Ausnutzung des Auspuffdampfes von Dampfmaschinen in einer mit einem Wärmespeicher verbundenen Niederdruckdampfturbine. Ausnutzung des Auspuffdampfes von Dampfmaschinen usw. In Belgien und Frankreich ist schon seit einiger Zeit ein Vorschlag viel besprochen, den der bekannte. Professor M. A. Rateau gemacht hat; und nachdem jetzt seit Monaten die von ihm vorgeschlagene Anlage im Betriebe sich durchaus bewährt hat, möge im folgenden eine kurze Beschreibung der ganzen Einrichtung nebst näheren Angaben über die Betriebsergebnisse gegeben sein. Wir folgen darin einem Aufsatze, den Rateau selbst in dem Bulletin de la Société de l'Industrie Minérale veröffentlicht hatQuatrième Série Tome II, Ire Livraison, 1903.. Wir müssen, um zu begreifen, um was es sich handelt, zunächst kurz darauf eingehen, welche Energie sich einer Dampfmenge von bestimmter Spannung entziehen lässt. Die Wärmetheorie lehrt, dass bei vollständiger Expansion eines kg trocken gesättigten Dampfes von einem Druck P auf einen Gegendruck p eine Leistung von N=E\,\left[r\cdot \frac{T_1-T_2}{T_1}+\int_{T_2}^{T_1}\,C\cdot \frac{T-T_2}{T}\cdot d\,T\right] erzielt werden kann, wobei E das mechanische Wärmeäquivalent, T1 und T2 die den Drucken P und p entsprechenden Temperaturen, C die spezifische Wärme des Wasserdampfes bei der Temperatur T, und r die Verdampfungswärme des Wasserdampfes bezeichnen. In einem ausserordentlich lesenswerten Aufsatze, den Rateau seinerzeit in der Revue Mécanique hat erscheinen lassenAugust 1900., ist dargelegt, wie der Verfasser für eine grosse Reihe von verschiedenen Drucken N den theoretischen Dampf verbrauch K für eine PS und Stunde bestimmt hat, den man aus jenem Werte N erhält, indem man 270000 durch N teilt. Indem nun die so erhaltenen Zahlen für diesen theoretischen Dampfverbrauch in ein Liniennetz eingetragen wurden, bei dem die Abzissen den Gegendruck, die Ordinaten den Anfangsdruck darstellten, ergab sich, dass die gleichen Werte für K nebeneinander auf einer graden Linie lagen und es konnte für K die folgende Gleichung aufgestellt werdenProfessor Mollier hat in der Zeitschr. d. Vereins deutscher Ingenieure vom 18. Juni 1898 eine ganz ähnliche, wenn auch um ein Geringes ungenauere Gleichung gegeben, die etwas einfacher ist. Im obigen folgen wir aber in allen Punkten den Ausführungen von Rateau. K=0,85+\frac{6,95-0,92\cdot log\,p}{log\,P-log\,p} oder K=\frac{6,95-0,07\cdot log\,P+0,85\cdot log\,p}{log\,\frac{P}{p}} Aus der Gleichung von Rateau ist ohne weiteres der Grund ersichtlich, weshalb die Anwendung der Kondensation bei Dampfmaschinen einen Vorteil bringt. Geht doch der Dampfverbrauch für eine PS und Stunde umsomehr herunter,je grösser das Verhältnis \frac{P}{p} wird. Dann ist aber auch mit Hilfe dieser Gleichung das folgende bemerkenswerte Ergebnis zu erhalten: Bei einem Druck P gleich 6 kg/qcm und p gleich 1 kg, beträgt der theoretische Dampfverbrauch 8,8 kg für eine PS und Stunde, während er nur 9,3 kg bei den Drucken P gleich 1 und p gleich 0,15 wird, wie er in gewöhnlichen Kondensatoren erzielt werden kann. Es ist selbstverständlich, dass in Wirklichkeit die angegebenen Ziffern nicht erreicht werden. Würde man eine Kolbendampfmaschine mit diesen Drucken P gleich 1 und p gleich 0,15 arbeiten lassen, so würde der thermische Wirkungsgrad im besten Falle wohl höchstens 40 v. H. betragen, da gerade bei diesen niedrigen Drucken die Abkühlungsverluste bei solchen Maschinen ganz beträchtlich