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Sicherheitsvorrichtung zum Vermeiden übermäßiger Drucksteigerung in
Röhrendampferzeugern mit geringem Flüssigkeitsinhalt Zum Niederschlagen von Überschußdampf
sind Vorrichtungen mit einem an die Nutzdampfleitung angeschlossenen, unter niedrigerem
Druck stehenden Behälter bekannt, in dem der vor Wirksamwerden des Sicherheitsventils
anfallende Überschußdampf übertritt und durch verhältnismäßig kaltes Speisewasser
niedergeschlagen wird. Durch die Anwendung einer derartigen Sicherheitsvorrichtung
kann bei Dampferzeugern mit geringem Flüssigkeitsinhalt, z. B. bei Röhrendatnpferzeugern
für den Antrieb von Fahrzeugen, beim Verringern oder Einstellen der Dampfentnahme,
z. B. :beim plötzlichen Halten des Fahrzeuges, eine übermäßige Drucksteigerung vermieden
werden. Diese Drucksteigerung istdadurch bedingt, daß auch beim Abstellen der Nutzdampfentnahme
die Dampfbildung andauert, weil die Einwirkung auf die Feuerung der Regelung der
Dampfentnahme nacheilt und außer der Strahlungswärme der Feuerung auch die in den
Kesselbaustoffen aufgespeicherte Wärme ein lebhaftes Nachverdampfen veranlaßt.
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Das im Kesselbetrieb allgemein übliche Verfahren, bei Druckanstieg
stark zu speisen, führt, wie Versuche :des Erfinders gezeigt haben, nicht zum Ziel.
Das starke Speisen hat bei einem Röhrendampferzeu:ger mit kleinem Rauminhalt ein
rasches Ansteigen des Wasserspiegels und damit eine Verkleinerung des an sich geringen
Dampfraumes zur Folge. Durch die Verkleinerung des Dampfraumes wird aber während
des Nachverdampfens -die Drucksteigerung noch beschleunigt.
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Die Erfindung gibt in Erkenntnis dieser Vorgänge eine andere Lösung
:der Aufgabe. Sie besteht darin, daß der Überschußdampf in einem mit der Nutzdampfleitung
verbundenen, unter Kesseldruck stehenden kleinen Behälter niedergeschlagen wird,
der gegenüber dem Dampferzeuger einen geringeren Rauminhalt aufweist bzw. im Verhältnis
zu der im Dampferzeuger stündlich verdampften Wassermenge klein ist und in seinem
Dampfraum Wasser fein verteilende Einrichtungen hat, denen beim Verringern oder
Abstellen der Dampfentnahme kaltes oder schwach vorgewärmtes Speisewasser zugeführt
wird. Indem hauptsächlich mit Dampf angefüllten Aufnahmeraum des kleinen Behälters
wird durch das Zusammenführen mit dem fein verteilten Wasser der Dampf in wirksamster
Weise niedergeschlagen. Es ist dadurch eine Sicherheitsvorrichtung geschaffen,
die
sich durch geringen Raumbedarf und niedriges Gewicht auszeichnet.
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Bei einer bekannten Sicherheitsvorrichtung für eine Schiffskesselanlage
mit Flammrohr-, also Großwasserraumkesseln wird der beim Abstellen der Dampfentnahme
im Dampferzeuger anfallende Überschußdarnpf vor .dem Wirksamwerden des Sicherheitsventils
von der Nutzdampfleitung aus in die mit ihr in Verbindung stehenden, am Schiffsboden
angeordneten Speisewasserbehälter eingeleitet und niedergeschlagen. Die Rücksicht
auf Raum-und Gewichtsersparnis spielt hierbei natürlich keine Rolle, da die an sich
schon vorhandenen Speisewasserbehälter benutzt werden.
