DE4311775A1 - Speisewasser-Vorwärmer-Bauart für Vorwärmungstemperaturen über 100 DEG C für Dampferzeuger, insbesondere Lokomotivkessel - Google Patents

Description

Stand der Technik, Kritik der bestehenden Bauarten

Es ist bekannt, vor dem Verdampfer das einzuspeisende Speisewasser durch einen Vorwärmer zu schicken, um

• a) die Wärmespannungen im Verdampfer bei Eintritt von Speisewasser zu vermindern,
• b) den Wirkungsgrad der Anlage zu steigern.

Während Punkt a) durch jede Art der Wärmezufuhr an das Speisewasser erreicht werden kann, so wird Punkt b) nur dadurch erreicht, daß für die Vorwärmung Abwärme verwendet wird, die sonst verloren ginge. Dies kann durch Nutzung der Abdampfwärme des von der Maschine ausgestoßenen, verbrauchten Dampfes geschehen, oder durch Nutzung der noch in den Verbrennungsgasen nach Austritt aus dem speziell hierfür in seiner Wärmeaufnahme dimensionierten Verdampfer enthaltenen Restwärme, wofür eine besondere Trommel vorgesehen wird (Franco-Crosti- Bauart), (Beschreibung siehe "Die Dampflokomotive", Berlin 1965, S. 186, S. 208, S. 246-256).

Bei den weitaus verbreitetsten Bauarten (OV - Oberflächenvorwärmer und MV - Mischvorwärmer) bleibt jedoch die maximal erreichbare Temperatur durch die Verdampfungstemperatur des Wassers bei atmosphärischem Druck auf 100°C, in der Praxis auf 85-95°C beschränkt, bei den Dabeg- und Heinl-Bauarten wird durch Anwendung eines geringen Überdrucks eine Temperatur von ca. 120°C erreicht. Insbesondere bei der Heinl-Anlage wird durch eine nach dieser Überdruckvorwärmung erforderliche zweite Speisepumpe zur Überwindung des Kesseldrucks die Vorwärmeranlage übermäßig kompliziert, so daß die Bauart keine weitergehende Verbreitung fand und die damit ausgerüsteten Maschinen einen erhöhten Wartungsaufwand hatten (Anatomie der Dampflokomotive", Wien 1986, Beschreibung S. 178ff.).

Als letzte Entwicklung galt bei der DB daher der MV57, der auf diese zweite Stufe verzichtete. Insbesondere da die Druckstufe nicht konstanten Druck bei allen Betriebszuständen beibehielt und bei dem einer unterbrochenen oder verminderten Dampfzufuhr folgenden Druckabfall natürlich auch ein Temperaturrückgang auf unter 100°C in Kauf zu nehmen war, der die Ersparnisse bei wechselhaftem Betrieb - praktisch stets gegeben im Eisenbahnbetrieb - stark herabsetzte. Somit blieb die Vorwärmungspraxis auf den Temperaturbereich unterhalb 100°C in ihrer letzten Entwicklungspraxis des Mischvorwärmers beschränkt.

Ebenfalls keine weitergehende Verbreitung konnte die Speisewasservorwärmung durch Abgase, Bauarten Franco-Crosti und Crosti, erreichen. Diese Bauarten zeichneten sich durch den einem verkleinerten Verdampfungskessel nachgeschalteten, unter dem Langkessel des Verdampfers liegenden Vorwärmer- Kessel aus (BA Crosti; BA Franco-Crosti: zwei Vorwärmer- Kessel seitlich). Charakteristisch für die Bauarten war die Umkehrung des Rauchgasweges in der Rauchkammer des Verdampferkessels (an üblicher Stelle vorn an der Lok gelegen) und die Ausbringung der Abgase und des den Saugzug erzeugenden Dampfes weiter hinten, seitlich des Verdampferkessels.

