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Verfahren zum Betriebe von Dampfkraftmaschinen Bekanntlich wird ein
Dampfkraftmaschinenprozeß in folgender Weise durchgeführt: Zunächst wird Wasser
mittels einer Speisepumpe auf einen bestimmten Druck p, gefördert und unter diesem
Druck bei der dazugehörigen Sättigungstempera tur t1 in einem Dampfkessel verdampft.
Anschließend wird der gebildete Dampf in einem nachgeschalteten Erhitzer auf eine
Temperatur t überhitzt, deren Höhe durch die zulässige Materialbeanspruchung begrenzt
ist. Der überhitzte Dampf tritt nunmehr in eine Dampfmaschine (Kolbenmaschine oderTurbine)
ein und wird in dieser bis auf einen Druck p. entspannt, wobei die Maschine eine
entsprechende Arbeit nach außen abgibt. Aus der Dampfmaschine entweicht der Dampf
entweder ins Freie oder in einen Kondensator, in dem er dann durch Wärmeentzug niedergeschlagen
wird, so daß der Kreislauf damit geschlossen ist. Der Verlauf eines derartigen Prozesses
läßt sich besonders gut an Hand des Temperatur-Entropie-Diagramms (T-S-Diagramm)
verfolgen und ist in Abb. i dargestellt. Dabei wurde von Verlusten abgesehen und
adiabatische Entspannung vorausgesetzt. In Abb. i stellt der Kurvenzug 1-2 die Druckerhöhung
des Speisewassers, 2-3 dessen Vorwärmung auf die Siedetemperatur, 3-4 die Verdampfung,
4-5 die 'Überhitzung dar. D-ie Senkrechte 5-6 entspricht der adiabatischen Entspannung
und diel Waagerechte 6-1 der Kondensation des Dampfes. Die geleistete Arbeit wird
durch die Fläche 1-a-3-4-5-6, die zuzuführende
Wärme durch die Fläche
2-3-4-5-7-8 und die abzuführende Kondensationswärme durch die Fläche r-6-7-8 dargestellt.
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Der Wirkungsgrad dieses üblichen Dampfmaschinenprozesses kann auf
verschiedene Weise verbessert werden. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen,
daß der Frischdampf in der Dampfmaschine nicht bi.s, auf den Druck p., sondern nur
bis auf einen Zwischendruck p, entspannt und anschließend erneut überhitzt wird.
Diese Zwischenüberhitzung kann mehrfach wiederholt werden. Eine andere Möglichkeit
besteht darin, daß man der Dampfmaschine an einer oder mehreren Stellen Dampf entnimmt
und durch dessen Kondensation das dem Kessel zugeführte Speisewasser vorwärmt.
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DieErfindung hat demgegenüber zum Ziel, die W irtschaftlichkeit eines
Dampfkraftmaschinenprozesses durch eine grundsätzliche Änderung des Prozeßverlaufes
zu steigern. Die Besonderheit des erfindungs,-gemäßen Prozesses besteht darin, daß
bei starker Überhitzung des Frischdampfes die Umsetzung der Dampfenergie in mechanische
Arbeit auf den oberen Überhitzungsbereich beschränkt ist und daß diie Überhitzungswärme
des Abdampfes zur Vorüberhitzung des Frischdampfes in einem Wärmeaustau-scher ausgenutzt
wird. Dabei empfiehlt es sich, die restliche Überhitzungswärme des Abdampfes zur
Vorwärmung des flüssigen Arbeitsmittels auszunutzen. Sofern hierauf aus besonderen
Gründen kein Wert gelegt wird, empfiehlt es sich unter Umständen, die restliche
Überhitzungswärme des Abdampfes dadurch abzuführen; daß man Kondensat in den Abdampf
einspritzt.
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Der Verlauf des erfindungsgemäßen Prozesses läßt sich am besten im
T-S-Diagramm gemäß Abb. 2 -
verfolgen-. Dabei wurden, wie bei der Darstellung
gemäß Abb. i, die praktisch auftretenden Verluste vernachlässigt, wodurch aber die
Grundlage und das Wesen der Erfindung keine Änderung erfahren.