werden. Günstiger liegen die Verhältnisse für eine Dampfturbine, bei der bekanntlich diese Abkühlungsverluste deswegen soviel geringer sind, weil alle Teile stets mit Dampf von derselben Spannung in Berührung kommen; hier ist ein Wirkungsgrad von 65 v. H. ohne weiteres erzielbar. Bei Ausnutzung dieses Dampfes von einer Atmosphäre in einer Kolbendampfmaschine würden also rund 23 kg zur Erzeugung einer PS nötig sein, während bei einer Dampfturbine hierzu nur 14,3 kg erforderlich wären. Bekanntlich verursacht nun die gewöhnliche Anwendung der Kondensation bei Dampfmaschinen eine beträchtliche Ersparnis im Dampfverbrauch, die im günstigsten Falle bis auf 35-40 v. H. steigen kann. Bei einzelnen Maschinen wird diese Zahl aber nicht annähernd erreicht, so namentlich in den Fällen, wo wir es mit Maschinen zu tun haben, die nur intermittierend arbeiten, wie dies z.B. bei Fördermaschinen und Walzenzugmaschinen der Fall ist. Für diese hat nun Rateau vorgeschlagen, den Auspuffdampf in einen Wärmespeicher übergehen zu lassen, von dem aus er zu einer Maschine hinüberfliesst, in der er weiter ausgenutzt wird; und wie wir gesehen haben, ist das Vorteilhafteste in solchem Falle, eine Dampfturbine zu verwenden. Dabei dient der Wärmespeicher dazu, in Zeiten des grossen Dampf Verbrauches der Fördermaschine diejenige Menge Dampf, welche nicht in der Turbine verbraucht wird, in sich aufzunehmen und sie während der Zeiten des Stillstandes der Fördermaschine an die Turbine abzugeben, also den unterbrochen stattfindenden Ausfluss aus der Fördermaschine in einen ununterbrochenen Zufluss zur Dampfturbine zu verwandeln. Dieser Apparat ist in Fig. 1 u. 2 dargestellt. Er besteht aus einem schmiedeeisernen, senkrechten Kessel CC, in dem eine Reihe von wagerechten Schalen A1, B1, A2, B2, An, Bn eingebaut sind. Diese sind teilweise mit Wasser gefüllt und ruhen eine auf der anderen. Durch kleine Absätze sind Zwischenräume von einigen Zentimetern zwischen den einzelnen Schalen hergestellt. Der zylindrische Kessel erhält einen Dampfeinlasstutzen D und einen Dampfauslasstutzen E. Der eintretende Dampf gelangt zu den einzelnen Schalen durch einen mittleren Kanal F und der Teil, welcher sich nicht kondensiert, geht an den Wänden entlang bis zum Austrittsstutzen E. Fährt nun die Fördermaschine an, so wird sie eine grosse Menge Dampf plötzlich in dem geschilderten Apparat entsenden. Dadurch, dass dieser teilweise kondensiert, wird das Wasser in den Schalen erhitzt. Hört alsdann der Zufluss des Dampfes auf, so wird eine lebhafte Wiederverdampfung des erwärmten Wassers eintreten und während vorhin der Ueberschuss an Dampf, welcher nicht durch den Apparat hindurchging, sich niederschlug, wird jetzt die fehlende Dampfmenge in ihm sich neu bilden. Textabbildung Bd. 318, S. 661 Schnitt P-Q. Das Ergebnis wird also ein ununterbrochener Ausfluss von Dampf aus dem Austrittsstutzen E sein. Selbstverständlich sind, damit dieser Vorgang stattfinden kann, Temperatur- und Druckschwankungen im Apparat vorhanden. Sie sind aber, wie die Praxis gezeigt hat, nicht gross. Es handelt sich um 3-6° C. oder um 0,15-0,25 kg/qcm, beider Grösse des Wärmespeichers, wie er jetzt ausgeführt wird. Natürlich kann man, indem man den Apparat im Verhältnis zu der vorhandenen Dampfmenge vergrössert, die Schwankungen noch mehr herabziehen. Da in dem eintretenden Dampf häufig Wasser vorhanden ist, so wird naturgemäss die Wassermenge in den Schalen etwas steigen und