Alle Substanzen, sie mögen in festem, flüssigem oder sphäroidalem Zustande seyn,
verdampfen nur mittelst ihrer Oberflächen. Diese Thatsache zugegeben, mußte man
natürlich glauben, daß wenn man diese Oberflächen bedeutend vermehrt, die
Verdampfung verhältnißmäßig befördert würde, und durch Anwendung dieses allgemeinen
Princips auf das Wasser, konnte man mit Recht hoffen, Dampf unter weit günstigeren
Umständen als jetzt zu erhalten, oder doch wenigstens unter anderen Umständen als es
bisher der Fall war, woraus die Industrie Nutzen ziehen könnte, sey es nun zur
Heizung oder Kraftgewinnung.
Ich habe in dieser Beziehung Versuche mit einigem Erfolg angestellt, die ich hiermit
dem Publicum vorlegen will, welche man aber mit Nachsicht aufnehmen muß, da auf
einem neuen Felde leicht Irrthümer möglich und zu fürchten sind.
Schon vor mehreren Jahren stellte ich Versuche in der Absicht an, eine Ursache der
Dampfkessel-Explosionen nachzuweisen.Polytechn. Journal, 1848, Bd. CVII S. 421.
Ein aufmerksames Studium dieser Erscheinung hat mich auf die Construction
des neuen Generators geführt, welcher im Folgenden beschrieben werden soll.
Dieser Apparat besteht aus einem Cylinder, dessen Boden eine halbkugelförmige Gestalt
hat, und der oben mittelst eines festgeschraubten Deckels geschlossen ist, auf welchem
sich die gewöhnlichen Organe der Dampfkessel befinden, nämlich: Speiseröhre,
Dampfröhre, Mannloch, Manometer, Sicherheitsventil, Proberöhre für Wasser und Dampf
u.s.w.
Der Cylinder enthält in seinem Innern fünf bis sieben blecherne Scheider
(Diaphragmen) mit aufgebogenen Rändern; sie sind abwechselnd etwas convex und
concav, auch von unten nach oben mit kleinen Löchern versehen.
Mittelst dieser sehr einfachen Einrichtung durchläuft das Wasser eine sehr große
Oberfläche, ehe es zum Cylinderboden gelangt, wo es den sphäroidalen Zustand
annehmen kann, und es fällt als Regen von dem ersten Scheider auf den zweiten, von
dem zweiten auf den dritten u.s.f. Auf dem ersten, convexen Scheider, läuft das
Wasser vom Mittelpunkte nach der Peripherie; auf dem zweiten, concaven Scheider, von
der Peripherie zum Mittelpunkt u.s.w. Diese Scheider werden mittelst eiserner
Stehbolzen in der erforderlichen Entfernung von einander gehalten.
Die abwechselnd convexe und concave Form der Scheider hat, wie schon bemerkt, den
Zweck, daß das Wasser den möglich größten Raum durchläuft, und die kleinen Löcher,
durch welche es dringen muß, vermehren die Oberfläche bedeutend, wodurch eine sehr
rasche Verdampfung veranlaßt wird.
Die Vorrichtung zum Auffangen des Dampfes reicht bis in den Raum zwischen dem letzten
und vorletzten Scheider hinab, und geht oben durch den Deckel des Cylinders. Durch
diese Einrichtung bezwecke ich das Temperaturgleichgewicht zwischen allen Theilen
des Cylinders herzustellen und stets Dampf von der gewünschten Spannung zu
erhalten.
Man arbeitet gewöhnlich mit einem Druck von 5 bis 10 Atmosphären, und hier hat der
Zufall dieser Erfindung einen bemerkenswerthen Beistand geleistet, da die Temperatur
bei einem Druck von 10 Atmosphären in runder Zahl = + 181° C. ist; nach Baudrimont und anderen Experimentatoren besitzt aber das
Eisen bei + 200° C. seine größte Zähigkeit.
Der Betrieb dieses Generators ist höchst einfach: man heizt einige Minuten lang
trocken, bringt dann mittelst einer Handpumpe einige Gläser voll Wasser in den
Kessel, welchen man mit seinem Manometer in Verbindung setzt, und 20 bis 25 Minuten
nachher kann die Maschine, welche der Kessel speist, in Gang gesetzt werden.
Hat man das Gesagte gehörig begriffen, so wird man sich eine richtige Vorstellung von
dem Verdampfungsvermögen des neuen Generators machen können.
Die Dimensionen desselben sind:
| ganze Höhe in der Mitte |
0,64 Met. |
| deßgleichen des cylindrischen Theils |
0,54 „ |
| Durchmesser |
0,32 „ |
Der Cylinder tritt über den Ofen um 0,05 Meter hervor, und da die Mauerstärke des
besagten Ofens am obern Theil 0,10 Meter ist, so müssen 0,15 Meter von der ganzen
Höhe abgezogen werden. Nachdem dieser Abzug gemacht ist, läßt sich die
Heizoberfläche leicht berechnen; sie beträgt annähernd 0,55 Quadratmeter.0,55 Quadratmeter Heizoberfläche müssen in einem Kessel des alten Systems im
Durchschnitt 11 Liter Wasser per Stunde unter
einem Druck von 10 Atmosphären verdampfen. Der Kessel, von welchem hier die
Rede ist, verwandelt im Durchschnitt in derselben Zeit und unter demselben
Druck 39 Liter Wasser in Dampf.
