Titel: Von den Dampfmaschinen in Cornwallis und ihren außerordentlichen Leistungen.
Autor: Bernoulli, Christoph
Fundstelle: 1835, Band 55, Nr. XXX. (S. 165–173)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj055/ar055030

XXX. Von den Dampfmaschinen in Cornwallis und ihren außerordentlichen Leistungen. Von C. B.

In den Bergwerken von Cornwallis und Devonshire wird die Herausförderung der Erze und namentlich die der Grubenwasser, da wenig Wasserfälle vorhanden sind, fast ausschließlich mit Hülfe von Dampfmaschinen verrichtet. Um so mehr mußte man aber darauf bedacht seyn, mit denselben möglichst viel zu leisten, da mit dem Tieferwerden der Gruben der Bedarf an Kraft immer zunimmt, und überdieß die Steinkohlen bis zur Grube geliefert, ziemlich hoch (zu 10–12 P. der Cntr.) zu stehen kommen.

Man hat daher einerseits die Construction der Pumpen und der Abzugsstellen möglichst vervollkommnet, so daß beim Heben des Wassers weniger Kraft verloren geht, und nur weniges Wasser wieder zurükfließt. Andererseits hat man den Nuzeffect der Dampfmaschinen hinsichtlich des Brennstoffes mehr und mehr zu erhöhen sich bemüht.

Alle diese Bemühungen haben den erwünschtesten Erfolg gehabt; insbesondere sezen aber die Leistungen der neuen Dampfmaschinen in Erstaunen.

Vor 20 Jahren hob man (wie die von Zeit zu Zeit amtlich ausgenommenen Leistungen zeigen) mit 1 Bushel (84 Pfd.) Steinkohle nur 20–22 Mill. Pfd. Wasser 1' hoch.

1830 hob 1 Bushel im Durchschnitt (bei 59 Maschinen) 43,3 Mill. Pfd., und 1833 sogar 45,8 Mill. Pfd.

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Diese Zunahme rührt hauptsächlich von dem außerordentlichen Nuzeffect der neu errichteten Maschinen her, wo er oft auf 70 und mehr Mill. (bei der von Whealvor sogar auf 85 Mill. Pfd.) stieg.

Rechnet man die Pferdekraft zu 33,000 Pfd. 1' hoch per Minute oder zu 2 Mill. Pfd. per Stunde, so consumirt eine Maschine, die mit 84 Pfd. Kohle 24 Mill. Pfd. hebt, 84/12 = 7 Pfd. Kohle per Pferdekraft und per Stunde; eine Maschine, die 56 Mill. hebt, nur 84/28 oder 3 Pfd. Kohle, und eine, die 84 Mill. hebt, nur 84/42 oder 2 Pfd.

Bekanntlich verbrauchen aber sonst die besten Maschinen 6–7 Pfd. Steinkohlen per Stunde und per Pferdekraft. Obige leisten demnach im Durchschnitte das Doppelte; und mehrere fast 3 Mal so viel. Und dennoch ist in die Richtigkeit dieser Daten nicht der mindeste Zweifel zu sezen. Allerdings wird das Quantum des gehobenen Wassers nicht gemessen, sondern berechnet, und ohne Zweifel ist das reell zu Tage geförderte Wasserquantum (weil einiges stets zurükfließt) geringer; in der That aber drükt die durch Berechnung gefundene Summe die wirklich durch die Maschine überwältigte Last aus.44)

Dieser so ganz außerordentliche Nuzeffect der Cornwallis'schen Dampfmaschinen muß offenbar, obschon verschiedene Umstände mitwirken, hauptsächlich der ausgezeichnet vortheilhaften Einrichtung derselben zuzuschreiben seyn. Sehr erwünscht waren daher die Berichte, die jüngst der französische Ingenieur Combes (in den Annales des Mines, 1834) darüber bekannt machte, und welche die Beschreibung und Abbildung einer der neuesten (in den Consolid. Mines errichteten) Maschinen enthalten. Wir können aus dieser Abhandlung nur das Wesentlichste hier mittheilen.

Im Jahre 1833 stieg die Zahl der zum Herauspumpen der Grubenwasser thätigen Dampfmaschinen auf 62. Alle diese Maschinen sind einseitig wirkende Expansivmaschinen. Der Dampfdruk bewirkt bloß den Niedergang des Kolbens. Die Kolbenstange zieht an einem Balancier, an dessen anderem Ende meist unmittelbar das Pumpgestänge angebracht ist. Gewöhnlich aber hat der Balancier |167| ungleiche Arme, so daß der Dampfkolben einen größeren Lauf hat, als die Pumpkolben.

Bei der von Combes näher beschriebenen Maschine (die wir hier C nennen wollen) wiegt der Balancier 25 Tonnen. Der eine Arm ist 18' 9'', der andere 14' lang; die Kolbenstange steigt um 11', die Pumpstange um 8'.

Das Einströmen des Dampfes wird bei 1/4 des Laufes oder auch früher (bis 1/8) abgesperrt. Er wirkt von da an durch Expansion, wird aber bei derselben Temperatur erhalten, indem der ganze Cylinder mit einem Mantel umgeben ist.

Diesem Mantel, der alle Condension von Dampf im Cylinder hindert, wird ein bedeutender Nuzen zugeschrieben.

Außerdem ist der Cylinder in einem hölzernen 1' weiten und mit Sägespänen gefüllten Gehäuse eingeschlossen, das alle Entweichung von Wärme hindert, und auf ähnliche Weise sind alle Dampfröhren verwahrt.

Bei C hat der Cylinder einen Durchmesser von 80''.