es sind daher Ueberlaufröhrchen b vorgesehen, sodass das Wasser von einer Schale zur arideren rieseln kann. Schliesslich sammelt es sich am Boden des Kessels an und wird hier durch ein im weiteren Verlauf als Siphon ausgebildetes Rohr d e abgezogen. Die gesamte Anordnung eines solchen Wärmespeichers in Verbindung mit der Turbine, wie sie zum erstenmale auf der Zeche Bruay in Nord-Frankreich im Kohlenbecken von Pas-de-Calais aufgestellt ist, wird durch Fig. 3 u. 4 wiedergegeben. Der von der Fördermaschine kommende Dampf gelangt durch die Rohrleitung V in den Wärmespeicher A, der hier in 3 gleiche Apparate A1, A2, A3 zerlegt wurde, da er sonst zu grosse Abmessungen angenommen hätte. Von ihm geht durch die Rohrleitung B der Abdampf zu der Turbine T, die er durch das Auspuffrohr E wieder verlässt. Die Turbine treibt zwei Dynamomaschinen F1 und F2, die zur Erzeugung von elektrischer Energie dienen. Ein Anschluss H ermöglicht den Zutritt von Frischdampf von der Kesselanlage aus zur Turbine. In ihm ist ein selbsttätig wirkendes Dampfdruckverminderungsventil G eingeschaltet, dass den Frischdampf nur dann eintreten lässt, wenn die Spannung in dem Wärmespeicher unter eine festbestimmte Grosse sinkt, die nach Belieben gross gehalten werden kann. Durch das Auspuffrohr E wird der Dampf zu irgend einen beliebigen Kondensator geführt. Auf dem Wärmespeicher selbst ist ein selbsttätig wirkendes Sicherheitsventil S angebracht, das sich in dem Augenblick öffnet, wo der Druck im Wärmespeicher eine bestimmte Grosse überschreitet. Ein sehr empfindlicher Regulator R sorgt dafür, dass die Geschwindigkeit der Turbine trotz der Veränderungen des im Wärmespeicher herrschenden Druckes und trotz der wechselnden Belastung der Dynamomaschine höchstens um 2 v. H. schwankt. Durch diese Anordnung ist eine vollständige Unabhängigkeit der beiden Maschinen, der Fördermaschine und der Turbine, erreicht; denn wenn die Letztere nicht den ganzen von der Ersteren kommenden Dampf verbraucht, so öffnet sich selbsttätig das Sicherheitsventil, und es findet ein Auspuff ins Freie statt. Sind andererseits die Arbeitspausen der Fördermaschine so gross, dass diese nicht genügend Dampf zum Betrieb der Turbine abgibt, so öffnet sich das Dampfdruckverminderungsventil und es wird die Turbine unmittelbar aus den Kesseln gespeist. Selbstverständlich kann durch einen Schieber in der Leitung B für vollständiges Abschliessen des Wärmespeichers gegenüber der Turbine gesorgt werden und diese kann dann zu Zeiten, wo die Fördermaschine überhaupt nicht arbeitet, mit Frischdampf betrieben werden. Wie aus Fig. 3 u. 4 ersichtlich, nimmt die ganze Anordnung ausserordentlich wenig Platz fort. Es ist ja bekannt, dass dies ein Vorzug der Dampfturbine vor Kolbendampfmaschinen überhaupt ist. Der Wärmespeicher selbst aber kann draussen im Freien in irgend einer sonst nicht benutzten Ecke aufgestellt werden und es ist ein sorgfältiger Schutz gegen Regen nicht notwendig, wenn man auch für irgendeine Isolationsschicht sorgen wird, um die Ausstrahlung des Apparats möglichst zu verkleinern. Man kann der ganzen Anordnung vorwerfen, dass zu Zeiten, wo ein Frischdampfverbrauch eintritt, die Turbine ungünstig arbeitet. Dieser Vorwurf wird dann von geringer Bedeutung sein, wenn man es mit einer sehr regelmässig arbeitenden Fördermaschine zu tun hat. Im entgegengesetzten Falle aber kann man auf zweierlei Weise diesem Uebelstande abhelfen. Entweder kann man anstatt der