Röhren-Hochdr uckdampfer zeugen. Die Erfindung bezieht sich auf einen Röhren-Hochdruckdampferzeuger und ist ge kennzeichnet durch eine Unterteilung des Rohrsystems in einzelne Stufen, die in Reihe geschaltet durch Trenngefässe so miteinander verbunden sind, dass der flüssige Teil des aus einer Stufe in das Trenngefäss eingeführ ten Arbeitsmittels in die anschliessende Stufe weiter gelangt, während der dampfförmige Teil nach den Verbrauchsstellen abgeleitet wird.
Im Betrieb von Hochdruckdampferzeu- gern, bei denen die ganze Arbeitsmittel menge durch ein Rohrsystem von Anfang bis ans Ende hindurchgeführt wird, ent steht der Nachteil, dass selbst bei den kleinen Dampfvolumen der hohen Dampfdrücke die Dampfgeschwindigkeit gegen das Ende des Rohrstranges sehr gross ist, selbst wenn die Geschwindigkeit des Wassers am Anfang klein gewählt war. Die ausserordentlich hohen Dampfgeschwindigkeiten verursachen wegen der grossen Reibung einen starken Druckverlust und beeinträchtigen so den Wirkungsgrad der Anlage. Um Druckverluste zu vermeiden; wurde schon vorgeschlagen, den Rohrquerschnitt gegen das Ende zu vergrössern bezw. den Rohrstrang doppelt oder mehrfach zu führen.
Wenn auch die Druckverluste dadurch ver mindert werden konnten, so ergaben sich dennoch bedeutende Verluste dadurch, dass das bereits in Dampf umgewandelte Arbeits mittel noch lange Strecken mit dem nicht verdampften Arbeitsmittel mitströmen musste, ohne dabei noch Wärme aufnehmen zu kön nen. Vielmehr wurde durch die Anwesen heit des Dampfes der Wärmeübergang von den Rohrwänden an den flüssigen Teil des Arbeitsmittels und die Übertragung im Ar beitsmittel selber beeinträchtigt.
Beim Dampferzeuger nach der Erfindung werden nicht allein Druckverluste wegen zu hoher Geschwindigkeit des bereits verdampf ten Arbeitsmittels, sondern auch durch das Durchströmen einer grossen Rohrstrecke ver ursachte Verluste verhindert.
Ein Beispiel des Erfindungsgegenstandes und verschiedene Einzelheiten sind auf der Zeichnung vereinfacht dargestellt, Fig. 1 zeigt vereinfacht den Schnitt durch einen Dampferzeuger nach der Erfindung; Fig. 2 und 3 stellen Drosselstellen eines Dampferzeugers nach Fig. 1 .dar; Fig. 4, 5 und 6 zeigen je eine Vorrich tung zur Regelung einer Drossel nach Fig. 3. Das Rohrsystem des Dampferzeugers ist in fünf Stufen 1, 2, 3, 4 und 5 unterteilt, die durch Trenngefässe 6, 7, 8 und 9 mitein ander verbunden sind.
Der flüssige Teil des aus einer Stufe in ein Trenngefäss eingeführ ten Arbeitsmittels gelangt in die anschlie ssende Stufe, während der dampfförmige Teil durch die Leitungen 10, 11, 12 und 1.3 durch einen Wasserabscheider 14, einen über hitzer 15 und die Dampfleitung 16 zu den nichtgezeichneten Verbrauchsstellen geleitet wird.
Durch die Leitung 17 wird das Arbeits mittel aus einem nichtgezeichneten Behälter in die Speisepumpe 18 geleitet, die durch eine Kraftmaschine 19 angetrieben ist. Durch die Leitung 20 strömt dann das Speisemittel in den Dampferzeuger. Die Beheizung er folgt durch einen Brenner 21, dem der Brenn stoff durch die Leitung 22 und die Ver brennungsluft durch die Leitung 23 zugelei tet wird. Die bei der Verbrennung entstehen den Abgase werden durch eine Leitung 24 ins Freie oder zu weiteren nicht gezeichne ten Verbrauchsstellen geleitet.
