LXXXVIII. Bemerkungen uͤber die Umstaͤnde und Erscheinungen, welche man beim Explodiren und Bersten der Dampfkessel beobachtet. Von Jacob Perkins, Civilingenieur. Aus dem Franklin Journal im Mechanics' Magazine, No. 827. Perkins, Bemerkungen uͤber die Erscheinungen beim Explodiren der Dampfkessel. Das Secretariat der Schazkammer der Vereinigten Staaten befahl, daß über die Ursachen der Explosionen der Dampfkessel eine Reihe von Versuchen angestellt werden soll, und übertrug diese Aufgabe dem Franklin Institute. Die von diesem niedergesezte Commission unterzog sich diesem schwierigen Geschäfte mit seltenem Eifer, und scheute bei ihren Forschungen keinerlei Mühen; sie gelangte aber, da sie nicht vertraut war mit einigen Thatsachen, die sich mir bei den Versuchen, welche ich in einer Reihe von 12 Jahren demselben Gegenstände widmete, ergaben, zu einigen Schlußfolgerungen, die ich für ganz irrig halten muß, und welche, wenn sie nicht in Frage gestellt würden, zu schlimmen Folgen führen könnten.Wir haben, wie sich unsere Leser erinnern werden, den höchst wichtigen Bericht der Franklin Commission, auf den sich gegenwärtiger Aufsaz des Hrn. Perkins bezieht, im polytechn. Journale Bd. LXI. S. 324 mitgetheilt. A. d. R. Die gefährlichste unter diesen Schlußfolgerungen scheint mir nämlich die, daß alle von Zerstörung begleiteten Explosionen der Dampfkessel durch den directen Druk des Dampfes verursacht wurden, und daß zwischen dem Explodiren und dem Bersten eines Kessels kein Unterschied ist. Wäre der selige Oliver Evans, der in seinem Fache einer der größten Männer Amerikas war, noch beim Leben gewesen, so würde er, ich bin es überzeugt, eine ganz andere Ansicht aufgestellt haben; denn er hatte mehr dann 600 Fälle aufgezeichnet, in denen eine Berstung eintrat, bevor ihm eine Explosion vorkam, obschon beim Bersten der Druk größer war als bei der Explosion. Ich selbst habe in diesem Fache Erfahrung genug, um vollkommen überzeugt zu seyn, daß zwischen dem Bersten und dem Explodiren eines Dampfkessels ein eben so großer Unterschied ist, wie zwischen dem Zersprengen einer Kanone durch hydraulischen Druk und durch Schießpulver. Das Zersprengen bringt in ersterem Falle bekanntlich keinen Schaden, während es, wenn es durch Schießpulver erzeugt wird, Erscheinungen bietet, deren Heftigkeit und Gefahren gleichfalls Jedermann kennt. Ich war bei den Versuchen, die ich anstellte, um die Eigenschaften und den Werth des Dampfes von hohem Druke kennen zu lernen, so glüklich, es nie zu einer Explosion zu bringen, obwohl ich den Druk des Dampfes sehr oft bis auf 100 Atmosphären trieb; dagegen zählte ich allein mehr dann 100 Berstungen. An dem von mir in der Adelaide-Gallerie aufgestellten Modelle meiner Dampfkanone, an welchem der Dampf durch eine Reihe von 4 Jahren täglich auf einen Druk von 450 Pfd. auf den Quadratzoll gebracht wurde, hörte man selbst in der geringen Entfernung von einigen Fuß nie einen Knall, obwohl der Generator sehr oft zum Bersten kam; ja auch nicht ein einziges Mal kam durch eine solche Berstung auch nur ein Bakstein in Unordnung. Bei Gelegenheit eines Versuches, den ich vor ungefähr 10 Jahren in Gegenwart einer zahlreichen Versammlung mit meiner Dampfkanone anstellte, ließ auf einmal in der Mitte einer Salve der Dampf aus, und die Kugeln blieben in dem Laufe steken. Ich lief sogleich nach dem Ofen, und fand in der Mitte des kupfernen Kessels, welcher 3 1/2 Fuß Länge und 3/4 Zoll Metalldike hatte, einen Riß von beiläufig 8 Zoll Länge und einem Zoll Weite. Als ich der Gesellschaft mein Bedauern ausdrükte, daß der Versuch wegen Berstung des Kessels aufgehoben werden müßte, wollte es Niemand glauben, da keiner der Anwesenden etwas von einer Explosion gehört hatte. Mehrere Mitglieder, die sich mit eigenen Augen hievon überzeugten, waren äußerst erstaunt