Gewonnene Resultate mit Wirbelringen bei Dampfkesseln. Von Dipl.-Ing. Carl Züblin. Gewonnene Resultate mit Wirbelringen bei Dampfkesseln. Es ist bekannt, daß die Heizgase in den Feuerrohren der Dampfkessel nicht vollkommen ausgenutzt werden, das heißt die Wärme der Gase nur zum Teil an die Rohrwand abgegeben wird. Der mit einer größeren Geschwindigkeit durchfließende Strom kann seine Wärme hauptsächlich nur am Umfange abgeben, der innere Kern jedoch geht fast unverbraucht aus dem Rohr heraus. Die Wärmetransmission von innen nach außen kommt außerdem nur wenig zur Geltung. Textabbildung Bd. 325, S. 340 Fig. 1. Lokomotivkessel mit Wirbelringen, Patent Pielock. Maßnahmen bei Kesseln, die dahin zielen, die Wärme des inneren Kernes zu verwerten, sind bis jetzt praktisch in größerem Umfange noch nicht zu verzeichnen. Neuere Abnahmeversuche, und zwar an verschiedenen Kesselarten, mit in die Feuerrohre, eingeschobenen Ringen haben aber durchwegs solche befriedigende Resultate gegeben, daß dieselben der Allgemeinheit bekannt gegeben werden mögen. Die sogenannten Wirbelringe, eine patentrechtliche Anordnung von Ingenieur E. Pielock in Berlin, bezwecken ein Durcheinandermengen der Gase durch Einlegen einiger Ringe in den von den Feuerröhren eingeschlossenen Strom der Feuergase. Die an der Rohrwand liegenden Gasteile werden durch die Ringe nach innen abgelenkt die innen liegenden Teile aber auf diese Weise nach außen gedrückt. Durch diese Wirbelung erreicht man aber auch, namentlich in dem der Feuerkiste zu liegenden Teil der Rohre eine gute Mischung und Wiederverbrennung der hier vorhandenen noch unverbrannten Gase. Textabbildung Bd. 325, S. 340 Fig. 2. Wiebelring. Wie Fig. 1 zeigt, werden in jedes Rohr mehrere, etwa fünf bis sechs, Ringe stramm eingesetzt. Neuerdings erhalten dieselben eine exzentrische Form (s. Fig. 2) und werden ganz blank gedreht. Die Ringe lassen sich so besser einsetzen, als wenn der Umfang nicht bearbeitet wird, wie dieses anfänglich geschehen ist. Zentrische Ringe werden jetzt nur dann gewählt, wenn die Rohre eng und die Querschnitte knapp sind. Die obere Dicke der Ringe beträgt dann etwa 4 mm, es lohnt sich daher nicht, sie exzentrisch zu machen. An der schwächsten Stelle sind dieselben 3 mm stark, oben – je nach dem Durchmesser 7,5 und mehr mm. Die Breite ist für alle Größen dieselbe, etwa 13 mm. Es ist begreiflich, daß die Lage der Ringe dem vorliegenden Betriebe angepaßt werden muß. Die Wirbelringe liegen in der heißeren Zone etwas enger zusammen (s. Fig. 1), weil sie dort am wirksamsten sind. Die ersten Versuche wurden an einer Kleinbahnlokomotive angestellt, und sollten hauptsächlich dazu dienen, den Effekt der Wirbelringe klar zu legen. Die Messungen erstreckten sich hier nur auf die Rauchkammertemperatur. Die Verminderung der Temperatur betrug bei gleicher Rostbelastung 58° C, das sind 18 v. H. der üblichen vorhandenen Wärme. Eingehendere Proben wurden darauf mit einer Schnellzugs-Staatsbahn-Lokomotive ausgeführt. Die Parallelfahrten, je drei Fahrten von 450 km und je drei Fahrten von 340 km mit und ohne Wirbelringe ergaben folgende Werte. Der Kessel hat eine Heizfläche von 117,8 qm und ist für 12 at Betriebsdruck geprüft. Nach den Ergebnissen der Tab. 1 wurden an Kohlen gespart \left(\frac{7,37-6,71}{7,37}\right)\,100=8,955\mbox{ v. H.}, oder ohne Wirbelringe \left(\frac{7,37-6,71}{6,71}\right)\,.\,100=9,83\mbox{ v. H.