Dampfkessel

Dampfkessel

Zu jeder Dampfmaschinenanlage gehört als unentbehr-licher Bestandteil die Dampfkesselanlage, bestehend aus einem oder mehreren Dampfkesseln.
Dampfkessel sind Gefäße, durch deren Wandungen hindurch die Wärme des Brennstoffes auf das in ihnen enthaltene Wasser zum Zwecke der Dampfentwicklung übertragen werden soll.
Daraus ergeben sich folgende Forderungen, denen ein Dampfkessel genügen muß:

1. Er muß so fest sein, daß er dem in seinem Innern auftretenden Dampfdruck Widerstand leistet, und so dicht, daß durch keine Fuge Dampf entweichen kann.

2. Er muß zugleich die Einwirkungen des Feuers auf seine Wandungen ertragen können.

3. Er muß der Wärme möglichst leichten Durchgang durch seine Wandungen gestatten.

1. Die Brennstoffe

Alle Brennstoffe, die zur Heizung von Dampfkesseln verwendet werden, enthalten als wichtigsten Bestandteil den Kohlenstoff; daneben Wasserstoff, Stickstoff und andere Elemente. Unter Heizwert verstehen wir die Zahl von Wärmeeinheiten, die bei der vollständigen Verbrennung von 1kg des Brennstoffes entwickelt werden...

Heute lautet die exakte Definition: Unter dem Heizwert H versteht man das Verhältnis der bei der Verbrennung frei werdenden Wärmemenge zur Masse des verbrannten Stoffes.
Heizwert H = Wärmemenge Q / Masse m
Es ist zu beachten: Man unterscheidet zwischen Verbrennungswärme (früher: oberer Heizwert) und Heizwert (früher: unterer Heizwert). Bei der Verbrennungswärme Ho ist nicht berücksichtigt, daß für das Verdampfen des bei der Verbrennung vorhandenen Wassers ein Teil der Wärmeenergie benötigt wird. Beim Heizwert Hu wird dieser Betrag abgezogen.
In der Technik wird nur mit dem Heizwert Hu gerechnet.

...Diese Zahl beträgt für reinen Kohlenstoff 8080 kcal / kg = 33,8 MJ / kg - das entspräche Steinkohle allerbester Qualität) und für Wasserstoff 34 462 Wärmeeinheiten, die größte überhaupt bekannte Heizkraft eines Elementes. Da der Wasserstoff bei den festen Brennstoffen aber in der Regel schon in Verbindung mit Sauerstoff vorkommt, so kann er für den Heizwert nicht mehr in Betracht kommen; dieser richtet sich in dem Falle lediglich nach der in ihm enthaltenen Menge Kohlenstoff.
Die Bestimmung vom Heizwert eines Brennstoffes ist eine Sache von großer Bedeutung, die zur genauen Untersuchung einer Maschinenanlage gehört. Es kann die Wirtschaftlichkeit des Betriebes nur dann genau festgestellt werden, wenn man weiß, wie viele Wärmeeinheiten in 1 Tonne Kohlen dem Betriebe zur Verfügung gestellt sind. Ferner ist auch nur nach dem Heizwert genau zu entscheiden, welche Kohlensorte im einzelnen Falle am preiswürdigsten ist.
Wichtig ist aber die Gegenwart des Wasserstoffes bei den verschiedenen Erdölen, weil er hier an den Kohlenstoff gebunden ist und, mit ihm zugleich verbrennend, seinen Beitrag zum Heizwert liefert.
Da die Heizwerte der chemischen Elemente genau bekannt sind, könnte man für den jeweils vorliegenden Brennstoff den Heizwert so bestimmen, daß man denselben auf seine chemische Zusammensetzung untersucht und als Heizwert die Wärmemenge rechnet, welche die Elemente, einzeln verbrannt, ergeben würden. Diese Methode ist jedoch insofern nicht genau, als sie das Vorhandensein chemischer Verbindungen nicht genügend berücksichtigt, und andererseits ist die chemische Analyse viel umständlicher als die direkte Heizwertbestimmung, die daher regelmäßig angewendet wird.
Die Bestimmung geschieht nach der kalorischen Methode auf folgende Weise:
Eine abgewogene Menge von der durchschnittlichen Zusammensetzung der zu messenden Kohlensorte wird in ein vernickeltes Stahlgefäß, die sogenannte Berthelotsche Bombe gelegt und der übrige Raum mit Sauerstoff von 20 Atmosphären angefüllt. Dann wird die Bombe fest verschraubt und in das Wassergefäß eines Kalorimeters gehängt; durch elektrischen Strom wird die Brennstoffmenge entzündet, welche in dem reinen Sauerstoff nun vollständig verbrennt. Aus der mit einem feinen Thermometer gemessenen Temperaturerhöhung wird die bei der Verbrennung entwickelte Wärmemenge festgestellt und auf die Gewichtseinheit reduziert.
Die auf solche Weise bestimmten Heizwerte sind im Mittel folgende:

durchschnittliche Zusammensetzung des wasserfreien
Teiles nach Abzug der Aschenbestandteile:

	Wassergehalt in %	Aschengehalt in %	Wärmewert in W.E.	Durchschnittliche Zusammensetzung des wasserfreien Teils nach Abzug der Aschenbestandteile
Holz	10	1,5	3600	50 C 50 H2O
Torf	35 - 15	30 - 1	1500 - 4800	54 C 45 H2O 1 H
Braunkohle	50 - 7	10 - 5	3500 - 4500	70 C 28 H2O 2 H
Steinkohle	5	5	6100 - 7500	83 C 13 H2O 4 H
Erdöl	-	-	10500	83 C ---- H2O 13 H 4O

Die Steinkohlen sind umso gasärmer, je höher ihr geologisches Alter ist. Man findet einen allmählichen Übergang von der gasreichen Sandkohle, die 44 - 50 % flüchtige Bestandteile enthält, bis zum Anthrazit mit nur 5 - 10 % flüchtigen Bestandteilen.

2. Die Dampferzeugung

Die Dampferzeugung setzt sich aus zwei Vorgängen zusammen, der Verbrennung und der Wärmeübertragung, von derem richtigen Verlauf die Wirkung des Kessels abhängt. Die Verbrennung mit der aufgrund der chemischen Verbindungsgewichte berechneten Sauerstoffmenge würde theoretisch die höchste Temperatur und den besten Wirkungsgrad ergeben; dafür wäre aber Voraussetzung, daß jedes Sauerstoffatom mit einem Kohlenstoffatom zusammentreffen müßte, womit nicht zu rechnen ist. Deshalb hat man immer einen gewissen Überschuß an Luft und rechnet meistens mit der doppelten theoretischen Luftmenge. Ein zu großer Luftüberschuß wirkt wiederum ungünstig, weil er die Temperatur der Verbrennungsgase herabsetzt.
Indem sich nun die Verbrennungsgase an den Kesselwandungen entlang bewegen, geben sie durch Berührung den größten Teil ihrer Wärme ab, diese dringt durch die Wandung und teilt sich dem Wasser mit. Eine vollständige Wärmeabgabe kann nicht erfolgen, da einerseits die Wärme nur vom heißeren zum kälteren Körper übergeht, also die Gase immer noch heißer sein müssen als die Kesselwandungen, und weil sie schließlich eine gewisse Temperatur haben müssen, um durch den Schornstein abgeführt zu werden. Damit aber innerhalb dieser Beschränkung möglichst viel Wärme abgegeben wird, führt man die Verbrennungsgase in der verschiedensten Weise teils um den Kessel herum, teils durch ihn hindurch.