Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung von Dampf. Man hat. die Beobachtung gemacht, dass 1rennstoffgemische in geschlossenen Ge fässen unter Druckentwicklung rascher und mit höheren Temperaturen verbrennen (ver puffen), als in offenen Räumen bei Atmos phärendruck.
Während also beispielsweise für die offenen Brennkammern der Dampf- kesselfeuerungen grosse Räume verlangt wer den müssen, um dem Gemisch die nötige Zeit zur vollkommenen Verbrennung zu geben und das Entweichen unverbrannter Teile zu verhüten,, verpuffen Brennstoffe. wie Gas, Öl,, Kohlenstaub und ähnliche fein verteilte Stoffe., in geschlossenen Brennkam- mern in Bruchteilen von Sekunden.
Die Grösse des Kammerinhaltes wird nicht mehr durch die Verbrennungszeit., sondern ledig lich durch die je Verpuffungsspiel zuführ- bare Brennstoffgemischmenge bestimmt.
Es ist ferner bekannt, da.ss der Wärme- übergaug von Gasen und Flüssigkeiten von der Dichte und Strömungsgeschwindigkeit wesentlich abhängt. Es war also anzuneh- men, da.ss sich mit zunehmender Geschwin digkeit der Heizgase auch eine Verringerung der Heizflächen herbeiführen lässt.Über die Höhe des Wärmeüberganges bei sehr grossen Geschwindigkeiten, etwa in Nähe der Schallgeschwindigkeit,
und den tatsäcb- lichen Einf'luss auf die Bemessung der Heiz- flächengrö.sse lagen jedoch bisher keine zu verlässigen Angaben vor. Vollkommen fehl ten ferner Einrichtungen, die es, ermöglicht hätten, Heizgasen :auf wirtschaftliche Weise sehr hohe Strömungsgeschwindigkeiten zn1 erteilen.
In vorliegender Erfindung werden nun die Verhältnisse, die sich bezüglich der Ver brennung bei der Verpuffung in geschlos senen Behältern, und bezüglich des Wärme überganges bei sehr hohen Strömungsge schwindigkeiten ergeben,, zum Zwecke der Dampferzeugung vereint nutzbar gemacht.
Gegenstand vorliegender Erfindung ist ein Verfahren zur Erzeugung von Dampf, bei welchem ein Brennstoff in einer Verbren- nungskammer unter Druckentwicklung ver brannt und die Druckerhöhung zum grössten Teil zür Beschleunigung der Verbrennungs produkte auf hohe Geschwindigkeit verwen det wird, zum Zwecke, den Wärmeübergang an die Heizflächen zu erhöhen.
Die Erfindung besteht ferner in einer Einrichtung zur Ausübung dieses Verfah rens. welche eine Verbrennungskammer mit einer Anzahl angeschlossener Rohre enthält. Durch diese werden die verbrannten Gase infolge des durch den Druckanstieg erzielten Gefälles mit hoher Strömungsgeschwindig- keit hindurchgetrieben.
Abb. 1 zeigt ein; Ausführungsbeispiel die ses Dampferzeugers. Statt der offenen Brenn- kammer gewöhnlicher Dampfl;essel;
besitzt derselbe ein geschlossenes Gefäss 1, das durch Rohr 2 mit einem Brennstoffluftgemisch ge füllt, so wird das Gemisch. durch eine, zum Beispiel elektrische, Zündvorrichtung 3 ent zündet und verpufft unter Druckentwick lung, wobei sich das selbsttätige Rücksehlag- ventil 4 schliesst.
