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Dampferzeuger mit Brennraum Die Erfindung betrifft einen Dampferzeuger
mit Brennraum, dessen Wände mit Verdampferheizflächen besetzt sind und der zur Erreichung
größter Dampfleistung pro Quadratmeter Heizfläche mit hoch erhitzter Verbrennungsluft
arbeitet. Sie bezweckt, die Ausnutzung der Heizflächeneinheit auf ein Höchstmaß
zu bringen.
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Die Erfindung geht von folgender Erwägung aus: Wie bekannt, wächst
die durch Leitung (Berührung) an die Heizflächeneinheit übertragene Wärmemenge einfach
proportional, die durch Strahlung übertragene Wärmemenge jedoch in einer hohen Potenz
der Temperatur des Wärmeträgers, das ist der Flamme bzw. der Heizgase. Je höher
daher der durch Strahlung unmittelbar der Heizfläche zugeführte Anteil von der bei
der Verbrennung erzeugten Gesamtwärme ist, um so größer wird die Wärmeübertragung
auf die Heizflächeneinheit.
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Die Erreichung und Aufrechterhaltung der größtmöglichen Wärmestrablungsfähigkeit
der Flamme bzw. Heizgase ist um so eher möglich, je höher die Verbrennungsluft erhitzt
und damit die Verbrennungsgeschwindigkeit gesteigert wird und je höher die Temperaturen
sind, mit denen die Heizgase die Brennerkammer verlassen.
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Dementsprechend soll die Zweitluft auf Temperaturen vorgewärmt werden,
die bisher noch nie angewandt wurden, nämlich über 5oo° C. Zur Vermeidung von Wärmeverlusten
und zwecks Ersparnis von hoch feuerfester Steinmasse wird eine Innenfeuerung, wie
sie an sich bekannt ist, derart ausgebildet, daß die Heizgase auf ihrem Wege, solange
sie in der Hauptsache Wärme durch Strahlung abgeben können, ausschließlich von Heizflächen
eingeschlossen sind, welche die aufgenommene Wärme an das in Dampf umzuwandelnde
Wasser abgeben. Andererseits wird aber die Bedingung der Aufrechterhaltung hoher
und höchster Wärmestrahlungsfähigkeit der Heizgase nur dadurch erfüllt, daß man
die letzteren mit Temperaturen austreten läßt, bei denen sie noch überwiegend wärmestrahlungsfähig
sind, also etwa bei Temperaturen von rooo° C und darüber. Diese heißen Verbrennungsgase
werden nun dazu benutzt, die hohe Vorwärmung der zusätzlichen Verbrennungsluft in
Winderhitzern (Rekuperatoren und Regeneratoren) durchzuführen. Unter Umständen wird
ein gewisses Wärmegefälle oder ein Teilstrom in Dampfüberhitzern und Speisewasservorwärmern
ausgenutzt.
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Die Vorteile der Wärmeübertragung durch Strahlung sind an sich bekannt.
Die Verbrennung stückigen Brennstoffes auf Rosten erlaubte jedoch nicht, die Vorwärmung
der Verbrennungsluft über aoo° C zu steigern, da sonst die Schlacke Schwierigkeiten
bereitete und die Roste bald zerstört wurden. Erst bei der Kohlenstaubfeuerung ging
man in neuerer Zeit dazu über, die Zweitluft auf etwa 3oo bis 40o° C vorzuwärmen,
besonders
nachdem man die Brennkammer mehr oder weniger mit Wasserrohren
ausgekleidet hatte, wodurch die Aufrechterhaltung der Zündtemperatur immer schwieriger
wurde. Hierbei werden jedoch Abgase geringerer Temperatur zur Vorwärmung der Verbrennungsluft
benutzt.
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Die Erfindung ist aber nicht : darin zu sehen, daß man der Kesselheizfläche
Gelegenheit gibt, strahlende -Wärme aus- den -Heizgasen unmittelbar zu empfangen
- auf etwas anderes laufen die bekannten Bauarten überhaupt nicht hinaus - und ebensowenig
darin, daß man den Brennstoff auf seinem Wege durch die Brennkammer mit vorgewärmter
Verbrennungsluft sich mischen läßt. Vielmehr liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
daß gewisse Temperaturen mindestens eingehalten werden sollen, damit eine möglichst
günstige Wärmeübertragung aus dem Brennstoff erfolgt, und es wird nicht davor zurückgescheut,
Heizgase mit einer Temperatur von iooo° C aus der Brennkammer zu entlassen, bei
welcher diese durch Strahlung noch immer mindestens das Vier- bis Fünffache der
Wärme an die Kesselheizfläche abgeben können, als durch Wärmeleitung möglich ist.
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Nie wurde bei Dampferzeugern die Vorwärmung der Verbrennungsluft über
5oo° C getrieben, und nie hat man die Heizgase oder einen Teil derselben direkt
nach dem Verlassen der Brennkammer mit iooo° C und darüber zur Lufterhitzung herangezogen.
