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Dampfkessel, insbesondere für Lokomotiven Es sind Dampfkesselanlagen
bekannt, welche aus einem Feuerbuchskessel und einem oder mehreren Speisewasservorwärmern
bestehen. Hierbei kann, wie es bei älteren Anlagen der Fall ist, der Speisewasservorwärmer
nur durch Abdampf beheizt werden oder aber auch durch die abziehenden Rauchgase.
In letzterem Fall wird wohl die Wärmeenergie besser ausgenutzt, doch ist es erforderlich,,
die Vorwärmer weitaus größer auszubilden, was besonders bei der Unterbringung solcher
Kesselanlagen auf Lokomotiven sowohl zu großen Schwierigkeiten wegen des größeren
Raumbedarfes als auch zu ungünstigen Montage- und Wartebedingungen führt. Außerdem
geht durch die getrennte Ausbildung des eigentlichen Dampfkessels und der Speisewasservorwärmer
bzw. durch die Notwendigkeit, mehr oder weniger länge - Verbindungs=-Leitungen,
einesteils-für die Rauchgase, andernteils für das Speisewasser, zwischen- Kessel
und Vorwärrn,er anzuordnen, immer noch eine beträchtliche Wärmwenergiemenge verloren.
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Diese Nachteile zu beseitigen sowie der gesamten Anlage einen weitaus
günstigeren Wirkungsgrad zu verleihen, ist Sinn und Zweck der Erfindung.
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Den Gegenstand der Erfindung bildet ein Dampfkessel, welcher sowohl
seiner Funktion nach als auch nach seinem Aufbau in zwei Teile zerfällt. Der erste
Teil besteht aus mindestens einem Zylinderkörper, innerhalb welchem ein Bündel von
Heizrohren angeordnet ist, welche von abziehenden Heizgasen erwärmt und von Wasser
umgeben sind. In diesen Zylinderkörpern wird das Wasser bereits auf eine der Verdampfungstemperatur
sehr nahe kommende Temperatur gebracht.
Den zweiten Teil des Dampfkessels
bildet ein weiterer Zylinderkörper, der einerseits an eine Feuerbuchse ,anschließt,
andererseits in eine Rauchkammer mündet. In diesem Zylinderkörper sind unter anderem
Feuerrohre ,angeordnet, welche von dem aus dem ersten Teil kommenden Wasser umspült
werden und dieses endgültig verdampfen.
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Die beiden Teile des erfindungsgemäßen Dampfkessels können ,mit den
Speisewasservorwärmern (Zylinderkörper des ersten Teiles) bzw. dem Feuerbuchskessel
(Zylinderkörper .des zweiten Teiles) einer herkömmlichen Dampfkesselanlage verglichen
werden und sollen der Einfachheit halber im folgenden Teil der Beschreibung auch
als solche bezeichnet werden.
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Es soll jedoch hervorgehoben werden, daß diese Analogie nicht völlig
stimmt, da der sogenannte Feuerbuchskessel entsprechend der Erfindung nicht allein
als solcher verwendet werden kann bzw. einen weit unternormalen Wirkungsgrad aufweisen
würde. Es ist eben charakteristisch für die vorliegende Erfindung, daß der hier
sogenannte @Feuerbuchskessel und die sogenannten Speisewasservorwärmer eine geschlossene
unzertrennbare Einheit darstellen und es nicht möglich ist, so wie bei bekannten
Kesselanlagen dieser Art den Speisewasservorwärmer entweder an anderer Stelle unterzubringen
bzw. ihn überhaupt wegzulassen.
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Durch diese kompakte Vereinigung des FeuerbucIiskessels mit den Speisewasservonvärmern,
welcher Umstand u. a. auch durch eine gemeinsame Rauchkammer und Rauchkammertür
gekennzeichnet ist, wird nicht nur eine erhebliche Raumersparnis, sondern auch eine
einfache Montage und Wartung und ein äußerst günstiger Wirkungsgrad erreicht.
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In den Zeichnungen sind rein beispielsweise einige Ausführungsformen
des Kessels dargestellt: Fig. i ist ein Längsschnitt eines Dampfkessels mit polyederförmiger
Feuerbuchse; Fig. 2 ist ein teilweiser Längsschnitt eines Daanpfkessels zeit gewellter
zylinderförmiger Feuerbuchse; Fig.3 ist ein Querschnitt nach Linie Y-Y der Fig,
i; Fig. 4. ist ein Querschnitt nach Linie X-X der Fig. i ; die Fig. 5 und 6 sind
Details im Schnitt gesehen; Fig.7 stellt im Schnitt einen im Vergleich zu dem der
Fig. i vervollkommneten Dampfkessel dar.
