Ueber den praktischen Wert der Zwischenüberhitzung bei Zweifachexpansions-Dampfmaschinen

84 Pages·1910·34.599 MB·German

by  Adolf Watzinger

Mitteilungen
iiber
Forsch ungsarbeiten
auf dem Gebiete des Ingcnieurwesens
insbesonderc aus dcn Laboratorien
der technischen Hochsclmlen
heransgegeben von1
Verein deutscher lngenieure.
Heft 92
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
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ISBN 978-3-662-01714-2 ISBN 978-3-662-02009-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-02009-8
In h a I t.
Seite
Ueber den praktischen Wert der Zwischenüberhitzung bei Zweifachexpansions-
Dampfmaschineno Von Ao Watzinger •. o o . o o
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Ueber den praktischen Wert der Zwischenüberhitzung
bei Zweifachexpansions-Dampfmaschinen.
Von Professor A. Watzinger, Trondhjem.
Theoretische Vorbemerkungen.
1) Vergrößerung· der Arbeitsfähigkeit des Niederdruckdampfes
durch Zwischenüberhitzung.
Die bei Zweifach-Expansionsmaschinen wiederholt zur Anwendung gebrachte
Zwischenüberhitzung des Arbeitsdampfes kennzeichnet sich dadurch, daß der
Dampf bei seinem Uehertritt vom Hochdruck-zum Niederdruckzylinder in einem
durch Dampf oder Rauchgase wirksam geheizten Aufnehmer nochmals über
hitzt wird.
In der mit vollständiger adiabatischer Expansion und Kompression zwischen
den gegebenen Druckgrenzen arbeitenden Maschine bewirkt diese Zwischenüber
hitzung eine Vergrößerung der Niederdruckarbeit um einen von der Höhe der
Ueberhitzung und dem Druckgefälle abhängigen Betrag. Das Entropiediagramm
Fig. 1 zeigt in der mit kräftigen Linien umrahmten Arbeitsfläche die ausgenutzte
'126'
300
.Joot obs.
20" "
!170 1.0"
2,0 tJ'!(/ f!,ttJ't' 107 JIIE bei .StJ'IItltJ'mp/
6'0° 0.2 "
'IS.6° 0.7 "
0 0,5 1,0 z,o Entrop;e
Fig. 1. Theoretische Wärmeausnutzung des ND. Dampfes bei Zwlse.henüberhitzung für Eintritt
spannungen von 1, ~ und 3 at abs. und GegendrUcke von 0,1 und 0,2 at abs.
Mitteilungen. Heft 92.
Wärme einer mit überhitztem Dumpf arbeitenden Niederdruckmaschine l'ür 2,o ut
Eintrittspannung, wobei der Anteil der Ueberhitzungswärme an der Arbeits
leistung durch Schraffur hervorgehoben ist. Die angegebenen Wärmeeinheiten be
ziehen sich auf 1 kg Dumpf. Die dünneren Linien in Fig. 1 lassen den Einfluß
verschieden großer Ein- und Austrittspannungen und Ueberhitzungstemperatu
ren auf die Arbeitsfähigkeit des Niederdruckdampfes erkennen. In Zahlen
werten sind dabei die Temperaturen angegeben, von deren Erreichung ab
sich der adiabatische Expansionsvorgang bei 0,1 at Gegendruck nur im Ueber
hitzungsgeb iete vollzieht.
Der Arbeitzuwachs durch Ueberhitzung gegenüber dem Betrieb mit ge
sättigtem Dampf wird verhältnismäßig um so größer, je kleiner das arbeitende
Druckgefälle und je höher die Eintrittüberhitzung ist. Fig. 2 und 3 stellen die
Wiirmeausnutzung im Niederdruckzylinder einer theoretisch vollkommenen, d. h.
Jf'E
~M,-----,-----,-----,----,-----,----~-----r----1
~
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~ 150 1-------+----t------t----r;;;ffl
~
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~100~--~~~~~~~=+~~~~~~~:=~~~~--t-i--1
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~ 50~~~~~-+~~----+-----~-~--~------t-r---i---t--i
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0~~-_jm~o~_L_J ___~ z~~~o----_J __ L-~3~o~o-----L-L---"Qo~o~·c~~
Einfritfemperatvren
Fig. 2. Gegendru~k 0,1 at abs.
