der Speisung gemäß der Erfindung versehenen
Nebelturbinenanlage geschieht vorteilhafterweise wie folgt: Beim Abstellen der Nebelturbine
x wird von dem Bedienenden der Zufluß zu den Düsen durch einen Dreiweghahn 61 gesperrt
und zugleich der Raum zwischen Düsen und diesem Dreiweghahn mit dem Kondensator
1q. verbunden. Das gleiche tritt ein, wenn während des Betriebes durch den Fliehkraftregler
63 der Turbine ein zweiter Dreiweghahn 62 umgeschaltet wird.
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Nachdem die Abstellung erfolgt ist, findet weitere Wärme- und Speisewasserzufuhr
zu dem Erhitzer ¢ statt. Diese füllt den Ausgleichspeicher 6o und schafft für das
nachfolgende Wiederanlassen eine erhebliche Druckflüssigkeitsreserve. Die Abschaltung
der Speisung. und der Wärmezufuhr erfolgt selbsttätig bei Uberschreiten einer gewissen
Füllung des Ausgleichspeichers bzw. beim Überschreiten eines gewissen Druckes in
demselben. Dabei wird weiter erfindungsgemäß so verfahren, daß ausschließlich die
Brennstoff- oder Brennluftzufuhr abgesperrt wird, ersteres bei Flüssigkeitsbrennern,
letzteres beim Heizen mit festem Brennstoff. Die genannte Absperrung erfolgt bei
einem Druckzustande, welcher genügend weit unterhalb des vorgesehenen Höchstdruckes
liegt. Die Abschaltung kann elektrisch oder mechanisch in an sich bekannter Weise
erfolgen.