LV. Ueber das Princip, die Construction und die Wirksamkeit des Field'schen Dampfkessels;Derselbe wurde in einer Form dargestellt und beschrieben in diesem Journal Bd. CLXXI S. 263 (als Kessel der Merryweather-Field'schen Feuerspritze). von Fr. Wise, Civilingenieur. Aus dem Civil Engineer and Architect's Journal, Juni 1865, S. 161. Mit Abbildungen auf Tab. V. Wise, über den Field'schen Dampfkessel. Der Zweck eines jeden Dampfkessels ist, die durch Verbrennung irgend eines passenden Brennstoffes entwickelte Hitze auf das in einem geschlossenen Gefäße befindliche Wasser zu übertragen, so daß Dampf erzeugt wird, der dann zu beliebigen Wirkungen zu gebrauchen ist; dabei ist es unzweifelhaft, daß unter sonst gleichen Umständen es wünschenswerth seyn muß, irgend eine gegebene Wassermenge in möglichst kurzer Zeit und in möglichst geringen Räumen zu verdampfen. Dagegen ist klar, daß wenn die Beschleunigung der Verdampfung auf Kosten der Brennmaterialersparniß, des Raumes oder der Sicherheit geschehen soll, dieser Vortheil aufgehoben oder doch vermindert wird. Bei den Cornwallkesseln und anderen ähnlicher Art wird die Hitze nicht rasch genug vom Wasser absorbirt, um eine schnelle Verbrennung ökonomisch erscheinen zu lassen, in so fern damit zugleich ein beträchtlicher Antheil der entwickelten Hitze, statt vom Wasser aufgenommen zu werden, entweder in das Mauerwerk der Feuercanäle oder nutzlos in die Esse geht. Die Ursache der höheren Brennmaterialersparniß bei langsamer Verbrennung in den Cornwallkesseln ist also darin zu sehen, daß sie eine beträchtliche Zeit nöthig haben, um einen gehörigen Bruchtheil der Hitze aufzunehmen und daß, wenn man ihnen dazu nicht die erforderliche Zeit läßt, ein gewisser Theil der Hitze verloren geht. Es ist daher der Cornwallkessel im Princip unvollkommen, da derselbe, über eine verhältnißmäßig enge Grenze hinaus, nicht im Stande ist, einen erheblichen Antheil der in seiner Feuerung erzeugbaren Hitze auszunutzen; dagegen kann man daraus keineswegs den Schluß ziehen, daß etwa bei einem Kessel, welcher die Hitze rasch zu absorbiren vermag, langsame Verbrennung vortheilhaft oder wünschenswerth wäre. Jedenfalls ist klar, daß, wenn wir durch Anwendung einer verbesserten Kesselconstruction im Stande sind, dieselbe Wassermenge wie im Cornwallkessel, aber mit größerer Sicherheit und mit einer mindestens ebensolchen Brennstoffersparniß zu verdampfen, und dabei nur etwa 1/6 des Raumes benöthigen, dadurch ein offenbarer und sehr wichtiger Gewinn erzielt wird. Kommt dann noch sehr erleichterte Zugänglichkeit und geringe Abnutzung hinzu, so haben wir einen ganz entschiedenen und höchst erfolgreichen Fortschritt gemacht. Wie kann dieses Ziel nun erreicht werden? Natürlich kann nichts was mit dem Cornwallsystem, mit seinen langen und zum Theil nutzlosen Canälen und mit seiner großen, träge circulirenden Wassermasse Aehnlichkeit hat, in Frage kommen. Betrachten wir dagegen die Röhrenkessel, in welchen die heißen Verbrennungsproducte durch eine Anzahl enger, im Wasserraum liegender Röhren nach der Esse ziehen, welche dem Wasser die Hitze mittheilen sollen, und fragen wir, welches der Erfolg einer solchen Construction seyn kann? Offenbar verlöscht die Flamme alsbald, so wie sie in die Röhren tritt, da der Sauerstoffzutritt mangelt,Oder wohl eher weil die Abkühlung auf den dünnen Gasstrom zu plötzlich einwirkt? A. d. Red. und es gehen also die heißen Verbrennungsproducte zum großen Theile durch die Röhren hindurch, ohne daß ihre Wärme von dem umgebenden