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Heizkammer für Verdampfer und Verkocher mit senkrecht stehenden Heizrohren
Beim Einführen des Heizdampfes in Schlangenrohre oder Rohrbündel werden die im Dampf
enthaltenen Gase zwangsläufig bis an das Ende der Rohre gedrängt, wo sie mit nur
wenig Dampf vermischt abgeführt werden können.
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Bei den Heizkammern der Verdampfer und Verkocher mit kreisförmigem
Querschnitt und senkrecht stehenden Rohren liegen die Verhältnisse für das Abführen
von Luft und anderen Gasen aber viel ungünstiger, da bei diesen der Heizdampf die
Heizrohre von außen umströmt und sich in dem ganzen großen Dampfraum verteilt.
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Bei der üblichen-Bauart dieser Verdampfer, bei der die Höhe der Heizkammer
kleiner als ihr Durchmesser ist, strömt der Heizdampf durch einen Stutzen ein und
verteilt sich dann in dem Dampfraum zwischen den Heizrohren nach allen Richtungen,
in waagerechten und schräg nach oben und unten gerichteten Stromlinien, entsprechend
der Kondensation des Dampfes auf den Heizrohren. Seine Geschwindigkeit nimmt im
Dampfraum sehr stark ab, da der senkrechte Querschnitt, durch den er fließt, 15
bis zumal so groß als der Eintrittsquerschnitt ist; an vielen Stellen, die außerhalb
der Stromlinien liegen, kommt er sogar ganz zur Ruhe. Hier sammeln sich die Gase
an und verhindern den Zustrom von Dampf, der auf den Hauptstromlinien an ihnen vorbeiströmt
und sich nur auf den Rohren verdichtet, die in diesen Stromlinien liegen. Die wirksame
Heizfläche wird dadurch stark herabgesetzt und entsprechend auch die Leistung des
Verdampfers.
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Zur Behebung dieses Übelstandes werden an der Heizkammer Abzüge für
die nicht verdichtbaren Gase angebracht. Da man aber die Stellen, wo sich diese
Gase ansammeln, nicht kennt und auch nicht ermitteln kann, weil sie dauernd ihren
Ort wechseln, so ist dies eine sehr unvollkommene Lösung der Aufgabe.
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Ferner hat man zwischen den Heizrohren Lenkbleche angebracht, um
den Dampf durch diese nach einer Stelle hinzudrängen, wo die Gase abgezogen werden
können. Aber die Lenkbleche haben den Nachteil, daß sich hinter ihnen erst recht
viele SteUen bilden, wo der Dampf zur Ruhe kommt, also viele Abzugsstutzen mit den
unvermeidlichen großen Dampfverlusten angebracht werden müßten, ohne daß alle Gase
erfaßt werden. Ebenso ist der Versuch, durch tangential gerichtete Stutzen dem Dampf
eine in kreisförmigen Stromlinien verlaufende Strömung zu geben, ohne Erfolg geblieben,
da diese Bewegung zwischen den Rohren durch deren Widerstand sofort aufgehoben und
die Stromlinien dann wie bei normalen Eintrittsstutzen verlaufen, der Dampf also
auch hier auf dem kürzesten Wege dahinströmt, wo die Verdichtung stattfindet, und
die Gase sich an sehr vielen außerhalb dieser Stromlinien liegenden Stellen ansammeln.
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Überall mußte also bisher zu einer erfolgreichen Lüftung eine größere
Zahl von Abzugsstutzen
angebracht werden, bei denen sich aber häufig
überhaupt keine Gase ansammeln, so daß allein Dampf abgezogen wird, und an den Stellen,
wo Gase vorhanden sind, fehlt die ihrer Menge entsprechende Regelung des Abzugs.
So entstehen Dampfverluste, die 2 bis 5 °/0 und mehr der eingeführten Dampfmenge
betragen, und trotzdem wird die Heizfläche nicht voll ausgenutzt, weil bei diesen
Entlüftungsarten immer noch Teile der Rohrflächen mit Gasen umgeben, also weniger
wirksam sind.
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Diese Übelstände werden bei der neuen Heizkammer in der Weise beseitigt,
daß die Gase durch den in geregelter Weise eingeführten Dampf bis an ein äußerstes
Ende des Dampfraumes verdrängt und dort abgezogen werden.
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Das wesentliche Merkmal der neuen Heizkammer, das sie von den üblichen
unterscheidet, besteht darin, daß Ansammlungen von Gasen an beliebigen und nicht
bekannten oder wechselnden Stellen des Dampfraumes verhütet und die Gase an der
dem Dampfeintritt gegenüberliegenden Seite der Kammer zusammengedrängt werden, wo
sie abgezogen werden.
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Zu diesem Zweck wird an der Heizkammer eine größere Zahl von Dampfeinführungsstutzen
auf der einen Halbseite in der Weise verteilt, daß etwaige Gasansammlungen an den
Außenwänden oder Rohrplatten sofort wieder in die Hauptstromlinie des Dampfes und
auf diesen nach der der Dampfeintrittsseite gegenüber liegenden Stelle der Außenwand
gedrängt werden, an der sie sich an der äußersten Rundung auf einem engbegrenzten
Raum mit wenig kondensiert bleibendem Dampf vermischt ansammeln.
