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Hochdruckdampfkessel Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochdruckdampfkessel
bekannter Bauart mit chier einzigen senkrecht angeordnetenTrornmel und mit langen
zweischenkligen, ebenfalls senkrecht angeordneten, durch Strahlung beheizten Rohren.
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Gemäß der Erfindung sollen bei einem derartigen Kessel die langen
zweischenkligen Rohre unmittelbar vor denWänden des hohen Feuerraumes angeordnet
sein, wobei die Steigrohre auf den Lücken hinter den Fallrohren liegen und oberhalb
des Wasserspiegels der Trommel in Düsen münden, die die Verdampfung in den Rohren
verhindern sollen und gleichzeitig unter Ausnutzung des Druckabfalls bei derEntspannung
des aus denSteigrohren austretenden überhitzten Wassers die Leitvorrichtung eines
Turbinenrades bilden. Erfindungsgemäß dient dieses Turbinenrad zum Mitantrieb einer
mit einem Elektromotor gekuppelten, in einer Trennwand zwischen den Mündungen der
Steig- und Fallrohre in der Kesseltrommel gelagerten Schleuderpumpe für einen Zwangsumlauf
in den Kesselrohren.
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Diese Ausbildung eines Hochdruckdampfkessels stützt sich auf nachstehende
Erwägung en. Die eingehende Würdigung der Eigenschaften der Strahlungswärme zur
Vervollkommnung der Wirtschaftlichkeit des Wasserrohrkesselbetriebes führt dazu,
einerseits die Strahlungswärme von solchen Flächen fernzuhalten, an denen oder durch
welche sie Schäden oder Verluste verursacht, und andererseits besondere Vorkehrungen
zu treffen, daß sie von den Heizflächen möglichst vollkommen aufgenommen wird. Die
strahlende Wärme muß daher vom Mauerwerk ferngehalten werden, da sie dieses zerstören
kann. Es müssen also in bekannter Weise überall zwischen Mauerwerk und Strahlungsquelle
eiserne Heizflächen angeordnet werden. Werden aber deren Temperaturen nicht genügend
gleichbleibend an allen Stellen gehalten, so leiden auch sie unter der Strahlungswärme.
Wenn sich auf der Innenfläche bestrahlter Wasserrohre Dampfblasen ansetzen können,
die sich in bestimmten Abständen ablösen, so ändert sich die Temperatur der betreffenden
Wandstellen wesentlich und unendlich oft. Bei Hochdruckkesseln werden dadurch leicht
Schäden verursacht; denn die durch den hohen Druck bedingten sehr kleinen Dampfblasen
lösen sich weniger leicht ab als große Blasen bei
niederen Drücken.
Die Wandstelle will sich dabei jedesmal durch die höhere Temperatur gegenüber den
umgebenden, von Wasser gekühlten Stellen ausdehnen. Da sie dies aber nicht kann,
muß sie Spannungen erleilen, welche zusammen mit den durch den hohen Wasserdruck
erzeugten Spannungen die Elastizitätsgrenze überschreiten und so das Rohr zerstören
können. Die Erfahrung hat gezeigt, daß sich die Dampfblasen immer wieder an denselben
kleinen Stellen bilden, die dann zermürbt werden. Bei Wasser, das auch nur den geringsten
Kesselstein bildet, kommt hinzu, daß jede Dampfblase restlos ihren Kesselstein ablagert,
wodurch sich jede folgende in steigendem Maße schwerer ablöst, so daß die Rohrtemperatur
dort noch schwankender wird. Bei Hochdruckhochleistungskesseln kommen weiter Pulsationen
hinzu, die das Wasser-Dampf-Gemisch stoßweise austreten lassen.
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Um diese Ursachen der Rohrzerstörungen und der behinderten Ausnutzung
der Strahlungswärme zu vermeiden, wurde bereits vorgeschlagen, die unmittelbare
Dampfbildung an den Heizflächen zu verhindern und sie dorthin zu verlegen, wo das
Wasser keine Wärme mehr aufnimmt, also in die Kesseltrommel. Dazu muß die Dampfbildung
dann natürlich durch Druckentlastung erzwungen werden. Durch Steigerung der Wassergeschwindigkeit
allein, welche die Dampfblasen schneller entfernen soll, also ohne spätere Druckentlastung,
läßt sich das übel nicht beheben.
