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Dampfkraftanlage für hohen Druck. Eine wesentliche Verbesserung der
Wirtschaftlichkeit von Dampfkraftanlagen ist nur noch durch bedeutende Erhöhung
der Dampfspannung möglich. Sollen aber damit nicht auch erhöhte Betriebsgefahren
verbunden sein, so müssen bestimmte Maßnahmen zu deren Abwendung getroffen werden.
Da die Gefahren in der Hauptsache im Kesselbetrieb liegen, so ist darauf in erster
Linie bei der Kesselgestaltung Bedacht zu nehmen. Durch Verkleinerung des unter
Feuerwirkung stehenden Kesselhohlraumes und dessen Querschnitts auf das geringe
Maß von einigen Quadratzentimeter, etwa in Form einer Rohrschlange, können bekanntlich
größere Sach- oder Personenschäden bei Kesselexplosionen verhindert werden. Das
Hauptziel muß aber die Abwendung der Kesselschäden selbst sein, weil nur dadurch
die erforderliche Betriebssicherheit erreicht werden kann. In der Regel ist Wassermangel
die Ursache von Kesselexplosionen. Je kleiner aber der Wasserinhalt, desto größer
ist die Gefahr einer Zerstörung des Kessels durch Verbrennen wegen Wassermangels,
weil bei einem Versagen .der Kesselspeisevorrichtungen der Kessel. sehr rasch wasserleer
wird. Es ist demgemäß dafür zu sorgen, da.ß auch bei kleinstem Wasserinhalt das
Ausbleiben der Speiewasserzuf=-hr keine Lberhitzung des Kessels zur Folge haben
kann. An einem sehr kleinen Wasserinhalt soll aber aus Rücksicht auf kurze Anheizdauer
und auch wegen der Herstellungskosten festgehalten werden.
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Das Wesen dieser Erfindung besteht darin, daß die ständig über Bedarf
zugeführte Speisewassermenge fortwährend abfließt und in einen Zylinder geleitet
wird, in dem ein mit der unter Selbstschluß stehenden Luftklappe in Verbindung stehender
Kolben durch die Druckwirkung des abfließenden Kesselspeisewassers verschoben und
damit die Luftzufuhr zur Feuerung offen gehalten wird, während der Kolben gleichzeitig
zwei Ventile steuert, von denen eines beim Ausbleiben des S,peisewasserübersühusses
entweder eine unmittelbare Verbindung des Kessels mit dem Kondensator herstellt
oder Kühlwasser in einen Verdampfungskühler eintreten läßt, in welchem der nach
Abfluß der Luftzufuhr etwa noch erzeugte überdruck an Dampf beseitigt wird und das
andere die Dampfentnahme aus dem Kessel abschließt und eine Alarmpfeife in Betrieb
setzt. Der dem Kessel zugeordnete Kühler oder Kondensator schlägt den zuviel erzeugten
Dampf nieder, der dann als Wasser wieder dein Kessel zufließt. Um diesen selbsttätigen
Kreislauf zwischen Kessel und
Kondensator erreichen zu können, wird
der letztere so hoch über dem Kessel aufgestellt, daß sich ein genügend hohes Gefälle
für den Wasserzulauf bildet, ähnlich wie es bei Niederdruckdampfheizungsanlagen
üblich ist. Der Druckunterschied zwischen Kessel und Kondensator wird dabei nur
dem Spannungsabfall entsprechen, der sich durch die Widerstände ergibt, die der
Dampf und das Niederschlagswasser auf dem Wege durch den Kessel und Kondensator
und der zugehörigen Verbindungsleitung finden. Bei geeigneter Gestaltung wird dieser
einen Meter Wassersäule nicht überschreiten. Dieses Verfahren würde naturgemäß keinen
maschinellen Betrieb ermöglichen, weil dieser ja. nur durch entsprechendes Druckgefälle
