Wasserrohrkessel

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Schema eines kleineren Wasserrohrkessels (Schiffskessel)

Ein Wasserrohrkessel ist eine Dampfkesselbauart. Er zeichnet sich dadurch aus, dass das Wasser in den Rohren geführt wird, im Gegensatz zum Großwasserraumkessel, wo die Rauchgase in den Rohren geführt werden. Der Wasserrohrkessel kann als Dampf- oder Heißwassererzeuger eingesetzt werden.

Allgemeines[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der einfache Großwasserraumkessel kann bei Gas- und Ölfeuerungen für Dampfleistungen bis 25 t pro Stunde und Drücken bis 32 bar[1] eingesetzt werden. Für höhere Leistungen und Drücke, sowie für die automatisierte Verfeuerung von Festbrennstoffen sind die Großwasserraumkessel nicht mehr einsetzbar. Die einzusetzenden Materialien wären zu stark, sodass bei der Beheizung unzulässig hohe Spannungen in den Werkstoffen entstehen würden, weil der Kessel nicht mehr der Wärmedehnung folgen könnte.[2] Es muss deshalb auf die kompliziertere Konstruktion des Wasserrohrkessels ausgewichen werden.

Bei einem Wasserrohrkessel befindet sich das Wasser in Rohren, die durch den Feuerraum verlaufen und durch die Strahlungswärme der Verbrennung beheizt werden. Das Wasser in den Rohren wird erhitzt und verdampft, der Dampf kann in weiteren Rohren überhitzt werden. Die Wasserrohre haben im Vergleich zu den Mänteln von Großraumwasserkesseln geringe Wandstärken und lassen sich einfach herstellen, sodass mit wenig Materialeinsatz hohe Drücke und Temperaturen erreicht werden können. Zum Beispiel kann ein 200 MW-Kessel von einem Braunkohlekraftwerk Dampf mit 150 bar Druck und einer Temperatur von 530 °C erzeugen. Die Gesamtlänge der verbauten Rohre in diesem Kessel ist beachtlich, sie beträgt etwa 600 km.[1]

Wasserrohrkessel haben gegenüber Großwasserraumkessel gleicher Leistung ein kleineres Wasservolumen und sind von der Konstruktion weniger empfindlich gegenüber Wärmespannungen. Dies ermöglicht gegenüber dem Großwasserraumkessel ein schnelleres Anheizen, macht den Kessel aber auch empfindlicher gegenüber Wassermangel. Weiter muss der Wasserchemie im Vergleich zum Großwasserraumkessel mehr Beachtung geschenkt werden, damit sich kein Kesselstein in den Rohren bildet.[2] Ablagerungen in den Rohren behindern den Wärmeübergang an das Wasser, sodass die Rohre lokal überhitzen können und reißen. Feuerungsseitig werden Rußbläser eingesetzt, um bei starkem Staubanfall die Heizflächen zu säubern.

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einfacher Schrägrohrkessel mit Großkammern

Die erste Bauart des Wasserrohrkessels (ursprüngliche Bezeichnung Wasserröhrenkessel) war der Schrägrohrkessel. Der erste brauchbare Kessel dieser Bauart wurde von Ernst Alban aus Schwerin errichtet, der 1840 als Einkammer- und 1847 als Zweikammerkessel ausgeführt worden ist.[3] Die Rohre dieser Kesselbauart sind in einem Winkel von etwa 15° angeordnet. Die Rohre sind beidseitig in Wasserkammern aus Schmiedestahl eingewalzt. Die Kammern waren gegenüber jeder Rohreinwalzung mit einem Verschluss versehen, um die Rohre reinigen oder austauschen zu können. Die großflächigen Kammern mussten mit Stehbolzen versteift werden. Die Kammer bildete ein Bauteil, sodass auch der Begriff Großkammerkessel für diese Bauart des Schrägrohrkessels verwendet worden ist. Die Rauchgase werden durch die hinter dem Verbrennungsraum eingebrachte Ausmauerung oft mehrfach umgeleitet, damit die Verdampferrohre möglichst senkrecht von dem Rauchgase angeströmt werden. Die Kammern sind über eine weniger beheizte Rohrleitung mit der Kesseltrommel verbunden. Das Wasser strömt von der Trommel über eine groß dimensionierte Rohrverbindung in die tiefer liegende Wasserkammer und verteilt sich auf die Verdampferrohre. Durch den Wärmeübergang vom Rauchgasstrom wird das Wasser erhitzt und teilweise verdampft und steigt in den Verdampferrohren empor. Von der höher liegenden Kammer wurde der Wasser-Dampf-Strom in den oberen Dampfraum der Trommel geleitet.[4]

1867 ließ Stephen Wilcox den ersten Sektionalkessel oder Teilkammerkessel patentieren.[5] Es wurde keine durchgehende Wasserkammer mehr eingesetzt, sondern die versetzt angeordneten Verdampferrohre wurden durch eine wellenförmige Teilkammer verbunden, sodass immer ein Rohr mit dem versetzt darüber liegenden verbunden ist. Diese Teilkammern sind mit den Ein- und Austrittssammelrohr verbunden. Der Vorteil dieser Anordnung ist eine höhere Elastizität, und sie ermöglichte eine Massenfertigung mit individueller Anpassung der Anzahl der Rohrreihen und somit der Dampfleistung an die jeweiligen Kundenwünsche.

