Die Dampfkessel: Teil 1 Kesselsysteme und Feuerungen 9783111360225, 9783111002934

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Sammlung Göschen

Die Dampfkessel Kurzgefaßtes Lehrbuch für das Selbststudium und den praktischen Gebrauch Von

Friedrich Barth Oberingenieur an der Bayerischen Landesgewerbeanstalt in Nürnberg

I

Kesselsysteme und Feuerungen Mit 43 Figuren Dritte, verbesserte Auflage

Berlin und Leipzig

Vereinig-ung- w i s s e n s c h a f t l i c h e r V e r l e g e r Walter de Gruyter & Co. vormals G. J. Göschen'sche Verlagshandlung - J- Guttentag, Verlagsbuchhandlung - Georg Reimer - Karl J. Trübner - Veit & Comp. 1Q1Q

Alle Hechte, insbesondere das Übersetzungsrecht, von der Verlagshandlung vorbehalten.

Druck der Spamerschen Buchdruckerei in Leipzig.

Inhaltsverzeichnis.

Seite

I. A b s c h n i t t . Allgemeines über Dampferzeugung und Dampikessel. Geschichtliches 5 Der Wasserdampf β Die Brennstoffe für die Dampferzeugung. Magerkohle, Fettkohle, Gasflammkohle, Heizwert, analyse, Wärmepreis, Brennstoffpreis

Elementar-

Die Kesselanlage und ihre Wirkungsweise. Heizfläche, Brenngeschwindigkeit usw

Ausrüstung der Dampfkessel.

I. Die grobe Armatur I I . Die feine Armatur I I I . nie Einmauerungsteile IV. Reserveteile V. Sonstiges Überhitzer

II. A b s c h n i t t . Der Verbrennungsvorgang.

11 15 15 17 18 18 19

Die Verbrennung.

Wesen der Verbrennung, Entzündungstemperatur, Luftüberschuß, vollkommene und unvollkommene Verbrennung, Rußund Rauchbildung

Heizwert, Zusammensetzung der Brennstoffe Luftbedarf für die Verbrennung Verbrennungstemperatur Die Rauchgase.

Gewicht und Volumen der Rauchgase, spezifisches GewichtTund spezifische Wärme derselben

III. A b s c h n i t t . Die Feuerungsanlagen. Allgemeines über Feuerungen Planrostfeuerungen. 1. 2. 3. 4.

7

Allgemeines Der Rost und die Roststabform Bedienung des Planrostes Regelung des Zucs

22

24 25 27 29

32 35 39 48 50

4

Inhaltsverzeichnis. Seite

Feuerungen mit geneigtem Rost. 1. Allgemeines 2. Schrägrostfeuerungen 3.' Treppenrostfeuerungen

51 55 57

Mechanische Feuerungen. 1. Allgemeines 2. Feuerungen mit festem Kost 3. Feuerungen mit bewegtem itost

. . '

59 61 64

Feuerungen für gasförmige und flüssige Brennstoffe . . 67 Rauchschwacher Betrieb. Rauchbelästigung 68 Die Zugerzeugung. Natürlicher Zug, künstlicher Zug

Wahl der Feuerung Kesselbekohlung. Aschenabfuhr

70

71 74

IV. A b s c h n i t t . Die Wärmeübertragung. Die Heizflächen und der Wärmedurchgang. Allgemeines Die Kesselheizfläche

76 79

Wärmeausnützung. Wirkungsgrad Verdampfungsziffer

82 86

Wärmeverluste.

87

1. Wärmeverlust durch die Abgase (Schornsteinverlust) . . . . 2. Wärmeverlust durch Strahlung usw 3. Wärmeverlust durch die Herdrückstände

88 90 91

Wärmeübergang bei verunreinigtem Kessel

91

V. A b s c h n i t t . Allgemeines Landkessel.

93

1. 2. 3. 4. 5. 6.

Verschiedene Kesselsysteme.

