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Verfahren nnd Einrichtung zur Ausnutzung der Vakuumarbeit des Dampfes in Kolbendampf- maschinen.
Es ist bekannt, dass das Arbeitsvermögen tief ins Vakuum expandierenden Wasserdampfes sehr gross ist, nur verursacht seine gute Ausnutzung erhebliche Schwierigkeiten, da der Raumgehalt des Dampfes bei niedrigen Drücken ganz bedeutend wächst. Nach den
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Enddruck ab und liess den Arbeitsdampf ohne Arbeitsleistung auf den Kondensatordruck abfallen. Wird die Vakuumarbeit'in Niederdruckturbinen ausgenutzt, so ist der durch Spannungsabfall entstehende Arbeitsverlust nicht mehr vorhanden ; aber solche Niederdruckturbinen lassen sich-vorteilhaft nur für grössere Leistungen anwenden, für welche das stündlich arbeitende Dampfgewicht schon einen erheblichen Wert erreicht.
Welchen'Wert der durch den Spannungsabfall. im Niederdruckzylinder entstehende Verlust annimmt, kann man bestens ermessen ; wenn man ihn sich für höhere Drücke vorstellt : Bei einem mit kaltem Kühlwasser- bequem erreichbaren absoluten Gegendruck von o-o Atm. ist der Spannungsabfall bei 0'4 bis o'6 Atm. Expansionsenddruck ein acht-bis zwölffacher. Er entspricht annähernd demjenigen einer Auspuffmaschine, die mit r6 bis 24 Atm. Anfangsdruck und, etwa 50 v. H. Füllung arbeitet. Hier stürzt der Dampf von 8 bis 12 Atm. ohne weitere Arbeitsverrichtung auf i Atm. ab und die Expansionsarbeit, die noch über 40 v. H. der Gesamtarbeit des hochgespannten Dampfes ausmacht, geht'auf diese Weise verloren.
Der Hauptfeind der Dampfmaschine sind und bleiben die beim Dampfeintritt entstehenden Wandniederschläge, die auch heute-immer noch nicht genügend beachtet sind ; dabei verursachen diese viel grösseren Schaden als undichte Kolben und Steuerorgane.
Besonders ungünstig werden sie nach der neuen Erkenntnis für Niederdruckzylinder. Es rührt dies von dem ungünstigen Verhältnis der schädlichen Zylinderflächen zum arbeitenden Dampfgewicht her. Jene bestehen in der Hauptsache aus Kolben-und Deckelflächen und der im ersten Teil des Hubes vom Kolben freigegebenen Mantelfläche des
Zylinders.
Die Wandniederschläge sind bei kurzhubigen Maschinen, zu denen die Nieder- druckzylinder in der Regel-zu rechnen sind, bei kleineren Füllungsgraden durch den bei geringem Dampfdruck bedeutend wachsenden Raumgehalt des Dampfes ganz bedeutend grösser als'bei den oberen Stufen,. so dass - auf die Bekämpfung dieser Fehlerquellen das
Hauptaugenmerk gerichtet werden muss.
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Dampfgewicht bei kleineren Füllungen in dem Hochdruck-und Niederdruckzylinder einer Verbundmaschine gleiche Beträge an den hauptsächlich von Kolben und Zylinderdeckel gebildeten schädlichen Flächen niederschlagen.
In der Niederdruckstufe muss unter der obigen Voraussetzung die sich auf der Kolben-und Deckelinnenfläche bildende Wasserhaut annähernd um den gleichen Betrag dünner sein, um den der Niederdruckzylinderquerschnitt grösser ist als der des Hochddruckzylinders. Da die Wasserhaut nach Massgabe ihrer Stärke sehr isolierend wirkt, so ist bei dem weiteren Verlaufe der'Kolbenbewegung die Wärmeabgabe an Kolben und Deckel bei den Niederdruckzylindern durch die äusserst dünne Wasserschicht weniger gehemmt und daher wesentlich grösser als bei den oberen Arbeits-
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Unter Expansionsgrad, von dem die Wärmausnutzung in der Hauptsache abhängt, ist hier immer das Verhältnis von Eintrittsdruck und Gegendruck der betreffenden Arbeitsstufe verstanden.
