Die Anwendung des überhitzten Dampfes im Dampfmaschinenbetriebe. Von O. Herre, Ingenieur und Lehrer. (Fortsetzung des Berichtes S. 99 d. Bd.) Die Anwendung des überhitzten Dampfes im Dampfmaschinenbetriebe. II. Heissdampfanlagen. Die bisherigen Erfahrungen im Betriebe mit überhitztem Dampf lassen erkennen, dass bei unveränderter Bauweise der Dampfmaschine die Höhe der praktisch zulässigen Ueberhitzungstemperatur beim Eintritt in die Maschine 250° C. wenig überschreiten darf. Treibt man die Ueberhitzung noch wesentlich höher, so wird ein regelrechter Betrieb entweder überhaupt unmöglich, weil die Schmierung versagt, oder der Aufwand an Schmieröl wird so bedeutend, dass der ökonomische Wert der Ueberhitzung stark beeinträchtigt wird. Wie weit man an einer vorhandenen Dampfmaschine die Ueberhitzung treiben soll, ist am besten nur durch den Versuch festzustellen, da der Grad der zweckmässigsten Ueberhitzung sehr von der Ausführung der Maschine abhängt. In vielen Fällen der Praxis liessen sich selbst Temperaturen von 250° nicht verwerten, und man musste mit erheblich geringerer Ueberhitzung arbeiten. Dass trotzdem Ersparnisse an Dampf und Kohlen, und zwar oft im bedeutenden Masse, erzielt wurden, ergibt sich aus den mitgeteilten Versuchszahlen. Die Verbesserung der Oekonomie des Betriebes ist aber in solchen Fällen fast allein der Verbesserung des indizierten Wirkungsgrades, d.h. der Verminderung der Dampfverluste zuzuschreiben. In einzelnen Fällen kommt auch noch eine Verbesserung des Kesselwirkungsgrades zur Geltung. Dagegen ist die Verbesserung des theoretischen Arbeitsvorganges so geringfügig, dass sie kaum in Betracht kommt. Im Abschnitt B dieser Abhandlung ist dies näher ausgeführt. Die Tabellen V und VI bieten die Grundlage für eine Beurteilung des Einflusses der Ueberhitzung auf die Verbesserung des theoretischen Arbeitsvorganges. Ganz anders dagegen verhält es sich, wenn statt einer Ueberhitzung von 200 bis 250° eine solche von 350° verwendet wird. Dann gestaltet sich auch der theoretische Kreisprozess erheblich günstiger, und die Verbesserung desselben erlangt auch einen merklichen Einfluss auf die Gestaltung des Gesamtresultates. Um dies besser erkennen zu können, ist Tabelle XVI zusammengestellt worden. Dieselbe enthält die in Prozenten ausgedrückte Verbesserung des Wirkungsgrades des theoretischen Arbeitsprozesses für Auspuffmaschinen, und zwar einerseits für eine Ueberhitzung bis zu 250°, entsprechend der Verwendung des Dampfes in einer normalen Dampfmaschine, andererseits für eine Ueberhitzung bis zu 350°, wie sie bei den jetzt noch zu besprechenden Heissdampfanlagen zur Anwendung kommt. Tabelle XVI. p Wirkungsgrad η II Verbesserung von ηII in % GesättigterDampf Ueberhitzter Dampf t = 250° t = 350° t = 250° t = 350°   4 0,101 0,110 0,122 8,18 17,22   6 0,130 0,135 0,150 3,71 13,34   8 0,150 0,154 0,167 2,60 10,18 10 0,165 0,168 0,181 1,79   8,83 12 0,178 0,180 0,191 1,11   6,81 Bei mässiger Ueberhitzung bis zu 250° beträgt die zu erwartende Kohlenersparnis auf Grund der Verbesserung des Wirkungsgrades ηII hiernach etwa 2 bis 4 % für die gebräuchlichen Spannungen von 6 bis 10 at; bei Ueberhitzung bis zu 350° stellt sich dagegen die Ersparnis in