Titel: | Polytechnische Schau. |
Fundstelle: | Band 332, Jahrgang 1917, S. 364 |
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Polytechnische
Schau.
(Nachdruck der Originalberichte – auch im Auszuge
– nur mit Quellenangabe gestattet.)
Polytechnische Schau.
Motorschiff Glenamoy. Ende 1916 ist das größte bisher
in England gebaute Motorschiff Glenamoy in Fahrt gestellt worden. Es ist wie mehrere
andere 1915 und 1916 fertiggestellte britische Motorschiffe für die Glen-Linie von
der Werft von Harland & Wolff in Glasgow gebaut worden und hat seine Motorausrüstung von der Burmeister & Wain Oil Engine
Co. in Glasgow erhalten. Das Schiff ist etwas größer als die neuesten in
Dänemark gebauten Motorschiffe und wird an Größe nur von einem in Deutschland
während des Krieges fertiggestellten Tankmotorschiff übertroffen. Das Motorschiff
Glenamoy ist 132,6 m lang, 17,55 m breit und 8,28 m tief. Der Rauminhalt beträgt
5200 B. R.-T., die Tragfähigkait 10300 t ohne Brennstoffvorrat, der ungefähr 900 t
ausmacht.
Ursprünglich war das Schiff für die Firma Elder, Dempfter
& Co. bestimmt, von der es jedoch an die Glen-Linie
verkauft wurde. Die Linie hat damit im ganzen drei Motorschiffe in ihren Besitz. Die
Glenamoy wird durch zwei Viertakt-Dieselmaschinen von je 1800 PS angetrieben. Die
Motoren für dieses Schiff stellen den sechsten Satz dar, den die britische
Zweigfirma der dänischen Firma Burmeister & Wain bisher abgeliefert hat. Die Motoren haben sechs
Zylinder von 670 mm Bohrung und 1000 mm Hub und machen ungefähr 110 Umdrehungen in
der Minute, wobei eine Geschwindigkeit von 10,5 Seemeilen erreicht wird. Die Kolben
haben Frischwasserkühlung, die sich sehr gut bewährt. Die Hilfsmaschinen haben
elektrischen Antrieb. Es sind zwei Dieseldynamos von je 200 PS Leistung vorhanden.
Zwei Dieselmaschinen von je 200 PS sind für den Antrieb der Luftkompressoren
angeordnet. Zwei Vierzylinder-Dieselmaschinen von je 320 PS dienen zum elektrischen
Antrieb von 19 Ladewinden und der Gefriermaschine, ferner für die Beleuchtung und
zum Antrieb der Steuermaschine. Die Kühlräume können ungefähr 750 t Ladung
aufnehmen. Außerdem ist noch ein kleiner Glühkopfmotor von 20 PS vorhanden, durch
den elektrische Kraft zum Antrieb eines Luftkompressors gewonnen wird, mit dem man
die Motoranlage in Gang setzen kann, wenn sämtliche Druckluftbehälter leer sind. Die
Anordnung mehrerer Hilfsdieselmaschinen verschiedener Größe scheint nicht
vorteilhaft zu sein. Dänische Motorschiffe der gleichen Größe besitzen deshalb nur
zwei oder drei Hilfsdieselmaschinen der gleichen Größe. Für die Heizung der
Wohnräume ist noch ein kleiner Dampfkessel vorgesehen.. Die Glen-Linie, die noch
mehrere Motorschiffe in England in Bau gegeben hat, verwendet das Motorschiff
Glenamoy für Fahrten zwischen England und Ostasien. (Hansa, deutsche nautische
Zeitschrift 1917 S. 381 bis 382.)
W.