Die Erfindung besteht darin, daß dem Brennraum an einer Stirnseite der Brennstoff
mit Erstluft zugeführt wird, während an der anderen Stirnseite die Abgase mit noch
sehr hoher Temperatur, bei der sie noch in der Hauptsache strahlungsfähig sind,
unmittelbar zum Luftvorwärmer abgeleitet werden.
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Somit ist in einer Dampferzeugungsanlage gemäß der Erfindung die mit
Heizflächen für das in Dampf umzuwandelnde Wasser ausgekleidete Brennkammer über
ihre ganze Länge gleichsam von einer Säule heißester Gase erfüllt, die ihre Wärme
in der Hauptsache durch Strahlung an die Heizfläche abgeben und somit die sehr große
Dampfmenge bzw. Dampfgewicht je Heizflächeneinheit erzeugen. Die Heizfläche wird
somit sehr wirtschaftlich ausgenutzt. Die vollständige Verbrennung des Brennstoffes
kann hierbei bereits in Nähe seiner Eintrittsstelle stattfinden oder aber auf dem
Wege durch die Brennkammer (Nachbrennen). Wenn erforderlich, kann vorzugsweise gleichfalls
hoch vorgewärmte Zweitluft auch von der anderen Stirnseite des Flammrohres oder
von der mit gleicher Wirkung in bezug auf ihre Aufnahmefähigkeit der Wärmestrahlung
ausgebildeten Heizfläche aus dem Strom der Heizgase einverleibt werden. Die Abgase
verlassen die Brennkammer mit Temperaturen, bei denen sie immer noch überwiegend
(das ist etwa zu 8o % und darüber) strahlungsfähig sind, und werden in nachgeschalteten
Kesselteilen hauptsächlich oder ausschließlich zur Vorwärmung der Verbrennungsluft
ausgenutzt. Wegen ihrer zu erheblichstem Teil - noch vorhandenen überwiegenden Wärmestrahlungsfähigkeit
auch - im Winderhitzer- wird eine sehr hohe Vorwärmung der Verbrennungsluft ermöglicht.
Die in der Brennkammer selbst herrschende hohe Temperatur gewährleistet aber unter
allen Umständen die Beständigkeit der Flamme und dauernde Zündung des gesamten eingeführten
Brennstoffs nach seinem Eintritt in die und gegebenenfalls auf dem Wege durch die
Brennkammer.
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Bedenkt man nun, daß bei einer Dampferzeugungsanlage gemäß der Erfindung
Dampfmengen von q.5o kg je Quadratmeter Heizfläche und darüber, also eine sehr hohe
Verdampfungsleistung je Quadratmeter Heizfläche und Stunde, leicht erreichbar sind,
so ergibt sich, daß man selbst für große Leistungen mit verhältnismäßig kleinen
Kesseleinheiten auskommt. Der Anwendung beispielsweise von Flammrohrkesseln mit
beherrschbaren Abmessungen steht daher selbst für höchste Leistungen nichts mehr
im Wege. Die Zusammenschaltung zweier oder mehrerer Einheiten mit gemeinsamen Kesseltrommeln,
in denen die Wasservorräte für den Umlauf durch die Einheiten sich befinden und
der erzeugte Dampf gesammelt wird, bietet keine Schwierigkeiten. Die Anlagekosten
und damit der Kapitaldienst für Beschaffung und Amortisation der Anlage werden daher
gegenüber allen anderen bekannten Vorschlägen gleicher Leistungsfähigkeit wesentlich
niedriger, denn die einzelnen Kesseleinheiten, die allein für hohen Druck auszubilden
sind und deren jede für sich bereits große Dampfgewichte stündlich abliefert, sind
verhältnismäßig billig und bedürfen nur einer geringen Grundfläche, da sie mit Vorteil
stehend angeordnet werden. Die Anlagen zur Ausnutzung der hohen Abhitze fallen aber
gleichfalls verhältnismäßig klein aus in Anbetracht der zur Verfügung stehenden
großen Wärmemengen hoher Temperatur. Sie haben außerdem, wie beispielsweise die
Winderhitzer, keine erheblichen Pressungen auszuhalten und sind dementsprechend
niedriger im Preis als Verdampfungsheizflächen.
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Die Erfindung sei nunmehr an Hand eines Ausführungsbeispiels der Zeichnung
näher erläutert, in der Abb. i und a zwei zueinander senkrechte Vertikalschnitte
und Abb. 3 eine Draufsicht
auf eine Kesselanlage gemäß der Erfindung
zeigt.
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In einem Mauerwerk sind in diesem Beispiel zwei Elemente na eingebaut,
in welchen die Umwandlung des Wassers in Dampf erfolgen soll und die hier als Verdampfer'
bezeichnet «erden sollen und nach Art von Flammrohrkesseln ausgebildet und stehend
angeordnet sind, jedoch eine glatte Innen-und gewellte, dehnungsfähige Außenwand
besitzen.
