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Wasserrohrkessel. Die bisher bekannten, sogenannten engrohrigen Wasserrohrkessel
für Land- oder Schiffszwecke zeigen auch bei Verwendung von Ölfeuerung entsprechend
ihrer Entwicklung aus dem kohlebefeuerten Wasserrohrkessel größtenteils noch einen
mehrfach hin und her gekrümmten, verhältnismäßig langen Gasweg, in der Absicht,
den Heizgasen bei verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit genügend Zeit zu geben,
um ihre Wärme bis zu einer gewünschten Endtemperatur an die einzelnen Heizflächen
zu übertragen. Hierbei ist es nicht möglich, einen gleichmäßig guten Wärmeübergang
für die ganze Heizfläche zu erzielen, da infolge der Hin-und Herführung der Gase,
oft in sehr scharfen Krümmungen sich zahlreiche tote Ecken und Wirbelfelder bilden,
in denen entweder gar keine oder nur geringe Strömung der Gase herrscht. Bekanntlich
nimmt aber der Wärmeübergangskoeffizient erheblich mit der Geschwindigkeit ab, abgesehen
davon, daß in solchen toten Ecken mit besonderer Vorliebe sich Rußteilchen usw.
absetzen und dadurch der Wärmeübergang noch weiter verschlechtert wird.
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Die Hin- und Herführung der Gase hat noch den weiteren Nachteil, daß
eine unnötig große Gebläseleistung für eine gewisse Dampferzeugung aufgewendet werden
muß.
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Bei Kohlenstaubfeuerung bildet außerdem die Hin- und Herführung der
Gase in der bei Stückkohlenfeuerung üblichen Weise eine große Gefahr, indem in den
Wirbelfeldern sich leicht unverbrannte Kohlenteilchen absetzen und zu Kesselexplosionen
führen können.
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Nun gibt es zwar bereits ölbefeuerte Wasserrohrkessel, bei denen die
Gase das ganze Rohrbündel auf einmal beaufschlagen und es angenähert senkrecht zur
Richtung der Rohre durchströmen, indessen müssen dabei die Gase, wie dies z. B.
bei den allgemein üblichen Kesseln mit zwei Rohrbündeln und Befeuerung zwischen
ihnen von einer oder beiden Stirnseiten her geschieht, schon bei ihrem Eintritt
ins Rohrbündel eine scharfe Umlenkung machen, wodurch sich unnötige Gaswiderstände
und ungleichmäßige Beaufschlagung des Rohrbündels ergeben.
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Ferner sind in den meisten Fällen die Durchgangsquerschnitte vom Eintritt
bis zum Austritt hin gleichgroß, so daß bei den austretenden Heizflächenteilen eine
starke Verzögerung der Gasgeschwindigkeit und damit eine Abnahme des Wärmeübergangskoeffizienten
stattfindet.
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Bei der vorliegenden Erfindung, die sich nur auf Wasserrohrkessel
mit Öl-, Gas- oder Kohlenstaubfeuerung erstreckt, sollen alle diese Mängel dadurch
vermieden werden, daß das ganze Rohrbündel des Dampferzeugers schon beim Eintritt
der Heizgase in seiner ganzen Ausdehnung zwischen Ober- und Unterkessel von den
Heizgasen in annähernd gerader Richtung durchzogen wird, und daß in gleicher Weise
auch die nachgeschalteten, im selben Kesselgehäuse eingebauten Wärmeaustauscheinrichtungen,
wie Überhitzer, etwaiger Speisewasser- und L uftvorwärmer in annähernd gerader Richtung
von den Heizgasen durchströmt werden. Ferner ist die Einrichtung getroffen, daß
der freie Querschnitt des Heizgaszuges nach dem Austritt hin sich annähernd entsprechend
der Temperatursenkung und der damit verbundenen Raumverminderung der Heizgase verengt.
Die Achse des Heizgaszuges liegt dabei im Gegensatz zu bisherigen ähnlichen Kesselsystemen,
die sich indessen auf Stückkohlefeuerung beziehen, wie z. B. den bekannten Bellevillekesseln,
wagerecht oder angenähert wagerecht, um die Heizröhren oder Heizelemente des Dampferzeugers,
Überhitzers oder etwaigen Speisewasser- und Luftvorwärmers senkrecht oder angenähert
senkrecht in den Kanal einbauen zu können. Dies ist notwendig, um zu vermeiden,
daß die ersten Heizrohre des Dampferzeugers im Innern von Dampf entblößt werden,
wie dies bei deren annähernd wagerechter Anordnung in einem Heizgaszug mit senkrechter
Achse der Fall wäre.
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Besonders zweckmäßig ist es, in einem Sonderfall die Achse des Heizgaszuges
mit der Achse der Verbrennungskammer zusammenfallen zu lassen, wobei vorausgesetzt
ist, daß die Einführung von Luft und Brennstoff am vorderen Ende der Verbrennungskammer
erfolgt. In diesem Fall treffen die Heizgase annähernd senkrecht auf das Rohrbündel
des Dampferzeugers und durchfließen dann dieses sowie die nachgeschalteten Wärmeaustauscheinrichtungen
ohne wesentliche Richtungsänderung und ohne daß tote Ecken gebildet werden, mit
geringsten Druckverlusten.