In der ersten Stufe 1 des Rohrsystems wird das Arbeitsmittel auf die Verdamp- fungstemperatur erwärmt und gegen das Ende der Stufe ein Teil verdampft. Das Dampfflüssigkeitsgemisch strömt dann durch die Leitung 25 in das erste Trenngefäss 6, in welchem der Dampf von der Flüssigkeit ge trennt und durch die Leitung 10 in den Ab- scheider 14 geleitet wird, während die ab geschiedene Flüssigkeit durch die Leitung 26 der zweiten Stufe des Rohrsystems zu geleitet wird.
In der zweiten Stufe wird ein weiterer Teil des flüssigen Arbeitsmittels verdampft und durch die Leitung 216 in den Abscheider 7 geleitet. Hier erfolgt wieder eine Tren nung des dampfförmigen Teils vom flüssi- gen. Der Dampf gelangt durch die Leitung 11 in den Flüssigkeitsabscheider 14 und der flüssige Teil durch die Leitung 28 in die Stufe 3.
Ahnliche Vorgänge spielen sich auch in den Stufen 4 und 5 und in den Trenngefässen 8 und 9 ab. Das Arbeitsmittel wird durch die Leitungen 29 bezw. 31 den Trenngefässen 8 bezw. 9 zugeleitet und der von der Flüs sigkeit abgetrennte Dampf durch die Lei tungen. 12 bezw. 13 in den Flüssigkeitsab- scheider 14 geführt, während die Flüssig keit durch die Leitungen 30 bezw. 32 in die Stufen 4 bezw. 5 überströmt.
In der letzten Stufe 5 erfolgt schliesslich eine nahezu vollständige Verdampfung des noch flüssigen Arbeitsmittels. Der Dampf strömt durch die Leitung 33 in den Abschei- der 14, aus dem die abgeschiedene Flüssig keit durch die Leitung 34 fortgeleitet und der Dampf durch die Leitung 35 zum Über- hitzer 15 (a und b) gelangt.
Die abgeschiedene Flüssigkeit kann einem nicht gezeichneten Flüssigkeitsabscheider be kannter Konstruktion zugeleitet werden, in welchem mit Hilfe von bestimmten Mitteln die Unreinigkeiten ausgefällt und auf mecha nischem Weg, beispielsweise durch die Ver wendung von Sieben, aus der Flüssigkeit entfernt werden können. In gereinigtem Zu stand kann die Flüssigkeit alsdann dem Dampferzeuger von neuem zusammen mit der Speiseflüssigkeit wieder zugeleitet wer den.
Der Überhitzer 15 kann teilweise rauch gasbeheizt und teilweise strahlungsbeheizt sein. Zu diesem Zweck wird durch die Lei tung 3;5 der aus dem Abscheider 14 entnom mene Sattdampf zunächst dem im Strah lungsraum befindlichen Rohrteil 15a zu geführt, um hernach zum im Leitungsteil angeordneten zweiten Überhitzungsteil 15b geleitet zu werden.
Die Bemessung des Ver hältnisses der durch Strahlung und der durch Wärmeleitung beheizten Heizflächenteile wird vorteilhafterweise so gewählt, dass bei Vollast und bei Teillasten dem Überhitzer immer die der durchströmenden Arbeitsmit- telmenge entsprechende Wärmemenge zu geführt wird, so dass beim Einhalten eines unveränderlichen Druckes und einer der Speisemenge entsprechenden Wärmezufuhr ohne Regelvorrichtungen, die Temperatur des zu den Verbrauchsstellen geleiteten Dampfes praktisch unveränderlich gehalten werden kann.
