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Wasserheizkessel Die Erfindung bezieht sich auf einen Wasserheizkessel,
bei dem durch seine besondere Ausgestaltung eine verbesserte Wärmeübertragung unter
gleichzeitiger Verkleinerung der erforderlichen Heizfläche erhalten wird.
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Heizkessel der bezüglichen Art bestehen aus einem Brennstoffspeicher
und einem mit diesem verbundenen Rauchgaskanalsestem, in welchem an den Wasserraum
des Heizkessels angeschlossene wassergefüllte Zwischenwandungen die Rauchgase vor
ihrem Austritt in den Rauchgasabzug, gewöhnlich einen Schornstein, in zickzackförmigen
Zügen führen.
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Der für einen Heizkessel erforderliche Zug pflegt in der Regel mittels
eines Schornsteines erzeugt zu werden. In gewissen Fällen hat man jedoch vorgeschlagen,
bei schlechtem Schornstein den Zug durch einen Ventilator zu verbessern. Ein solcher
Ventilator ist auch benutzt worden, um besonders großen Widerstand im Rost oder
in der Brennstoffschicht zu überwinden. Eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit
der Rauchgase in den Rauchgaskanälen des Heizkessels über die bei gutem Schornstein
und sonstigen günstigen Zugverhältnissen normale Gasgeschwindigkeit, die mit weniger
als 1,5 \m3/m°-s angegeben werden kann, wobei das Gasvolumen auf Kubikmeter Gas
von o ` C und 76o mm (Normalkubikmeter) je Quadratmeter (Gaskanaldurchströmungsquerschnitt
je Sekunde) reduziert ausgedrückt ist, ist nicht angestrebt worden.
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Bei Heizkesseln mit Ventilator erweist es sich jedoch wirtschaftlich
vorteilhaft, mit der Gasgeschwindigkeit in den Rauchgaskanälen über die
bisher
gebräuchliche hinaufzugehen. Man findet nämlich,'- daß mit der steigenden Gasgeschwindigkeit
die ärmeübergangszahl der Heizfläche zunimmt und damit die für einen bestimmten
Bedarf erforderliche Größe der Heizfläche abnimmt. Die Masse des Heizkessels und
der Raumbedarf können dadurch heruntergesetzt werden.
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Es kann jedoch gezeigt werden, daß, wenn die Gasgeschwindigkeit über
eine gewisse Grenze erhöht wird, die Kosten der Kraft für den Ventilator schneller
steigen als die Kosten für die Heizfläche sinken.. Die Erfindung gründet sich auf
die Einsicht, daß eine höhere Gasgeschwindigkeit zweckdienlich ist und daß eine
solche festgestellt werden kann, die sich als die wirtschaftlichste erweist, nämlich
eine Geschwindigkeit, bei der die Summe der Betriebskosten zur Erzeugung des Zuges
und der Annuität für die erforderliche Heizfläche ein Minimum ist.
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Der Druckabfall P in den -Rauchgaskanälen des Kessels kann durch die
Formel P=A. Wn ausgedrückt werden. Für die Wärmedurchgangszahl k der Wärmeübertragungsfläche
gilt annähernd k = B . Wm In diesen Formeln sind A, B, n und m Konstante
und W die Gasgeschwindigkeit in den Rauchgaskanälen des Kessels in Nm3/m23.
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Die zusammengerechneten Kosten für den Kraftbedarf des Ventilators
und die Annuität für die Wärmeübertragungsfläche können geschrieben werden
K = P - G : r - Z + E - a, wo G = Gasvolum j e Zeiteinheit, r = Kraftkosten,
E = Wärmeübertragungsfläche, a = Annuität je Quadratmeter Heizfläche, Z = Betriebszeit
je Jahr ist.
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Für die Abkühlung. in den Rauchgaskanälen des Kessels gilt folgender
Zusammenhang
wo t1 = Temperatur der Rauchgase vor der Wärmeübertragungsfläche, t2 = Temperatur
der Rauchgase nach der Wärmeübertragungsfläche, t" = Temperatur der Wärmeübertragungsfläche,
C" = spezifische Wärme der Rauchgase ist.
