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Verfahren zur Leistungssteigerung eines Quecksilberdampfkessels Gegenstand
des Hauptpatents ist ein Verfahren zur Leistungssteigerung eines Ouecksilberdampfkessels,
bei dem zum Ouecksilber Oxydbildung verhindernde Stoffe, insbesondere Natrium oder
Kalium, beigemengt werden. Diese Stoffe verhindern oder beseitigen die Oxydierung
der eisernen Kesselwandungen, mit denen das Quecksilber in Berührung steht. Infolgedessen
ergibt sich eine bessere Benetzung der eisernen Innenoberflächen, so daß ein guter
Wärmeübergang von den beheizten Kesselwandungen auf das zu verdampfende Quecksilber
gesichert ist.
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Auch der Zusatz von Aluminium, Nickel, Chrom, Magnesium oder Calcium
zum gleichen Zweck ist bereits vorgeschlagen worden.
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Nach der Erfindung wird als Zusatzstoff zum Ouecksilber Titanium oder
Zirkonium verwendet. Diese Stoffe sorgen wirksam dafür, daß die eisernen Kesselwandungen
von dem Quecksilber gut benetzt werden und beseitigen noch einen weiteren Übelstand,
nämlich, sie verhindern völlig das Auflösen des Eisens durch das Ouecks@ilber. Bei
den in Ouecksilberdampfkesseln herrschenden hohen Temperaturen von beispielsweise
etwa 5.40° C wirkt nämlich das Ouecksilber auf das Eisen der mit ihm in Berührung
kommenden Kesselteile auflösend. Als Zusatz zum Ouecksilber bilden die genannten
Zusatzstoffe eine dünne, auf der eisernen Kesselwandung festhaftende Schicht. Der
Zusatzstoff dringt sogar in die Oberfläche der Kesselwandungen unter Bildung einer
Legierung mit dem Eisen der Kesselwandung ein. Die Dicke dieses Überzuges wächst
keineswegs wesentlich mit der Menge der hinzugefügten Stoffe. Dieser Umstand ist
gerade bei Quecksilberdampfkesseln von besonderer Bedeutung, da die Heizrohre des
Kessels außerordentlich eng sind, so daß der Durchgang desf flüssigen Quecksilbers
durch die Rohre beträchtlich erschwert wäre,
wenn der Durchgangsquerschnitt
sich bei Hinzufügung beträchtlicher Mengen des Zusatzstoffes infolge der Zunahme
der Stärke ,der von diesen Stoffen gebildeten! Schicht er,.-: heblich verengen würde.
Bei Verwendüifg von Zirkonium oder Titanium als Zusatzstƒft, zum Quecksilber
ist also unter allen Umstäri-. den gewährleistet, daß sich auf den dein" Quecksilber
ausgesetzten Kesselwandungen eine gleichmäßige und sehr dünne Schicht von guter
Wärmeleitfähigkeit bildet, so daß ein gleichmäßiger Umlauf des Quecksilbers im Kessel
gesichert ist., Die als Zusatz Verwendeten Stoffe, Zirkonium oder Titanium, zeichnen
sich ferner besonders vorteilhaft dadurch aus, daß sie nicht in Form von größeren
Stücken oxydieren, so daß die Gefahr einer Verstopfung der engen, Strömungswege
des Quecksilbers vermindert ist. Ferner ist für diese beiden Zusatzstoffe die Eigenschaft
kennzeichnend, daß, sie bereits in sehr kleinen Mengen? wirksam sind. Auf Grund
von Versuchen wurde festgestellt, daß das Auflösen von Stahl in dem Quecksilber
eines mit einer Betriebstemperatur von etwa 54o° C betriebenen Quecksilberdampfkessels
um 5o °/o vermindert ist, wenn dem Quecksilber nur o,oo2 % Gewichtsteile Titanium
zugefügt werden. Das Auflösen des Stahls wurde um i oofl/o, d. h. also völlig, verhindert,
wenn dem Quecksilber etwa o,oi °/o Titanium zugefügt ,wird. Bei höheren Betriebstemperaturen
des Quecksilberdampfkessels müssen etwas größere Mengen von dem Zusatzstoff hinzugefügt
werden, damit das Auflösen von Stahl oder Eisen im O_uecksilber verhindert ist.
