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Dampferzeuger oder Erhitzer mit aufgeladener Feuerung Es sind Dampferzeuger
bekannt, die mit sehr hochverdichteter Brennluft betrieben werden, z. B. mit einem
Druck von mehr als 2o atü. Solche Anlagen arbeiten schließlich zugleich als Dampf-
und Hochdruckgaserzeuger. Die Hochdruckgase fallen dabei annähernd mit dem Druck
der in die Feuerung geförderten Brennluft an. Die Verhältnisse sind dann besonders
vorteilhaft, wenn der Druck des erzeugten Dampfes und der Druck der eingeblasenen
Luft, also auch der Druck der erzeugten heißen Gase einander annähernd gleich sind.
Solche Erzeuger werden als Gleichdruckkessel bezeichnet. In den meisten Fällen kann
zwischen dem Druck des Dampfes und dem Druck der erzeugten Gase irgendein Unterschied
auftreten, vorausgesetzt, daß der Druck dieser Gase stets einen hohen Wert besitzt,
damit dadurch die Wärmeübergangszahl genügend erhöht wird. Bei bekannten Anlagen
zur gleichzeitigen Erzeugung von Dampf und heißen Druckgasen ist eine, Feuerung
vorgesehen, die durch einen zwangmäßigen Umlauf der Flüssigkeit oder ganz allgemein
des zu erhitzenden Mittels gekühlt wird, wobei diese Feuerung auf einen oder mehrere
Rohrkörper einwirkt, die mit einem mittleren Rohr in Verbindung stehen, durch das
die Feuerungsgase mit einer geeigneten Geschwindigkeit durchströmen, wobei ferner
ein äußeres Rohr vorgesehen ist, das mit dem ersteren einen Ringraum einschließt,
durch den das oder die zu erhitzenden Mittel fließen oder strömen.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls solche Dampferzeuger mit einer Feuerung
und einem oder mehreren rohrförmigen Heizkörpern, wobei aber die rohrförmigen Körper
und gegebenenfalls auch die Feuerung aus heiße Hochdruckgase . führenden Kanälen
bestehen,
deren Wände aber nicht durch Metallrohre von bestimmtem Durchmesser und bestimmter
Wandstärke, gegebenenfalls mit irgendeiner Kühlung, sondern durch durchgehende Rohrbündel
mit kleinerem Durchmesser gebildet sind, wobei jeweils zwei benachbarte Rohre derart
miteinander verschweißt sind, daß ein zusammengesetzter und dichtschließender Mantel
entsteht, durch dessen Rohre das oder die zu erhitzenden Mittel strömen. In gewissen
Fällen und besonders in Abhängigkeit vom mittleren Durchmesser des auf diese Weise
hergestellten Gaskanals und vom Druck der darin enthaltenen heißen Gase bildet das
Bündel miteinander verschweißter Rohre selbst einen Mantel von genügender Festigkeit
für die Druckgase, ohne daß dabei die Schweißstellen übermäßigen Beanspruchungen
unterworfen werden. In anderen Fällen wird dagegen die Festigkeit des Kanals durch
äußere mechanische Mittel gewährleistet, z. B. durch äußere verschraubte Verstärkungsringe,
die in geeigneten Abständen voneinander angeordnet sind. In diesem Fall dienen die
Schweißstellen nur zur Abdichtung des Kanals. Um die Berührungsfläche zwischen den
äußeren Verstärkungsringen und den Rohren des Mantels zu vergrößern, kann die Innenfläche
der Verstärkungsringe mit Kerben versehen sein, damit sie sich gegen einen gewissen
Teil des äußeren Umfanges der einzelnen Rohre legen.
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Die die Wand des Kanals bildenden Rohre können entweder unmittelbar
mit den beiden Nachbarrohren ohne Zwischenschaltung metallischer Zwischenkörper
verschweißt sein, oder sie können unter Zwischenschaltung solcher Körper verschweißt
sein, deren Gestalt dann derart gewählt ist, daß sie im Bedarfsfall die Trennung
der Rohre erleichtern.