einen Turbine zwei benutzen, welche auf dieselbe Welle montiert sind und von denen die eine nur mit Abdampf vom Wärmespeicher her, die andere nur mit Frischdampf von den Kesseln arbeitet. In diesem Falle wird die letztere von vorneherein für hohen Druck konstruiert und wird dann 8-9 kg Dampf für eine elektrische PS bei voller Belastung verbrauchen, also sehr wirtschaftlich arbeiten. Das zweite Mittel besteht darin, den Gegendruck der Fördermaschine zu erhöhen, sodass diese mit einer Auspuffspannung von vielleicht 3 kg/qcm arbeitet. Der Frischdampf wird dann nicht auf so sehr niedrige Spannung herab gemindert, wie es im ersteren Falle notwendig war, und infolgedessen wird auch der Verbrauch der Dampfturbine an Frischdampf nicht so erheblich sein. Er wird vielleicht 10 kg für eine PSe und Stunde betragen, also nicht mehr wie bei einer mittelguten Kolbendampfmaschine, die mit Verbundwirkung und Kondensation arbeitet. Dieses Mittel hat ausserdem noch den Vorteil, dass der Dampfverbrauch der Fördermaschine wahrscheinlich zurückgehen wird. Er erhöht sich zwar durch die Vergrösserung des Gegendruckes, dafür werden aber die Abkühlungsverluste, weil jetzt die Temperaturen im Zylinder nicht mehr so stark wechseln, beträchtlich kleiner. Ohne auf die Rechnungen, die Rateau anstellt und die im besonderen auf französische Zustände zugeschnitten sind, weiter einzugehen, wollen wir doch die Hauptergebnisse seiner Ueberlegungen kurz anführen. Er behauptet, dass bei einer Zeche, die mit einer Zwillingsmaschine ohne Kondensation arbeitet, welche einen Dampfverbrauch von 8000 kg in der Stunde hat, 400 elektrische PS bequem gewonnen werden können. Indem er den Dampf, der von den anderen auf der Zeche aufgestellten Maschinen kommt, ebenfalls mit zum Betrieb der Turbine benutzt, will er einen Gewinn von 1000 PS erreichen. Aehnliche Rechnungen führt er auch für ein Walzwerk und andere mit intermittierend arbeitenden Maschinen versehene Fabriken aus. Aber die Anwendung des geschilderten Systems bringt auch dann einen Nutzen, wenn die Hauptmaschinen bereits mit Kondensation versehen sind, wie z.B. folgende Ueberlegung zeigt. Eine Fördermaschine möge 6000 kg verbrauchen, durch einen Anschluss an eine Kondensation würden 900-1200 kg gespart werden. Mit diesen könnte man in einer gewöhnlichen Kolbendampfmaschine 90 bis 120 PSe erzielen. Lässt man den Dampf der Fördermaschine jedoch in einen Wärmespeicher auspuffen, so werden von den 6000 kg ungefähr 80 v. H., also 4800 kg trockener Dampf zur Ausnutzung in der Turbine gelangen können, 20 v. H. sind für Abkühlungsverluste abgezogen. Diese 4800 kg sind aber imstande in der Turbine eine Leistung von 300 PSe zu erzeugen, gegenüber den 90-120 bei der normalen Ausbildung der Maschine mit Kondensation. Dass auf diese Weise ganz beträchtliche Ersparnisse sich erzielen lassen, liegt ohne weiteres auf der Hand, zumal wenn man bedenkt, dass ausser der Ersparnis an Brennstoffkosten auch die Bedienungskosten für Kessel fortfallen, die im anderen Falle zur Erzeugung der notwendigen Dampfmenge aufgestellt werden müssten, und wenn man ferner erwägt, dass die Anschaffungskosten eines solchen Wärmespeichers und einer Turbine auf jeden Fall geringer sind, als die einer Kesselanlage mit der zugehörigen Kolbendampfmaschine; denn der Wärmespeicher wird nicht entfernt soviel Ausgaben wie neue Kessel verursachen. Die auf der Zeche Brücy vorgenommenen Versuche lieferten zunächst nicht die