zustande kommen und um so wirtschaftlicher gestaltet werden kann, je größer das
Druckgefälle ist. Während des Maschinenbetriebes ist deshalb eine künstliche Speisewasserzufuhr
zum Kessel mittels Pumpe oder Injektors unerläßlich, aber für die Kesselsicherung
beim Versagen der künstlichen Wasserzufuhr bildet die unmittelbare Verbindung des
Kessels mit dem hochliegend angeordneten Kondensator die Grundlage. Es bedarf also
nur noch einer Einrichtung, um je nach Sachlage die # Wasserzufuhr zum Kessel durch
natürliches Gefälle (im ruhenden Zustand) oder auf künstlichem Weg (bei Maschinenbetrieb)
wirksam werden zu lassen, d. h. einer selbsttätigen Umschaltung, welche beim Versagen
der Speisepumpe in Tätigkeit tritt. Hierbei ist Bedacht darauf gelegt, daß weniger
Schaden entstehen kann, wenn beim Versagen der vorerwähnten Einrichtung ein Betriebss
illstand eintritt als ein Kesseldefekt. Deshalb ist das ganze Verfahren grundsätzlich
darauf eingestellt, daß die unmittelbare Verbindung des Kessels mit dem Kondensator
von vornherein gegeben ist und durch die besagte Einrichtung nur so lange unterbunden
wird, als die künstliche Speisewasserzufuhr ordnungsgemäß vor sich geht, aber sich
sofort wieder selbst herstellt, wenn diese ausbleibt. Demgemäß hat ein etwaiges
Versagen der Einrichtung immer nur einen Betriebsstillstand, nicht aber eine Gefährdung
des Kessels zur Folge. Als Betriebsmittel für diese Umschalteinrichtung dient Druckwasser
aus dem Kessel, der zu diesem Behufe im L berfluß mit Speisewasser versorgt wird.
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Die Kesselspeisevorrichtung hat somit ständig mehr als die verdampfte
Wassermenge zu liefern. Der Ü'berfluß wird der Umschalteinrichtung zugeleitet und
fließt durch diese nach dem Speisewasserbehälter ab, nachdem er durch Verschieben
eines Kolbens das Schließen der Verbindung des Kessels mit dein Kondensator bewirkt
hat. Ein Gegengewicht stellt die Verbindung wieder her, wenn der Speisewasserüberfluß
ausbleibt. Die Einhaltung eines bestimmten Wasserstandes im Kessel besorgt entweder
ein Schwimmkörper oder ein Thermostat, welcher die zuviel zugeführte Speisewassermenge
zum Abfluß freigibt und das Abflußventil schließt, wenn durch unzulängliche Förderung
der Speisevorrichtung der L berschuß ausbleibt. (Die Wirkungsweise des Thermostats
beruht auf der Temperaturerhöhung, welche an der Wandung im untern Viertel des Thermostatverdampfers
entsteht, wenn beim Ausbleiben des kälteren Speisewassers schließlich der Wasserstand
im Oberkessel so weit sinkt, daß der hochgespannte heiße Dampf die untere Partie
dieses Verdampfers erreicht und damit die Flüssigkeit im Innern des Thermostats
zur Verdampfung bringen kann. Der hierdurch erzeugte Dampfdruck im Innern des Thermostats
schließt dann durch Vermittlung einer Membran das Ventil, welches den Abfluß des
Speisewasserüberschusses regelt.-) Um die erforderliche Heizfläche für den Kessel
in Form einer Rohrschlange mit einem so kleinen Querschnitt von nur einigen Quadratzentimetern
zu erzielen, ist eine beträchtliche Länge erforderlich. Würde diese Rohrschlange
eingliedrig ausgeführt, dann ergäbe sich ein zu hoher Widerstand, und der Kondensator
müßte allzu hoch über dem Kessel angeordnet werden, was unvorteilhaft wäre.
