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Verfahren zum Betrieb von Quecksilberdampfkesseln Die Erfindung bezieht
sich auf ein Verfahren zum Betrieb von Quecksilberdampfkesseln, bei .dem flüssiges
Quecksilber in Berührung mit eisenhaltigen Metallen, wie Schmiedeeisen, Stahl o.
dgl., gelangt, und zwar unter hohen Temperaturen. Quecksilberdampfkessel bestehen
meist aus einer oder mehreren Trommeln, die auf der unteren Seite eine Mehrzahl
von Heizrohren tragen, welche in den Feuerraum hineinragen. Jedes Heizrohr besteht
aus zwei konzentrischen Teilen, einem Innenrohr, welches das flüssige Quecksilber
zuführt, und einem äußeren Ringraum, durch welchen das verdampfende und verdampfte
Quecksilber abgeführt wird.
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Es hat sich nun im Betriebe gezeigt, ,daß die oberen Teile des engen
Ringraumes zwischen den beiden konzentrischen Rohren der Heizrohre sich mit der
Zeit allmählich verstopfen. Das Verstopfen geschah verhältnismäßig langsam in Quecksilberdampfkesseln
mit niedrigen Betriebstemperaturen, jedoch rascher bei höheren Betriebstemperaturen.
Die Erscheinung kann einen derartigen Umfang annehmen, daß der Betrieb von Quecksilberdampfkesseln
mit hohen Temperaturen völlig in Frage gestellt werden kann. Eine Untersuchung ergab,
daß die Verstopfungen Eisen und eisenähnliche-Stoffe enthalten, aus, welchen die
Kesselwandungen hergestellt waren. Die Ablagerungen waren kristallin. Durch weitere
umfangreiche Untersuchungen wurde festgestellt, daß_ flüssiges Q.ueclcsilber bei
hohen Temperaturen eine außerordentlich geringe Menge eines eisenähnlichen Metalles
auflöst, wobei die Menge von .der Temperatur abhängt. Die Verstopfungen entstanden
dadurch, daß an denjenigen Stellen des Quecksilberdampfkessels, wo hohe Betriebstemperaturen
auftreten, das flüssige Quecksilber eisenhaltige Metalle auflöste, und die aufgelösten
Teile dann an Stelln niedriger Temperaturen des Kessels ablagerte. Bekanntlich sind
in einem Kessel die Temperaturen an verschiedenen Stellen verschieden. Die in den
Heizraum hineinragenden Heizrohre -besitzen dabei natürlich auch höhere Betriebstemperaturen.
Dabei können die unteren Teile der Heizrohre höhere Temperaturen aufweisen als die
oberen Teile, weil die unteren Teile näher zur Wärmequelle liegen und weil die unteren
Rohrteile einen höheren Verdampfungspunkt für .die Flüssigkeit besitzen als die
oberen Rohrteile. Das kommt daher, daß_ der Verdampfungspunkt der Flüssigkeit nicht
nur von dem Dampfdruck des Kessels, sondern auch von dem statischen Druck der Flüssigkeitssäule
-abhängt.
Ein Flüssigkeitsteilchen, das sich 3 Meter unter dein Flüssigkeitsspiegel befindet,
hat einen höheren Ver-.dampfungspunkt, .als ein Flüssigkeitsteilchen in einer Tiefe
von 2 Metern unter dem Flüssigkeitsspiegel.
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Die Untersuchungen ergaben auch, daß das flüssige Quecksilber stets
nur eine außerordentlich geringe Menge eines aufgelösten eisenähnlichen Stoffes
enthalten kann.' Beispielsweise können bei einer Temperatur von 5oo ° C in roo Mill.
Gewichtsteilen Quecksilber nur etwa 2o Gewichtsteile eines eisenähnlichen Stoffes
aufgelöst sein. Diese Menge sinkt mit sinkender Temperatur. Beträgt der Temperaturabfall
beispielsweise 2o ° C, so müssen 15 0/0 -des aufgelösten Eisens oder .drei Gewichtsteilte
in zoo Mill. Gewichtsteilen des flüssigen Quecksilbers ausfallen, damit die übliche
Sättigung des Quecksilbers wieder ,hergestellt ist. Kühlt sich infolgedessen in
einem :anderen Teil des Kessels das mit Eisen gesättigte flüssige Quecksilber ab,
so muß es einen Teil seines Eisengehaltes ausscheiden. Daher kam es, daß der obere
Teil -des Ringraumes zwischen den beiden konzentrischen Rohren der Heizrohre mit
der Zeit verstopft wurde, weil die Temperatur an dieser Stelle etwas .geringer ist
als an den äußersten Enden der Heizrohre.