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In den Zeichnungen bezeichnet i den Feuerbuchskessel, der in Fig.
i mit einer kastenförmigen Feuerbuchse 2 und in Fig. 2 mit einer gewellten zylinderförmigen
Feuerbuchse 3 ausgestattet ist. Mit q. ist die Rauchkammer bezeichnet, in deren
oberem Teil die Feuerrohre des Kessels i münden und in deren unterem Teil zwei -,durch
die Wand 5 gehende Speisewasservorwärmer 6 eintreten.
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Die Speisewasservorwärmer 6 mit zylinderförmigem Mantelgehäuse und
Heizrohren 7 weisen mit Bezug zum Feuerbuchskessel eine Lage auf, bei welcher die
Achsen der Speisewasservorwärmer in Richtung zur Rauchkammer ¢ hin ansteigend verlaufen.
Dadurch wird eine größere Kompaktheit des Gesamtaufbaues, leichtere Montage und
bequemere Wartung erreicht und auch der Übertritt der Heizgase von den Feuerrohren
des Kessels i zu den Heizrohren 7 der Vorwärmer begünstigt, um einen guten thermischen
Wirkungsgrad der Gesamtanlage zu gewährleisten.
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Die Heizrohre 7 sind in Stirnplatten 8 und 9 eingewalzt (Fig. 5 und
6). Diese Platten, von denen die Platte 9 einen größeren Durchmesser besitzt als
die Platte 8, sind in Richtsitzen. i o bzw. i i zentrisch eingesetzt und werden
von Ringen 12 bzw. 13 festgehalten, von denen der Ring 12 mittels Schmauben
1q. gegen einen den Richtsitz i i aufweisenden Flangeh 16' und der Ring 13 mittels
Schrauben i 5 gegen einen den Richtsitz i 2 aufweisenden Flansch i 6' festgezogen
werden kann. Der Schraubenbolzen der Schraube i 5 ist in der Stirnplatte 8 eingeschraubt.
Mit dieser Vorrichtung ist es möglich, das Rohrbündel? samt den Stirnplatten 8,
9 aus dem Mantelkörper 6 herauszuziehen, um eine Reinigung vom Kesselstein und anderen
Anlagerungen bequem vornehmen zu können. Die Mantelkörper 6 sind an der Durchtrittsstelle
durch die Wand 5 mittels Flansch 17 und zugehörigen Bolzen 18 mit
der Wand 5 verbunden. Das andere Ende jedes Speisewasservorwärmers ist mittels Pendelaufhängungen
19 ,aufgehängt.
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Diese Aufhängungen, wie sie üblicherweise bei Lokomotiven verwendet
werden und die aus einfachen 'lechen bestehen, sind leicht und elastisch verformbar
und ermöglichen, daß sich die Zylinderkörper 6 unter der Wirkung der verschiedenen
Wärmedehnungen frei ausdehnen und verkürzen können.
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Jeder Zylinderkörper 6 ist zur anderen Seite der Pendelaufhängung
mit einer Rauchkammer 2o verbunden, aus denen die Schornsteine 21 zu beiden Seiten
des Kessels i nach oben geführt sind.
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Die in der Feuerbuchse 2 (Fig. i) oder 3 (Fig. 2) des Kessels i entwickelten
Heizgase durchströmen das Rohrbündel 22 des Kessels i und gelangen in die Rauchkammer
q.. Hier bestreichen sie die Außenwand des in die Rauchkammer q. hineinragenden
Teiles der Vorwärme, 6, .treten dann in die Heizrohre 7 ein, durchströmen diese
und gelangen über die Rauchkammern 20 und die Schornsteine 21 ins Freie.
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Die Rauchkammer q. ist durch eine Tür 23 verschlossen, deren Größe
dem Querschnitt der Rauchkammer entspricht, so daß bei geöffneter Tür jede zum Betrieb
und zur Instandhaltung bzw. Wartung des Kessels notwendige Arbeit sowie das Herausnehmen
der Rohrbündel? möglich ist.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig.7 sind im Vergleich zu der gemäß
Fig. i verschiedene Verbesserungen vorgesehen, um den Betrieb noch wirtschaftlicher
zu gestalten.
