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Abhitzekessel Die Erfindung betrifft einen Abhitzekessel, der mit
Zusatzfeuerung für die Ausnutzung heißer, sauerstoffhaltiger Abgase von Brennkraftmaschinen
versehen ist.
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Die Abgase beispielsweise einer Gasturbine mit Arbeitsverfahren im
offenen Kreislaüf sind nach Volumen und Temperatur für die Verwendung in einem Abhitzekessel
gut geeignet. Es ist aber klar, daß man nur geringe Kontrolle über das Volumen oder
die Temperatur der Abgase hat, da die erste Aufgabe der Treibstoffverbrennung in
der Maschine der Antrieb der Maschine unter den dort herrschenden Bedingungen ist,
während die Dampferzeugung oder andere Aufgaben des Abhitzekessels eine sekundäre
und durchaus untergeordnete Frage bedeuten. So möchte man bekanntlich gern die Lieferung
von Wärme aus den Abgasen willkürlich ergänzen können, indem man aus einer besonderen
Brennstoffvorrichtung Wärme zusetzt.
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Man kennt Abhitzekessel, in denen eine zusätzliche Erhitzung der Abgase
dadurch gewonnen wird, daß Treibstoff in den Abgasstrom unmittelbar neben der Wärmeübergangsfläche
eingeblasen oder eingespritzt wird. Im Fall einer Gasturbine kann es sein, daß durch
die Verbrennung in der Turbine der Sauerstoffgehalt sich nur um etwa a5 % vermindert
hat, so daß noch reichlich freier Sauerstoff verfügbar ist, um den zusätzlichen
Treibstoff damit zu verbrennen. Wenn man aber
auf diesem Wege Wärme
zufügt, so wirkt ein beträchtlicher Teil der Abgase als Temperaturverdünner auf
die zusätzlichen Verbrennungsgase, sehr zum Nachteil des Wirkungsgrades der Wärmeübertragung.
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Weiterhin sind Abwärme- oder Abhitzekessel bekanntgeworden, bei denen
die Abgase nach Wärmeabgabe an den ersten Kesselteil durch Einführung von Brennstoff
ohne oder mit Luftüberschuß eine Zwischenaufheizung erfahren, wobei der in den Abgasen
überschüssige Sauerstoff praktisch ganz durch die Verbrennung des eingeführten Brennstoffes
aufgebraucht wird. Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Temperaturen
im ersten Teil des Kessels ebenfalls noch zu niedrig liegen, so daß der Gesamtwirkungsgrad
des Kessels nicht sehr gut wird.
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Die Erfindung bezweckt eine Verbesserung dieser bekannten Anordnungen
durch Erzeugung von Gasen hoher Temperatur und deren Verwendung mit erhöhtem Wirkungsgrad
des Wärmeüberganges.
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Mit der Blickrichtung auf dieses Ziel umfaßt ein erfindungsgemäßer
Abhitzekessel die folgenden Kombinationsmerkmale: a) einen I-Jauptkanal für die
Aufnahme eines Teiles der sauerstoffhaltigen Abgase aus einer Brennkraftmaschine;
b) einen Hilfs- oder Sekundärkanal für die Aufnahme eines anderen Teiles dieser
Abgase; c) eine Vorrichtung zum Einführen von Brennstoff in den Hilfskanal, um ihn
mit dem Sauerstoff in den darin befindlichen Gasen zu verbrennen und heißere Gase
zu gewinnen; d) einen Wärmetauscher für das zu erhitzende Medium, der so angeordnet
ist, daß er den heißeren Gasen Wärme entnimmt; e) einen weiteren Wärmetauscher für
das Medium, der so angeordnet ist, daß er die Wärme aus den Gasen, die den zuerst
genannten Wärmetauscher passiert haben, und aus Gasen nimmt, die den Hauptkanal
durchströmen.
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Vorzugsweise soll der Hauptkanal so beschaffen sein, daß er den größeren
Teil der Abgase aufnimmt, während der Hilfskanal den verbleibenden Rest übernimmt.
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Ferner sieht man vorzugsweise einen Kanal oder eine Kammer vor, um
die Gase, die aus dem oben unter d) erwähnten ersten Wärmetauscher kommen, und die
Gase aus dem Hauptkanal aufzunehmen und zu vermischen, und man legt den anderen
Wärmetauscher so, daß er Wärme aus den miteinander vermischten Gasen entnimmt.
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Zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachstehend
beschrieben und durch die Zeichnungen veranschaulicht.
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Fig. i ist ein senkrechter Längsschnitt durch einen Kessel nach der
einen Ausführungsform der Erfindung; Fig. a ist ein senkrechter Schnitt nach der
Linie Il ... II von Fig. 3 durch einen Kessel der anderen Ausführungsform;
Fig.3 ist ein waagerechter Schnitt durch den Kessel aus Fig.2, wobei aus Gründen
der Deutlichkeit einzelne Teile weggelassen sind. Der Abhitzedampfkessel nach Fig.
i ist dem Dampfkessel nach Art der Flammrohr-Rauchrohrkessel ähnlich: der Kesselmantel
i enthält ein Flammrohr 2 und ein Bündel enger Rauchrohre 3. Das Flammrohr 2 hat
einen Ölbrenner .4 an seinem vorderen Ende und mündet an seinem hinteren Ende in
eine Kammer 5. Die Rauchrohre 3 verbinden die hinten liegende Kammer 5 mit dem Schornstein
oder einem anderen Rauchkanal 6. Verglichen mit dem gewöhnlichen Flammrohr-Rauchrohrkessel
ist bei dem hier beschriebenen Kessel der Querschnitt des Rauchrohrbündels 3 im
Verhältnis zu dem Querschnitt des Flammrohrs 2 erheblich größer.
