In Folge mehrerer Unfälle bei Dampfkesseln, die sich unter fast gleichen Umständen
ereigneten, hat sich die Meinung verbreitet, daß während der Betriebseinstellung der
Maschinen das Kesselblech überhitzt seyn und folglich eine Explosion durch das
Aufschwellen des Wassers verursacht werden könne, welches bei dem Wiederanlassen der
Maschine an die überhitzten Wände trat.
Ich habe zur Prüfung dieser Ansicht mehrere Versuche in der Fabrik des Hrn. Gouin zu Batignoles angestellt; der zu denselben
verwendete Dampferzeuger bestand aus zwei cylindrischen Kesseln mit etwas gewölbten
Enden. Jeder war mit einem Dampfbehälter versehen, und zwischen beiden befand sich
eine Siederöhre, welche das Speisewasser, ehe es in die Kessel trat, aufnahm. Die
Feuerung der Siederöhre geschah durch die Flammen, welche bereits unter den Kesseln circulirt
hatten, und alsdann in die Esse strömten. Diese Siederöhre hatte auch den Zweck, den
größten Theil der Niederschläge aus dem Speisewasser aufzunehmen. Beide Kessel waren
sich übrigens gleich; 10,30 Meter lang und 0,80 Meter weit. Die Siederöhre hatte
dieselbe Länge, und einen Durchmesser von 0,395 Meter. Die Dimensionen der
Dampfbehälter betragen 0,45 Meter in Quadrat. Die Kessel sind zu 6 Atmosphären
gestempelt; ihre Seitencanäle für die Flamme erheben sich 0,05 Meter über ihre
Achse, und der Wasserstand wird in derselben Höhe erhalten. Die Speisung erfolgt
theils durch eine von der Dampfmaschine bewegte Pumpe, theils durch zurückfallendes
Wasser; das Speisewasser wird zuerst der Siederöhre zugeführt, und geht dann
mittelst der Verbindungsröhren in die Kessel; die Verbindungsröhren sind an den zwei
entgegengesetzten Enden des Ofens angebracht. Von den Deckeln der Dampfbehälter aus
erheben sich die Dampfröhren, welche sich sofort zu einem einzigen Dampfrohr von
0,06 Meter Durchmesser, und 12–15 Meter Länge vereinigen. Am Ende ist diese
Röhre mit der Maschine verbunden, welche 20–25 Pferdekräfte hat, und mit
Expansion und Condensation arbeitet; die Leere des Kondensators beträgt
0,60–0,70 Meter (der Dampf der Kessel treibt zuweilen auch einen
Dampfhammer). Es ist ein Richard'sches offenes Manometer,
und ein solches mit zusammengepreßter Luft angebracht, welches man sowohl mit beiden
Kesseln, als auch mit einem derselben in Verbindung bringen kann. Auch ist die
Einrichtung getroffen, daß man den Dampf bloß aus einem der zwei Kessel oder aus
beiden Kesseln zusammen ausströmen lassen kann.
Der Apparat, welcher zu den in Frage stehenden Versuchen als der zweckmäßigste
erachtet wurde, und nach den Angaben des Hrn. Regnault
construirt ist, besteht in einem Quecksilberthermometer aus 5 Millimeter dickem
Glase, welches bis 250° Cels. graduirt und dessen Röhre fast gänzlich im
rechten Winkel auf dem Reservoir gebogen ist.
Um die Versuche anzustellen, entblößte man durch Ausheben einiger Ziegelsteine die
Oberfläche des Blechs von einem der beiden Kessel auf eine horizontale Länge von
etwa 0,30 Met., und auf eine hinreichende Höhe, um parallel mit den Kanten des
Cylinders einen blechernen Muff anbringen zu können. Letzterer hatte eine
halbcylindrische Form von 0,07–0,08 Meter Durchmesser, und seine Kanten
paßten ganz genau auf den Kessel, dessen Oberfläche an jener Stelle gehörig
gereinigt worden war. Der Theil des Thermometers, welcher die Kugel enthält, wurde
horizontal in den Muff gesteckt, so daß sich die Röhre senkrecht erhob. Nachdem man
nun die Enden des Muffs durch kleine Ziegelsteinstücke geschützt hatte, umgab man das
Ganze mit Sand, sowohl um das Instrument festzustellen, als zur Vermeidung der
äußern Abkühlung.
