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Dampfkraftanlage, in deren Dampferzeuger der zu verdampfende Wärmeträger
,der Fliehkraft unterworfen ist Gegenstand der Erfindung ist eine Dampfkraftanlage,
in deren Dampferzeuger der zu verdampfende Wärmeträger der Fliehkraft unterworfen
wird zum Zwecke der Erzielung, einer Drucksteigerung im Dampfraum.
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Man hat für .derartige Dampfkraftanlagen schon vorgeschlagen, den
ganzen Arbeitsvorgang der Dampferzeugung, -nutzung und -kondensation in einem völlig
verschlossenen umlaufenden Gehäuse vor sich gehen zu lassen. Hierbei sollte die
für die Zuführung der Speiseflüssigkeit zum Verdampfungsraum erforderliche Pumpenarbeit
ebenfalls durch die infolge der Drehung des Gehäuses auftretenden Fliehkräfte bewirkt
werden. Dabei ist übersehen worden, daß es innerhalb eines geschlossenen Gehäuses,
selbst wenn es gelänge, erhebliche Druckunterschiede und damit Störungen hervorzurufen,
nicht möglich ist, eine Kraftwirkung in dem Sinne zu erzielen, daß das Gehäuse sich
selbsttätig dreht und dabei noch Kraft nach. außen abgibt. Die Erkenntnis geht dahin,
daß ohne eine Bewegung der der Dampfenergie ausgesetzten Teile einander gegenüber
keine freie Kraftwirkung bei einer solchen Anlageentstehen kann. Die Bewegung von
Teilen, die der Kraftwirkung ausgesetzt sind, einander gegenüber würde aber den
völligen Verschluß des Gehäuses unmöglich machen, denn einer dieser Teile müßte
z. B. durch eine Stopfbüchse aus .dem völlig verschlossenen Gehäuse herausgeführt
sein, um entweder festgehalten oder durch Kraftabgabe gebremst zu werden. Da mit
dieser Einrichtung also keine Kraft erzeugt werden kann, fehlt ihr das Merkmal einer
Kraftanlage. Darüber hinaus ist aber auch die Aufgabe der Unterdrucksetzung des
Dämpfraumesdurch Schleudern der Speiseflüssigkeit bei dieser bekannten Anlage unvollkommen
gelöst und führt nicht zu der beabsichtigten Wirkung, den Dampfraum nach der Zuflußseite
der Speiseflüssigkeit) hin einwandfrei abzusperren, weil der radial äußerste Punkt
der Trennwand zwischen Wasser- und Dampfraum auf einem kleineren- Durchmesser liegt
als der, Wasserspiegel im Dampfraum. Dem Dampf ist damit 'die Möglichkeit gegeben,
auch durch die Wassersäule hindurch zum Kondensationsraum zu strömen. Die Aufrechterhaltung
des für das richtige Arbeiten dieser Anlage wie überhaupt jeder anderen Dampfkraftanlage
erforderlichen Druckunterschiedes zwischen Dampf-und Kondensationsraum ist hierdurch
in Frage gestellt.
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Im Gegensatz zu dieser und anderen, einer Schleuderung des Wärmeträgers
sich bedienender bekannten Dampfkraftanlagen besteht das Neue gemäß der Erfindung
darin, daß die Dampfkraftanlage einen vom noch unverdampften und der Fliehkraft
unterliegenden Wärmeträger durchströmten Behälter aufweist, der so ausgebildet ist,'daß
die unverdampften und daher noch flüssigen Teile des Wärmeträgers unter der Einwirkung
der Fliehkraft den Dampf enthaltenden Hohlraum
oder durch, mehrere
gegen außerhalb des Behälters liegende Räume, z. B. die Atmosphäre, abschließen
und gegebenenfalls den erzeugten Dampf veranlassen, zum Zwecke der Krafterzeugung
seinen Weg über einenzweckmäßig an die Drehbewegung der- zur,-Schleuderung des Wärmeträgers
dienenden Einrichtung nicht gebundenen Schaufelträger zu nehmen. Als Einrichtung
zur Schleuderung des Wärmeträgers dient vorteilhaft der Behälter selbst, der zu
diesem Zwecke drehbar ausgebildet ist und mit großer Geschwindigkeit umläuft. Die
Hohlräume für den Wärmeträger der Dampfkraftanlage sind nach einem weiteren Erfindungsmerkmal
so ausgebildet, daß bei der Schleuderung. der Drehachse zugekehrte Spiegel des noch
flüssigen Wärmeträgers auftreten, die auf einem kleineren Durchmesser liegen als
der äußerste Umfang der den Dampfraum von der Flüssigkeitszuflußseite trennenden
Wandung. Diese Flüssigkeitsspiegel stellen dann die Ausdampffläche, das heißt .die
Wasserspiegel im Dampfraum dar, wenn, wie nachstehend noch näher ausgeführt wird,
diese Hohlräume durch eine Wärmequelle beheizt werden und als Wärmeträger Wasser
benutzt wird.
