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2025-12-22T09:17:58Z

Überhitzer in Dampflokomotivkesseln

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[[Datei:Superheater.jpg|mini|Anordnung des Überhitzers im Kessel]]
Ein '''Überhitzer''' ist Teil einer [[Dampfkesselanlage]], bei der [[Wasserdampf]], der im Kessel erzeugt wurde, über seine [[Verdampfungstemperatur]] hinaus weiter erhitzt wird. Betreibt man mit diesem überhitzten Dampf eine [[Wärmekraftmaschine]], so arbeitet diese Maschine effizienter (siehe [[Carnot-Wirkungsgrad]]).

== Allgemeines ==
Wasserdampf mit einer Dampftemperatur oberhalb der Sattdampftemperatur wird als [[Heißdampf]] bezeichnet. Im Falle von Wasserdampf mit einem Druck von 1,013 bar ist der Dampf dann überhitzt, wenn seine Temperatur über dem atmosphärischen Siedepunkt liegt, also über 100 °C.

Kesselanlagen werden mit Überhitzern ausgerüstet, wenn Arbeitsmaschinen ([[Dampfturbine]] oder [[Dampfmotor]]) angetrieben werden. Die Überhitzung beim Betrieb von Dampfturbinen dient der Erhöhung des Anlagenwirkungsgrades und vermeidet eine Schädigung der Turbinenschaufeln durch kondensierte Flüssigkeitstropfen. Zur besseren Energieausnutzung des erzeugten Dampfes werden bei [[Kraftwerk]]en mit höheren Dampfdrücken mehrere Überhitzer angeordnet. In modernen fossil befeuerten Großkesselanlagen werden Überhitzungstemperaturen bis 650 °C erreicht. In größeren Kesselanlagen werden zusätzlich Zwischenüberhitzer eingebaut, um den Dampf hinter der Hochdruckturbine nochmals zu erhitzen. Die Hochdruckturbine ist so ausgelegt, dass der Dampf hinter der Turbine eine [[Enthalpie]] aufweist, die eine geringfügige Kondensation von Wasserdampf zulässt. Der entnommene Dampf wird nunmehr im Zwischenüberhitzer (ZÜ) des Dampfkessels nochmals erhitzt und kann dann auf eine Mittel- oder Niederdruckturbine geleitet werden.

Bei Anlagen mit [[Verbunddampfmaschine|mehrstufigen Arbeitsmaschinen]] (Verbundwirkung) wird auch zwischen den einzelnen Stufen eine Zwischenüberhitzung angewandt, das heißt, der Dampf wird von der ersten Stufe der Arbeitsmaschine wieder zum Kessel geführt, dort erneut aufgeheizt und zur nächsten Stufe der Arbeitsmaschine geleitet, um eine bessere exergetische Ausnutzung zu erreichen und eine Kondensation in der Arbeitsmaschine gering zu halten.

Überhitzer wurden erstmals um [[1890]] von [[Wilhelm Schmidt (Ingenieur)|Wilhelm Schmidt]], einer Anregung [[Carl von Linde]]s folgend, ausgeführt und etablierten sich rasch in stationären Anlagen. Auch [[Dampflokomotive]]n wurden etwa seit der Jahrhundertwende mit Überhitzern ausgerüstet. Die Gründe für die spätere Einführung lagen darin, dass erst um diese Zeit Schmiermittel aufkamen, bei denen der [[Flammpunkt]] über 350 °C lag, und [[Stopfbuchse]]n aus metallenem Werkstoff für die Abdichtung der Kolbenstange zu dem Zylindergehäuse verfügbar waren.

== Überhitzer in Kraftwerken ==
[[Datei:Überhitzer in einem Biomassekraftwerk.jpg|mini|Überhitzer mit Cladding-Auftragsschweißung im Vertikalzug eines Biomassekraftewerks]]
Es wird unterschieden zwischen ''Strahlungsüberhitzern'', die auch der [[Wärmestrahlung]] der Flamme ausgesetzt sind, und ''Berührungsüberhitzern'', die nur durch den [[Konvektion|konvektiven Wärmeübergang]] von dem Rauchgas beheizt werden. Überhitzer werden in Wasserrohrkesseln oft als ''Schottenüberhitzer'' ausgeführt. Es handelt sich dabei um Rohranordnung mit 180°-Umlenkungen, die in einer Ebene liegen und vertikal aufgehängt sind. Die Rohrabstände sind so bemessen, dass die Verschmutzung und Brückenbildung durch Rußablagerungen zwischen den Rohren minimiert ist. Bei starkem Rußanfall müssen die Ablagerungen entfernt werden. [[Rußbläser]] werden in horizontalen Zügen eingebaut, die mittels Luft oder Dampf die Verschmutzungen von den Rohren abreinigen. Im Falle eines horizontalen Überhitzerzugs (sogenannter ''Dackelzug'') werden Abklopfeinrichtungen verwendet.