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Die nachbeschriebenen Anordnungen bilden ein vorteilhaftes Mittel
zur Ausführung der Erfindung. Fig. i der Zeichnung ist ein Querschnitt eines aus
Rohren bestehenden Heizkörpers in einer rechtwinklig zur Achse verlaufenden Ebene;
Fig. 2 ist eine Endansicht eines schraubenförmig gewundenen, aus Rohren bestehenden
Heizkörpers; Fig. 3 ist ein Längsschnitt durch einen aus Rohren bestehenden Heizkörper,
und zwar an der Verbindungsstelle zwischen dem verdampfenden Teil und dem nachfolgenden
überhifzenden Teil; Fig.4 ist ein Querschnitt in einer rechtwinklig zur Achse des
Körpers gehenden Ebene, die auch durch die vorgenannte Verbindungsstelle geht; Fig.
5 ist ein diametraler Längsschnitt durch die Verbrennungskammer des Kessels; Fig.
6 zeigt die Einzelheiten der Schweißverbindung zwischen den Rohren des Mantels;
die Fig. 7 und 8 zeigen als Beispiel eine andere Ausführung der Verbindung zwischen
zwei einanderfolgenden Abschnitten; Fig. 9 zeigt schematisch die Anordnung zum Einstellen
der Drücke; Fig. io betrifft eine andere auf dem gleichen Grundgedanken beruhende
Ausführung.
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Der Kessel besteht aus einer Feuerung z. B. von zylindrischer Gestalt
mit kegelstumpfförmigen Böden, die an einem Ende mit Brennern und am anderen Ende
mit einem oder mehreren Heizkörpern versehen ist, die zum Durchlaß der Verbrennungsgase
dienen. Der Einfachheit halber ist nur ein Heizkörper dargestellt.
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Der Heizkörper ist, allgemein betrachtet, eine Rohrleitung, deren
innerer Durchmesser in Abhängigkeit von der Leistung und vom Druck der Gase um einige
Zentimeter zwischen 25 und 30 cm oder mehr abweichen kann und deren Länge
150 m und mehr erreichen kann. Diese Länge ist vom Druck und von der Strömungsgeschwindigkeit
der Gase abhängig.
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Die äußere Wand dieser Rohrleitung besteht aus einem Bündel kleiner
Rohre mit einem inneren Durchmesser von 3 bis 5 cm, die kreisförmig und parallel
zur Achse des Heizkörpers verlaufen und jeweils mit den beiden benachbarten Rohren
derart verschweißt sind, daß eine durchgehende und gasdichte Wand entsteht. Damit
der Heizkörper dem inneren Druck widerstehen kann, ohne die Schweißnähte zu beanspruchen,
die hier nur zur Abdichtung dienen, ist das Rohrbündel beim dargestellten Beispiel
durch zylindrische Verstärkungsbänder aus Stahl zusammengehalten, die zweiteilige
Schellen bilden und durch Schraubenbolzen gespannt werden. Die Wandstärke der Bänder,
deren Länge und deren Abstände sind im wesentlichen vom Durchmesser des Heizkörpers
und vom Druck der durchströmenden Gase abhängig.
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Der Innenraum i des Heizkörpers, durch den die hochverdichteten Gase
strömen, wird von Rohren 2 mit kleinem Durchmesser begrenzt, die das zu erhitzende
Mittel enthalten und die in ihrer Gesamtheit die gasdichte Wand des Körpers bilden.
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Ähnliche Rohre 2' (Fig. 3) dienen zur Überhitzung. Die Verstärkungsbänder
3 sind auf die Länge des Heizkörpers verteilt und gewährleisten seine Festigkeit.
Die beiden Teile der Bänder sind durch Schraubenbolzen 4 miteinander verbunden.
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Der Heizkörper bildet für die heißen Gase von einem Ende zum anderen
einen ununterbrochenen Kanal. Die Rohrbündel für das zu erhitzende Mittel bilden
dagegen eine Reihe voneinander getrennter Abschnitte. Die von der Feuerung ausgehenden
Abschnitte dienen zur Verdampfung, die nachfolgenden Abschnitte bewirken die Überhitzung.
Das hintere Ende des Heizkörpers bildet gewöhnlich einen zweiten Verdampfer, durch
den die Temperatur der austretenden Gase herabgedrückt werden soll. Es kann sogar
ein weiterer Schlußabschnitt vorgesehen werden, der nach Bedarf als Vorwärmer dient.
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Die aufeinanderfolgenden Abschnitte sind durch leicht zerlegbare Verbindungen
miteinander verbunden.
