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Wasserrohrdampfkessel.
Die Erfindung betrifft einen Wasserrohrdampfkessel mit mittlerem Feuerraum, der von einer oder mehreren Schichten Kesselröhren und von einem oder mehreren Rauchgaskanälen umgeben und von einem äusseren Kesselmantel umschlossen ist, wobei zweckmässig sowohl die Rauchgase als auch das die Wärme aufnehmende Mittel während der Wärmeübertragung mindestens zweimal durch den
Kessel in dessen Längsrichtung in verschiedenem Abstand von der Kesselachse hindurchströmen.
Das Hauptmerkmal der Erfindung besteht darin, dass die Kesselröhren einer oder mehrerer
Schichten an einem oder an beiden Enden in ihren Sammelkasten gleitbar sind und diese Kasten auf einem äusseren, auf Zug beanspruchten Organ, vorzugsweise dem Kesselmantel, eine derartige Auf- lagerung besitzen, dass Dampfspannungen der gleitbaren Kesselröhren in der Achsrichtung des Kessels auf das auf Zug beanspruchte Organ, wie z. B. den Mantel, als Zugspannungen übertragen werden.
Man erreicht dadurch eine zusammengedrängte Konstruktion des Kessels und ein relativ kaltes Organ zur Aufnahme der Zugspannungen.
Die zentrale Wand, die in bekannter Weise den Feuerraum umgibt und Strahlungswärme an die umgebende Kesselrohrschicht abgibt, ist von mindestens zwei Schichten Kesselröhren und Rauchgaskanälen umgeben, wodurch die äussere Kesselrohrschicht verhältnismässig kalt und ohne Strahlungwärme bleibt und damit der äussere Kesselmantel von Wärmebeeinflussungen bewahrt ist.
Ein weiteres Merkmal besteht darin, dass die die Wärme abstrahlende Wand umgebenden Kesselröhren an der gegen die Aussenwand des Kesselmantels gekehrten Seite mit festgeschweissten Flügeln solcher Form versehen sind, dass sie die Bestreichungswärme aus den Rauchgasen sowie einen Teil der auf die Strecke zwischen den Röhren entfallenden Strahlungswärme aufnehmen und diese Wärme an die Röhren an der Schweissstelle leiten, um die in den Sammelkasten gleitbaren inneren Kesselröhren möglichst vor Temperaturspannungen zu schützen.
Wenn jede Kesselröhrenschicht, wie üblich, von ringförmigen Verteilungs-und Sammelkasten ausgeht und in solche einmündet, werden die ringförmigen Verteilungs- und Sammelkästen in zwei oder mehrere Segmente geteilt, welche eine innere Auflagerung auf dem Kesselmantel besitzen. Um den Kesselmantel gegen Einwirkung der Wärme zu schützen, wird der Raum zwischen den zwei äusseren Kesselrohrschichten mit wärmeisolierendem Material ausgefüllt.
Der Kesselmantel wird der Länge nach geteilt und enthält im Inneren Anlagestücke, welche die axialen Zugkräfte von den Sammel-und Verteilungskasten mittelbar oder unmittelbar aufnehmen, wodurch die inneren Teile des Kessels einander gegenseitig abstützen und einander in dem das Ganze umschliessenden und zusammenhaltenden Kesselmantel in ihrer Lage sichern. Man wird dann die Anordnung derart treffen können, dass die Verteilungs-oder Sammelkasten bzw. deren Tragteile axial aufeinander von jedem Kesselende her nach innen gegen die Längsmitte, u. zw. in der Reihenfolge vom innersten Kasten bis zum äussersten Kasten, auf die Anlagestück gestapelt sind.
Ein wichtiges Merkmal besteht darin, dass die Verdampfungsröhren mit dem einen Ende von einem nur Wasser enthaltenden Verteilungskasten ausgehen, während sie mit dem andern Ende in einem Sammelkasten stecken, in dem sich nur überhitzter Dampf befindet, so dass die in den Verteilungskasten gleitbaren Kesselröhren gleichzeitig Wasser-, Verdampmngs-und Uberhitzungsröhren bilden. Wenn im lichten Raum dieser Kesselröhren eine Stange, Röhre od. dgl. zum Zwecke der Ausfüllung eines wesentlichen Teiles des Durchlaufquerschnittes und einer Drosselung der Strömung angebracht wird, so kann die genannte Stange oder das Rohr ferner durch Wärmeausdehnung die durchströmende Menge des
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Mediums (Wasser und Dampf) regeln.
