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Rauchrohrüberhitzerelement Als Überhitzerelemente für die Rauchrohrkessel,
insbesondere von Lokomotiven, werden am häufigsten die sog. Vierrohr- oder Doppelschleifenelemente
verwendet. Diese Überhitzerelemente bestehen aus vier Rohrsträngen, die durch drei
Umkehrstellen zu zwei Rohrschleifen verbunden sind. Der Dampf durchströmt nacheinander
die beiden Rohrschleifen, so daß er im Rauchrohr zweimal hin und her strömt. Bekannt
sind ferner sog. Ringrohrelemente, die aus zwei konzentrischen Rohren bestehen.
Bei den Ringrohrelementen strömt der Dampf zunächst durch den Ringraum zwischen
dem äußeren und inneren Rohr im Gegenstrom zu den Heizgasen und dann weiter durch
eine sich anschließende Rohrschleife zu einem Rückleitungsrohr, das im Hohlraum
des inneren Rohres des Ringrohres liegt.
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Den Gegenstand der Erfindung bildet ein neues Überhitzerelement, das
aus einem im kühleren Teil des Rauchrohres liegenden Ringrohrabschnitt und einem
Doppelschleifenabschnitt, dessen Länge zwischen 2o und .45 v. H. der Gesamtlänge
des Elementes beträgt, zusammengesetzt ist. Durch den Ringraum des Ringrohrabschnittes
des Überhitzerelementes strömt der Dampf vollständig im Gegenstrom zu den Rauchgasen,
so daß das vorhandene Temperaturgefälle unter den günstigsten Bedingungen ausgenutzt
wird. In dem sich anschließenden Doppelschleifenteil, der aus Rohren des für Überhitzerelemente
üblichen Querschnittes hergestellt ist, ist die Dampfgeschwindigkeit größer, so
daß die Rohrwand durch den strömenden Dampf wirksam gekühlt wird. Mit dem neuen
Überhitzerelement kann deshalb eine höhere Überhitzung ohne Gefährdung des Rohrbaustoffes
erzielt werden.
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Man kann allerdings auch in .einem Ringrohrelement, das bis in die
Nähe der Feuerbüchsrohrwand herangeführt ist, höhere Überhitzungstemperaturen erreicheno
als in dem üblichen Vierrohrelement. Dabei treten aber unzulässige Beanspruchungen
des Überhitzerelements auf, einmal weil infolge der in dem Ringarm herrschenden
geringeren Dampfgeschwindigkeit die Kühlung der Rohrwand in dem vorderen sehr heißen
Teil des Rauchrohres nicht mehr ausreicht, ferner weil der Temperaturunterschied
zwischen dem vorderen und hinteren Ende des Ringrohres sehr groß ist und schließlich
weil die Rauchgase außen und innen verschiedene Temperatur haben und infolgedessen
die Wärmedehnung
des inneren Rohres verschieden von der des äußeren
Rohres ist. Diese Nachteile treten bei dem Doppelschleifenrohr nicht auf, weil die
Heißdampftemperatur stufenweise an- . steigt und infolgedessen an allen Stellen
eixie:.. angemessene Wärmeübergangszahl vorhän -' den ist. Die zweimal hin und her
gebogene Rohrschleife ist sehr elastisch, so daß Wärmedehnungen und damit übermäßige
Baustoffbeanspruchungen nicht zu befürchten sind, zumal die vier Rohrstränge der
Doppelschleife von Rauchgasen gleicher Temperatur umspült werden.
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Ein hauptsächlicher Vorteil des neuen Überhitzerelements besteht darin,
daß die bewährten Zugverhältnisse des mit Überhitzerrohren besetzten-Rauchrohrkessels
im wesentlichen beibehalten werden. Versuche haben ergeben, daß bei einer Veränderung
der relativen Längen der beiden Abschnitte der Strömungsividerstand der Rauchgase
im Rauchrohr verändert wird. Der Strömungswiderstand wird nicht nur größer, wenn
die Länge des Vierrohrabschnittes ein bestimmtes Maß überschreitet, sondern auch,
wenn sie unter ein bestimmtes Maß verkleinert wird. Diese Erscheinung dürfte folgendermaßen
zu erklären sein: Der größte Anteil des Strömungswiderstandes durch den Ringrohrabschnitt
entsteht beim Eintreten der Gase in das Ringrohr. Je höher die Gastemperatur und
je größer dementsprechend das Volumen-der Gase ist, desto größer wird auch dieser
Anteil sein. Verkürzt man also den Vierrohrabschnitt, so daß die Eintrittsstelle
in das Ringrohr in eine Zone hoher Gastemperatur `zu liegen kommt, so wächst dieser
Anteil sehr schnell an, und dementsprechend erhöht sich der Gesamtwiderstand. Gibt
man dem Vierrohrabschnitt eine größere Länge und wird damit das Element dem bekannten
Vierrohrüberhitzerelement ähnlicher, so weist das neue Element zunächst schon etwa
den gleichen Widerstand auf wie das bekannte Element, und dazu kommt noch`der Widerstand
des kurzen Ringrohrabschnittes mit dem verhältnismäßig hohen Widerstandszuwachs
am Ringrohreintritt.