–––––
Radialströmung zwischen zwei Platten (Clement-Thenardsches
Phänomen). Das von Clement und Thenard zuerst im Jahre 1826 beobachtete Phänomen, das
auch Paalzow seinen Hörern an der Technischen Hochschule
in Charlottenburg gewöhnlich vorzuführen pflegte, ist folgendes: Eine Platte, die
man dem aus einer Oeffnung in einer ebenen Wand ausströmenden Luft- oder
Wasserstrahl senkrecht zum Strahlquerschnitt entgegenführt, wird bei einer
bestimmten Entfernung von der Ausströmungsöffnung plötzlich nicht mehr abgestoßen,
sondern angezogen und bleibt in einer gewissen Entfernung von der festen Wand
stehen. Eingehend wurde die Größe der Anziehung 1827 von Hachette untersucht, der auch die richtige Erklärung der Erscheinung
angab. Der Verfasser der vorliegenden Arbeit (Dr. Ing. Eberhard Straube, Zeitschrift für das gesamte Turbinenwesen 1917 Heft 11
bis 15) stellte sich die Aufgabe, den Bewegungsvorgang in dem Spalt zwischen den
beiden Platten, der feststehenden Wand und der beweglichen Platte genauer zu
untersuchen und mit den Lehren der Hydrodynamik in Einklang zu bringen. Infolge des
Kriegsausbruches konnten die Versuche vorläufig nur mit Wasser durchgeführt werden;
mit Luft und Wasserdampf sollen sie später wiederholt werden.
Textabbildung Bd. 332, S. 364
Abb. 1.
Die Versuchseinrichtung (Abb. 1) besteht aus einem
durch die Muttern l genau wagerecht einstellbaren
Tisch, dessen untere Platte a in einer Buchse r den Rohransatz b trägt,
der vermittels der Mutter p und der in einer Nut
geführten Stiftschraube q beliebig auf- und abgestellt
werden kann. An dem Rohr von 10 mm ? sitzt die Ausströmungsplatte c von
200 mm ? und ihr gegenüber die ebenfalls verstellbare d
von gleicher Größe, die vermittels der Rollen h an den
Stangen k geführt wird und durch die Muttern n und Augen o festgestellt
werden kann. Von der Traverse e geht eine Stange f zu einem gewöhnlichen Dampfmaschinenindikator, der
die Größe der Anziehung mißt. An die Platten c und d sind auf den Halbmessern 17, 27, 40, 60, 80, 90, 95
mm Piezometer angelegt, die den Wasserdruck an den betreffenden Stellen bestimmen.
Gegenüber der Rohrmündung mißt noch ein weiteres Piezometer, dessen Bohrung in einem
kleinen Exzenter t liegt, derartig, daß die Meßöffnung
jede beliebige Lage zur Rohrmitte erhalten kann, den Druck vor dem Zuströmungsrohr.
Alle Meßbohrungen haben 2 mm ?. Das Zuführungsrohr erhält das Wasser von einem
Hochbehälter, dessen Wasserstand durch einen Ueberlauf dauernd auf derselben Höhe
gehalten wurde. Die zuströmende Wassermenge wurde durch einen Hahn geregelt und
durch Auffangen des ablaufenden Wassers während eines bestimmten Zeitabschnittes
gemessen.
Der Flüssigkeitsdruck des zwischen den Scheiben strömenden Wassers verläuft nun zum
Beispiel bei 0,34 mm Plattenabstand nach Abb. 2. Bei
steigendem Plattenabstand wird in erster Linie der flache positive Ast der
Druckkurve niedriger, und bei 3 mm Abstand verschwindet er völlig (Abb. 3); freilich wird auch die negative Spitze der
Kurve zuletzt erheblich kleiner. Bei engem Spalt ist nun der Gesamtwert der
Druckkraft des Wassers ein negativer, und die bewegliche Platte wird demgemäß
angezogen.
Textabbildung Bd. 332, S. 365
Fig. 2.
Textabbildung Bd. 332, S. 365
Abb 3.
Aus der bekannten Gleichung der Hydrodynamik, daß der Druckhöhenunterschied zwischen
dem Austrittsquerschnitt und einem beliebigen Wasserquerschnitt zwischen den Platten
gleich dem Unterschied der entsprechenden Geschwindigkeitshöhen vermindert um die
Widerstandshöhe ist:
h_1-h=\frac{c^2}{2\,g}-\frac{{c_1}^2}{2\,g}-h_w
folgt mit
h_w=\varrho\,.\,\frac{2}{a}\,.\,\int\,\frac{c^2}{2\,g}\,.\,d\,r,
das entsprechend wie bei Rohrleitungen usw. gebildet ist, und
der Kontinuitätsgleichung
2 π r ∙ a ∙ c
= 2 π r1 ∙ a ∙ c1
für einen beliebigen Halbmesser r, dem Plattenabstand a und dem Außenhalbmesser
r1 der Platten
h_1-h=\frac{{c_1}^2\,.\,{r_1}^2}{2\,g}\,.\,\left[\frac{1}{r^2}-\frac{1}{{r_1}^2}-\varrho\,.\,\frac{2}{a}\,.\,\left(\frac{1}{r}-\frac{1}{r_1}\right)\right].