Die damalige Dampfleistung betrug 2,4 Tonnen Dampf pro Stunde. Wesentliche Voraussetzung für die weitere Leistungssteigerung war die Entwicklung des nahtlosen Rohrs durch die Gebrüder Mannesmann im Jahre 1886.[6]

Die Weiterentwicklung war der Steilrohrkessel. Namensgebend ist die steile, fast senkrechte Anordnung der Rohre, die in einen Unter- und Oberkessel münden. Garbe baute 1904 den ersten Steilrohrkessel mit geraden Rohren,[7] es folgte 1906 der Stirlingkessel mit gebogenen Rohren,[7] der es erlaubte, alle Rohre senkrecht in die Trommel einzuführen. Der Unter- und Oberkessel waren genietete Bauteile, in die die Rohre eingewalzt worden sind. Der Vorteil der Bauart ist der geringere Flächenbedarf, da die Kessel gegenüber den Schrägrohrkesseln an Bauhöhe zunahmen. Ferner entfielen die aufwendigen Kammern mit der hohen Anzahl von Verschlüssen und Dichtelementen. Zwischen den Rohrreihen ist rauchgasseitig eine Scheidewand eingelassen. Der vordere Teil der Rohrreihen wird durch die heißeren Rauchgase stärker beheizt als die Rohrreihen auf der Abströmseite des Rauchgases. Aufgrund des unterschiedlichen Wärmeüberganges bildeten die rückwärtigen Rohrreihen die Fallrohre, und in den stärker beheizten vorderen Rohren stieg das Wasser zum Oberkessel empor und erzeugte so den Naturumlauf. Allerdings wurde der Wasserumlauf der ersten Steilrohrkessel schlechter eingestuft als der der Schrägrohrkessel. Um 1910 lag der Durchmesser der Verdampferrohre bei 80 bis 100 mm, die Betriebsdrücke betrugen um 15 bar, und die Heizflächen hatten ein Ausmaß von bis zu 350 m². Die spezifische Dampferzeugung lag bei 12 bis 18 kg/(m² h).

1918 wurde Kohlenstaub im Dauerbetrieb für die Befeuerung eines Wasserrohrkessels erstmals eingesetzt, wodurch die Leistung pro Kessel stark angehoben wurde. Im Jahre 1916 produzierte ein Kessel im Kraftwerk Zschornewitz 15 t Dampf pro Stunde bei 14,7 bar und 350 °C, im Jahre 1926 im Heizkraftwerk Klingenberg in Berlin bereits viermal mehr, nämlich 80 t bei 34,3 bar und 425 °C. Im Laufe der weiteren technischen Entwicklung wurden 1927/28 Betriebsdrücke von 100 bar erreicht. Diese leistungsfähigeren Kessel benötigten auch eine größere Feuerleistung. Mit der höheren Flammentemperaturen nahm auch die Kesselsteinbildung zu, die Proportional zur Temperatur und Dampfdruck ist. Es wurde nach zwei Lösungen gesucht: Behandlung des Speisewassers, so dass kein Kesselstein entstehen kann oder Verwendung von Kesselbauarten, bei denen die Verdampfung außerhalb des Feuerungsraumes stattfindet, die als indirekte Verdampfung oder mittelbare Verdampfung bezeichnet wurde.[8]

Zu den Kesseln mit indirekter Verdampfung gehört der ab 1922 von Wilhelm Schmidt und Otto H. Hartmann entwickelte Schmidt-Hartmann-Kessel. Dieser Kessel besteht aus einem geschlossenen Hochdruck-Primärkreislauf, der seine Wärme in einer Verdampfungstrommel an einen offenen Sekundärkreislauf abgibt, dessen Druck etwa 20 bar niedriger ist als diejenige im Primärkreislauf. Der Kessel wird deshalb auch als Zweidruckkessel bezeichnet. Eine weitere Bauart mit indirekter Verdampfung ist der Löffler-Kessel. Bei diesem 1923 von Stephan Löffler entwickelten Zwangumlaufkessel wird der primäre Kreislauf im überkritischen Bereich betrieben und der Frischdampf in der Trommel durch die Überhitzungswärme erzeugt. Beide Bauarten werden heute nicht mehr verwendet. Sie schützen zwar den Kessel vor Ablagerungen, konnten aber solche nicht auf den Arbeitsmaschinen verhindern.

