Die elektrischen Kessel der Firma Gebrüder Sulzer A. G. Winterthur Von Dipl.-Ing. Carl Züblin. ZÜBLIN, Die elektrischen Kessel der Firma Gebrüder Sulzer A. G. Winterthur. Die Verwendung der elektrischen Kessel ist heute nicht mehr ein bloßer Behelf für kohlenarme Gegenden. Die guten Erfahrungen, die man mit den ersten Ausführungen machte, haben den elektrischen Kessel überall da eingeführt, wo die Elektrizität billig ist und überschüssige elektrische Kraft zur Verfügung steht. Die wachsende Erkenntnis von den Vorteilen und der Notwendigkeit einer wohlüberlegten Wärmeverwertung und Kraftausnützung hat bald die Vorzüge der elektrischen Kessel technisch verwertet und dadurch nicht nur Ersparnisse im Kohlenverbrauch erzielt, sondern auch den Wirkungsgrad der elektrischen Generator-Anlage durch die Einschaltung elektrischer Kessel erhöht. Als Dampf- und Warmwasser-Versorger ist der elektrische Kessel in sehr vielen Werken der chemischen und Nahrungsmittel-Industrie, in Spinnereien, Wäschereien, in der Landwirtschaft usw. schon vielfach verwendet worden. Es ist daher natürlich, daß namhafte Firmen mit der Fabrikation dieser Kessel sich befassen. Es haben sich zwei Systeme der elektrischen Beheizung entwickelt, deren Verwendung durch die Stromart und die erforderliche Belastung begrenzt ist. Doch muß man je nach dem Zweck, für den die elektrischen Kessel gebaut werden, und je nach der Zeit, in der der Strom für sie zur Verfügung steht, unterscheiden zwischen elektrischen Heißwasser-Kesseln und elektrischen Heißwasser-Akkumulatoren und zwischen elektrischen Dampfkesseln und elektrischen Dampf-Akkumulatoren. Kleinere elektrische Dampf- und Warmwasser-Kessel von kleiner Kilowatt-Leistung für Gleich- oder Wechselstrom und Kessel nur für Gleichstrom, werden von der Firma Sulzer gebaut, nach dem Prinzip des indirekten Widerstandes, das heißt, man verwendet hierfür Widerstandsspulen oder Bänder aus hochgradig Wärme widerstandsfähigem Material, die auf Isolatoren befestigt und in Heizröhren eingesetzt sind. Abb. 1 zeigt einen solchen Kessel. Die einzelnen Heizrohrgruppen sind ausschaltbar und regulierbar. Für größere Anlagen über 10 kW und besonders über 500 Volt wird das Elektroden-System mit Wechselstrom verwendet, indem man das Wasser als Widerstand benutzt. Für Gleichstrom ist dieses System wegen der Zersetzung des Wassers nicht brauchbar. Die Gasbildung ist bei Verwendung von Wechselstrom, selbst bei 15 Perioden so gering, daß Wechselstrom unbedenklich bis zu 16000 Volt, ohne Transformierung, in solchen Kesseln benutzt werden kann. Textabbildung Bd. 343, S. 77 Abb. 1. Elektrischer Kessel mit Widerstandsheizung. Deshalb ist das Elektroden-System besser und wirtschaftlicher, als dasjenige mit Metall-Heizwiderständen. Gebr. Sulzer haben bis jetzt nach diesem System elektrische Kessel von 10 bis 6000 kW gebaut. Bei der Konstruktion der elektrischen Kessel ist die Leitfähigkeit des Wassers zu beachten, doch darf diesem Faktor nicht die Bedeutung beigemessen werden, die ihm oft zuteil wird. Die Leitfähigkeit kann man durch Zusatz von Chemikalien und Erneuerung des Wassers fast konstant halten. Es empfiehlt sich aber, den Widerstand so hoch wie möglich zu wählen, weil dann der Abstand der Elektroden und ihr Querschnitt groß genommen werden kann, wodurch die spezifische Belastung je Flächen- und Volumeneinheit klein ausfällt und die Kessel dadurch zuverlässiger sind. Andernfalls müssen die Elektroden zu häufig ausgewechselt werden. Dieser Gesichtspunkt ist bei den Sulzer-Kesseln besonders beachtet worden, so daß Kessel im Betriebe sind, die dauernd bis 350 % überlastet wurden. Bei der Verwendung