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Zwanglaufkessel Im Bau moderner Hochleistungskessel herrscht die Tendenz,
das Gewicht und den Rauminhalt des Kessels im Verhältnis zu seiner Leistung so klein
wie möglich zu halten. Man strebt deshalb danach, die Feuerraumbelastung zu erhöhen
und ebenfalls die Wärmeübergangszahlen zu steigern, um so kleines Feuerraumvolumen
und geringes Gewicht der Heizfläche zu ermöglichen.
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Bekannt ist das Verfahren, die Feuerung unter starkem Überdruck zu
betreiben, wodurch die Feuerraumbelastung und gleichzeitig die Wärmeübergangszahlen
sehr gesteigert werden können. Allein dieses Verfahren erfordert einen Kompressor
und, wenn es rationell arbeiten soll, eine Abgasturbine zu deren Antrieb, die selbst
wieder eine unerwünschte Kompliziertheit, Erschwerung und Verteuerung der Kesselanlage
zur Folge hat. In vielen praktischen Fällen wird sich die Ersparnis an einfacher
Heizfläche um den Preis des Gasturbinenaggregats nicht lohnen.
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Nun ist es bekannt, schwere Öle unter gewöhnlichem atmosphärischem
Druck oder unter sehr geringem Überdruck mit ebenso hohen Feuerraumbelastungen zu
verbrennen wie in Druckfeuerungen. An Stelle des Kompressors tritt ein einfaches
Gebläse, dessen Energiebedarf nur ein kleiner Bruchteil desjenigen des Kompressors
von Druckfeuerungen ist.
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Die Absicht vorliegender Erfindung ist die Gestaltung einer Heizfläche,
die es erlaubt, mit möglichst geringem Energieaufwand die Wärmeübergangszahlen der
Feuergase wesentlich zu steigern
und die für Zwangdurchlauf- und
Zwangumlaufkessel bestimmt ist.
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In Kesseln der klassischen Bauart herrschen an den Heizflächen Gasgeschwindigkeiten
von einigen Metern pro Sekunde, in Spezialfällen bis zu 20 m pro Sekunde. Zur Erzeugung
dieser Geschwindigkeiten wären nur kleine Überdrücke erforderlich; allein die Heizflächenausbildung
und ihre Anordnung bringen es mit sich, daß die einmal erzeugte Gasgeschwindigkeit
durch Aufprallen auf versetzte Rohrreihen, durch schroffen Richtungswechsel od.
dgl. immer wieder zerstört wird und ebensooft wieder erzeugt werden muß, so daß
der Gaswiderstand des ganzen Kessels ein Vielfaches des Staudruckes der wirklich
herrschenden Gasgeschwindigkeit beträgt.
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Rechnung und Versuch zeigen nun, daß außerordentlich günstige Wärmeübergangszahlen
erreicht werden können mit Gasgeschwindigkeiten von der Größenordnung von 6o bis
200 m pro Sekunde, wobei zur Erzeugung dieser Geschwindigkeiten nur gewöhnliche
Gebläse von relativ geringemLeistungsbedarf benötigt werden, unter der Voraussetzung,
daß die einmal erzeugten Gasgeschwindigkeiten längs der gesamten Heizfläche aufrechterhalten
werden können und nicht mehrfach zerstört werden und wieder hergestellt werden müssen,
wie es in bekannten Kesseln nötig ist. Vorliegende Erfindung betrifft nun eine Heizfläche
von Dampfkesseln und Wärmeaustauschapparaten, die ganz aus Rohren aufgebaut ist
und in ihrem Gasweg keine schroffen Richtungswechsel und keine Prallwiderstände
aufweist, derart, daß es bei einmaliger Umsetzung des Gasdruckes in Geschwindigkeit
möglich ist, diese Geschwindigkeit längs der ganzen Heizfläche aufrechtzuerhalten.
Es sind von dem Gebläse nur zu erzeugen der Druck zur einmaligen Umsetzung in Geschwindigkeit
plus Reibungsverluste an den Heizflächen. Ein Vorteil der Erfindung besteht noch
darin, daß die gesamte Oberfläche der als Heizfläche benutzten Rohre zur Wärmeübertragung
ausgenutzt wird.
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Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß um die Brennkammer,
deren Wandung ganz aus Heizrohren als Strahlungsheizfläche gebildet sein kann und
die polygonalen, vorzugsweise aber kreisrunden Querschnitt besitzt, die Berührungsheizfläche
in Form von senkrecht zur Zylinderachse aus dicht aneinandergefügten Rohren gebildeten
Wendelflächen gelegt wird, längs deren die Gase schraubenförmig um die Brennkammer
geführt werden. Hierbei können sowohl eine einzige Wendelfläche als eingängige Schraube
als auch mehrere Wendelflächen als mehrgängige Schrauben um die Brennkammer gelegt
«erden.