Walzenkessel. Batteriekessel Flammrohrkessel Heizröhrenkessel Wasserrohrkessel Kombinierte Kessel Kleinkessel

Schiffskessel Register Der I I . Band handelt Uber „Bau und Betrieb der Dampfkessel".

94 100 105 109 126 129

132 134

I. Abschnitt. Allgemeines über Dampferzeugung und Dampfkessel. Geschichtliches. Die Kenntnis des gespannten Wasserdampfes reicht sehr weit zurück. Der erste, der sich nachweislich mit dem Studium des Dampfes befaßte, war Heron, ein griechischer Mathematiker und Physiker aus Alexandria, der ca. 100 Jahre v. Chr. lebte. Er konstruierte einen durch die Rückwirkung ausströmenden Dampfes kontinuierlich rotierenden Apparat, den er Äolipile (Äolusball) nannte. Nach ihm t r a t in der Verwendung des Wasserdampfes ein langer Stillstand ein, und erst dem Physiker Papin (1647—1710) gelang es, dieselbe wieder in neue Bahnen zu lenken. Er wies durch seinen Papinschen Topf nach, daß der gespannte Dampf sich zum Kochen, sowie zum Betrieb von Maschinen eignet (sog. atmosphärische Maschinen oder Feuermaschinen). Aber weder Papin noch die auf seinen Grundlagen weiterbauenden Erfinder Savery, Newcomen und Cawley kamen zur vollen Erkenntnis der gewaltigen, in dem gespannten Dampf schlummernden Kräfte. Der erste, w e l c h e r den gespannten Wasserdampf direkt als Triebkraft verwendete, war James Watt. Während die Wattsehe Dampfmaschine mit Dampf von ca. 1,3 Atm. Spannung betrieben wurde, arbeiten unsere heutigen Dampfmaschinen mit Dampf bis zu 15 Atm., wobei derselbe in der Regel noch überhitzt wird. Unsere heutigen Kessel werden deshalb fast ausnahmslos für hohe Spannungen gebaut, am häufigsten für solche von 12—15 Atm. Man ist jedoch speziell bei Wasserrohrkesseln auch schon bis 20 Atm. und darüber gegangen. Die großen Fortschritte auf dem Gebiete der Kraftmaschinen, insbesondere der Dampfturbinen, haben auf den Bau der Dampfkessel sehr anregend eingewirkt und auch hier

6

I. Allgemeines über Dampferzeugung u. Dampfkessel.

bedeutende Fortschritte gezeitigt. Letztere äußerten sich in einer erheblichen Vergrößerung der Kesseleinheiten und der Heizflächenbeanspruchung sowie in einer besseren Grundflächenausnützung. Den Schwerpunkt dieser Entwicklung bildeten die Wasserrohrkessel, insbesondere die sog. Hochleistungskessel und die SteilrohrkesseL Der Wasserdampf. Durch Erhitzen von Wasser in einem geschlossenen Gefäß entsteht bekanntlich gespannter Dampf. Fig. 1 stellt die Erδοο

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Fig. 1. Erzeugungswärme (Wärmeinhalt) von Satt- und Heißdampf bei verschiedenen Spannungen und Überhitzungen ii, bezogen aui.Wasser . 1 von 0°.

zeugungswärme (Wärmeinhalt) von Satt- und Heißdampf bei verschiedenen Spannungen und Überhitzungen dar. Das spezifische Volumen des Sattdampfs bei verschiedenem Druck ist

Die Brennstoffe für die Dampferzeugung.

7

aus Fig. 2 zu entnehmen. Weiteres über den Dampf und seine Eigenschaften enthält das Bändchen I der „Dampfmaschinen", Sammlung Göschen, worauf hier verwiesen sei.

-rt Fig. 2.