}. mehr Kohlen verbrannt. Tabelle 1. Ohne Ringe Mit Ringen Verdampftes Wasser im ganzen kg 177750 183500 Speisewassertemperatur °C 64,5 64,5 Betriebsspannung at 12 12 Verbrannte Kohlen im ganzen kg 26481 24895 Verdampft mit 1 kg Kohle kg 6,71 7,37 Eine ausländische 4/4 gek. Güterzuglokomotive wurde ebenfalls mit Wirbelringen ausgestattet. Vor Antritt einer Fahrt, sowie nach Beendigung einer solchen ließ man die Kohlen sorgfältig wiegen. Zum Vergleiche dienten je zwei Hin- und Rückfahrten mit und ohne Wirbelringe. Die jedesmal gefahrene Strecke war 113 km lang. Der Wasserspiegel wurde von einer bestimmten Marke aus abgemessen und diese Meßpunkte alsdann in die Zeichnung des Tenders eingetragen. Den Gesamtwasserverbrauch rechnete man nach diesen Aufmessungen. Auf jeder Fahrt notierte man mehrere Male die Temperaturen des Speisewassers und auch diejenige der Außenluft. Die. Anzahl der Wagen und die Gewichte sind genau verzeichnet worden, so daß die Belastung der Lokomotive bei allen Versuchen möglichst gleich war. Dies läßt sich auch aus den folgenden Versuchsergebnissen (Tab. 2) deutlich erkennen. Die Heizfläche der Lokomotive betrug 152,6 qm. Tabelle 2. Ohne Ringe Mit Ringen Verdampftes Wasser im ganzen kg 49024 48900 Speisewassertemperatur °C 65,5 65,5 Betriebsdruck at 10,52 10,84 Verbrannte Kohlen im ganzen kg 8329 7432 Verdampft mit 1 kg Kohle kg 5,9 6,58 In diesem Fall beträgt der Gewinn durch die Verwendung der Wirbelringe \frac{(6,58-5,9)}{6,58}\,.\,100=10,33\mbox{ v. H.} Besonders interessant sind die Versuche mit einem Lokomotivenkessel, der mit Naphta geheizt wurde (Tab. 3). Die Lokomotive, bei Krauß & Co. in München gebaut, ist zurzeit im Betrieb eines Hüttenwerks. Die Fahrten wurden stets mit gleicher Wagenzahl und gleicher Fracht auf derselben Strecke gemacht. Der Kessel hat eine Heizfläche von 24,5 qm; sein Betriebsdruck beträgt 12 at. Die Versuche fanden durchschnittlich bei sehr schlechtem Schneewetter statt, nur der Versuch III hatte in beiden Serien gutes Wetter. Die vorliegenden Probefahrten wurden vom Hüttenwerk abgenommen. Nicht minder gute Ergebnisse sind mit ortsfesten Kesseln, welche Wirbelringe erhalten hatten, gewonnen worden. Gerade diese Ergebnisse, die unter recht ungünstigen Verhältnissen erreicht wurden, lassen den Wert dieser vorteilhaften Neuerung erkennen. Ein Lokomobilkessel von 15,4 qm Heizfläche, der eine Maschinenfabrik mit Dampf versorgt, ergab vor und nach dem Einsetzen der Wirbelringe die Werte Tab. 4. Die Abmessungen der Kesselspannung, der Füllung der Maschine und der Fuchstemperatur wurden alle fünf Minuten gemacht. Wasser und Kohlen erhielt der Kessel genau zugewogen. Der Betrieb hat sich nach Einbau der Wirbelringe wesentlich gebessert. Der Kohlenverbrauch ist heute noch derselbe geblieben, wie dies nach Anfrage von Seite der Firma nach Verlauf mehrerer Monate nach den Versuchen gern bestätigt wurde. Tabelle 3. Ohne Wirbelringe Mit Wirbelringen Versuch I II III Mittel I II III Mittel Datum 7. Jan. 10 16. Jan. 16. Jan. – 23. Jan. 10 23. Jan. 24. Jan. – Kesseldruck bei der Fahrt at 11 10,5 10,75 10,75 11,25 11 11,5 11,25 Verdampft im ganzen kg 3854 3560 3407 3607 3550 3669 3647 3622 Verdampft f. d. Stunde kg 612 647,3 681,4 6469 627,2 688,4 729,4 681,9 Verdampft f. d. qm Heizfläche und Stunde kg 25 26,4 27,8 26,4 25,6 28,1 29,8 27,8 Verfeuert im ganzen kg 436,4 401,3 353,8 397,2 356,8 350,9 330,2 345,9 Verfeuert f. d. Stunde kg 68,94 72,96 70,76 70,89 63,03 65,83 66,04 64,97 Verdampft f. d. kg Naphta kg 8,83 8,87 9,63 9,11 9,95 10,46 11,04 10,47 Naphta gespart v. H. – – – – 11,2 15,1 12,8 13 In einer Gummi- und Guttaperchawarenfabrik ist die Beanspruchung der Kessel äußerst ungleich, da einmal sehr viel, andermal wieder wenig Dampf verlangt wird. Es wurde in derselben vorerst einer der Lokomobilkessel mit Wirbelringen ausgestattet, derselbe hat 80 qm Heizfläche. Trotz des unregelmäßigen Betriebes wurde eine Garantie von 10 v. H. eingegangen. Tabelle 4. Ohne Ringe Mit Wirbelringen Versuchsdauer  (7. u. 11. Oktob. 