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Vorwärmer

[803] Vorwärmer sind Vorrichtungen zur Erhöhung der Temperatur des Speisewassers für Dampfkesselanlagen.

Kann die Vorwärmung durch eine Wärmequelle erfolgen, die sonst unausgenutzt bleiben würde, so bietet die Vorwärmung den Vorteil einer bemerkenswerten Wärmeersparnis (bis 10% und darüber). Außerdem wird der Kesselkörper bei Speisung mit heißem Wasser mehr geschont, weil er sicherer vor Harken Temperaturänderungen geschützt ist, weil im Vorwärmer teilweise eine Abscheidung von kesselsteinbildenden Stoffen erfolgen kann und weil die Anstrengung der Kesselheizfläche bei gleicher Dampfentwicklung eine geringere ist. Nach der Art des Heizmittels lassen sich drei Arten von Vorwärmern unterscheiden: 1. Vorwärmer mit Abdampfheizung (Abdampfvorwärmer), 2. Vorwärmer mit Frischdampfheizung (Frischdampfvorwärmer), 3. Vorwärmer mit Rauchgasheizung (Rauchgasvorwärmer, Kesselzugvorwärmer oder Economiser).

Die Vorwärmung mit Abdampf kommt für Auspuffdampfmaschinen in Frage, sofern der Abdampf nicht anderweitig zur Heizung von Wohnräumen u. dergl. gebraucht wird. Für Kondensationsdampfmaschinen kommen Abdampfvorwärmer als sogenannte Vorkondensatoren zur Anwendung, indem der Vorwärmer zwischen Zylinder und Kondensator geschaltet wird. Da bei der geringen Dampftemperatur die Vorwärmung nur eine geringe sein kann, so ist hierbei auch der Nutzen gering. – Abdampfvorwärmer offener Bauart, bei denen eine unmittelbare Mischung des Abdampfes mit dem Speisewasser erfolgt, sind wegen des Oelgehaltes des Dampfes nicht zu empfehlen. Man wendet deshalb getrennte Führung für Dampf und Wasser in einem geschlossenen, unter Druck stehenden Röhrensystem an. Der Dampf geht entweder durch oder um die Röhren; was zweckmäßiger ist, entscheidet die Rücksicht auf bequeme Reinigung und geringe Wärmeausstrahlungsverluste. Im allgemeinen ist es vorzuziehen, den Dampf durch die Röhren zu leiten, weil hierbei die Strahlungsverluste am geringsten werden. Unbedingt erforderlich ist diese Anordnung bei Vorwärmern mit gebogenen oder ineinander gefleckten Röhren (Fig. 5–9), weil bei diesen eine Innenreinigung von Kesselstein nur sehr schwer möglich wäre. Bei geraden Röhren (Fig. 1–4) wird vielfach das Wasser durch die Röhren und der Dampf um die Röhren geleitet, was nur bei großen Rohrbündeln mit kleinem Rohrabstand keinen Vorzug gewährt, weil dann die Reinigung der Außenseite der Röhren nicht immer leicht ausgeführt werden kann. Verstopfungen der Röhren durch Kesselstein sind bei dieser Anordnung nicht ausgeschlossen. Die Röhren von 40–60 mm Durchmesser werden der Billigkeit wegen nicht seiten aus Schmiedeeisen hergestellt, doch sind Kupferrohre, um Anfressungen zu vermeiden, vorzuziehen. Damit der Gegendruck auf den Kolben der Dampfmaschine nicht erhöht wird, muß für den ausströmenden Dampf der Querschnitt im Vorwärmer mindestens gleich dem ⁵/₄fachen Querschnitt des Auspuffrohres der Maschine sein. Der Wasserinhalt des Vorwärmers sei gleich ¹/₅ bis ¹/₄ der stündlich erforderlichen Speisewassermenge.[803]