hierüber. Die von dem Franklin Institute niedergesezte Commission stellte Versuche über einen Gegenstand an, mit dem ich mich selbst schon vielfach beschäftigt hatte, nämlich mit Ermittelung der Frage, ob sich die Kraft von überladenem Dampfe steigern läßt, wenn man ihm soviel Wasser zusezt, daß er auf seine eigentümliche Dichtheit kommt. Ich stellte in einer Broschüre, welche ich vor ungefähr 8 Jahren über die Ursachen der Explosionen der Dampfkessel erscheinen ließ, einige Ansichten über diesen Punkt auf, denen auch viele andere beipflichteten, und welche das Resultat vieler Beobachtungen und Versuche waren. Ich ging jedoch bei diesen Versuchen ganz anders zu Werke als die Commission bei den ihrigen. Ich zündete mein Feuer nämlich unter dem Boden eines sehr starken Kessels, der einen Druk von wenigstens 300 Atmosphären auszuhalten vermochte, auf. Diese große Stärke des Kessels fand ich nicht bloß meiner Sicherheit wegen für nothwendig, sondern auch damit ich den Dampf bei einer sehr hohen Temperatur zu überladen vermochte, und damit über das Resultat kein Zweifel bleiben konnte. Ich zündete das Feuer am Grunde des Kessels beiläufig bis zum vierten Theile der Höhe der Seitenwände hinauf an, so zwar, daß über dem Wasser eben so viel Feuer war als unter demselben, wobei ich besonders noch darauf achtete, daß das Feuer über dem Wasser viel intensiver war als unter ihm. Oben auf den Scheitel des Kessels oder in dessen Nähe brachte ich keine Feuerung, indem ich der Ansicht war, daß die Hize in dem Dampfe eben so wenig abwärts steigt, als in dem Wasser. Hergestellt habe ich dieses Factum in neuester Zeit durch eine neue Modifikation, welche ich an den Kesseln anbrachte, und deren günstiger Erfolg hauptsächlich durch die Eigenschaft des überladenen Dampfes die Wärme zu übertragen bedingt ist. Weiter auf die Eigentümlichkeit dieser Modification einzugehen ist mir dermalen nicht möglich, da ich mir dieselbe noch nicht durch Patente im Auslande gesichert habe. Hätte ich auch auf dem Scheitel des Kessels Feuer aufgezündet, wie dieß die Commission bei ihren Versuchen that, so hätte auch ich wahrscheinlich denselben Mißgriff begangen wie sie, und, anstatt die ganze Masse Dampf zu überladen, hätte ich bloß eine dünne, dem heißen Metalle zunächst gelegene Schichte überladen, während der übrige Theil vollkommen mit Wasser gesättigt und zur Aufnahme eines Wasserstrahles gänzlich untauglich geblieben wäre. Der Wasserstrahl würde nämlich unter diesen Umständen nur zur Verminderung der Temperatur und der Kraft gedient haben, wie dieß denn auch bei den von der Commission angestellten Versuchen der Fall war. Am Scheitel meines Kessels war die Temperatur wenigstens 3000°, wie ich mich durch eine bei dieser Wärme schmelzbare Legirung überzeugte. Der mit dem Wasser in Berührung stehende Dampf hatte eine Temperatur von ungefähr 300°; die mittlere Temperatur war beiläufig 1500°. Diese Temperatur zugleich mit den heißen Seitenwänden und dem Scheitel des Kessels, lieferte Wärme genug, um zu bewirken, daß der Indicator bei jedem Hube der Pumpe von 50 auf 100 Atmosphären stieg. Da der Dampf fortwährend bei dem für 5 Atmosphären belasteten Ventile entwich, so würde er in ungefähr 15 Secunden bis auf diesen Druk gesunken seyn. Die Schwingungen des Indicators erfolgten 4 bis 5 Mal in jeder Minute; das Steigen geschah plözlich, das Fallen allmählich. Den neunten Versuch unternahm die Commission, wie sie sagt, um die Versuche Perkins's zu wiederholen, und um zu erforschen, ob die von ihm angegebene Repulsion zwischen stark erhiztem Eisen und Wasser allgemein besteht, und um wo möglich den Grad, in welchem diese Repulsion Statt findet, zu messen, damit hieraus der Einfluß, den sie auf die Sicherheitsventile haben könnte, zu entnehmen wäre. Der Versuch, den man in dieser Beziehung