Der schädliche Wärmeaustausch ist, auch schon vorhanden, wenn die Wandtemperatur von Kolben, Deckel und Zylindermantel nur um wenige Grade unter der Sättigungtemperatur des eintretenden Dampfes liegt ; er zeigt sich daher auch bei grosser Füllung in den Niederdruckzylindern jetzt üblicher Grösse von Heissdampfverbundmaschinen, die im Hochdruck bei kleinerer Füllung mit etwa 12. bis 15 Atm. Anfangsdruck und stark überhitztem Frischdampf vop. 350 bis 4000 arbeiten, denn der Dampf verlässt bereits den Hochdruckzylinder mit kaum nennenswerter Überhitzung, obgleich der Expansionsgrad dort immer, kleiner ist als im Niederdruckzylinder.
Auch die bis jetzt ab und zu angewendete Art der höheren Zwischenüberhitzung des mässig ins Vakuum expandierenden Niederdruckdampfes durch Feuergase oder Dampf konnte bei den unrichtigen Voraussetzungen keine endgültige Lösung der Aufgabe bringen, wie ja durch praktische Versuchsergebnisse wiederholt festgestellt worden ist.
Die nachfolgend beschriebene Erfindung'beseitigt die gekennzeichneten. Übelstände und gestattet, in einfacher Weise ohne wesentlichen Arbeitsverlust auch bei mittleren und kleinen Maschinen bzw. Leistungen die grosse Vakuumarbeit vorteilhaft in Kolbenmaschinen zu verwerten.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass der Arbeitsdampf im Niederdruck- zylinder''auf o'g Atm.) abs. oder einen geringeren Druck expandiert und so hoch überhitzt wird, dass Kolben, Deckel und Zylindermantel die Sättigungstemperatur des eintretenden Dampfes erreichen. Zur Durchführung des neuen Verfahrens müssen kleinere Füllungsgrade von 33 v. H. und weniger verwendet werden. Durch den niedrigen Expansions-
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vierstufigen Kolbenmaschinen liegt nicht im Sinne des neuen Verfahrens, denn hier ist die aus den Indikatordiagrammen ersichtliche weitgehende Expansion nur eine scheinbare, da die grossen Wandniederschläge aus diesen nicht zu erkennen sind.
Zum Erfüllen der Bedingungen der neuen Arbeitsweise muss der Arbeitsdampf, je nach der Füllung,'im Verhältnis zum Sattdampftemperaturgefälle so hoch überhitzt werden, dass die über der dem Eintrittsdruck entsprechenden Sättigungstemperatur liegende Überhitzung etwa zwei-bis dreimal so gross ist als das zu verarbeitende Sattdampftemperaturgefälle. In einem solchen Falle erreichen dann die Temperaturen des Kolbens, Deckels und Zylindermantels die erforderliche Höhe und Wandniederschläge werden vermieden.
Ist der Expansionsgrad bei einem Gegendruck von totos Atm. abs. und einer tiefsten
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temperatur von 810 und das Sattdampftemperaturgefälle beträgt 81 -- 32 = 490. Die Temperatur des eintretenden'Dampfes muss also, je nach der Füllung, erfindungsgemäss zweckmässig um etwa 49 X 2 bis 3 == 98 bis 1470 über der Sättigungstemperatur von 810 liegen und der Arbeitsdampf daher auf etwa 81 + 98 bis 1470 =, 179 bis 2280 überhitzt werden.