Um bei veränderlicher Belastung einen ungestörten Betrieb zu erhalten, müssen von der gesamten Arbeitsmittelmenge in den Trenngefässen 6, 7, 8 und 9 und im Ab- scheider 14 immer unveränderliche Teile in Form von Dampf abgeschieden und durch die Leitungen 10, 11, 12 bezw. 13 fort geführt werden können. Es muss also sowohl bei Vollast, als auch bei Teillast durch jeden den Abscheider je ein Fünftel der gesamten, den betreffenden Teillasten oder der Voll- last entsprechenden Arbeitsmittelmengen in Form von Dampf abgeschieden werden kön nen.
Daraus ergibt sich wiederum die Be dingung, dass die in einem Trenngefäss ab geschiedene Dampfmenge zur Flüssigkeits menge bei jeder Belastung ein praktisch un veränderliches Verhältnis aufweisen muss. Da mit der Veränderung der Belastung des Dampferzeugers der Druckabfall im Rohr strang sich ungefähr proportional verändert, kann eine einwandfreie Verteilung der Ver dampfung auf die fünf Teilsysteme 1, 2, 3, 4 und 5 durch das Einfügen von kalibrier- ten oder verstellbaren Drosselquerschnitten schon erreicht werden.
In den Leitungen 10, 11, 12 und 13 nach Fig. 1, ebenso in den Leitungen 26, 28, 30 und 32 können Dros selorgane, wie beispielsweise in der Fig. 2 eines dargestellt ist, eingeschaltet sein.
Das Drosselorgan (Fig. 2) wird durch Verstellung der Spindel 36 so eingestellt, dass der Durchströmwiderstand für den Dampf zum Durchströmwiderstand für die Flüssig keit das gleiche Verhältnis aufweist, wie der Anteil an Dampf zum Anteil an Flüssigkeit.
Das Drosselorgan 37 in der Leitung 10 muss einen kleinen Querschnitt aufweisen, weil der flüssige Anteil des durch die Lei tung 35 in das Trenngefäss 6 einströmenden Arbeitsmittels bedeutend ,grösser als der dampfförmige ist und weil ferner der Druck unterschied zwischen dem Gefäss 14 und dem Gefäss 6 am grössten ist.
In den nachfolgen den Trenngefässen 7. 8 bezw. 9 ist nicht nur der dampfförmige Anteil des einströmenden Arbeitsmittels bezüglich der noch mitströ- menden Flüssigkeit grösser, sondern auch der Druckunterschied kleiner, so dass in den auf einanderfolgenden Leitungen 11, 12 und 13 die Drosselorgane 38, 39 bezw. 40 einen von Leitung zu Leitung grösseren Durchgangs querschnitt aufweisen müssen.
Auch in den Leitungen 26, 28, 30 und 32 können Drosselorgane 37', 38', 39' und 40' eingeschaltet sein, durch welche nicht allein der Durchgangsquerschnitt eingestellt wird, sondern die darüber hinaus noch dem Zweck dienen, eine erhöhte Drosselung zu verursachen, sobald durch zu rasche Fort führung der Flüssigkeit anstatt Flüssigkeit Dampf durchtritt. Durch die gegebene Off- 7 kann ein im Vergleich zum Dämpf- gewicht bedeutend grösseres Flüssigkeits gewicht hindurchgeführt werden.
Es werden deshalb vorteilhafterweise die Drosselquer schnitte in den Leitungen 2,6, 28, 30 und 32 etwas grösser als durchaus notwendig ge wählt, so dass ein Flüssigkeitsspiegel in den Trenngefässen 6, 7, 8 und 9 sich nicht ein stellen kann, sondern vielmehr immer eine kleine Dampfmenge mit der Flüssigkeit in die nächste Stufe noch mitgeführt wird. An Stelle von einstellbaren Drosselorganen kön nen auch kalibrierte Düsen oder gelochte Platten in die Leitungen eingesetzt werden.