Die Nachteile der Bauarten bestanden darin, daß

• 1. der Gasweg sehr umständlich wurde, großen Reibungswiderstand/Strömungswiderstand erfuhr;
• 2. die Abdampfwege lang wurden und ebenfalls von großem Strömungswiderstand, was die Effektivität der Saugzugwirkung herabsetzte;
• 3. der/die Vorwärmkessel und Abdampfleitungen die Unterbringung eines Innenbetriebwerkes praktisch unmöglich machten, wodurch die Anwendung auf Lok mit einfachem Zweizylinder-Außentriebwerk beschränkt blieb (wo dennoch Innentriebwerke verwendet wurden, historisch lediglich bei einer Lok-Type in Italien, waren damit untragbare Zustände hinsichtlich der Wartung und Reparaturmöglichkeit des Triebwerks verbunden!)
• 4. durch die verwickelte Bauart ein relativ hoher Gewichtsaufwand bedingt wurde;
• 5. durch die dem, zwar bei einigen Anwendungen etwas verkleinerten, Verdampferkessel nachgeschaltete Bauart die Heizgas- Temperaturen soweit abgesenkt wurden, daß Kondensation schwefelsaurer Lösungen eintrat, die erhebliche Korrosionsschäden verursachte, die zeitlebens nicht in den Griff zu bekommen waren, obwohl sogar hartverchromte Rohre für den Vorwärmkessel erprobt wurden, die natürlich den Wärmeübergang verschlechtern mußten. Die Ursache hierfür lag eindeutig in der Bauart begründet, da auch die verkleinerten Verdampfer weitgehend übliche Proportionen von Strahlungs- zu Berührungs- Heizfläche besaßen und durch die ungünstigen Strömungsverhältnisse geringe Gasgeschwindigkeiten erreicht wurden;
• 6. die Bauart dennoch nicht das Speisewasser auf volle Kesselwassertemperatur brachte, sondern gegenüber der immerhin weniger aufwendigen zweistufigen Heinl-Anlage nunmehr marginale Wirkungsgrad-Vorteile für sich verbuchen konnte (Wassertemperaturen bei 16 bar Kesseldruck nur bis rd. 160°C im Vorwärmer). Dies war ein der Bauart inhärenter Nachteil, der durch die Unvollkommenheit der Wasserführung bedingt war.
  (Deutsche Bundesbahn: Niederschrift der 12. Beratung des Fachausschusses Lokomotiven, 6. bis 8. 7. 55. Punkt 4 der Tagesordnung: Wirtschaftlichkeit der einzelnen Vorwärmsysteme;
  Müller, C. Th., Dr. Ing.: Meßwagenversuche mit einem Franco-Crosti- Rauchgasvorwärmer; in: ETR 4/1953;
  Die Verhütung von Kesselsteinablagerungen und von Korrosionen in den Rauchgasvorwärmern der Franco-Crosti-Lokomotiven; in: Glasers Annalen, 1. 57;
  Giesl-Gieslingen, Dipl. Ing. Dr. tech.: Anatomie der Dampflokomotive, Slezak, Wien 1986.)

Aufgrund der Trennung von Verdampfer- und Vorwärmerkessel, bestand nach dem Vorwärmkessel in der Verbindung zum Verdampfer- Kessel die Notwendigkeit, ein Kesselspeiseventil einzubauen.
(Deutsche Bundesbahn: DV 930.86: Beschreibung der 1Eh2 Güterzuglok 501412 mit Franco-Crosti-Abgasvorwärmer).

Dies hatte den entscheidenden Nachteil, daß dadurch bei unterbrochener Speisung (wie sie im Lokomotivbetrieb bei Stand-, Warte-, Ausroll-Perioden stets vorkommt) infolge geringer Leckverluste im Bereich des Vorwärmers (also des Druckteils nach der Speisepumpe bis zum Verdampferkessel- Speiseventil) ein Druckverlust eintreten konnte. Wenn dieser eine Druckabsenkung unter den bei der herrschenden Speisewassertemperatur gegebenen Verdampfungspunkt (Druck, bei welchem das Wasser bei der gegebenen Temperatur verdampft) hervorrief, so trat im Vorwärmer Verdampfung auf, die bei einem eventuell gerade dann wieder geforderten Arbeiten der Lok (einsetzender Saugzug, verstärktes Durchströmen von Heizgasen: vermehrte Verdampfung) zu erheblichen Störungen der Verdampfer-Kesselspeisung führen konnten. Für diesen Fall waren die F.-C.-Lok der Deutschen Bundesbahn mit einer Umgehungs-Speiseleitung ausgerüstet, die eine direkte Versorgung des Verdampferkessel sicherstellte. Deren Benutzung mußte natürlich bei gleichzeitiger Beheizung unter ausbleibender Nachspeisung des Vorwärmkessels den Vorwärm- Prozeß im Vorwärmkessel noch mehr aus dem Takt bringen. Erst mit erheblichen Nachspeisen in den Vorwärmkessel, möglichst bei geringer Beheizung, also geringem Arbeiten der Lok-Dampf- Maschine u. dto. Saugzug konnte wieder zu einem normalen Arbeiten des F.-C.-Kessels zurückgekehrt werden. Dies hatte dann natürlich erhebliche Einbußen in der Wirtschaftlichkeit zur Folge, da mit der bei vermindertem Druck großen nachgespeisten Wassermenge zur Rück-Kondensation des Dampfes die erwünschte hohe Speisewassertemperatur nicht durchgehend erhalten blieb. Zu einer merklichen Rück-Kondensation bei der ggf. sehr kleinen Wasseroberfläche und der dann im Dampfbereich liegenden oberen Heizrohrreihen, deren Wärmezufuhr dem entgegenwirkt, muß die mittlere Wassertemperatur in der Vorwärmtrommel deutlich unter den Verdampfungspunkt fallen. Durch den großen Wasserinhalt ist dies mit erheblichem Rückgang der Wärmeinhalte verbunden, die zur Normalisierung des Betriebszustandes aus der Heizgaszufuhr erst wieder ersetzt werden müssen, also während die Maschine arbeitet eine Übergangsperiode verminderter Effizienz der Vorwärmung verursachen. Die zwischen Vorwärmer- und Verdampferkessel eingeschalteten Leitungen und Ventile sowie die Umgehungs-Speiseleitung stellen weitere Komplikationen und Störungsquellen der Bauart dar.

