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Die vorliegende Erfindung bezieht auf einen Dampfpuffer, der in einer
Dampfkraftanlage mit geschlossenem Dampfsystem arbeitet und dazu
ausgelegt ist, um Dampf unter hohem Druck und hoher Temperatur
abwechselnd zu speichern und abzugeben, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1.
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Bei einer Dampfkraftanlage besteht ein großer Bedarf an einem Puffer, weil
die normale Dampferzeugung und die Verwendung des Dampfes zu
Zeitpunkten stattfinden können, die einander nicht entsprechen. Eine derartige
Speicherung wurde seit langer Zeit in einem sogenannten
Dampfakkumulator durchgeführt. Dieser Dampfakkumulator besteht aus einem Druckkessel,
der teilweise mit Wasser gefüllt ist, das durch einen Erhitzer oder
Dampferzeuger erhitzt wird, welcher mit wählbarer Leistung arbeiten kann. Wenn
der Dampf vom Dampfakkumulator zur Dampfmaschine zugeführt wird,
neigt der Druck dazu, abzusinken. Dieser Druckabfall bewirkt wiederum
eine spontane Neubildung von Dampf durch das erhitzte Wasser. Durch
diesen Dampfakkumulator lassen sich hohe Leistungsabgaben erreichen,
und die Leistungsabgaben können unabhängig von unregelmäßiger
Feuerung im Dampferzeuger erhalten werden. Dieser Typ von
Dampfakkumulator weist jedoch verschiedene Nachteile auf, weil er schwer und sperrig
wird und die große Menge an Wasser und Dampf hoher Temperatur ein
hohes Risiko im Falle von Brüchen im Druckkesselgehäuse darstellt.
Bei einem Dampfakkumulator wird die Energie in dem unter Druck
stehenden Wasser gespeichert. Es besteht auch die Möglichkeit, die
Wärmeenergie in anderen Materialien zu speichern. Es wurde daher seit langem als
reizvoll erachtet, solche Energiespeichermaterialien zu verwenden, die
zwischen fester und flüssiger Phase (Latentwärme) wechseln können. Bei
Verwendung von Latentwärme ergeben sich jedoch Probleme bei den
Phasenwechseln, beispielsweise Kontraktion, Spannungen und chemische
Erschöp
fung, was Anlaß für mechanische, chemische, Wärmeübergangs- und
Funktionsprobleme gibt.
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Ein Dampfpuffer soll, wie der Name angibt, eine Nivellierung zwischen
Energieeingang in Form von vom Dampferzeuger ankommenden Dampfes
und der Energieabgabe an die Dampfmaschine bewirken, was es
ermöglicht, intermittierende und stochastische Energiequellen zu nutzen, wie
Solarenergie in stationären Anlagen, und macht es in erster Linie möglich,
wesentlich höhere Spitzen-Ausgangsleistungen für kurze Perioden zu
erreichen, gegenüber der Leistung, die der Kapazität des Dampferzeugers
entspricht. Dies eröffnet auch die Möglichkeit, den Brenner im Dampferzeuger
mit niedriger und konstanter Leistung zu betreiben, selbst wenn die
Leistungsabgabe der Dampfmaschine stark schwankend ist.
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Bei einer Dampfmaschine für Fahrzeug-Anwendungen mit starken
Schwankungen der Leistungsabgabe macht es ein effektiver Puffer möglich, den
Dampferzeuger lediglich für die höchste Dauerleistungsabgabe auszulegen,
die wesentlich niedriger ist als die höchste momentane Leistungsabgabe,
die lediglich für kurze Zeiträume benötigt wird (beispielsweise zur
Beschleunigung). Ferner stellt der Dampfpuffer auch einen Energiespeicher
dar, was es möglich macht, das Fahrzeug ohne Abgase (d. h. ohne
Feuerung) über eine bestimmte Strecke zu fahren.
