Die Dampfkessel einschliesslich Feuerungen und Hilfseinrichtungen: Teil 2 Die Dampfkessel und Feuerungen einschl. Hilfseinrichtungen in Theorie, Konstruktion und Berechnung [2., vollständig neu bearb. Aufl. Reprint 2020] 9783112321935, 9783112310762

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SAMMLUNG

GÖSCHEN

BAND

521

Die Dampfkessel und Feuerungen einschl. Hilfseinrichtungen in Theorie, Konstruktion und Berechnung Von

Professor Dr.-Ing. W a l t e r M a r c a r d i Zweite

Auflage

v o l l s t ä n d i g n e u l e a r f c e i t e t von

Dr.-Ing. K a r l B e c k II Dampfkessel Mit 55 Abbildungen

W a l t e r

de

G r u y t e r

&

Co.

vormals G. J. Göschen'sche Y e r l a g s h a n d l u n g • J. G u t t e n t a g , Verlagsb u c h h a n d l u n g • Georg R e i m e r • Karl J. T r ü b n e r . Veit & Comp. Berlin

1952

Alle

Rechte, von

der

insbesondere

das

Ì• b e r s e t z u n g s r e c h t ,

V e r l a g ; s li n n d 1 u )i g

vorbehalten

Archiv-Nr. 11 05 21 D r u c k von W a l t e r de G r u y t e r & Co., B e r l i n W 55 P r i n t e d in G e r m a n y

Inhalt A. Allgemeines 1. 2. 3. 4. 5.

U m f a n g einer D a m p f k e s s e l a n i n g e Zweck einer D a m p f k e s s e l a n l a g e Kenngrößen und Begriffsbestimmungen; Nonnen Dampferzeugung und Wasserumlauf Mitreißen von Wasser m i t d e m Dampf

5 (5 (> 12 19

13. Kesselbauarten 1 . Allgemeines 2. Unterschied zwischen K a u c h r o h r - u n d Wasserruhrkesseln 3. R a u c h r o h r k e s s e l a) S t e h e n d e Kessel . .b) F l a m m r o h r k e s s e l c) Rauchrohrkessel (Heizrohrkcssel) d) F l a m m r o h r - K a u c h r o h r k e s s c l e) Doppeikessel 4. Wasserrohrkessel a) G r o ß k a m m e r k e s s e l b) T e i l k a m m e r k e s s e l c) Trommelkessel d) S t r a h l u n g s k e s s e l u n d H o c h d r u c k k e s s e l e) Zwa n g u m lau fk esse 1 f) Z w a n g d u r c h l a u f k e s s e l g) K e s s e l m i t i n d i r e k t e r B e h e i z u n g

. . .

20 22 27 28 28 33 . 3 4 38 38 42 40 52 5(5 (54 (59 72

C. Überhitzer 1. 2. 3. 4. 5.

Allgemeines Berührungs- und Strahlungsüberhitzer Zwischenüberhitzung überhitzergestall ung Regelung der Ü b e r h i t z u n g .

72 75 7(5 77 80

D. Speisewasservorwärmer h 2. 3. 4.

Allgemeines ( T l a t t r o h r v o r w ä r m e r B a u a r t (Jreen Rippenrohr-Speisewasservorwärmer Stahlrohr-Speisewasservorwärmer

82 85 80 90

E. Luftvorwärmer 1. Allgemeines 2. R e k u p e r a t i v e L u f t v o r w ä r m e r 3. K e g e n e r a t i v e L u f t v o r w ä r m e r

91 93 98

F. Die Festigkeitsbereqhnung der Dampfkessel 1. Allgemeines 2. W e r k s t o f f v o r s c h r i f t e n f ü r L a n d d a m p f k e s s e ) 3. B e r e c h n u n g zylindrischer D a m p f k e s s e l w a n d u n g e n Überdruck (Kesseltrommeln) 4. B e r e c h n u n g der F l a m m r o h r e 5. B e r e c h n u n g von B ö d e n 6. B e r e c h n u n g ebener W a n d u n g e n 7. K o h r p l a t t e n von Heizrohrkess^ln

300 102 mit

innerem

1*

104 105 106 108 111

4

Inhalt — Quellennachweis von Abbildungen Seite 8. 0. 10. 11. 12. 13.