Ein weiterer Nachteil all dieser und ähnlicher Bauarten, gleich welcher räumlichen Anordnung bestand darin, daß durch die strikte Teilung der Aufgaben in Vorwärmung (ohne Verdampfung) und Verdampfung in zwei Kesseltrommeln eine optimale Effizienz der Anlage-BA nur bei einer bestimmten Lastlage (tendenziell: Voll-Last) gegeben sein konnte. Diese trat auf, wenn die Wärmezufuhr pro Gewichtseinheit Speisewasser ihr Maximum erreichte, ohne daß schon der Kessel-Anlage-Wirkungsgrad durch höhere Abgastemperaturen oder Nebenverluste stärker absank, als die Wärmeersparnis durch die verstärkte Vorwärmung anstieg. Da nun sichergestellt sein mußte, daß auch bei höchster vorkommender Wärmezufuhr (entsprechend höchster Kesselbelastung und bereits vermindertem Kessel-Wirkungsgrad, also dementsprechend spezifisch erhöhter Wärmezufuhr zum Vorwärmer je Gewichtseinheit Speisewasser) im Vorwärmer-Kessel keine Verdampfung eintritt (Folgen vergl. oben), mußte logisch-zwingend in Kauf genommen werden, daß die erreichbare Speisewassertemperatur bei geringerer Kesselbelastung (Dampfleistung) zurückgehen mußte. Das bedeutet, daß der Wirkungsgrad bei im Lok-Betrieb stets vorkommender geringerer oder wechselnder Belastung (mit geringeren Mittelwerten) stark zurückging, die Wirtschaftlichkeit der Anlage (Brennstoffersparnis gegen Herstellungs- und Wartungs-/Reparatur-Mehrkosten, Mehrgewicht) stark von der Auslastung und dem Charakter des Lokeinsatzes abhing. Da dies aber infolge von Veränderungen der Betriebsaufgaben nicht mit letzter Sicherheit abzusehende Faktoren sind, blieben hier zumindest erhebliche Unsicherheiten, die die Verwendung der Anlage in vielen Fällen nicht angeraten erscheinen ließ.

Zusammenfassend läßt sich also sagen, daß die beschriebenen Vorwärmerbauarten, die die Ausnutzung der Heizgase zum Zwecke haben, noch erhebliche Unvollkommenheiten besaßen in Form

• 1. der Gas- und Abdampf-Wege von erhöhtem Strömungswiderstand;
• 2. des hohen Gewichts und des meistens Innen-Triebwerke unanwendbar machenden Platzbedarfes;
• 3. des nicht gelösten gas- wie wasserseitigen Korrosionsproblems, das durch die zu tiefe Absenkung der Heizgastemperaturen (unter den Taupunkt mindestens im Teillastbereich) sowie die geringe Wasserzirkulation ursächlich bedingt bzw. verstärkt wird;
• 4. der unvollständigen Aufheizung des Speisewassers, die nicht die Temperatur des Verdampferkessel-Wassers erreicht;
• 5. der lastabhängigen Wirtschaftlichkeit der Anlage, die dem im Lokomotivbetrieb stark schwankenden Belastungen entgegensteht;
• 6. des nicht gelösten Problems der Komplizierung der Speiseeinrichtungen durch zweistufige Vorwärmung, das immer wieder die einstufige mit ihrer einfachen Speiseanordnung gesamtwirtschaftlich vorteilhafter erscheinen ließ.

Dazu kommt noch

• 7. der hohe Aufwand für eine nachträgliche Umrüstung bestehender Lok-Typen (rein zusätzlicher Einbau unter vorhandenen Kessel ergibt starke Gewichtserhöhung bei stark reduziertem Brennstoff- Ersparnis-Ergebnis. Umbau mit Einbau komplett neuer Kesselanlage erfordert hohe Investitionen).
• 8. Trotz des insgesamt erheblichen Aufwandes und des großen in der Vorwärmertrommel befindlichen Wasserinhalts (dto. Wärmemenge) kann die Anlage nur bedingt als Wärmespeicher herangezogen werden, dergestalt, daß der Verdampfer ohne unmittelbar (parallel) erfolgende Wärmezufuhr an das Speisewasser mit gleichbleibender Wassertemperatur nachgespeist werden kann wie es z. B. in Betriebsperioden nicht arbeitender Dampfmaschine (auslaufender Zug, Wartezeiten) wünschenswert wäre, um die sogenannte Kesselreserve (Nutzung des im Verdampferkessel gespeicherten Wärmeinhalts des Kesselwassers bei bewußt in Kauf genommenem leichten Absinken des Kesseldrucks und trotz schwankender Entnahme durch wechselhafte Verdampfungsleistung entsprechend der Maschinenleistung gleichmäßig gehaltener Nachspeisung) zur Überbrückung des Maschinenleistungs-Spitzenbedarfs einsetzen zu können, ohne deswegen die echte Verdampfungsleistung unwirtschaftlich auf momentane Höchstwerte treiben zu müssen, sowie um kurzfristig mit der Maschinenleistung über die höchste Verdampfungsleistung noch hinausgehen zu können (etwa zum Beschleunigen oder zum Überfahren kurzer Steigungsabschnitte ohne Geschwindigkeitsverminderung). Diese Charakteristik ist bedingt durch das stets gleichbleibende Wasservolumen in der Vorwärmtrommel, die ja keinen Dampfraum hat. Dies bedingt, daß jede Wasserentnahme nur mit einer gleich großen Ergänzung erfolgen kann. Da das Ergänzungswasser eine geringere Temperatur hat als sie der mittleren Wassertemperatur in der Vorwärmertrommel entspricht, jedoch keinerlei Vorkehrungen getroffen sind - außer der räumlichen Entfernung von Ein- und Ausgang der Wasseranschlüsse - das zulaufende vom abgehenden Wasser definitiv zu trennen, so tritt durch den natürlichen Umlauf eine Durchmischung mit Absenkung der mittleren Temperatur ein, die relativ rasch dazu führt die Wirksamkeit der Anlage zu mindern. Trotz des großen Wasserinhalts ist die Anlage also im Prinzip auf eine mit der Wasserfördermenge parallelgehende Wärmezufuhr angewiesen und kann weder einen vorübergehenden Wärmezufuhr-Überschuß wirksam speichern noch ein temporäres Wärmezufuhr-Defizit (kein Saugzug: geringe Heizgas- Strömung, jedoch gleichmäßiges Weiterspeisen erwünscht) überbrücken indem eine ausreichende Menge Speisewasser bei gleichbleibender Temperatur zur Verfügung gestellt wird.