13

nibein-Kessel). lich-Kessel). wird (Fig.36—38). Die Heizgase durchziehen erst die Flammrohre, dann die Heizröhren und umspülen endlich die Kesselmäntel. Die Heizröhren liegen sonach im

5. Kombinierte Kessel.

127

zweiten Zug und sind der direkten Einwirkung der Flammen entzogen 1 ). Der Flammrohr-Heizröhrenkessel, auch kurz kombinierter oder Doppelkessel genannt, besitzt bei geringer Raumbeanspruchung im Grundriß die Vorteile der Innenfeuerung und eines verhältnismäßig großen Wasserraums. Da trotz der Anordnung zweier Flammrohre das Verhältnis von Heizfläche zu Rostfläche größer ist als bei anderen Kesselsystemen, so erhält man eine lange Zugführung der Heizgase und damit eine sehr gute Wärmeausnützung. Man unterscheidet Doppelkessel mit einem Dampfraum (Fig. 36) und solche mit zwei Dampfräumen (Fig.37). In der Regel werden die letzteren bevorzugt. Die Verbindung zwischen Unter- und Oberkessel erfolgt bei Kesseln mit zwei Dampfräumen am besten durch einen einzigen, genügend weiten Stutzen, welcher den Dampf aus dem Unterkessel durch ein aufgesetztes Rohr zum Dampfraum des Oberkessels führt. Damit nur der Oberkessel gespeist zu werden braucht, wird ein Uberlaufrohr aus dem Wasserraum des Oberkessels nach dem Unterkessel angeordnet. Bei einem anderen System, welches von Dupuis herrührt und neuerdings immer mehr zur Einführung kommt, sind zwei Dampfräume und ein gemeinsamer Wasserraum vorgesehen (Fig. 38). Hier erfolgt die Beobachtung des Wasserstandes ausschließlich im Oberkessel. Die Schlamm- und Kesselsteinablagerung findet hauptsächlich im Unterkessel statt; ein Undichtwerden der Rohreinwalzstellen am hinteren Kesselboden ist daher nicht mehr so leicht möglich, wie früher 2 ). ') Vgl. auch S. 107. 2 ) Indem man nach dem Patent Dupuis den Wasserraum des "Unterkessels am hinteren Ende mit demjenigen des Oberkessels verbindet, verhütet man gleichzeitig, daß der hintere Boden des Unterkessels zu starkerhitzt und eventuell rissig wird.

128

V. Verschiedene Kesselsysteme.

Der Doppelkessel hat in seiner normalen Ausführung den Nachteil, daß er infolge seiner beschränkten Ε ostfläche nur Beanspruchungen bis höchstens 19 kg/qm zuläßt. Ein Wasserrohrkessel in Verbindung mit einem Ekonomiser ergibt dieselbe bzw. eine bessere Wärmeausnützung und fällt mit Kücksicht darauf, daß er höhere •t

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Dupuisscher Uampfabiührungsvorrichtung.

Beanspruchungen als der Doppelkessel verträgt, in der Anschaffung billiger aus als dieser. Speziell in Württemberg werden auch sog. TenbrinkKessel angewendet. Es sind dies Kombinationen eines beliebigen Kesselsystems mit einer Tenbrink-Vorlage. Am beliebtesten ist die in Fig. 39 dargestellte Kombination mit einem Walzenkessel nebst Unterkesseln. Die

β. Kleinkessel.

129

Tenbrink-Vorlage bestellt aus einem Zylinder, welcher von einem oder zwei Feuerrohren durchdrungen wird. Letztere sowie der R o s t (Schrägrost) besitzen eine Neigung von ca. 45°. Die Tenbrink - Vorlage liegt quer unter den Oberkesseln bzw. vor den Unterkesseln und ist mit sämtlichen Kesseln durch Stutzen verbunden. Der in der Vorlage gebildete Dampf entweicht durch die Stutzen in die Oberkessel und erzeugt so einen guten Wasserumlauf. 6. Kleinkessel. Diese Kessel werden in der Regel stehend und ohne Einmauerung ausgeführt. Sie sind für kleinere Anlagen mit beschränktem Grundriß sowie für Dampfkrane, R a m men, Schiebebühnen usw. bestimmt und werden bis ca. 30 qm Heizfläche gebaut. Man unterscheidet verschiedene Typen von Vertikalkesseln. Am häufigsten kommen die sog. Lachapelle-Kessel (Fig. 40) zur Anwendung. Dies sind stehende Flammrohrkessel, auch Quersiederkessel genannt. I n dem zylindrischen Kesselmantel befindet sich das Flammrohr bzw. die Feuerbüchse mit der Feuerung. Die Feuerbüchse ist zwecks Vergrößerung der Heizfläche von einigen übereinander und versetzt angeordneten Quersiedern (Galloway-Röhren) durchzogen. Der Blechschornstein sitzt in der Regel unmittelbar auf dem Kessel. Zu Barth,

