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Verfahren zum Ingangsetzen von Kraftanlagen, bei welchen das Betriebsmittel
im Kreislauf geführt und nach Arbeitsleistung in einer leicht umsteuerbaren Kraftmaschine
durch einen von einer nicht umsteuerbaren Kraftmaschine (z. B. Brennkraftmaschine)
angetriebenen Verdichter verdichtet wird, und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Es sind Kraftinaschinenanlagen bekannt, bei welchen das Betriebsmittel (Wasserdampf)
im Kreislauf geführt und zur Rückverdichtung desselben nach Arbeitsleistung ein
Verdichter vorgesehen ist, der von einem nicht oder weniger leicht umsteuerbaren,
aber wirtschaftlicher als eine Dampfmaschine arbeitenden Motor (z: B. einer Brennkraftniaschiiie)
angetrieben wird. Hierbei vermag man durch Aufheizung des verdichteten Druckgases
mit Hilfe der Abgase der Brennkraftmaschine den Übertragungswirkungsgrad auf das
i,i- bis i,i5fache der sonst erreichbaren Werte zu steigern.
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Gegen die Anwendung dieses Übertragungsmittels bestand bisher das
Vorurteil mangelnder Betriebsbereitschaft im kalten Zustande. In der zur Erzeugung
des notwendigen Kreislaufdampfes für erforderlich gehaltenen kräftigen Hilfsfeuerung
sah man mit Recht eine unnütze Belastung des Betriebes und der Einrichtung: Die
Erfindung betrifft ein Verfahren, welches die Erzeugung des Kreislaufdampfes ohne
Hilfsfeuerung oder teure Zusatzeinrichtungen in kürzester Zeit ermöglicht.
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Abb. i zeigt den beispielsweisen Aufbau einer solchen Anlage für Lokomotivbetrieb.
Eine Brennkraftmaschine irgendwelcher Art treibt einen Verdichter A, der im gewöhnlichen
Fahrbetrieb Dampf von etwa 4 at aus der Niederdruckleitung La saugt und mit etwa
4o at in die Hochdruckleitung L, drückt. Dieser Hochdruckdampf fließt durch das
im gewöhnlichen Betrieb offene Ventil B über die Leitung L= nach dem Hochdruckbehälter
C, wo er zugleich durch die Abgase der Brennkraftmaschine im Gegenstrom überhitzt
wird. Dieser überhitzte Hochdruckdampf wird nun Tiber die Leitung L3 nach dein Steuerorgan
D geleitet, welches ohne Widerstand umströmt ,wird und in die Leitung L4 ausmündet.
Diese Leitung führt über das im gewöhnlichen Betriebe ebenfalls offene Regelorgan
E nach dem Treibmotor F, in welchem der Dampf seine Leistung abgibt. Nach Verlassen
des Treibmotors gelangt der Abdampf über die Leitung L5 nach dem Rückkühler O, in
welchem er nach Abführung einer gewissen Wärmemenge den Anfangszustand vor der Verdichtung
wiedererlangt. Hierauf wird er durch die Leitung L, in den Niederdruckbehälter G
entlassen, welcher mit dem Verdichter A durch die Leitung Lo verbunden ist. Das
Steuerorgan D steht noch durch die LeitungLE mit der NiederdruckleitungL, in Verbindung
und regelt die Füllung des Treibmotors in Abhängigkeit vom Niederdruck: Beim Anfahren
aus dem kalten Zustand befindet sich in den Behältern C, G das Kondenswasser, welches
der Masse des Kreislaufdampfes aus dem letzten Betrieb entspricht,
und
Luft v9n.Atmosphärendruck, die allmählich durch die kleinen unvermeidlichen Undichtigkeiten
des Triebwerks und des Regel:-.; gestänges eingedrungen oder durch Lüft; des jedenfalls
erforderlichen (hier nicht--ä:e zeichneten) Hochdrucksicherheitsventiles eingelassen
worden ist. Das Kondenswasser -befindet sich zum größten Teil in dem Wassersack
C,_ des Hochdruckbehälters (etwa 95 °/a). Der übrige unwesentliche Rest hat sich
in dem Wassersack G, des Niederdruckbehälters sowie in den Leitungen niedergeschlagen.
