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Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von überhitztem Dampf, insbesondere
für Tauchboote Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen von überhitztem
Dampf, insbesondere für Tauchboote und ähnliche Zwecke, bei welchem die Wärme ausschließlich
durch Verbrennen eines Gemisches von Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wird. Der
Vorteil eines solchen Dampferzeugungsverfahrens in Verbindung mit Dampfkraftantriebsmaschinen
ist insbesondere für den Unterwasserantrieb von Tauchbooten darin zu erblicken,
daß das Aufsteigen von Gasblasen, die den Standort des Bootes anzeigen würden, vollständig
vermieden und ein praktisch geräuschfreier Antrieb erzielt wird. Auf anderer Seite
entstehen jedoch durch die genannte Verbrennung außergewöhnlich hohe Temperaturen,
die Gefahren und Betriebsstörungen zur Folge haben können und deren Beherrschung
schwierig ist.
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Man hat zur Vermeidung dieses Nachteils bereits vorgeschlagen, in
den Verbrennungsraum zerstäubtes Wasser einzuspritzen, um durch dessen Verdampfung
die hohen Temperaturen der Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung herabzusetzen. Um
dabei gleichzeitig überhitzten Dampf erhalten zu können, hat man insbesondere vorgeschlagen,
besondere Heizplatten zu Hilfe zu nehmen, die von einer Seite durch die Knallgasflamme
erhitzt wurden und gegen deren andere Seite das zerstäubte Wasser gespritzt wurde.
Durch eine Zerstäubung von Wasser kann aber keine vollkommen gleichmäßige und innige
Vermischung der Flammengase mit dem Wasserstaub erreicht werden. Jedenfalls ist
es erforderlich, um diese Gleichmäßigkeit der Mischung wenigstens angenähert zu
. erreichen, das zugeführte Wasser äußerst fein zu zerstäuben. Dazu muß es unter
sehr hohen Überdruck gebracht und durch sehr feine Düsen eingespritzt werden. Die
Erzeugung dieses hohen Druckes kostet zusätzliche Kraft, und die Feinheit der Zerstäubungsdüsen
kann leicht zu Verstopfungen Anlaß geben.
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Demgegenüber beschreitet die Erfindung einen neuen Weg, indem sie
vorschlägt, die Feuergase mit gesättigtem Dampf zu mischen und den dadurch erhaltenen
überhitzten Dampf einerseits zur Wärmeabgabe an das in den Dampferzeuger gespeiste
Wasser, also zum Erzeugen von gesättigtem Dampf, andererseits zur Arbeitsleistung
in einer Dampfkraftmaschine heranzuziehen.
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An sich ist es bereits bekannt, die Verbrennungsgase von Wasserstoff
und Sauerstoff in gesättigtem Dampf einzuführen, um diesen hierdurch zu überhitzen.
Bei diesem bekannten Verfahren handelt es sich jedoch nicht darum, allein durch
die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung Dampf zu erzeugen, sondern es war vorausgesetzt,
daß der durch dieWasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung lediglich zu überhitzende Dampf
als gesättigter Dampf in üblicher Weise in einer bekannten Kesselanlage erzeugt
wurde, deVen Feuergase
nicht mit dem Dampf in Berührung treten
durften. Demgegenüber ist eine Hauptaufgabe des erfindungsgemäßen Verfahrens,. durch
die Wasserstoff-Sauerstoff-Verbrennung bereits auch den gesättigten Dampf k, erzeugen,
was beispielsweise dadurch geschehen kann, daß in an sich bekannter Weise von dem
erzeugten überhitzten Dampf ein entsprechender Teil in das Speisewasser geleitet
wird, während der andere Teil zur Arbeitsleistung einer Dampfkraftmaschine zugeführt
wird. Gegebenenfalls ist es auch möglich, eine gewisse Darnpfinenge für anderweitige
Heizzwecke zu benutzen. Sofern hauptsächlich die Leistung von Arbeit in einer Dampfkraftmaschine
in Frage kommt, wird zweckmäßig eine solche Menge gesättigten Dampfes mit den Verbrennungsgasen
gemischt, daß der gebildete überhitzte Dampf gerade die für den Antrieb der Dampfkraftmaschine
geeignete Temperatur besitzt. Der den Verbrennungsgasen beigemischte Dampf, der
sich etwa im Sättigungszustand befindet, wird dem Dampfraum des Dampferzeugers selbst
entnommen. Von dein gebildeten überhitzten Dampf wird ein Teil in den Wasserinhalt
des Dampferzeugers geleitet, wodurch er das Wasser verdampft, während der Rest in
eine Dampfkraftmaschine gelangt.
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Durch das vorstehend geschilderte Verfahren wird die bei der Verbrennung
entstehende hohe Temperatur infolge der Mischung mit dem gesättigten Dampf erheblich
herabgesetzt, so daß ein gefahrloser Betrieb möglich ist. Wasserstoff (bzw. der
zu verbrennende Kohlenwasserstoff) und Sauerstoff werden zweckmäßig getrennt in
den Verbrennungsraum, der gleichzeitig als Mischraum ausgebildet ist, eingeführt
und in diesem zur Verbrennung gebracht. Um eine innige Durchmischung zu erzielen,
kann man die Verbrennungsprodukte zunächst nur mit einem Teil des gesättigten Dampfes
vermischen, während der Rest allmählich zugesetzt wird. Das Verhältnis dieser Dampfmengen
kann auch einstellbar gemacht werden.