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Wenn man, unabhängig davon, wie die Gasgeschwindigkeit und die Wärmeübertragungsflächengröße
variieren, die Rauchgase auf einen bestimmten Wert abgekühlt haben will, kann man
setzen, wo C eine Konstante ist.
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Der obige Ausdruck für die Kosten K kann nun geschrieben werden
Leitet man die Kosten K je Zeiteinheit in bezug auf die Gasgeschwindigkeit W bei
konstantemWert des Gasvolums ab, so erhält man
Der Wert der Gasgeschwindigkeit W, der das Minimum an Kosten K gibt, wird dadurch
erhalten, daß diese abgeleitete Größe gleich Null gesetzt wird. . Man erhält für
den wirtschaftlichen Wert von W folgenden Ausdruck
Unsere Untersuchungen haben gezeigt, daß man mit hinreichender Genauigkeit m
+ it = 2 - 6 setzen kann.
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Daraus folgt, daß die Veränderung der Kessel-und Kraftpreise a bzw.
r und die Betriebsdauer Z nicht allzu stark auf die wirtschaftliche Gasgeschwindigkeit
W, einwirken. Es ist uns also gelungen, festzustellen, daß es für die Gasgeschwindigkeit
einen wirtschaftlichen Wert gibt und daß sich dieser Wert We bei Veränderungen in
den Preisen und der Betriebsart verhältnismäßig wenig ändert. Unsere Untersuchungen
haben weiter gezeigt, daß W, normalerweise um 6 Nms/m2s herum liegt und daß dieser
Wert verhältnismäßig große Allgemeingültigkeit hat. Auf Grund unserer Untersuchungen
können wir feststellen, daß es vom praktischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkt
aus genügt, wenn die Gasgeschwindigkeit innerhalb des Bereiches von 3 bis i.o gehalten
wird. Als Beispiel zeigen wir in der Zeichnung in Fig. i ein Diagramm über den Zusammenhang
zwischen den Kosten G per Jahr für die Abkühlung des Gasstromes, in Nm3 Gas je Betriebsstunde,
und der Gasgeschwindigkeit W, in Nm3/m23, im Rauchgaskanalsystem. Hierbei ist angenommen,
daß der Gasstrom mit einer Temperatur von iioo° C zur Wärmeübertragungsfläche kommt
und diese auf 200° C abgekühlt verläßt, und ist die Anzahl der Betriebstage des
Heizkessels je Jahr mit 240 gewählt worden, alles ganz normale Werte. Das Diagramm
zeigt, daß die Jahreskosten bei einer Gasgeschwindigkeit von 6 Nm3/m2s ein Minimum
haben und daß die Kurve um diesen Wert herum ziemlich flach ist, so daß man, ohne
die Jahreskosten allzuviel zu steigern, die Gasgeschwindigkeit W innerhalb des Intervalls
von 3 bis io variieren lassen kann.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Heizkessel der eingangs beschriebenen
Art mit Brennstoffspeicher und Rauchgaskanalsystem sowie einem zwischen dem Heizkanalsystem
und dem Rauchgasabzug, z. B. einem Schornstein, angeordneten Ventilator. Nach der
Erfindung ist das Heizkanalsystem als eine Wärmeübertragungsfläche mit hoher Wärmedurchgangszahl
ausgeformt, und zwar dadurch, daß mittels geeigneter Anpassung der Kapazität
des
Rauchgasventilators an die Heizfläche des Kessels die Strömungsgeschwindigkeit der
Rauchgase in den Bereich von 3 bis 1o Nm3/m2s verlegt wird. Die Erfindung
bezieht sich insbesondere auf einen Heizkessel mit einer Rauchgasgeschwindigkeit
innerhalb des Rauchgaskanalsystems von 6 Nm3/m2s oder nahe daran. Bei großen Kesselanlagen
von z. B. i Million Kal. (Kilogrammkalorien) je Stunde für große Gebäude u. dgl.
kann dadurch die Konvektionsfläche mit guter Wirtschaftlichkeit auf noch weniger
als die Hälfte herabgesetzt werden. Es leuchtet ein, daß dadurch eine bedeutende
Raumersparnis sowie eine wesentliche Verbilligung erzielt wird. Überdies kann man
nun zufolge der Erfindung die obere Grenze der Wärmeerzeugung, die die Praxis früher
bei Heizkesseln mit Rücksicht auf die Möglichkeiten für ihre Unterbringung in beispielsweise
einem Gebäudekomplex setzte, mit einer einzigen Kesseleinheit überschreiten.