Wasser absorbirt würde; je rascher also die Verbrennung geschieht, desto stärker ist (in Folge der unvollkommenen Circulation) der Verlust an Hitze. Es ist daher auch diese Construction in ihrer jetzigen Form nicht das System, welches zu dem beabsichtigten Ziele führen kann. Hiernach sind zwei Dinge klar: erstens, daß wir den Cornwallkessel mit seiner großen Wassermasse nicht anwenden können, und zweitens, daß der Plan, die Feuergase in dünnen Fäden durch das Wasser strömen zu lassen, wie beim gewöhnlichen Röhrenkessel, ebenfalls praktisch unrichtig ist. Nehmen wir nun an, daß, anstatt die Feuergase in dünnen Strömen durch das Wasser zu leiten, wir das Wasser selbst in Strömen (und mit einer selbstthätig der umgebenden Hitze proportionalen Geschwindigkeit) in und durch die heißesten Theile des Ofens leiten. Der Erfolg wird dann seyn, daß bei langsamer Verbrennung die Circulation eine langsame ist und mithin die der Wirkung des Feuers in einer gegebenen Zeit dargebotene Wassermenge genau dessen Wärmemittheilungs-Vermögen entsprechen wird; wenn dagegen die Schnelligkeit und Heftigkeit der Verbrennung sich vermehrt, so wird auch die Schnelligkeit zunehmen, mit welcher das Wasser durch die Feuerung strömt und zwar trotzdem, daß das Feuer veranlaßt wird die größtmögliche Wärmemenge abzugeben. Daraus folgt, da die Schnelligkeit der Circulation in allen Fällen durch die jeweilige Wärmeabgabe des Feuers regulirt wird, daß es gleichgültig ist, ob die Verbrennung eine langsame oder eine schnelle ist, ausgenommen, daß letzterer Fall uns in den Stand setzt, durch die größere Geschwindigkeit, mit welcher das Wasser durch den Feuerraum strömt, eine verhältnißmäßig größere Wassermasse im gleichen Raum zu verdampfen. Dieses ist aber gerade das Princip des Field'schen Kessels, dessen praktische Resultate unsere Bemerkungen bestätigen und den befriedigenden Beweis liefern, daß das Princip, das Wasser in dünnen und rasch circulirenden Strömen der höchsten Hitze der Feuerung zu unterwerfen, das richtige und jedem anderen bisher angewandten überlegen ist. Auch folgt daraus, daß auf diesem Wege alle in der Feuerung erzeugte Hitze (mit Ausnahme der zur Unterhaltung eines hinreichenden Zuges erforderlichen) zur Dampfbildung verwandt wird, und daß also Ersparung an Raum und Gewicht mit derjenigen an Brennstoff Hand in Hand gehen können. Eine Betrachtung der in Rede stehenden Kesselconstruction wird darthun, daß diese Wirkungen hervorgebracht werden, während der Kessel selbst zugleich mehr Sicherheit als irgend ein anderer jetzt existirender bietet. Zu bemerken ist noch, daß das Princip des Field'schen Kessels nicht allein auf stehende, sondern auch auf alle Arten von Marine- und Locomobilen-Kesseln anwendbar ist; ja es hat sich in letzterer Beziehung herausgestellt, daß er die härteste Arbeit ohne Schaden ertragen kann, welche bei anderen Kesseln fortwährende Reparaturen nothwendig macht oder wenigstens Undichtheiten veranlaßt. Die Construction des Field'schen Kessels ist folgende: Er besteht aus zwei Haupttheilen, nämlich dem Wasser- und dem Dampfraum, oder dem Körper des Kessels und dem Feuerraum. Für stationäre Maschinen wird der Kessel cylindrisch mit einem ringförmigen, die Feuerung b umgebenden Wasserraum a (Fig. 1) angefertigt; allein diese Gestalt kann leicht verändert und den jedesmaligen Zwecken für Land- oder Schiffsmaschinen angepaßt werden. Bei dem in der Figur dargestellten cylindrischen verticalen Kessel sind eine Menge Röhren c ringförmig um die Feuerröhre