DE4311775C2 - Speisewasservorwärmer für Dampferzeuger, insbesondere für Lokomotivkessel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Speisewasservorwärmer für Dampferzeuger, insbesondere für Lokomotivkessel.

Stand der Technik, Kritik der bestehenden Bauarten

Aus der deutschen Patentschrift DE-PS 131 821 ist ein Speisewasservorwärmer für Dampflokomotiven bekannt, dessen Dampfraum mit dem Dampfraum des Dampfkessels verbunden ist. Bei dieser Ausführung wird das Speisewasser jedoch nur ungenügend mit Frischdampf vorgewärmt, wodurch keine Abwärmenutzung erfolgt.

Es ist bekannt, vor dem Verdampfer das einzuspeisen­ de Speisewasser durch einen Vorwärmer zu schicken, um

• a) die Wärmespannungen im Verdampfer bei Ein­ tritt von Speisewasser zu vermindern,
• b) den Wirkungsgrad der Anlage zu steigern.

Während Punkt a) durch jede Art der Wärmezufuhr an das Speisewasser erreicht werden kann, so wird Punkt b) nur dadurch erreicht, daß für die Vorwärmung Abwärme verwendet wird, die sonst verloren ginge. Dies kann durch Nutzung der Abdampfwärme des von der Maschine ausgestoßenen, verbrauchten Dampfes geschehen, oder durch Nutzung der noch in den Ver­ brennungsgasen nach Austritt aus dem speziell hierfür in seiner Wärmeaufnahme dimensionierten Verdampfer enthaltenen Restwärme, wofür eine besondere Trom­ mel vorgesehen wird (Franco-Crosti-Bauart), (Beschrei­ bung siehe "Die Dampflokomotive", Berlin 1965, S. 186, S. 208, S. 246-256).

Bei den weitaus verbreitetsten Bauarten (OV - Oberflächenvorwärmer und MV - Mischvorwärmer) bleibt jedoch die maximal erreichbare Temperatur durch die Verdampfungstemperatur des Wassers bei at­ mosphärischem Druck auf 100°C, in der Praxis auf 85-95°C beschränkt, bei den Dabeg- und Heinl-Bauar­ ten wird durch Anwendung eines geringen Überdrucks eine Temperatur von ca. 120°C erreicht. Insbesondere bei der Heinl-Anlage wird durch eine nach dieser Über­ druckvorwärmung erforderliche zweite Speisepumpe zur Überwindung des Kesseldrucks die Vorwärmeran­ lage übermäßig kompliziert, so daß die Bauart keine weitergehende Verbreitung fand und die damit ausgerü­ steten Maschinen einen erhöhten Wartungsaufwand hatten (Anatomie der Dampflokomotive", Wien 1986, Beschreibung S. 175-185).

Als letzte Entwicklung galt bei der DB daher der MV57, der auf diese zweite Stufe verzichtete. Insbeson­ dere da die Druckstufe nicht konstanten Druck bei allen Betriebszuständen beibehielt und bei dem einer unter­ brochenen oder verminderten Dampfzufuhr folgenden Druckabfall natürlich auch ein Temperaturrückgang auf unter 100°C in Kauf zu nehmen war, der die Ersparnisse bei wechselhaftem Betrieb - praktisch stets gegeben im Eisenbahnbetrieb - stark herabsetzte. Somit blieb die Vorwärmungspraxis auf den Temperaturbereich un­ terhalb 100°C in ihrer letzten Entwicklungspraxis des Mischvorwärmers beschränkt.

Ebenfalls keine weitergehende Verbreitung konnte die Speisewasservorwärmung durch Abgase, Bauarten Franco-Crosti und Crosti, erreichen. Diese Bauarten zeichneten sich durch den einem verkleinerten Ver­ dampfungskessel nachgeschalteten, unter dem Langkes­ sel des Verdampfers liegenden Vorwärmer-Kessel aus (BA Crosti; BA Franco-Crosti: zwei Vorwärmer-Kessel seitlich). Charakteristisch für die Bauarten war die Um­ kehrung des Rauchgasweges in der Rauchkammer des Verdampferkessels (an üblicher Stelle vorn an der Lok gelegen) und die Ausbringung der Abgase und des den Saugzug erzeugenden Dampfes weiter hinten, seitlich des Verdampferkessels.