Durch Versuche wurde festgestellt, daß das Auflösen von Stahl bei einem mit einer
Temperatur von etwa 632"C betriebenen Quecksilberdampfkessel durch Hinzufügung von
0,007 % Titanium um 50 0/0, dagegen um ioo °/o vermindert, d. h. also völlig beseitigt
ist, wenn dem Quecksilber etwa . o,o2 % Titanium zugesetzt werden.
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Hinsichtlich des Zusatzes von Zirkonium zwecks Verhinderung des Auflösens
von Eisen durch das Quecksilber liegen die Verhältnisse gleichartig. Etwas mehr
als o,o2 °/o Zirkonium verhindert das Auflösen des Eisens durch das Quecksilber
bei 'einer Temperatur von etwa 632° C vollständig. Die schützende Wirkung des Zirkoniums
oder Titaniums ist besonders auffällig bei Hinzufügung geringer Mengen dieser Stoffe.
Bei Überschreitung bestimmter Mindestmengen dieser Stoffe verbessern sie außerdem
die Ngigung des Quecksilbers, die Kesselwandungen zu benetzen. Diese Wirkung macht
sich in besonderem Umfang bemerkbar, wenn die Mindestmengen dieser Zusatzstoffe
0,04 % nicht unterschreiten. Die zur Verbesserung der Benetzung notwendige Mindestmenge
an Titanium ist etwas geringer als die Mindestmenge an Zirkonium. Wenn die Stoffe
in einer die Mind@stmenge nicht unterschreitenden Mepge hin-: zugefügt werden, wirken
sie als Oxydbildung stark' verhinderndes Mittel, d. h. es werden _- die an den Wänden
des Quecksilberdampfkessels sich bei Berührung mit flüssigem Quecksilber bildenden
Ouecks;ilberoxydklumpen entfernt. Diese Fähigkeit der Stoffe Zirkonium oder Titanium
ist von besonderer Bedeutung bei solchen Kesseln, deren Quecksilber Natrium als
Mittel zur Förderung der Benetzung gnthält. Das sich etwa bildende Natriumoxyd wirkt
als Bindemittel für Eisenoxyd, so daß sich Klumpen bilden. Titanium oder Zirkonium
besitzt bei den üblichen Kesseltemperaturen eine größere Aufnahmefähigkeit für Sauerstoff
als Natrium und Eisen. Durch die Minderung dieser Oxyde, insbesondere des Natriumoxydes,
verhindern Titanium oder Zirkonium die Bildung von Klumpen und zerstören etwa vorhandene
Klumpen, so daß eine Verstopfung der Heizrohre verhindert und infolgedessen die
Möglichkeit der Überhitzung dieser Rohre ausgeschaltet ist. Infolge der Oxydation
findet ein Verbrauch des Zusatzstoffes Zirkonium oder Titanium statt, das daher
in solchen Mengen hinzugesetzt werden muß, daß sämtlicher Sauerstoff gebunden wird
und außerdem' noch ein geringer Überschuß an Zusatzstoff vorhanden ist, so daß noch
die durch die Hinzufügung dieses Stoffes beabsichtigte Schutzwirkung eintritt. Unter
diesen Gesichtspunkten können die Stoffe Zirkonium oder Titanium als Mittel zum
Schutze anderer die Benetzung fördernder Stoffe, z. B. Natrium, Kalium usw., von
Bedeutung sein. Zirkonium oder Titanium verhindern einerseits, daß diese Mittel
schädliche Oxyde bilden, anderseits sorgen sie für die Beseitigung oder Verringerung
etwa bereits vorhandener Oxyde, go daß die die Benetzung der Kesselwandungen seitens
des Quecksilbers fördernde Wirkung der anderen Zusatzstoffe Natrium, Kalium usw.
aufrechterhalten bleibt.
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Bei. den üblichen Kesseltemperaturen sind Titanium oder Zirkonium
nur schwer löslich im Quecksilber. Durch vergleichende Versuche wurde festgestellt,
daß bei Temperaturen von 54o bis 69o° C durchschnittlich io ooo- bis ioo ooomal
soviel Aluminium als Zirkonium oder Titanium gelöst werden kann. Dieser Umstand
ist von Bedeutung, da hierdurch verhindert wird, daß an irgendeiner Stelle des Kessels
eine übermäßig konzentrierte Lösung vorhanden ist. Ferner ist hierdurch eine gleichmäßigere
Verteilung der Schutzschicht über die verschiedenen Kesselteile
gewährleistet.
