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Dampfkraftanlage mit besonders hohen Überhitzungstemperaturen Die
Entwicklung der Dampfkraftanlage ging, nachdem die Maschinen selbst eine Vollkommenheit
erreicht hatten, die kaum noch wesentliche Verbesserungen erwarten ließ, hauptsächlich
in Richtung einer Vergrößerung des Wärmegefälles durch Erhöhung von Druck und Temperatur
des Frischdampfes. Während aber die Drücke dauernd gesteigert, ja bis zum kritischen
Druck erhöht wurden, ist man bezüglich der Temperatur bei etwa 5oo° C stehengeblieben,
obschon eine Erhöhung der Temperatur größere Gewinne bringt als die Erhöhung des
Druckes. Die z. B. in der chemischen Industrie hie und da verwendeten hohen Dampfüberhit7-ungstemperaturen
mußten in der Dampfkrafttechnik unbeachtet bleiben, da es sich dabei meist um niedrige
Drücke und andersgeartete Betriebsverhältnisse handelte. . Anders verlief die Entwicklung
der Gasturbine. Dort machte man sich die Fortschritte in der Herstellung warmfester
Baustoffe zu Nutze, und in der Tat hat sich gezeigt, daß Gasturbinen mit 6oo° Treibgastemperatur
in einwandfreiem Dauerbetrieb gehalten werden können.
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Überträgt man diese hohe Temperatur aber auf Dampfkraftanlagen, so
ergeben sich große Schwierigkeiten und Verteuerungen, und zwar vornehmlich wegen
des überhitzers. überhitzer für sehr hohe überhitzungstemperaturen .werden teuer,
da sie aus besten, warmfesten Stahlrohren hergestellt werden müssen und sehr viel
dieses kostbaren Materials benötigen, da die Heizflächen verhältnismäßig groß werden.
Der Grund hierfür ist der, daß man zur Niedrighaltung der Rohrwandtemperatur mit
reduzierten Heizgasteemperaturen. arbeiten muß. Trotzdem
nehme
die Rohrwände eines großen Teiles des hlx°rhitzers Temperaturen an, die noch wesentlich
über der höchsten Überhitzungstemperatur liegen. Eine weitere Steigerung der Rohrwandtemperaturen
und damit ernste Gefährdung der Rohre kann z. B. bei Belastungsänderungen eintreten,
wenn die Feuerführung nicht vollständig mit der Dampfentnahme synchron läuft. Nun
hat man allerdings schon vorgeschlagen, dieser Gefahr dadurch zu begegnen, daß man
den Hochüberhitzer aus den Rauchgaszügen des Dampferzeugers herausnahm und mit einer
besonderen, leicht regelbaren Feuerung versah. überließ man dann dem Dampferzeuger
die überhitzung auf niedrige überhitzungstemperatur, so wurde zwar die. Heizfläche
für den getrennt gefeuerten überhitzer vermindert, es verblieben aber die sehr großen,
aus teurem Baustoff herzustellenden Heizflächen für die Endüberhitzung.
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Um diese zu verringern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Hochüberhitzer
mit einer Druckfeuerung zu bauen und zu betreiben und einer Kesselanlage nachzuschalten,
die den Dampf auf übliche, d. h. mäßige Temperatur überhitzt liefert derart, daß
die Heizgase mit sehr hoher Geschwindigkeit an den Heizflächen vorbeibewegt werden
und das hierzu erforderliche Druckgefälle von einem Verdichter geliefert wird, der
von einer Gasturbine angetrieben ist. deren Treibgase die Heizgase selbst sind.
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Durch die verwendeten hohen Heizgasgeschwindigkeiten (w > ioom/sec)
und die hohen Heizgasdrücke (p > i,5ata) werden sehr hohe Wärmeübergänge erreicht,
die eine bedeutende Verminderung der Heizfläche zur Folge haben. Der Bedarf an hochwertigem
Baustoff sinkt auf einen Bruchteil (etwa 1/4 bis 1/l0) dessen, was bei einem atmosphärisch
gefeuerten überhitzer nötig wäre. Es werden aber auch alle anderen Teile, wie Brennkammer,
Rauchgaszüge usf. wesentlich kleiner, so daß dieser überhitzer in unmittelbarer
Nähe der Turbine aufgestellt werden kann. Es werden damit auch Rohrleitungen, die
teilweise ebenfalls für die hohen Temperaturen gebaut sein müssen, erspart und ein
Großteil der Übertragungsverluste vermieden.
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Bei getrennt gefeuerten überhitzern, deren Heizgase nur sehr wenig
ausgenutzt werden können, besonders wenn der Dampf bereits vorüberhitzt angeliefert
wird, schlug man auch schon vor, die! noch heißen Abgase in den Kessel zurückzuführen,
um sie zur Dampferzeugung oder zur Speisewasservorwärmung zu verwenden. Der erfindungsgemäße
überhitzer bietet nun den weiteren Vorteil, daß durch die Gasturbine ein wesentlicher
Teil der Abgaswärme nutzbar verarbeitet und über den Verdichter als Luftwärme der
Brennkammer des Überhitzers wieder zugeführt wird. Aber auch die noch verbleibende
Abgaswärme kann zu weiterer Luftvorwärmung verwendet werden.
