DE20109157U1

DE20109157U1 - Wasserrohrkessel

Info

Publication number: DE20109157U1
Application number: DE20109157U
Authority: DE
Original assignee: Erk Eckrohrkessel GmbH
Current assignee: Hellwig Udo Prof Dr De
Priority date: 2001-05-31
Filing date: 2001-05-31
Publication date: 2002-01-03
Anticipated expiration: 2011-06-01

Description

Patentanwälte Erich und Nem ERK204GBM271 B1

Wasserrohrkessel

Die Erfindung betrifft einen mit Strukturrohren ausgestatteten Wasserrohrkessel zum Erzeugen von Dampf oder Heißwasser mit einem im Feuerraum angeordneten Brenner oder einem Rost zum Verbrennen von festen, vorzugsweise fossilen Brennstoffen sowie im Feuerraum senkrecht angeordneten Rohren.

Es ist bekannt, Wasserrohrkessel mit senkrecht verlaufenden Rohren auszuführen. Die DE C2 27 43 687 offenbart einen Wasserrohrkessel mit einem von Heizgasen längs durchströmten Feuerraum und einem daran anschließenden Berührungsteil, in dem die Rohrtrennwände teilweise senkrecht zur Kessellängsachse angeordnet sind. Im Bereich des Berührungsteils sind partiell horizontal verlaufende Rohre angeordnet, um in seinem Konvektionsbereich eine Wärmeübertragung in ausreichendem Maße zu ermöglichen.

Weiterhin zeigt die DE C2 32 26 483 einen Wasserrohrkessel mit im Berührungsteil senkrecht verlaufenden Rohren, in dem eine Auflagerung für rüttelbare Heizelemente dargestellt ist. In der DE Ul 295 10 560.7 ist ein beulstrukturiertes senkrecht oder schräg stehendes Absorberrohr beliebiger Geometrie beschrieben worden, dessen Rohrmantel mit regelmäßig versetzt bzw. unregelmäßig angeordneten Beulen unterschiedlicher Beultiefe und Beulrandform versehen ist. Dem Absorberrohr wird mit der eingearbeiteten Beulstrukturierung ein verbesserter Wärmeübergang zugeordnet, mit dem eine permanente Störung der Grenzschichten durch tangentiale und radiale Vermischungsvorgänge gegenüber Glattrohren der Betrieb eines Absorbers realisiert werden kann.
Es wurde gefunden, und in der Anmeldung &ldquor;Wärmetauscher", amtliches Aktenzeichen 100 16 007.7 beansprucht, einen Wärmetauscher mit strukturierten Rohren auszurüsten, der zwei Züge aufweist und ist mit parallel zueinander verlaufenden, strukturiert ausgeführten Wärmetaucherrohren bestückt. Seine Längsmittenachse ist horizontal gerichtet und mit dem Feuerraum ein erster Zug ausgebildet. Mit der Anordnung eines zweiten Zuges mit strukturiert gebildeten Wärmetauscherrohren ist der Wärmetauscher vervollständigt. Die Rohre folgen hier der Hauptströmungsrichtung der Rauchgase. Die Rohre sind bei diesem Aggregat von den Rauchgasen durchzogen und geben ihre Wärme an das sie an ihrer Außenfläche umschließende Kesselwasser ab.

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Die US PS 1,235,764 stellt die Ausbildung von profilierten Rohr- bzw. Wärmetauscherflächen in einem Dampfgenerator vor. Die Wärmetauscherflächen sind dabei nur an den Außenflächen strukturiert, um die für den Wärmeübergang notwendigen Flächen zu vergrößern. Die WO 00/42352 offenbart in einem Dampferzeuger die Anordnung von gasdicht miteinander verschweißten, vertikal angeordneten Verdampferrohren, wobei jeweils eine Anzahl der Verdampferrohre parallel mit dem Strömungsmedium beaufschlagt worden ist.

