Verfahren und Einrichtung zur Erzeugung und Verwertung von Dampf, insbesondere Iiochdruckdampf. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung und Verwertung von Dampf, insbesondere Hochdruckdampf aus Wasser oder aus andern Flüssigkeiten, beispielsweise Quecksilber, sowie eine Einrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens.
Das Wesen .des erfindungsgemässen Ver fahrens besteht darin, dass man die zu ver dampfende Flüssigkeit einem den Dampf erzeuger bildenden, rotierenden, aus Rohr teilen sich zusammensetzenden Durchström- körper zuführt, in dessen einem Teil die Flüssigkeit zur Verdampfung gebracht wird, während in dem zuflussseitigen Teil .dessel ben eine Verdampfung verhindert wird.
Zweckmässiz wird der in dem rotieren-
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t, <SEP> Durchströmkörper <SEP> erzeugte <SEP> Dampf <SEP> in
<tb> <B>r</B> <SEP> mit <SEP> dem <SEP> Dampferzeuger <SEP> auf <SEP> gemein samer <SEP> Welle <SEP> angeordneten <SEP> Turbine <SEP> oder <SEP> an dern, <SEP> Kraftmaschine <SEP> zur <SEP> Energieerzeugung
<tb> ausgenutzt. Zur beispielsweisen Erläuterung des Ver fahrens gemäss der Erfindung diene zunächst ein feststehendes Rohr U-förmiger Gestalt, wie es in -der Fig. 1 dargestellt ist.
Wenn in das gezeichnete doppelschenklige Rohr Flüs sigkeit eingefüllt wird, so stellt sich, solange dieses Rohr nicht beheizt wird, die Flüssig keit in beiden Schenkeln 1 und 2 gleich hoch ein, und es tritt ein Ruhezustand ein. Wenn aber der eine Schenkel 1 dieses Rohres be heizt wird, was in der Weise geschehen kann, dass der Schenkel 2 durch -eine Trenn wand ä vor der Einwirkung heisser Gase ge schützt wird, wird in dem beheizten Schen kel 1 entweder warmes Wasser oder ein Dampfwassergemisch erzeugt, dessen spezi fisches Gewicht geringer als das spezifische Gewicht der nicht beheizten Flüssigkeit in Schenkel 2 ist.
Die Folge hiervon ist, dass eine Auftriebskraft entsteht, die dem Ge wichtsunterschied der Flüssigkeitssäulen in den beiden Schenkeln 1 und 2 entspricht. Im Ruhezustand des doppelschenkligen Rohres sind diese Auftriebskräfte nicht be sonders hoch. Sie lassen sich aber erheblich steigern, wenn erfindungsgemäss das Rohr in Drehung versetzt wird, wodurch das doppel- schenklige Rohr einer gegenüber der Erd beschleunigung bedeutend grösseren Beschleu nigung, nämlich der Zentrifugalbeschleuni- gung, ausgesetzt wird.
Diese Verhältnisse sind in den Fig. 2 und 3 veranschaulicht.
Gemäss Fig. 2 tritt die zu verdampfende Flüssigkeit aus dem hochstehenden Behälter 4 über die Stopfbüchse 5 in die rotierende Hohlwelle 6 ein, aus der sie in .die Schenkel 2 der U-Rohre und von hier in die Schenkel 1 strömt, wodurch die U-Rohre zunächst vollständig mit Flüssigkeit ausgefüllt wer den können: Werden nun die Schenkel 1 durch Gase, die an der Trennwand 3 varbeistreichen, be heizt, so entwickeln sich in ihnen Dampf, der verdrängt wird und die U-Rohre über das linke Ende der Hohlwelle @6 und die Stopfbüchse -7 verlässt.
Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel mit zwei doppelschenkligen Rohren. Auch hier tritt die Flüssigkeit aus dem Behälter 4 über die Stopfbüchse 5 in den Hohlteil der Welle 6, die gedreht wird, ein und strömt von hier in den Schenkel 2 der doppelschenkligen Rohre. Durch Gase, die die Schenkel 8 be heizen, von den Schenkeln 2 aber durch die Trennwand 3 ferngehalten werden, wird irr ,den Schenkeln 8 Dampf erzeugt, der ver- .drängt wird und in den Sammler 9 strömt, um die Anlage über Leitung 10 zu verlassen.
Im praktischen Betrieb würden natürlich zwei bezw. doppelschenklige Rohre, wie es die Fig. 2 und 3 zeigen, nicht genügend Dampf liefern können. Diese Abbildungen sollen auch nur zeigen, dass es prinzipiell möglich ist, das erfindungsgemässe Verfah ren mit drehenden, doppelschenkligen Roh ren bezw. Rohrsystemen der verschiedenarti gen Ausführungsformen durchzuführen.
Bei Rohranordnungen nach Fig. 1 und 2 muss dabei dafür Sorge getragen werden, dass bei der Strömung der Flüssigkeit bis an den Umfang des doppelschenkligen Drehkörpers keine Dampfbildung auftritt und erst eine Verdampfung in dem zweiten Schenkel ein setzt, in dem eine Strömung vom Umfang zur Mitte des Drehkörpers erfolgt.
Ausführungsformen des Erfindungsgegen standes bezw. von Dampferzeugern, wie sie für den praktischen Betrieb in Frage kom men, sind in den Fig. 4 bis 8 dargestellt. Es zeigen: Fig. 4 einen Längsschnitt durch einerr drehenden Dampferzeuger, Fig. 5 einen Querschnitt hierzu, Fig. 6 eine Anlage mit Dampferzeuger und einer auf gleicher Welle angeordneten Turbine, Fig. 7 die Verbindung einer Dampfkraft anlage nach Fig. 6 mit einem weiteren Kes sel 1,
Fig. 8 einen andern Dampferzeuger mit hochliegendem Abscheidebehälter, Fig. 9 eine weitere Ausführungsform eines Dampferzeugers, Fig. 10 einen Querschnitt hierzu.
Wie aus den Fig. 4 und 5 hervorgeht, ist auf der Welle 6 ein Rohrsystem 1, 2 an geordnet, das durch die Drehung der zum \feil hohlen Welle 6 ebenfalls in Drehung versetzt wird. Das zu verdampfende Wasser oder eine andere Flüssigkeit tritt aus dem hochstehenden Behälter 4 über die Stopf büchse 5 in das rechte Ende der Welle 6 ein und strömt von hier in -die Rohre bezw. Schenkel 2 des drehenden Rohrsystems 1, 2. Durch Verteilungsrohre 11 wird die Flüssig keit in die Rohre 1 geleitet, strömt dann von hier durch die Verbindungsrohre 12 über das Rohrsystem 13 in den linken Teil der hier hohlen Welle 6, um die Anlage über dio ,Stopfbüchse 7 zu verlassen.
So lange den Rohren keine Wärme zugeführt wird, wer den sich diese Rohre nach dem Gesetz der kommunizierenden Röhren ebenfalls mit Wasser füllen. Beheizt man jedoch die Rohre 1 beispielsweise dadurch, dass Rauchgas in der Pfeilrichtung durch .das rotierende Sy stem gefördert werden, so wird der entste- hende Dampf aus den Rohren 1 verdrängt und strömt über das linke Ende der Welle 6 irgendeiner Verwendungsstelle zu.
Durch geeignete Konstruktionsmassnahmen, gege benenfalls durch Anordnung von Trennwän den zwischen den Rohren 2 einerseits und den Rohren 1 anderseits, oder durch Anord nung der Rohre 2 in einem derartigen Tem peraturniveau des Heizmediums, dass eine Dampfbildung bei dem jeweiligen Druck in den Rohren 2 nicht möglich ist, muss dafür Sorge getragen werden, dass in den Rohren 2 keine Dampfbildung .stattfinden kann. Wird nun dem erzeugten Dampf ein Widerstand entgegengesetzt, beispielsweise durch ein Drosselventil oder eine.