Der etwa 2 Meter von dem Dampfbehälter und der Dampfröhre angebrachte Manometer
befand sich 0,175 Met. über dem Wasserstande, d.h. in halber Höhe zwischen demselben
und der Kuppel des Kessels.
Die Beobachtungen beschränkten sich nun darauf, von Zeit zu Zeit, jedoch in sehr
nahen Zwischenräumen, die von dem Thermometer angegebene Temperatur, sowie die von
dem Manometer angezeigte Pressung zu gleicher Zeit zu notiren. Alle Versuche haben
1/4 und 1/2 Stunde vor der Betriebseinstellung der Dampfmaschine begonnen, wurden 1
Stunde lang während des Stillstandes der Maschine (während der Mahlzeit der
Arbeiter) fortgesetzt, und erst 1/4 oder 1/2 Stunde nach der Wiederingangsetzung der
Maschine beendigt.
Drei Versuche sind vollständig in der nachstehenden Tabelle angegeben.
Dritter Versuch.
Manometer von Richard.
| 1 43 |
4,2 |
107 |
|
| 1 45 |
4,10 |
121 |
|
| 1 50 |
3,90 |
127 |
|
| 1 55 |
3,40 |
128 |
|
| 2 – |
3,35 |
129 |
|
| 2 5 |
3,38 |
130 |
|
| 2 10 |
3,44 |
131,5
|
|
| 2 15 |
3,48 |
133 |
|
| 2 20 |
3,49 |
133,5 |
Man hält die Maschine an, läßt aber den |
| 2 25 |
3,56 |
134,8 |
Dampf ab, und zwar so, daß die Pressung |
| 2 30 |
3,60 |
135,2 |
sich nicht verändert. |
| 2 35 |
3,50 |
136 |
|
| 2 40 |
3,47 |
136 |
|
| 2 45 |
3,53 |
136,5 |
|
| 2 50 |
3,52 |
137 |
|
| 2 55 |
3,50 |
137 |
|
| 3 – |
3,49 |
136,9 |
Man bringt das Feuer, welches man hatte |
| 3 5 |
3,75 |
138 |
niedergehen lassen, wieder stark in Zug; |
| 3 10 |
4,70 |
141 |
die Maschine wird aber nicht angelassen; |
| 3 15 |
5,20 |
143,5 |
die Pressung wird höher. |
Zeit. |
Druck
in
Atmosphären,
durch das
Manometer
angezeigt |
Temperatur. |
Bemerkungen. |
| Uhr. Min. |
Atmosphären. |
Cels. Grade. |
|
| 3 17 |
4,60 |
145 |
Der Dampfkessel wird mit der Maschine in |
| 3 20 |
4,60 |
145 |
Verbindung gesetzt und gespeist. |
| 3 25 |
4,77 |
144,9 |
|
| 3 30 |
4,77 |
144,9 |
|
| 3 35 |
4,52 |
144,6 |
|
Wenn man bei diesen Versuchen berücksichtigen wollte, daß fast die ganze
Thermometerröhre von Luft umgeben ist, so müßte man die Temperatur der Tabellen um
etwa 3,5° erhöhen. Etwa 10–11 Theile der Röhre waren aber gegen jede
äußere Abkühlung geschützt, weil sie in dem Muff steckten und von Sand umgeben
waren. Die über dem Muff befindliche Luft hatte eine Temperatur von 36°, was
durch einen directen Versuch bestimmt worden war. Die geringste Temperatur, welche
dem Gange der Maschine entsprach, betrug 131° C., und die höchste Temperatur
während des Stillstandes 141° C. Man muß daher die Anzahl der Theilungen
suchen, um welche im ersten Fall 120 Theile bei einer Temperaturerhöhung von
105° C. vermehrt werden, sowie im zweiten Fall die 130 Theile für eine
Temperaturerhöhung von 115° C. Der Ausdehnungscoefficient des Quecksilbers
ergibt sich nach Regnault im erstern Falle zu 0,00024,
und im zweiten zu 0,00025. Man findet daher für ersteren Fall eine Zunahme von
3°,02, und für den zweiten von 3°,74.
Bei dem ersten Versuch begannen die Beobachtungen um 1 Uhr
45 Minuten. Von diesem Augenblick bis 2 Uhr 3 Minuten, d.h. 18 Minuten lang war die
Maschine im Gange. Die innere Pressung erhielt sich fortwährend zwischen 4,2 und 4,4
Atmosphären, und die Temperatur stieg nach und nach von 118° bis zu
130°,9 C.; dann schien ein Stillstand des Thermometers stattzufinden.