Vierkantrohre Schrauben und Verschraubungen Anker und Stehbolzen Bügel- oder Deckenträger von Feuerbiichsendecken Mannlöcher Kessel- und Überhitzerrohre

114 118 122 123 125 126

G. Die Planung und wärmetechnische Berechnung einer Dampfkesselanlage 1. Allgemeines 2. Beispiele für die Planung von kleinen Kesselanlagen 3. Beispiel für die Berechnung von Wasserohrkesseln

Sachregister

127 130 138

145

Quellennachweis von Abbildungen Barth, Die Dampfkessel. 4. Aufl. Bd. I, Berlin 1926, Verlag Walter de Gruyter. Abb. 12, 13, 14, 16 Dürrwerke Aktiengesellschaft, Ratingen. Abb. 24, 27, 29, 32 W.Gumz, Die Luftvorwärmung im Dampfkesselbetrieb. 2. Aufl., Leipzig 1933, Verlag Spamer. Abb. 36 Kraftanlagen Aktiengesellschaft, Heidelberg. Abb. 38 LaMont Kessel Herpen & Co., K.-G., Berlin u. Hannover. Abb. 30 A. Loschge, Die Dampfkessel. Berlin 1937, Verlag Springer. Abb. 23, 37, 47. H. Netz, Dampfkessel. Leipzig und Berlin 1934, Verlag Teubner. Abb. 19 Poßner, Die Gestaltung und Berechnung von Rauchgasvorwärmern. Berlin 1929, Verlag Springer. Abb. 34 Silier & Jamart, Wuppertal-Barmen. Abb. 17, 20 SpakJchaver, Schneiders, Rüster, Die Dampfkessel. 2. Aufl.,-Berlin 1924, Verlag Springer. Abb. 33 dies., Ergänzungsband 1934. Abb. 28, 35 L. & C. Steinmüller G. m. b. H., Gummersbach. Abb. 21, 25, 26 Vereinigte Kesselwerke Aktiengesellschaft, Düsseldorf. Abb. 18 Die Wärme Jg. 55 (1932). Abb. 15 Z. VDI Bd. 90 (1948) S. 203. Abb. 31

A. Allgemeines 1. Umfang einer Dampfkesselanlagc Man darf den D a m p f k e s s e l , im engeren Sinne des Wortes, nicht mit der Dampfkessel a n l ä g e verwechseln. Dies geschieht leider im Sprachgebrauch oft, indem m a n den Kessel f ü r die ganze Anlage setzt. Der U m f a n g einer Kesselanlage schwankt je nach dem Zweck und der Größe in sehr weiten Grenzen. So gehören zur Gesamtkesselanlage oder können dazu gehören folgende Einzelteile: Dampfkessel, Dampfüberhitzer, Rauchzas-Speisewasservorwärmer oder Economiser (abgekürzt , , E k o " genannt), L u f t v o r w ä r m e r (abgekürzt „ L u v o " genannt), Grobe u n d feine A r m a t u r , Einmauerung, Verkleidung, Feuerung, die je nach den besonderen Verhältnissen sein k a n n : • Rostfeuerung, Staubfeuerung, Feuerung f ü r flüssige Brennstoffe, Feuerung f ü r gasförmige Brennstoffe, Abhitze aus einer anderen Anlage (z. B. Industrieofen). Brennstoff-Bunkerung u n d -Förderung, Speise Wasseraufbereitung, Speisewasservorwärmung und -speicherung, Pumpenanlage, Fundament und Einmauerung, R a u c h g a s f ü h r u n g m i t Zugerzeugung d u r c h : Schornstein, Saugzug, Meß- und Regelungsvorrichtungen, Wärmespeicher, Entaschung, E n t s t a u b u n g , Eigenbedarfsschaltanlage. Der eigentliche Dampfkessel ist also n u r ein Teil der Gesamtanlage, wenn a u c h der wichtigste.

6

Allgemeines '2. Z w e c k einer D a i n p f k e s s e l a n l a g e

Nach den allgemeinen polizeilichen Bestimmungen (ApB) 1 gelten als Dampfkessel alle geschlossenen Gefäße, die den Zweck haben, Wasserdampf von höherer als der atmosphärischen Spannung zur Verwendung außerhalb des Dampfentwicklers zu erzeugen. Ausgenommen sind Niederdruckkessel mit einem höchstens 5 m langen nicht verschließbaren Standrohr und Zwergkessel, deren Heizfläche 0,1 m 2 und deren Dampfspannung 2 atü nicht übersteigt. Als Heizfläche rechnet derjenige Teil der Kesseloberfläche, der auf der einen Seite von den Heizgasen, auf der andern vom Wasser berührt wird. Bei Landdampfkesseln ist die feuerberührte, bei Schiffskesseln die wasserberührte Fläche f ü r die Berechnung maßgeblich. Der Kessel selbst ist ein W ä r m e a u s t a u s c h e r , kein Wärmee r z e u g e r . Der Wärmeerzeuger innerhalb der Gesamtanlage ist die Feuerung. Diese Vorstellung ist eindeutig und wichtig. Wenn also mehr Dampf im Kessel erzeugt werden soll, muß die Wärmeleistung der Feuerung gesteigert, d. h. mehr Brennstoff verb r a n n t werden. Daraus ergibt sich, daß die Änderung der Leistung des Kessels eine feuerungstechnische Angelegenheit ist. Erst wenn der Kessel bei zu hoher Wärmeleistung nicht mehr in der Lage ist, die von der Feuerung angebotene Wärme vollständig auszutauschen, d. h. in Dampf umzuformen, wird sie zu einer kesseltechnischen Angelegenheit. Dieser Fall tritt z.B. ein, wenn infolge des zu starken Wärmeangebotes Störungen im Wasserumlauf eintreten.

