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Dampfanlage mit Schichtenspeicher Die Erfindung bezieht sich auf Dampfanlagen,
in denen Speisewasserspeicher für kaltes und heißes Wasser verwendet werden. Die
Speicherung erfolgt dabei so, daß im unteren Teil des Speichers das kalte und im
oberen Teil das heiße Speisewasser schichtenweise getrennt aufgespeichert wird.
Bei der Aufladung wird dem Speicher in bekannter Weise oben heißes Wasser zugeführt
und unten kaltes Wasser entnommen, bei der Entladung ist der Vorgang umgekehrt.
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Es ist vorgeschlagen worden, die Schwankungen im Dampfverbrauch und
den Unterschied zwischen dem Bedarf an heißem und den Anfall an kaltem Wasser dadurch
auszugleichen, daß bei niedriger Belastung der Anlage und Vorhandensein von Überschußdampf
dem Speicher kaltes Wasser zum Niederschlagen des Überschußdampfes unten entnommen
und ihm oben ganz oder teilweise als heißes Wasser wieder zugeführt wird.
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Der Speicherinhalt soll dem Gewicht nach während des Betriebes annähernd
gleichbleiben, dagegen ändert sich beim Lade- und Entladevorgang der Rauminhalt
des Speichers, da das spezifische Volumen des heißen Wassers größer ist als das
des kalten. Wenn daher der Speicher - wie bisher üblich - stets mit 'Wasser vollgefüllt
ist, dann schwankt sein Wassergewicht je nach dem Ladezustand. Dadurch tritt aber,
besonders bei selbsttätiger Dampfregelung, eine Störung der Wasserverteilung ein,
die dann nicht mehr entsprechend dem Belastungsverlauf vor sich gehen kann. Um diesem
Übelstande abzuhelfen, soll erfindungsgemäß oberhalb der Heißwasserschicht des Speichers
ein Dampfraum vorgesehen werden, der die durch die schwankende Kalt-und Heißfüllung
des Speichers bedingte Inhaltsänderung im Speicher selbst ausgleicht, so daß die
übrigen Teile der Anlage davon nicht berührt werden.
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Kann das durch den Überschußdampf erwärmte Wasser sofort in der Anlage
Verwendung finden, so wird es erfindungsgemäß am Speicher vorbeigeführt und unmittelbar
verbraucht, z. B. in den Kessel gespeist. Dadurch wird die Beunruhigung des Wasserinhaltes
und damit die Möglichkeit eines Wärmeaustausches zwischen heißem und kaltem Wasser
auf ein Mindestmaß herabgesetzt. Die Erhitzung des kalten Wassers durch den Uberschußdampf
kann in einem besonderen Misch- oder Oberflächenvorwärmer oder auch im Speicherbehälter
selbst vorgenommen werden.
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Um die Trennschicht zwischen dem heißen und kalten Wasser zu verkleinern,
kann der Speicher in mehrere hintereinandergeschaltete Kammern oder in einzelne
Speicher unterteilt werden, deren oberer Teil mit dem unteren Teil der nachfolgenden
Kammer in Verbindung steht.
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Zur Erläuterung der Erfindung dienen die Ausführungsbeispiele der
Abb. z bis 6. Darin bedeuten: a Dampfkessel, b Heißwasserverbraucher, d Rohwasserverdampfer,
e Rauchgasvorwärmer, f Maschinenkondensator, g Rohwasserbehälter, lt, hl,
lt, . . . Dampfverbraucher, k Brüdendampfkondensator, in Ventil in der
Anzapfleitung,
az, izl ... Speisewasserspeicher, o, o1 ... Dalnpfvorwärmer für Speisewasser, Ventil
in der Dampfentnahmeleitung, r Dampfventil, z. B. Druckminderventil, s, s1, s. Dampfmaschine
oder Dampfmaschinenstufe, Ventil in der Wasserleitung zum Speicher oder Vorwärmer,
-- Ventil in der Frischdampfleitung.