Um 2 Uhr 3 Minuten setzte man die Maschine außer Betrieb, und ließ das Feuer abgehen,
während sich der Dampf in den Kesseln anhäufte. Diese Zeit der Ruhe dauerte 1
Stunde. In der Zwischenzeit von 2 Uhr 3 Minuten bis 3 Uhr stieg der Druck nach und
nach und sehr regelmäßig von 4,23 auf 5 Atmosphären, und das Thermometer in
derselben Zeit von 131 bis 137° C. Letztere Temperatur blieb sich aber während der letzten 20
Minuten gleich, während sich das Manometer zu gleicher Zeit zwischen 4,91 und 5 AtmosphärenAtmospären erhielt.
Um 3 Uhr 5 Minuten wurde die Maschine wieder in Gang gesetzt; allein wegen eines
Irrthums, welcher daher rührte, daß man in der Zwischenzeit eine Verbindung an der
Dampfröhre des andern Kessels reparirte, war derselbe verschlossen geblieben als man
die Maschine wieder anließ, so daß 20 Minuten lang bloß derjenige Kessel, auf
welchem das Thermometer angebracht war, Dampf an die Maschine abgab. Am Manometer
standen übrigens beide Kessel mit einander in Verbindung. Während dieser 20 Minuten
stieg das Manometer von 4,95 bis auf 5,4 Atmosphären, was nicht verwundern kann,
wenn man bedenkt, daß sich in dem andern Kessel eine große Menge Dampf anhäufen
mußte. Zu gleicher Zeit fiel das Thermometer sehr rasch und ohne Reaction von 137
auf 132° C.
Um 3 Uhr 25 Min. bemerkte man daß der andere Kessel abgesperrt geblieben war, man
stellte seine Verbindung mit der Maschine sofort her, die Temperatur stieg
neuerdings, während zu gleicher Zeit das Manometer, indem es den Mittlern Druck
beider Kessel angab, gesunken war. Von 3 1/2–4 Uhr stieg der Druck von 4,08
bis auf 4,37 Atmosphären, und die Temperatur von 134° bis 136°,5.
Man sieht, daß bei diesem Versuch während des Stillstandes eine Erhöhung, und während
des Ganges der Maschine eine Verminderung der Temperatur stattgefunden hat. Die
Differenz betrug übrigens höchstens 4–6°. Man muß jedoch stets
berücksichtigen, daß man die wirkliche Temperatur des Blechs im Innern der Kessel
nicht angezeigt erhält, indem die von dem Thermometer angezeigte Temperatur nicht
unbedeutend von derjenigen abweicht, welche sich aus dem Druck des Manometers
ableiten läßt.
Während des Ganges der Maschine betrug die äußere Temperatur des Blechs 131°
C. und entsprach einem Manometerdruck von 4,25 Atmosphären; nun müßte bei diesem
absoluten Druck die Temperatur des Dampfes nach Regnault's Bestimmungen 146°,5 C. betragen, was einen Unterschied von
15°,5 ergibt. Während des Stillstandes der Maschine war die äußere Temperatur
bei 137° stehen geblieben. Zu gleicher Zeit zeigte aber das Manometer einen
Druck von 5 Atmosphären an, daher die letzterm entsprechende Dampftemperatur
152°,25 beträgt, was beweist daß die innere Temperatur des Blechs die äußere
Temperatur desselben um 15°,25 übersteigt. In beiden Fällen strömte daher die
Wärme vom Innern des Kessels nach dem Aeußern. Wollte man nun für die Temperatur der Masse
des Blechs die Mittelzahl zwischen der äußern, von dem Thermometer angegebenen
Temperatur, und der innern (welche dem Dampfdruck entspricht) annehmen, so würde man
im erstem Falle 138°,8, und im zweiten 144°,63 haben, was einen
Unterschied von 5°,83 zwischen der Temperatur der Masse des Blechs beim Gange
und beim Stillstande der Maschine ausmachen würde.
Der zweite Versuch hat ganz ähnliche Resultate ergeben.
