Ueber WasserröhrenkesselNach einem der Redaction seitens des Herrn Verfassers freundlichst übersandten Sonderabdruck.. Mit Abbildungen. Ueber Wasserröhrenkessel. In einem bemerkenswerthen Vortrage, gehalten in der Versammlung der Fachgruppe der Maschineningenieure am 10. Februar 1892, hat Inspector Fritz Krauss nach der Zeitschrift des Oesterreichischen Ingenieur- und Architektenvereins, 1892 Nr. 18, folgende Fragen erörtert: 1) Welches sind die Vortheile eines lebhaften Wasserumlaufes? 2) Wodurch wird der Umlauf hervorgerufen? 3) Was beeinflusst seine Richtung, was seine Lebhaftigkeit? Die Vortheile eines lebhaften, alle Kesseltheile durchströmenden Umlaufes beruhen theilweise auf mechanischen, theilweise auf calorischen Gründen, wenn ich mich so kurzer Ausdrücke bedienen darf. Werden alle Kesseltheile von einem lebhaften Umlaufe erreicht, so ist die Voraussetzung gerechtfertigt, dass der Wärmegrad im Kesselinneren wohl annähernd überall derselbe sei. Und weil der Wärmegrad der Kesselwand auch an ihrer äussersten Schicht sich nur verhältnissmässig wenig von der Temperatur des Kesselinneren unterscheidet, die Temperatur des Materials somit überall annähernd dieselbe ist, können die in Folge ungleicher Erwärmung des Kesselkörpers sonst entstehenden schädlichen Spannungen als vermieden betrachtet werden. Ferner sind auch durch einen lebhaften Umlauf jene Erscheinungen vermieden, die als Folge langsamer Erwärmung ruhender Wassermassen in Form von inneren Abzehrungen oder Anfressungen an den Kesselplatten sonst beobachtet werden. Theilweise sind auch die äusseren Abrostungen, welche durch die Condensation der in den Gasen enthaltenen Wasserdämpfe an relativ kalten Kesselplatten beobachtet werden, hintangehalten. Endlich aber muss erwähnt werden, dass in neuerer Zeit vorgenommene Versuche unzweifelhaft dargethan haben, dass sowohl Wärmeabgabe als Wärmeaufnahme fast im Verhältniss zu der Geschwindigkeit stehen, mit der die wärmeabgebenden und wärmeaufnehmenden, durch die Heizfläche von einander getrennten Medien an einander vorbeigeführt werden. Die zweite Frage, die ich mir gestellt habe, lautet: Wodurch wird der Umlauf hervorgerufen? Durch einen Versuch kann leicht gezeigt werden, dass schon bei der blossen Erwärmung des Wassers ohne Verdampfung ein Umlauf eintritt, indem die wärmer gewordenen Wassertheilchen durch die schwereren, kälteren Wassertheilchen, die nun die tiefste Stelle einzunehmen trachten, nach oben gedrängt werden. Da nun die Erwärmung nicht in sämmtlichen Theilen eines Wasserkörpers und in allen Punkten eine gleich starke sein kann, werden in jedem Zeittheilchen ungleich warme, folglich ungleich schwere Wassertheilchen vorhanden sein, welche den Umlauf veranlassen. Doch ist die Lebhaftigkeit des Umlaufes, die bei der Erwärmung eintritt, so trag im Verhältniss zu der bei der Verdampfung auftretenden, dass ihre gesonderte Betrachtung wohl ganz bei Seite gesetzt werden könnte. Wenn wir den Gegenstand einigermaassen gründlich betrachten, so lassen sich bis zur regelmässigen Verdampfung drei Vorgänge unterscheiden, von denen diese den letzten bildet. Der erste Vorgang, die Erwärmung ohne Verdampfung, kennzeichnet sich durch einen äusserst trägen Umlauf. Der zweite Vorgang ist die Bildung von Dampfblasen an den der Einwirkung des Feuers zuerst und unmittelbar ausgesetzten Heizflächen und nachfolgende Condensation der Dampfblasen