Die Drosselorgane 41 können auch, wie in Fig. 3 gezeigt, unmittelbar an einem Ab scheidegefäss (beispielsweise 6) angebracht und mit einem Servomotor 42 ausgerüstet sein. Dem Servomotor wird von einer Steuer vorrichtung durch die Leitungen 43 und 44 ein Steuermittel zugeleitet bezw. entnommen, wodurch die Lage des Kolbens 45 der Ventil spindel 46 verschoben und der Durchgangs querschnitt an der Stelle 47 verändert wird. Der abgeschiedene Dampf wird dann durch die Leitung 10 aus dem Trenngefäss 6 fort geführt.
Drosselorgane nach Fig. 3 können bei spielsweise in Abhängigkeit vom arithme tischen Verhältnis der Drücke zu Beginn und am Ende einer Stufe des Rohrsystems ver stellt werden. Zu diesem Zweck wird ein Stufenkolben 70 auf der Fläche 71 vom hohen Druck am Anfang einer Stufe und auf der Fläche 72 vom niedrigen Druck am Ende einer Stufe des Rohrsystems belastet. Die beiden Flächen 71 und 72 sind so be messen, dass beim einzustellenden Verhältnis die Kräfte einander Gleichgewicht halten und der Kolben 70 durch zusätzliche Kräfte der Federn 7.3 und 74 in einer Mittellage ge halten wird.
Die Leitung 7 5 ist dabei mit dem Anfang einer Rohrstufe, die Leitung 76 mit dem Ende der gleichen Rohrstufe und endlich die Leitung 77 mit dem Endabschei- der (14, Fig. 1) oder der zu den Verbrauchs stellen führenden Dampfleitung verbunden.
Die Kolbenstange 78 verschiebt einen Steuerschieber 56, der in einem Schieber kasten 57 gleitet. Durch die Leitungen 43 und 44 ist der Schieberkasten mit dem Servomotor (42, Fig. 3) verbunden, während durch die Leitung 58 ein Druckmittel zu geleitet wird und die Leitungen 59 und 60 zu einem Ablauf führen. Bei einem steigenden Verhältnis der Dif ferenz der Drücke am Ende der Rohrstufe und dem Enddruck des Dampferzeugers zur Differenz der Drücke am Anfang der Rohr stufe und dem Enddruck (gleich Verhältnis . der Differenz der Drücke in der Leitung 76 und 77 zur Differenz der Drücke in' den Leitungen 75 und 77); wird der Kolben 70 nach rechts gedrückt.
Dadurch entsteht eine Verbindung zwischen der Druckmittel zuführungsleitung 58 und der Leitung 43 einerseits - und zwischen der Ablaufleitung 59 und der Steuerleitung 44 anderseits. Im Servomotor 42 (nach Fig. 3) strömt deshalb auf der obern Seite des Kolbens 45 die Flüs sigkeit weg, während auf der untern Seite Flüssigkeit zuströmt, so dass die Ventilspin- del 46 angehoben und der Durchflussquer- 'schnitt vergrössert wird. Ein ähnlicher Steuer vorgang, jedoch mit umgekehrten Steuer bewegungen stellt sich ein, wenn das Druck verhältnis sich verkleinert.
Um ein Überregeln zu vermeiden, kann in der Leitung 43 ein Drosselorgan 61 und in der Leitung 44 ein Drosselorgan 62 ein geschaltet sein, die gegebenenfalls durch die Spindeln 68 und 64 von Hand noch einge stellt werden können. Unter der Einwirkung der Drosselung werden die Regelvorgänge so verzögert, dass eine Überregelung und daraus Pendelungen nicht entstehen können.
