1. Der Schornstein und seine
Wirkung
Zu einer vollständigen Dampfmaschinenanlage gehört außer
den Kesseln und Maschinen eine größere Anzahl von
Einrichtungen, die teils für jeden einfachsten Betrieb unumgänglich
nötig sind, teils dazu dienen, gewisse durch die örtliche
Lage bedingte Schwierigkeiten zu überwinden, oder die
Ausnutzung der Brennstoffe zu verbessern. Die Gesamtheit der
mit den Dampfmaschinen vereinigten Teile bezeichnen wir als
Maschinenanlage.
Bei der Beschreibung der Dampfkessel haben wir gesehen, daß
dem Brennstoff eine bestimmte Luftmenge zugeführt werden muß,
um die Verbrennung zu unterhalten, dazu müssen die
Verbrennungsprodukte auf bestimmten Wegen an den
Kesselwandungen entlang geführt werden. Da die Bewegung der
Gase gegen einen gewissen Reibungswiderstand arbeitet, so muß
eine treibende Kraft vorhanden sein, die der Schornstein
liefert. Dessen zweite wichtige Aufgabe es, die
Verbrennungsprodukte so hoch in die Luft zu treiben, daß sie
der Nachbarschaft nicht schädlich oder lästig werden.
Die treibende Kraft des Schornsteins kommt dadurch zustande,
daß die in ihm befindlichen erwärmten Gase ein geringeres
Gewicht haben als die sie umgebende kalte Luft, und daher
nach dem Gesetz der kommunizierenden Röhren emporsteigen,
indem sie über dem Rost einen luftverdünnten Raum erzeugen,
in den die kalte Luft strömt. Der Überdruck, mit dem das
geschieht, beträgt 9 - 15 mm Wassersäule (0,0009 - 0,0015
bar), je nach dem Widerstand, den die Gase auf ihrem Weg
durch die Feuerungsanlage zu überwinden haben.
Bei der Bemessung des Querschnittes, den den Heizgasen zur
Verfügung stehen muß, ist zu bedenken, daß zur Verbrennung
von 1 kg Steinkohle etwa 16 m3 Luft zugeführt werden müssen,
die entstandene Gasmenge aber wegen der erhöhten Temperatur
einen bedeutend größeren Raum einnimmt.
Auf dem Wege durch den Kessel fällt die Temperatur infolge
der Wärmeabgabe. Während die Verbrennungs-temperatur 900 -
1400° C. beträgt, ist die Temperatur der Heizgase im
letzten Teil der Rauchkanäle, den man den Fuchs nennt, bis
auf 500 bis 170°C. gesunken. An dieser Stelle ist der
Querschnitt gleich 1/4 der Rostfläche, in den ersten Zügen
vom Rost aus etwa gleich 2/5 desselben.
Die Größe des Schornsteinquerschnittes an der oberen Mündung
hängt von der Menge des in einer Stunde verbrauchten
Brennstoffes ab, die Höhe von der Stärke des erforderlichen
Zuges, d.h. des Überdruckses am Rost.
Bei langsamer Verbrennung der Kohlen auf verhältnismäßig
großer Rostfläche brauchen wir geringe Höhe bei großem
Querschnitt; umgekehrt ist bei starker Beanspruchung des
Rostes die Geschwindigkeit der Gase und die Schornsteinhöhe
größer. Unter normalen Verhältnissen beträgt die Kaminhöhe
20 - 40 m, doch kommen auch erheblich höhere Schornsteine
vor (unser Schornstein draußen ist 58 m hoch!).
Die Schornsteine werden am besten aus Radial-Formsteinen mit
Zementmörtel gemauert. Als Querschnitt ist die Kreisform am
günstigsten, weil sie im Innern den geringsten
Reibungswiderstand für die Rauchgase, andererseits dem
Winddruck die geringste Angriffsfläche bietet.
Weil der Schornstein als höchstes Bauwerk seiner Umgebung
Blitzschlägen besonders ausgesetzt ist, ist er mit einem
Blitzableiter zu versehen; um ihn nachsehen und ausbessern zu
können, werden beim Bau schon Steigeisen eingemauert.
Um mit dem geringsten Aufwand an Baustoffen doch in jedem
Querschnitt genügenden Widerstand gegen den Winddruck zu
haben, läßt man die Wandstärke der runden Schornsteinsäule,
die oben 14 cm beträgt, nach unten hin in Absätzen von 5 m
um je 5 cm zunehmen.
Das Fundament ist in der Regel quadratisch, seine Größe
richtet sich nach der Tragfähigkeit des Baugrunds.