in den kälteren Schichten. Dabei zeigt sich, dass die sich von der Feuerplatte ablösenden Dampfblasen während ihres Weges nach oben immer kleiner werden und gänzlich verschwinden, bevor sie den Wasserspiegel erreichen. Der Umlauf ist jedoch bedeutend und ungleich lebhafter als bei dem ersten Vorgang. Der dritte Vorgang kennzeichnet sich durch eine regelmässige Verdampfung. Die sich von der Feuerplatte ablösenden Dampfblasen werden während ihres Weges nach oben immer grösser, und durchbrechen endlich, in den Dampfraum platzend, den Wasserspiegel. Für diesen lebhaftesten Umlauf interessiren wir uns und dieser kann somit als von der stattfindenden Verdampfung hervorgerufen bezeichnet werden. Wir sind somit bis zur Beantwortung der dritten Frage vorgeschritten, welche lautet: Was beeinflusst ihre Richtung, was ihre Lebhaftigkeit? Diese Frage kann allgemein nicht beantwortet werden. Die Richtung und Stärke des Umlaufes ist für jede besondere Bauart, ja sogar für jeden einzelnen Kessel ganz specifisch. Um hierüber Aufschluss zu erhalten, ist es zunächst erforderlich, die Beschleunigung und daraus die Geschwindigkeit zu bestimmen, mit welcher eine Dampf blase bestimmter Grösse nach oben eilt. Eine Kraft P, welche der Masse m die Beschleunigung f ertheilt, steht in folgender bekannter Beziehung zu den beiden Grössen P = mf; P ist = W–D, wenn D das absolute Gewicht der Dampf blase, W das absolute Gewicht eines gleich grossen Wasserkörpers bedeutet, m ist =\frac{D}{g}, wenn g die Beschleunigung der Schwere bedeutet. Es ist somit W-D=\frac{D}{g}\,f\ \mbox{oder}\ f=g\,\left(\frac{W}{D}-1\right). Für W = 1000 und D = 5 für Dampf von 10 at absolut, wird f = 199 g oder etwa 200 g und v die erreichte Geschwindigkeit bis zu dem h Meter der Höhe nach entfernten Wasserspiegel =\sqrt{2\,.\,200\,g\,.\,h} Auf die Bewegungswiderstände, welche in der Erzeugung von Wirbeln bei der seitlichen Verdrängung der Wassermassen entstehen, ist hierbei keine Rücksicht genommen. Ferner ist es auch Bedingung, dass die seitliche Verdrängung der Wassermassen überhaupt möglich sei. Denkt man sich aber etwa über die aufstrebende Dampf blase ein Rohr geschoben, so ist sofort klar, dass die Dampfblase bei ihrem Wege nach oben sowohl die darauf liegende, als auch die an ihr hängende Wassersäule mitnehmen muss. Die potentielle Energie hierzu kann etwa von einer neben ihr gedachten gleich hohen Wassersäule ausgehend angenommen werden. Wird das Rohr mit der Dampfblase unten verschlossen, so bleibt die Dampfblase überhaupt stehen, da die potentielle Energie keine Gelegenheit hat, sich in kinetische umzusetzen. Ist der Querschnitt des Rohres unten verengt, so wird die Dampf blase wesentlich langsamer aufsteigen, als wenn der Querschnitt ganz geöffnet bleibt. Die Geschwindigkeit, mit welcher das Wasser in das Rohr einströmt, ist nun nach der Formel v=\sqrt{2\,g\,m\,h} zu berechnen, worin h die Höhe des Rohres, m das Verhältniss des Dampfvolumens zum Inhalt des ganzen Rohres bedeutet, wobei das absolute Gewicht der Dampfblase als im Verhältniss zur Wassermasse sehr klein betrachtet und die Widerstände vernachlässigt sind. Ist also etwa das Rohr ganz mit Dampf erfüllt, dann ist die Geschwindigkeit obiger Formel gemäss, für m = 1, v=\sqrt{2\,g\,h} , was übrigens auch von vornherein einleuchtend ist. Für den unten verengten Querschnitt bezieht sich die Geschwindigkeit auf die