Die Kesselausbildungen der im Stand der Technik bekannten Art weisen den Nachteil auf, dass ihre Berührungsheizflächenbereiche großdimensioniert sind und der Wärme-Übergang vom Heizungsmedium, also dem Rauchgas, auf das zu erwärmende Wasseroder Wasserdampfgemisch nicht intensiv zur Ausnutzung gelangt. Weiterhin sind die Kessel in ihrer Längsausdehnung großdimensioniert, äußerst materialintensiv und ihre äußeren Konturen ungleichmäßig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit Strukturrohren ausgestatteten Wasserrohrkessel zum Erzeugen von Dampf oder Heißwasser mit einem im Feuerraum angeordneten Brenner oder Rost zum Verbrennen von festen, vorzugsweise fossilen Brennstoffen sowie im Feuerraum senkrecht angeordneten Rohren zu schaffen, der ein geringes Körpervolumen aufweist, mit hoher energetischer Wirtschaftlichkeit gefahren werden kann sowie vorteilhafte Fertigungs- und Montagetechnologie bedingt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen mit Strukturrohren ausgestatteten Wasserrohrkessel zum Erzeugen von Dampf oder Heißwasser, mit einem Feuerraum sowie einem Berührungsheizflächenbereich gelöst, dessen Berührung mit seinen Rohrachsen vollständig der Hauptströmungsrichtung der Rauchgase entsprechend ausgeführt, und dessen Konvektionsbereich mit dicht an dicht gestellt verlaufenden Rohren gleicher Länge ausgestattet ist, wobei der Feuerraum sowie der Berührungsheizflächenbereich über eine gleiche Höhen und Breitenerstreckung verfügen und eine glattwandig verlaufende, quaderförmige Gestalt des Wasserrohrkessels ausgebildet ist.

Die Erfindung ist vorteilhaft ausgeführt, indem der Berührungsheizflächenbereich, mit eingeschlossenem Konvektionsbereich, unter Auslassung eines Gasstrahlungsraumes, unmittelbar hinter dem Feuerraum angeschlossen ist. Die Erfindung ist dadurch

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vorteilhaft ausgestaltet, dass der Berührungsheizflächenbereich mit eingeschlossenem Konvektionsbereich im Feuerraum angeordnet, von diesem umschlossen ist. Eine weitere Ausgestaltungsform ist darin zu sehen, dass der Berührungsheizflächenbereich mit eingeschlossenem Konvektionsbereich im Feuerraum angeordnet, von diesem an mindestens zwei Seiten umschlossen und mindestens mit einer gemeinsamen Rückseite begrenzt ist. Eine Ausgestaltungsform der Erfindung wird darin gesehen, dass der Konvektionsbereich über Rohre und Rohwände verfügt, die vertikal gerichtet, mit gleichen Längen die gesamte Höhe seines Raumes ausfüllend, von oben hängend oder aufgestellt, der Hauptrichtung der Rauchgase folgend, angeordnet sind. Eine weitere Ausgestaltungsform erhält die Erfindung dadurch, dass der Konvektionsbereich über Rohre und Rohrwände verfügt, die horizontal erstreckt, den Konvektionsbereich im Innenraum ausfüllend, in gleicher Richtung wie die Hauptströmungsrichtung gestellt, angeordnet sind. Der Wasserrohrkessel erhält weiterhin eine sinnvolle Ausgestaltung dadurch, das der Berührungsheizflächenbereich mit separaten Zügen ausgerüstet ist, die mit seinen Teilbereichen, vor allem im Konvektionsbereich, verbunden sind und einen den Funktionen der Bereiche angepassten wechselnden Betrieb gewährleisten. Vorteilhaft gebildet ist die Erfindung auch weiterhin damit, dass die Funktion der Teilbereiche im Berührungsheizflächenbereich veränderbar ist, indem die Richtung und Lage der Züge sowie ihre Zuordnung zu ihren Teilbereichen variabel ausgebildet, eine Umstrukturierung erfahren kann, die den jeweiligen Anforderungen des Kesselbetriebes entsprechend gestaltet ist. Eine besondere Form der Erfindung wird dadurch erreicht, dass ein Teilbereich des Konvektionsbereiches, als Economiser ausgebildet, mit verkürzten Rohren ausgestattet ist.
Die erfindungsgemäße Lösung weist gegenüber dem bekannten Stand der Technik vor allem Tailend-Kesseln signifikante Vorteile auf. Die Verwendung an sich bekannter Strukturrohre, hier erfmdungsgemäß der Hauptströmungsrichtung der Rauchgase folgend, in den Berührungsheizflächenbereichen angeordnet, dicht an dicht gestellt, führt zu einer bedeutenden Verringerung des Volumens des Wasserrohrkessels. Die damit einhergehenden wirtschaftlichen Vorteile beginnen bereits bei der Fertigung der Kesselteile, indem weitestgehend gleiche Längen der Rohre gefertigt, gebündelt, transportiert und nachfolgend auf der Baustelle mit einer rationellen Technologie zusammengefügt werden können. Die Vereinheitlichung der Baulängen der Rohre sowie die Verringerung des