Die Kraft P, welche die
Platten aneinander zu drücken sucht, ergibt sich aus der Gleichung
P=2\,\pi\,\gamma\,.\,\int_{r_0}^{r_1}\,(h_1-h)\,r\,d\,r
zu
P=\frac{\gamma}{g}\,.\,\pi\,.\,c_1\,.\,{r_1}^2\,\left[l\,n\,\frac{r_1}{r_0}-\frac{1}{2}\,\left(1-\frac{{r_0}^2}{{r_1}^2}\right)-\varrho\,.\,\frac{r_1}{a}\,\left(1-\frac{r_0}{r_1}\right)^2\right].
Davon ist abzuziehen die Kraft des Wasserstrahles
R=\pi\,{r_0}^2\,.\,{c_0}^2\,\frac{\gamma}{g},
so daß als die mit dem Indikator zu messende Kraft P – R übrig bleibt. Als größter Wert wurde gefunden P– R = 1,5 kg.
Kritische Abstände der Platten voneinander sind diejenigen, bei welchen P – R = 0 wird. Nach
Einsetzen der entsprechenden Gleichungen erhält man hieraus die Bestimmungsgleichung
für a
a^3-\frac{{r_0}^2}{4}\,.\,\left[l\,n\,\frac{r_1}{r_0}-\frac{1}{2}\,.\,\left(1-\frac{{r_0}^2}{{r_1}^2}\right)-\varrho\,\frac{r_1}{a}\,.\,\left(1-\frac{r_0}{r_1}\right)^2\right]\,.\,a+\varrho\,.\,\frac{r_1\,{r_0}^2}{4}\,\left(1-\frac{r_0}{r_1}\right)^2=0,
die zwei positive Wurzeln hat. Mit dem Mittelwert ρ = 0,01162, der sich aus allen Versuchen ergab,
wird
a1= 0,43 mm
gegenüber
dem
gemessenen
a'1= 0,35 mm.
a2= 3,64 mm
„
„
„
a'2 = 3,05
mm.
Die Unstimmigkeit rührt zum Teil davon her, daß die
Widerstandshöhe hw
nicht dem Quadrat der Geschwindigkeit proportional ist, sondern der 2,2 ten
Potenz.
Textabbildung Bd. 332, S. 365
Abb. 4.
Es wurde ferner die Verteilung der Geschwindigkeit innerhalb der Spaltbreite bei 3 mm
Plattenabstand vermittels eingeführter Pitotröhren bestimmt, die Abb. 4 wiedergibt. Eingetragen ist außerdem noch der
Strömungsfaden für die größte Geschwindigkeit. Der Verlauf sowohl der
Geschwindigkeitskurven als auch des gezeichneten Maximalstromfadens rührt von den
Unregelmäßigkeiten her, die durch den Eintritt des Wassers vom einseitig angesetzten
Zuführungsrohr mit dem Halbmesser r0 verursacht werden.
Wenn die Untersuchung für die praktische Anwendung bei Ventilen und dergleichen von
Wert sein soll, so muß sie allerdings noch für verschiedene Verhältnisse des
Plattenhalbmessers r1
zu dem Rohrhalbmesser r0 durchgeführt werden.
