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Dampfkraftanlage Gegenstand der Erfindung ist eine Dampfkraftanlage,
die unter Benutzung eines Dampferhitzers, einer Dampfkraftmaschine, beispielsweise
einer Turbine, und eines Dampfkompressors sowie eines Speisewasserzerstäubers sich
dadurch kennzeichnet, daß eine Dampfmenge geeigneten Zustandes durch Einspritzung
eine passende Speisewassermenge in fein zerstäubtem Zustande erhält und daß der
so entstehende Naßdampf dann in dem Kompressor verdichtet und in einem Überhitzer
erhitzt wird, sich in der Kraftmaschine unter Ausdehnung entspannt, worauf so viel
Dampf aus dem System ausgestoßen werden kann, als Speisewasser durch den Zerstäuber
zugeführt worden war.
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Die Bedeutung hiervon ergibt sich aus folgender Betrachtung: Der gesamte
thermische Wirkungsgrad einer Maschine hängt von dem Bereich des Wärmegefälles und
von dem Grade innerer Umkehrbarkeit ab. Wird die obere Temperatur durch metallurgische
Erwägungen festgelegt, so ist es für die höchste Leistung wesentlich, die Wärme
der Maschine in einem Temperaturbereich zuzuführen, der möglichst nahe dieser oberen
Temperatur liegt.
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Die Erfindung ermöglicht es, daß die Wärme zum Betriebe der Maschine
in einem Temperaturbereich zugeführt wird, der viel näher der oberen Temperaturgrenze
liegt, als es beim Rankine-Dampfkreislauf möglich ist. Für eine gegebene obere Temperatur
über etwa 5oo° C ist der Wärmeabfall progressiv größer als der des Rankine-Kreislaufes.
Der Mechanismus hat auch möglichst genügend Umkehrbarkeit, wodurch die Maschine
im
Wirkungsgrade höher als jede Maschine mit Rankine-Kreislauf bei gleicher Kraftleistung
und Höchsttemperatur ist.
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Die Anlage nach der Erfindung erfordert Einzelheiten ähnlich denen
einer Gasturbine, jedoch muß das Schaufelwerk besonders für Dampf als strömendes
Mittel durchgebildet sein. Infolge der Benutzung von Dampf, der hintereinander bei
gewissen Anwendungsfällen kondensiert werden muß, ist es wesentlich, daß der Erhitzungsprozeß
indirekt mittels eines von außen befeuerten Dampferhitzers vor sich geht. Der Kompressor
der »Gasturbine« muß eine genügende Dampfmenge bei geeigneter Temperatur und geeignetem
Druck zur Verfügung haben. Dazu wird zweckmäßig ein Teil des Dampfes aus dem Auspuff
der Turbine entnommen, wo er immer noch eine zu hohe Temperatur hat, und in diesen
Auspuffdampf eine entsprechende Menge Kühlwasser zur Herabkühlung eingespritzt,
so daß er für die Verdichtung auf eine geeignete Temperatur kommt. Das eingespritzte
Zerstäubungswasser wird gänzlich verdampft und muß daher aus der Maschine wieder
als Dampf für die Gleichförmigkeit und Gleichmäßigkeit des Arbeitsvorganges abgeführt
werden. Der so abgeführte Dampf kann dann in einem Verdichter verdichtet werden
oder kann durch ein Rohr einem Erhitzungsvorgang zugeführt werden oder einer weiteren
Turbine zugeleitet werden, ehe er verdichtet wird. In jedem Falle kann der so abgeführte
Dampf als Speisewasser wieder zugeführt werden, um auf die Dampfzufuhr zu dem Kompressor
kühlend zu wirken. Eine solche Maschine stellt einen thermodynamischen Prozeß dar,
wie er durch das Temperaturentropiediagramm, Abb.3, angegeben ist. Die Maschine
kann mit Vorteil auch einen Regenerierprozeß zwischen dem Auspuffdampf von der »Gasturbine«
und dem Dampf umfassen, der von dem Kompressor zu dem überhitzer strömt, wie in
den Abb.4, 5 und 6 angegeben ist.
