Thermosiphon (Dampfkessel)
Der Thermosiphon, auch Wasserkammer oder Wassertasche, ist ein Wärmetauscherelement in der Feuerbüchse von Dampflokomotivkesseln oder im Flammrohr von Großwasserraum-Dampfkesseln, wobei in einer Anlage meist mehrere Elemente verbaut sind. Der Thermosiphon ist direkt der Strahlungswärme von der Verbrennung ausgesetzt, sodass er im Verhältnis zu seiner Größe eine hohe Verdampfungsleistung hat. Die nahezu senkrechte Anordnung bewirkt durch den Thermosiphon-Effekt eine gute Wasserzirkulation im Kessel. Das aufgeheizte Wasser steigt im Thermosiphon hoch und zieht kaltes Wasser in das Wärmetauscherelement nach.
Geschichte
[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]Stationäre Anlagen
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Das Konzept eines Dampfkessels mit Wasserumwälzung durch Ausnutzung des Thermosiphon-Effektes begann mit stationären Großwasserraumkessel. In deren Flammrohr wurde erstmals in den 1840er-Jahren senkrecht oder schräg verlaufende Rohre eingebaut, die das erwärmte Unterkesselwasser zum Oberkesselwasser aufsteigen lassen und es gleichzeitig der Hitze der Rauchgase aussetzt und dadurch noch weiter erwärmen lassen. Eine zweite Funktion dieser Rohre war die Aussteifung des Flammrohrs im Kessel.
Diese erste Form des Thermosiphons wurde durch die Firma W & J Galloway & Sons verfeinert und 1849 zum Patent angemeldet. Sie führte die Rohre konisch aus, so dass sie während der Montage leichter in das Flammrohr eingeführt werden konnten. Diese Bauform setzte sich für stationäre Anlagen durch und wird nach dem Erfinder als Galloway-Rohre bezeichnet.
Dampflokomotivkessel
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Für Lokomotiven mussten besonders leichte und platzsparende Kessel konstruiert werden. Zugleich sollte eine möglichst hohe Verdampfungsleistung erzielt werden. Des Weiteren war es notwendig, den vor der hinteren Rohrwand in der Feuerbüchse aufgemauerten Feuerschirm zu stabilisieren. Zu diesem Zweck wurden in den Vereinigten Staaten etwa ab 1900 gerade oder bogenförmige Wasserrohre (englisch arch tubes) in die Feuerbüchse eingebaut. Diese beginnen unterhalb der Kesselrohre in der Rohrwand und verlaufen diagonal durch die Feuerbüchse zur Feuerbüchsdecke. Kühles Wasser strömt nahe des Bodenrings in die Rohre ein und erwärmt am oberen Ende wieder hinaus, wodurch die Wasserzirkulation im Kessel verbessert wird.
Um diesen Effekt zu verstärken, entwickelte der englische Ingenieur John L. Nicholson den nach ihm benannten Nicholson-Thermosiphon. Das Patent[1] wurde 1918 eingereicht und durch die Locomotive Firebox Co. in Chicago sowie später von Beyer-Peacock verwertet.[2] Die Anordnung der Nicholson-Thermosiphons entspricht der einfacher Wasserrohre, nach oben hin sind sie jedoch trichterförmig geöffnet, sodass der Wasserdurchfluss erhöht und die Heizfläche vergrößert werden. Da sie schmal und taschenförmig ausgebildet sind, können mehrere nebeneinander angeordnet werden. Die ersten mit dieser Neuentwicklung ausgerüsteten Lokomotiven waren bei der Chicago, Milwaukee, St. Paul and Pacific Railroad in den Vereinigten Staaten im Einsatz. Gegenüber Kesseln ohne Wärmetauscherelemente in der Feuerbüchse können mit Nicholson-Thermosiphons bis zu 25 % Brennstoff eingespart werden.[3]
Um 1940 kam in den Vereinigten Staaten eine neue Bauform von Thermosiphons auf. Der Sicherheitszirkulator (englisch security circulator) besteht aus zwei dünnen Rohren, die in den Seitenwänden der Feuerbüchse beginnen und mittig zusammenlaufen, von wo aus ein senkrechtes Rohr zur Feuerbüchsdecke führt. Aufgrund ihrer geringen Größe können in einer langen Feuerbüchse zahlreiche dieser Elemente hintereinander angeordnet werden. Wegen des runden Rohrquerschnitts sind sie wesentlich steifer und unempfindlicher gegen hohe Drücke als die großen, flachen Nicholson-Thermosiphons, stabilisieren die Feuerbüchse und sind außerdem Dank ihrer Einbaulage leichter zu reinigen. Da sie das Wasser seitlich zwischen Feuerbüchse und Stehkessel ansaugen, fördern sie den Wärmeaustausch an den Seitenwänden der Feuerbüchse. Durch den hohen Wasserdurchsatz wird die Feuerbüchsdecke selbst bei niedrigem Wasserstand ständig mit frischem Wasser überspült, sodass die Wahrscheinlichkeit einer Kesselexplosion gering ist. Zu den bekanntesten mit Sicherheitszirkulatoren ausgestatteten Lokomotiven dürften die Big Boys der Union Pacific Railroad gehören.
Weblinks
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- Tom Morrison: The American Steam Locomotive in the Twentieth Century. McFarland, 2018, ISBN 978-1-4766-6582-5, 7.2.5 Thermic Syphons, S. 217–218 (englisch, google.com).