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Die US-A-3 977 197 offenbart einen Energiespeichertank mit druckfester
Seitenwand und angrenzenden Decken- und Bodenwänden. Der Tank ist in
eine Mehrzahl vertikal gestapelter Abteile unterteilt, deren jedes isoliert ist,
um Wärme darin zurückzuhalten jedes der Abteile weist eine mit jedem
benachbarten Abteil in Verbindung stehende Öffnung auf, durch welche
Öffnungen Wasser hindurchtritt und durch die Abteile hindurchsickert.
Weiterhin ist jedes der Abteile so aufgebaut, daß es Wärmeenergie mit
einer unterschiedlichen Temperatur speichert, mit einem
Temperaturgradienten, der von den oberen zu den unteren Abteilen abnimmt. Dieser
Tempe
raturgradient wird erreicht, indem man innerhalb jedes Abteiles eine
Mehrzahl metallischer Kugeln anordnet, die eine Metallschale beinhalten, die in
der Lage ist, ein Material eingeschlossen zu halten, das von einem
Festzustand in einen flüssigen Zustand zu überführen ist, um die Wärmeenergie
darin zu speichern. Somit basiert der Dampfpuffer auf der Speicherung von
Latentwärmeenergie, was eine langsame Wärmeübertragung mit geringer
Leistungsdichte und Energiedichte bedeutet sowie eine geringe
Wärmespeicherungswirkung aufgrund der Tatsache, daß jedes Abteil eine feste
Temperatur besitzt und mit einer höheren Temperatur geladen und mit einer
niedrigeren Temperatur entladen werden muß. Die verschiedenen Abteile und
das hochdruckfeste Gehäuse, das Dampf hoher Temperatur und hohen
Druckes enthält, komplizieren die Konstruktion.
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Das Ziel der Erfindung ist es, einen Dampfpuffer zu schaffen, der klein und
leicht ist und eine hohe Leistungsdichte und Energiedichte erbringt, wie sie
bislang nicht zu erhalten waren, und auch mit solcher Bauweise, die im Fall
von Unfällen eine hohe Sicherheit bietet, wenn sie in Verbindung mit
Dampfmaschinen bei Fahrzeug-Anwendungen benutzt wird.
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Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die langgestreckten
Strömungskanäle mit einem hydraulischen Durchmesser, der kleiner als etwa
0,5 mm für den Dampf und das Speisewasser zwischen den zwei
Verbindungen ist, ausgelegt und von druckfesten Wände umgeben sind, deren
Werkstoff einen oberhalb der höchsten auftretenden Temperatur liegenden
Schmelzpunkt besitzt und die primäre Wärmespeicherungssubstanz
darstellt.
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Die Erfindung benutzt somit sogenannte wahrnehmbare Wärme, d. h.
Temperaturänderungen in festem Stoff, und der Feststoff, der die druckfesten
Wände der Strömungskanäle bildet, ist hauptsächlich für die
Wärmespeicherungsfähigkeit des Dampfpuffers verantwortlich.
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Die Erfindung unterscheidet sich insbesondere durch die
Abmessungsmaßnahme, daß der Dampfpuffer aus einer großen Anzahl, in der Realität der
höchstmöglichen Anzahl, von Strömungskanälen mit einem hydraulischen
Durchmesser von weniger als 0,5 mm besteht. Solche kleinen Kanäle
erfordern einen hohen Druck, um den Dampf und das Wasser durch sie
hindurch zuzuführen. Ein Druck von zumindest 100 bar ist erforderlich, was
ein Druck ist, der für eine effektive Dampfmaschine, beispielsweise vom
Verdrängertyp, geeignet ist. Trotz des hohen Druckes ist die
Dehnungsbelastung in dem die Strömungskanäle umgebenden Wandmaterial begrenzt.