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Die Fig.3 und 4 zeigen die Anordnung einer solchen Verbindung, die
in diesem Beispiel zwischen dem Austrittsende des verdampfenden Abschnittes und
dem Eintrittsende des überhitzenden Abschnittes vorgesehen ist.
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Die Rohre 2 sind rechtwinklig abgebogen und münden in ein ringförmiges
Sammelrohr i9, von dem eine Rohrleitung 22 abgeht, die zum Ableiten der aus Wasser
und Dampf bestehenden Mischung in den Sammelkessel 21 (Fig. 2) dient. Der gesättigte
Dampf
tritt aus dein Sammelkessel 21 durch das Rohr 23 aus und gelangt
in das ringförmige Verteilungsrohr 2o, von dem er in die l@berhitzungsrohre 2' übergeht.
Die Verbindung wird durch Flansche 15 und Schraubenbolzen 16 hergestellt. Der dichte
Abschluß zwischen den radial verlaufenden Schenkeln der Rohre 2 und 2' wird durch
eingeschweißte Plättchen 17 gesichert, welche die Schweißstellen 18 zwischen den
Rohren verlängern.
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Die Fig. 7 und 8 zeigen eine andere Ausführungsart dieser Verbindung.
Die Rohre 2 münden in eine ringförmige Kammer 24, die in einer diametralen Ebene
durch Wände 25 und 25' in zwei Hälften geteilt ist. Das dichte Schließen des Rohres
wird durch ein metallisches oder plastisches Dichtungsmittel 26 gewährleistet, das
durch die Bänder 3 und die Schraubenbolzen 4 (Fig. 7) eingespannt ist. Die Wandstärke
der inneren Wand 28 der ringförmigen Kammer muß in der dargestellten Weise verstärkt
werden, wenn zwischen den Gasen und dem Dampf ein wesentlicher Unterschied herrscht.
Von der Kammer 24 gehen Rohre 27 und 27' ab, die den gleichen Zweck erfüllen wie
das Rohr 22 der Fig. 2 und 3. Eine symmetrische Vorrichtung gleicher Art ist auf
der Seite der Überhitzungsrohre 2' vorgesehen. Die Abdichtung ist durch Schraubenbolzen
30 und eine Schweißnaht 29 ergänzt.
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Bei Hochleistungsanlagen, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit der
Gase in den Körpern i den Wert von ioo m/s und mehr erreichen kann, erfolgt in den
Rohren 2 eine äußerst lebhafte Verdampfung. Es kann dann angebracht sein, in den
Verdampfungsabschnitt eine oder mehrere Verbindungsstellen der beschriebenen Art
einzuschalten. Die Rohre 2 leiten die Mischung in Richtung des Sammelkessels genau
in der vorbeschriebenen Weise ab. In diesem Fall erhalten die Rohre 2' aber keinen
gesättigten Dampf, sondern die zu erhitzende Flüssigkeit, so daß dem ersten Verdampfungsabschnitt
ein zweiter folgt.
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Die gleiche Anordnung kann auch für den Überhitzer getroffen werden,
der dann aus mehreren nacheinanderfolgenden Abschnitten bestehen kann.
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Fig.6 zeigt annähernd in natürlicher Größe die Einzelheiten der Schweißverbindungen
zwischen den Rohren des Heizkanals. Es sind hier mehrere Ausführungsarten zur Schweißverbindung
der Rohre mit Zwischenschaltung von Metallkörpern angedeutet. Die bei 31 angegebene
Anordnung soll im Bedarfsfall insbesondere die Trennung zweier benachbarter Rohre
gestatten, indem der Metallkörper 31 mit dem Brenner durchgeschnitten oder der Länge
nach mit Hilfe einer kleinen Kreissäge getrennt wird.
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Die in irgendeiner Weise miteinander verschweißten Rohre können sich
berühren, wobei sie sich gegenseitig unterstützen, wie dies in den Fig. i und 6
dargestellt ist. Es kann auch zwischen den Rohren ein kleiner Abstand von einigen
Millimetern vorgesehen sein, wie er bei 32 in Fig. 7 angedeutet ist. In diesem Fall
ist die Festigkeit der zusammengesetzten Wand etwas geringer, jedoch wird dadurch
die Austauschfläche zwischen den Gasen und dem zu erhitzenden Mittel etwas vergrößert.
