Titel: | Napier's und Rankine's patentirte Luftexpansionsmaschine. |
Fundstelle: | Band 135, Jahrgang 1855, Nr. LIII., S. 241 |
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LIII.
Napier's und Rankine's patentirte
Luftexpansionsmaschine.
Aus dem Mechanics'
Magazine, 1854, Nr. 1628.
Mit Abbildungen auf Tab.
IV.
Napier's Luftexpansionsmaschine.
Fig. 1 stellt
die wesentlichen Theile dieser Maschine zum Theil im senkrechten Durchschnitte, zum
Theil im Aufrisse dar. Die Figuren 2, 3, 4 und 5 sind Grundrisse
besonderer Theile nach einem größeren Maaßstabe.
A, Fig. 1, ist ein Cylinder
mit einem Kolben B, dessen Stange C durch eine Stopfbüchse läuft und durch eine Schubstange mit einer Kurbel
verbunden ist und dadurch die Schwungradwelle D in
Rotation setzt. E, E sind die Leitrollen für das
Querhaupt der Kolbenstange. F ist ein Canal, welcher das
obere Ende des Cylinders mit einem starken luftdichten Recipienten G in Verbindung setzt, dessen mittlerer Theil
cylindrisch ist. Der obere Theil dieses Recipienten besteht aus einer Anzahl
messingener Röhren I, welche mit ihrem unteren offenen
Ende an eine Platte gut befestigt sind. Diese Röhren sind von Wasser umgeben,
welches in einem Behälter H circulirt; ihre Anordnung
ist aus dem vergrößerten Grundriß Fig. 2 zu entnehmen. Drei
dieser Röhren sind mit Stopfbüchsen versehen, durch welche die nachher zu
beschreibenden Stangen laufen. Die übrigen sind oben geschlossen und dienen zur
Abkühlung der Luft. Der untere Theil des Recipienten besteht aus einer Anzahl
messingener Röhren, welche unten geschlossen und mit ihrem oberen offenen Ende an
eine Platte befestigt sind; ihre Anordnung ist aus dem in größerem Maaßstabe
ausgeführten Grundrisse Fig. 3 ersichtlich. Sie
haben die Bestimmung, der Luft die Wärme mitzutheilen, welche sie von dem Feuer
empfangen, das sie in dem Raume J umspielt. Die Platte,
in welche die unteren Röhren befestigt sind, ist durch einen Schild aus feuerfestem
Thon gegen die Einwirkung der Flamme geschützt. K ist
ein Canal, welcher die Flamme von einem Ofen herbeileitet. L ist ein Seitencanal, welcher in die Kammer J
führt. Ein anderer aus dieser Kammer in den Hauptcanal N
führender Seitencanal M leitet die Verbrennungsproducte
in den Schornstein. P ist ein leichter, aber dennoch
starker Metallkolben, welcher in mehrere Abtheilungen getheilt ist; einige der
letzteren sind luftdicht und mit Ziegelmehl, feuerfestem Thon oder einem andern
schlechten Wärmeleiter gefüllt. Eine oder mehrere Abtheilungen p jedoch erstrecken sich durch den Kolben, so daß sie
für die Luft einen Durchgang bilden; sie sind mit einer Schichte von Drahtgeweben
oder dünnen durchlöcherten Metallplatten gefüllt, welche vermöge ihrer bedeutenden
Oberfläche der hindurchstreichenden Luft die Wärme rasch mittheilen oder
entziehen.