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Deshalb wird die Rohrschlange, welche den wärmeaufnehmenden Teil des
Kessels bildet, in mehrere Glieder unterteilt und jedes Glied durch eine eigene
Dampfleitung mit dem Dampfsammler verbunden, die über dem Wasserstand des Dampfsammlers
einmünden, so daß ein steter Wasserumlauf zwischen Kessel und Sammler in der Art,
wie es sonst bei Röhrenkesseln, die mit einem Oberkessel verbunden sind, üblich
ist, stattfinden kann. Die Anlage weist zwei Sammler auf, den bereits erwähnten
Dampfsammler, in den die Dampfleitungen an den -einzelnen Kesselgliedern-einmünden,
und einen zweiten, welcher den Thermostat oder Schwimmkörper für die Wasserstandsregelungenthält
und in den das Speisewasser eingeleitet wird.
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Von beiden Sammlern führen Leiturigen nach den unteren Enden der einzelnen
Kesselglieder; während aber die Leitungen aus dem einen Sammler mit den der Feuerung
zunächstgelegenen Kesselgliedern verbunden sind, erhalten die äußeren ihr Wasser
aus dem andern Sammler. In diesem befindet sich stets Wasser von niedrigerer Temperatur
(etwa 5o bis zoo' C), während die Wassertemperatur im andern Sammler 3oo bis 35o°
beträgt. Die Heizgase bestreichen zuletzt die äußeren Kesselspiralen und können
durch
die niedrigere Wandungstemperatur derselben mehr Wärme abgeben als bei der hohen
Temperatur von 300 bis 350.
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Die Neuerung ist in den Zeichnungen ausführlich dargestellt.
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Abb. i zeigt die Anlage in der Seitenansicht, Abb.2 dieselbe Ansicht
in der Ge3taltung finit Verdampfungskühle.r an Stelle der Umschaltung zum Kondensator.
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Abb. 3 zeigt die Anlage in der Seitenansicht zu Abb.2. Abb. 4. den
Wasserstandsregler als Thermostat, Abb. 5 die Druckwasserumschalteinrichtung. In
Abb.6 ist die Ausführung in Verbindung mit einer Zentralheizungs- oder Trockenanlage
dargestellt.
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Abb.7 zeigt eine Umschaltvorrichtung für die Ausführung nach Abb.
6.
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Die Anlage besteht aus den Kesselschlangen a1, a2, a3, a4 (Abb.
2), den Dampfsammlern b und c (Abb. 3) mit Thermostat d, dem Kondensator
e, dem Verdampfer f
(Abb. 2;, der Speisepumpe g, dem W asserstandsregler
l2, der Umschalteinrichtung i
und dem Motor k. Die Anlage ist bis zur Mitte
der beiden Sammler b und c mit Wasser gefüllt, so daß der Thermostat d zur Hälfte
seiner Höhe von Wasser und zur andern Hälfte von Dampf umgeben ist. Der Thermostat
selbst ist etwa zu ein Viertel seiner Höhe mit Wasser gefüllt. Solange nun die Speisewasserzufuhr
ordnungsgemäß, d. h. mit überschußleistung vor sich geht, wird der untere Teil des
Sammlers c stets eine Temperatur unter ioo° haben. Tritt aber eine Unzulänglichkeit
in der Speisung. ein, dann sinkt der Wasserstand nach Maßgabe des Dampfverbrauchs,
und der Thermostat wird jetzt auch in seinem untersten, mit Wasser gefüllten Teil
vom heißen, hochgespannten Dampf umgeben, demzufolge das Wasser im Innern des Thermostats
zur Verdampfung kommt und Druckbildung verursacht. Der solchermaßen sich bildende
Druck wirkt durch Vermittlung einer Membran auf ein Ventil nt (Abb. 4.) ein, welches
sich dabei schließt und damit das von der Pumpe geförderte Speisewasser veranlaßt,
ausschließlich in den einen Sammler c zu fließen. Der Wasserstand hebt sich damit,
und das Speisewasser kühlt den Thermostat, worauf der Dampfdruck sinkt und das Ventil
m sich wieder öffnet, um einen Teil des von der Pumpe kommenden Speisewassers abfließen
zu lassen. Kommt an Stelle des Thermostats ein Schwimmkörper zur Anwendung, dann
wird die Steuerung des Abflußventils in bekannter -\Veise direkt bewirkt. Vom Sammler
c führt eine Leitung i (Abb. i und 3) nach dem unteren Ende des Kessels und verteilt
sich dort in zwei Verbindungen mit den betreffenden Gliedern a4 und a2 des Rohrschlangenkessels.