Joo •c
1/Jfl 2QQ
Einfritfemperafvren
F1g. 3. Gegendruck 0,2 :tt aus.
Fig. 2 und 3. Theoretische Wärmeausnut~ung des ND.·Dampfcs bei verschiedenen Eintrlttempc
ratnren und Spannungen.
mit vollständiger adiabatischer Expansion des Dampfes arbeitenden Maschine
dar in AbhHngigkeit von der Temperatur l'ür Eintrittspannungen von 3,o, 2,o
und 1, o at abs. und Austrittspannungen von 0,1 nnd 0,2 at nbs. Der Arbeitzu
wachs durch Zwischenüberhitzung bei 2,o at Eintrittspannung ist durch senk
rechte Schraffur hervorgehoben.
Die in Fig. 4 dargestellte prozentuale Zunahme der theoretischen Arbeits
fähigkeit mit steigender Ueberhitzung ist um geringsten für das größte Gesamt·
,,
u
druckgefälle (hier 3,o auf 0,1 at), am größten für das niedrigste Gefälle (l,o au~
0,2 at); doch ist der Unterschied für die hauptsächlich in Frage kommenden
kleineren Ueberhitzungen nicht sehr bedeutend. F'ür eine Temperaturer
höhung von 50° beträgt beispielsweise der theoretische Gewinn 6 bis 8 vH der
Arbeitsfähigkeit des nicht überhitzten Niederdruckdampfes. Auf die Arbeits
fähigkeit einer Verbundmaschine (Hochdruck- und Niederdruckzylinder) be
zogen, vermindert sich somit dieser theoretische Gewinn auf etwa die Hälfte.
Wird die ausgenutzte Ueberhitzungswärme mit der aufgewendeten verglichen,
so 1i 11 160°C
bi11ntttl0emitzvqt;
FiJr. 4. Prozentuale Zunahme der theoretischen "7ärmea.usnützung im ND.-Zylinder mit
der Ueberhitzung.
Fig. 5. Thermische Ausnutzung der Ueberhitzungswärme im ND.·Zylinder.
Fig. 5, so wächst erstere mit der Eintrittstemperatur, also auch die thermische
Ausnutzung der zugeführten Ueberhitzungswärme infolge Zunahme des nutz
baren Temperaturgefälles. Für Ein- und Austrittspannungen von I,o und
0,1 at steigt der thermische Wirkungsgrad auf etwa 32 vH bei 200° Ueberhitzung
gegen 24 vH bei 100° Ueberhitzung. Es erscheint somit theoretisch wirtschaft
lich, mit möglichst hoher Zwischenüberhitzung zu arbeiten. Die tatsächliche
Wirtschaftlichkeit hängt jedoch noch von der Art und Weise der Ueber
hitzung des Aufnehmerdampfes und des damit zusammenhängenden Wärmeauf
wandes ab.
2) Erzeugung der Ueberhitzungswärme.
Zur Ueberhitzung des Aufnehmerdampfes bieten sich zwei Wege: Heizung
durch Dampf und Heizung durch Rauchgase.
Die Zwischenüberhitzung durch Dampf erfolgt entweder durch vom
Arbeitsdampf getrennten, ruhenden Frischdampf, der alsdann im Aufnehmer
heizraum kondensiert, oder dadurch, daß die zur Arbeitsleistung in der Maschine
l*
dienende Frischdampfmenge vor Eintritt in den Hochdruckzylinder durch den
Aufnehmer strömt, wodurch der Frischdampf einen Teil seiner Ueberhitzungs
wärme an den Aufnehmerdampf abgibt. Während im ersteren Falle der
Arbeitsdampf mit seiner Höchsttemperatur in den Hochdruckzylinder gelangt
und nur in seiner Menge, entsprechend dem Heizdampfverbrauch ver
mindert wird, tritt er im letzteren Falle mit geringerer Temperatur ein.