Wird das Wasser durch die Röhren geführt, so begnügt man sich häufig mit der Hälfte des oben angegebenen Wasserinhaltes. Die Heizfläche des Vorwärmers wird zu 7–8% der Heizfläche des betreffenden Kessels gewählt. Die Heizfläche ist auf der dampfberührten Seite zu messen. Zur Verminderung der Ausstrahlungsverluste ist der Vorwärmer und die Speiseleitung bis zum Kessel sorgfältig mit Wärmeschutzmasse zu umkleiden. Um den Röhren eine freie Ausdehnung zu ermöglichen, werden sehr verschiedene Konstruktionen in Anwendung gebracht. Bei dem Vorwärmer von Schneider & Helmecke, Magdeburg, Fig. 1 und 2, sind die geraden, vom Wasser durchströmten Röhren an dem einen Ende in einer festverschraubten, am andern Ende in einer verschiebbaren Rohrwand eingewalzt. Die letztere ist mit einem in einer Stopfbüchse geführten Rohr für die Wasserzuführung verbunden. Soll die hierdurch ermöglichte freie Ausdehnbarkeit des Röhrensystems voll zur Geltung kommen, so muß die Verbindung mit der Speiseleitung durch ein Ausgleichrohr (Kompensationsstück, Krümmer) oder dergleichen erfolgen. Da alle Röhren in gleicher Richtung vom Wasser durchlaufen werden, so kann auf eine nahezu gleichmäßige Ausdehnung aller Röhren gerechnet werden, so daß die Befestigungsstellen der Röhren nur geringe Spannungen erhalten dürften. Das Röhrensystem kann behufs Reinigung herausgezogen werden. Die Fig. 3 und 4 zeigen eine andre Vorwärmerkonstruktion derselben Firma; die geraden, wasserdurchströmten Röhren sind teilweise hintereinander geschaltet, was durch die beiden, mit entsprechenden Kammern versehenen Kopfstücke erreicht wird. Das innere bewegliche Kopfstück ist durch eine Mittelrippe und die hierzu senkrecht liegenden, in Fig. 3 im Schnitt erkennbaren Rippen geteilt. Je zehn Röhren sind parallel geschaltet. Die Ausdehnung der Röhren wird hier dadurch ermöglicht, daß das innere Kopfstück frei beweglich gelassen ist. Diese Anordnung bietet den Vorteil, daß die beiden Enden der Speiseleitung ohne Ausgleichstück an dem äußeren, festliegenden Kopfstück angeschlossen werden können. Allerdings werden sich die Röhren der einzelnen, hintereinander geschalteten Abteilungen wegen der verschiedenen Erwärmung des Wassers verschieden stark ausdehnen müssen, so daß die Rohrbefestigungsstellen der inneren Rohrwand stärkere Spannungen aufzunehmen haben als bei den Fig. 1 und 2. Das Rohrsystem kann nach Lösung der Schrauben am Flansch des äußeren Kopfstückes herausgezogen werden. Die Fig. 5–7 zeigen einen Vorwärmer mit gebogenen Röhren nach der Ausführung von A. Büttner & Co., Uerdingen a. Rh. Der Dampf geht durch die ∩-förmig gebogenen Röhren. Da sich jedes Rohr einzeln in verschiedener Weise ausdehnen kann, so werden die Rohrbefestigungsstellen nur wenig leiden. Das Wasser umgibt die Rohre, von unten in den reichlich bemessenen Glockenraum eintretend, und wird oben, also an der Stelle der höchsten Temperatur, durch ein Ueberlaufrohr abgeführt. Der sich im Glockenraum absetzende Schlamm kann durch einen Stutzen abgeleitet werden. Ebenso ist unten ein Stutzen zur Abführung des Kondenswassers vorhanden. Sämtliche Stutzen befinden sich an dem gußeisernen Fuß, so daß zum Abheben der Glocke nur die Lösung der Schrauben am Winkeleisenflansch erforderlich ist. Auch bei dem mit geraden, vom Dampf durchströmten Doppelröhren versehenen Vorwärmer Fig. 8 und 9 ist eine völlig unabhängige Ausdehnung der Röhren möglich. Die oben und unten offenen Innenröhren werden aus Eisen, die unten offenen und oben geschlossenen Außenröhren besser aus Kupfer hergestellt.

Vorwärmer mit Frischdampfheizung werden nur seiten benutzt; ein Beispiel bietet der Schmidtsche Heißdampfkessel[804] (s. Ueberhitzer, S. 682, Fig. 29). Der Vorwärmer (D.R.P. Nr. 89662) wird durch das Gefäß V gebildet, in dem eine Heizschlange angebracht ist. Diese ist durch das Ventil o und das Rohr l an den Dampfraum des Kessels angeschlossen und wird demnach vom Dampfe durchströmt, der bei m eintritt und bei n austritt. Von hier strömt der Dampf mit dem durch die Wärmeabgabe niedergeschlagenen Wasser durch das Rohr p q nach dem Ventil a, wo durch die Saugkraft des Hauptdampfstromes das Gemisch von Wasser und Dampf mitgerissen und durch das Rohr b c in den Ueberhitzer geführt wird. Das Speisewasser tritt aus der Speiseleitung durch das Ventil r in die Zuleitung zum Vorwärmer, die bei s an das Gefäß V anschließt. Durch das Rohr t u 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 unmittelbar von der Speiseleitung zum Kessel. Bei dieser Bauart bleibt die Vorwärmerspirale frei von Kesselstein. Das Gefäß V kann nötigenfalls auch während des Betriebes von Kesselstein gereinigt werden.

