Verfahren zum Betriebe von Dampfanlagen mit Hochdruckkessel und Dampfmaschinen. In neuerer Zeit ist man bestrebt, für Dampfbetriebe Hochdruckdampf über 2Ü At mosphären zu verwenden. Die Hochdruck dampferzeuger sind infolge ihres verhältnis mässig geringen Wasserinhaltes gegen Bela stungsschwankungen empfindlich. Zur Ver besserung der Elastizität des Kesselbetriebes hat man Hochdruckdampferzeuger mit Nie derdruckdampferzeugern kombiniert. Ein derartiges Verfahren stellt wesentliche K om- plikationen des Betriebes dar, besonders zv e gen der dabei verwendeten separaten Feue rung etc.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betriebe von Dampfanlagen mit einem Hoch druckkessel und einer Hoch- und einer Nie derdruckdampfmaschine, bei welchem die vor stehenden Schwierigkeiten, die besonders bei ortsbeweglichen Dampfanlagen stark fühlbar werden, vermieden werden sollen.
Bei Nassdampfanlagen ist es bekannt, die Dampfwärme derart in zwei voneinander ge trennten Stufen, einer Hochdruck- und einer Niederdruckstufe, auszunützen, dass der im he4sel erzeur;
te Dampf zunächst in einer Hochdruckmaschine (Kolbenmaschine oder Turbine) auf einen Teil seines Druckes ent spannt und hierauf in einer durch den Was serraum der zweiten Stufe hindurchgehenden Rohrschlange kondensiert wird, wodurch sich aus dem Wasser der zweiten Stufe Dampf von niedriger Spannung zum Betriebe einer Niederdruckmaschine entwickelt, während das Kondensat des Hochdruckdampfes ohne Speicherung durch eine Pumpe oder derglei chen zum Hochdruckkessel zurückgeführt wird.
Dieses Verfahren hatte den Zweck, die I'lüssiykeitswärme des mitgerissenen Was sers dem Betriebe zu erhalten und gleichzeitig dem feuerbeheizten Hochdruckkessel reines Speisewasser zuzuführen. Dabei war der Hochdruckkessel von den Belastungsschwan kungen der Maschinenanlage stark beein trächtigt.
Nach dem Erfindungsgedanken sollen durch einen Wärmeaustauscher mit Ver- dampfei-raum, in welch letzterem durch den Kondensator der Hochdruckdampfmaschine Dampf für die Niederdruckdampfmaschine erzeugt wird, die Belastungsschwankungen der Dampfmaschinen vom Hochdruckkessel ferngehalten werden.
Zu diesem Zwecke wird im Kondensator und im Verdampferraum des Wärmeaustauschers durch Ansammlung von Wassermengen eine zweifache Wärmespeiche rung bewirkt und gleichzeitig für den Hoch druckkessel ein Vorrat von heissem Speise wasser geschaffen.
Dadurch kann beispielsweise ,der Speise wasserzufluss zum Verdampferraum des Wärmeaustauschers gedrosselt oder ganz ab gestellt werden, somit starke Dampfentwick lung im Verdampferraum erfolgen, ohne dass am Wärmezustand des Hochdruckkessels etwas -geändert wird.
Der grösste Teil des Nie derdruckdampfes oder der gesamte erzeugte Niederdruckdampf wird dann vom]Eleisswasser- vorrat des Verdampferraumes des Wärmeaus tauschers bestritten. Zweckmässigerweise wird das zu speichernde Wasser im Verdampfer raum oberhalb der Wärmeaustauschfläche angeordnet, damit auch bei geringster Fül lung des Verdampferraumes die Wärmeaus tauschfläche voll wirksam bleibt.
Der Was serraum im Kondensator des Wärmeaustau- schers wird zweckmässig so tief angeordnet, dass die Wasserstandsschwankungen dessel ben, die den Wasserstandsschwankungen im Hochdruckkessel entsprechen, die wirksame Wärmeaustauschfläche nicht beeinflussen.
Die Anordnung wird zweckmässig so ge troffen, dass die Speicherwirkung allen be liebigen Betriebsverhältnissen angepasst wer den kann, und zwar dadurch, dass das Ver hältnis der,der Hochdruck- und Niederdruck maschine zugeführten Dampfmengen wäh rend des Betriebes verändert und dadurch der Druck im Kondensator und Verdampfer des Wärmeaustauschers auf eine gewünschte Höhe eingestellt wird.
Diese Veränderung der Dampfzuführungsverhältnisse kann von Hand aus oder auch automatisch, zum Bei spiel durch den Druck im Hochdruckkessel oder durch das Verhältnis der Drücke im Hochdruckkessel und Verdampferraum einge stellt werden.