In beiden Fällen wird die Wärme von Dampf hoher Spannung und Tem
peratur auf Dampf von wesentlich geringerem Druckgel'älle übertragen. Es
steht somit der Erhöhung der Arbeitsl'ähigkeit des Niederdruckdampl'es ein
Verlust an Arbeitsfähigkeit des Frischdampfes gegenüber. Die grundsätzliche
Verschiedenheit der beiden Heizarten geht aus den Entropiediagrammen Fig. 6
und 7 hervor, welche für 1 kg Arbeitsdampf und gleichen Arbeitzuwachs
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30() .JOD
~ f'F !~.. E"
~ 2()0 1'f at a!Js. =7 83. 1' ~2()0 fftrt a!Js.•18.1.t'
~ ~
~ uo,oii'E ~ 98,DH'E
~ 1.5 at a/Js. • 110. 1• ~\l1j 00 1.5 at abs. = 110. 7'
w100 !JS,oJIIE 9S,DH'E
~
~ 0. 1 at ab.s. .lf5.6°
()
theoretischer
Nehrrerlusf
theoretischer durch Zwischen=
ArbeHsrerlusf ü!Jerhifzvn§
3,7 H'E t~,BJIIE
'2zyo~------~u,~s-------.1,o~------7r,s---L~~z~,o~ +Z~o~------~u,~s~----~t,o~------7~~-UL-. ~~~,o~
Entropie Entropie
Fig. 6. Heizung des Aufnehmers durch besonders Fig. 7. Heizung des Anfnehmer~ durch strömenden Arbeits
zugeführten Frischdampf. (Wärmeübertragung auch dampf (Wiirmeübertragnng lediglich durch Verminderung
durch Kondensation.) der Frischdampfüberhitzung.l
Fig. 6 und 'i. Theoretische Ausnutzung der zur Zwlschenüberloitz .. ng aufgenommenen Wärme bei gleicher Wärmeüber·
tragung (20 WE).
durch Zwischenüberhitzung gezeichnet sind. Der Wärmeaufwand für die Ueber
hitzung tritt demnach in J<'ig. 6 durch Verbrauch an Heizdampf, d. h. Ver
größerung der J<'rischdampfmenge, in J<'ig. 7 durch Temperaturabnahme des
Frischdampfes, also Verminderung der Eintrittüberhitzung im Hochdruckzylinder
in die Erscheinung. Der Unterschied zwischen dem Wärmebetrag des Heizdampfes,
welcher bei normalem Arbeitsprozeß in der ganzen Maschine hätte nutzbar ge
macht werden können, und der theoretischen Zunahme der Niederdruckarbeit
bildet den mit der Wärmeübertragung verbundenen theoretischen Verlust.
Für das den Fig. 6 und 7 zugrunde liegPncle Zahl<'nbeispiel ergeben. sieh folgende
Verhältnisse: 1 kg Dampf von 11 at Eintritt.;pannung und 300° Temperatur ermöglicht in der
theoretisch vollkommenen Maschine bei adiabatische!' Expansion auf 0,1 at eine Wärme
ausunlzung_ von 193 WK \Vcrden nun 20 WE ait 1len Aufnehmerdampf übertragen an
genommen, so werden 3,4 WE davon als Arbeitzuwachs im Niederdruckzylinder nutzbar,
16,6 WE gehen verloren.
.Erfolgt die \Viirmeltbertmgnng hc>i heson,krer Frbehdampl'l1eizung, Fig. 6, durch A.h
gabcl von Uebcrhitzungs- und Verdampfungswärme 6:!,6 + 481,3 = 543,9 'VE für 1 kg Dampf,
,,o kondensieren im Zwischenüberhitzer 5~~9 = 0,0368 kg Dampr, währen([ im abgehenden
Kondensat noch die gesamte Fliisssigkeit•nvärmc des Heizdampfes 0,0368 · 185 = 6,8 'VE cnt
l1alten sind. Der mit cler Wärmeübertragung verbundene theoretische Verlust entspricht dem
Unterschiede der Arbeitsfähigkeit des licizllampks in der Maschine 0,0368 · 193 = 7,1 \VE
nncl clem Arbeitszuwachs von 3,4 'VE im Kiedcrdrurkzylimlcr, also 7,1 - 3,4 = 3, 7 'VE.