P. Stephan.
–––––
Zur Thermodynamik des Wasserdampfes. Wenn man den Wert der
spezifischen Wärme des Wasserdampfes cp durch Versuche feststellt und mit Hilfe der von
Clausius gegebenen Beziehung \left(\frac{\partial\,c_p}{\partial\,p}\right)_{T}=-A\,T\,\left(\frac{\partial^2\,v}{\partial\,T^2}\right)_{p}, wo p der Druck, T die
absolute Temperatur und A das mechanische
Wärmeäquivalent ist, das spezifische Volumen v
berechnet, so zeigen die gefundenen Werte eine ausgezeichnete Uebereinstimmung mit
den Ergebnissen einer unmittelbaren Messung der gesuchten Größe. Der umgekehrte Weg,
die rechnerische Bestimmung von cp aus einer empirisch festgestellten Gleichung für
v, schien geraume Zeit hindurch nicht gangbar. Erst
R. Plank
gelang es, einen
Ausdruck zu finden, der einerseits die Werte des spezifischen Volumens mit
hinreichender Genauigkeit wiedergibt, andererseits bei Benutzung der obengenannten
Formel von Clausius zur Berechnung von cp auf befriedigende
Ergebnisse führt. Leider ist die Gleichung Planks derart
verwickelt, daß ihre Verwendung in Theorie oder Praxis ausgeschlossen erscheint. Es
ist daher als ein Fortschritt anzusehen, wenn G. Eichelberg-Zürich in Heft 36 der Zeitschrift des Vereines deutscher
Ingenieure zeigt, wie man auf verhältnismäßig einfachem Wege zum Ziele kommt. Auf
Grund eines zeichnerischen Verfahrens wird zunächst aus den neuesten durch Knoblauch und Winkhans
gefundenen cp
∙ Werten für Heißdampf die Beziehung c_p=c_{p_0}+\frac{C_1\,p}{T^4}+\frac{C_2\,(p+2\,.\,10^4)^{3,2}-C_3}{T^{15}}
bestimmt, wo C1 gleich
3,2 ∙ 104, C2 gleich 2,83 1022, C3 gleich
1,64 ∙ 1036, p der
Druck in kg/m2 und cPo die spezifische Wärme für p = 0 ist. Aus dieser, die Versuchswerte viel genauer
als der entsprechende Ausdruck R. Planks wiedergebenden,
Gleichung läßt sich mit Hilfe der Clausiusschen Formel
durch Differentiation nach p und zweimalige Integration
nach T der Ausdruck A\,v=\Psi\,(p)+T\,\varphi\,(p)-\frac{C_1}{3\,.\,4\,.\,T^3}-\frac{3,2\,C_2\,(p+2\,.\,10^4)^{2,2}}{14\,.\,15\,.\,T^{14}} ableiten. Die beiden
beim Integrieren der partiellen Differentialgleichung auftretenden unbestimmten
Funktionen findet man durch die Annahme, daß sich bei steigender Temperatur die
Werte des spezifischen Volumens asymptotisch den υ-Werten des idealen Gases nähern, d.h. daß für T
= ∞, v=\frac{R\,T}{p} und \left(\frac{\partial\,v}{\partial\,T}\right)_{p}=\frac{R}{p} wird. Hieraus ergibt sich \varphi\,(p)=\frac{A\,R}{p} und ψ(p) = 0, wenn R die
Gaskonstante ist, und es folgt eine für die praktische Verwendung durchaus geeignete
Zustandsgleichung v=\frac{R\,T}{p}-\frac{1,139}{\left(\frac{T}{100}\right)^3}-\frac{11615\,.\,\left(\frac{p}{10^4}+2\right)^{2,2}}{\left(\frac{T}{100}\right)^{14}}. Die mit ihrer Hilfe festgestellten Werte des
spezifischen Volumens weichen im Druckgebiete von 0 bis 19 at. und bis 300 ° C nur
ganz unbedeutend von den Versuchsergebnissen ab.
Nunmehr könnte der Wärmeinhalt i mit Hilfe des aus den
beiden ersten Wärmesätzen folgenden Ausdrucks d\,i=c_p\,d\,T-A\,\left[T\,\left(\frac{\partial\,v}{\partial\,T}\right)_{p}-v\right]\,d\,p bestimmt werden, wenn man
integriert und die für cp und υ unter Benutzung der genannten
Gleichungen gefundenen Werte einführt. Es ergibt sich i=i_0+\left(\alpha\,T+\frac{\beta}{2}\,T^2-\frac{\gamma}{T}\right)-\frac{C_1\,p}{3\,T^3}-\frac{C_2\,(p+2\,.\,10^4)^{3,2}-C_3}{14\,T^{14}}, wo α = 0,345, β = 0,000197,
γ =5500 ist, während man für die
Integrationskonstante i0 die Zahl 513,2 findet, sofern der Wärmeinhalt des Wassers bei 0° C als
Nullpunkt gewählt und beachtet wird, daß für jeden Punkt der Sättigungsgrenze i den Sättigungswert annehmen muß. Auch die Ergebnisse
dieser Rechnung entsprechen durchaus den von Jacob
bestimmten Werten des Wärmeinhalts. Bei 20 at Druck und Sättigung betragen die
Abweichungen erst 4 v. T.