d herum angebracht, welche senkrecht durch den Kessel emporgeht; diese Röhren c hängen von der unteren Seite des Wasser- und Dampfraumes e in den Feuerraum b herab. Sie sind oben nach dem Wasser zu offen, unten geschlossen und daher, wenn der Kessel zum Betrieb bereit ist, mit Wasser gefüllt, welches noch etliche Zoll hoch über denselben steht. Innerhalb einer jeden Röhre hängt frei an den Rippen x eine engere Röhre f, welche, an beiden Enden offen, mit dem oberen über die Mündung der äußeren Röhre hervorragt, und unten nicht bis ganz zu ihrem Boden reicht. Die Mündung der inneren Röhre ist erweitert und bildet einen trompetenartigen Ansatz g. Eine Schließplatte oder ein Cylinder h hängt innerhalb der Feuerröhre d herab und verhindert, daß irgend ein Theil der Feuergase nach oben durch den Kessel abgeht, ohne erst die herabhängenden Röhren umspült und an das Wasser darin seine Hitze abgegeben zu haben. Solche Kessel sind vorzugsweise für Schiffsmaschinen geeignet, insofern nicht allein die Wassermenge, welche sie enthalten, und welche bei anderen Kesseln leicht von einer Seite zur anderen schwankt, viel geringer ist, sondern auch weil sie, wie die Erfahrung zeigt, mit ganz mit Salz gesättigtem Wasser arbeiten können. Ja es haben Versuche dargethan, daß selbst übersättigtes, d.h. Salzwasser, worin durch weitere Verdampfung noch festes Salz suspendirt ist, anwendbar bleibt, indem die Röhren beim Wiederanzünden des Feuers das Salz auswerfen, welches sich während der Ruhe abgesetzt hat, selbst wenn es so viel seyn sollte, daß die Böden der inneren Röhren bedeckt wären. Einen solchen Kessel zeigt Fig. 2. Die in dem Feuerraum b erzeugten Brenngase gehen über die Brücke q, dann durch die herabhängenden Doppelröhren hindurch, kehren hierauf durch einen ebenfalls solche Doppelröhren enthaltenden Canal nach vorne zurück und ziehen hernach durch die Esse d nach oben ab. Die so angeordneten, nicht zu dicht stehenden Doppelröhren gestatten der Flamme, sie eine weite Strecke hin ohne zu verlöschen zu umspülen, und sind durch die Lage der von ihnen der Flamme dargebotenen Oberfläche äußerst wirksam in ihren ökonomischen Resultaten. Dieß zeigte sich sehr deutlich an einem Cornwallkessel, bei welchem einige Doppelröhren in dem Hauptrohr unmittelbar hinter der Feuerbrücke angebracht wurden, wie dieß Fig. 3 darstellt. Die Vermehrung der Heizfläche war hier 10 Procent, während die Brennstoffersparniß, statt ebensoviel, über 20 Proc. betrug. Man beobachtete in diesem Falle, daß Röhren, welche an einer gegebenen Blechfläche von nur 3/8 Zoll aufgehängt werden mußten, sich ungehindert ausdehnen und zusammenziehen konnten und nicht die geringste Spur von Undichtheiten zeigten, während man früher an Kesseln mit stärkeren Blechplatten, die eigens für die Aufnahme von Doppelröhren bestimmt waren, die entgegengesetzte Erfahrung gemacht hatte. Es hat also dieses System neben seinen anderen Vortheilen auch den, daß es den unvermeidlichen und ernstlichen Fehler der an beiden Enden befestigten Röhren umgeht, nämlich das Lecken, dessen zerstörender Einfluß sattsam bekannt ist. Ferner vermindert der gleiche Umstand die Anschaffungskosten der Kessel, insofern es möglich wird, die Röhren sicher und vollkommen bloß durch eine sehr geringe Erweiterung ihrer oberen Enden ohne Anwendung von Ringen oder anderen den Querschnitt vermindernden Mitteln in den Platten zu befestigen. Man braucht dazu nur die Löcher in der Röhrenplatte schwach conisch zu bohren, so daß ihr Durchmesser an der unteren