Ueber den heutigen Stand der Wärmeausnutzung in Kraftmaschinen. Von Ingenieur P. Meyer in Halle a. S. Ueber den heutigen Stand der Wärmeausnutzung in Kraftmaschinen. Die Ausnutzung der Verbrennungswärme zu Kraftzwecken bildet mit Einführung der Dampfmaschine die Hauptgrundlage der Entwickelung der Technik des vergangenen Jahrhunderts. Umwandlung von Wärme in mechanische Energie ist auch dasjenige Problem, auf welches wohl der grösste Teil aller Ingenieurarbeit verwandt worden ist, und dennoch ist das Resultat ein recht klägliches. Bei Wärmekraftmaschinen ist man mit dem Nutzeffekt noch nicht viel über 30 % hinausgekommen und auch nur dann, wenn Gas oder flüssige Brennstoffe verarbeitet werden konnten. Bei Verwendung fester Brennstoffe, und das sind für uns die bei weitem wichtigsten, da sie ja auch für die Gaserzeugung den Ausgangspunkt bilden, ist man wohl endlich auf 20 % angelangt. Wenn man also den Heizwert, d.h. die chemische Energie fester Brennstoffe in mechanische Arbeit umsetzen will, und wendet dazu die vollkommensten zu Gebote stehenden Mittel an, so gelingt es höchstens 20 % der Wärmeenergie auszunutzen, 80 % dagegen bleiben als fühlbare Wärme zurück. In folgender Tabelle sind die Heizwerte verschiedener Brennstoffe aufgeführt, daneben der Preis, mitteldeutschen Verhältnissen zu Anfang 1902 entsprechend, und schliesslich, was wirtschaftlich unbedingt das wichtigste ist, auch der Preis für 10000 W.-E. Heizwert des betreffenden Brennstoffes. Alle angeführten Heizwerte sind sogen. untere, d.h. die Kondensationswärme des Wasserdampfes in den Verbrennungsprodukten ist nicht mit darin enthalten. Heizwerte und Preise verschiedener Brennstoffe. Brennstoff Menge Preis Heiz-wert 10000 W.-E.kosten Pfg. Pfg. Mitteldeutsche BraunkohleBraunkohlenbrikettsBöhmische BraunkohleWestfälische SteinkohleEnglischer AnthracitWestfälischer Anthracit 1 kg1  „1  „1  „1  „1  „   0,5  1,4   1,75  2,5  4,7  3,7   2600  4000  4500  7500  8000  7000   1,9  3,5  3,9  3,3  5,9  5,3 Raffiniertes PetroleumBenzin einschliesslich ZollBenzin mit ZollvergütungBrennspiritus  (95 % 30 Pfg., 90 % 27 Pfg. pro 1 l)Motorenspiritus                   (21 Pfg. pro 1 l) 1 kg1  „1  „1  „ 1  „ 23,044,037,032,4 25,2 100001020010200  5600   5600 23,043,036,258,0 45,0 Leuchtgas für BeleuchtungLeuchtgas für Kochen, Heizen    und Motoren    1 cbm1   „ 16,010,0   5000  5000 32,020,0 Elektrische Energie.1 Kilo-Watt-Stunde = 1,36 PS/Std. entsprechend 856 W.-E. 1 Kilo-Watt-Stunde ––––– 6040302010 856856856856856 700,0468,0350,0234,0117,0 Erstaunlich ist die Verschiedenheit im Preise der Wärmeeinheiten. Die flüssigen Brennstoffe und das Heuchtgas sind hierin um das Mehrfache teurer als die festen Brennstoffe. Ganz ungeheuerlich verhält sich dazu die von einer Zentrale bezogene elektrische Energie, die ja bekanntlich auch zuweilen zum Kochen und Heizen benutzt wird. In ihr kostet die Wärmeeinheit je nach dem Preis das 20- und 30fache wie in den flüssigen Brennstoffen und das vielhundertfache wie in der mitteldeutschen Braunkohle. Ein sehr gewichtiger Faktor, nämlich die Verschiedenheit in der Höhe der Ausnutzung, welcher diese Energieträger fähig sind, lässt trotzdem eine ausgedehnte Verwendung für alle zu. Von wirtschaftlicher Wichtigkeit sind besonders die Wirkungsgrade der Dampfmaschinen und Verbrennungskraftmaschinen, unter denen alle Explosionsmotoren, sowie der Diesel-Motor verstanden sein sollen. Da die Angaben über das mechanische Wärmeäquivalent zwischen 424 und 432 schwanken, so ist 428 mkg als Mittelwert zu Grunde gelegt. Das technische Mass für die Energiemenge ist die Pferdekraftstunde gleich 75 . 60 . 60 = 270000 mkg, entsprechend etwa 630 W.-E. 1 kg Steinkohle kann bis zu 8000 W.-E. erzeugen, für 1 PS/Std. genügen also theoretisch 79 g Steinkohle! Bei allen Arten der Energieumwandlung wird die Energie auf eine Form gebracht, in der sie eine Kraft äussert, der als Gegenkraft ein beweglicher Widerstand entgegengesetzt werden kann. So ist es bei Windmühlen, Wasserrädern, Turbinen, Elektromotoren und auch bei den Wärmekraftmaschinen. Die drucksteigernde oder volumvermehrende Wirkung der Wärme auf Gase und Dämpfe und auf Flüssigkeiten bei Ueberführung in Dampfform treibt einen beweglichen Kolben. Die Bildung des gesättigten und überhitzten Dampfes, sowie die Begriffe der Flüssigkeitswärme, der inneren und äusseren latenten Wärme sind zu bekannt, um hier wiederholt werden zu müssen und finden sich auch in jedem Handbuche. Jedenfalls dient aber eine graphische Darstellung aller dieser Grössen, wie sie in Fig. 1 und 2 gegeben ist, zur Vertiefung lebendiger Anschauung, die die Förderin jeglichen technischen Fortschrittes ist. Bemerkt sei hier zu der an sich verständlichen Darstellung, dass für den Heissdampf die spezifische Wärme bei konstantem Druck mit cp = 0,48 angenommen ist. In den ferner dargestellten Volum- und Expansionskurven (Fig. 3) ist für den Heissdampf das Gay-Lussac'sche Gesetz und die Gleichung p . v1,3 = const zu Grunde gelegt. Die gleichfalls dargestellten Volumenkurven der in der Abwärmekraftmaschine eine Rolle spielenden schwefligen Säure, liegen, auf die Gewichtseinheit bezogen, weit unter denen des Wasserdampfes, da aber die Erzeugungswärmen, auf die Volumeinheit bezogen, für alle Dämpfe fast die gleichen sind, so ist es für die Cylindergrösse gleichgültig, ob man eine Maschine mit Wasserdampf, schwefliger Säure, Ammoniak o. dgl. betreibt. In Fig. 4 sind die von Zeuner berechneten Wirkungsgrade von Sattdampfmaschinen graphisch dargestellt. Dieselben werden in Wirklichkeit natürlich nicht erreicht. Textabbildung Bd. 317, S. 262 Fig. 1. Wärmeaufwand bei Verdampfung und Ueberhitzung von 1 kg Wasser. Aus rein theoretischen Betrachtungen gelangt man überhaupt nicht zu einem Wirkungsgrad, der annähernd mit der Praxis übereinstimmt. Man muss sich hier an Beispiele halten. Verbraucht z.B. eine Anlage von etwa 3 PS 4 kg Steinkohlen für 1 PS/Std. gleich rund 30000 W.-E., während der erzeugten Arbeit nur 630 W.-E. entsprechen, so ist dies eine Ausnutzung der Wärme von 2,1 %. Dagegen sind 97,9 % verloren gegangen. Eine solche Anlage wird noch nicht einmal als schlecht bezeichnet. Es fehlt eben infolge der Gewohnheit vollkommen das Bewusstsein für diese Verschwendung. Eine ganze Reihe von Verbesserungen ist der Dampfmaschine nach und nach zu teil geworden und der Wirkungsgrad ist heraufgerückt. Es seien hier als wichtigsten nur aufgezählt Erhöhung des Kess%ldruckes und Erweiterung der Expansion, Beseitigung des atmosphärischen Gegendruckes durch den Kondensator (eigentlich keine Neuerung, da die ältesten Dampfmaschinen ja überhaupt nur durch Beseitigung des atmosphärischen Druckes wirkten), Verteilung der Expansion auf zwei und mehrere Cylinder, Heizung der Cylinder Wandungen, nebenher stetige Verbesserung der Steuerungen und schliesslich als letzte Einführung der Ueberhitzung. Durch Kombination der Wasserdampfmaschine mit der Schwefligsäuredampfmaschine ist ein weiterer Fortschritt erreicht. Nach den einfachen Formeln der Thermodynamik kann mit dieser eigentlich, wie Zeuner behauptet, kein Fortschritt verbunden sein, da ja eine Erweiterung des Temperaturgefälles nicht stattfindet. In Wirklichkeit liegt die Sache anders, wobei der Umstand von besonderer Wichtigkeit zu sein scheint, dass sehr niedriger Kondensatordruck wenig Nutzen für die Dampfmaschine bringt. Wie hoch steigen nun die Wirkungsgrade? Leider sind die Veröffentlichungen über exakte Versuche an grossen Heissdampfmaschinenanlagen nicht besonders zahlreich. Eines der besten bekannt gewordenen Resultate ist das einer 100pferdigen Wolf'schen Heissdampflokomobile, welches von Prof. Lewicki-Dresden veröffentlicht wurde. Der Kohlenverbrauch betrug 0,618 kg pro 1 PSe/Std. bei einem Heizwert der Kohle von 7910 W.-E. Der Wirkungsgrad berechnet sich hiernach auf 13 %. In den Prospekten und auch in der Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure ist der Wirkungsgrad mit 17,3 % angegeben, derselbe bezieht sich aber, was dort leicht übersehen werden kann, nur auf die Maschine unter Ausschluss des Kessels. Eine reinliche Scheidung zwischen Kessel- und Maschinenwirkungsgrad ist aber gar nicht möglich, da die Cylinder im Dampfraum liegen. Textabbildung Bd. 317, S. 262 Fig. 2. Wärmeaufwand bei Verdampfung von 1 kg schwefliger Säure. Es sei hier wiederholt, was Prof. Lynen am Schlusse eines Aufsatzes über die Wärmeausnutzung in Dampfmaschinen sagt: „Während mit Verbundwirkung in Dreicylindermaschinen bei gesättigtem Dampf von 12 at Kesseldruck Expansion bis auf ½ at abs. bei 0,1 at abs. Kondensatordruck etwa 14 % der Energie des Dampfes in Nutzarbeit verwandelt werden, kann die Ausnutzung durch Hinzufügung der Ueberhitzung auf 300° bis auf etwa 17 % gesteigert werden. Rechnet man noch die Verluste im Kessel hinzu, so kann die Ausnutzung der Energie der Kohle auf etwa 11 bezw. (nämlich bei Heissdampf) 13,5 % gebracht werden. Textabbildung Bd. 317, S. 263 Fig. 3. Volumina und Expansionskurven von 1 kg Dampf. Eine Ueberschreitung dieser Zahlen ist bei den jetzt üblichen Dampfmaschinen und Kesseln nicht leicht möglich.“ Bei der aus Heissdampfmaschine und Abwärmekraftmaschine kombinierten Wärmekraftmaschine werden allerdings Wirkungsgrade erreicht, die um ein paar Prozent höher liegen. Endgültiges lässt sich aber hierüber heutzutage noch nicht sagen, da noch zu wenig Erfahrungen vorliegen. Im Gegensatz zu den Dampfmaschinen geniessen die Verbrennungskraftmaschinen, so lange Gase oder flüssige Brennstoffe zur Verfügung stehen, den Vorzug, dass die gesamte zur Verfügung stehende Wärme ohne Verlust in den Arbeitscylinder gelangt. Kessel- und Dampfleitungswirkungsgrad sind also ausgeschaltet. Bei Kraftgasanlagen hat man allerdings mit dem Wirkungsgrad derselben zu rechnen, der eher grösser als geringer wie der eines Dampfkessels zu sein pflegt. Da die Cylinderwandungen der Maschinen gekühlt sind, kann das Temperaturgefälle gegenüber den Dampfmaschinen wesentlich nach oben hin erweitert werden. So sind denn auch die erzielten Wirkungsgrade wesentlich höhere. Z.B. wollen Gebr. Körting mit einem 30pferdigen Gasmotor mit Leuchtgas von 4700 W.-E./cbm einen Verbrauch von 385 l Gas für 1 PS/Std. erreicht haben. Es würde dies einer Wärmeausnutzung von 35 % entsprechen. Annähernd gleiche Resultate soll die Maschinenfabrik Augsburg in letzter Zeit mit einem grösseren Diesel-Motor erreicht haben, was einem Verbrauch von etwa 185 g an Petroleum entsprechen würde, da dieser Motor in der Praxis nur mit flüssigen Brennstoffen arbeitet. Man darf also sagen, dass die Wärmeausnutzung in den besten Verbrennungskraftmaschinen genau doppelt so gross ist, wie die Ausnutzung des Dampfes (nicht der Kohle) in den besten Heissdampfmaschinen. Dazu kommt, dass bei kleineren Maschinengrössen die Wärme-Ausnutzung in der Verbrennungskraftmaschine nicht entfernt so weit heruntersinkt, wie bei den Dampfmaschinen. Ist z.B. bei einer 8pferdigen Lokomobile und einem Kohlenverbrauch von 2 kg für 1 PS/Std. die Wärmeausnutzung gleich 4,2 %, so ist dieselbe bei einem 8pferdigen Gasmotor und 600 l Gasverbrauch gleich 21 %, also genau 5mal so gross; bei einem Petroleummotor mit 400 g Petroleumverbrauch fast 16 %, also über 3½mal so gross wie bei der Lokomobile. Warum hat man überhaupt noch Dampfmaschinen, muss man hier fragen. Weil, wie aus der Tabelle ersichtlich ist, Leuchtgaswärme das 6-bis 10fache wie Kohlenwärme, und Petroleumwärme noch mehr kostet. Der Preis gleicht also die erhöhte Möglichkeit der Wärmeausnutzung aus. Der Fall aber liegt ganz anders, sobald man an und für sich schon gasförmige oder flüssige Brennstoffe zur Verfügung hat, wie bei den Hochofengichtgasen, den Koksofengasen, den Schwelgasen der Braunkohlenschwelereien u.s.w., oder aber wie andererseits in den Petroleumdistrikten. Da kommt dann der höhere Wärmewirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine voll zur Geltung. Hier liegt das beste Feld für die Gasmaschinen, seitdem man im stände ist, diese Maschinen ebenso wie Dampfmaschinen in jeder gewünschten Grösse und mit gleicher Betriebssicherheit herzustellen. Man ist aber dabei nicht stehen geblieben, sondern hat versucht in besonderen Kraftgasanlagen Gase eigens für die Gasmaschinen herzustellen. Derartige Anlagen sind sehr einfach und arbeiten sehr ökonomisch. Trotzdem ist aber der Erfolg auf diesem Gebiete noch kein voller, denn man ist zur Zeit noch auf die Anwendung von Koks und Anthracit, also auf teerfreie Brennstoffe beschränkt. Der volle Erfolg wird erst dann gegeben sein, wenn es gelingt, jede Kohlensorte in solchen Gaserzeugern zu verarbeiten. Textabbildung Bd. 317, S. 263 Fig. 4. Wirkungsgrad einer idealen Dampfmaschine In Fig. 5 ist der Wärmeplan einer solchen Gasmaschinenanlage entworfen nach Art der von Sankey wohl zuerst angefertigten Wärmepläne für Dampfanlagen. Er stellt die Resultate der Untersuchungen dar, die Prof. Eugen Meyer 1896 an den Maschinen des Baseler Wasserwerks vorgenommen hat. Der Prozentsatz der ausgenutzten Wärme ist nicht höher als bei den besten Dampfmaschinenanlagen. Das hat verschiedene Gründe. Es fehlt noch bei den Generatoren die Luftvorwärmung durch das abziehende Gas, man erreicht ferner mit den geringwertigen Kraftgasen überhaupt nicht ganz die Ausnutzung wie mit Leuchtgas, und ausserdem hatten die Maschinen noch Diagramme, die mit denen heutiger Maschinen gar nicht zu vergleichen sind. Die Verbrennungslinie verlief horizontal, während sie