Ueber den Betrieb von Doppelventilatoren; von Berginspector E. Cappell.

Auf der Grubenabtheilung Albertschacht der Steinkohlengrube Gerhard-Prinz Wilhelm bei Saarbrücken wurde die zunehmende Ausdehnung der Baue und das zeitweise überaus heftige Auftreten von schlagenden Wettern in der 4. Tiefbausohle die Veranlassung, auf die Verstärkung der zur Ventilation dienenden Betriebskräfte Bedacht zu nehmen.

Wie aus der Situation in Fig. 1 Taf. 4 hervorgeht, ist die Wetterführung dieses Feldes in der Weise angeordnet, daſs der östliche und westliche Wetterstrom, welche je besondere einfallende Schächte besitzen und gänzlich von einander getrennt sind, sich erst auf der Grundstrecke des Maxflötzes der 2. Tiefbausohle vereinigen und von hier aus zusammen die Hauptwetterstrecke hinaufziehen, von deren Kopfe sie durch das seigere Schächtchen a zu zwei Guibal'sche Ventilatoren von 7m Durchmesser gelangen.

Da östlich der Hauptwetterstrecke eine Fahrstrecke von geräumigen Dimensionen, von der ersteren durch einen unverritzten Kohlenpfeiler getrennt, vorhanden war, so lag der Gedanke nahe, diese zur ausziehenden Strecke des Oststromes in der Absicht zu machen, daſs durch völlige Trennung beider Ströme und ein gleichzeitiges Arbeiten beider Ventilatoren auf die getrennten Luftströme eine entsprechende Vermehrung der Wettermengen erzielt werde, welche bisher bei 60 Umdrehungen eines Ventilators in der Minute und 40mm Depression etwa 1100cbm minutlich betragen hatten. Zu dem Ende wurde die Fahrstrecke mit dem Saugkanal des Ventilators I durch das seigere Ueberbrechen b verbunden und sowohl in der Grundstrecke der 2. Tiefbausohle wie in dem Wetterkanal an den Punkten c und d Wetterthüren aufgestellt. Die nach Ausführung dieser Maſsnahmen mit beiden Ventilatoren gleichzeitig angestellten Versuche sind in nachfolgender Tabelle I zusammengestellt.

Tabelle I.

Nr. d. Versuches Ventilator I Ventilator II Summe der Luft-mengen beigeschloss. | geöffnetenWetterthür in der2. Sohle von Ventila-tor I und II. Tourenzahlin 1 Minute Depression Minutliche Luftmengebei Tourenzahlin 1 Minute Depression Minutliche Luftmengebei geschloss. geöffneten geschloss. geöffneten Wetterthüren in der2. Sohle Wetterthüren in der2. Sohle 1 30 mm15 cbm290,3 cbm304,4 30 mm13 cbm310,4 cbm259,4 cbm 600,7 cbm 563,8 2 40 21 380,0 420,7 40 17 388,0 367,2 776,0 787,9 3 50 28 450,1 540,4 50 28 479,2 447,9 929,3 988,3 4 60 38 553,3 614,5 60 42 581,0 526,2 1134,3 1140,7

Aus dieser Tabelle geht hervor, daſs die alleinige Wirkung der Trennung der Wetterströme nebst den zugehörigen Ventilatoren in einer veränderten Vertheilung der Luftmengen auf das östliche (Ventilator I) und westliche (Ventilator II) Grubenfeld besteht, während die Gesammtmenge der angesaugten Wetter in beiden Fällen constant geblieben ist. Der erstere Punkt wird genügend durch den Umstand erklärt, daſs die Wetterwege des Ostfeldes (Ventilator I) erheblich kürzer als diejenigen des Westfeldes sind, in Folge dessen bei geöffneten Thüren dem ersteren eine relativ gröſsere Luftmenge zugeführt werden muſste.

