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Verfahren zur Erzeugung von Dampf, insbesondere für sehr hohe Drücke.
In neuester Zeit verlangt man Dampferzeuger für sehr 'hohe Drücke. Wenn man bei
solchen Hochdruckkesseln sich nicht mit sehr kleinem Wasserinhalt begnügen will,
so müssen Trommeln mit heute üblichen Durchmessern, aber mit außerordentlich großen
Wandstärken gebaut «-erden. In diesen dicken Wandungen können. bei großen Temperaturunterschieden
auf beiden Seiten der Wand starke Wärmespannungen im Material nicht vermieden werden.
Die Hochdrucktrommeln dürfen daher nicht im Feuer liegen oder den heißen Rauchgasen
ausgesetzt sein. Die Wandstärke der Trommeln muß bei den heute üblichen Hochleistungskesseln
wegen der großen Zahl der durch die Siederohre verursachten Löcher viel größer gehalten
«-erden, als dies bei einer vollen, d. h. ungeschwächten Trommel bei gleichem Druck
nötig wäre.
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Eine «eitere Schwierigkeit entsteht bei Hochdruckkesseln, sobald unreines
Wasser gespeist werden muß, weil Kesselsteinablagerungen bei den hier vorhandenen
großen Wandstärken besonders gefährlich sind.
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Es ist bekannt, die obengenannten Schwierigkeiten dadurch zu umgehen,
daß man den Dampfkessel durch einen besonderen Wärmeträger heizt, dessen Druck bei
der verlangten Temperatur klein ist und nur kleine Wandstärken bedingt. Es ist auch
vorgeschlagen worden, als Wärmeträger überhitzten Dampf zu verwenden, der im Kreislauf
durch den Überhitzer und den zu heizenden Kessel gepumpt wird. Bei einer solchen
Anordnung liegt nur der aus verhältnismäßig kleinen Rohren bestehende Cberhitzer
im Feuer. Die dickwandigen Kesseltrommeln liegen außerhalb des Feuers, erfahren
keinen Wärmedurchgang und erleiden daher auch keine Wärmespannungen. Bei einer solchen
Heizung eines Dampfkessels durch Einleiten von überhitztem Dampf ins Wasser besteht
bei der Verwendung von unreinem Kesselspeisewasser auch keine Gefahr der Verkalkung
von Heizflächen. Ein großer Nachteil verbleibt aber, indem diese mit umlaufendem
Heizdampf geheizten Dampfkessel eine Umlaufpumpe zur Förderung des Heizdampfes benötigen.
Diese Pumpe hat zwar nur den Druckverlust in den Überhitzerschlangen und der überlagerten
Wassersäule im Dampfkessel zu überwinden, aber sie muß unter dem vollen Druck des
Dampfkessels arbeiten, wodurch nicht unbeträchtliche Stopfbuchsenschwierigkeiten
entstehen. Auch die für den Antrieb notwendige mechanische Leistung ist in der Regel
so bedeutend, daß der Kesselwirkungsgrad unzulässig beeinträchtigt wird. Eine solche
Umlaufpumpe bedeutet aber vor allem eine sehr unangenehme Komplikation der Anlage,
aus der leicht schwere Störungen des Betriebes erwachsen können.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dampferzeugung,
bei dem die Vorteile der indirekten Heizung durch überhitzten Dampf ausgenutzt,
aber die schwerwiegenden Nachteile der Umlaufpumpe vermieden sind. Bei diesem Verfahren
strömt der Dampf von einem kleinen Erregerkessel in natürlichem Druckgefälle durch
einen Überhitzer in eine erste Kesselstufe mit etwas niedrigerem Druck, gibt dort
fe Überhitzungswärme ab und verdampft dadurch eine weitere Flüssigkeitsmenge, z.
B. Wasser. Der Heizdampf und der neugebildete Dampf strömen in gesättigtem Zustand
durch einen zweiten Überhitzer in eine zweite Kesselstufe, wo der Druck wieder etwas
kleiner ist, geben dort wieder ihre Überhitzungswärme ab, verdampfen eine weitere
Wassermenge und strömen. mit diesem neuen Dampf weiter. Die in jedem Einzelkessel
neu verdampfte Wassermenge ist um so größer, je höher die >C`berhitzungstemperatur
über die Sättigungstemperatur gesteigert wird und je geringer die Verdampfungswärme
ist. Dieses Verfahren eignet sich daher besonders gut für Dampferzeuger mit sehr
hohem Druck, weil bekanntlich bei sehr hohem Druck die Verdampfungswärme klein ist.