Die durch die Verpuffung eintretende Temperatur- und Druckerhöhung der Ladung treibt nun die Verbrennungs produkte mit sehr grosser Geschwindigkeit durch die engbohrigen Röhren 5, wobei die gesamte innere Wärme und die kinetische Energie der ausströmenden Gase, und' zwar letztere in Form von Reibungswärme, gröss tenteils an die Rohrwände abgegeben wird. Ist das AUSStrGmen beendet, das heisst der Druck in der Verbrennungskammer unter den Auflagedi-Lick des frischen Gemisches gesunken,
so öffnet sich das Rückschlagven- til und lässt frisches Gemisch eintreten, das. den Abgasrest vor sich hintreibend, die Kammer neu anfüllt. Ist die Ladung be endet, so erfolgt eine neue Zündung, und das Spiel beginnt von neuem. Infolge des verhältnismässig kleinen Querschnittes der Rohre und des sich daraus ergebenden Strö mungswiderstandes kann auch ohne Auslass- ventil ein gewisser Ladedruck aufrecht er halten werden. Die an die Verbrennungskammer- und Rohrwände abgegebene Wärme muss von dein zu verdampfenden Wasser abgeführt wer den.
Zu diesem Zwecke wird das zu ver dampfende, Wasser mit hoher Geschwindig keit an diesen Teilen vorbeigeführt. Hier für umgeben die Zylinder 6 und 7 die Ver brennungskammer und die Rohre derart, dass das Wasser in eine dünne Schicht aufgeteilt un;d dicht an die abzukühlenden Flächen herangeführt wird. Der Umlauf des Was sers wird im vorliegenden Beispiel durch den Unterschied der Schwere des Dampfbla sen führenden und des kälteren, von Dampf blasen freien linken Teiles des Dampferzeu gers bewirkt. Hierbei dient. das Fallrohr 8 auch zur Aufnahme des kalten Speisewas sers, dabei 9 eingeführt wird.
Der ent wickelte Dampf scheidet sich im Oberkessel 1,0 aus, der in üblicher Weise mit Wasser- Dampfdom 13 ausgerüstet ist. Bei 14 ver- lässt der erzeugte Dampf den Kessel, wäh rend die Abgase durch Iden Blechkegel 15 ins Freie gelangen.
Beim Ausführungsbeispiel nach Abb. 1 war angenommen, da.ss das Brennstoff-Luft- gemisch nur mit einem Drucke in die Ver brennungskammer geliefert wird, der hin reicht, um den :Abgasrest durch die Heiz rohre hinaus zu schieben. Das zur Beschleu nigung der Heizgase erforderliche Druckge fälle wurde allein durch die Druckerhöhung infolge Verpuffung erzeugt. Es lässt sich die Leistung des Dampferzeugers noch wesent lich erhöhen, wenn das Brennstoff-Luft- gemisch unter höherem Drucke in die Kam mer gepresst wird.
Durch die Vorverdich- tung der Ladung wird sowohl das je Ar beitsspiel und Kubikmeter Kammerinhalt zur Verpuffung gelangende Brennstoffge wicht, als auch der Verpuffungsdruck und damit die Dichte und Strömungsgeschwindig keit der Heizgase erhöht, so dass die spezifi sche Leistung :der Heizflächen noch weiter ansteigt. Abb. 2 zeigt ein Ausführungsbei spiel eines Dampferzeugers mit verdichteter Ladung, im Schnitt dargestellt.
Es is;, wieder 1 die Verbrennungskam mer, 2 die Gemischzuleitung, '3 die Zündvor- richtung und 4 ein R.üchschlagventil. Zur Verdichtung des Brennstoffluftgemisches oder der Verl>rennuncsluft allein, falls Kohlenstaub oder<B>01</B> den Brennstoff bilden, dient: ein Verdichter 16. Als Antriebsenergie dieses. Verdichters stehen die Heizgase selbst zur Verfügung.
Während nämlich den Heiz gasen in den Heizrohren 5 fast die gesamte fühlbare Wärme zum Zwecke der Dampf erzeugung entzogen wird, verbleibt den Ga sen noch ein wesentlicher Betrag an Strö mungsenergie, herrührend aus der hohen Geschwindigkeit., die den Gasen ,durch das Verpuffungsdruckgefälle erteilt wurde. Diese Strömungsenergie wird in einer Gas turbine 17 in Antriebsenergie für den Ver dichter 1.6 umgewandelt. Die verbrauchten Gase gehen durch Kamin 15 ins Freie.