Bekanntlich hat man die eigenthümliche Erscheinung, daſs zwei Centrifugalventilatoren von gleicher Construction und gleicher Umdrehungsgeschwindigkeit, welche auf eine gemeinschaftliche Wetterstrecke arbeiten, keine gröſsere Luftmenge zu fördern vermögen, als ein Ventilator unter gleichen Verhältnissen, durch die Entstehung von Luftwirbeln u. dgl., sowie durch die Unmöglichkeit zu erklären versucht, beiden Ventilatoren einen genau übereinstimmenden Gang zu geben und dem entsprechend eine gleiche Depression zu erzeugen. Der Unhaltbarkeit dieser Erklärung gegenüber, welche durch die Ziffern der beiden letzten Spalten in Tab. I bewiesen wird, dürfte Folgendes die fragliche Erscheinung unter den richtigen Gesichtspunkt bringen.

Die Beziehung, welche zwischen dem in der Zeiteinheit geförderten Luftvolum V, der Depression h und dem in der Luftleitung auftretenden Widerstand w stattfindet, läſst sich in ihrer einfachsten Form durch die Gleichung V=\alpha\sqrt{\frac{h}{w}} darstellen, in welcher α einen gewissen Coefficienten bezeichnet. Beachtet man nun, daſs die Depression h, welche der Ausdruck der luftbewegenden Kraft ist, nur von der Construction, den Dimensionen und der Umdrehungsgeschwindigkeit des Ventilators und der Widerstand w nur von der Beschaffenheit der Wetterwege (Länge, Querschnitt) abhängt, so folgt daraus unmittelbar, daſs so lange der letztere (wie im vorliegenden Falle) nicht geändert wird, auch V durch die gleichzeitige Arbeit mehrerer Ventilatoren nicht verändert werden kann, weil die Depression h der angeführten Thatsache zufolge constant bleiben muſs. Der einzige Unterschied in dem Falle, daſs n Ventilatoren statt eines einzigen arbeiten, wird vielmehr nur darin bestehen, daſs im ersteren Falle die von jedem Ventilator geleistete Arbeit nur 1/n der von dem allein arbeitenden Ventilator erreichten ist, während die Gesammtarbeit Vh ungeändert bleibt. Aus Vorstehendem folgt das für die Anordnung von Ventilationsanlagen bemerkenswerthe Ergebniſs, daſs es durchaus unmöglich ist, einem Grubenfelde durch Vermehrung der Zahl der Ventilatoren eine vergröſserte Luftmenge zuzuführen, wenn nicht die Lage derselben so gewählt ist, daſs dadurch eine erhebliche Abkürzung der Wetterwege erzielt wird. Aber selbst in dem letzteren Falle wird immer erwogen werden müssen, ob nicht durch Neuanlage eines einziehenden Schachtes dasselbe Ziel (Abkürzung der Wetterwege) erreicht werden kann; letzteren Falls würde die Neuanlage eines Ventilators fehlerhaft sein, wie auch in gleicher Weise die häufig vorkommende Anordnung verurtheilt werden muſs, zwei je an den Enden eines Grubenfeldes liegende Ventilationsanlagen durch einen in der Mitte des letzteren liegenden einziehenden Schacht zu speisen. Die Concentration des Betriebes spielt hiernach bei den Centrifugalventilatoren eine noch mehr hervorragende Rolle, wie bei den meisten übrigen Arbeitsmaschinen; der innere Grund hierfür liegt, wie die oben angeführte Formel unmittelbar erkennen läſst, in dem Umstände, daſs die Arbeit eines Ventilators von gegebenen Dimensionen und gegenbener Umdrehungsgeschwindigkeit zwischen den Grenzen 0 und ∞ variiren kann.