Endlich läßt sich die Entropie s durch Benutzung der
Gleichungen für cp und
υ gemäß der Beziehung d\,s=\frac{c_p}{T}\,d\,T-A\,\left(\frac{\partial\,v}{\partial\,T}\right)_p\,d\,p finden. Man
erhält, nachdem man die Integrationskonstante auf Grund der Bedingung bestimmt
hat, daß die Entropie an der Sättigungsgrenze den Sättigungswert annimmt,
s=0,6841+\left(\alpha\,ln\,T+\beta\,T-\frac{\gamma}{2\,T^2}\right)-A\,R\,ln\,p-\frac{C_1\,p}{4\,T^4}-\frac{C_2\,(p+2\,.\,10^4)^{3,2}-C_3}{15\,T^{15}}. Auch eine Prüfung dieser Formel ist möglich, wenn man berücksichtigt,
daß die Entropie an der Sättigungsgrenze abzüglich der Entropie der Flüssigkeit
gleich der Verdampfungswärme geteilt durch die absolute Temperatur ist. Wiederum
führt die Gleichung zu einwandsfreien Ergebnissen.
Im Anschluß an die geschilderten Betrachtungen zeigt Eichelberg, daß man, wenn p und T als unabhängige
Veränderliche betrachtet werden, eine Funktion \varphi=s-\frac{u+A\,p\,v}{T}=s-\frac{i}{T}, wo u die Energie des Dampfes ist, feststellen kann, aus der sich durch
einmalige partielle Ableitung nach einer der Veränderlichen die übrigen
Zustandsgrößen bestimmen lassen. Man erkennt sofort, daß letztere mit Hilfe der
Gleichungen A\,v=-T\,\left(\frac{\partial\,\varphi}{\partial\,p}\right)_T,\ i=T^2\,\left(\frac{\partial\,\varphi}{\partial\,T}\right)_p,\
s=\varphi+T\,\left(\frac{\partial\,\varphi}{\partial\,T}\right)_p und u=T\,\left[T\,\left(\frac{\partial\,\varphi}{\partial\,T}\right)_p+p\,\left(\frac{\partial\,\varphi}{\partial\,p}\right)_T\right] gefunden werden.
Den beschriebenen, auf Heißdampf bezüglichen Betrachtungen läßt Eichelberg die Ableitung der charakteristischen Funktion für Wasser folgen
und berechnet unter deren Benutzung Sättigungsdruck und Verdampfungswärme. Es
wiederholt sich die vorzügliche Uebereinstimmung der Rechnungswerte mit den
Versuchsergebnissen. Die für die Thermodynamik des Wasserdampfes bedeutungsvolle
Arbeit wird in erweiterter Form demnächst als Forschungsheft erscheinen. In dieser
entwickelt der Verfasser in Ergänzung des beschriebenen Gedankenganges eine Formel
für die spezifische Wärme bei gleichbleibendem Volumen cv und stellt den in der Adiabatengleichung
auftretenden Quotienten \frac{c_p}{c_v}=k fest.
Er findet ihn nahezu unabhängig von Druck und Temperatur gleich 1,3. Ferner wird das
Forschungsheft den Nachweis erbringen, daß eine Extrapolation der gefundenen
Gleichungen bis zu Drücken von 40 at zulässig ist.
Schmolke.
–––––
Die Untersuchungen des Wärmeüberganges von W.
Nusselt-Dresden. Seit einer Reihe von Jahren ist Nusselt bemüht, die Frage nach dem Wärmeübergange von Körpern höherer
Temperatur auf kältere möglichst erschöpfend zu beantworten. Da seine
Betrachtungsweise vorbildlich genannt werden kann, sei im Folgenden eine Uebersicht
über den Gang und die Ergebnisse der Untersuchungen gebracht. Eingeleitet wurden die
Arbeiten Nusselts durch eine Abhandlung über den
Wärmeübergang in Rohrleitungen, die von einer tropfbaren oder elastischen
Flüssigkeit durchströmt werden, welche in ihnen eine Temperatursteigerung erfährt.