Der im Verdampfendes. Wärme- austauschers erzeugte Niederdruckdampf ist Nassdampf und könnte im allgemeinen nur durch Feuerbeheizung überhitzt werden;
bei entsprechend. hohen Drücken des Hochdruck kessels, zum Beispiel<B>100</B> Atmosphären, ist es aber möglich, den Niederdruckdampf auf einfachste Weise zu überhitzen, indem hier zu ein 'feil des Kesselinhaltes des Hoch druckkessels (Dampf, Wasser oder ein Ge misch beider), durch Pumpen oder derglei chen zwangläufig im Kreislauf durch ein Heizrohrsystem durchgeführt wird, welches von dem zu überhitzenden Niederdruckdampf bestrichen wird. Dies kann natürlich auch in Zwischenstufen der Hoch- und Niederdruck stufen geschoben.
Wird für die Hochdruckdampferzeugung ein Teil des Kesselinhaltes dem Kessel ent nommen, durch eine Pumpe oder dergleichen im Kreislauf bewegt und nach Wärmeauf nahme in einer besonderen Heizvorrichtung wieder dem Kesselinnern zugeführt, dann kann mit Vorteil ein Teil der Umlaufmenge zur Zwischenüberhitzung verwendet werden, und es entfällt ,dadurch die Anwendung einer besonderen Pumpe.
Bei Kesseln nach solchem System mit Dampfumlauf ist es vorteilhaft, zum Anhei zen einen gesonderten Anheizkessel zu ver wenden, in welchem der Dampf auf einen Druck von 5 bis 15 Atmosphären gebracht wird, mit welchem Druck dann der Dampf den Umlauf beginnt. Der Wärmeaustauscher kann in diesem Falle sehr vorteilhaft als An heizkessel verwendet werden. Es wird da durch ein eigener Kessel gespart und gleich zeitig auch der Wärmeaustauscher auf sei nen Betriebsdruck gebracht.
Eine beispielsweise Ausführungsform einer Dampfanlage zur Ausführung des Ver fahrens ist in Fig. 1 der beigefügten Zeich nung schematisch dargestellt. Darin bedeutet 1 den Hochdruckkessel mit seinem Flüssig keitsinhalt bis zum Stande s-s. Der Dampf wird bei a dem Kessel entnommen, im ÜbeT- hitzer 2 überhitzt und bei b dem Hochdruck zylinder ä zugeführt. Nach Arbeitsleistung wird der entspannte Dampf im Wärmeaustau- scher 4 niedergeschlagen.
Dieser ist so ausge führt, dass in den Rohren des Verdampfers 7 der Niederdruckdampf erzeugt wird, während um die Bohre herum der Dampf kondensiert wird; dabei kann der in den Pwhren sich an setzende Kesselstein nach Abschrauben der (in der Zeichnung nicht dargestellten) Deckel leicht entfernt werden.
Es stellt sich im Kondensatorraum 5 ein Wasserstand s'-s' ein, der im Wasserstands anzeiger 6 abgelesen werden kann, während der Wasserstand s"-s" im Verdampfer 7 durch den Wasserstandsanzeiger 8 abgelesen werden kann, welche Anzeigen, zum Beispiel auch in den Führerstand verlegt werden kön nen. Der erzeugte N iederdruckdampf wird durch den Zwischenüberhitzer 9 durchge leitet, dort überhitzt und gelaugt dann zur Niederdruckmaschine 10.
Das Kondensat aus dem Kondensatorraum 5 läuft der Speise pumpe 11 zu und wird von ihr durch einen durch die Abgase beheizten Vorwärmen 12 in den Hochdruckkessel 1 hineingedrückt. Dem N iederdruckverdampf erraum 7 wird das Speisewasser durch eine Niederdruckspeise- pumpe 14 zugeführt.
In Fig. 2 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Lokomotive dargestellt, bei welchem ein Hochdruckdampferzeuger mit Zwangsdampf umlauf vorgesehen ist. Die Bezeichnungen dieser Figur stimmen mit denjenigen in Fig. 1 überein. Ausserdem bedeutet 15 eine Dampfpumpe für den Zwangsumlauf, wobei der Umlaufdampf bei a dem Kessel entnom men, durch den Überhitzer 2 gedrückt und bei c wieder in den Kessel eingeführt wird. Der Abdampf der Kolbenmaschine 3 wird im Ent- öler 16 entölt.