Zwischen Fundament und Schornstein wird häufig noch ein
Sockel von vier- oder achteckigem Querschnitt von 1/6 der
Schornsteinhöhe eingefügt und im Innern mit feuerfesten
Steinen ausgemauert.
Kann der Schornstein aus besonderen Gründen nicht eine
solche Höhe haben, daß der natürliche Zug genügt, so erhöht
man den Zug durch saugende Dampfstrahlgebläse oder
Ventilatoren.
Besondere Verhältnisse liegen bei den Lokomotiven und
Schiffsmaschinen vor, gemauerte Schornsteine sind dort wegen
ihres Gewichts natürlich ausgeschlossen, und es werden nur
solche aus Eisenblech verwendet. Die Höhe ist ebenfalls
beschränkt, namentlich für den Lokomotivschornstein. Damit
in diesem dennoch ein genügender Zug erzeugt wird, läßt
man den verbrauchten Dampf durch ein Blasrohr mit kegelförmiger
Öffnung in den Schornstein strömen, wodurch die Luft der
Rauchkammer mitgerissen und ein luftverdünnter Raum erzeugt
wird. Man hat dabei einen Gegendruck von 1 - 2 bar in Kauf zu
nehmen, der die Wirkung des Dampfes herabsetzt.
Die Schornsteine der Schiffskessel können eine größere Höhe
haben; bei Schnelldampfern kann diese von Rost bis zur
Schornsteinmündung 32 m betragen, so daß es möglich ist,
mit natürlichem Zug zu arbeiten. Sollten jedoch die Kessel
stark angestrengt werden, so muß man auch hier künstliche
Zug zu Hilfe nehmen. Dies geschieht entweder durch saugende
Ventilatoren, die in den Zug der Rauchgase eingebaut sind,
oder durch Ventilatoren, die Luft in den Feuerungsraum
hineindrücken; dabei wird ein Überdruck von 25 - 100 mm
Wassersäule (0,0025 - 0,01 bar) verwendet. Üblich ist diese
Zugerzeugung bei Kriegsschiffen. Dabei sind zwei Verfahren zu
unterscheiden: Die Luft wird entweder direkt unter den Rost
geleitet und durch Vorbeiführung an den Rauchkammertüren
noch auf 100°C. vorgewärmt oder sie wird in den luftdicht
abgeschlossenen Heizraum hineingedrückt.
2.
Die Dampfüberhitzer
Zu den Mitteln, die in wirksamer Weise die Ausnutzung der Wärme
zu verbessern gestatten, gehört vor allem die Überhitzung
des Dampfes und die Vorwärmung des Speisewassers.
Der Unterschied zwischen gesättigtem und überhitztem Dampf
ist bereits vorher klargelegt worden; daraus läßt sich das
Verhalten des gesättigtem Dampfes auf seinem Wege zur
Maschine und beim Eintritt in sie verstehen. Auch wenn die
Rohrleitung mit Wärme isolierenden Stoffen umhüllt ist, so
strahlt sie doch Wärme aus, die vom Dampf herrührt;
entsprechend dieser Wärmeabgabe kondensiert Dampf an den
Rohrwandungen und muß abgeschieden und fortgeleitet werden.
Aber auch im Zylinder selbst bildet sich wieder Wasser durch
Kondensation des Dampfes an den Wandungen, und zwar schon während
der Einströmung, noch mehr aber während der
Dampfdehnungsperiode. Dadurch verläuft die Dehnungskurve des
Diagramms tiefer, und die Arbeitsleistung wird geringer.
Durch Heizung des Zylinders mit Dampf sucht man diese Wirkung
der Abkühlung zu verringern, doch kostet diese Heizung
wiederum Dampf.
Wird nun dem Dampf, wenn er eben den Kessel verlassen hat,
noch Wärme zugeführt, so erhöht sich seine Temperatur und
er wird überhitzt. Er kann nun auf dem Wege durch die
Rohrleitung eine gewisse Abkühlung erfahren, ohne zu
kondensieren; es wird also diejenige Wärme gespart, die mit
dem Kondenswasser fortgeht, auch an der Maschine ist der Abkühlungsverlust
geringer, weil der überhitzte Dampf nicht so leicht Wärme
an die Wandungen abgibt, wie das niedergeschlagene Wasser.
Die Gefahr der Wasserschläge, die durch Ansammlung von
Wasser zwischen Kolben und Zylinderdeckel entsteht und leicht
eine Zerstörung der Maschine herbeiführen kann, ist sehr
verringert. Schließlich kann man bei überhitztem Dampf eine
Dampfgeschwindigkeit von 60 m / s gegenüber 25 - 30 m / s
bei gesättigtem Dampf zulassen, wodurch die Rohrleitung
kleineren Durchmesser erhalten kann.
