Verfahren zur Erzeugung von Dampf, insbesondere Hochdruchdampf, und Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens. Es ist bereits vorgeschlagen worden, Dampf dadurch zu erzeugen, dass man Dampf hocherhitzt und diesen hocherhitzten Dampf durch eine Wasserschicht leitet oder fein ver teiltes Wasser in diesen einspritzt. Durch die Abgabe der Überhitzungswärme wird dann neuer Dampf erzeugt. Man hat weiter vorgeschlagen, überhitzten Dampf mehrmals durch Wasser hindurch zu leiten und den jedesmal neu erzeugten und den durch das I3indurühleiten durch die Wasserschicht ab gekühlten, vorher erzeugten Dampf zu über hitzen, bis schliesslich die verlangte Betriebs dampfmenge gebildet ist.
Um den Wider stand der Überhitzer und den der Wasser schicht zu überwinden und den Dampf in Umlauf zu bringen, sind verschiedene Mass nahmen erforderlich, die mit Nachteilen ver bunden sind. Erfolgt nämlich die Dampf erzeugung in einem einzigen Wärmeaus tausehkörper, so ist zur Umwälzung des Dampfes, der als Wärmeträger dient und aus bestimmten Gründen ein Vielfaches der Nutzdampfmenge sein muss, eine besondere Pumpe nötig, die verhältnismässig viel Ener gie beansprucht und besonders bei hohen Drücken durch die unvermeidbaren Undich- tigkeitsverluste den Anlagewirkungsgrad wesentlich verschlechtert.
Wird dagegen die Bewegung des Dampfes in der Weise be werkstelligt, dass man in einem besonderen Kessel sogenannten Erregerdampf von höhe rem Druck erzeugt und diesen mit dem eige nen Druckgefälle nacheinander durch meh rere Überhitzer und Wasserräume strömen lässt, wobei in jedem Wasserraum durch die Überhitzungswärme neuer Dampf erzeugt wird, so wird wohl die Umwälzpumpe er spart, man benötigt aber eine grössere Anzahl von Druckbehältern, die eine Verteuerung der Anlage, eine Erhöhung des Platzbedar fes und gewisse Betriebserschwerungen ver ursachen.
Vorliegende Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf, ins besondere Hochdruckdampf (über 50 Atm.) durch mittelbare Heizung mittelst überhitz ten Dampfes als Wärmeträger, bei welchem die geschilderten Nachteile vermieden sind.
Das Verfahren besteht darin, dass eine ver hältnismässig kleine, weniger als die Hälfte der Betriebsdampfmenge betragende Menge Dampf erzeugt wird, welche Dampfmengen durch eigenes Druckgefälle eine grössere An zahl hintereinander geschalteter Überhitzer oder Überhitzergruppendurchströmt, die an beliebig vielen, aber mindestens zwei Stel len mit Verdampfern. verbunden sind, in wel che Wasser in feiner Verteilung eingeführt wird, das verdampft, selbst wieder überhitzt und zu neuer Dampfbildung verwendet wird, bis die gewünschte Betriebsdampfmenge er reicht ist.
Auf der Zeichnung sind Ausführungs beispiele der Einrichtung zur Ausführung des beanspruchten Verfahrens dargestellt.
Fig. 1 stellt schematisch einen Dampf erzeugen von oben gesehen dar, und Fig. 2 den Verdampferteil dieses Dampf erzeugers von .der Seite gesehen, teilweise im Schnitt und teilweise in Ansicht; Fig. 3 und 4 zeigen besondere Verdamp- ferarten im Schnitt; Fig. 5 zeigt halbschematisch eine Anord nung für eine kombinierte Betriebsweise- der Verdampfer, und Fig. 6 zeigt schematisch einen Dampf erzeuger mit Wärmepumpe.
In Fig. 1 ist 1 der Feuerraum. In diesem befindet sich die Erregerkesselanlage 2, 3, in welcher die kleine Erregerdampfmenge er zeugt und gegebenenfalls auch das übrige Speisewasser vorgewärmt wird.
