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Wärmekreislauf für Dampfkraftanlagen Gegenstand der Erfindung ist
ein Wärmekreislauf für Dampfkraftanlagen, bei dem der in der Kraftmaschine entspannte
Dampf ganz oder auch nur zum Teil verdichtet und unmittelbar dem. Kessel wieder
zugeleitet wird.
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Der Gedanke ist an sich nicht neu. Es ist schon mehrfach vorgeschlagen
worden, den Maschinenabdampf zu verdichten und dann den Kreislauf von neuem beginnen
zu lassen. Keiner dieser Vorschläge ist indessen praktisch durchgeführt worden,
weil der Betrieb infolge der Wahl nicht des richtigen Verdichtungsverfahrens zu
unwirtschaftlich geworden wäre.
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Die vorliegende Erfindung benutzt zur Durchführung des Verfahrens
den bekannten Strahlapparat. Die Verdichtung des Abdampfes erfolgt durch Erhöhen
seines Druckes unter gleichzeitiger Abführung der entstehenden Verdichtungswärme.
Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß dem Strahlapparat Wasser, insbesondere
Kondensat der Maschine, mit einem Druck, der gleich oder annähernd gleich dem Kesseldruck
ist, und Entnahmedampf der Maschine zugeführt wird.
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Im folgenden sind die Vorgänge bei der Verdichtung an Hand eines Ausführungsbeispiels
im einzelnen erläutert. Den Ausführungen ist die Anwendung des Verfahrens bei einer
Kondensationsturbine zugrunde gelegt. Die Erfindung ist indessen nicht auf diese
Maschine beschränkt. In der Abb. i ist der Wärmekreislauf schematisch dargestellt.
Abb.2 zeigt einen Schnitt durch den Strahlapparat, Abb.3 ein Diagramm, aus dem die
mit dem Verfahren erreichbaren Endtemperaturen in Abhängigkeit von dem Strahlerwirkungsgrad
zu entnehmen sind.
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Bei Abb. i bezeichnen i den Dampfkessel, 2 die Turbine, 3 den Kondensator,
4 und 5 die Düse bzw. den Diffusor des Strahlers, g eine Druckpumpe. Von dem Kessel
i gelangt der Dampf durch die Frischdampfleitung 6 in die Turbine 2, in der er Arbeit
leistet. Ein Teil des Dampfes wird bis auf den im Kondensator 3 herrschenden Druck
entspannt und dann in diesem in üblicher Weise niedergeschlagen. Das Kondensat fließt
über die Leitung 8 der Pumpe g zu, die es durch die Leitung io in den Strahler drückt.
Der Teil des lpampfes, der im Strahler zu Wasser verdichtet werden soll, wird einer
Stufe der Turbine entnommen und durch die Leitung 14 der für ihn bestimmten Düse
4 zugeführt. Diese Art der Dampfführung ist bei Kondensationsturbinen notwendig,
damit dem zu verdichtenden Dampf ein genügendes Wärmegefälle für die zu leistende
Verdichtungsarbeit zur Verfügung steht. Der Dampf wird in der Düse 4 weitgehend
entspannt und dann in Gegenwart des Kondensats des Restdampfes in dem Diffusor 5
zu Wasser verdichtet. Das erzielte Speisewasser fließt durch die Leitung i2 in den
Kessel zurück, wo der Kreislauf von neuem beginnt.
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Die Vorgänge bei der Verdichtung selbst seien an Hand der Abb.2 genauer
verfolgt. Der Strahler besteht aus einer Düse 4 für den Dampf und dem Diffusor 5.
Das Strahlwasser wird durch eine Anzahl besonderer kleiner Düsen
zugeführt.
Diese Düsen sind ähnlich den modernen Brausen in konzentrischen Ringen angeordnet
und zu einem gemeinsamen Strahlkörper ig vereinigt, der innerhalb der Dampfdüse
liegt. Der Anschlußstutzen für den Dampf ist bei 2q., der für das Druckwasser bei
29. Der Anschlußstutzen 24 mündet in einen ringförmigen Verteiler 34, an den sich
bei a die eigentliche Dampfdüse anschließt. Es gibt natürlich auch noch andere Möglichkeiten
der Dampfzuführung. So wäre es beispielsweise denkbar, daß man den Dampf teilt und
einen Teil innerhalb des Strahlkörpers ig in den Strahler eintreten läßt. Diese
Ausführung wird sich besonders dann empfehlen, wenn Dampf verschiedener Drücke verdichtet
werden soll. Die Düse ist zunächst etwas erweitert (bei b) und geht bei c in den
Diffusor 5 über.