Der Vorteil der Dampfüberhitzung beruht aber nicht etwa auf
einer Ausnutzung der sonst mit den Heizgasen in den
Schornstein ziehenden Wärme. Denn da die übliche
Temperatur, auf welche man den Dampf bringt, 250 bis 300°C.
beträgt, so muß die Temperatur der Heizgase höher sein,
damit noch Wärme der Heizgase auf den Dampf übergehen kann.
Bis auf 300° herab werden aber in normalen Kesselanlagen die
Heizgase sowieso ausgenutzt. Man baut die Überhitzer daher
in der Regel nicht in den Zug zwischen Kessel und
Schornstein, sondern an eine Stelle der Feuerzüge des
Kessels ein, an der die Heizgase eine höhere Temperatur, 500
- 600° haben. Die Überhitzer werden besonders nach zwei
Konstruktionen ausgeführt.
Der Schwörersche Überhitzer besteht aus weiten gußeisernen
Röhren, die innen mit Längsrippen und außen mit radialen
Rippen versehen und durch Bogenstücke schlangenförmig
miteinander verbunden sind. Durch die Rippen wird eine
besonders große Heizfläche erzielt.
Die zweite Konstruktion hat glatte schmiedeeiserne Rohre von
25 - 35 mm lichter Weite. Der Dampf wird durch diese Rohre in
einer Reihe paralleler Strahlen in schlangenförmigen
Windungen durch den Überhitzer hindurch geführt, während
die Heizgase in senkrechter Richtung durch das Rohrbündel
hindurch ziehen.
Die Nachteile, die man anfangs von der Anwendung der Überhitzung
zu befürchten hatte, daß bei den hohen Temperaturen die
Schmierung der Dampfmaschine versagen und die Stopfbüchsenpackung
verbrennen könnte, werden jetzt durch Anwendung von
Mineralschmierölen und Metallpackung vermieden.
3.
Die Vorwärmer
Diese Apparate dienen dazu, sonst unbenutzt fortfließende Wärme
dem Maschinenbetriebe zuzuführen. Es werden auch hier zwei
grundsätzlich verschiedene Ausführungen unterschieden:
Die erste ist nur bei Auspuffmaschinen verwendbar. Man führt
den Abdampf der Maschine, bevor er ins Freie ausströmt,
durch ein System von u -förmig gekrümmten kupfernen Röhren
hindurch, die sich in einem schmiedeeisernen Behälter
befinden, dessem unterem Ende das kalte Speisewasser
zugeleitet wird, während oben das erwärmte abfließt.
Bei der zweiten Anordnung, die zuerst von Green in England
ausgeführt wurde, wird ein Teil der Wärme der abziehenden
Heizgase auf das Speisewasser übertragen.
Die Vorrichtung (Abb.36) besteht aus gußeisernen Rohren von
etwa 10 cm Innendurchmesser, die oben und unten alle
miteinander verbunden sind und in der Richtung von unten nach
oben von Wasser durchflossen werden, während die Heizgase
quer durch das Bündel hindurchgehen. Die Temperatur des
Speisewassers kann in diesen Apparaten auf 120°C. gebracht
werden, wenn die Gase mit 250° aus dem Vorwärmer austreten.
Am auffallendsten zeigt sich die kohlensparende Wirkung, wenn
der Kessel für sich allein nicht mit gutem Wirkungsgrad
gearbeitet hatte. Wird dagegen die Wärme der Feuerung von
der Heizfläche des Kessels, wenn sie recht groß ist, in
solchem Maße aufgenommen, daß die Temperatur gering ist, so
kann in dem Vorwärmer eine weitere erhebliche Wärmeabgabe
nicht mehr stattfinden. Eine gewisse Temperatur der Heizgase
darf nicht unterschritten werden, wenn der Schornstein nichts
an Zugwirkung einbüßen soll.
Ein weiterer Vorteil der Vorwärmung des Speisewassers
besteht darin, daß der Kessel mehr geschont wird, als bei
der Speisung mit kaltem Wasser, das durch
Temperaturunterschiede Spannungen in den Kesselblechen
verursacht.
Von der Flugasche, die sich aus den Heizgasen an den Rohren ansetzt, werden diese durch eine mechanisch angetriebene Rußschabevorrichtung gereinigt. Damit der Vorwärmer ohne Unterbrechung des Betriebes nachgesehen werden kann, ist parallel zum Vorwärmer ein Rauchkanal anzuordnen, durch den die Gase zum Schornstein geleitet werden können, während das Wasser ohne Vorwärmung in den Kessel gepumpt wird.
o