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Die Verengung des freien Durchgangsquerschnitts nach dem austretenden
Ende kann entweder dadurch erreicht werden, daß bei Annahme
paralleler
oder annähernd paralleler Kesselgehäusewände die Heizröhren oder Heizelemente enger
gesetzt oder die ,leichten Spaltbreiten zwischen ihnen verkleinert werden oder aber
daß bei Wahl gleicher lichter Spaltbreiten bei den hintereinander befindlichen Rohrreihen
oder Heizelementen der ganze freie Kanalquerschnitt durch Zusammenziehen der Kanalwände
nach dem austretenden Ende hin verkleinert wird. In gewissen Fällen können beide
Arten der Verkleinerung des ganzen freien Durchgangsquerschnitts gleichzeitig angewandt
werden. Einesteils zur Vereinfachung bei der Herstellung, anderseits zur weiteren
Verminderung der Gaswiderstände kann im Falle, daß die Heizröhren nach dem Austritt
hin enger gesetzt werden, dieses Engersetzen nicht bei jeder hintereinanderfolgenden
Rohrreihe, sondern erst bei hintereinanderfolgenden Rohrgruppen geschehen, so daß
innerhalb dieser Gruppen die hintereinanderstehenden Rohre parallele Gassen bilden,
wobei erfahrungsgemäß ebenfalls noch genügend Turbulenz für die Wärmeabgabe von
seiten der Heizgase entsteht.
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Die Abb. i und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung für
einen mit Überhitzer, Speisewasser- und Luftvorwärmer ausgerüsteten engrohrigen
Wasserrohrkessel mit Ölfeuerung, wobei Abb. i den senkrechten Längsschnitt und Abb.2
den wagerechten Schnitt durch die verschiedenen Rohrbündel und Heizelemente darstellt,
Es bezeichnet i die Verbrennungskammer, an deren vorderem Ende die Olzerstäuber
2 angebracht sind. Die von denletzterenausgehendenFlammenkege13 treffen das Rohrbündel
des Dampferzeugers q. gleichmäßig in ganzer Höhe und Breite. Da gleichzeitig die
Achse der Verbrennungskammer annähernd senkrecht zum Rohrbündel des Dampferzeugers
steht, so treffen die Gase mit größter Strahlungswirkung auf das Rohrbündel. Der
Dampferzeuger q. besitzt nur einen Oberkessel 29 und einen Unterkessel
30 und ein verbindendes Rohrbündel, welch Letzteres etwa aus einem Steigerohrbündel
5 und einem Fallrohrbündel 6 besteht. Diese beiden Rohrgruppen stehen annähernd
senkrecht zur Achse A-B des Heizgaskanals und des Kesselgehäuses, welche Achse im
Aufriß annähernd gerade ist und angenähert wagerecht liegt, so daß einerseits die
Rohre der beiden Gruppen 5 und 6 fast senkrecht von den Heizgasen getroffen werden
und anderseits im Innern des Dampferzeugers der Wasserumlauf seinen Höchstwert erreicht.
Bei der Rohrgruppe 5 ist entsprechend der höchsten Heizgastemperatur der größte
freie Durchgangsquerschnitt innerhalb des Heizgaszuges 7 vorhanden. Bei der zweiten
Rohrgruppe 6 ist bei im Grundriß noch parallelen Wänden des Kessel-gehäuses
die Verkleinerung des Durchgangsquerschnitts entsprechend der Temperatursenkung
dadurch erreicht, daß die Rohre in der Querrichtung enger gesetzt sind, also deren
lichte Spaltbreite gegenüber der Gruppe 5 verkleinert ist. Zur Vereinfachung der
Herstellung ist hierbei die Spaltbreite bei den aufeinanderfolgenden Rohrreihen
der Gruppen 6 oder 5 jeweils gleich angenommen, indessen kann diese Spaltbreite
natürlich auch stetig, d. h. von RohrreihezuRohrreihe nach hinten zu kleiner werden.
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8 und g sind etwa zwei oder mehr dem Dampferzeuger nachgeschaltete
Überhitzerelemente, die etwa je aus zwei oder mehr U-förmig gebogenen Rohrreihen
gebildet sein können. Der Dampf kann hierbei im allgemeinen im Gegenstrom zu den
Heizgasen fließen, also von dem Absperrventil =o ausgehend durch das Rohr =i zuerst
in das hinterste Element g und dann durch ein Übergangsrohr i2 in das vorderste
Element 8, von wo aus er durch das Rohr 13 nach der Kraftmaschine geführt wird.