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Die Abb. 1, 2 und 3 veranschaulichen den grundsätzlichen Aufbau gemäß
Erfindung mit einer Wendelfläche. Abb. i zeigt den Kessel schematisch im Querschnitt.
Die vom Brenner a kommenden Feuergase steigen in der Brennkammer A mit relativ geringen
Geschwindigkeiten hoch. Die Brennkammer%%-and ist durch axial dicht aneinandergewickelte
Rohrspiralen b gebildet, die miteinander durch Schweißung verbunden sein können.
Innerhalb der Brennkammer A herrscht im wesentlichen konstanter Gasdruck bis zu
den Querschnitten B, wo die Umsetzung des Druckes in Geschwindigkeit stattfindet
und die Gase in den schraubenförmigen Gaskanal C eintreten, um bei D den Kessel
zu verlassen. Dieser Gaskanal C ist durch senkrecht zur Schraubenachse dicht aneinandergelegte
und eine Wendelfläche bildende Rohre c gebildet. In Abb. 1, 2 und 3 sind es vier
Rohre, die nebeneinandergelegt die Wendelfläche bilden.
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Das ganze Rohrsystem ist in einem außen isolierten Zylinder eingefügt,
dessen innerer Mantel die äußere Begrenzungsfläche des schraubenförmigen Gaskanals
C bildet. Es ist selbstverständlich, daß diese Begrenzung ebenfalls durch einen
nach Art der Brennkammer durch dicht aneinandergewickelte Rohre gebildeten Zylinder
gebildet werden kann.
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Abb. 2 veranschaulicht denselben Kessel in Draufsicht auf die Heizfläche,
Abb. 3 zeigt in vergrößertem Maßstabe einen Teil der Brennkammerwand, eine Wendel,
und zeigt, wie die Rohre dicht aneinandergefügt und verschweißt werden können.
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Die Abb. 4 und 5 zeigen einen Heizflächenkörper derselben Art, bei
dem jedoch nicht eine Wendelfläche, sondern deren mehrere, nämlich drei, in Form
einer mehrgängigen Spirale um die Brennkammer gelegt sind. Diese Wendelflächen sind
mit cl, C2, C3 bezeichnet und die von ihnen gebildeten Gaskanäle mit Cl, C2, C3.
Die Abb.4 und 5 bedürfen keiner weiteren Erklärung, und es ist selbstverständlich,
daß auch bei mehrgängigen Schrauben die äußere Begrenzung der Gaskanäle durch nach
Art der Brennkammer spiralförmig aufgewickelte Rohre gebildet werden kann.
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In den Abb. i und 4 sind die Wendelflächen in Form von Schrauben mit
konstanter Steigung dargestellt. Grundsätzlich aber kapn auch die Steigung veränderlich
sein, insbesondere sich in Richtung des Gasstromes verringern. Beide Ausführungen
haben ihren praktischen Wert.
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Konstante Steigung bedeutet infolge der Abkühlung der Gase trotz konstanten
Querschnittes Abnahme der Gasgeschwindigkeit, die zum Wiedergewinn des Gasdruckes
benutzt werden kann. Infolge der kleiner werdenden Gasgeschwindigkeit nimmt die
Wärmeübertragungszahl ab, und die Kesselheizfläche muß für eine bestimmte Leistung
entsprechend größer sein. Dafür aber kann der Druck in der Brennkammer erniedrigt
werden, so daß diese Anordnung auf geringsten Energiebedarf für das Gebläse bei
vergrößertem Kesselgewicht hinwirkt.
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Mit kleiner werdender Steigung verringern sich die Gasquerschnitte,
und dadurch kann die Gasgeschwindigkeit längs der ganzen Heizfläche konstant gehalten
oder sogar beschleunigt werden, etwa zum Ausgleich der abnehmenden Temperaturdifferenz.
Diese Maßnahme wirkt auf Verkleinerung der Kesselheizfläche und damit auf Verkleinerung
des Kesselgewichtes bei erhöhtem Energiebedarf hin.
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In den Abb. i bis 5 sind die Verbindungen der einzelnen Rohrstränge,
der Wendeln selbst und der Brennkammerrohre nicht gezeigt. Abb. 6 gibt einen
Begriff
davon, in welcher Weise der Übergang dicht nebeneinanderliegenderWendelrohre in
ein gemeinsames Sammelrohr technisch ausgeführt werden kann. Damit sind die Schaltungsmöglichkeiten
der Rohre unter sich selbstverst:indlich nicht erschöpft, und nur um einen Begriff
von der außerordentlichen Anpassungfähigkeit an jedes Schaltungsschema, die die
Heizfläche gemäß Erfindung besitzt, zu geben, werden in den Alb. 7, 8, 9 und io
einige Schaltungsschemen beispielsweise dargestellt, wobei durchgängig in diesen
Abbildungen die die Brennkammerwand bildenden Rohre in Zickzacklinien, die Rohre
der Wendeln als senkrechte Gerade dargestellt und die eine Wendelfläche bildenden
Rohre durch dichte Lage gekennzeichnet sind.