Bei [[Naturumlaufkessel]]n wird der Nassdampf über einen [[Tropfenabscheider]] aus der [[Trommel (Dampfkessel)|Trommel]] entnommen und dem Überhitzer zugeführt. Der Überhitzer besteht meistens aus Teilüberhitzerflächen, die entsprechend der Strömungsrichtung des Heißdampfes nummeriert sind. Der Dampf von der Trommel wird zuerst in den Überhitzerteil 1 geleitet, der als letzter im Rauchgasweg angeordnet ist. Die weiteren Überhitzer sind in Gegenrichtung zum Rauchgasstrom – also zum heißeren Bereich hin – angeordnet. Die einzelnen Teilüberhitzer bilden somit eine [[Gegenstromprinzip (Verfahrenstechnik)|Gegenstromanordnung]]. Der Vorteil ist eine günstigere mittlere Temperaturdifferenz zwischen Rauchgastemperatur und Heißdampftemperatur im jeweiligen Überhitzerteil. Damit wird der Wirkungsgrad durch eine bessere Ausnutzung der Rauchgas[[enthalpie]] erhöht und es wird eine Schonung der Überhitzerrohre erreicht.

Aufgrund von Lastschwankungen und insbesondere durch Rußablagerungen wird der Wärmeübergang zum Überhitzer stark beeinflusst. Daher ist es notwendig, die Überhitzungstemperatur zu regeln. Bei neuen Anlagen wird dies meistens durch eine Einspritzung von [[Speisewasser|Kesselspeisewasser]] zwischen den Teilüberhitzern erreicht, die über die Austrittstemperaturen an dem jeweiligen Überhitzer geregelt wird. Eine andere Variante ist die Heißdampfkühlung. Der Heißdampf wird dabei durch eine Rohrschlange geleitet, die im wassergefüllten Teil der Dampftrommel angeordnet ist. Das kältere Trommelwasser mit der Sattdampftemperatur kühlt somit den Heißdampf; der Wärmeinhalt bleibt im System.

Im Kraftwerksbereich werden heute je nach eingesetztem [[Brennstoff]] und Größe der Anlage Dampftemperaturen von 420 bis 570 °C erreicht, die Entwicklung tendiert bei Großkraftwerken zu Dampftemperaturen von 600 °C und darüber. Jedoch vollzieht sich die Entwicklung nur in sehr kleinen Schritten, da über die [[Zeitstandfestigkeit]] der Wärmetauschermaterialien bei diesen Temperaturen und Drücken von bis zu 250 bar noch vergleichsweise wenig bekannt ist.

Beim Anfahren von Dampfkesseln mit Überhitzern muss darauf geachtet werden, dass eine Mindestdampfmenge immer durch den Überhitzer zum Anfahrventil strömt, um eine Überhitzung zu vermeiden. Die [[Sicherheitsventil]]e sind hinter dem Überhitzer angeordnet. Bei absperrbaren Überhitzern muss auch ein Sicherheitsventil an der Dampftrommel installiert sein. Die Sicherheitsventile werden so eingestellt, dass das Ventil hinter dem Überhitzer früher als das an der Trommel öffnet. So ist sichergestellt, dass auch beim Ansprechen der Überdruckabsicherung der Überhitzer durchströmt wird.

