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Verfahren und Vorrichtung zur indirekten Beheizung durch die selbsttätige
Zirkulation von Hochdruckdampf Es ist bekannt, Autoklaven, Frederkingapparate oder
Kessel irgendwelcher Art, welche zur Erhitzung oder zum Härten von Olen, zum Schmelzen
von ; Ätznatron, zum Verdampfen von Wasser oder zu einem beliebigen anderen Zweck
dienen, statt mit direkter Feuerung oder gewöhnlichem Kesseldampf mit einem selbsttätigen
Wärmekreislauf zu beheizen. Ein solcher Kreislauf besteht aus engen eisernen Rohren,
die wassergefüllt sind und befeuert werden, während der zweite Teil des Wärmekreislaufs
der Wärmeabgabe dient und in dem beheizten Apparat liegt. Um ein solches Verfahren
praktisch mit gutem Erfolge und ohne Betriebsschwierigkeiten durchzuführen, ist
die Anordnung besonderer Rückleiter notwendig oder die Anordnung von Vorrichtungen,
welche diese ersetzen. Ist die Wasserfüllung eines solchen Systems unvollständig,
so wird sich bei starker Erhitzung Dampf von hohem Druck bilden, und zwar in dem
Teil der Rohrschlangen, der in dem durch die Feuerung beheizten Ofen liegt. Es ist
zwar auch möglich, das ganze System vollständig mit Wasser zu füllen. Da Wasser
aber nur eine geringe Wärmemenge abgeben kann, so wird in der Technik größter Wert
auf die Dampfbildung gelegt, denn gesättigter Hochdruckdampf oder schwach überhitzter
Dampf von sehr hohen Drücken, wie er in einem derartigen Kreislaufsystem erzeugt
werden kann, ist infolge seiner hohen Wärmekapazität der beste heute in der Technik
bekannte Wärmeüberträger. Trotz der in den letzten Jahren in der Industrie eingeführten
Verbesserungen ist jedoch die Erzeugung von trockenem Hochdruckdampf in derartigen
geschlossenen Rohrschlangenkreislänfen noch immer mit großen Schwierigkeiten verknüpft.
Das hängt mit den eigentümlichen Siedevorgängen in engen Schlangenrohren zusammen,
die im nachstehenden an Hand der Zeichnung, die gleichzeitig ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung veranschaulicht, beschrieben werden sollen.
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Abb. 1 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Anlage.
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Abb. 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform, Abb. 3 eine Ventilanordnung.
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Die im Ofen 0 befindliche Rohrschlange R werde beispielsweise durch
eine unten oder oben im Ofen angebrachte Feuerung F mit Gas, Öl oder einem anderen
Brennstoff befeuert. Die Schlange R ist ganz oder teilweise mit Wasser gefüllt.
Nunmehr beginnt bei genügender Erwärmung in den Rohrschlangen genau wie in jedem
Dampfkessel die Dampfbildung unter lebhaftem Sieden und Wallen einzusetzen. Dieses
Wallen tritt ein, weil die Dampfblasen sich nicht nur an der Oberfläche, sondern
auch in den tiefer liegenden Schichten der Flüssigkeit bilden. Handelt es sich um
einen Dampfkessel mit großer Oberfläche, so kann der erzeugte Dampf das überstehende
Wasser
beiseiteschieben, wobei das Wallen entsteht. Im vorliegenden
Fall handelt es sich jedoch um eine Rohrschlange von beispielsweise 20 mm lichtem
Durchmesser und einer Länge von 8o bis 100 m. Hier ist ein Beiseiteschieben des
Wassers nicht möglich, sondern die im Rohr gebildete Dampfblase kann den Weg nach
oben in den eigentlichen Dampfraum nur finden, wenn sie die ganze überstehende Wassersäule
vor sich her treibt. Es leuchtet ohne weiteres ein, daß dadurch das Aufsteigen der
Dampfblasen stoßweise und sehr heftig erfolgen muß, wenn die Rohrschlange lebhaft
befeuert wird. Der beabsichtigte technische Effekt ist aber eine Beheizung der Schlange
B im Apparat oder Kessel A mit trockenem Dampf. Das wird nicht erreicht, wenn man
die Rohrschlange R durch die DampfleitungD direkt mit dem beheizten Gefäß verbindet,
weil die gesamte vor der Dampfblase stehende Wassersäule dann in die Schlange B
getrieben wird.
