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Dampfanlage mit Kreislauf des Arbeitsmittels Dampfkraftanlagen, bei
welchen das Arbeitsmittel im Verlaufe des Arbeitsganges immer wieder regeneriert
und in seinen Anfangszustand zurückgeführt wird, sind bekannt. Man unterscheidet
hierbei Einrichtungen, bei denen die Rückführung des Betriebsstoffes durch mechanische
Arbeit (Kompression) bewirkt wird, und solche, bei denen die Drucksteigerung durch
Erwärmung erfolgt. Bei bekannten Einrichtungen dieser letzteren Art ist aber stets
die Zeitdauer des Erwärmens und Wiederabkühlens vom Arbeitstakt des Arbeitskolbens
abhängig, es stehen also nur sehr kurze Zeiten zur Durchführung des Regenerierungsprozesses
zur Verfügung.
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Bei der jetzt vorliegenden Erfindung wird die Regenerierung des Dampfes
ebenfalls durch wechselweises Erhitzen und Wiederabkühlen bewirkt, jedoch völlig
unabhängig von dem Gang der Arbeitsmaschine oder sonstiger Dampfverbraucher. Man
kann deshalb mit dem neuen Verfahren beispielsweise auch Dampfturbinen betreiben.
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Beim Gegenstand der Erfindung sind zwei Behälter a und a1 vorgesehen,
von denen immer einer mit gesättigtem oder nur ganz wenig - überhitztem Dampf, der
andere mit möglichst hoch überhitztem Dampf gefüllt ist. Beide Seiten eines jeden
Behälters sind mittels der Rohrleitungen f und e unter Zwischenschaltung eines Überhitzers
b, einer Kühlvorrichtung (z. B. Einspritzdüsen) d und eines noch später zu erläuternden
Wärmeaustauschers e miteinander verbunden; so daß jeder Behälter für sich ein in
sich überall zusammenhängendes, geschlossenes System bildet, in welchem in allen
Punkten der gleiche Druck herrscht und irgendwelche Druckunterschiede (z. B. zwischen
dem oberen und unteren Ende des Behälters) niemals auftreten können. Der Dampfdruck
innerhalb des einzelnen Systems befindet sich überall im Gleichgewicht.
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Vermittels eines Verdrängers g (welcher an den Wandungen des Behälters
nicht dicht abzuschließen braucht) oder einer anderen Umwälzv orrichtung, z. B.
eines in die Leitung e einzubauenden Ventilators, kann der Dampf innerhalb des betreffenden
Systems verschoben werden. Bewegt sich der Verdränger im Behälter a nach unten,
so muß der auf der Unterseite des Behälters befindliche fast gesättigte Dampf durch
den Wärmeaustauscher c und Überhitzer b nach der Oberseite - des Behälters übertreten,
wobei er zugleich durch c und b möglichst hoch überhitzt wird und sich entsprechend
stark auszudehnen sucht. Da letzteres in dem zunächst noch allseitig geschlossenen
System nicht möglich ist, so steigt der Druck, und zwar in allen Teilen des Systems,
gleichmäßig an. Irgendwelche Druckdifferenzen, welche - die (abgesehen von Reibungsverlusten)
arbeitslose Abwärtsbewegung des Verdrängers behindern
könnten,
können dagegen wegen der durch e, c, b, f bestehenden unmittelbaren Verbindung
zwischen der Ober- und Unterseite des Behälters nicht auftreten.
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In umgekehrter Weise kann man in dem mit hocherhitztem Dampf erfüllten
Behälter cal den Verdränger nach oben bewegen, wobei der heiße Dampf von der Oberseite
desselben durch den Wärmeaustauscher und die Kühlvorrichtung d nach der Unterseite
des Behälters übertritt und hierbei fast auf Sättigungstemperatur abgekühlt wird.
In diesem Behälter hat die Aufwärtsbewegung des Verdrängers also eine Zusammenziehung
des abgekühlten Dampfes bzw. eine Drucksenkung unter den Anfangsdruck zur Folge.
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Zwischen beiden Behältern besteht also jetzt ein Druckgefälle, welches
man technisch ausnutzen kann, indem man Dampf aus dem Behälter a durch das Ventil
i in einen Dampfverbraucher, z. B. die Dampfturbine k, und von dieser durch
das Ventil 1, in den Behälter a1 überströmen läßt, wobei man es in der Hand
hat, durch mehr oder weniger schnelle Weiterbewegung der Verdränger die vorhandene
Druckdifferenz aufrechtzuerhalten oder aber einen mehr oder weniger vollkommenen
Druckausgleich zwischen den Behältern zuzulassen.