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Zum Unterschied von anderen bekannten Beheizungsvorrichtungen mit
durch die Strömungsgeschwindigkeit gesteigertemRauchgas sindbeidem Rauchgaskanalsystem
des erfindungsgemäßen Heizkessels die Wasserräume als ebene Wände gebildet.
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Die Ausbildung des vorgeschlagenen Heizkessels kann unter Ausnutzung
der bekannten Grundsätze für den Aufbau von Heizkesseln, besonders von größeren,
auch in anderen als den bereits angeführten Hinsichten variiert werden. Eine besondere
Ausführung soll jedoch hervorgehoben werden, nämlich daß zwischen dem Brennstoffspeicher
und dem Rauchgaskanalsystem eine Nachverbrennungs-oder Feuerkammer eingerichtet
ist.
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Ein nach der Erfindung ausgeführter Heizkessel wird in Fig. 2 bis
4 der Zeichnungen als Beispiel gezeigt. Fig. 2 ist ein Längsschnitt des Kessels,
Fig.3 eine Ansicht eines Schnittes durch den Kessel, von oben gesehen, und Fig.4
stellt eine Endansicht des Kessels von hinten dar.
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Der gezeigte Heizkessel hat eine Brennstoffkammer 4., die einen Schacht
für den Brennstoff bildet, der von der Decke des Kessels eingefüllt wird. Die Brennstoffkammer
ist mit einem abnehmbaren Deckel 14 folgender Konstruktion zugedeckt. Der Deckel
14 dichtet die Brennstoffkammer an der Oberkante 9 mit einem Falz 13 ab und kann
mittels eines Hebelmechanismus 12,21 in eine Lage gehoben werden, in der er vermöge
geeigneter mechanischer Vorrichtungen auf zwei Paar Rädern i 1, 12 ruht, welche
ihrerseits angeordnet sind, um den hochgehobenen Deckel 14 auf Schienen, die aus
Z-förmigen Balken 10, 23 auf der Kesseldecke bestehen, zur Seite zu führen.
Der Oberteil des Brennstoffspeichers wird dadurch für die Einfüllung eines nicht
ungestückten Brennstoffes, wie Holz, geöffnet. Der auf diese Weise wegschiebbare
Deckel 14 hat seinerseits eine Öffnung 15, die mit einem durch einen Bajonettverschluß
i9 befestigten kleineren Deckel 16 zugedeckt und dazu bestimmt ist, beim Einfüllen
von weniger voluminösen Brennstoffsorten, wie beispielsweise Kohle u. dgl., verwendet
zu werden. Die Deckelkonstruktion besteht aus die Brennstoffkammer abdeckenden Brennplatten
18, 24 mit Zwischenisolierungen 17,20 aus Glaswolle, Asbest od. dgl.
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Der Deckel ist klein und kann von Hand aus entfernt werden. Der große,
Deckel 14 wird mit Hilfe einer Draisine wegbewet, deren Räder 22 auf den Schienen
10, 23 laufen. Der Deckel 14 wird durch eine Stange gehoben, die mit dem Oberteil
des Deckels 16 zusammenarbeitet. Dabei wird die Stange von einer niedrigen zu einer
hohen Stellung dadurch gebracht, daß die Gelenkglieder 21, 21 mittels des in Fig.
¢ links dargestellten Hebels geschwenkt werden.
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Die vertikalen Wände der Brennstoffkammer sind als flache Wasserräume
5, 26, 31, 85, 85 ausgeformt. Die Wasserräume der beiden Wände 85, 85 in der Längsrichtung
des Kessels erweitern sich oben unter der Decke des Kessels zu längs gerichteten
Kammern 6, 6. Das Rücklaufwasser kommt durh einen Anschluß 7 in eine dieser Kammern
hinein. Der Wasserraum 5 an der Vorderseite des Kessels steht durch einen Anschluß
8 mit der Vorlaufleitung, die vom Kessel gespeist wird, in Verbindung. An der Vorderseite
des Kessels sitzen auch zwei Paare Feuertüren 2, 3, das eine Paar 3 über und das
andere, 2, unter einem wegnehmbaren Rost i im Unterteil des Brennstoffschachtes.