3. Kenngrößen und Begriffsbestimmungen; Normen2) Im Dampfkesselbau sind Kenngrößen und Begriffsbestimmungen f ü r Feuerungen und Dampfkessel geschaffen worden 2 ), die sich nach Grundbegriffen, Anlagekenngrößen und Leistungskenngrößen für Dampf, Brennstoff, Kessel, Feuerung, Verluste und Wirkungsgrad B e s t i m m u n g e n über F a s s u n g v o m 11. 11. 1944. Vgl. auch Jaeger-Ulrichs, Anlegung und Betrieb der D a m p f k e s s e l , 5. Aufl., Berlin 1026 u n d N a c h t r a g 1920 H e v m a n n ' s Verlag. 2 ) Kenngrößen und B e g r i f f s b e s t i m m u n g e n f ü r F e u e r u n g e n und Dampfkessel. Arch. W ä n n e w i r t s c h a f t , Bd. 12 (1931) S. HS!). — Fr. Schulte, Erläuterungen, Arch. W ä r m e w i r t s c h . , B d . 12 (1931) S. 3f>3. — Regeln f ü r Abnahmeversuclie a n D a m p f k e s s e l n , D I N VD1 1942, Abs. 44 bis 9«, VDI-Verlag 1937. E. Beek, Dürr-Dampfkessel-Taschenbuch, 5. Ausg., K ä t i n g e n 1950.

7

Kenngrößen und Begriffsbestimmungen; Normen

gliedern. Im vorliegenden Bändchen sind die dort angegebenen Formelzeichen verwendet worden 1 ). Die wichtigsten Gewährleistungen, die für eine Kesselanlage abgegeben werden, sind die Leistung, d. h. die Erzeugung eines bestimmten Dampfgewichtes M (kg/h) von festgelegtem Druck und Temperatur aus Wasser von bestimmter Temperatur, sowie der Wirkungsgrad »j (%). Die Wärmeleistung der Kesselanlage ergibt sich zu: q = M-i

kcal/h,

wobei i die Erzeugungswärme des Dampfes in kcal/kg ist. Sie wird bestimmt als Differenz zwischen dem Wärmeinhalt in des den Überhitzer verlassenden Dampfes und dem Wärmeinhalt iwl des in den Speisewasservorwärmer eintretenden Wassers. Es ist also: i = iü — iw i

kcal/kg.

Mit Hilfe der Bd. I beigegebenen Tafeln ist man in der Lage, den Wärmeinhalt des überhitzten Dampfes in Abhängigkeit von Druck und Temperatur zu bestimmen und den Wärmeinhalt des Wassers bei einer bestimmten Temperatur abzulesen. Abb. 1 u. 2 zeigen im Schema den Weg des Wassers bzw. Dampfes in einer einfachen und in einer größeren Dampfkesselanlage. An dieser Stelle mag erwähnt werden, daß man in den unteren Temperaturgebieten (bis etwa 150°) mit genügender Genauigkeit den Wärmeinhalt des Wassers iw gleich seiner Temperatur setzen kann, da die spezifische Wärme des Wassers hier praktisch gleich 1 ist. Bei 150° ist iw = 150,9 kcal/kg. Der Fehler beträgt also n u r A b b . 1. S c h e m a e i n e r e i n f a c h e n D a m p f kesselanlage mit den K e n n g r ö ß e n : i

(kcal/kg)

=

(kcal/kg)

=

w

^

3

M (kg/h) i— ? — i s w ()= M • i (keal/h) y £ (in 2 ) p (atii) 1

W ä r m e i n h a l t des S p e i s e w a s s e r s b e i m K i n t r i t t in d e n K e s s e l . W ä r m e i n h a l t des S a t t d a m p f e s beim Austritt aus dem Kessel.