Der im vorliegenden Beispiel gewählte zehnfache Expansionsgrad ist im Vergleich mit den bei den oberen Stufen von Mehrfachexpansionsmaschinen mit ähnlichen Füllungsgraden üblichen Expansionsgraden schon sehr erheblich. Man muss ihn aber wenigstens in. dieser
Grösse wählen, denn wollte man das Druckgefälle in zwei Stufen aufteilen, so würden wohl die Füllungen für die einzelnen Zylinder grösser werden und die Wandniederschläge würden zwar auch beim Betriebe mit gesättigtem oder nicht ausreichend überhitztem Dampf abnehmen, aber noch lange nicht beseitigt sein. pazu kämen Drosselung-und andere Verluste, so dass trotz des grösseren konstruktiven Aufwandes selbst bei zweimaliger Überhitzung kein besseres Ergebnis zu erzielen ist als mit grossem Expansionsgrade und der entsprechend hohen Überhitzung.
Ausserdem würden bei Aufteilung des Druckgefälles -in zwei Stufen die Druckunterschiede auf den Zylinderseiten der letzten Stufe so gering werden, dass die Gestängeniassen bei einigermassen praktisch brauchbarer Kolbengeschwindigkeit nicht mehr beschleunigt werden können.
Aus allen diesen Gründen ist zu ersehen, dass die Verwendung grösserer Expansions- grade für die möglichst grosse Ausnutzung der Vakuumarbeit des Dampfes eine nicht zu umgehende Forderung ist. Dazu gehört ferner ein ausreichender Anfangsdruck von 0'5 Atm. abs. oder mehr. Vermöge der zur Anwendung kommenden hohen Überhitzung leistet ein nach der Erfindung arbeitender Zylinder, der mit kleiner Füllung und gesättigtem oder ungenügend überhitztem
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ebenso günstig'ausgenutzt wird, wie die latente Wärme hochgespannten Dampfes.
Die neue Arbeitsweise lässt sich mit besonderem :-Vorteil für mehrstufige Kolbendampfmaschinen verwenden, um die Wirtschaftlichkeit durch weitgehende Ausnutzung des Niederdruckdampfes zu verbessern. Bisher benutzte man in der Hochdruckstufe kleinere Füllung, in der Niederdruckstufe dagegen grössere. Nach der neuen Arbeitsweise ist das anders, jetzt werden auch im"Niederdruckzylinder kleinere Füllungen verwendet. Die beste Wärmeausnutzung wird erreicht, wenn man dem Arbeitsdampf in den oberen Stufen so viel Überhitzungswärme mitgibt, dass der in die Zwischenüberhitzer der unteren Arbeitsstufen eintretende Dampf keinen oder möglichst wenig Wassergehalt besitzt.
Ist der von den oberen-Stufen kommende Arbeitsdampf bereits entsprechend feucht, dann muss ein Teil der in den Zwischenüberhitzern zugeführten Wärme zum-Verdampfen des Wassers benutzt werden, was eine Verschlechterung des thermischen Wirkungsgrades mit sich bringt, die die Vorteile der neuen Arbeitsweise nicht voll zur Geltung kommen lässt. Nach der Theorie sollte zwar die gesamte Wärme bei der höchsten Temperatur zugeführt werden. Das würde aber, je nach dem'Expansionsgrade und dem Frischdampfdruck, eine Frischdampftemperatur von 500 bis 800"erfordern, wenn der. tief-ins Vakuum expandierende Niederdruckdampf noch genügend Überhitzungswärme besitzen soll.
Da dies schon wegen praktischer Schwierig- keiten nicht möglich ist, denn die'Überhitzer würden'verbrennen und der Dampf könnte in den oberen Arbeitsstufen infolge seiner hohen Temperatur nicht verarbeitet werden, soll hier zu der mehrfachen Überhitzung übergegangen werden.
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stufe etwa das gleiche bleibt oder höchstens doppelt so gross wird als unter den jetzt üblichen Betriebsverhältnissen. Den Expansionsgrad lässt man mit Vorteil nach unten zunehmen, und zwar wird man in den oberen drei Stufen einen etwa 4- bir 5fachen, in der letzten einen 10- bis 30fachen, je nach der Luftleere im Kondensator anwenden.
