Titel: | Die Anwendung des überhitzten Dampfes im Dampfmaschinenbetriebe. |
Autor: | O. Herre |
Fundstelle: | Band 312, Jahrgang 1899, S. 131 |
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Die Anwendung des überhitzten Dampfes im
Dampfmaschinenbetriebe.
Von O. Herre, Ingenieur
und Lehrer.
(Fortsetzung des Berichtes S. 113 d.
Bd.)
Die Anwendung des überhitzten Dampfes im
Dampfmaschinenbetriebe.
2. Die
Heissdampfmaschinen.
Die empfindlichsten Teile der Dampfmaschine beim Betriebe mit Heissdampf sind die
Steuerung, die Kolbenringe und die Stopfbüchsen.
Textabbildung Bd. 312, S. 131
Zwillingsheissdampfmaschine von der Maschinenfabrik Christoph in
Niesky.
Nicht entlastete Schiebersteuerungen sind unbrauchbar, weil die unter hohem
Flächendruck arbeitenden Gleitflächen nicht genügend in Oel gehalten werden könnten.
Es kommen daher nur Ventile oder vollständig entlastete Kolbenschieber als
Steuerungsorgane in Betracht. Schmidt hat bei seinen
Heissdampfmaschinen sowohl Ventile, als auch besonders ausgebildete Kolbenschieber
angewendet.
Die zweite Schwierigkeit, die Erhaltung sauberer Gleitflächen zwischen Cylinder und
Kolben, hat Schmidt dadurch gehoben, dass er den Kolben
über die Lage der Kolbenringe hinaus nach hinten verlängerte. Hierdurch werden
die Kolbenringe der direkten Einwirkung des hocherhitzten Dampfes entzogen.
Schliesslich wandte Schmidt noch einfach wirkende
Cylinder an, um Stopfbüchsen an der Kolbenstange überhaupt vermeiden zu können.
In den Fig. 90 bis 93 ist eine liegende zweicylindrigeund einfach
wirkende Heissdampfmaschine mit Auspuff von 350 mm Cylinderbohrung, 560 mm Hub und
150 Umdrehungen in der Minute nach der Ausführung der Maschinenfabrik von J. E. Christoph in Niesky dargestellt.
Der überhitzte Dampf strömt bei a (Fig. 91) in die Maschine
ein, b ist ein Absperrventil, c ein Thermometer.
Die Dampf Verteilung erfolgt durch eine Kolbenschiebersteuerung nach dem D. R. P. Nr.
76675. Fig. 93 zeigt die Steuerung im Querschnitt.
Der rechte Schieber dient zum Einlass, der linke zum Auslass. Der Dampf strömt in
den mittleren Kanal d und gelangt von hier durch die
muschelförmige Einbuchtung des Einlassschiebers je nach der Stellung desselben
entweder in den oberen Cylinderkanal e1 (Fig. 93), der zum
rechten Cylinder I führt, oder in den unteren
Cylinderkanal e2, der
mit dem linken Dampfcylinder II in Verbindung steht.
Bei der rückläufigen Bewegung der Dampfkolben wird dann der Dampf durch die
Cylinderkanäle e1 bezw.
e2 zum
Auslassschieber f geführt, durch dessen Hohlraum er
dann zum Auslassrohr g (Fig. 91) entweicht. Der
Einlassschieber ist ebenfalls als Hohlcylinder ausgebildet und so eingebaut, dass
der Abdampf denselben innen umspült und demnach kühlt. Dass letzteres wirklich
eintritt, lässt sich aus dem Umstände erkennen, dass der Auspuffdampf gewöhnlich
noch um 50° überhitzt ist, während er im Dampfcylinder infolge der Expansion in der
Regel in den Sättigungszustand eintritt. Die Ueberhitzung kann daher nur durch
Wärmeaufnahme beim Passieren des Einlassschiebers erfolgt sein.
Der Antrieb der Schieber erfolgt durch je einen im Abdampfraum liegenden Hebel,
dessen Schwingungsachse durch eine Drehstopfbüchse nach aussen geführt ist, wo ein
zweiter Hebel aufgekeilt ist, der von einem Exzenter in Schwingungen versetzt wird.
Die Regulierung wird durch einen Achsenregulator bewirkt, der die Verstellung des
Exzenters für den Einlassschieber veranlasst, während der Auslassschieber mit festen
Perioden arbeitet.