Der Kolben schließt genau, jedoch mit möglichst geringer Reibung an die Seiten des
Recipienten G. Er hängt an einer oder mehreren Stangen
Q, Q von einem Balancier R herab. Die Stangen laufen durch Stopfbüchsen der Röhren I und sind an eine von dem Balancier herabhängende
Querstange befestigt. Letztere gestattet einer dritten Stange zu einem nachher zu
erläuternden Zweck den Durchgang. Diese Stange ist zum Theil in der ersteren
verborgen und bewegt sich in einer andern von den Röhren I. An die obere Seite des Kolbens P sind die
cylindrischen stangenförmigen Metallkolben q befestigt,
welche, mit ihm sich bewegend, lose in die Röhren passen, so daß für den Durchgang
der Luft ein ungefähr 1/8 Zoll breiter Raum rings um jede Röhre bleibt. Die von dem
Balancier T herabhängende Röhre S läuft durch eine Stopfbüchse an dem oberen Ende einer der Röhren I, ferner ohne Reibung durch die Mitte des Kolbens P und ist an das Heizsieb U
befestigt.
Dieses Heizsieb besteht aus einer kreisrunden eisernen oder messingenen
durchlöcherten Scheibe, welche sich an den cylindrischen Theil des Recipienten ohne
Reibung anschließt, ferner aus einem System stangenförmiger Metallkolben, welche
sich mit dieser Scheibe, woran sie befestigt sind, bewegen, und die Röhren, in
welche sie tauchen, so weit ausfüllen, daß rings herum ein Raum von nur 1/8 Zoll
übrig ist. Fig.
5 stellt dieses Sieb im Grundrisse dar. Die Löcher der Scheibe sind durch
kleine ausgezogene Kreise, die Kolben durch punktirte Kreise, die Stange S, woran das Heizsieb hängt, ist durch einen dunklen
Punkt in der Mitte angedeutet. Das Sieb hat den Zweck, die Uebertragung der Wärme
von der Flamme in der Kammer J auf die in dem unteren
Theile des Recipienten befindliche Luft zu reguliren, so daß sie während der
Expansion dieser Luft vollständig oder beinahe vollständig stattfindet. Der
Balancier T, von welchem das Sieb an der Stange S herabhängt, dreht sich um eine Achse und V
ist ein Gegengewicht, um das Gewicht des Siebes ganz oder zum Theil zu äquilibriren.
Bei stationären Maschinen kann man dem Sieb ein Uebergewicht geben, welches
hinreichend ist, dasselbe von der höchsten Stelle seines Hubes mit Schnelligkeit,
jedoch nicht mit Heftigkeit nach dem Boden des Recipienten hinabzutreiben. Bei
Schiffsmaschinen und Locomotiven müßte dagegen das Gleichgewicht genau hergestellt
und das Niedergehen des Heizsiebes mittelst einer Feder oder irgend einer geeigneten
mechanischen Vorrichtung bewerkstelligt werden. W ist
ein Fanghebel, der sich am Balancier T um einen Zapfen
dreht, gegen einen Stift sich lehnt und durch eine Feder x an seine Stelle gehalten wird. Die an dem Ende des Balanciers R befindliche Rolle X drückt
auf diesen Fanghebel, hebt den Balancier T und das Sieb
U während des letzteren Theils des aufwärtsgehenden
Kolbenhubes. Wenn der Kolben an dem höchsten Punkt seines Hubes ankommt, so gleitet
der Fanghebel von der Rolle ab, und das Heizsieb sinkt nieder. Während des abwärts
erfolgenden Zuges stößt die Rolle den Fanghebel in eine Lage herab, welche der durch
Punktirungen W¹ angedeuteten ähnlich ist, und
geht an ihm vorüber, worauf der Fanghebel in seine ursprüngliche Lage zurückspringt.
Auf der linken Seite von Fig. 1 ist der Fanghebel
eben von der Rolle ausgelöst worden und das Heizsieb ist daher im Fallen begriffen;
auf der rechten Seite befindet sich das Sieb in seiner tiefsten Lage. Y ist ein Excentricum zum Betrieb der Kolben und des
Heizsiebes. Dasselbe setzt vermittelst der Stange Z ein
um einen Zapfen a drehbares Gelenk in oscillirende
Bewegung. In diesem Gelenk befindet sich ein Schieber b,
der mit einem Federhaken versehen ist, um ihn in verschiedenen Einschnitten des
Gelenkes befestigen zu können. Dieser Schieber steht durch eine Stange c mit dem Ende des Hebels d
in Verbindung, welcher entweder einen Theil des Balanciers R bildet oder mit ihm an der nämlichen Achse befestigt ist. Auf diese
Weise setzt das Excentricum diesen Balancier in hin- und hergehende Bewegung.