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Volumens des Kessels führen auch dazu, dass die Zuführungs- und Abführungsleitungsrohre in Formgebung und Anzahl reduziert werden können. Das unmittelbare Anfügen des Berührungsheizflächenbereiches an den Feuerraum, ohne die Verwendung eines zwischengefügten Gasstrahlungsraumes oder die völlige Integrierung des Berührungsheizflächenbereiches in den Feuerraum verkürzt die Erstreckung des Kessels in Richtung seiner Längsmittenachse bedeutend. Damit, dass, wie in der Erfindung beansprucht, die Rohre besonders im Konvektionsbereich, dicht an dicht nebeneinander gestellt, der Hauptströmungsrichtung des Rauchgases folgend, angeordnet werden und in den überwiegenden partiellen Bereichen des Wasserrohrkessels gleiche Längen aufweisen, ist es erreicht worden, die Querschnittsfläche des Wasserrohrkessels und damit verbunden, seine Aufstandsfläche zu reduzieren. Damit einher gehen signifikante Vorzüge einer geringeren Mächtigkeit und Ausdehnung des herzustellenden Fundamentes, einer Reduzierung des zur Aufstellung des Kessels erforderliche Stahlbaukonstruktion sowie Verringerung der Aggregateanzahl und Erstreckung für den Ascheabzug.

Die Ausführung der Rohre und Rohrwände gestattet es, Verunreinigungen an deren Oberflächen ausnehmend durch Klopfen zu entfernen. Dafür sind die Konvektionsheizflächen mit Verteilern ausgestattet, die von außen durch Klopfstößel erreichbar sind. Aufwendige Montagen von Rußbläsern und Kugelreinigungsanlagen können damit entfallen. Mit der dicht an dicht stehenden Anordnung der Rohre, vor allem im Konvektionsbereich, ist eine multifunktionale Verwendung partieller Teile dieses Bereiches gegeben. Durch einfach herzustellende Verschaltungen können jetzt Verdampferrohren die Funktion von Überhitzerrohren zugewiesen werden und die Verrohrungen des Economisers die Funktion von Verdampferrohren erhalten, wobei diese Funktionsveränderungen auch umgekehrt ablaufen können. Es ist ein weiterer Vorteil der Erfindung, dass es konstruktiv möglich ist, die Rauchgase durch alle Teilaggregate in einer Richtung zu führen. Das bedeutet, dass die Teilaggregate Überhitzer, Verdampfer, Economiser ohne Trennwände hintereinander angeordnet, gleichzeitig von den Rauchgasen von oben nach unten durchzogen werden oder verändert, wenn die Zuganordnung der Zu- und Ableitungen für die Rauchgase entsprechend einer veränderten Zu- und Ableitung, also von unten nach oben vorgesehen sind, durch den Berührungsheizflächenbereich geleitet werden. Diese vorteilhafte konstruktive Lösung bedeutet ein völlig neuartiges Betriebsregime für Dampfkessel.

