Ueber die Anforderungen an Dampfkessel; von Professor Carl Lovis in Riga. Lovis, über die Anforderungen an Dampfkessel. In dem vom Riga'schen Comite zur Beschickung der Wiener Weltausstellung 1873 herausgegebenen BerichteErschienen in 4 Abtheilungen: 1) Landwirthschaft, von Prof. v. Hehn. 2) Mechanische Technologie, von Prof. Hoyer. 3) Maschinenwesen, von Prof. Lovis. 4) Bildungswesen, von Staatsrath Krannhals. Nebst einer Beilage: Die Stuttgarter Centralstelle, von Prof. Hoyer. (Verlag von N. Kymmel. Riga 1874.) schickt Prof. Lovis seiner Besprechung der ausgestellten Dampfkessel nachstehende Erörterung über die an einen guten Dampfkessel zu stellenden Anforderungen voraus, welche der Referent dieses Journals einer allgemeinen Würdigung seitens der bezüglichen Constructeure warm empfehlen kann. Diese Anforderungen sind durchaus nicht in allen Fällen dieselben; sie richten sich vielmehr nach den örtlichen Verhältnissen und dem jedesmaligen Zweck des Kessels. So wird z.B. ein Kessel, der bei sonst guten Eigenschaften die erforderliche Menge Dampf gerade dann erzeugt, wenn er das in gewisser Menge disponible, sonst werthlose oder gar lästige Brennmaterial gerade consumirt (Sägespäne in Sägemühlen) vollkommen am Platze sein, selbst wenn die Verdampfungsfähigkeit im Verhältniß Zum Brennstoffconsume schlecht ist. Die Vergleichung verschiedener Dampfkesselsysteme in Hinsicht auf die Verdampfungsfähigkeit wird in den allerdings meisten Fällen ganz falsch ausgeführt, indem man einfach beliebige Kessel verschiedener Constructionen heizt und beobachtet, welcher derselben die größte Menge Wasser pro Pfund Brennstoff verdampft. Durch diese Vergleichungsmethode gewinnt man kein Urtheil über die verschiedenen Kesselsysteme, sondern über die beiden gerade zur Disposition stehenden individuellen Kessel. Es hat sich denn auch herausgestellt, daß gerade dasjenige Kesselsystem, welches an dem einen Orte als das beste erkannt wurde, an dem anderen Orte als unvortheilhaft bezeichnet werden mußte. In der That läßt sich mit allen Dampfkesselsystemen, wenn nur die Dimensionen der maßgebenden Theile richtig gewählt werden, die gleiche Verdampfungsfähigkeit erzielen. Bekanntlich nennt man das Verhältniß der durch Dampfkessel nutzbar gemachten, d. i. auf Dampferzeugung verwendeten Wärme zu der Wärmemenge, welche der Brennstoff unter den theoretisch günstigsten Bedingungen entwickeln würde, den „Wirkungsgrad“ der Kesselanlage. Derselbe hängt ab: 1) von der größeren oder geringeren Vollkommenheit der Verbrennung des Brennstoffes; 2) von der Fähigkeit des Kessels, die auf dem Roste producirte Wärme aufzunehmen; 3) von den Wärmeverlusten, welche der Schornstein bedingt und die durch Abkühlung der Umfassungswände entstehen. Auf die Vollkommenheit der Verbrennung wirken außer der in erster Linie in Betracht kommenden Bedienung namentlich drei Umstände ein, nämlich der Rost, der Herdraum und die Menge der zur Verbrennung zugeführten Luft. Der Rost soll so groß genommen werden, daß der Brennstoff in verhältnißmäßig dünnen Schichten zur Verbrennung gelangt, damit die durch denselben eintretende Luft ihren Sauerstoff an möglichst viele Brennstofftheilchen abgeben kann. Dies tritt aber nur dann ein, wenn gleichzeitig ein hinreichend großer freier Raum unter dem Roste den gleichmäßigen Zutritt der Luft gestattet und der Rost möglichst viele Durchbrechungen zeigt, d.h. entweder aus vielen schmalen Stäben, oder aus Stäben mit Quereinschnitten oder dergl. zusammengesetzt ist, wobei natürlich etwaige Verstopfungen zu jeder Zeit leicht zu beseitigen sein müssen. Der Herdraum ist insofern von Einfluß, als die Flamme Platz finden soll, sich vollkommen zu entwickeln. Die bekannten Versuche in Mülhausen i. E. haben gezeigt, daß man mit Unrecht bis dahin den Herdraum niedrig gemacht hat. Der Rost darf viel tiefer gelegt