mit den durchlöcherten, diken, eisernen Kesseln anstellte, war, so weit man ihn führte, vollkommen genügend. Daß Wasser in einer bis auf 800° F. erhizten, durchlöcherten Schale nicht durchläuft, davon kann sich Jedermann leicht überzeugen, und es wäre dieß ein Versuch, der in jedem Hörsale der Physik wiederholt werden sollte. Die Commission beschreibt hierauf einen nicht gelungenen Versuch, den sie vornahm, um die erwähnte Beobachtung von Perkins zu wiederholen. Da es ihr jedoch nicht schien, daß hieraus etwas hervorgehen dürfte, was bezüglich der Anwendung des Sicherheitsventils von Belang wäre, so hielt sie es nicht für nöthig, die Kosten, die ein zur Fortsezung der Versuche erforderlicher Apparat veranlaßt haben würde, daran zu sezen. Bei dem Versuche Perkins's, auf den sich hier speciell bezogen wird, entwich bei einer Oeffnung, die in einen seiner Dampfgeneratoren, welcher stark erhiztes Wasser mit rothglühendem Metalle in Berührung enthielt, gemacht wurde, weder Dampf noch Wasser; und als man an demselben Generator eine Röhre mit Sperrhahn anbrachte, entwich auch beim Oeffnen dieses Hahnes weder Dampf noch Wasser. Um diesen Versuch zu wiederholen, und dabei zugleich auch die Größe der Oeffnung, bei welcher diese Erscheinung Statt findet, zu ermitteln, wurden in die Seitenwände einer schmiedeisernen Queksilberflasche drei Löcher von 1,16, 1/8 und 1/4 Zoll gebohrt. Diese Löcher wurden mit kegelförmigen Pfropfen, die mit Hebeln in Verbindung standen, so daß die Pfropfe mit diesen Hebeln ausgezogen werden konnten, verschlossen. Die Hebel hatten ihre Stüzpunkte an einem schmiedeisernen Cylinder, in den die cylindrische Flasche so gestellt wurde, daß die Achsen beider zusammenfielen. Unter die Flasche und den sie umgebenden Cylinder ward ein aus Thon aufgebauter Ofen so gebracht, daß der Cylinder auf schmiedeiserne Stäbe, welche von den Eken des Ofens getragen wurden, die Flasche hingegen auf einen Stein zu liegen kam, der sich auf dem Roste des Ofens befand. Der Cylinder diente nicht bloß den Hebeln als Stüzpunkt, sondern er gewährte auch Schuz für den Fall, daß die Flasche bei den Versuchen eine Explosion erlitten hätte. Nachdem dieser Apparat in die Grube eines Steinbruches gebracht worden, füllte man die Flasche mit Wasser, brachte den Schraubenpfropf in deren Hals und trieb ihn mit seitlichen Hammerschlägen fest ein. Sodann zündete man ein Feuer in dem Ofen auf, wobei man den Raum zwischen dem Cylinder und der Flasche bis zu 5 Zoll von dem Pfropfe der Flasche hinauf mit Brennmaterial anfüllte. Von dem mit dem kleinsten der Pfröpfe in Verbindung gebrachten Hebel führte man eine Schnur bis zu dem Schuzdamme. Das Feuer brannte bald sehr lebhaft, und man merkte bald, daß mit dem schwachen Rauche und der heißen Luft, welche von dem Apparate aus emporstieg, eine geringe Menge Dampf vermengt war. Ungefähr 20 Minuten nach dem Beginnen des Experimentes, wo das Entweichen des Dampfes stärker zu werden schien, machte man einen unvorsichtigen, jedoch erfolglosen Versuch, dasselbe zu verhindern, wobei man die Flasche dunkel rothglühend sah. Man dachte, daß durch die unbedeutende Oeffnung, welche die nicht vollkommen genau passende Schraube gelassen hatte, nur wenig Wasser in Dampfform entwichen seyn konnte, und beschloß, einen der Pfropfe auszuziehen, nachdem man der Flasche noch einige Minuten Zeit gelassen, um vollkommen zum Rothglühen zu kommen. Mittlerweile ereignete sich jedoch eine äußerst heftige Explosion, bei der die Flasche in die Luft flog, der eiserne Cylinder, welcher dazu gedient hatte, dem Ofen eine größere Höhe zu geben, von seiner Stelle geschleudert wurde, der Ofen in Stüke zerschmettert und das Feuer weit herum aus einander geworfen wurde. Nachdem das Feuer gelöscht war, ergab sich, daß der eiserne Cylinder, welcher 51 3/4 Pfd. wog, 4 