Der Erreger dampf strömt nun durch eigenen Überdruck durch Leitung 6 über eine Drosselstelle 29 und Absperrventil 83 zum ersten Überhitzer 7, wird dort stark überhitzt und gelangt zum ersten Verdampfer 13, wo ihm durch einge spritztes und fast auf Verdampftemperatuit vorgewärmtes Wasser die Überhitzungs wärme entzogen wird. Durch diese Überhit- zungswärme wird aus dem eingespritzten Wasser neuer Dampf entwickelt, der nun ge meinsam mit dem auf ungefähr Sättigungs temperatur abgekühlten Erregerdampf zum nächsten Überhitzer 8 strömt.
Hier wird neue Überhitzungswärme zugeführt, die es ermöglicht, im nachfolgenden Verdampfer 14 ein vermehrtes Quantum Dampf aus dem hier eingespritzten Wasser zu erzeugen. Der Vorgang wird so oft wiederholt, bis schliess lich die verlangte Betriebsdampfmenge erhal ten ist.
Das einzuspritzende Wasser kann, wie oben bereits erwähnt, aus der im Feuerraum liegenden Erregerkesselanlage 2, 3, der in diesem Falle also auch als Wasservorwärmer dient, durch Leitung 5 über ein Absperrven til 32 entnommen werden. Das Frischwassor selbst wird durch die Leitung 4 zugeführt. Der gesamte erzeugte Dampf verlässt überVen- til 3.1 den letzten Verdampfer 18 und geht nun zu einem Schlussüberhitzer 28, wo ihm die für den Betrieb verlangte Überhitzungs temperatur gegeben wird, zur Verbrauchs stelle.
Von den übrigen, in Fig. 1 gezeigten und bisher nicht beschriebenen Teilen wird später die Rede sein.
Während Fig. 1 in schematischer- Form den Dampferzeuger von oben gesehen dar stellt, bringt Fig. 2 den Verdampferteil mit dem Behälter in einem schematischen Schnitt und in Ansicht von der Seite gesehen. Es sind 13 bis 18 die Verdampfer, die ihr Ein- spritzwasser über die Leitung 5 zum Beispiel vom Wasservorwärmerteil der (nicht sicht baren) Erregerkesselanlage erhalten.
Das Wasser wird durch Düsen 40 in feinster Ver teilung eingespritzt, so dass es dem bei 41 ein tretenden überhitzten Dampf eine grosse Oberfläche darbietet. 42 sind Drahtsiebe, die grosse Tropfen aufhalten und zur Auf teilung und Verdampfung bringen sollen. Der abgekühlte und neu entwickelte Dampf ver lässt bei 43 die Verdampfer, um seinem zu geordneten überhitzer zuzuströmen. Vor dem Austritt können Pr allbleche 44 angebracht sein, an welchen sich etwa mitgerissenes Wasser abscheidet. Zweck der Einspritzung in feinster Ver teilung ist, wie erwähnt, die Darbietung grosser Oberflächen, um eine rasche Wärme aufnahme zu ermöglichen.
Statt mittelst Einspritzens in feiner Verteilung durch Dü sen kann die Ausbreitung des zu verdamp fenden Wassers auf grosse Oberfläche, zum Beispiel auch durch geeignete Füllstücke er reicht werden, die man in die Verdampfer körper einbaut. Diese Massnahme hat den Vorteil, dass man an Stelle einer engbohrigen Düse gewöhnliche Brausen verwenden kann, die weniger leicht verstopfen, und dass auch da; Mitreissen von Tropfen leichter verhütet wird. Diese Füllstücke können aus kleinen Zylindern bestehen (sogenannten Raschig- ringen) und werden aus Wärme möglichst gut leitendem Material hergestellt. In Fig. 3 und 4 sind derartige Verdampfer im .Schnitt gezeigt.
Es ist 50 der Verdampferkörper, 51 sind die Füllstücke. Sie ruhen auf dem Rost 52, unterhalb welchem der überhitzte Dampf bei 53 eingelassen wird. Das Wasser tritt durch Brause 54 ein und verteilt sich über die Füllstücke, wodurch es dem im Gegen strom entgegenfliessenden Dampf eine grosse Oberfläche bietet. Der abgekühlte und neu gebildete Dampf fliesst bei 55 ab, während überschüssiges Wasser bei 56 abgelassen wer den kann.