= =

D a m p f l e i s t u n g des K e s s e l s . Krzeugungswärmed. Dampfes.

= = =

W ä r m e l e i s t u n g des K e s s e l s . Kesselheizfläche. (ienehmigungsdruckd.Kessels

AT

Dampfleitung , 'i K esset y Wasser

4 M

) A n m e r k u n g d e r V e r f a s s e r : Ks i s t w ü n s c h e n s w e r t , d a ß die in d e n , , K e n n g r ü ß e n u n d B e g r i f f s b e s t i m m u n g e n " a n g e g e b e n e n F o r m e l n u n d Zeichen usw. a l l g e m e i n i m S c h r i f t t u m f ü r Kessel u n d F e u e r u n g e n A n w e n d u n g f i n d e n .

8

Allgemeines

0,6%. Mit zunehmender Wassertemperatur nimmt der Fehler jedoch steigend zu. So ist beispielsweise bei 300° bereits iw = 321 kcal/kg, d. h. der Fehler beträgt 7°/0. Der Wirkungsgrad der Kesselanlage rj (°/0) ist das Verhältnis der Wärmeleistung Q (kcal/h) der Kesselanlage zur Feuerungswärmeleistung Qb (kcal/h):

wobei Qb die in dem stündlich auf die Feuerung aufgegebenen Brennstoffgewicht B (kg/h) enthaltene Wärmemenge bedeutet, errechnet mit dem unteren Heizwert Hu (kcal/kg). P's ist also: Qb=B - Hu kcal/h. Ii heißt „Feuerungsleistung". Nunmehr wird: M•i ra"100

0 /

°

Um den Wirkungsgrad einer Kesselanlage festzustellen, sind also folgende Messungen zu machen: Die verdampfte Wassermenge und der aufgegebene Brennstoff sind zu wiegen. Für die Bestimmung der Erzeugungswärme sind Druck und Temperatur des erzeugten Dampfes sowie die Speisewassereintrittstemperatur zu messen. Der Heizwert wird im Laboratorium anhand einer während des Versuches sachgemäß angesammelten Probe bestimmt, kann aber auch überschläglich aus Erfahrungswerten entnommen werden (z. B. Zahlentafel XV in Bd. I). Genaue Anweisung für die Durchführung von Kesselversuchen geben die „Regeln für Abnahmeversuche' an Dampfkesseln", DIN 1942. Zu beachten ist außerdem DIN 53711 „Prüfung von Brennstoffen, Probenahme und Probenaufbereitung von stückigen, festen Brennstoffen" (für Brennstaub DIN 53712). Die N o r m u n g in der Dampftechnik ist in den letzten Jahren seitens des Deutschen Normenausschusses tatkräftig weitergeführt worden. Genormt sind Auslegungsgrößen, z. B. Dampfzustände und Dampfleistungen, und Einzelteile von Kesselanlagen, z. B. Rohrabmessungen, Teilkammern, Aufhängungen, Feuertüren usw. Ferner gibt es Normen für vollständige Flammrohrkessel (DIN 2904). Die Normung von ganzen Wasserrohrkesseln hat sich nicht bewährt, da die örtlichen Verhältnisse und die Brennstoffe zu verschieden sind, so daß die eine Zeit lang empfohlenen sog. „Einheitskessel" nicht immer eine günstige Lösung darstellen. Außer den speziellen Dampfkesselnormen, deren DIN-Nummern meist zwischen 2900 und 2950 liegen, sind bei der Gestaltung von

Kenngrößen und Begriffsbestimmungen; Normen

9

Kesselanlagen die allgemeinen DIN-Normen zu beachten, z. B . für die Abmessungen und Werkstoffe der verwendeten Rohre, für Verschraubungen, Armaturen usw. Alle Normen haben den Zweck, die eigentliche Entwurfsarbeit auf das Wesentliche zu konzentrieren und durch planvolle Arbeit sowie Ausschaltung zu persönAbb. 2. S c h e m a e i n e r g r ö ß e r e n D a m p f k e s s e l a n l a g e , bestehend aus: 2 Kesseln m i t Überhitzern u n d Speisewasservorwär-

p (atii)

=

Dampfleitung

wärmers. Oenehmigungsd r u c k d. K e s s e l s .

licher Wünsche eine Vereinfachung, Beschleunigung und schließlich auch eine Verbilligung zu erzielen. Darüber hinaus erleichtern sie den Bezug und Austausch von Ersatz- und Zubehörteilen und verringern die Lagerhaltung. Nach dem Stande von 1951 sind zurzeit die in folgender Zusammenstellung aufgeführten Dampfkesselnormen in Kraft. Außerdem ist eine große Anzahl von DIN-Entwürfen (DIN-Nummer gekennzeichnet durch ein vorgesetztes E , z. B. DIN E 2915) in der Kesselindustrie bereits in Gebrauch.