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Ein wesentlicher Vorteil der neuen Einrichtung besteht darin, daß
keine besondere Speisepumpe nötig ist und trotzdem ein sicherer und dabei sich selbsttätig
regelnder Nachschub von Speiseflüssigkeit in den Verdampfungsraum möglich ist.
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Die Ausbildung der Dampfkraftanlage derart, daß der geschleuderte
Wärmeträger den Dampf veranlaßt, seinen Weg zum Zwecke der Krafterzeugung über einen
an die Drehbewegung der zur Schleuderung dienenden Einrichtung, z. B. den Behälter,
selbst' nicht gebundenen Schaufelträger "zu nehmen, bringt, abgesehen davon, daß
hierdurch eine praktisch brauchbare Kraftabgabe nach außen überhaupt erst mögliEh
wird, den- Vorteil mit sich, daß sich die für die erforderlichen Dampfdrücke und
zulässigen Baustoffbeanspruchungen geeignetsten Geschwindigkeiten besser beherrschen
lassen, indem beispielsweise die zur Schleuderung dienende Einrichtung für geringere
Geschwindigkeiten errechnet wird, während der Schaufelträger, etwa eine Gegenlaufturbine,
mit hoher Drehzahl und damit 'mit besserem Wirkungsgrad arbeitend ausgebildet werden
kann.
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Dient bei der Dampfkraftanlage gemäß der Erfindung der der Fliehkraft
unterliegende flüssige Wärmeträger als Abschluß des Dampfraumes gegen die Atmosphäre,
so bedeutet diese eine Sicherung der Anlage gegen unzulässige Überdrücke, weil der
Dampf bei Überschreitung des betriebsmäßig vorhandenen-höchsten Druckes den flüssigen
Wärmeträger nach außen drückt und damit einen freien Ausweg findet.
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Weitere Merkmale der Erfindung und deren Vorteile gegenüber dem Bekannten
"sind an Hand der Zeichnung in der nach-@ folgenden Beschreibung an zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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In Abb. z ist eine Dampfkraftanlage gemäß der Erfindung im Schnitt
dargestellt.
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Mit der rechts gezeichneten Welle a dreht sich ein Gehäuse b, welches
zwei ringförmige Taschen c und d enthält, die am äußeren Umfang durch Öffnungen
c verbunden sind. Bei der Drehung wird eine in die Taschen eingefüllte Flüssigkeit
Ringform annehmen, und die beiden Taschen, die miteinander verbunden sind, werden
sich gleich hochfüllen, d. h. die beiden Flüssigkeitsspiegel werden Zylinderflächen
von gleichem Radius bilden, solange in beiden Taschen gleicher Druck herrscht. Bei
verschiedenem Druck vergrößert sich der Flüssigkeitsspiegelkreis der Kammer höheren
Druckes, während sich der andere verkleinert. Der Unterschied der Radien ist von
der Verschiedenheit des Druckes und von .der Drehzahl abhängig. Die Einstellung
auf Gleichgewicht vollzieht sich selbsttätig.
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Wird nun die rechte Kammer c bis zur Dampfbildung erwärmt, so kann
der Dampfdruck in dieser Kammer angestaut werden, wenn die Drosselstelle f den Übertritt
des Dampfes in die Kammer d einschränkt und gleichzeitig der Druck in Kammer d erhalten
bleibt. Dieser Fall tritt ein, wenn sich der übertretende Dampf in der Kammer d
niederschlägt. In demselben Maße, wie der Dampf rechts erzeugt wird, wird er links
wieder zu Flüssigkeit niedergeschlagen, die Flüssigkeit dringt durch die Verbindung
e nach der Verdampfungskammer zurück, und es entsteht auf diese Weise ein Kreislauf.