entsprechender Weise zu 9 bis 14 %. Für Kondensationsmaschinen liegen die Verhältnisse ähnlich. Die entsprechenden Zahlen sind 0,8 bis 2 % Ersparnis bei 250° Ueberhitzung und 5 bis 7 % Ersparnis bei 350°. Will man daher auch von der Verbesserung des theoretischen Arbeitsvorganges einen merkbaren Vorteil für den ökonomischen Betrieb ziehen, so muss man die höchste Ueberhitzungstemperatur anwenden. Dann versagt aber die Dampfmaschine normaler Bauart für den dauernden Betrieb. Es wird notwendig, die Konstruktion der Dampfmaschine den hohen Temperaturen anzupassen. Dies ist in vorzüglicher Weise dem Ingenieur Wilhelm Schmidt bei der Konstruktion seiner Heissdampfmaschine gelungen. Die etwa 6jährige Erfahrung im Betriebe dieser Heissdampfanlagen hat zur Genüge bewiesen, dass es sehr wohl möglich ist, Dampf von 350° Temperatur und darüber dauernd im Dampfmaschinenbetriebe zu verwenden. Durch eine grosse Zahl einwandsfreier Versuche ist andererseits dargelegt worden, dass auch die erwartete Verbesserung der Oekonomie des Betriebes thatsächlich erzielt wurde. Ist doch schon an einer Maschine von etwa 120 i der beispiellos geringe Dampfverbrauch von 4,25 kg und ein Kohlen verbrauch von nur 0,64 kg für 1 i und Stunde konstatiert wordenZeitschrift des Bayerischen Dampfkesselrevisionsvereines, 1897 Nr. 11 und 12.. An einer anderen Maschine von etwa 75 i ergab sich ein Dampfverbrauch von 4,55 kg und ein Kohlen verbrauch von nur 0,574 kg pro i und StundeZeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure, 1895 S. 5 u. ff.. Doch nicht nur der Maschine hat der Erfinder seine besondere Aufmerksamkeit gewidmet, auch der Kessel zur Erzeugung des hoch überhitzten Dampfes hat eine eigenartige konstruktive Durchbildung nach ganz neuen Prinzipien erfahren. Erst aus der vereinten Wirkung dieser beiden zweckmässig durchgeführten konstruktiven Umformungen kann der bedeutende Fortschritt erklärt werden, der von den Schmidt'schen Heissdampfanlagen verkörpert wird. So offenbar nun dieser Fortschritt auch ist, so wäre es doch verfrüht, jetzt schon ein abschliessendes Urteil über das Schmidt'sche System zu fällen. Die ersten Anlagen waren nur für geringe Leistungen bestimmt; erst allmählich ging man zu grösseren Anlagen über, doch ist das Gebiet der Grossdampfmaschinen auch heute noch nicht vom Heissdampf erobert. Andererseits ist die bisherige Betriebszeit der Heissdampfanlagen noch zu gering, um die Dauerhaftigkeit der Anlagen richtig beurteilen zu können. Immerhin ist der Fortschritt ein unverkennbarer und berechtigt noch zu weiteren Hoffnungen. Das Ausführungsrecht der Schmidt'schen Patente ist von zahlreichen bedeutenden Firmen des In- und Auslandes erworben worden. 1. Die Heissdampfkessel. Während bei der allgemein üblichen Kesselbauart der Grundsatz leitend ist, möglichst trockenen Dampf zu erzeugen, und demnach die Kesselheizfläche über eine gewisse, oft sehr niedrige Grenze hinaus nicht beansprucht werden darf, liegt der Schmidt'schen Konstruktion die gegenteilige Absicht zu Grunde. Die vom Wasser berührte Heizfläche ist im Verhältnis zur Rostfläche wesentlich geringer als bei Kesseln zur Erzeugung gesättigten Dampfes. Die Beanspruchung fällt infolgedessen sehr hoch aus und beträgt