DE583792C

DE583792C - Heat circuit for steam power plants

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Publication number: DE583792C
Application number: DE1930583792D
Authority: DE
Original assignee: RUDOLF LOEWENSTEIN DIPL ING
Current assignee: RUDOLF LOEWENSTEIN DIPL ING
Priority date: 1930-01-24
Filing date: 1930-01-24
Publication date: 1933-09-09

Description

Wärmekreislauf für Dampfkraftanlagen Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmekreislauf für Dampfkraftanlagen. Der theoretisch beste Wärmekreislauf ist der Carnot-Prozeß. Die Bestrebungen, die bei den in Betrieb befindlichen Anlagen angewandten Wärmeprozesse dem Carnot-Prozeß anzugleichen, sind schon sehr alt. Eine vollkommene Angleichung ist jedoch wegen der bei jedem Prozeß in der Praxis auftretenden unvermeidlichen Verluste nicht möglich.Heat cycle for steam power plants The present invention relates to a heat cycle for steam power plants. Theoretically the best heat cycle is the Carnot process. The aspirations at the plants in operation to adapt the applied heat processes to the Carnot process are very old. One however, perfect convergence is due to that which occurs in practice in each process inevitable losses not possible.

Eine gewisse Annäherung an den Carnot-Prozeß erreicht man durch die in den letzten Jahren bei allen großen Anlagen durchgeführte Vorwärmung durch Anzapfdampf. Ein großer Nachteil dieses Prozesses ist allerdings darin zu erblicken, daß die Anzapfung in möglichst vielen - theoretisch unendlich vielen - Stufen erfolgen muß. Schon bei einer beschränkten Anzahl von Stufen (a oder 3) wird aber der Rohrplan reichlich verwickelt. Da außerdem die im Kondensator an das Kühlwasser übergehende Wärme für den Prozeß unwiederbringlich verloren ist, so kommt man auf die Vorschläge von Graßhoff und Zeuner zurück, die den entspannten Dampf nur stark kühlen wollten, um dann das erhaltene Dampf-Wasser-Gemisch zu verdichten und in den Kessel zu drücken.A certain approximation to the Carnot process is achieved through the In recent years all large systems have been preheated using bleed steam. A major disadvantage of this process, however, is that the Tapping must take place in as many - theoretically infinitely many - stages as possible. Even with a limited number of stages (a or 3), however, the pipe plan abundantly involved. In addition, the passing over to the cooling water in the condenser If heat is irretrievably lost for the process, then the suggestions come up back from Graßhoff and Zeuner, who only wanted to cool the relaxed steam strongly, in order to then compress the resulting steam-water mixture and press it into the boiler.

Es gibt indessen z. Zt. keine Verdichter, die mit einigermaßen brauchbarem Wirkungsgrad es ermöglichten, das in großen Mengen anfallende Dampf-Wasser-Gemisch von großem spezifischen Volumen zu verdichten. Kolbenverdichter erwiesen sich aus bekannten Gründen als unbrauchbar. Bei Kreiselverdichtern würden ebenfalls die Verluste den Vorteil überwiegen.There are, however, z. Currently no compressors that are reasonably usable Efficiency made it possible to use the steam-water mixture, which occurs in large quantities to compress of large specific volume. Piston compressors turned out to be known reasons as unusable. In the case of centrifugal compressors, the losses would also be outweigh the benefit.

Die neueren Wasser- und Dampfstrahlpumpen bieten zwar den genannten Verdichtern gegenüber in dieser Beziehung gewisse Vorteile. So bleiben bei ihnen z. sämtliche Reibungsverluste als Wärme dem Kreislauf erhalten, a. liegen bei Wasser- bzw: Dampfstrahlsaugem theoretisch keine Gründe vor, die das Verdichten von Dämpfen und Gasen in. Gegenwart von Wasser ausschlössen.The newer water and steam jet pumps offer the mentioned Compressors have certain advantages in this regard. So stay with them z. keep all friction losses in the circuit as heat, a. lie with water or: Steam ejectors theoretically do not suggest any reasons for compressing vapors and exclude gases in the presence of water.

