Das Kesselhaus

Großwasserraumkessel können als diejenigen Kessel definiert werden, bei denen alle Wärmeübertragungsflächen in einer Stahlhülle eingeschlossen sind. Großwasserraumkessel können auch als Flammrohr- oder Rauchrohr-Kessel bezeichnet werden, da die Verbrennungsprodukte durch die Kesselrohre strömen, die wiederum die Wärme an das umgebende Kesselwasser übertragen.

Bei Großwasserraumkesseln gibt es verschiedene Ausführungen bei der Rohrgestaltung, wie auch bei der Anzahl der Züge, welche die Wärme aus dem Kesselbrennraum durchläuft, bevor sie ausgeleitet wird.

Abbildung 3.2.1a und 3.2.1b zeigen die typische Bauform eines Zweizug-Kessels.

Abbildung 3.2.1a stellt einen Kessel mit außen liegender Wendekammer dar, bei dem die heißen Gase in einer feuerfest ausgekleideten Kammer außerhalb der Kesselhülle umgelenkt werden.

Abbildung 3.2.1b zeigt die effizientere Methode der Umlenkung der heißen Gase über eine innen liegende Wendekammer. Die Wendekammer ist vollkommen in den Kessel integriert. Das ermöglicht sowohl eine größere Wärmeübertragungsfläche als auch die Beheizung des Kesselwassers an der Stelle, an der die Wärme vom Kesselbrennraum am größten ist – am Ende der Kammerwandung.

Es ist wichtig anzumerken, dass die Verbrennungsgase mindestens auf 420°C bei unlegierten Stahlkesseln und 470°C bei legierten Stahlkesseln abgekühlt werden sollten, bevor sie in die Wendekammer gelangen. Höhere Temperaturen verursachen eine Überhitzung und führen zum Reißen der Rohrendplatten. Der Konstrukteur des Kessels muss dies berücksichtigen und es ist ein wichtiger Gesichtspunkt, wenn verschiedene Brennstoffe in Betracht gezogen werden.

Es wurden verschiedene Arten von Großwasserraumkesseln entwickelt, welche im Folgenden näher betrachtet werden.

Lancashire-Kessel

Sir William Fairbairn entwickelte 1844 den Lancashire-Kessel aus dem einzügigen Cornish Kessel von Trevithick. Obwohl nur noch wenige davon in Betrieb sind, waren sie früher allgegenwärtig und sind die Vorgänger der hoch entwickelten und hoch effizienten Kessel, die heute eingesetzt werden. 

Der Lancashire-Kessel besteht aus einem normalerweise 5 - 9 Meter langem Stahlmantel, durch welchen zwei Flamm- oder Rauchgasrohre mit großem Innendurchmesser verlaufen. Ein Abschnitt jedes Rauchrohrs war gewellt, um die Ausdehnung aufzunehmen, wenn der Kessel heiß wurde, und um ein Versagen unter Druck zu verhindern. Eine Brennkammer war am Eintritt in jedes Rauchrohr an der Vorderseite des Kessels angebracht. Normalerweise waren die Brennkammern zu Verbrennung von Kohle ausgelegt und sie wurden entweder manuell oder automatisch beschickt. 

Die heißen gasförmigen Verbrennungsprodukte strömten von der Brennkammer durch die großen gewellten Rauchrohre. Die Wärme der heißen Rauchgase wurden an das die Rauchrohre umgebende Wasser übertragen. 

Der Kessel war in einem Mauerwerk integriert, das so aufgebaut war, dass es die heißen Gase, die aus den Rauchrohren strömten, zuerst nach unten unterhalb des Kessels leitete, sodass diese ihre Wärme über die Unterseite des Kesselmantels übertrugen. In einem zweiten Schritt wurden die Gase an den Seiten des Kessel zurückgeführt, bevor sie über den Kamin austraten. Diese beiden Seitenkanäle vereinten sich am Ende des Kessels und führten dann in den Schornstein. 

Es wurde versucht, über diese Züge die maximale Energiemenge aus den heißen Rauchgasen zu gewinnen, bevor diese in die Atmosphäre abgeleitet wurden. 

Später wurde die Effizienz durch die Zuschaltung eines Economisers verbessert. Der Gasstrom wird hierbei nach dem dritten Zug über einen Economiser in den Kamin geleitet. Der Economiser erwärmt das Kesselspeisewasser und führt damit zu einer Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades.