von hohen Spannungen sollte, der Sicherheit wegen, für eine jede Spannung ein bestimmtes Minimum der Belastung nicht überschritten werden, aus diesem Grunde liefert Gebr. Sulzer die Kessel für eine Minimal-Leistung bei einer bestimmten Spannung, z.B. Minim. Leistung: 50 kW f. eine Spannung v. 3000 Volt „ 100 „ „ „ „ „ 5000 „ „ 200 „ „ „ „ „ 8000 „ „ 500 „ „ „ „ „ 10000 „ 3 Phasenstrom. Textabbildung Bd. 343, S. 78 Abb. 2. Elektrischer Kessel für niedrige Spannungen. A = Kesselmantel; B = Deckel; C = Stopfbüchse; D = Belastungsregler; E = Regulierspindel; F = Stromzuführung; G = Isolierrohr; H = Elektrode; I = Gegenelektrode; K = Abfluß; L = Mittlerer Wasserspiegel Textabbildung Bd. 343, S. 78 Abb. 3. Elektrischer Kessel für hohe Spannungen. A = Elektrischer Kessel; B = Stromzuführung; C = Elektroden; D = Verdampferrohre; E = Regulier-Servomotor; F = Regulierhahn für E; G = Wasser-Druckrohr; H = Entwässerungsrohr; I = Wasserstand; K = Manometer; M = Speisewasser-Ventil; O = Entwässerungshahn Ferner lassen Gebr. Sulzer die Elektroden immer vollständig in das Wasser tauchen, damit keine Funkenbildung auf der Wasser-Oberfläche entsteht, die die Elektroden vorzeitig zerstört. Ein Elektroden-Kessel für niedrige Spannung ist in Abb. 2 dargestellt. In der Abbildung ist nur eine Phase gezeichnet. Das Elektrodensystem bestellt in der Hauptsache aus den Stromzuführungsteilen, den festen Elektroden, den beweglichen Gegen-Elektroden und der Regulierung. Die gezeichnete Lage der Gegen-Elektroden entspricht der maximalen Belastung. Der Strom fließt von den Elektroden-Zylindern H nach den Gegen-Elektroden-Zylindern I. Bei geringster Belastung sind die Gegen-Elektroden aus den Elektroden-Zylindern vollständig herausgezogen. In dieser Stellung ist die stromabgebende Fläche klein und die Stromweglänge groß. Durch Heben der Gegen-Elektroden wird somit die stromabgebende Fläche verkleinert und die Stromweglänge vergrößert. Nach dieser Grundidee sind Sulzer-Kessel für Belastungen bis zu 2500 kW für niedrige Spannungen mit sehr gutem Erfolg geliefert worden. Textabbildung Bd. 343, S. 78 Abb. 4. Stellung der Elektroden bei verschiedenen Belastungen. I minimum; II mittel; III maximum; A = Inneres einstellb. Verdampferrohr; B = Äußeres; C = feststehendes Verdampferrohr; D = Isolierrohr; E = Elektrode; F = geerdete Gegenelektrode; G = Wasserdüse; H = Niedrigster Wasserstand Den Patent-Elektro-Kessel für hohe Spannung zeigt Abb. 3. Die Elektroden C sind von beweglichen Isolierrohren D, Verdampferrohre genannt, die bei jeder Regulierstellung immer unter Wasser liegen, umgeben. Die gezeichnete Lage entspricht der geringsten Belastung. Der Strom fließt von C nach oben und unten durch das Verdampferrohr D nach den geerdeten Teilen des Kessels und erwärmt auf diesem Wege das in D befindliche Wasser. Textabbildung Bd. 343, S. 78 Abb. 5. Elektrischer Kessel für 6000 kW. A = Kesselmantel; B = Mannloch; C = Stopfbuchse; D = Regulierspindel; E = Reguliersäule mit Motor; F = Stromeinführung; G = Schutzrohr; H = Elektrode; I = oberes Verdampferrohr; K = unteres; L = festes; M = Wasser-Zuführungsrohr; N = Düse; O = Zirkulationspumpe; P = Druckrohr von O; Q = Mittlerer Wasserspiegel Hebt man das Verdampferrohr, dann wird der Weg des Stromes von dem unteren Ende von C nach dem unteren Ende von D kürzer, damit der Widerstand geringer und infolge dessen die Belastung größer. Textabbildung Bd. 343, S. 79 Abb. 6. Elektrische Kesselanlage mit Dampfakkumulator. A = Oelschalter; B = Schaltbrett; C = Transformator für die Schaltbrettapparate; D = Elektr. Dampfkessel; E = Sicherheitsventile; F = Stromzuführung; G = Hydraul. Regulierung für die Elektroden; H = Kontrollventil dazu; I = Druckwasser; K = Entwässerungsrohr; L = Absperrventil; M = Wärme-Akkumulator; N = Manometer; O = Wasserstand; P = Reduzierventil; Q = Automatisches Dampfventil; R = Vorhandener Dampfkessel, als Wärmeakkumulator; S = Düse; T = Dampfverteiler; U = Speisewasser-Ventil; V = Speisewasserbehälter; W = Speisewasserpumpe; X = Elektromotor; Y = Entwässerungshähne; Z = Erdung Diese erreicht ihr Maximum, wenn die Elektroden noch 50 mm tief im Verdampferrohr stecken. Bei dieser Anordnung sind verhältnismäßig kleine Belastungen bis zu etwa 150 kW je Elektrode und bis zu etwa 8000 Volt zulässig. Bei höheren Spannungen ist ein regelmäßiges Ablösen der Dampfblasen von den Elektroden durch die natürliche Wasserzirkulation nicht mehr sicher zu erwarten. Die Dampfblasen wirken dann isolierend auf die Elektroden. Für solche Fälle wird bei hohen Spannungen eine künstliche Wasserzirkulation (patentiert) bewirkt, die das Wasser durch die Elektroden drückt. Um eine gleichmäßige Verdampfung bzw. Belastung zu erzielen, wird für hohe Spannungen und Belastungen das in Abb. 4 dargestellte System verwendet. Das Schema I zeigt die Lage der Elektroden bei günstigster Belastung, II bei mittlerer und III bei höchster Belastung. Der elektrische Strom fließt von der Elektrode auf- und abwärts durch die Wassersäule in den Verdampferrohren nach den geerdeten Kesselteilen oder nach den Gegen-Elektroden F. Anstatt die Belastung zu erhöhen, werden die beiden Verdampferrohre A und B durch eine Reguliervorrichtung gehoben, bis sie in die Stellung Schema II gelangen, bei der die Belastung erfolgt. In den drei verschiedenen Stellungen wird der größte Teil der elektrischen Energie im Raum unterhalb der Elektroden in Wärme umgewandelt. Textabbildung Bd. 343, S. 79 Abb. 7. Elektr. Heißwasserkessel verbunden mit einer Zentralheizung ohne Wärmespeicher. A = Elektrischer Heißwasserkessel; B = Heizelement; C = Temperatur-Relais; D = Automatischer Ausschalter mit Temperaturregler; E = Handschalter; F = Amperemeter; G = Schalttafel; H = Kabel; I = Kessel; K = Kokskessel; L = Thermometer; N = Heißwasserleitung nach d. Zentrallheizung; O = Rückleitung von der Zentralheizung; Q = Entwässerungshahn; R = Heizkörper; S = Ausdehnungsbehälter; T = Überlauf Infolge der verschiedenen Stellungen der Verdampferrohre gelangt bei Schema I am wenigsten, bei III am meisten Wasser zu den Elektroden, so daß die mittlere spezifische Belastung je Volumeneinheit Wasser, nahezu für alle Kesselbelastungen, konstant bleibt. Die Zunahme der Belastung ist annähernd proportional der eingestellten Rohrlage. Textabbildung Bd. 343, S. 79 Abb. 8. Warmwasserversorgung mit elektr. Kessel und Wärmeakkumulator. A = Elektr. Heißwasser-Kessel; B = Heizkörper; C = Temperatur-Relais; D = Automatischer Ausschalter mit Temperaturregler; E = Schalter; F = Amperemeter; H = Kabel; I = Kessel-Isolierung; K = Kaltwasserleitung; L = Heißwasserleitung; M = Rückleitung; N = Entwässerungshahn; O = Heißwasserhähne; P = Kaltwasserbehälter mit Schwimmerventil; Q = Wasserzulauf; R = Überlauf; S = Luftventil Zu diesen Kesseln werden nur glatte, zylindrische, isolierte Rohre benutzt, wodurch die Wärmespannungen infolge der Temperatur-Aenderungen viel kleiner ausfallen. Dies ist ein beachtenswerter Fortschritt gegenüber anderen Ausführungen. Textabbildung Bd. 343, S. 80 Abb. 9. Elektrische Kesselanlage.3phasen-Strom, 8000 V, Belastung 500 bis 2500 kW, Kesseldruck 12 kg/cm2. Nach diesem System sind Kessel bis zu 6000 kW und 16 000 V, 3 Phasen gebaut worden. Ein Kessel für 6000 kW zeigt Abb. 5. Die Verdampferrohre J und K