Arbeits maschine, so erhöht sich die Spannung .dieses Dampfes, und der Dampf verdrängt jetzt das Wasser in den beheizten Rohren 1. Wenn das ganze Wasser aus den Rohren 1 ver drängt werden soll, kann die hierzu erfor- derliehe Dampfspannung berechnet werden. Sie mass gleich sein dem Unterschied des Druckes durch die Schleuderwirkung des Wassers in den Rohren 2 und des Druckes durch die Schleuderwirkung des Dampfes in den Rohren 1, wenn man den statischen Druck des zufliessenden Wassers vernach lässigt.
Setzt man das spezifische Gewicht des Wassers gleich 1 und das spezifische Ge wicht des Dampfes gleich 0,1, den Durch messer des Rotationskörpers gleich 0,9 m und die minutliche Umdrehungszahl 4000, so be rechnet sich der Druck .durch die Schleuder wirkung des Wassers zu 178 kg/cm'. Der Druck durch die Schleuderwirkung des Dampfes beträgt 17,8 kg/cm\. Sieht man von der Reibung in den Rohren ab, könnte bei den angenommenen Verhältnissen dement sprechend Dampf mit einem Druck von rund 160 kblcm= .erzeugt werden.
Ein wesentlicher Vorteil des beschrie benen Verfahrens besteht darin, dass der Wasserdruck in dem Kessel selbst erzeugt wird. Hieraus folgt, dass die Wasserzulei tung nur unter einem sehr geringen Zulei- tungsdruck zu stehen braucht, und alle zu laufseitigen Verbindungen, wie Stopfbüchsen und andere Armaturen, nicht für hohen Druck gebaut zu sein brauchen, wie dies bei den zurzeit üblichen Hochdruckdampferzen- gern .durchwegs der Fall ist.
Die Ableitung des Dampfes erfolgt durch Verbindungsrohre 12 und den Überhitzer 13, in dem der Dampf getrocknet und überhitzt wird.
Die Fig. 6 zeigt eine Anlage, bei der der Dampferzeuger und eine Kraftmaschine in ,der Weise miteinander gekuppelt sind, dass ein zusammenhängendes Aggregat ent steht, in dem Dampf erzeugt wird, der zwecks Energieerzeugung entspannt wird. Der entspannte Dampf wird in einem Kon densator niedergeschlagen oder je nach dem Druck des entspannten Dampfes in eine Nie derdruckturbine geleitet oder zu Wärme zwecken benutzt. Die .dargestellte Bauart der Dampfkraftanlage gibt nicht nur die h.Töglichkeit, sämtliche Verbindungsleitungen mit ihren Armaturen zwischen dem Dampf erzeuger und der Kraftmaschine in Fortfall kommen zu lassen.
Darüber hinaus wird der Platzbedarf der Gesamtanlage bedeutend ge ringer als bei den zurzeit bekannten An lagen, was eine nennenswerte Erniedrigung der Anlage- und Betriebskosten zur Folge hat.
Durch das rotierende Rohrsystem wird die Möglichkeit geschaffen, den überwiegen den Teil des in den- Heizgasen enthaltenen Staubes abzuscheiden, so dass ein praktisch staubfreies Abgas die Anlage verlässt.
Wie aus der Fig. 6 hervorgeht, ist rechts der rotierende Dampferzeuger und links die Turbine angeordnet. Die zu verdampfende Flüssigkeit tritt aus dem hochstehenden Be hälter 4 über das Ventil 14 und die Stopf büchse 5 in die Hohlwelle 6 des Dampf erzeugers ein. Vor hier strömt sie dann vor der rechts äusseren Zwischenwand in der Hohlwelle über die Rohre 2 in die Verteiler rohre 11, und von hier in die Rohre 1, in denen Dampf erzeugt wird. Durch den Un terschied .der Schleuderwirkung von Wasser und Dampf bezw. Dampfwassergemisch in den Rohren 2 und 1 kann eine erhebliche Drucksteigerung erreicht werden.