werden, als gewöhnlich geschieht. Mit der Menge der zugeführten Verbrennungsluft wächst nach zahlreichen Versuchen innerhalb gewisser Grenzen auch die Vollkommenheit der Verbrennung; sie hängt ab von der Evacuationsfähigkeit, d.h. der Zugwirkung des Schornsteins. Dieser ist nach den Widerständen, welche die Luft und weiterhin die Verbrennungsproducte auf ihrem Wege durch die ganze Feuerungsanlage finden, anzuordnen und muß um so größer sein, je größer die Widerstände sind. Unter sonst gleichen Umständen wird mithin demjenigen Kessel der Vorzug zu geben sein, welcher der Bewegung der Gase den geringsten Widerstand entgegensetzt. Die Wärmeaufnahmefähigkeit eines Dampfkessels hängt ab von seiner Lage gegen das Feuer, von der Größe und Reinheit der Heizfläche auf beiden Seiten der Blechplatten, von der Innentemperatur und von dem Querschnitt der Rauchzüge. Da Wärmestrahlen die Luft und andere Gase durchdringen, ohne dieselben zu erwärmen, und erst von festen Körpern, welche sie treffen, aufgenommen werden, so ist es für einen Dampfkessel vortheilhaft, wenn seine Heizfläche von möglichst vielen Strahlen aus dem glühenden Brennstoff getroffen wird. Die Befürchtung, daß die durch directe Strahlung dem Feuer entnommene Wärme im Feuerraume eine so bedeutende Temperaturabnahme zur Folge habe, daß sie der vollkommenen Verbrennung allzu nachtheilig sein würde, hat sich als irrig erwiesen, daher man denn auch von den in Mauerwerk gelagerten Vorfeuerungen, wenn nicht andere, von äußeren Umständen abhängige Zwecke verfolgt werden, abgekommen ist. Man lege also die Feuerung so an, daß ein recht großer Theil der Heizfläche des Kessels von den Wärmestrahlen des glühenden Brennstoffes direct getroffen wird, damit für die Abgabe der in den Verbrennungsgasen enthaltenen Wärme, deren Menge durch die Temperatur der Gase angezeigt wird, eine nicht zu große Heizfläche des Kessels erforderlich ist. Diese Wärmemenge wird indirect und zwar dadurch auf den Kessel übertragen, daß die heißen Gastheilchen mit der Heizfläche des Kessels in Berührung treten. Je größer die Heizfläche ist, desto mehr findet die Berührung statt, desto mehr Wärme wird mithin aus den Gasen vom Kessel aufgenommen. Allein hierbei kommen noch andere wichtige Umstände in Betracht. Je reiner die Metallfläche auf der Außenseite ist, desto leichter dringt die Wärme in die Platte ein, und je reiner sie auf der Innenseite ist, desto leichter wird die Wärme an das Wasser abgegeben. Da nun Ruß, Oxydation und Asche auf der einen, Oxydation und mineralische Niederschläge auf der anderen Seite der Kesselwandungen vollständig nicht verhütet werden können, so muß die Construction des Kessels eine öftere Reinigung von diesen Ansätzen leicht und bequem zulassen. Dies ist für die Entfernung von Flugasche bei horizontalen Röhren um so nothwendiger als sich beim Gebrauch in kurzer Zeit das untere oder obere Drittel der Röhren, je nachdem die Gase innerhalb oder außerhalb sich fortbewegen, so stark bedeckt zeigt, daß von einem Wärmedurchgang kaum mehr die Rede sein kann. Aehnlich steht es mit der Entfernung der mineralischen Niederschläge im Inneren des Kessels, dem Kesselstein, welcher trotz zahlloser angepriesener Mittel entweder nur ungenügend oder mit zu großen Geldopfern, oder doch nicht ohne andere schwerwiegende Uebelstände zu verhüten ist, sobald das Wasser entsprechende Stoffe enthält. Als eine Verunreinigung der Heizfläche auf der Innenseite sind auch Dampfbläschen zu bezeichnen, welche nach ihrer Entstehung nicht sofort entweichen können und den Wärmedurchgang in das Wasser ganz bedeutend erschweren. Kesselconstructionen, welche die Bildung solcher Dampfpelze begünstigen, sind daher zu verwerfen. Die Temperatur des Kesselwassers ist von der Dampfspannung abhängig und daher der willkürlichen Wahl nicht unterworfen. Da nun aber das Speisewasser