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Verfahren zum Betrieb von Grenzdampfkraftanlagen, bei denen der Dampf
in der Nähe des kritischen Druckes erzeugt wird. Will man Dampf in der Weise erzeugen,
daß an keiner Stelle des Erzeugungsverfahrens eine unstetige Trennung von Dampf
und Flüssigkeit eintritt, so verwendet man das sogenannte Grenzdampfverfahren. Dieses
verläuft so, daß das Arbeitsmittel unter einem Druck, der in der Nähe des kritischen.
Druckes liegt, durch ein beheiztes Rohrsystem gedrückt wird und daß die Wärmezufuhr
so geregelt wird, daß im Erhitzer die kritische Temperatur überschritten wird. Bei
diesem Verfahren geht nach bekannten physikalischen Gesetzen die Flüssigkeit durch
einen Grenzübergang im kritischen. Punkt stetig in die Dampfform über, im Gegensatz
zu anderen Dampferzeugungsverfahren, bei denen eine unstetige Scheidung von Dampf
und Flüssigkeit von gleicher Temperatur, aber von verschiedenem spezifischen Gewicht
und verschiedenen physikalischen Eigenschaften eintritt. Da man das Arbeitsmittel
mit dem hohen Druck, der bei Wasser 225 Atmosphären beträgt, nicht zum unmittelbaren
Antrieb einer Kraftmaschine verwenden will, so drosselt man es auf den Gebrauchsdruck,
wobei man aber die Wärmezufuhr so einregelt, daß eine unstetige Scheidung von Dampf
und Flüssigkeit an keiner Stelle des Erzeugungsverfahrens eintritt.
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Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist nun ein Verfahren zum Betrieb
derartiger Grenzdampfkraftanlagen, und zwar soll der Druck und die Temperatur des
Arbeitsmittels gleichzeitig durch an sich bekannte Mittel in Abhängigkeit von den
Leistungsschwankungen der Anlage selbsttätig so eingeregelt werden, daß im Erhitzer
der Druck ständig in der Nähe des kritischen Druckes und in allen Stufen des Dampferzeugungsverfahrens
die Temperatur auf einer solchen. Höhe gehalten wird, daß eine unstetige Scheidung
von Dampf und Flüssigkeit an keiner Stelle des Dampferzeugungsverfahrens eintreten
kann.
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Durch die vorliegende Erfindung wird es erst möglich, Grenzdampfanlagen
praktisch zu verwerten. Das Wesen der Grenzdampferzeugung bringt es mit sich, daß
eine plötzliche Druckabsenkung zur Folge haben würde, daß sich Dampf aus der Flüssigkeit
in unstetigen
L`bergange entwickelt, d. h. es würden plötzlich
Dampf und Flüssigkeit von gleicher Temperatur, aber von verschiedenem spezifischen
Gewicht nebeneinander bestehen und dadurch die Dampferzeugung gestört werden.
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Es sei angenommen, daß plötzlich ein erhöhter Dampfbedarf eintritt.
Da die Speisepumpe auf eine, bestimmte Menge eingeregelt ist, so würde detr erhöhte
Dampfbedarf eine schnelle Druckabsenkung im Erzeuger zur Folge haben, um so mehr,
als dieser keinen Speicherraum besitzt, sondern im wesentlichen lediglich aus einem
beheizten Rohrsystem besteht. Würdet man nun, wie es bei anderen Dampfkraftanlagen
bekannt ist, nur die Speisepumpe selbsttätig regeln, so würde es zwar gelingen,
durch Vermehrung der Speisewassermepge den Druck in der Anlage wieder zu erhöhen,
-es würde aber -gleichzeitig die Temperatur absinken, da ja die Feuerung zunächst
nur eine(r bestimmten Fördermenge der Pumpe angepaßt ist. Es genügt also nicht,
allein .die Pumpe zu regeln, sondern es mußerfindungsgemäß gleichzeitig die Feuerung
eingeregelt werden.
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Es war bereits <gesagt, daß das Arbeitsmittel vor seiner Verwendung
gedrosselt werden solle.. Um die Lieferung der Dampferzeugungsanlage zur Kraftmaschine;
dem wechselnden Bedarf anzupassen, muß also auch das Drosselorgan geregelt werden,
damit sein Durchflußquerschnitt entsprechend den Bedarfsschwankungen gqä.ndert werden
kann.
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In den Abbildungen ist eine Reihe von Regejmöglichkeiten dargestellt,
die sich als besonders zweckmäßig für die Durchführung des Verfahrens darstellen.
In allen den Skizzen bedeutet i den Erhitzer, 2 den Überhitze<, 3 die Speisepumpe,
q. die Kraftmaschine, 5 die Feuerung, 6 die Frischdampfleitung, 7 das Drosselvegitil
zwischen Erhitzer und Oberhitze<. Durch gestrichelte Linien ist angedeutet, welche
Impulse auf die verschiedenen Einrichtungen einwirken, und zwar sind mit p Druckimpulse,
mit T Temperaturimpulse bezeichnet. Die> Pfeile geben an, in welcher Richtung die
Impulse wirken.