Der im- Verdampfer 7 erzeugte Nieder druckdampf wird durch den Zwischenüber- hitzer 17 durchgeleitet, dort überhitzt und ge langt dann bei 10 zur nicht dargestellten Nie- (lerdruclzmaschine. Im Zwischenüberhitzer wird durch Rohrschlangen oder dergleichen Hochdruckdampf durchgeleitet, der bei d hin ter der Pumpe dem Hauptzwangskreislauf entnommen wird und nach Kondensation durch den Pumpenüberdruck in den Kessel zurückfliesst, unabhängig vom statiseben Druckgefälle.
Auf diese -Weise kann auch bei Untertei- lung der Hoch- und Niederdruckstiüen der Arbeitsdampf zwischen den Stufen überhitzt werden, wobei die Hochdruckleitungen der einzelnen Zwischenüberhitzer in Reihen- oder Parallelschaltung angelegt werden können. Die Entnahmestelle für den Hochdruckdampf kann, wie gezeichnet, hinter der Pumpe bei d liegen, so dass Saudampf zur ZwischeDüber- hitzung verwendet wird.
Man kann aber auch an irgend einer Stelle der Überhitzerschlange 2 Heissdampf ableiten; wenn dabei eine beson dere Pumpe vermieden werden soll, so muss nur der restliche Druckunterschied zwi schen der Entnahmestelle und dem Kessel 1 so gross bleiben, dass er das Durchströmen der Zwischenüberhitzungsleitung gewährleistet.
Bei andern Kesselsystemen, die nicht mit Zwangsumlauf arbeiten, kann der Dampf für die Zwischenüberhitzung an irgend einer Stelle des Kessels oder Überhitzers entnom men und das sich im Zwischenüberhitzer bil dende Kondensat durch Pumpenzwanglauf oder dergleichen wieder in den Hochdruck kessel gedrückt werden, so dass auch hier die Lage des Zwischenüberhitzers unabhängig vom statischen Druckgefälle ist.
Vom Niederdruckzylinder geht der Aus puffdampf vorteilhaft durch das Blasrohr der Lokomotive; es kann aber auch der Dampf in der Maschine bis zur Kondensation ent spannt werden, oder der Auspuffdampf für Heizzwecke oder sonstige Zwecke verwendet werden.
Das Speisewasser wird dem Nieder druckkessel 7 vom Tender durch eine Speise pumpe oder am einfachsten durch einen In jektor zugeführt. 18 ist eine eigene Fe ue- rungsstelle, welche zum Anlassen des Hoch druckkessels benutzt wird und deren Heizgase zum Beispiel in Rauchrohren 19 durch den. Kondensator durchgeleitet werden und da durch denselben auf Druck bringen. Durch die Leitung 20 kann der sich bildende Dampf in den Hochdruckkessel geleitet und bei ent sprechendem Druck dann von der Umlauf pumpe durch den Überhitzer 2 gedrückt wer den.
Bei Erreichen des für genügenden Dampfumlauf notwendigen Druckes wird die Beheizung des Wärmeaustauschers 4 abge- stellt und die Leitung 20 abgesperrt. Dieses Verfahren bietet ausser dem reinen Speisewas ser für den Hochdruckkessel folgende Vorteile und ist für ortsbewegliche Betriebe, insbeson dere Lokomotivbetrieb, besonders gut ge eignet.
Der Wirkungsgrad der gesamten be schriebenen Anlage nach Fig. 2 wird dadurch bedeutend verbessert, dass das arbeitende Dampfgewicht in der zweiten Stufe geringer ist als in der ersten und dadurch der Konden- sations- oder Auspuffverlust der Anlage we sentlich verringert wird;
bei genügend hohem Druck im Wärmeaustauscher ist nämlich die Differenz zwischen dem Wärmeinhalt des Speisewassers auf der Niederdruckseite und der Flüssigkeitswärme - im Niederdruckver- dampfer ziemlich beträchtlich, so dass ein Teil der Kondensationswärme des Dampfes der ersten Stufe nicht zur Verdampfung, sondern zur Vorwärmung des Speisewassers herange zogen wird.
Die Abgase werden zweckmässig dazu benutzt, um das Kondensat der ersten Stufe vorzuwärmen, während das Speisewas ser der zweiten Stufe am besten ohne Vor wärmung, nur zum Beispiel durch Injektor- wirkung erwärmt, dem Verdampfer zugeführt wird. Dadurch braucht zum Beispiel beim Lo komotivbetrieb wesentlich weniger Wasser im Tender mitgeführt zu werden, oder es kann bei gleicher Wassermenge der Aktionsradius wesentlich erhöht werden.
