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Dampfkreislaufverfahren mit Rückverdichtung Wärme kann mit Hilfe eines
Kreisprozesses in Arbeit umgewandelt werden. Bei dem bekannten Wasserdampfkreisprozeß
mit Kondensation wird die Verdichtung des Arbeitsmittels im reinen Flüssigkeitsbereich
durchgeführt. Es ist bekannt, daß man die Verdichtung im Dampfgebiet durchführen
kann und dabei den Verlust an Verdampfungswärme einspart. Es ist aber auch bekannt,
daß die Verdichtung von Dampf infolge des zugehörigen Wirkungsgrades bei den z.
Zt. üblichen Heißdampftemperaturen so viel von der Expansionsleistung verschlingt,
daß die erzielte Nutzleistung in einem ungünstigen Verhältnis zum Aufwand steht.
Ein derartiger Dampfkreislaufprozeß gleicht weitgehend dem bekannten geschlossenen
Luftturbinenprozeß.
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Abb. i gibt die Darstellung eines Dampfkreisprozesses mit Rückverdichtung,
wie er als bisher bekannt anzusehen ist. Der im Verdichter V auf den Anfangsdruck
P1 verdichtete Naßdampf strömt durch den Wärmeaustauscher WA, in dem der
verdichtete Naßdampf insoweit, als vom expandierten Dampf restliche Überhitzungswärme
an den verdichteten Naßdampf übertragen werden kann, überhitzt wird. Anschließend
wird der verdichtete Dampf in einem feuerbeheizten ,#T #berhitzeT Ü1 weiter überhitzt,
in einer Turbine T1 expandiert, in einem zweiten Überhitzer fI2 erneut erhitzt und
in der Turbine T2 auf den Druck P2 expandiert. Anschließend durchströmt der expandierte
Dampf unter Abgabe eines Teiles seiner restlichen Überhitzungswärme den Wärmeaustauscher
WA. Die nunmehr erforderliche Wärmeabfuhr aus dem Kreislauf kann nun entweder
wie bei Luftprozessen durch Kühlung des Umlaufdampfes erfolgen oder, wie in Abb.
i dargestellt, dadurch, daß ein Teil des Dampfes entnommen und kondensiert wird,
um über eine Einspritzvorrichtung E mit dem übrigen Dampf wieder gemischt zu werden.
Dadurch entsteht ein Dampfzustand, der dem Anfangspunkt der Verdichtung
entspricht.
Je nach der Differenz, die zwischen dem Druck P2 und dem Kondensatordruck PK besteht,
wird diese in der Turbine T3 zu entsprechender Arbeitsleistung ausgenutzt.
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Abb. 2 stellt das Verfahren im T-S-Diagramm dar, wobei zu beachten
ist, daß für den Kondensationsteil des Prozesses ein anderer Entropiemaßstab als
für den Kreislauf mit Rückverdichtung gilt.
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Es ist kennzeichnend für die in Abb. i dargestellte bekannte Anordnung,
daß der Dampf in den ersten Überhitzer bereits mit sehr hoher Überhitzung eintritt,
so daß zwecks guter Ausnutzung der Rauchgase ein großer Luftvorwärmer und sehr hohe
Temperatur der vorgewärmten Verbrennungsluft vorgesehen werden muß, die um so höher
werden muß, je höher die Anfangsdampftemperatur des Expansionsprozesses getrieben
wird, wobei nach dem derzeitigen Stand der Technik in absehbarer Zeit Dampftemperaturen
von 8oo° C erreichbar erscheinen.
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Die Erfindung sieht daher vor, an Stelle des Wärmeaustauschers einen
Dampferzeuger einzuschalten. Abb. 3 gibt ein Schema einer derartigen Anlage.
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Nach diesem Schema strömt der aus der Endturbine T3 abströmende Umlaufdampf
in einen Dampfkessel DK
und beheizt diesen über Heizflächen, wobei die im
Umlaufdampf vorhandene Überhitzungswärme Naßdampf erzeugt, dessen Druck über dem
Anfangsdruck P1 des Systems liegt. Anschließend strömt der immer noch überhitzte
Umlaufdampf in den dem Dampfkessel DK vorgeschalteten Speisewasser-Vorwärmer VW
und erzeugt hier ganz oder teilweise die Flüssigkeitswärme des im Verdampfer DK
erzeugten Dampfes. Anschließend kann der Umlaufdampf entweder in einem Kühler auf
den Anfangszustand der Verdichtung heruntergekühlt werden oder, wie in Abb. 3 dargestellt,
entsprechend der Abb. i durch Einspritzung von Wasser.