Diese "unelastische Charakteristik" steht dem Lokomotivbetrieb mit seinen stark wechselnden Leistungsanforderungen entgegen. Dazu kommen noch die betrieblichen Nachteile, daß

• 9. zum Anheizen für den erforderlichen natürlichen Zug der Heizgase in der vorderen Rauchkammer (RK des Verdampferkessels) ein Hilfsschornstein angebracht werden muß, der für den Regelbetrieb dann verschlossen werden muß und eine zusätzliche Falschluftzutrittsstelle bilden kann;
• 10. bei Kohlefeuerung die Reinigung der zwei Rauchkammern, besonders derjenigen nach dem Vorwärmekessel, erheblichen Mehraufwand an schmutzigen Arbeiten erfordert, die schwer zu mechanisieren ist.

Problem

A: Die Temperatursteigerung des Speisewassers von der Temperatur im Vorratsbehälter (Umgebungstemp.) auf Verdampfungstemperatur unter Kesseldruck stellt einen in der Dampfmaschine nicht nutzbaren Energieumwandlungsprozeß dar, der zum in der Regel niedrigen Wirkungsgrad der Dampfmaschine beiträgt. Die bisherigen Vorwärmerbauarten verringern den Verlust nur teilweise, da immer noch ein Temperatursprung im Verdampfer zu leisten ist, im Verdampferkessel also mehr Wärme umgewandelt werden muß, als rein zur Verdampfung erforderlich.

B: Die Temperaturdifferenz zwischen Kesselwasser und einfließendem Speisewasser stört bei nicht gleichmäßiger Speisung, wie sie bei wechselnder Kesselleistung nicht zu vermeiden ist, nicht nur die Verdampfung durch vorübergehende ungleichmäßige Absenkung der Kesselwassertemperaturen, da hierbei örtliche Unterschiede resultieren, sondern ruft auch Wärmespannungen hervor, die bei großen Kesseln erhebliche Konsequenzen für die Haltbarkeit des Kessels haben (Neigung zu Rißbildung, aufwendige Reparaturen, bei Lok Abheben des Kessels zur einwandfreien Schweißarbeit fallweise erforderlich). Dies hat seine Ursache in den durch plötzliche bzw. örtlich begrenzte Abkühlung des Kesselbaustahls durch diese Einspeisung nicht voll erwärmten Wasser hervorgerufenen Wärmespannungen im Material des Verdampferkessels. Die Erfahrung erheblicher Alterung der Kesselstähle, die durch diese Wärmespannungen gefördert wird, hat zu einer Praxis vorsorgender Ausbesserungen von erheblich erhöhtem Aufwand bei den deutschen Bahnen geführt. In den neuen Vorschriften der EBO und der Richtlinien für die Zulassung von historischen Triebfahrzeugen Dritter auf dem Streckennetz der Deutschen Bundes-/Reichsbahn sind diese nochmals verschärft worden.

Lösung

Die Bauart des Verfassers, die Gegenstand dieser Schrift ist, löst die durch die vorbeschriebenen Unvollkommenheiten der bisherigen Bauarten entstandenen Mängel dadurch, daß sie sich grundlegend von diesen unterscheidet, indem sie