Durch Anordnung von Drosselorganen in den Überhitzungsröhren kann eine allmählich bedeutende Herabsetzung des Dampfdruckes nach der ganzen Länge der Röhren bewirkt werden.
Andere Merkmale der Erfindung werden im folgenden in Verbindung mit den Zeichnungen erwähnt werden.
Fig. 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt eines nach den obenerwähnten Prinzipien und Einzelheiten gebauten Kessels. Fig. 2 zeigt einen Querschnitt desselben nach JZ-jU der Fig. 1 und veranschaulich die verschiedenen Kesselrohrschichten, Isoliermaterial, Rauchgaskanäle und Feuerraum.
Fig. 3 zeigt in grösserem Massstab einen Schnitt durch den Kessel an den untersten Sammel-und Verteilungskästen in einer etwas abgeänderten Ausführungsform. Fig. 4 zeigt einen zu Fig. 3 gehörigen
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rohres mit eingelegtem Dampfführungsorgan. Fig. 7 zeigt einen Querschnitt durch mehrere der in Fig. 5 und 6 gezeigten Rohre und diesen zunächst liegende Teile. Fig. 8 und 9 zeigen einige Einzelheiten.
In Fig. 1 und 2 bezeichnet 1 den Einlauf für Luft, 2 den Feuerraum, 3 den inneren Rauchgaskanal, 4 den in Form von Rauchgasröhren innerhalb der Vorwärmerröhren liegenden, geteilten äusseren Rauehgaskanal, 5 den Ablauf der Abgase, 6 die Wasserzufuhr zum Wasservorwärmer, 7 die Leitung
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Ablauf für den Dampf (s. auch Fig. 4), 10 die Brennstoffzufuhr, 11 den Einlauf zum Zwischenüberhitzer, 12 den Ablauf aus demselben. 13 ist die Wand um den Feuerraum 2, die durch das oberhalb desselben befindliche Gewölbe gestützt wird, 15 der Verteilungskasten und 17 der Sammelkasten für den Wasser- vorwärmer. 16 sind die Röhren des Vorwärmers, 18 ist der Verteilungskasten, 19 sind die Röhren und 20 ist der Sammelkasten für das Verdampfungs-und Überhitzungsorgan. 21 ist die äussere und 2.
2 die innere Isolierschicht des Wasservorwärmers, 23 ist der Kesselmantel, der mit dem Fuss 24 und dem oberen Tragteil 25 fest verbunden ist, welche beide Auflagerungen der Sammelkästen bilden, die Druekbean- spruchungen in der Längsrichtung der Rohre aufnehmen und diese auf den Kesselmantel übertragen.
26 ist der Verteilungskasten des Zwischenüberhitzers, 27 a sind die äusseren und 27 b die inneren Rohre, 28 ist der Sammelkasten des Zwischenüberhitzers.
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ein inneres Rohr 4) benutzt. In dieses besondere Rohr wird das kalte Speisewasser eingepumpt. Es strömt aufwärts in den Verteilungskasten 15 und von hier aus im Parallelstrom abwärts durch die übrigen Rohre 16 mit inneren Gasablaufröhren 4 zu dem unteren Wassersammelkasten 17, dann durch einen Seitenkanal 7 in eine äussere Leitung 51 mit einer kräftigen Druckpumpe 50, welche jetzt das gut vorgewärmte Speisewasser durch einen Seiteneinlauf 8 in den Verteilungskasten 18 presst. Eine Ausbildung der Teile 6,7, 8 ist in Fig. 8 angedeutet.
Der in den Verdampfungsröhren 19 entwickelte gespannte Dampf wird bestrebt sein. den Kasten 18 nach unten und den Kasten 20 nach oben zu drücken. Die Röhren 19 werden wegen ihrer Gleitbarkeit in den Kästen diese Spannungen nicht aufnehmen, weshalb die Kästen derart fest gelagert sein müssen. dass sie gegen die Spannungen sicher abgestützt sind, wie es später näher beschrieben ist. Wenn man ferner, wie es auch unten erklärt ist, den Durchfluss des Wassers und Dampfes in den Röhren 19 passend auf der ganzen Röhrenlänge drosselt, wird man erreichen können, dass der Druck in jedem Rohr 19 im Kasten 18 höher als im Kasten 20 ist und von 18 bis 20 allmählich abnimmt.