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Von hier werden sie durch einige übereinanderliegende kleine Stutzen
in geregelter Weise abgezogen.
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Die Bauart der neuen Heizkammer und die Dampfführung in dem Dampfraum
sind aus den schematisch ausgeführten Abb. I und 2 ersichtloch, von denen Abb. I
einen horizontalen, Abb. 2 einen senkrechten Schnitt darstellen. Um die eingezeichneten
Stromlinien des Dampfes deutlich hervortreten zu lassen, sind die Heizrohre nicht
eingezeichnet.
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Die Hauptmenge des Dampfes tritt nicht wie bisher durch einen auf
halber Höhe der Wand befindlichen Stutzen oder durch einander gegenüberliegende
ein, sondern strömt durch die übereinander auf einer Seite der Außenwand der Kammer
angebrachten Stutzen al, a2, a3 ein, die auch durch einen senkrechten Schlitz mit
dariiber angebrachter Haube ersetzt werden können, Ferner sind; auf der Dampfeinführungshalbseite
des Außenmantels weitere, aber kleinere Dampfeinführungsstutzen an solchen Stellen
angebracht, an denen bei den üblichen Bauarten der Dampfstrom vorbeigeht. Diese
Stellen finden sich besonders bei nu und n2 am Umfang, dann aber auch bei n3 und
n4 nahe dem Umlaufrohr in der Rohrplatte. Bei Kammern von größerem Durchmesser werden
weitere kleine Einführungsstutzen noch an den Stellen n5 bis n8 angebracht. Alle
diese Stutzen werden, wie Abb. 2 zeigt, je doppelt oder mehrfach übereinander angebracht,
damit nicht nur oben, sondern auch in der Mitte und im unteren Raum Gasansammlungen
verhütet werden.
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Diese Maßnahmen bedeuten gegenüber der üblichen Dampfführung in den
Heizkammern einen großen Fortschritt, weil dadurch die Gase an allen Stellen, besonders
auch im unteren Raum, erfaßt und nach der Entlüftungsstelle gedrängt werden. Ruhepunkte
sind unter diesen Verhältnissen im Dampfraum, außer vor den Entlüftungsstutzen,
nirgendwo mehr vorhanden, die Gase werden überall in die Hauptstromlinien geführt
und auf diesen zu dem Endpunkt, der ein für allemal festliegt. Hier werden die Gase
durch die Stutzen b abgesaugt, und zwar mit verhältnismäßig geringen Mengen Dampf.
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Die Anbringung der großen Zahl von Stutzen an der neuen Heizkammer
zur Einführung des Dampfes wirkt hier sehr günstig auf die Entlüftung, während bei
den üblichen Heizkammern mit der Zahl der Stutzen für die Abführung der Gase die
Dampfverluste stark steigen, ohne daß die Entlüftung merklich besser wird.
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Eine wesentliche Bedingung für die gute Wirkung der neuen Heizkammer
ist die Regelung der für jede Dampfeinführungsstelle zweckmäßigen Dampfmengen durch
die Wahl entsprechend großer Durchmesser der Dampfeinführungsstutzen. Durch die
Stutzen albis a3 wird die Hauptmenge des Dampfes eingeführt, etwa 70 bis 8o 0/o
der Gesamtmenge, der auf die einzelnen Stutzen a nach der Höhe der Wärmeübertragung
an den oberen und unteren Teilen der Rohre zu verteilen ist, damit die Stromlinien
in jeder Höhe möglichst waagerecht verlaufen. Bekanntlichrist der Wärmedurchgang
in der oberen Hälfte der Rohre 2 bis 3mal so groß wie in der unteren Hälfte. Bei
drei Stutzen a wird man daher die für diese vorgesehene Dampfmenge im Verhältnis
von etwa a, : a2 : a, =6:3: verteilen.
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Da es sich um die Verteilung von Dampf, die eine gleiche Spannung
hat, handelt, so ist sie leicht in der Weise vorzunehmen, daß man für jede Einführungsstelle
den entsprechenden Querschnitt wählt. Hat z. B. das Hauptdampfzuführnngsrohr einen
Durchmesser von 30 cm =700cm2, so fallen davon ungefähr 80010 = 560 cm2 auf die
Hauptstutzen, deren Durchmesser ungefähr für al=22 cm, für a2=I6cm und für a3 =
10 cm zu wählen ist.
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Der Rest von I50 cm2 ist auf die Stutzen für die Nebeneinführung des
Dampfes zu verteilen.
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Von diesen gibt man nIundn2 die größeren
Durchmesser
und bringt sie so an, daß der Dampf in tangentialer Richtung einströmt; die anderen
kleineren können als gewöhnliche Stutzeneingeschraubtwerden. rlundn2 erhalten z.