Das Ziel dieser Untersuchung war die Aufstellung einer Formel für die
Wärmeübergangzahl, d.h. die Wärmemenge, die in der Zeit l von der Fläche l der Wand an die
Flüssigkeit übergeht, wenn zwischen dieser und dem Rohr der Temperaturunterschied
l besteht. Nusselt gelangte zur Lösung der Aufgabe,
indem er zunächst unter Anlehnung an die Lehre Fouriers
von der Wärmeleitung feststellte, daß die Wärmeübergangzahl von der spezifischen
Wärme, der Geschwindigkeit, Zähigkeit, Dichte, Temperatur und Wärmeleitzahl der
Flüssigkeit sowie
dem Durchmesser, der Oberflächenbeschaffenheit und der Temperatur des Rohres
abhängt, und zwar ein Produkt von Potenzfunktionen mit den unabhängigen
Veränderlichen als Basis und gleichbleibenden Exponenten ist. Durch Betrachtung
zweier Strömungsfälle, bei denen die Unebenheiten der inneren Rohrfläche geometrisch
ähnlich sind, fand Nusselt unter Benutzung der
Bewegungsgleichungen für zähe, elastische Flüssigkeiten gewisse Beziehungen zwischen
den Exponenten und eine sehr vereinfachte Formel für die Wärmeübergangzahl a. Ihm glückte die Bestimmung der in dieser
auftretenden Festwerte durch Versuche, und es ergab sich die Gleichung \alpha=15,90\,\frac{\lambda_w}{d^{0,214}}\,.\,\left(\frac{w\,p\,c\,p}{R\,T\,\lambda}\right)^{0,786}, wo
λw die
Wärmeleitzahl der Flüssigkeit bei der Temperatur der Wand, w deren mittlere Geschwindigkeit, p ihr
anstatt der Dichte eingeführter Druck, cp ihre spezifische Wärme, T ihre Temperatur, λ die Wärmeleitfähigkeit
bei der mittleren Temperatur der Flüssigkeit, R die
Gaskonstante und d der Rohrdurchmesser sind.
Eine Ergänzung seiner ersten Arbeit veröffentlichte Nusselt, als es ihm durch Untersuchung des Wärmeüberganges in der Nähe des
Einströmquerschnittes gelungen war, festzustellen, daß die Wärmeübergangzahl auch
von der Rohrlänge erheblich beeinflußt wird. Sie hat beim Eintritt der Flüssigkeit
in das Rohr einen Höchstwert, der mit der Gleichmäßigkeit der radialen
Temperaturverteilung wächst, bzw. mit dem Grad der Durchmischung des strömenden
Stoffes zunimmt. Sofern diese eine vollkommene ist, werden verhältnismäßig kalte
Flüssigkeitsschichten in die Nähe der Wand gelangen, was den Wärmeaustausch fördert.
Erst in einiger Entfernung von der Einströmstelle erreicht a einen unteren, von der Verteilung der Temperatur unabhängigen Grenzwert.
Der Einbau von Wendeflächen in Ueberhitzerrohre zum Zwecke einer Durchmischung des
Dampfstromes sowie das Versetzen der Rohre bei Wärmeaustauschvorrichtungen, für die
das Kreuzstromsystem in Anwendung kommt, ist eine Nutzanwendung der gemachten
Beobachtungen.
Von hervorragender technischer Bedeutung war die nächste, im Jahre 191, erschienene
Arbeit Nusselts über die Wärmeverhältnisse in
Oberflächenkühlern. Bei diesen Vorrichtungen bilden aus baulichen Gründen in den
meisten Fällen die Strömungsrichtungen des Kühlmittels und der abzukühlenden
Flüssigkeit einen rechten Winkel, obgleich der Gegenstrom wirksamer wäre. Von großem
praktischem Interesse ist naturgemäß die Bestimmung der- ausgetauschten Wärmemenge,
sowie der eintretenden Temperaturveränderungen. Wie letztere festgestellt wurden,
sei als ein Beispiel der klaren mathematischen Behandlung technischer Probleme durch
Prof. Nusselt angedeutet. Das Rechteck ABCD mit den Seiten x0 und y0 stelle die Kühlfläche dar, welche die beiden
Flüssigkeiten voneinander trennt. Von diesen trete die kältere mit dem stündlichen
Wasserwerte w und der Temperatur t = 0 bei AD ein und
ströme parallel zu AB, während die wärmere mit dem