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Flüssigkeit vom Druck po und der Temperatur to (Punkt i) wird mittels
einer Speisepumpe auf den Verdampfungsdruck p1 gefördert (Punkt 2). Nunmehr wird
die Flüssigkeit in einem Vorwärmet auf die dem Druck p1 zugehörige Verdampfungstemperatur
t1 erwärmt (Punkt 3) und anschließend durch weitere Wärmezufuhr verdampft, so daß
trocken gesättigter Dampf vom Druck p1 und von der Temperatur t1 (Punkt q.) entsteht.
Dieser Dampf wird in einem Wärmeaustauscher bei konstantem Druck bis auf die Temperatur
t3 vorü'berhitzt (Punkt 5). Anschließend wird dem Dampf in einem Überhitzet noch
eine weitere Wärmemenge zugeführt, wobei der Druck ebenfalls konstant bleibt, während
die Temperatur auf den Wert t steigt. Damit hat derDampf denZustanderreicht (Punkt6),
mit dem er der Dampfmaschine zuströmt. Wird dem Dampf während der Entspannung in
der Dampfmaschine keine Wärme zugeführt, so. wird die Entspannung im T-S-Diagramm
durch eine durch den Punkt6 verlaufende Senkrechte bis zuderen Schnittpunkt mit
der Linie des konstanten Druckes po .dargestellt. Der Zustand des Dampfes nach seinem
Austritt aus der Dampfmaschine, ist also durch Punkt 7 gegeben, wobei sich der Dampf
wegen der Leistung von äußerer Arbeit bis auf die Temperatur t3 abgekühlt hat. Mit
dieser Temperatur und dem Druck po wird der Dampf dem Wärmeaustauscher zugeleitet,
indem er im Gegenstrom zum Hochdruckdampf die in ihm enthaltene Wärme an den Hochdruckdampf
abgibt und sich bis auf die Eintrittstemperatur des Hochdruckdampfes t1 abkühlt.
Der Dampf verläßt .den Wärmeaustauscher also in einem Zustand, der Punkt 8 entspricht.
Nunmehr wird ihm noch so viel Wärme entzogen, d'aß er sich bis auf die dem Druck
p. zugehörige Sättigungstemperatur to abkühlt (Punkt 9). Schließlich wird in einem
Kondensator die Kondensationswärme abgeführt, so daß der Ausgangspunkt (Punkt i)
wieder erreicht ist.
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Die geleistete Arbeit wird durch die Fläche 1-2-3--1--5-6-7-8-9-1
dargestellt, die im übrigen gerade so groß ist wie die tFläche 5-6-1o-1 i. Die zuzuführende
Wärme setzt sich aus zwei Beträgen Q1 und Q2 zusammen. Der eine entspricht der Fläche
2-3-4-i21-13 und wird bei dem niedrigen Temperaturniveau t1 benötigt. Der zweite
entsprichtder Fläche 5-6-i o-i i ; er ist also gerade so groß wie die geleistete
Arbeit und muß bei dem höheren Temperaturniveau aufgebracht werden. Die Wärmemenge
Ql, die dem Prozeß bei der niedrigen Temperatur t1 zugeführt werden muß, ist im
allgemeinen bedeutend größer als die Wärmemenge Q2. Da die Temperatur t1 sehr viel
kleiner ist als die Temperatur t, kann für die Deckung der Wärmemenge Q1 mehr oder
weniger minderwertige Abwärme herangezogen werden. Lediglich zur Deckung der Wärmemenge
Q2 muß Brennstoff oder hochwertige Abwärme aufgewandt werden. Dafür wird aber die
aufgewandte hochwertige Wärme vollständig in Arbeit umgewandelt, wenn von: Verlu:stendurch
Wärmeleitung und Reibung abgesehen wird.
