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Verfahren und Vorrichtung zur Übertragung von Wärme aus gespannten
Gasen, insbesondere den Ausströmgasen von Verpuffungskammern, vorzugsweise für Brennkraftturbinen,
auf andere Stoffe In der Erkenntnis, daß durch sprunghaft erhöhte Gasgeschwindigkeiten
die Wärmeübergänge ebenso sprunghaft verbessert werden können, hat man bereits die
Energie, die in hochgespannten, hocherhitzten Gasen enthalten ist, zur Steigerung
der Gasgeschwindigkeiten vor der Wärmeübertragung benutzt; derartig hochgespannte,
hocherhitzte Verbrennungsgase fallen dabei vorzugsweise in Verpuffungskammern an,
wie sie beispielsweise für Brennkraftturbinen Verwendung finden, so däß man schließlich
die Verpuffungskammern geradezu als Mittel zur Erzeugung hochgespannter, hocherhitzter
Gase benutzte.
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Bei der praktischen Verwirklichung dieser Vorschläge ging man nun
so vor, daß man die Verdampfer- und überhitzerrohre in die Verpuffungskammern selbst
einbaute oder zum mindesten die gaserfüllten Räume der Wärmeaustauscher mit dem
Inneren der Verpuffungskammer in ständige Verbindung brachte. Die Wärmeaustauscher
liegen also, wenn man die Strömungsrichtung der gespannten Gase betrachtet, in dem
Raum vor der Auslaßvorrichtung, die man durchweg mit Düsenventil bezeichnet, weil
sie die üblicherweise vor dem Turbinenlaufrad angeordnete Düse oder die Düsen abschließt
bzw. öffnet. Der zur Unterbringung der Wärmeaustauscher dienende Raum bildet also
einen Teil der Verpuffungskammer, so daß die Wärmeaustauscher in das gesamte Wärmespiel
eines Arbeitsvorganges, also in die mit dem Aufladen, Verpuffen, Ausdehnen und Ausschieben
oder Spülen verbundenen Wärmespiele eingeschaltet sind. Der Wärmeflüß während eines
Arbeitsspieles ist aber nicht dauernd zu dem in den Wärmeaustauschern befindlichen
wärmeaufnehmenden Stoff hin gerichtet, sondern er kehrt sich bei dem Spülen und
Aufladen um, weil in diesem Fall die Temperatur des Gemisches oder der Spülluft
kleiner ist als die des Wärmeaustauscherinhaltes.
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Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, daß Einbauten zu Zwecken
des Wärmeaustausches in die Gaserzeuger selbst grundsätzliche Nachteile haben. Es
war bereits erwähnt worden, daß sich der Wärmeflüß während eines Arbeitsspieles
notwendigerweise umkehrt. Wenn auch die bei diesem umgekehrten Wärmefluß auf das
Gemisch bzw. auf die Spülluft übergehenden Wärmemengen dem Verfahren nicht verlorengehen,
so bewirken sie eine zeitweise Abkühlung der Wärmeaustauscher, durch welche der
Wärmeübergang natürlich gegenüber gleichartigen Verfahren und Vorrichtungen herabgesetzt
wird, bei denen das kalte Gemisch bzw. die kalte Luft mit den Wärmeaustauschern
nicht zur Berührung gelangen; der Wärmeübergang auf das Gemisch ist dabei nicht
einmal erwünscht,
weil sich entsprechend der Verbrennungsanfangstemperatur
auch die Verbrennungsendtemperatur hebt, so daß unnötig heiße Gase erzeugt werden.
Außerdem bilden die meistens in Form von Rohrbündeln oder Rohrschlangen angeordneten
Wärmeaustauscher enge, gemischerfüllte Räume, in denen das Gemisch schlecht verbrennt;
das Verfahren wird also unwirtschaftlich. Durch die schlechte Verbrennung verlängert
sich außerdem die Verbrennungszeit- und damit die Spielzahl je Zeiteinheit. In den
Rohrnestern zurückbleibende schwelende Gasreste erhöhen die Vorzündungsgefahr.
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Es wäre zur Vermeidung dieser Nachteile nahehegend, wie dies auch
friiheren Vorschlägen entspricht, einen Gesamtwärmeaustausch grundsätzlich außerhalb
des Gaserzeugers selbst, insbesondere also im Wege der expandierenden und mit hoher
Strömungsgeschwindigkeit fließenden Gase, vorzunehmen. Bei dieser einstufigen Entspannung
würden außerordentlich hohe Gasgeschwindigkeiten und dementsprechend hohe Wärmeübergänge
erzielt werden. Das Verfahren hat jedoch den ausschlaggebenden Nachteil einer Kernbildung
der Gase. Läßt man sich nämlich die Gase in einer einzigen oder auch in mehreren
in bekannter Weise gegebenenfalls absatzweise nacheinander eröffneten, aber stets
gleichlaufend geschalteten Düsen bis zum Gegendruck ausdehnen, so kommen die inneren
Teile der Gasstrahlen nicht an die Düsenwandungen und können somit nicht den in
ihnen enthaltenen Teil der Wärme an die Düsenwandung abgeben. Außerdem würde das
Verfahren bei dem praktisch stark in Betracht kommenden Betrieb der Verpuffungskammern
mit Kohlenstaub,als ungeeignet ausscheiden, weil die Erosion der Wandungsteile durch
die gesinterten und daher sehr harten Ascheteilchen des Kohlenstaubes ungefähr dem
Geschwindigkeitsquadrat der Gase verhältnisgleich ist. Die Erosion erreicht somit
bei den hohen Gasgeschwindigkeiten der einstufigen Expansion Werte, welche infolge
der durch sie hervorgerufenen Gefährdung der Festigkeit der Wärmetauscher nicht
tragbar erscheinen. Würde man, um die Heizfläche für eine gegebene Gasmenge zu vergrößern,
die Düse in mehrere nebeneinandergeschaltete Düsen von kleinerem Eintrittsquerschnitt
zerlegen, so würden die Eintrittsöffnungen so klein werden, daß die Gefahr des Zusetzens
durch Schlacke- und Koksteilchen bestände.