Ein sehr kleiner, dem Teildruck des Wasserdampfes bei Umgebungstemperatur entsprechender
Teil des Kreislaufwassers befindet sich bereits beim Anfahren in dampfförmigem Zustand.
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Wenn nun der Verdichter A angeworfen wird, dann saugt er dieses Dampf-Luft-Gemisch
von i at aus dem Behälter G an. Das Steuerorgan D ist so beschaffen, daß es zwischen
den Behältern C, G eine Verbindung herstellt, solange der in ihnen herrschende Druck
einen gewissen Wert p, von etwa 4,5 at nicht überschreitet. Diese beiden Behälter
wirken somit beim Ingangsetzen als ein einziger großer Niederdruckraum. Das Anfahrorgan
B steht, solange der in beiden Behältern C, G gemeinsame Druck kleiner als p. ist,
in Drosselstellung, so daß als Hochdruckbehälter für das Ingangsetzen der kleine
Rauminhalt der Leitung L, anzusehen ist. Infolge dieser anfänglichen Verteilung
der Räume L,, C, G kann der Verdichter ohne wesentlichen Druckabfall in den Räumen
C, G die Leitung L, schon nach wenigen Hüben (3 bis 6) auf etwa 12 at aufladen.
Der vom Differentialkolben B, am Anfang des Ingangsetzens freigegebene Drosselspalt
ist so bemessen, daß sich bei diesem Verdichtungsdrucke ein augenblicklicher Gleichgewichtszustand
zwischen geförderter und durchtretender Gasmasse einstellt. Dieses von 12 at auf
i at abgedrosselte Gemisch strömt unter Beibehaltung seiner Verdichtungstemperatur
von etwa 25o bis 300° C durch die Leitung L2 nach dem Behälter C, in welchem es
durch die Leitwände C2, C3 gezwungen wird, den Wassersack C, zu durchströmen und
seine Verdichtungswärme bis zum Temperaturausgleich an das Wasser abzugeben. Die
dadurch bewirkte Temperatursteigerung bringt bereits einen dementsprechenden, vorläufig
noch kleinen Teil des Wassers, der sich aus der dazugehörigen Änderung des Teildruckes
errechnen läßt, zum Verdampfen, wobei zugleich der Gesamtdruck in den Behältern
C, G entsprechend ansteigt. Außer der in Drosselwärme umgesetzten Verdichtungsarbeit
wird dem Inhalt des Behälters C durch die Heizschlange C4 noch die Abgaswärme der
Brennkraftmaschine, die das etwa o,8- bis i,2fache der, jeweiligen Verdichtungsarbeit
ist, zu-:geführt, so daß man etwa das Doppelte der ßweiligen Verdichtungsarbeit
als nutzbare, 7.#t%tn Aufheizen des Dampfkreislaufes diende Wärmeleistung ansehen
kann. Beim 'nächsten Hube saugt der Verdichter bereits ein Dampf-Luft-Gemisch von
höheremDrucke und höherer Temperatur an. Die Verdichtungsarbeit sowie die Endtemperaturen
der Verdichtung wachsen im gleichen Maße und bewirken im Behälter C eine dementsprechend
heftigere Aufdampfung und Aufheizung. Mit jedem Hube wird so die Verdampfung gesteigert,
so daß der Druck und die Temperatur in den Behältern C, G erst langsam, dann aber
immer rascher anwachsen, bis schließlich der Druck p. von etwa 4,5 at, der ungefähr
der Größe des gewöhnlichen Betriebsdruckes im Niederdruckteil entspricht, erreicht
wird (Ende des ersten Ingangsetzungsvorganges).