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Alb. 7 stellt eine Wendel aus vier parallel geschalteten Rohren und
Übergang zur Brennkammerspirale mit Sammler dar. Sie ergibt reinen Gegenstrom.
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Abb.8 stellt eine Wendel nebst Brennkammerspirale dar, beide aus vier
parallel geschalteten Rohren, letztere als viergängige Schraube gewickelt. Zur Wendel
und Brennkammerspirale kann der Sammler zum Druckausgleich angeordnet werden, was
aber nicht nötig ist. Diese Wendel ergibt reinen Gegenstrom.
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Alb. 9 zeigt drei dreirohrige Wendeln, jede übergehend in eine Brencikammerspirale,
die als dreigängige Schraube ausgebildet ist. Die von Wendel i kommende Brennkammerspirale
kehrt zurück und teilt sich in drei Rohre, die zweite Wendel bildend. Ebenso kehrt
die von Wendel 2 kommende Brennkammerspirale -zurück und bildet Wendel 3.
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Abb. io zeigt zwei vierrohrige Wendeln I und Il. Die Rohre i und 2
und i' und 2' der beiden Wendeln sind parallel geschaltet. Die zwei parallelen Rohre
jeder Wendel vereinigen sich je zu einem Brennkaminerrohr, die beide zurückgeführt
werden und sich in die Wendelrohre 3 und d bzw. 3' und teilen, die sich je wieder
zu einem Brennkammerrohr vereinigen, so daß die Brennkammer von einer viergängigen
Spirale gebildet wird.
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Die Alb. 7 bis io stellen nur Beispiele aus der großen Vielfalt der
möglichen Schaltung dar, und es ist selbstverständlich, daß zum Druckausgleich oder
aus konstruktiven Gründen an beliebigen Stellen Sammler und Querverbindungen eingefügt
werden kennen. Durch die vielfachen Variationsmöglichkeiten, wie Verhältnisse von
Durchmesser zur Höhe der Brennkammer, Zahl der eine Wendel bildenden Rohre, Gangzahl
und Steigung der Schraube und schließlich die Rohrdurchmesser selbst, ist die Verwirklichung
jedes praktischen Problems möglich, ohne daß für irgendeine besondere Anordnung
der :Anspruch einer Erfindung geltend gemacht werden kann, da alle möglichen Schaltungen
aus dem Prinzip der vorliegenden Erfindung hervorgehen. Es sei z. B. erwähnt, daß
es durch passende Wahl der Varianten möglich ist, die Steigung der Brennkammerrohre
und die der Wendelflächen gleich zu machen, was besonders günstige Strömungsverhältnisse
ergibt.
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Der Vorteil der beschriebenen und den Gegenstand der Erfindung bildenden
Heizfläche besteht nun darin, daß sie aus einfachen Rohren aufgebaut und jedem Bedarfsfall
angepaßt werden kann und dabei erlaubt, mit geringstem Druck in der Brennkammer
die höchstmögliche Strömungsgeschwindigkeit der Gase längs der gesamten Heizfläche
zu erhalten, da Druckverluste durch schroffen Richtungswechsel und Prallflächen
nicht vorkommen. Die einzig vorkommenden Widerstände sind die der reinen Wandreibung
und der inneren Turbulenz.
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Daneben besitzt die Heizfläche noch andere Vorteile. Die Gaswege sind
sehr lang und die Gasquerschnitte verhältnismäßig groß, so daß sie sich nicht schnell
zusetzen können, wie dies der Fall ist etwa bei engen Spalten zwischen den Rohren,
die zur Erzielung großer Gasgeschwindigkeiten angewendet werden. Form und Größe
der Gaskanäle erleichtern die Reinigung, besonders wenn das Heizflächensy-stem aus
dem Isoliermantel herausfahrbar angeordnet ist. Schließlich hat die Heizfläche bei
:\nwendurig auf Dampfkessel noch auf der Wasser-bzw. Dampfseite den Vorteil, daß
Wasser- und Dampfwege nur mit großen Krümmungsradien geführt und scharfe Krümmungen
mit ihren störenden Wirkungen vermieden sind. Und schließlich ist noch zu erwähnen,
daß alle für den Aufbau der Heizfläche verwendeten Rohre auf ihrem ganzen Umfang
zur Wärmeübertragung ausgenutzt werden.