Der erzielbare thermische Gesamtwirkungsgrad ist aber auch bei diesen Maschinen noch völlig unzureichend. Die bei den bekannten Dampfstrahlern in den meisten Fällen stattfindende Verdichtung des angesaugten Dampf-Luft-Gemisches dient daher nur dazu, Dampf von höherer Spannung zu liefern, der nachträglich in einem zweiten entsprechend kleineren, Kondensator oder Wärmeaustauscher niedergeschlagen wird. Wärmetheoretisch ergibt sich hieraus ein Gewinn, wenn als Kühlmittel das Kondensat des Hauptkondensators benutzt wird.The achievable overall thermal efficiency is also with these Machines still completely inadequate. The well-known steam jets in the In most cases, compression of the sucked-in vapor-air mixture is used therefore only to supply steam of higher voltage, which is subsequently in a second correspondingly smaller, condenser or heat exchanger knocked down will. In terms of heat theory, this results in a profit if the condensate is used as the coolant of the main capacitor is used.

Dieser Gewinn ist jedoch günstigenfalls so groß wie bei der Vorwärmung durch Anzapfdampf. Jede Vorwärmung ist aber mit einer Wärmeentwertung verbunden, da Wärme von hoher Temperatur in solche von niederer Temperatur verwandelt wird.At best, however, this gain is as great as with preheating by extraction steam. However, every preheating is associated with a heat depreciation, since heat of high temperature is transformed into that of low temperature.

Eine wirkliche Verbesserung des Wärmekreislaufes kann nur dann erreicht werden - und das ist der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung - wenn die Verdichtung so weit getrieben wird, daß der abgesaugte Dampf schon im Strahlapparat vollständig in Wasser übergeführt wird. Das ist möglich durch entsprechende Druckerhöhung bei gleichzeitiger Abführung der entstehenden Verdichtungswärme.A real improvement in the heat cycle can only then be achieved become - and that is the basic idea of the present invention - if the compression is carried out so far that the extracted steam is already in the Jet apparatus is completely transferred into water. This is possible through appropriate Pressure increase with simultaneous dissipation of the resulting compression heat.

Am besten eignet sich- für diesen Zweck der Wasserstrahlsauger. Der Wasserstrahlsauger arbeitet in der Nähe der linken Grenzkurve (siehe S-T-Diagramm). Sein Arbeitsbedarf ist daher gering. Da die Kühlung unmittelbar durch das Arbeitsmittel selbst erfolgt, wird die durch die Verdichtung entstehende Wärme im Augenblick des Entstehens abgeführt. Das Endprodukt der Verdichtung ist sogleich Wasser. Zum besseren Verständnis dieser Verhältnisse sei das in Abb. i dargestellte S-T-Diagramm herangezogen.The water jet vacuum cleaner is best suited for this purpose. Of the The water jet vacuum cleaner works near the left limit curve (see S-T diagram). His need for work is therefore low. Since the cooling is done directly by the work equipment takes place itself, the heat generated by the compression is at the moment of the Arising dissipated. The end product of the compression is immediately water. For the better For an understanding of these relationships, refer to the S-T diagram shown in Fig. I.

Nehmen wir an, wir haben Dampf vom Zustand A. Der Dampf dehne sich unter Leistung von Arbeit adiabatisch aus bis zum Druck e" Zustand B. Beim gewöhnlichen Wärmekreislauf wird der Dampf vom Zustand B kondensiert und erreicht den Zustand C. Dann wird das Kondensat in den Kessel gedrückt, erwärmt bis zur Siedetemperatur (D), verdampft (E) und überhitzt, so daß der Anfangszustand A wieder erreicht ist. Bei diesem Prozeß geht die ganze als Rechteck unter BC im Bild erscheinende Wärme an das Kühlwasser verloren und muß immer von neuem wieder zugeführt werden. Die zur Verfügung stehende Arbeit ist durch die Fläche A B C D E A dargestellt, das Verhältnis dieser Fläche zur Fläche ABQC,CDEA gibt ein Bild von dem thermischen Wirkungsgrad.Let us assume that we have steam of state A. The steam expands adiabatically with the performance of work up to the pressure e "state B. In the ordinary heat cycle, the steam is condensed from state B and reaches state C. Then the condensate is in The boiler is pressed, heated to boiling point (D), evaporated (E) and overheated, so that the initial state is reached A. During this process, all the heat that appears as a rectangle under BC in the picture is lost to the cooling water and must always be removed The available work is represented by the area ABCDEA , the ratio of this area to the area ABQC, CDEA gives a picture of the thermal efficiency.