Gibt man nun der Drosselöffnung f Düsenform und setzt vor sie ein konzentrisch umlaufendes
Turbinenrad g, so kann das Wärmegefälle des Dampfes zur Drehung des Rades g und
der Welle lt ausgenutzt, also in mechanische Arbeit umgesetzt werden. Die Drehung
des Gehäuses wird hierbei durch den Rückdruck der Düse bewirkt. Läßt man das Laufrad
entgegengesetzt dem Drehsinn des Gehäuses umlaufen, so können Laufrad und Gehäuse
Arbeit abgeben. Durch Kupplung über Zahnräder oder elektrisch über Stromerzeuger
kann das Drehzahlverhältnis festgelegt werden. Natürlich könnte man auch nur das
Gehäuse drehen und das Turbinenrad stillstehen lassen.
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Die ganze Einrichtung stellt eine Dampfturbine mit einer sie umschließenden
umlaufenden Dampferzeügungs- und Kondensationsanlage
dar. Die Drehung
ist hierbei das Entscheidende, denn nur durch die Fliehkraft wird es möglich, daß
durch Druckkammer und Kondensationskammer ein Kreislauf unterhalten wird, daß also
der Kreislauf ohne irgendwelche Hilfsmaschinen zustande kommt. An Stelle der gezeichneten
Ringkammern können die Gefäße auch durch Rohre gebildet werden..
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Die Drehung macht es. nun aber auch möglich, Einrichtungen, .die zur-
Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades von Dampfkraftanlagenbekanntgeworden
sind, anzuwenden und darüber hinaus neue Gesichtspunkte zur Geltung, zu bringen.
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Zunächst bietet die bei Dämpfturbinen für beliebig geartete Dämpfe
ahnehin erwünschte hohe Drehzahl ohne weiteres die Möglichkeit, mit dem Dampfdruck
beliebig hoch zu gehen. Bei größeren -Maschinen- kann das .Gehäuse erheblich langsamer
umlaufen als der Laufkörper, wenn damit bereits die erforderlichen Drücke in der
Flüssigkeit entstehen. Insbesondere gilt' dies bei Verwendung von Quecksilber. Die
folgenden Ausführungen gelten für Wasserdampf, sie können aber auch auf andere Dämpfe
sinngemäß Anwendung finden. Die beiden umlaufenden Teile haben bei Gegenläufigkeit
das gleiche Drehmoment, so daß dann bei verschiedenen Drehzahlen auch die Leistungen
verschieden sind. Der Dampfdruck paßt sich selbsttätig der Leistung an, streng genommen
der Wärmezufuhr. Drosselverluste und die Erzeugung unnötig hohen Dampfdruckes gibt
es also nicht. Die Dampfüberhitzung bietet keine Schwierigkeiten, da man auch den
Dampfraum beheizen kann.
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Die Turbine kann auch mehrstufig gebaut werden, wie die Abb. a in
halbem Schnitt beispielsweise zeigt. Die Drehung des Gehäuses erweist sich auch
hier' als nützlich, weil sie dazu führt, daß die Dampffeuchtigkeit sowohl in der
Dampfzuführung als auch in den einzelnen Stufen durch Ausschleudern praktisch beseitigt
wird: Die Abführung des Wassers ist unschwer zu bewirken, während dies bei den bekannten
Turbinenbauarten noch nicht einwandfrei gelungen ist und bei höheren Dampfdrücken
zu hohen Frischdampftemperaturen oder Zwischenheizung zwingt. Diese Bedenken .fallen
hier weg. Erwünscht ist es nun;- daß das, ausgeschleuderte Wasser ohne weitere Wärmeabgabe
unter Umgehung weiterer Druckstufen sofort wieder in das Speisewasser gelangt.-
Dies ist dadurch möglich, daß man von jeder Druckstufe aus Verbindungen v, i, k
in radialer Richtung zum Speisewasserkanal herstellt. Man kann nun die Einmündungen
k in den Speisekanal jeweils an eine Stelle legen, wo -das Speisewasser einen niedrigeren
Druck hät als der Dampf der ent-. sprechenden Stufe. In der Abb. a ist dies angedeutet:
Das durch die Öffnungen v in die Kanäle i geschleuderte Wasser gelangt auf diese
Weise in dem Maße wie es anfällt in dem Kreislauf zurück. Solange der Dampfdruck
in den Kanälen i jeweils höher als der Wasserdruck ist, der an der Einmündungsstelle
herrscht, so dringt nicht nur das abgeschleuderte Wasser, sondern auch Dampf in
das Speisewasser, es entsteht also Vorwärmung des Speisewassers. Sie bringt hier
besonders große Vorteile, da jede Druckstufe eine Entnahmestelle darstellen kann,
die Einrichtung also fast den Idealzustand für Vorwärmung herbeiführt, der bei unendlich
vielen Stufen und Aufwärmung des Speisewassers bis auf Siedetemperatur eintritt.