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Im Anfahrorgan B hat sich inzwischen unter dem Einfluß des zunehmenden
Verdichtungsdruckes pZ, der auf die Querschnittsfläche des Kolbenhalses B2 wirkt,
ein etwas größerer Drosselquerschnitt eingestellt, wodurch das Verhältnis der Drosseldrücke
von 12, : i auf etwa 35 : 4,5 verkleinert wurde. Der mit dem Kolbenhals B2 verbundene
"untere Regelkolben B3 wird auf der Oberseite durch die Leitung B4 mit dem Druck
ps, des Behälters C belastet, während auf der anderen Seite infolge der Verbindung
B5 mit der Leitung Lo der Druck p" des Behälters G wirkt. Solange das Steuerorgan
D zwischen C und G eine Verbindung herstellt, ist p, ungefähr gleich pr, und der
Kolben B, kommt nicht zur Wirkung. Abb. 2 zeigt diesen ersten Abschnitt des Verfahrens
im Anfahrorgan B. p, und p, etwa gleich p,, sind in Abhängigkeit von der
Öffnung s des Drosselspaltes dargestellt. Die Differenz p, - p, gibt zugleich
ein Maß für die Federkraft. so zeigt den Drosselspalt in Ruhestellung, s, zu Beginn
und s2 zu Ende des ersten Abschnittes.
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Sowie nun p,, etwa gleich p" den Wert pnt von etwa 4,5 at erreicht,
beginnt der Stufenkolben Do, ,, 2 des Steuerorganes D unter der Einwirkung des auf
die Querschnittsfläche von Do wirkenden Druckes p, die Vorspannung der Feder D3
zu überwinden. Der Spalt D4, der bisher auf dem Wege über die Bohrungen D5 und das
hohle Kolbeninnere mit Hilfe der Leitung L, eine Verbindung zwischen den Behältern
C und G aufrechterhielt, wird unter dem Einfluß der nun vorgehenden Kolbenstufe
D, verengt, so daß es schließlich zu einer Drosselung zwischen diesen beiden Behältern
kommt. In diesem zweiten Abschnitt wird der Drosselspalt D4 so gesteuert, daß die
Summe der auf- den Kolben
D, 1, 2 wirkenden Druckkräfte
stets gleich der Federkraft der Feder D3 im Drosselbereich ist.
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Wird dieser Steuerkolben Do,1, 2 beispielsweise nur durch den Niederdruck
px allein belastet, dann bleibt von nun an p, gleich p" und damit auch die Verdichterleistung
gleich. Der von nun an mit Vollast arbeitende Verdichter vermag dann in kürzester
Zeit den Rest des Wasserinhaltes Cl zum Verdampfen zu bringen, wobei der Druck p,
von p. von etwa 4,5 ab auf den gewöhnlichen Betriebsdruck p, von etwa 4o at anwächst.
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Während sich diese Drucksteigerung vollzieht, kommt infolge des wachsenden
Druckunterschiedes p,-p., der Regelkolben B3 des Anfahrorganes zur Wirkung, bis
schließlich bei Erreichung des Betriebsdruckes p, oder schon vorher der Teil B1
auf der unteren Begrenzung seines Hubraumes aufsitzt und von da ab den vollen Querschnitt
der Leitung L1 nach L2 ohne nennenswerte Drosselung freilegt (Ende des zweiten Ingangsetzungsvorganges).
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In Wirklichkeit empfiehlt es sich, den Stufenkolben Do,1, 2 mittels
der aus dem Durchmesserunterschied der beiden KolbenstufenDl und D2 sich ergebenden
schmalen Ringfläche f, mit dem Hochdruck p, @u belasten. Wenn fo der Querschnitt
des Kolbens D, ist, dann gilt für den Kolben Do,1, 2 die Regelgleichung: P*X - (fo
-f1) +p; - fi = P (Federkraft), px , py [atü] . Hierbei muß f, bedeutend
größer als f1 sein. Abb.3 zeigt das Verhalten eines solchen Stufenkolbens: Mit zunehmender
Drosselung sinkt hier während des zweiten Abschnittes der Druck px von p. von etwa
4,5 at auf p, von etwa 3 at, während py von pn von etwa 4,5 at auf den Betriebsdruck
p, von etwa 4o at anwächst, um von da ab gleichzubleiben. Abb. a zeigt ebenfalls
diesen Abfall des Niederdruckes p" von p" auf p" sowie die dazugehörigen Drücke
px am Verdichter und p, im Hochdruckbehälter C in Abhängigkeit vom Durchgangsspalt
s.