Die Nachteile der Bauarten bestanden darin, daß

• 1. der Gasweg sehr umständlich wurde, großen Rei­ bungswiderstand/Strömungswiderstand erfuhr;
• 2. die Abdampfwege lang wurden und ebenfalls von großem Strömungswiderstand, was die Effektivität der Saugzugwirkung herabsetzte;
• 3. der/die Vorwärmkessel und Abdampfleitungen die Unterbringung eines Innenbetriebwerkes prak­ tisch unmöglich machten, wodurch die Anwendung auf Lok mit einfachem Zweizylinder-Außentrieb­ werk beschränkt blieb (wo dennoch Innentriebwer­ ke verwendet wurden, historisch lediglich bei einer Lok-Type in Italien, waren damit untragbare Zu­ stände hinsichtlich der Wartung und Reparatur­ möglichkeit des Triebwerks verbunden!)
• 4. durch die verwickelte Bauart ein relativ hoher Gewichtsaufwand bedingt wurde;
• 5. durch die dem, zwar bei einigen Anwendungen etwas verkleinerten, Verdampferkessel nachge­ schaltete Bauart die Heizgas-Temperaturen soweit abgesenkt wurden, daß Kondensation schwefelsau­ rer Lösungen eintrat, die erhebliche Korrosions­ schäden verursachte, die zeitlebens nicht in den Griff zu bekommen waren, obwohl sogar hartver­ chromte Rohre für den Vorwärmkessel erprobt wurden, die natürlich den Wärmeübergang ver­ schlechtern mußten. Die Ursache hierfür lag ein­ deutig in der Bauart begründet, da auch die verklei­ nerten Verdampfer weitgehend übliche Proportio­ nen von Strahlungs- zu Berührungs-Heizfläche be­ saßen und durch die ungünstigen Strömungsver­ hältnisse geringe Gasgeschwindigkeiten erreicht wurden;
• 6. die Bauart dennoch nicht das Speisewasser auf volle Kesselwassertemperatur brachte, sondern ge­ genüber der immerhin weniger aufwendigen zwei­ stufigen Heinl-Anlage nunmehr marginale Wir­ kungsgrad-Vorteile für sich verbuchen konnte (Wassertemperaturen bei 16 bar Kesseldruck nur bis rd. 160°C im Vorwärmer). Dies war ein der Bauart inhärenter Nachteil, der durch die Unvoll­ kommenheit der Wasserführung bedingt war.

Müller C. Th., Dr. Ing.: Meßwagenversuche mit ei­ nem Franco-Crosti-Rauchgasvorwärmer; in: ETR 4/1953.

Aufgrund der Trennung von Verdampfer- und Vor­ wärmerkessel, bestand nach dem Vorwärmkessel in der Verbindung zum Verdampfer-Kessel die Notwendig­ keit, ein Kesselspeiseventil einzubauen.

Dies hatte den entscheidenden Nachteil, daß dadurch bei unterbrochener Speisung (wie sie im Lokomotivbe­ trieb bei Stand-, Warte-, Ausroll-Perioden stets vor­ kommt) infolge geringer Leckverluste im Bereich des Vorwärmers (also des Druckteils nach der Speisepumpe bis zum Verdampferkessel-Speiseventil) ein Druckver­ lust eintreten konnte. Wenn dieser eine Druckabsen­ kung unter den bei der herrschenden Speisewassertem­ peratur gegebenen Verdampfungspunkt (Druck, bei welchem das Wasser bei der gegebenen Temperatur verdampft) hervorrief, so trat im Vorwärmer Verdamp­ fung auf, die bei einem eventuell gerade dann wieder geforderten Arbeiten der Lok (einsetzender Saugzug, verstärktes Durchströmen von Heizgasen: vermehrte Verdampfung) zu erheblichen Störungen der Verdamp­ fer-Kesselspeisung führen konnten. Für diesen Fall wa­ ren die F.-C.-Lok der Deutschen Bundesbahn mit einer Umgehungs-Speiseleitung ausgerüstet, die eine direkte Versorgung des Verdampferkessel sicherstellte. Deren Benutzung mußte natürlich bei gleichzeitiger Beheizung unter ausbleibender Nachspeisung des Vorwärmkessels den Vorwärm-Prozeß im Vorwärmkessel noch mehr aus dem Takt bringen. Erst mit erheblichen Nachspeisen in den Vorwärmkessel, möglichst bei geringer Behei­ zung, also geringem Arbeiten der Lok-Dampf-Maschine u. dto. Saugzug konnte wieder zu einem normalen Ar­ beiten des F.-C.-Kessels zurückgekehrt werden. Dies hatte dann natürlich erhebliche Einbußen in der Wirt­ schaftlichkeit zur Folge, da mit der bei vermindertem Druck großen nachgespeisten Wassermenge zur Rück- Kondensation des Dampfes die erwünschte hohe Spei­ sewassertemperatur nicht durchgehend erhalten blieb. Zu einer merklichen Rück-Kondensation bei der ggf. sehr kleinen Wasseroberfläche und der dann im Dampf­ bereich liegenden oberen Heizrohrreihen, deren Wär­ mezufuhr dem entgegenwirkt, muß die mittlere Wasser­ temperatur in der Vorwärmtrommel deutlich unter den Verdampfungspunkt fallen. Durch den großen Wasser­ inhalt ist dies mit erheblichem Rückgang der Wärmein­ halte verbunden, die zur Normalisierung des Betriebs­ zustandes aus der Heizgaszufuhr erst wieder ersetzt werden müssen, also während die Maschine arbeitet ei­ ne Übergangsperiode verminderter Effizienz der Vor­ wärmung verursachen. Die zwischen Vorwärmer- und Verdampferkessel eingeschalteten Leitungen und Ven­ tile sowie die Umgehungs-Speiseleitung stellen weitere Komplikationen und Störungsquellen der Bauart dar.