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Inder Abbildung ist eine Dampfkraftanlage gemäß der Erfindung schematisch
dargestellt. Es ist i ein gewöhnlicher Dampfkessel, insbesondere Höchstdruckkessel,
denn die vorgeschlagenen hohen ßberhitzungstemperaturen werden meist- auch hohe
Dampfdrücke voraussetzen. Im Ü berhitzer 2 wird der Dampf auf mäßige, d. h. wesentlich
unter 500°C bleibende Temperatur überhitzt und von dort zum überhitzer 3 geleitet.
Hochüberhitzt gelangt der Dampf nun zur Vorstufe 4 der Dampfturbine 5. Die Vorstufe
wird vorteilhafterweise als hochtourige Maschine von kleinen Abmessungen ausgeführt
und durch ein Getriebe 6 mit der z. B, zweigehäusigen Hauptturbine gekuppelt. 7
ist der Kondensator, 8 der Stromerzeuger. Um sehr hohe Anlagewirkungsgrade zu erreichen,
wird es zweckmäßig sein, den Dampf nach kurzer Entspannung nochmals zu überhitzen,
was bequem mit dem gleichen überhitzer geschehen kann, in dem die hohe Frischdampftemperatur
erzeugt wurde. Der bei 9 aus der ersten Turbine 4 austretende Dampf wird also zum
überhitzer 3 zurückgeführt und nach Überhitzung z. B. in den zweiten Hochdruckzylinder
i i der Dampfturbine geleitet. Der in der Abbildung beispielsweise gezeigte überhitzer
besteht somit aus zwei überhitzern, dem Hochüberbitzer im Gehäuse 12 und dem Zwischenüberhitzer
im Gehäuse 13. Die Heizgase werden in der Brennkammer 14 erzeugt, und zwar aus der
Brennluft, die der Verdichter 15 liefert und aus Öl, Gas oder Kohlenstaub, die bei
16 eintreten. Die Heizgase verlassen den Überhitzer bei 17 und gehen zur Gasturbine
18, wo sie entspannt werden und nun entweder dein Dampfkessel oder auch einem Luftvorwärmer
zur Vorwärmung der Brennluft des Überhitzers zugeführt werden. Man kann die noch
ziemlich heißen Abgase der Gasturbine aber auch zur Vorwärmung von Speisewasser
der Kesselanlage verwenden. Zum Anlassen und Regeln versieht man die Ladegruppe
15, 18 mit ,einem Hilfsmotor 19, der sowohl ein Elektromotor als auch eind, Dampfturbine
sein kann. Da durch diesen Hilfsmotor, der, ebenso wie die Brennstoffzuführung,
unter dem Impuls der zu regelnden Betriebszustände steht, dem Verdichter eine der
Belastung entsprechende Drehzahl aufgezwungen werden kann, läßt sich jederzeit und
sofort auch heizgasseitig der entsprechende Temperaturzustand erreichen; eine Gefährdung
der Rohre durch übertemperaturen also weitgehend ausschalten. Da man aber auch den
überhitzer mit hohem Wirkungsgrad betreiben möchte, was hohe Verbrennungstemperaturen
voraussetzt, zu hohe Temperaturen an den Rohren aber vermeiden muß, so wird mit
Abgasrückführung gearbeitet, d. h. man pumpt eine gewisse Menge Abgase zurück und
mischt diese mit den heißen Brenngasen. 20 ist das Rückführgebläse, das z. B. von
einem Elektromotor 21 angetrieben wird.
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Wird durch die geschilderten Einrichtungen die Beherrschung der Temperaturen
gewährleistet, und durch sie möglich gemacht, ungefährdet bis an die praktischen
Temperaturhöchstwerte heranzugehen, so sind es andererseits die beim Drvckfeuerungsverfahren
verwendeten hohen Heizgasgeschwindigkeiten (w' > ioo m/sec) und die hohen Heizgasdrücke
(p > 1,5 atz), durch die sich die
lieizY7äclien und damit der Bedarf
an hochwertigem' Rohrmaterial ganz beträchtlich, ja bis auf 1/1o des atmosphärisch
gefeuerten Cberhitzers, vermindern lassen. Es werden aber auch alle anderen Teile,
wie Brennkammer, Rauchkanäle usf. wesentlich kleiner, so daß dieser Überhitzer wegen
seiner beschränkten Abmessungen in unmittelbarer Nähe der Turbine aufgestellt werden
kann. Es werden also auch Höchsttemperaturrohrleitungen erspart und ein Großteil
der Übertragungsverluste vermieden.
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Eine «eitere Ersparnis an hochlegiertem teurem t;berhitzermaterial
läßt sich dadurch erzielen, daß man den Höchstdruckdampf zuerst in mindestens einem
Turliinenalischilitt auf einen niedrigeren Druck expandieren lät3t und die Höchstüberhitzung
erst bei diesem Druck erzeugt, indem man den Überhitzer den genannten Turbinenabschnitt
nachschaltet. Auf diese Weise ist dieser zwar der Höchsttemperatur, nicht aber dem
Höchstdruck unterworfen und kaim init erheblich kleineren Wandstärken gebaut werden.
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Bei einer Anlage der vorliegenden Art wird man das Speisewasser größtenteils
durch Anzapfdampf aus der Turbine vorwärmen. Der Vollständigkeit halber sind auch
diese Vorwärmer 22 in der Abbildung eingezeichnet. 23 ist die Speisepumpe, 24 silid
die hundensationshilfsniaschinen.