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Das Ausführungsbeispiel der Abb. i zeigt eine Dampfanlage, bei der
der Frischdampf aus dem Kessel a in der Maschine s mit dem Kondensator f ausgenutzt
wird. Der von der Maschine oder anderen Verbrauchern nicht benötigte Dampf wird
dem Verdampfer d zugeführt, in dem z. B. Rohwasser verdampft wird, das als Zusatz
zur Kesselspeisung verwendet werden soll. Der so erzeugte Brüdendampf dient im Vorwärmer
k -zur Erhitzung des Speisewassers, das aus dem Maschinenkondensator f kommt. Das
im Verdampfer d entstehende Kondensat des Frischdampfes und das Kondensat des Brüdendampfes
im Vorwärmer k werden zugleich mit dem Maschinenkondensat dem Speicher zz-o zugeführt,
aus dem der Kessel a gespeist wird. Die mit Kondensat aus dem Verdampfer d mitgerissenen
Dampfblasen werden im Speicher kondensiert.
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Der Speicher besteht aus dem Warmwasserraum o und dem eigentlichen
Speicherraum n. Die Speicherung erfolgt so, daß bei hoher Belastung und Dampfmangel,
bei der kein oder nur wenig Wasser vorgewärmt wird, kaltes Kondensat dem Speicherraum
iz unten zugeführt und dort gespeichert wird. In der oberen Schicht des Speichers
za befindet sich warmes Wasser, das aus dem Raum o von oben zugeflossen ist. Dieses
heiße Wasser wird allmählich vom kalten wieder in den Raum o zurückgedrängt und
von dort in den Kessel gespeist. Wenn Dampfüberschuß vorhanden ist, dann steigt
der Druck in der Hauptdampfleitung und öffnet das Ventil v. Hierdurch wird das Maschinenkondensat
über den Rauchgasvorwärmer e und den Brüdenkondensator k in den Speicher o gefördert.
Aus dem Maschinenkondensator f fällt nicht genug kaltes Kondensat an, um die entsprechend
der Öffnung des Ventils v erforderliche Wassermenge aufzubringen. Infolgedessenwirdausdem
Speichern Wasser von unten abgesaugt, dem Vorwärmer k und dann dem Warmwasserraum
o des Speichers zugeführt. Da jetzt mehr Wasser angewärmt als verbraucht wird, so
strömt aus dem Raum o heißes Wasser in den Speicher n über und ersetzt das dort
abgeflossene kalte Wasser. Für die Zeiten hoher Belastung und sehr geringer Vorwärmung
steht genügend heißes Wasser zur Kesselspeisung zur Verfügung.
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Auf diese Weise wird der Ausgleich zwischen dem Anfall an kaltem und
dem Bedarf an heißem Speisewasser herbeigeführt. Gleichzeitig werden dadurch die
Schwankungen zwischen Dampfbedarf und Dampferzeugung ausgeglichen, da.der Kessel
durch die Heißspeisung-leistungsfähiger wird und das heiße Wasser ohne Mehraufwand
an Brennstoff in Zeiten niedriger Belastung durch Überschußdampf gewonnen wird.
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Die Regelung der Umwälzung des Speicherinhaltes wird vom Wasserventil
v durchgeführt, das in .der Abbildung zwischen dem Vorwärmer k und dem Speicher
angeordnet ist. Das Ventil v wird vom Druck im Frischdampfnetz bzw. im Kessel so
gesteuert, daß es den Wasserzufluß zum Speicher vergrößert, wenn der Druck steigt,
also Überschußdampf vorhanden ist, verringert, wenn der Druck fällt. Die Wasserzufuhr
entspricht der niederzuschlagenden Überschußdampfmenge und regelt die Dampfzufuhr
aus dem Verdampfer d zum Vorwärmer k.
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Das kalte Wasser aus dem Kondensator f wird im Ausführungsbeispiel
vor seinem Eintritt in den Speicher. n . oder den Dampfvorwärmer k im Rauchgasvorwärmer
e vorgewärmt.
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Die im Ausführungsbeispiel in einem Behälter vereinigten Räume o und
n können - ohne das Wesen und die Wirkung der Speicherung zu ändern - als getrennte
Behälter angeordnet werden; ein Beispiel dafür bietet die Abb. 6. Als Vorwärmer
können, je nach der Zweckmäßigkeit, Misch- oder Oberflächenvorwänner verwendet werden.
Statt Rohwasser könnte im Verdampfer d auch irgendeine andere Flüssigkeit verdampft
werden. Außer zur Kesselspeisung könnte dem Speicher auch heißes oder kaltes Wasser
für andere Betriebszwecke entnommen werden.
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Die Dampfzufuhr zum Verdampfer d ließe sich durch ein vom Druck oder
der Temperatur im Speicher gesteuertes Ventil regeln, das die Dampfzufuhr vergrößert,
wenn der Druck bzw. die Temperatur im Speicher sinkt. Im umgekehrten Falle drosselt
dieses Ventil die Dampfzufuhr.
