Dampflok-Gemeinschaft 41 096 e.V.

Neubaukessel

Um die Abschnitte im Kessel besser zu verdeutlichen, ist ein Blick auf den Längsschnitt eines Kessels sehr hilfreich.

Im linken Teil sieht man die Brennkammer oder auch Feuerbüchse. Diesen Raum umgibt der sogenannte Stehkessel, hier erfolgt die Wärmeübertragung in erster Linie durch Strahlung vom Rauchgas auf die Feuerbüchswand. Im anschließenden sogenannten Langkessel wird das Rauchgas durch Rauch- und Heizrohre geleitet und die Wärmeübertragung erfolgt hier durch Berührung.

Unsere 41 096 erhielt 1960 einen Neubaukessel, da der ursprünglich eingebaute Kessel aufgrund eines nicht alterungsbeständigen Materials Ermüdungsrisse zeigte.

Bei dieser Gelegenheit wurde auch die Feuerung verändert, da von der ursprünglichen Kohlefeuerung auf Schwerölfeuerung umgebaut worden ist.


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Im Gegensatz zu Stehkesseln herkömmlicher Bauart ist durch den Einbau der Schwerölbrenner ein Teil des Langkessels zum Feuerraum umfunktioniert worden, indem die feuerbüchsseitige Rohrwand durch das Einschweißen eines zusätzlichen Rohrschusses nach hinten versetzt worden ist. Dies war erforderlich aufgrund der Flammengeometrie der Ölverbrennung und der sonst zu hohen Rauchgaseintrittstemperatur in den Langkessel.

Bei unserer 41 096 beträgt die Größe des Feuerraumes ca. 7,3 m³, daraus ergibt sich eine umschließende Verdampfungsheizfläche von ca. 21,3 m².

Die anschließende Heizfläche im Langkessel beträgt ca. 169 m².

Die Heizfläche errechnet sich aus der Anzahl der jeweiligen Rohre mal Umfang mal Länge:

42 Rauchrohr x 0,143 m x 3,14 x 5,2 m = 98,1 m²

80 Heizrohre x 0,054 m x 3,14 x 5,2 m = 70,5 m²

Der Kessel unserer 41 096 wird mit einem Überdruck von ca 16 bar betrieben und der Dampf wird in den Überhitzerrohren, die in die Heizrohre eingesteckt sind, auf eine Temperatur von ca. 400 °C überhitzt.

Ein entsprechendes wärmetechnisches Diagramm zeigt, wie viel Wärmeenergie, auch Enthalpie genannt, überhaupt übertragen werden muss. Aus diesem Diagramm werden auch die Eigenheiten des Wasserdampfes deutlich. In diesem Diagramm ist in Abhängigkeit vom Druck die Enthalpie aufgetragen.

Die Verdampfung und Überhitzung des Wassers erfolgt in drei Phasen. Zunächst muss das Wasser von Umgebungstemperatur, meist 20 °C, auf die Verdampfungstemperatur gebracht werden. Wie oben schon erwähnt, erkannte Papin, dass diese Temperatur mit höheren Drücken ansteigt.

Das sieht man auch gut im Diagramm, denn die Dampftemperatur beträgt bei 16 bar nicht wie bei Umgebungsdruck 100 °C, sondern ca. 200 °C. Um diesen Zustand zu erreichen, muss man aber schon 852 kJ Wärmeenergie pro kg Wasser zuführen.

Jetzt tritt bei weiterer Energiezufuhr ein physikalisches Phänomen auf, denn die Temperatur ändert sich zunächst nicht, im Diagramm an der senkrecht nach oben gehenden Linie zu erkennen. In diesem Bereich wird aus einem Wasser-Dampfgemisch ein immer trockenerer Dampf. Hier wird dem sogenannten Nassdampf die Verdampfungswärme zugeführt, bis der Wasseranteil im Dampf gleich 0 ist. Im Diagramm mit X = 1 gekennzeichnet, X ist der Dampfanteil, also 100 % Dampf.

Um hierhin zu kommen, muss man eine Verdampfungswärme von


Dieser Dampf wird als Sattdampf bezeichnet. Um diesen Dampf weiter zu überhitzen, wie in unserer 41 096 auf ca. 400 °C, ist jetzt relativ geringer Aufwand nötig, man muss nur noch eine Wärmeenergie von



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Aus diesem Diagramm ist aber auch gut ersichtlich, dass man sehr eingeschränkt ist, um den bescheidenen Gesamtwirkungsgrad von Dampflokomotiven zu steigern.

Zwar ließe sich mit wenig zusätzlicher Energie die Dampftemperatur steigern, dem sind allerdings durch die nachgeschaltete Kolbendampfmaschine Grenzen gesetzt. Eine höhere Dampftemperatur als 400 °C führt zu Problemen mit der Schmierung, da die verwendeten Schmieröle dann anfangen zu verkoken und nicht mehr ihre Schmierwirkung entfalten können.

An der aufzubringenden Verdampfungswärme lässt sich nicht viel ändern. Man hat früher mit höheren Kesseldrücken experimentiert, dadurch wird die rote Linie im Diagramm nach rechts verschoben, aber hier wurden durch Werkstoffprobleme ebenfalls Grenzen gesetzt.

Bei heutigen modernen Kraftwerkskesseln wird mit Drücken von mehr als 300 bar gearbeitet, dadurch wird der Verdampfungsprozess auf 0 gesetzt.

Bei einer Dampflokomotive ist dies leider nicht möglich, bleibt nur eine höhere Wassereintrittstemperatur in den Kessel. Hierzu werden in der Rauchkammer sogenannte Mischvorwärmer eingebaut, um die Speisewassertemperatur anzuheben.

Gelingt es, die Wassereintrittstemperatur auf ca. 80 °C anzuheben, braucht man nur noch eine Enthalpiedifferenz von ca.


aufzubringen, statt vorher eine Differenz von


Das ergibt eine Steigerung des Wirkungsgrades von immerhin 8 %.

Aus der zuzuführenden Wärmemenge lässt sich leicht der Brennstoffverbrauch berechnen.

Wie bereits oben erwähnt, benötigt man bei einer Speisewassertemperatur von 80 °C eine Wärmemenge von 2919 kJ pro kg Dampf.

Bei voller Leistung der 41 096 entwickelt der Kessel ca. 14.400 kg Dampf pro Stunde, ergibt demnach die stündliche Wärmemenge von


Verbrannt wird schweres Heizöl mit einem Heizwert von ca. 40.000 kJ pro kg Öl.

Da der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung aber nicht 100 %, sondern maximal 60 % beträgt, ergibt sich daraus ein Brennstoffverbrauch von


Außer dem Kesselwirkungsgrad sind aber noch viele andere Verluste zu berücksichtigen, die den Brennstoffverbrauch in die Höhe treiben, aber dazu in anderen Kapiteln mehr.