Wird der Dampf nicht kondensiert, sondern nur stark abgekühlt (bis zum Punkt F) und dann mittels Dampfstrahler adiabatisch bis zum Punkt G verdichtet, so wird zwar die Fläche FF,C,)C an Verlustwärme gewonnen, dafür muß aber die Arbeit FCDGF als Kompressionsarbeit aufgewendet werden. Die Maschine muß jedoch für die Arbeit CDEABC ausgelegt werden. Je größer daher die Kompressionsarbeit, um so schlechter wird das Verhältnis des Arbeitsüberschusses (Fläche A BFGEA) zur Gesamtarbeit (Fläche ABCDEA) und demgemäß der Gesamtwirkungsgrad der Anlage.If the steam is not condensed, but only cooled down considerably (up to to point F) and then compressed adiabatically to point G by means of a steam jet, so the area FF, C,) C is gained in heat loss, but the work has to be done FCDGF can be used as compression work. The machine must, however, for the Work CDEABC to be interpreted. Therefore, the greater the compression work, the worse the ratio of the surplus work (area A BFGEA) to the total work (area ABCDEA) and accordingly the overall efficiency of the system.

Daraus ergibt sich, daß Vorteile nur dann zu erzielen sind, wenn die Verdichtung in, der Nähe der linken Grenzkurve (CD) erfolgt. Kondensiert man beispielsweise den Dampf von Punkt B bis Punkt H, so wird der Gewinn an Verlustwärme CHH.C.C nur mit der Arbeit CJH erkauft. Da der Abstand der Linie 2, = konst. von der absoluten o-Linie von D-E konstant ist, ergibt sich der größte Wärmegewinn in der äußersten linken- .Ecke (beim Punkt C) des Diagrammes.It follows that advantages can only be achieved if the compression takes place in the vicinity of the left limit curve (CD) . If, for example, the steam is condensed from point B to point H, the gain in heat loss CHH.CC is only bought with the work CJH. Since the distance of line 2, = const. From the absolute o-line of DE is constant, the greatest heat gain is found in the extreme left corner (at point C) of the diagram.

Diese Verdichtung ist am besten mit dem Wasserstrahler durchzuführen. Durch die Mischung mit dem Strahlwasser wird der abgesaugte Dampf immer nässer, und dieser sehr nasse Dampf ist dann unter verhältnismäßig geringem Arbeitsaufwand zu Wasser zu verdichten. Praktisch spielt sich der Vorgang ungefähr so ab, daß zunächst nur wenig (im Verhältnis zum Strahlwasser) Dampf angesaugt wird, der rasch zu Wasser verdichtet wird. Beim Ansaugen größerer Mengen Saftdampf wird eine immer größere Dampfmenge zunächst eine reine Dampfverdichtung erfahren, ehe der Druck so weit angestiegen ist, daß eine Verdichtung zu Wasser stattfinden kann; mit anderen Worten, die Verdichtungslinie entfernt sich mehr und mehr von Punkt C nach rechts, Linie HI, bis die durch die Bauart festgelegte Grenze erreicht ist. Dabei wird man im allgemeinen nicht über D hinausgehen.This compaction is best carried out with a water jet. Mixing with the water jets makes the extracted steam always wetter, and this very wet steam is then relatively easy to work to condense into water. In practice, the process takes place roughly in such a way that initially Only a small amount of steam is sucked in (in relation to the jet of water), which quickly turns into water is compressed. When larger quantities of juice vapor are sucked in, it becomes larger and larger Steam quantity first experienced a pure steam compression before the pressure reached that point has increased that compaction to water can take place; in other words, the condensation line moves further and further away from point C to the right, line HI until the limit set by the type is reached. You will be in the generally do not go beyond D.