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Um zu vermeiden, daß .gegebenenfalls in den Verbrennungsgasen befindliche
feste Teilchen in den Röhren 7 sich absetzen können, ist eine horizontale Wand 24
vorgesehen (Fig. 7); diese erstreckt sich über den in die Rauchkammer q. hineinragenden
Teil der Vorwärmer 6 und bildet mit einem vertikalen Wandteil 26 der Tür einen toten
Winkelraum
27, in dem sich die festen, von den Verbrennungsgasen
mitgerissenen Teilchen absetzen. Der vertikale Wandteil 26 verleiht der Tür große
Festigkeit und Starrheit und ergibt auch einen Verbindungskana125, welcher die Verbrennungsgase
vom ob-eaen Teil der Rauchkammer zum unteren, das vordere Ende der Vorwärmerenthaltenden
Rauchkammerteil leitet. Beim.öffnen der Tür 23 bewegt sich mit dieser auch die Zwischenwand
26 mit; der Raum 27 wird dadurch für eine Reinigung freigegeben.
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Mit dieser Vorrichtung werden die Heizrohre 7 von Verstopfungen durch
feste Stoffe und Teilchen frei gehalten, wobei alle sperrigen, den Durchgang der
Verbrennungsgase stark behindernden Einrichtungen in Wegfall kommen, die bislang
in den Rauchkammern am Fuß der Schornsteine vorgesehen werden mußten, um zu verhindern,
daß Glutteilchen nach außen kommen und Brände längs der Bahn verursachen können.
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Im übrigen trägt auch die erhebliche Temperaturerniedrigung auf dem
langen Weg, den die Abgase durchlaufen müssen, ebenfalls dazu bei, daß abfällige
Glutteilchen noch vor dem Austritt aus dem Schornstein bereits erloschen sind bzw.
ihre Gefährlichkeit eingebüßt haben.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung macht es auch möglich, durch entsprechende
Vorkehrungen der Dampfkesselanlage einen besseren thermischen Wirkungsgrad zu verleihen.
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In der Tat kühlen sich in dem Zeitabschnitt, der dem Anheizen des
Kessels unmittelbar folgt, sowie in der Zeit der ersten Erwärmung die Verbrennungsprodukte
beim Durchgang durch die Feuerrohre sehr 'stark ab und gelangen in die Rauchkammer
mit einer Temperatur, die in den Heizrohren des Vorwärmers keinen Nutzeffekt mehr
ergibt. Zudem kondensieren dort auch die in den Verbrennungsgasen enthaltenen Dämpfe,
wie Wasserdampf und Dämpfe von Schwefeldioxyd und schweren Kohlenwassexstoffen.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig.7 werden nun die Verbrennungsgase
während des Anlassees der Kesselanlage über einen Weg geleitet, der vom Durchlaufweg
im normalen Betriebszustand abweicht. Gemäß Fig. 7 ist im oberen Teil der Rauchkammer
eine rauchfangartige Öffnung 37 vorgesehen, die ;mittels Deckel38 geöffnet oder
verschlossen werden kann. Der Decke138 stellt eine Art Ventil dar, das durch den
schematisch mit 39
angedeuteten Hebel und Gestänge verstellt werden kann.
Ist der Deckel 38 angehoben, so strömen die Verbrennungsgase unter der Wirkung des
natürlichen Zuges oder noch besser unter der Wirkung eines mittels einer Gebläseeinrichtung
erzeugten künstlichen Zuges durch die Leitung 37 ins Freie, das ist auf einem Weg,
der im Vergleich zum Umlauf durch die Heizrohre 7 einen weit geringeren Widerstand
bietet.
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Der Deckel38 kann geschlossen werden, wenn die Verbrennungsgase mit
einer günstigen Temperatur in die Rauchkanumer q. gelangen und das Wasser im Kessel
eine ziemlich hohe Temperatur erreicht hat, so daß dort ein Dampfdruck entsteht,
der benutzt werden kann, um das System beschleunigt dem normalen Betriebszustand
zuzuführen.
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Dies wird dadurch erleichtert, daß um den Mantelkörper 6 des Speisewasservorwärmers,
vorzugsweise in der dem Schornstein zunächst liegenden Zone, ein Mantel 3 5 vorgesehen
wird, in dem der iin Kessel erzeugte Dampf zirkulieren kann. Der Mantel 3 5 umgibt
den Mantel 6 unter Bildung eines Zwischenraumes, der vom Kesseldampf durchströmt
wird. Dieser Dampf gibt bei der Berührung mit der noch kalten Mantelwand 6 seine
beträchtliche Wärmemenge dank dem sehr hohen Wärmeübertragungskoeffizienten rasch
ab, wie er sich bei zwischen Kontaktflächen strömenden Dampf ergibt.