Verengung. Diese Erkenntniss gestattet schon, über die Bewegung des Wassers und des Dampfes in geneigt liegenden, engen Röhren einen Ueberblick zu erhalten. Ein Rohr besitze die bei Wasserrohrkesseln gebräuchliche Länge von 4 m, den gebräuchlichen Durchmesser von 10 cm und die gebräuchliche Neigung von 10° gegen die Wagerechte. Die Enden des Rohres seien in grosse Wasserkammern gefügt. Einer darunter gebauten Feuerung bietet das Rohr eine Heizfläche von 1,2 qm. Für einen Transmissionscoefficienten von 20 Calorien bezogen auf Stunde, Quadratmeter Heizfläche und Grad Temperaturdifferenz ergäbe sich eine stündliche Dampferzeugung bei Dampf von etwa 10 at absolut, wenn die Temperatur im Feuerraum mit 1200°, die Temperatur im Kesselinneren mit 180° angesetzt wird, von stündlich 42,5 k Dampf. Verlegen wir nun die Entstehung der Dampfblasen etwa in die Mitte des Rohres, so entfallen für das halbe Rohr 0,6 qm Heizfläche oder 25,5 k Dampf stündlich, entsprechend einem Volumen von 5,1 cbm oder 1,42 l in der Secunde. Die zur Erzeugung der Geschwindigkeit verfügbare Druckhöhe beträgt 2 sin 10° = 0,348 m, und aus der Formel \sqrt{2\,.\,200\,g\,.\,0,348} die Ausflussgeschwindigkeit am Ende des Rohres mit 36 m, die mittlere Geschwindigkeit 18 m. Wenn nun der Dampf den x-fachen Theil des ganzen Rohrquerschnittes einnimmt, so berechnet sich der Querschnitt des Dampffadens zu 1,42 . = 0,785 . x . 180, demnach x=\frac{1}{100}. Der Querschnitt des Dampffadens beträgt somit ungefähr 0,8 qc. Hierbei war vorausgesetzt, dass das Wasser vollkommen bewegungslos verharre. Soll aber der Dampf auch die Wassersäule beschleunigen, so muss er von seiner Geschwindigkeit verlieren; damit nun die berechnete Dampfmenge aus dem Rohre austrete, muss der Querschnitt des Dampffadens wesentlich grösser angenommen werden, mit einem Worte, die Dampf blasen müssen grösser ausfallen. Die Berechnung der Geschwindigkeit müsste nach der Formel v=\sqrt{2\,g\,m\,h} erfolgen. Stellen wir uns nun die Frage nach der grössten Geschwindigkeit, welche der Dampf dem Wasser überhaupt ertheilen kann, so könnte die Antwort folgendermaassen gefunden werden: Der Querschnitt des Rohres, welches zum Theil mit Wasser, zum Theil mit Dampf erfüllt ist, sei = 1; der Querschnitt des Dampffadens m, des Wasserfadens 1 – m. Dann ist die erreichbare Geschwindigkeit v=\sqrt{2\,g\,m\,h} und die bewegte Wassermenge (1-m)\,\sqrt{2\,g\,h\,m} oder \sqrt{2\,g\,h}.\ (\sqrt{m-m}\,\sqrt{m}). Soll nun dieser Ausdruck ein Maximum werden, so muss der Ausdruck innerhalb der Klammer ein Maximum werden. Den ersten Differentialquotienten gleich 0 gesetzt, ergibt: {\frac{1}{2}\,m}^{-\frac{1}{2}}-{\frac{3}{2}\,m}^{\frac{1}{2}}=0;\ \frac{1}{\sqrt{m}}=3\,\sqrt{m},\ \mbox{also }m=\frac{1}{3} Nimmt daher der Dampffaden ⅓ des Querschnittes vom ganzen Rohre ein, dann ist das Maximum des möglichen, regelmässigen Umlaufes erreicht. Für unseren Fall betrüge der Querschnitt \frac{0,785}{3}=0,261 und die erforderliche Geschwindigkeit 0,262 . v = 1,42 l, also v = 0,54 m. Die zur Erzeugung dieser Geschwindigkeit erforderliche Höhe 0,54=\sqrt{2\,.\,g\,.