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Außerdem würden die Düsen zur Erzeugung der dem gesamten Druckgefälle
entsprechenden Geschwindigkeiten sehr lang werden, so daß sich bei der Unterbringung
derartig ausgestalteter Gaswege räumliche uhd bauliche Schwierigkeiten ergeben würden.
Die so dargelegten Schwierigkeiten sollen erfindungsgemäß dadurch beseitigt werden,
daß die gespannten Gase in Stufen, die in Strömungsrichtung hintereinanderliegen,
absatzweise bis auf den Gegendruck expandiert und mit den durch die stufenförmigen
Expansionen erzielten Gasgeschwindigkeiten an im Bereiche der erhöhten Gasgeschwindigkeiten
angeordneten wärmeübertragenden Wandungen jeweils entlang geführt werden. Der stufenweisen
Expansion und dem Wärmeentzug werden bei der Erzeugung der Gase in Verpuffungskammern
dabei zweckmäßig nur Gase unterworfen, die über die geöffnete Ausströmvorrichtung
(Düsenventil) der Verpuffungskammer geströmt sind. Es liegt auch im Wesen der Erfindung,
daß die bis auf den Gegendruck expandierten Gase in an sich bekannter Weise Dehnungsmaschinen
zur Abgabe des Restes ihres Arbeitsvermögens zugeführt werden.
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Durch die stufenweise Expansion wird vor allein die Schichtung der
Gasteilchen immer wieder verändert, so daß die schädlichen Auswirkungen der Kernbildung
mit Sicherheit vermieden werden. Es kommen immer wieder andere Gasteilchen mit dem
wärmeaufnehmenden Stoff bz-%v. mit der wärmeübertragenden Wandung in Berührung,
wobei die hohen Geschwindigkeiten der Gasteilchen einen guten Wärmefibergang gewährleisten.
Die Gaswege in den einzelnen Stufen werden dabei sehr kurz, so daß die Unterbringung
der Heizflächen im Gegensatz zu den Verhältnissen der einstufigen Expansion keine
Schwierigkeiten bereitet. Infolge der Absenkeng der bei der einstufigen Expansion
auftretenden überhohen Geschwindigkeiten auf geringere Werte beträgt die Erosion
der Wandungsteile, die bei dem Kohlenstaubbetrieb des Gaserzeugers besonders zu
berücksichtigen ist, nur 11, bis 1(" von der einstufigen Expansion. Es findet weiter
ein stetiger, ununterbrochener Wärmefluß aus den strömenden Gasen in die Wärmeaustauscher
statt, ohne daß der Wärmefluß durch Berührung der Wärmeaustauscher mit kaltem Gemisch
oder mit kalter Spülluft eine Umkehrung erfahren würde. Alle Einbauten in die Verpuffungskammer
mit der durch sie hervorgerufenen unerwünschten Verzwickelung des Verbrennungsraumes
fallen fort. Dabei ist es thermodynamisch von größtem Vorteil, daß die Erzeugung
der Gase unter möglichst geringem Wärmeentzug erfolgt. Es darf nämlich den Gasen
während ihrer Erzeugung nur so viel Wärme entzogen werden, daß die Gastemperatur.
für die Kammerwandungen ohne Schädigung derselben gerade erträglich ist. Der Einbau
von Wärmeaustauschern, die durch einen verhältnismäßig kalben wärmeaufnehmenden
Stoff
durchströmt werden, in den Verbrennungsraum hat aber stets den \; achteil, daß der
Wärmeentzug während der Erzeugung der Gase zu hohe Werte annimmt, so daß sich das
Verbrennungs- bzw. Verpuffungsverfahren ausschlaggebend verschlechtert. Dadurch,
daß der Wärmeentzug auf die vollkommen ausreichende Wandungslcü hlung der Gaserzeugungskammer
beschränkt bleibt, fallen diese Nachteile fort.
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Es ist bereits bekanntgeworden, in den Leitungen für gespannte Gase
in Strömungsrichtung eine allmähliche Erweiterung vorzusehen, um eine Rückverdichtung
der Heizgase zu bewirken, die wiederum eine Erhöhung der Abgastemperaturen zur Folge
haben soll; bei der praktischen Umsetzung dieses Gedankens hat man dabei mehrereRohrstücke
gleichen Querschnittes durch konische Ghergangskörper verbunden, so daß die erstrebte
allmählicheRückverdichtung durch eine mehr stufenweise wirksame Verdichtung ersetzt
wurde. Es sind auch schon Wä rmeaustauscher bekanntgeworden, bei denen im Weg der
Heizgase Einrichtungen zum Anstauen der Heizgase angeordnet wurden, die somit als
Drosselstellen wirkten und zu erhöhten Gasgeschwindigkeiten hinter diesen Drosselstellen
Anlaß geben mußten. In diesem Falle fehlten jedoch stets im Bereiche der mit erhöhter
Geschwindigkeit strömenden Gase Wärmeaustauschflächen, so daß sich die zufällig
eintretenden Geschwindigkeitserhöhungen nicht im Sinne eines gesteigerten Wärmeüberganges
auswirken konnten.