Infolge der geringen Lösbarkeit von Zirkonium oder Titanium im OOuecksilber leistet
der auf den Kesselwandungen gebildete Schutzbelag gegen seine Wiederauflösung einen
erheblichen Widerstand, der größer ist als bei Verwendung der bekannten Zusatzstoffe.
Auch hierauf ist die gute Schutzwirkung eines aus Zirkonium oder Titanium gebildeten
Überzuges zurückzuführen.
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Da. die Stoffe Zirkonium oder Titanium bei niedrigen Temperaturen
nur schwer löslich in Quecksilber sind, kristallisiert beim Abkühlen des Kessels
der größte Teil dieser Stoffe aus dem Quecksilber in Form sehr feiner, von dem Quecksilber.
gut benetzter Teilchen wieder aus. Dies führt zu einem wichtigen Vorteil, weil diese
benetzten Kristallteilchen von dem Sauerstoff nicht angegriffen werden können, der
in den Kessel während der Betriebspausen eindringen kann. Im Gegensatz hierzu verbinden
sich andere, im Quecksilber leicht lösliche Schutzstoffe, z. B. Aluminium, viel
bereitwilliger mit Sauerstoff als Titanium oder Zirkonium,-weil jene Schutzstoffe
leichter eine chemische Verbindung eingehen, als daß sie mit einer Quecksilberschicht
überzogene Kristallteilchen bilden. _ Die gekennzeichneten Wirkungen der Zusatzstoffe
Titanium oder Zirkonium treten in vollem Umfange erst dann ein, wenn diese Stoffe
gleichmäßig in der Kesselanlage verteilt sind und die eisernen Kesselwandungen mit
einer gleichmäßigen Schicht überzogen haben. Um die Zeit möglichst abzukürzen, die
zwischen der Hinzufügung dieser Stoffe und dein Eintritt ihrer vollen Wirksamkeit
liegt, d. h. also die Bildung eines Überzuges auf den Kesselwandungen zu beschleunigen,
ist nach der. Erfindung ein besonderes Verfahren zur Hinzufügung dieser Stoffe entwickelt.
Bevor dieses Verfahren näher beschrieben werden soll, muß noch darauf hingewiesen
werden, daß Zirkonium oder Titanium in ihrer handelsüblichen Form nicht chemisch
rein und insbesondere mit einer dünnen Oxydschicht bedeckt sind. Wenn der Zusatzstoff
in dieser Form dem in einem Quecksilberdampfkessel befindlichen Quecksilber unmittelbar
zugeführt wurde, muß offensichtlich eine bestimmte Zeit vergehen, bis die Oxydschicht
zerstört ist und die einzelnen Stücke mit dem OOuecksilber in Berührung kommen können.
Dieser unerwünschte Zeitverlust ist nach der Erfindung dadurch verringert, daß die
Zusatzstoffe vor der Einführung in den Quecksilberdampfkessel in flüssiges Quecksilber
getaucht werden. Im Quecksilber befindliche Fremdkörper, deren Oberfläche nicht
von dem Quecksilber benetzt ist, können leicht durch den im Kessel erzeugten Dampf
mitgerissen werden, während dies bei von dem OOuecksilber benetzten Fremdkörpern
nicht der Fall ist, ausgenommen, wenn es sich um flüssige Quecksilberteilchen handelt,
die in dem üuecksilberdampf frei schweben. Solche schwebenden Flüssigkeitsteilchen
können jedoch durch beliebige Flüssigkeitsabscheider bekannter Bauart entfernt werden.
Um das Zirkonium oder Titanium vor der Einführung in den Kessel mit Quecksilber
zu benetzen, wird der Stoff zusammen mit einer bestimmten Menge Oüecksilber in einen
luftdicht verschließbaren Behälter eingeführt, worauf der Behälter erhitzt wird.