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Diese erhält also trotz der unvollständigen Wasserfüllung in Wirklichkeit
keinen trockenen Dampf, sondern hauptsächlich heißes Wasser, in welchem sich ein
paar Dampfblasen befinden.
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Man hat zur Trocknung des Dampfes bzw. zur Abscheidung des mitgerissenen
Wassers Dampftrockner oder Abscheider in die Dampfleitung gelegt, und zwar in der
Weise, daß einerseits eine Wasserableitung und eine Dampfableitung an einen solchen
Abscheider angeschlossen wurden und andererseits von der Seite oder von oben das
Gemisch regellos einströmt. Würde es sich nur um nassen Dampf handeln, der oberflächlich
getrocknet werden soll, so würde der Abscheider seinen Zweck erfüllen. Da aber nicht
etwa nur Dampf einströmt, sondern, abgesehen von kurzen Intervallen, in denen das
geschieht, beständig hauptsächlich Wasser in den Abscheider geworfen wird, so kann
von einer Trocknung des Dampfes überhaupt keine Rede sein. Das rasche Durchströmen
reißt vielmehr selbst bei sehr groß bemessenen Trommeln immer soviel Wasser mit
sich, daß der Dampf vollkommen naß ist.
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Hierzu kommt noch ein anderer überaus störender Nachteil bei den
bis heute bekannten Anordnungen. Der in der Schlange B kondensierende Hochdruckdampf
verringert sein Volumen, da er bis nahe an den kritischen Punkt heran immer noch
eine bedeutend geringere spezifische Dichte als Wasser hat. Die Folge ist ein bei
der Kondensation in B entstehendes Vakuum, das nunmehr bestrebt ist, Wasser aus
dem unteren Teil der beheizten Schlange R durch das kondensatrückführende Rohr K
in die Schlange B zu saugen. Das tritt besonders ein, wenn der Apparat z. B. gerade
mit frischer kalter Flüssigkeit beschickt wird. Dieses plötzliche und nicht zu verhindernde
Leersaugen der befeuerten Rohrschlange R bedeutet eine außerordentliche Gefährdung
des Betriebes. Dadurch können schwere Betriebsunfälle entstehen, weil infolge Leersaugens
der befeuerten Schlangen ein Glühen und Durchbrennen derselben stattfindet und der
dadurch plötzlich frei werdende Druck von 50 oder 100 Atm. Dampf und Wasser mit
großer Kraft in die Feuerung schleudert.
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Somit ist bei allen bisher bekannten Systemen, mögen dieselben nun
einen Dampftrockner oder Wasserabscheider üblicher Anordnung aufweisen oder in anderer
Weise arbeiten, einmal die Zuführung wirklich trockenen Dampfes nach der beheizten
Schlange B und die Zwangsläufigkeit des Wasser- und Dampfkreislaufes nicht gesichert,
zum anderen aber der Kreislauf nicht von außen regulierbar. Bei allen bekannten
Systemen ist es unmöglich, während die Feuerung weiter in Betrieb bleibt, die Dampfzirkulation
willkürlich zu unterbrechen oder Apparate an- und abzuschalten, ohne die Ofenanlage
in der vorerwähnten Weise zu gegefährden. Das hat seine Ursache in der zwangsläufigen
Abhängigkeit, in welcher im geschlossenen Kreislauf alle Faktoren zueinander stehen.
Führt die Feuerung der befeuerten Rohrschlange eine bestimmte Wärmemenge zu, so
muß diese zur Dampferzeugung verwendet werden und durch die Zirkulation in der beheizten
Schlange B an das Gefäß abgegeben werden. Eine solche Abhängigkeit des Apparates
A von der Ofenanlage 0 ist oft unerwünscht, da eine plötzliche Reaktion der Schmelze
in A, eine Undichtigkeit des Gefäßes oder andere Gründe ein sofortiges Aufhören
der Wärmezufuhr erfordern können, ohne daß man die Ofenanlage stillegen möchte,
die z. B. noch einige andere Apparate beheizt.