Die bekannten Wasserstrahler haben nun sämtlich einen sehr schlechten Wirkungsgrad. Das liegt daran, daß das Ansaugen eine reine Oberflächenwirkung ist. Die Oberfläche ist beim Dampf, bezogen auf das arbeitende Kilogramm, bedeutend größer als beim Wasser. Die reine geometrische Oberfläche ist jedoch nicht allein maßgebend. Besser würde män beim Wasserstrahler sagen, die Ansaugleistung ist proportional dem Produkt Oberfläche mal Geschwindigkeit. Dieselbe Menge Strahlwasser kann mit großer Geschwindigkeit aus einer kleinen Öffnung treten, ebenso wie mit einer kleinen Geschwindigkeit aus einer großen Öffnung. Je kleiner aber der Durchmesser wird, desto günstiger wird die spezifische Oberfläche; d. h. die Oberfläche je arbeitendes Kilogramm. Höherer Wasserdruck ergibt aber größere Geschwindigkeit und damit größere Ansaugleistung. Es ist daher auch schon vorgeschlagen worden, die Wasserstrahler für einen Druck von 6 bis 8 ata zu bauen. Das lohnt sich indessen nicht, wenn der Strahler nur dazu dient, Luft aus dem Kondensator abzusaugen. Im Erfindungssinn ist ein Mehraufwand an Arbeit vom Energiestandpunkt aus jedoch völlig tragbar, da die ganze Verlustenergie als Reibungswärme erhalten bleibt.The well-known water jets now all have a very bad one Efficiency. This is because the suction is purely a surface effect. With steam, the surface area is significantly larger in relation to the working kilogram than with water. However, the pure geometric surface is not the only decisive factor. It would be better to say that the suction power is proportional to the water jet the product surface times speed. The same amount of water jets can be used Stepping out of a small opening with great speed, as well as with a small one Speed from a large opening. But the smaller the diameter becomes, the more favorable the specific surface area becomes; d. H. the surface ever working Kilogram. However, higher water pressure results in greater speed and therefore greater Suction power. It has therefore already been proposed to use the water jet to build for a pressure of 6 to 8 ata. However, it's not worth it if the Radiator only serves to suck air out of the condenser. In the sense of invention However, an additional workload from the energy standpoint is completely acceptable because all of the lost energy is retained as frictional heat.

Es wird deshalb weiterhin vorgeschlagen, den Druck des Strahlwassers sehr hoch (etwa ioo at und darüber) zu wählen. Dann ist im Fördermittel eine so große Energiemenge aufgespeichert, daß es auch unter Aufwand verhältnismäßig .geringer Fördermittelmengen imstande ist, große Mengen Dampf abzusaugen und zu verdichten. Die Verdichtung auf etwa ioo ata ist bei Wasser also einmal notwendig, um die nötige Energie zur Dampfverdichtung zu haben, und zweitens vorteilhaft infolge größerer Ansaugleistung.It is therefore still proposed to increase the pressure of the water jets very high (about ioo at and above) to choose. Then there is one in the funding large amount of energy stored so that it is relatively .lower with effort Funding is able to extract and compress large amounts of steam. The compression to about ioo ata is therefore necessary once in the case of water in order to achieve the necessary To have energy for vapor compression and, secondly, advantageous as a result of larger Suction power.

Eine weitere Vergrößerung der Oberfläche läßt sich dadurch erzielen, daß man dem Wasserstrahl einen Strahl hochgespannten Dampfes beigibt. Der Wasserstrahl tritt auch hier mit hoher Geschwindigkeit in den Strahler ein. Der Dampfstrahl bildet den Kern des Strahles und dient dazu, den Wasserstrahl sozusagen aufzuweiten, d. h. also, ihm eine größere Oberfläche zu geben. Hierbei kann durch den Dampfstrahl noch Energie an den Wasserstrahl abgegeben werden. Dadurch nämlich, daß der Dampf, der übrigens sowohl einer Dampferzeugungsanlage als auch einer Stufe der Arbeitsmaschine entnommen sein kann, sich auf die Temperatur des Strahlwassers entspannt, werden große Energiemengen frei, die zur Verdichtung bis auf den vorherigen Abdampfdruck nur zum Teil benötigt werden, weil ja diese Verdichtung unter der kühlenden Wirkung des Strahlwassers vor sich geht. Es ist indessen unter allen Umständen darauf zu achten, daß wenigstens anfangs der Unterschied der Geschwindigkeit beider Strahlen nicht allzu groß ist, damit nicht durch die sonst auftretenden großen Stoßverluste der ganze Vorteil wieder aufgehoben wird. Ein Ansaugen des Strahlwassers durch den Dampfstrahl, wie es früher einmal vorgeschlagen worden ist, würde dem Sinn der Erfindung direkt zuwiderlaufen.A further enlargement of the surface can be achieved by that one is the water jet adding a jet of high-tension steam. Here, too, the water jet enters the heater at high speed. The steam jet forms the core of the jet and serves to act as the water jet to expand, d. H. in other words, to give it a larger surface. This can be done by the steam jet still energy can be transferred to the water jet. Namely, that the steam, by the way, both a steam generating plant and a stage can be taken from the working machine, on the temperature of the water jets relaxed, large amounts of energy are released, which are necessary for compression up to the previous one Evaporation pressure is only partly required because this compression is under the cooling Effect of the water jets is going on. It is, however, on it under all circumstances care must be taken that at least initially the difference in the speed of the two rays is not too large, so that it is not caused by the large shock losses that otherwise occur the whole advantage is canceled again. A suction of the water jets through the Steam jet, as it has been suggested earlier, would be within the scope of the invention directly run counter to.