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In einem Quecksilberdampfkessel läuft eine beträchtliche Menge Quecksilber
um. Bei jedem Kreislauf wird davon nur ein verhältnismäßig kleiner Teil verdampft.
Ein Flüssigkeitsteilchen kann unter Umständen 3o- bis 40mal von der Kegseltrommel
durch die Heizrohre und zurück in die Kesseltrommel gelangen, bevor es verdampft
wird. Bei .diesem Umlauf verändert sich die Temperatur &r Quecksiliberdampfteilchen
ständig. Beim Abwärtsfließendurch das innere Rohr des Heizrohres steigt die Temperatur,
beim Aufsteigen durch den äußeren Ringraum des Heizrohres sinkt - sie. Bei jedem
Umlauf durch das Heizrohr nimmt das Quecksilberdampfteilchen eine gewisse Menge
von Eisen der unteren Rohrwandungen mit, und lagert es .im oberen Teil des Heizrohres
im Ring rauen ab. Dies trifft auch für andere Heizelemente, beispielsweise für die
Wandungs-Schutzheizelemente, zu.
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Wenn man bedenkt, daß bei einem Quecksilberdampfkessel die gesamte
Quecksilberdamipfmenge im Laufe eines Betriebsjahres etwa mehr als zwei Millionen
Umläufe durch den Kessel vornimmt, so kann man überschlägig feststellen, .daß beispielsweise
bei einer Quecksilberdamp£anlage für 2o ooo Kw etwa zooo kg Eisen an gewissen Stellen
des Kessels den Wandungen entnommen und an anderen Stellen abgelagert werden. Das
Verstopfen .der engen Kanäle im Kessel erhöht sich bei höheren Betriebstemperaturen,
so daß die Schwierigkeiten dabei steigen.
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Diese Erscheinung hat für den Kessel recht unangenehme Folgen. Einmal
werden die engen Kanäle .durch die eisenhaltigen Ablagerungen verstopft. Das beeinträchtigt
den Umlauf des Quecksilbers, also,den Wirkungsgrad des Kessels, und kann ein Durchbrennen
der Rohre zur Folge haben. Eine zweite unangenehme Eolge besteht darin, daß diese
Erscheinung die Lebensdauer verschiedener Kesselteile ganz wesentlich herabsetzt.
Besonders werden dadurch die in den Feuerraum hineinragenden Enden der Heizrohre
geschädigt. In noch größerem Maße werden diejenigen Heizrohre .geschädigt, die als
Feuerungswandschutz dienen sollen, weil diese Rotihre meist länger als die Heizrohre
der Kesseltrommeln sind, so daß die Temperaturunterschiede zwischen den oberen und
unteren Rohrenden größer sind.
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Die Erfindung besteht nun darin, daß dem Quecksilber ein Stoff beigefügt
wird, welcher ihm die Fähigkeit zum Auflösen von eisenähnlichen Stoffen nimmt. Als
solche Zusatzstoffe können beispielsweise diehen Aluminium, Nickel, Chrom, Magnesium,
Calcium und andere. Recht gute Erfolge kann man insbesondere mit Aluminium erzielen.
Schon die geringste Menge eines solchen Zusatzstoffes erzielt den gewünschten Erfolg.
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Erfindungsgemäß genügt 1/loooo Gewichtsteil Aluminium, um das Auflösen
von Eisenmetaller bei einer gewöhnlichen Betriebstemperatur von etwa 5oo ° C ganz
wesentlich herabzusetzen oder gänzlich zu unterbinden. Man kann jedoch bis zu 25/1o,6,
Gewichtsanteil Aluminium dem Quecksilber zufügen. Mehr zu nehmen empfiehlt sich
nicht, weil dann auf den Metallflächen der Rohre eine Aluminium- oder Aluminium-Eisen-Schicht
entsteht, die für die Wirkung des Kessels schädlich .sein kann.