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Sinken die Stufendrücke unter die Wasserdrücke; so tritt kein Dampf
mehr in den Speisekanal über, vielmehr verschiebt sich der Wasserspiegel in den
Känälen i zur Turbine hin, ohne diese jemals zu erreichen oder die Aufnahme des
Schleuderwassers in Frage zu stellen.
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Zur Erzeugung eines möglichst großennutzbaren. Gefälles für den Dampf
ist es zweckmäßig, den Druck . in der Kondensationskammer möglichst weit zu senken.
Wird der atmosphärische Druck hierbei unterschritten, so ist eine Luftpumpe erforderlich.
Die Drehung der Kammer macht es leicht, auch das-Herauspumpen der Luft ,mittels
fester Einbauten zu bewirken. Die Abb. a zeigt, wie an der Welle der Turbine Wasser
in den Innenraum eingeführt wird, wobei es-gleichzeitig als Sperrflüssigkeit gegen
das Eindringen von Luft dient. Im Innern gelangt-das Wasser in .eine ringförmige
Kammer n, in -der es -durch die Drehung eine Energiesteigerung erfährt, die hier
zur Erzeugung von Geschwindigkeit dient, so daß das Wasser bei 7z drucklos mit hoher
Geschwindigkeit austritt und den freien Raum bis- o durchfliegt, wobei es Luft mitreißt.
In dem Diffusör p erfolgt in bekannter Weise die Umwandlung von Geschwindigkeit
in Druck, wobei die eingeschlossene Luft bis auf atmosphärische Pressung verdichtet
wird. Durch Öffnungen q erfolgt der- Austritt in die Atmosphäre, wo ein feststehender
Fangring r dazu dient, das aufgefangene Wasser einer Kühleinrichtung und dann der
Luftpumpe wieder zuzuführen. Der Austritt des Wassers aus dem Schleuderrad braucht
nicht scheibenförmig zu erfolgen,- sondern kann auch: in einzelne Strahlen aufgelöst
werden. Die Luftpumpe kann auch außen am Gehäuse, angebracht werden, wobei dann
nur der Lvftsaugekanal ins Innere führt.
Bei größerer Anlage wird
die im Innern angeordnete Strahlpumpe zum Einspritzkondensator. Da in diesem Falle
das Kondensat mit nach außen gelangt, so ist für Ergänzung des verdampften Wassers
zu sorgen. Das kann dadurch geschehen, daß das ausgetretene Strahlwasser zunächst
in einer mit dem umlaufenden Gehäuse fest verbundenen ringförmigen Tasse s aufgefangen
wird, aus der es dann überläuft und in den feststehenden Fangring. r abgeschleudert
wird. Die Ringtasse s steht mit dem Speisekanal l durch Öffnungen t in Verbindung,
was "zur Folge hat, daß der Inhalt der Tasse sich dem des Speisekanals entsprechend
einstellt. Der Wasserstand im Speisekanal nimmt also die gleiche Höhe an wie der
der Tasse, solange die beiden Flüssigkeitsspiegel gleichem Druck ausgesetzt sind,
solange also im Niederschlagsraum des Dampfes der Druck der Außenluft herrscht.
Bei Unterdruck in diesem Raum dringt der Wasserspiegel so weit zur Drehmitte vor,
bis der Spiegelunterschied den Druckunterschied zwischen dem Vakuum der Kammer und
dem atmosphärischen Druck ausgleicht.