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Da jeder Strömungskanal selbst druckfeste Wände besitzt, besteht keine
Notwendigkeit für einen gemeinsam druckfesten Kessel, der über den
gesamten Dampfpufferdurchmesser dem hohen Druck ausgesetzt ist. Somit
besteht keine Explosionsgefahr und, was unten gezeigt werden wird,
besteht keine Gefahr durch ausströmenden Dampf im Falle einer
Beschädigung des Dampfpuffers.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des Dampfpuffers ist dieser
- sowie auch die Dampfmaschine - für einen Druck oberhalb des
kritischen Druckes ausgelegt, vorzugsweise 250 bar und eine entsprechende
Dampftemperatur, vorzugsweise 500ºC, und einen hydraulischen
Durchmesser von 0,2 mm. Bei diesen Werten ist es möglich, eine Energiedichte
von 500 kJ/kg sowie eine Leistungsdichte von 100 kW/kg für den
Dampfpuffer zu erreichen, zu vergleichen beispielsweise mit einer Bleibatterie mit
lediglich 100 kJ/kg und 100 W/kg.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die
Strömungskanäle durch kleine Körner gebildet, vorzugsweise aus keramischem
Material, die miteinander und mit der Innenseite des Gehäuses des
Dampfpuffers gesintert sind. Die Strömungskanäle werden teilweise zwischen den
Körnern und teilweise zwischen den Körnern und dem mit den Körnern
gesinterten Gehäuse gebildet, das dünnwandig sein kann, da es geringer
Dehnungsbelastung ausgesetzt ist und hauptsächlich eine
Abdichtungsfunk
tion hat, jedoch eine Wärmespeicherungsfunktion darstellt wie das übrige
Material.
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Die Erfindung wird im folgenden in näheren Einzelheiten unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die schematisiert
verschiedene Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Dampfpuffern
zeigen. Fig. 1 zeigt die Auslegung einer Dampfkraftanlage mit einem
Dampfpuffer, Fig. 2-5 sind Teilschnitte des Dämpfpuffers, die
unterschiedliche Wege zur Bildung von Strömungskanälen darstellen, Fig. 6a ist eine
symbolische Seitenansicht des Dampfpuffers, Fig. 6b - f zeigen
Temperaturprofile des Materials in dem Dampfpuffer bei unterschiedlichen
Bedingungen des Aufladens, und Fig. 7a-d zeigen Temperaturprofile sowohl des
Materials als auch des Dampfes am Ende des Entladevorganges in dem
Dampfpuffer bei unterschiedlichen Druckwerten und unterschiedlichen
Durchmessern der Strömungskanäle.
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Fig. 1 zeigt schematisiert einen Dampferzeuger 1, der über ein Dampfrohr 2
mit einem Hochtemperaturanschluß 3 des Dampfpuffers 4 und mit einem
Einlaßventil 5 einer mehrzylindrigen Axialkolben-Dampfmaschine 6
verbunden ist. Vom Auslaß der Dampfmaschine 6 führt ein Rohr 7 zu einem
Kondensatorpuffer 8, mit dem ein Kühler 9 über Rohre 10, 11 verbunden
ist, um das Speisewasser und den Dampf in dem Kondensatorpuffer zu
kühlen. Von dem Kondensatorpuffer führt ein Rohr 12 zu einer Pumpe 13, um
Speisewasser mit hoher Temperatur einem Niedertemperaturanschluß 14,
welcher aus einem zum Dampfpuffer 4 führenden langen, wärmeisolierten
Rohr besteht, über ein Rohr 15 zuzuführen, sowie über ein Rohr 16 zu
einer Umwälzpumpe 17 zuzuführen, deren Ausgang über ein Rohr 18 mit
dem Dampferzeuger 1 verbunden ist.