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Aus dem gleichen Grunde sind auch die bekannten Dampfspeicher und
Speisewasserspeicher nicht mit dem Erfindungsgegenstand zu vergleichen. Bei sonst
gleichen Bedingungen ist der Raumbedarf zum Aufnehmen der gleichen Dampfmenge von
z. B. i kg Dampf von 8o atü beim Einleiten des Überschußdampfes in einen Heißwasserspeicher
rund 7,75mal und bei einem reinen Dampfspeicher sogar 27mal so groß wie bei der
Vorrichtung der Erfindung, wobei auch eine erhebliche Drucksteigerung zugelassen
werden muß. Dabei ist zu berücksichtigen, daß bei dem Heißwasserspeicher zu dem
großen Behältergewicht auch noch das Gewicht des Wasserinhaltes hinzukommt. Bei
,derartigen Anlagen ist es deshalb auch unerheblich, ob man den Überschußdampf in
den Wasserinhalt des Speichers einleitet oder, wie es ebenfalls bekannt ist, diesen
Dampf im Dampfraum des Speichers durch das mittels Brausen zugeführte Speisewasser
niederschlägt, weil die in letzterem Falle erreichbare Raum- und Gewichtsersparnis
gar nicht ausgenutzt wird.
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Ebensowenig ist die technische Regel der Erfindung bei einer Schiffsdampfanlage
mit Röhrenkessel verwirklicht, bei der dem Kondensator ein Heißdampfkühler vorgeschaltet
ist, in welchem Überschußdampf durch Einspritzen von Kondensat gekühlt und teilweise
niedergeschlagen wird, um den Kondensator zu entlasten. Dieser besondere Dampfkühler
steht unter dem niedrigen Kondensatordruck und unterscheidet sich auch dadurch grundsätzlich
von dem unter Kesseldruck stehenden Auffangraum der Erfindung.
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Die Abb. i der Zeichnung zeigt in einem Schaubild das Ergebnis -der
ersten Versuche über .den Einfluß der Sicherheitsvorrichtung der Erfindung gegenüber
dem Verhalten eines Röhrendampferzeugers mit kleinem Wasserraum ohne eine derartige
Vorrichtung.
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Die Abb. 2 bis 4 zeigen in vereinfachter Darstellung -drei Ausführungsbeispiele
der Sicherheitsvorrichtung. In 'Abb. i sind auf der Ordinatenachse die Dampfdrücke
in -atü und auf der Abszissenachse die Einspritzzeiten in Minuten aufgetragen. Die
obere Kurve a zeigt den Druckanstieg des Dampfes bei Unterbrechung der Dampfentnahme
ohne Einspritzen von Wasser zum Niederschlagen des Überschußdampfes. Hierbei wurde
der normale Betriebsdruck auf 4o atü :gehalten. Wie aus der Abbildung hervorgeht,
steigt der Druck nach Schließen des Dampfentnahmez>entils schon nach Verlauf ganz
kurzer Zeit erheblich an, z. B. ist er nach i Minute bereits auf 65 atü, nach insgesamt
3 Minuten bereits auf 8o atü gestiegen. Die Kurve b zeigt den Druckverlauf des Dampfes
bei Verwendung einer Sicherheitsvorrichtung gemäß der Erfindung, wobei eine bestimmte
Wassermenge, z. B. rund 5 kg, während einer Zeitdauer von beispielsweise 2 Minuten
in den Dampfraum des Aufnahmebehälters eingespritzt wurde. Das Einspritzen setzte
nach etwa 1j2 Minute ein. Diese Zeit kann natürlich noch erheblich verkürzt werden,
indem fast gleichzeitig mit dem Abstellen der Dampfentnahme das Einspritzen beginnt.
Zunächst steigt der Dämpfdruck, wie das Versuchsschaubild zeigt, für kurze Zeit
noch über 4o atü hinaus an, und zwar in derselben Weise wie bei ,der Kurve a. Alsdann
erfolgt auf einer Strecke d der weitere Druckanstieg unter der Wirkung des eingespritzten
Wassers durch Kondensation des Dampfes unter dessen gleichzeitiger Erwärmung auf
etwa Kesselwassertemperatur nicht mehr so plötzlich wie bisher und kommt etwa auf
der zweiten Hälfte der Strecke d zum Stillstand. Am Ende der Strecke d ist das Einspritzen
von Wasser unterbrochen worden. Nunmehr steigt der Dampfdruck wieder an, erreicht
jedoch, wie die Abb. i erkennen läßt, bei weitem nicht mehr die Höhe wie bei .der
Kurve a ohne Wassereinspritzung. Die dritte Kurve c zeigt den Druckverlauf des Dampfes
bei Verwendung von etwa der doppelten Einspritzmenge und der doppelten Einspritzdauer
auf der Strecke e. Nachdem der Druckanstieg des Dampfes etwa nach i'1.2 Minuten
zum Stillstand .gekommen ist, erfolgt in diesem Falle sogar ein Absinken des Druckes
bis zum Ende der Strecke e, wo die Zuführung des Wassers in den Dampfraum des Aufnahmebehälters
abgestellt wurde. Von diesem Augenblick steigt der Dampfdruck wieder an, erreicht
jedoch nicht die Höhe der Kurve b oder gar der Kurve a. Im allgemeinen wird überhaupt
der zweite Teil des Druckanstieges nicht mehr wirksam werden, da beispielsweise
bei einem Fahrzeugkessel der normale Betrieb inzwischen wieder eingesetzt hat. Die
gestrichelte Kurve f gibt den Druckanstieg beim Fehlen eines Aufnahmebehälters an.