Der in dem Rohrsystem 1 erzeugte Dampf strömt durch die Welle 6 in die Überhitzerrohre 13, in denen er äuf die gewünschte Temperatur erhitzt wird. Von hier strömt er in die Dampfturbine 15.
Es ist vorteilhaft, den Dampf von der Mitte der Turbine aus entweder in achsialer oder radialer Richtung .expandieren zu las sen, da dann alle unter hohem Druck stehen .den Stopfbüchsen oder sonstige Verbindungs stellen in Fortfall kommen können.
Die Drehzahlregulierung erfolgt durch Änderung der zugeführten Wärmemenge, das heisst -der Brennstoffmenge. Dies könnte gemäss Fig. 6 in der Weise erfolgen, dass der Drehzahlregler den Brenner 16 steuern würde. Würde eine Rostfeuerung angeord net sein, so könnte der Drehzahlregler auch direkt den Rost und die zugeführte Brenn stoffmenge steuern.
Eine Regulierung der in den Dampf erzeuger gelangenden Flüssigkeitsmenge kann am zweckmässigsten in Abhängigkeit von der Temperatur des erzeugten Dampfes .erfolgen. Aus praktischen Gründen ist es jedoch zweckmässig, den Dampf nach Ein tritt in die Dampfverwertungsvorrichtung, zum Beispiel nach seiner Entspannung in dem ersten Laufkranz, auf den Temperatur regler einwirken zu lassen, da hierdurch etwaige Einbauten in der Welle des Aggre gates überflüssig werden.
Fig. 6 zeigt eine solche Regelmöglich keit. Zu diesem Zwecke wird ein Thermostat 17 eingebaut, der das Regelventil 14 steuert. Dieser Thermostat wird in .der Weise be tätigt, dass bei zu hoher Dampftemperatur in dieser Turbinenkammer das Regelventil 14 geöffnet wird, so dass dann mehr Flüssig keit in,den Dampferzeuger eintritt, während bei zu niedriger Dampftemperatur in der genannten Turbinenkammer das Regelventil gedrosselt wird, so dass dann weniger Flüs sigkeit in den Dampferzeuger eintritt, die Temperatur .des überhitzten Dampfes mithin steigt.
Da die Dampfkraftanlage mittelst frem- .der Energiequellen in Betrieb genommen werden muss, kann ein besonderer Anlasser vorgesehen werden, der den Dampferzeuger bei der Inbetriebnahme des Aggregates in Drehung versetzt. Dadurch steigt der Druck des bereits erzeugten Dampfes stark an, so dass dann die Turbine durch diesen Dampf betrieben und der Anlasser ausgeschaltet werden kann.
Es ist aber auch möglich, Fremddampf zu benutzen, der durch eine Leitung 18 in die erste Turbinenkammer eingeleitet wird. 1'n diesem Falle ist es dann allerdings not wendig, .ein Rückschlagventil 19 vorzusehen, das ein Entweichen des Dampfes durch die Hohlwelle 6 und den Dampferzeuger verhin dert.
Sobald aber der Dampf in dem Dampf erzeuger einen höheren Druck annimmt, öff net sich das Rückschlagventil 19, zum Bei spiel in Form einer Klappe, selbsttätig, so .dass der in dem Dampferzeuger erzeugte Dampf nunmehr über die Hohlwelle 6 und den Überhitzer 13 in die Turbine 15 strömt und diese antreibt.
Es braucht wohl kaum besonders darauf hingewiesen zu werden, dass die erfindungs gemässe Dampfkraftanlage weder auf orts feste Anlagen, noch auf die Verdampfung von Wasser allein beschränkt ist. Ebenso gut kann sie bei Kraftfahrzeugen aller Art Verwendung finden.