1909) 6 Std., 32 Min. 6 Std., 24 Min. Wasser verdampft im  ganzen kg 1852 1686 Speisewassertemperatur °C 55,7 58,2 Betriebsspannung at 9,35 9,5 Verbrannte Kohlen im  ganzen kg 327 252 Verdampft m. 1 kg Kohle kg 5,66 6,69 Kohlenersparnis – \frac{6,69-5,66}{6,69}=15,4\mbox{ v. H.} Die genauen Versuche, welche am 13. Januar ohne und am 26. Januar 1910 mit Ringen stattfanden, sind in Fig. 3 graphisch zusammengestellt. Das Wasser wurde durch einen Wassermesser von Siemens & Halske gemessen. Die Ablesungen an demselben geschahen gleichzeitig mit denjenigen am Wasserstand und zwar bei den Versuchen mit Wirbelringen genauer und öfters, als beim Versuch ohne Ringe. Die Kohlen wurden von 50 zu 50 kg gewogen und sind ausreichend für eine Betriebsstunde. Die Speisewassertemperatur ist alle Viertelstunden, die Differenzzugstärke alle zehn Minuten gemessen und alle anderen Messungen alle fünf Minuten abgelesen worden (s. Tab. 5). Textabbildung Bd. 325, S. 342 Fig. 3. Abnahmeversuche eines Lokomobilkessels von 80 qm Heizfläche. a Fuchstemperatur – b Luftüberschuß – c Zugstärke im Fuchs – d Zugstärke über dem Rost – e Dampfspannung. Tabelle 5. OhneWirbelringe MitWirbelringen Versuchsdauer 7 Std., 3 Min. 7 Std., 12 Min. Wasser im ganzen verdampft kg 14000 13650 Speisewassertemperatur °C 62 65,6 Kesselspannung at 10 9,8 Kohlen verfeuert im ganzen kg 2000 1644 Verdampfung mit 1 kg Kohle kg 7 8,3 Kohlen-Ersparnis – 15,6 v. H. Betrachtet man das Diagramm, so erkennt man, daß die Kurven der Fuchstemperatur, der Dampfspannung und der Zugstärke beim Versuch mit Wirbelringen gleichmäßiger verlaufen als bei demjenigen ohne. Indessen ist auch der zweite Lokomobilkessel und ein Reservesatz Rohre mit Ringen ausgestattet worden. Die Bedeutung der besseren Ausnutzung der Kohle ist nun auch für den Schiffsbetrieb wichtig, und zwar umso mehr als hier die Rentabilität nicht allein sich durch die Kohlenersparnis erhöht, sondern auch durch die Verminderung des Gewichts und des Raumes, die sich ja aus der besseren Verdampfung resp. kleineren Heizflächen ergeben. Ein ausgezeichnetes Beispiel hierfür liefern die mit Wirbelringen ausgestatteten Schiffskessel der Dampfer auf dem Wannsee bei Berlin. Diese Kessel sind wegen Platzmangel sehr knapp bemessen, so daß sie meistens überlastet sind. Aus demselben Grunde wurde bei der ersten Bestellung die Zahl und die Abmessungen der Ringe so gewählt, daß die Zugquerschnitte tunlichst nicht verengt werden. Es kamen, da nur 5–6 mm Zugstärke zur Verfügung war, nur vier Ringe in jedes Rohr hinein. Der Ring ist von überall gleicher Höhe, 4 mm. Bei der zweiten Bestellung wurden fünf Ringe von exzentrischer Form oben 7 mm, unten 3 mm hoch, 13 mm breit eingesetzt. Die Ergebnisse des Dampfers, der für den ersten Versuch bestimmt war, zeigt Tab. 6. Tabelle 6. OhneWirbelringe MitWirbelringen Versuchsdauer (6./8. Sept. 1909) 4 Std., 10 Min. 4 Std., 2 Min. Wasser im ganzen verdampft. kg 4701 4510 Speisewassertemperatur °C 16 16,5 Kesselspannung at 5,77 5,86 Kohlen im ganzen verfeuert kg 740,5 655 Verdampfung mit 1 kg Kohle kg 6,35 6,89 Kohlenersparnis – 7,8 v. H. Der Kessel hat eine Heizfläche von 54 qm und eine Rostfläche von 1,68 qm. Letztere wird für die vorliegenden Zugverhältnisse viel zu hoch belastet, es werden 106 kg Kohle auf den qm in der Stunde verbrannt. Bei dieser Kohlenmenge wird gewöhnlich bereits künstlicher Zug verwendet. Durch den Einbau der Wirbelringe ist, trotzdem der Prozentsatz der Kohlenersparnis