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Wo eine Maschine mit Regenerator erforderlich ist, um sowohl Elektrizität
wie auch Arbeitsdampf zu liefern, ist es manchmal zweckmäßig, den Arbeitsdampf heruntergekühlt
zu haben, und demgemäß können zwei Wasserzerstäubungsverfahren so verbunden werden,
daß der zu einem Arbeitsvorgang abströmende Dampf auf eine Mitteltemperatur überhitzt
werden kann, wenn er vom Regenorator kommt, oder in jedem gewollten Zustand auf
eine Zwischentemperatur heruntergebracht werden kann, um gesättigte Temperatur zu
trocknen.
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In ihrer einfachsten Durchbildung besteht die Erfindung darin, den
thermodynamisch in Abb.3 und funktionell in den Abb. i und 2 angegebenen Prozeß
durchzuführen. Gemäß dem Temperaturentropiediagramm in Abb. 3, welches einfacher
Darstellung halber den theoretisch vollkommenen Prozeß erläutert, wird Dampf beim
Punkt C entweder feucht oder überhitzt, bei im wesentlichen konstantem Druck erhitzt,
wie aus dem Verlauf C D ersichtlich ist. D E gibt adiabatische Ausdehnung
des Dampfes in einer Turbine oder sonstigen Maschine unter Erzeugung von Nutzarbeit
an, und E F gibt nachfolgende Abkühlung des Dampfes unter konstantem Druck durch
Einspritzung einer Speisewassermenge unter Zerstäubung in das diesen Dampf führende
Rohr an. Die Wassereinführung dient weiter dazu, den Dampf leicht naß zu machen,-
wie bei F Bim Diagramm angegeben, und der Vorgang B C gibt im wesentlichen
adiabatische Kompression des Naßdampfes zurück zum Punkte C an. Anderseits kann
die durch F B angegebene Wassermasse zwischen Stufen im Kompressor .eingeführt
werden oder beim Auslag aus dem Kompressor, damit die Dampfkompression völlig im
überhitzten Zustand durchgeführt werden kann. An irgendeinem gewählten Punkte längs
der Linie E F B kann so. viel Dampf abgeführt werden, als zum Ausgleich der
in die Vereinigung Maschine und Kompressor eingeführten Speisewassermenge erforderlich
ist. Diese Menge entspricht etwa der Belastung des Generators oder einer sonstigen
kraftverbrauchenden Anlage. Die Nutzarbeit ist durch den Verlauf B C D E F B
angegeben.
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Die Anordnung ist im Schaltbild der Abb. i angegeben. Brennstoff tritt
bei 2 mit Verbrennungsluft bei 3 ein. Die Verbrennung geht in der Feuerung i vor
sich, um das Überhitzelement 4 zu beheizen, das den durch C D im Temperaturentropiediagramm
angegebenen Erhitzungsprozeß unter konstantem Druck durchführt. Dann tritt das Verbrennungsgas
bei 5 in einen Gasluftvorwärmer oder Rekuperator aus wie bei einem üblichen Dampfkessel.
Aus dem Überhitzer 4 strömt der Dampf durch die Turbine oder sonstige Maschine 7
entsprechend dem Vorgang D E in Abb. 3. Die Hauptmenge des Dampfes strömt dann durch
das Rohr ii und wird unter konstantem Druck gekühlt und gesättigt, dadurch, daß
Speisewasser aus demRohr9 in den Zerstäuber io eingeführt wird entsprechend den
Vorgängen E F und F Bin Abb. 3. Dann wird der Dampf im Kompressor 6 entsprechend
dem Vorgang B C in Abb. 3 verdichtet und gelangt dann in den Überhitzer 4 zur Vollendung
des Kreislaufs. Eine der bei io eingespritzten Speisewassermenge entsprechende Dampfmenge
wird durch das Rohr 12 abgeführt. Die Maschine kann an Stelle eines gewöhnlichen
Dampfkessels verwendet werden, da es zur Dampferzeugung nur erforderlich ist, der
Turbine genügend Wärmegefälle zum Betrieb des Kompressors ohne Erzeugung von Nutzarbeit
zu geben.
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Bei dieser Arbeitsweise würde das Wärmegefälle klein sein, und es
würde daher der Überhitzer bei beträchtlich niedrigerer Temperatur arbeiten, als
zur Erzeugung eines brauchbaren Betrages mechanischer Kraft erforderlich ist. Es
würde daher möglich sein, bei verhältnismäßig geringen Kosten einen solchen Dampferzeuger
aus billigen Metallen herzustellen.