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Bei Verwendung von Chrom kann etwas mehr genommen werden, beispielsweise
in der Größenanordnung von 1/100o Gewichtsanteil. Magnesium und Calcium kann in
der Größenordnung von 1/4 bis 10/0 Gewichtsanteil genommen werden. Bei Verwendung
von Nickel beträgt die Größenordnung des Zusatzes i °/o.
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Der Zusatz dieser Hilfsstoffe hat auch noch einen anderen Vorteil,
indem die Benetzungsfähi.gkeit der eisenhaltigen Metallflächen des Kessels für das
Quecksilber erhöht wird. Diese B:enetzungsfäh.igl#:eit ist aber außerordentlich
wichtig, weil sie den Wärmeübergang, also den Wirkungsgrad des Kessels erhöht. Es
wird somit durch die Erfindung nicht nur das Anfressen der eisenhaltigen Metallwände
und, das Verstopfen enger Kanäle
verhindert, sondern auch die Benetzung
der Kesselflächen durch das Quecksilber erhöht.
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Die Zeichnung veranschaulicht schematisch eine Quecksilberdampfanlage,
wobei Abb. i die gesamte Anlage, Abb. 2 ein Heizrohr im Längsschnitt zeigt.
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Der Kessel besteht aus Trommeln io aus einem eisenähnlichen Stoff,
die mit einer Wärmeisolierung ii und mit einem Außenmantel 12 versehen sind. Die
Trommel ist zum Teil mit flüssigem Quecksilber 13 gefüllt, dem der Hilfsstoff gemäß
der Erfindung hinzugefügt ist. Ein Füllstück 14 dient zur Verringerung der erforderlichen
Quecksilbermenge. An der Unterseite der Tommel ist eine Mehrzahl von Heizrohre115
aus eisenhaltigem Metall angebracht. Jedes Heizrohr besitzt ein Außenrohr 16, das
in der Trommelwand befestigt ist, und ein Kernrohr 17, das wiederum aus zwei konzentrischen
Rohren 18 und ig besteht, die an beiden Enden zus.amm.engeschweißtsind und den Innenraum
dicht abschließen. Das Innenrohr i8 des Kernrohres 17 bildet einen Kanal 2o, durch
welchen das flüssige Quecksilber abwärts fließt, während das Außenrohr 16 mit dem
Rohr ig einen ringförmigen Außenkanal bildet, durch welchen das verdampfende und
zum Teil verdampfte Quecksilber aufwärts strömt, um in die Kesseltrommel zurückzugelangen.
Ein Rohrstück 22 ist in einer Abstandplatte 23 ,der Kesseltrommel befestigt und
ragt in den Kanal 2o des Kernrohres 17 hinein. Die Wärme wird dem O_uecks:ilber
durch unmittelbare Übertragung und Strahlung zugeführt. Die Doppelwandigkeit des
Kernrohres verringert den Wärmeübergang aus dem Ringraum 21 zum Zuflußkanal 2o.
Das hat einen .gewissen Druckunterschied zur Folge, der einen ständigen Umlauf des
Ouecks.ilbers verursacht. Der erzeugte Ouecksilberdampf strömt aus der Kesseltrommel
io .durch eine Leitung 2,4 in eine Quecksilberdampfturbine 25, dann durch einen
Kondensator 26 und die Leitungen 2g und 30 in die Kesseltrommel zurück. Der
Kondensator 26 besitzt eine Kühleinrichtung 28.
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Außer den Heizrohren 15 besitzt ein solcher Kessel meist noch andere
Heizelemente, die zugleich die F:euerungswände 36 schützen. Bei dem veranschaulichten
Beispiel besteht eine solche Heizeinheit 31 aus einem oberen Sammelrohr 32 und einem
unteren Sammelrohr 33, die durch Fallrohre 34 und Steigrohre 37 verbunden sind,
wobei die Fallrohre außerhalb des Feuerungsraumes, die Steigrohre innerhalb des
Feuerungsr.aumes liegen und für die Feuerungswand 36 als" Wärmeschutz dienen. In
dem oberen Sammelrohr 32 ist eine Trennplatte 3$ zwischen den Mündungen der Rohre
3.4 :und 37 vorgesehen, damit der aufwärts strömende und in das Sammelrohr ,gelangende
Dampf nicht den Zufluß des flüssigen Quecksilbers zu den Fallrohren verhindert.