Um die oben mit den beiden Grubenventilatoren erhaltenen Resultate gegen Einwürfe, welche aus der hypothetischen Wirksamkeit zufälliger Ursachen secundärer Natur abgeleitet werden könnten, zu sichern und um zugleich die praktische Ausführbarkeit einer Methode zu erproben, welche für den gleichzeitigen Gang zweier Ventilatoren bereits anderweitig

Vgl. Devillez: Ventilation des mines (Mons 1875), S. 207.

vorgeschlagen ist, wurden zwei kleine Centrifugalventilatoren gleicher Construction von etwa 0m,5 Durchmesser in der Weise neben einander aufgestellt, daſs jeder derselben mit einer Rohrleitung aus Schmiedeisen von 26mm lichtem Durchmesser und 76m gröſster Länge verbunden wurde (vgl. Fig. 2 Taf. 4). In 1m,46 Abstand von den Ventilatoren waren beide Leitungen durch ein Querrohr von gleichem Durchmesser verbunden, während an ihren Enden Zinkrohre von 1m Länge und 100mm Durchmesser zur Aufnahme der Casella'schen Anemometer angebracht waren. An den Punkten a, b und c befanden sich gut schlieſsende Hähne mit weiten Bohrungen; auſserdem war die Einrichtung getroffen, daſs die Saugöffnung des Ventilators II mit der Ausblaseoffnung von Ventilator I durch einen kupfernen Krümmer von 84mm Durchmesser verbunden werden konnte, somit die angesaugte Luft nach entsprechender Stellung der Hähne a, b, c gezwungen wurde, beide Ventilatoren hinter einander zu durchströmen. Auf den Saugstücken der Ventilatoren waren Ansatzrohre angebracht, welche durch Gummischläuche mit entsprechenden Manometern in Verbindung standen. Sämmtliche Versuche wurden bei derselben Umdrehungsgeschwindigkeit (etwa 830 Umdrehungen der Ventilatoren in der Minute) angestellt, nachdem die Riemenscheiben der Ventilatoren mit einer durch Dampfkraft bewegten Transmissionswelle in Verbindung gesetzt waren und durch controlirende Anemometerversuche in den Saug- und Ausblaseöffnungen die Dichtigkeit der Rohrleitung festgestellt war.

Durch die Ziffern der umstehenden Tabelle II wird das oben für die Guibal'schen Grubenventilatoren gefundene Resultat, daſs eine Trennung der Luftströme ohne Einfluſs auf die Gesammtnutzleistung ist, bestätigt. Andererseits erhellt aus denselben, daſs eine erhebliche Zunahme der geförderten Luftmenge und der Depression nur in dem Falle stattfindet, wenn beide Ventilatoren hinter einander arbeiten. Obwohl die beobachteten Depressionen erheblich schwanken, was durch die Unmöglichkeit, der Maschine einen in jedem Zeitmomente völlig gleichmäſsigen Gang zu ertheilen, verursacht wurde, darf man doch

Tabelle II.

Nr. d. Versuches Verbindungs-weise desRohrsystems BezeichnungderbetriebenenVentilatoren MinutlicheLuftmenge imRohrsystem Summe derLuftmenge Drepressionvon Länge deseinfachenRohrsystems Die Ventilatorenarbeiten neben(n) oder hinter (h)einander Ventilat. I Ventilat. II I II 1 b geschlossen I l 87,3 l 87,3 l 174,6 mm37 mm– m76 n a, c offen 2 a, b, c offen I und II 88,7 90,6 179,3 42 48 76 n 3 a geschlossen I und II 84,4 91,5 175,9 40 38 76 n b, c offen 4 b geschlossen I und II 113,6 119,2 232,8 34 78 76 h a, c offen 5 Desgleichen II 92,0 92,6 184,6 – 48 76 h 6 Desgleichen I und II 168,9 174,6 343,5 39 91 34 h 7 Desgleichen I 118,3 125,9 244,2 37 – 34 h 8 Desgleichen I 128,8 131,1 259,9 48 – 34 n 9 c geschlossen II 139,2 142,6 281,8 – 50 34 n a, b offen 10 a, b, c offen I und II 126,9 129,7 256,6 43 65 34 n 11 a geschlossen I und II 120,2 133,6 253,8 42 47 34 n b offen 12 b geschlossen I 757,0 272,4 1029,41 38 – 2,5 n a, c offen 13 Desgleichen I und II 749,4 677,8 1427,2 42 90 2,5 h