Unter der Annahme, daß außer der Ueberhitzung8- und Vonlarnpfungswärmc auch
noeh der dem Temperaturgefälle von der Sättignngstemperatur 183,1° auf die Höchstempcratnr
im Niederdruckzylinder 127,3° ent8preehcndc Teil der Flüssigkeitswärme von 58,1 'VE !iir
1 kg Dampf nutzbar gernacht werden kann, vermindert sieh die Heizdampfmenge auf
20
,r) _, ,9, ,-,9 ·+ -58,-1 = 0,03 3 2 kg, so daß sich auch der mit rler Zwischenüberhitzung verbundene thcore
ti8ehe Verlust auf 0,0332 · 193-3,4 = 3,o \VE vermindert. Das abgehende Kondensat des
Heizdampfes besitzt nur noch einen 'Värmeinhalt von O,o3S2 · 127 = 4,2 'VE.
Erl'olgt die 'Viirmeübertragung bei Heizung durch strömenden Arbeitsdampf lcrliglich
dnreh Verminderung der Fri8ch,Jarnpfilberhitwng, Fig. 7, so ist zur uebertragnng von 20 'VE
ein Frischdampfgefälle von 340° auf 300° notwendig, wenn angenommen winl, daß der
Dampf in diesem Druck- und Temperaturbereich im Mittel die spezifische 'Värrne 0,5 besitzt.
Die Verminderung llcr Ucberhitzungs\värme be<lingt eine Abnahme der Arbeitsfähigkeit des
Frischdampfes von 201,2 auf 193 'VE, also um 8,2 'VE, von denen im Niederdruchylinder
nur 3,4 \VE zurückgewonnen werden, so daß der theoretische Verlust 4,8 WE beträgt.
Der Vergleich beider Diagramme läßt somit eine größere Wirtschaftlichkeit
der Heizung durch ruhenden Frischdampf erkennen, indem bei ihr der theore
tische Arbeitsverlust lür die angenommene Wärmeübertragung nur 3, 7 bezw. 3,o WE
entspricht gegenüber 4,s WE bei Heizung durch strömenden Arbeitsdampf.
Außerdem besteht bei ersterer die Möglichkeit, durch Hückspeisung des Heiz
kondensats in den Kessel die in dem Kondenswasser enthaltene Flüssigkeits
wiirme von G,s bezw. 4,2 WE nutzbar zu machen. Um nun zu kennzeichnen,
in wie weit die Größe des mit der Aufnchmerheizung verbundenen theoretischen
Verlustes von der Temperatur des Hochdruckdampfes abhängt, wurden in Fig. 8
l'ür gleiche Wärmeübertragung an den Aufnehmcrdampf die theoretisch ausnutz
baren WärmcbctrLtge im Niederdruckzylinder unter Bezugnahme auf die Frisch
dampftemperatur vor dem Hochdruckzylinder der bei Arbeitsleistung in beiden
Zylindem nutzbaren Wärme gegenübergestellt. Der Unterschied der durch die
Kurven a und b lür Heizung durch ruhenden und durch strömenden Frisch
dampf dargestellten normalen Wärmeausnutzung des Heizdampfes in beiden Zy
lindern gegenüber der im Niederdruckzylinder nutzbaren Wärme zeigt die
Größe des theoretischen Verlustes der Zwischenüberhitzung bei steigenden
Frischdampftemperaturen vor dem Hochdruckzylinder an. Während der theo
retische Verlust der Heizung mit ruhendem Dampfe mit wachsender Tem
peratur abnimmt, da die thermische Ausnutzung der Gesamtwärme des
:B'rischdampfes weniger rasch zunimmt, als die der Ueberhitzungswärme des
Aufnehmerdampfes, erfährt er bei Heizung durch strömenden Dampf unter alleiniger
Abgabe von Ueberhitzungswärme eine geringe Zunahme. Für Heizung m1t