Wird zu, BPCrhlennigung-der- -Heizgase.___in_ den- Heizrohren 5 nicht das ganze Druckgefälle benötigt, so lassen sich die Gase durch ent sprechende Bemessung der Düsenquer schnitte der Gasturbine auch etwas auf stauen, und durch Entspannung dieser Stau ung in den Düsen noch weiter beschleunigen.
Da die in der Gasturbine abgegebene Arbeit mit Ausnahme der kleinen Verlustbeträge für Lagerreibung, Abkühlung und Undich- tigkeit ganz in Verdichtungsarbeit, das heisst Temperaturerhöhung der Luft,' umgesetzt wird, so bleibt sie dem Wärmekreislauf er halten. Im allgemeinen werden die Abgase die Gasturbine genügend tief abgekühlt ver lassen. Ist dies nicht der Fall, so kann zum Beispiel noch ein Wasservorwärmer in die Abgasleitung eingebaut werden. Die vom Verdichter 16 verdichtete Luft geht durch Rohr 2 nach dem Rückschlagventil 4. Das Arbeitsverfahren ist das gleiche wie im ersten Beispiel. Um die.
Wasserzirkulation zu erhöhen, ist im vorliegen-en Ausfüh rungsbeispiel eine Umwälzpumpe 19 vorge sehen, die von irgendeiner Kraftquelle, zum Beispiel Elektromotor, Dampfturbine oder auch von der Gasturbine selbst, angetrieben wird. Das kältere Wasser wird ebenfalls durch Führungszylinder 6 und 7 an der Verbrennungskammer 1 und .den Rohren 5 vorbeigetrieben. Um eine einfache Verbin dung von der Verbrennungskammer nach dem Leitapparat der Gasturbine zu erhal ten, sind die Rohre zwischen zwei zylindri.. sehe Rohre 7 und 20 verlegt.
Das hocher hitzte und Dampfblasen führende Wasser tritt durch Rohr 2,1 in den eigentlichen Kes selraum, der wieder, wie üblich, mit Was serstandsglas 11. Sicherheitsventil 1'2. Dampfdom 13 und Dampfentnahmerohr 1-1 versehen ist. ' Für hohe Ladedrücke wird es sich emp fehlen, die Verbrennungskammer auch mit einem Ausströmventil 22 zu versehen, das während der Ladung geschlossen bleibt und sofort nach .der Verpuffung öffnet.
Dieses Ventil, wie das Einlassventil und die Zün dung können durch eine mechanische Steue rung .-hetätigt--wprden, -zum Beispiel durch eine Nockenwelle, die von einem besonderen Motor angetrieben wird oder auch von Drucköl, wobei dann ein Motor die Ölpumpe und Verteilungsvorrichtung antreibt. Die mechanische ,Steuerung der Ventile und Zün dung erlaubt auch eine gute Regelung des Dampferzeugers, indem man durch eine Än derung der Steuerwellendrehzahl die Spiel zahl, das ist die 72a11 der Verpuffungen, ändert.
Mit Vorteil wird man nicht nur eine, sondern mehrere Verbrennungskammern an wenden, die auf eine gemeinsame Gasturbine arbeiten. Die zeitliche Aufeinanderfolge der Verpuffungen läss sich bei gesteuerten Ven tilen leicht regeln. Mit der Ventilbetätigung kann auch gleichzeitig eine Regelung des Verdichters, zum Beispiel durch Drossel klappe oder verstellbare Diffusoren, und eine Regelung -der Speisewassermenge bewirkt werden, so dass der Dampferzeuger Schwan kungen des Dampfverbrauches unmittelbar zu folgen vermag. Aus diesem Grunde kann auch der Wasserraum des Dampferzeugers auf ein Mindestmass verringert werden.
An Stelle der unmittelbaren Verdampfung kann auch die indirekte treten, indem man zur Abführung der Wärme einen Wärme- träger, zum Beispiel eine hnchsiedende Flüs sigkeit, benutzt, die ihre Wärme im eigent lichen Verdampfer abgibt.
Ein Teil der -#Vä,rmeaustauschflächen (Verbrennungskammer- oder Rohrwände) kann selbstverständlich auch zur Überhit zung des Dampfes verwendet werden.