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Oben aus diesen Gliedern führen vier Leitungen, je eine aus jedem
Glied in den Dampfsammler h, aus dessen unterem Teil ebenfalls, wie beim Sammler
c eine Leitung 3 nach dem Kessel führt, die aber in die Glieder a1 und a= einmündet.
Die Heizgase ziehen radial ab und bestreichen so zuletzt den äußeren Teil des Kessels,
der mit kühlerem Wasser beschickt wird, können also ihre Wärme im Gegenstrom an
den Kessel abgeben.
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Aus dem Abflußventil m (Abb. 4) des Wasserstandsreglers k wird das
überflüssige. Speisewasser ;der Umschaltvorrichtung i zugeleitet, indem es einen
Kolben n (Abb. 5) so weit vordrängt, bis er eine öffnung für den Abfluß in den nicht
dargestellten Pumpenbehälter durch Leitung 12 freigibt. Der Kolben n wirkt auf einen
Hebel ein, der Irin einem Ventil o (Abb. i ) verbunden ist, das die Verbindung des
Kessels mit dem hochliegenden Kondensator schließt, solange der Speisewasserüberfluß
den Kolben in seiner Endlage festhält. Bleibt dieser überschuß aus irgendeinem Grunde
aus, dann wird der Kolben n durch. ein Gegengewicht oder Federkraft in die Ursprungslage
zurückgedrückt, und das Umschaltventil zum Kondensator öffnet sich, der Dampfdruck
.aus dein Kessel bläst in den Kondensator ab, und die Kesselspeisung erfolgt weiterhin
durch natürliches Druckgefälle der zwischen Kondensator und Kessel sich: bildenden
Wassersäule. Gleichzeitig kann mit dieser Einrichtung auch die Luftzufuhr zur Kesselfeuerung
abgesperrt werden.
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Für ortsfeste Anlagen mit wenig Betriebsunterbrechungen ist dieses
Verfahren das einfachste und richtigste. Bei Fahrzeuganlagen dagegen mit 'häufigem
Stillstand würde das oftmals sich, wiederholende Abblasen des Kesseldruckes als
störend empfunden werden. In diesem Fall hat der Druckwasserkolben die Aufgabe,
ein Absperrventil p (Abb. 2) in der Hauptdampfleitung ¢ zur Maschine während des
Betriebes geöffnet zu halten, das sich sofort selbsttätig schließt, wenn äer Speisewasserüberschuß
ausbleibt und so die weitere Dampfentnahme aus dem Kessel verhindert. Mit diesem
Vorgang wird ebenfalls durch den Druckwasserkolben gleichzeitig auch die Luftzufuhr
zur Feuerung abgeschlossen.
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In der Regel ist damit die Überdruckbildung abgewendet, weil die bei
stark gedämpfter Feuerung noch vor sich gehende
Dampferzeugung gerade
noch für die Dekkung der Wärmeverluste hinreicht. In vorsorglicher Absicht ist jedoch
eine Zusatzkühlung durch einen Verdampfer f (Abb. 2 und 3) vorgesehen, welcher hier
durch ein die aus dem Kessel kommenden Dampfleitungen umhüllendes Mantelgefäß dargestellt
ist. Dieser steht durch Leitung 5 und 5a (Abb. z und 3) mit dem Kondensator in Verbindung.
In der Leitung 5a befindet sich ein. Ventil s (Abb. a), durch welches das Wasser
aus dem Kondensator dem Verdampfer zugeleitet werden kann. Ein Regler Y öffnet dieses
Ventil (Abb. a), wenn Überdruck entsteht. Dadurch wird das Wasser aus dem Kondensator
veranlaßt, seinen Weg in den Verdampfer zu nehmen, wo es zur Verdampfung kommt und
so dem Kessel Wärme entzieht, um jede weitere Überdruckbildung zu vermeiden. Im
Betriebszustande dagegen schließt sich mangels Überdruckes des Ventil s, so daß
das Wasser aus dem Kondensator durch Leitung i i (Abb. z) der Speisepumpe zufließen
kann, ohne den V erdampfungskühler zu berühren. An Stelle des überdruckreglers r
kann die Steuerung des Ventils s auch durch die Umschaltvorrichtung i bewirkt werden.