Durch den Abschluß der Luft wird die Oxydation der Metalle verhindert. Die Erhitzung
des Gemisches bewirkt eine Benetzung des Zusatzstoffes durch das Quecksilber. Diese
vorherige Benetzung kann dadurch beschleunigt werden, daß der Stoff Zirkonium oder
Titanium dem Quecksilber in pulverförmigem Zustand beigemengt wird. Wie bereits
oben erwähnt wurde, sind Titanium oder Zirkonium im Quecksilber nur schwer löslich.
Dadurch, daU der Stoff dem flüssigen Quecksilber in Pulverform zugefügt wird, sind
die auf die Mengeneinheit des Zusatzstoffes bezogenen Oberflächen, die mit dem flüssigen
Quecksilber in Berührung kommen können, sehr groß. Dieser Umstand ist auch dann
von Bedeutung, wenn der Zusatzstoff Titanium oder Zirkonium in unbenetztem Zustand
unmittelbar in den Quecksilberdampfkessel eingeführt wird, weil dann die Möglichkeit
der Verstopfung der engen Durchgangsquerschnitte verringert und erreicht ist, daß
das Quecksilber den Zusatzstoff schnell benetzt.
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Das Vorbenetzen des Zirkoniums oder Titaniums durch das Quecksilber
kann ferner durch Umrühren des Quecksilbergemisches beschleunigt werden. Um das
Zirkonium vorzubenetzen, werden Quecksilber und Zirkonium zweckmäßig in solchen
Mengenverhältnissen vermischt, daß das Gemisch sich in flüssigem Zustand befindet.
Dies ist der Fall, wenn achtzehn Gewichtsteile Quecksilber mit einem Gewichtsteil
Zirkonium oder Titanium bei einer Temperatur von etwa 5.40° C vermischt werden.
Damit während der Vorbenetzung keine Luft und kein Sauerstoff in das Gemisch gelangt,
findet der Vorgang zweckmäßig in einem luftdicht abgeschlossenen Behälter statt.
Zur Beschleunigung des Verfahrens wird dieser Behälter zweckmäßig während eines
Zeitraumes von 5o bis ioo Stunden bewegt, gekippt oder in einem schwenkbaren Ofen
aufgestellt, bis alle Teilchen sicher benetzt sind. Nach der Erfindung ist ein besonderes
Verfahren entwickelt worden,
um das aus Quecksilber und Zirkonium
o. dgl. bestehende Gemisch gegen Oxydation zu schützen, d. h. also zu verhindern,
daß die Benetzung des Zirkoniums o. dgl. seitens des Quecksilbers rückgängig gemacht
wird. Die Anwendung dieses Verfahrens ist insbesondere bei hochangereicherten Gemischen
zweckmäßig. Zu diesem Zweck wird nach der Erfindung dem Gemisch aus Quecksilber
und Titanium o. dgl. eine geringe Menge Zink, Kupfer oder ein ähnliches Mittel hinzugefügt,
das für die Aufrechterhaltung der Benetzung des Titaniums oder Zirkoniums seitens.
des Quecksilbers sorgt. Ein Zirkonium- oder Titaniurnteilchen ist hinreichend vorbenetzt,
wenn seine Oberfläche in inniger Berührung mit dem Quecksilber steht. Das Quecksilber
hat dann ein starkes Haftvermögen an der Oberfläche dieses Teilchens. Die Benetzung
der Oberfläche eines solchen Teilchens ist jedoch in der Regel schnell wieder aufgehoben,
wenn dieses Teilchen der Luft oder dem Sauerstoff ausgesetzt wird. Diese Wiederaufhebung
der Benetzung ist wesentlich verringert, wenn dem Gemisch die obenbezeichneten Mittel
beigefügt werden, die für die Aufrechterhaltung der Benetzung sorgen. Die Anwesenheit
dieser Stoffe, z. B. Zink, Kupfer o. dgl. gestattet es, das betreffende Teilchen
ohne Schaden selbst während einer verhältnismäßig langen Zeit der Luft auszusetzen.