Seite der Platte dem der Röhren gleich und der an der oberen etwas größer ist, hierauf die Mündung der Röhren etwas zu erweitern und dann mittelst eines oder zweier Hammerschläge und eines stählernen conischen Dornes die Röhren oben noch mehr zu erweitern, so daß sie sich fest in das Loch in der Platte festklemmen. Die Leichtigkeit, mit der man sonach eine Röhre einsetzen kann, ist von großer Wichtigkeit für den Fall, wo eine solche während der Thätigkeit des Kessels Schaden leiden sollte; es würde dieß höchstens einen kurzen Aufenthalt verursachen und nicht einmal die Beihülfe eines geübten Arbeiters nöthig machen. Die beschriebenen feststehenden Kessel sind zunächst für einen ununterbrochenen Betrieb und sparsamen Brennstoffverbrauch construirt, dabei aber nicht so schwer und umfangreich, daß man sie nicht auch für verschiedene Arten transportabler Maschinen benutzen könnte, indem sie in der That leichter als die gewöhnlich dazu angewandten sind, und da, wo nicht äußerste Leichtigkeit erfordert wird, die beste Kesselform darstellen. Es gibt allerdings Fälle, wie z.B. bei den Dampffeuerspritzen, wo möglichst geringes Gewicht und leichte Transportfähigkeit neben raschester Dampferzeugung wichtiger sind, als Ersparniß an Brennmaterial. In solchen Fällen würde das Gewicht des Wasserraumes (Wassermantels) und des darin enthaltenen Wasserkörpers ein verhältnißmäßiges Hinderniß für die Anwendung eines solchen Kessels bilden; ebenso würde der Zeitverlust zum Erhitzen dieses Ueberschusses von Wasser ein Nachtheil seyn. Für solche Zwecke empfiehlt sich also der in Fig. 4 dargestellte Kessel, welcher keinen Wassermantel hat, und bei dem die Röhren enger als bei den anderen Constructionen und so angeordnet sind, daß die unteren Enden der äußeren Reihen einen fast ununterbrochenen Wasserraum um die Feuerbüchse herum bilden. Bei Anwendung dieser Kessel benutzt man, sobald die Dampferzeugung beginnt, einen Dampfstrahl zur Belebung des Zuges und zwar so lange, bis die Maschine in Gang kommt, worauf man diesen Strahl unterbricht und den Zug durch den Abzugsdampf erzeugt, den man in und durch die Ablenkungskammer h und ein durch das Rauchrohr d gelegtes Rohr in die Esse entweichen läßt. Solche Kessel wurden zunächst für die Dampfspritze von Merryweather und Söhnen gebaut und dabei mit dem größten Erfolge benutzt. Diese bei einer Leistung von 20 Pferdekräften im Ganzen nur 30 Centner wiegenden Maschinen geben aus anfänglich fast eiskaltem Wasser in Zeit von 9 1/4 Minuten Dampf mit 100 Pfund Druck auf den Quadratzoll und behalten diesen Druck während ihrer Arbeitsverrichtung unverändert bei. Die Maschine „Fatherland,“ welche im Ganzen nur 58 Centner wiegt, hat einen Kessel von derselben Art und leistete Erstaunliches in rascher Dampferzeugung; so z.B. erzeugte sie im Krystallpalaste in Zeit von 10 Minuten Dampf von 100 Pfund Druck auf den Quadratzoll aus kaltem Wasser und warf dann aus einem 1 5/8zölligen Mundstück einen Strahl auf 200 Fuß Höhe, den sie 25 Minuten lang auf 180 Fuß erhielt. Die Kessel der zuerst genannten Maschine haben 2' 3'' Durchmesser und einschließlich der Feuerung nur 4' 6'' Höhe; die der letzteren 3' 6'' Durchmesser und 4' 6'' Höhe. Damit Kessel von verhältnißmäßig so kleinen Dimensionen die erforderliche große Dampfmenge liefern können, muß offenbar die Hitze der Feuerung die intensivste seyn, und ferner muß zur Unterhaltung dieser Hitze eine sehr große Luftmenge durch das brennende Material gesaugt werden; dieß ist aber nur durch einen sehr kräftigen