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Die beschriebenen Nachteile werden durch die Erfindung vermieden,
indem der in sehr kurzen Zwischenräumen erzeugte trockene Dampf gar nicht mehr mit
Wasser in Berührung kommt, sondern sofort nach Durchströmung einer Trockendampftrommel
in die beheizte Schlange B einströmen kann. Das Gemisch von Wasser und Dampf aber
wird zunächst einer gewissermaßen groben Vorscheidung unterworfen und kommt dann
in eine Gemischscheidungstrommel, die parallel zum Kreislauf liegt und infolgedessen
ähnlich wie das Stauwehr eines Flusses die nunmehr völlig ruhige, nicht durch Strömungen
beeinflußte endgültige Scheidung des Gemisches ermöglicht. So entsteht aus dem Wassergemisch
trockener Dampf.
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Schließlich wird in dem System ein Druckausgleich hervorgerufen, entweder
automatisch durch die besondere Anordnung der vorgesehenen Wassertrommel oder willkürlich
durch eine von außen schaltbare Umführungsleitung, wobei die Kondensatrückleitung
nicht an die Wassertrommel angeschlossen werden muß,
sondern auch
direkt in die Rohrschlange R münden kann.
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In Abb. I ist zur beispielsweisen Darstellung der Erfindung eine
parallel zum Kreislauf liegende Gemischscheidungstrommel G dargestellt, die mit
einer engen hohen Trockendampftrommd T und einer WassertrommelM' verhunden ist.
Das Kreuzrohr V dient der Grobscheidung und der Parallelführung. Das Druckausgleichrohr
U mit einem Schalt- und Regulierventil S verbindet die Trockendampftrommel T mit
der kondensatführenden Rohrleitung K. Das in den engen Rohrschlangen heftig siedende
Dampfwassergemisch wird in dem Trommelsvstem und teilweise schon vorher einer sorgfältigen
Trennung unterworfen. Bei geringem Auftrieb wird ein Teil des aufsteigenden Wassers
sofort am Kreuzrohr V nach unten in die Wassertrommel ablaufen und in das Rohrschlangensystem
R zurückfließen.
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Die im Wasserstrom befindlichen Dampfblasen steigen durch das nach
oben führende Dampfrohr in die Trockendampftrommel auf, wo durch die Raumvergrößerung
eine Expansion und damit ein Niederschlag der noch im Dampf befindlichen Feuchtigkeit
erfolgt, so daß dieser an sich schon trockene Dampf durch die Dampfleitung D nun
vollkommen trocken nach B gelangt. Wird der Siedevorgang jedoch heftiger, so erzeugt
der Auftrieb eine größere Geschwindigkeit, und die aufsteigenden Wasser- und Dampfmengen
haben durch die Plötzlichkeit des Siedestoßes keine Zeit zur Trennung an dem Kreuzstück
V, sie würden sich wegen ihrer hohen Geschwindigkeit auch in einem dort befindlichen
Abscheider größerer Dimension nur unvollkommen trennen lassen. Nun aber werden sie
auf dem Wege des geringsten Widerstandes und der geringsten Höhenüberwindung in
die weiträumige Gemischscheidungstrommel G geworfen, wo ihre Geschwindigkeit völlig
gebrochen wird. Diese Trommel hat eine große Spiegeloberfläche, und das Gemisch
kann sich durch ruhiges Stehen entmischen. Das Prinzip der Bildung von trockenem
Dampf durch die Abscheidung aus einem ruhig stehenden Gemisch wird erfindungsgemäß
noch besonders dadurch verstärkt, daß der in Zwischenräumen immer wieder entsprechende
trockene Dampf nicht durch die Gemischscheidungstrommel strömt; dieser Dampf wählt
den Weg des geringsten Widerstandes durch die Trockendampftrommel. Demnach entsteht
in diesem Trommelsystem insgesamt beständig trockener Dampf nach grundsätzlich anderen
Prinzipien, als bei den mangelhaften älteren, stets vom Gemisch und vom Dampf durchströmten
Abscheidern der Fall war. Bei diesen mußte ja auch der in den Rohrschlangen R immer
wieder entstehende trockene Dampf durch die Abscheider und wurde dort angefeuchtet
statt getrocknet.