• 1. nach der primären Vorwärmung unter atmosphärischem Druck eine zweite Stufe aufweist, die stets unter vollem Kesseldruck steht und mit dem eigentlichen Verdampferteil der Kesselanlage in ununterbrochener Verbindung steht, und zwar nicht nur mit deren Wasser, sondern auch mit deren Dampfraum;
• 2. wie der Verdampferteil einen Dampfraum hat, der mit demjenigen des Verdampfers in ständiger Verbindung steht;
• 3. eine genau definierte Wasserführung hat, durch welche
  • A) die Wirkweise im Gegenstromprinzip (Speisewasserströmung führt Wasser mit zunehmender Temperatur von den meist ausgenutzten Heizgasen mäßiger Temperatur in den vorhergehenden Bereich noch höherer Gastemperaturen) sowie
  • B) die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird, wodurch sich die Wärmeübertragung von den Heizflächen auf das Speisewasser verbessert, damit also die Wirksamkeit der Anlage gesteigert, das Baugewicht besser ausgenutzt wird, und schließlich
  • C) erst erreicht wird, daß die Speisewassertemperatur dem durch die in diesem Bereich noch vorhandene relativ hohe Heiz- Gastemperatur (oberhalb 500°C bei Leistungen oberhalb 2/3 Kesselnennlast) zu erwartenden Wert überhaupt entsprechen kann, d. h. sie bis an die volle Verdampfungstemperatur unter dem gegebenen Kesseldruck (meist 16-21 bar Überdruck 204-217°C) herangeführt werden kann, so daß eine Einspeisung in den Verdampfer dessen Wasserumlauf und Leistungsabgabe nicht beeinträchtigt;
• 4. durch den Dampfraum und dessen Verbindung mit dem Verdampfer es ermöglicht, daß die Leistung so bemessen werden kann, daß bereits bei niedriger Kesselleistung volle Verdampfungstemperatur des in den Verdampfer übergeleiteten Speisewassers erreicht wird. Bei höheren Lastbereichen kann die überschüssige Wärmezufuhr zunächst zu einer Vollaufheizung eines steigenden Anteils des im Druckvorwärmer vorhandenen Speisewassers genutzt werden. Bei weiter anhaltendem Wärmezufuhr-Überschuß kann diese Wärme nutzbringend umgewandelt werden, indem die mit den höchsten Gastemperaturen beaufschlagten Bereiche, die unmittelbar vor der Überleitung in den eigentlichen Verdampfer liegen, einen Teil des Wassers selbst schon verdampfen. Da somit die Gesamt-Verdampfungsleistung steigt, wird der Bedarf wie üblich bei erhöhter Leistung durch stärkeres Anstellen der Förderpumpe (Speisepumpe) gedeckt und über die automatische oder beobachtete Regelung des Wasserstandes im Kessel abgestimmt. Dadurch bekommt der eigentliche Verdampferteil der Anlage wie üblich die zur Deckung des Verdampfungsabgangs erforderliche Speisewassermenge;
• 5. durch die mittels konstruktiver Maßnahmen sichergestellte Wasserführung, die ein Durchmischen von frisch eingeleitetem Speisewasser mit bereits weiter aufgeheiztem im Druckvorwärmer verhindert, im Falle eines Defizits in der Heizgaswärmezufuhr eine Reserve voll aufgeheizten Speisewassers für den Verdampfer zur Verfügung stellt. Dadurch läßt sich das im Lokomotivbetrieb sehr erwünschte "Abfedern" der starken Lokleistungs-Schwankungen weit besser und wirtschaftlicher Durchführen, wenn (siehe oben) die Kesselreserve herangezogen wird, um einerseits vorübergehende Leistungsspitzen der Dampfmaschine abzudecken und andererseits Perioden leichter oder keiner Leistung der Maschine zum Wiederaufspeisen des Wasserstandes (der eine gewisse Schwankungshöhe erlaubt) zu nutzen, um mit relativ gleichmäßiger Beheizung der Kesselanlage wirtschaftlich zu fahren;
• 6. es ermöglicht, falls erwünscht die im Druckvorwärmer enthaltene Wassermenge variabel zu machen (in den Grenzen des zulässigen Wasserstandes) und somit die zur Verfügung stehende Menge voll aufgeheizten Speisewassers noch zu erhöhen, und zwar außerhalb der direkten Proportionalität von Pumpenförderung und Einspeisung in den Verdampfer. Damit kann etwa mit Rücksicht auf die optimale Vorwärmung in der atmosphärischen Stufe die Pumpenleistung gleichmäßiger gehalten werden, oder es können sehr einfache Speiseapparate wie Abdampfinjektoren anstelle einer atmosphärischen Vorwärmstufe gewählt werden, die in der Leistung jedoch schlecht regelbar sind. Zudem kann im Verdampfer der Wasserstand in engeren Grenzen gehalten werden als bisher (Verlagerung der Kesselreserve in den Druckvorwärmer, dadurch Vermeiden des im Lokbetrieb zur Schaffung einer großen Reserve oft mißbräuchlich geübten Aufspeisens des Kessels "bis zur Halskrause" mit der Gefahr des Wasserreißens und Beschädigung der Überhitzerelemente/der Dampfmaschine). Konstruktiv ist dies einfach zu erreichen, indem neben dem Überlauf auch eine tiefer - jedoch nicht unter dem Niedrigstwasserstand des Verdampfers - gelegene, verschließbare, regelbare Verbindung eingebaut wird, die es erlaubt auf Kosten der Absenkung des Druckvorwärmer-Wasserpegels (bis zum Ausgleich mit dem des Verdampfers) den Wasserstand des Verdampfers zu erhöhen bzw. zu halten. Dadurch wird eine bisher nicht gekannte Unabhängigkeit der Speisewasserzufuhr und der Verdampfung von der augenblicklichen Heizgaswärmezufuhr und der Speisewasser-Pumpenförderung erreicht, die es ermöglicht, die starken Lokleistungsschwankungen mit einer wesentlich gleichmäßigen Feuerführung aber auch Wasserstand im eigentlichen Verdampfer-Kessel abzudecken, als es bisher mit der A) unvollkommenen Speisewasservorwärmung (Beeinflussung der Verdampfungsleistung durch die Speisewassermenge) und B) direkten Abhängigkeit der Kessel- Belieferung von der unvollkommenen Regelung der Speisepumpen- Leistung und damit wiederum schwankender Vorwärmtemperaturen möglich war. Dadurch ist die Kesselanlage A) im Betriebsalltag wirtschaftlicher und B) in der Lage, höhere Bedarfsspitzen als bisher abzudecken und dies mit geringerer Schwankung der Feuerungsregelung.