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Der -durch die Einwirkung des Hochdruckes p, auf -die zwischen Dl
und D2 befindliche Ringzone erreichbare Abfall des Niederdruckes p, von p. auf p"
am Ende des zweiten Abschnittes erlaubt für den Steuerkolben Do,1, 2 eine weitere
Ausnutzung des Regelweges zum Zwecke einer selbsttätigen Beeinflussung der Treibmotorfüllung,
ohne daß dabei die Belastung des Verdichters, die mit px wächst, in unzulässiger
Weise die Vollastgrenze, die bei p. von etwa 4,5 at und p, von etwa 35 at erreicht
wurde, überschreitet. Der damit verbundene zeitweilige Leistungsabfall im Verdichter
(etwa z5 %) verlängert zwar die Dauer des zweiten Abschnitts etwas, jedoch
ist der dadurch bedingte Zeitverlust infolge des von Natur aus raschen Ablaufes
dieses Abschnittes gering. -Durch die Ausbildung des Kolbens D(" 1"
2 als Stufenkolben von der beschriebenen Art läßt sich noch ein anderer bedeutender
Vorteil erreichen. Wenn man bei angestrengtem tetrieb zur Steigerung des Drehmomentes
den Druck p, durch irgendwelche Maßnahmen vorübergehend erhöht (beispielsweise auf
6o at), dann würde die Belastung des Verdichters bei unverändertem Ansaugedruck
p,. und den üblichen kleinen schädlichen Räumen in unzulässiger Weise wachsen. Das
kann ohne besonderen Eingriff des Führers dadurch verhindert werden, daß man die
Ringfläche f1 in ein bestimmtes Verhältnis zu fo setzt. Gemäß der Regelgleichung
stellen sich dann für höhere p,-Werte entsprechend kleinere p" -Werte ein, so daß
man dann die Belastung des Verdichters auch bei angestrengtem Betrieb in erster
Näherung (für den Betrieb ausreichend) Bleichhalten kann.
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Abb. 4 zeigt den zeitlichen Ablauf der beiden Abschnitte in Abhängigkeit
von der Zahl ia" der Verdichterumläufe und dem Verhältnis der Inhalte Vh
: Tlk. Hierbei ist Vh der Inhalt des Hochdruckbehälters C und Vk der Förderinhalt
für einen Umlauf des Verdichters. Bei dem durchaus möglichen Verhältnis hh
: Vk = 6 ist das Ingangsetzen der Anlage unter den hier gemachten
Annahmen nach etwa za" = Z 3oo Umläufen des Verdichters beendet. Für einen Lokomotivantrieb
sind das bei einer Verdichterdrehzahl von 650 min-' etwa a Minuten. In Wirklichkeit
ist das Ingangsetzen noch eher beendet, da der Berechnung die Annahme zugrunde liegt,.
daß sich die Behälterwände und Leitungen ohne zeitliche Verschleppung im gleichen
Zeitmaß miterhitzen wie der von ihnen eingeschlossene Inhalt. Abb. 4 bringt -das
zunehmende Zeitmaß des Druckanstieges deutlich zum Ausdruck.
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Nach Erreichen des vollen Betriebsdruckes p, von etwa 4o at kann das
bisher geschlossene Regelorgan E mittels der Stange El geöffnet werden, und der
Treibmotor F wird bei voller Füllung unter Volldruck gesetzt, so daß die Maschine
mit höchstem Drehmoment anfahren kann. H zeigt die Steuereinrichtung, die zum Verändern
der Treibmotorfüllung durch die Stange I auf die Kulisse K einer gewöhnlichen Heusingersteuerung
einwirkt. Im Ruhezustande und zu Beginn der Fahrt wird diese Steuereinrichtung H
durch die Feder Hl in der Vollfüllungslage gehalten, wobei man durch die von Hand
bewegte Stange H2, die außerdem jederzeit einen zusätzlichen Eingriff des Führers
erlaubt, die Fahrtrichtung festlegen kann.
Solange die Fahrgeschwindigkeit
noch klein ist, geht ein Teil des Kreislaufdampfes nach wie vor durch den Drosselspalt
D4. Erst wenn die Geschwindigkeit so weit gewachsen ist, daß der Treibmotor bei
Vollfüllung die gesamte vom Verdichter umgewälzte Dampfmenge verarbeiten kann, wächst
der Druck im Niederdruckteil über den Wert p" von etwa 3 at -und der Drosselspalt
D4 schließt. Mit weiterem Anwachsen der Fahrgeschwindigkeit bleibt die Vollfüllung
noch eine Zeitlang erhalten, bis schließlich (Abb.3) der Druck im Niederdruckbehälter
G infolge der schnelleren Auffüllung auf etwa p,, von etwa 3,5 at angewachsen ,ist.