normal 45 bis 50 kg auf 1 qm in der Stunde, so dass der entwickelte Dampf naturgemäss sehr nass sein muss. Die Ueberhitzung desselben erfolgt in einer Rohrspirale. Da der nasse Dampf zur nachträglichen Verdampfung des mitgerissenen Wassers eine erhebliche Wärmemenge nötig hat, so werden hierdurch die Wandungen der Rohrspiralen vor einer zu bedeutenden Erhöhung ihrer Temperatur geschützt. Textabbildung Bd. 312, S. 114 Fig. 86. Kesselanlage, bestehend aus zwei stehenden Heissdampfkesseln Patent Schmidt. In Fig. 86 ist eine Kesselanlage, bestehend aus zwei stehenden Heissdampfkesseln Patent Schmidt für 12 at, dargestellt; der zweite Kessel ist nur angedeutet. Diese Anlage diente auf der Nürnberger Landesausstellung 1896 zum Betriebe einer liegenden, einfach wirkenden Tandem-Kondensationsdampfmaschine von etwa 90 für das Eiswerk. Ueber die an dieser Anlage von dem Bayerischen Dampfkessel-Revisionsverein vorgenommenen Versuche wird später noch berichtet werden. Der stehende Kessel Fig. 86 wird von Quersiedern durchzogen und besitzt eine Heizfläche von etwa 7 qm. Die Heizgase treten durch das konzentrische Rohr des Kessels in den oben angeordneten Ueberhitzer, welcher aus zehn Lagen hintereinander geschalteter schmiedeeiserner Rohrspiralen von 50 mm lichter Weite und 5 mm Wandstärke gebildet wird. Der Ueberhitzer umfasst etwa 25 qm Heizfläche und wird in der Mitte von einem Rauchrohr durchzogen, welches oben bei der Mündung in den Schornstein durch eine Klappe verschlossen werden kann. Beim Anheizen des Kessels wird diese Klappe geöffnet, damit die Heizgase direkt durch das Rauchrohr entweichen können und der Ueberhitzer geschützt wird. Ist die Klappe dagegen ganz geschlossen, so müssen die Gase erst den Ueberhitzer passieren, bevor sie in den Schornstein gelangen können. Durch Verstellen der Klappe vom Heizerstande aus kann auch der Grad der Ueberhitzung während des Betriebes geregelt werden. Die Dampfführung ist folgende: Der nasse Dampf wird durch das Ventil a dem Dampfraume entnommen und bei c zuerst der obersten Rohrspirale zugeführt. Von hier durchströmt der Dampf die oberen sechs Lagen des Ueberhitzers im Gegenstrom zu den Heizgasen, tritt bei d aus, um bei e in die unterste Rohrspirale einzutreten und die vier unteren Lagen des Ueberhitzers im Gleichstrom mit den Feuergasen zu durcheilen. Bei f erfolgt die Ableitung des hocherhitzten Dampfes nach der Hauptleitung, von welcher der Kessel durch das Ventil g absperrbar ist. Diese Führung des Dampfstromes weicht ganz erheblich von der früher allgemein üblich gewesenen ab. Bei der früheren BauweiseM. Schröter, Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure, 1895 S. 6, Gutermuth, ebenda, 1896 S. 1395. wurde der nasse Dampf aus dem Kessel zuerst den beiden untersten Spiralen zugeführt, welche den Vorüberhitzer bildeten. Hier wurde das mitgerissene Wasser verdampft und der Dampf schwach überhitzt. Aus dem Vorüberhitzer gelangte der Dampf in ein weites ausserhalb des Kessels angebrachtes stehendes Rohr von etwa 250 mm Durchmesser. Dieses Rohr bildete den Nachverdampfer. Infolge des grösseren Rohrquerschnittes nahm der Dampf in diesem Gefäss eine kleinere Geschwindigkeit an. Hierdurch sollte erreicht