Ein weiterer Nachteil all dieser und ähnlicher Bauar­ ten, gleich welcher räumlichen Anordnung bestand dar­ in, daß durch die strikte Teilung der Aufgaben in Vor­ wärmung (ohne Verdampfung) und Verdampfung in zwei Kesseltrommeln eine optimale Effizienz der Anla­ ge-BA nur bei einer bestimmten Lastlage (tendenziell: Voll-Last) gegeben sein konnte. Diese trat auf, wenn die Wärmezufuhr pro Gewichtseinheit Speisewasser ihr Maximum erreichte, ohne daß schon der Kessel-Anlage- Wirkungsgrad durch höhere Abgastemperaturen oder Nebenverluste stärker absank, als die Wärmeersparnis durch die verstärkte Vorwärmung anstieg. Da nun si­ chergestellt sein mußte, daß auch bei höchster vorkom­ mender Wärmezufuhr (entsprechend höchster Kessel­ belastung und bereits vermindertem Kessel-Wirkungs­ grad, also dementsprechend spezifisch erhöhter Wär­ mezufuhr zum Vorwärmer je Gewichtseinheit Speise­ wasser) im Vorwärmer-Kessel keine Verdampfung ein­ tritt (Folgen vergl. oben), mußte logisch-zwingend in Kauf genommen werden, daß die erreichbare Speise­ wassertemperatur bei geringerer Kesselbelastung (Dampfleistung) zurückgehen mußte. Das bedeutet, daß der Wirkungsgrad bei im Lok-Betrieb stets vorkom­ mender geringerer oder wechselnder Belastung (mit ge­ ringeren Mittelwerten) stark zurückging, die Wirt­ schaftlichkeit der Anlage (Brennstoffersparnis gegen Herstellungs- und Wartungs-/Reparatur-Mehrkosten, Mehrgewicht) stark von der Auslastung und dem Cha­ rakter des Lokeinsatzes abhing. Da dies aber infolge von Veränderungen der Betriebsaufgaben nicht mit letzter Sicherheit abzusehende Faktoren sind, blieben hier zumindest erhebliche Unsicherheiten, die die Ver­ wendung der Anlage in vielen Fällen nicht angeraten erscheinen ließ.

Zusammenfassend läßt sich also sagen, daß die be­ schriebenen Vorwärmerbauarten, die die Ausnutzung der Heizgase zum Zwecke haben, noch erhebliche Un­ vollkommenheiten besaßen in Form

• 1. der Gas- und Abdampf-Wege von erhöhtem Strömungswiderstand;
• 2. des hohen Gewichts und des meistens Innen- Triebwerke unanwendbar machenden Platzbedar­ fes;
• 3. des nicht gelösten gas- wie wasserseitigen Korro­ sionsproblems, das durch die zu tiefe Absenkung der Heizgastemperaturen (unter den Taupunkt mindestens im Teillastbereich) sowie die geringe Wasserzirkulation ursächlich bedingt bzw. ver­ stärkt wird;
• 4. der unvollständigen Aufheizung des Speisewas­ sers, die nicht die Temperatur des Verdampferkes­ sel-Wassers erreicht;
• 5. der lastabhängigen Wirtschaftlichkeit der Anla­ ge, die dem im Lokomotivbetrieb stark schwanken­ den Belastungen entgegensteht;
• 6. des nicht gelösten Problems der Komplizierung der Speiseeinrichtungen durch zweistufige Vor­ wärmung, das immer wieder die einstufige mit ihrer einfachen Speiseanordnung gesamtwirtschaftlich vorteilhafter erscheinen ließ.

Dazu kommt noch

• 1. der hohe Aufwand für eine nachträgliche Umrü­ stung bestehender Lok-Typen (rein zusätzlicher Einbau unter vorhandenen Kessel ergibt starke Gewichtserhöhung bei stark reduziertem Brenn­ stoff-Ersparnis-Ergebnis. Umbau mit Einbau kom­ plett neuer Kesselanlage erfordert hohe Investitio­ nen).
• 2. Trotz des insgesamt erheblichen Aufwandes und des großen in der Vorwärmertrommel befindlichen Wasserinhalts (dto. Wärmemenge) kann die Anlage nur bedingt als Wärmespeicher herangezogen wer­ den, dergestalt, daß der Verdampfer ohne unmittel­ bar (parallel) erfolgende Wärmezufuhr an das Spei­ sewasser mit gleichbleibender Wassertemperatur nachgespeist werden kann wie es z. B. in Betriebs­ perioden nicht arbeitender Dampfmaschine (aus­ laufender Zug, Wartezeiten) wünschenswert wäre, um die sogenannte Kesselreserve (Nutzung des im Verdampferkessel gespeicherten Wärmeinhalts des Kesselwassers bei bewußt in Kauf genommenem leichten Absinken des Kesseldrucks und trotz schwankender Entnahme durch wechselhafte Ver­ dampfungsleistung entsprechend der Maschinen­ leistung gleichmäßig gehaltener Nachspeisung) zur Überbrückung des Maschinenleistungs-Spitzenbe­ darfs einsetzen zu können, ohne deswegen die ech­ te Verdampfungsleistung unwirtschaftlich auf mo­ mentane Höchstwerte treiben zu müssen, sowie um kurzfristig mit der Maschinenleistung über die höchste Verdampfungsleistung noch hinausgehen zu können (etwa zum Beschleunigen oder zum Überfahren kurzer Steigungsabschnitte ohne Ge­ schwindigkeitsverminderung). Diese Charakteristik ist bedingt durch das stets gleichbleibende Wasser­ volumen in der Vorwärmtrommel, die ja keinen Dampfraum hat. Dies bedingt, daß jede Wasserent­ nahme nur mit einer gleich großen Ergänzung er­ folgen kann. Da das Ergänzungswasser eine gerin­ gere Temperatur hat als sie der mittleren Wasser­ temperatur in der Vorwärmertrommel entspricht, jedoch keinerlei Vorkehrungen getroffen sind - außer der räumlichen Entfernung von Ein- und Ausgang der Wasseranschlüsse - das zulaufende vom abgehenden Wasser definitiv zu trennen, so tritt durch den natürlichen Umlauf eine Durchmi­ schung mit Absenkung der mittleren Temperatur ein, die relativ rasch dazu führt die Wirksamkeit der Anlage zu mindern. Trotz des großen Wasserin­ halts ist die Anlage also im Prinzip auf eine mit der Wasserfördermenge parallelgehende Wärmezu­ fuhr angewiesen und kann weder einen vorüberge­ henden Wärmezufuhr-Überschuß wirksam spei­ chern noch ein temporäres Wärmezufuhr-Defizit (kein Saugzug: geringe Heizgas-Strömung, jedoch gleichmäßiges Weiterspeisen erwünscht) überbrüc­ ken indem eine ausreichende Menge Speisewasser bei gleichbleibender Temperatur zur Verfügung gestellt wird.