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Von besonderer Bedeutung für die Erfindung ist der Umstand, daß man
in bekannter Weise mit Hilfe der Druckelektrolyse Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff
ohne Mehrverbrauch an Kraft so zerlegen kann, claß das anfallende Wasserstoff- und
Sauerstoffgas unter hohem Druck, beispielsweise von mehr als ioo Atm., gewonnen
wird. Diese Gewinnungsart von Wasserstoff und Sauerstoff spielt sogar für eins der
Hauptanwendungsgebiete der Erfindung, nämlich für den U-Boot-Antrieb, eine hervorragende
Rolle, weil sie prgktisch die einzige Möglichkeit ist, um während der Oberwasserfahrt
die für die Unterwasserfahrt benötigten Gasmengen an Bord immer wieder neu herzustellen.
In-Aölgedessen ist es nicht notwendig, besondere .:X,raftinengen aufzuwenden, um
die Gase ":ünter den für die Einführung in den gesättigten Dampf des Dampferzeugers
erforderlichen Druck zu setzen. Das erfindungsgemäße Verfahren ist also durchführbar
ohne Aufwendung zusätzlicher Kraft, wie sie für den Betrieb einer Wasserdruckpumpe
zur Zerstäubung von Wasser bei bekannten Verfahren erforderlich ist.
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An Stelle von Wasserstoff können auch Kohlenwasserstoffe benutzt werden.-In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele dargestellt. In Abb. i bedeutet A den Speisewasserbehälter,
B den Verdampfer, C den Verbrennungs- und Mischraum. Mittels der Speisepumpe O wird
das Speisewasser in den Verdampfer B durch die Leitung in geleitet. Eine Leitung
ii. verbindet den Dampfraum des Verdampfers B mit dein Mischraum C. Aus dem Mischraum
C gelangt der überhitzte Dampf durch eine Leitung is teils durch die Leitung d zu
der Dampfmaschine oder Turbine, zum größeren Teil durch die Leitung s in den Verdampfer
B. Um die Strömung aufrechtzuerhalten, ist z. B. in die Leitung u eine Pumpe P eingebaut.
Soll i kg Arbeitsdampf erzeugt werden, so hat die Pumpe i -f- y kg überhitzten Dampf
zu fördern, wovon y kg in den Verdampfer geleitet werden. In den Verbrennungsraum
werden z kg brennbares Gemisch eingeführt, so daß aus dem Verdampfer i -[- y-N kg
gesättigter Dampf ausströmt. Bei fortlaufendem Betrieb hat die Speisepumpe i - s
kg Wasser zu fördern. Soll beipielsweise für den Antrieb der Dampfkraftmaschine
Dampf von _ o at abs und 38o° C erzeugt werden und steht im Speisewasserbehälter
Wasser von 8o° zur Verfügung, so beträgt y = .I,78 kg und = o,2 z kg. Die Umlaufpumpe
P hat mithin in diesem Falle das 5,78fache der Dampfmenge zu fördern, die zum Betrieb
der Dampfkraftmaschine gebraucht wird. Die Arbeit der Umwälzpumpe ist trotzdem nicht
erheblich, da der überhitzte Dampf nur einen kurzen Weg zurückzulegen hat und daher
nur geringe Strömungswiderstände auftreten, im Gegensatz zu den gewöhnlichen Überhitzern,
bei denen die Wärme durch Vermittlung von Wandungen zugeführt werden muß.
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Man kann das geschilderte Dampferzeugungsverfahren praktisch bei jedem
gewünschten Druck durchführen, ohne daß es durch die Arbeit der Umwälzpumpe unwirtschaftlich
wird, weil eben der Arbeitsbedarf
der Umwälzpumpe infolge des geringen
Druckabfalles gering ist. Die Regelung, d. h. die Anpassung an veränderlichen Leistungsbedarf
der Dampfkraftmaschine, läßt sich in einfachster Weise durchführen. Bei zunehmendem
Leistungsbedarf bzw. größerer Fahrtgeschwindigkeit wird die Menge des eingeführten
Brennstoffgemisches vergrößert. Soll dabei der Druck des Dampfes unverändert bleiben,
so braucht man nur die CTmwälzpumpe entsprechend rascher laufen zu lassen. Es ist
aber auch möglich, den Betrieb so durchzuführen, daß der Dampfdruck in weiten Grenzen
verändert wird, so daß zunehmender Leistung der Dampfkraftmaschine ein erhöhter
Dampfdruck entspricht. In diesem Falle kann die Drehzahl der Umlaufpumpe nahezu
unverändert bleiben.
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Andererseits ist es auch möglich, das vorstehend geschilderte Dampferzeugungsverfahren
mit einem Gefälle- oder Raumspeicher zu vereinigen. Erhält das Verdampfungsgefäß
B einen großen Wasserinhalt, so kann man, besonders für Fahrt mit geringer Geschwindigkeit,
die Brennstoffzufuhr zeitweise abstellen. In diesem Falle wird die Speisepumpe O
und die Umwälzpumpe P abgestellt, und es wird zugleich das in die Leitung s eingebaute
Ventil V geschlossen; der Dampf wird also wie bei jedem Gefällespeicher durch Drucksenkung
gebildet. Der gebildete Dampf strömt dann unmittelbar über das Ventil und durch
die Leitung q (in der Abbildung gestrichelt gezeichnet) in die Dampfkraftmaschine.
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Wenn nur kaltes Speisewasser zur Verfügung steht, so empfiehlt es
sich unter Umständen, dieses nicht unmittelbar in den Behälter B zu leiten, um Wärmespannungen
zu vermeiden. Man kann in diesem Falle einen Teil des gebildeten überhitzten Dampfes,
wie in Abb. 2 dargestellt, abzweigen und diesen abgezweigten Dampf in einem besonderen
Mischraum in das kalte Speisewasser gelangen lassen. Es werden also von den y kg
überhitztem Dampf, die zum Verdampfen verwendet werden, v kg abgezweigt und die
übrigen y - v kg in den eigentlichen Verdampfer geleitet.