Einer der Nachteile des Lancashire-Kessels war die wiederholte Erwärmung und Abkühlung des Kessels und die dabei auftretende Ausdehnung und Schrumpfung beanspruchte das Mauerwerk und dessen Kanäle. Das führte zu Eintrag von Luft, die die Luftströmung in der Brennkammer beeinflusste. Derartige Kessel wären heutzutage, auf Grund des großen Materialbedarfs und des Arbeitsaufwandes für die Erstellung des Mauerwerks, nur sehr teuer herzustellen.

Lancashire-Kessel

Die enorme Größe und das große Wasservolumen dieser Kessel hatte eine Reihe signifikanter Vorteile:

• Plötzlich auftretender, großer Dampfbedarf, zum Beispiel beim Anfahren einer Schachtfördermaschine, konnte leicht verkraftet werden, da die daraus resultierende Druckreduzierung im Kessel große Mengen an Nachdampf aus dem Kesselwasser bei Sättigungstemperatur freigesetzt hat.
  Diese Kessel wurden manuell beschickt und demzufolge war das Ansprechen auf einen Druckabfall im Kessel und der Bedarf an mehr Brennstoff langsam.
• Auf Grund des großen Wasservolumens war die Änderung des Wasserniveaus relativ langsam, auch wenn die Verdampfungsmenge stark schwankte.
  Die Regelung des Wasserstandes erfolgte wiederum manuell und der Kesselwärter musste entweder eine dampfbetriebene Kolbenspeisewasserpumpe starten oder ein Speisewasserventil justieren, um den gewünschten Wasserstand beizubehalten.
• Der Niedrigwasseralarm bestand aus einem einfachen Schwimmer, der mit dem Wasserstand absank und den Anschluss an eine Dampfpfeife freigab, wenn ein vorgegebenes Niveau erreicht wurde.
• Die im Verhältnis zur Verdampfungsmenge große Wasseroberfläche hat dazu geführt, dass die von der Oberfläche freigesetzte Dampfmenge (ausgedrückt in Kilogramm pro Quadratmeter) gering war.
  Diese geringe Geschwindigkeit bedeutete, dass es für die Dampf- und Wasserpartikel ausreichend Zeit gab, sich zu trennen, und trockener Dampf in die Anlage geliefert wurde, auch wenn das Wasser eine große Konzentration an gelösten Feststoffen (TDS) aufwies.

Da Regelungssysteme, Werkstoffe und Fertigungstechniken ausgereifter, verlässlicher und kostengünstiger geworden sind, hat sich die Konstruktion von Kesselanlagen verändert.

Moderner Kessel (zwei Züge, außenliegende Wendekammer)

Ein moderner Kessel mit zwei Zügen war etwa nur halb so groß wie ein entsprechender LancashireKessel und besaß einen höheren thermischen Wirkungsgrad. Er hatte eine zylindrische Außenhülle, in der zwei gewellte Verbrennungsrohre mit großem Durchmesser als Hauptverbrennungskammern fungierten. Die heißen Rauchgase strömten am Ende des Kessels aus den beiden Verbrennungsrohren in ein Mauerwerk (außenliegende Wendekammer) und wurden über eine Reihe Rohre mit kleinem Durchmesser, welche über den Verbrennungsrohren mit großem Durchmesser angeordnet waren, zurückgeführt. Die Rohre mit kleinem Durchmesser boten eine größere Wärmeübertragungsfläche auf das Wasser. Die Rauchgase verließen den Kessel an der Vorderseite durch ein angetriebenes Gebläse, welches diese in den Schornstein weiterleitete.

Moderner Kessel (drei Züge, innenliegende Wendekammer)

Eine weitere Entwicklung bei den modernen Kesseln war der Bau eines Kessels mit drei Zügen und innenliegender Wendekammer, welche auch die heutzutage verwendete Standardkonstruktion ist (siehe Abbildung 3.2.4).

Diese Konstruktion wurde entwickelt, nachdem sich die Werkstoffe und Fertigungstechniken verbessert hatten: Es wurden dünnere Metallrohre verwendet, die es ermöglichten, mehr Rohre unterzubringen, was die Wärmeübertragungsrate verbesserte und den Kessel selbst kompakter machte. 

Typische Wärmeübertragungsraten für Kessel mit drei Zügen und innenliegender Wendekammer sind in Tabelle 3.2.3 dargestellt.

Kompaktkessel

In den frühen 1950iger Jahren unterstützte das englische Ministerium für Brennstoffe und Energie die Forschung zur Verbesserung von Kesselsystemen. Das Resultat dieser Forschung war ein Kompaktkessel, welche aus der Weiterentwicklung des modernen Kessels mit drei Zügen und innenliegender Wendekammer resultierte. In der Regel wurden diese Kessel für den Einsatz von Öl anstelle von Kohle ausgelegt. 