nur 7,8 beträgt, die Belastung des Rostes in noch annehmbare Grenzen, nämlich 97 kg/qm, gerückt worden. Die Temperatur der Schornsteingase sank von 365° auf 276,4° C. Auch hier war der Verlauf der Kurven nach dem Einsetzen der Pielock-Ringe viel gleichmäßiger. Die Ablesungen der Spannungen und der Rauchfangtemperaturen erfolgten alle fünf Minuten. Das Wasser ist ebenfalls durch einen Wassermesser von Siemens & Halske gemessen, seine Temperatur alle Stunden notiert worden. Aus den Versuchswerten geht auch hervor, daß die Belastung der Kessel bei beiden Versuchen nahezu dieselbe war. Daß bei richtigen Verhältnissen der Gewinn durch die Wirbelringe ein weit besserer ist, als eben angegeben, beweisen die Probefahrten mit dem Elbe-Dampfer einer anderen Reederei. Die beiden Kessel dieses Dampfers, die je 92,1 qm Heizfläche haben, werden mit Braunkohle gefeuert. Es wurden nachstehende Ergebnisse (Tab. 7) festgestellt. Die Versuchsfahrten, welche die Gesellschaft selbst unternahm, um die 10 v. H. Garantie festzustellen, fanden am 11. und 13. Februar 1910 statt. Es wurde je eine vierstündige Bergfahrt, ohne Anhang und mit 65 v. H. Füllung ausgeführt. Ohne Wirbelringe wurden 85 Ztr., mit Ringen 68 Ztr. Braunkohlen verbrannt – also \frac{85-68}{85}\,.\,100=20\mbox{ v. H.} gespart. Außerdem war die Leistung der Maschine beim zweiten Versuch größer. Der Dampfdruck wurde beidemal auf gleicher Höhe gehalten. Die nach dem Einbau der Ringe gemessene Zugstärke war eher besser als vorher. Die Zugstärke betrug im Mittel ohne Ringe 7 mm, mit Ringen 8 mm. Tabelle 7. Ohne Ringe MitWirbelringen Versuchsdauer 4 Std. 4 Std. Kesselspannung at 10,3 10,1 Kohlen im ganzen verbrannt kg 4250 3600 Wasser im ganzen verdampft kg 18700 19500 Verdampft f. d. kg kg 4,4 5,41 Speisewassertemperatur °C 65 65 Ersparte Kohlen – 18,6 v. H. Es ist begreiflich, daß die Lage, Form und Anzahl der Ringe eine Rolle spielen, und es muß der größeren Anzahl, 5 statt 4, und der größeren Höhe, 7,5 statt 4 mm, der Ringe zugeschrieben werden, daß der Effekt beim Elbe-Dampfer wesentlich besser war, 18,6 v. H. statt 7,8 v. H., als beim Wannseedampfer. Kürzlich stattgefundene Fahrten mit einem zweiten Wannseedampfer haben vorläufig 12 v. H. ergeben. Weitere Versuchsresultate stehen aus, da mehrere Reedereien in Hamburg einzelne Schiffskessel mit Wirbelringen ausgestattet haben. In Anbetracht der ungeheuren Kohlenmenge, die jährlich für den Kesselbetrieb verbraucht wird, die preußische Staatseisenbahn hat allein in den Etat des Jahres 1910 122 Millionen Mark für Kohlen eingestellt, sind schon 10 v. H., die ja gewöhnlich bei Verwendung der Pielockschen Wirbelringe garantiert werden, eine ganz erhebliche Entlastung der Betriebsunkosten. Zu einer eventuellen Meinung, daß sich im Betriebe die Flugasche hinter den Ringen ansammeln werde, und die Reinigung der Rohre erschwert sei, kann nach den Erfahrungen der Praxis mitgeteilt werden, daß diese Befürchtung völlig wegfällt. Einerseits ist der Ring unten nur 3 mm hoch, es kann sich also nur sehr wenig Asche ansammeln, die bei starkem Zug mitgerissen wird. Andererseits ist die Lösche bei den Lokomotivkesseln mit Wirbelringen viel feiner und setzt sich daher auch weniger fest. Die Reinigung der Rohre geschieht am besten durch die bekannten Dampfheißluft-Rußfegeapparate von Fraissinet, Chemnitz, oder auch durch den „Le Ramoneur“. Die damit gefegten Rohre bleiben vollkommen sauber, was überall bestätigt wird. Weitere Erfahrungsresultate sind noch zu erwarten, da mehrere Aufträge in den vergangenen Wochen zur Erledigung gekommen sind und deren Probefahrten noch nicht abgeschlossen vorliegen.