Diese "unelastische Charakteristik" steht dem Lokomo­ tivbetrieb mit seinen stark wechselnden Leistungsanfor­ derungen entgegen. Dazu kommen noch die betriebli­ chen Nachteile, daß

• 1. zum Anheizen für den erforderlichen natürlichen Zug der Heizgase in der vorderen Rauchkammer (RK des Verdampferkessels) ein Hilfsschornstein angebracht werden muß, der für den Regelbetrieb dann verschlossen werden muß und eine zusätzli­ che Falschluftzutrittsstelle bilden kann;
• 2. bei Kohlefeuerung die Reinigung der zwei Rauchkammern, besonders derjenigen nach dem Vorwärmekessel, erheblichen Mehraufwand an schmutzigen Arbeiten erfordert, die schwer zu me­ chanisieren ist.

Weitere Probleme sind:

• A: Die Temperatursteigerung des Speisewassers von der Temperatur im Vorratsbehälter (Umgebungstemp.) auf Verdampfungstemperatur unter Kesseldruck stellt einen in der Dampfmaschine nicht nutzbaren Energie­ umwandlungsprozeß dar, der zum in der Regel niedri­ gen Wirkungsgrad der Dampfmaschine beiträgt. Die bisherigen Vorwärmerbauarten verringern den Verlust nur teilweise, da immer noch ein Temperatursprung im Verdampfer zu leisten ist, im Verdampferkessel also mehr Wärme umgewandelt werden muß, als rein zur Verdampfung erforderlich.
• B: Die Temperaturdifferenz zwischen Kesselwasser und einfließendem Speisewasser stört bei nicht gleich­ mäßiger Speisung, wie sie bei wechselnder Kessellei­ stung nicht zu vermeiden ist, nicht nur die Verdampfung durch vorübergehende ungleichmäßige Absenkung der Kesselwassertemperaturen, da hierbei örtliche Unter­ schiede resultieren, sondern ruft auch Wärmespannun­ gen hervor, die bei großen Kesseln erhebliche Konse­ quenzen für die Haltbarkeit des Kessels haben (Neigung zu Rißbildung, aufwendige Reparaturen, bei Lok Abhe­ ben des Kessels zur einwandfreien Schweißarbeit fall­ weise erforderlich). Dies hat seine Ursache in den durch plötzliche bzw. örtlich begrenzte Abkühlung des Kes­ selbaustahls durch diese Einspeisung nicht voll erwärm­ ten Wasser hervorgerufenen Wärmespannungen im Material des Verdampferkessels. Die Erfahrung erhebli­ cher Alterung der Kesselstähle, die durch diese Wärme­ spannungen gefördert wird, hat zu einer Praxis vorsor­ gender Ausbesserungen von erheblich erhöhtem Auf­ wand bei den deutschen Bahnen geführt. In den neuen Vorschriften des Eisenbahnbundesamtes und der Richtlinien für die Zulas­ nung von historischen Triebfahrzeugen Dritter auf dem Streckennetz der Deutschen Bundes-/Reichsbahn sind diese nochmals verschärft worden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Speisewasservorwärmer anzugeben, der die geschilderten Unvollkommenheiten und Probleme nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch einen Speisewasservorwärmer mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.