Mit der Druckvorwärmer-Bauart des Verfassers wird also

• A) eine schon bei geringer Belastung erreichte und darüber stets konstant bleibende volle Aufheizung des Speisewassers bis auf Verdampfungstemperatur erreicht und
• B) eine Pufferung sowohl gegenüber der momentan verfügbaren Wärmezufuhr als auch der im Verdampfer erforderlichen Speisewasserzufuhr erlangt.

Dadurch wird erstens die Höhe der für eine bestimmte verdampfte Wassermenge im Verdampfer zuzuführende Wärmeenergie verringert und zweitens dies bei weit schwankenden Anforderungen an die Lokomotivleistung aufrechterhalten sowie drittens Wärmeüberschüsse nutzbringend umgewandelt bzw. Wärmedefizite überbrückt, d. h. die Anlage verhält sich elastisch gegenüber Schwankungen des Heizgaswärmeangebotes, was bei den bisherigen Bauarten nicht der Fall war.

Zugleich wird die Anlage wesentlich vereinfacht, da nur eine einstufige Speisewasserpumpe erforderlich ist (wenn die atmosphärische Vorwärmstufe intelligent angeordnet ist, so daß Zulauf durch natürliches Gefälle ausgenutzt wird). Im Gegensatz dazu benötigen die zweistufigen Mischvorwärmerbauarten Dabeg und Heinl zwei Speisepumpenstufen, die abgestimmt aufeinander arbeiten müssen, um exzessiven Rücklauf aus der Heißwasserförderung zu vermeiden, die zu Betriebsstörungen führen kann (auch die einstufigen MV-57 benötigten wegen der hochgelegten Anordnung noch zwei Pumpenstufen!). Wegen der möglichen großen Pufferung von Wärmeinhalt und Förderung im Druckvorwärmer ist die Anlage anspruchslos gegenüber der Bauart der atmosphärischen Vorwärmung und kommt sogar mit den denkbar einfachen Strahlpumpen aus, die zweckmäßig als Abdampfinjektoren (je Kesseldruck mit geringem Frischdampfzusatz, siehe Giesl-Gieslingen, Anatomie . . . Seite 183f) ausgeführt werden können, bei Dampfmaschinen mit mehrstufiger Expansion auch als Anzapfdampf-Injektoren.

Auf eine atmosphärische Vorwärmung zu verzichten ist nicht zweckmäßig, da dann A) keine Möglichkeit bestünde, die Verunreinigungen des Speisewassers wenigstens teilweise schon vor Einbringung in den Druckteil der Anlage zu entfernen, B) damit die erforderliche Wärmezufuhr im Druckvorwärmer übermäßig groß würde. Die beste Wirksamkeit und unproblematischste Arbeitsweise wird erreicht, wenn eine gute primäre Vorwärmung unter atmosphärischem Druck eine Temperatursteigerung bis nahe unterhalb des Verdampfungspunktes, also etwa bis 95°C, leistet, die aus Abdampfwärme gespeist wird. Dadurch wird vermieden, das die Heizgase zu sehr abgekühlt werden (unter den Taupunkt (Bildung von H₂SO₃ und H₂SO₄)); es können zwischen atmosphärischer und Druck-Vorwärmung Schadstoffabscheider eingebaut werden, die Druck-Vorwärmanlage wird geschont, dto. der Verdampfer.

Für die Ausführung des Druck-Vorwärmers sind eine ganze Reihe verschiedener konstruktiver Lösungen möglich, insbesondere hinsichtlich der Rohrteilung und der Mittel, durch die die Wasserführung erreicht wird. Das Prinzip bleibt stets das gleiche.

Ohne Bedeutung ist hierfür, ob eine vorgeschaltete atmosphärische Vorwärmung verwendet wird, und ggf. welcher Bauart diese ist, oder ob sie fortgelassen wird, beispielsweise um mit Injektoren arbeiten zu können.

Es mag daher genügen, zur Beschreibung eine vom Verfasser als zweckmäßig erkannte Bauform beispielgebend zu beschreiben.

A) Integrierter Vorwärmer, Bauart für Kessel mit Feuerung durch Festbrennstoffe (z. B. Kohle) am Beispiel eines Umbaus einer schweren Schnellzuglock, Reihe 241-A (241-001), (Zeichnung 3).