B. etwa 5 cm, die übrigen 2 bis 3 cm Durchmesser.
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Eine zweckmäßige Ausführungsform der Heizkammer ist beispielsweise
in den Abb. 3 und 4 dargestellt, von denen Abb. 3 einen waagerechten, Abb. 4 einen
senkrechten Querschnitt darstellt. Die für die Einführung des Heizdampfes bestimmten
Stutzen sowie die für die Abführung der Gase dienenden Stellen sind mit denselben
Buchstaben bezeichnet wie in den schematischen Darstellungen I und 2.
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Selbstverständlich kann die neue Einrichtung auch bei Dampfräumen
und Heizkammern angewandt werden, in denen der Heizdampf z. B. durch senkrecht oder
quer gestellte Lenkbleche gezwungen wird, einen längeren Weg zu machen.
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Auch bei diesen Bauarten ist es nicht zu vermeiden, daß sich tote
Ecken bilden, in denen sich die Gase ansammeln, oder auch sonst Stellen finden,
an denen die Hauptstromlinien des Dampfes vorbeigehen. Hier werden die Nebendampfeingänge
ebenfalls nach den angegebenen Grundsätzen angebracht.
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Die Wirkung der neuen Heizkammer kann schließlich noch dadurch verbessert
werden, daß das durch die Stutzen b aus dem Dampfraum abgezogene Dampfgasgemisch
soweit wie möglich noch weiter ausgenutzt wird, indem es durch eine Rohrschlange
von engem Durchmesser abgeleitet wird, die in den Kochraum des Verdampfers entweder
unter oder über die Heizkammer oder sonstwie in dieeinzudampfende Flüssigkeit verlegt
wird. Hier verdichtet sich noch so viel Dampf, wie das Temperaturgefälle zuläßt,
und das so im Volumen weiter verringerte, also dampfärmer gewordene Gemisch wird
zwangsläufig zum Ausgang der Schlange gedrängt, wo es =in die Außenluft strömt oder
zum Kondensator abgezogen wird. Auch kann das Dampfgasgemisch, besonders in Verkochapparaten
für zähilüssige Massen, anstatt reinen Dampfes durch gelochte Rohre unter die Heizkammer
geführt werden, um in bekannter Weise die Geschwindigkeit des Aufstiegs der Massen
in den Heizrohren zu erhöhen und so die Leistung zu verbessern.
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Diese weitere Ausbildung der Vorrichtung kann z. B. in der Weise
ausgeführt werden, daß nach Abb. 5 an die drei Gasabführungsstutzen b1 bis bs ein
weiteres Sammelrohr r angeschlossen wird, aus dem das Gasdampfgemisch von oben durch
ein Rohr nach einer Rohrschlange s geführt wird, die im Verdampfer unter den Heizrohren
der Heizkammer liegt. In dieser verdichtet sich der etwa überschüssig abgeführte
Dampf und verdampft eine entsprechende Menge Wasser aus der Flüssigkeit, wobei die
entwickelten Dampfblasen den Strom der Flüssigkeit durch die Heizrohre erhöhen.
Das nicht mehr auszunutzende Gasdampfgemisch entweicht durch das Rohr t ins Freie.
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Die Vorteile der neuen Heizkammer mit geregelter Gasverdrängung gegenüber
dem bisher üblichen systemlosen Abzug der Gase bestehen darin, daß viel weniger
Dampf nutzlos abgezogen wird, und in einer erheblich größeren durchschnittlichen
Wärmeübertragung, also in einer Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Heizfläche.
Bei Dampfverlusten, die je nach der Menge -der Gase unter 1/2 bis I °lO des Gesamtdampfes
bleiben, wird eine Erhöhung der Leistung des Verdampfers um 10 bis 200/, erreicht,
die besonders eine Folge der größeren Wärmeübertragung in den unteren Teilen der
Heizrohre ist. Bei Verwendung von überhitztem Dampf als Heizdampf hat die neue Kammer
ferner noch den Vorteil, daß dieser Dampf beim Eintritt in den Heizraum auf einen
viel größeren Teil der Heizfläche als sonst stößt und infolgedessen schnell in gesättigten
oder sogenannten kondensierenden Heißdampf übergeführt wird, so daß eine Verringerung
der Leistung des Verdampfers nicht eintritt.
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PATENTANSPRCRE: I. Heizkammer mit kreisförmigem Grundriß und senkrecht
stehenden Heizrohren für Verdampfer und Verkocher, deren Höhe kleiner ist als der
Durchmesser der Kammer mit Vorkehrungen zur geregelten Einführung von Dampf und
zum Verdrängen von Luft und Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einführung des
Heizdampfes nur auf der einen Seite der Außenwand eine größere Zahl von neben- und
übereinander angeordneten Stutzen derart angeordnet sind, daß in der Mitte der Halbseite
mehrere senkrecht übereinanderstehende weite Stutzen (a) die Hauptmenge des Dampfes
einführen und weitere kleinere Einführungsstutzen (off) rechts und links davon in
je zwei oder mehr Reihen senkrecht übereinanderstehend derart angebracht werden,
daß der Dampf im Querstrom durch die Kammer fließt und die nicht verdichtbaren Gase
zur entgegengesetzten Halbseite der Außenwand hindrängt, wo sie durch mehrere übereinanderstehende
Stutzen (b) abgeführt werden.