Mit dem Speisewasservorwärmer gemäß dem Patentanspruch 1 wird

• 1. durch den Dampfraum und dessen Verbindung mit dem Verdampfer es ermöglicht, daß die Lei­ stung so bemessen werden kann, daß bereits bei niedriger Kesselleistung volle Verdampfungstem­ peratur des in den Verdampfer übergeleiteten Speisewassers erreicht wird. Bei höheren Lastbe­ reichen kann die überschüssige Wärmezufuhr zu­ nächst zu einer Vollaufheizung eines steigenden Anteils des im Druckvorwärmer vorhandenen Speisewassers genutzt werden. Bei weiter anhal­ tendem Wärmezufuhr-Überschuß kann diese Wär­ me nutzbringend umgewandelt werden, indem die mit den höchsten Gastemperaturen beaufschlagten Bereiche, die unmittelbar vor der Überleitung in den eigentlichen Verdampfer liegen, einen Teil des Wassers selbst schon verdampfen. Da somit die Ge­ samt-Verdampfungsleistung steigt, wird der Bedarf wie üblich bei erhöhter Leistung durch stärkeres Anstellen der Förderpumpe (Speisepumpe) ge­ deckt und über die automatische oder beobachtete Regelung des Wasserstandes im Kessel abge­ stimmt. Dadurch bekommt der eigentliche Ver­ dampferteil der Anlage wie üblich die zur Deckung des Verdampfungsabgangs erforderliche Speise­ wassermenge;
• 2. durch die mittels konstruktiver Maßnahmen si­ chergestellte Wasserführung, die ein Durchmischen von frisch eingeleitetem Speisewasser mit bereits weiter aufgeheiztem im Druckvorwärmer verhin­ dert, im Falle eines Defizits in der Heizgaswärme­ zufuhr eine Reserve voll aufgeheizten Speisewas­ sers für den Verdampfer zur Verfügung gestellt Da­ durch läßt sich das im Lokomotivbetrieb sehr er­ wünschte "Abfedern" der starken Lokleistungs- Schwankungen weit besser und wirtschaftlicher Durchführen, wenn (siehe oben) die Kesselreserve herangezogen wird, um einerseits vorübergehende Leistungsspitzen der Dampfmaschine abzudecken und andererseits Perioden leichter oder keiner Lei­ stung der Maschine zum Wiederaufspeisen des Wasserstandes (der eine gewisse Schwankungshö­ he erlaubt) zu nutzen, um mit relativ gleichmäßiger Beheizung der Kesselanlage wirtschaftlich zu fah­ ren;
• 3. es ermöglicht, falls erwünscht die im Druckvor­ wärmer enthaltene Wassermenge variabel zu ma­ chen (in den Grenzen des zulässigen Wasserstan­ des) und somit die zur Verfügung stehende Menge voll aufgeheizten Speisewassers noch zu erhöhen, und zwar außerhalb der direkten Proportionalität von Pumpenförderung und Einspeisung in den Ver­ dampfer. Damit kann etwa mit Rücksicht auf die optimale Vorwärmung in der atmosphärischen Stu­ fe die Pumpenleistung gleichmäßiger gehalten wer­ den, oder es können sehr einfache Speiseapparate wie Abdampfinjektoren anstelle einer atmosphäri­ schen Vorwärmstufe gewählt werden, die in der Leistung jedoch schlecht regelbar sind. Zudem kann im Verdampfer der Wasserstand in engeren Grenzen gehalten werden als bisher (Verlagerung der Kesselreserve in den Druckvorwärmer, da­ durch Vermeiden des im Lokbetrieb zur Schaffung einer großen Reserve oft mißbräuchlich geübten Aufspeisens des Kessels "bis zur Halskrause" mit der Gefahr des Wasserreißens und Beschädigung der Überhitzerelemente/der Dampfmaschine). Konstruktiv ist dies einfach zu erreichen, indem neben dem Überlauf auch eine tiefer - jedoch nicht unter dem Niedrigstwasserstand des Ver­ dampfers - gelegene, verschließbare, regelbare Verbindung eingebaut wird, die es erlaubt auf Ko­ sten der Absenkung des Druckvorwärmer-Wasser­ pegels (bis zum Ausgleich mit dem des Verdamp­ fers) den Wasserstand des Verdampfers zu erhöhen bzw. zu halten. Dadurch wird eine bisher nicht ge­ kannte Unabhängigkeit der Speisewasserzufuhr und der Verdampfung von der augenblicklichen Heizgaswärmezufuhr und der Speisewasser-Pum­ penförderung erreicht, die es ermöglicht, die star­ ken Lokleistungsschwankungen mit einer wesent­ lich gleichmäßigen Feuerführung aber auch Was­ serstand im eigentlichen Verdampfer-Kessel abzu­ decken, als es bisher mit der A) unvollkommenen Speisewasservorwärmung (Beeinflussung der Ver­ dampfungsleistung durch die Speisewassermenge) und B) direkten Abhängigkeit der Kessel-Beliefe­ rung von der unvollkommenen Regelung der Spei­ sepumpen-Leistung und damit wiederum schwan­ kender Vorwärmtemperaturen möglich war. Da­ durch ist die Kesselanlage A) im Betriebsalltag wirtschaftlicher und B) in der Lage, höhere Be­ darfsspitzen als bisher abzudecken und dies mit ge­ ringerer Schwankung der Feuerungsregelung.

Mit der Druckvorwärmer-Bauart des Verfassers wird also

• A) eine schon bei geringer Belastung erreichte und darüber stets konstant bleibende volle Aufheizung des Speisewassers bis auf Verdampfungstempera­ tur erreicht und
• B) eine Pufferung sowohl gegenüber der momen­ tan verfügbaren Wärmezufuhr als auch der im Ver­ dampfer erforderlichen Speisewasserzufuhr er­ langt.

Dadurch wird erstens die Höhe der für eine bestimm­ te verdampfte Wassermenge im Verdampfer zuzufüh­ rende Wärmeenergie verringert und zweitens dies bei weit schwankenden Anforderungen an die Lokomotiv­ leistung aufrechterhalten sowie drittens Wärmeüber­ schüsse nutzbringend umgewandelt bzw. Wärmedefizi­ te überbrückt, d. h. die Anlage verhält sich elastisch ge­ genüber Schwankungen des Heizgaswärmeangebotes, was bei den bisherigen Bauarten nicht der Fall war.