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Die Vorrichtungen zur Durchführung des neuen Verfahrens können in
der verschiedensten Art und Weise ausgestaltet sein. Sie kennzeichnen sich übereinstimmend
vor allein dadurch, daß im Weg der gespannten, strömenden Gase Drosselvorrichtungen
angeordnet sind. Die Anordnung und Ausbildung der Drosselvorrichtungen ist dabei
zweckmäßig wieder so gewählt, daß sich hohe Gasgeschwindigkeiten einstellen. Die
Drosselquerschnitte ändern sich dabei, der mittleren Volumenänderung der expandierenden
Gase entsprechend.
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Die Bildung der Drosselvorrichtungen kann dabei auf eine grundsätzlich
dreifach verschiedene Art und Weise erfolgen. Zunächst können die Drosselvorrichtungen
als besondere, von den Führungen für die gespannten Gase und für den wärmeaufnehmenden
Stoff unabhängige Einbauteile ausgebildet sein. Die Drosselstellen können aber auch
von den Führungen für die gespannten Gase gebildet werden. Schließlich stehen zur
-Bildung der Drosselstellen die Führungen für den wärmeaufnehmenden Stoff zur Verfügung-
Dieselben Maßnahmen können natürlich in zweckentsprechenden Kombinationen oder in
der Gesamtvereinigung Anwendung finden. Da es jedoch besonders zweckmäßig ist, den
wärmeaufnehmenden Stoff besonders oft und vielseitig mit den Gasen zur Berührung
zu bringen, kommen zur Bildung der Drosselstellen hauptsächlich die Führungen für
den wärmeaufnehmenden Stoff in Betracht.
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Es wird nunmehr an Hand von Ausführungsbeispielen im einzelnen zu
zeigen sein, wie die Drosselvorrichtungen im einzelnen ausgebildet werden können.
Es soll hier nur noch darauf hingewiesen werden, daß das, was in den Ausführungsbeispielen
hauptsächlich für die Führungen des wärmeaufnehmenden Stoffes gezeigt wird, eine
entsprechende Anwendung bei den Führungen für die gespannten Gase selbst finden
kann. Ebenso können dieselben Einrichtungen als besondere Einbauten verwirklicht
werden. Wiederum sind beliebigen zweckentsprechenden Kombinationen oder Zusammenfassungen
der dargestellten Einrichtungen keine Schranken gesetzt.
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Die Zeichnungen zeigen verschiedene Ausführungen des Erfindungsgedankens
am Beispiel von Dampferzeugungsanlagen in Verbindung mit Verpuffungskammern zur
Erzeugung der gespannten Gase.
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Abb. i stellt eine Ansicht auf eine Dampferzeugungsanlage mit an die
V erpuffungskammer angebautem Dampfkessel dar; die Verpuffungskammer ist dabei im
Längsschnitt gezeigt.
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Abb. 2 zeigt den Dampfkessel der Abb. i bei vergrößerter Darstellung
im senkrechten Längsschnitt.
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Abb.3 zeigt einen waagerechten Schnitt durch den Kessel nach Linie
III-III der Abb. 2.
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Abb. q. stellt Einzelheiten der Abb. 2 in anderer Ausführung dar.
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Abb. 5 gibt einen Querstromkessel im senkrechten Längsschnitt gemäß
Linie V-V der Abb. 7 wieder.
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Abb. 6 zeigt denselben Querstroinkessel- in einem senkrechten Längsschnitt
nach Linie VI-VI der Abb. 7.
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Abb.7 gibt einen waagerechten Schnitt durch den Kessel nach Linie
VII-VII der Abb. 5 wieder. Die Abb. 8 und 9 zeigen im senkrechten Längsschnitt bzw.
im waagerechten Querschnitt einen Querstromkessel mit einer gegenüber der Abb. 5
bis 7 abgeänderten Wasserrohrform.
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Abb. io stellt einen Ouerstromkessel im Längsschnitt dar, bei dein
lediglich die Rohrteilung verändert ist.
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Abb. i i stellt im senkrechten Längsschnitt
einen
an die Verpuffungskacmner angebauten Kreuzstromkessel dar.
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Abb. 12 zeigt in verkleinerter Darstellung einen senkrechten Ouerschnitt
durch den Kessel nach Abb. i i gemäß Linie XII-XII derselben.
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Abb.13 stellt, ebenfalls in verkleinerter Darstellung, die zurrt Kreuzstromkessel
nach Abb. i i gehörige Gesamtanlage dar.
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Abb. 14 zeigt im senkrechten Längsschnitt einen Kreuzstromkessel,
bei der dieser um das Düsenventil der Verpuffungskammer und um einen Teil des kegelförmigen
Überganges zwischen Düsenventil und den langgestreckten Wänden der Verpuffungskammer
angeordnet ist.
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Abb. 15 zeigt einen waagerechten Schnitt nach Linie XV-XV der Abb.
14., während Abb. 16 einen waagerechten Schnitt nach Linie XVI-XVI der Abb. 1¢ in
vergrößerter Darstellung wiedergibt.