Vorzüglich geeignet ist sie für die Verdampfung von Quecksilber, da es bei Quecksilberdampfanlagen infolge des hohen Preises des Quecksilbers und der er heblichen gesundheitlichen Schäden, die in folge undichter Verbindungsstellen .durch das Ausströmen von Quecksilberdämpfen hervorgerufen werden, auf einen Dampf erzeuger mit geringstem Flüssigkeitsinhalt und auf grösstmögliche Verringerung der Verbindungsstellen ankommt, was bei der erfindungsgemässen Dampfkraftanlage in hohem Masse erreicht werden kann.
Fig. 7 zeigt beispielsweise, wie in weite rer Ausbildung des Erfindungsgegenstandes die vorstehend beschriebene Primär-Dampf- kraftanlage mit einer feststehenden gewöhn lichen Kesselanlage gekuppelt werden kann. Im Ausführungsbeispiel ist ein Steilrohr kessel mit Wanderrostfeuerung gezeigt. Ebensogut kann aber auch ein Sektional- kessel, ein bereits vorhandener Flammrohr- kesscl oder jeder andere Kessel mit jeder beliebigen Feuerung Verwendung finden.
Wie aus der Fig. 7 hervorgeht, treten die Abgase aus der gemeinsamen Brennkam iner 20 über die Leitung 21 in den rotieren den Dampferzeuger 22 ein, um ihn über die Leitung 23 zu verlassen, worauf sie dann durch das Rohrbündel des Steilrohrkessels 27 abströmen und hierbei ihre Wärme zur Vorwärmung der im Steilrohrkessel enthal tenen Flüssigkeit abgeben.
Der im rotierenden Dampferzeuger 22 entstehende Dampf gelangt dann in die dem Dampferzeuger 22 auf derselben Welle an geordnete Kraftmaschine 15 und wird hier mehr oder weniger weit entspannt.
Der entspannte Dampf verlässt nun die Kraftmaschine 15 über die Leitung 24 und strömt durch das in der Obertrommel des Steilrohrkessels befindliche Schlangenrohr bündel 25, wo er kondensiert. Das Konden sat fliesst über die Leitung 26 dem rotieren den Dampferzeuger 22 wieder zu, wo es ver dampft wird, um den beschriebenen Kreislauf von neuem wieder zu beginnen.
Der Druck des die Kraftmaschine 15 ver lassenden Primärdampfes richtet sich bei Wasserdampfbetrieb nach der Spannung _des Sekundärdampfes in dem Steilrohrkessel 27. Im allgemeinen ist es hierbei zweckmässig, den Druck des .die Kraftmaschine 15 verlas senden Dampfes höher zu wählen als der Druck des Sekundärdampfes sein soll, da man in diesem Falle besonders günstige Wärmeübertragungsverhältnisse und sehr einfache bauliche Möglichkeiten erhält.
Im uterhin richten sich diese Verhältnisse nach den Stoffen, die zur Verdampfung kommen, das heisst die Verhältnisse können verschie den sein, je nachdem Einstoff-, Zweistoff- oder Mehrstoffsysteme in Frage kommen. Hiernach richtet sich auch die Spanne zwi schen dem Druck des Primärdampfes einer seits und .des Sekundärdampfes anderseits, da die Spannung des Primärdampfes in der Obertrommel des Steilrohrkessels 27 so hoch sein soll, .dass ein Wärmegefälle zwischen dem kondensierenden Primärdampf und dem erzeugten Sekundärsattdampf besteht.
Besonders vorteilhaft wirkt sich die Kupplung .der Primär- und Sekundäranlage beim Quecksilberdampfbetrieb aus. Bekannt lich liegen beim Quecksilberdampfbetrieb die Temperaturen des Quecksilberdaml@fes auch bei weitgehender Entspannung noch so hoch, dass eine Wasserdampfanlage nach geschaltet werden muss. In einem solchen Falle würde in der Dampfkraftanlage 22, 15 Quecksilberdampf erzeugt und entspannt, .der dann in der Kesselanlage 27 infolge sei ner Kondensation und Abkühlung Sekun därwasserdampf erzeugen würde.