Fuß weit von seiner Unterlage weggeschleudert worden; daß die in die Flasche eingesezten Pfröpfe außen an der Flasche kurz weggebrochen waren; daß der Boden der Flasche in den von den Trümmern des Ofens aufgewühlten Erdboden, welcher weit herum naß war, eingetrieben worden; und daß einer der Eisenstäbe, auf denen der Cylinder geruht hatte, in einer Entfernung von 30 Fuß drei Zoll Tief in den Boden versenkt war. Den Körper der Flasche fand man 30 Fuß von dem Orte, an dem sie sich ursprünglich befand, entfernt, drei Zoll tief in den Boden eingesenkt. Der Knall, den die Explosion veranlaßte, kam jenem eines Zwölfpfünders gleich. Dieser Versuch bewies, daß Dampf, aus sehr hoch erhiztem Wasser entwikelt, durch eine außerordentlich kleine Oeffnung zu dringen vermag; dagegen bewies er nichts in Hinsicht auf das Verhalten einer Oeffnung, welche an einem Gefäße, in welchem bloß Wasser allein enthalten ist, gemacht wird; sondern er zeigte die Wirkung, welche Statt findet, wenn eine sehr geringe Menge Dampf im Gefäße ist. Er bewies den schon aus der Theorie hervorgehenden Saz, daß sich nur eine sehr kleine Menge stark erhizten Wassers in Dampf expandiren kann, wenn es plözlich von dem Druke befreit wird. „Er bewies, wie die Commission sagt, daß es gegen die Ansicht Vieler mit großer Gefahr verbunden ist, Wasser selbst in Gefäßen, in denen es nur sehr wenig Raum zur Expansion hat, auf eine bedeutende Höhe zu erhizen; und daß die Wiederholung des Perkins'schen Versuches sehr gefährlich ist, ausgenommen man hat Apparate, welche den stärksten Druk auszuhalten vermögen, zur Verfügung.“ Obschon es scheint, daß der Kessel, mit dem die Commission ihre Versuche anstellte, zuerst mit Ablaufwasser gefüllt war, so wurde das Wasser und der Dampf bei so ungeheurem Druke doch rasch durch die kleine Spalte, welche zum Vorscheine gekommen, getrieben; und in dem Maaße, als sich die Wassermasse Verminderte, und als sich zwischen dem Metalle und dem Wasser ein Raum bildete, wurde das Wasser von jeder Stelle des Kessels zurükgeworfen, ausgenommen von jener, an der sich die Spalte befand, und welche durch ihre schwarze Farbe andeutete, daß an ihr in Folge des Austrittes des Dampfes und Wassers die Temperatur viel niedriger war. Wäre der ganze Kessel rothglühend gewesen, wie es die Commission angibt, so hätte kein Wasser mit dem Metalle in Berührung stehen können, sondern dasselbe wäre durch eine dünne Schichte eines schlechten Wärmeleiters davon geschieden gewesen; denn wäre das Wasser bis zum dunklen Rothglühen erhizt gewesen, so hätte selbst ein Kessel von zwanzigmal größerer Stärke, als sie der zu den Versuchen verwendete Kessel hatte, nicht dem hiebei Statt findenden Ducke widerstehen können. Ich zweifle keinen Augenblik, daß die Temperatur des Wassers eine viel niedrigere war, als jene des Dampfes, der mit ihm in Berührung stand, oder als jene des Metalles, welches mit dem Dampfe in Berührung war. Die Commission beobachtete, daß unmittelbar vor der Explosion ein stärkeres Entweichen von Dampf Statt fand; und ohne Zweifel war es auch dieß, was die Explosion veranlaßte. Man hat schon oft die Bemerkung gemacht, daß, wenn sich das Wasser im Kessel so sehr verminderte, daß über dem Wasser Wärme eindringen und den Dampf überladen, sowie auch den oberen Theil des Kessels erhizen konnte; und daß, wenn unter diesen Umständen das Sicherheitsventil plözlich so weit gehoben wurde, daß der Dampf schneller entwich, als er sich erzeugte, die Oberfläche des Wassers so sehr von dem Druke befreit wurde, daß das Wasser sich in Schaum erheben, dem überhizten Dampfe sowohl als dem Scheitel des Kessels Wärme entziehen, und sich dadurch vollkommen sättigen konnte, wo dann nothwendig eine Explosion eintreten mußte. Der Kessel, mit den: die Commission experimentirte, befand sich nun gerade unter