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Zwischen dem Hochtemperaturanschluß 3 des Dampfpuffers 4 und dem
Niedertemperaturanschluß 14 erstreckt sich eine große Anzahl von
Strömungskanälen 20, was in Fig. 2-5 dargestellt ist. Diese Kanäle können
durch ein Paket aus Kapillarrohren 21 gebildet sein, deren Enden sich in die
Anschlüsse 3 und 14 erstrecken und die mit ihren äußeren Oberflächen
abdichtend aneinander und an den Anschlüssen 3 und 14 anhaften. Die
Rohre 21 haben in Fig. 2 kreisrunde Querschnitte, können jedoch ebenso
sechseckförmig sein, wie die Rohre in Fig. 3. Die Strömungskanäle 20
können alternativ durch Extrusion eines Blockes 23 aus geeignetem Material
gebildet werden, in dem sich die Strömungskanäle erstrecken. Die Rohre
21, 22 und der Block 23 können aus Metall oder keramischem Werkstoff
bestehen. Eine speziell bevorzugte Bauweise ist in Fig. 5 gezeigt. Innerhalb
eines dünnwandigen, zylindrischen Gehäuses 24 zwischen den
Anschlüssen 3, 14 befindet sich eine große Anzahl kleiner Körner aus keramischem
Werkstoff, die miteinander und mit der Innenseite des Gehäuses 24
gesintert sind. Die Strömungskanäle 20 sind hier durch den Zwischenraum
zwischen den Körnern 25 und zwischen Körnern und Innenwand des
Gehäuses 24 gebildet. In allen Fällen sind die hydraulischen Durchmesser der
Strömungskanäle 20 kleiner als 0,5 mm.
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Die Dampfkraftanlage arbeitet in groben Umrissen wie folgt. Der
Dampferzeuger 1 ist dazu ausgelegt, Dampf in einigen spezifizierten
Leistungsabgaben zu erzeugen, einem hohen und einem niedrigen kontinuierlichen
Leistungsabgabepegel und evtl. einigen dazwischen liegenden Pegeln, je nach
erforderlicher Dampferzeugung. Wenn das Ventil 5 geschlossen ist,
bekommt die Maschine 6 keinerlei Dampf, und sämtlicher, vom
Dampferzeuger 1 erzeugter Dampf strömt mit dem Druck von 250 bar und der
Temperatur von 500ºC zum Dampfpuffer 4. In dem Dampfpuffer durchdringt der
Dampf die Strömungskanäle 20 und drückt das Wasser innerhalb der
Strömungskanäle 20 weg, welches durch das Rohr 15 zu einem Pufferbehälter
26 ausströmt, der mit dem Rohr verbunden ist und ein Gaspolster enthält,
gegen dessen Druck das Wasser in den Behälter gepreßt wird. Das Material
21, 22, 23, 24 oder 25 in dem Dampfpuffer 4 wird vom Anschluß 3 her mit
einer diagonalen Temperaturfront erhitzt, die gegen den Anschluß 14 hin
bewegt wird. Wenn diese Temperaturfront den Anschluß 14 erreicht hat, ist
der Dampfpuffer vollständig geladen, und die Umwälzpumpe 17 wird
angehalten. Die Anlage kann in diesem vollständig geladenen Zustand
während langer Zeitdauer verbleiben und ist mit einer wirksamen
Wärmeisolation 27 ausgerüstet, die den Dampferzeuger 1, den Dampfpuffer 4 mit
Anschluß 14, das Ventil 5 und die Oberseite der Dampfmaschine 6 und auch
die zugehörigen Rohre umschließt, die zusammen einen
Hochtemperaturteil bilden, während der Rest der Anlage einen Niedertemperaturteil bildet,
mit einer Temperatur von ungefähr 80º. Einige Wärmeverluste sind
natürlich unvermeidbar, können jedoch so klein gemacht werden, daß sie
ausgeglichen werden können, indem man den Dampferzeuger 1 startet und
ihn lediglich einige Minuten in intervallen von mehreren Tagen laufen läßt,
um den gewünschten Temperaturpegel wieder herzustellen.
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Wenn das Ventil 5 geöffnet wird, um die Dampfmaschine mit normaler,
niedriger Belastung zu betreiben, reicht der vom Dampferzeuger erzeugte
Dampf aus. Wenn das Ventil 5 geöffnet wird, um die Dampfmaschine 6 bei
hoher Belastung während kurzer Zeiträume zu betreiben, beispielsweise bei
der Beschleunigung, wenn ein anderes Fahrzeug überholt wird, wird der
überwiegende Dampf vom Dampfpuffer 4 zugeführt, beispielsweise gibt der
Dampfpuffer zehn mal mehr ab als der Dampferzeuger 1 liefern kann. Der
Dampf tritt aus dem Anschluß 3 aus, und das Speisewasser aus dem
Speicher 26 wird durch dessen Gaspolster über den Anschluß 14 in den
Dampfpuffer gepreßt. In dem Dampfpuffer 4 wird das Wasser durch das
umgebende Material verdampft, und nun wird die oben erwähnte
Temperaturfront langsam in Richtung auf den Anschluß 3 hin bewegt, und wenn
diese Temperaturfront den Anschluß erreicht, ist der Dampfpuffer
vollständig entladen und lediglich der Dampf aus dem Dampferzeuger 1 steht zur
Verfügung.