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Die erfindungsgemäß offenbarte Gestaltung des Kessels erlaubt es auch weiterhin, ausgewählten Bereichen, insbesondere dem Konvektionsbereich, separat verlaufende Züge zuzuordnen, deren Funktion zu verändern und in wechselnde Abhängigkeiten zueinander zu stellen. Die technisch vorteilhafte Ausgestaltung wirkt sich für die Funktion des Kessels sehr wirtschaftlich aus. Die einzelnen Heizflächen und Teilbereiche können, den wärmewirtschaftlichen Erfordernissen des Kesselfunktionsregimes angepasst werden und die Rauchgas- und Mediengeschwindigkeit günstig eingestellt sowie der Zugverlust und das Verschmutzungsverhalten energiesparend eingestellt werden.
Die erfindungsgemäße Lösung dokumentiert ihre Vorteilhaftigkeit nicht nur darin, dass die Gestaltung der Berührungsheizflächenbereiche variabel und raumsparend ausgeführt worden ist, sondern fuhrt die Vorteilsdarstellung damit weiter, dass, bedingt durch die grundsätzliche Ausbildung gleicher Rohrlängen des Feuerraums sowie des Berührungsflächenbereiches, die Höhenerstreckung des Kesselkörpers, verlaufend zur Längsmittenachse, gleichmäßig ist. Dicht an dicht gestellte Rohre der Bereiche des Kessels bedingen seine Verkürzung in der Längsausdehnung und die unmittelbare Anordnung des Berührungsheizflächenbereiches an den Feuerraum sowie eine Anpassung der Breitenerstreckung beider Bereiche. Dem Wasserrohrkessel wird jetzt eine quaderförmige Gestalt verliehen, die sich vorteilhaft durch glattverlaufende Außenkonturen auszeichnet und die keine Einschnürungen oder Verdickungen aufweist. Verringerungen des Raum- und Montageaufwandes sowie das Erreichen ästhetisch vorteilhafte Gestaltungsmerkmale gehen einher mit technisch-technologischen Vorzügen, insbesondere beim Herstellen des gesamten Kesselaggregates sowie seiner Teile.

Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1: Den Wasserrohrkessel in einer Seitenansicht im Schnitt;

Fig. 2: Den Wasserrohrkessel in einer Rückansicht, teilweise im Schnitt;

Fig. 3: Den Schnitt I-I in Fig. 1;

Fig. 4: Die Sicht auf einen Feuerraum mit eingeordnetem Konvektionsbereich;

Fig. 5: Den Sachverhalt nach Fig. 4 in einer axonometrischen Darstellung.

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Der Wasserrohrkessel 0 weist einen vertikal verlaufenden rechteckigen Querschnitt auf. In der gemäß der Ansicht linken Seite des Wasserrohrkessels 0 ist ein Feuerraum 1 angeordnet, der von Feuerraumwänden 10;10';10";10'" eingeschlossen ist, der vertikal die vollständige Höhe des Kessels 0 übergreift und ca. die Hälfte seiner Breite einnimmt. Im 5 oberen Bereich des Feuerraums 1 ist ein Ölbrenner 2 mit einer in den Feuerraum 1 gerichteten Düse vorgesehen. Der untere Bereich des Feuerraums 1 öffnet sich zu einem Rauchgasaustrittsweg 3, der die Bewegung des Rauchgases in Richtung des Pfeils 12 in den Verdampfer 4 freigibt. Die Darstellung des Wasserrohrkessels 0 gemäß dieser Ansicht im Schnitt vermittelt dem Betrachter den Sachverhalt, dass die Berührungsheizflächen unmittelbar hinter dem Feuerraum 1 vorgesehen sind. Der Gasstrahlungsraum wurde in Fortfall gebracht und ist damit ein Teil der erreichten Verkürzung der Kesselerstreckung. Der Verdampfer 4, in den die Rauchgase in Richtung des Pfeils 12 eintreten, ist mit senkrechten, dicht an dicht stehenden strukturierten Rohren ausgerüstet und erstreckt sich in gleicher Höhe bis an die Oberkante des Körpers des Wasserrohrkessels 0.