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Für die Beheizung des Verdampfers können beispielsweise kondensierender
Abdampf oder Flüssigkeiten, deren Temperatur höher als t1 ist, oder Abgase beliebiger
Art herangezogen werden. Die Verdampfung kann auch auf die Weise erreicht werden,
daß eine unter höherem Druck stehende Flü.ssigkeit um einen bestimmten Betrag bis
mehr oder weniger nahe an die Siedetemperatur heran erwärmt und dann durch ein Drosselventil
entspannt wird. Dabei bildet sich eine gewisse Dampfmenge; .die Temperatur der Restflüssigkeit
ist niedriger als vor dem Drosselvorgang, so daß die Flüssigkeit nach vorhergehender
Verdichtung auf den Anfangsdruck erneut Wärme aufnehmen kann. Auf diese Weise kann
beispielsweise bei flüssigkeitgekühlten Maschinen die gesamte Kühlwärme nutzbar
gemacht werden. Aus diesen Beispielen ist ersichtlich, daß für den Verdampfungsvorgang
jede beliebige Wärmequelle, insbesondere auch minderwertige Abwärme, nutzbar gemacht
werden kann.
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Weiterhin ist es möglich, den Dampf einer bereits bestehenden Dampfkraftanlage
an einer beliebigen Stelle, etwa nach Entspannung auf einen bestimmten
Zwischendruck,
zu entnehmen und mit diesem Dampf den erläuterten Prozeß durchzuführen.
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Dank der Einschaltung eines Wärmeaustäuschers in den Prozeß braucht
ein Teil der zur Überhitzung des Dampfes notwendigen Wärme nicht von außen zugeführt
zu werden, sondern kann der im Abdampf enthaltenen Abwärme entnommen werden. Diese
Wärmemenge entspricht der Fläche 4-5-11-12 in Abb.2. Ein besonderer Vorteil des
erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich daraus, daß beim verlustbehafteten. Prozeß
die bei dem hohen Temperaturniveau t zuzuführende Wärmemenge Q2 im gleichen Umfang
kleiner wird, wie die von: der Dampfmaschine geleistete Arbeit wegen der bei der
Entspannung auftretenden Verluste zurückgeht. Solange von Verlusten des Wärmeaustauschers,
die im übrigen beliebig klein gehalten werden können, und von Wärmeabstrahlungsverlusten
abgesehen wird, ist nämlich die Wärmemenge Q2 immer genau so groß wie die von der
Dampfmaschine geleistete Arbeit. Dies ist unabhängig vom Wirkungsgrad der Dampfmaschine
und von der Art der Entspannung, die adiabatisch, isotherm oder mit Zwischenüberhitzung
erfolgen kann. Denkt man sich den Gesamtprozeß in zwei Teilprozesse zerlegt, von
denen der eine als reiner Kondensationsprozeß arbeitet und die Arbeit ALl erzeugt
(Abb. 3), während der zweite Teilprozeß dem ersten aufgestockt ist und die Arbeit
AL, leistet, dann ergibt sich folgender Sachverhalt: Der thermische
Wirkungsgrad des ersten Prozesses wird in bekannter Weise durch den Wirkungsgrad
der Dampfmaschine beeinflußt. Der Wirkungsgrad des aufgestockten Prozesses. ist
dagegen vom Dampfmaschinenwirkungsgrad unabhängig und erreicht fast d-ie Größe des
Wirkungsgrades eines Carnot-Prozesses zwischen den Temperaturen t und to. Diese
Tatsache bedeutet aber einen ganz grundlegenden Fortschritt.
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Abb. q. zeigt das Schaltschema einer Anlage im Sinne der Erfindung,
wobei einmalige Zwischenüberhitzung angewandt und die restliche Überhitzungswärme
des aus dem Wärmeaustauscher austretenden Abdampfes zur Vorwärmung des Speisewassers
ausgenutzt wird.