Die Handhabe e dient zur Verschiebung des Schiebers b in verschiedene Lagen am Gelenke. Befindet er sich in
der bezeichneten Lage, so rotirt die Welle D in der
durch den Pfeil angedeuteten Richtung, nimmt er dagegen die Mitte des Gelenkes ein,
so steht die Maschine still; befindet er sich an dem entgegengesetzten Ende, so ist
die Bewegung rückgängig; bei den Zwischenlagen findet eine Mäßigung der
Geschwindigkeit statt. Die ökonomischste Methode indessen, mit ermäßigter
Geschwindigkeit zu arbeiten, besteht darin, die Klappen, womit die Feuercanäle
versehen sind, zu schließen und auf diese Weise die Verbrennung im Ofen zu mäßigen.
Der Canal f führt von dem unteren Ende des Cylinders in den
Recipienten G¹, welcher mit seinen Röhren,
Kolben, Heizsieb u.s.w. dem oben beschriebenen vollkommen gleich ist.
Eine an den Excentricumring befestigte Stange g dient zum
Betrieb einer Druckpumpe h, welche in ein hinter dem
Cylinder befindliches Magazin i Luft drückt, sowohl um
den nöthigen Druck zu erzielen, als auch um den Luftverlust durch die Fugen zu
ersetzen. Diese Druckpumpe, welche gleichfalls hinter dem Cylinder liegt, ist durch
Punktirung angedeutet. k ist eine Justirschraube,
mittelst deren die Stange g sich verlängern oder
verkürzen läßt, so daß die Zuführung comprimirter Luft vermehrt oder vermindert oder
auch ganz eingestellt werden kann. l, l sind Röhren,
welche von dem Magazin nach den Canälen führen, die mit den beiden Cylinderenden
communiciren und mit aufwärts sich öffnenden Ventilen versehen sind, damit, wenn
etwa der Druck in der einen oder der andern Cylinder-Abtheilung unter
denjenigen im Magazin sinken sollte, die Luft in die desselben bedürfende Abtheilung
des Cylinders einströmt. m, m, m sind Sicherheitsventile
für die beiden Cylinderenden und für das Magazin.
Eine andere durch das Excentricum getriebene, hier nicht sichtbare Druckpumpe
befindet sich hinter dem Magazin. Ihre Function besteht darin, einen Strom kalten
Wassers den Behältern H, H¹ zuzuführen; o, o sind die
Abflußrohren. Mit den beiden Enden der Cylinder und mit dem Luftmagazin sind die
Manometer r, r, r verbunden, welche Pressungen bis zu
200 Pfd. per Quadratzoll anzeigen können. s, s ist der Mantel für den unteren Theil des
Recipienten G; derselbe ist mit Ziegelmehl, Asche oder
einem sonstigen schlechten Wärmeleiter gefüllt.
Wir kommen nun an die Beschreibung der Art und Weise, wie die Maschine in Betrieb
gesetzt wird.
Wenn die Maschine in Ruhe ist, so sind die Pressungen auf die obere und untere Seite
des Kolbens gleich; letzterer stellt sich alsdann von selbst in die Mitte des
Cylinders, in welcher Lage er in Fig. 1 dargestellt ist.