Wasserwerte W an der Kante AB die Temperatur T0 hat und parallel AD fließt. Betrachtet man
das rechteckige Element d x d y der Kühlfläche und
nennt die Temperaturen der Flüssigkeiten in dem Punkte, dessen Koordinaten x und y sind, t und T, so geht in der
Zeiteinheit die Wärmemenge dQ = K d x d y(T – t), wo K die Wärmedurchgangzahl ist, zum Kühlmittel über. Dieses erwärmt sich
daher um \frac{\partial\,T}{\partial\,x}\,d\,x, während die Temperatur der anderen Flüssigkeit um \frac{\partial\,T}{\partial\,y}\,d\,y
sinkt. Es folgt somit d\,Q=-\frac{W}{x_0}\,\frac{\partial\,T}{\partial\,y}\,d\,y\,d\,x=\frac{w}{y_0}\,\frac{\partial\,T}{\partial\,x}\,d\,x\,d\,y. Durch Gleichsetzen der drei für die
ausgetauschte Wärmemenge gefundenen Werte erhält man die beiden Beziehungen
\frac{W}{x_0}\,\frac{\partial\,T}{\partial\,y}=-\frac{w}{y_0}\,\frac{\partial\,t}{\partial\,x} und K\,.\,(T-t)=-\frac{W}{x_0}\,.\,\frac{\partial\,T}{\partial\,y}, aus denen sich durch partielle Differentiation des
zweiten Ausdruckes nach x\,\frac{K\,x_0}{W}\,\left(\frac{\partial\,T}{\partial\,x}-\frac{\partial\,t}{\partial\,x}\right)+\frac{\partial^2\,T}{\partial\,x\,\partial\,y}=0 und bei Einführung des Wertes von \frac{\partial\,t}{\partial\,x} aus
dem ersten Ausdrucke \frac{\partial^2\,T}{\partial\,x\,\partial\,y}+\frac{K\,x_0}{W}\,\frac{\partial\,T}{\partial\,x}+\frac{K\,y_0}{w}\,\frac{\partial\,T}{\partial\,y}=0 ergibt. Die unabhängige Veränderliche t wäre somit fortgefallen, und der Temperaturverlauf
von T längs der Fläche A B C
D ließe sich berechnen, wenn man beachtet, daß für x = 0 auch t = 0, für y = 0 aber T = T0 zu setzen ist. Durch Einführung der letzten Bedingung in die obige
Gleichung für K(T-t) folgt
für den Verlauf von T längs der Kante A D die Beziehung K\,T=-\frac{W}{x_0}\,\frac{d\,T}{d\,y} und durch Integration
T_{x=0}=T_0\,e^{-\frac{K\,x_0}{W}\,y}=T_0\,e^{-\frac{K\,F\,y}{W\,y_0}}, wo F die Kühlfläche ist. Hat man aber T berechnet, so ergibt sich aus der Formel für K (T – t) auch t, und man
kann die ausgetauschte Wärme bestimmen, da man die Temperaturverteilung für beide
Seiten der Kühlfläche kennt. Wenn Gegen- oder Gleichstrom vorliegen, führen
gleichartige Betrachtungen zum Ziele, und es zeigt sich, daß bei ersterem der
Wärmeaustausch um 5,71 v. H. größer, bei letzterem um 13,52 v. H. kleiner als beim
Kreuzstrom ist.
Eine weitere praktisch richtige Feststellung gelang Nusselt bei Untersuchung des Wärmeüberganges in der Gasmaschine. Er
widerlegte die herrschende Ansicht, daß die Wärmeübergangzahl dem
Temperaturunterschiede zwischen Wand und Gas bzw. der Wärmeaustausch dem Quadrate
dieses Unterschiedes proportional ist. Infolge dieser Erkenntnis wurde das bisher
übliche Verfahren, den Wärmeaustausch dadurch zu berücksichtigen, daß man die
Kompressions- und Expansionskurve im Kreisprozesse durch eine nach Gutdünken
gewählte Polytrope ersetzt, auf eine sicherere Grundlage gestellt. Von Bedeutung ist
ferner der Einfluß der Zeit seit Beginn der Abkühlung auf a. Es verringerte sich zum Beispiel während eines Versuches diese Zahl mit
sinkender Gastemperatur um fast das 52-fache des Endwertes. Endlich zeigte Nusselt, daß sich bei Beginn des Wärmeaustausches die
Wärmeübergangzahl in drei Summanden, das Zeitglied, die stationäre Wärmeleitung und
die Wärmestrahlung zerlegen läßt, deren erstes nach einiger Zeit fortfällt. Die
Frage, ob heiße Gase überhaupt eine praktisch in Betracht kommende Wärme
ausstrahlen, wurde durch diese Feststellung einer Klärung näher gebracht.