hängen an dem dreiarmigen Gestell, das an der Regulier-Spindel D befestigt ist. Die einzelnen Stellungen der Regulier-Spindel werden durch Anschlag bestimmt. Die Umstellung von D kann entweder von Hand, durch eine Gewindestange mit Hebel, s. Abb. 2 durch elektrischen Motor und Schneckengetriebe, s. Abb. 5 durch einen hydraulischen Servomotor, der von Hand oder durch ein Regulierventil betätigt wird, s. Abb. 3, oder durch einen Servomotor, der durch einen vom Kesseldruck oder der augenblicklichen Belastung reguliert wird, geschehen. Einen elektrischen Kessel von 1830 mm Durchmesser und 3050 mm Höhe hat das Bauamt der Stadt Basel für das Säuglingsheim „Friedmatt“ erhalten. Der Kessel ist nach Abb. 5 gebaut, deren Elektroden für eine Belastung von 2400 kW und 6400 Volt, 3 Phasen berechnet sind. Die Anlage erhielt eine künstliche Wasserzirkulation, Servomotor und automatische Regulierung der Belastung, des Drucks und des Wasserspiegels, elektrische Speisewasserpumpe und Speisewasserfilter. Der Kessel stand in Verbindung mit den drei vorhandenen großen Kohlekesseln. Die Anlage arbeitete entweder bei konstantem Druck oder bei konstanter Belastung. Die Versuche ergaben bei einer Belastung von 1033 kW einen Wirkungsgrad 96,05 %. Die Verluste in einem elektrischen Kessel sind bei allen Belastungen dieselben, so daß der Wirkungsgrad bei einer Belastung von 2400 kW auf 98,3 % steigt. Wegen der allmählichen Anreicherung des Speisewassers durch die ausscheidenden Salze, die den elektrischen Widerstand herabsetzen, ist es notwendig, den Kessel bei niedrigen Belastungen wenigstens einmal im Tag, bei großen Kesseln dauernd abzublasen. Dieses Wasser wird in einem Wärme-Austauschapparat wieder verwertet. Abb. 6 zeigt eine normale elektrische Kesselanlage mit Wärmespeicher. Mit Nachtstrom wird der Kessel D geheizt bis zu einer Temperatur, die etwas höher als diejenige des Wassers in R ist. Das Gemisch von Dampf und Wasser gelangt nach dem Wärme-Akkumulator M. Der hier entwickelte Dampf strömt durch die Düse S in den Kessel R, der mit Kohle gefeuert wird. Der Dampf, der in M entsteht, wird durch das Ventil P auf den Druck von R reduziert und gelangt nach dem Verteilstutzen T, in den auch der Dampf von R strömt. Die außerordentliche Einfachheit und der reinliche Betrieb des elektrischen Kessels macht ihn für alle Anlagen der Nahrungsmittelindustrie und für hygienische Anlagen ganz besonders geeignet Ebenso gut eignet er sich für Heizungsanlagen Abb. 7 und Warmwasserversorgung Abb. 8, obwohl hier der Wärmebedarf recht schwankend ist. Die beste und wirtschaftlichste Verwendungsart ist die Parallelschaltung des elektrischen Kessels mit dem üblichen Kohlekessel. Im Frühjahr und Herbst wird der elektrische Kessel, in den kalten Wintermonaten oder wenn der elektrische Strom versagen sollte, der Kohlekessel benutzt. Die Vorteile der beschriebenen Kessel sind: günstige Verwertung von überschüssiger elektrischer Energie, zurzeit bis zu 16000 Volt verwendbar, hoher Wirkungsgrad, große Regulierbarkeit und Sicherheit, geringer Raumbedarf, keine Belästigung durch Rauch, Ruß und Asche, keine Explosionsgefahr, große Reinlichkeit, geringe Anschaffungs- und Bedienungskosten. Daß diese genannten Vorteile auch im Dauerbetrieb nachzuweisen sind, hängt nicht zuletzt von der Konstruktion und der Ausführung ab. Diese Vorteile zeigen deutlich die beiden Abb. 9 und 10, die eine der vielen Lieferungen der Firma Sulzer darstellen. Textabbildung Bd. 343, S. 81 Abb. 10. Elektrischer Sulzer-Dampfkessel in der Utzenstorf Papier Kesseldruck 10,55 kg/cm2 3500 kW, 10000 V, 3phasen-Strom, automatische Regulierung des Wasserstandes.