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In der Anordnung der Abb. I und 2 dient die Wassertrommel einmal
gemeinsam mit einem Teil der Gemischscheidungstrommel als Reservoir für das abgeschiedene
und expandierte Wasser, sodann aber auch zu einer gewissen selbsttätigen Regulierung
des Kreislaufes. Bei einem plötzlichen in B entstehenden Vakuum wird die Wassertrommel
in der gezeichneten Anordnung sehr rasch leergesaugt, worauf von dem Kreuzstück
V und den anderen Trommeln aus Dampf auf den Wasserspiegel in W drückt, so daß ein
weiteres Nachsaugen von Wasser aus der Ofenschlange R unmöglich ist. Diese Funktion
der Wassertrommel ist jedoch von untergeordneter Bedeutung, da die Druckausgleichleitung
U die willküfliche Einleitung desselben Vorgangs von außen her gestattet.
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Die Anordnung einer solchen willkürlich von außen zu bedienenden
Druckausgleichleitung U stellt eine zweite prinzipielle Neuerung gegenüber allen
bisher bekannten geschlossenen Rohrkreisläufen dar. Dabei ist wesentlich, daß hier
eine Verbindung zu höher gelegenen Stellen der wasserführenden Leitung hergestellt
wird.
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Am besten wird der Druckausgleich durch eine quer zur Strömung liegende
Umführungsleitung U mit Schaltventil S gebildet, die einerseits z. B. am unteren
Austritt der dampfbeheizten Schlange B, andererseits an der Trockendampftrommel
oder einem Punkt der Dampfleitung mündet. Aufwärtsführung des Rohres vor dem Anschluß
an letztere verhindert den Eintritt von Wasser. Bei geöffnetem Ventil ist der Druck
ausgeglichen. Natürlich ist das nur möglich, wenn das Trommelsystem in der beschriebenen
Weise ausgebildet ist, da bei Systemen nach altem Muster jeder Druckausgleich in
dieser Richtung unmöglich ist.
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Durch den Ausgleich würde ja die gesamte Zirkulation unterbunden,
so daß Dampf und Wasser im System richtungslos durcheinander wirbelten. Die neue
Anordnung ergibt aber völlig betriebssichere Verhältnisse. Die reguläre Zirkulation
des Dampfes durch die beheizte Schlange B wird zwar, wie beabsichtigt, unterbunden,
die Zirkulation in der Rohrschlange R, die Gemischscheidung und das Zurückfließen
des abgeschiedenen Wassers sowie die Ansammlung von Dampf in T und Wasser in 14
gehen aber ruhig weiter. Bisher war es unmöglich, verschiedene Apparate bei vollem
Betriebe anzuschließen oder abzuschalten, was nun ermöglicht wird. In jedem Apparat
kann die Heizwirkung eingeschränkt oder auch ganz unterbrochen werden, wenn man
noch Absperrventile in die Leitung setzt. Durch den Druckausgleich wird ferner alles
Wasser in die Ofenschlange R zurückfließen, so daß das System bei Anschluß an einen
weiteren zu beheizenden Apparat nicht etwa unter Wassermangel leidet.
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Die wirksame Trennung des Dampfwassergemisches in dem beschriebenen
Trommelsystem kann noch dadurch begünstigt werden, daß man im Ofen 0 mehrere Rohrschlangen
R anordnet. Die der Flamme zunächst liegenden und am wirksamsten beheizten, die
schon an sich trockenen Dampf erzeugen, können direkt in die Trockendampftrommel
T geführt werden. Die weiter von der Flamme entfernten Rohrschlangen, die ein Dampfwassergemisch
erzeugen, werden direkt in die parallele Gemischscheidungstrommel geführt, deren
große Oberfläche Gelegenheit zur einwandfreien Trocknung gibt. Die ganz von der
Flamme entfernt liegenden Schlangen endlich, in denen gar kein Dampf erzeugt wird
und die daher lediglich der Wassererwärmung dienen, können in der Wassertrommel
W enden. Um einen ungehinderten Austausch des Dampfes nach der Trockendampftrommel
sowie des Wassers nach der Wassertrommel von der Gemischscheidungstrommel aus zu
ermöglichen, empfiehlt sich die Verwendung möglichst zahlreicher Verbindungsrohre
Q mit möglichst großem Querschnitt. Je geringer die Widerstände hier sind, desto
geringer bleiben die Geschwindigkeiten, desto sauberer erfolgt die Scheidung. Gegebenenfalls
können deshalb die Trommeln T und W zur Vermeidung von Querschnittsverengungen in
der beispielsweise in Abb. 2 gezeichneten Art mit der Trommel G verbunden werden.