ruhendem Dampf, Kurve a, wurde, da die Abgabe an latenter Wärme seitens
des kondensierenden Dampfes nicht genau angegeben werden kann, die Heiz
dampfmenge zunächst unter der Annahme berechnet, daß lediglich die Ucber
hitznngs- und Verdampfungswärme entzogen werden könne, daß also im ab
gehenden Kondensat noch die gesamte Flüssigkeitswärme enthalten sei. Durch
die im Heizvorgang mögliche Ausnutzung dieser Flüssigkeitswärme bis zur
r,
Höchsttemperatur der Zwisehenül;crhitzung her,<~ kann sich der Heizaufwund noch
um den durch Schraffm· hervorgehobenen Wärmebetrag vermindern. Solange
der Niederdruckdampf feucht ist (links von >>n<< in Fig. 8), entspricht der aus
nutzbare Teil der l<'lüssigkeitswärme dem Unterschiede der Sättigungstemperaturen
von 183,1° und 110,7°. Mit steigender Zwischenüberhitzung von Punkt n an
nimmt die Möglichkeit der Ausnutzung der Flüssigkeitswärme ab und ver
schwindet, wenn die Zwischenüberhitzung die Höhe der Sättigungstemperatur
des Frischdampfes (183,1°, Punkt g) erreicht hat. Höhere Zwischenüberhitzung
kann mit Heizung durch Frischdampf nicht erzielt werden, da kein 'l'emperatur
gefälle mehr zur Uebertragung der Verdampfungswärme vorhanden ist. J<'ig. 8
IYE
zo.-------,-------,-------,------.--l
15~------+--------r-------+------~
Fig. 8. Theoretische Ausnutzung der an den Aufnehmerdampf übertragenen Wärme im ND.-Zy
linder im Vergleich zu ihrer Ausnutzungsmöglichkeit in beiden Zylindern für Heizung durch
ruhenden und stllmenden Dampf bei verschiedenen Frischdampftemperaturen. Frischdampfspan-
nung 11,0 at abs, Aufnehmerspannung 1,5 at abs., Gegendruck fm ND.-Zylluder 0,1 at abs.
zeigt, daß eine merkliche Erhöhung der Arbeitsfähigkeit des Dampfes im Nieder
druckzylinder durch die Wärmeübertragung erst dann hervorgerufen wird, wenn
der aus dem Hochdruckzylinder in den Aul'nehmer übertretende Dampl' keine
Feuchtigkeit mehr besitzt (Punkt t). Es folgt daraus die Zweckmäßigkeit einer
sorgfältigen Entwässerung des Aul'nehmerdampfes vor Eintritt in den Zwischen
überhitzer.
Die theoretische Ueberlegenheit der Heizung durch ruhenden Dampf muß
dazu tühren, sie in allen Fällen zu bevorzugen, in denen geringe Zwischen
überhitzung erzielt werden soll. Heizung mit strömendem Dampf erscheint
dagegen nur zur Erzielung hoher Zwischenüberhitzung gerechtfertigt, die bei
Heizung durch ruhenden Dampf, insoweit sie überhaupt zu verwirklichen ist,
unbequem große Abmessungen der Zwischenüberhitzer bedingen würde. Die
Heizung mit strömendem Dampf besitzt noch eine besondere wirtschaftliche
Bedeutung dadurch, daß sie infolge Ueberleitung eines Teiles der Ueber
hitzungswärme des Frischdampfes nach dem Niederdruckzylinder die Möglichkeit
bietet, höhere U eberhitzungstemperaturen des Frischdampfes auszunutzen, als
aus betriebstechnischen Gründen im Hochdruckzylinder zulässig sind. Fig. 8
läßt jedoch im Zusammenhang mit Fig. G und 7 erkennen, daß schon eine ge
ringe, betriebstechnisch aleo wenig bedeutungsvolle Temperaturabnahme des