Die beiden Dampfkolben, welche auf zwei um 180° versetzte Kurbeln wirken, sind in der
schon besprochenen Art ausgeführt. Aus den Fig. 91 und 92 ist die Verlängerung
der Kolben nach hinten ersichtlich. Die Kolbenringe arbeiten auf diese Weise in
einer Zone, die von dem hochüberhitzten. Dampf nicht direkt getroffen wird, und die
auch bei jeder Umdrehung eine Kühlung durch die Atmosphäre erfährt.
Textabbildung Bd. 312, S. 132
Fig. 93. Zwillingsheissdampfmaschine von der Maschinenfabrik Christoph in
Niesky.
Stopfbüchsen sind ganz vermieden, mit Ausnahme der beiden Drehstopfbüchsen für die
Steuerung, die aber nur kleine Bewegungen vermitteln und im Abdampf liegen.
Die besprochene Zwillingsmaschine leistet bei 150 Umdrehungen etwa 100 e und zwar bei einem Dampf verbrauch von etwa 7 kg
pro i und Stunde, während sich der
Kohlenverbrauch auf etwa 0,8 bis 1,1 kg stellt. Für eine Auspuffmaschine mit
einmaliger Expansion darf dies als ein sehr günstiges Resultat bezeichnet
werden.
In den Fig. 94 und 95 ist noch eine
liegende Verbundheissdampfmaschine mit Kondensation der Firma J. K Christoph in Niesky wiedergegeben. Die beiden
nebeneinander liegenden Cylinder wirken auf Kurbeln, die um 90° versetzt sind. Der
Hochdruckcylinder ist hier ebenfalls einfach wirkend und wird durch Ventile
gesteuert. Der Niederdruckcylinder dagegen ist doppelt wirkend und besitzt
Schiebersteuerung mit Trick'schem Zwischenkanal.
Da die Niederdruckcylinder der Verbundmaschinen stets mit gesättigtem Dampf arbeiten,
wenn nicht besondere Zwischenüberhitzung angewendet wird, so können sie auch doppelt
wirkend ausgeführt werden und erfordern auch sonst keine besondere Behandlung.
Als Beispiele von Heissdampfmaschinen mit einem doppelt wirkenden Niederdruckcylinder
seien hier erwähnt: Die 100pferdige Verbundmaschine von Felix Schöller jr. in Burg Gretesch bei OsnabrückZeitschr. d. Ver.
deutsch. Ingen., 1896 S. 1392 und 1393., welche
zwei einfach wirkende Hochdruckcylinder besitzt, und die Verbundmaschine der
Maschinenfabrik Gritzner, A.-G., in DurlachZeitschrift des Vereins
deutscher Ingenieure, 1897 S. 1437. mit einem einfach
wirkenden Hochdruckcylinder.
Von wesentlich anderer Konstruktion ist die in den Fig. 96 bis 100 dargestellte
Verbundheissdampfmaschine mit Kondensation der Ascher
siebener Maschinenbau-A.-G. vorm. W. Schmidt und Co.
Beide Cylinder sind einfach wirkend und arbeiten nach dem Tandem-System auf eine
Kurbel. H ist der Hochdruckcylinder, N der Niederdruckcylinder. Der Aufnehmer (Receiver)
wird durch den Rauminhalt der Ueberströmungskanäle und der vorderen Cylinderseite
R gebildet und ist daher mit der Kolbenbewegung
veränderlich. Die Dampfverteilung wird durch eine Ventilsteuerung bewirkt.
Auf Grund dieser eigentümlichen Bauart ergibt sich folgende Wirkungsweise des
Dampfes, die sich sehr gut an den aufgenommenen Indikatordiagrammen einer solchen
Maschine (Fig. 101 bis 104) verfolgen lässt:
Textabbildung Bd. 312, S. 132
Verbundheissdampfmaschine mit Kondensation von der Maschinenfabrik Christoph
in Niesky.
Erster Hub. Der Heissdampf tritt durch das Absperrventil
a und das Einlassventil b des Hochdruckcylinders (Fig. 96 bis 100) in den letzteren
ein und treibt den Kolben vorwärts. Es findet Füllung und Expansion statt. Kurz vor
dem Hubwechsel wird durch Oeffnung des Auslassventils c
die Vorausströmung eingeleitet, so dass sich die Spannung im Hochdruckcylinder mit
der Aufnehmerspannung ausgleichen kann. Die Spannungsänderung während dieses Hubes
wird durch die obere Linie des Hochdruckdiagramms (Fig.