annähernd die Steigerung der Depression, welche in dem erwähnten Falle eintritt, wie 1 : 2 annehmen. Dies entspricht auch der theoretischen Vorstellung, nach welcher die erhöhte Wirksamkeit von zwei hinter einander arbeitenden Ventilatoren darauf beruhen muſs, daſs zunächst der äuſsere (mit der äuſseren Atmosphäre direct in Verbindung stehende) Ventilator in seinem Saugraum eine gewisse Depressionsgröſse erzeugt, welche von dem inneren (an die Rohrleitung unmittelbar angeschlossenen) Ventilator um denselben Betrag – insofern er wie im vorliegenden Falle gleiche Construction und gleiche Geschwindigkeit besitzt – erhöht wird.

Die Vermehrung des Luftvolums berechnet sich im Mittel aus den angegebenen Zahlen für die Versuche Nr. 1 bis 5 zu 30, für Nr. 6 bis 11 zu 32 und von Nr. 12 bis 13 zu 38 Proc.

Bei der Ausführung des Projectes, den Anschluſs groſser Guibal'scher Ventilatoren in dem besprochenen Sinne zu bewirken, muſs selbstverständlich die möglichste Verkleinerung des Luftwiderstandes den wichtigsten Gesichtspunkt bilden. Hätte es sich daher um Herstellung einer Neuanlage gehandelt, so würde man den inneren Ventilator möglichst nahe dem äuſseren rechtwinklig gegen denselben und zwar in einem etwas erhöhten Niveau so aufgestellt haben, daſs der horizontale Diffuser desselben direct in die Säugöffnung des äuſseren gemündet hätte. In Anbetracht des Umstandes, daſs es sich hier um einen ersten mit möglichst geringen Kosten auszuführenden Versuch handelte, dessen Gelingen trotz der angestellten Vorversuche keineswegs gesichert war, und localer Schwierigkeiten wegen, welche sich einer gänzlich unterirdischen Verbindungsweise entgegenstellten, wurde zu Stangenmühle der in Fig. 3 Taf. 4 veranschaulichte Entwurf ausgeführt. Hiernach fallen die im Diffuser a des inneren Ventilators II aufgestiegenen Wetter durch den Schornstein b zurück und gelangen durch den abfallenden Kanal c in den alten Wetterkanal d, von wo sie dem äuſseren Ventilator I zugeführt werden.

Die Resultate der unmittelbar nach Fertigstellung dieser Arbeiten ausgeführten Versuche sind in nachstehender Tabelle III niedergelegt. Dieselben wurden in der Weise ausgeführt, daſs die directe Verbindung zwischen dem Ventilator I und den Grubenbauen aufgehoben war, derselbe also nur durch den Ventilator II mit jenen verbunden werden konnte.

Tabelle III.

Nr. des Versuches Ventilator I(allein arbeitend) Ventilator II(allein arbeitend) Ventilator I und II(gleichzeitig arbeitend) Tourenzahlin 1 Minute Depression MinutlichesLuftvolum Tourenzahlin 1 Minute Depression MinutlichesLuftvolum Tourenzahlin 1 Minute Depressionam MinutlichesLuftvolum Ver-mehrungs-coefficient Vent. I Vent. II 1 30 mm 7 cbm 517,6 30 mm 4 cbm 519,4 30 mm 7 mm14 cbm 729,0 1,40 2 40 13 624,7 40 10 629,3 40 15 27 931,0 1,48 3 50 23 701,2 50 15 804,7 50 25 40 1202,6 1,59 4 60 37 914,2 60 23 946,4 60 38 60 1440,9 1,55 5 70 49 1157,8 70 30 1216,9 70 50 78 1704,9 1,44 6 80 58 1260,0 80 37 1410,8 80 60 94 2047,1 1,53 Mittel = 1,50