günstigen Ergebnisse, welche im voraus berechnet waren. Es lag dies aber an verschiedenen Umständen, welche mit dem System selbst nichts zu tun hatten und diesem daher nicht zur Last gelegt werdenkönnen. Einerseits war der Wärmespeicher etwas zu klein; es ist zu bedenken, dass man es hier mit der ersten Ausführung eines solchen Apparates zu tun hatte. Andererseits war die Arbeit der Fördermaschine noch nicht so gross, wie sie späterhin zweifellos werden wird, da die Zeche sich noch nicht in vollem Betrieb befindet, und schliesslich war das durch den Kondensator hervorgerufene Vakuum nicht so hoch wie erwartet. Textabbildung Bd. 318, S. 662 Fig. 3. Der zu kleine Wärmespeicher verursachte etwas zu grosse Schwankungen in der Spannung, wie das auch aus dem Diagramm (Fig. 5) hervorgeht, das mit einem selbsttätig aufzeichnenden Druckmesser am Wärmespeicher abgenommen wurde. Die Tatsache, dass die Fördermaschine noch nicht die erwartete Dampfmenge hergab, und noch nicht so regelmässig arbeitete, wie sie das späterhin bei vollem Betriebe tun wird, verursachte ein zu häufiges Arbeiten der Turbine mit Frischdampf, und das relativ schlechte Vakuum im Kondensator trieb den Dampf verbrauch von einer PS und Stunde in die Höhe. Fig. 5, die aus der Zahl der von Rateau gegebenen Diagramme herausgegriffen ist, wird ohne weiteres verständlich sein. Textabbildung Bd. 318, S. 663 Fig. 4. Die Strecke von A-B stellt eine Periode in der Arbeit der Fördermaschine dar. Im Anfang hatte die Maschine längere Zeit stillgestanden und nachdem die Spannung im Punkte H bis unter Atmosphäre gesunken war, öffnete sich das selbsttätigeDruckverminderungsventil in der Frischdampfleitung bis zu dem Augenblick, wo die Fördermaschine von neuem zu arbeiten begann. Im Punkte 0 fing das Sicherheitsventil, das hier auf 0,4 kg/qcm gestellt war, an abzublasen. Während der Zeit, wo dieses Diagramm abgenommen wurde, betrug der Druck vor der Turbine P = 0,89 kg/qcm hinter ihr p = 0,266 kg/qcm, und es wurden 198 PS geleistet. Der mutmassliche Dampfverbrauch, wie er sich aus den Versuchen schliessen liess, den die Turbine vor ihrem Einbau auf der Zeche in der Werkstätte zu bestehen gehabt hatte, war annähernd 5000 kg. Später sind, als der Kondensator besser arbeitete, von der Zeche selbst, unter Leitung des belgischen Professors Hubert nochmals Versuche unternommen worden und es sind dabei die in unserer Zahlentafel S. 664 niedergelegten Ergebnisse erzielt worden. Textabbildung Bd. 318, S. 663 Fig. 5. Textabbildung Bd. 318, S. 663 Fig. 6. Umlauf-Geschwindigkeit; Gesamtwirkungsgrad. Textabbildung Bd. 318, S. 663 Fig. 7. Belastung; Gesamtwirkungsgrad. In dieser sind neben dem gemessenen Dampfverbrauch stets die theoretisch berechneten Dampfverbrauchszahlen eingetragen und aus beiden in der letzten Spalte der Gütegrad der Turbine berechnet. Es konnte eine grössere Belastung wie 241 PS aus örtlichen Gründen nicht herbeigeführt werden, nur für einen Augenblick stieg einmal die Leistung auf den zu No. 6 angegebenen Wert von 282 Pferden, bei dem aber natürlich keine genaueren Beobachtungen gemacht werden konnten. Es entsprechen diese hier erhaltenen Ziffern im grossen und ganzen denjenigen, die an der Turbine in der Werkstatt vor ihrer Montage gefunden wurden. Die Ergebnisse dieser Versuche sind in den durch die Fig. 6, 7 und 8 dargestellten Kurven niedergelegt worden. In Fig. 6 ist der Gesamtwirkungsgrad in Funktion der Geschwindigkeit aufgetragen. Die