Während des Stillstandes ist die ganz stationär gewordene Temperatur ohne Reaction
von 130,7 bis 140°,9 gestiegen, d.h. um mehr als 10°, während das
Manometer fortwährend von 3,75 bis 5 Atmosphären stieg. Als die Maschine wieder in
Gang gesetzt wurde, und beide Kessel im Verlauf von 20 Minuten mit der Maschine in
Verbindung standen, war der Druck bis auf 4 Atmosphären, und die Temperatur auf
136°,7 gesunken; letztere war aber noch nicht stationär.
Wollte man nun noch für die Temperatur der Masse des Blechs die Mittelzahl zwischen
der äußeren von dem Thermometer angezeigten, und der inneren Temperatur annehmen,
welche dem Dampfdruck entspricht, so würde man 136,°5 statt 131° für
den Gang der Maschine, und 146°,5 statt 141° für ihren Stillstand
haben. Der Temperaturunterschied zu beiden Zeiten würde demnach 10° sey.
Beide Versuche haben folglich ein und dasselbe Resultat ergeben, d.h. eine
Temperatur, die an der äußern Oberfläche des Blechs während des Stillstands der
Maschine um 5–10° höher ist als während ihres Ganges, und eine
mittlere Temperatur des Blechs, welche beim Stillstande der Maschine um
6–10° höher als beim Betriebe derselben ist. Diese Differenz ist in
dem vorliegenden Fall zu gering, um Explosionen zu erklären.
Nimmt man nun wirklich an, daß die Masse des Blechs beim Wiederanlassen der Maschine
plötzlich die Wärme abgeben muß, welche einer Temperatur von 10° entspricht,
so würde diese Wärmemenge in dem vorliegenden Fall 1062 Wärmeeinheiten betragen, die
im Stande sind augenblicklich 1,63 Kil. Wasser zu verdampfen, welche im Innern des
Kessels verdampft und concentrirt, die innere Spannung des Dampfes auf 4,64
Atmosphären erhöhen würden. Dieß ist die äußerste Gränze, welche sich aus den
vorhergehenden Versuchen nach dieser Hypothese ergibt. Nun ist aber diese Gränze in
dem vorliegenden Fall offenbar viel zu hoch, weil dabei vorausgesetzt wird, daß das
Wasser augenblicklich verdampft, und daß das Blech des Kessels, sobald die Maschine
wieder in Gang gesetzt wird, sich mit der Masse des Wassers augenblicklich in das Gleichgewicht der
Temperatur setzt. Die Erfahrung lehrt hingegen daß dieß durchaus nicht der Fall ist,
denn wenn die Maschine wieder in Betrieb gesetzt wird, so bedarf das Thermometer zum
Sinken um 1° wenigstens 3 Minuten, und das Manometer fängt immer an zu
fallen, statt zu steigen. Bei der innern Spannung des Kessels, welche im normalen
Zustande während des Ganges der Maschine stattfindet, repräsentirt die Dampfmenge
welche das Blech erzeugt, um sich mit der Temperatur ins Gleichgewicht zu setzen,
nur ein Volum von 3,08 Kubikmetern, und dieses Volum kann mittelst des Spieles der
Maschine in derjenigen Zeit, während welcher das Blech sich abkühlen kann (welcher
Zeitraum wenigstens 1/2 Stunde beträgt), vollkommen ausströmen.
Zur Erklärung der Temperaturdifferenz welche während des Stillstandes und während des
Betriebes der Maschine stattfindet, sind nur zwei Hypothesen zulässig. Die innere
Spannung muß entweder in Folge der Anhäufung des Dampfes im Kessel zunehmen, oder es
muß das beim Wiederanfang des Ganges von dem Dampf mitgerissene flüssige Wasser die
Kesselwände abkühlen.