Durch
richtigen .und rechtzeitigen Einsatz der Wassereinspritzung läßt sich nach Feststellungen
an einem Versuchskessel ein Druckanstieg fast ganz vermeiden.
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In den Abb. 2 bis 4 sind gleiche Teile mit gleichen Bezugzeichen versehen.
Dem Röhrendampfkessel i wird das Speisewasser aus einem Vorratsbehälter 2 .durch
eine vorteilhaft als Kolbenpumpe ausgebildete Speisepumpe 3 über einen durch Abdampf,
Zwischendampf .oder Rauchgase beheizten Vorwärmer 4 zugeführt. Der in den Röhren
i erzeugte Dampf wird der Verwendungsstelle durch eine Leitung 5 zugeführt, die
in der üblichen Weise mit einem Sicherheitsventil 6 und einem Entnahme- oder Absperrventil?
versehen ist. Von der Dampfleitung 5 (Abb. 2) oder unmittelbar von denen Verdampferrohr
aus zweigt eine Leitung 8 nach einem Aufnahmebehälter 9 ab, in dessen Dampfraum
eine Brause io ausmündet, welcher Speisewasser aus -der Druckleitung i i zwischen
Speisepumpe 3 und Vorwärmer 4 durch eine mit Ventil 12 versehene Zweig- oder Hilfsspeiseleitung
13 zugeführt wird. Wird das Ventil in der Dampfentnahmeleitung 5 geschlossen, dann
wird die Speisung des Kessels i durch die Speisepumpe 3 über den Vorwärmer 4 von
Hand oder selbsttätig, z. B. durch den einsetzenden Druckanstieg im Kessel, unterbrochen
und das Ventil 12 in der Hilfsspeiseleitung 13 geöffnet. Der nunmehr durch die vom
Rost und den Wänden der Feuerung ausstrahlende Wärme erzeugte Überschußdampf tritt
durch die Leitung 8 in den Behälter 9 und wird liier durch das aus der Brause i
o austretende kalte Wasser niedergeschlagen. Statt der Brause oder neben der Brause
können im Behälter 9 auch noch Rieselflächen 14. vorgesehen sein.
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Z'm beim Niederschlagen des Dampfes ein Überfluten des Behälters 9
zu verhüten, wird nach dem Ausführungsbeispiel der Abb. 2 das überschüssige heiße
Wasser durch eine selbsttätige Vorrichtung, z. B. durch ein von einem 'Schwimmer
15 gesteuertes Ablaufventil 16, über eine Leitung 27 nach dem Speisevorratsbehälter
2, z. B. durch eine im Wasserraum desselben angebrachte Rohrschlange 17, abgeleitet
und auf diese Weise die Wärme des heißen Niederschlagwassers zurückgewonnen. Vorteilhafter
wird jedoch das Wasser aus dem Behälter unmittelbar in den Dampferzeuger eingeführt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Abb.3 handelt es sich um einen Umlaufkessel
mit einem Behälter 9, in welchem .sich das aus dem in den Röhren i erzeugten Dampf
abgeschiedene Wasser sammelt und aus dem das Wasser dann durch eine Leitung i8 dem
unteren Teil des Kessels i wieder zugeführt wird. In diesen Abscheidebehälter 9
wird im normalen Betrieb auch das Speisewasser aus dem Vorratsbehälter 2 durch die
Speisepumpe 3 über den Vorwärmer 4 eingespeist und gelangt dann über eine Rieselfläche
14 in den unteren Teil des Behälters 9, um durch die Leitung 18 dem Verdampfer i
zuzuströmen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird der Abscheidebehälter 9 gleichzeitig
zum Niederschlagen ,des Überschußdampfes bei abgestellter Dampfentnahme verwendet.