Die Dampfkessel I.

9

130

V. Verschiedene Kesselsysteme.

empfehlen ist, das Bauchrohr in seinem dampfberiihrten Teil durch ein Einhängerohr vor der Einwirkung der Heizgase zu schützen. Die Reinigung des Kessels von Schlamm und Kesselstein ist sehr unbequem auszuführen. E s empfiehlt sich deshalb, mit möglichst reinem Wasser zu speisen, da bei schlechtem Speisewasser die unteren Sieder stark leiden und evtl. durchbrennen. Bei einem anderen System, dem stehenden Heizrohrkessel (Fig. 41) ist die Feuerbüchse wesentlich niedriger ausgebildet. In die Decken der Feuerbüchse und des äußeren Kesselmantels sind senkrecht stehende Heizröhren eingewalzt, welche von den Heizgasen durchzogen werden. Der Verdampfungsspiegel ist hier verhältnismäßig klein, doch bewirken die durch den Dampfraum gehenden Röhren eine gute Dampf trocknung. Fig. 40. Stehender QuerAuch hier sollte nur mit reinem sifdcrkessel (LaehapelleWasser gespeist werden, da die Kessel). Reinigung des Rohrbündels von Kesselstein sehr mühsam ist. Setzen sich an der Feuerbüchsrohrwand Schlamm oder Kesselstein, bzw. von den Röhren abfallende Kesselsteinsplitter fest, so werden die Rohrverbindungen leicht undicht und die Rohrwand unter Umständen rissig. Auch die Feuerbüchse kann

6. Kleinkessel.

131

leicht Schaden erleiden, wenn sich in dem schmalen Wasserraum zwischen Feuerbüchse und Mantel Schlamm ansetzt. Ein weiterer Kleinkessel ist der sog. Field-Kessel (Fig. 42). Das Charakteristische desselben sind die FieldRohre, das sind am unteren Ende zugeschweißte Siederohre, welche in der Feuerbüchsdecke befestigt sind und in das Innere der Feuerbüchse hineinragen. Inden eigentlichen

Fig. 41.

Stehender Heizrohrkessel.

Fig. 42.

Field-Kessel.

Field-Rohren befinden sich engere Einhängerohre, welche einen Wasserumlauf sowie eine längere Haltbarkeit der Field-Rohre bewirken sollen. Besser sind im Falle der Fig. 40 und 42 flache Böden für Kessel und Feuerbüchse. Da sich Mantel und Feuerbüchse beim Anheizen ungleich dehnen, so sollten die Böden federnd, d. h. nachgiebig sein. Gewölbte Böden sind aber weniger elastisch als flache. 9*