• 1. Der Langkessel wird vorn durch einen angeschweißten Schuß etwas verlängert (hier: 700 mm), innerhalb des Langkessels wird eine dritte Rohrwand eingebaut (hier: 2500 mm zurück). (Zeichnung 1).
• 2. Zwischen diese beiden Rohrwände werden Trenn-Rohrwände (4) eingebaut, die oben einen Überlauf haben, welcher in eine seitlich im Bogensegment an der Langkesselwandung dicht abschließend jeweils links- und rechtsseitig herabführende Leitwanne mündet (hier: im Abstand von 500 mm einschl. vorderer Rohrwand insges. 5 Leiteinrichtungen, 4 Trennwände).
• 3. Das Kesselspeiseventil wird oben an der vorderen Rohrwand (Rauchkammer-RW) so angebracht, das es in den ersten Leitwannenbogen speist (5).
• 4. Funktion: Bei Speisewasserzufuhr fließt das etwa 90°C warme Wasser den Leitwannenbogen links und rechts herab und strömt in das erste Raumsegment des Vorwärmers ein, wird durch die Wärmeabgabe der Rauch- und Heizrohre, die den Langkessel von Feuerbüchs- bis Rauchkammer-Rohrwand durchziehen, angewärmt (hier: auf ca. 105°C); nach seinem Aufstieg durch das Raumsegment strömt es über den Überlauf der ersten Trennwand in die zweite Leitwanne, wird wieder nach unten in das zweite Raumsegment eingeleitet, erwärmt sich beim Aufstieg durch dieses weiter (hier: bis ca. 125°C). Analog im dritten bis fünften Raumsegment.
• 5. Durch Überlauf auf Höhe des höchsten Verdampfer-Kessel-Wasserstandes tritt das Speisewasser dann unmittelbar in den Verdampfer über (7).
• 6. Änderungen an der Original-Kessel-Bauart: Der Dampfdom vorn wird zum Entnahmedom des bei starker Heizleistung im Vorwärmer bereits entwickelten Dampfes, das Verbindungsrohr (2) zw. den Domen bleibt unverändert, die Dampfströmung kehrt sich jedoch um: Entnahmedom mit Regler (1) wird der hintere Dom. Von diesem geht das Dampf-Hauptrohr nach vorn zum Überhitzersammelkasten (3), der wie üblich vor der Rauchkammer-Rohrwand angebracht ist. Das Dampfrohr ist im Bereich des Vorwärmers isoliert gegen das Vorwärmer-Wasser. Der Überhitzer (6) wird dahingehend geändert, daß die wirksame Heizfläche sich lediglich im hochwirksamen Rohrabschnitt vor Durchtritt in den Vorwärmerteil des Langkessels befindet (dazu hier gewählt: Bauart Houlet mit ringförmigem Gegenstromrohr, einfachem Ableitungsrohr).
• 7. Zur Bauart: Für die notwendige Aussteifung der dritten (7) Rohrwand und der Zwischenwände (4) können zweckmäßig schräg liegende Stege zwischen den Rohrdurchtrittsstellen benutzt werden, wenn die Rohrteilung (Diamond = waagerechte oder senkrechte Rautenanordnung der Rohrdurchtritte) entsprechend gewählt wird. Dadurch wird eine weitere Durchwirbelung der aufsteigenden Wasserströmung und damit intensivere Wärmeübertragung erreicht. Falls die Rohrteilung dies nicht erlaubt, können die Rohrwände gewölbt gefertigt werden, wodurch sie Formsteifigkeit erhalten. Eine Steifheit der Rohrwände ist nicht für die Funktion notwendig, erleichtert jedoch den Rohrein- und Ausbau. Die Bauart der Wasserführung soll prinzipiell erreichen, daß das eingespeiste Wasser von den vordersten, in der Heizgaswärme am meisten ausgenutzten Bereichen im Gegenstrom oder kombinierten Gegen- und Querstrom zu dem näher zur Feuerbüchse gelegenen Bereichen der Heizgasströmung geführt wird. Neben der hier beispielhaft angeführten Wasserströmungsleitung sind natürlich verschiedene Vorrichtungen zur Erfüllung des gleichen Zweckes möglich.

B) Integrierter Vorwärmer, Bauart mit Trennkammer, zwei jeweils eigenen Rauch- und Heizrohrbündeln im Langkessel, für Kessel mit Feuerung durch Brennstoffe ohne Ascheablagerung (z. B. Gas, Heizöl), am Beispiel der gleichen Lok-Type (Zeichnung 2).