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Allgemeines In K r a f t befindliche D a m p f k e s s e l n o r m e n (Stand 1951)

D I N 1851 Werkstoff- und B a u v o r s c h r i f t e n f ü r Landdampfkessel D I N 1855 Richtlinien f ü r die Anforderungen an den Werkstoff und Bau von Rauchgasvorwärmern D I N 2901 Dampfkessel, D r u c k s t u f e n , Temperaturstufen, Leistungsstufen D I N 29U4 Flammrohrkessel (Landdampfkessel), Heizflächen, Hauptabmessungen, Drücke, T e m p e r a t u r e n D I N 2906 Dampfkessel, Vierkantrohre D I N 2907 Dampfkessel, Teilkammern f ü r Wasserrohrkessel bis 50 kg/cm 2 Genehmigungsdruck D I N 2908 Bl. 1 ovale Rohrlochverschlüsse f ü r Wasserrohrkessel, Zusammenstellung Bl. 2 Einzelteile D I N 2909 Bl. 1 R u n d e Rohrlochverschlüsse f ü r Wasserrohrkessel, Zusammenstellung Bl. 2 Einzelteile D I N 2910 Verschlüsse f ü r Aschen- und Schlackenbunker, Anschlußmaße D I N 2911 Planrwststäbe f ü r Landdampfkessel D I N 2915 Entwurf Dampfkessel, Nahtlose Flußstahlrohre m i t gewährleisteten Warmfestigkeitseigenschaften für Wasserrohrkessel, Überhitzer u n d Speisewasservorwärmer D I N 2920 Bl. 1 Dampfkessel, Reinigungstür 150 X 450, Zusammenstellung Bl. 2 — Türrahmen, Türdeckel, Isolierkasten D I N 2921 Bl. 1 Einsteigetür 450 X 450, Zusammenstellung BL 2 Reinigungstür 450 x 450, T ü r r a h m e n , Türdeckel, Isolierkasten D I N 2922 Bl. 1 Explosions- und Einsteigetür 450 X 450, Zusammenstellung Bl. 2 Einzelteile D I N 2923 Einsteige- u n d Reinigungstüren, Einzelteile D I N 3501 Wasserstandanzeiger f ü r Dampfkessel, Anschlußmaße u n d Glasabmessungen

Kenngrößen und Begriffsbestimmungen; Normen

H

Besonders wichtig und schon bei Anfragen an die Kesselfirmen zu beachten sind die Auslegungsnormen nach DIN 2901 mit folgender Stufung der G e n e h m i g u n g s d r ü c k e : 0,5 6 8 10 13 16 20 .32 42 67 84 132 168 kg/cm 2 Im oberen Druckbereich ab 40 kg/cm 2 entsprechen dem folgende Arbeitsdrücke und Drücke am Überhitzeraustritt: Genehmigungsdruck kg/cm 2 42 67 84 132 168 höchster Arbeitsdruck kg/cm 2 40 G4 80 125 160 Druck am Überhitzeraustritt kg/cm 2 37 58 73 115 146 Der Genehmigungsdruck ist der nach den Dampfkesselvorschriften höchstzulässige Dampfüberdruck in der Kesseltrommel. Der Arbeitsdruck ist der tatsächliche im Betriebe eingehaltene Dampfüberdruck in der Kesseltrommel. Der Druck am ÜberhitzerAustritt ist um den Druckabfall im Überhitzer niedriger. Bei Zwangdurchlaufkesseln betrachtet man ihn als maßgebenden Wert. Für die T e m p e r a t u r s t u f e n enthält DIN 2901 folgende.Festlegungen: Im unteren Druckbereich können von 150° C Dampftemperatur beginnend Temperaturen zur Anwendung kommen, die jeweils um 25° C ansteigen. Alle Temperaturfestlegungen sind unmittelbar am Überhitzeraustritt gemessen und beziehen sich auf die höchste Dauerleistung. Die L e i s t u n g eines Kessels ist gekennzeichnet durch die Angabe der Regelleistung (früher oft „Normalleistung" genannt) und der höchsten Dauerleistung. Die Regelleistung ist maßgebend f ü r die Planung der Anlage durch den Betreiber. Die höchste Dauerleistung begrenzt den Gewährleistungsbereich des Herstellers. Die Regelleistung liegt bei etwa 8 0 % der höchsten Dauerleistung. Für die höchste Dauerleistung ist folgende Leistungsreihe in t/h genormt: 1 1,25 1,6 2,0 2,5 3,2 4,0 5,0 6,5 8,0 10 -12,5 16 20 25 32 40 50 64 80 100 125 160 200 250 320 Beispiel: Eine Kesselanlage soll f ü r folgende (genormten) technischen Daten ausgelegt werden: Dampfleistung, Regelleistung höchste Dauerleistung Kesseldruck, Genehmigungsdruck Arbeitsdruck Dampftemperatur