Der Überhitzer besteht aus den beheizten Rohren durch die der zu erhitzende Dampf strömt, wobei diese sowohl an der Eintrittsseite als auch an der Austrittseite immer von Sammlern weg oder zu ihnen hin strömen. In diese Sammler binden nun wieder die zu- und abführenden Rohrleitungen ein.<ref>Markus Franz: {{Webarchiv |url=http://www.axpo-holz.ch/files/artikel/213/Dampferzeuger.pdf |text=''Dampferzeuger''|wayback=20140413125602}}. [[Axpo Holding|Axpo Neue Energien]] (PDF; 2,1 MB).</ref>

== Überhitzer in Dampflokomotivkesseln ==
[[Datei:Lokomotivkessel Schnitt.jpg|mini|Lokomotivkessel mit Heizrohren (grün), Rauchrohren (gelb) und Überhitzerelementen (rot)]]
[[Datei:2012 04 03-0022 3 4 tm-cst.jpg|mini|Rauchkammerrohrwand eines Lokomotivkessels mit teilweise entfernten Überhitzerelementen]]
[[Datei:Dampfkessel Feuerbüchse.jpg|mini|Schnittmodell hinterer Teil eines Lokomotivkessels. Ganz links sind die in die aufgeschnittenen Rauchrohre eingeschobenen Überhitzerelemente zu erkennen, beim dritten von oben auch das U-förmige Ende.]]

Nach Versuchen mit anderen Bauformen (''Flammrohrüberhitzer'', ''Rauchkammerüberhitzer'') setzte sich bei später gebauten Dampflokomotiven konstruktiv der von [[Wilhelm Schmidt (Ingenieur)|Wilhelm Schmidt]] entwickelte ''Rauchrohrüberhitzer'' als Überhitzereinrichtung durch.

Hier wird der [[Nassdampf]] vom [[Dampfdom]] zunächst in den [[Dampfsammelkasten]] geleitet. Von dessen Nassdampfteil gehen zahlreiche Überhitzerröhren (''Überhitzerelemente'') ab, die in die Rauchrohre des [[Dampflokomotivkessel|Kessels]] hineinragen. Die Überhitzerröhren sind U-förmig, so dass der Dampf die Länge des Kessels zweimal durchströmt, oder – häufig – in der Form von zwei miteinander verketteten ›U‹ ausgeführt (was mithin einem stilisierten ›W‹ entspricht), so dass die Kessellänge viermal durchströmt wird. Die Überhitzerröhren enden im [[Heißdampf]]teil des Dampfsammelkastens, wo der Dampf gesammelt und über Dampfeinströmrohre den Zylindern zugeführt wird.

Durch den abermaligen Kontakt mit der Hitze der Verbrennungsgase wird der Dampf auf 300 bis 400 °C erhitzt, und auch die feinen Wassertröpfchen verdampfen. Ohne weitere Druckerhöhung enthält damit der Dampf mehr Energie, zudem geht auf dem Weg zu den Zylindern kein Dampf durch [[Kondensation]] in den [[Rohrleitung]]en verloren. Zusätzlich senkt die geringere Dichte des Heißdampfes den Brennstoffverbrauch um etwa 20 % und den Wasserverbrauch um bis zu 45 %.
Nachteilig ist, dass die hohen Temperaturen bei Kolbenmaschinen den Einsatz von speziell geeigneten Schmiermitteln (Heißdampfölen) erforderlich machen, die im Vergleich zu Ölen für den Betrieb mit [[Nassdampf]] eine höhere Viskosität und einen höheren Flammpunkt aufweisen müssen.

== Literatur ==
* Fritz Mayr (Hrsg.): ''Kesselbetriebstechnik.'' 12. Auflage. Gräfelfing 2003, ISBN 3-930039-13-3.
* Leopold Niederstrasser: ''Leitfaden für den Dampflokomotivdienst.'' Karlsruhe 1957 (Nachdruck: Karlsruhe 1979, ISBN 3-921700-26-4).
* Autorenkollektiv: ''Die Dampflokomotive.'' Berlin 1967 (Nachdruck: [[Transpress Verlag|Transpress]], Berlin 1993, ISBN 3-344-70791-4).
* [[Karl-Ernst Maedel]], [[Alfred B. Gottwaldt]]: ''Deutsche Dampflokomotiven.'' Transpress, Berlin 1994, ISBN 3-344-70912-7.

== Weblinks ==
* {{RöllEnzyklopädie| Band=6| Seiten=137 ff.| Lemma=Heißdampflokomotiven| zenoID=20011415916| Kommentar=(Artikel u. a. über die Entstehungsgeschichte von Überhitzern)}}

== Einzelnachweise ==
<references />

{{SORTIERUNG:Uberhitzer}}
[[Kategorie:Dampfkesseltechnik]]
[[Kategorie:Dampflokomotivtechnik]]

Überhitzer - Versionsgeschichte

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