Zugleich wird die Anlage wesentlich vereinfacht, da nur eine einstufige Speisewasserpumpe erforderlich ist (wenn die atmosphärische Vorwärmstufe intelligent an­ geordnet ist, so daß Zulauf durch natürliches Gefälle ausgenutzt wird). Im Gegensatz dazu benötigen die zweistufigen Mischvorwärmerbauarten Dabeg und Heinl zwei Speisepumpenstufen, die abgestimmt aufein­ ander arbeiten müssen, um exzessiven Rücklauf aus der Heißwasserförderung zu vermeiden, die zu Betriebsstö­ rungen führen kann (auch die einstufigen MV-57 benö­ tigten wegen der hochgelegten Anordnung noch zwei Pumpenstufen!). Wegen der möglichen großen Puffer­ ung von Wärmeinhalt und Förderung im Druckvorwär­ mer ist die Anlage anspruchslos gegenüber der Bauart der atmosphärischen Vorwärmung und kommt sogar mit den denkbar einfachen Strahlpumpen aus, die zweckmäßig als Abdampfinjektoren (je Kesseldruck mit geringem Frischdampfzusatz, siehe Giesl-Gieslin­ gen, Anatomie ... Seite 183f) ausgeführt werden kön­ nen, bei Dampfmaschinen mit mehrstufiger Expansion auch als Anzapfdampf-Injektoren.

Auf eine atmosphärische Vorwärmung zu verzichten ist nicht zweckmäßig, da dann A) keine Möglichkeit bestünde, die Verunreinigungen des Speisewassers we­ nigstens teilweise schon vor Einbringung in den Druck­ teil der Anlage zu entfernen, B) damit die erforderliche Wärmezufuhr im Druckvorwärmer übermäßig groß würde. Die beste Wirksamkeit und unproblematischste Arbeitsweise wird erreicht, wenn eine gute primäre Vorwärmung unter atmosphärischem Druck eine Tem­ peratursteigerung bis nahe unterhalb des Verdamp­ fungspunktes, also etwa bis 95°C, leistet, die aus Ab­ dampfwärme gespeist wird. Dadurch wird vermieden, das die Heizgase zu sehr abgekühlt werden (unter den Taupunkt (Bildung von H₂SO₃ und H₂SO₄)); es können zwischen atmosphärischer und Druck-Vorwärmung Schadstoffabscheider eingebaut werden, die Druck- Vorwärmanlage wird geschont, dto. der Verdampfer.

Für die Ausführung des Druck-Vorwärmers sind eine ganze Reihe verschiedener konstruktiver Lösungen möglich, insbesondere hinsichtlich der Rohrteilung und der Mittel, durch die die Wasserführung erreicht wird. Das Prinzip bleibt stets das gleiche.

Ohne Bedeutung ist hierfür, ob eine vorgeschaltete atmosphärische Vorwärmung verwendet wird, und ggf. welcher Bauart diese ist, oder ob sie fortgelassen wird, beispielsweise um mit Injektoren arbeiten zu können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert.