Von da ab kommt die Gabel DB des mit wachsendem Niederdruck pk immer mehr vordringenden
Steuerkolbens D, 1, 2 mit dem Gleitstein H3 in Berührung und verstellt
mittels der Stänge H4 bei weiterem Vordringen die Steuereinrichtung so lange auf
immer kleinere Füllung, bis sich ein Gleichgewichtszustand zwischen der Radkraft
und dem jeweiligen Fahrtwiderstand ergibt. In gleicher Weise wie beim Anfahren verstellt
dieser Steuerkolben Do, i, 2 während der Fahrt die SteuereinrichtungH auf die jeweilig
erforderliche Füllung. Es ergibt sich dabei die bei gewöhnlichen Dampflokomotiven
bekannte und erwünschte hyperbelähnliche Diagrammlinie der Zugkraft.
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-Will man rückwärts fahren, dann braucht man die Steuereinrichtung
H bloß durch die Stange H2 umzulegen und die kniehebelartig wirkende Feder H1 hält
sie in der neuen Lage fest. In diesem Falle werden die durch die Gabel- GB übertragenen
Steuerbewegungen durch den Gleitstein HS abgenommen und msttels der Stange He weitergeleitet.
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Will man mit kleinen Geschwindigkeiten fahren, dann braucht man z.
B. bloß durch Beeinflussung des Reglers den Verdichter langsamer laufen zulassen,
und die Fahrgeschwindigkeit geht bei sonst unveränderten Verhältnissen in gleichem
Maße zurück. Soll aber diese Leistungsverminderung bei unveränderter Drehzahl des
Verdichters erfolgen, was manchmal von Vorteil ist, dann kann man dies dadurch erreichen,
daß man die Vorspannung der Feder D3 verringert. Dies kann z. B. durch Verdrehen
des mit Gewinde versehenen Federtellers D,, erfolgen. In diesem Falle sinkt gemäß
der Regelgleichung bei gleichbleibendem Hochdruck p, der Druck im Niederdruckteil,
und die Belastung des Verdichters geht in ähnlichem Maße zurück.
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Will man eine sofortige Leistungsverminderung im Treibmotor erzwingen;
dann kann man die Verlustregelung durch das Drosselorgan E anwenden, -das mit Hilfe
der Stange Ei bewegt wird. Vollkommener Abschluß dieses Organes führt bei gänzlichem
Ausfall des Treibmotors zu einer Drucksenkung im Behälter G, der vom Verdichter
so lange ausgepumpt wird, bis der Niederdruck p" die Drosselgrenze p" von etwa 3,o
at erreicht. Dann öffnet der zurückweichende Kolbens Do,1, 2 den Drosselspalt D4
und der gesamte Dampf wird von nun an unter Drosselung umgewälzt.
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Zum Zwecke des Leerlaufes bei stillstehender Maschine schließt man
das Organ E ganz und stellt die Feder D3 auf eine entsprechend kleine Belastung
ein. Die Größe dieser Belastung hängt davon ab, inwieweit die Drosselwärme D4 der
geringen umgewälzten Dampfmenge sowie die dazugehörige Abgaswärme ausreichen, um
die Abkühlungsverluste der ganzen Anlage zu decken. Die Leerleistung ist offenbar
dann am geringsten, wenn der für den normalen Fahrbetrieb erforderliche Rückkühler
0 außerhalb des gut wärmeisolierten Kreislaufes zwischen dem Treibmotor F und der
Abzweigung L, liegt. Auch das Organ E muß außerhalb des Kreislaufes liegen, da sonst
infolge seines Abschlusses ein Leerlauf bei stillstehender Maschine nicht möglich
wäre. Dieses Organ muß demnach zwischen dem Steuerorgan D und dem Treibmotor F liegen.