Vorwärmer mit Rauchgasheizung, die in die Kesselzüge bezw. in den Fuchs eingebaut werden, bieten Vorteile, wenn eine weitgehende Abkühlung der Heizgase allein durch die Kesselheizfläche wegen zu hoher Belastung derselben nicht erreicht werden kann. Die Fig. 10 und 11 zeigen einen im letzten Kesselzüge liegenden Vorwärmer, der aus zwei Zylindern von 0,6 m Durchmesser und 6,65 m Länge besteht. An Stelle eines großen, innen befahrbaren Zylinders werden auch mehrere dünnere Röhren angewendet, die aber behufs Reinigung von Kesselstein im Innern zugänglich sein müssen. Der Vorwärmer kann auch in einer besonderen gemauerten Kammer untergebracht werden. Die Fig. 12 und 13 geben einen solchen Röhrenvorwärmer von Walther & Co., Kalk bei Köln, wieder. Durch Drehung einer Kurbel werden die beiden Absperrklappen gehoben oder gesenkt, je nachdem der Vorwärmer aus- oder eingeschaltet werden soll. Die geraden Röhren sind an den Enden durch kurze Krümmer verbunden, die metallisch mit den Röhren gedichtet sind und sich leicht abnehmen lassen, wenn eine Innenreinigung der Röhren nötig wird. Aehnlich ist der Greensche Economiser, der aus gußeisernen, senkrecht gestellten Rohren besteht, die durch ein ständig arbeitendes System von Schabern frei von Ruß gehalten werden. Bei schmiedeeisernen Rohren, die sich leichter verbiegen, wird der Ruß mit Dampfstrahl abgeblasen. – Nach dem D.R.P. Nr. 89404 von W. Schmidt wird in die Heizgase eine Rohrspirale eingebaut, die aber nach Fig. 14 nicht von dem vorzuwärmenden Kesselspeisewasser, sondern immer von ein und derselben kesselsteinfreien Wassermenge durchströmt wird. Auf diese Weise wird auch bei diesem Vorwärmer, ähnlich wie bei dem Frischdampfvorwärmer von W. Schmidt nach D.R.P. Nr. 89662, das sehr lästige Ansetzen von Kesselstein in den schwer zugänglichen und schlecht zu reinigenden dünnen Spiralrohren vermieden. 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[805] 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 kreist also fortwährend und überträgt dabei die Wärme der Fuchsgase an das Kesselspeisewasser. Der im Speisewasserbehälter sich bildende Schlamm oder Kesselstein kann leicht beteiligt werden. Da die in den Wärmeschlangen kreisende Wassermenge zeitweise ergänzt werden muß, so ist bei e eine vom Dampfdom ausgehende Dampfleitung angeschlossen. Durch Kondensation des Dampfes wird das notwendige Ersatzwasser erzeugt.

Für die Berechnung der Heizfläche von Rauchgasvorwärmern kann die S. 685 für Ueberhitzer gegebene Gleichung 1 benutzt werden, wenn T₁ und T₂ die Gastemperaturen vor bezw. hinter dem Vorwärmer und t₁ bezw. t die Wassertemperaturen bei Austritt aus, bezw. beim Eintritt in den Vorwärmer bedeuten; dabei ist Q = D (t₁ – t) zu setzen. Für k wähle man bei reinen Heizflächen 10 bis 15. Als gegeben sind T₁ und t anzusehen. Es ist dann entweder T₂ oder t₁ anzunehmen, worauf sich der noch fehlende vierte Wert aus der S. 686 für Ueberhitzer gegebenen Gleichung 3 berechnen läßt.

Der Einbau eines Vorwärmers in den Fuchs einer Kesselanlage empfiehlt sich gewöhnlich nur dann, wenn die Gase an dieser Stelle noch eine verhältnismäßig hohe Temperatur (300° und darüber) besitzen. Bei richtiger Bemessung und Anordnung des Vorwärmers ist dann eine Erwärmung des Speisewassers bis zu 120 und 130° möglich. Die zu erzielende Kohlenersparnis fällt dementsprechend bedeutend aus, doch erfordern die in den Fuchs einzubauenden Vorwärmer gewöhnlich größere Anlage- und Unterhaltungskosten als Abdampfvorwärmer. Bei Neuanlagen ist es meist zweckmäßiger, die beabsichtigte Ausnutzung der Kesselgase durch reichliche Bemessung der Kesselheizfläche zu erreichen; bei vorhandenen überlasteten Kesselanlagen kann dagegen der Einbau von Vorwärmern recht nützlich werden. – Literatur s. unter Dampfkessel.

O. Herre.

Fig. 1 und 2.

Fig. 3 und 4.

Fig. 5–7.

Fig. 8 und 9.

Fig. 10 und 11.

Fig. 12 und 13.

Fig. 14.