Das selbsttätige Abschließen der Dampfleitung zur Maschine und der Luftzuführung
zur Feuerung kann gegebenenfalls auch durch Handbetrieb ersetzt werden. wenn es
sich wie bei Fahrzeugbetrieb um Anlagen handelt, die nie ohne Aufsicht in Betrieb
sind. In diesem Falle hat während des Betriebes der vom Speisewasserüberschuß verdrängte
Druckwasserkolben nur ein Ventil zu steuern, das mit einer Alarmpfeife in Verbindung
steht. Beim Stillstand der Maschine ist die Überdruckbildung durch den vom Regler
r zu steuernden Wasserzufluß zum Verdampfer f zu verhindern.
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Dieses Verfahren hat wie das erstbeschriebene nach Abb. z und 3 ebenfalls
den selbsttätigen «'asserzulauf aus dem hochliegenden Oberkessel zur Grundlage,
nur mit dem Unterschied, daß in diesem Fall der Betriebsdruck erhalten bleibt und
nur der bei Betriebsstillstand etwa noch entstehende unzulässige Überdruck beseitigt
wird.
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An Stelle des auf der Zeichnung in Abb, t, und 3 angedeuteten Kondensators
kann auch eine Heizungs- oder Trockenanlage treten, in welcher Abdampfwärme verwertet
wird. Tritt eine Störung auf, welche die zureichende Kesselspeisung durch die Pumpe
behindert, dann schaltet der Regler i (Abb. 7) auf unmittelbare Verbindung des Kessels
mit der Heizungslage um, und die ganze Einrichtung arbeitet wie eine normale Niederdruckdampfheizung
mit selbsttätigem Wasserzulauf aus den hochliegenden Heizkörpern nach dem Kessel.
Zweckmäßig erfolgt dann hier die Feuerungsregelung nach dem Wärmebedarf der Heizungsanlage
durch einen Niederdruckregler u., der vom Dampfdruck in der Heizungsanlage b.eeinflußt
wird.
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Mittels einer Handspeisepumpe l kann ein Speisewasserüberschuß herbeigeführt
werden, der dann das Schließen der Verbindung des Dampfsammlers mit der Heizungsanlage
durch die Umschaltvorrichtung i bewirkt. Der Kesseldruck steigt dann rasch an, und
die Maschine (Motor oder Turbine) kann in Betrieb gesetzt werden, wodurch auch gleichzeitig
die maschinell betriebene Speis,epumpeg zu arbeiten beginnt. Ein Regler v (Abb.
6) hat die Aufgabe, die Zylinderfüllung der Maschine so zu regeln, daß der Kesseldruck
sich ständig auf der richtigen Höhe der vorgesehenen Betriebsspannung hält. Der
Abdampf wird der Heizungsanlage durch Leitung 6 zugeführt. Wird viel Heizdampf gebraucht,
so nimmt die Dampferzeugung des Kessels unter der Steuerung der Luftzufuhr durch
den Niederdruckregler u zu. Bei kleiner Zylinderfüllung der Maschine würde dabei
schließlich ein unzulässiger Überdruck entstehen, und der zuviel erzeugte Dampf
würde durch das Sicherheitsventil sv ohne Arbeitsleistung in die Heizungsanlage
abströmen.
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Das soll der genannte Regler v (Abb.6) verhindern, indem er die Zylinderfüllung
nach Maßgabe der Drucksteigerung durch Einwirkung auf die Maschinensteuerung verstärkt.