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Der Hauptstrom der Abgase aus einer Brennkraftturbine tritt in die
Kammer 5 ein. und geht durch das Rauchrohrbündel3 in den Schornstein, wie es die
Pfeile A andeuten.
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Ein Hilfsstrom von Abgasen wird an einer Stelle vor der Kammer 5 (in
Strömungsrichtung oberhalb davon) abgezweigt; ein Gebläse 7 in einem Kanal 8 treibt
ihn mit erhöhtem Druck in das vordere Ende des Flammrohrs 2, wo er mit einer durch
den Brenner q. zugeführten Zusatzmenge Treiböl verbrannt wird. Dieser Hilfsstrom,
der durch das Flammrohr 2 geht, steht im Wärmeaustausch mit dem Wasser im Kesselmantel,
während er noch eine sehr hohe Temperatur hat; erst beim Erreichen der Kammer 5
wird er, wie der Pfeil B zeigt, mit dem Hauptstrom vermischt und durch ihn verdünnt.
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So kann der Hauptstrom der Abgase eine Temperatur von etwas über ¢0o°
C haben, während die Temperatur am vorderen Ende des Flammrohrs 2 20000 C betragen
kann, also annähernd so viel, wie man in einer normalen Ölverbrennung mit künstlichem
Zug erreichen kann. Die Verluste, die man erwarten muß wegen der Tatsache, daß die
Turbinengase zu etwa :25010 verbraucht sind, werden ausgeglichen durch den Umstand,
daß sie dem Brenner mit einer Temperatur von mehr als 4oo° C zugeführt werden. Wenn
dann der Hilfsstrom bei seiner Rückkehr in den Hauptstrom am hinteren Ende des Flammrohrs
eine Temperatur hat, die nicht viel über der des Hauptstroms liegt, was tatsächlich
möglich ist, so bedeutet das nichts anderes, als daß der zusätzliche Treibstoff
mit annähernd ioo% Wirkungsgrad verbrannt worden ist. Die normale Praxis zeigt,
daß die Temperatur am Abgasende eines Flammrohr-Rauchrohrkessels in der Größenordnung
von 6oo° liegen kann.
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Was die in der Einrichtung vorherrschenden Drücke anbelangt, so kann
der Druck im Hauptstrom etwa ioo mm WS betragen, während das Druckerhöhungsgebläse
den Druck von ioo auf etwa 125 mm WS erhöhen kann.
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Geeignete (nicht gezeichnete) Steuerungen dienen dazu, die Drücke
und die Brennstoffzufuhr zu regeln; die Gasverteilung zwischen Haupt- und Hilfsstrom
wird durch Klappen 9 in der Kammer 5 geregelt.
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In der Ausführungsform nach Fig. 2 und 3 enthält ein Wasserrohrkessel
eine obere und eine
untere Trommel io, ii, die durch ein Bündel
von Rohren 12 verbunden sind. Die Trommeln io, i i sind in einen Mantel 13 eingebaut,
und die Rohre 12 sind in einer Kammer 15 eingeschlossen, die durch eine Seitenwand
des Kesselmantels 13 und eine Trennwand 14 begrenzt wird, die sich von der Vorderwand
des Kesselmantels bis zu einer Linie kurz vor der hinteren Endwand erstreckt, wie
aus Fig. 3 deutlich zu erkennen ist. Weitere Wasserrohre 16 verbinden die Trommeln
io und i i ; sie liegen in einem Verbrennungsraum 17 im Kesselmantel auf der Seite
der Trennwand, die der Kammer 15 gegenüberliegt.
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Der Hauptstrom der Abgase aus einer Brennkraftturbine tritt am hinteren
Ende des Kesselmantels 13 in die Irammer 15 ein und verläßt sie am vorderen Ende
durch den Schornstein 18, wie die Pfeile C angeben. Ein Hilf sstrim von Abgasen
ist an einer Stelle vor der Kammer 15 vom Hauptstrom abgezweigt und wird nach Druckerhöhung
durch ein Gebläse ig in einem Kanal 2o in die Verbrennungskammer 17 gedrückt, wo
er mit einer durch einen Brenner 21 zugeführten Zusatzmenge Treiböl verbrannt wird.
Der Hilfsstrom geht durch die Verbrennungskammer 17 und steht in Wärmeaustausch
mit dem Wasser in den Rohren 16, während er noch eine hohe Temperatur hat, wie oben
beschrieben wurde. Er verläßt die Kammer 17 durch den Raum zwischen der Hinterwand
des Kesselmantels 13 und der Trennwand 14. und wird mit dem Hauptstrom gemischt
und verdünnt, wie der Pfeil D zeigt.
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Wie in der vorher beschriebenen Ausführungsform sind (nicht gezeichnete)
Steuerungen vorgesehen, um die Drücke und die Brennstoffzufuhr zu regeln, und Klappen
22 dienen dazu, den Fluß der Gase auf den Haupt- und Hilfsstrom zu verteilen.
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Wegen des normalen Charakters der zusätzlichen COlfeuerung kann man
die Einrichtung sicher und wirtschaftlich auch dann betreiben, wenn die Kraftmaschine
nicht läuft: die Feuerung ergibt dann die Hauptheizung und nicht bloß eine Hilfsheizung.
Dementsprechend kann in beiden Bauarten eine Vorkehrung getroffen werden, um an
Stelle des Hilfsstroms von Abgasen oder zusätzlich zu diesem atmosphärische Luft
einzuführen, die den zusätzlichen Brennstoff zu verbrennen hat. Regelklappen, bei
beiden Darstellungen mit 23 bezeichnet, sind in den Kanälen 8 und 2o angebracht,
um den Durchgang des Hilfsstroms von Abgasen zu dem Treibstoffbrenner zu öffnen,
zu schließen oder zu regeln.