101) wiedergegeben.
Zweiter Hub. Der Kolben bewegt sich zurück und
drückt seinen Vorderdampf durch das Ventil c in den
Aufnehmer R. Das Einlassventil d für den Niederdruckcylinder N, der durch
den ringförmigen Raum zwischen grossen und kleinen Kolben gebildet wird, bleibt bei
diesem Hube geschlossen. Da sich das Dampfvolumen während dieses Vorganges
vergrössert, muss die Spannung abnehmen. Kurz vor dem Hubwechsel wird das
Auslassventil c im Hochdruckcylinder geschlossen, um
Kompressionsdampf für den letzteren zurückzubehalten. Das Hochdruckdiagramm Fig. 101 zeigt daher in der unteren Dampf kurve von
rechts nach links die fallende Expansionslinie für die Ueberströmung des Dampfes in
den Aufnehmer und zuletzt die steigende Kompressionslinie für die Kompression im
Hochdruckcylinder. Das Aufnehmerdiagramm Fig. 102
zeigt andererseits in der oberen Linie wiederum die dem Hochdruckdiagramm
entsprechende gemeinsame Expansionskurve der Ueberströmung, nur in grösserem
Kräftemassstabe, und dann am Hubende das kurze etwas schneller abfallende
Kurvenstück, welches die etwas stärkere Expansion im Aufnehmer nach dem Abschluss
des Hochdruckcylinders darstellt.
Dritter Hub. Bewegt sich jetzt der Kolben wieder nach
der Kurbel hin, so wird das Einlassventil d des
Niederdruckcylinders geöffnet und der Dampf strömt vom Aufnehmer U nach dem Niederdruckcylinder N. Da sich hierbei das Gesamtvolumen etwas verkleinert, so muss die
Spannung, wenn auch nur wenig, steigen. Ist der Niederdruckcylinder auf einer
bestimmten Hubstrecke gefüllt, so schliesst sich das Ventil d und der eine Teil des Dampfes muss im Aufnehmer komprimiert werden,
während der andere Teil im Niederdruckcylinder expandiert. Vor Erreichung des
Totpunktes wird einerseits der Aufnehmer durch das Ventil b mit dem Hochdruckcylinder verbunden, wo die Vorausströmung beginnt,
während andererseits der Niederdruckcylinder zum rechtzeitigen Druckausgleich durch
das Auslassventil e mit dem Kondensator in Verbindung
tritt.
Das Aufnehmerdiagramm Fig. 102 und das
Niederdruckdiagramm Fig. 103 geben die
Spannungsänderungen wieder. Der erste Teil der unteren Linie in Fig. 102 und der entsprechende Teil der oberen
Linie in Fig. 103 zeigen die ganz wenig ansteigende,
fast gerade verlaufende Kompressionslinie, welche die Füllungsperiode des
Niederdruckcylinders darstellt. Die Kompression ist nur eine geringe, weil das
gesamte Volumen des konstanten und veränderlichen Aufnehmers im Verhältnis zu der
Volumenverminderung sehr gross ist. An diese Linien der gemeinsamen Dampfwirkung
schliessen sich einerseits im Aufnehmerdiagramm die Kompressionslinie, andererseits
im Niederdruckdiagramm die Expansionslinie an, worauf in beiden Diagrammen die
kurzen Kurvenstücke für die Druckausgleichungen folgen.
Vierter Hub. Der zurückeilende Kolben drückt den Dampf
aus dem Niederdruckcylinder in den Kondensator, bis sich das Ventil e für den Auslass schliesst und der zurückbehaltene
Dampf entsprechend der unteren Linie in Fig. 103
komprimiert werden muss.
Da das Aufnehmerdiagramm Fig. 102 eine positive Fläche
liefert, so leistet der Aufnehmer eine bestimmte Arbeit. Die Maschine könnte daher
auch als Dreicylindermaschine angesehen werden. Die Volumenverhältnisse der drei
Cylinder ergeben sich aus den Längen der rankinisierten Diagramme Fig. 104. Der Aufnehmer, d.h. der variable Teil
desselben, hat hiernach das grösste Volumen, ist aber in der Reihenfolge der drei
Cylinder der zweite.