Sinkt der Heizdampfbedarf und damit auch die Dampferzeugung, dann wird durch den
Regler v die Zylinderfüllung verkleinert, so daß sich der Betriebsdruck stets auf
annähernd gleicher Höhe hält. Voraussetzung für die wirtschaftliche Durchführung
dieses Verfahrens ist jedoch, daß für die wechselnde Kraftleistung eine Verwendungsmöglichkeit
besteht, die jedoch überall da gegeben ist, wo ein Anschluß an ein größeres elektrisches
Leitungsnetz vorliegt oder sonst eine Aus. gleichskraftentnahme eingerichtet ist.
In Abb.7 ist die Umschalteinrichtung zum unmittelbaren Heizungsbetrieb ohne Krafterzeugung
und umgekehrt zum Maschinenbetrieb mit Abdampfheizung zeichnerisch erläutert. Beim
Ausbleiben des Speisewass-erüberschusses öffnet sich das kleinere Ventil x und läßt
den hochgespannten Dampf aus Sammler und Kessel in die Heizung abblasen. Nach erfolgter
Entspannung öffnet sich das größere Ventil y durch Federdruck, und der Heizbetrieb
ohne Krafterzeugung ist hergestellt. Wenn sich der Speisewasserüberschuß wieder
einstellt, schließt sich durch den Kolbendruck der Umschaltvorrichtung, i das kleinere
Ventil x, und dieses verursacht gleichzeitig
auch das Schließen
des größeren Ventils y. Die weitere Zuhaltung des letzteren besorgt dann der Dampfdruck.
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Der Dampf (Abb.6) nimmt seinen Weg aus dem Dampfsammler b durch Leitung
au nach der Umschaltvorrichtung i und von da durch Leitung 6 nach der Heizungs-,
Trokken-, Koch- oder Warmwasserbereitungsanlage. Das Niederschlagswasser kehrt durch
Leitung 7 wieder in den Kessel zurück. Diese Leitung 7 ist durch ein Rückschlagventil
z mit dem Kessel verbunden, das sich nach innen öffnet und bei Betrieb der Anlage
durch künstliche Kesselspeisung vom Kesseldruck zugehalten wird.
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Leitung 8 führt in einen nicht dargestellten Zwischendampfüberhitzer,
Leitung g führt aus demselben wieder heraus nach dem Mitteldruckzylinder der Maschine,
und Leitung i o befördert den Abdampf aus dem Mitteldruckzylinder nach der Heizungsanlage.
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Die kennzeichnenden Merkmale der Erfindung ergeben sich: i. aus der
mit überschußbetrielb bewirkten Kesselspeisung, wobei die unter Kesseldruck stehende
überschüssige Speisewassermenge dazu dient, die verschiedenen Sicherungsvorkehrungen
gegen Kesselschäden während der ordnungsgemäßen Wirkungsweise der Speisevorrichtungen
zu verhindern, unterbrechend auf den Betrieb der Anlage einzuwirken, während dieselben
sofort von selbst wirksam werden, wenn durch Ausbleiben des Speisewasserüberschusses
Gefahr für den Kessel besteht; aus dem Aufbau der Anlage mit hochliegendem Kondensator,
welche die Wasserversorgung des Kessels beim Versagen der künstlichen Speisevorrichtungen
durch selbsttätige Umschaltung gemäß Merkmal i ermöglicht; 3. aus der Einrichtung
einer mittelbaren Wärmeabfuhr beim Ausbleiben des Speisewasserüberschusses zur Abwendung
einer C'berdruckbildung bei geschlossenem Dampfventil, welche in dem Umfange selbsttätig
wirksam wird, als die Feuerwirkung nach erfolgtem Abschluß der Dampfentnahme noch
eine Cberdruckbildung verursachen kann; .1. aus dem Verfahren der getrennten Wasserzufuhr
von verschiedener Temperatur in den inneren und äußeren Teil des Kessels zur Erzielung
eines für den Kesselwirkungsgrad günstigen Gegenstromverlaufs des `Wärmeaustausches;
5. aus dein neuen Verfahren, wonach die Dampferzeugung nach dem Heizdampfbedarf
geregelt und der vorgesehene Betriebsdruck durch Änderung der Zylinderfüllung der
Maschine in annähernd gleicher Höhe aufrechterhalten wird.