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In Fig.5 ist mit 5 die Verbrennungskammer bezeichnet, die bei 6 mit
Brennern versehen ist. Die Begrenzungswand der Feuerung besteht wie diejenige des
Heizkörpers aus einem Bündel von Rohren die jeweils miteinander in der gleichen
Weise verschweißt sind, und zu deren Verstärkung die Bänder 12 vorgesehen sind.
Diese müssen dem gesamten Gasdruck widerstehen können. Die Feuerung besitzt an beiden
Enden kegelstumpfförmige Böden, die auf der Seite des Heizkörpers aus Rohren 8 und
auf der Seite der Brenner aus Rohren 8' bestehen. Die Rohre sind in Richtung der
zylindrischen Feuerungswand allmählich abgeflacht, damit sie die kegelförmigen Flächen
richtig bedecken. Die beiden Kegel sind selbstverständlich ebenfalls durch äußere
Bänder verstärkt.
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Um die Besichtigung zu erleichtern, ist zwischen der zylindrischen
Feuerungswand und dem Kegelstumpf eine Verbindung 9 vorgesehen. Das dichte Schließen
dieser Verbindung wird auf der Außenseite durch Flansche und Schraubenbolzen und
auf der Innenseite durch angeschweißte Plättchen io gewährleistet. Zum Lösen der
Verbindung müssen diese Plättchen z. B. mit dem Brenner bei ii durchgeschnitten
werden. Zum Schließen müssen sie dann erneut angeschweißt werden. Zum Schweißen
muß der Arbeiter durch das am linken Ende vorgesehene Mannloch in die Feuerung eintreten.
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13 ist die feuerfeste Auskleidung der Feuerung. Bei 14 werden die
geschmolzenen Schlacken ausgeworfen. Dies geschieht in der bei Druckgasanlagen üblichen
Weise.
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Der Kessel kann selbstverständlich auch mit einer anders gebauten
Feuerung versehen sein, z. B. mit einer Feuerung mit dicken Metallwänden, welche
Längskanäle für das Durchströmen des Kühlmittels enthalten.
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Der Kessel muß natürlich auch mit Sicherheitsventilen versehen sein,
die einerseits die Feuerung und den Heizkörper in Abhängigkeit vom Gasdruck und
anderseits auch die Rohre für das zu erhitzende Mittel in Abhängigkeit seines eigenen
Druckes schützen. Es muß ferner ein zusätzliches Sicherheitsventil vorgesehen sein,
durch welches das zu erhitzende Mittel an die Außenluft entweichen kann, wenn der
Unterschied der Drücke des zu erhitzenden Mittels und der Druckgase einen vorbestimmten
Grenzwert übersteigt.
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Davon abgesehen, ist der Kessel mit den gleichen Regel- und Kontrollarmaturen
wie ein gewöhnlicher Kessel versehen.
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Die selbsttätige Einstellung der Drücke geschieht in der folgenden
Weise: Der Dampfdruck wirkt wie bei gewöhnlichen Kesseln durch ein Steuerventil
und, ein Relais auf die Einspritzung des Brennstoffs derart ein, daß die eingespritzte
Menge verringert wird, wenn der Druck einen vorbestimmten Wert übersteigt, und daß
diese Menge vergrößert wird, wenn der Druck sinkt. Es ist nicht notwendig, gleichzeitig
und im gleichen Verhältnis auf die eingeblasene Luftmenge einzuwirken, da der Wirkungsgrad
des Gaskreislaufs nicht wesentlich von den Schwankungen der Dampfmenge beeinflußt
wird. Ein Abstellventil, das am Austritt der heißen Gase vorgesehen ist, wird von
einer
Differentialvorrichtung mit Hilfe eines Relais derart gesteuert, daß es sich öffnet,
wenn das Verhältnis zwischen dem Druck der Gase und dem Druck des Dampfes einen
vorbestimmten Wert übersteigt, und daß es sich schließt, wenn dieses Verhältnis
unter einen vorbestimmten Wert sinkt. Die Differentialvorrichtung besteht aus einem
Stufenkolben oder vorzugsweise aus zwei starr miteinander verbundenen Kolben, deren
wirksame Flächen sich zueinander umgekehrt wie der Gas- und Dampfdruck verhalten,
wobei beide Kolben in Zylindern gleiten, von denen der eine mit dem Sammelrohr der
heißen Gase und der andere mit dem Sammelrohr des Dampfes in Verbindung steht. Bei
richtigem Verhältnis gleichen sich die auf die Kolben einwirkenden resultierenden
Drücke gegenseitig aus. Der aus den beiden Kolben bestehende Körper wird dann von
einer Feder in die mittlere Lage gebracht, ohne daß dadurch die Lage des Abstellventils
geändert wird.