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Die Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Dampfüberschuß
zum Anwärmen des Speisewassers den Stufen s1 und s2 der Maschine si s2 s3 entnommen
wird. Die Vorwärmung selbst findet in zwei Stufen statt. Aus der Mitteldruckstufe
s2 der Maschine wird Dampf für den Vorwärmer ol entnommen. Letzterer ist in diesem
Ausführungsbeispiel ein Teil des Speichers, er kann aber auch in einem besonderen
Behälter untergebracht sein. Die Stufe s3 steht mit dem Kondensator f in Verbindung,
dessen Kondensat entweder im Speicher zz gespeichert oder sofort vorgewärmt und
zur Kesselspeisung benutzt wird.
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Beim Betrieb dieser Anlage spielen sich folgende Vorgänge ab
Wenn
Überschußdampf vorhanden ist, z. B. bei niedriger Belastung, dann wird viel Wasser
vorgewärmt. Das Wasserventil v des Speichers, das vom Druck in der Dampfentnahmeleitung
s, -o gesteuert wird, vergrößert in solchen Zeiten den Durchfluß durch den Vorwärmer
ol und den Zufluß zum Anwärmeraum o des Speichers. Dafür genügt aber die aus dem
Kondensator f anfallende Menge an kaltem Niederschlagwasser nicht, sondern es wird
auch kaltes Wasser aus dem Speicher zt unten abgesaugt, um den Ü berschußdampf damit
niederzuschlagen.
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Die Dampfentnahme aus der Stufe s2 der Maschine richtet sich nach
dem Druck an der Entnahmestelle und nach der Menge des durch den V orwärmer o fließenden
Wassers. In der Entnahmeleitung s.; o1 findet keine Ventilregelung o. dgl. statt.
Das so vorgewärmte Wasser hat daher wechselnde Temperatur, denn der Stufe s2 der
Maschine wird Dampf annähernd gleichen Druckes entnommen, die Menge des durch den
Vorwärmer o1 fließenden Wassers schwankt aber mit der Überschußdampfmenge. Im Anwärmeraum
o wird das Wasser auf gleichbleibende Temperatur erhitzt, weil dann das Wasserventil
v vom Druck in der Entnahmeleitung s, -o" der dem Druck im Speicher gleich ist,
gesteuert wird. Das im Anwärmer o erhitzte Wasser strömt nach dem Speicherraum n
über und ersetzt dort das abgesaugte kalte Wasser.
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Bei Dampfmangel, z. B. infolge steigender Belastung, findet der umgekehrte
Vorgang statt. Das Wasserventil v drosselt den Zufluß, das kalte Niederschlagwasser
aus dem Kondensator f wird im Raum it gespeichert, wie dies bei der Abb. t ausführlich
beschrieben wurde. Der Kessel wird mit dem heißen Wasser des Speichers gespeist.
Zwischen dem Kondensator f und dein Speicher zt bzw. dem Vorwärmer o1 könnte wie
in der Abb. z ein Rauchgasvorwärmer eingeschaltet sein. Die folgenden Abbildungen
zeigen Ausführungsbeispiele mit einstufiger Vorwärmung des Speisewassers und mit
Speichern, denen gleichfalls in Zeiten von Dampfüberschuß das kalte Wasser unten
entnommen und als heißes oben wieder zugeführt wird, um für die Zeiten des Dampfmangels
und der eingeschränkten Vorwärmung den Kessel mit heißem Wasser speisen zu können.
Die Umwälzung und ihre Regelung geschieht in diesen Ausführungsbeispielen so, wie
es für die Abb. x und :z dargelegt wurde.
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Im Ausführungsbeispiel der Abb.3 ist der Speicher an das Niederdruckdampfnetz
h4 angeschlossen. Da keine Maschine vorhanden ist, wird das Speisewasser einem Brunnen
entnommen oder das Kondensat der an die Netze hl bis h4 angeschlossenen Verbraucher
dazu verwendet. Die Regelung der Umwälzung vollzieht das Wasserventil v in Abhängigkeit
vom Druck im Frischdampfnetz bzw. im Kessel. Die Anwärmung erfolgt im Raum o des
Speichers auf gleichbleibende Temperatur, weil derDampfzufluß zum Speicher durch
das Ventil P in der Speicherladeleitung in Abhängigkeit vom Speicherdruck bzw. von
der Speichertemperatur geregelt wird und weil die zugeführte Wassermenge dem Dampfüberschuß
entspricht. Dem Speicher kann heißes Wasser für den Verbraucher b und Dampf für
das Netz 7t4 entnommen werden.