Eine weitere Anhebung der Betriebsdrücke in Naturumlaufkesseln wird durch die zunehmende Wandstärke der Trommeln begrenzt, außerdem können sie aus physikalischen Gründen nur unter dem kritischen Druck von 220 bar arbeiten. Für höhere Drücke müssen Zwangsumlaufkessel verwendet werden oder Zwangdurchlaufkessel, die keine Trommel benötigen.

Die technischen Grenzen der Dampferzeugung liegen derzeit bei Drücken von 300 bar im überkritischen Bereich von Wasser und bei Überhitzungstemperaturen von 600 °C. Die Dampfleistung eines Kraftwerksblocks ist im Laufe der Entwicklung auf derzeit 2.000 t/h angestiegen.

Bauformen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Nach Bauformen unterscheidet man

Konstruktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Großraum des Verdampfers ist weitgehend selbsttragend (die Rohrwände bestehen aus miteinander verschweißten Rohren). Das übrige Tragwerk eines Wasserrohrkessels besteht im Wesentlichen aus Stahlprofilen mit Fundamenten aus Beton. Alternativ kann auch Stahlbeton für das Tragwerk verwendet werden. Die Außenwände des Tragwerkes sind wärmegedämmt und mit Blechen für den Wetter- und Lärmschutz verkleidet.

Typische Rohrabmessungen sind:

  • Vorwärmer: 38 × 3,5 mm
  • Verdampfer: 60 × 5 mm
  • Überhitzer: 32 × 5 mm

Verwendung der Kesseltypen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Naturumlaufdampferzeuger:

  • Wirbelschicht / Müllverbrennung
  • Abhitzedampferzeuger mit horizontalem Rauchgaszug
  • Rostfeuerungen
  • Öl-, Gas-, Kohlenstaubfeuerungen kleiner Leistungen bis zu 300 t/h Dampf
  • Kraftwerksdampferzeuger (USA) bis zu 180 bar

Zwangumlaufdampferzeuger:

  • Kraftwerksdampferzeuger zwischen 180 und 200 bar Dampfdruck
  • Abhitzedampferzeuger mit horizontalen Wärmetauschern

Zwangdurchlaufdampferzeuger:

  • Kraftwerksdampferzeuger (Europa, Russland, Japan) mit unterkritischen Dampfparametern
  • Kraftwerksdampferzeuger mit überkritischen Dampfparametern
  • Hochtemperaturreaktor[9]

Sicherheit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wasserrohrkessel sind Druckgeräte im Sinne der Druckgeräterichtlinie 2014/68/EU und dürfen nur in Verkehr gebracht werden, wenn der Hersteller durch ein Konformitätsbewertungsverfahren unter Beteiligung einer benannten Stelle nachgewiesen hat, dass die grundlegenden Sicherheitsanforderungen der Richtlinie eingehalten hat. Der Hersteller bringt das CE-Zeichen an und stellt eine EG-Konformitätserklärung aus. Harmonisierte Produktnormen für Wasserrohrkessel sind:

  • EN 12952-1 bis 17: Wasserrohrkessel

Bei Anwendung dieser Norm kann der Hersteller davon ausgehen, dass er die grundlegenden Sicherheitsanforderungen der Richtlinie erfüllt (Vermutungswirkung).

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. a b Dennis Pudeck: Wasserrohrkessel, Zwangsdurchlaufkessel, Wasserkessel. Georg Hagelschuer GmbH, abgerufen am 14. Oktober 2018 (deutsch).
  2. a b Walter Mentz: Deutscher Schiffsmaschinenbau. In: Deutscher Schiffbau 1913. Carl Marfels Aktiengesellschaft, 2012, ISBN 978-3-86444-502-6, S. 125 (google.de [abgerufen am 14. Oktober 2018]).
  3. Münzinger, S. 5
  4. Münzinger, S. 17–18
  5. Münzinger, S. 6
  6. Hans-Burkhard Horlacher, Ulf Helbig: Rohrleitungen 1: Grundlagen, Rohrwerkstoffe, Komponenten. Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-642-39782-0, S. 11 (google.de [abgerufen am 14. Oktober 2018]).
  7. a b Münzinger, S. 8
  8. Karl Strauss: Wärmekraftwerke: Von den Anfängen im 19. Jahrhundert bis zur Endphase ihrer Entwicklung. Springer-Verlag, 2016, ISBN 978-3-662-50537-3, S. 88–89 (google.de [abgerufen am 14. Oktober 2018]).
  9. Maximilian Ledinegg: Dampferzeugung Dampfkessel, Feuerungen: einschließlich Atomreaktoren. Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-7091-8150-8 (google.de [abgerufen am 14. Oktober 2018]).

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Wasserrohrkessel – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien