Die Magnetitbogenlampe. Von Dipl.-Ing. Walter Eminger, Câmpina (Rumänien). (Schluß von S. 14 d. Bd.) Die Magnetitbogenlampe. Die Spannung. Sie nimmt mit dem Titanzusatz zu. Ueber die Zunahme derselben gibt Fig. 6 Aufschluß, welche die Klemmenspannung für die normale Stromrichtung, d.h. für Magnetit als Kathode als Funktion der Stromstärke bei den Bogenlängen 10, 15 und 20 mm darstellt. Kurve I gilt für reinen Magnetit, Kurve II für Magnetit mit 15 v. H. Rutil und Kurve III für 30 v. H. Rutil. Das Koordinatensystem der Kurven für 15 mm Bogenlänge ist etwas verlegt, um dadurch ein Zusammenfallen der Kurven zu vermeiden. Textabbildung Bd. 322, S. 26 Fig. 6. a = 15 mm Bogenländen; b = 20 mm Bogenlänge; c = 10 mm Bogelände. Die Rauchentwicklung. Magnetit, Fe3O4, wird in Lichtbogen zu rotem Eisenoxyd Fe2O3 oxydiert, während Titanoxyd unverändert bleibt. Die Oxydationsendprodukte sind also nicht, wie bei den anderen Lampentypen ganz oder zum Teil gasförmig, sondern feste Bestandteile. Je mehr Titanoxyd die Elektroden enthalten, desto geringer ist die Rauchentwicklung, Vergleichsweise sollen im Folgenden die bei einer gewöhnlichen Bogenlampe, einer Dauerbrandlampe und einer Magnetitbogenlampe mit positiver Kupferelektrode zur Verbrennung theoretisch erforderlichen Luftmengen ausgerechnet werden und zwar für eine Stromstärke von 8 Amp. I. Gewöhnliche Bogenlampe. Der stündliche Abbrand beträgt bei 8 Amp. und Kohlenstiften von 16/10 Durchm. etwa 16–17 mm. Rechnet man mit einem spezifischen Gewicht der Kohle von etwa 1,4, so ergibt sich der stündliche Abbrand mit etwa 6,6 g. Unter der Annahme, daß die Verbrennung der Kohle vollkommen zu Kohlensäure erfolge, ergibt sich die zur Verbrennung erforderliche Luftmenge unter Benutzung der Formel C + 2O = CO2 zu 58,92 l Luft f. d. Stunde, wenn 1 l trockener Luft 0,2987 g Sauerstoff liefert. II. Dauerbrandlampe. Die Brenndauer eines Kohlepaares mit Stiften von 375 mm Länge und 13 mm Durchm. beträgt bei der Regina-Bogenlampe bei 8 Amp. etwa 250 Stunden. Dann wird an die Stelle der oberen Kohle eine neue Kohle gesetzt, während der Rest der oberen Kohle als untere weiter benutzt wird. Der Abbrand beträgt demnach f. d. Stunde unter Berücksichtigung eines Kohlerestes von 4 cm Länge 1,34 mm oder unter Zugrundelegung eines spezifischen Gewichtes von 1,35El. Anz. 1901, S. 371. etwa 0,23 g. Die zur vollkommenen Verbrennung dieser Kohlenmenge erforderliche Luftmenge würde \frac{32\cdot 0,23}{12\cdot 0,2987}=2,051 betragen. In Wirklichkeit findet aber keine vollkommene Verbrennung statt. Es wird vor allem Kohlenoxyd entwickelt, also nicht so viel Luft verbraucht. III. Magnetitbogenlampe. Besteht die Elektrode ganz aus Magnetit, so erhält man die zur Ueberführung in das höhere Oxyd erforderliche Sauerstoff menge aus der Formel 2Fe3O4 + O = 3Fe2O3 oder 2 (55,88 . 3 + 15,96 . 4) + 15,96 = 478,92 mit 15,96 g Sauerstoff für 462,96 g Magnetit. Bei einem Abbrand von etwa 2 g Magnetit i. d. Stunde werden zur Oxydation benötigt \frac{15,96\cdot 2}{462,99\cdot 0,2987}=0,02311 trockene Luft. Diese Luftmengen sind theoretisch nötig. In Wirklichkeit sind sie größer, da jede Verbrennung mit einem Ueberschuß an Luft erfolgt. Aus diesen Zahlen geht hervor, daß die Magnetitbogenlampe fast unter vollkommenem Luftabschluß brennen könnte, denn die Luftmenge, die sie i. d. Stunde benötigt, ist sehr gering. Die starke Rauchentwicklung aber macht eine geregelte Rauchabführung durch die Luft und daher eine Steigerung der Luftzufuhr notwendig. Durch den Zusatz von Titanoxyd wird die Rauchentwicklung etwas verringert, da Titanoxyd nicht oxydiert und