Bei einer Steigerung der normalen Ar beitsmittelgeschwindigkeit stellt sich ein grösseres Druckgefälle ein. Dadurch wird das als echter Bruch ausgedrückte Verhält nis der Enddruckdifferenz zur Anfangs druckdifferenz verkleinert. Die Verkleine rung des Druckverhältnisses verursacht über die Regelvorrichtung eine Verkleinerung des Durchflussquerschnittes des den Dampf zu den Verbrauchsstellen führenden Drossel- organes, so dass die Dampfströmung gestaut und das anfängliche Steigen des Druckgefäl les wieder vermindert wird.
Umgekehrt wird bei Verlangsamung der Strömung ein kleine res Druckgefälle sich einstellen und damit das Druckgefälle sich vergrössern, so dass ein grösserer Querschnitt des Drosselorganes ein gestellt wird und dadurch die Strömung sich wieder beschleunigen kann.
Der Servomotor 42 nach Fig. 3 kann auch durch den Unterschied der Drücke zu Beginn und am Ende einer Stufe des Rohr systems gesteuert werden. Durch die beiden Leitungen 48 und 49 (Fig. 5) wird dem Zylinder 50 vom Anfang und vom Ende einer Stufe des Rohrsystems der Druck über tragen, so dass der Kolben 52 in eine Lage verschoben wird, in welcher die auf seine Flächen einwirkenden Drücke und die Kräfte der Federn 53 und 54 einander Gleich gewicht halten. Mit der Kolbenstange 55 ist wiederum ein Schieber 56 (wie in Fig. 4) verbunden.
Wird aus irgend einem Grund in einer Rohrstufe die normale Strömungsgeschwin digkeit vermindert, so tritt eine Stauung des Arbeitsmittels ein, bei der das Druck gefälle im Rohrstrang und damit der Druck unterschied verkleinert wird. Bei verkleiner tem Druckunterschied wird der Kolben 52 nach rechts gedrückt, so dass aus der Lei tung 518 durch die Leitung 43 Druckmittel unter den Kolben 45 (Fig. 3) des Servo motors strömen kann, wobei der Drossel querschnitt für den abströmenden Dampf vergrössert und die den Regelvorgang ver ursachende Stauung des Arbeitsmittels be hoben wird.
Im umgekehrten Fall tritt bei einer unzulässigen Beschleunigung des Ar beitsmittels ein umgekehrt gerichteter Regel vorgang ein, so dass .die Strömung wieder auf das normale Mass gestaut wird.
In ähnlicher Weise kann der Servomotor des Drosselorganes auch in Abhängigkeit von der absoluten Druckhöhe an irgend einer Stelle des Dampferzeugers geregelt werden. Schliesslich können zur Beeinflussung der Servomotoren auch Temperaturen oder Diffe renzen von Temperaturen oder schliesslich Verhältnisse von Temperaturen oder von Temperaturdifferenzen benutzt werden. Zur Regelung wird dann ein Temperaturauf nehmer gewöhnlicher Konstruktion ver wendet, der über Aufnahmeorgane die Im pulse auf die Steuervorrichtung des Servo motors weiterleitet.
U m die Spindel 46 nach Fig. 3 in Ab hängigkeit vom Gewicht eines Abscheiders zu beeinflussen, kann beispielsweise der Ab- scheider 6 (Fig. 5) an einen Wiegebalken 65, an .dem ein Gewicht 66 und eine Zug feder 67 befestigt ist, aufgehängt sein. Der Steuerzylinder 68, sowie der Drehzapfen 69 sind mit einer festen Unterlage verbunden, so dass bei Zunahme des Gewichtes des Trenngefässes 6 durch Vermehrung des Flüs sigkeitsinhaltes das Gefäss nach unten sinkt und dadurch den Steuerschieber 56 durch das Gestänge 55 nach oben zieht.
Es wird damit eine Verbindung hergestellt zwischen der Zuführungsleitung 58 und der bieg- samen Leitung 44 einerseits und zwischen der Ablaufleitung 60 und der biegsamen Lei tung 43 anderseits. Dadurch strömt in den obern Zylinderteil des Servomotors durch die Leitung 44 ein Druckmittel, welches den Servomotorkolben nach unten drückt und dadurch den Durchflussquerschnitt des Ventils verkleinert.
