Wasserrohrkessel

Schema eines kleineren Wasserrohrkessels (Schiffskessel)

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

Allgemeines

Im Bereich von Gas- und Ölfeuerungen mit Dampfleistungen bis 25 t/h und Drücken bis 32 bar werden bei Neuanlagen nur noch Großraumwasserkessel eingesetzt, da die Kessel beim Hersteller betriebsfertig und rationeller hergerichtet werden können. Der Großwasserraumkessel ist für die automatisierte Verfeuerung von Festbrennstoffen nicht geeignet oder es muss eine Brennkammer vorgelagert werden.

Für höhere Drücke können Großraumwasserkessel nicht mehr eingesetzt werden. Die Rohre im Wasserrohrkessel haben wesentlich geringere Durchmesser als der Mantel von Großraumwasserkesseln, so dass hier wesentlich geringere Rohrwandstärken zur Aufnahme des Innendruckes ausreichen. Der Wasserrohrkessel ist bei entsprechender Auslegung des Feuerungsraumes für die Verfeuerung aller Brennstoffe geeignet. In den Rauchgasweg können Rußbläser eingefahren werden, um bei starkem Staubanfall die Heizflächen zu säubern.

Entwicklung

Teilkammerkessel um 1900

Die erste Bauart des Wasserrohrkessels (ursprüngliche Bezeichnung Wasserröhrenkessel) war der Schrägrohrkessel. Der erste brauchbare Kessel dieser Bauart wurde von Dr. Alban aus Schwerin errichtet, der zuerst als Einkammer- (1840) und später als Zweikammerkessel ausgeführt worden ist. 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, so dass 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.

1874 ließ Stephen Wilcox den ersten Sektionalkessel patentieren. Es wurde keine durchgehende Wasserkammer mehr eingesetzt, sondern die versetzt angeordneten Verdampferrohre wurden durch eine wellenförmige Teilkammer verbunden, so dass 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 die Entwicklung des nahtlosen Rohrs durch die Gebrüder Mannesmann im Jahre 1886.

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, 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 aufwändigen 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 erstmalig eingesetzt. Im Laufe der weiteren technischen Entwicklung wurden 1927/28 Betriebsdrücke von 100 bar erreicht. Eine weitere Anhebung der Betriebsdrücke in Naturumlaufkesseln wird durch die zunehmende Wandstärke der Trommeln begrenzt. In der Folge wurden Zwangdurchlaufkessel entwickelt, 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

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  Naturumlaufkessel
  1 SPW-Pumpe
  2 SPW-Vorwärmer
  3 Verdampfer
  4 Fallrohre
  5 Trommel
  6 Überhitzer
  7 zur Turbine

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  Zwangumlaufkessel
  1 SPW-Pumpe
  2 SPW-Vorwärmer
  3 Verdampfer
  4 Fallrohre
  5 Trommel
  6 Überhitzer
  7 zur Turbine
  8 Umwälzpumpe

• 

  Zwangdurchlaufkessel Bauart:Bensonkessel
  1 SPW-Pumpe
  2 SPW-Vorwärmer
  3 Verdampfer
  6 Überhitzer
  7 zur Turbine

• 

  Zwangdurchlaufkessel Bauart: Sulzerkessel
  1 SPW-Pumpe
  2 SPW-Vorwärmer
  3 Verdampfer
  6 Überhitzer
  7 zur Turbine
  9 Wasser-Abscheider
  

Nach Bauformen unterscheidet man

• Naturumlaufkessel, die nur mit der 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.

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

Sicherheit

Beschaffenheitsanforderungen

Wasserrohrkessel sind Druckgeräte im Sinne der Druckgeräterichtlinie 97/23/EG 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).