Gegenüber Fig. 3 unterscheidet sich die Ausführung der Fig. 4 dadurch, dass die Fül lung zwei Lagen bildet, 51 und 57, die zwi schen sich einen Raum freilassen, in welchen die Brause 54 einmündet. Es wird also nur der untere Teil berieselt, der obere Teil dient als Wa.sserabscheider. Er kann noch durch Zuführung von überhitztem Dampf aus Lei tung 53 bezw. 5,8 geheizt werden, so dass auch die hier hängenbleibenden Tropfen noch ver dampft werden.
Es ist wichtig, dass der vorliegende Dampferzeuger stets so betrieben wird, dass die Endtemperatur der Überhitzung in jedem einzelnen Überhitzer und die Einspritzwas- sermenge in einem bestimmten Verhältnis zu einander stehen. Ein Zuwenig des Wassers hat zur Folge, dass der eingeführte Dampf zu wenig abgekühlt und dann im nächsten Überhitzer zu stark überhitzt wird. Ein Zuviel des Wassers hat umgekehrt den Nach teil, dass leicht Wasser mitgerissen wird und sich etwaige Unreinheiten in den Überhitzer- rohren niederschlagen und diese verschmut zen.
Oder es wird unnötige Pumparbeit ge leistet. Eine Möglichkeit der Regelung bie tet nun die Temperatur des überhitzten Dampfes selbst. Man kann zum Beispiel einen Thermostaten vorsehen, der von der Temperatur des Dampfes an einer beliebigen Stelle, insbesondere der Temperatur am Ende des einer Einspritzdüse oder -Düsengruppe nachfolgenden Überhitzers beeinflusst wird. In Fig. 1 ist die Anordnung einer solchen Thermostatregelung gezeigt.
Es sollen dort 19 bis 23 Thermostaten irgend einer bekann ten Bauart vorstellen, die auf irgendwelche Absperrvorrichtungen der Wasserzuflusslei- tungen der Verdampfer 13 bis 18 einwirken. Ist die Temperatur am Ende eines Überhit- zers zu hoch, so betätigt der Thermostat das Einlassventil derart, dass nun mehr Wasser einströmt, und umgekehrt. Man wird, wie oben bereits angedeutet, mit Vorteil die Re gelvorrichtung so einstellen, dass stets nur so viel Wasser eingespritzt wird, dass der Dampf beim Verlassen der Verdampfer noch überhitzt ist, um Wasserausscheidungen möglichst zu verhüten.
Wird die Wasserabscheidung aber durch Mittel, wie sie besonders in Fig. 4 gezeigt sind und weiter oben beschrieben wurden, mit Sicherheit verhütet, so kann auch bis zu einem bestimmten Betrag Wasser in Über schuss eingeführt werden.
Es kann zum Bei spiel die Thermostatregelung nur auf einen Teil der Wasserzuführung Anwendung fin den, indem man zwei Einspritzdüsen oder -Brausen bezw. zwei Gruppen solcher für jeden Verdampfer vorsieht, von denen die eine das zu verdampfende Einspritzwasser in normalem Betriebe liefert, während die andere, durch einen Thermostaten oder der gleichen betätigt, nur in aussergewöhnlichen Fällen in Tätigkeit tritt.
Solche ausser gewöhnliche Fälle können sowohl über eine bestimmte Belastung hinausgehende Be lastungen oder auch Betriebsstörungen sein, wie zum Beispiel Verschmutzung oder Brucb der urgesteuerten Einspritzvorrichtungen. Fig. 5 zeigt halbschematisch die Anordnung für die kombinierte Betriebsweise. Es sind wieder 50 die Verdampferkörper, und 51 die Füllungen, 54 sind Brausen, .durch die das Wasser eintritt. Dasselbe verteilt sich über die Füllstücke und entzieht dem bei 53 ein tretenden hochüberhitzten Dampf die Über hitzungswärme.
