Ueber Neuerungen an Luft- und Gasmaschinen. (Patentklasse 46. Fortsetzung des Berichtes Bd. 237 S. 92.) Mit Abbildungen. Slaby, über Neuerungen an Luft- und Gasmaschinen. Offene Luftmaschinen. (Schluſs). Tafel 34. Albert Todt in Frankfurt a. O. (* D. R. P. Nr. 8925 vom 16. Mai 1879) hat sich eine Luftmaschine patentiren lassen, welche man nach ihrer Wirkungsweise zwar als „offene Luftmaschine“ bezeichnen muſs, weil sie bei jedem Hub frische Luft ansaugt und dieselbe nach vollzogener Arbeitsleistung wieder ausstöſst; doch ist ihr Kreisproceſs von dem der bis jetzt behandelten offenen Luftmaschinen durchaus verschieden. Man könnte sie vielleicht zweckmäſsig eine „offene atmosphärische Luftmaschine“ nennen, denn die bei atmosphärischer Spannung angesaugte erhitzte Luft erfährt durch Wassereinspritzung eine Druckverminderung, so daſs, ähnlich wie bei Newcomen's Dampfmaschine, die äuſsere atmosphärische Luft die Compression unter Arbeitsleistung vollzieht. Die Maschine besitzt zwei Cylinder, von denen der eine als Saug; der andere als Treibcylinder bezeichnet werden mag. Mittels des ersteren erfolgt die Ansaugung der erhitzten Luft durch ein geheiztes Röhrensystem oder durch den Rost einer geschlossenen Feuerung bei atmosphärischer Spannung. Beim Niedergang des Saugkolbens tritt die erhitzte Luft in den Treibcylinder über und wird hier nach erfolgter Abkühlung durch Wassereinspritzung und nach entsprechender Spannungsverminderung durch den Druck der Atmosphäre verdichtet und schlieſslich wieder ausgetrieben. Die constructive Anordnung der Maschine zeigt Fig. 1 Taf. 34. Am Untergestell A ist der Saugcylinder B mit dem Saugkolben Dd, ferner der Treibcylinder B] mit dem Treibkolben D1 befestigt. An dem unteren Theil b des Saugcylinders befindet sich die Ventilkammer V mit dem Zulaſsventil v. An V setzt sich das Rohr a, welches die erhitzte Luft zuführt. Zwischen b und B1 ist die Ventilkammer V1 mit dem Ventile v1 angebracht; e ist ein nach auſsen sich öffnendes Klappventil. Am Boden von B1, befindet sich das Rohr R, welches zum Einspritzen von kaltem Wasser nach B1 dient; R1 ist das Abzugsrohr für die verbrauchte Luft und das verbrauchte Kühlwasser. Die Pleuelstange des Saugkolbens greift an die Kropfkurbel k der Schwungradwelle, die Pleuelstange des Treibkolbens an die Stirnkurbel k1, gebildet durch einen Arm des Schwungrades und einen daran befestigten Kurbelzapfen, k und k1 stehen unter 180° zu einander und haben gleiche Kurbellänge, so daſs D und D1 entgegengesetzten, aber gleich groſsen Hub haben. Die Durchmesser von D und D1 sind ebenfalls gleich groſs, so daſs die Summe der zwischen beiden Kolben befindlichen Cylinderräume, abgesehen von dem Einfluſs der schiefen Stellung der ungleich langen Pleuelstangen, unveränderlich ist. Die Ventile werden durch die auf der Hauptwelle sitzenden Excenter m und m1 gesteuert und zwar so, daſs v sich öffnet, wenn der Kolben Dd seinen Aufgang beginnt. Das Ventil v1 bleibt während des ganzen Aufganges des Kolbens Dd geschlossen, ist