Diese besonderen Zusatzstoffe können dem Quecksilber während des Vorbenetzens zugeführt
werden, dabei ist folgende Gemischzusammensetzung zweckmäßig: 18 Gewichtsteile Quecksilber,
i Teil Titanium und Teil Zink. Dieses Gemisch wird in einem verschlossenen Stahlbehälter
innerhalb eines Schwenkofens etwa 5o bis ioo Stunden auf eine Temperatur von etwa
54o° G erhitzt. Die Behälter werden so lange luftdicht verschlossen gehalten, bis
das Gemisch in einen Quecksilberdampfkessel gefüllt wird. Es kann dabei vorkommen,
daß das v orbenetzte Pulver Klumpen bildet. - Diese Klumpen können jedoch leicht
durch Umrühren des Gemisches beseitigt werden, so daß dem Kessel eine gleichstoffige
Flüssigkeit zugeführt wird.
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Auf der Zeichnung -ist ein Quecksilberdampfkessel, bei dem das Verfahren
nach der Erfindung zur Anwendung kommt, schematisch dargestellt.
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Abb. i zeigt einen Teil des Kessels im senkrechten Schnitt.
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Abb.2 zeigt einen Einzelteil des Kessels im größeren Maßstab und ebenfalls
im senkrechten Längsschnitt.
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Der Quecksilberdampfkessel besteht aus einer eisernen Kesseltrommel
io, die mit einer wärriieisolierenden, mit einem Mantel 12 umkleideten Schicht i
i bedeckt ist. Die Kesseltrommel wird teilweise mit flüssigem Quecksilber
13 gefüllt, dem die obenbeschriebenen Zusatzstoffe beigemengt werden. - In
dem Flüssigkeitsraum der Kesseltrommel ist ein Füllstück 14 angeordnet, das einen
Teil der Flüssigkeit zwecks Verringerung der für den Betrieb des Kessels erforderlichen
Quecksilbermenge verdrängt. Unten an der Kesseltrommel io sind mehrere eiserne Heizrohre
15 befestigt. Jedes Heizrohr besteht gemäß Abb. 2 aus einem Außenrohr 16, das an
der Wand io der Kesseltrommel befestigt ist, und einem inneren Rohr 17, dessen
Innenwand 18 mit der Außenwand ig verschweißt ist, so daß ein dampfdichter Raum
entsteht. Die Innenwand 18 des Innenrohres begrenzt einen Durchgang 2o, der unten
an einen zwischen der Außenwand ig des Innenrohres und dem Außenrohr 16 liegenden
Durchtrittsraum 21 angeschlossen ist. In der Kesseltrommel io ist eine Prallplatte
23 angeordnet, in die Hülsen 22 eingelassen sind, die sich in den Raum 2o jedes
Heizrohres erstrecken. Während des Betriebes strömt flüssiges Quecksilber aus dem
Raum oberhalb der Prallplatte 23 der Kesseltrommel io durch die Rohre 22 in den
Raum 2o jedes Heizrohres. Aus dem Raum 2o strömt die Flüssigkeit in den Ringraum
2i, der von dem Außenrohr 16 und der Außenwand ig des Innenrohres gebildet ist.
Die Heizrohre und die Kesseltrommel werden beheizt. Die in dem Ringraum 2i befindliche
Flüssigkeit wird teilweise verdampft und strömt in die Kesseltrommel. Die Anordnung
eines doppelwandigen Innenrohres in jedem Heizrohr verringert die Wärmeübertragung
aus dem den Dampfraum bildenden Ringraum 21 auf den Innenraum 2b, der von dem flüssigen
Quecksilber durchströmt wird. Infolgedessen entsteht zwischen beiden Räumen ein
Druckunterschied, der bewirkt, daß durch beide Räume ein stetiger Kreislauf stattfindet.
Der im Kessel erzeugte Dampf wird durch eine Leitung 24 einer Turbine 25 zu-,geführt,
deren Abdampf in einen mit einer Kühlvorrichtung 2$ versehenen Kondensator 26 strömt.
Das Kondensat gelangt durch, Leitungen 29, 30 in die Kesseltrommel io zurück.
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Außer der durch die Kesseltrommel io und deren Heizrohre gebildeten
Verdampfungseinrichtung ist noch eine zweite Verdampfungseinrichtung 31 vorgesehen.