Nimmt man an, daß die Überhitzungstemperatur in allen Stufen gleich groß und auch
die Speisewassertemperatur sämtlicher Kesselstufen die gleiche sei, so wird das
Verhältnis der neu verdampften Wassermenge einer Stufe zur Heizdampfmenge ebenfalls
einen bestimmten unveränderlichen Wert haben. Ist z. B. die im Erregerkessel erzeugte
Dampfmenge G und die durch die Überhitzungswärme in der folgenden Kesselstufe verdampfte
Wassermenge der ate Teil davon, so ist die abströmende gesättigte Dampfmenge G
(l + a). Nach der zweiten Kesselstufe steht eine Dampfmenge G (L -f-
a)= zur Verfügung, und aus der ntea Kesselstufe strömt eine Dampfmenge G
(l + a)' ab. Man erkennt, daß die verfügbare Dampfmenge mit zunehmender Stufenzahl
rasch anwächst und die Rechnung zeigt, claß es möglich ist, die Erregerdampfmenge
mit Hilfe von sechs bis sieben Zusatzstufen ungefähr zu ver zwanzigfachen. Es beträgt
also
die Erregerdampfmenge nur etwa fünf Prozent der gesamten Dampfmenge und kann dabei
in einem kleinen Dampferzeuger beliebigen Systems erzeugt werden. Die eingangs genannten
Schwierigkeiten der unmittelbar geheizten Hochdruckkessel treten bei kleineren Abmessungen
immer mehr zurück und sind für den kleinen Erregerkessel leicht über-«vindbar. Als
Erregerkessel kann ein System irgendwelcher Art verwendet werden. Auch die Beschaffung
reinen Speisewassers für den Erregerkessel dürfte in der hierfür nötigen Menge immer
möglich sein. Durch die stufenweise Verdampfung entsteht nur ein geringer Verlust
an Arbeitsfähigkeit des Dampfes, so daß der durch die Dampfströmung verursachte
Verlust im Kessel nur einen kleinen Bruchteil desjenigen beträgt, der durch eine
Umlaufpumpe verursacht wird. Von besonderem Vorteil für den Betrieb ist der Wegfall
der unter hohem Druck stehenden Umlaufpumpe.
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In Abb. i der Zeichnung ist eine Dampfkesselanlage gemäß vorliegender
Erfindung schematisch dargestellt. i ist der Erregerkessel, der von irgendwelcher
Bauart sein und durch eine besondere Feuerung io oder auch durch die Hauptfeuerung
der Kesselanlage geheizt werden kann. Im ersteren Fall hat man den Vorteil, daß
beispielsweise ein vorhandener normaler Kessel verwendet werden kann.
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Wird der Erregerkessel in dieselben Feuerzüge wie die Überhitzerrohre
eingebaut, so kann er in die Nähe der Feuerung gelegt «-erden, so daß er die Strahlungswärme
des Feuers abfängt und von den Überhitzerrohren abhält. Er kann aber auch nach den
Überhitzerrohren eingebaut sein, weil dort die Wärme der Heizgase zwar nicht mehr
für die Überhitzung, wohl aber noch für die Verdampfung ausgenutzt werden kann.
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Der im Erregerkessel bei z: B. io8kg/qcm erzeugte Erregerdampf wird
im Überhitzer 2 auf hohe Temperatur gebracht und strömt dann infolge natürlichen
Druckgefälles in die erste Kesselstufe l mit z. B. io7 kg/qcm, wo er seine Überhitzungswärme
unter Verdampfung von Flüssigkeit abgibt. Heizdampf und neu erzeugter Dampf strömen
durch den folgenden Überhitzer 3 in die Kesselstufe II mit z. B. io0 kgfqcm und
so fort und endlich durch Überhitzer 7 in die Verbraucherleitung 8 bei einem Druck
von z. B. ioo kg/qcm. Die Feuerung 9 dient zur Heizung der überhitzerschlangen;
die Heizgase strömen bei i i in den Schornstein oder zu Vorwärmeapparaten. 12 ist
die Speiseleitung für Kondensat und 13 eine Speiseleitung für Rohwasser.