Diese Kompaktkessel kommen als komplette Einheiten mit Brenner, Niveausteuerung, Speisewasserpumpe und sämtlichen notwendigen Kesselarmaturen und Ausrüstungsteilen. Nachdem sie an ihren Aufstellungsort geliefert werden, benötigen sie nur die Rohrleitungen für Dampf, Wasser und Abschlammung, Brennstoffversorgung und einen elektrischen Anschluss, um sie betriebsbereit zu machen.

Die Weiterentwicklung hatte auch eine wesentlichen Einfluss auf die physische Größe eine Kessels bei einer gegebenen Leistung. 

• Die Hersteller wollten ihre Kessel so klein wie möglich gestalten, um Material zu sparen und ihre Produkte damit wettbewerbsfähig zu gestalten.
• Wenn der Kessel so klein wie praktisch möglich gehalten wird, kommt das auch der Wirtschaftlichkeit zu Gute; je kleiner der Kessel und umso geringer seine Oberfläche, umso weniger Energie geht an die Umgebung verloren.
  Zu einem gewissen Teil wird dieses Problem durch das allgemeine Bewusstsein für die Notwendigkeit einer Isolierung und die hohe Leistungsfähigkeit moderner Isolationsmaterialien reduziert. •
• Anwender wünschen sich, dass die Kessel so klein wie möglich sind, um den für das Kesselhaus benötigten Flächenbedarf zu minimieren und damit Platz für andere Belange zu haben.

• Kessel mit kleineren Abmessungen (bei gleicher Dampfleistung) erfordern normalerweise auch geringere Investitionskosten.

Dies veranschaulicht neben anderen Faktoren die Tabelle 3.2

Volumetrische Wärmeabgabe (kW/m³)

Dieser Parameter wird durch die Division der gesamten Wärmeleistung durch das Wasser- volumen im Kessel berechnet. Er setzt gewissermaßen die freigesetzte Dampfmenge bei Maximallast mit der Wassermenge im Kessel ins Verhältnis. Je kleiner dieser Wert ist, umso größer ist die Menge an Energiereserve im Kessel.

Beachten Sie, dass der Wert für einen modernen Kessel fast um den Faktor acht größer ist im Verhältnis zu einem Lancashire-Kessel, was eine Abnahme der gespeicherten Energie bei ähnlicher Größe ausdrückt. Das bedeutet, dass in einem modernen Kessel eine geringere Menge an gespeicherter Energie vorhanden ist. Diese Entwicklung wurde durch schnell ansprechende Regelsysteme ermöglicht, die entsprechende Eigenschaften haben, um den Kessel zu schützen und den Bedarf zu decken.

Dampfabgabemenge (kg/m2s)

Dieser Wert wird durch die Division der erzeugten Dampfmenge je Sekunde durch die Wasseroberfläche ermittelt. Je geringer dieser Wert ist, desto eher können sich Wasserpartikel vom Dampf zu trennen und trockenen Dampf zu erzeugen.

Beachten Sie, dass der Wert eines moderne Kessels um nahezu den Faktor drei größer ist. Das bedeutet, dass es weniger Möglichkeiten gibt, dass sich Dampf und Wassertropfen trennen.

Dies wird bei Wasser mit einem hohen Anteil an gelösten Stoffen noch schwieriger, und eine genaue Regelung ist für die Effizienz und die Erzeugung von trockenem Dampf ausschlaggebend.

Bei schnell ansteigender Last kommt es zu einem Druckabfall im Kessel, was im Gegenzug bedeutet, dass die Dichte des Dampfs abnimmt und sogar höhere Dampfabgabemengen entstehen werden, und in zunehmendem Maße nasser Dampf aus dem Kessel ausgetragen wird.

Kessel mit vier Zügen

Anlagen mit vier Zügen besitzen eventuell den besten thermischen Wirkungsgrad, aber Brennstoffart und Betriebsweise haben ihren Einsatz verhindert. Wenn diese Apparate bei geringer Last mit Schweröl oder Kohle befeuert werden, kann die Wärmeübertragungsmenge der Verbrennungsgase sehr hoch sein. Dadurch kann die Temperatur des austretende Rauchgases unter den Säuretaupunkt fallen und Korrosion in den Rauchgasrohren, dem Schornstein und vielleicht auch im Kessel selbst hervorrufen. Eine Kesselanlage mit vier Zügen ist auch höheren thermischen Belastungen ausgesetzt, insbesondere wenn plötzlich große Lastschwankungen auftreten, denn diese können zu Spannungsrissen oder Defekten in der Kesselstruktur führen. Daher sind Kessel mit vier Zügen unüblich.