Zug zu bewirken, und somit muß ein starker Bruchtheil der Hitze nothwendig verloren gehen, nicht sowohl wegen fehlenden Absorptionsvermögens des Kessels, sondern wegen der unverhältnißmäßigen Stärke des Zuges, die dazu gehört, um eine so große Menge Luft durch das Brennmaterial hindurchzuziehen, und weil die heißen Gase mit einer zu großen Geschwindigkeit in den Schornstein abgeführt werden. Indessen ist die Arbeitsleistung solcher Kessel, trotz der unvermeidlich ihnen anhängenden Uebelstände, die ihrer Natur nach der Brennstoffersparniß gerade entgegenstehen, dennoch in ihren Ergebnissen nicht minder günstig als die von den meisten gewöhnlichen feststehenden Kesseln, ein weiterer überzeugender Beweis, daß das Princip, auf welchem die Construction dieser Kessel beruht, richtig ist. Eine Betrachtung des Vorganges innerhalb eines Field'schen Kessels ergibt alsbald die Ursache, weßhalb ein solcher gegen andere Kessel unter gleichen Umständen Vortheile gewähren muß. Die Größe z.B. eines Kessels von 80 Pferdekräften, dessen Leistung aber leicht bis zu 120 Pferdekräften gesteigert werden kann, beträgt 6' 6'' äußeren Durchmesser und 8' 8'' Höhe. Er enthält 490 Quadratfuß Röhrenoberfläche, indem die äußeren Röhren 2'' inneren auf 2 1/4'' äußeren, die inneren Röhren 1'' äußeren Durchmesser haben. Gleich nach dem Anzünden des Feuers beginnt das Wasser in den Röhren zu circuliren, indem jede noch so geringe Wärmezunahme die specifische Schwere des Wassers in den ringförmigen Zwischenräumen der äußeren und inneren Röhren vermindert und es zum Aufsteigen, mithin das kältere Wasser zum Niederströmen veranlaßt. Diese Wirkung steigert sich mehr und mehr, bis das Sieden beginnt, zu welcher Zeit die Strömungsgeschwindigkeit ganz außerordentlich zunimmt, da nun der Unterschied zwischen der Dichtigkeit des in den ringförmigen Räumen aufsteigenden Dampf- und Wassergemisches und derjenigen des in den inneren Röhren niedergehenden kalten Wassers sehr groß ist. Nimmt man die Geschwindigkeit dieses letzteren Stromes zu 10' in der Secunde und die Zahl der Röhren zu 289 an, so berechnet sich die in die Feuerung hinabgelangende und dort der größten Hitze unterworfene Wassermenge auf etwa 96 Gallons in der Secunde. Das in die Röhren einströmende Wasser ist aber das kälteste des gesammten im Kessel enthaltenen Wassers und daher für die Wärmeaufnahme am empfänglichsten. Bedenkt man nun, daß aus den Röhren eine eben so große Menge Wasser, als im Hauptkessel selbst enthalten ist, in dieser Weise alle 6 Secunden in den Feuerraum geführt wird, und hier nur eine Metallwand von 1/8'' Stärke zwischen Wasser und Feuer ist, so kann man sich einen annähernden Begriff von der außerordentlichen Geschwindigkeit bilden, mit welcher die Hitze aus dem Feuer in das Wasser übergehen muß. Diese Betrachtung wird durch die bekannte Thatsache bestätigt, daß, wenn man ein ziemlich großes Stahlstück härten will, indem man es in heißem Zustande senkrecht in kaltes Wasser taucht und ruhig in dieser Stellung hält, der Erfolg nicht erreicht wird, da das Wasser unter diesen Umständen die Wärme nicht hinreichend schnell, um die Härtung zu bewirken, dem Stahl entzieht; wenn man dagegen den Stahl mehr oder weniger schnell durch das Wasser hin und her bewegt, so erfolgt die Härtung sofort. Ebenso verhält es sich nun mit dem Unterschied zwischen den gewöhnlichen Kesseln und dem Field'schen Kessel. In beiden Fällen haben wir eine große Menge der Hitze ausgesetzten Wassers; aber in dem einen Falle können die Wassertheile