Beide Hypothesen stimmen mit den numerischen Resultaten der zwei erwähnten Versuche
überein. Nach dem dritten Versuch aber, welcher hauptsächlich in der Absicht
angestellt wurde, die Ursache der fraglichen Thatsache zu ermitteln, muß dieselbe
lediglich der höhern Spannung zugeschrieben werden, welche durch die Anhäufung des
Dampfes in der Zwischenzeit der Ruhe veranlaßt wurde. Man ließ nämlich bei diesem
dritten Versuch, dessen Resultate in obiger Tabelle detaillirt sind, während des
Stillstandes der Maschine die Dämpfe durch die Röhre entweichen, welche das Wasser
in den Kessel zurückführt, so daß sich der Dampfdruck während des Stillstandes der
Maschine nicht erhöhte. Da man nun das Feuer gänzlich abgehen ließ, so konnte nur
sehr wenig Dampf entweichen, und man konnte daher die Wirkung des Wassers, welche
dieser Dampf zur Abkühlung der Kesselwände mitzureißen vermochte, gänzlich
unberücksichtigt lassen. Es ergab sich auf diese Weise der Dampfdruck während des
Stillstandes der Maschine zwischen 3,47 und 3,60 Atmosphären, und die Temperatur
welche am Ende des Betriebes noch nicht stationär war, stieg nur von 133°,5
auf 137°, d.h. um 3°,5; von 2 Uhr 45 Min. bis 3 Uhr erhielt sich die
Temperatur zwischen 136°,6 und 137°. In diesem Augenblick warf man
Brennmaterial auf den Rost und schürte das Feuer wieder lebhaft an, ohne noch eine
Verbindung mit der Maschine herzustellen. Von 3 Uhr 5 Min. bis 3 Uhr 15 Min. stieg
der Dampfdruck von 3,75 bis zu 4,20 Atmosphären, und die Temperatur von
136°,9 bis 143°,5. Um 3 Uhr 15 Min. wurde die Verbindung mit der
Maschine hergestellt, und der Kessel mit Wasser gespeist. Von 3 Uhr 15 Min. bis 3
Uhr 25 Min. erhielt sich der Druck zwischen 4,52 und 4,60 Atmosphären, und die
Temperatur zwischen 145 und 144°,6.
Wenn man folglich dafür sorgt, daß der Dampfdruck während des Stillstandes der
Maschine nicht steigen kann, so bekommt man nur eine unbedeutende
Temperaturerhöhung; überdieß ergibt sich aus diesen Versuchen daß unter allen
Umständen, wo die Temperatur in dem einen oder dem andern Sinne schwankte, dieß in
demselben Sinne der Fall war wie beim Druck des Dampfes im Kessel. Nur ein Versuch
hat eine Anomalie gezeigt, die sich übrigens leicht erklären läßt; bei diesem
Versuch blieb, als man die Maschine wieder in Gang setzte, der andere Kessel
verschlossen, während derjenige an welchem das Thermometer angebracht war, der
Maschine allein Dampf lieferte; hierbei stieg der Druck von 5 auf 5,40 Atmosphären,
während die Temperatur von 137 auf 132° fiel. Dieser Umstand erklärt sich
aber ganz natürlich, wenn man berücksichtigt daß das Manometer, welches zu gleicher
Zeit mit beiden Kesseln in Verbindung steht, den Druck im Innern desjenigen Kessels,
der allein im Betriebe war, und in welchem die Dampfspannung eine geringere als in
dem andern seyn mußte, gar nicht anzeigte.
Aus meinen Versuchen scheint daher hervorzugehen, daß bei allen zweckmäßig
eingerichteten und betriebenen Dampfkesseln, unter Umständen wie die obigen, welches
der gewöhnlichste Fall ist, die Anhäufung des Dampfes während der Einstellung der
Maschine eine Ueberhitzung der Kesselwände veranlaßt, die jedoch an und für sich
nicht hinreichend ist um eine Explosion zu veranlassen.
Die französische Centralcommission für Dampfmaschinen hat die Folgerungen meines
Berichtes gutgeheißen und auf den Vorschlag eines ihrer Mitglieder nachstehende
Bemerkungen hinzugefügt: „Die oben mitgetheilten Versuche beweisen, daß in
dem vorliegenden Falle wie in allen ähnlichen Fällen die Wärmeströmung
fortwährend aus dem Innern nach dem Aeußern des Kessels stattfindet, so daß der
Kessel stets Wärme an das Gemäuer abgibt, anstatt solche von letzterm
aufzunehmen; es ist daher in dem Augenblick, wo die Maschine wieder in Betrieb
gesetzt wird, keine Explosion zu befürchten. Dagegen könnte bei schlecht
betriebenen Kesseln, unter denen das Feuer sehr stark geschürt wird, der
umgekehrte Fall eintreten; daß nämlich das Mauerwerk überhitzt wäre, und seine Wärme direct
an das Blech des Kessels abgäbe, welches dann eine bedeutend höhere Temperatur
als das Wasser erlangen könnte; unter diesen Umständen wäre im Augenblick des
Wiederanlassens der Maschine eine Explosion zu befürchten.“