Zum Beispiel wird man bei entsprechendem Spannungsabfall in den oberen Stufen etwa folgende theoretische Druckverhältnisse wählen :-
In der Hochdruckstufe 50 Atm. Anfangsdruck und 12'0 Atm. Gegendruck ; im ersten
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gegen die letzte Stufe mit o S Atm. Anfangsdruck, o- : i Atm. Expansionsdruck und einem Spannungsabfall von o-i Atm. auf 0'05 Atm. abs, arbeitet. In der Praxis müssen die üblichen Abweichungen'von diesen Zahlen durch den Einfluss der Dampftemperatur, die Steuereinstellung, Drosselungen usw. berücksichtigt werden. Wählt man den Dampfdruck so ungewöhnlich'hoch wie im letzten Beispiel oder noch höher, dann ergibt sich der Vorteil, dass man auch den Arbeitsdampf der vorletzten.
Stufe, wenn die den oberen Stufen mitgegebene Überhitzungswärme sonst nicht ausreicht, um ihn für den Eintritt in den Niederdruck- überhitzer trocken zu halten, durch den hochgespannten Frischdampf überhitzen kann. Einem
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einer dem Druck von 50 Atm. entsprechenden Sättigungstemperatur von 2630 ist also. auch noch eine ausreichende Überhitzung der vorletzten Stufe in gleich einfacher Weise möglich.
Durch das vorstehend beschriebene Verfahren unter Verwendung von hohem Dampfdruck und Zuführung grosser Überhitzungswärme zu den unteren Stufen ist es jetzt möglich, Kolbendampfmaschinen von mittlerer und kleiner Leistung mit annähernd derselben Wirtschaftlichkeit zu betreiben als grosse Heissdampfkolbenmaschinen mit dahintergeschalteten Niederdruckturbinen.--.
Der Gestängedruck der grossen Niederdruckzylinder, von dem der mechanische Wirkungsgrad im wesentlichen abhängt,'ist dabei, auf die Leistung bezogen, ebenso gross wie für Hochdruckstufen mit dem gleichen Expansionsgrade und bewegt sich demnach in durch- aus zulässigen Grenzen.
Es ist auch jetzt nicht mehr notwendig, zur Vergrösserung des nutzbaren Temperaturgefälles für Kolbendampfmaschinen hinter die letzte Wasserdampfstufe eine Kaltdampfmaschine'zu schalten, wie es vielfach zur Verbesserung der Wärmeausnutzung versucht worden ist.
Die Überhitzung des Arbeitsdampfes für eine zur Ausübung der neuen Arbeitsweise brauchbare mehrstufige Kolbendampfmaschine wird wegen des grossen Raumgehaltes des Dampfes in den unteren Stufen am vorteilhaftesten in in der Nähe der Maschine befindlichen Zwischenüberhitzern vorgenommen. Diese können durch irgendeine Wärmequelle von entsprechender Temperatur, z. B. durch Frischdampf, durch Abgase von Verbrennungsmaschinen, durch heisse Flüssigkeiten o. tdgl. beheizt werden. Besitzt das Heizmittel hohe Temperatur, so ist, wie erwähnt, nur ein Überhitzer für die beiden letzten Stufen erforderlich. Der Dampf für die obere oder die oberen Stufen wird zweckmässig in an sich bekannter Weise durch Feuergase überhitzt.
Im nachstehenden möge noch eine vorteilhafte Bauart einer Kolbenmaschine angegeben werden, die sich für die Ausnutzung höchstgespannten und hochüberhitzten, wie auch tief ins Vakuum expandierenden Dampfes nach der beschriebenen neuen Arbeitsweise eignet. Die Kolbenmaschine wird zu diesem Zweck als vierstufige Maschine mit sechs Kurbeln ausgebildet und erhält drei Niederdruckzylinder. Letztere bleiben durch hochgespannten Dampf bei Frischdampf-und hoher Zwischendampfüberhitzung in den jetzt üblichen Grenzen. Die drei Niederdruckzylinder lässt man zweckmässig wie die drei Oberstufen mit etwa je 1200 Kurbelversetzung arbeiten, wodurch sich die Massen in einfacher, an sich bekannter Weise ausgleichen lassen. Daneben ergibt sich der Vorteil, 'dass das.