\,\frac{h}{3}} ergibt sich mit 0,045 m. Es würde daher bereits eine Neigung von 2° weitaus genügen, um die erforderliche Geschwindigkeit hervorzurufen. Mit Rücksicht auf die bedeutenden Widerstände dürfte indessen eine grössere Neigung gerechtfertigt erscheinen. Doch bleibt hierbei vorausgesetzt, dass auch für die Wasserzuführung an allen Stellen ein verfügbarer Querschnitt von mindestens ⅔ Rohrquerschnitt vorhanden sei. Wesentlich anders gestalten sich aber die Vorgänge, wenn vorn und hinten räumlich beschränkte Wasserkammern vorhanden sind. Diese sind dann wie früher das Rohr zu betrachten, die maximale Stromgeschwindigkeit tritt auch in diesen ein, wenn die Kammer zu ⅓ mit Dampf erfüllt ist. Da aber hauptsächlich die untersten Rohre, welchen die grösste Druckhöhe vom Wasserspiegel ab zur Verfügung steht, die Wasserzuführung besorgen werden, entfällt diese Aufgabe für die oberen Rohre, diesen bleibt daher keine Gelegenheit, sich an dem Umlaufe zu betheiligen. Wenn nun weiter der Querschnitt der Wasserkammern und der Anschlüsse an den Oberkessel so eng gewählt ist, dass er kaum den untersten zwei oder drei Rohrreihen entspricht, so kann auch nur in diesen die erwünschte und behauptete Richtung des Umlaufes nach vorn und oben zutreffen. In den darüber liegenden Rohren ist die Stromrichtung, was das Wasser anbelangt, umgekehrt, während die wenigen dort entstehenden Dampfblasen, mit Mühe gegen den Strom ankämpfend und mannigfache Wirbel erzeugend, der Dampfkammer zustreben. Textabbildung Bd. 285, S. 250Fig. 1.Textabbildung Bd. 285, S. 250Fig. 2. Zur Begründung der Richtigkeit dieser Ansicht will ich noch einiges hinzufügen. Wenn in Fig. 1 A den Oberkessel darstellt, mit welchem durch zwei ganz enge Stutzen BB die Wasserkammern CC verbunden sind, die mit einander wieder durch zahlreiche Rohre verbunden sind, die einer Feuerung von unten ausgesetzt sind, so muss es doch wohl eine starke Zumuthung genannt werden, den Glauben erwecken zu wollen, dass der lebhafte Umlauf durch alle Rohre in derselben Richtung und durch die engen Stutzen hindurch gehe. Allerdings wird eine Strömung im Oberkessel, wie die Pfeilrichtung anzeigt, stattfinden, ein zweiter Kreislauf muss indessen auch im Röhrenbündel entstehen. Denn das noch weiter schematisirte Bild des Kessels sieht etwa aus, wie in Fig. 2 gezeichnet ist, und darin bedeutet D einen cylindrischen Körper, dessen Querschnitt dem Gesammtquerschnitt der Rohre im Bündel gleichkommt. Diesen Körper der Einwirkung der Flamme von unten ausgesetzt gedacht, kann es nicht mehr zweifelhaft erscheinen, dass ein engerer und ein weiterer Umlaufstrom, welch letzterer auch den Oberkessel durchströmt, durch den Kessel geht. Auch eine andere Ueberlegung führt zu dieser Ueberzeugung. Der über dem Rohrbündel gelagerte Oberkessel stellt eigentlich auch nur ein sehr erweitertes Verbindungsrohr der beiden Kammern vor, in welchem die Strömungsrichtung entgegengesetzt der in den unteren Rohren vorhandenen Strömung ist. Denkt man sich nun den sonst frei bleibenden Raum zwischen Oberkessel und Röhrenbündel mit lauter Verbindungsrohren ausgefüllt, so sieht man sofort ein, dass in einem grossen Theil dieser Rohre eine Strömung von genau derselben Richtung wie im Oberkessel stattfinden muss. In dem bis zum Oberkessel reichenden Röhrenbündel findet demnach in den obersten Rohren und im Oberkessel eine Strömung nach rückwärts, in den untersten Rohren eine Strömung nach vorn statt. Die Strömung aus der rückwärtigen Wasserkammer in die vordere dampfführende Kammer wird durch den Unterschied der specifischen Gewichte der die Kammern füllenden Medien bewirkt. Der Vorgang könnte daher mit dem Abfliessen von Wasser aus