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Abb. 17 zeigt im senkrechten Längsschnitt eine Gesamtanlage, bei der
der Dampfkessel gleichmittig zum Düsenventil der Ver-1_uffungskammer um dasselbe
liegt.
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Abb. i S zeigt eine Einzelheit der Abb. 17 in vergrößerter Darstellung,
während s#chließ-1ich Abb. i9 einen waagerechten Querschnitt durch den Kessel nach
Linie XIX-XIX der Abb. 15 wiedergibt.
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Bevor die einzelnen Abbildungen beschrieben werden sollen, muß vorab
bemerkt werden, daß dasjenige, was im nachfolgenden für Dampfkessel ausgeführt wird,
sinngemäß für jede andere W:irmeaustauschvorrichtung, also heispielsweise für Vorw_irmer
und Überlritzer, gilt.
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In Abb. i bezeichnet i die in üblicher Weise ausgeführte Verpuüungskammer,
bestehend aus einem langgestreckten zylindrischen Teil 2, einem konischen Übergang
3 zum Ladeventil .4 und einem konischen Überhang 5 zum Auslaß- oder Düsenventil
6. Die '"erhuftungskanimer i weist außer den Ventilen .1 und 6 Zündeinrichtungen
7 und Vorrichtungen 8 zur Brennstoffeinführung auf. Denr Ladeventil .I wird die
gespannte Luft über Leitung 9, der Brenrrsto@feinlaßvorrichtung 8 der Brennstoff
über Leitung lo zugeführt. Die Ein- und Auslaßventile ¢ und 6 werden mittels Drucköles
gesteuert, das bei i i und 12 zugelassen wird.
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Das Arbeitsverfahren einer derartigen Verpuffungskammer gestaltet
sich wie folgt. Bei noch geöffnetem Auslaßventil 6 öffnet sich das Einlaßventil4,
so daß die die Verpuffungskammer erfüllenden Restfeuergase der vorhergehenden Verpuffung
durch die über den konischen Übergang 3 kolbenartig eindringende Ladeluft ausgetrieben
werden. Sobald die Restfeuergase ganz oder teilweise entsprechend dem gewählten
Betriebsverfahren über das geöffnete Auslaßventil 6 ausgetrieben worden sind, schließt
sich dieses. Wenn dann der erforderliche Aufladedruck in der Verpuffungskammer i
hergestellt worden ist, schließt sich das Ladeluftventil q.. Gleichzeitig oder vorher
hat sich das Brennstoffeinlaßventil 8 unter dem Druck des über Leitung io zugepumpten
Brennstoffes eröffnet und in der Verpuffungskammer i ein homogenes, zündfähiges
Gemisch gebildet, das nunmehr bei geschlossenen Ventilen q. und 6 mittels der Zündeinrichtung
7 entzündet wird. Es erfolgt eine Verpuffung unter erheblicher Drucksteigerung,
worauf sich das Auslaß-oder Düsenventil 6 öffnet und die hochgespannten, hochaufgeheizten
Gase über den konischen Übergang 13 zum Dampfkessel 14 entläßt. Hierauf wiederholt
sich das geschilderte Arbeitsverfahren.
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Es wird bemerkt, daß der so erörterte Aufbau und das geschilderte
Betriebsverfahren einer derartigen Verpuffungskammer nur beispielsweise erwähnt
werden; es kann jeder andere Gaserzeuger und jedes andere Gaserzeugungsverfahren
zur Herstellung gespannter Gase mit wirtschaftlich ausnutzfähigem Wärmeinhalt Anwendung
finden.
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Der Kessel 14. weist nun, wie die Abb. 2 und 3 zeigen, erfindungsgemäß
folgende Einrichtungen auf. Er besteht aus einem äußeren Zylindermantel 15 und zwei
ebenen Bodegringen 16, zwischen denen die den Erfindungsgedanken verwirklichenden
Wärmeaustauscher mit den Innenrohren 17 und den Außenrohren 18 liegen. Die Außenrohre
18 sind in die Bodenringe 16 eingewalzt oder eingeschweißt. Die Innenrohre 17 sind
in die gewölbten Mittelböden 1g eingeschweißt. Die Mittelböden icg besitzen Gaseinführungs-
und Ausführungsstutzen 2o und 21, wobei der Gaseinführungsstutzen 2o mit dem konischen
Vorraum 13 (s. Abb. i) in Verbindung steht, während Gasausführungsstutzen 21 zu
einer nicht gezeichneten Dauerstromturbine führen kann. Die gewölbten Innenböden
22 sind mit je einem Bodenring 16 durch Schweißung oder Nietung auf deren Innendurchmesser
wasserdicht verbunden. Ebenso sind die gewölbten Mittelböden 19 mit dem Bodenring
16 auf deren Außendurchmesser wasserdicht verbunden. Die Stutzen 2o und 21 führen
durch den Außenmantel 15, mit diesem dampfdicht verbunden, hindurch. Der Mantel
15 kann in an sich bekannter Weise aus einem oder mehreren Teilen bestehen. Der
obere Innenboden 19 steht durch mehrere Wasserführungsrohre 23 mit dein oberen Mittelboden
22 in Verbindung.