diesen Verhältnissen; denn wenn die Spalte oder der Riß so weit geworden, daß der in dem Kessel enthaltene Wassercylinder des Drukes entledigt wurde, so mußte das Wasser aufschäumen, dem überladenen Dampfe sowohl als dem Metalle Wärme entziehen, und dann die von der Commission beobachteten Erscheinungen hervorbringen. Wenn nun vor dem Eintritte der Explosion der Pfropf ausgezogen worden wäre, so würde aus dem Loche Dampf und Wasser ausgeströmt seyn; denn was hätte anderes geschehen können? War nicht jeder Theil des erhizten Kessels in einen Zustand gekommen/ in welchem er das Wasser von sich abstieß? Die Oeffnung war die einzige Stelle, an der ein Entweichen möglich war; und so kam es, daß es schien, als wäre der Versuch, den ich seither bekannt machte, gänzlich irrig. Dagegen habe ich aber zu bemerken, daß die Commission sich von der Richtigkeit des Factums überzeugen kann, wenn sie sich die Mühe geben will, den Versuch so anzustellen, wie ich ihn anstellte, oder wie er von Alexander Gordon, Civilingenieur zu London, angestellt wurde. Lezterer sagte mir nämlich, daß er vor einiger Zeit einen Versuch machte, welcher als Beweis für die Thatsachen, die ich bezüglich der Repulsivkraft der Wärme behauptete, dienen kann. Er bemerkte mir, daß er den Versuch schon längst gemacht haben würde, wenn er ihn nicht als den physikalischen Gesezen gänzlich widersprechend gehalten hätte; und daß er auch jezt noch nicht daran gekommen wäre, wenn ihn nicht Hr. Ogle, der durch das Ausbrennen der Böden seiner Röhrenkessel so belästigt wurde, dazu veranlaßt hätte. Hr. Gordon bemerkte nämlich Hrn. Ogle, daß, wenn die von mir aufgestellten Behauptungen richtig wären, dieses Ausbrennen leicht darnach zu erklären wäre; und empfahl daher einen hierauf bezüglichen Versuch anzustellen. Ogle's Kessel bestand aus einer Röhrengruppe von 3 1/2 Fuß Länge, 4 Zoll Durchmesser, und weniger dann 1/8 Zoll Metalldike, welche senkrecht und dicht neben einander standen, und zwischen denen das Feuer emporstieg. An einer dieser Röhren wurden nun vom Boden aus angefangen bis nach Oben in Entfernungen von 4 bis 5 Zoll von einander Hähne angebracht, welche ungefähr 1/4 Zoll inneren Raum hatten, und welche zur Beobachtung der Veränderungen, welche bei verschiedenen Temperaturen mit dem Wasser und dem Dampfe vorgehen, dienen sollten. Nachdem unter dem Boden dieses Kessels ein gelindes Feuer aufgezündet worden, entwikelte sich schnell Dampf, den man fortwährend, so schnell als er sich entwikelte, entweichen ließ. Die Röhren enthielten ungefähr 2/3 Dampf und 1/5 Wasser, als man den unteren Hahn zum erstenmale öffnete, wobei, wie bei dieser Temperatur zu erwarten stand, Wasser bei demselben ausfloß. Nach Absperrung dieses Hahnes und bei Eröffnung des obersten Hahnes strömte bei diesem Dampf von beiläufig 200 Pfd. Druk auf den Quadratzoll aus. Als hierauf der Boden der Röhre auf eine höhere Temperatur erhizt wurde, entwich beim Oeffnen des untersten Hahnes Wasser und Dampf; und als dieser Hahn verschlossen und dafür der oberste geöffnet wurde, entwich auch bei diesem wieder Wasser und Dampf. Man verstärkte sodann die Feuerung noch mehr, so zwar, daß der Boden des Kessels zum dunklen Rothglühen kam, und als man unter diesen Umständen den untersten Hahn öffnete, kam an demselben bloß Dampf zum Vorscheine während beim Absperren dieses Hahnes und beim Eröffnen des obersten Hahnes bloß Wasser ausfloß: zum offenbaren Beweise, daß sich alles Wasser in dem oberen Theile der Röhre befand. Man trieb hieraus die Heizung noch weiter, so daß der Boden Hellroth glühend wurde, und als man unter diesen Umständen den Hahn eröffnete, hörte man nicht nur nichts, sondern man sah auch nicht einmal Dampf ausströmen; dagegen glaubte Hr. Gordon, Wasserstoffgas zu riechen, was auch, wie ich glaube, unstreitig der Fall war.