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Der Eintritt des Dampfes erfolgt beispielsweise bei 40, während das
Ablassen des Kondenswassers durch die an tiefster Stelle des Mantels 3 5 vorgesehene
öffnung q.1 stattfindet. Auf diese Weise wird ermöglicht, in kürzester Zeit eine
vorteilhafte Wärmeübertragung vom Dampfkessel zur zweiten Abteilung der Anlage zu
bewirken, indem man nie Temperatur des das Rohrbündel 7 umgebenden Wassers erhöht.
Dieses Rohrbündel wird daher auch gleich danach von den Verbrennungsgasen durchströmt
werden können, ohne daß Kondensate noch feste Rückstände an den Rohrwandungen zurückbleiben
und Verkrustungen oder Verstopfungen bilden können.
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Steht dann noch Dampf zur Verfügung, so kann dieser zur Erhöhung der
Zugwirkung des Schornsteines 2r und damit zur Beschleunigung der Erreichung des
normalen Betriebszustandes verwendet werden. Durch die damit erzielte größere Geschwindigkeit
der Verbrennungsgase in den Rohren 7 wird auch das Ansetzen der obenerwähnten Rückstände
an den Rohrwandungen. erschwert.
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Durch den Dampfmantel 35 kann auch z. B. der Abdampf von der Hauptmaschine
oder von Hilfsmaschinen der Lokomotive mit Vorteil hindurchgeleitet werden. Das
vorzuwärmende Wasser durchläuft den Mantelkörper 6, bezogen auf die Strömungsrichtung
der Verbrennungsgase im Gegenstrom, und die Wasserbewegung wird im Bereich des Rohrbündels
7 eine sehr regelmäßige sein, da das Rohrbündel in seiner Gesamtheit eine Vielzahl
von Längsleitungen bildet. In der zwischen den Außenrohren des Bündels und dem Mantel
6 liegenden Umfangszone dagegen ist der Durchgangsquerschnitt für das Wasser ein
verhältnismäßig großer, was eine .größere Durchflußgeschwindigkeit des Wassers in
dieser Zone bedingt und eine geringere Erwärmung des Wassers ergeben würde, wenn
nicht eine zusätzliche Heizung durch den Dampfmantel 3 5 vorgesehen wäre.
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Der Dampfmantel 3 5 wird zweckmäßig bis zu jener Stelle ,geführt,
wo die Temperaturunterschiede zwischen Heizgasen und Wasser einen positiven Wert
haben.
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Die beschriebene Anordnung der beiden wichtigsten Teile der Kesselanlage,
nämlich des Kessels r und des Speisewasservorwärmers 6, das entsprechende Verhältnis
der von den Verbrennungsgasen
bestrichenen Flächen und die wohlberechneten
Durchgänge für die letzteren ergeben eine Verbesserung der Wärmeübertragung und
eine Steigerung des Wirkungsgrades bei Einsparung von Brennstoff.
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Das bei 28 in den kältesten Teil des Vorwärmers, 6 eingelassene Speisewasser
durchläuft denselben im Gegenstrom zu den Verbrennungsgasen und erreicht .am entgegengesetzten
Ende des Vorwärmers eine der Verdampfungstemperatur nahekommende Temperatur. Das
vorgewärmte Wasser strömt durch die Leitung 29 in den Dampfkessel i über und wird
dort verdampft.
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Im nachstehenden seien die wichtigsten Daten einer Dempfkesselanlage
gemäß der Erfindung gegenüber einem Dampfkessel herkömmlicher Bauart vergleichend
dargestellt.
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Es sei vorausgeschickt, daß einer Verbrennung von Steinkohle im herkömmlichen
Dampfkessel mit einer Intensität von 5oo kg je Quadratmeter Rostfläche pro Stunde
einer unter 400 kg liegenden Intensität bei der hier beschriebenen Dampfkesselanlage
entspricht.
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Die Temperatur der Verbrennungsgase wird in leiden Fällen kaum verschieden
sein, weil die weniger intensive Verbrennung im zweiten Fall einem geringeren Durchgang
von Verbrennungsluft entspricht, was allein schon einen höheren Wirkungsgrad zur
Folge hat.