Nach dieser Tabelle sind die von Ventilator I und II bei ihrer Einzelarbeit geleisteten Luftmengen gleich, während die Ziffern der Depressionsspalten von Ventilator I ihren früheren Werth (vgl. Tab. I) behalten, dagegen diejenigen von Ventilator II nicht unerheblich gesunken sind. Diese Erscheinung ist in folgender Weise zu erklären.

Die totale von einem Ventilator erzeugte Depression, welche nur eine Function seiner Dimensionen (Construction) und seiner Umdrehungsgeschwindigkeit ist, zerfällt in zwei Theile, einen statischen, welcher das Ansaugen der Luft bewirkt und an dem in der Saugöffnung angebrachten Manometer vollständig zur Erscheinung gelangt, und einen dynamischen, welcher auf die Entfernung der angesaugten Luft durch den Diffuser und die etwa an ihn angeschlossene Leitung in die äuſsere Atmosphäre verwendet wird. Die Summe dieser beiden letzteren ist unter übrigens gleichen Umständen, wie oben bemerkt, constant, so daſs, wenn h die totale, h1 die statische und h2 die dynamische Depression bezeichnet, die Gleichung h = h1 + h2 stattfindet. Im vorliegenden Falle hat in Bezug auf den Ventilator II durch den Anschluſs des Ventilators I eine bedeutende Vermehrung der dynamischen Depression stattgefunden, welche sich durch die Verminderung der statischen Depression (h1 = h – h2) kundgibt. Hieraus folgt weiter, daſs eine Verminderung der statischen Depression nicht ohne weiteres einen Kraft- bezieh. Luftvolumsverlust bedingt; denn man kann sich beispielsweise einen Ventilator unter gleichen Bedingungen seiner Arbeit auf die Wettersohle versetzt denken, wobei die statische Depression jedenfalls eine bedeutende Aenderung erleiden würde, während die totale und das geförderte Luftvolum constant bleiben würden.

Die Ziffern der Depressionsspalte des Ventilators II bei der gleichzeitigen Arbeit von Ventilator I und II stellen ferner annähernd die bezüglichen Summen der analogen Depressionen von Ventilator I und II (allein arbeitend) dar, so daſs auch hierdurch das schon erwähnte Gesetz bestätigt wird, nach welchem bei gleichzeitigem Arbeiten mehrerer Ventilatoren die Summe der Einzeldepressionen erzielt wird, welche beim Arbeiten der einzelnen Ventilatoren in derselben Verbindungsweise erreicht wird. Da selbstverständlich auch für die Verbindung zweier Ventilatoren das Gesetz von der Proportionalität zwischen den Quadratwurzeln aus den Depressionen und den Luftvolumen gilt, so würde man im idealen Grenzfalle durch das gleichzeitige Arbeiten von zwei Ventilatoren höchstens das √2 = 1,414fache desjenigen Luftvolums erhalten können, welches ein Ventilator bei gleicher Umdrehungsgeschwindigkeit liefert. Zugleich erhellt hieraus, daſs man, auch abgesehen von praktischen Gründen, nie mehr als zwei Ventilatoren mit einander verbinden wird. Denn da bei Verbindung von n Ventilatoren, die geförderte Luftmenge nur das √n fache des einfachen Ventilators beträgt, so würden beispielsweise zur Verdopplung des ersteren schon 4, zur Verdreifachung schon 9 Ventilatoren erforderlich sein u.s.w.