Der Zufluss zu diesen Brau sen ist hier aber so geregelt, dass eine be stimmte, über weite Leistungsbereiche gleich bleibende Wassermenge zufliesst. Das Was ser, das nicht verdampft, fliesst bei 56 ab. Ist das durch die Brausen 54 eingeführte 'v#Ta!@- ser .aus irgendeinem Grunde nicht genügend, so,dass in den nachfolgenden Überhitzern 60 oder 61 die Überhitzung über ein zulässiges Mass ansteigt, so spricht der Thermostat bei 62 oder 63 an und öffnet selbsttätig das Ven til 64 resp. 65, das nun weiteres Wasser ein strömen lässt,
bis die Überhitzungstempera tur wieder auf das festgesetzte Höchstmass gesunken ist.
Gelingt es nicht, alles eingespritzte Was ser sofort zu verdampfen, oder wird das Wasser absichtlich im Überschuss einge spritzt, so wird sich am Boden des Verdamp fers eine kleinere oder grössere Menge von Wasser ansammeln. Dieses Wasser enthält ansehnliche Beträge von Energie in Form von Wärme und Druck. Seine verlustlose Abführung und Sammlung ist daher von be sonderer Wichtigkeit. Zu diesem Zwecke können die Verdampferkörper in ihrem un tern Teil mit einem kleinen Sammelraum versehen werden, der mit einem grösseren, für alle Verdampfer gemeinsamen Sammelgefäss verbunden ist. Die Verbindung erfolgt über ein Schwimmerventil oder auch durch eine Blende.
Letztere ist so zu bemessen, dass wohl genügend Wasser äbfliessen kann, das Überströmen grösserer Mengen Dampf, zum Beispiel von einem zum nächstfolgenden Ver dampfer, aber verhütet ist. Das als Behälter ausgebildete gemeinsame Sammelgefäss ist in Fig. 1 mit 25 bezeichnet und die gemeinsame Abflussleitung durch 24 dargestellt. In Fig. 2 sind 45 die Blenden, die nach der Sammel- leitung 46 öffnen, welche Sammelleitung in ,das gemeinsame Sammelgefäss 47 mündet, das im Schnitt wiedergegeben ist.
In Fig. 5 sind die Abläufe durch 56, nicht aber die Sam- melleitung und das Sammelgefäss dargestellt.
Das Sammelgefäss, in dem das überschüs sige .Einspritzwasser gesammelt wird, kann noch einem weiteren Zwecke dienen. Er kann auch als Dampfsammler, oder Puffergefäss zum Ausgleich der Dampfverbrauchsschwan- kungen gebraucht werden. Entsprachen die Überhitzer und die Verdampfer beim vorlie genden Dampferzeuger in ihrer Wirkung den Siederohren gewöhnlicher Dampferzeu ger, so vertritt hier der Sammler die Stelle der Ober- und Untertrommeln gewöhnlicher Kessel, also der Teile, durch die das zu ver dampfende Wasser und bereits erzeugter Dampf gespeichert werden kann.
Dadurch dass, wie auf Fig. 1 dargestellt, der letzte Verdampfer 18 durch Rohr 34 mit dem Ver teilerrohr 26, anderseits aber auch der Schlussüberhitzer 2,8 mit dem Dampfdom 27 verbunden ist, kann bei monmentanem Dampfüberschuss Dampf in den Wasserraum des Sammelgefässes 25 übergeführt und un ter Druckanstieg niedergeschlagen' werden. Umgekehrt lässt sich bei momentanem Dampf mangel, Dampf bei 27 aus dem Sammel- gefäss entnehmen, wobei der Druck im Sam- melgefäss abnimmt.
Es lässt sich ferner das Wasser, das im Überschuss in die Verdamp fer eingespritzt wurde und zum Sammel- gefäss ablief, ganz oder teilweise wieder zum Einspritzen verwenden. Hierfür ist es durch eine Pumpe auf den erforderlichen Einspritzdruck zu bringen. Diese Betriebs weise ist aus dem Schema der Fig. 2 ersicht lich, wo 46 die Sammelleitung für das Über scliusswasser und 47 das Sammelgefäss dar stellt, während die erwähnte Pumpe durch 48, ihr Antriebsmotor (z. B. Elektromotor) durch 49 wiedergegeben sind.