Diese zusätzliche Verdampfungseinrichtung besteht aus einem oberen Sammelrohr 32,
das mittels einer Leitung 33 an den Flüssigkeitsraum der Kesseltrommel io angeschlossen
ist. Zu dieser zusätzlichen Verdanipfungseinrichtung gehört ferner ein Fallrohr
34, das an das obere Sammelrohr 32 und an ein unteres Sammelrohr 35 angeschlossen
ist und außerhalb der Wand 36
des Feuerraumes liegt. Das untere
Sammelrohr 35 ist mit den unteren Enden von Steigrohren 37 verbunden, die innerhalb
des Feuerraumes dicht an der Ofenwand 36 angeordnet sind und deren obere, sich durch
die Ofenwand erstreckende Enden an das obere Sammelrohr 32 angeschlossen sind. Die
Steigrohre 37 bilden einen Feuerschutz für die Ofenwand 36.
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Das in den Rohren 37 befindliche flüssige Quecksilber wird während
des Betriebes des Kessels teils verdampft und teils von dem erzeugten Dampf mitgerissen,
so daß es in die obere Sammelleitung 32 gelangt. Der erzeugte Dampf wird durch die
Leitung 33 in die Kesseltrommel io übergeführt, während die Flüssigkeit wieder von
neuem einen Kreislauf durch die Fallrohre 34 und die Steigrohre 37 beginnt. Damit
sich die durch die Steigrohre 37 in das Sammelrohr 32 gelangende Flüssigkeit nicht
mit dem durch die Fallrohre 34 nach unten strömenden flüssigen Quecksilber vermengt,
ist in dem Sammelrohr 37 eine Trennwand 38 angeordnet.
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Zur Einführung der Zusatzstoffe in das Quecksilber ist an das Fallrohr
34 ein Rohr .4o angeschlossen, in das unten ein Ventil 41 und oben ein Ventil 4,2
eingeschaltet ist. Das Rohr 4o mündet in einen Trichter 43. Während des Betriebes
wird zwecks Einführung der Zusatzstoffe zunächst das Ventil 42 geöffnet, worauf
die Zusatzstoffe in das Rohr 40 gelangen. Hierauf wird das Ventil 42 wieder geschlossen
und anschließend das Ventil 41 geöffnet, so daß die Zusatzstoffe in das Fallrohr
34 strömen und auf diese Weise in den Kreislauf gelangen. Damit keine großen Klumpen
in den Kessel gelangen, ist am unteren Ende des Trichters 43 ein Sieb 44 angeordnet.
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Wenn Zirkonium oder Titanium in pulverförmigem Zustand dem Quecksilber
beigeinengt wird, hat der Stoff das Bestreben, oben auf dem Quecksilber zu schwimmen,
so daß infolge des geringeren Gewichtes des Zusatzstoffes Schwierigkeiten bei der
Überführung in den Kessel auftreten. Diese Schwierigkeiten sind durch Anordnung
eines Behälters 4.5 beseitigt, der flüssiges Quecksilber 46 enthält und mittels
einer Leitung 47 an den Trichter 43 angeschlossen ist. In der Leitung 4.7 befindet
sich ein Ventil 48. Während der Beimengung von Titanium- oder Zirkoniumpulver werden
die Ventile 48 und 4.2 geöffnet, so daß die Zusatzstoffe durch das aus dem Behälter
ausströmende flüssige Quecksilber in das Rohr .4o mitgerissen werden. Zweckmäßig
wird dafür gesorgt, daß das im Behälter 45 befindliche Quecksilber wasserfrei ist.
Zu diesem Zweck. ist in dem Behälter 46 ,eine von Heißdampf durchströmte Rohrschlange
49 angeordnet, die das im Quecksilber befindliche Wasser verdampft und ausscheidet.
Es ist unter allen Umständen dafür zu sorgen, daß der Zusatzstoff nicht mit Luft
(Sauerstoff) oder Oxyd in Berührung kommt, damit dieser Zusatzstoff in metallisch
reinem Zustand in das im Kessel befindliche Quecksilber gelangt. Infolgedessen müssen@sämtliche
Teile der Einrichtung sorgfältig abgedichtet sein. Zweckmäßig kann der Kessel bei
Betriebspausen mit Wasserstoff oder einem anderen trägen Gas angefüllt werden. Die
Erfindung ist nicht nur bei Quecksilberdampfkesseln, sondern auch auf anderen technischen
Gebieten anwendbar, wenn es sich darum handelt, Eisen vor der` Auflösung durch,
hocherhitztes Quecksilber zu schützen.