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Die auftretenden Leistungsschwankungen der Anlage ,äußern sich entweder
im Druck oder der Temperatur des Arbeitsmittels in der Frischdampfleitung, oder
sie äußern sich, falls die Kraftmaschine einen elektrischen Stromerzeuger antreibt,
zunächst in der Leistungsabgabe dieses Stromerzeugers und dann erst in der Frischdampfleitung,
oder sie äußern sich in der Abdampfleitung der Kraftmaschine. Je nachdem die Anlage
mit oder ohne Wärmespeicher arbeitet, sind auch die Regelmöglichkeiten verschieden.
Die Abbildungen geben nicht alle Regelmöglichkeiten an, sondern nur die, deren Verwendung
gemäß der Erfindung sich als besonders zweckmäßig erweisen.
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In Abb. i ist dargestellt, daß die Drosseleinrichtung in Abhängigkeit
von den Druckschwankung-en in der Frischdampfleitung verstellt wird. Steigt beispielsweise
der Dampfbedarf der Maschine ¢ an, so muß. mehr Dampf in die Frischdampfleitung
geschickt werden. Da bei ;erhöhtem Djampfbedarf der Kraftmaschine ¢ der Druck in
der Frischdampfleitung 6 absinkt, so wird ein Druckimpuls p dazu verwendet, um das
Drosselventil 7 weiter zu öffnen. Geschieht dies, so fällt aber gleichzeitig der
Druck im Erhitzer i ab. Es ist also ein weiterer Druckimpuls vorgesehen, der die
Speiseeinrichtung,, beispielsweise durch Verstellen eines Ventils 8, so einregelt,
daß durch .entsprechende Erhöhung der Fördermenge der Druck im Erhitzer i wieder
bis in die Nähe des kritischen Druckes gehoben wird. Durch diese beiden Mittel wülrde
es zwar gelingen, den Druck auf der verlangten Höhe zu halten. Es würde aber eine
Abkühlung eintreten, -da die Feuerung ja nicht der erhöhten Fördermenge angepaßt
ist. Infolgedessen ist ein weiterer Impuls vorgesehen, und zwar ein Temperaturimpuls
T, der die Feuerung in Abhängigkeit von der Temperatur des -Arbeitsmittels in der
Frischdampfleitung so einregelt, daß eine unstetige Scheidung von Dampf und Flüssigkeit
vermieden wird. Die Höhe der Temperatur, auf die die Feuerung eingeregelt werden
soll, hängt naturgemäß von den Betriebsbedingungen ab, so daß sich genauere Angaben
hierüber nicht machen lassen.
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In Abb.2 ist dieselbe Anlage dargestellt. Die Feuerung wird, wie im
Falle der Abb. i, durch einen Temperaturimpuls gesteuert. Der Druckimpuls von der
Frisehdampfleitung wirkt in diesem Falle jedoch nicht auf die Drosselung zwischen
Erhitzer und Überhitze<, sondern unmittelbar auf die Speiseeinrichtung. Die Regelung
verläuft also ,jetzt so, daß bei sinkendem Druck in der LeitunZ 6 die Speisung vermehrt
und bei der hierbei eineetenden Drucksteigerung im Erhitzer i die Drosselung 7 in
Abhängigkeit vom Erhitzerdruck weiter geöffnet wird, so daß die Leitung 6 eine größere
Dampfmenge erhält.
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Da die Temperatur in der Leitung 6 ab-, hängig ist von der Menge des
Arbeitsmittels, das durch die Speiseeinrichtung gefördert wird, so kann, wie Abb.3
zeigt, .die Pumpe auch in Abhängigkeit von der Temperatur in der Leitung 6 geregelt
werden und dementsprechend die Feuerung und die Drosselung in Abhängigkeit vom Druck.
Dje Wirkung der Einrichtung ergibt sich sinngemäß aus -dem bereits Geschilderten.
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Während bei den bisher dargestellten Einrichtungen
nur
Druck und Temperatur als Regelimpulse verwendet wurden, zeigt Abb. 4 eine Einrichtung,
bei der ein Mengenimpuls (9) eingeführt ist. Der Teil 9 kann beispielsweise Ein
Venturirohr oder eine Stauscheibe sein. Die Speiseeinrichtung 3, $ kann entweder
in Abhängigkeit vom Druck oder der Temperatur und .dementsprechend die Feuerung
in Abhängigkeit von der Temperatur oder vom Druck in der Leitung 6 geregelt werden.
Die Drosselung 7 wird dann in Abhängigkeit von der Menge des geförderten Mittels
verstellt, und zwar in der Weise, daß einer vergrößerten Durchflußmenge durch die
Vorrichtung 9 ein größerer Drosselquerschnitt entspricht und umgekehrt.