heute vertikal wie bei Leuchtgasdiagrammen aufsteigt. Das war im Jahre 1896. Nach dem heutigen Stande würde man sicher auf einen Gesamt Wirkungsgrad, d.h. von der Kohle bis zur effektiven Leistung, von 17 bis 20 % kommen. Dieser Wirkungsgrad ist etwa um die Hälfte grösser als der von allerbesten Heissdampfmaschinenanlagen. Textabbildung Bd. 317, S. 264 Fig. 5. Wärmeplan zur Gaskraftanlage des Baseler Wasserwerks. Zum Vergleich ist in Fig. 6 der Wärmeplan eines Diesel-Motors gegeben. Derselbe entspricht den Professor Schröter'schen Versuchen von 1897. Inzwischen sind die Resultate, wie schon erwähnt, auch noch bessere geworden. Zum Entwurf solcher Wärmepläne kann man aber nur ganz detaillierte Versuche benutzen, die leider selten gemacht und noch seltener veröffentlicht werden. Die Aussichten der Dampfmaschine auf Verbesserung sind recht minimale, obgleich man nichts bestimmt voraussehen kann. Die gesamte Wärme, die abgeführt wird, wird bei Temperaturen abgeführt, die eine weitere Ausnutzung nicht mehr gestatten. Bei Gasmaschinen liegen die Verhältnisse wesentlich anders. Ein Teil der Gasverbrennungswärme wird an das Kühlwasser abgeführt, der Rest entweicht mit den Auspuffgasen. Bei kleineren Gasmaschinen kann die Hälfte der Gesamtwärme an das Kühlwasser gehen, 25 % gehen mit den Auspuffgasen und 25 % werden indizierte Leistung. Mit zunehmender Maschinengrösse verschiebt sich dieses Verhältnis. Abgesehen von der besseren indizierten Leistung wird der Betrag in den Auspuffgasen prozentual immer grösser und der Kühlwasserverlust wird immer geringer. Die schon oft erfolglos angestrebte Vermeidung des Kühlwassers würde die indizierte Leistung nur in geringem Masse aufbessern, hauptsächlich würden die Auspuffgase heisser werden. Kann man auch mit der Kühlwasserwärme der Gasmaschinen ebensowenig anfangen, wie mit der Wärme des Kondensatorwassers der Dampfmaschinen, so lässt doch die Wärme in den Auspuffgasen, die bei kleinen Maschinen 400 bis 500° C. und bei grossen Maschinen noch weit mehr haben, eine Ausnutzung zu. Bis heute liegen jedoch nur Projekte vor. Wenn man nach einem solchen Ueberblick über das bisher Erreichte zu dem Schlusse kommen muss, dass in der weiteren Entwickelung der Wärmekraftmaschinen die ohnehin schon vorausgeeilte Verbrennungskraftmaschine eine grosse Rolle spielen wird, so muss man doch andererseits darauf gefasst sein, dass auf dem ausgedehnten Gebiete, welches der Wirkungsgrad der Wärmeausnutzung noch zu durchwachsen hat, ehe er von 35 zu 80 oder 90 % geworden ist, Ueberraschungen mancherlei Art sich ereignen können, besonders da alle Theorien auf schwachen Füssen stehen. So erkennt Zeuner z.B. am Schlusse des Kapitels über die Gasmaschine in seiner Thermodynamik freimütig an, dass das Schlussergebnis seiner Betrachtungen über diese Maschine dürftig genug ausgefallen sei. „Nichtsdestoweniger,“ sagt er, „sind die Fortschritte im Gasmaschinenbau in den letzten wenigen Jahren ganz ausserordentliche, sie entspringen aber der gemeinschaftlichen Arbeit vieler und ausschliesslich zahllosen einzelnen Beobachtungen und praktischen Erfahrungen.“ Textabbildung Bd. 317, S. 264 Fig. 6. Wärmeplan zu einem Diesel-Motor nach Versuchen von Prof. Schröter. So ist es in der That, und da die Theorie absolut keinen Ausblick in die Zukunft eröffnet, so bleibt nichts übrig, als abwarten, was kommen wird.