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Der oben erwähnte Prozeß ist in den Fig. 6a-6f dargestellt. Fig. 6a zeigt
den Dampfpuffer 4 mit dem Niedertemperaturanschluß 14 und dem
Hochtemperaturanschluß 3. Beim vollständig geladenen Zustand ist die
Temperatur im Dampfpuffer vom einen Ende zum anderen Ende derart, wie
es die Kurve in Fig. 6b darstellt, d. h. ungefähr 80ºC außerhalb der
Wärmeisolation und 500ºC längs der gesamten Länge des Dampfpuffers. Nach
einem langen Zeitraum in vollständig geladenem Zustand verhält sich die
Temperaturverteilung entlang des Rohres am Anschluß 14 so, wie es Fig. 6b
darstellt. Der Temperaturgradient im Anschluß 14 ist für das größte
Wärmeleck aus dem Dampfpuffer 4 verantwortlich, dieses Leck kann jedoch klein
sein, wenn das Rohr 14 lang ausgeführt ist. Während der Entladung strömt
der Dampf über den Anschluß 3 aus, und das Wasser strömt über den
Anschluß 14 ein, und die diagonale Temperaturfront T wird entsprechend Fig.
6c ausgebildet. Die Temperaturfront bewegt sich langsam gegen den
Anschluß 3 hin, mit einer Fortpflanzungsgeschwindigkeit, die immer geringer
ist als die Strömungsgeschwindigkeit von Dampf und Wasser und mit der
Geschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit in Bezug steht, da die
Wärmekapazität der Flüssigkeit mit der Summe aus der Wärmekapazität der
Flüssigkeit und des Wärmetauschermaterials in Beziehung steht. Die Entladung
findet bei unveränderter Temperatur und fast unverändertem Druck des
abgegebenen Dampfes statt, bis die Front T den Anschluß 3 entsprechend Fig.
6d erreicht.
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Wenn die Wärmeübertragungsbedingung günstig ist und die
Strömungsgeschwindigkeit nicht zu hoch ist (wird durch viele Strömungskanäle erreicht),
ist der Anstieg der Temperaturfront sehr steil, was wichtig ist, um eine hohe
Energiedichte zu erhalten, die als die reale Leistungsabgabe definiert ist,
die, einheitsbezogen auf das Materialgewicht des Dampfpuffers, erreichbar
ist. Die reale Energieabgabe ist wiederum diejenige Energieabgabe, die bei
garantierter Dampfqualität erfolgen kann, und zwar von vollgeladenem
Dampfpuffer bis zu dem Zustand, bei dem die Dampfqualität am Anschluß
3 nicht mehr aufrecht erhalten werden kann. Der letztgenannte
Zeitabschnitt ist in Fig. 6d dargestellt. Zu bemerken ist, daß während der
gesamten Entladung bis zum Zeitabschnitt in Fig. 6d der abgegebene Dampf von
gleicher Qualität ist wie der Dampf, der den Dampfpuffer geladen hat.
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Wenn die Position in Fig. 6d erreicht ist, ist Speisewasser bei 14
eingeströmt und wurde auf die Nenntemperatur des Dampfes durch die Wärme
von dem gesamten Material erhitzt, das seinen Energieinhalt von 500ºC
auf 80ºC abgegeben hat. Dies ereignete sich für das gesamte Material, wo
die Temperaturfront hindurchgetreten ist, und die Energie entspricht dem in
Fig. 6e mit Y bezeichneten Abschnitt. Das Verhältnis zwischen Y und dem
gesamten Abschnitt in Fig. 6b ist als Nutzverhältnis definiert, das für den
Dampfpuffer gemäß der Erfindung 85-95% betragen kann. Bei hohen
Temperaturen, beispielsweise 800-900ºC, die vorkommen können, wenn
das gesamte Dampfsystem keramisch aufgebaut ist, wäre es möglich, eine
Energiedichte von ungefähr 1 MJ/kg zu erhalten.