Der erzeugte Sekundärdampf kann dann in einer Kraftmaschine 18 ausgenutzt wer den, die entweder mit der Kraftmaschine 15 gekuppelt ist oder getrennt aufgestellt wird. Das ganze Aggregat kann zum Antrieb eines Generators 29 dienen, .oder .es kann seine Ar beitsenergie auf andere Weise ausgenutzt werden. Soll kein Sekundärnutzdampf, son dern nur Heisswasser erzeugt werden, lässt sich .die Anlage bei sinngemässer Wahl der Betriebsverhältnisse auch hierzu verwenden.
Es ist jedoch nicht immer erforderlich, den Dampferzeuger so zu betreiben, dass eine restlose Verdampfung der Flüssigkeit und eine Trocknung, sowie Überhitzung des Dampfes erfolgt. Der durch Schleuderwir kung erreichbare Druck kann vielmehr eben falls dazu dienen, um einen Umlauf durch ,das Rohrsystem zu erzeugen.
Fig. 8 zeigt die Verwirklichung dieses Gedankens in beispielsweiser Ausführungs form. Wie aus dieser Figur hervorgeht, läuft .die zu verdampfende Flüssigkeit dem rotierenden Dampferzeuger aus dem hoch stehenden Behälter 4 über die Leitung 30 zu. Im Dampferzeuger selbst wird dann ein Dampfwassergemisch erzeugt, das den Dampferzeuger über die Stopfbüchse 7 ver lässt und ,durch die Leitung 31 dem Hoch behälter 4 zugeführt wird. In diesem Behäl ter findet eine Trennung zwischen Flüssig keit und Dampf statt.
Der abgeschiedene Dampf verlässt den Hochbehälter 4 über die Leitung 32, um irgend einer Verwendungs stelle zugeführt zu werden, während die nicht verdampfte Flüssigkeit über die Lei tung 30 dem Dampferzeuger wieder zu geführt wird, um den beschriebenen Kreis lauf von neuem zu beginnen. .
Der Dampferzeuger besitzt in diesem Fall keine Überhitzerschlange 13, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist.
Gegenüber Fig. 4 unterscheidet sich auch Fig. 8 noch insofern, als der in ,den Rohren 1 erzeugte Dampf nicht .durch auf der Welle 6 angeordnete Sammelrohre 12, .sondern di rekt durch die Hohlwelle ss abgeführt wird.
Ein weiterer Dampferzeuger ist in den h'ig. 9 und 10 .dargestellt. Die zu verdamp fende Flüssigkeit tritt aus einem hochstehen den Behälter in das Rohrsystem 2 ein und strömt dann über -die Verteilerrohre 11 in die Verdampferrohre 1. Diese Rohre ,sind um die Achse des Dampferzeugers schrau benförmig versetzt angeordnet, derart, dass bei der Drehung des Dampferzeugers gleich zeitig eine Ventilatorwirkung hervorgerufen wird, die das Absaugen der Abgase aus dein Kanal 33, ihre Förderung durch den Dampf erzeuger und ihrs Abführung durch den Stutzen 35 bewirkt.
Der den rotierenden Dampferzeuger um gebende Mantel 34 kann mit Fangtaschen oder dergleichen versehen sein, in denen die durch die Rotation ausgeschleuderten Be standteile der Heizgase aufgefangen und ab geleitet werden.
Aus den vorstehenden Ausführungen geht hervor, dass das erfindungsgemässe Verfah ren in allen Fällen angewendet werden kann, wo aus Wasser oder andern Flüssigkeiten, beispielsweise Quecksilber, Dampf erzeugt werden soll, der zu Kraft- bezw. Heizungs zwecken dienen soll. Infolge der leichten und raumsparenden Bauart der erfindungs gemässen Einrichtung kann sie nicht nur im Land- und Schiffskesselbau, sondern auch bei Fahrzeugen aller Art, beispielsweise Kraftwagen, Lokomotiven oder Flugzeugen, Verwendung finden.