Die Drosselung verursacht dann Spannungen in jedem Rohr 19, aber gleichzeitig ist der Dampf bestrebt, auf die Rohrwand im Kasten 18 zu wirken (Fig. 3) und das Rohr 19 nach oben aus dem Kasten 18 zu drücken, wodurch die obere Endfläche des Rohres gegen den Kasten 20 gedrückt wird (Fig. 4), so dass dadurch auch ein Längszusammendrücken des Rohres 19 wirksam ist.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind die unteren Sammel-und Verteilungskästen auf den
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Zwisehenüberhitzerkasten 26, der den Druck des Dampfes auf den Mantel 23 überträgt, indem der Kasten 26 auf der Stütze 30 ruht, die am Mantel fest verankert ist. Fig. 3 zeigt auch, wie man den Einlauf 11 zum Kasten 26 und den Auslauf 12 aus dem Kasten 28 anordnen kann.
Der Ring 31 (in zwei Teile zerlegt) liegt zwischen dem Ring 29'und dem Sammelkasten 17 und dient eigentlich nur dazu, eine leichtere
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auf dem der Kessel ruht. 34 und 49 sind einige am Kesselmantel befestigte Ringe od. dgl., welche die Kasten 18, 17 sowie 15, 20 in ihrer Stellung halten, wenn der Kessel nicht unter Dampfspannung steht. 35 ist eine schirmende Wand, um die Rauchgase zu verhindern, die Wand 13 und die verhältnismässig heissen Rohre 27 b zu berühren. 41 sind Weichpaekungen (z. B.
Asbestschnüre) gegen die unter Überdruck stehenden Rauchgase. 42 ist ein verstemmter Dichtungsring aus Kupfer od. dgl., 43 ein Sehutz- ring aus passendem Material und 44 ein diesen festhaltender federnder Ring. 45 ist eine dünne Metallhülse, die dem Rohrende aufgesetzt oder durch Bearbeitung desselben gebildet werden kann und gegen
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befestigt sein kann, bildet eine sehr wirksame Dichtung gegen eine Dampfabströmung in einen Auslass- kanal (Drainierkanal) 46 hinaus, von dem ein Rohr 47 zweckmässig zum Sammelkasten 17 oder in die
Leitung 7 hineinführt.
Wie Fig. 4 zeigt, stützen sich die oberen Kasten gegen einen Ring 36'und dessen Rippen 36.
Der Ring 36'enthält auch einen ringförmigen Ablauf 3"1 für die Rauchgase. Der Ring 36'nimmt auf die Kästen 20 und 15 übertragene Spannung des Dampfes auf und überträgt sie auf den Mantel, indem er gegen den Stützring 38 anliegt, welcher am Mantel fest verankert ist. Fig. 4 zeigt auch, wie man den Auslauf 9 für überhitzten Dampf aus dem Sammelkasten 20 anordnen kann.
Das Kesselrohr nach Fig. 5 und 6 kann ein Verdampfungs- und Überhitzerrohr 19 mit Einlage 39 sein, welch letztere in verschiedenen Formen gezeigt ist. 40 a und 40 b sind Mittel, welche entweder das Medium zwingen, einen Schraubenweg vorwärts um die Einlage herum zu nehmen, oder als Drosselorgan für den überhitzten Dampf wirken.
Da es vorteilhaft ist, dass sowohl die Strahlungswärme der Wand 13 wie die Höchsttemperatur der Rauchgase nur an die innerste Kesselrohrschicht 19 abgegeben wird, werden diese Rohre zweckmässig mit Flügeln 48 ausgerüstet, welche aussen an den Rohren angeschweisst sein können, z. B. wie in Fig. 7 gezeigt. Die Flügel können eine Dichtung nach aussen bilden und leiten die Wärme zur Schweissstelle hin, was eine gute Ausgleichung derjenigen Wärmespannung bewirkt, die sonst wegen der Wärmezustrahlung an der entgegengesetzten Seite entstehen würde.
Es ist zweckdienlich, die verschiedenen Schichten von Kesselröhren 19 und 16 in geschlossenen konzentrischen Kreisen anzuordnen. Ihre Verteilung-und Sammelkästen 17, 18, 15, 20 werden deshalb auch zweckmässig je für sich als ein Ring gestaltet, der wegen der Montage, zusammen mit dem Mantel 23, in zwei oder mehr Segmente aufgeteilt sein kann. Ein derartiger ringförmiger Sammelkasten kann z. B., wie an 20 in Fig. 4 gezeigt, innerhalb eines ausserhalb liegenden Kastens 15 gelagert sein, zweckmässig mit einem Zwischenraum zur Anbringung der Asbestschnur 41, welche den Wärmeübergang von einem innerhalb liegenden an einen ausserhalb liegenden kälteren Kasten verhindert, gleichzeitig eine Dichtung bilden kann und die eintretende Wärmeausdehnung des inneren Organs zulässt.