Der genannte Rost i besteht aus zwischen dem vorderen und hinteren vertikalen Wasserraum
5 bzw. 31 des Brennstoffschachtes befestigten Rohren. Die Rostrohre i werden vom
Kesselwasser durchflossen, und ist der Rost somit wassergekühlt. Zwischen den rückwärtigen
Wänden 26, 31 des Brennstoffschachtes ist eine Brennstoffgasöffnung 30 vorgesehen,
durch welche die Rauchgase in die nachfolgenden Rauchgaskanäle des Kessels geleitet
werden. Ein Stück in den Brennstoffspeicher hinein ist eine Brennstoffbrücke 27
verlegt, die sich von einer Stelle oben an der Rückseite des Brennstoffschachtes
schräg in den Schacht hinunterstreckt und in geeigneter Höhe über dem Rost i, z.
B. etwas über der Höhe der Oberkante der Brennstoffga'söffnung 30, endet. Die betreffende
Brennstoffbrücke 27 besteht aus einer wassergefüllten Wand, die durch Anschlüsse
25, 28 mit den übrigen Wasserräumen des Kessels in Verbindung steht. Die Brennstoffbrücke
27 bezweckt, bei dem Gasauslauf 30 im Unterteil des Brennstoffspeichers,
wo die Brennstoffgase austreten, eine größere Scheidefläche 29 zu schaffen. Hierdurch
wird der Widerstand beim Gasauslauf 30 des Brennstoffspeichers infolge niedrigerer
Gasgeschwindigkeit in der genannten Scheidefläche 29 geringer. Das ist bei Verwendung
von kleingestücktem Brennstoff, wie Kohle, Koks, Sägespänen usw., vorteilhaft. Der
Kessel wird auch gegen eine Anhäufung von Asche und Schlacke beim Gasauslauf 3o,
die großen Widerstand verursachen kann, weniger empfindlich.
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Die durch den Gasauslauf 3o abziehenden Brennstoffgase werden unter
Vermischung mit durch einen Sekundärlufteinlauf 32 einströmender Sekundärluft in
eine nachfolgende Nachv erbrennungs-oder Feuerkammer 41 geführt. In diesem Einlauf
32
ist eine Klappe 33 eingesetzt, um die Menge der einströmenden
Sekundärluft zu regulieren. In der Nachverbrennungskammer 41 kann eine Thermostatvorrichtung
42 eingebaut sein, die das Offenhalten der Klappe 33 reguliert. Die genannte Nachverbrennungskammer
41 ist zwischen den rückwärtigen vertikalen Wasserraum a6 des Brennstoffspeichers
und einen nachfolgenden gleichfalls vertikalen Wasserraum 4o verlegt, welche Wasserräume
mit dem längs gerichteten Wasserraum 85, 85 in Verbindung stehen. Der Teil 3 r der
hinteren Wand der Brennstoffkammer, der unter dem Brennstoffgasauslauf 30 liegt,
ist wassergefüllt und zuerst nach hinten und dann nach oben gebogen, um die Brennstoffgase
in die Nachverbrennungskammer 41 zu lenken. Dieser Wandteil 3 1 bildet auch
gemeinsam mit dem vertikalen Wasserraum 4o die Begrenzungsflächen des -Sekundärlufteinlaufes
30. Die Brennstoffgase werden gezwungen, in einem in der Hauptsache S-förmigen Zug
37, der durch horizontale, von den betreffenden Wänden 26 und 4o in die Nachverbrennungskammer
41 hineinragenden Leisten 36 und 38 gebildet wird, in die Nachverbrennungskammer
41 aufzusteigen. Diese Leisten 36, 38 sind ebenfalls wassergefüllt und dienen dazu,
die Brennstoffgase mit der eingeführten Sekundärluft zu mischen. Es hat-sich nämlich
gezeigt, daß es sehr schwer ist, die Brennstoffgase und die Sekundärluft zu mischen.