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Das vorzugsweise vorgewärmte Speisewasser wird zunächst in einen aus
mehreren parallel geschalteten Rohren in bekannter Weise gebildeten Schlacken- oder
Wasserrost feingeleitet, der oberhalb des Aschenfanges angeordnet ist und an dem
sich die niederrieselnden Verbrennungsrückstände granulieren und hierbei das durchfließende
Wasser weiter erwärmen. Hierauf tritt das Speisewasser durch das Rohr h an möglichst
tiefer Stelle in die Verdampfer m ein.
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Der Dampf bildet sich nun am stärksten in unmittelbarer Nähe der innenliegenden
Heizfläche, und es muß daher für seine rasche Entfernung von dieser gesorgt werden,
um Überhitzungen der bis aufs höchste ausgenutzten Heizfläche zu verhindern. Zu
diesem Zweck sind in entsprechendem Abstand übereinander schellenförmige Trichter
i in den Verdampfern 7n angeordnet, die sich mit ihrem engsten Teil an die Heizwand
anlegen und die aufsteigenden kleinsten Dampfbläschen von der Heizwand ablenken,
bevor sich diese zu größeren Dampfblasen vereinigt haben. Hierdurch wird die gleichmäßige
Dampfentwicklung entlang der gesamten Heizwand und die Verteilung des erzeugten
Dampfes über den ganzen Querschnitt des Verdampfers gewährleistet. Mit Vorteil werden
die höher liegenden Trichter i mit kleinerem Außendurchmesser ausgebildet als die
tiefer liegenden, so daß sie einen gleichsam stufenförmig größer werdenden Durchtrittsquerschnitt
für den aufsteigenden Dampf zwischen ihren Außenrändern und der Außenwand des Verdampfers
frei lassen. Der Dampf v erläßt die Verdampfer durch die Rohre h und wird in einen
Sammler L in Form einer Kesseltrommel eingeleitet, der vorzugsweise über dem Winderhitzer
angeordnet ist. Der Sammler kann durch eine Ausgleichsleitung n mit den Verdampfern
m so verbunden sein, daß in den letzteren ebenso wie in dem entsprechend tief gelegten
Sammler Wasser in gleicher Höhe steht. Der staubförmige Brennstoff wird an einer
Stirnseite, vorzugsweise der oberen, der Brennkammer des ringförmigen Kesselelements
mit etwa ro bis 16 °f, der zur vollständigen Verbrennung des Brennstoffs erforderlichen
Verbrennungsluft als Erstluft eingeführt. Hierzu können Düsen oder sonstige geeignete
Einlaßvorrichtungen d etwa in der Mitte der Stirnwand oder ringförmig in dieser
verteilt mit beliebigem Eintrittswinkel verwendet werden. Die Erstluft kann mit
Vorteil vorgewärmt sein.
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Die Zweitluft tritt kalt bei a in den Winderhitzer ein, der als Rekuperator
oder Regenerator aus feuerfestem Baustoff oder Eisen in bekannter und bewährter
Weise ausgeführt sein kann. Sie verläßt hoch erhitzt die Winderhitzer und wird nunmehr
geeignet in den Feuerraum eingeführt. Im gewählten Beispiel wird ein erheblicher
Teil der Zweitluft konzentrisch mit der Einblasvorrichtung des staubförmigen Brennstoffs
bei c in die Brennkammer eingeführt, während ein anderer Teil durch einen besonderen,
zentral im unteren Teil der Feuerkammer angeordneten Luftverteilungskörper b aus
feuerfestem Stoff eingeleitet wird und die vollständige Verbrennung des Brennstoffs
und der noch brennbaren Heizgase bewirkt. Durch geeignete Einstellung der Zweitluftverteilung
auf die beiden Zuführungen kann jedes gewünschte Temperaturgefälle in der Feuerkammer
eingestellt und aufrechterhalten werden.
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Ebenso könnte man aber auch die gesamte hoch erhitzte Zweitluft bei
c oder aber auch konzentrisch mit der Einblasvorrichtung d in die Feuerkammer einleiten
oder schließlich die gesamte hoch erhitzte Zweitluft nur durch die Luftv erteilungskörper
b, die dann entsprechend hoch in die Feuerkammer hineinreichen, in diese letztere
einleiten. Der dann ständig auf hoher Hitze erhaltene Luftv erteilungskörper b,
der andererseits durch die hindurchstreichende Zweitluft gekühlt wird, kann dann
zusätzlich als Zündkörper zur Aufrechterhaltung einer ständigen Flamme dienen, während
er gegebenenfalls auch seinerseits durch Strahlung Wärme abgeben kann.
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Die. außerordentlich heißen Abgase verlassen die Brennkammer bei e
und durchstreichen im Beispiel nur den Winderhitzer, der als Rekuperator sinnbildlich
dargestellt ist. Sie geben dort in ihnen enthaltene Wärme zunächst überwiegend durch
Wärmestrahlung ab, woraus sich kleinste Heizflächen des Winderhitzers ergeben. Der
Rest der Abhitze kann in nicht dargestellten Speisewasservorwärmern nutzbar gemacht
werden.