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Das anfallende Kondensat wird durch die Speisepumpe r dem Vorwärmet
2 und anschließend dem Verdampfer 3 zugeführt. Der den Verdampfer verlassende gesättigte
Dampf strömt durch den Wärmeaustauscher 4, den er bereits stark überhitzt verläßt,
um im Überhitzet 5 auf die Höchsttemperatur überhitzt zu werden. Nunmehr gelangt
der Dampf in die erste Stufe 6 der Dampfmaschine, kühlt sich bei der Entspannung
um einen bestimmten Betrag a;b und wird dann. im Zwischenüberhitzer 7 nochmals überhitzt.
In der zweiten Stufe 8 der Dampfmaschine wird er auf den Gegendruck entspannt und
strömt dann durch den Wärmeaustauscher q. und den Flüssigkeitsvorwärmer 2 in den
Kondensator 9, in dem er niedergeschlagen wird.
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Als Wärmeaustauscher 4 für die Vorüberhitzung kommen alle bekannten
Bauarten in Betracht, die einen kontinuierlichen Wärmeaustausch zwischen dem verdichteten
und dem entspannten Dampf ermöglichen, wie Rohrgegenströmer, Kreuzgegenströmer,
Plattenwärmeaustauscher und ähnliche. Es ist jedoch zu beachten, daß solche Apparate
sehr kostspielig sind, wenn ein möglichst vollständiger Wärmeaustausch erreicht
werden soll. Wesentlich günstigere Verhältnisse bestehen dagegen, wenn entsprechend
einer besonderen Empfehlung der Erfindung als Wärmeaustausc@her kontinuierlich oder
diskontinuierlich durchströmte Regenera,toren verwendet werden. Bei diesen wird
die vom Abdampf abgegebene Wärme zunächst über eine wärmespeichernde Masse an den
zu überhitzenden Frischdampf abgegeben. Die Speichermasse kann beispielsweise in
zwei Apparaten untergebracht werden, die wechselweise von den beiden Dämpfen durchströmt
werden. Sie kann aber auch nacheinander durch die beiden Apparate hindurchbewegt
werden in solcher Weise, daß die in dem einen Apparat erwärmte Masse in den anderen
überführt, hier wieder abgekühlt und erneut in den ersten Apparat zur Wärmeaufnahme
zurückgeführt wird. Schließlich kann die Speichermasse ähnlich wie hei bekannten
Wärmeaustauschern in Form einer drehbaren Scheibe oder auch in Form einer ,drehbaren
Trommel angeordnet werden. Solche Regeneratoren zeichnen sich bei geringen Baukosten
und sparrstoffarmer Bauweise durch besonders gute Wärmeübertragungsverhältnisse
und geringe Drosselverluste aus, wenn die Speichermasse entsprechend fein unterteilt
und zweckdienlich angeordnet wird. Mit Hilfe dieser Apparateart kann daher unter
Zugrundelegung gleicher Baukosten ein erheblich größerer Teil der im Abdampf enthaltenen
Warme auf den Frischdampf übertragen werden, als es mit Hilfe der übrigen Wärmeaustauscher
möglich ist. Das erstreb@te Ziel, den Bedarf an Frischwärme möglichst klein zu halten,
wird also durch die Anwendung von Regeneratoren in besonders vorteilhafter Weise
erreicht.
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Für die abschließende Überhitzung des Dampfes eignen sich neben den
üblichen Cberhitzerbauarten ebenfalls Regeneratoren. Besonders günstige Wärmeübertragungsbedingungen
ergeben sich, wenn die Wärme vermittels einer heißen Flüssigkeit, z. B. flüssigen
Metalls, übertragen wird, das in den zu überhitzenden Dampf eingetropft oder eingesprüht
wird.