M Mh p tu

= 8000 kg/h = 10000 kg/h = 42 kg/cm 2 = 40 kg/cm 2 — 450 °C

12

Allgemeines

Speisewasser-Eintrittstemperatur Wirkungsgrad bei höchster Dauerleistung Heizwert der verfeuerten Steinkohle

tw

=

-q Hu

= =

100 °C 80 % 7000 kcal/kg

Wie groß sind: Erzeugungswärme des Dampfes i, Wärmeleistung der Kesselanlage Q, Feuerungswärmeleistung Q b , Feuerungsleistung B, Verdampfungsziffer v? Aus den Dampftafeln (z. B. VDI-Wasserdampftafeln, 2. Aufl., Berlin und München 1942, Auszug in Bd. ]) entnimmt man: iü = 794,3 kcal/kg iw = 100,7 kcal/kg i = 693,G kcal/kg Q =M -i = 10000 • 693,6 = 6936000 kcal/h, Q b = Q : n = 6936000 : 0,80 = 8670000 kcal/h, B = Qb : H u = 8670000 : 7000 = 1239 kg/h, =M:B = 10000 :1239 = 8,00 kg/kg (8-fach). v Die Verdampfungsziffer v ist in den „Kenngrößen" nicht aufgeführt, weil sie keine wärmetechnisch exakte Größe ist. Sie ist jedoch für den Praktiker eine außerordentlich wertvolle Zahl, weil sie ihm bei der gleichen Anlage, wo die Betriebsbedingungen, also auch der Heizwert der Kohle, immer die gleichen sind, sofort einen Maßstab für den erreichten Wirkungsgrad gibt. Im Betriebe ist sie leicht zu messen. 4. Dampferzeugung und Wasserumlauf Dampferzeugung und Wasserumlauf stehen in unmittelbarem Zusammenhang. Durch den Wasserumlauf wird eine gute und geregelte Abführung der örtlich erzeugten Dampfblasen zu den Dampfsammelstellen bewirkt. Der Wasserumlauf in einem Kessel ist ein wichtiger Maßstab für die Beurteilung der Güte eines Kessels und seiner Eignung für bestimmte Leistungen. Je größer der spezifische Wasserinhalt des Kesselgefäßes (cbm Wasser je m 2 Heizfläche) und je kleiner die spezifische Leistung (kg Dampf je m 2 Heizfläche und Stunde) sind, desto weniger spielt der Wasserumlauf eine Rolle. Großwasserraumkessel mit ihrem großen Wasserinhalt stellen an den Wasserumlauf daher keine besonderen Ansprüche. Bei den neuzeit-

Dampferzeugung und Wasserumlauf

13

liehen Hochleistungs- und Strahlungskesseln, die bei geringstem Wasserinhalt mit sehr hohen spezifischen Dampfleistungen arbeiten, muß der Wasserumlauf durchaus geordnet und sehr sorgfältig durchdacht und durchgerechnet sein, wenn man nicht die unangenehmsten Störungen erleben will. Auch bei Zwanglaufkesseln mit künstlicher Wasserbewegung sind die Gesetze der Strömung bei, gleichzeitiger Verdampfung und der Verteilung auf die einzelnen Rohrstränge genau zu beachten. Die nachstehende grundsätzliche Betrachtung über den Wasserumlauf in Dampfkesseln soll den Leser gleichzeitig in die wichtigsten Belange des Dampfkesselwesens einführen und ihn schulen, sich ein Urteil über maßgebende Konstruktionsgedanken und die Verwendungsmöglichkeit der verschiedenen Bauarten zu bilden. Betrachten wir in Abb. 3 die Entstehung einer Dampfblase in ihrer einfachsten Form, so sehen wir bei a das entstehende Bläschen. ,

