DE762487C - Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Apparaten und Maschinen mit ueber der Schallgeschwindigkeit liegenden Stroemungs-geschwindigkeiten des expandierenden gas- oder dampffoermigen Arbeitsmittels - Google Patents

Description

• Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Apparaten und Maschinen mit über der Schallgeschwindigkeit liegenden Strömungsgeschwindigkeiten des expandierenden gas- oder dampfförmigen Arbeitsmittels Bei Apparaten und Maschinen, in denen die potentielle Energie von Gasen oder Dämpfen in Geschwindigkeit umgesetzt wird, kann eine größereStrömungsgeschwindigkeit als die, die der jeweiligen Schallgeschwindigkeit im Gas oder Dampf entspricht, dann erreicht werden, wenn das Gas oder der Dampf in einer Düse expandiert, die von dem Querschnitt ab, in dem die Geschwindigkeit des Arbeitsmittels gleich der Schallgeschwindigkeit wird, divergierend ausgeführt wird. Bei der Anwendung hoher Anfangsdrücke und verhältnismäßig kleiner Enddrücke erreicht dann das Arbeitsmittel Geschwindigkeiten, die bei iooom/Sek. liegen und auch noch darüber hinausgehen. Diese hohen Geschwindigkeiten bedingen naturgemäß hohe Verluste durch Reibung und Wirbelbildung und beispielsweise bei Dampfstrahlapparaten auch noch hohe Verluste bei der Vermischung des Fördermittels mit dem zu fördernden Mittel.
• Die Verluste durch Reibung, Wirbelbildung und Stoß wachsen mit dem O_uadrat der Geschwindigkeit des Arbeitsmittels. Die Anwendung hoher Druckgefälle brachte also wohl eine Treibmittelersparnis mit sich, damit stiegen jedoch gleichzeitig die Verluste, so daß derart betriebene Maschinen od. dgl. mit einem relativ schlechteren Wirkungsgrad arbeiten. Bei Dampfturbinen beispielsweise ist der Wirkungsgrad der Beschaufelung abhängig von dem Verhältnis c und der Anzahl der Schaufelkränze. Hierbei ist c die Geschwindigkeit des Dampfes und ic die Umfangsgeschwindigkeit der Schaufeln. Da aus materialtechnischen Gründen die Umfangsgeschwindigkeit ein bestimmtes Maß nicht überschreiten darf, ist man gezwungen, bei hohen Anfangsgeschwindigkeiten des Dampfes zur Verschiebung des _#-erhältnisses c die Turbinen zwei-, drei- oder mehrkränzig auszuführen, um dadurch günstige Beschaufelungswirkungsgrade zu erreichen. Mehrkränzige Turbinen haben jedoch erhöhte Reibungs- und Spaltverluste.
• Als weiteres Beispiel seien dieDampfstrahlapparate erwähnt, bei denen insbesondere bei ihrer Anwendung für Kälteanlagen der Treibdampf in einer oder mehreren parallel geschalteten Düsen auf Geschwindigkeiten von über looo m/Selc. expandiert und hierbei das zu fördernde Gas ansaugt, um es darauf durch Umsetzung der Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie auf den gewünschten Gegendruck zu komprimieren. Hierbei wird ebenfalls durch das steigende Druckgefälle die nutzbare Energie des Treibdampfes oder Treibgases erhöht, jedoch vermehren sich gleichzeitig infolge der hohen Geschwindigkeiten, die der Dampf dann bei der Expansion erreicht, die Reibungs- und Wirbelverluste bzw. Stoßverluste. Während man sich bei Turbinen hier durch Erhöhung der Anzahl der Schaufelkränze helfen kann, muß bei Strahlapparaten der erhöhte Verlust voll in Kauf genommen werden, da eine Aufteilung des Gefälles nicht möglich ist.