Durch Ausbildung des Wärmeaustau- schers als Speicher mit grossem Wasserinhalt auf beiden Seiten ist es möglich, auch bei Stillstand des Fahrzeuges Dampf, der bereits Arbeit geleistet hat, für Heiz- und sonstige Zwecke zu entnehmen; zum Beispiel beim Lokomotivbetrieb steht dadurch für die Zug heizung, für die Druck- oder Saugluftbremse, für den Antrieb der Umlaufpumpe und Speisepumpe etc. Dampf zur Verfügung, der bereits Arbeit in der ersten Stufe geleistet hat, während sonst dieser Dampf als gedros selter Frischdampf abgegeben werden müsste.
Dadurch, dass die Steuerungen für die Hochdruck- und Niederdruckmaschine getrennt ausgeführt werden, ihre Ver- stellung aber gekuppelt wird, ist es möglich, zu jeder beliebigen Hochdruckfüllung eine kleinere oder grössere Niederdruckfüllung zu geben. Dadurch kann man den Druck im Wärmeaustauscher beliebig beeinflussen.
Eine solche Einrichtung zur Füllungsver änderung für eine Lokomotive zeigt Fig. 3. Es bedeutet 21 den Umsteuerhebel einer Heu singersteuerung für die Hochdruckmaschine (es können zum Beispiel auch zwei Zylinder in Verbundwirkung gesteuert werden) und 22 den Umsteuerhebel für die Niederdruck maschine. 23 ist die Hauptsteuerspindel, die von Griff 24 aus verstellt wird und die Fül lungen beider Hauptstufen gemeinsam verän dert. An der Mutter 25 greift die Umsteuer stange 26 für die Hochdruckstufe an. Die Umsteuerstange 27 für die Niederdruckstufe sitzt mit Gewinde an der Hohlspindel 28, die an der Mutter 25 drehbar gelagert ist.
Das Handrad 29 besorgt die Verdrehung der Hohlspindel und dadurch eine Relativbewe gung der Umsteuerstangen gegeneinander. Dadurch vermag man wechselnde Entnahme von Niederdruckdampf aus dem Verdampfer durch Verringerung der Niederdruckfüllung auszugleichen und durch allmähliche Druck absenkung Überlastungen vom Hochdruckkes sel fernzuhalten und bei zu erwartenden Überlastungen durch Hinaufsetzen des Druckes im Wärmeaustauscher und umge kehrt die Elastizität des Kesselbetriebes be deutend zu vergrössern.
Bei Lokomotiven nach Fig. 2 tritt der Vorteil des reinen Speisewassers für den Hochdruckkessel ganz besonders stark her vor; das unreine Kesselwasser verlegt hier nur den Wärmeaustauscher mit Kesselstein. In diesem Falle wird der Wärmeaustauscher zweckmässig so gelagert, dass er jederzeit leicht ausgebaut und durch einen gereinigten ersetzt werden kann. Es kann auch zum Bei spiel der Wärmeaustauscher in zwei Teile ge teilt werden. Im ersteren Teil wird nur das Speisewasser für den Verdampfer durch kon densierenden Dampf der ersten Stufe soweit vorgewärmt, dass der ganze Kesselstein ausge schieden wird und in eigenem Schlammsack gesammelt werden kann.
Im zweiten, weitaus grösseren Teile wird ,dann die Verdampfung des Wassers erreicht; dadurch wird die Be nutzbarkeit des Hauptaustausahers bedeutend verlängert, und es braucht nur von Zeit zu Zeit der kleine Austauscher ausgebaut zu werden. Auch der Wärmeübergang ist ein besserer und wird dadurch Heizfläche ge spart, dass das Temperaturgefälle im Vorwär- mer bedeutend grösser ist, als wenn dieselbe Heizfläche zum Verdampfer dazu geschlagen würde.
Die Verluste des Hochdruckkreislaufes durch Undichtheit werden am einfachsten durch Niederdruckwasser oder eventuell nur für diesen Zweck erzeugtes Niederdruckkon- densat ersetzt. Es kann zum Beispiel Wasser aus dem Verdampfer durch eine kleine Zu satzspeisepumpe oder am vorteilhaftesten Niederdruckspeisewasser durch einen kleinen Injektor in den Hochdruckkessel gedrückt werden.
Es können bei diesem System auch vorteilhaft die Sicherheitsventile nicht in .die Atmosphäre abblasen, sondern in den Konden sator, oder es kann eine eigene Rohrleitung dazu dienen, um Drucküberschreitungen im Hochdruckkessel durch Abblasen in den Kon densator zu verhindern.