mit niedriger Temperatur in den Kessel eintritt, so bieten Kessel, bei denen die Verbrennungsgase in der umgekehrten Richtung sich fortbewegen als das Speisewasser nach seinem Eintritt in den Kessel (Gegenstromkessel), immerhin Vortheile. Die mehrfach in den Zeitschriften besprochenen, angeblich eintretenden Erosionen sind dem Verf. trotz vielfacher Anwendung von Gegenstromkesseln nicht vorgekommen; nur muß freilich für leichte Dampfabsonderung resp. Entfernung Sorge getragen werden. Dahingegen soll niemals kaltes Speisewasser da eintreten, wo die Verbrennungsgase am heißesten sind, weil sonst gefährliche Spannungen und Risse im Blech entstehen. Der Querschnitt der Rauchcanäle ist für die Verdampfungsfähigkeit insofern von großer Bedeutung, als die einzelnen Gastheilchen um so leichter mit der Kesselwand in Berührung kommen, je kleiner jener Querschnitt ist. Freilich werden die Widerstände für die Bewegung der Gase bei kleinem Canalquerschnitt groß und folglich der Schornstein kostspieliger. Die Rücksicht auf die Reinigung der Canäle gibt indeß meistens schon die Minimalgröße an.Ein zu kleiner Querschnitt ist auch in Hinblick auf die hieraus resultirende größere Geschwindigkeit der Gase von Nachtheil.D. Ref. Im Hinblick darauf, daß man noch so häufig der Ansicht begegnet, als müsse man die Verbrennungsgase möglichst oft um den Kessel herumführen, sei hier noch erwähnt, daß bei gleicher Heizflächengröße und sonst gleichen Umständen ohne Erzielung irgend eines Vortheiles durch lange, schmale Heizcanäle nur die Widerstände vermehrt, mithin der Schornstein vertheuert wird. Der Wärmeverlust durch den Schornstein ist proportional der Temperatur und Menge der Gase, welche von demselben abgeführt werden. Die Temperatur kann um so niedriger sein, je höher der Schornstein unter sonst gleichen Umständen ist; doch ergibt sich eine untere Grenze für die Temperatur in kälteren Gegenden schon dadurch, daß eine Condensation der Wasserdämpfe an den Wandflächen des Schornsteins eintritt, wenn die Temperatur der Gase durch Abkühlung unter 100° sinkt. Blechschornsteine sind in dieser Hinsicht begreiflicherweise schlechter als gemauerte. Um die Condensation der Wasserdämpfe an den Wänden zu verhindern, muß man die Gase mit einer höheren Temperatur in einen Blechschornstein eintreten lassen, als dies bei gemauerten nothwendig ist, und trotzdem ist sie bei großer Kälte nicht ganz zu vermeiden. Aus diesen Gründen sollten Blechschornsteine in kälterem Klima nur da angewendet werden, wo die Anlage keine stabile ist, wo ein Blasrohr angewendet werden muß, oder wo der Brennstoff sehr billig ist. Die Quantität der Verbrennungsgase ist, abgesehen von der zu verbrennenden Brennstoffmenge, abhängig von der Menge der zur Verbrennung dem Roste zugeführten Luft. Da nun die durch den Schornstein verloren gehende Wärme proportional ist der abzuführenden Gasmenge, so tritt hier ein Widerspruch zu der oben für eine möglichst vollkommene Verbrennung aufgestellten Bedingung entgegen. Die Menge der Verbrennungsluft ist daher beschränkt; sie soll im Mittel nach ausgeführten Versuchen und Berechnungen etwa das Doppelte von derjenigen Luftmenge betragen, welche gerade den zur vollkommenen Verbrennung nöthigen Sauerstoff enthält. Wärmeverluste durch Abkühlung lassen sich auf ein Minimum herabziehen durch starkes Mauerwerk, Anwendung von Luftschichten und Umhüllung mit schlechten Wärmeleitern. Kessel mit innerer Feuerung geben im Allgemeinen in dieser Hinsicht weniger Verluste als solche mit Unterfeuerung; doch haben sie meistens den Uebelstand, daß die Luftzuführung zu wünschen übrig läßt. Uebrigens ist der Verlust durch Abkühlung bei Unterfeuerungen durch Anwendung dicken Mauerwerkes und abgeschlossener Luftschichten ebenso vollständig zu vermindern. Nachdem im Vorstehenden die Bedingungen angegeben sind, welche für einen