Das Verhältniß des alten Systems zum neuen ist daher = 1 : 3,6.
Der hier beschriebene Generator wurde von den HHrn. Jaillon,
Moinier und Comp., rue de
Marseille, No. 13, zu la Villette, angefertigt.
Ich will nun den Versuch beschreiben, welchen ich am 18. Decbr. 1851 angestellt
habe:
| Dauer des Versuchs |
= |
9 |
Stunden |
| Menge der verbrannten Steinkohlen |
= |
81 |
Kilogr. |
| Menge des verdampften Wassers |
= |
351 |
Kilogr. |
| Anfängliche Temperatur des Wassers |
= |
+ 39° |
C. |
| Druck |
= |
10 |
Atmosphären. |
Die bei diesem Versuch angewendeten Steinkohlen waren von schlechter Beschaffenheit
und gaben kaum 6000 Wärme-Einheiten per
Kilogramm. Dennoch will ich diese Zahl annehmen.
Nach Morin kann man selbst bei den besten Oefen nur 60
Proc. Nutzeffect annehmen; die meisten anderen Ingenieure rechnen sogar nur 50 Proc.
Nutzeffect, und ich folge letzterer Angabe, weil sie meines Erachtens der Wahrheit
näher kommt. Daher
81 Kilogr. × 6000 × 0,50 = 243000 Einheiten.
Sehen wir jetzt, wie viele Wärme-Einheiten in 351 Kilogr. Wasser, welches
unter einem Druck von 10 Atmosphären verdampft worden, enthalten sind.
351 Kilogr. (550 + t – t') = 242892 Wärme-Einheiten.
In dieser Formel bezeichnet
t = + 181° C.
und
t' = + 39° C.
| demnach: |
producirte |
Einheiten |
243000 |
|
absorbirte |
„ |
242892 |
|
verlorene |
„ |
108 |
Man ersieht aus dem Vorhergehenden auf den ersten Blick, daß nur sehr wenig zu thun
bleibt, um mit diesem neuen Generator ein ganz genügendes Resultat zu erlangen.
Dieser neue Dampfapparat bietet daher wesentliche Vortheile dar: eine geringe Masse,
ein kleines Volum, wenig Brennmaterial und viel Dampf, wozu noch die Sicherheit des
Kessels kommt, der gar nicht explodiren kann, wie ich nun zeigen werde.
Es gibt eine große Anzahl von Ursachen der Dampfkesselexplosionen; einige davon sind
wohl bekannt, während andere erst noch vollends aufgeklärt werden müssen.
Bei dem vorliegenden Kessel sind nur zwei von diesen Fällen zu untersuchen:
1. Mangelhafte oder übertriebene Speisung.
2. Die Zersetzung des Wassers an den rothglühenden Kesselwänden.
Eine mangelhafte Speisung kann Nachtheile, aber keine Gefahren veranlassen. Wird
nämlich die Speisung unterbrochen, so nimmt der vom Kessel gelieferte Dampf sehr
schnell ab; der Kessel wird in zwei oder drei Minuten leer werden und die Maschine
stillstehen. Man wird daher fast unmittelbar von der mangelhaften Speisung
benachrichtigt und kann sofort eine Speisepumpe oder andere Mittel wirken lassen.
Sind alle Mittel der Speisung unmöglich, so läßt man das Feuer abgehen und schreitet
zu den Reparaturen.
Man könnte den Einwurf machen, daß der Kessel, wenn er ganz leer ist, wenigstens am
Boden sehr bald rothglühend werden muß, und daß in diesem Falle das Einlassen von
Wasser sehr gefährlich seyn wird, allein glücklicherweise verhält sich dieß nicht
so.
Der Kessel kann am Boden zwar rothglühend werden, allein bei den Scheidern ist dieß
nicht der Fall, und auf diese Scheider fällt das Wasser und auf denselben findet
hauptsächlich die Verdampfung statt; das Gleichgewicht stellt sich daher schnell her
und es findet keine Gefahr für den Experimentator statt. Man wird dieß übrigens
leicht begreifen, wenn man sich erinnert, welche ungeheure Menge latenter Wärme in
dem Dampf enthalten ist, und welche geringe Wärmecapacität das Eisen hat.
Wir wollen diesen Punkt genauer untersuchen und durch Zahlen zeigen, daß der Verlauf
der angegebene ist.
Wir wollen annehmen, daß der halbkugelförmige Cylinderboden rothglühend sey und eine
Temperatur von + 500° C. habe; wir wollen ferner annehmen, daß diese Halbkugel 10 Kilogr. wiegt. Mit
diesen einfachen Daten ist es leicht, die in diesem Theile des Kessels enthaltene
Anzahl von Wärme-Einheiten zu berechnen mittelst der Formel
m c t.