Der Sekundärlufteinlauf 32 mündet überdies in den Unterteil dieses Mischungszuges
37 mittels einer Anzahl schräg gestellter; mit der Längsrichtung des Kessels paralleler
Schlitze 34, um die Sekundärluft in mehrere parallele Luftströme aufzuteilen. Die
Brennstoff- und Sekundärluftströme werden durch diese Vorrichtung effektiv ineinandergedrängt,
und geschieht die Vermischung bei den Richtungsänderungen, die nach vorstehendem
unmittelbar darauf erfolgen. Durch diese Richtungsänderungen wird die Gasmischung
kräftig umgewirbelt, so daß mit einem Minimum an Luftüberschuß eine vollständige
Verbrennung erzielt wird.
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Es kann zweckentsprechend sein, die Begrenzungskanten, die die Sekundärlufteinführungsspalten
34 umschließen, in der Form von Führungshülsen für die Sekundärluftströme nach oben
zu verlängern, wobei die Hülsen ungefähr im Niveau mit der Unterkante der unteren
horizontalen Leiste 36 enden. Dadurch wird auch der Brennstoffgasstrom in partielle
Ströme gespalten, was die effektive Mischung mit der Sekundärluft erleichtert.
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Die Temperatur in der Nachverbrennungskammer 41 schwankt -mit der
Belastung und dem Luftüberschuß, so daß die Temperatur in der Nachverbrennungskammer
um so höher ist, je höher die Belastung ist. Weiter gilt, daß bei gleichbleibender
Belastung die Temperatur in der Nachverbrennungskammer um so niedriger ist, je größer
der Luftüberschu,ß ist. Der Sekundärluftbedarf ist bei hoher Belastung größer als
bei niedriger und ist bei großem Luftüberschuß geringer als bei kleinem. Dadurch,
daß man in der Nachverbrennungskammer 41 ein empfindliches Organ 42 anbringt, das
sich je nach der Temperatur verschieden ausdehnt, kann man dieses dazu verwerten,
um mittels der Klappe 33 den Eintrittsquerschnitt der Sekundärluft automatisch zu
verkleinern oder zu vergrößern, je nachdem, ob die Temperatur der Nachverbrennungskarnmer
ab-oder zunimmt. Bei Unstetigkeit der Brennstofflage erhält man beispielsweise einen
großen Primärluftüberschuß und eine tiefe Temperatur im Verbrennungsraum, wobei
die Sekundärluftzufuhr abnimmt. Bei einem Nachrutsch des Brennstoffes erhält man
eine plötzliche Steigerung der Verbrennungsintensität mit großem Sekundärluftbedarf.
Die Temperatur in der Nachverbrennungskammer steigt, wobei die Sekundärluftzufuhr
wächst.
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Von der Nachverbrennungskammer 41 kommen die Rauchgase zur Wärmeübertragungsfläche
des Heizkessels. Diese wird von einer Anzahl wassergefüllter, flacher; vertikaler
Zwischenwände 40, 49, 8o, 56 und 77 gebildet, die abwechselnd vom Unterteil des
Kessels hinaufragen bzw. von dessen Oberteil hinunterragen, so daß die Rauchgase
durch die zwischen diesen gebildeten vertikalen Kanäle 8q., 84
74, 76
in einem zickzackförmigen Zuge gehen, bevor sie den Kessel durch seinen Rauchgasauslauf
73 verlassen. Die Rauchgase kommen zur Wärmeübertragungsfläche durch die Öffnung
44 hinein, die oben im hinteren Teil der Nachverbrennungskammer dadurch gebildet
wird, daS ihre rückwärtige wassergefüllte Wand 4o nicht bis zum Oberteil des Kessels
hinaufreicht. Die einander zugewendeten Seiten der Zwischenwände 40, 49, 80, 56
und 77 sind mit vertikalen Flanschen 63 versehen, die paarweise einander gegenüberliegen
und fast aneinanderstoßen und den Rauchgasstrom in miteinander parallele Teilströme
aufteilen.