dagegen während des ganzen Niederganges von Dd bei gleichzeitigem Aufgange von D1 geöffnet. Der untere Theil b des Saugcylinders, das Ventilgehäuse V und das Zulaſsrohr a sind mit schlechten Wärmeleitern umhüllt, um möglichst wenig Wärme nach auſsen abzugeben. Die thatsächliche Arbeit der Luftmaschine weicht nun allerdings von der oben allgemein und übersichtlich angegebenen Wirkungsweise noch in einem bemerkenswerthen Punkte ab. Während Dd aufwärts geht, ist v geöffnet, v1 geschlossen, die heiſse Luft tritt durch a in den unteren Theil b des Saugcylinders. Es erfolgt jedoch die Ansaugung nicht während des ganzen Kolbenhubes, sondern das Ventil v schlieſst vor Vollendung desselben ab. In Folge dessen wird die in b angesaugte heiſse Luft sich beim Weiteraufgange von Dd ausdehnen, ihre Spannung und Temperatur vermindern. Natürlich erfolgt diese Ausdehnung der Luft (wenn sie mit atmosphärischer Spannung eingetreten ist) nicht ohne Arbeitsverbrauch, welchen die lebendige Kraft des Schwungrades der Maschine hergeben muſs. Beim Niedergange von Dd wird v1 geöffnet, während v geschlossen bleibt. Gleichzeitig geht D1 aus seiner tiefsten Stellung in die Höhe. Die heiſse Luft tritt aus b nach B1 wird dort durch Einspritzen von kaltem Wasser stark abgekühlt und dadurch auf geringere Spannung gebracht. Hat D1 seine höchste Stellung erreicht, so wird v1 geschlossen. Der Ueberdruck der Atmosphäre treibt beim Weitergange der Kurbel k1 den Kolben D1 nach abwärts. Die Ausstoſsung erfolgt bei eintretendem Ueberdruck durch die sich selbst öffnende Klappe e. Während D1 abwärts ging, hat sich D gehoben und von neuem heiſse Luft nach b gesaugt, welche denselben Proceſs durchmacht. Es ist nicht ohne Interesse, zu untersuchen, in welcher Weise die geschilderte Ausdehnung der Luft durch äuſsere Arbeitsleistung vor ihrer Wirkung im Treibcylinder das Güteverhältniſs des Kreisprocesses beeinfluſst. Es mag zunächst eine Maschine vorausgesetzt werden, welche wie die obige den Druck der äuſseren Atmosphäre zur Arbeitsleistung benutzt, ohne daſs jedoch eine vorherige mechanische Ausdehnung der erhitzten Luft stattfindet. In der Textfigur 1 (a. f. S.) bezeichnen Ov1 das Volumen v1 von 1k Luft, welches sich bei atmosphärischer Spannung p1 (in k auf 1qm) und absoluter Temperatur T1, (gemessen vom absoluten Nullpunkt, d.h. T1 = 273 + t1° Celsius) in einem durch einen Kolben abgeschlossenen Cylinder, dessen Querschnitt gleich der Flächeneinheit sei, befindet. Unter Wärmezuführung werde diese Luft zu einem Volumen v2 ausgedehnt unter Aufrechterhaltung der Spannung. Fig. 1., Bd. 237, S. 426 Da auf der anderen Seite des Kolbens nur der Atmosphärendruck als Widerstand zu überwinden ist, so wird für diese Ausdehnung, abgesehen von der Reibung, keine Arbeit aufzuwenden sein; die zugeführte Wärme betrage Q1 Calorien, die Temperatur steige von T1 auf T2. Aus dem Zustande v2, p1, T2 werde nun die Luft unter Constanthaltung des Volumens und unter Wärmeabführung von Q2 Calorien auf die alte Temperatur abgekühlt (durch Einspritzung von kaltem Wasser), wobei die Spannung auf p2 sinken möge, und unter weiterer Wärmeentziehung von Q3 Cal. bei constanter Temperatur T1 auf das Anfangsvolumen v1 zurückgebracht. Da bei dieser Compression der Druck auf der inneren Fläche des Kolbens kleiner ist als der Druck der äuſseren Atmosphäre, so wird letzterer eine nutzbare Arbeit auf den Kolben übertragen können, welche gemessen wird durch den Inhalt der von zwei geraden Linien AB und BC und von einer gleichseitigen Hyperbel, der isothermischen Linie CA, eingeschlossenen Fläche. Es soll nun zunächst die Gröſse der Arbeit, welche mit 1k Luft durch diesen Proceſs erzielt werden kann, berechnet werden. Als gegeben sind zu betrachten die Temperaturen T1 und T2; die niedrigste T1 wird diejenige des Kühlwassers sein, sie mag zu 273 + 27° = 300 angenommen werden. Die Maximaltemperatur T2 wird wegen der Liderung des Arbeitskolbens nicht höher als etwa auf 273 + 327° = 600 getrieben werden dürfen. Nach der Zustandsgleichung der Luft: pv = RT ergeben sich hiernach die Volumen: v_1=\frac{29,27\times300}{10334}=0^{cbm},8497 und v_2=\frac{29,27\times600}{10334}=1^{cbm},253. Die zuzuführende Wärmemenge Q1 berechnet sich zu: Q1 = cP (T2 – T1) = 0,23751 (600 – 300) = 71c,253. Die Spannung p2 findet sich nach der Zustandsgleichung: p_2=\frac{R\,T_1}{v_2}=\frac{29,27\times300}{1,6994}=5167^k. Es ist abzuführen eine Wärmemenge: Q2 = cv (T2 – T1) = 0,16844 (600 – 300) = 50c,532, dagegen die weiterhin während der Compression abzuführende Wärmemenge Q3 sich findet aus: Q_3=A\,R\,T_1\ log_n\ \frac{v_2}{v_1}=\frac{29,27\times300}{424}\ log_n\,2=14^c,532, Hiernach läſst sich die gewonnene Arbeit bestimmen. Es sind Q1 Calorien Wärme zugeführt und (Q2 + Q3) Calorien abgeführt, die Differenz = Q1 – (Q2 + Q3) = 6c,366 ist in Arbeit verwandelt worden, mithin ist diese: L = 424 × 6,366 = 2699mk,184. Das thermische Güteverhältniſs des Kreisprocesses ist: \eta=\frac{Q_1-(Q_2+Q_3)}{Q_1}=0,089. Bedeutend günstiger stellt sich das Resultat, sobald man den Kreisproceſs in der Weise abändert, wie es von Todt vorgeschlagen wird. Statt die Luft im Zustande B bei constantem Volumen abzukühlen, wird dieselbe unter Aufwendung äuſserer Arbeit, ohne Wärmeentziehung, auf das doppelte Volumen ausgedehnt, so daſs also das vorausgesetzte Luftgewicht vom Zustande B (Textfigur 2) auf adiabatischer Curve in den Zustand D (p3, v3, T3) übergeführt wird. Nun erst erfolgt die Abkühlung bei constantem Volumen unter Wärmeentziehung Q4, bis die Anfangstemperatur T1 wieder erreicht ist. Der weitere Verlauf des Kreisprocesses erfolgt wie vorher: Unter Wärmeentziehung Q5 wird die Luft auf isothermischer Curve in den Anfangszustand zurückgeführt. Der Inhalt der Fläche ABDEA gibt die Gröſse der geleisteten Arbeit. Fig. 2., Bd. 237, S. 427 Es findet sich wie oben die Wärmemenge Q1 = 71c,253. Zur Bestimmung der abzuleitenden Wärmemenge Q4 hat man zunächst p3 und T3 zu berechnen. Die Zustandsänderung BD ist adiabatisch; mithin wird: ">T_3=T_2\left(\frac{v_2}{v_3}\right)^{\varkappa-1} und