sein Volumen durch die Verbrennung nicht vergrößert. Die Rücksicht auf die Rauchentwicklung ist auch bei der Dimensionierung der positiven Kupferelektrode maßgebend. Da ein Absetzen von Rauch an derselben unvermeidlich ist, so muß dem Rauch die Möglichkeit, sich abzusetzen, auf ein Minimum beschränkt werden, und zwar dadurch, daß man die dem Bogen zugekehrte Fläche der Elektrode klein macht und dieselbe so ausbildet, daß die Luft möglichst an allen Stellen gut zirkulieren kann. Der Belag auf der Elektrode muß, wenn die Lampe längere Zeit ohne Störung brennen soll, durch eine besondere mit der Lampe verbundene Abstreichvorrichtung beseitigt werden. Die Lichtausbeute. Die Lichtausbeute nimmt mit dem Titangehalt zu. Bei den hier untersuchten Elektroden ergab sich für den Titanzusatz eine Grenze durch die mit demselben abnehmende Zündfähigkeit der Elektroden. Diese Abnahme war bei 50 v. H. Zusatz bereits so groß, daß ein Bogen zwischen der Kupferelektrode und der Füllung der Eisenhülse, solange die letztere nicht erhitzt war, nicht gebildet werden konnte. Bei der Trennung der Elektroden trat lediglich ein kleiner Unterbrechungsfunke auf. Es war nur möglich den Bogen durch Kontakt der Kupferelektrode mit der Eisenhülse einzuleiten. Ein Zünden kann zwar auch eintreten, wenn die Eisenhülse auf dem oberen Elektrodenende geschmolzen ist und eine leitende Brücke gebildet hat. Ein sicheres Zünden ist aber damit nicht gewährleistet, und hieraus ergibt sich, wenn man den Zusatz in dieser Höhe bemißt, die Notwendigkeit, eine besondere Hilfszündvorrichtung zu verwenden. Sieht man von dieser ab, so ergibt sich die Forderung mit dem Rutilzusatz unter 50 v. H. zu bleiben. Textabbildung Bd. 322, S. 27 Fig. 7. 70. v. H. Magnetit, 30 v. H. Rutil, Ep = 63,5, J = 7, Bogenlänge 15 mm. Zu den Messungen wurde ein Fettfleckphotometer benutzt. Fig. 7 zeigt eine Kurve der sphärischen Helligkeit, die unter Benutzung einer kegelförmigen Kupferelektrode erhalten wurde. Es ergaben sich bei 7 Amp. und etwa 64 Volt Spannung 834 sphärische Kerzen, also ein spezifischer Wattverbrauch von 0,537 Watt f. d. sphärische Kerze. Bei verschiedenem Zusatz von TiO2 ergaben sich bei etwa 15 mm Bogenlänge für die Helligkeit auf der unteren Halbkugel folgende Werte, wobei nur unterhalb der Horizontalen gemessen wurde. Die Stromstärke war annähernd dieselbe in allen Fällen. Material Volt Amp. Watt Kerzen Watt/Kerze Magnetit mit 15 v. H. TiO2 60,24 8,75 527   711   0,71        „        „   30   „       „ 61,6 8,4 517   815 0,634        „        „   50   „       „ 63,96 8,54 546 1000 0,546 Bei verschiedener Bogenlänge und annähernd der gleichen Stromstärke ergaben sich folgende Ergebnisse bei einer Elektrode mit 30 v. H. Rutilgehalt für die Helligkeit auf der unteren Halbkugel. Es wurde gleichfalls nur unterhalb der Horizontalen gemessen. Bogenlänge Volt Amp. Watt Kerzen Watt/Kerze 10 52,75 9,58 504   743 0,673 15 63,5 9,75 620 1062 0,581 20 71,0 9,75 694 1345 0,515 Schließlich wurde noch untersucht, in welcher Weise sich der spezifische Wattverbrauch bei den verschiedenen Stromstärken änderte, und zwar wurden die Messungen bei verschiedener Bogenlänge für die Lichtstärke in der Wagerechten ausgeführt. Die bei 15 v. H., und 30 v. H. Rutilgehalt und verschiedener Bogenlänge gefundenen wagerechten Kerzenstärken und Watt f. d. Kerze sind graphisch in Fig. 8 aufgetragen. Derselben ist die folgende Tabelle entnommen. Bogen-längemm Watt f. d. Kerze in der Wagerechten Ampere 3 4 5 6 7 8 9 10 15 v. H. Rutil 5 1,58 1,15 0,95 0,85 0,80 0,78 0,76 0,76 10 1,02 0,74 0,6 0,51 0,46 0,44 0,42 0,41 15 0,4 0,38 0,36 