• Es ist bekannt, bei Apparaten und Maschinen, in denen Arbeitsmittel mit Strömungsgeschwindigkeiten angewendet werden, die höher als die Schallgeschwindigkeit im Arbeitsmittel sind, denWirkungsgrad derAusnutzung des Energieinhaltes des Arbeitsmittels dadurch zu verbessern, daß die Masse des Arbeitsmittels, bezogen auf die Volumeneinheit, durch Beimischung eines zweiten Stoffes mit verhältnismäßig großer Masse erhöht wird. Damit eine gleichmäßige feinste Verteilung im Arbeitsmittel erreicht wird, wird nun erfindungsgemäß der zugegebene Stoff vor der Expansion in heißem Zustand fein verteilt in das Arbeitsmittel eingebracht. Bei der Expansion tritt eine teilweise schlagartige Verdampfung ein, die eine fast molekulare Verteilung bewirkt. Der zweite Stoff kann chemisch der gleiche sein wie das Arbeitsmittel, gelangt dann aber in einem anderen Aggregatzustand, z. B. in flüssiger Form, zur Anwendung. Er kann auch vom Arbeitsmittel verschieden, aber von größerer Masse als dieses sein.
• Man kann beispielsweise einem Arbeitsdampf von 2o atü Heißwasser Von 211' C oder etwas höherer Temperatur beigeben, das mit einem Überdruck von 2 bis 3 at, also mit 22 bis 23 atü in die Dampfleitung vor der Düse, in der die Expansion des Arbeitsdampfes geschieht, eingestäubt wird. Wenn beispielsweise je Kilogramm Arbeitsdampf, der bei dem angegebenen Druck ein Volumen von 120 1/kg hat, 1 1 Wasser beigegeben wird, dann wird hierdurch die Expansionsgeschwindigkeit um 30% verringert oder, bei einer Wasserzugabe von 21, um 4.2,j %. Durch diese Maßnahme ist es also möglich, beispielsweise hei Dampfturbinen. das Verhältnis ü zu ver schieben, so daß man bei einer einkränzigen Turbine denselben Beschaufelungswirkungsgrad erreicht, der zwischen der zwei- unddreikränzigen Turbine liegen würde.
• Beispielsweise wird bei einem Dampfstrahlapparat, der so bemessen und dessen Treibdampfgewicht so vorgesehen ist, daß der Strahlapparat Dampf von - 1,8= C Sattdampftemperatur ansaugen kann, durch Beigabe von ebenfalls 1 kg Wasser zu 1 kg Treibdampf durch die Verringerung der Gesamtgeschwindigkeit das Förderverhältnis um 70 °/o höher. Diese große Leistungserhöhung ist bedingt durch die Verringerung der Reibungs-und Wirbelverluste, zum geringen Teil auch durch die verminderten Stoßverluste.
• Grundbedingung ist es jedoch, daß das Wasser oder der anders geartete Stoff mit schwerer Masse, bezogen auf die @'olumeinheit, fein zerstäubt dem Arbeitsgas- oder -dampf beigegeben wird, damit einmal die bei der Vernebelung erhaltenen feinsten Tröpfchen bis zur Expansion beibehalten werden und damit sie anschließend durch partielle Verdampfung eine fast molekulare Aufteilung bei der nachfolgenden Expansion erfahren. Wenn die Vernebelung des eingeführten Wassers beispielsweise auf Teilchengrößen von 1/1o bis 5/10o mm erfolgt, dann verdampfen unter Abkühlung dieser Wassertröpfchen in der Expansionsdüse von 21o= C auf beispielsweise - 1,8° C 37% des eingestäubten Wassers. Das Endvolumen dieses durch partielle Verdampfung entstehenden Wasserdampfes ist bei einem spei. Volumen von 23ocbm/kg Wasserdampf von -i,8°`C gleich 86 ooo 1/kg eingestäubtes Wasser. Dadurch erfahren die eingestäubten Wassertröpfchen von o,i bis o,o5 mm ursprünglicher Größe eine Aufspaltung auf den 86 ooo. Teil. Es dürfte klar sein, daß bei dieser enormen Aufteilung des zugegebenenWassers oder anderen Stoffes die Strömungsverhältnisse imArbeitsdampf sich vollkommen gleichmäßig abwickeln, so daß also die Beimischung der schweren Masse verlustfrei für die Expansion erfolgen kann.