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Erfindungsgemäß tragen nun die Wasserrollre
18 an
ihrer Innenseite Drosselringe 2d., deren Bohrungen 25 in Richtung der Gasströmung
einen sich verändernden Durchmesser aufweisen. In den Bohrungen 25 liegen Wasserrohre
17, gehalten durch die Mittelböden i9, welche sie verbinden. Die zwischen den Innenrohren
17 und den Lochkanten 25 der Drosselringe 24 verbleibenden Ouerschnitte dienen
als Drosselstellen für die Tiber 2o zuströmenden gespannten Gase. Entsprechend der
Volumenänderung der Gase ändern sich die Drosselquerschnitte, etwa nach den punktiert
eingezeichneten kegelförmigen Linien 27. Die .Räume zwischen den Innenböden 22,
den Mittelböden i9 und den Bodenringen 16 sowie die Räume zwischen den Außenrohren
18 und den Innenrohren 17 sind also vollständig von Gasen erfüllt, während
alle übrigen Räume innerhalb des Außenmantels 15 und der sich anschließenden Außenböden
28 von dem wärmeaufnehmenden Stoff, vorzugsweise von Wasser, erfüllt sind. Hierbei
erfolgt der Wassereintritt bei 29 und der Wasser- bzw. Dampfaustritt bei 30.
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Das Betriebsverfahren eines so ausgebildeten Dampfkessels gestaltet
sich nun wie folgt. Die durch den Eintrittssttttzeti 20 nach Öffnung des Ausströmventils
6 einströmenden hochgespannten und hocherhitzten Gase strönten durch die erste Drosselstelle,
gegeben durch den Zwischenraute zwischen den Lochkanten 25 und dem Innenrohr 17.
Infolge des Druckunterschiedes vor und hinter der ersten Drosselstelle entstehen
hohe Gasgeschwindigkeiten mit entsprechend hohen Wärme übergängen an den Wärmeaustauschflächen
3i. Hierauf strömen die Gase durch die zweite Drosselstelle, wiederum infolge des
Druckunterschiedes vor und hinter der zweiten Drosselstelle mit etwa derselben Geschwindigkeit
wie vorher. An den folgenden Wärmeaustauschflächen 32 erfolgt ein abertnaliger hoher
Wärmeübergang. Der Vorgang wiederholt sich so oft, als Drosselstellen und Wärineaustauschflächen
vorhanden sind. Da sich der spezifische Rauminhalt der Gase ändert, verändern sich
die Drosselquerschnitte entsprechend der Lochkantenlinie 27, um die gleichen Geschwindigkeitsumsetzungen
zu erzielen. An den Stellen der großen Strönentgsgeschwindigkeiten treten die höchsten
Wärmeübergänge auf. Da man diese Stellen entsprechend dem vorhandenen Druckgefälle
auf dein gesamten Strömungsweg der Gase vorsehen kann, bildet praktisch die gesamte
gasberührte Oberfläche der Wärmeaustauscher Stellen höchsten Wärmeüberganges. Wie
die Abb.3 zeigt, sind die Wärmeaustauscher 18, 17 in größerer Anzahl vorhanden
und beispielsweise ringförmig angeordnet, ohne irgendwie auf diese Verteilung eingeschränkt
zu sein. Die Wärmeaustauschflächen 34 32, 33 und 34 können, wie Abb. 2 zeigt, zur
Vergrößerung der Fläche besondere Einrichtungen, beispielsweise in Form auf das
Innenrohr aufgesetzter Ringe 35, aufweisen. Die Drosselringe z4 bzw. die Ringe 35
können auch von den Führungen für den- wärmeaufnehmenden Stoff selbst gebildet werden,
wie dies in Abb. 2 bei 36 und 37 gezeigt ist.
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Abb. .4 zeigt in ihrer linken Hälfte eine abweichende Ausbildung des
Innenrohres 26 mit schraubenförmig eingewalzten Rillen 38, so daß der Längsschnitt
des Rohres durch zwei gegenseitig um die halbe Steigung verschobene Wellenlinien
gegeben ist. Es können auch, wie Abb. q, rechts zeigt, die Drosselringe 24 durch
eine einzige fortlaufende Spirale 39 ersetzt sein; diese Spirale kann auch von einer
in das Außenrohr 18 eingewalzten Rille gebildet werden, entsprechend der Ausbildung
bei 36 in Abb. 2.
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Während die Abb. i bis ¢ eine Dampfkesselanordnung gezeigt haben,
bei der die Gas- und Wasserführungen im wesentlichen gleichlaufend zueinander liegen,
stellen die folgenden Abbildungen Anordnungen dar, bei der diese Führungen quer
bzw. gekreuzt zueinander liegen. Bei dem Querstromkessel nach den Abb.5 bis 7 besitzt
die innere Kesseltrommel 4.o einen rechteckigen Querschnitt, während die Zuführungsstutzen
20 und 21 kreisförmig ausgestaltet sind. Der mittleren Volumenänderung der gespannten
Gase ist dadurch Rechnung getragen, daß bei Anordnung gleichlaufender Kesselwandungen
.I1 und 42 die beiden anderen Wände .I3 und .14 so geneigt angeordnet sind, daß
der Austrittsquerschnitt für die Feuergase anders wird wie der Eintrittsquerschnitt
(vgl. Abb. 5 und 6). Zwischen den Trommelwandungen 43 und 44 sind Wasserrohre 45
dampfdicht angeordnet, welche unter sich gleichlaufend sind, aber quer zum Gasstrom
liegen. Der Ouerschnitt der Wasserrohre 45 ist trapezförmig, so daß die Zwischenräume
46 düsenförmige Ouerschnitte erhalten. In den einzelnen in Abständen .I7 voneinander
liegenden Reihen sind dabei die Wasserrohre so gegeneinander versetzt, daß die.