s

—

O

Dampfblase

O

Wandung

t

t a

t

f

t

t

b

t

t c

t

f d

t

f

^ung

e

Abb. 3. Entstehung einer Dampfblase

Bei b ist es schon größer, bei c noch größer; bei d beginnt die Blase sich infolge ihres Auftriebes von der Wand zu lösen; bei e steigt sie auf, und ein neues Bläschen bildet sich. Es ist klar, daß dieser Vorgang eine gewisse Zeit in Anspruch nimmt, während der die Wandung nicht von Wasser bespült wird. Wir wissen aus den Gesetzen über den Wärmeübergang (vgl. Bd. 1), daß die Wärmeübergangszahl von Dampf niedrig ist. Wenn sich also eine Dampfblase sehr m lange Zeit an einer Stelle der # Kesselheizfläche aufhält — sei es, . J® daß sie sich z. B. an einer NietJ» " naht aufhängt (s. z. B. Abb. 4) JfT oder daß Stagnationen auftrexOI ten —, dann ist die Wandung an Dampfto* l||[[j[j] Rost dieser Stelle gefährdet. Sie wird f ^ durch die Feuergase überhitzt, Abb. 4. Hängenbleiben einer Dampfwasserseitig (bzw. dampfseitie) blase , . i .., 1 _ u i O i i c aan n ceiner i n c i Nietnaht -L1ICH10.11V (unzulässige aber nicht gekühlt. Gestaltung) L

14

Allgemeines

Welche Folgerungen sind daraus zii ziehen? Ein Hängen- oder Haftenbleiben von Dampfblasen an einer beheizten Stelle des Kessels ist grundsätzlich zu vermeiden. Die Kühlung der Wandung ist um so besser, je schneller und sorgfältiger die entstehenden Dampfblasen abgespült werden. Das bedeutet, daß f ü r eine Strömung gesorgt werden muß, die die Blasen a b f ü h r t . Durch das Ablösen der Dampfblasen von der Wand und das folgende Aufsteigen entsteht nun zwar selbsttätig ein Strömungsvorgang, der jedoch vollständig regellos ist und nur geringen Ansprüchen (z. B. bei Großwasserraumkesseln) zu genügen vermag. Bei Wasserrohrkesseln, wo in den engen, viele Meter langen hochbeheizten Rohren sehr große Dampf mengen erzeugt werden, würde sich leicht eine Ansammlung von Dampf bilden, wenn nicht durch eine kräftige, Wasserstandr-

Abb. ">. Zweiselienkliges Rohr a) unbeheizt, b) einseitig beheizt, W a s s e r s t a n d in beiden Sehenkeln "Wasserstand im beheizten Schenke] gleich hoch höher als im u n b e h e i z t e n

stets gleichgerichtete Strömung f ü r die Abführung gesorgt würde. Zusammenfassend ergibt sich also folgende Aufgabestellung: Innerhalb des Kessels ist f ü r einen Wasserumlauf zu sorgen, der 1. mit ausreichender Geschwindigkeit fließen soll, 2. immer die gleiche Richtung haben muß. Umkehrungen oder Pendelungen führen zu örtlichen und zeitlichen Stagnationen, die die oben gekennzeichneten Kesselschäden im Gefolge haben. Wie ist ein solcher Wasserumlauf mit den im Kesselbau zu Gebote stehenden Mitteln zu erreichen? Betrachten wir Abb. 6, die ein zweischenkliges Rohr darstellt, dessen einer Schenkel später beheizt werden soll. Im unbeheizten Zustande (Abb. 5a) stellt sich ein gleich hoher Wasserstand in beiden Schenkeln ein (kommunizierende Röhren). WTird nunmehr der eine Schenkel beheizt (Abb. 5b), so entwickeln sich hier Dampfblasen, die nach oben steigen. In dem beheizten Schenkel befindet sich nicht mehr Wasser allein,

Dämpferzeugung u n d Wasserumlauf

15

d a s (las spezifische G e w i c h t ywasser h a t , s o n d e r n ein G e m i s c h v o n W a s s e r u n d D a m p f , dessen spezifisches G e w i c h t yGemisch e r h e b l i c h k l e i n e r i s t als d a s des W a s s e r s . D a j e d o c h G l e i c h g e w i c h t in b e i d e n S c h e n k e l n b e s t e h t , so gilt die G l e i c h u n g : h l • y Gemisch =

' ^Wasser.