großen Wirkungsgrad einer Dampfkesselanlage maßgebend sind, entsteht die Frage: Welcher ist der vortheilhafteste Wirkungsgrad? Mit jeder Dampfkesselanlage wird eine gewisse Dampferzeugung auf dem finanziell ökonomischsten Wege bezweckt. Es sollen daher die Kosten für den Brennstoffaufwand, die Renten der Anlagekosten, die Amortisationsquote, die Unterhaltungskosten der Anlage und die Kosten für die Bedienung zusammengenommen ein Minimum werden. Hieraus geht hervor, daß es nicht Aufgabe sein kann, ohne Rücksicht auf die Höhe der Anlagekosten etc. den größtmöglichen Wirkungsgrad zu erzielen. Die durch den großen Wirkungsgrad erzielten jährlichen Ersparnisse an Brennstoff können leicht aufgezehrt werden durch die größeren jährlichen Kosten an Renten, Unterhaltung, Bedienung und Amortisation. Der vortheilhafteste Wirkungsgrad läßt sich daher allgemein nicht bestimmen, sondern muß in jedem einzelnen Falle nach den jedesmaligen Verhältnissen ermittelt werden. Ist nun auch eine genaue Berechnung kaum möglich, so kann es doch einem gebildeten Techniker keine Schwierigkeiten machen, in jedem Falle ungefähr das Richtige zu treffen. Wir haben nun noch andere Erfordernisse zu besprechen, welchen ein guter Dampfkessel genügen soll. Große Dauerhaftigkeit ist bei sonst sorgfältiger Ausführung meistens verbunden mit Einfachheit der Construction; doch gibt es auch complicirte Constructionen, welchen die Dauerhaftigkeit nicht abgesprochen werden kann. Ob sie zulässig sind, hängt davon ab, welche Vortheile sie in anderer Hinsicht bieten. Im Zusammenhange mit der Dauerhaftigkeit steht die größere oder geringere Sicherheit gegen Explosionsgefahr. Wenngleich die Ursachen der Explosionen noch nicht hinlänglich erforscht sind, so ist doch so viel bekannt, daß weite, von außen gepreßte Röhren – namentlich, wenn sie sehr lang sind, Gefahr bieten. Cornwallkessel stehen somit in dieser Hinsicht anderen Constructionen nach. Auch Kessel mit großem Wassergehalt sind im Allgemeinen gefährlicher als solche mit geringem Wassergehalt; doch erfordern die letzteren eine sehr sorgsame Aufsicht in Bezug auf die Speisung und Regelmäßigkeit der Dampfproduction. Ebene oder elliptisch geformte Wände haben eine geringere Festigkeit als kreisförmig gebogene und erfordern eine besondere Verankerung. Es dürfte hier der Ort sein, auch darauf aufmerksam zu machen, daß diejenigen Stellen, an welchen Beschädigungen am ehesten zu erwarten sind, behufs Reparatur leicht zugänglich sein sollen. Nasche Dampfproduction ist nur dann als Vorzug hinzustellen, wenn der Betrieb am Tage oft unterbrochen wird. Im anderen Falle ist es bei gleichem Wirkungsgrade ziemlich gleichgiltig, ob die erforderliche Dampfspannung am Morgen nach dem Anheizen etwas früher oder später eintritt. Es hängt dies von dem Wassergehalte ab. Ein größerer Wassergehalt gibt langsamere Dampfproduction, läßt aber Unregelmäßigkeiten im Dampfconsume nicht so bemerklich werden. Wichtig ist unter allen Umständen die Erzeugung von trockenem Dampf. Ist der Dampf feucht, d.h. enthält er viel mechanisch fortgerissenes Wasser, so ist dies nicht nur in der Maschine hinderlich, sondern auch mit Brennstoffverlust verbunden, weil es ohne Nutzen bis zur Siedetemperatur erhitzt wurde. Auf die Erzeugung von trockenem Dampf wirken ein großer DampfraumInsbesondere eine große Verdampffläche.D. Ref., Formen, welche die entwickelten Dampfbläschen leicht emporsteigen lassen, und das Fortleiten der bereits am Kessel abgekühlten Verbrennungsgase an dem Dampfraume vor ihrem Eintritt in den Schornstein. Auch besondere Wasserabscheider lassen sich mit Erfolg anwenden. Von Einfluß auf die Kosten für die Einmauerung und das Kesselhaus ist noch die Raumbeanspruchung eines Kessels. Ein kleiner Kessel ist um so mehr von Werth, wo der Grund und Boden theuer oder der disponible Raum beschränkt ist.