• Würde man beispielsweise das Wasser dem Arbeitsdampf kalt beigeben, so würden die Tröpfchen von o,i bis o,o5 mm Größe sich im Arbeitsdampf vor der Expansionsdüse erwärmen. Dies bedingt jedoch eine Kondensation von 37'/0, so daß also die Tröpfchen um dieses Maß größer würden. Hierdurch entsteht die Gefahr, daß der Dampf die Tröpfchen ausscheidet, zumal bei der Kondensation tote Räume entstehen, durch die die Tröpfchen verdichtet werden können.
• Das Verfahren wird beispielsweise sodurchgebildet, daß das Heißwasser in einem geschlossenen Behälter durch Einblasen des zur Verfügung stehenden Dampfes erzeugt wird. Hierbei wird der Behälter unter Druck betrieben, entsprechend der jeweiligen Wassertemperatur. Aus diesem Behälter saugt eine Pumpe das Heißwasser an und nimmt eine Druckerhöhung von etwa 3 at oder mehr über die Spannung des Arbeitsdampfes vor. Mit diesem Druck wird das Wasser Vernebelungsdüsen zugeteilt, die in einem erweiterten Teil der Dampfleitung, unmittelbar vor den Expansionsdüsen der erfindungsgemäß zu betreibenden Apparate eingebaut sind. Durch die Entspannung in den Vernebelungsdüsen findet eine feine Verteilung des Heißwassers im Arbeitsdampf statt, das dann getragen von dem Arbeitsdampf zu den Expansionsdüsen strömt.
• Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, daß das Heißwasser durch Einblasen von Dampf auf den gewünschten Druck und die entsprechende Temperatur gebracht wird und daß es von dem Behälter ohne Zwischenschaltung einer Pumpe unmittelbar zu den Vernebelungsdüsen geleitet wird. In diesem Falle muß allerdings der Dampf zum Betrieb der Düse mit einem um etwa 2 bis 3 at niedrigerenDruck angewendet werden als derDruck des zum Erhitzen des Wassers benutzten Dampfes, damit für dieZerstäubungdesheißen Wassers das entsprechende Druckgefälle vorhanden ist. Wird für beide Zwecke Dampf aus der gleichen Erzeugungsquelle benutzt, so wird der Dampf zum Betrieb der Düse z. B. etwa um 2 bis 3 at gedrosselt. Der geringe Druckverlust durch dieDrosselung des Frischdampfes kann oft ohne weiteres in Kauf genommen werden, da der dadurch bedingte Energieverlust geringfügig ist gegenüber den Ersparnissen, die die Wirkungsgraderhöhung mit sich bringt.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades von Apparaten und Maschinen, bei denen unter Expansion ein gas-oder dampfförmiges Arbeitsmittel mit Strömungsgeschwindigkeiten zur Anwendung kommt, die über der Schallgeschwindigkeit des Arbeitsmittels liegen, durch Vernebelung von Flüssigkeit im Arbeitsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß dem Arbeitsmittel vor seiner Expansion etwa im Verhältnis i : o,5 oder in noch größeren Mengen ein gleicher oder anderer Stoff, der eine größere Masse, bezogen auf die Volumeinheit, aufweist,-in heißem Zustand derart fein verteilt zugesetzt wird, daß bei der anschließendenExpansion eine weitere Aufteilung des zugesetzten Stoffes durch partielle Verdampfung stattfindet.
2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der zugesetzte Stoff in dem Arbeitsmittel fein verteilt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch i bei Anwendung von Dampf als Arbeitsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß der zugefügte Stoff, z. B. Wasser, durch Einblasen von Dampf erwärmt und unter Druck gebracht wird und daß der Stoff durch eine Pumpe oder durch beim Erhitzen erzeugten und über dem des Arbeitsdampfes liegenden Druck im Arbeitsdampf vernebelt wird. ZurAbgrenzung des Erfindungsgegenstands vom Stand der Technik sind im Erteilungsverfahren folgende Druckschriften in Betracht gezogen worden: Deutsche Patentschriften Nr. 84 153, 141 784,212 746, 525 562, 553:285.