Die Sauglei tung der Pumpe ist .am Sammelgefäss ange schlossen, die Druckleitung führt zu den Ver- dampfern 13 bis 18, die auch von der Lei tung 5 aus der Erregerkesselanlage gespeist werden können. Erfolgt die Lieferung des Einspritzwassers ausschliesslich durch Was ser, das die Pumpe 48 aus dem .Sammelgefäss entnoirimeii hat, so wird Ventil 70 geschlos sen und das in der Erregerkesselanlage vor gewärmte Speisewasser oder auch frisches Speisewasser durch Leitung 71 direkt in das Sammelgefäss geliefert. In diesem Falle ist ein Schwimmerventil 72 erforderlich, das den Wasserspiegel im Sammelgefäss 47 regelt.
Die Pumpe 48 kann mit Vorteil auch von einer Dampfturbine 73 angetrieben werden. Zur Sicherheit kann neben der Dampfturbine noch ein Elektromotor angekuppelt sein, der leer mitläuft und erst Strom erhält, sobald die Drehzahl der Pumpe unter ein zulässiges Mass gesunken ist.
Zur Betriebssicherheit und zum richtigen Funktionieren des vorliegenden Dampferzeu gers werden die Verdampferköper zweck mässig mit Schlammabscheidern versehen. Es kann ferner, besonders bei Einführung des Wassers in feiner Verteilung, mittelst Ein spritzdüsen, erforderlich sein, dass das Ein- spritzwasser einen wesentlich höheren Druck besitzt als der Dampf.
Wird der Erreger dampf und das Einspritzwasser aus der glei- ehen Kesselanlage geliefert, wie zum Bei spiel in Fig. 1 bei 2 und 3 gezeigt ist, hat also das Wasser und der Dampf den gleichen Druck, so ist der Druck des Dampfes für die Verdampfer künstlich zu erniedrigen. Dies kann durch ein Reduzierventil geschehen, das in dem Beispiel der Fig. 1 bei 29 angedeu tet ist.
Um beim Anlassen nicht die Erzeugung von Erregerdampf aus der Erregerkessel anlage abwarten zu müssen, kann der Er regerdampf in manchen Fällen auch aus an dern Quellen, zum Beispiel in Betrieb be findlichen Kesseln gleichen Betriebsdruckes, entnommen werden. Ein weiteres, sehr nütz liches Verfahren ist die Verwendung einer sogenannten Wärmepumpe. Es ermöglicht eine solche Wärmepumpe, besonders wenn sie als Kolbenpumpe ausgeführt ist, auch bei starker Abkühlung des Inhaltes des Sammel- gefässes durch eine entsprechende Drucksen kung Dampf aus dem Sammlerwasser zu bil den und diesen auf den in den Überhitzern benötigten Druck zu verdichten.
Es kann also durch die Wärmepumpe die Erregerkes- selanlage entbehrlich werden, und zwar nicht nur beim Anlassen, sondern auch wäh rend des normalen Betriebes.
In Fig. 6 ist nochmals das Schema eines Dampferzeugers dargestellt. Die Bezeich nungen sind für gleiche Teile die gleichen wie in Fig. 1. Diese Figur zeigt auch den Anschluss der Pumpe 48 für das Einspritz- wasser, das dem Sammelgefäss 25 entnommen wird und den zugehörigen Antriebsmotor 49. Es ist ferner-7.5 die Saugleitung der Wärme pumpe 76.
Ihr Antriebsmotor ist 77. 78 ist ein Verbindungsrohr, das durch Ventil 79 absperrbar ist und gestattet, Überschussdampf oder den noch nach dem Abstellen erzeugten Dampf durch sämtliche TUberhitzer zu leiten und im Wasserraum des ,Sammelgefässes nie derzuschlagen. Da dieses Sammelgefäss zum Unterschied gegenüber der Obertrommel nor maler Kessel mit stark veränderlichem Was serstande arbeiten darf, so kann zum Bei spiel, im Falle viel Dampf im Sammelgefäss aufzunehmen ist, durch kaltes Speisen ein übermässiger Druckanstieg verhindert wer den.