Während sich der Schieber b in der Mitte des Gelenkes
a befindet, sind sämmtliche Balanciers R, T und T¹
horizontal, die Kolben befinden sich in der Mitte ihrer Recipienten und das Heizsieb
am Boden. Nachdem das Feuer angezündet worden ist, heizt die in der Kammer J circulirende Flamme das untere System der Röhren, die
Stangen des Heizsiebes und die zwischen denselben befindliche Luftschicht. Anfangs
häuft sich der größere Theil der Wärme in diesen Körpern an, nur ein kleiner Theil
derselben erreicht die Luft oberhalb der Heizsiebe. Da nun die Wirkung in jedem
Recipienten die gleiche ist, so erfährt der Kolben immer noch auf beiden Seiten die
gleiche Pressung und bleibt somit in Ruhe.
Angenommen, die Kurbel befinde sich in der Fig. 1 angegebenen
Stellung und die Maschine solle nach der Richtung des Pfeils in Bewegung gesetzt
werden, so muß der Maschinist den Federhaken des Schiebers b lösen und ihn mittelst der Handhabe e nach
dem oberen Ende des Gelenkes hin bewegen. Diese Bewegung bringt den Balancier R in die dargestellte Lage, und drückt den Kolben des
Recipienten G¹ hinab; zugleich strömt die Luft
durch die Oeffnung dieses Kolbens in den oberen Raum des Recipienten und in die
Röhren des Behälters H¹, wodurch die durch die
Flamme dargebotene Wärme absorbirt wird. Zugleich hebt sich der Kolben P bis an den oberen Theil des Recipienten G, treibt die Luft aus den oberen Röhren und dem oberen
Theil des Recipienten durch den Canal P hinab. Der
Heizschild U wird gleichfalls gehoben und
niedergelassen, was zur Folge hat, daß die in dem unteren Theile des Recipienten
enthaltene Luft rasch über die Oberfläche der heißen Stangen und durch die unteren
heißen Röhren hinstreicht und eine gewisse Quantität Wärme aufnimmt. Die sich
expandirende heiße Luft theilt ihren Druck vermittelst des Canales F dem Kolben B mit, und die
Maschine beginnt sofort ihre Bewegung.
Während des Ganges der Maschine ist die Reihenfolge der Wechsel, welchen die Luft des
Recipienten G unterliegt, folgende. Gegen das Ende des
abwärts gehenden und am Anfang des aufwärtsgehenden Kolbenhubes befindet sich das
Heizsieb am Boden des Recipienten. Beim Niedergang des Kolbens P strömt die Luft durch den Canal p und theilt eine bedeutende Quantität ihrer freien Wärme den in diesem
Canal befindlichen Drähten oder Metallstreifen mit. Der Rest des Wärmeüberschusses
der Luft über die Wärme des in dem Behälter O¹
befindlichen Wassers wird durch die Oberfläche der oberen Röhren und der Stangen q absorbirt. Der aufwärtsgehende Kolben comprimirt diese
Luft, und diese Compression erzeugt Wärme, welche gleichfalls durch diese Stangen
und Röhren absorbirt wird. Würde diese Wärme der Luft nicht entzogen, so würde die
Spannung der letzteren zunehmen und der Bewegung des Kolbens einen Widerstand
entgegensetzen. Gegen Ende des Aufganges und beim Beginn des Niederganges des
Kolbens P strömt die Luft durch den Canal p hinab und nimmt den größeren Theil der Wärme, welche
sie vorher abgegeben, von den Drähten und sonstigen Wärmeleitern wieder auf. Während
der ersten Hälfte des Niederganges wird das Heizsieb t
auf und nieder bewegt, und die Luft nimmt dadurch, daß sie über dessen Stangen und
durch die unteren heißen Röhren hinstreicht, den Rest der freien Wärme auf, welche
zu ihrer Temperaturerhöhung und eben so die latente Wärme, welche zu ihrer Expansion
nöthig ist. Dadurch ist der Cyclus der Operationen in dem mit dem oberen Cylinderende
verbundenen Recipienten geschlossen. Die gleichen Operationen wiederholen sich in
dem andern Recipienten, wenn man sich nur den aufwärtsgehenden statt des
abwartsgerichteten Hubes denkt.