Umkehrflammkessel

Hierbei handelt es sich um eine Variante der konventionellen Kesselkonstruktion. Die Verbrennungskammer hat die Form eines Fingerhuts und der Brenner feuert in dessen Mitte. Die Flamme wird in der Kammer umgelenkt und kommt zurück zur Vorderseite des Kessels. Rauchrohre umgeben „den Fingerhut“ und leiten die Rauchgase an die Rückseite des Kessels und von dort in den Schornstein.

Druck- und Leistungsgrenzen von Großwasserraumkesseln

Die Belastungen, denen ein Kessel ausgesetzt werden darf, werden durch nationale Standards begrenzt. Die größte Belastung entsteht auf dem Umfang des Zylinders. Diese wird Ring- oder Umfangsspannung genannt. Die Größe dieser Spannung kann unter Verwendung der Gleichung 3.2.1 berechnet werden:

Es zeigt sich, dass die Ringspannung zunimmt, wenn der Durchmesser größer wird. Um das zu kompensieren, verwendet der Kesselhersteller dickere Blechtafeln. Dickere Blechtafeln sind jedoch schwerer zu rollen und Blechwandstärken von mehr als 32 mm müssen spannungsarm geglüht werden.

Eine der Herausforderungen bei der Kesselherstellung ist das Biegen der Blechtafeln für den Mantel. Die in den Abbildungen 3.27 und 3.28 dargestellten Rundbiegemaschine können die Enden der Blechtafel nicht biegen, und sie bleiben daher flach.

• Walze A wird nach unten verstellt, um den Krümmungsradius zu verringern.
• Walzen B und C sind angetrieben und ziehen die Blechtafel durch die Walzen.
• Die Walzen können die Enden der Blechtafel nicht biegen. 

Wenn die Blechtafeln miteinander verschweißt sind und der Kessel druckbeaufschlagt ist, nimmt der Mantel einen Kreisquerschnitt an. Wenn der Kessel abgestellt wird, nehmen die Platten wieder ihre „fast“ gebogene Form an. Diese Wechselbelastung kann zu Ermüdungsrissen führen, welche in einigem Abstand von den Mantelschweißnähten auftreten. Sie sind für Kesselprüfer, welche in regelmäßigen Abständen eine Abisolierung der Kesselisolierung fordern und dann eine Schablone ansetzen, um die Maßhaltigkeit der Krümmung des Kesselmantels zu bestimmen, ein Anlass zur Beanstandung.

Sicherlich ist dieses Problem bei den Kesseln, welche vielen Lastwechseln ausgesetzt sind, schwerwiegender, weil sie jeden Abend abgestellt und jeden Morgen wieder angefahren werden.

Druckgrenzen

Die Wärmeübertragung über die Flammrohre erfolgt über Wärmeleitung. Es liegt nahe, dass dickes Blech die Wärme nicht so gut leitet wie dünnes Blech. Dicke Bleche können aber höhere Kräfte aufnehmen.

Das ist insbesondere für die Flammrohre von Bedeutung, in denen die Flammtemperatur bis zu 1800°C betragen kann, und es muss ein angemessenes Gleichgewicht gefunden werden zwischen:

• Einem dickeren Blech, welches die Materialfestigkeit besitzt, um den durch den Kesseldruck erzeugten Kräften Stand zu halten.
• Einem dünneren Blech, welches die Eigenschaft besitzt, die Wärme schneller zu leiten.

Gleichung 3.2.1 setzt die Dicke des Bleches und seine Materialfestigkeit ins Verhältnis

Gleichung 3.2.1 zeigt, dass wenn die Blechwandstärke geringer wird, die Spannung bei gleichem Kesseldruck zunimmt.

Die Gleichung, welche die Blechwandstärke und die Wärmeübertragung in Verbindung bringt, ist Gleichung 2.5.1:

Gleichung 2.5.1 zeigt, dass wenn die Blechwandstärke geringer wird, die Wärmeübertragung zunimmt. Durch Umstellung beider Gleichungen nach der Blechwandstärke ergibt sich:

Durch Gleichstellung der Gleichung 3.2.1 mit Gleichung 3.5.1 ergibt sich:

Für den gleichen Kessel sind s, k, A und D konstant, und da ∆T direkt proportional zu P ist, kann man sagen

Wenn die Wärmeübertragungsmenge (Q̇) für einen beliebigen Kessel gesteigert wird, sinkt damit der maximal zulässige Kesseldruck. Eine Kompromisslösung wird durch eine Wandstärke von 18 mm bis 20 mm für ein Flammrohr erzielt. Dies führt zu einer brauchbaren Druckgrenze von ungefähr 27 bar für Großwasserraumkessel.