werden, dass das etwa noch vorhandene Dampfwasser auf Kosten der Ueberhitzungswärme des übrigen Dampfes verdampfte und sich eine mehr gleichmässige Beschaffenheit des Dampfes einstellte. Ein derartiger Wärmeaustausch findet auch thatsächlich statt, denn bei normalem Betriebe ist die Temperatur beim Austritt aus dem Nachverdampfer um etwa 50 bis 70° niedriger als beim Eintritt in denselben. Von dem Nachverdampfer wird der Dampf zum Hauptüberhitzer in die oberste Rohrspirale eingeleitet und durch alle übrigen Spiralen im Gegenstrom zu den Heizgasen geführt. Ueber den obersten Spiralen des Hauptüberhitzers ist noch zur weiteren Ausnutzung der Heizgase eine dünnrohrige spiralförmige Heizschlange von vier Lagen zur Vorwärmung des Speisewassers angeordnet. Dass diese Bauweise nicht nur eine möglichste Schonung der Ueberhitzerflächen mit sich bringt, sondern auch eine vorzügliche Wärmeausnutzung zur Folge hat, lässt sich unter anderem aus dem Berichte von Professor M. Schröter über die am 28. und 30. Juli 1894 vorgenommenen Versuche an der ersten von der Maschinenbau-Aktiengesellschaft vormals Beck und Henkel in Kassel gebauten Verbundheissdampfmaschine System Schmidt ersehenZeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure, 1895 S. 5 u. ff.. Die Abmessungen des Kessels waren folgende: Heizfläche im ganzen 9,0 qm Durch Ausmauerung unwirksam 2,0 „ ––––––––––– Wasserberührte Heizfläche 7,0 qm Heizfläche des Vorüberhitzers 6,0 „        „           „   Hauptüberhitzers 32,5 „        „           „   Vorwärmers 12,0 „ Rostfläche 0,7 „ Arbeitsdruck 12 kg/qcm Die gemessenen mittleren Dampf-, Heizgas- und Speisewassertemperaturen sind in Tabelle XVII enthalten, während Tabelle XVIII die Wärmebilanz darstellt. Der nachgewiesene Kesselwirkungsgrad von 0,788 bezw. 0,785 muss als ein ganz vorzüglicher bezeichnet werden; auch lässt Tabelle XVII erkennen, dass die Ausnutzung der Heizgase eine sehr weitgehende ist, da sich die Fuchsgase noch um etwa 10° unter die Sättigungstemperatur des Dampfes abgekühlt haben. Die Bauart des Kessels ist daher eine höchst zweckmässige. Wenn trotzdem bei der in Fig. 86 dargestellten Kesselkonstruktion eine andere Führung des Dampfes im Ueberhitzer angewendet wird, so kann dies nur aus der gänzlich, veränderten Wirkungsweise des Vorwärmers erklärt werden. Tabelle XVII. 28. Juli 30. Juli Dampftemperaturen: Beim Eintritt in den Nachverdampfer °C. – 311,0    „    Austritt aus dem       „ „ 234,0 274,0    „    Hauptüberhitzer „ 350,0 357,0    „    Eintritt in die Maschine „ 318,0 344,0 Sättigungstemperatur „ 189,2 190,2 Heizgastemperaturen: Hinter dem Vorüberhitzer „ 655,0 700,0 Im Fuchs „ 181,0 180,0 Speisewassertemperaturen: Vor dem Vorwärmer „   26,4   30,0 Hinter dem Vorwärmer „   88,0   90,0 Tabelle XVIII. Für 1 kg KohleHeizwert 6985 bezw. 7154 W.-E. 28. Juli 30. Juli W.-E. % W.