da, wie wir mit Todt vorausgesetzt, v3 = 2 r2: T3 = 600 (½)0,41= 451,6. Hieraus folgt die Wärmemenge, welche bei der Abkühlung der Luft von T3 auf T1 unter Constanthaltung des Volumens abgeführt werden muſs: Q4 = cv(T3 – T1) == 0,16844 (451,6 – 300) = 25c,535. Und schlieſslich die Wärmemenge, welche bei der isothermischen Compression auf das Anfangsvolumen abgeführt werden muſs: Q_5=A\,R\,T_1\ log_n\,\frac{v_3}{v_1}=\frac{23,27\times300}{424}\,log_n\,4=28^c,71. Die gesammte zugeführte Wärme war Q1, abgeführt hingegen ist die Wärmemenge Q4 + Q5; mithin ist in nutzbare Arbeit umgesetzt: Q1 – (Q4 + Q5). Es wird also diese Arbeit: L=\frac{Q_1-(Q_4+Q_5)}{A}=7211^{mk},392. Das thermische Güteverhältniſs dieses Kreisprocesses ist also: \eta=\frac{Q_1-(Q_4+Q_5)}{Q_1}=0,238. Der nach Todt abgeänderte Kreisproceſs gestattet mithin eine über 2½mal bessere Ausnutzung der Wärme als der zuerst betrachtete. Um einen Vergleich des Todt'schen Kreisprocesses mit demjenigen der gewöhnlichen offenen Luftmaschinen oder Feuerluftmaschinen zu ermöglichen, soll das thermische Güteverhältniſs dieser letzteren berechnet werden unter Zugrundelegung derselben Temperaturgrenzen. Diese Maschinen haben bekanntlich auſser dem Arbeitscylinder eine besondere Luftpumpe, welche bei jedem Hub atmosphärische Luft ansaugt, verdichtet und sie dem offenen oder geschlossenen Ofen zuführt.Vgl. meine Abhandlung: Zur Beurtheilung der Feuerluftmaschinen 1879 232 * 200 ff. Die arbeitende Luft trete unter der Spannung p1 in den Arbeitscylinder; der Ofen sei so groſs vorausgesetzt, daſs der Druck während der Füllungsperiode constant bleibt – eine Annahme, welche bei ausgeführten Maschinen thatsächlich nahezu erfüllt ist. Bezeichnet OE (Textfigur 3) das Volumen der Gewichtseinheit Luft in dem Augenblick, in welchem die Absperrung erfolgt, so wird, unter Voraussetzung eines Cylinderquerschnittes gleich der Flächeneinheit, OE der unter constantem Druck OA zurückgelegte Weg des Kolbens sein. Die absolute Temperatur der Luft im Zustande B sei T1. Nach erfolgter Absperrung findet Expansion der Luft statt, und da während dieses Theiles des Kolbenhubes Wärme von auſsen weder zugeführt, noch abgeleitet wird, so muſs die Aenderung der Spannung nach der adiabatischen Curve erfolgen bis zur Höhe des äuſseren Luftdruckes. OF sei das Volumen der Luft am Ende des Kolbenhubes, also der Gesammtinhalt des Arbeitscylinders. Die Temperatur der Luft am Ende der Expansion sei T2. Indem der Kolben nun seinen Lauf rückwärts beginnt, erfolgt unter constantem äuſserem Druck die Ausstoſsung der verbrauchten Luft. Die Fläche ABCDA in Textfigur 3 ist ein Maſs für die während des Processes auf den Kolben übertragene Arbeit. Von dieser ist jedoch die Arbeit der Luftpumpe noch in Abzug zu bringen. Fig. 3., Bd. 237, S. 428 Fig. 4., Bd. 237, S. 428 Fig. 5., Bd. 237, S. 428 OK (Textfigur 4) sei das für den Hub angesaugte Volumen bei atmosphärischer Spannung und Temperatur T3. Dieses Volumen wird ohne Wärmeentziehung (also nach