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Da der Wasserspiegel der Tasse immer gleichgehalten wird und atmosphärischem
Druck ausgesetzt ist, so herrscht im Speisekanal in der gleichen radialen Höhe ebenfalls
atmosphärischer Druck. Von diesem Radius an gerechnet, weisen die im Speisekanal
nach außen gelagerten Flüssigkeitsschichten einen mit dem Quadrat des-Radius gesetzmäßig
fortschreitenden Druck auf, der seinen größten Wert beim größten Flüssigkeitsradius
erreicht. Dieser Wert ist für eine bestimmte Drehzahl eindeutig und nur in verschwindendem
Maße außerdem vom Barometerstand,-dem unter der Wirkung der Erwärmung etwas veränderlichen
spezifischen Gewicht der Flüssigkeit und von der Strömungsenergie des Speisewassers
abhängig.
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Der auf diese Weise mit Hilfe der Wassertasse festlegbare Höchstdruck
kann in keinem Punkt der ganzen Anlage überschritten werden, er bildet also auch
die äußerste Grenze für den Dampfdruck. Jedem Dampfdruck ist nunmehr ein bestimmter
Flüssigkeitsspiegelradius im Verdampfungsraum zugeordnet, was zur Messung des Dampfdruckes
dienen kann.
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Die Veränderungen des Wasserstandes im Verdampfungsraum infolge veränderlichen
Dampfdruckes führen selbsttätig dazu, daß bei sinkendem Dampfdruck aus der Tasse
Flüssigkeit nachdringt und bei steigendem Dampfdrück Flüssigkeit zur Tasse hinausgedrückt
wird. Die Tasse regelt also die dem inneren Wärmekreislauf ausgesetzte Flüssigkeitsmenge,
sie verhindert Überfüllung oder Mangel. In keinem Falle ist denkbar, daß Flüssigkeit
in die Turbine kommt, wenn nur der Tassenspiegel weit genug nach außen gelegt wird,
so daß auch bei Vakuum der Radius des Speisespiegels stets größer bleibt als der
größte Radius des Turbinenlaufwerks.
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Was man normalerweise nicht anstrebt, kann immerhin eintreten, daß
nämlich der Dampfdruck so hoch getrieben wird, daß die Flüssigkeit gänzlich aus
dem Verdampfungs= raum herausgedrückt wird. Die Speisung setzt dann aus. Da der
Dampfdruck infolgedessen aber ebenfalls sinkt, so dringt wieder Wasser nach, man
hat einen selbsttätig arbeitenden Einspritzkessel: Der Vorteil, der* die Erfindung
gegenüber den üblichen Dampfkraftanlagen aufweist, besteht darin, daß der Kreislauf
des Wärmeträgers ahne Hilfsmaschinen zustande körnmt und daß keinerlei Rohrleitungen
und Absperrorgane vorhanden sind. Damit werden die von diesen Organen herrührenden
Verluste .und Störungsmöglichkeiten vermieden, und der Bauaufwand für die Leistungseinheit
wird auf einen Bruchteil des üblichen herabgemindert. Diese Wirkung wird dadurch
noch wesentlich gesteigert, daß die Heiz- und Kühlflächen sich bewegen, also eine
hohe Geschwindigkeit zwischen den wärmeaustauschenden Mitteln entsteht, die bei
der feststehenden Anlage nur durch Energie verzehrende Beschleunigung der Heizgase
und des Kühlmittels möglich wäre. Die Folge ist eine hohe Wärmeübergangszahl und
eine wesentliche Verkleinerung der betreffenden Flächen pro Leistungseinheit.
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Die Verwendbarkeit der Maschine ist an keinen bestimmten Zweck gebunden.
Sie ist ebenso zur Erzeugung elektrischer Energie wie zum Antrieb von Schiffspropellern,
Pumpen oder Verdichtern und wegen ihres geringen Gewichtes auch besonders zum Antrieb
von Luftfahrzeugen geeignet.
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Die Bestrebungen zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades des
Wasserdampfkreislaufes haben zu dem Zweistoffverfahren geführt, bei welchem dem
Wasserdampfkreislauf ein Quecksilber- oder Diphenyloxyd=Kreislauf vorgeschaltet
wird. Die Maschine kann auch für zwei Kreisläufe gebaut werden, indem sie in axialer
Richtung verdoppelt wird. Durch die gemeinsame Zwischenwand geht der Wärmeübergang
vom Dampf des ersten Kreislaufs auf die Flüssigkeit des zweiten vor sich.