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Will man den Wärmeinhalt der. Abgase besonders gut ausnutzen, dann
ist die Größe und Regelbarkeit des Rückkühlers 0 dadurch vorgeschrieben, daß der
Dampfzustand am Ende der Verdichtung ungefähr an der Sattdampfgrenze liegen muß:
Will man jedoch eine Verdichtung im Naßdampfgeb.iet vermeiden, dann- braucht man
nur den Rückkühler 0 entsprechend kleiner auszubilden, und der ganze Dampfkreislauf
spielt sich bei etwas (bis zu 1o°%) vermindertem Übertragungswirkungsgrad im überhitzten
Gebiet ab.
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Zur Ergänzung der unvermeidlichen Leckverluste ist eine mit Überschuß
arbeitende Leckwasserpumpe N vorgesehen, die durch ein federbelastetes Überdruckventil
Ni so geregelt wird, daß der Druck p, im Hochdruckbehälter C immer auf der gleichen
Höhe gehalten wird. Der irgendwie angetriebene Kolben N2 fördert für jeden Hub eine
bestimmte Wassermenge. Ein Teil davon fließt durch die Leitung N3 nach dem Verdampfer
C5, der sich im Hochdruckkessel befindet und von den heißen Abgasen der Heizschlange
C4 geheizt wird. Der andere Teil fließt durch die Leitung N4 nach dem mit dem Druck
p, von etwa 40 at belasteten Überdruckventil Ni ab und wird durch die Leitung N5
in die Ansaugeleitung N" der Pumpe zurückgeleitet. Eine unmittelbare Einspritzung
des Leckwassers in den Behälter C muß vermieden werden, da sonst eine Kondensation
des Kreislaufdampfes zu befürchten wäre. Ein Überfüllen des Behälters
C
wäre auch dann zu befürchten, wenn die Leckpumpe N in der Lage wäre, längere Zeit
hindurch mehr Wasser in den Behälter C zu pumpen, als die Abgase zu verdampfen vermögen.
Dem kann man begegnen, indem man die Fördermenge dieser Pumpe entsprechend klein
bemißt (etwa auf das o,5fache des Verdampfungsvermögens der Abgase).
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Zum Zwecke einer vorübergehenden Steigerung der Zugkraft ist es erwünscht,
den Druck P, vorübergehend zu erhöhen. Das kann durch eine Erhöhung der Federbelastung
im Überdruckventil N1 geschehen, indem man z. B. das Seilrad N, verdreht. Die Leckpumpe
N ergießt dann eine Zeitlang ihre gesamte Fördermenge in den Verdampfer C5, bis
sich allmählich der verlangte höhere Druck (z. B. p, = 5o at) einstellt,
worauf das Ventil Ni wieder in Wirkung tritt.
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Beim Anfahren mit vollbelastetem Überdruckventil Ni ergibt sich der
Nachteil, daß die Pumpe N ihre ganze Fördermenge in den Verdampfer ergießt, solange
der Betriebsdruck p, noch nicht erreicht ist. Das hat zur Folge, daß die Kreislaufwassermenge
im Verlaufe des Ingangsetzens wächst, so daß beim Erreichen des Druckes p, ein Teil
des Wassers noch nicht verdampft ist. In diesem Falle steigt der Druck im Behälter
C noch etwas über den Wert p, von etwa ¢o at an, wobei die Pumpe N so lange ausfällt,
bis alles Wasser verdampft ist und durch Leckverluste der gewöhnliche Betriebsdruck
erreicht wird. Allzu hohe Drücke werden durch Abblasen des Sicherheitsventils vermieden.
Abb. q. zeigt diese Vorgänge.
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Eine Steigerung des Behälterdruckes p, auf größer als 4o at zu Beginn
des Anfahrens mag meist im Sinne einer hohen Anfahrbeschleunigung erwünscht sein.
Will man jedoch die Anfahrzeit aus dem kalten Zustande auf den kleinsten möglichen
Wert beschränken, dann empfiehlt es sich, die Vorspannung der Regelfeder N1 in Abhängigkeit
von der Anfahrzeit so zu verändern, wie es etwa der p,,-Kurve in Abb. q., die für
die Annahme gleichbleibenden Wasserinhaltes ermittelt werden kann, entspricht.
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Alle hier angeführten Drücke wurden gewählt, um der Anschauung entgegenzukommen.
Jedoch sollen weder ihre absoluten Werte noch ihre Verhältnisse zueinander als bindend
angesehen werden.