Leistungsgrenze

Groraumwasserkessel werden als Komplettanlagen gefertigt, bei denen alle Zubehörteile bereits angebaut sind. Nach der Fertigung muss die komplette Kesselanlage an den Aufstellungsort geliefert werden, und der größte Kessel, der in Großbritannien auf der Straße transportiert werden kann, besitzt eine Leistung von rund 27 000 kg/h.

Wenn mehr als 27 000 kg/h erforderlich sind, werden Anlagen mit mehreren Kessel eingesetzt. Dies hat zudem den Vorteil, dass eine bessere Versorgungssicherheit gewährleistet ist und sich der Teillastbetrieb der Anlage verbessert.

Zusammenfassung

Der heutige hocheffiziente und schnell ansprechende Großwasserraumkessel ist das Resultat von mehr als 150 Jahren Entwicklungsarbeit in den Bereichen:

• Kessel- und Brennerkonstruktion
• Werkstoffkunde
• Kesselfertigungstechniken 
• Regelsysteme

Um seinen störungsfreien und effektiven Betrieb sicherzustellen, muss der Betreiber:

• Die Betriebs-, Umgebungs- und Anforderungscharakteristik der Anlage kennen und dem Kesselhersteller diese Gegebenheiten sehr genau spezifizieren.
• Für eine Kesselhausgestaltung und -installation sorgen, welche einfachen Betrieb und Wartung ermöglicht.
• Ein Regelsystem auswählen, welches erlaubt, den Kessel sicher und effizient zu betreiben.
• Ein Regelsystem auswählen, welches dem Kessel helfen wird, trockenen Dampf mit dem erforderlichen Druck und Durchsatz in die Anlage zu liefern. Den einzusetzenden Brennstoff bestimmen und falls nötig festlegen, wo und wie ein Brennstoffvorrat sicher gelagert werden kann.

Vorteile von Großwasserraumkesseln:

• Die gesamte Anlage kann ggf. als Komplettsystem beschafft werden, für welches nur ein Fundament erforderlich ist und welches vor der Inbetriebnahme nur an Wasser, Elektrizität, Brennstoff und das Dampfsystem angeschlossen werden muss. Das führt dazu, dass die Installationskosten minimiert werden.
• Die Paketlösung bedeutet auch, dass es relativ einfach ist, den Standort eines kompletten Großwasserraumkessel zu verlagern.
• Ein Großwasserraumkessel beinhaltet eine beträchtliche Mengen an Wasser bei Sättigungstemperatur und verfügt daher über eine erhebliche Menge an gespeicherter Energie, welche abgerufen werden kann, um kurzfristig und schnell auftretende Lasten zu bewältigen.
  Das kann aber auch dahingehend ein Nachteil sein, wenn die im Wasser gespeicherte Energie verbraucht wurde und es eine Weile dauern kann, bis sich wieder eine Reserve aufgebaut hat.
• Die Konstruktion eines Großwasserraumkessels ist normalerweise überschaubar, was bedeutet, dass eine Wartung relativ einfach ist.
• Großwasserraumkessel verfügen oft nur über ein Flammrohr und einen Brenner. Das bedeutet, dass deren Regelsysteme ziemlich einfach sind.
• Obwohl Großwasserraumkessel in der Regel so ausgelegt und gefertigt sind, dass sie mit bis zu 27 bar betrieben werden können, arbeiten die meisten bei 17 bar oder weniger. Dieser relativ geringe Druck führt dazu, dass die verbundenen Ausrüstungsteile leicht und zu kostengünstigen Preisen zu beschaffen sind.

Nachteile von Großwasserraumkesseln:

• Das Komplettkonzept führt dazu, dass für Großwasserraumkessel die maximale Leistung 27000 kg/h beträgt. Sollte mehr Dampf erforderlich sein, dann müssen mehrere Kessel miteinander verbunden werden.
• Der bei der Konstruktion von Großwasserraumkesseln verwendete große Zylinderdurchmesser limitiert ihren Betriebsdruck auf ungefähr 27 bar. Wenn höhere Drücke benötigt werden, ist ein Wasserrohrkessel erforderlich.