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Für bestimmte Bedingungen (Kesselabmessungen, Verdampfungsleistung
usw.) erhält der Ringrohrabschnitt des neuen Elements im Ouerschnitt im wesentlichen
die gleichen Abmessungen wie das bekannte, auf der ganzen 'i.änge als Ringrohr ausgebildete
Überhitzerelement, und ebenso wird der Vierrohrabschnitt mit den gleichen Rohrquerschnitten
und der gleichen Rohranordnung ausgeführt wie das übliche Vierrohrelement. Unter
diesen Umständen ergibt sich der geringste Strömungswiderstand, wenn die Länge des
Doppelschleifenabschnittes zwischen 2o und 45 v. H. der Gesamtlänge des Elements
beträgt. Die Größe des Strömungswiderstandes "schwankt zwar etwas mit der Belastung
des Kessels, die angegebenen Grenzen sind aber .für alle Belastungsverhältnisse
geeignet, für die die Überhitzeranordnung in Frage kommt. Der Gesamtwiderstand eines
solchen neuen Elements ist im wesentlichen derselbe wie der eines durchlaufenden
Vierrohrelements und auch etwa der eines durchlaufenden Ringrohrelements.
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Damit ist eine der wesentlichsten Forderungen erfüllt, daß nämlich
die bei Lokomotivrauchrohrkesseln günstigte Größe des Zuges und die gleichmäßige
Verteilung der Gasströmung auf die mit Überhitzern besetzten Rauchrohre und die
freien Heizrohre gewährleistet ist.
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Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
dargestellt. Fig. i zeigt einen senkrechten Schnitt und Fig.2 eine waagerechten
Schnitt durch ein Rauchrohr mit einem Überhitzerelement.
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In Fig. i und 2 bezeichnet 2 die rnit Ü'berhitzerelementen besetzten
Rauchrohre.
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Der im vorderen Teil des Rauchrohres liegende Abschnitt des Überhitzerelements
ist als Ringrohr ausgebildet, dessen äußeres Rohr mit io und dessen inneres Rohr
mit ii bezeichnet ist. An seinem vorderen Ende ist das Ringrohr durch eine schräge
Wand i2 und an seinem hinteren Ende durch eine schräge Wand 13 geschlossen. Das
vom nicht dargestellten Sammelkasten kommende Zuleitungsrohr 14 ist bei 15 an den
Ringraum des Ringrohres angeschlossen: Am hinteren Ende des Ringrohres steht mit
seinem Ringraum ein Rohr 17 in Verbindung, das sich nach hinten bis kurz vor die
Feuerbüchsrohrwand erstreckt und durch ein Umkehrende i9 mit dem zweiten Rohrstrang
18 des Vierrohrabschnittes verbunden ist. An seinem vorderen Ende steht der Rohrstrang
18 durch ein Umkehrende 2o mit dem dritten Rohrstrang 21 in Verbindung, der an seinem
hinteren. Ende mit einem Umkehrende 22 in den vierten Rohrstrang 23 übergeht, der
durch das Innenrohr i i des Ringrohrabschnittes nach vorn in die Rauchkammer geführt
und an eine ebenfalls nicht dargestellte Heißdampfkammer des Überhitzersammelkastens
angeschlossen ist.
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Bei dem gezeichneten Ausführungsbeispiel endet das überhitzerelement
ein kurzes Stück vor der Feuerkistenrohrwand. In diesem Falle ergeben sich auch
bei einer um 3o bis q.o° höheren Überhitzung, als sie mit dem üblichen Vierrohrelement
erzielt wird, keine unzulässig hohen Rohrwandtemperaturen. Infolgedessen ist die
Verwendung eines Sonderbaustoffes
zur Herstellung des Überhitzerelements
nicht notwendig. Werden noch höhere Überhitzungstemperaturen gefordert, so kann
der Doppelschleifenabschnitt unter Verwendung besonders hitzebeständigen Baustoffes
oder unter Verwendung anderer Schu_ tzmittel gegen Verbrennen weiter nach der Feuerbüchse
zu oder bis in diese verlängert werden.