E s ist also hi h ö h e r als h 2 , u n d z w a r u m so m e h r , j e m e h r D a m p f b l a s e n sich i m b e h e i z t e n S c h e n k e l b e f i n d e n . Diesen U n t e r s c h i e d i m W a s s e r s t a n d d e r b e i d e n Schenkel Ali — hi — h2 k a n n m a n s e h r g u t z u r l i r z e u g u n g einer S t r ö m u n g a u s n u t z e n , i n d e m m a n die beiden f r e i e n S c h e n k e l v e r b i n d e t , wie es in A b b . 6 d a r g e s t e l l t i s t . D a s W a s s e r w i r d in d e m V e r b i n d u n g s r o h r entsprechend dem Gefälleunterschied von links n a c h r e c h t s fließ e n , u n d z w a r u m so schneller, je g r ö ß e r d e r Höhenunterschied ist u n d je g e r i n g e r die W i d e r s t ä n d e sind. E s gelangt zum F a l l r o h r zurück und von dort aus zum S t e i g r o h r , wo ein Teil des W a s s e r s infolge d e r B e h e i z u n g in D a m j j f u m g e f o r m t w i r d . So e n t s t e h t ein r e g e l r e c h t e r W a s s e r u m l a u f , d e r i m S i n n e des U h r z e i g e r s k r e i s t , u n t e r den d a r g e s t e l l t e n B e d i n g u n g e n s t e t s e i n d e u t i g i s t u n d n i e m a l s seine D r e h r i c h t u n g ä n d e r n k a n n . D a m i t h a t m a n also d e n f ü r einen D a m p f k e s s e l e r w ü n s c h t e n Z u s t a n d u n d b r a u c h t n u r d a s g r u n d s ä t z l i c h e S c h e m a in die W i r k l i c h k e i t u m z u s e t z e n . Die d a r g e s t e l l t e A n o r d n u n g b i e t e t a b e r n o c h einen w e i t e r e n . Vorteil, n ä m l i c h die g u t e T r e n n u n g v o n W a s s e r u n d D a m p f . Sie erfolgt an der großen Wasseroberfläche im Verbindungsrohr ohne Schwierigkeit, wenn m a n einen R a u m vorsieht, der den Dampf aufn i m m t , d. h . D a m p f r a u m i s t . D i e W a s s e r o b e r f l ä c h e i s t die T r e n n f l ä c h e zwischen D a m p f u n d W a s s e r . D a s g r u n d s ä t z l i c h e S c h e m a s t e l l t also b e r e i t s einen D a m p f k e s s e l m i t g u t e m W a s s e r u m l a u f u n d g u t e r A u s d a m p f u n g d a r . A b b . 7 zeigt die k o n s t r u k t i v e Ges t a l t u n g , die sich a u s d e n obigen V o r s t e l l u n g e n e r g i b t . S t e i g r o h r u n d F a l l r o h r s i n d u n t e n u n d o b e n d u r c h eine sog. T r o m m e l ver-

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Allgemeines

bunden. Aber auch Abb. 8 entspricht den gestellten Forderungen. In der Praxis sind beide Bauarten zu finden. Während jedoch die erste nach Abb. 7 mit längsliegender Obertrommel nur für beschränkte Breiten ausführbar ist, und zudem lauter verschiedene Rohre benötigt, kann die zweite für beliebige Breiten gestaltet werden, wie Abb. 9 zeigt. Die gleiche Umlaufwirkung tritt aber auch ein, wenn man dem Kessel eine Gestaltung gibt, wie sie beispielsweise Abb. 10 zeigt, indem man als Verbindungselemente nicht allein T r o m m e l n , sonkessel mit längsliegender Obertrommel dern auch sog. K a m m e r n benutzt. Während die ersten beiden Bauarten (Abb. 7 bis 9) Vertreter des sog. S t e i l r o h r k e s s e l s sind, stellt Abb. 10 die Form des S c h r ä g r o h r k e s s e l s oder K a m m e r k e s s e l s dar. Auf die weiteren Unterschiede wird später unter den betr. Abschnitten noch näher eingegangen werden.

Abb. 8. Wasserumlauf in einem Steilrohr-Trommelkessel mit 2 querliegenden Obertrommeln, Der Kreislauf wird beeinträchtigt, wenn das Verbindungsrohr zu eng ist

Dampferzeugung und Wasserumlauf

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Die vorstehenden Betrachtungen über den Wasserumlauf sind unter der Voraussetzung angestellt, daß nur das Steigrohr beheizt ist, nicht aber das Fallrohr. In der Praxis liegen die Verhältnisse

EZJ D

G

Abb.9a. Querschnitteines Längstrommelkessels n a c h Abb. 7

A b b . 9 b . Querschnitteines Quertrommelkessels nach Abb. 8

jedoch so, daß man auch das Fallrohr noch zur Wärmeausnutzung der bereits stark abgekühlten Gase heranzieht. Dann wird (vgl. Abb. S b) zwar /ix — h 2 kleiner und damit auch die Kraft, die den Riicklaufnhr Trommel vordere Kammer /

ff Fallrohr

Behebung

hintere

Kammer

Abb. 10. Wasserumlauf in einem K a m m e r k e s s e l m i t querlief