• A) Integrierter Vorwärmer, Bauart für Kessel mit Feuerung durch Festbrennstoffe (z. B. Kohle) am Bei­ spiel eines Umbaus einer schweren Schnellzuglock, Rei­ he 241-A (241-001), (Zeichnung 3).
  • 1. Der Langkessel wird vorn durch einen ange­ schweißten, Schuß etwas verlängert (hier: 700 mm), innerhalb des Langkessels wird eine dritte Rohr­ wand eingebaut (hier: 2500 mm zurück). (Zeich­ nung 1).
  • 2. Zwischen diese beiden Rohrwände werden Trenn-Rohrwände (4) eingebaut, die oben einen Überlauf haben, welcher in eine seitlich im Bogen­ segment an der Langkesselwandung dicht abschlie­ ßend jeweils links- und rechtsseitig herabführende Leitwanne mündet (hier: im Abstand von 500 mm einschl, vorderer Rohrwand insges. 5 Leiteinrich­ tungen, 4 Trennwände).
  • 3. Das Kesselspeiseventil wird oben an der vorde­ ren Rohrwand (Rauchkammer-RW) so angebracht, das es in den ersten Leitwannenbogen speist (5).
  • 4. Funktion: Bei Speisewasserzufuhr fließt das etwa 90°C warme Wasser den Leitwannenbogen links und rechts herab und strömt in das erste Raumseg­ ment des Vorwärmers ein, wird durch die Wärme­ abgabe der Rauch- und Heizrohre, die den Lang­ kessel von Feuerbüchs- bis Rauchkammer-Rohr­ wand durchziehen, angewärmt (hier: auf ca. 105°C); nach seinem Aufstieg durch das Raumsegment strömt es über den Überlauf der ersten Trennwand in die zweite Leitwanne, wird wieder nach unten in das zweite Raumsegment eingeleitet, erwärmt sich beim Aufstieg durch dieses weiter (hier: bis ca. 125°C). Analog im dritten bis fünften Raumseg­ ment.
  • 5. Durch Überlauf auf Höhe des höchsten Ver­ dampfer-Kessel-Wasserstandes tritt das Speise­ wasser dann unmittelbar in den Verdampfer über (7).
  • 6. Änderungen an der Original-Kessel-Bauart: Der Dampfdom vorn wird zum Entnahmedom des bei starker Heizleistung im Vorwärmer bereits entwic­ kelten Dampfes, das Verbindungsrohr (2) zw. den Domen bleibt unverändert, die Dampfströmung kehrt sich jedoch um: Entnahmedom mit Regler (1) wird der hintere Dom. Von diesem geht das Dampf- Hauptrohr nach vorn zum Überhitzersammelka­ sten (3), der wie üblich vor der Rauchkammer- Rohrwand angebracht ist. Das Dampfrohr ist im Bereich des Vorwärmers isoliert gegen das Vor­ wärmer-Wasser. Der Überhitzer (6) wird dahinge­ hend geändert, daß die wirksame Heizfläche sich lediglich im hochwirksamen Rohrabschnitt vor Durchtritt in den Vorwärmerteil des Langkessels befindet (dazu hier gewählt: Bauart Houlet mit ringförmigem Gegenstromrohr, einfachem Ablei­ tungsrohr).
  • 7. Zur Bauart: Für die notwendige Aussteifung der dritten (7) Rohrwand und der Zwischenwände (4) können zweckmäßig schräg liegende Stege zwi­ schen den Rohrdurchtrittsstellen benutzt werden, wenn die Rohrteilung (Diamond = waagerechte oder senkrechte Rautenanordnung der Rohrdurch­ tritte) entsprechend gewählt wird. Dadurch wird eine weitere Durchwirbelung der aufsteigenden Wasserströmung und damit intensivere Wärme­ übertragung erreicht. Falls die Rohrteilung dies nicht erlaubt, können die Rohrwände gewölbt ge­ fertigt werden, wodurch sie Formsteifigkeit erhal­ ten. Eine Steifheit der Rohrwände ist nicht für die Funktion notwendig, erleichtert jedoch den Roh­ rein- und Ausbau. Die Bauart der Wasserführung soll prinzipiell erreichen, daß das eingespeiste Was­ ser von den vordersten, in der Heizgaswärme am meisten ausgenutzten Bereichen im Gegenstrom oder kombinierten Gegen- und Querstrom zu dem näher zur Feuerbüchse gelegenen Bereichen der Heizgasströmung geführt wird. Neben der hier bei­ spielhaft angeführten Wasserströmungsleitung sind natürlich verschiedene Vorrichtungen zur Erfül­ lung des gleichen Zweckes möglich.
• B) Integrierter Vorwärmer, Bauart mit Trennkam­ mer, zwei jeweils eigenen Rauch- und Heizrohrbündeln im Langkessel, für Kessel mit Feuerung durch Brenn­ stoffe ohne Ascheablagerung (z. B. Gas, Heizöl), am Bei­ spiel der gleichen Lok-Type (Zeichnung 2).
  • 1. Will man die äußerliche Silhouette unverändert lassen, so wird der vordere Langkesselschluß durch Anschweißen verlängert, soweit es die Rauchkam­ merverhältnisse zulassen (hier: 800 mm).
  • 2. Eine entsprechend der Wärmeberechnung sich ergebende Länge zurück werden zwei neue Rohr­ wände (7) eingebaut. An der hinteren endet das von der Feuerbüchse kommende Rohrbündel, an der vorderen beginnt das nachgeschaltete Rohrbündel, das den Vorwärmerteil des Langkessels bildet. Da­ zwischen liegt die Trennkammer (9), in die der Überhitzerkammerkasten eingebaut ist, womit er­ reicht wird, das im vorderen Rohrbündel nur Heiz­ rohre, bei entsprechend hoher erwünschter Dampf­ temperatur im hinteren Rohrbündel nur Rauchroh­ re vorhanden sind. Da nun Rauch- und Heizrohre nicht mehr nebeneinander, sondern hintereinander angeordnet sind, wird der gesamte Gasquerschnitt vergrößert und gleichzeitig die Heizflächenberech­ nung/-abstimmung vereinfacht (Die relative Inten­ sität der Gasströme durch Rauch- und Heizrohre stellt beim Regelkessel eine Unsicherheit hinsicht­ lich der zu erwartenden Überhitzungstemperatur dar; diese fällt nun fort, da der gesamte Gasstrom durch die Rauchrohre geführt wird.). Weiters ergibt sich die Möglichkeit, den im Vorwärmerr höher legbaren Wasserstand (8) für das Rohrbündel nutz­ bar zu machen; ebenso kann das Rohrbündel rings­ um näher an den Langkessel heranreichen, als dies den aus der Verbrennungskammer-Rohrwand kommenden Rohren möglich ist. Durch die kurzen Rohre werden die Verspannungen durch unter­ schiedliche Wärmedehnung stark vermindert.
  • 3. Funktion: Analog zu der Bauart mit durchgehen­ dem Rohrbündel, siehe A. Zusätzlich dazu bedarf es zwischen den beiden Langkesselteilen Vorwärmer und Verdampfer einer fest installierten (7) Rohr­ verbindung zur Überleitung des Speisewassers auf Höhe des höchsten Verdampfer-Wasserstandes.
  • 4. Änderungen an der Original-Kessel-Bauart: Do­ me: wie unter A. Der Schlammtopf kann zu einem Mannloch zur Trennkammer umgebaut werden, wegen der Speisewasseraufbereitung ist er heute nicht mehr erforderlich. Um die mechanische Inter­ ität der Kesselanlage zu wahren, wird der Langkes­ sel selbst zwischen den beiden Rohrbündeln durch­ gehend erhalten. Obwohl die Trennkammer an sich die Wandungsstärke nicht erforderte, da drucklos, sind also ihre Rohrwände in den durchgehenden Langkessel eingesetzt. Damit ist volle Erhaltung der mechanischen Stabilität wie bisher gewährlei­ stet.
  • 5. Zur Bauart: Wegen der durchgehenden Langkes­ sel von erstem Rohrbündel über Trennkammer zu zweitem Rohrbündel bildet die Kesselanlage eine mechanische Einheit. Thermisch liegt jedoch eine Trennung in hoch intensiven Wärmeübergangsbe­ reich mit Überhitzerrohren und einen weniger in­ tensiven ohne Überhitzerrohre vor. Vorteil dabei ist: Unnötige Überhitzerheizfläche wird gespart, damit verringerte Strömungsverluste; die Heizgase können durch die engen Heizrohre weiter ausge­ nutzt werden, als dies mit Rücksicht auf die Rück­ kühlung des hochüberhitzt abziehenden Dampfes in den regulären Überhitzerelementen und der er­ forderlichen Rohrkennziffer (Verhältnis des freien Gasquerschnitts zur Heizfläche) bei normalen Rauchrohren möglich wäre. Durch die Erweiterung des Rohrbündels des Vorwärmers nach oben (hö­ herer Wasserstand) und nach außen (näher an die Kesselwandung als durch engere Verbrennungs­ kammer-Rohrwand gegeben) wird der Gesamt- Gasquerschnitt trotz enger Rohrkennziffer groß gehalten.