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Während der Entspannung kann der Dampf beliebig oft zwischenüberhitzt
werden; es ist auch möglich, die Entspannung durch laufende Wärmezufuhr isotherm
oder polytropisch verlaufen zu lassen. Auch diese Zwischenüberhitzung kann auf die
in dem vorhergehenden Absatz beschriebene Weise durchgeführt werden. In a11 diesen
Fällen bedingt die gegenüber der adiabatischen Entspannung steigende Temperatur
des Abdampfes keinen Wärmeverlust; vielmehr wird die nun größer gewordene Abwärmemenge
ebenfalls im Wärmeaustauscher auf den verdichteten Dampf übertragen und damit eine
weitere Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Verfahrens erreicht.
Als
Arbeitsmittel für den Prozeß kommen außer Wasser bzw. Wasserdampf alle verdampfbaren
Flüssigkeiten in Betracht. Zweckmäßig wird man jeweils das für die vorliegenden
Betriebsbedingungen günstigste Arbeitsmittel auswählen. Dabei werden mit besonderem
Vorteil solcheFlüs,sigkeiten verwendet, deren Dampfdrücke bei der Verdampfung nicht
zu groß und bei der Kondensation nicht zu klein werden. Würden nämlich sehr hohe
Drücke auftreten, so würde die höchstzulässige Frischdampftemperatur in unerwünschter
Weise herabgesetzt werden. Im Falle sehr kleiner Kondensationsdrücke würden einerseits
die durch Reibuni verursachtenDruckverlusteunverhältnismäßig stark ansteigen, andererseits
die für eine bestimmte Leistung in Umlauf zu haltenden Dampfvolumina und damit auch
die Maschinen- und Apparateabmessungen sehr groß ausfallen. .1lit Rücksicht hierauf
werden sich neben Wasser solche Arbeitsmittel am besten für die Durchführung des
Prozesses eignen, deren Dampfspannung mit wachsender Sättigungstemperatur möglichst
langsam ansteigt. Besonders zweckmäßig werden Flüssigkeiten :ein, deren Dampfspannungskurve
bei logarithmischer Auftragung des Siededrucks als Ordinate und der zugehörigen
Siedetemperatur als Abszisse flacher verläuft als diejenige von Wasser. Dazu gehören
z. B. Ammoniak. Fluor-Chlor-Derivate der Kohlenwasserstoffe, Toluol u. dgl.
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Besonders günstige Betriebsbedingungenbestehen, wenn gemäß einer weiteren
Ausbildung der Erfindung mehrere Prozesse der beschriebenen Art, die gegebenenfalls
verschiedenartige Flüssigkeiten als Arbeitsmittel benutzen, in Kaskade hintereinandergeschaltet
werden. Dabei dient die in dem vorgeschalteten Prozeß frei «-erdende Kondensationswärme
dazu, die Flüssigkeit in dem jeweils nachgeschalteten Prozeß zu verdampfen. Es kann
zweckmäßig sein, die einzelnen. Wärmeaustauscher abweichend von der bisherigen Erläuterung
so anzuordnen, daß der Abdampf des ersten Prozesses zur Erwärmung des Frischdampfes
des zweiten Prozesses, der Abdampf des zweiten Prozesses zur Erwärmung des. Frischdampfes
des dritten Prozesses usw. und schließlich der Abdampf des letzten. Prozesses zur
Erwärmung des Frischdampfes des ersten Prozesses dient. Die dann noch im Abdampf
des letzten Prozesses verbleibende Wärmemenge kann dazu herangezogen werden, um
die verschiedenen Flüssigkeiten von ihrer Kondensationstemperatur aus vorzuwärmen.
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Es bestehen im Rahmen der Erfindung noch zahlreiche weitere Kombinationsmöglichkeiten.
Insbesondere wird es möglich sein, bei dem erfindungsgemäßen Prozeß alle die Besonderheiten
anzuwenden, die sich in Verbindung mit den bekannten Dampfkraftmaschinenprozessen
als zweckmäßig erwiesen haben.
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Im übrigen ist man bei dem erfindungsgemäßen Prozeß nicht gezwungen,
mit Kondensation zu arbeiten; der Prozeß läßt sich vielmehr auch durchführen, wenn
der Arbeitsdampf aus dem Wärmeaustauscher ins Freie auspuffen kann.