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Sind auf diese Weise die Verdränger in beiden Behältern in ihre entgegengesetzten
Endlagen gelangt, so ist damit zunächst die Arbeitsfähigkeit der letzteren erschöpft.
Gleichzeitig hat man damit aber auch wieder den Anfangszustand der Vorrichtung erreicht,
nur daß die beiden Behälter ihre Rollen vertauscht haben, denn der Behälter a enthält
jetzt noch überhitzen Dampf, und sein Verdränger befindet sich in der unteren Endstellung
(wie vorher Behälter a1), während im Behälter a1 der Verdränger jetzt ganz oben
steht und der Dampfinhalt annähernd gesättigt ist.
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Auch der Gewichtsinhalt beider Behälter an Dampf ist jetzt vertauscht,
denn während anfangs Behälter a - entsprechend dem höheren spezifischen Gewicht
von gesättigtem Dampf - das größere Dampfgewicht enthielt, befindet sich jetzt infolge
der zwischenzeitlichen Überströmung von Dampf in a1 ein größeres Dampfgewicht als
in a.
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Man kann also den Vorgang sogleich wiederholen, indem man jetzt den
Behälter a1 für die Dampflieferung und den Behälter a für die Dampfaufnahme benützt.
Es fließt also eine gewisse Dampfmenge dauernd wechselweise zwischen den beiden
Behältern a und a1 hin und her, welche aber den Dampfverbraucher k vermittels der
Umschaltventile i, L usw. stets in gleicher Richtung durchströmt. Um die
Dampflieferung ganz gleichmäßig zu gestalten, kann man statt zweier auch vier oder
mehr Behälter anwenden, wobei auch eine ungerade Anzahl, z. B. drei Behälter, die
in der Dampflieferung turnusmäßig aufeinanderfolgen, möglich ist.
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Man kann also - und das ist das Wesentliche der vorliegenden Erfindung
- Dampfverbraucher beliebiger Art, die zu den Vorgängen in den Behältern in keinerlei
Beziehung-stehen, antreiben wie Dampfturbinen, Dampfmaschinen von beliebigen üblichen
Tourenzahlen, ferner aber auch Destillierapparate u. dgl., oder kann auch nur Dampf
von irgendwelcher Herkunft von seinem bisherigen Druck auf einen gewünschten höheren
Druck bringen.
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Der Umstand, daß die Arbeitsspiele der Behälter - unabhängig von den
Kraftverbrauchern - beliebig langsam vor sich gehen können, ermöglicht es ferner,
die betriebene Einrichtung mit einem wirksamen Wärmeaustauscher c auszurüsten, welcher
den weitaus größten Teil der Überhitzungswärme des Dampfes in sich aufzunehmen und
nachher zum Zwecke der Neuüberhitzung des Dampfes wieder abzugeben vermag. Solche
Wärmeaustauscher sind zwar bei bekannten Wärmekraftmaschinen schon versucht worden,
jedoch bisher erfolglos, da der Vorteil geringer war als ihre Nachteile, infolge
der Vergrößerung der schädlichen Leerräume der Maschine. -Es ist einleuchtend, daß
bei Einrichtungen, die im Takt der Arbeitsmaschine arbeiten müssen, bei welchen
also, selbst bei Anwendung einer z. B. nur iootourigen Maschine, ein zweihundertmaliger
Wärmeaustausch in der Minute stattfinden müßte, ein nennenswerter Wärmerückgewinn
nicht erreichbar ist, auch dann nicht, wenn man dem Austauscher eine im Vergleich
zur Arbeitsmaschine ganz unmögliche Größe geben wollte. Bei der vorliegenden Erfindung
ist man dagegen in der Lage, die Arbeitsspiele so langsam folgen zu lassen, daß
ein auch nur mäßig großer Wärmeaustauscher c beim Zurückströmen des überhitzten
Dampfes fast die ganze Überhitzungswärme desselben in sich aufzunehmen und diese
bei der folgenden Wiedererwärmung des Dampfes restlos .wieder an diesen abzugeben
vermag. Im Überhitzer b ist dann nur noch eine ganz geringe zusätzliche Wärmemenge
von außen zuzuführen, um den Dampf wieder auf die gewünschte Höchsttemperatur zu
bringen.
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Es ist noch zu erwähnen, daß der Überhitzer (und auch die Kühlvorrichtung)
mit einer Umführung mit Umschaltventil versehen werden kann, damit der Dampf diese
immer nur in einer Richtung durchströmt.
Für das Prinzip der- Erfindung
ist eine solche Einrichtung aber belanglos und bei Anwendung eines Wärmeaustauschers
auch überflüssig.