Drehmoment der Kolbendampf- maschine ein gleichförmiges wird, obwohl die Leistungen an den sechs Kurbeln nicht gleich gross sind. Jeder der nur ein Drittel der Niederdruckarbeit abgebenden Niederdruckzylinder wirkt ; von der Maschinenmitte aus gerechnet, mit einer der drei Oberstufen unter gleicher oder annähernd gleicher Kurbelstellung auf die Welle. Ausserdem gestalten sich die Verhältnisse für den Niederdruckdampfübcrhitzer sehr günstig. Gegenüber der Anwendung eines oder zweier Niederdruckzylinder erhält er kleineren Querschnitt ; auch ist die Dampfströmung in ihm durch die Kurbelstellung eine gleichmässige, wodurch die Wärmeübertragung eine gute und die Heizfläche vorteilhaft ausgenutzt wird.
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In.
Fig. i und 2 der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer nach der neuen Arbeitsweise arbeitenden vierstufigen Kolbendampfmaschine mit sechs Kurbeln und sechs Arbeitszylindern dargestellt.
A ist der Hochdruckzylinder, B der erste Mitteldruckzylinder, C der zweite Mitteldruckzylinder, D1, D D3 sind die drei gleich grossen Niederdruckzylinder. Die Kurbeln a,
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mitte aus gerechnet, gleiche Kurbelstellung auf. Der vom Kessel durch Leitung e kommende Frischdampf tritt in den Hochdruckzylinder A ; nach Abgabe seiner Arbeit geht der Dampf durch Leitung f nach einem von Feuergasen beheizten Zwischenüberhitzer, wird dort wieder überhitzt und gelangt durch Leitung g nach dem ersten Mitteldruckzylinder B.
Nachdem er hier gearbeitet hat, verlässt er durch Leitung h diesen und strömt nach dem Zwischen- überhitzer Et, und zwar tritt er unten ein und verlässt ihn oben durch Leitung i, um nach dem zweiten Mittel. druckzylinder C zu gelangen : Von C geht der Arbeitsdampf durch die Leitung k nach dem Zwischenüberhitzer E2, wird dort zum letzten Male überhitzt und
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Fig. g ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Zwischen- überhitzer E1, E2. Sie bestehen aus einem abnehmbaren'Mantel n, zwei Böden o und p und den in den Böden mit ihren Enden befestigten Rohrschlangen F. Der zu überhitzende Arbeitsdampf tritt durch den Stutzen q in den Apparat unten ein und verlässt ihn oben überhitzt durch den Stutzen r. Das Heizmittel, welches hochgespannter Frischdampf oder eine heisse Flüssigkeit sein kann, verteilt sich durch Stutzen s in die oberen Anschlüsse der Rohrschlangen F und verlässt diese als Kondensat oder als abgekühlte Flüssigkeit durch Stutzen t. Das Heizmittel bewegt sich also im Gegenstrom zu dem zu überhitzenden Arbeitsdampf.
PATENT-ANSPRÜCHE : i. Verfahren zur. Ausnutzung der Vakuumarbeit des Dampfes in Kolbenmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass der Niederdruckdampf auf o'g Atm. abs. oder einen geringeren Druck expandiert und so hoch überhitzt wird, dass Kolben, Deckel und Zylindermantel die Sättigungstemperatur des-eintretenden Dampfes erreichen.
2. Mehrfachexpansions-Kolbenda, mpfmaschine zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch x, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehrfacher Zwischenüberhitzung die Temperatur in dem vorangehenden Überhitzer so gross gewählt ist, dass der Dampf den nächstfolgenden Überhitzer noch im trockenen Zustande erreicht.