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In Abb. 2 ist eine ähnliche Anlage gezeigt, bei der aber die einzelnen
Kesselstufen als einzelne Abteilungen innerhalb eines größeren Kesselgefäßes eingebaut
sind. Es bedeutet wieder i den Erregerkessel, der hier an den Hauptfeuerungen geheizt
wird und -gleichgültig, ob er nun, wie ausgezogen gezeichnet, in der Nähe der Feuerung
oder, wie strichpunktiert angedeutet, hinter den Überhitzerrohren liegt - seinen
Dampf durch den Überhitzer 2 in die erste Kesselstufe i strömen läßt. Der Dampf
strömt, wie bei der Anordnung nach Abb. i beschrieben, durch die folgenden Überhitzerstufen
3 bis ,~ und die folgenden Kesselstufen II bis V. Da der Druckunterschied zwischen
den einzelnen Kesselstufen nur gleich dem Strömungswiderstand des Dampfes in der
Überhitzerschlange und im Wasser der Kesselstufe ist, können die Zwischenwände 1¢,
15, 16, 17 von geringer Dicke sein.
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Aus den Heizgasen müssen von Stufe zu Stufe größer werdende Wärmemengen
übertragen «-erden. Dieser Aufgabe kann genügt werden, indem man die überhitzerflächen
oder die Temperaturdifferenzen zwischen Heizgasen und Dampf oder die Strömungsgeschwindigkeit
von Stufe zu Stufe größer wählt. Diese verschiedenen Mittel können auch nebeneinander
angewendet werden.
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Die Temperatur des überhitzten Dampfes soll in allen Stufen ungefähr
gleich hoch und bis an die höchste durch das Material der Überhitzerschlangen gesetzte
Grenze getrieben «-erden. Dies kann erreicht werden, indem die sämtlichen Überhitzerschlangen
parallel nebeneinander in Gegenstrom zu den Heizgasen geführt werden.
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In der letzten Überhitzerstufe ist nur so viel Wärme zuzuführen, daß
die an der Dampfmaschine gewünschte Temperatur erreicht wird.
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Bezüglich der Anordnung der Überhitzerrohre bestehen verschiedene
Möglichkeiten.. Da die Dampfmenge von Stufe zu Stufe zunimmt und dementsprechend
die zuzuführende Wärme ebenfalls stufenweise zunimmt, müssen entweder die Oberflächen
oder die Temperaturunterschiede oder die Wärmeübergangszahlen von Stufe zu Stufe
erhöht werden. Dies geschieht in der Weise, daß die Rohrlängen oder Rohrdurchmesser
oder die Anzahl der parallel geschalteten Überhitzerschlangen erhöht wird oder indem
man die Stufen für die größeren Dampfmengen in eine Zone höherer Temperatur verlegt
als diie Stufen geringerer Dampfmenge oder schließlich die Dampfgeschwindigkeit
in den letzten Stufen größer hält als in den ersten.
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Der in den Überhitzern überhitzte Dampf wird durch Verteildüsen .in
den Wasserraum der Verdampfergefäße gebracht. Damit die fein verteilten Dampfblasen
ihre Überhitzungswärme
an das Wasser im Behälter abgeben und neuen
Dampf erzeugen können und ferner die Ausscheidung des gesamten Dampfes aus dem Wasserraum
geordnet vor sich geht, müssen die Dampf ausscheidenden Wasseroberflächen entsprechend
der Zunahme der Dampfmenge von Stufe zu Stufe größer gemacht werden.
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Weil die Zuführung der Wärme nicht durch eine Wand, sondern in der
Flüssigkeit selbst erfolgt, kann keine gefährliche Kesselsteinabsetzung eintreten.
Es ist also möglich, ohne Gefahr z. B. Rohwasser zu speisen, wobei sich die Härte
als Schlamm ausscheidet. Man wird zweckmäßigerweise eine oder einige Stufen durch
bekannte Maßnahmen zur Verhütung des Mitreißens von Schlamm für die Speisung von
Rohwasser besonders ausbilden (s. z. B. Abb. r, Leitung i3).