In Abb. 2 und 3 sind zwei im Sinne der vorliegenden Erfindung ausgestaltete Strahlapparate im Schnitt dargestellt. Bei dem Strahler nach Abb. 2 wird der abzusaugende Dampf in bekannter Weise so geführt, daß er sich sowohl an der Innen- als auch an der Außenseite des rohrförmigen Wasserstrahlers befindet. Die Wasserstrahldüse i ist zu diesem Zweck ringförmig ausgebildet. Durch die Ringöffnung 2 und die zentrische Öffnung 3 wird der Abdampf angesaugt; er entspannt sich infolge der Bemessung dieser Düsenöffnung auf die Temperatur des bei 7 zutretenden Strahlwassers. Der Zutritt des Abdampfes in den Apparat erfolgt bei q.. Von hier gelangt er zum Teil unmittelbar nach 2, zum andern Teil durch Öffnungen im Wassergehäuse bei 5 nach 3. Um Kondensationsverluste des eintretenden Dampfes zu vermeiden, ist das Wassergehäuse an allen Stellen, wo die Temperatur des Dampfes noch wesentlich höher als die des Wassers sein kann, also bis etwa zur Linie A-A, gegen Wärmeaustausch isoliert. Die Ausgestaltung des Diffusors wird durch den Einsatzkörper 6 erleichtert, der außerdem gestattet, das Strahlwasser so zu führen, daß es keine Richtungsänderung vorzunehmen braucht. Die eigentliche Verdichtung des Dampfes beginnt bei B-B und ist bei C-C an der engsten Stelle schon zu Ende. In dem sich erweiternden Teil findet dann nur noch eine Verzögerung des Warmwassers und damit eine Umsetzung von Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie statt. Abb. 2 a zeigt den Temperaturverlauf im Innern des Strahlers. In Abb.3 ist ein kombinierter Dampf-Wasser-Strahler dargestellt. Die Bezeichnungen sind im wesentlichen die gleichen wie bei Abb. 2. Neu hinzu tritt die Düse für den Frischdampf, die mit 8 bezeichnet ist. Wie man sieht, wird bei dieser Düse der Frischdampfstrahl von einem ringförmigen Wasserstrahl eingehüllt und durch diesen Wasserring vollkommen von dem Ansaugdampf getrennt. Die - Strahlwassermenge muß dabei so bemessen werden, daß sie imstande ist, sowohl den Ansaugdampf als auch den Strahldampf weitgehend zu kühlen. .In Fig. 2 and 3, two are designed in accordance with the present invention Jet devices shown in section. In the case of the radiator according to Fig. 2, the Steam in a known manner so that it can be both on the inside and on the outside of the tubular water jet is located. The water jet nozzle i is ring-shaped for this purpose. Through the ring opening 2 and the central Opening 3 the exhaust steam is sucked in; he relaxes as a result of the dimensioning of this Nozzle opening to the temperature of the jet water entering at 7. The entrance of the exhaust steam into the apparatus takes place at q .. From here some of it comes directly to 2, on the other hand through openings in the water housing at 5 to 3. To condensation losses To avoid the steam entering, the water housing is in all places where the temperature of the steam can be significantly higher than that of the water, So up to about line A-A, insulated against heat exchange. The design of the Diffuser is facilitated by the insert body 6, which also allows the To guide water jets in such a way that it does not need to change direction. the actual compression of the steam begins at B-B and is narrowest at C-C Already finished. There is then only one delay in the expanding part of the hot water and thus a conversion of speed energy into pressure energy instead of. Fig. 2a shows the temperature profile inside the heater. In Fig 3 is a combined steam-water heater is shown. The designations are essential the same as in Fig. 2. Newly added is the nozzle for the live steam that comes with 8 is designated. As you can see, the live steam jet is from enveloped in a ring-shaped jet of water and completely through this ring of water separated from the suction steam. The amount of water jets must be measured in such a way that that it is able to largely remove both the suction steam and the jet steam to cool. .