Es kann somit weniger Dampf aus dem Trenngefäss abströmen, es entsteht ein höherer Druck und dadurch wird eine grössere Flüssigkeitsmenge aus dem Trenngefäss nach der nächstfolgenden Stufe abgeführt, bis die Gewichtszunahme wieder aufgehoben und der normale Flüssigkeits stand im Abscheider sich wieder eingestellt hat.
Ein umgekehrter Steuerungsvorgang spielt sich ab, wenn das Gewicht des Trenn gefässes durch Flüssigkeitsverminderung wie der verkleinert wird. ' Wenn notwendig können noch Regelvor richtungen zur Einstellung des Feuers durch Veränderung der Brennstoffmenge bezw. der Luftmenge, zur Veränderung der Speise flüssigkeitsmenge, sowie von Zusatzflüssig- keitsmengen verwendet werden. Die, Rege lung für die Befeuerung und die Speisevor richtung können miteinander so verkoppelt sein, dass die Veränderungen der beiden Grössen stets verhältnisgleich sind.
Zur Be- heizung kann grundsätzlich eine jede Feue rung verwendet werden, beispielsweise Feue rungen für feste Brennstoffe, welche als Planrost, Treppenrost, Wanderrost, Unter schubfeuerungen usw. ausgebildet sind. Es können aber auch Brennstaubfeuerungen und Feuerungen für flüssige Brennstoffe verwendet werden. Die Ummauerung des Dampferzeugers kann druckfest ausgebildet und gegen die Umgebung abgedichtet wer den, so dass die Feuerung unter erhöhtem Druck vor sich gehen kann. Vorteilhafter weise werden dann die Abgase zum Betrieb von Gasturbinen verwendet. Die Gasturbinen können Verdichter antreiben, welche die Verbrennungsluft auf den gewählten Ver- brennungdruck verdichten.
Das Rohrsystem kann in jeder beliebigen Art geformt wer den, so dass der Dampferzeuger einer jeden gegebenen Betriebsform angepasst werden kann. Der Dampferzeuger eignet sich eben sogut für stationäre Betriebe wie auch für Land- und Wasserfahrzeuge. Durch geeig neten Leichtbau kann er auch für Flugzeuge Verwendung finden.
Ganz besonders eignet sich der Dampf erzeuger nach der Erfindung für das untere Gebiet der Hochdrücke zwischen 20 und 80 Atm., weil da das Volumen des Dampfes so gross ist, dass der Widerstand des Dampfes in gewöhnlichen Röhrendampf erzeugern ein hohes Mass annehmen würde.
Der im letzten Flüssigkeitsabscheider abgeschiedene Flüssigkeitsrest enthält die durch die Speiseflüssigkeit zugeführten Ver unreinigungen und Salze in konzentrierter Form. Er kann deshalb zweckmässig zu nächst einer Reinigungsanlage zugeführt werden, ehe er wieder zurück in den Speise behälter geführt wird. Gegebenenfalls kann dieser Rest in einen Niederdruck-Grossraum- dampferzeuger geleitet werden, in welchem das Vorhandensein von Salzen und andern Verunreinigungen keine Gefahr erzeugt.
Der im Hochdruckdampferzeuger entstehende Verlust an Arbeitsmittel wird dann wieder durch Kondensat aus der Niederdruckdampf- anlage ersetzt. Es ist aber auch möglich, dass in dem dem letzten Abscheider ent nommenen Flüssigkeitsrest so wenig Salze enthalten sind, dass dieser Rest mehrere Mal unmittelbar dem Dampferzeuger wieder zu geführt werden kann und nur von Zeit zu Zeit ein Teil entnommen werden muss, um den Salzgehalt in der ganzen Anlage wieder auf das zulässige Mass zu vermindern.