In der Darstellung nach Fig. 2 ist entsprechend der Ausbildung des Verdampfers 4, der die Höhe des Kessels vollständig überspannt und horizontal zur Hälfte dessen Breite einnimmt, ein Economiser 5 vorgesehen. Der Economiser 5 weist eine den Rohren des Verdampfers 4 gleichlaufende Stellung der Rohre auf, die zwischen dem Verteiler 8 und dem Sammler 9 vertikal erstreckt eingeordnet sind und von den Rauchgasen durchzogen werden. Im Bereich unter dem Economiser 5 ist ein Rauchaustrittsweg 7 geöffhet, der die Rauchgase, nachdem sie ihre Wärmeenergie abgegeben haben, zu einem Abzugsschacht oder Kamin leitet. Ein Rohrgitter 6, zwischen dem Verdampfer 4 und dem Economiser 5 eingeordnet, führt die Rauchgase zu dem Economiser 5, der von oben nach unten in einer wechselnden Richtung durchströmt wird. Der mitlesende Fachmann erkennt, dass es konstruktiv vorteilhaft ist, alle Rohre im Konvektionsbereich, also auch im Bereich des Verdampfers 4, gleichlang auszuführen. Er hat in jedem Fall dafür zu sorgen, dass der Wärmetransport durch eine großzügige Bemessung des Strömungsquerschnitts nicht geschwächt wird und die Wärmestromdichte nicht unvorteilhaft herabgesetzt wird. Er erkennt gleichfalls, dass einer Ausfuhrungsart der erfindungsgemäßen Lösung im Bereich der Berührungsheizflächen die Berührung horizontal ausgebildet werden kann. Hier folgt die Richtung der Rohrmittenachsen der horizontalen Längsmittenachse des Wasserrohr-

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kessels und erfüllt damit das Hauptmerkmal der Erfindung, dass die Hauptströmungsrichtung der Rauchgase der Erstreckung der Rohrlängsmittenachse folgt.
Fig. 3 zeigt den Schnitt I-I aus Fig. 1 durch den Wasserrohrkessel 0. Der Feuerraum 1 nimmt einen beachtlichen Teil des Querschnittes des Wasserrohrkessels 0 ein und ist durch Feuerraumwände 10; 10'; 10"; 10'" begrenzt. Der Verdampfer 4 im Konvektionsbereich ist durch Verdampferrohre 11;11';H" begrenzt. Ein Rohrgitter 6 trennt den Verdampfer 4 vom Economiser 5, der an seiner Unterseite Verteiler 8 aufweist. Der Querschnitt gemäß Fig. 3 stellt damit eine kompakte Ausführung des Kessels 0 vor, der mit einem rechteckigen Querschnitt in Fig. 3 und vertikal in Fig. 1 die quaderfbrmige, kompakte Gestalt des Kessels 0 umreißt. Das Fehlen von Gasstrahlungsräumen und vertikal gleichartige Einordnung von Feuerraumwänden 10'" neben dem Feuerraum 1 gestaltet seine Form, welche der angestrebten kompakten, rationalen energienutzenden Gestaltung des Kessels 0 Rechnung trägt. Es ist dargestellt, dass jeder Wärmeübertragungsart ein eigener Zug zugeordnet ist. Das heißt, der Überhitzer bzw. Verdampfer 4;5 wird von unten angeströmt.

Fig. 4 zeigt die Draufsicht auf den Wasserrohrkessel 0, in dessen Feuerraum 1 ein Berührungsheizflächenbereich mit eingeschlossenem Konvektionsbereich hineinragend angeordnet ist. Der Berührungsheizflächenbereich 4^5. wird ausführungsgemäß von drei Seiten durch den Feuerraum 1 umschlossen und seine Rückseite ist mit der des Wasserrohrkessels 0 kongruent. Es versteht sich für den Fachmann als selbstverständlich, dass der Berührungsheizflächenbereich 4^5 auch eine andere Lage im Feuerraum 1 haben könnte, beispielsweise an einer Seite. Er wäre dann nur von zwei Seiten durch den Feuerraum 1 umgeben und würde mit zwei Seiten der Kesselkontur kongruent sein. Fig. 5 zeigt eine axonometrische Darstellung des Berührungsheizflächenbereiches 4j5_ in den Feuerraum 1 des Kessels 0. Dieser Darstellung ist zu entnehmen, dass der Konvektionsbereich vollständig durch die Kesselkontur umschlossen ist und die Übertragung der Wärmeenergie in den Konvektionsbereich ohne Übergangsverluste erfolgen kann. Die hier dargestellte Lösung ist selbstverständlich daran gebunden, dass der Berührungsheizflächenbereich 4^5 mit dicht an dicht gestellten strukturierten Rohren ausgerüstet, über eine relativ geringe horizontale Querschnittsfläche verfügt und damit in den Feuerraum 1 passbar gestaltet ist.