Textabbildung Bd. 312, S. 133
Verbundheissdampfmaschine mit Kondensation von der Ascherslebener
Maschinenbau-A.-G. vorm. Schmidt und Co.
Die vorstehend beschriebene eigentümliche Wirkungsweise des Aufnehmers bedingt trotz
der einfach wirkenden Cylinder einen sehr gleichmässigen Gang der Maschine, da bei
jedem Hube eine bestimmte Ueberdruckarbeit geleistet wird, so dass die Maschine in
Wirklichkeit doppelt wirkend ist.
Ein weiterer Vorzug der in den Fig. 96 bis 100 dargestellten Maschine ist noch darin zu finden, dass einerseits der
Niederdruckcylinder durch den Aufnehmerdampf geheizt wird, während dieser
andererseits infolge des hohl ausgebildeten Tauchkolbens eine Kühlung der
Kolbenringe des Hochdruckkolbens veranlasst. Die einzige vorhandene Stopfbüchse
kommt nur mit dem Aufnehmerdampf in Berührung und kann infolgedessen zu Anständen
nicht mehr Veranlassung bieten, als jede andere Stopfbüchse. Auch die Gefahr, dass
Dampf durch die nicht ganz dicht schliessenden Kolbenringe des Hochdruckkolbens nach
dem Niederdruckcylinder entweichen könnte, ist bei dieser Maschine nicht grösser als
bei jeder anderen Zweicylindermaschine, weil die Druckdifferenz der beiden Cylinder niemals
gleich dem ganzen Spannungsgefälle ist. Für den einen Hub herrscht die
Druckdifferenz zwischen Kesseldampf und Aufnehmerdampf, für den anderen Hub
diejenige zwischen Aufnehmerdampf und Kondensator.
Wohl die grösste gegenwärtig im Betrieb befindliche Heissdampfanlage ist nach dem
vorstehend beschriebenen System ausgeführt; es ist dies die
Zwillings-Verbund-Heissdampfmaschine des Eisenhüttenwerkes
Thale a. H.Seemann, Zeitschrift des Vereins deutscher
Ingenieure, 1897 S. 1435..
Die beiden liegenden Tandem-Maschinen von der in den Fig. 96 bis 100 dargestellten
Konstruktion arbeiten mit Kondensation und wirken auf zwei um 90° versetzte Kurbeln.
Von der gemeinsamen Hauptwelle wird der Effekt durch Seiltransmission an das
Blechwalzwerk überführt. Die Hochdruckcylinder haben 460 mm Durchmesser, die
Niederdruckcylinder 950 mm; der gemeinsame Hub beträgt 1000 mm. Bei 12 kg
Anfangsspannung und 80 Umdrehungen in der Minute leisten die Maschinen normal 500
. Die Dampftemperatur beträgt durchschnittlich 340°.
Textabbildung Bd. 312, S. 134
Fig. 101.
Textabbildung Bd. 312, S. 134
Fig. 102.
Textabbildung Bd. 312, S. 134
Fig. 103.
Textabbildung Bd. 312, S. 134
Fig. 104.
Trotz der oft wechselnden Beanspruchung, die bis 750 ansteigt, haben sich
die Maschinen in den abgelaufenen ersten beiden Betriebsjahren vollständig
bewährt.
Die Kesselanlage besteht aus zwei liegenden Heissdampfkesseln, ähnlich dem in Fig. 87 dargestellten. Die Heizfläche des Flammrohres
(Wellrohr) beträgt 26 qm, diejenige des Mantels 23 qm. Der Ueberhitzer besitzt 37 qm
Heizfläche und der Vorwärmer 45,5 qm. In der ersten Zeit des Betriebes
versorgte nur einer der Kessel die beiden
vollbelasteten Maschinen mit Dampf.
Nach eingehenden Messungen, die von Geheimrat Prof. Lewicki-Dresden vorgenommen wurden, betrug der Dampf verbrauch der Anlage
nur 4 kg pro i
und Stunde. Es dürfte dies der geringste Dampfverbrauch
sein, den bisher eine Dampfmaschine aufweisen konnte.