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Der Anwärmeraum o braucht nicht mit dem Speicher vereinigt zu sein,
sondern kann als besonderer Behälter, sei es als Misch- oder Oberflächenvorwärmer,
angeordnet werden.
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Die Ausführungsbeispiele der Abb. 5 und 6 zeigen Anlagen, bei denen
der Speicher entweder in mehrere in besonderer Weise miteinander verbundene Räume
oder in mehrere besondere Speicher und Anwärmebehälter aufgeteilt ist. Dadurch wird
erreicht, daß die Berührungsfläche zwischen dem kalten und dem erhitzten Speisewasser
klein ist, so daß die dem Wasser durch die Dampfv orwärmung gegebene Temperatur
unverändert erhalten wird. Die Umwälzung des Speicherinhaltes geschieht in der gleichen
Weise wie bei den anderen Ausführungsbeispielen und wird deshalb hier nicht noch
einmal beschrieben.
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In dem Ausführungsbeispiel der Abb. q. geschieht die Umwälzregelung
durch das Wasserventil z, z. B. in Abhängigkeit vom Druck im Frischdampfnetz bzw.
im Kessel. Die Dampfentnahme erfolgt aus dem Gegendrucknetz mit dem Verbraucher
h durch das Überströmventil P in der Speicherladeleitung. Das Wasser wird auf gleichbleibende
Temperatur vorgewärmt, da die zufließende Wassermenge und die zum Anwärmen entnommene
Überschußdampfmenge einander entsprechen. Der Druck bzw. die Temperatur im Speicher
wird durch das Ventil fit in der Dampfleitung zwischen den beiden Maschinen s1 und
s2 in einem bestimmten Verhältnis zum Frischdampfdruck gehalten. Dieses Ventil regelt
den Dampfabfluß von der Entnahmestelle für den Vorwärmdampf in Abhängigkeit von
den Drücken im Speicher und im Frischdampfnetz bzw. im Kessel. Dem Speicher wird
Dampf für den Verbraucher lil entnommen.
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In der Abb. g ist der Speicher in die Räume 4t1, @t2, ra;i und in
den Anwärmeraum o geteilt. Wird kaltes Niederschlagwasser aus dem Maschinenkondensator
f gespeichert, dann füllt es erst den Raum 4z3. Dieser ist z. B. durch die in der
Abbildung gezeichneten Wände derart vom folgenden Raum n2 getrennt, daß das vom
Rauinn, nicht mehr zu fassende kalte Wasser überfließt und von unten in den Raum
it, eintritt. Es verdrängt dabei das dort befindliche warme Wasser nach dem Raum
a1 zu. Umgekehrt
dringt das heiße Wasser, wenn es bei geringem
Wasserbedarf und Dampfüberschuß gespeichert werden muß, jeweils von oben in die
Speicherräume.
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Die Umwälzregelung wird durch das Wasserventil v in Abhängigkeit vom
Druck im Frischdampfnetz bzw. im Kessel vorgenommen.
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Das Ausführungsbeispiel der Abb. 6 unterscheidet sich von dem vorangegangenen
durch die Ausgestaltung des Speichers. Statt der einzelnen Räume sind hier besondere
Gefäße angeordnet. Diese stehen in der gleichen Weise miteinander in Verbindung
wie die einzelnen Räume des Speichers der Abb. g. Von der oberen, warmenWasserschicht
führt eine Leitung zur unteren Schicht des nachfolgenden Speichers. Beim Betrieb
dieser Speicheranlage spielen sich dieselbenVorgänge ab, wie sie beim Ausführungsbeispiel
der Abb. g beschrieben wurden.
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Die Umwälzung des Inhaltes der Speicheranlage wird durch das Wasserventil
v in Abhängigkeit vom Druck in der Dampfentnahmeleitung, der dem Druck im Speicher
entspricht, geregelt. Den Dampfabfluß von der Entnahmestelle für den Vorwärmdampf
regelt das Ventil in zwischen den beiden Stufen s, und s. der Maschine, so daß der
überschüssige Dampf der Speicheranlage zugeführt wird.
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Statt eines Speichers könnten in allen Ausführungsbeispielen auch
mehrere parallel geschaltete Speicher und Vorwärmer verwendet werden.