einem hochgelegenen Gefäss in die Luft verglichen werden. Besitzt ein solches Gefäss eine senkrechte Abfalleitung von durchaus gleicher Weite, so strömt das Wasser unten mit der Geschwindigkeit v=\sqrt{2\,g\,h} aus. Wird die Rohrleitung aber an irgend einem Punkte oberhalb der Mündung angebohrt, so strömt bei der entstandenen Oeffnung keineswegs auch Wasser aus; ganz im Gegentheil, es wird Luft eingesogen und so auch bei jeder etwa noch höher angebrachten Oeffnung. Erst wenn der untere Querschnitt verengt wird, so dass Druck in die Leitung kommt, strömt bei den unteren Oeffnungen Wasser aus. Sobald aber die Summe der offenen Querschnitte den Querschnitt des Zuleitungsrohres übersteigt, findet eine Umkehrung des Stromes, ein Einsaugen statt. So liesse sich also die genaue Höhenlage der Umkehr bestimmen. Sie tritt in jenem Horizontalschnitt der Wasserkammer ein, für welchen der Gesammtquerschnitt der darunter liegenden Rohre grösser als ihr eigener wird. Endlich hat mich aber zu meiner Ueberzeugung die aufmerksame Beobachtung der Vorgänge des Umlaufes bei meinen Glasmodellen gebracht. Textabbildung Bd. 285, S. 251Fig. 3.Textabbildung Bd. 285, S. 251Fig. 4. Diese Bemerkungen beziehen sich auf alle Wasserrohrkessel, mögen dieselben dem Zweikammer-, Einkammer- oder Kapselsystem angehören. Ich will zunächst zeigen, dass zwischen Zweikammer- und Einkammerkessel gar kein grundsätzlicher Unterschied besteht. Stellt man sich zu diesem Zwecke etwa einen Zweikammerkessel vor, dessen Rohre vorn und hinten verschiedene Weite besitzen, so wäre das schematische Bild wie in Fig. 3 gezeichnet. Die wünschenswerthen Umlaufrichtungen sind durch Pfeile angegeben. Der Oberkessel habe dieselbe Neigung wie die Rohre. Wird nun dieses Bild in der Mitte um die Achse XX so zusammengeklappt, dass die Hälften auf einander fallen, so entsteht das folgende Bild (Fig. 4). Die engen Rohrstücke sind nun zu Einlageröhrchen geworden, die eine Kammerwand zur Scheidewand in der Wasserkammer des Einkammerkessels. Im Oberkessel laufen nun aber zwei einander entgegengesetzte Strömungen. Damit diese sich nicht stören oder sich gegenseitig aufheben, muss der Oberkessel, wenn ein Umlauf darin stattfinden soll, in zwei Theile getrennt werden. Diese Theilung kann etwa durch eine Querwand geschehen, wie es die Düsseldorf-Ratinger Röhrenkesselfabrik Dürr und Co. in Ratingen, Willmann in Dortmund, ausführt; oder es können zwei Oberkessel angeordnet werden, von denen jeder nur mit einer Kammerseite in Verbindung steht; oder es kann ein Rohr eingelegt werden, wie es Dürr, Gehre und Co. in Mödling ausführen. Diese Theilung des Oberkessels ist aber eine Nothwendigkeit, die in der Bauweise begründet ist. Manche Firmen glauben dadurch etwas Besonderes geleistet zu haben und kündigen ihre Kessel als Umlaufkessel mit räumlich von einander getrennten Wasser- und Dampfwegen an. Es ist aber nun begreiflich, dass diese räumliche Trennung durchaus nichts Besonderes bedeutet, sondern vielmehr geradezu ein Erforderniss ist. Bei den Einkammerkesseln ist aber der Querschnitt der Wasser- und Dampfwege in den Rohren, bei gleichem Durchmesser derselben, wesentlich enger als bei Zweikammerkesseln, und dies ist wohl zu beachten. Textabbildung Bd. 285, S. 251Fig. 5. Endlich will ich auch noch die Kapselkessel in den Kreis meiner Betrachtung ziehen. Kapselkessel (Fig. 5) bestehen aus einem Oberkessel und