Einen weiteren Fortschritt stellt die 1915 erfolgte Veröffentlichung einer Gleichung
für den Wärmeübergang von einem festen Körper an die ihn umgebende kühlere Luft dar.
Der Gang der Entwicklung weist viel Aehnlichkeit mit der an erster Stelle genannten
Untersuchung Nusselts auf. Wieder werden zwei geometrisch
ähnliche Körper vorausgesetzt und unter Benutzung thermodynamischer und
hydrodynamischer Beziehungen Ausdrücke für die Wärmeabgabe an die Umgebung und die
Wärmeübergangzahl gewonnen. Sowohl die Abkühlung im ruhenden Gasraume wie im
Luftstrome zieht Nusselt in den Kreis seiner
Betrachtungen, deren Ergebnisse die Erfahrung durchaus zu bestätigen scheint.
Die Möglichkeit einer Ausdehnung der zunächst für zweiatomige Gase gefundenen
Beziehungen auf tropfbare Flüssigkeiten und andere Gase zeigt die Ableitung einer
Näherungsgleichung. Ein tieferes Eingehen auf die im Jahrgang 1915
Gesundheits-Ingenieur erschienene, ziemlich umfangreiche Abhandlung ist an dieser
Stelle nicht möglich.
Die besondere Beachtung des Technikers verdient auch die letzte, erst kürzlich in
Heft 33 der Zeitschrift des Vereines deutscher Ingenieure zu findende Arbeit Nusselts, in der das Ergebnis von Versuchen mitgeteilt
wird, die sich auf den Wärmeübergang in einem von Gas durchströmten Rohre beziehen,
bei dem sich die bei den früheren Versuchen nahezu gleichbleibende Wand- und
Gastemperatur in gewissen Grenzen änderte. Die hierbei gemachten Beobachtungen
führten zu der von dem obengenannten Ausdrucke für die Wärmeübergangzahl
abweichenden Gleichung \frac{\alpha_m\,d}{\lambda_m}=0,03622\,\left(\frac{d}{L}\right)^{0,054}\,.\,\left(\frac{d\,w\,\gamma_m\,c_{pm}}{\lambda_m}\right)^{0,786}, wo L die Rohrlänge,
γ das vom Druck p
abhängende spezifische Gewicht des Gases ist. Index m
deutet an, daß Mittelwerte einzusetzen sind. Da die Bestimmung von a aus dieser Formel umständlich wird, hat Nusselt ein Schaubild entworfen, aus dem man die
Wärmeübergangzahl für Luft und annäherungsweise auch für Rauchgase und Abgase von
Verbrennungsmotoren ablesen kann, wenn Luft- und Wandtemperatur,
Rohrdurchmesser und -Länge sowie das Produkt wp bekannt
sind. Die mitgeteilte Gleichung für am gilt allerdings streng genommen nur, sofern Ein-
und Austrittstemperatur des durch das Rohr fließenden Gases wenig voneinander
verschieden sind. Sie kann, wenn man d=\frac{4\,F}{S} setzt, wo F der Rohrquerschnitt, S der Teil des
Umfanges ist, durch den der Wärmeaustausch erfolgt, auch für die Kreisringfläche
usw. angewendet werden. Indessen trifft sie nur für Strömungsgeschwindigkeiten zu,
bei denen eine Durchwirbelung des Gases eintritt, und erfährt bei höheren Drücken
auch innerhalb dieses Bereichs Einschränkungen. Die Wand, und Gastemperatur kann man
in der Formel vertauschen, so daß diese sowohl für Erwärmung wie Abkühlung des Gases
gültig ist.
Schmolke.
–––––
Der Deutsche Eisenbau-Verband hielt am 25. Oktober in
Berlin seine Hauptversammlung ab. Der Verband, der als einer der bedeutendsten
unserer Fertigindustrie in der Entwicklung der deutschen Volkswirtschaft seit Jahren
erfolgreich mitgewirkt hat, hat auch im dritten Kriegsjahr zur Deckung des
Inlandsbedarfs, zur Sicherung und Erhöhung der Leistungsfähigkeit der besetzten
Gebiete und auch zur Ausfuhr, soweit sie im vaterländischen Interesse lag, in
hervorragendem Maße mitgewirkt.