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Eine wichtige Einzelheit zur Ermöglichunghoher, wirtschaftlicher Gasgeschwindigkeiten
ist, daß die Rauchgaskanäle 84, 81, 74, 76 des Kessels im Verein mit jeder
vorkommenden Richtungsänderung 82, 52, 79, 6o, d. h. beim Übergang von einer abwärts
strömenden Richtung zu einer aufwärts strömenden bzw. umgekehrt, als Diffusoren
83, $3, 78, 61 ausgeformt werden, so daß die Geschwindigkeit des Gases vor der Richtungsänderung
herabgesetzt wird. Das hat man dadurch erreicht, daß man die Enden 83, 53, 78, 61
der Zwischenwände 40, 49, 8o, 56, 77 an den Krümmungsstellen 82, 52, 79, 6o des
Rauchgaskanalsystems verengt hat, so daß sich also die Rauchgaskanäle dort kontinuierlich
erweitern. Dadurch werden die Druckverluste in den Krümmungen 82, 52, 79, 6o der
Rauchgaskanäle auf annehmbare Werte heruntergedrückt. Ohne diese Anordnung würden
die zusammengenommenen Druckabfälle in den Krümmungen überwiegen, was nicht erwünscht
ist, da nur die Druckabfälle durch Reibung längs der Heizfläche wirksam zur Verbesserung
des Wärmeüberganges beitragen.
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Die Zwischenwände 40, 49, 80, 56, 77 stehen mit den längs gerichteten
Wasserräumen 85, 85 in Verbindung. Zwischen einer horizontalen Leiste des Wandteiles
26 und der Zwischenwand 49 ist oben eine Reinigungsöffnung 43 angebracht, die mit
einer
abnehmbaren Klappe 46 zugedeckt ist. Derartige Reinigungsklappen
5o und 57 verschließen auch oben zwischen den Zwischenwänden 4.9 und 56 bzw. 56
und 77 angeordnete Öffnungen 51 und 58. Die erstgenannten 46 und 5o dieser Reinigungsklappen
sind mit einer unteren Brennplatte ,.8 bzw. 55 und dazwischenliegender Isolierung
47 bzw. 54. aus z. B. Glaswolle ausgeführt, während die letzte Reinigungstür 57
in Anbetracht der Abkühlung der Rauchgase eine einfachere Ausführung ohne Isolierung
hat. Über den Nachverbrennungs- und Wärmeübertragungskammern liegt auf geeigneten
Stützen aus Eisenprofilen ein abnehmbares Waffelblech 45. Man nimmt an, daß die
Sekundärluft bei der Öffnung 59, die das Waffelblech 45 an dem rückwärtigen Oberende
des Wärmeübertragungssystems frei läßt, hereinkommt, den Raum unter dem Waffelblech
bestreicht und die vertikalen Kanäle 39 an den Seiten der Nachverbrennungskammer
:4i betritt sowie schließlich gehörig vorgewärmt durch den Sekundäreinlauf 32 in
die Nachverbrennungskammer 4.1 einströmt.
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Die Rauchgase treten oben aus dem letzten Rauchgaskanal 76 des Kessels
aus und gelangen in einen vertikalen Rauchgasausströmungskanal 62, der durch eine
Mittenanzapfung mit einem Rauchgasventilator 68 und unten mittels eines Rauchgasablaufes
73 mit dem Schornstein verbunden ist. Der Ventilator 68 ist seinerseits auch an
den genannten Rauchgasablauf 73 angeschlossen. In dem Rauchgasausströmungskanal62
sind zwei Klappen eingesetzt, einerseits eine Klappe 64 vor dem Ventilatoranschluß
66, anderseits eine Klappe 75 hinter demselben. Die erstere Klappe 64 wird in entsprechendem
Maße offengehalten, um die Rauchgasabströmung zu regulieren, während die letztere
75 normalerweise geschlossen gehalten wird, um eine geschlossene Zirkulation des
Gasvolumens unter der oberen Klappe 64 via Ventilator 68 zu verhindern. Die Längsseiten
sowie die Rückseite des Kessels «-erden mit einer Isolierschicht bezogen.
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Der gezeigte Kessel ist, was die Ausgestaltung der Heizfläche und
die Anpassung des Ventilators an diese anbelangt, so gebaut, daß in der Wärmeübertragungsfiäche
die oben begründete vorteilhafte Gasströmungsgeschwindigkeit von 3 bis i o N mg/m2s,
besonders von 6 Nms/m2s oder um diesen Wert herum, erreicht wird.