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In Fig. 9 ist eine solche Anordnung schematisch dargestellt. Der Schieber
33 besteht aus einem Kolben 34, auf dessen Oberseite der Gasdruck durch die Leitung
36 einwirkt, und aus einem Kolben 35, auf dessen Unterseite der Dampfdruck durch
die Leitung 37 einwirkt. Der Schieber 33 trägt einen Arm 38, der den Steuerschieber
39 eines mit Drucköl betriebenen Servomotors betätigt. Durch Einlaßleitungen 40,
41 und durch Auslaßleitungen 40', 41' kann dieser Steuerschieber das Schließen oder
Öffnen des Abstellventils 45 bewirken, das durch einen Druckölmotor 46 betätigt
wird und sich in der Ausströmleitung der Gase befindet. Das Öl läuft bei 43 ein
und fließt bei 44 aus. Federn 48, 48' bringen den Schieber 33 in die Gleichgewichtslage
zurück, sobald das richtige Verhältnis zwischen den Drücken wiederhergestellt ist.
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Hier muß angegeben werden, daß die Anwendung widerstandsfähiger Wände,
die aus der Länge nach miteinander verschweißten Rohren bestehen, sich auch für
zahlreiche andere Ausführungsformen der Erfindung eignet. Es können z. B. Körper
hergestellt werden, die (Fig. io) aus einem inneren Rohr i mit einer aus Rohren
2 zusammengesetzten Wand bestehen, wobei das innere Rohr von einem äußeren Rohr
47 umgeben ist. Im ringförmigen Raum zwischen dem äußeren Rohr und der aus Einzelrohren
bestehenden Wand können dann Gase durchströmen, deren Druck annähernd gleich ist
demjenigen der durch das Innenrohr strömenden Gase, die jedoch bereits genügend
abgekühlt sind, um durch ein gewöhnliches, mit einem Wärmeschutz versehenes Metallrohr
strömen zu können.
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Eines der besonderen Merkmale der Erzeuger gemäß der Erfindung besteht
darin, daß sie sich besonders gut für den Fall eignen, wo der Druck der Brennluft
und der Gase wesentlich vom Druck des Dampfes oder der erhitzten Mittel abweicht.
Bekanntlich besteht eine der Haupteigenschaften der Gleichdruckkessel darin, daß
sie sich für einen äußerst weitgehenden Wärmeaustausch eignen, weil das Metall der
Austauschflächen keine wesentliche mechanische Beanspruchung erleidet. Haben z.
B. bei einem erfindungsgemäßen Erzeuger die Mantelrohre einen Durchmesser von 4
cm und beträgt der Unterschied zwischen den Gas- und Dampfdrücken z. B. 4o atü,
so genügt für die genannten Rohre eine Wandstärke von 5 mm, damit die spezifische
Beanspruchung den Wert von 1,5 kg/mm2 nicht übersteigt. Diese Beanspruchung ist
genügend schwach, damit diese Rohre einen äußerst starken Wärmeaustausch bewirken
können. Trotzdem die erfindungsgemäßen Kessel sich für die Anwendung verschiedener
Drücke zwischen den Gasen und den zu erhitzenden Mitteln eignen, bieten sie doch
die wesentlichen Vorteile der Gleichdruckkessel.
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Es ist insbesondere möglich, durch die kleinen Rohre des Gaskanals
nicht nur ein, sondern zwei und mehr zu erhitzende Mittel strömen zu lassen, die
auch verschiedene Drücke aufweisen können. Diese Kessel werden als Mehrdruckkessel
bezeichnet.
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Die erfindungsgemäßen Kessel können natürlich auch dann Anwendung
finden, wenn die zu erhitzenden Mittel eine chemische Umwandlung erleiden, wie dies
z. B. bei Anlagen zum Spalten von Kohlenwasserstoffen der Fall ist.