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Die mittelbare Dampferzeugung abseits der Heizflächen verlangt die
Einhaltung einer bestimmten geringsten Wassergeschwindigkeit an den Heizflächen,
welche in bestimmtem Verhältnis zur Stärke der Bestrahlung und dem Wasserdruck an
der bestimmten Stelle steht; zweckmäßig wird also bei gleichbleibender Wassergeschwindigkeit
der größte Wasserdruck möglichst an die Stelle stärkster Bestrahlung gelegt. Dies
trifft zu, wenn bei den bekannten langen, senkrecht angeordneten zweischenkligen
Wasserrohren die Steigrohrschenkel, wie üblich, auf den Lücken hinter den Abfallrohrsch.enkeln
hängen. Letztere werden wegen der größeren Nähe der Strahlungsquelle stärker bestrahlt,
und außerdem nehmen sie auf einem größeren Teil des Rohrumfanges Strahlungswärme
auf. . Auch nimmt in senkrechter Richtung die Stärke der Strahlung bei sehr hoher,
von unten eintretender Flamme nach oben zu ab.
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Die Wasserdrücke in solchem langen zweischenkligen, in bekannter Weise
senkrecht angeordneten Rohre setzen sich zusammen aus dem nach unten zu zunehmenden
statischen Druck der zugehörigen Wassersäule und dem Drucke, welchen der Rohrreibungswiderstand
infolge der Wassergeschwindigkeit und der Rohrlänge erzeugt, der also im Fallrohrschenkel
nach unten, im Steigroh'rsclietilcel aber nach oben zu abnimmt. Bei den in Frage
kommenden Wassergeschwindigkeiten liegt also der höchste Wasserdruck an der tiefsten
Stelle des Rohres, der geringste am oberen Ende des Steigrohres und ein mittlerer
Druck am oberen Anfange des Fallrohres. Also stimmen Bestrahlung und Wasserdruck
sehr vorteilhaft miteinander überein; auch kann die Höhe des Wasserüberdruckes im
oberen Ende der Steigrohre gegenüber dem Wasserdruck in der Kesseltrommel geringer
zum Verhüten der unmittelbaren Dampfbildung gehalten werden als bei anderer Anordnung
der Rohre. Trotzdem würde aber die Antriebskraft der Umwälzpumpe, welche diesen
Überdruck zusammen mit dem Druck zum Erzielen der Wasserumlaufgeschwindigkeit und
dem Beschleunigungsdrucke bewältigen muß, wirtschaftlich unerträglich groß sein,
weil auch die Menge des Umlaufwassers sehr beträchtlich sein muß wegen der verhältnismäßig
geringen spezifischen Dampfbildung durch erträgliche Druckentlastung bei hoher absoluter
Wasserspannung. Die von der Reibung und Beschleunigung des Umlaufwassers verzehrte
Pumpenenergie muß von außen durch elektrischen Antrieb zugeführt werden, dagegen
aber kann die beträchtlich größere Energie zum Bestreiten des Entlastungsdruckes
zwischen Steigrohrende und Kesseltrommel zum wesentlichen Teile und sogar vollkommen
wiedergewonnen werden, wenn die Druckentlastung nicht in einer gewöhnlichen Drosselvorrichtung
stattfindet, sondern in bekannter Weise in einer finit der Umwälzpumpe gekuppelten
Turbine, in deren Leitvorrichtung die Steigrohre einmünden. Die Turbine kann zwar
nicht den ganzen Druck ausnutzen, welchen die Pumpe aufwenden muß, aber das in der
Turbine arbeitendeVoluinen des Gemisches aus Wasser und Dampf ist größer als jenes
Wasservolumen, welches durch die Pumpe geht. Bei ganz reinemWasser kann eine geringeDampfbildung
in den weniger bestrahlten Steigrohren zugelassen werden.
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Zum Erzielen der bestimmten Wassergeschwindigkeit in den Rohren wird
der Aufwand für Beschleunigung und Reibung ain geringsten bei den üblichen langen
geraden Rohren mit nur einer Umlenkung ohne Zwischenkammer und nur einer Obertrommel.
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Bedingung für das Verhüten der unmittelbaren Dampfbildung an den Heizflächen
ist das Einhalten der bestimmten Wassergeschwindigkeit in jedem der Wasserrohre.
Dazu müssen die Wasserrohre alle die gleiche
Form haben. Auch müssen
ihre Enden einerseits bis dicht an die Pumpe, andererseits bis dicht an dieTurbine
gleichmäßig herangeführt werden, wie dies bei senkrechten zweischenkligen Rohren
ohne untere Zwischenkammer zutrifft. Bei diesen ist auch ein den gleichmäßigen Wasserumlauf
störendes Verziehen durch Verschiedenheit der Wandtemperatur infolge Aschenablagerung
unmöglich.