V. Verschiedene Kesselsysteme.

132

Außer den beschriebenen Kesseln gibt es noch eine Reihe von anderen, auf welche jedoch hier nicht näher eingegangen werden kann, zumal dieselben verhältnismäßig selten zur Ausführung kommen. Am häufigsten wird, wie bereits einleitend erwähnt, der Quersiederkessel ausgeführt. Alle diese Kessel eignen sich infolge ihres geringen Wasserinhalts und mit Rücksicht darauf, daß kein Mauerwerk mitzuerwärmen ist, für schnelles Anheizen. Dagegen ist die Brennstoffausnützung meist keine besonders gute; auch erzeugen sie in der Regel nassen Dampf. Wegen der kurzen Feuerzüge sii liehst kurzflammige stoffe zu empfehlen. Schiffekessel. ι ι·. Fig. 43. Schiffskessel m i t zwei Als bchlftskessel kommen Flammrohren u n d rüekkehrenden Heizröhrenkessel mitFlammHeizrohre,i. röhren (bzw. Feuerbüchsen) sowie Wasserröhrenkessel in Betracht, und zwar werden dieselben aus Platzrücksichten ohne Einmauerung ausgeführt. Am häufigsten sind die Kessel mit Flammrohren und rückkehrenden Heizröhren (Fig. 43) in Anwendung. J e nach der Größe des Kessels kommen hierbei ein, zwei oder drei Flammrohre, bei ganz großen Kesseln wohl auch vier Flammrohre zur Ausführung. Seit einigen Jahren αϊ

ο ι ή

Schiffskessel.

133

führt sich der Wasserrohrkessel immer mehr ein, und es hat den Anschein, daß derselbe der Schiffskesse] der Zukunft wird. Die Wasserröhren können hierbei gerade oder gebogen ausgeführt werden. Die gebogene Form gestattet in vielen Fällen eine bessere Anpassung an die Schiffsform sowie eine günstigere Gestaltung des Feuerraums und der Feuerzüge. Außerdem sind, wie bereits früher erwähnt, die gebogenen Köhren sehr gut geeignet, Formänderungen infolge von Wärmewirkungen aufzunehmen, was bei den sehr hohen Anforderungen, welche an Schiffskessel gestellt werden, von Wichtigkeit ist.

Register. Herdverlust 40, 87. 8chiffskeesel 132. Hochleistungskessel 111. Schlangenrost 43. Schornsteinverlust 25.88'. Innenfeuerung 32. Schrägrostfeuerung 33, 55. Kesselbekohlung 74. Schüttfeuerung 52. Kesselheizfläche 79. Sicherheitsventil 13, 15. Kettenrost 64. Spaltweite 42. Kleinkessel 129. Speiserufer 17. Kohlensäuregehalt 30. Speiseventil 15. Kombinierter Kessel 126. Steilrohrkessel 125. Backkohle 8. Strahlung 77. Batteriekessel 94. Strahlungsverlust 87. Lachapelle-Kessel 130. Bekohlungsanlage 74. Stufenrost 51. Lancashire-Kessel 100. Bouilleuikessel 96. Brenngeschwindigkeitl3. Landkessel 94. • Tenbrink-Feuerung 56. Langflammigkeit 8. Brennstoffe 7. Tenbrink-Kessel 128. Längszüge 115, 121. Bündelroststab 45. Tenbrink-Vorlage 129. Lokomobilkessel 107. Treppenrostfeuerung 57. Lokomotivkessel 108. Dampfabsperrventil 15. Luftbedarf 25. Dampfbrause 46. Überhitzer 19. Luftüberschuß 25. Dampfdom 13. Unterfeuerung 32. Doppelkessel 127. Unterschubfeuerung 59. Magerkohle 8. Unverbrannte Gase 23. Manometer 17. Einmauerungsteile 15. Mechanische Feuerung Verbrennungstemperatur Elementaranalyse 9. 34, 59. Entzündungstemperatur 27. 22. Verbrennungsvorgang22. Oberluft 53. Verbrennungswärme 8. ölfeuerung 67. Erzeugungswärme 6. Vertikalzüge 122. Vorfeuerung 32. Parallelstromheizfläche Fettkohle 8. 78. Feuergeschränke 15, 37. Planrostfeuerung 33, 35. Wahl der Feuerung 71. Walzenkessel 94. Feuerung, Wahl der 71. Polygonrost 44. Wanderrost 64. Feuerungen 32. Preßluftfeuerung 67. Wärme, spezifische 31. Field-Kessel 131. Probierhahn 17. Wärmeausnützung 82. Flammrohr - HeizröhrenWärmeinhalt 6. kessel 127. Quersieder 104. Wärmepreis 9. Flammrohrkessel 100. Q.uetsiederkessel 130. WärmeübergangskoeffiFlüchtige Bestandteile 8. zient 79. Galloway-Kessel 104. Rauchbelästigung 68. Wärmeübertragung 76. Gasfeuerungen 67. Hauch- und Rußbilduni» Wärmeverluste 87. Gasflammkohle 8. 24 47. Wasserrohrkessel 109. Gegenstromheizflächo. 78. Rauchfreie Verbrennung Wasserstandsvorrichtung Gegenstromüberhit.zer 68. 17. 20, 21. Rauchgasmenge 29. Wasserumlauf 115, 126. Geschlitztes Bohr 13. Rauchschieber 13. ; Wirkungsgrad 21, 82. Gleichstromheiziläche 7S. Reserveteile 15, 18. Wurfschaufelfeuerung63. Rost 39. Heizfläche 12. Rostabträger 36. Zug, natürlicher, künstRostbeschieker 60. —, Größe der 79. licher 70. Rostfläche 40. Zugregler 13, 50. Heizröhrenkessel 105. 1 Zylinderkessel 94. Heizwert 8. ii, Roststabform 39. Abgastemperatur 89. Abgasverlust 88. Ablaßvorrichtung 15. Absperrventil 16. Alarmapparat 17. Armatur 15. Aschenabfuhr 74. Aschfallklappe 38. Ausblasevorrichtung 16.