Von der Druckleitung i i der Speisepumpe 3 zweigt wieder vor dem Vorwärmer 4 eine
mit einem Absperrventil 12 versehene Leitung 13 nach der Brause io im Dampfraum
des Behälters 9 ab. Das Überspeisen des Behälters 9 wird durch den Schwimmer 15
verhindert, der in -diesem Falle ein Ventil i9 in der Hilfsspeiseleitung 13 entsprechend
verstellt. Die Betätigung dieses Ventils i9 könnte auch -in anderer Weise erfolgen,
z. B. auf elektrischem Wege durch einen in das Wasser des Behälters 9 eintauchenden
Kontakt, wobei eine Verbindung nach außen mit Hilfe von Stromdurchführungen nach
Art der Motorzündkerzen erfolgen kann.
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Es gibt auch noch andere Möglichkeiten, das Überspeisen des Speichers
zu verhindern. Z. B. könnte man bei normalem Gang der Speisepumpe mit Hilfe einer
Zeitauslösung das Ventil in der Hilfsspeiseleitung 13 nach bestimmter Zeit schließen.
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Die Abb.4 zeigt noch eine andere Ausführungsform, wonach nur eine
bestimmt begrenzte Menge von Wasser in den Aufnahmebehälter eingespritzt wird. Das
kann beispielsweise durch einen Akkumulator mit Druckluft oder Gewichtsbelastung
geschehen, der einen genau bestimmten Wasserinhalt besitzt. Im vorliegenden Beispiel
ist in die vor dem Vorwärmer 4 abzweigende Hilfsleitung 13 ein solcher Sammelbehälter
2o zur Aufnahme einer bestimmten Wassermenge eingeschaltet. Dieser Behälter enthält
einen Stufenkolben 21. Der Raum über der größeren Kolbenfläche .steht mit der Dampfentnahmeleitung
5 durch eine mit einem Ventil 22 versehene Leitung 23 in Verbindung, während der
Raum unterhalb der kleineren Kolbenfläche durch eine Leitung 24 mit Rückschlagventil
28 an .die Druckleitung i i der Speisepumpe 3 und ferner an die nach der Brause
io des Behälters 9 führende Leitung 13 angeschlossen ist.
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Diese Vorrichtung wirkt in folgender Weise: Wenn das Hauptdampfventil
7 in der Dampfentnahmeleitung 5 und die Hauptspeiseleitung i i geöffnet wird, dann
wird das Ventil 22 in der Leitung 23 geschlossen. Die Hilfsspeiseleitung 13 ist
ebenfalls abgesperrt. Infolgedessen wird der Sammelbehälter 2o
durch
die Pumpe 3 über die Leitungen i i und 24 mit kaltem Wasser aufgeladen. Wird
dagegen das Hauptdampfentnahmeventil7 und die Speiseleitung i i geschlossen, so
wird das Ventil 22 in der Leitung 23 und das Ventil 12 in der Hilfsspeiseleitung
13 geöffnet. Infolge der Wirkung des Stufenkolbens 21 stellt sich im Behälter 2o
ein Überdruck über den Kesseldruck ein, und .das im* Behälter 2o befindliche
Wasser wird über die Leitung 13 durch die Brause io in den Dampfraum des Behälters
9 eingespritzt. Die Steuerung der verschiedenen Ventile kann selbsttätig erfolgen
unter Verwendung von Drucköl o. dgi. durch Vermittlung einer Druckaufnahmevorrichtung,
welche Servomotore für die Betätigung der verschiedenen Ventile beeinflußt. Die
Steuerung könnte auch auf elektrischem Wege bewirkt werden.
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Außer den in den Speiseleitungen vorgesehenen üblichen und für die
beabsichtigte Wirkung erforderlichen Ventilen ist bei den dargestellten Ausführungsbeispielen
noch ein Überdruck- oder Sicherheitsventil 25 vorhanden, welches beim Absperren
der Hauptspeiseleitung i i das nicht durch die Brause io gehende Wasser durch eine
Leitung 26 in den Speisewasservorratsbehälter 2 zurücktreten läßt. Ferner könnte
die Förderung der Kesselspeisepumpe, besonders wenn sie als Kolbenpumpe ausgebildet
ist, durch Anheben der Saugventile aufgehoben werden, oder bei unabhängigem Antrieb
der Speisepumpe könnte diese stillgesetzt werden.