einem darunter liegenden Röhrensystem. Die Rohre sind unter einander durch Köpfe, und diese wieder durch Kapseln verbunden. Die obersten Köpfe sind durch mehrere Rohre mit dem Oberkessel verbunden, während die unteren Köpfe durch ein Querrohr vereinigt und durch ein weiteres Rohr ebenfalls mit dem Oberkessel in Verbindung stehen. Ebenso wenig wie bei den schon betrachteten Anordnungen kann hier vorausgesetzt werden, dass ein lebhafter Strom durch alle Rohre in gleicher Richtung und durch die vordere und hintere Verbindung den Oberkessel durchziehe. Auch hier muss daher eine Rückkehr des Wassers in dem Röhrenbündel angenommen werden. Bei einem solchen Kessel belgischen Ursprunges ereignete sich gelegentlich eines in Oesterreich vorgenommenen Versuches folgendes Vorkommniss: Während des Versuches sank plötzlich das Wasser im Wasserstandsglas und verschwand ganz aus dem Glase. Trotz eifrigen Nachspeisens dauerte es geraume Zeit, bis der Wasserspiegel im Glase wieder sichtbar wurde. Dann aber stieg das Wasser ebenso schnell, als es früher gefallen war, wieder über das Glas hinaus und der Oberkessel war voll Wasser. Dieses merkwürdige Spiel, das sich mehrmals wiederholte, machte natürlich die Fortsetzung des Versuches unmöglich. Doch kann der geschilderte Vorgang leicht erklärt werden, wenn man bedenkt, dass die Wege durch die Kapseln sowohl für Dampf und Wasser ausserordentlich gedrosselt sind. Beim gleich- und regelmässigen Betrieb läuft der Strom im Röhrenbündel und durch den Oberkessel um. Wird in diesen nun gespeist, so fällt sofort das kalte Wasser wie Blei in die unteren Rohre, in welchen nun plötzlich die Dampfentwickelung, damit aber auch der Umlauf zum Stillstand kommt. Der Strom bewegt sich nur noch in den oberen Rohren, die wenigen Dampf blasen, die sich in den unteren Rohren bilden, setzen sich an irgend einer Stelle fest und finden keine Gelegenheit, sich dem oben umgehenden Strom anzuschliessen oder in denselben einzutreten. Findet nun eine plötzliche Abkühlung etwa in Folge Oeffnung der Feuerthür statt, so condensiren sofort die angesammelten Dampfblasen und das Wasser sinkt plötzlich aus dem Oberkessel. Wird nun etwa wieder gespeist, so wiederholt sich der Vorgang, bis endlich eine grössere Dampfblase das Wasser in den Oberkessel zurückwirft und den ursprünglichen Kreislauf wieder herstellt. Am Schlusse möchte ich nochmals ausdrücklich hervorheben, dass es mir einzig und allein um die Darstellung der Umlaufvorgänge ohne Rücksicht auf den Einfluss derselben auf sparsamen Betrieb, Dauer der Kessel u.s.w. zu thun war. Auch bedeuten die beigefügten Figuren keineswegs Kessel bestimmter Typen und bestimmten Fabrikates, sie waren mir nur als schematische Bilder zur Darstellung meiner Ansichten dienlich. Wenn ich nun endlich das Ergebniss meiner Untersuchung zusammenfasse, so kann ich dies in folgendem Satze thun: Ein regelmässiger lebhafter und gleichgerichteter Umlauf in allen Röhren eines Wasserrohrkessels ist nur dann möglich, wenn – geringe Rohrneigung und mindeste Beanspruchung des Kessels vorausgesetzt – der Gesammtquerschnitt des Rohrbündels um nicht mehr als die Hälfte des sonst engsten Querschnitts grösser bemessen ist. Der Umlauf kann aber unter normalen Umständen und bei den gebräuchlichen Rohrneigungen nur dann sicher erzielt werden, wenn der Gesammtquerschnitt durch die Rohre überhaupt der engste des Kessels wird.