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Die im Verdampfer DK erzeugten y kg Zusatzdampf je Kilogramm
Umlaufdampf werden dann vor dem ersten Überhitzer Ü1 dem Umlaufdampf zugesetzt und
durchlaufen mit diesem gemeinsam das Überhitzer- und Turbinensystem und werden nach
Abb. 3 hinter der Turbine T3, gegebenenfalls gemeinsam mit den für die Wassereinspritzung
zu kondensierenden x kg Dampf je Kilogramm Umlaufdampf, abgezweigt und unter Zwischenschaltung
einer weiteren Turbine T9 im Kondensator Ko niedergeschlagen. Vom Kondensat (x -f-
y) kg j e Kilogramm Umlaufdampf werden x kg der Einspritzkühlung und y kg dem Speisewasser-Vorwärmer
VW durch die Speisepumpe P zugeführt.
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Abb. q. gibt eine schematische Darstellung des Verfahrens im T-S-Diagramm.
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Das in Abb. 3 und Anspruch i angegebene Verfahren hat gegenüber dem
nach Abb, i bekannten zunächst den Vorteil, daß die Eintrittstemperatur des Dampfes
im Überhitzer auf die Sattdampftemperatur gesenkt wird und damit eine zweckmäßige
Ausnutzung der Rauchgase ohne übermäßige Luftvorwärmung ermöglicht wird.
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Für die Sattdampferzeugung aus der Überhitzungswärme des rückströmenden
Umlaufdampfes steht im Vergleich zum Wärmeaustauscher der Abb. i ein wesentlich
größeres Temperaturgefälle und auf der Wasserseite des Dampferzeugers
DK ein wesentlich besserer Wärmeübergangswert zur Verfügung; Des weiteren
ist nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung nach Anspruch i das Verhältnis
der Expansionsleistung der Anlage zur Kompressionsleistung entscheidend verbessert,
so daß Größe und Kosten der Anlage sich erheblich gegenüber dem bisher Bekannten
ermäßigen.
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Der gesamte thermische Wirkungsgrad einer Anlage nach Anspruch i ist
gegenüber dem bisher Bekannten, zumindest bei den z. Zt. erreichbaren Wirkungsgraden
der Verdichtung, noch günstiger, wobei es wesentlich ist, daß die Flüssigkeitswärme
des überlagerten Kondensationsprozesses aus der Wärme des ursprünglichen Rückverdichtungsprozesses
gedeckt wird. Es ist für den Wirkungsgrad von Kreisprozessen von größter Wichtigkeit,
daß die Differenz zwischen Expansionsleistung und Kompressionsarbeit so groß wie
möglich gemacht wird. Es wird daher nach Anspruch 2 der vorliegenden Erfindung eine
Annäherung der Expansion an die Isotherme dadurch erreicht, daß die Expansion in
möglichst zahlreiche Stufen mit jeweils kleinem Druckgefälle und jeweiliger Zwischenüberhitzung
aufgeteilt wird.
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Um einen guten Wirkungsgrad bereits in der ersten Stufe der Expansion
zu erzielen, wird nach Anspruch 3 der vorliegenden Erfindung der Anfangsdruck .P,
des Systems so gewählt, daß bereits in der ersten Schaufelreihe Vollbeaufschlagung
des Turbinenläufers erreicht wird. Nach dem Anspruch 3 wird weiter bei Teillast
durch Veränderung der absoluten Drücke P,' und P2 des primären Systems, unter Aufrechterhaltung
des Verhältnisses von P, zu P2, das umlaufende Dämpfgewicht des primären Systems
so verändert, daß das umlaufende Dampfvolumen unverändert bleibt. Bleiben auch die
Temperatur und die Drehzahl der Anlage unverändert, so bleiben auch die Wirkungsgradverhältnisse
unverändert. Da die im Dampferzeuger DK erzeugte Menge an Zusatzdampf sich mit dem
umlaufenden Dampfgewicht anteilmäßig ändert, bleibt auch das Gesamtvolumen der durch
die Turbinen durchgesetzten Dampfmenge bei Teillasten fast unveränderlich. Es kann
auf diese Art auch bei sehr geringen Teillasten mit voller Drehzahl und unveränderter
Heißdampftemperatur gefahren werden. Die Regelung des Maschinensatzes erfolgt durch
ein Regelventil R in der Zusatzdampfzuleitung, das die Zusatzdampfmenge verändert.
Die Wärmeabfuhr im Kondensator ist so zu steuern, daß der Druck im System der jeweiligen
Belastungsstufe entspricht. Es muß als wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung
angesehen werden, daß die Anlage auch nach längeren Betriebspausen mit Hilfe des
Dampfkessels ohne äußere Hilfe angefahren werden kann, solange der Dampfdruck noch
genügend über dem Kondensatordruck liegt. Baut man eine kleine Hilfsfeuerung in
den Verdampfer, so kann die Anlage unter allen Umständen selbständig anfahren.