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Bei seinem Austritt aus der Düse ist der Dampfstrahl mit großen kinetischen
Energiemengen geladen. Durch entsprechende Wahl des Verhältnisses Dampf zu Wasser
erreicht man den Naßdampfzustand, von dem die Verdichtung auszugehen hat. Die Verdichtung
selbst erfolgt im Diffusor 5 und wird. durch Umsetzung von kinetischer Energie in
potentielle bewirkt. Die zur Verdichtung erforderlichen Energiemengen liefert dabei
im wesentlichen der zu verdichtende Dampf selbst; er ist also gleichzeitig Treibmittel
und zu verdichtendes Mittel. Die Verdichtung geschieht in Gegenwart des Strahlwassers;
sie wird zweckmäßig bis zur vollständigen oder nahezu vollständigen Kondensation
durchgeführt. Die Kühlung treibt man so weit, daß die Verdichtung in der äußersten
Ecke der linken Grenzkurve des S. T.-Diagramms vor sich geht. Beim Punkt d ist der
eigentliche Verdichtungsvorgang beendet. Als Endprodukt der Verdichtung erhält man
Wasser. In dem Wasser ist, wenn man von geringen Strahlungsverlusten an die Umgebung
absieht, die gesamte ehemals dem Dampf- und den Druckwasserstrahlen innewohnende
kinetische Energie aufgespeichert ebenso wie die im Dampf enthaltene latente Wärme.
In dem anschließenden Teil i5 des Diffusors wird die Geschwindigkeit des Wassers
weiter herabgesetzt; das Speisewasser verläßt den Strahler durch den Stutzen 22.
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Auf die Zufuhr äußerer Arbeit kann bei diesem Verfahren vollständig
verzichtet werden. Dadurch, daß die restliche Entspannung des Dampfes, die zweckmäßig
bis auf den der Temperatur des Strahlwassers entsprechenden Druck durchgeführt wird,
in die Strahldüse verlegt ist, steht die Arbeit, die von dein Dampf in der Maschine
noch hätte geleistet werden können, ohne Umwandlungsverluste für die Verdichtung
zur Verfügung. Die kühlende Wirkung des Strahlwassers bedingt, daß zur Verdichtung
auf den vorherigen Druck eine geringere Energie nötig ist, als aus dem Dampf bei
der Entspannung in der Düse gewonnen wurde. Es ist daher ohne weiteres möglich,
den Dampf, der bereits in der Maschine Arbeit geleistet hat, auf Wasser zu verdichten,
dessen Enddruck und dessen Endtemperatur höher sind als die des Dampfes vor seinem
Eintritt in die Düse.
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Theoretisch gelingt dies, wenn Wasser und Dampfmenge in einem solchen
Verhältnis stehen, daß a) die im Dampf verfügbare Energie den Energiebedarf für
die Verdichtung um ein geringes Maß übersteigt und da:ß b) die Kühlwirkung des Wassers
ausreicht, um als Endprodukt der Verdichtung Wasser vom Zustand der linken Grenzkurve
zu erhälten.
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Die praktische Durchführung ist nur eine Frage des Strahlerwirkungsgrades.
Auf Grund rechnerischer Überlegungen ergibt sich, daß eine höhere Temperatur stets
erreicht wird, wenn der Wirkungsgrad 35 bis 5o0/, beträgt (Abb. 3), wobei der Wirkungsgrad
der adibatischen Verdichtung = ioo gesetzt wird. Ist der Wirkungsgrad schlechter,
so kann man immer noch eine Drucksteigerung auf den Kesseldruck erreichen, wenn
man dafür sorgt, daß man als Endprodukt den Wasserzustand auf der linken Grenzkurve
erhält. Die günstigsten Ergebnisse erzielt man, wenn das Mengenverhältnis von Wasser
zu Dampf so gewählt wird, daß die an der engsten Stelle d des Diffusors sich einstellende
Endtemperatur gleich der Verdampfungstemperatur des erreichten Druckes wird.
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Bei entsprechender Wahl der Verhältnisse ist es möglich, Turbinenabdampf
durch die Leitung ix zuzusetzen; jedoch ist dies im Sinne der Erfindung nicht unbedingt
erforderlich.
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Um einen möglichst hohen Strahlerwirkungsgrad zu erzielen, wird man
die bei Dampfstrahlern auftretenden Stoßverluste zwischen Dampf und Wasser, die
auf den Geschwindigkeitsunterschied in der Gemischzone zurückzuführen sind, nach
Möglichkeit herabzusetzen suchen. Dies geschieht zweckmäßig durch Erhöhung der Wassergeschwindigkeit
und erfordert die Anwendung von Druckwasser. Aus wirtschaftlichen Gründen wird man
gewöhnlich Strahlwasser unter einem dem Kesseldruck annähernd gleichen Druck anwenden.
Ferner wird man die Richtung der einzelnen Strahlen so wählen, daß die Wasserstrahlen
und der Dampfstrahl bei ihrer Berührung nahezu die gleiche Richtung haben. Durch
Anwendung hoher Strahlwasserdrücke kann man die Durchführung des Verfahrens weiter
erleichtern.
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Der Wirkungsgrad kann auch dadurch herabgesetzt werden, daß stellenweise
eine reine Sattdampfverdichtung vor sich geht. Das läßt sich vermeiden, wenn die
Berührung des Strahlwassers mit Dampf möglichst vollkommen ist, damit überall gleiche
Temperatur eintritt. Man
wird deshalb zweckmäßig die Berührungsoberfläche
zwischen Dampf und Wasser nach Möglichkeit vergrößern.
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Die Strömungsuntersuchungen in Dampfturbinen haben weiterhin ergeben,
daß die Verluste bei niedrigen Dampfgeschwindigkeiten am geringsten werden. Eine
Durchführung der Erfindung wird daher auch dann erleichtert, wenn die Verdichtung
in mehreren Stufen erfolgt.