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Bei wiederholtem Laden wird die Temperaturfront in der entgegengesetzten
Richtung bewegt, wie es in Fig. 6F gezeigt ist, bis eine Entladung stattfindet
oder der Dampfpuffer wieder vollständig geladen ist, wie in Fig. 6b.
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Eine Bedingung für das Erreichen hoher Energiedichte ist ein Anstieg der
Temperaturfront im Dampfpuffer, der so steil wie möglich ist, und es läßt
sich zeigen, daß der hydraulische Durchmesser der Kanäle einige
Zehntelmillimeter betragen soll. Es läßt sich auch zeigen, daß höhere
Leistungsdichte, definiert als Leistung pro kg, die ohne große, unannehmbare
Druckverluste abgezogen werden kann, einen hohen Dampfdruck, einen hohen
Verhältniswert zwischen Gesamtfläche des Querschnitts der
Strömungskanäle und der Gesamtquerschnittsfläche des Wandmaterials und der
Strömungskanäle, eine hohe Dampftemperatur, eine niedrige Materialdichte,
was Keramikwerkstoffe favorisiert, und einen kleinen hydraulischen
Durchmesser erfordert, d. h. die gleichen Bedingungen wie für hohe
Energiedichte.
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Der hydraulische Durchmesser und sein Einfluß auf Steilheit der
Temperaturfront ist in Fig. 7a-7d bei verschiedenen Betriebsarten dargestellt. Fig.
7a, b zeigen die Temperatur des Dampfpuffers entlang seiner relativen
Län
ge beim Druck von 250 bar und der Dampftemperatur 500ºC für
Strömungskanäle mit dem hydraulischen Durchmesser von 0,5 bzw. 0,2 mm.
Tg und Ta beziehen sich auf die Temperaturkurven für Wandmaterial bzw.
Dampf. Fig. 7c, d zeigen entsprechende Kurven beim Druck von 100 bar
und der Dampftemperatur 450ºC. In beiden Fällen ist dargestellt, daß bei
einer Änderung des hydraulischen Durchmessers von 0,5 auf 0,2 mm die
Temperatursteilheit dramatisch ansteigt, speziell in dem Fall mit den
höheren Druck- und Temperaturwerten.
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Trotz hohen Druckes und hoher Temperatur der Dampfkraftanlage besteht
für die Umgebung ein sehr geringes Beschädigungsrisiko aufgrund von
Explosion und/oder Ausströmen von Heißdampf, insbesondere aus dem
Dampfpuffer, weil der Dampfpuffer nicht in einem druckfesten Kessel
enthalten ist und auch weil die Strömungskanäle lediglich eine geringere
Menge an Heißdampf/-wasser enthalten. Der Dampf wird in der gleichen
Geschwindigkeit erzeugt, mit der das Speisewasser beim Entladen in die
Strömungskanäle fließt und dies findet lediglich statt, wenn der Dampfpuffer
intakt ist. Er kann auch mit einem Strombegrenzungsventil 30 in der unter
Druck stehenden Leitung 15 ausgerüstet sein, die das Speisewasser zum
Dampfpuffer 4 beim Entladen zuführt. Eine größere
Strömungsgeschwindigkeit des Speisewassers als ein vorbestimmter Wert, beispielsweise bei voll
geöffnetem Ventil 5 (Vollast), führt zu einem schnellen Schließen des
Ventils 30, und die Dampferzeugung im Puffer 4 endigt.
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Die Erfindung ist natürlich nicht auf die oben beschriebenen
Dampfpufferbauarten und Dampfdaten beschränkt, sondern kann in verschiedener Art
innerhalb des Bereichs der erfindungsgemäße Idee modifiziert werden, der
durch die Ansprüche definiert ist.