mini|400px|Schema eines kleineren Wasserrohrkessels (Schiffskessel) Ein Wasserrohrkessel ist ein Typ aus verschiedenen ähnlichen Dampfkesselbauarten. 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 Der einfache Großwasserraumkessel kann bei Gas- und Ölfeuerungen für Dampfleistungen bis 25 t und im Zweiflammrohrkessel bis 55 t pro Stunde und Drücken bis 32 barPudeck, Wasserrohrkessel, Zwangsdurchlaufkessel, Wasserkessel 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.Mentz, Deutscher Schiffsmaschinenbau 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.Pudeck, Wasserrohrkessel, Zwangsdurchlaufkessel, Wasserkessel
Wasserrohrkessel haben gegenüber Großwasserraumkesseln 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.Mentz, Deutscher Schiffsmaschinenbau 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 mini|Einfacher Schrägrohrkessel mit Großkammern|hochkant=1.5 Die erste Bauart des Wasserrohrkessels (ursprüngliche Bezeichnung Wasserröhrenkessel) war der Schrägrohrkessel. Der erste brauchbare Kessel dieser Bauart wurde von Ernst Alban aus Schwerin errichtet und 1840 als Einkammer- und 1847 als Zweikammerkessel ausgeführt.Münzinger, Dampfkraft. S. 5 Die Rohre sind in einem Winkel von etwa 15° angeordnet und beidseitig in Wasserkammern aus Schmiedestahl eingewalzt. Die Kammern haben gegenüber jeder Rohreinwalzung einen Verschluss, um die Rohre reinigen oder austauschen zu können. Die großflächigen Kammern sind mit Stehbolzen versteift. Die Kammer bildet 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 den Rauchgasen 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, teilweise verdampft und steigt in den Verdampferrohren auf. Von der höher liegenden Kammer wird der Wasser-Dampf-Strom in den oberen Dampfraum der Trommel geleitet.Münzinger, Dampfkraft S. 17f.
1867 ließ Stephen Wilcox den ersten Sektionalkessel oder Teilkammerkessel patentieren.Münzinger, Dampfkraft S. 6. Es wird keine durchgehende Wasserkammer mehr eingesetzt, sondern die versetzt angeordneten Verdampferrohre sind 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.Horlacher Helbig, Rohrleitungen 1
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,Münzinger, Dampfkraft S. 8. es folgte 1906 der Stirlingkessel mit gebogenen Rohren, 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 bilden die rückwärtigen Rohrreihen die Fallrohre, und in den stärker beheizten vorderen Rohren stieg das Wasser zum Oberkessel auf 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 den 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.Strauss, Wärmekraftwerke
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 Nach Bauformen unterscheidet man
Naturumlaufkessel, die nur durch die Speisepumpe mit Wasser vom Kondensator beschickt werden und in denen das Wasser zwischen den oberen und unteren Sammelbehältern auf natürliche Weise zirkuliert, Zwangumlaufkessel, bei denen die Wasserzirkulation von einer Umwälzpumpe sichergestellt wird, Zwangdurchlaufkessel, in denen das Wasser in einer Richtung durch das Rohrsystem gepumpt wird.
Bauart Trommelkessel Normand-Kessel mini|Normand-Kessel
Der Normand-Kessel wurde von der französischen Normand-Werft in Le Havre entwickelt. Er wurde von den Seestreitkräften mehrerer Staaten verwendet, insbesondere von Frankreich, Russland, Großbritannien und den Vereinigten Staaten. Im Jahr 1896 ließ die Royal Navy sechsundzwanzig Schiffe mit diesem Kessel ausstatten, mehr als mit jeder anderen Wasserrohrkonstruktion.Brassey, The Naval Annual. S. 118f.
Ursprünglich war der Normand-Kessel eine Weiterentwicklung des Du-Temple-Kessels, bei dem die scharfen Ecken der Rohre durch eine glatte, gerundete Biegung ersetzt wurden, die S-Form jedoch beibehalten wurde.Robertson, Water-tube boilers. S. 130.
Die Konstruktion ergab eine besonders große Heizfläche. Der Preis dafür war ein dichtes Geflecht von Rohren, wobei jede der zahlreichen Rohrreihen in eine andere und komplexe Form gebogen war. Die Rohrenden führten senkrecht in die zylindrischen Trommeln, um eine gute Abdichtung zu gewährleisten. Der für all diese Rohre benötigte Raum füllte die gesamte untere Hälfte der Dampftrommel aus, so dass sowohl eine große Trommel als auch ein separater Dampfdom zum Auffangen des trockenen Dampfes erforderlich waren. Der äußere Kesselmantel trat an einem Ende in den Rauchabzug ein und umschloss in der Regel diese Kuppel. Die Enden der Trommeln ragten als halbkugelförmige Kuppeln aus dem Gehäuse heraus. Kalte Fallrohre außerhalb des Gehäuses verbanden diese Trommeln und ermöglichten den Rücklauf des kalten Wassers.Cisin, Modern Marine Engineering, S. 84ff.
Woolnough-Kessel mini|Woolnough-Kessel