Düsenachsen einer Rohrreihe mit den Rohrmitten der nächsten Rohrreihe zusammenfallen.
Die äußeren Wasserrohre reichen, wie dies Abb. 5 erkennen läßt, mit ihrem Ouerschnitt
bis zu den gleichlaufenden Seitenwänden .Ii und 42 des Innenkessels 4.o, so daß
zwischen ihnen und den Seitenwänden keine Gase ohne Geschwindigkeitsumsetzung durchtreten
können. Zwischen Innenkessel 4.o und Außenkessel i 5 befindet sich der wärmeaufnehmende
Stoff, also vorzugsweise Wasser. Das Wasser tritt
bei 29 ein und
wird bei 3o abgezogen. Scheidewände 48 verhindern, daß das zuströmende Wasser einen
anderen Weg als durch die Wasserrohre 45 nimmt.
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Die in dem Kessel eintretenden Wärmeaustauschvorgänge entsprechen
den für den Kessel nach Abb. 2 dargelegten. Die bei 2o eintretenden gespannten Gase
dringen zwischen die Wasserrohre der ersten Rohrreihe ein und erreichen in den Zwischenräumen
46 derselben durch die düsenartige Ausgestaltung hohe Geschwindigkeiten. Mit diesen
Geschwindigkeiten prallen die Gase auf die vor den Düsen liegenden Rohrflächen der
zweiten Wasserrohrreihe auf. Es treten starke Wärmeübergänge unter ganzer oder teilweiser
Vernichtung der Düsengeschwindigkeiten auf. Der Vorgang wiederholt sich so oft als
Rohrreihen vorhanden sind. Infolge der Neigung der Seitenwände 43 und 44 verändern
sich die Eintrittsspalte 46 der Rohrreihen in der Länge, so daß trotz der mittleren
Volumenänderung der gespannten Gase in den einzelnen Düsen etwa dieselben Geschwindigkeiten
auftreten.
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Der Ouerstromkessel nach den Abb.8 und 9 entspricht im wesentlichen
dem Querstromkessel nach den Abb. 5 bis 7 mit dem Unterschied, daß die Wasserrohre
49 nunmehr einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen. Die Zwischenräume
50 zwischen den einzelner Wasserrohren 49 bilden ebenfalls Drosselstellen,
und zwischen den einzelnen Rohrreihen liegen wieder Zwischenräume 51. Der Volumenänderung
der Gase ist dabei im Gegensatz zu den Ausführungen nach den Abb. 5 bis 7 durch
Änderung der Spaltgrößen 5o zwischen den einzelnen Wasserrohren Rechnung getragen
worden. Diese Veränderung kann nach Abb. 8 durch Änderung der Rohrdurchmesser bei
gleicher Rohrteilung oder nach Abb. io durch Änderung der Rohrteilung bei' gleichem
Rohrdurchmesser bewirkt werden. Der Innenkessel 40 hat sowohl bei den Ausführungen
nach Abb. 8 bis 9 wie bei der Ausführung nach Abb. io kreisförmigen Querschnitt.
Um einen Durchtritt der Gase seitlich des Rohrbündels 49 zu vermeiden, sind die
Zwischenräume zwischen den äußersten Wasserrohren 49 und den zylindrischen Wandungen
des Innenkessels 4.o durch wassergekühlte Füllkörper 52 ausgefüllt, welche mit dem
Eintrittsstutzen 20 aus einem Stück bestehen. Die Zu- und Abführung des Speisewassers
für diese Füllkörper ist jedoch nicht gezeichnet, da sie nicht zum Wesen vorliegender
Erfindung gehört.
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Die Abb. ii bis 13 zeigen eine Kesselbauart, die ebenfalls
als Kreuzstromkessel ausgebildet ist, bei der jedoch die Wasserrohre zwischen einem
Innen- und Außenmantel liegen. Es sind insgesamt drei gleichmittig zueinander und
gleichachsig zur =Verpuffungskammer angeordnete Kesseltrommeln vorhanden, nämlich
die Innentrommel 53, die Mitteltrommel 54 und die Außentrommel 55.
Die Innentrommel
wird durch gewölbte Böden 56 und 57 abgeschlossen. Die mittlere Trommel 54 schließt
sich unmittelbar an den gekühlten, die Auslaßventile 6 der Verpuffungskammer i enthaltenden
Kopf 58 an, während sie auf der anderen Seite durch den gewölbten Boden 59 abgeschlossen
wird. Dasselbe ist bei der Außentrommel 55 der Fall; auch diese stützt sich am Kammerkopf
58 ab und wird durch einen gewölbten Boden 6o auf der anderen Seite außen abgeschlossen.
Zwischen der Innenfläche der Mitteltrommel 54 und der Außenfläche der Innentrommel
53 liegt der ringförmige Gasweg, dem die Gase aus der Verpuffungskammer i bei geöffnetem
Ausströmventil6 über den Ringkonus 13 zugeführt werden. Kurze Wasserrohre 61 verbinden
die Mitteltrommel 54 mit dem Hohlraum der Innentrommel 53. Zwischen je zwei Wasserrohren
61, deren Achsen in einer senkrecht zur Kesselachse liegenden Ebene enthalten sind,
befinden -sich die die stufenweise Expansion bewirkenden Drosselstellen, während
zwischen zwei axial aufeinanderfolgenden Rohrkränzen die Zwischenräume 62 liegen.
Der Boden 6o der äußersten Kesseltrommel 55 bildet bei 63 eine Stopfbüchse, in welcher
der Hals 64 der Mitteltrommel 54 bzw. eine mit dem Hals 54 aus einem Stück bestehende
Muffe 65 dampfdicht aufgenommen wird. Der wärmeaufnehmende Stoff tritt bei 66 ein
und wird bei 67 abgezogen. Scheidewände 68 verhindern, daß der wärmeaufnehmende
Stoff einen anderen Weg als durch die. Rohre 6 1 nimmt.
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Die gespannten Gase treten nach Öffnung der Auslaßventile 6 durch
deren Sitz in den sich gegen den Kessel erweiternden Ringkanal 13 ein und
strömen von hier aus über den ringförmigen Zwischenraum zwischen Innentrommel 53
und Mitteltrommel 54 zu den durch die Rohre 61 gebildeten Drosselstellen, um in
diesen stufenweise expandiert zu werden. Die Stopfbüchse 63 hat den Zweck, der Mitteltrommel
54 eine freie Ausdehnungsmöglichkeit gegenüber der Außentrommel 55 zu ermöglichen.
Die Wasserführung für den Kammerkopf 58 ist nicht gezeichnet, da sie für das Verständnis
der- Erfindung unwesentlich ist.
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Während bei den bisher beschriebenen Kesselanordnungen der Kessel
gleichachsig zur Verpuffungskammer an den Kopf derselben angebaut ist, zeigen die-Abb.
14 bis i9 Kesselbauarten, bei denen der Kessel im wesentlichen gleichmittig zur
Achse der Verpuffungskammer
um den Kopf derselben liegt. Es ergeben
sich also besonders gedrungene Kesselbauarten.
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Bei der zunächst in den Abb. 1.4 bis 16 veranschaulichten Kesselbauart
liegt der Kessel um das Auslaßventil und teilweise um den konischen Übergang 5 zwischen
den langgestreckten Wandungen 2 der Verpuffungskaminer i und dem Aüslaßventil 6.
Ein aus den Kesseltrommeln 69 und 70 gebildeter Kessel umgibt den gekühlten
Kammerkopf 58 gleichmittig zur Achse der Verpuffungskammer in einem Abstand, daß
zwischen beiden ein ringförmiger Zwischenraum 71 für die über das geöffüete Auslaßventil
entlassenen gespannten Gase entsteht. In diesen Zwischenraum treten die gespannten
Gase bei 2o ein, während sie bei 21 nach Abgabe ihres Wärmeinhaltes abgezogen werden.
In den Ringraum 71 dringen taschenartige Ausbuchtungen 72 der Kesseltrommel 69 derart
ein, daß zwischen den einzelnen taschenförmigen Stutzen 72 gerade noch schmale,
düsenförmige Drosselquerschnitte 73 verbleiben, während die taschenförmigen Stutzen
72 bis auf das erforderliche Wärmeausdehnungsspiel 74. an den Kammerkopf 58 herangeführt
sind (v g1. auch die Abb. 15 und 16). Die Rohrstutzen verjüngen sich dabei nach
innen, wie eben falls aus den Abb. 15 und 16 hervorgeht. Der zwischen den Kesseltrommeln
69 und 70 gebildete ringförmige Kesselraum ist durch eine Scheidewand 75
in einen äußeren und inneren Ringraum unterteilt. Die Scheidewand 75 trägt kurze,
nach beiden Seiten zu offene Rohrstutzen 76, welche in die taschenförmigen Ausnehmungen
72 bis kurz vor die Bodenstücke derselben geführt sind. In den äußeren Kesselraum
kann der wärmeaufnehmende Stoff über Öffnung 77 eingeführt «-erden, während er bei
78 aus dem inneren Kesselraum abgezogen wird. Der äußere Kesselmantel
70 ist dampfdicht mit dein unteren Flansch 79 und dem oberen kegelförmigen
Flansch 8o des Innenkessels verbunden. Bei 81 nimmt der Innenkessel eine Stopfbüchse
auf, in der sich der Oberteil 82 des Kammerkopfes 58 gasdicht führt; der Oberteil
dient dabei der Aufnahme des Auslaßventils 6. Zwischen je zwei Kränzen taschenföriniger
Ausbuchtungen 72 in einer zur Kammerachse senkrechten Ebene liegen Wirbelkammern
83.
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Die Wirkungsweise des Kessels nach den Abb. 14 bis 16 ist genau dieselbe
wie die der vorher beschriebenen Kesselbauarten, so daß sich eine nähere Darlegung
hierüber erübrigt. Man hat es in der Hand, durch entsprechend große Bemessung bzw.
Anordnung (Teilung) der taschenförmigen Ausbuchtungen 72 der mittleren Volumenänderung
der Gase ini Verlaufe der stufenförmig vorwärts getriebenen Expansion Rechnung zu
tragen. Der bei 77 zutretende wärmeaufnehmende Stoff, vorzugsweise Wasser, gelangt
zunächst in den äußeren, zwischen der Trommel 70 und der Scheidewand 75 gebildeten
Kesselraum und über diesen und durch die Rohre 76 in die einzelnen taschenförmigen
Ausbuchtungen 72.
Aus diesen austretend, gelangt das aufgeheizte Wasser bzw.
der aufgeheizte Dampf in den inneren Kesselraum, der zwischen der Scheidewand 75
und der Kesselwandung 6() gebildet wird, worauf der aufgeheizte Stoff bei 78 abgezogen
wird.
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Die Scheidewand 75 braucht gegen die Innentrommel 69 bzw. gegen den
kegelförmigen Flansch 8o derselben nicht abgedichtet zu sein; ebensowenig müssen
die Wasserführungsrohre 72 in der Scheidewand 75 dichtend aufgenommen sein, da sie
nur zur Wasserführung dienen. Sie werden daher zweckmäßig auch so ausgeführt, daß
sie beispielsweise zu Zwecken der Kesselreinigung leicht ausbaubar sind. Die Stutzen
72 können wieder kreisförmigen oder auch trapezförmigen Querschnitt besitzen, um
möglichst günstige Strömungsverhältnisse für die gespannten Gase zu schaffen.
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Die schließlich in den Abb. 17 bis i9 dargestellte Ausführungsform
der Kesselbauart entspricht derjenigen nach den Abb. 14. bis iri mit dem Unterschied,
daß -hier die Gase im wesentlichen senkrecht zur Kammerachse strömen, während sie
bei der Ausführungsform nach den Abb. 1¢ bis 16 gleichlaufend zur Kammerachse geführt
werden. Bei dein Ouerstromkessel nach den Abb. 17 bis i9 ist j,1-er Kammerkopf 58
wieder ein wassergekühlter Hohlkörper, dessen gasgefüllter Hohlraute 84 durch die
beiden Deckel 85 und 86 nach außen abgeschlossen ist. Aus dein kegelförmig ausgebildeten
Deckel 85 ragen sektorenweise zu Gruppen zusammengefaßte, unten verschlossene, gleichlaufend
zur Kammerachse angeordnete taschenförmige Ausbuchtungen 72 bis auf einen schmalen
Drosselspalt 7.4 an der ebenfalls kegeligen Innenwand des Kammerkopfes 58 heraus.
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Wie aus Abb. i9 zu ersehen ist, liegen die Achsen der Stutzen 72 auf
gleichmittigen Kreiszylindern, wobei zwischen den einzelnen Sektorengruppen größere
taschenförmige Ausbuchtungen 87 des Deckels 85 liegen. Die zwischen den einzelnen
taschenförmigen Ausbuchtungen 72 liegenden Spalte bilden wieder die die Erfindung
kennzeichnenden Drosselstellen 73, während zwischen den einzelnen auf ' Zylindermänteln
liegenden Reihen von Ausbuchtungen Zwischenräume 83 liegen. Die- der Volumen-,inderung
der Gase entsprechende Änderung der Drosselstellenduer
schnitte
entsteht dabei durch Änderung der Spaltlänge 73, die sich wiederum infolge der kegeligen
Ausbildung der den Gasraum 84 begrenzenden Kammerkopfwand 58 und des Deckels 85
einstellen. Dasselbe kann natürlich durch Änderung des Querschnittes der Ausbuchtungen
72 oder durch Änderung ihrer Anzahl oder schließlich durch Änderung ihrer Verteilung
erreicht werden, Die zwischen den sektorförmigen Rohrgruppen liegenden Kammerausbuchtungen
87 reichen ebenfalls bis dicht auf den kegeligen Boden des Kammerkopfes 58, so daß
die Gase gezwungen sind, durch die Sektorgruppen der Ausbuchtungen 72 durchzuströmen.
Es liegt natürlich im Wesen der Erfindung, daß auch die Kammern 87 durch entsprechende
Sektoren von taschenförmigen Ausbuchtungen 72 ersetzt werden können. Die Taschen
87 legen sich weiter seitlich dicht an die letzten Rohre je zweier benachbarter
Rohrgruppen an, so daß die Gase nicht an diesen Stellen ohne stufenweise Expansion
durchtreten können. Der zwischen den Deckeln 86 und 85 liegende Kesselrauen ist
wiederum durch eine Scheidewand 88 unterteilt. Die Scheidewand trägt in die taschenförmigen
Ausbuchtungen hineinragende, nach beiden Seiten zu offene Rohre 89. Der zwischen
Deckel 86 und Scheidewand 88 liegende Raum 9o ist Wasserzuführungsraum, der zwischen
Scheidewand 88 und Deckel liegende Raum 9i Wasser- bzw. Dampfabführungsraum. Stutzen
92 und 93 ragen in diese Räume hinein und vermitteln den Ein- bzw. Austritt des
wärmeaufnehmenden Stoffes. Der Deckel 86 ist einerseits mit dem Deckel
85, andererseits mit dem Kammerkopf 58 dicht und druckfest verbunden. In
dem durch die Kanonen 94 und 95 gebildeten Hohlraum ist das Auslaßventil 6 der Verpuffungskammer
i angeordnet; die aus dem Auslaßventil 6 nach dessen Öffnung austretenden hochgespannten
und hocherhitzten Gase verteilen sich nach der stufenweisen Expansion in den Drosselstellen
73 auf den Dingraum 96, wobei sie nach der Sammlung in demselben über 97 zur weiteren
Verwertung entlassen werden.
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Es liegt im Wesen der Erfindung, daß die gezeigten Ausführungsbeispiele
nur annähernd die Formen wiedergeben können, in welchen der Erfindungsgedanke zu
verwirklichen ist. Ebenso liegt es im Wesen der Erfindung, daß die in den Ausführungsbeispielen
gezeigten Anordnungen in beliebiger zweckentsprechender Kombination oder in der
gesamten Zusammenfassung Anwendung finden können.