ihre Lage nicht schnell genug ändern, um die dargebotene Wärme zu absorbiren, im anderen Falle findet ein beständiger Wechsel der dem Feuer dargebotenen Wasserfläche statt, wodurch der Metallwand sehr rasch ihre Wärme entzogen wird. Wir haben also hier eine sehr in die Augen springende Ursache für die durch die Field'schen Kessel erzielten ökonomischen Erfolge, selbst unter solchen Umständen, welche alle Ersparniß auszuschließen scheinen, nämlich die Thatsache, daß in gewöhnlichen Kesseln die sich selbst überlassene Circulation nur sehr schwierig eine bestimmte Richtung annimmt, so daß das Wasser die Hitze dem Metall nicht rasch entreißt, sondern sie demselben nur langsam fließend entzieht. In Folge davon geht viel Wärme statt in's Wasser durch die Feuerzüge fort, und es liefert aus diesem Grunde, wie schon oben dargethan, eine langsame Verbrennung bei gewöhnlichen Kesseln bessere Resultate, als eine schnelle Verbrennung. Bei der Betrachtung der Vorzüge irgend eines Kessels sind auch die Schwierigkeiten nicht zu übersehen, die von dem Niederschlagen der so störenden Stoffe, wie kohlensauer, schwefelsaurer Kalk u.s.w. entstehen, welche sich als fester Stein absetzen. Es ist bekannt, daß solche Niederschläge durch langsame Circulation begünstigt werden, und daß sie da am stärksten sind, wo die Circulation am schwächsten ist, wie z.B. in der Nähe der Einmündung des Speiserohrs in den Kessel. Es ist also vorauszusehen, daß eine so starke und ununterbrochene Circulation, wie sie in dem Field'schen Kessel stattfindet, keinen Kesselstein aufkommen läßt. Die Röhren in Feuerspritzenkesseln nach Field'schem Systeme sind in der That nach zwei Jahre langem, fast täglichem Gebrauche ganz frei von Niederschlägen geblieben. Möglicherweise ist dieses Resultat bei den Dampfspritzen zum Theil auch dem Umstande zuzuschreiben, daß das benutzte Speisewasser fortwährend ein anderes ist. Aber auch zugegeben, daß der stattgefundene Wasserwechsel in dieser Beziehung von einigem Einfluß ist, so zeigen doch auch im Betriebe befindliche feststehende Field'sche Kessel, daß bei den gewöhnlichsten Vorsichtsmaßregeln eine Steinbildung nicht stattfindet. Der Verfasser war kürzlich bei dem Oeffnen eines solchen Kessels zu der üblichen vierteljährlichen Untersuchung gegenwärtig und kann versichern, daß gar kein harter oder schaliger Niederschlag vorhanden war. Am Boden des Wasserraumes fand sich ein hell gefärbter Schlamm, der nach dem Trocknen ein unfühlbares Pulver darstellte und unzweifelhaft aus denselben Stoffen bestand, welche in gewöhnlichen Fällen den Kesselstein bilden, die aber in dem vorliegenden so lange in mechanischer Suspension gehalten worden waren, bis sie sich im Wasserraum in der bezeichneten Weise abgesetzt hatten. Die bei dem in Rede stehenden Kessel zu diesem Zweck befolgten höchst wirksamen und einfachen Maßnahmen bestanden erstens in der Anwendung eines kostenlosen Vorwärmers, wodurch ein Theil der Kalkverbindungen vor dem Eintritt in den Kessel ausgeschieden wurde, und zweitens in dem Zusatze einer unbedeutenden Menge der sogenannten Buck'schen Composition, welche, wie es scheint, hauptsächlich aus Soda besteht, und die das vom Vorwärmer nicht Bewirkte vollendete. Diese Thatsachen widerlegen den einzigen Einwurf der Praktiker gegen den Field'schen Kessel und beweisen unbestreitbar dessen erhebliche Vortheile, nämlich Ersparniß an Brennmaterial und Raum, Leichtigkeit der Feuerung, Zugänglichkeit behufs Untersuchung und Reparatur, und vollständige Sicherheit.