der adiabatischen Curve) auf das Volumen OJ verdichtet, die Temperatur steige dabei auf T4. Schlieſslich wird die Luft unter constantem höchstem Druck in den Ofen gepreſst. Die Fläche DHGAD ist ein Maſs für die von der Pumpe zu leistende Arbeit. Werden beide Flächen (Textfigur 3 und 4) über einander gelegt, so liefert die Differenz die für den Hub gewonnene Arbeit. Das theoretische Spiel der Maschine läſst sich hiernach durch folgenden Kreisproceſs darstellen (Textfigur 5). Ein Volumen Luft vom Zustande p1, v4, T4 geht unter constantem Druck in den Zustand p1, v1, T1 über unter einem Wärmeaufwand von Q1 Cal., vom Zustand p1, v1, T1 weiter auf der adiabatischen Curve in den Zustand p2, v2, T2 ohne Zu- oder Abführung von Wärme. Unter constantem Druck geht nun die Luft in den Zustand p2, v3, T3 über, wobei Q2 Cal. abzuführen sind, und schlieſslich ohne Wärmeaufwand auf adiabatischer Curve in den Anfangszustand p1, v4, T4 zurück. Bei diesem Proceſs werden Q1 Cal. Wärme zu- und Q2 Cal. abgeführt. Die Differenz hat sich in nutzbare Arbeit umgesetzt und wird durch die beim Kreisproceſs umlaufene Fläche gemessen. Als gegeben sind wieder zu betrachten die höchste und die niedrigste Temperatur. Dieselben werden, wie oben angenommen: T3 = 300 und T1 = 600. Die Zwischentemperaturen T2 und T4 müssen so gewählt werden, daſs das Maximum der Arbeit geleistet wird. Bekanntlich ist dies nur dann der Fall, wenn T2 = T4 = √T1T3 gemacht wird. (Vgl. Zeuner: Mechanische Wärmetheorie, S. 211). Es ergibt sich hier: T2 = T4 = 424,2. Die zuzuführende Wärmemenge Q1 findet sich nach der Formel: Q1 = cp(T1 – T4) = 0,23751 (600 – 424,2) = 41c,754, die abzuleitende Wärmemenge Q2 ebenso: Q2 = cP (T2 – T3) = 0,23751 (424,2 – 300) = 29c,499. Hiernach ist die geleistete Arbeit: L=\frac{1}{A}(Q_1-Q_2)=5196^{mk},12. Das thermische Güteverhältniſs wird: \eta=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}=0,29. In der nachfolgenden Tabelle sind die berechneten Arbeitsgröſsen, Wärmemengen und thermischen Güteverhältnisse der drei Maschinensysteme für ein wirkendes Luftgewicht von 1k und für die angegebenen Temperaturgrenzen übersichtlich zusammengestellt: Theore-tischeNutz-arbeit Zuzu-führendeWarme-menge Abzu-führendeWarme-menge Thermi-schesGütever-hältniſs mk c c Einfache atmosph. Luftmaschine 2699 71,253 64,887 0,09 Atmosph. Luftmaschine mit mecha-    nischer Luftverdünnung auf das    doppelte Volumen (Todt) 7211 71,253 54,245 0,24 Gewöhnliche offene Luftmaschine    oder Feuerluftmaschine 5196 41,754 29,499 0,29 Man sieht, das thermische Güteverhältniſs des Todt'schen Kreisprocesses ist etwas geringer als das der gewöhnlichen offenen Luftmaschine. Lieſse sich auch durch eine noch weiter geführte Luftverdünnung das Güteverhältniſs der letzteren vollständig erreichen, oder vielleicht sogar überflügeln, so würden die groſsen Dimensionen einer solchen Maschine und die Nothwendigkeit des Kühlwassers immer als ganz erhebliche Nachtheile gegenüber der gewöhnlichen offenen Luft-Faschine gelten müssen. A. S.