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Wärmeaustauscher, insbesondere für Dampferzeuger.
Es ist bekannt, dass durch Anwendung hoher Gasgeschwindigkeiten der Wärmeübergang eines gasförmigen Mediums an eine Wand, beispielsweise der Wärmeübergang der Rauchgase
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Tatsache beschränkt sich der heutige stationäre Kesselbau meist auf Geschwindigkeiten, die mit Zugstärken weit unter 50 mm WS erreichbar sind.
Praktische oder theoretische Versuche zur Ermittlung der, günstigsten Zugstärke" sind noch nicht bekanntgeworden. Im folgenden soll das Ergebnis wärmetheoretiseher Untersuchungen und Berechnungen, welches die Anwendung weit höherer Zugstärken, als sie bisher verwendet worden sind, nahelegt, näher erläutert werden. Die Schlussfolgerungen, welche zur Anwendung besonders hoher Zugstärken führen, bilden den Kernpunkt der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 1 der Zeichnung sind beispielsweise für einen Dampferzeuger von bestimmter Leistung die Heizftächengrossen in Abhängigkeit von der Rauchgasgeschwindigkeit für verschiedene Wirkungsgrade als dünn ausgezogene Linien dargestellt. Man ersieht aus den Kurven, dass die erforderlichen Heizflächen mit steigender Geschwindigkeit geringer werden.
Eine zweite Kurvenschar in Fig. 2 der Zeichnung zeigt den Anstieg des Zugwiderstandes mit wachsender Geschwindigkeit für Dampferzeuger von den aus Fig. 1 ersichtlichen Abmes- sungen. Da der Zugwiderstand gegenüber der Zuggeschwindigkeit bezüglich des Wärmeüberganges eine eindeutige Grösse darstellt, wurde ersterer den Darstellungen zugrunde gelegt, denn es ist beispielsweise bei einer bestimmten Rauchgasgeschwindigkeit der Wärmeübergang bei einem im Querstrom durchflossenen Heizröhrensystem erheblich höher als bei einem im Parallelstrom durchflossenen Röhrensystem. Es wird somit, um gleich Wärmeübergangseffekte oder auch gleiche Zugwiderstände, zu erzielen im vorstehenden Fall eine erheblich voneinander abweichende Rauchgasgeschwindigkeit anzuwenden sein.
Aus den Zugwiderstandskurven lassen sich nun die Ventilatorleislllngen in Abhängigkeit von der Rauchgasgeschwindigkeit errechnen.
Wenn infolge des Wärmeaufwandes für die Ventilatorarbeit kein Mehrverbrauch an Brennstoff entstehen soll, so muss natürlicherweise der Wirkungsgrad des Kessels um den Betrag, der für die zusätzliche Gewinnung der Ventilatorenergie erforderlich ist, gesteigert werden. Wenn die Ventilatorarbeit beispielsweise lao der Kesselleistung beträgt und der effektive Kesselwirkungsgrad 83% betragen soll, so muss der tatsächliche Wirkungsgrad des Kessels (der "indizierte Wirkungsgrad)
83 + 1-5. 0'83 = 84'25% betragen.
Die zusätzliche Wärmeausnutzung von '35"/o bedingt ihrerseits einevergrösserung der Heizfläche.
Der erforderliche Mehrbetrag an Heizfläche ist in Fig. 1 auf den dünn ausgezogenen Kurven aufgetragen und durch strichpunktierte, stark ausgezogene Kurven dargestellt. Der Abstand zwischen beiden Kurven-in Fig. 1 schräg schraffiert-gibt die Grösse der Heizfläche an, welche für die Ventilatorleistung notwendig ist, unter Beibehaltung des effektiven Wirkungsgrades des Kessels.
Die so erhaltenen strichpunktierten Kurven weisen ein Minimum auf, welches die, günstigste Geschwindigkeit"bzw. günstigste Zugstärke angibt, bei welcher die Kesselheizfläche den kleinsten Wert erreicht.
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Da der Heizflächengewinn in unmittelbarer Nähe des Minimums wegen des flachen Verlaufs der Kurven nicht mehr erheblich ist, arbeitet der Kessel mit RÜcksicht auf die Abmessungen des Ventilators am günstigsten mit niedrigeren Geschwindigkeiten als sie dem Minimum entsprechen.