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Es darf ferner angenommen werden, daß in beiden Fällen durch Konvektions-
und Strahlungserscheinungen die Verbrennungsgase proportional durch die Wandungen
der Feuerbuchse Wärme abgeben, da ja diese Wandungen ungefähr die gleiche Fläche
aufweisen, so daß die Verbrennungsgase mit derselben Temperatur von :etwa io5o°
in .die Rauchrohre eintreten.
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Die Rauchrohrbündel weichen in beiden Vergleichsfällen stark voneinander
ab, indem ihre Oberfläche im zweiten Fall um etwa 400/6 kleiner ist als im ersten
Fall.
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Diese Verringerung der Oberfläche tritt, wenn gleiche Entfernung ,der
Endplatten für die Rauchrohrbündel vorausgesetzt wird, als Verringerung der Anzahl
der Rauchrohre um etwa die Hälfte in Erscheinung. Es wird daher im zweiten Fall
der Rohrdurchmesser erheblich größer sein, sofern der Gasdurchgangsquerschnitt ungefähr
der gleiche sein sollte wie bei dem herkömmlichen Dampfkessel.
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Ein weiteres Merkmal liegt darin, daß die Anzahl der die Dempfüberhitzerelemente
3,1 enthaltenden Rohre 3o im Verhältnis zu den Rohren 22 kleinen Durchmessers erheblich
größer ist als bei den herkömmlichen Dampfkesseln, und zwar derart, daß im allgemeinen
die Gasberührungsflächen der kleinen -Lind großen Rohre einander ungefähr gleichkommen.
_ Während nun bei der herkömmlichen Bauart die Gase aus der Rauchkammer endgültig
ins Freie mit einer beträchtlichen Menge von Eigenwärme abströmen, :durchströmen
sie bei der neuen Bauart die 6, deren Heizrohre 7 eine Gesamtoberfläche aufweisen,
die etwa 8 5o;'o der im Kessel i erhitzten Fläche beträgt. In den Rohrbündeln
7 der Vorwärmer 6 wird ein Großteil der in Verbrennungsgasen innewohnenden Wärmemenge
an das Speisewasser abgegeben, das auf eine Temperatur vorgewärmt wird, die nur
um weniges geringer ist als die Verdampfungstemperatur im Kessel i.
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Ist die Temperatur der Abgase in der Rauchkammer des Kessels i etwa
39o°, so beträgt sie beim Schornstein z i nur mehr i 5o°, d. h. um etwa 2q.0° weniger.
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Um die geringe Wärmeübertragungsfähigkeit, die aus dem geringen Wärmegefälle
zwischen den Verb:rennun-sgasen und dem Wasser folgt, wettzumachen, werden die Durchgangsquerschnitte
der Heizrohre 7 klein gehkalten, und zwar in solchem Maße, daß die Geschwindigkeit
der Rauchgase (wesentliche Bedingung für einen hohen Konvektionsübertragungskoeffizienten)
hoch bleibt im Verhältnis zum geringeren mittleren spezifischen Volumen, das,derweniger
hohen Temperatur entspricht.
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Dazu kommt noch -die Anordnung der einzelnen gas- und wasserführenden
Elemente, die so getroffen ist, d.aß der Wärmeaustausch im Gegenstrom ;an geeigneter
Stelle erfolgt.
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All dies ist in einem herkömmlichen Dampfkessel nicht möglich, und
zwar auch nicht, wenn man verschiedene Längs- und Querwände einbauen würde, um den
Verbrennungsgasen eine bestimmte Bahn zugeben.
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Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Dampfkesselanlage besteht
auch m einer besonders günstigen Ausnutzung des unter dem Dampfkesse-1 i befindlichen
Raumes; die Vorwärmer verlaufen gegen die Rauchkammer hin ansteigend und weisen,
sofern zwei Vonvärmer vorgesehen sind, einen Durchmesser auf, der ungefähr der Hälfte
des Durchmessers des oberen Kessels entspricht. Die Vorwärmer können daher bequem
zu beiden Seiten der Vertikalprojektion Platz finden, wobei der schräge Verlauf
der Vorwärmer auch eine günstige Unterbringung der Heizmäntel 35 ermöglicht. Auch
kann man bei dieser Anordnung an Höhe der Feuerbuchse gewinnen, Was der Vervollkommnung
der Verbrennung dienlich ist.
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Obwohl sich die ,erfindungsgemäße Dampfkesselanlage insbesondere für
Lokomotiven eignet, ist sie selbstverständlich auch für andere Zwecke mit Vorteil
verwendbar.