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Um die Dampferzeugung in der Maschine wie dargestellt in Gang zu setzen,
kann sie durch einen Motor 8 auf eine passende Anlaufgeschwindigkeit
gebracht
werden. Das Speisewasser wird durch das Rohr 9 zur Zerstäubereinrichtung io geführt
und das Brennstoff-Luft-Gemisch gleichzeitig angedreht und gleichzeitig in der Feuerung
i entzündet und erlaubt so, mitgerisseneLuft aus dem geschlossenen System zu entfernen.
Dieses arbeitet dann in oben beschriebener Weise in einer Atmosphäre von Dampf.
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Das Verhältnis des durch das Rohr i i rückströmenden Dampfes zu dem
durch das Rohr 12, abströmenden ist für den theoretisch vollkommenen Prozeß in dem
Dampfentropiediagramm der Abb. 3 durch das Verhältnis A B zu B F angegeben.
Erhöht man den Rückdruck auf das Dampfablaßrohr i2, so kann man erreichen, daß der
Prozeß sich aufwärts längs der Sättigungslinie des Dampfzustandes unter Druck bewegt,
wie in dem abgeänderten Diagramm A1 Bi Cl Dl El F 1B1 angegeben, mit entsprechender
Abnahme des nutzbaren Wärmegefälles, oder es kann durch Senkung des Druckes in i2
der Prozeß veranlaßt werden, der Sättigungslinie des Dampfzustandes abwärts zu folgen
mit entsprechender Erhöhung des nutzbaren Wärmegefälles.
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Bei einer Änderung der denselben thermodynamischen Vorgang ausführenden
Maschine verdichtet ein Verdichter oder Erhitzer 13 (Abb. 2) den Teil des
Dampfes, der längs des Rohres 12 fortgedrückt wird. Das Wasser wird mittels einer
Pumpe 14 durch das Rohr 9 abgezogen und wie zuvor zum Speisewasserzerstäuber io
gepumpt. So entsteht ein geschlossenes System, was das arbeitende Strömungsmittel
anlangt.
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Andererseits kann der so weggeführte Dampf zur Beheizung oder zur
Erzeugung zusätzlicher Kraft bei einer anderen Turbine verwendet werden, bevor er
zum Verdichter strömt.
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Eine Abänderung zur Erzielung höherer thermodynamischer Leistung ist
durch das theoretisch vollkommene Temperaturentropiediagramm (Abb. 6) angegeben.
Der Punkt C bezeichnet Dampf in gesättigtem oder überhitztem Zustande unter passendem
Druck, der bei im wesentlichen konstantem Druck in einem Wärmeaustauscher erhitzt
wird und an Temperatur vom Punkte C zum Punkte D ansteigt, dann in einen befeuerten
überhitzer eintritt, in dem er bei im wesentlichen konstantem Druck auf Punkt E
erhitzt wird. Danach dehnt er sich in einer Maschine oder Turbine von Punkt E zum
Punkt F aus, wird dann wieder bei im wesentlichen konstantem Druck vom Punkt F zum
Punkt G erhitzt und dehnt sich wieder in einer Turbine oder Maschine auf Punkt H
aus mit so vielen weiteren Erhitzungen danach innerhalb im wesentlichen desselben
Temperaturbereiches, als angebracht erscheint.
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Nimmt man einen weiteren einfachen Prozeß an, so würde sich der Dampf
adiabatisch vom Punkte J zum Punkte K ausdehnen, danach in den obenerwähnten Wärmeaustauscher
treten und unter im wesentlichen konstantem Druck zwischen den Punkten
K und L Wärme abgeben. Der Dampf würde dann längs eines Rohres strömen,
wo er der Wirkung zerstäubten Speisewassers unterworfen wird, wie oben beschrieben,
um den durch LMB angegebenen thermodynamischen Prozeß zu erzielen. Der Naßdampf
wird darauf vom Punkte B zum Punkte C verdichtet, um den Kreislauf der :Maßnahmen
zu schließen.