punktierten Aeste der Kurve sind nicht durch Beobachtungen erhalten, sondern nur hinzugezeichnet, um zu zeigen, dass der beste Wirkungsgrad von etwa 65 v. H. bei ungefähr 2500 Umdrehungen erreicht worden wäre. Fig. 7 gibt den Gesamtwirkungsgrad in Funktion der Belastung für zwei verschiedene Geschwindigkeiten, nämlich von 1600 und 1800 Touren. Die Belastung selbst ist hierbei nicht absolut, sondern in Hundertteilen der Vollast aufgetragen und diese Kurven zeigen, dass der Wirkungsgrad der Turbine bei Herabgehen der Belastung bis auf 0,35 der Vollast nur wenig sinkt. Fig. 8 endlich zeigt den Gesamtdampfverbrauch in Kilogramm f. d. Stunde in Funktion der Belastung in Kilowatt. Zu dieser Darstellung ist eine weitere Erklärung unnötig. Textabbildung Bd. 318, S. 664 Fig. 8. Belastung in Kilowatt; Gesamt-Dampfverbrauch. Es dürfte vielleicht von Interesse sein im Anschluss an obige Ausführungen noch ganz kurz einige Worte über die Konstruktion der benutzten Turbine zu vernehmen. Es ist dieses eine nach dem System des Professors Rateau gebaute Dampfturbine mit einer grösseren Anzahl von Rädern, die auf dieselbe wagerechte Achse montiert sind. Diese drehen sich zwischen Scheiben, die fest in dem Zylinder angebracht sind und am Umfang einzelne Oeffnungen, die Leitschaufeln, tragen. Das ganze bildet also eine Hintereinanderschaltung von Dampfturbinen mit teilweiser Beaufschlagung, welche der Dampf gleichlaufend zur Achse durchströmt, wobei er abwechselnd durch einen Kreis von festen Schaufeln und einen solchen von beweglichen hindurchtritt. Die Expansion des Dampfes vollzieht sich nur in den Leitschaufeln, sodass der Dampf auf die Schaufeln der Triebräder einzig und allein durch seine lebendige Kraft wirkt. Es ist infolgedessen ein solches Triebrad auf beiden Seiten von Dampf gleicher Spannung umgeben und es können deshalb die Zwischenräume zwischen den Schaufeln und den angrenzenden Teilen verhältnismässig gross gemacht werden, ohne dass zu beträchtliche Lässigkeitsverluste zu erwarten wären. Die radiale Ausdehnung der Triebschaufeln und der Querschnitt der Leitschaufeln vergrössern sich mehr und mehr, je später sie vom Dampf durchströmt werden, sodass die Durchströmungsquerschnitte für den Dampf mit der Grosse seines Volumens, das ja durch die Expansion stetig wächst, zunehmen. Wenn auch die auf die ganze Anordnung gesetzten Hoffnungen sich vielleicht nicht in dem Masse erfüllen werden, wie Rateau dieses hofft, so halten wir doch die Anordnung für ausserordentlich zukunftsreich und glauben, dass man ihr auch in Deutschland das grösste Interesse schenken sollte. Allerdings wird ja der Einführung zunächst das Bedenken entgegenstehen, dass der Fördermaschinenbetrieb dadurch verwickelt und gefährlich gemacht werden könnte. Wir sind aber der Ansicht, dass dies nicht in nennenswertem Masse der Fall ist, und dass ein Fördermaschinist sich mit Leichtigkeit auch in den derartig veränderten Betrieb wird hineinfinden können. Zahlentafel. Nummer Umdrehungenin der Minute ElektrischePferdestärken Absolute Spannungen Gesamt-Dampf-verbrauchl i. d. Std. Dampfverbrauchin kg für 1 PS und Std. Gütegrad AnfangsdruckPkg/qcm Enddruckpkg/qcm Gemessenkg Theoretischkg 1 1580     0 0,11 0,085   600 – – – 2 1585   79 0,35 0,095 1920 24,3 13,80 0,570 3 1620 115 0,50 0,115 2750 23,9 12,15 0,515 4 1610 213 0,75 0,141 4120 19,3 10,55 0,550 5 1610 241 0,82 0,141 4500 18,7 10,10 9,545 6 1610 282 0,85 bis 1,0 0,154 ? ? – –