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Von wesentlicher Bedeutung für die Betriebssicherheit ist endlich
noch die Ausführung der Umwälzpumpe. Diese darf bei Versagen des Antriebes den Wasserumlauf
nicht völlig unterbinden, weil sonst die Rohre verbrennen könnten, da es nicht möglich
ist, die Wärmezufuhr zu den Rohren sofort abzustellen. Die Pumpe muß also, wie üblich,
eine Zentrifugalpumpe sein; des Anheizens wegen muß sie am besten elektrisch angetrieben
werden.
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Bisher ist noch niemals allen diesen angeführten Überlegungen und
Bedingungen gleichzeitig Rechnung getragen worden, darum mußte der fortschrittliche
Erfolg bei Außerachtlassen auch nur eines der Punkte ausbleiben. So aber wird durch
die vorgeschlagene Ausbildung ein Hochdruckdampfkessel geschaffen, der trotz der
eingebauten Pumpe und Turbine einfach und betriebssicher ist und folgende Vorteile
bietet: Zunächst ist der Kessel billig herzustellen, da auch für größere Heizflächen
nur eine kleine Trommel, die gerade für den Einbau der Heizrohre genügt, nötig ist.
Die Zahl der Einwalzstellen ist durch die langen Rohrschlangen, die 40 m und mehr
lang sein können, gering. Die Einführung der Steigrohre über dem Wasserspiegel bewirkt
eine gute Scheidung von Wasser und Dampf. Auf den Heizrohren kann sich keine Asche
ablagern, sie können sich nicht verziehen, aus diesen Gründen keine unzulässigen
Spannungen erleiden und zerstört werden und liefern bei der Entspannung des überhitzten
Wassers durch die stärkere Wärmeaufnahme infolge Wassergeschwindigkeit und Ausnutzung
der Strahlungswärme ungewöhnlich viel Dampf pro Ouadratmeter Heizfläche. Da der
Vorwärmer und der Lufterhitzer oder auch ein Überhitzer um die Heizrohre herum gut
angeordnet werden können, wird die Anlage billig, besonders wenn auf Ersparnis an
Grundfläche Wert gelegt werden muß. Der Betrieb wird billig durch besondere Ausnutzung
des Brennstoffes in dem hohen Feuerraum, den geringen Wärmeverlust durch das Mauerwerk
und eine kurze Anheizdauer.
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Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der Zeichnung
dargestellt, und zwar zeigt Fig. i einen senkrechten Schnitt durch den Wasserrohrkessel
mit Einmauerung, jedoch ohne die Feuerung, Fig. z in größerem Maßstab einen senkrechten
Schnitt durch die Kesseltrommel.
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In einem hohen FeuerraumK ist eine Trommel i senkrecht angeordnet
und in diese eine abwärts fördernde Umlaufpumpe z eingebaut, die den Raum der Trommel
in einen oberen Teil i, und einen unteren Teil itt trennt und in letzterem eine
Drucksteigerung erzeugt. Die Pumpe wird von außen angetrieben durch einen auf der
Kesseltrommel oder auf dem verlängerten Kesselgerüst befestigten Elektromotor 3.
Dieser Antrieb .ist zweckmäßig ergänzt durch eine nicht dargestellte Dampfturbine,
die in bekannter Weise selbsttätig bei Stromunterbrechungen einspringt. In den unteren
Teil der Obertrommel i sind die einen Enden der langen senkrechten zweischenkligen
Rohre 5 eingewalzt, die, auf den ganzen Trommelumfang verteilt, zuerst radial abgehen,
dann nach einer Biegung als gerade senkrechte Fallrohre 5f den Feuerraum umschließen,
unten mit Schlaufen 5,1 versehen sind und hinter der ersten Rohrlage 51 den
Feuerraum als Steigrohre 5s nochmals umschließen, um in den oberen Teil der Trommel
i über dem Wasserspiegel wieder einzumünden. Diese Rohranordnung bildet, da die
Steigrohre 5s auf den Lücken der Fallrohre 51
liegen, eine vollkommene Umhüllung
des Feuerraumes, so daß weitere Kühlrohre zum Schutze des Mauerwerks nicht mehr
nötig sind. Die Enden der Steigrohre 5, münden nicht unmittelbar in den oberen
Teil i. der Trommel i, sondern in eine düsenförmige Leitvorrichtung 8 der Wasserturbine
4, die auf .der Pumpenwelle befestigt ist. In einem an den Feuerraum anschließenden
Rauchgaskanal ist ein Speisewasservorwärmer 6 und Luftwärmer 7 vorgesehen.