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Gemäß dem entsprechenden Schaltbild der Abb.4 wird die Maschine, wie
oben beschrieben, angelassen, indem man sie in einem gewissen Verhältnis zur normalen
Laufgeschwindigkeit mittels des Generators 8 antreibt. Dann wird Speisewasser durch
das Rohr 13 zu dem Niedrigtemperaturende des Wärmeaustauschers i9 geführt und darauf
zu den Zerstäubereinrichtungen 15 und 17, die durch die Ventile 14 und 16 gesteuert
werden. Gleichzeitig werden Brennstoff- und Verbrennungsluft durch die Rohre 2 und
3 zugeführt und in der Feuerung i entzündet. Das Turbinenkompressorsystem wird so
rasch von Luft befreit und setzt seine Wirkung in einer Dampfatmosphäre fort. Dampf,
der den Kompressor 28 durch das Rohr 2o verläßt, ist in dem dem Punkte C in Abb.
6 entsprechenden Zustande und strömt darauf durch den Wärmeaustauscher i9 bei im
wesentlichen konstantem Druck, wobei er an Temperatur vom Punkte C zum Punkte D
zunimmt. Dann strömt er zu dem Überhitzer 4. Das entspricht dem Verlaufe D E nach
Abb. 6. Darauf dehnt sich der Dampf innerhalb der Turbine 39 entsprechend E F aus,
strömt dann durch den Überhitzer 29 entsprechend dem Verlaufe F G und dann durch
die Turbine 4o entsprechend dem Verlaufe G H und dann durch den Überhitzer
30 entsprechend dem Verlaufe H J. Dann dehnt er sich in der Turbine 41 entsprechend
T K aus und gelangt darauf durch das Rohr 18 zum Wärmeaustauscher i9, wo er bei
im wesentlichen konstantem Druck Temperatur verliert entsprechend dem Vorgang K
L in Abb. 6. Die so verlorene Wärme wird soweit wie möglich zur Erhitzung eines
entsprechenden Dampfgewichtes vom Punkt C zum Punkt D ausgenutzt. Der Rest der im
Punkt L vorhandenen Wärme wird zur Vorwärmung des Speisewassers benutzt. Der in
seiner Temperatur beim Durchgang durch den Wärmeaustauscher i9 gesenkte Dampf wird
darauf der Wirkung der Zerstäuber 15 und 17, die in Reihe liegen, unterworfen. Aus
dem System zwischen den beiden Zerstäubern strömt der Dampf durch das Rohr 2i. Der
Zustand des zum Rohre 2i gelangenden Dampfes kann durch eine Differentialsteuerung
der Speisewassersteuerungsventile 14 und 16 auf jeden Zustand längs der Linie
L M B
in Abb.6 eingestellt werden. Der Druckbereich kann durch Regelung des
absoluten Rückdruckes, bei dem der Dampf zum Arbeitsrohre 21 gelangt, geregelt werden.
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Eine weitere Abänderung der Anlage ist in der Abb. 5 angegeben. Danach
strömt Dampf von dem Rohre 2,1 zu einem weiteren Turbinenelement 23, wo er sich
möglichst adiabatisch ausdehnt. Dann gelangt er zu einem Kondensator oder Erhitzer
24 oder unmittelbar zur Weiterverwendung. In ersterem Falle kann das kondensierte
Wasser als
Speisewasser benutzt und mittels einer Pumpe 25 und eines
Rohres 13 einer Regenerativerhitzung zugeführt und dort mittels einer passenden
Zahl von Speisewassererhitzern 22 erhitzt werden, die mit Dampf aus der Turbine
23 gespeist werden zwecks Erhöhung der Wärmeausnutzung durch Anzapfung der Turbine.
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Das Speisewasser wird dann entweder durch unmittelbare Berührung mit
dem Dampf erwärmt oder bekommt eine Vorwärmung im Wärmeaustauscher i9, bevor es
in unmittelbarer Heizberührung bei 17 gelangt. Die Vorerwärmung des Speisewassers
unter Druck, bevor die Spritzdüse 17 erreicht wird, dient dazu, den Wärmeaustauschbereich
zwischen dem Einspritzwasser und dem Dampf bei 17 zu verbessern. Bei einer Abänderung
der Anlage kann der Verdichtungsprozeß in einer Anzahl Kompressorzylinder durchgeführt
werden, die in Reihe geschaltet sind, und zwar mit Sprühwassereinspritzung beim
Eingang oder Ausgang eines jeden Kompressorzylinders, derart, daß der Dampf, wenn
er durch den Kompressor tritt, etwas trocken ist, um ein Rosten der Kompressorschaufeln
zu vermeiden.