Das Sammelgefäss liesse sich statt mit Wasser auch mit einer hochsiedenden Flüs sigkeit füllen, um grosse Temperaturen bei geringem Druck im Sammelgefäss zu errei chen. Der überhitzte Wasserdampf ist in die sem Falle im Innern von Rohrschlangen zu führen, wo er kondensiert und seine Wärme an die hochsiedende Flüssigkeit abgibt. Zur Erzeugung von zusätzlichem Wasserdampf oder zur Vorwärmung des Einspritzwassers wird Wasser durch diese Rohrschlangen ge drückt und die aufgespeicherte Wärme der hochsiedenden Flüssigkeit auf diese Weise wieder entzogen.
Eine fabrikatorischeErleichterung bietet es, wenn sämtliche verwendeten Teile gleiche Abmessungen besitzen. Es kann dies erreicht werden, indem man die sämtlichen Überhit zerteilstü.cke mit gleicher Oberfläche aus führt und sie um die Feuerung und in die Rauchgaszüge gleichartig anordnet.
Man wird ferner sämtliche Überhitzer oder Über- hitzergruppen so hintereinander schalten und ihre Oberfläche und Dampfdurchtritts- querschnitte, zum Beispiel durch Parallel schaltung mehrerer Überhitzerteilstücke so bemessen, dass für jeden Überhitzer oder Überhitzergruppe die Verdampferkörper und die Einspritzdüsen die gleiche Grösse und Bauart erbalten.
Einen besonderen Vorteil bieten die be schriebenen Dampferzeuger noch dadurch, dass die grössere Wasser- und Dampfmengen enthaltenden Kesselteile, wie zum Beispiel die Erregerkesselanlage und die Sammel- gefässe von den Überhitzerrohren, also den eigentlichen, zur Dampferzeugung dienenden und in -den Feuergaszügen liegenden Teilen getrennt sind.
Dies ermöglicht es, einzelne Teile ganz auszuschalten ohne den Betrieb unterbrechen zu müssen und die Überhitzer- rohre durch Rückschlagventile oder Rohr bruchventile auszurüsten, die im Falle des Bruches eines Überhitzerrohres dieses auto matisch vom übrigen Dampferzeuger ab schalten. Aus dem gleichen Grunde lassen sich die beschriebenen Dampferzeuger auch als Schnellverdampfer und Spitzenkessel betrei ben. Die der eigentlichen Dampferzeugung dienenden Überhitzerrohre können zum Un terschied gegenüber den Siederohren gewöhn licher Dampfkessel kleine Durchmesser er halten. Die Wandstärke dieser Rohre wird daher auch bei hohen Dampfdrücken gering.
Das Gewicht der Heizflächen ist aus diesem Grunde gegenüber einem Siederohrkessel gleicher Heizflächengrösse äusserst klein. Fer ner entfällt der Wasserraum und entfallen die Massen der Behälter, die beim gewöhn lichen Kessel zur Aufnahme dieser Wasser mengen erforderlich sind. Bei entsprechen der Feuerung, zum Beispiel Kohlenstaub, vermögen die beschriebenen Dampferzeuger sofort die Dampferzeugung zu beginnen, da nur die geringen Rohrmassen der Überhitzer auf Betriebstemperatur zu bringen sind, die Dampferzeugung aber unmittelbar mit dem Einspritzen des Wassers in den überhitzten Dampf einsetzt.
Bei sofortigem Dampf bedarf wird man im allgemeinen den Dampf unmittelbar aus den. Verdampfern und Über- hitzern entnehmen; ist jedoch das Sammel- gefäss auf Druck, oder genügend Zeit vor handen, dieses auf Druck zu bringen, so kann die Dampfentnahme auch über dieses Sammelgefäss erfolgen. Es können die be schriebenen Dampferzeuger also nach Belie ben als reine Röhrenkessel, oder durch Zu schalten eines Sammelgefässes als Grosswas- serraumkessel betrieben werden.
Um die geschilderte Betriebsweise zu er leichtern, wird man zusehen., dass das Sam- melgefäss stets auf Druck ist, das heisst, dass sein Wasserinhalt eine Temperatur besitzt und behält, die ungefähr dem Betriebsdampf druck entspricht. Zu diesem Zweck wird man zum Beispiel beim Abstellen des Kes sels den Restdampf in den Wasserraum schicken und auch während des Betriebes stets einen Teil des Dampfes durch den Was serraum des Sammelgefässes gehen lassen.