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Ein wesentlicher Unterschied der vorliegenden Erfindung gegenüber
allen anderen bisher bekannten Einrichtungen besteht ferner darin, daß der Dampfverbraucher
k auch bezüglich seiner Dampftemperatur von den in den Behältern auftretenden Überhitzungstemperaturen
völlig unabhängig ist. Man kann den Arbeitsdampf an jeder beliebigen Stelle des
Systems, z. B. wie gezeichnet von der kalten Seite des Behälters bei i oder aus
einem Stutzen fra am Wärmeaustauscher, entnehmen und den Dampfverbraucher mit gesättigtem
oder nur mäßig überhitzten Dampf betreiben, obgleich der Kreisprozeß selbst mit
sehr hohen Temperaturen durchgeführt wird.
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Als Kühlvorrichtung ist bei dem beschriebenen Beispiel eine Einspritzkühlung
ähnlich den bekannten Heißdampfkühlern von Dampfkraftanlagen vorgesehen, und solche
ermöglichen es bekanntlich, den Dampf fast auf seine Sättigungstemperatur herunterzukühlen,
wobei das in entsprechender Menge zugeführte Einspritzwasser (oder Rieselwasser
bei Rieselkühlern) restlos in Dampf von gleichem Druck wie der abzukühlende Dampf
verwandelt wird. Statt dessen sind auch Oberflächenkühler bekannter Art anwendbar,
bei denen der zu kühlende Dampf durch Abgabe seiner Überhitzungswärme das in einem
Rohrsvstem befindliche Wasser bei einem seiner JTemperatur entsprechenden Druck
zur Verdampfung bringt. In allen Fällen erhält man die gesamte Abwärme des Verfahrens
in Form von gespanntem, arbeitsfähigem Dampf. Dieser zusätzlich erzeugte Dampf muß
ständig abgeführt werden, um nicht die in den Behältern umlaufenden Dampfmengen
mehr und mehr zu vergrößern, und dieser abgeführte Dampf enthält die gesamte der
Einrichtung von außen durch den Überhitzer b zugeführte Wärmemenge abzüglich der
in lz in Arbeit umgewandelten Wärme, da ja irgendeine andere Wärmeabfuhr nach außen,
abgesehen von den geringen Ausstrahlungsverlusten, nicht stattfindet. Dieser Dampf
kann einer weiteren Dampfturbine n zugeführt und nach restloser Ausnutzung seiner
Arbeitsleistung in derselben schließlich in dem Kondensator o niedergeschlagen werden.
Es ist aber auch jede anderweitige Verwendung der abzuführenden Dampf- bzw. Wärmemenge,
beispielsweise zu Heizzwecken usw., möglich. Bei dieser Anordnung stellt sich die
Turbine k bzw. die gesamte der Erfindung zugrunde liegende Einrichtung als Vorschaltanlage
zu einer normalen Dampfkraftanlage yt-o dar, welch letzere die gesamte Abwärme des
ersteren nutzbar verarbeitet.
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Vorschaltanlagen zur Erhöhung des termischen Nutzeffektes von Dampfkraftanlagen,
welche mittels Höchstdrucks oder mit Ouecksilberdampfturbinen arbeiten, sind bekannt.
Die vorbeschriebene Einrichtung ergibt aber eine weit größere Zusatzleistung als
letztere und vermeidet deren Nachteile, wie unbequem hohe Dampfdrücke oder Verwendung
kostspieliger und giftiger Betriebsstoffe.
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An welcher Stelle der zusätzlich entstandene Dampf aus dem System
abgeführt ist, ist gleichgültig. In dem vorliegenden Beispiel wurde hierfür das
Abdampfrohr der Turbine k gewählt und die beiden Turbinen k
und it
zu einer einzigen mit nur einer Antriebswelle arbeitenden Maschine zusammengefaßt.
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Statt Verwendung mehrerer Behälter kann man auch mit nur einem Behälter
auskommen, wenn man den anderen in bekannter Weise durch zwei Dampfspeicher ersetzt,
welche in die Zu- und Ableitung des Behälters eingeschaltet sind. Der verbleibende
Behälter entnimmt dann wechselweise Dampf von niedrigerem Druck aus dem Speicher
hinter der Turbine und gibt ihn mit höherem Druck wieder an den Speicher vor der
Turbine ab, während dauernd ein gleichmäßiger Dampfstrom arbeitsleistend aus letzterem
Speicher durch die Turbine hindurch in den Speicher hinter dieser fließt.
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Es ist selbstverständlich, daß das vorliegende Verfahren nicht auf
die Verwendung von Wasserdampf beschränkt ist, sondern auch mit anderen Dämpfen,
Gasen oder Luft durchgeführt werden kann.