Die Anwendung einfach wirkender Cylinder erschwert die Verbreitung der
Heissdampfmaschinen für grosse Leistungen, da die Maschinen sehr umfangreich und
teuer werden. Es sind daher Versuche ausgeführt worden, um festzustellen, ob auch
doppelt wirkende Maschinen für die direkte Benutzung des Heissdampf es verwendet
werden können.
W. Schmidt benutzt bei doppelt wirkenden Maschinen die
sogen. Füllungsüberhitzung. Das Prinzip derselben
besteht darin, dass die Ueberhitzungstemperatur mit der Füllung veränderlich ist,
indem grösseren Füllungen kleinere Ueberhitzungstemperaturen entsprechen. Es hat
sich nämlich gezeigt, dass bei sehr kleinen Füllungen bis 15 und 20 % die volle
Ueberhitzung (350°) angewandt werden darf, wenn der Kolben entsprechend gebaut ist,
d.h. wenn er nach beiden Seiten eine so bedeutende Verlängerung erhält, dass die
Kolbenringe fast nur in der Sättigungszone bleiben. Die Sättigungszone ist um so
grösser, je kleiner bei gegebener Anfangstemperatur die Füllung ist. Wird die
Füllung vergrössert, so tritt der Sättigungszustand später ein. Soll nun die
Forderung erfüllt werden, dass der Sättigungszustand bei allen Füllungen möglichst
bei derselben Kolbenstellung eintritt, dann muss die Anfangstemperatur in einer ganz
bestimmten Beziehung zur Grösse der Füllung stehen; jene muss abnehmen, wenn diese
zunimmt. Die Aufgabe der Füllungsüberhitzung besteht demnach darin, den Grad der
Ueberhitzung im Verhältnis zur Füllung so zu regeln, dass der Sättigungszustand
nahezu in derselben Kolbenstellung erfolgt und die Kolbenringe infolgedessen fast
nur in der Sättigungszone arbeiten.
Die Regelung der Ueberhitzungstemperatur kann nun in sehr verschiedener Weise
erfolgen. Die Ueberhitzung am Kessel wird immer möglichst in gleicher Höhe von 350
bis 380° gehalten.
Bei eincylindrigen Auspuffmaschinen ist es denn am einfachsten, die
Eintrittstemperatur dadurch herabzusetzen, dass man dem überhitzten Dampf
gesättigten zumischt. Zu diesem Zwecke ist eine direkte Zuleitung vom Kessel
vorhanden, die durch ein vom Regulator beherrschtes Ventil abgeschlossen wird.
Solange die Füllung weniger als 20 % beträgt, wird nur überhitzter Dampf verwendet.
Steigt die Füllung, so beginnt der sich herabsenkende Regulator das Ventil der
Nassdampfleitung zu öffnen, so dass um so mehr Kühldampf zum Heissdampf tritt, je
grösser die Füllung wird. Bei tiefster Lage des Regulators wird dann zur einen
Hälfte mit Heissdampf, zur anderen mit gesättigtem Dampfe gearbeitet.
Bei Verbundmaschinen verwendet man die überschüssige Wärme zur Ueberhitzung des
Aufnehmerdampfes.
In die Hauptdampfleitung ist eine vom Regulator beeinflusste Drosselklappe
eingeschaltet. Bei kleinen Füllungen ist dieselbe ganz geöffnet, so dass der Dampf
unmittelbar in den Hochdruckcylinder einströmt, bei grösseren Füllungen schliesst
sie sich und zwingt den Dampf, ein Abzweigerohr zu passieren, welches zu einem
Heizrohrsystem führt, das in den Aufnehmer eingebaut ist. Je grösser somit die
Füllung ist, um so mehr muss der Dampf dieses Rohrsystem passieren und seine
Ueberhitzungswärme an den Aufnehmerdampf abgeben, bevor er in den Hochdruckcylinder
eintreten kann. Diese Ausführungsart besitzt demnach noch den Vorteil einer
Zwischenüberhitzung.
Wenn es gelingen sollte, mit Hilfe der Füllungsüberhitzung die bisher an einfach
wirkenden Maschinen erzielten ökonomischen Vorteile auf die doppelt wirkenden
Maschinen zu übertragen, so würde sich der Heissdampf auch sehr schnell in das
Gebiet der Grossdampfmaschinen einführen.
(Fortsetzung folgt.)