-E. % Zur Dampferzeugung verwendet 4542,0 65,0 4555,0 63,7   „   Ueberhitzung verwendet   484,5   6,9   585,4   8,2   „   Vorwärmung des Speisewassers   485,4   6,9   475,8   6,6 Gesamt nutzbar gemacht 5511,9 78,8 5615,2 78,5 Bei stark kesselsteinhaltigem Speisewasser werden die dünnen Spiralröhren, welche den Vorwärmer der früheren Bauart bilden, bald unwirksam, da sich bei der hohen Erwärmung des Speisewassers bis 90° und darüber der Kesselstein in bedeutendem Masse absetzt. Die Reinigung der Vorwärmerspiralen ist aber umständlich und erfordert die Ausserbetriebsetzung des Kessels. Um diesen Nachteil zu vermeiden, hat Schmidt die Konstruktion des Vorwärmers in mehrfacher Weise umgestaltet. Fig. 86 zeigt die Ausführung des Vorwärmers nach dem D. R. P. Nr. 89662. Der Vorwärmer ist hiernach nicht über dem Ueberhitzer in den Zug der Heizgase eingeschaltet, sondern vollständig vom Kessel getrennt. Er wird durch das Gefäss V gebildet (Fig. 86), in dem eine Heizschlange angebracht ist. Die Heizschlange ist durch das Ventil o und das Rohr l an den Dampfraum des Kessels angeschlossen und wird demnach vom Dampfe durchströmt, welcher bei m eintritt und bei n austritt. Von hier strömt der Dampf mit dem durch die Wärmeabgabe niedergeschlagenen Wasser durch das Rohr pq nach dem Ventil a, wo durch die Saugkraft des Hauptdampfstromes das Gemisch von Wasser Und Dampf mitgerissen und durch das Rohr bc in den Ueberhitzer geführt wird. Das Speisewasser tritt aus der Speiseleitung durch das Ventil r in die Zuleitung zum Ueberhitzer, welche bei s an das Gefäss V anschliesst. Durch das Rohr tu wird das vorgewärmte Wasser dem Kessel zugeführt. Die Ausschaltung des Vorwärmers kann leicht durch die Ventile r, v und o erfolgen. Das Wasser strömt dann direkt von der Speiseleitung zum Kessel. Das Ventil o ermöglicht auch eine Regulierung der Ueberhitzungstemperatur, indem durch Einstellung desselben eine grössere oder geringere Menge kondensierten Wassers bei a in die Ueberhitzerleitung tritt. Durch diese Konstruktion werden die Niederschläge des Kesselsteines in der Rohrspirale ganz beseitigt, während andererseits das Gefäss V sehr leicht, eventuell auch während des Betriebes, gereinigt werden kann. Um eine möglichst weitgehende Ausnutzung der Heizgase zu erzielen, ist jetzt aber der gesättigte nasse Dampf zuerst der obersten Ueberhitzerspirale zuzuführen, um die hier direkt in den Fuchs tretenden Heizgase möglichst weit abkühlen zu können. Eine Abkühlung bis unter die Sättigungstemperatur des Dampfes, wie sie nach Tabelle XVII durch den in den Fuchs gebauten Vorwärmer erreicht wurde, ist bei dieser Bauart nach Fig. 86 allerdings unmöglich. Immerhin wiegt bei schlechtem Speisewasser der Vorteil, den die Ausführungsart des Vorwärmers nach dem D. R. P. Nr. 89662 gewährt, diesen Nachteil erheblich auf. In Fig. 87 ist ein liegender Schmidt'scher Heissdampfkessel dargestellt, wie er von der Ascherslebener Maschinenbau-Aktiengesellschaft vormals W. Schmidt und Co. gebaut wird. Der Flammrohrkessel ist mit Vorfeuerung versehen und gibt seinen Dampf an den in einer besonderen Heizkammer eingebauten Ueberhitzer ab. Letzterer besteht aus 8 Rohrspiralen. Der gesättigte Dampf, welcher bei n dem Dampfdome des Kessels entnommen wird, strömt auch hier bei b wieder zuerst in diejenige Spirale, welche von den am weitesten abgekühlten Gasen bestrichen wird, das ist hier die unterste Spirale. Von hier werden die folgenden 5 Spiralen nach oben im Gegenstrom zu den Heizgasen durchzogen, während die beiden obersten Spiralen zuletzt den Dampf parallel zu den Heizgasen führen. Bei