Die Verbindungsrohre zwischen den Trommeln können auch so angeordnet werden, daß
einige Verbindungsrohre Q zu den unteren Enden der Trommeln 14 und T führen, während
andere am oberen Ende münden. Die oben angeschlossenen Rohre leiten dann den Dampf,
die unten angeschlossenen das Wasser. Ebenso ist es mit der Vorrichtung möglich,
mehrere Rohrschlangen B in dem gleichen oder in verschiedenen Apparaten anzuordnen
und gleichzeitig oder unabhängig voneinander zu beheizen. Die Schaltventile S sind
dann hierbei in entsprechender Weise zu bedienen. Es kommt häufig vor, daß der Ofen
0 sehr weit entfernt von den beheizten Apparaten A aufgestellt werden muß, sei es,
weil man jede Feuersgefahr beseitigen will, sei es aus örtlichen oder anderen Gründen.
Wenn beispielsweise eine Entfernung von 30 oder 40 m in Frage kommt, so würde das
Druckausgleichsrohr U, das die direkte Verbindung zwischen der Trockendampftrommel
und der kondensatführenden Rohrleitung K bildet, sehr lang werden. Ist das Ventil
S geschlossen und befindet es sich z. B. in der Mitte der Leitung, so wird sich
von T aus in U Dampf ansammeln und infolge der Abkühlung kondensieren. Ist nun das
Rohr U horizontal oder in noch ungünstigerer Weise verlegt, so kann diese unbeabsichtigte
Dampfkondensation zu Wasserschlägen innerhalb des Rohres führen. Es empfiehlt sich
deshalb, das Schaltventil S nicht in der Mitte des Rohres zu befestigen, sondern
zwei Ventile S1 und S nach Abb. 3 zu verwenden, die an den äußersten Enden des Druckausgleichrohres
angeordnet werden. Diese Ventile werden außerdem gegeneinander derartig versetzt,
daß im geschlossenen Zustand das zwischen ihnen liegende Rohr U vollständig wärme-
und druckfrei ist. Auf diese Weise sind dann auch die Stopfbüchsen der Ventile S1
und S2 entlastet, ein Vorteil, der für die Dichtigkeit des ganzen Systems im Betriebe
wichtig ist, da eine nicht entlastete Stopfbüchse bei hohen Drücken beständig nachgeben
wird.
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Im ganz geöffneten Zustand wird dann ebenfalls eine vollständige Entlastung
der Stopfbüchsen erreicht. Wo es vorteilhaft ist, können auch mehrere Druckausgleichrohre
parallel angeordnet werden.
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PATENTANspRüciiz: I. Verfahren zur indirekten Beheizung durch die
selbsttätige Zirkulation von Hochdruckdampf im geschlossenen Rohrschlangen kreislauf,
z. B. zum Verdampfen von Wasser, zum Schmelzen von ätznatron in Verdampfen apparaten,
zum Betrieb von Autoklaven, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Ofenschlange
kommende Gemisch von Dampf und Wasser eine vorläufige Trennung in Dampf und Wasser
in einem Kreuzstück erfährt unter Ableitung von Dampf und Wasser in je eine Dampf-
und Wassertrommel und Weiterleitung des verbleibenden Gemisches in eine parallel
zum Kreislauf liegende Gemischscheidungstrommel, aus der die Abführung beider Bestandteile
gleichfalls in die vorgenannten Trommeln erfolgt.