• 1. Will man die äußerliche Silhouette unverändert lassen, so wird der vordere Langkesselschluß durch Anschweißen verlängert, soweit es die Rauchkammerverhältnisse zulassen (hier: 800 mm).
• 2. Eine entsprechend der Wärmeberechnung sich ergebende Länge zurück werden zwei neue Rohrwände (7) eingebaut. An der hinteren endet das von der Feuerbüchse kommende Rohrbündel, an der vorderen beginnt das nachgeschaltete Rohrbündel, das den Vorwärmerteil des Langkessels bildet. Dazwischen liegt die Trennkammer (9), in die der Überhitzerkammerkasten eingebaut ist, womit erreicht wird, das im vorderen Rohrbündel nur Heizrohre, bei entsprechend hoher erwünschter Dampftemperatur im hinteren Rohrbündel nur Rauchrohre vorhanden sind. Da nun Rauch- und Heizrohre nicht mehr nebeneinander, sondern hintereinander angeordnet sind, wird der gesamte Gasquerschnitt vergrößert und gleichzeitig die Heizflächenberechnung/-abstimmung vereinfacht (Die relative Intensität der Gasströme durch Rauch- und Heizrohre stellt beim Regelkessel eine Unsicherheit hinsichtlich der zu erwartenden Überhitzungstemperatur dar; diese fällt nun fort, da der gesamte Gasstrom durch die Rauchrohre geführt wird.). Weiters ergibt sich die Möglichkeit, den im Vorwärmerr höher legbaren Wasserstand (8) für das Rohrbündel nutzbar zu machen; ebenso kann das Rohrbündel ringsum näher an den Langkessel heranreichen, als dies den aus der Verbrennungskammer-Rohrwand kommenden Rohren möglich ist. Durch die kurzen Rohre werden die Verspannungen durch unterschiedliche Wärmedehnung stark vermindert.
• 4. Funktion: Analog zu der Bauart mit durchgehendem Rohrbündel, siehe A. Zusätzlich dazu bedarf es zwischen den beiden Langkesselteilen Vorwärmer und Verdampfer einer fest installierten (7) Rohrverbindung zur Überleitung des Speisewassers auf Höhe des höchsten Verdampfer-Wasserstandes.
• 6. Änderungen an der Original-Kessel-Bauart: Dome: wie unter A. Der Schlammtopf kann zu einem Mannloch zur Trennkammer umgebaut werden, wegen der Speisewasseraufbereitung ist er heute nicht mehr erforderlich. Um die mechanische Interität der Kesselanlage zu wahren, wird der Langkessel selbst zwischen den beiden Rohrbündeln durchgehend erhalten. Obwohl die Trennkammer an sich die Wandungsstärke nicht erforderte, da drucklos, sind also ihre Rohrwände in den durchgehenden Langkessel eingesetzt. Damit ist volle Erhaltung der mechanischen Stabilität wie bisher gewährleistet.
• 7. Zur Bauart: Wegen der durchgehenden Langkessel von erstem Rohrbündel über Trennkammer zu zweitem Rohrbündel bildet die Kesselanlage eine mechanische Einheit. Thermisch liegt jedoch eine Trennung in hoch intensiven Wärmeübergangsbereich mit Überhitzerrohren und einen weniger intensiven ohne Überhitzerrohre vor. Vorteil dabei ist: Unnötige Überhitzerheizfläche wird gespart, damit verringerte Strömungsverluste; die Heizgase können durch die engen Heizrohre weiter ausgenutzt werden, als dies mit Rücksicht auf die Rückkühlung des hochüberhitzt abziehenden Dampfes in den regulären Überhitzerelementen und der erforderlichen Rohrkennziffer (Verhältnis des freien Gasquerschnitts zur Heizfläche) bei normalen Rauchrohren möglich wäre. Durch die Erweiterung des Rohrbündels des Vorwärmers nach oben (höherer Wasserstand) und nach außen (näher an die Kesselwandung als durch engere Verbrennungskammer-Rohrwand gegeben) wird der Gesamt-Gasquerschnitt trotz enger Rohrkennziffer groß gehalten.

Bezugszeichenliste:

 1 Regler (der Originalbauart Zara)
 2 Dampfverbindungsrohr zwischen den Domen
 3 Naß-/Heißdampfsammelkasten des Überhitzers
 4 Trennwände der Vorwärmersegmente mit Leitwannen
 5 Rauchkammerrohrwand mit Kesselspeiseventil (von außen zugänglich)
 6 Überhitzer (Bauarten Houlet bzw. 5P4 beispielhaft gewählt)
 7 Überlauf des Wasser vom Vorwärmer in den Verdampfer
 8 Wasserlinie (im Verdampfer Niedrigwassermarke; im Vorwärmer je Segment leicht ansteigend durch Überlauf geregelt).
 9 Trennkammer mit Überhitzersammelkasten und trennbaren Überhitzer-Elementen
10 Gegenstrom von Heizgas- und Speisewasserführung

Claims (1)

1. Speisewasservorwärmer-Bauart für Dampferzeuger, insbesondere Dampf-Lokomotiv-Kessel, zur Verbesserung des Anlagewirkungsgrades und Schonung des Verdampfers durch Vorwärmung des Speisewassers auf über 100°C, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer ersten, unter atmosphärischem Druck stehenden ersten Stufe nach bisherigem Stande der Technik (Knorr, MV-57) nach der Speisepumpe eine unter vollem Kesseldruck stehende zweite Stufe nachgeschaltet ist, die mit der Kesseltrommel des eigentlichen Verdampfers integral verbunden ist (insbes. bei Lokomotiven als vordere Verlängerung der Verdampfer-Kesseltrommel, so daß äußerlich die bisher gekannte Form der Kesselanlage gewahrt bleibt), mit welcher die Vorwärmung über die bisherigen Temperaturen bis an die Verdampfungstemperatur erhöht wird (also von ca. 90°C beim Knorr-Vorwärmer/ca. 85-95°C beim Mischvorwärmer MV-57 bis beispielsweise bei 16 bar ca. 200°C, was bei einer Temperatursteigerung von 110°C einer Enthalpie von 852 kJ/kg - 377 kJ/kg = 475 kJ/kg entspricht, um die die Wärmezufuhr im Verdampfer vermindert werden kann für gleiche Verdampfungsleistung).