Es seyen
m
|
die Masse |
= |
10 |
Kilogr. |
c
|
die Wärmecapacität des Eisens |
= |
0,12 |
„ |
t
|
die Temperatur |
= |
+ 500 |
„ |
Nun sind 500 + 0,10 × 10 = 600 Wärme-Einheiten, d.h. genau die
nothwendige Menge um 1 Kilogramm Dampf zu bilden, indem man die anfängliche
Temperatur des Wassers zu + 50° annimmt. Es wird daher in dem angenommenen
Falle 1 Kilogr. Wasser hinreichen, um den Kessel auf den normalen Zustand
zurückzuführen.
Ich kann mich kurz fassen um zu zeigen, daß eine überschüssige Speisung ohne allen
Nachtheil ist.
Um einzusehen, daß es sich so verhält, muß man sich erinnern, daß der Dampf in der
Nähe des Kesselbodens zwischen dem untersten und dem darauf folgenden Scheider
aufgefangen wird. Uebersteigt daher die Speisung eine gewisse Gränze, so gelangt
Wasser in die Dampfröhre und die Maschine wird stillstehen. Um diesem kleinen Unfall
abzuhelfen, genügt es die Speisung einige Minuten lang zu unterbrechen, oder den
Hahn des Purgators zu öffnen, worauf sich das Gleichgewicht sogleich wieder
herstellen wird. In dem einen oder dem andern Falle vermindert man die Speisung
dadurch, daß man entweder den Kolbenlauf der Speisepumpe verkürzt, oder die Oeffnung
des Admissionshahns an der Speiseröhre etwas verschließt u.s.w.
Wir wollen jetzt die zweite Ursache der Explosionen untersuchen, nämlich die
Zersetzung des Wassers an den rothglühenden Wänden des Kessels.
Bekanntlich entstehen 2 Volume Wasserdampf durch die Vereinigung von 2 Volumen
Wasserstoff mit 1 Volum Sauerstoff; wird nun das Wasser zersetzt, so verbindet sich
der Sauerstoff mit dem Eisen und der frei gewordene Wasserstoff ersetzt den Dampf,
so daß die Spannung fast dieselbe bleibt. Es kann daher in Folge der Zersetzung des
Wassers keine Explosion entstehen.
Die nachstehende Gleichung macht das Vorhergehende deutlich:
6 Vol. Dampf + Fe² = 6 Vol. H + Fe²O³.
Fe²O³ ist bekanntlich das rothe Eisenoxyd, ein fester Körper, welcher
durch Erhitzen nicht zersetzt, aber durch den Wasserstoff reducirt wird. Entfernt
man nun Fe²O³ aus der Gleichung, so bleibt
6 Vol. Dampf = 6 Vol. Wasserstoff.
Die vorhergehende Theorie wurde durch die Erfahrung bestätigt und ihre Genauigkeit
vollkommen erwiesen: zwei bronzene Kessel zerschmolzen, und ein eiserner Kessel
wurde so stark erhitzt, daß ein Hahn von Rothguß (an der Dampfröhre), welcher auf
dem Deckel des Kessels angebracht war, sich mit schwarzem Kupferoxyd überzog, ohne
daß in beiden Fällen der geringste Unfall eintrat.
Was nun die möglichen Anwendungen dieses neuen Generators betrifft, so sind sie
unzählig; besonders eignen sich solche Generatoren von zwei Pferdekräften für die
Gewerbe, welche dabei die Heizung der Werkstätte kostenfrei haben.
Es wurden Versuche mit einer Dampfmaschine angestellt, um die Kraft des Kessels zu
bestimmen, jedoch sind sie nicht genau genug, und daher nur als Annäherungen und
Winke für weitere Versuche zu betrachten.
Die Dampfmaschine, welche bei diesen Versuchen benutzt wurde, war wenigstens schon 15
Jahre im Gebrauch, sie war sehr schlecht unterhalten und von einem höchst
mangelhaften System, mit schwingendem Cylinder und ohne Expansion oder Condensation.
Dennoch machte diese durch den beschriebenen Kessel betriebene Maschine 28 doppelte
Kolbenzüge in der Minute, und setzte eine schwere Centrifugalmaschine in Bewegung,
welche 1,50 Met. im Durchmesser hatte, sich in einer senkrechten Ebene drehte und in
der Minute 224mal umlief. Dieselbe Dampfmaschine bewegte zu gleicher Zeit eine
Circularpresse von 8000 Kilogr. Gewicht, welche täglich 6000 Kilogr. Fettsäuren
auspreßte.
Ich schätze die Kraft dieses Kessels auf 2 Pferdekräfte, d.h. auf 75 Kilogrammeter
per Secunde und per
Pferd.
Die Anwendung dieses Systems auf große Kessel ist jetzt Versuchen unterworfen; wenn
sie, wie ich hoffe, gelingt, dann darf ich wohl sagen, daß die Dampferzeugung in
eine ganz neue Phase getreten ist.