c tritt der überhitzte Dampf aus. Textabbildung Bd. 312, S. 115 Fig. 87. Liegender Schmidt'scher Heissdampfkessel von der Ascherslebener Maschinenbau-Aktiengesellschaft vormals W. Schmidt und Co. Die Heizung des Ueberhitzers erfolgt durch die Gase, welche den ersten Zug passiert haben. Durch Einstellung von Klappen lässt sich die durchtretende Menge der Heizgase regeln. Der überschüssige Teil derselben bestreicht die Mantelfläche des Kessels. Besondere Besprechung erfordert noch der Speisewasservorwärmer, der hier in anderer Weise, nämlich nach dem D. R. P. Nr. 89404, ausgeführt ist. Hinter dem Ueberhitzer ist wieder eine Heizschlange, bestehend aus 10 Lagen engröhriger Spiralen, eingebaut, welche aber nicht von dem vorzuwärmenden Kesselspeisewasser, sondern immer von ein und derselben kesselsteinfreien Wassermenge durchströmt wird. Auf diese Weise wird auch bei diesem Vorwärmer das sehr lästige Ansetzen von Kesselstein in den schwer zugänglichen und schlecht zu reinigenden dünnen Spiralrohren vermieden. Die Uebertragung der von den Heizgasen aufgenommenen Wärme an das Kesselspeisewasser erfolgt in folgender Weise. Das in der Heizschlange erwärmte Wasser tritt bei d aus, steigt in die Höhe und wird bei e in die in dem Speisewasserbehälter f eingebaute Wärmeschlange eingeführt. Infolge der Abkühlung sinkt das Wasser wieder zurück und tritt bei g aus, um der im Fuchs angeordneten Heizschlange wieder zuzufliessen, wo der Eintritt bei h erfolgt. Das Wasser zirkuliert also fortwährend und überträgt dabei die Wärme der Fuchsgase an das Kesselspeisewasser. Der im Speisewasserbehälter sich bildende Schlamm oder Kesselstein kann eventuell leicht beseitigt werden. Da die in den Wärmeschlangen zirkulierende Wassermenge zeitweise ergänzt werden muss, so ist bei e eine vom Dampfdom ausgehende Dampfleitung angeschlossen. Durch Kondensation des Dampfes wird das notwendige Ersatzwasser erzeugt. Auf demselben Wege wird auch beim Anheizen eines Kessels kesselsteinfreies Wasser in den Vorwärmerspiralen niedergeschlagen. Bei dieser Ausführung des Vorwärmers lassen sich eventuell die Heizgase bis unter die Sättigungstemperatur des Dampfes abkühlen. Nach diesen Erläuterungen ist auch die Konstruktion des in den Fig. 88 und 89 dargestellten, von der Maschinenfabrik J. E. Christoph in Niesky gebauten Heissdampfkessels verständlich. Der Ueberhitzer ist hinter dem Wellrohrkessel in einer besonderen Heizkammer untergebracht und erhält einen Teil der aus dem ersten Zuge austretenden Heizgase, während der andere Teil den Mantel des Kessels umspült. Der Eintritt des Dampfes in den Ueberhitzer erfolgt bei g, der Austritt bei h; die Dampfführung ist dieselbe wie bei den Fig. 86 und 87. Unter dem Ueberhitzer liegt die Vorwärmerschlange. Das Wasser tritt bei e aus, gelangt nach r, durchströmt die obere Spirale, tritt bei d wieder aus und gelangt bei f wieder zurück. Bei c schliesst die Dampfleitung an, welche zum Neufüllen bezw. Nachfüllen des Rohrsystems mit Zirkulationswasser dient. Textabbildung Bd. 312, S. 116 Heissdampfkessel von der Maschinenfabrik Christoph. Das Kesselspeisewasser tritt bei b in den Vorwärmer und bei a wieder aus, um in den Kessel zu gelangen. (Fortsetzung folgt.)