Bezugszeichenliste

1

Regler (der Originalbauart Zara)

2

Dampfverbindungsrohr zwischen den Domen

3

Naß-/Heißdampfsammelkasten des Überhitzers

4

Trennwände der Vorwärmersegmente mit Leitwan­ nen

5

Rauchkammerrohrwand mit Kesselspeiseventil (von außen zugänglich)

6

Überhitzer (Bauarten Houlet bzw. 5P4 beispielhaft gewählt)

7

Überlauf des Wasser vom Vorwärmer in den Ver­ dampfer

8

Wasserlinie (im Verdampfer Niedrigwassermarke; im Vorwärmer je Segment leicht ansteigend durch Überlauf geregelt).

9

Trennkammer mit Überhitzersammelkasten und trennbaren Überhitzer-Elementen

10

Gegenstrom von Heizgas- und Speisewasserführung

Claims (10)

1. Speisewasservorwärmer für Dampferzeuger, insbesondere für Lokomotivkessel, der von den Heizgasen der Dampferzeugerfeuerung im Gegenstrom zur Speise­ wasserströmung beheizt wird und einen Wasserraum und einen Dampfraum auf­ weist, wobei der Dampfraum des Speisewasservorwärmers ununterbrochen mit dem Dampfraum des Dampferzeugers verbunden ist, wodurch der Speisewasser­ vorwärmer stets unter dem gleichen Dampfdruck steht, wie der Dampferzeuger und wobei der Wasserraum des Speisewasservorwärmers mit dem Dampferzeuger verbunden ist.

2. Speisewasservorwärmer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserraum des Speisewasservorwärmers durch einen Überlauf mit dem Dampferzeuger verbunden ist.

3. Speisewasservorwärmer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß dieser einem bisher üblichen Speisewasservorwärmer, der unter atmos­ phärischem Druck steht, nachgeschaltet ist.

4. Speisewasservorwärmer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein vorgeschalteter Speisewasservorwärmer nach dem Prinzip des Mischvorwärmers bei atmosphärischem Druck oder leichtem Überdruck arbeitet.

5. Speisewasservorwärmer nach Anspruch 1 und 3 oder 1 und 4 dadurch gekennzeichnet, daß zwischen diesem und dem vorgeschalteten Speisewasservorwärmer ein Schad­ stoffabscheider eingebaut ist.

6. Speisewasservorwärmer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß in den Speisewasservorwärmer Trennwände eingebaut sind, die ein Durch­ mischen von frisch eingespeistem Speisewasser mit bereits aufgeheiztem ver­ hindern.

7. Speisewasservorwärmer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände oben einen Überlauf haben über den die Weiterleitung des Speisewassers selbstätig und nur in Richtung Zufuhr zum Dampferzeuger er­ folgt.

8. Speisewasservorwärmer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Überlauf eine tiefer gelegene, verschließbare und regel­ bare Speisewasser-Überleitung, mit oder ohne Pumpe, eingebaut ist.

9. Speisewasservorwärmer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß dieser ein eigenes Rohrbündel hat, das unabhängig von der Durchbildung des Dampferzeugers ist, in der Rohrlänge durch die Rohrwände des Speisewas­ servorwärmers begrenzt ist, wobei dieser vom Dampferzeuger durch eine zwischengeschaltete Kammer, als Trennkammer bezeichnet, abgesetzt ist.

10. Speisewasservorwärmer nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß dieser auch die Heizrohr-Heizfläche, die bisher im Dampferzeuger unter­ gebracht ist, aufnimmt, sodaß im Dampferzeuger nurmehr Rauchrohre verbleiben und alle Heizrohre sich im Speisewasservorwärmer befinden, wodurch die bisher übliche nebeneinander liegende Rohranordnung von Rauchrohren und Heizrohren in eine nacheinander geschaltete Rohranordnung von Rauchrohren und Heizrohren umgestaltet ist.