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Berlin W 10, Genthiner Str. 38. — Leipzig, Marienstr. 18. Ferner erschienen vom gleichen Verfasser:

Die Dampfkessel II

Bau und Betrieb der Dampfkessel Mit 42 Figuren. Dritte, v e r b e s s e r t e und v e r m e h r t e Auflage. (Sammlung Göschen Nr. 521.) I n h a l t : Auszug aus den allgemeinen polizeilichen Bestimmungen über die Anlegung von Landdampfkesseln. — Auszug aus den Materialvorschriften für Landdampfkessel. — Bauvorschriften für Landdampfkessel. — Die Feuerungsanlage. — Der Dampfkessel nebst Zubehör. — Betrieb der Kesselanlage. — Kosten der Dampferzeugung. — Die Wahl des Kesselsystems. — Allgemeine Ratschläge.

Die Maschinenelemente Kurzgefaßtes Lehrbuch mit B e i s p i e l e n für d a s S e l b s t s t u d i u m und den p r a k t i s c h e n G e b r a u c h Mit 112 Figuren. Dritte, v e r m e h r t e und v e r b e s s e r t e Auflage. (Sammlung Göschen Nr. 3.)

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Die Dampfmaschinen Zwei Bände. I : W ä r m e t h e o r e t i s c h e und dampf technische Grundlagen. Mit 64 Figuren. Zweite, verbesserte und vermehrte Auflage. II: B a u und B e t r i e b der Dampfmaschinen. Mit 113 Figuren. Dritte, verbesserte und vermehrte Auflage. (Sammlung Göschen Nr. 8 und 572.)

Die zweckmäßigste Betriebskrafi

Drei Bände. I: Einleitung. — Dampf k r a f t a n l a g e n . — Verschiedene Kraftmaschinen. Mit 27 Abbildungen. Zweite, vermehrte und verbesserte Auflage. II: Gas-, W a s s e r - und W i n d k r a f t a n l a g e n . Mit 31 Abbildungen. Zweite, vermehrte und verbesserte Auflage. III: E l e k t r o m o t o r e n . — B e t r i e b s k o s t e n t a b e l l e n . — Graphische Darstellungen. — W a h l der B e triebskraft. Mit 27 Abbildungen. Zweite, vermehrte und verbesserte Auflage. (Sammlung Göschen Nr. 224, 225 und 474.) Jeder Band jetzt M . 1 . 2 5 , sowie 3 0 % Verleger-und 1 0 % Sortimenter-Teuerungszuschlag, insgesamt H« 1 . 8 0 .