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In den Abb.5 und 6 ist der Fall dargestellt, daß die Kraftmaschine
einen elektrischen Stromerzeuger antreibt. Schwankungen in der Belastung wirken
sich dann zunächst in Einer Änderung der elektrischen Leistung aus, ehe sie auf
den Dampfbedarf einwirken. Es kann deshalb zweckmäßig sein, den primären Einfluß
der elektrischen Leistungsänderung als Regelimpuls zu verwenden.
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In Abb.5 wird die Speiseeinrichtung, in Abb. 6 die Feuerung in Abhängigkeit
von den elektrischen Leistungsschwankungen eingeregelt. Nach Abb. 5 steht die Drossel
7, wie in Abb. z, unter der Wirkung des Erhitzerdruckes und die Feuerung unter dem
Einfluß der Temperatur des Arbeitsmittels der Leitung 6. Im Falle der Abb. 6 wird
die Drossel durch einen Temperaturimpuls T gesteuert, und in diesem Falle muß. der
Druckimpuls zur Regelung der Speisevorrichtung hinter dem Erhitzer angebracht sein,
um vor der Drossel einen bestimmten Druck aufrechtzuerhalten.
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Bei der Verwendung von Zentrifugalpumpen genügt im übrigen vielfach
die Regelurig durch die Drossel, so daß die besondere Regelung der Speiseeinrichtung
in Fortfall kommen kann.
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Die Abb.7 und 8 zeigen Kraftanlagen mit einem Wärmespeicher. Bei derartigen
Einrichtungen gelingt es, Temperatur- und Druckschwankungen des Arbeitsmittels vom
Dampferzeuger fernzuhalten, so daß eine Verstellung der Speiseeinrichtung der Drossel
und der Feuerung unterbleiben kann, und zwar kann man entweder, wie die Abb. 7 zeigt,
den Wärmezufluß zum Speicher in Abhängigkeit vom Dxuok des Arbeitsmittels in der
Frischdampfleitung 6 oder, wie es Abb. 8 zeigt, in Abhängigkeit vom Druck in der
Gegendruckleitung i o Beinregeln: 'Das Schema der Abb. 7 zeigt eine Vorschaltmaschine
i i, die auf eine Gegendruckleitung 12 arbeitet, an die einerseits ein Speicher
13, anderseits eine Kondensationsmaschine 1.1 angeschlossen ist Vorschalt- und Kondensationsmaschine
werden durch Geschwindigkeitsregler gesteuert. Wird der Dampfbedarf der Anlage geringer,
so würde, da der Dampferzeuger eine ,gleichbleibende Dampfmenge liefert, der Druck
in der Frischdampfleitung-6 wieder ansteigen. Durch diese Drucksteigerung wird das
Überströmventil15 vor dem Wärmespeicher geöffnet, so daß der überschüssige Dampf
in den Speicher 13 hineingeleitet wird. eine Druckschwankung sich also nicht im
Erzeuger bemerkbar machen kann. Bei der Anlage nach Abb. 8 erhält die Vorschaltmaschine
ein überströmv.entil 16. Nicht verbrauchter Dampf würde eine Drucksteigerung in
der Gegendruckleitung io zur Folge haben. Diese wird dadurch ausgeglichen, daß ein
überström-Ventil 17, das in Abhängigkeit vom Druck in der Leitung zo ;gesteuert
wird, sich öffnet, so daß der Dampf in den Speicher abströmen kann.
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Abb. 9 zeigt ein Beispiel, bei der die Feuerung unter der Einwirkung
von zwei Impulsen steht, und zwar unter der Wirkung eines Druck- und eines Temperaturimpulses.
Diese Anordnung kann zweckmäßig sein aus folgenden Gründen: Die Dxossel7 wird von
einem Druckimpuls in Abhängigkeit vom Druck in der Leitung 6 gesteuert, desgleichen
die Speiseeinrichtung durch einen Druckimpuls in Abhängigkeit vom Druck im Erzeuger,
während die Feuerung durch einen Temperaturimpuls inAbhängigkeit von der Temperatur
des Arbeitsmittels in der Leitung 6 eingeregelt wird. Bei dieser Regelung kann es
nun vorkommen, daß zwar der Druck im Erzeuger und in der Frischdampfleitung die
richtige Höhe hat und daß auch die Temperatur des Arbeitsmittels in der Frischdampfleitung
richtig ist. Es kann aber trotzdem möglich sein, daß die Temperatur im Erhitzer
zu niedrig ist. Wird jedoch, wie es das Schema zeigt, die Feuerung gleichzeitig
von demselben Druckimpuls gesteuert wie die Speiseeinrichtung, so wird die Temperatur
bei geänderter Fördermenge gleichzeitig geänIdext. Der Druckimpuls wirkt dabei als
Grobregelung, während die Temperaturregelung die Feinregelung bildet. Dementsprechend
kann naturgemäß auch die Speiseeinrichtung unter die Wirkung eines Druck- und eines
Temperaturimpulses gestellt werden.