Die Verengung des freien Durchgangsquerschnittes des Heizgaszuges an der Stelle
des Überhitzers nach hinten zu ist bei dem vorliegenden Beispiel auf zweierlei Art
erreicht. Einmal steigt der Boden 14 des der Einfachheit halber noch mit bis zu
dieser Stelle parallel geführten Seitenwänden 7 des Kesselgehäuses nach hinten hin
an, sodann sind die Rohre der hinteren Überhitzergruppe g im Grundriß in der Querrichtung
zur Achse A-B enger gesetzt als bei der vorderen Gruppe B. Um geringeren Durchflußwiderstand
für die Heizgase zu erhalten, sind die Rohre bei den Gruppen 8 und g bei den in
der Strömungsrichtung der Gase aufeinanderfolgenden Rohrreihen nicht versetzt wie
bei den Gruppen 5 und 6, sondern jeweils hintereinanderstehend angenommen, so daß
die einzelnen Spalten parallele Gassen bilden. Auch bei den Überhitzern 8 und g
sind die Heizrohre annähernd senkrecht in den Gaskanal gestellt.
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Dem Überhitzer ist bei dem gezeichneten Beispiel noch ein Speisewasservorwärmer
15 nachgeschaltet, der etwa aus einem unteren und oberen Wassersammler 16 bzw. 17
mit dem dazwischen befindlichen Rohrbündel 15 bestehen möge. Von dem Speisewasservorwärmer
kann das vorgewärmte Wasser in bekannter `''eise in den Dampferzeuger .4 geleitet
sein.
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Die Verengung des freien Durchgangsquerschnitts für die Heizgase beim
Durchtritt durch den Speisewasservorwärmer ist beispielsweise dadurch erreicht,
daß einerseits die seitlichen Wände 7 des Kesselgehäuses zusammengezogen und die
Rohre in den aufeinanderfolgenden Rohrreihen des Vorwärmers nach hinten zu in der
Querrichtung enger gesetzt sind. Es ergeben sich dadurch nach hinten sich verengende
Rohrgassen. Dadurch wird der Vorteil erreicht, daß das Rohrbündel in ganzer Breite
gleichmäßig durchströmt wird und die Gasgeschwindigkeit annähernd dieselbe bleibt.
An
den Speisewasservorwärmer schließt sich bei dem gezeichneten Beispiel noch ein etwaiger
Luftvorwärmer i9 an, der im vorliegenden Fall zwecks Erzielung größter Leichtigkeit
und guten Wärmeaustausches aus gewellten Blechwänden zusammengesetzt angenommen
ist, die nach hinten zu sich verengende Spaltquerschnitte besitzen. Dementsprechend
sind auch die seitlichen `Fände 7 des Kesselgehäuses an dieser Stelle zusammengezogen.
Die Frischluft tritt etwa infolge des von dem Gebläse 23 erzeugten Saugeunterdrucks
oder infolge derFahrgeschwindigkeit (falls der Kessel in ein raschgehendes Fahrzeug,
wie z. B. Luftfahrzeug, mit nach vorn gerichteter Öffnung -2o eingebaut ist) bei
20 ein, durchfließt zuerst die hintere Hälfte des V orwärmers, wird oben durch die
Kappe 21 UM-gelenkt, um dann durch die vordere Hälfte des Vorwärmers zu strömen.
Vom Vorwärmer ist die vorgewärmte Luft durch den Kanal 22 dem Gebläse 23 zugeführt,
welches die Verbrennungsluft durch den Kanal 2.1 in die Luftvorkammer 25 des Kessels
und von da durch die Luftdüsen 26 in dessen Verbrennungskammer i drückt.
Die Heizgase strömen anderseits nach Verlassen des Luftvorwärmers i9 in die Sammelkammer
27 und von da durch das Rohr 28 ins Freie.
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Obwohl hier mehrere M'ärmeaustauscheinrichtungen hintereinandergeschaltet
sind, wird der erforderliche Gebläsedruck kaum die bisher z. B. bei Torpedobootskesseln
übliche Höhe überschreiten.
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Außer nach dem gezeichneten Beispiel kann der Erfindungsgedanke noch
in vielfach anderer Weise ausgeführt sein, ebenso können die gezeichneten Wärmeaustauscheinrichtungen
oder Heizelemente in anderer `reise durchgestaltet oder etwas anders, z. B. wegen
besserer Ausdehnungsfähigkeit teilweise etwas gekrümmt oder nur annähernd senkrecht
angeordnet werden, insbesondere können die dem Dampferzeuger nachgeschalteten Wärmeaustauscheinrichtungen
auch eine hiervon abweichende, z. B. schräge oder wagerechte Lage einnehmen, oder
sie können teilweise, z. B. der Speisewasservorwärmer, ganz fehlen usw., ohne daß
diese Ausführungsarten oder Anordnungen aus dem Rahmen der Erfindung fallen. So
kann auch, wie bereits bemerkt, bei geeigneter Umgestaltung (z. B. genügender Verlängerung)
der Verbrennungskammer der Kessel mit besonderem Vorteil auch für Gas-, besonders
aber auch für Kohlenstaubfeuerung verwendet werden.