Aus dieser theoretischen Untersuchung und der Kurvendarstellung leitet sich nun die neue Erkenntnis ab, dass zur Erzielung geringster Heizflächenabmessungen mit Zugstärken gearbeitet werden muss, die ein Mehrfaches der bisher üblichen Zugstärken betragen, dass auch, um geringste Heizflächenabmessungen für solch hohe Zugwiderstände zu erreichen, naturnotwendig die Heizflächen selbst weitgehendst unterteilt und in ihren Abmessungen verkleinert werden müssen. Nur bei verhältnismässig engrohrigem Heizröhrensystem mit möglichst enger Rohrteilung können derartige Zugwiderstände wirtschaftlich ausgenutzt werden. Es werden somit in den Kubikmeter Raum erheblich mehr Quadratmeter Heizfläche untergebracht werden können infolge der Anordnung relativ enger Rohrdurchmesser und engster Heizflächenunterteilung.
Der praktische Anwendungsbereich wird zwischen 150 und 250 mm TVS liegen, es können aber auch noch höhere Zugstärken ohne weiteres angewendet werden.
Bei diesem Verfahren spielt die Ventilatorleistung und dadurch auch der Wirkungsgrad des Ventilators eine erhebliche Rolle, je besser der Wirkungsgrad des Ventilators, um so höher
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Es ergibt sieh bei näherer Untersuchung, dass insbesondere bei Wasserröhrenkesseln der Wärmeübergang mit enger werdendem Rohrquerschnitt und mit enger werdender Teilung rascher wächst wie der Zugverlust, so dass der günstigste Wärmeübergangseffekt bei Anwendung einer Zugstärke der oben beschriebenen Grösse erzielt wird, unter gleichzeitiger Verwendung engster Teilungen.
Der Nutzen solch hoher Zugstärken wird sich aber nur bei geeigneten Kesselkonstruktionen in vollen Masse zeigen, d. h. es kommen für den vorliegenden Zweck insbesondere Kessel mit nur einem Zuge ohne tote Ecken und ohne Richtungswechsel in Frage. Beispielsweise erscheint
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turmartigen Schacht aufweist, in welchem die Rohre eines Verdampfers den Rauchgasstrom vielfach unterteilen.
Insbesondere sei darauf hingewiesen, dass nach vorliegender Erfindung gebaute Kesselkonstruktionen mit ihren eng zusammengebauten, vielfach aufgeteilten Heizflächen sich auch bei forciertem Betriebe wesentlich günstiger verhalten, wie die zur Zeit gebräuchlichen Kessel- konstruktionen-beispielsweise Sektional-oder Steilrohrkessel-, da der Wirkungsgrad nicht in so erheblichem Masse beeinflusst wird. Die Abgastemperatur solcher Kessel steigt somit bei forciertem Betriebe nicht so stark an, wie bei den gebräuchlichen Kesselkonstruktionen.
Für das Verfahren als solches ist es an und für sich gleichgültig, ob Zug oder Druckwirkung für die Überwindung des Kesselwiderstandes angewendet wird. So kommt beispielsweise für Brennstoffe, bei denen eine unmittelbare Zugänglichkeit des Feuerraumes nicht gefordert wird, insbesondere für gasförmige Brennstoffe, eine Druckbeheizung in Frage, bei der die Verbrennungsluft und der Brennstoff unter Druck zugeführt werden. Hiebei kann die Brennkammer unter einen höheren als den atmosphärischen Druck gesetzt werden.
Als Notwendigkeit ergibt sieh die Massregel, dass das Gehäuse derartiger Wärmeaustauscher möglichst luftdicht gestaltet wird.
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oder Druckstärken im Verdampferteil des Kessels, die wesentlich höher wie die zur Zeit üblichen sind. wobei für die Feuerung des Kessels die normalen auch bisher üblichen Zugverhältnisse beibehalten sind. Um die Geschwindigkeit der den Röhrenverdampfer durchziehenden Rauchgase entsprechend zu erhöhen, muss der freie Querschnitt für die Rauchgase vermindert werden.
Dies geschieht vorteilhaft durch eine sehr enge Teilung, d. h. ein Engerstellen der Verdampfungrohre, oder aber durch den Einbau von Zwischenkörpern in den zwischen den Verdampfungs- rohren vorhandenen Raum zwecks Verengung des freien Durchgangsquerschnittes.
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