Die äusseren Sammel-oder Verteilungskästen 15, 17 sind im Mantel 23 oder in einem darin befestigten Lager gelagert, während der innere Kasten 20 das Gewölbe 14 des Feuerraumes 2 tragen kann, wobei das Gewölbe zweckmässig die denselben umgebende Wand stützen kann. Übrigens können die verschiedenen wärmeempfangenden Organe und andere Teile des Kessels derart gestaltet werden, dass sie sich aneinanderschliessen, so dass sie von aussen (am Mantel) nach innen ineinander in Reihenfolge gelegt werden können und einander fest und sicher auf Platz in dem das Ganze umgebenden geschlossenen Kesselmantel 23 halten können.
Man vermeidet dadurch die sonst üblichen Verschraubungen und Verbolzungen usw., welche den Kessel verteuern, die Ausbildung der Rauchgasdurchläufe ohne querliegende Hindernisse, Wirbelbildungen, plötzliche Erweiterungen und Verengungen usw. erschweren und dazu beitragen, dass der Kessel ein bedeutend grösseres Volumen erhalten muss als dasjenige, das im Verhältnis zu seiner Kapazität streng genommen erforderlich sein sollte. Bei einer Konstruktion nach vorliegender Erfindung können die Rauchgaswege 2,3, 4 praktisch genommen überall als enge, wohl angepasste Durchläufe geformt werden, u. zw. eben mit demjenigen Querschnitt, den die Gase entsprechend ihrer Temperatur und der Geschwindigkeit, die man ihnen geben kann, vorfinden sollten, wobei die Begrenzungswände der Gase über ihre ganze Länge wirksame Heizflächen sein können.
Ursachen zu unbeabsichtigten Wirbelbildungen fallen fort, was in Verbindung mit einem etwas grösseren Druckabfall, den man den Rauchgasen erteilen kann, denselben eine so bedeutend erhöhte Geschwindigkeit längs den Heizflächen erteilt, dass nicht nur deren Oberfläche herabgesetzt werden kann, sondern auch verhindert, dass die Rauchgase in den engen Durchläufen selbst die mitgeführte Achse usw. auf den Flächen absetzen, wodurch die unangenehmen isolierenden Schichten gebildet werden würden, welche sonst von Zeit zu Zeit entfernt werden müssen.
Während in demjenigen Verteilungskasten 18, von dem die Verdampfungsrohre 19 ausgehen, flüssiges Medium ist, ist nur dampfförmiges Medium in dem Sammelkasten 20, in welches diese Rohre münden. Es erfolgt mit andern Worten in den Röhren eine totale Verdampfung der dieselben durchströmenden Flüssigkeit. Eine weitere Verbesserung besteht darin, dass die Verdampfung schon nach Zurücklegung eines Teiles der Länge der Röhren 19 vollendet ist, während der restliche Teil der Rohre als Überbitzungsrohr dient. Nach dieser Zustandsänderung gelangt also der Dampf in den Sammelkasten 20 überhitzt hinein, so dass ein besonderer Überhitzer fortfällt.
Im Kesselrohr 19 wird eine Stange 39, ein Rohr od. dgl. angebracht. Diese Einlage kann zweckmässig den wesentlichsten Teil des Durchlaufes ausfüllen und ist von Bedeutung in mehreren Beziehungen.
Mittels dieser Einlage können die Kesselrohre 19 verhältnismässig gross gemacht werden, ohne dass die durchströmende Menge dennoch zu gross im Verhältnis zur Heizfläche wird, selbst wenn man keine grössere Geschwindigkeit des Mediums (Wassers oder Dampfes) wählt. Die Einlage 39,40 a kann auch, ähnlich dem früher bekannten verdrehten Metallband, dem Medium einen Schraubengang vorwärts mit den daraus folgenden bekannten Vorteilen erteilen. Eine grössere Geschwindigkeit des Mediums, bis zu mehreren hundert Meter pro Sekunde, hat bei der hier beschriebenen Konstruktion Bedeutung, besonders
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