Aus einem Vergleich der Ziffern der beiden letzten Spalten von Tab. I mit der letzten Spalte von Tab. III geht hervor, daſs im gegenwärtigen Falle die Zunahme des Luftvolums durch den gleichzeitigen Betrieb von zwei Ventilatoren nur 25,8 Proc. betragen hat, während theoretisch 41,4 Proc. hätten erhalten werden müssen. Die Differenz von 15,6 Proc. rührt zum Theil von dem Widerstand her, welchen der zweite Ventilator, und zum Theil von demjenigen her, den die Verbindung von Ventilator I und II dem Durchgange der Luft entgegensetzt.

Aus dem Grunde einerseits, daſs der Anschluſs der Ventilatoren an einander, wenn dieselben einzeln arbeiten, eine Verminderung des Luftvolums um 19,7 Proc. dem Falle gegenüber bewirkt, wo die Luft den zweiten Ventilator nicht passirt, sowie andererseits, daſs die letzte Spalte der Tabelle III einen wesentlich bedeutenderen Zunahmecoefficienten aufweist (1,50) als der theoretische ist (1,414), muſs man den Schluſs ziehen, daſs der Widerstand des Ventilators erheblich gröſser ist wie derjenige der Verbindungsleitung zwischen Ventilator I und II. Diesen letzteren Verlust, welcher etwa auf 5 Proc. zu veranschlagen ist, wird man durch zweckmäſsige Construction der Verbindungsleitung fast ganz vermeiden können, während die Möglichkeit der Verminderung des ersteren durch den Umstand, daſs bei den in Tab. II mitgetheilten Versuchen, wo die Luft den Ventilatoren nicht central, sondern tangential zugeführt wurde, die Vermehrung des Luftvolums 32 bis 38 Proc. betragen hat, dargethan ist.

Nach der gegenwärtigen Sachlage würde also die Leistung eines Guibal'schen Doppelventilators ungefähr das 1,30fache des einfachen Ventilators oder ca. 30 Proc. mehr betragen. Hierbei ist indessen vorausgesetzt, daſs die Ventilatoren gleiche Geschwindigkeit besitzen, für welchen Fall ein Maximum des Effectes stattfindet, wie man auch ohne analytische Herleitung aus dem Umstände erkennt, daſs das Minimum in dem Falle eintritt, wenn bei hergestellter Verbindung zwischen beiden Ventilatoren nur einer arbeitet. Dieser letztere Fall wird daher in der Praxis ganz zu vermeiden und deshalb immer auf die Herstellung einer Einrichtung Bedacht zu nehmen sein, welche beim Gange nur eines Ventilators den directen Austritt der Luft in die Atmosphäre gestattet.

Die Volumvermehrung der angesaugten Luft um 30 Proc., welche dem gleichzeitigen Betrieb von zwei Ventilatoren entspricht, würde, wenn dieselbe durch den Betrieb eines Ventilators erreicht werden sollte, statt eines Ventilators von 7m Durchmesser die Aufstellung eines solchen von 9m Durchmesser verlangen unter der Voraussetzung, daſs die Breite des letzteren entsprechend vergröſsert, die zulässige maximale Tourenzahl aber entsprechend verringert würde. Es erscheint daher selbstredend dort, wo bereits zwei Ventilatoren vorhanden sind, zweckmäſsig, die zur Verbindung derselben erforderlichen Einrichtungen zu treffen, welche meistens nicht sehr erhebliche Kosten beanspruchen werden.

Im Falle einer Neuanlage aber sind ganz ähnliche Erwägungsgründe, aus welchen bei der Wasserhaltung zwei Maschinen von mäſsiger Kraft den Vorzug vor einer von doppelter Stärke verdienen, für das System des Doppel Ventilators geltend zu machen, wenigstens in dem Falle, wenn an dem Grundsatz festgehalten wird, daſs für den regulären Betrieb die Kraft eines Ventilators genügen und nur unter auſsergewöhnlichen Verhältnissen diejenige beider zusammen in Anspruch genommen werden soll.

Louisenthal bei Saarbrücken, December 1877.