Abb. q. zeigt, wie sich der Strahlverdichter in den Wärmekreislauf einer Dampfkraftanlage einfügt. Von dem Kessel i gelangt der Dampf durch die Hauptleitung 6 in die Turbine 2. Von der Leitung 6 ist eine Dampfleitung 7 abgezweigt, durch die Frischdampf in den Strahlapparat a,, 5 eintritt. Das Kondensat wird aus dem Kondensator 3 durch eine Leitung 8 abgezogen und fließt über die Pumpe 9 und die Druckleitung io der Düse q. zu, in der es sich zugleich mit dem Frischdampf entspannt. In der Pumpe 9 ist das Kondensat vorher auf einen sehr hohen Druck (ioo ata) verdichtet worden. Ein Teil des Abdampfes der Maschine wird durch die Leitung ii vor dem Kondensator abgesaugt und im Diffusorteil5 zu Wasser verdichtet, das dann über die Leitung 12 unmittelbar in den Kessel gedrückt wird. Statt des Frischdampfes kann auch Anzapfdampf zugesetzt werden (i4).Fig.q. shows how the jet compressor works in the heat cycle a steam power plant. The steam passes from the boiler i through the main line 6 into the turbine 2. A steam line 7 is branched off from the line 6, through the live steam enters the jet apparatus a ,, 5. The condensate is from the Condenser 3 withdrawn through a line 8 and flows through the pump 9 and the Pressure line io of the nozzle q. to, in which it relaxes at the same time as the live steam. In the pump 9, the condensate is previously compressed to a very high pressure (ioo ata) been. Part of the exhaust steam from the machine is passed through line ii upstream of the condenser sucked off and compressed in the diffuser part 5 to water, which then via the line 12 is pressed directly into the boiler. Tap steam can also be used instead of live steam be added (i4).

Es ist bekannt, daß die Ansaugleistung weiterhin stark vom Vakuum abhängig ist. Je dichter der abgesaugte Dampf, um so größer die Ansaugleistung pro Kilogramm Treibmittel. Es kann daher unter Umständen vorteilhaft sein, den Dampf nicht unmittelbar vor dem Kondensator abzusaugen, sondern eine der letzten Stufen anzuzapfen.It is known that the suction power continues to depend heavily on the vacuum is dependent. The denser the extracted steam, the greater the suction power per Kilograms of propellant. It can therefore be advantageous under certain circumstances to use the steam not to be sucked off immediately in front of the condenser, but one of the last stages to tap into.

Claims

PATENT CLAIMS i. Heat cycle for steam power plants, in which all or part of the relaxed steam is compressed and immediately fed back to the boiler, characterized in that the steam in a water jet apparatus, which the motive water with high pressure, z. B. ioo at, is completely or almost completely condensed by increasing its pressure while dissipating the resulting heat of compression, the compression taking place approximately in the extreme corner of the left limit curve of the ST diagram.

2. Heat circuit according to claim i, characterized in that as a propellant the condensate of the residual steam brought to high pressure is used.

3, heat cycle according to claims i and 2, characterized in that the water jet high-pressure steam is added, in such a way that the core of the propellant jet is formed by the steam, while the water jet forms the steam jet like a jacket surrounds. q .. heat cycle according to claim 3, characterized in that; that the as. Propellant serving steam is taken from the heat engine. 5. Heat cycle according to claims z to q., characterized in that the to be compressed in the radiator Steam is taken from a stage of the heat engine.