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Der mitlesende Fachmann erkennt, dass das Weglassen der peripheren Einrichtung des Kessels O keinen mangelnden Informationsgehalt der Erfindung bedingt. Vielmehr ist hier die Betrachtung der erfindungsgemäßen Lösung auf die Kernbedingungen gelenkt. Das bedeutet, dass der Ascheabzug, die Aufständerung des Kessels 0 sowie die notwendigen Teilaggregate nur in der Größe und Dimensionierung benötigt werden wie der Kessel 0 sich in seinem horizontalen Querschnitt erstreckt. Es ist selbstverständlich gegeben, dass diese Teilaggregate, in ihrem Aufwand an den Kessel 0 angepasst, bedeutend verringert werden.

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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

O	Wasserrohrkessel
1	Feuerraum
2	Brenner
3	Rauchgaseintrittsweg
4	Verdampfer
5	Economiser
6	Rohrgitter
7	Rauchgasaustrittsweg
8	Verteiler
9	Sammler
10;10';10	'' Feuerraumwand
10'"	Feuerraumwand
11	Verdampferrohrwände
12	Richtungspfeil

Claims

1. Mit Strukturrohren ausgestatteter Wasserrohrkessel (0) zum Erzeugen von Dampf oder Heißwasser, mit einem Feuerraum (1) sowie einem Berührungsheizflächenbereich, dessen Berohrung mit seinen Rohrachsen vollständig der Hauptströmungsrichtung der Rauchgase entsprechend gerichtet ausgeführt und der Konvektionsbereich mit dicht an dicht erstreckt verlaufenden Rohren gleicher Länge ausgestattet ist, wobei der Feuerraum (1) sowie der Berührungsheizflächenbereich über eine gleiche Höhen- und Breitenerstreckung verfügen, und eine glattwandig verlaufende quaderförmige Gestalt des Kessels (0) ausgebildet ist.

2. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Berührungsheizflächenbereich mit eingeschlossenem Konvektionsbereich unter Auslassung eines Gasstrahlungsraumes unmittelbar hinter dem Feuerraum (1) angeschlossen ist.

3. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Berührungsheizflächenbereich mit eingeschlossenem Konvektionsbereich im Feuerraum (1) angeordnet, von diesem umschlossen ist.

4. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Berührungsheizflächenbereich mit eingeschlossenem Konvektionsbereich im Feuerraum (1) angeordnet, von diesen an mindestens zwei Seiten umschlossen und mit einer gemeinsamen Rückseite begrenzt ist.

5. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Konvektionsbereich über Rohre und Rohrwände verfügt, die vertikal erstreckt, mit gleichen Längen, die gesamte Höhe seines Raumes ausfüllen, von oben hängend oder aufgestellt, angeordnet sind.

6. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Konvektionsbereich über Rohre und Rohrwände verfügt, die horizontal erstreckt, den Konvektionsbereich überspannen, dessen Innenraum ausfüllend, angeordnet sind.

7. Wasserrohrkessel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass, der Berührungsheizflächenbereich mit separaten Zügen ausgerüstet ist, die mit seinen Teilbereichen, vor allem im Konvektionsbereich, verbunden sind, und einen, den Funktionen der Bereiche angepassten, wechselnden Betrieb gewährleisten.

8. Wasserrohrkessel nach den Ansprüchen 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion der Teilbereiche im Berührungsheizflächenbereich veränderbar ist, indem die Richtung und Lage der Züge sowie ihre Zuordnung zu ihren Teilbereichen eine Umstrukturierung erhält, die den jeweiligen Anforderungen des Kesselbetriebes entsprechend gestaltet ist.