0,35 0,34 20 0,3 0,29 0,28 30 v. H. Rutil 15 0,72 0,51 0,41 0,36 0,35 0,34 0,33 0,32 20 0,31 0,3 0,27 0,25 Aus Fig. 8 geht hervor, daß der spezifische Wattverbrauch mit der Bogenlänge abnimmt, über 6 Amp. ziemlich konstant bleibt, unter 6 Amp. aber erheblich ansteigt, was auch Ladoff bereits feststellte. Textabbildung Bd. 322, S. 27 Fig. 8. Wegen der Lichtmenge über der Horizontalen ist die Magnetitbogenlampe genötigt, wie die Wechselstrombogenlampen einen Reflektor zu benutzen. Für die sphärische Kerze kann man bei der Magnetitlampe ohne Berücksichtigung der Vorschaltwiderstände etwa mit 0,5–0,6 Watt rechnen. Bei Benutzung eines Reflektors wird man bequem auf der unteren Halbkugel 0,4 Watt f. d. hemisphärische Kerze erreichen können, was eher noch zu hoch als zu niedrig sein wird, denn bei einer Wechselstrombogenlampe mit ungetränkten Kohlen ergaben sich bei 10 Amp. ohne Reflektor 275 Kerzen sphärisch, bei 10 Amp. mit „ 498 „ hemisphärischHerzog & Feldmann, Handbuch d. El. Bel., II. Aufl. 1901, S. 94., im letzteren Falle also fast doppelt so viel Kerzen hemisphärisch, als vorher sphärisch. Die Lichtverteilungskurve der Magnetitbogenlampe weicht von der der anderen Bogenlampentypen wesentlich ab. Das Intensitätsmaximum liegt in der Horizontalen, während es bei der gewöhnlichen Bogenlampe bei etwa 40–45°, bei der Dauerlampe bei etwa 30–40° unter der Horizontalen, bei der Flammenbogenlampe mit übereinander angeordneten Kohlen auch unterhalb der Horizontalen und bei Anordnung der Kohlen nebeneinander direkt unter der Lampe liegt. Die Lichtverteilung hat Aehnlichkeit mit der der Gasglühlichtbrenner, bei denen das Intensitätsmaximum auch in der Horizontalen auftritt. Die große Lichtintensität in der Nähe der Horizontalen fällt für die weiter von der Lampe entfernten Stellen günstig ins Gewicht. Abbrand der Kathode Die folgende Tabelle enthält Angaben über den erzielten Abbrand und zwar von Magnetitelektroden ohne Titanzusatz und solchen mit 30 v. H. Titanoxydgehalt. Material BrenndauerMin. Amp. Abbrandg Verbrauch f. d.Amp. i. d. Std.mg Fe3O4 ohne Zus. 80 9,4 2,74 219 „ 60 8,7 2,22 555 „ „ 8,25 2,05 248 „ „ 7,0 1,37 195 „ „ 6,0 0,93 155 Fe3O4 mit 30 v. H.TiO2 „ 9,75 3,44 351 „ „ 9,0     2,8 311 „ „ 8,0 2,16 270 „ „ 6,0 1,38 230 „ „ 6,0 1,33 222 Die Werte der Tabelle zeigen, daß die Elektroden mit 30 v. H. Zusatz etwas schneller abbrennen, als die reinen Magnetitelektroden. In Millimetern beträgt der Abbrand einer Elektrode mit 30 v. H. Zusatz bei 6 Amp. etwa 1,05 mm, bei 8 Amp. etwa 1,65 mm, bei 9 Amp. 2,14 mm f. d. Stunde. Die Kosten der Magnetitelektroden. Die Magnetitlampe besitzt weder einen Kohlekrater der durch eine zu starke Elektrode verdeckt werden könnte noch ist eine lichtausstrahlende Elektrodenspitze vorhanden, deren Ausstrahlung bei schwächerer Dimensionierung der Elektrode größer werden würde. Die Elektrodendimensionen haben also auf die Lichtausbeute nur einen geringen Einfluß, zumal die maximale Lichtintensität in der Wagerechten ist und daher von der unten angeordneten Kathode nur Strahlen der geringsten Intensität aufgefangen werden. Aus diesen Gründen ist es empfehlenswert, nur eine einzige Elektrodenstärke von etwa 15 mm Durchm. für alle Stromstärken bis 9 Amp. zu verwenden. Rechnet man mit derartigen Elektroden, nimmt man eine Stiftlänge von 250 mm an, das Füllmaterial der Eisenröhren von 14 mm 1. W. und ½ mm Wandstärke bestehend aus 70 v. H. Magnetit und 30 v. H. Rutil, so ergibt sich für die Elektrodenkosten folgendes: Es kosten nach der Preisliste von E. de Haën, Seelze bei Hannover 100 kg technischer Magnetit 180,– M. 100 „ Rutil 210,– „ 1 m Präzisionsrohr von 14 mm 1. W. und ½ mm Wandstärke der Mannesmannröhrenwerke kostet 1,06 M. Eine Elektrode von 250 mm Länge wiegt etwa 200 g, davon entfallen auf die Eisenhülse etwa 48 g „ den Magnetit „ 106 „ „ das Titanoxyd „ 46 „ Die Kosten für das Rohmaterial sind demnach f. d. Elektrode folgende: eine Eisenhülse von 250 mm Länge 0,265 M. 107 g Magnit 0,191 „ 46 g Titanoxyd 0,097 „ –––––––––– 0,553 M. Nach Angaben von Gebr. Siemens & Co. werden zum Schmelzen von 50 kg Elektrodenmaterial im elektrischen Ofen etwa 25 KW./Std. benötigt. Die Stromkosten für das Schmelzen von 50 kg ergeben sich hiernach bei einem Selbstkostenpreise von 12 Pfg. für die Kilowattstunde mit 25 × 0,12 = 3,00 M., also für eine Elektrode mit \frac{300\cdot 0,152}{50}=0,91 Pfg. Hierzu kommen die Kosten für das Bedienungspersonal. Erfolgt das Schmelzen mit 500 Amp. bei 40 Volt, so werden zum Schmelzen etwa 1¼ Stunden gebraucht. Dem entsprechend sind an Arbeitslohn bei einem Stundenlohn von 50 Pfg. für das Schmelzen 62,5 Pfg. also f. d. Elektrode 62,5 . 0,152 = 0,19 Pfg. zu rechnen. Für die Tonne zu schmelzendes Elektrodenmaterial sind ferner etwa 20 M. für Verbrauch an Schmelzelektroden anzusetzen, für 50 kg also \frac{20\,\times\,50}{1000}=1,00\mbox{ M.}, d. Elektrode demnach \frac{100\,\times\,0,152}{50}=0,304\mbox{ Pfg}. Excl. Verzinsung, Amortisation und Reparatur der Anlage ergibt sich demnach für die einzelnen Kostenbeträge einer Elektrode Rohmaterial 55,3 Pfg. Strom   0,91 „ Bedienung   0,19 „ Verbrauch an Schmelzelektroden   0,304 „ ––––––––––– Summa: 56,704 Pfg. Den Verkaufspreis einer derartigen Elektrode wird man mit etwa 65 Pfg. rechnen können. Von allen Lampentypen sind die Magnetitbogenlampe und die Dauerbrandlampe insofern einander am ähnlichsten, als sie beide mit hoher Lichtbogenspannung brennen, also beides Hochspannungslampen sind, ferner infolge der langen Brenndauer der Elektroden geringe Bedienungskosten verursachen und die gleichmäßigste Bodenbeleuchtung erzeugen. Die Regulierung des Elektrodennachschubes braucht infolge des geringen Abbrandes nur in größeren Pausen von 1–2 Stunden zu erfolgen. Trotzdem muß der Reguliermechanismus wegen des empfindlichen langen Bogens auch entsprechend empfindlich sein, um jederzeit größere Spannungsschwankungen, wie sie z.B. durch das Wandern des Lichtbogens oder beim Abbrennen der Eisenhülse entstehen, auszugleichen. Er muß also rasch arbeiten und nicht so langsam, wie bei einer gewöhnlichen Gleichstrombogenlampe. Infolge des geringen Spannungsabfalles in den Elektroden hat die Magnetitbogenlampe eine praktisch konstante Lichtbogenspannung, während bei den anderen Typen die Lampenspannung je nach der Stärke, Länge und Zusammensetzung der Elektroden durch den Abbrand mehr oder weniger beeinflußt wird und gegen Ende der Brennperiode größer ist als am Anfang. Am größten ist diese Spannungsdifferenz bei den Flammenbogenlampen, wo sie bei einer 8 Amp.-Lampe mit Effektkohlen von 325 mm Länge und 8/7 Durchm. bereits 5–6 Volt beträgtZeidler, E. T. Z. 1903, S. 171 ff.. Das schöne weißgelbe Licht und der günstige spezifische Wattverbrauch wird der Magnetitlampe als Verwendungsgebiet das zuweisen, das die Dauerbrandlampe bisher infolge ihrer langen Brenndauer und günstigen Lichtverteilung behauptete. Die Verbrennungsprodukte sind chemisch völlig indifferent, greifen also die Glocke nicht an und machen sich auch sonst nicht unangenehm bemerkbar, wenn sie gut aufgefangen werden. Hierdurch hat die Magnetitlampe auch der Flammenbogenlampe gegenüber gewisse Vorteile. Leider ist sie für Wechselstrom unbrauchbar.