Insgemein arbeiten die Maschinen mit einem Dampfe von 2 1/2 bis 2 2/3 Atm. Druk, und der Condensator so vorzüglich, daß das Barometer fast unverändert auf 28'' steht, und der Gegendruk auf die Rükseite des Kolbens also nur 2'' oder 1/15 Atm. beträgt.

C hat 2 Luftpumpen von 27'' Diam. und 6' Hub, deren Stangen am kürzeren Arme des Balanciers angehängt sind. Die Ventile sind Klappen, die aber nicht aus Leder, sondern aus zwölf zusammengenähten Lagen von sehr dichtem Tuch gebildet und äußerst dauerhaft sind.

Der Dampf wird in langen cylindrischen Kesseln von Eisenblech mit innerer Feuerröhre erzeugt.

C hat 3 solcher Kessel, wovon jedoch oft nur einer oder zwei in Gang sind. Sie sind 36' lang und 7' weit. Das Blech 7/16'' dik. Die Feuerröhre ist 4' weit. Vorn ist ein 4' langer Rost. Hinter dem Feuer- und Aschenraum ist eine Baksteinwand, so daß der Rauch durch eine nur 9'' hohe Oeffnung in die innere Röhre gelangt. Von da zieht er durch einen Canal unter dem Kessel durch, und dann durch 2 Seitencanäle nach einem gemeinschaftlichen Schornstein. Dieser ist nicht besonders hoch, aber weit.

Manche Kessel haben 2 Schwimmer. Der eine wirkt auf den Hahn einer in eine Pfeife endigenden Röhre, so daß durch diese noch der Wärter avertirt wird, wenn je der Wasserstand zu tief fällt.

Zur Steuerung dienen 4 Ventile, Muschelventilen ähnlich, aber von eigenthümlicher Construction. Sie sind sehr weit, und öffnen |168| sich leicht und plözlich, so daß der Dampf nur geringen Widerstand erfährt.

Durch das erste Ventil, governor valve (das die gewöhnliche throttle valve vertritt), gelangt der Dampf in die Dampfbüchse. Durch die Stellung desselben wird die Menge des gleichzeitig wirkenden Dampfes regulirt.

Durch das zweite, admission valve, gelangt der Dampf in den Cylinder über den Kolben. Es wird, so wie die Absperrung eintreten soll, alsobald früher, bald später geschlossen. Auch durch diese kann also die Kraft erhöht oder vermindert werden.

Das dritte Ventil, aequilibrium valve, öffnet sich, wenn der Kolben seinen Niedergang vollendet hat und wieder steigen soll. Es stellt nämlich vermittelst einer weiten Röhre eine Verbindung zwischen dem oberen und unteren Theile des Cylinders her, so daß nun der Dampf auf beide Seiten des Kolbens den gleichen Druk ausübt, und das Gewicht des Pumpengestanges sofort den Aufzug des Kolbens bewirken mag.

Das vierte Ventil endlich, exhaustion valve, das sich öffnet, so oft ein Niedergang des Kolbens beginnt, gestattet dem Dampf den Abzug in den Condensator.

Jene Verbindungsröhre so wie diese Abzugsröhre ist auffallend weit (bei C an 24''), so daß der Dampf leicht durchzieht, und beide sind, wie bemerkt, gut gegen alle Abkühlung verwahrt.

Ohne Zweifel verdanken diese Maschinen ihre ökonomische Vorzüglichkeit insonderheit der eben so eigenthümlichen als vortrefflichen Regulirung ihrer Verrichtungen, denn dadurch wird wohl hauptsächlich eine ungewöhnliche Benuzung der Dampfkraft erhältlich. Diese genaue Regulirung des Dampfverbrauches nach dem Bedarf an Kraft ist dabei um so merkwürdiger, da hier eben leztere sehr veränderlich ist.

Wie schon bemerkt hat die Dampfkraft bloß die Hebung der Pumpenstangen zu verrichten, indem ihr Gewicht den Kolben wieder zurükzieht. Dieses Gewicht ist indessen so ungeheuer groß, daß es bei weitem das der zu hebenden Wassersäule übertrifft. Mit Ausnahme der untersten sind in der Regel daher alle Pumpsäze Drukpumpen mit massiven Kolben oder plungers, die beim Niedergehen des Gestänges und durch dessen Gewicht arbeiten;45) überdieß aber noch mehrere Gegengewichte angebracht, welche das Gestänge zu heben streben.

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Die Maschine C z.B. hebt das Wasser 200 Fathoms oder 1200' hoch, und die 5 plungers haben 1' im Durchmesser. Die Last der zu bewegenden Wassersäule ist also = 11/14 × 1 × 1200 × 62 1/2 oder an 60,000 Pfd. (28 Tonnen). Die Last des Gestänges, das großen Theils aus doppelten fichtenen Balken von 1' ins Gevierte besteht, ist aber mit Inbegriff der plungers und des Eisenwerks wohl mehr als drei Mal größer, und diese Last, auf die Kolben wirkend, würde nicht nur leztere mit übermäßiger Geschwindigkeit herabdrüken, sondern auch, um gehoben zu werden, einen unnüzen Aufwand an Kraft erfordern. Das Gestänge stüzt sich daher auf Wagebäume, deren Arme mit Gegengewichten (auch wohl Wassersäulen) beschwert sind (bei C beträgt diese an 45 Tonnen), so daß ihm so viel Uebergewicht verbleibt, um die Pumpen, und zwar mit der erforderlichen Geschwindigkeit, herabzudrüken.

Da die Geschwindigkeit, mit der die Pumpen abwärts gehen, von jenem Uebergewichte und also von der Masse der Gegengewichte abhängt, so wird dasselbe ein erstes Mittel die Arbeit zu reguliren. Denn gesezt bei jedem Zuge würden 6 Kub.' Wasser gehoben, und in einer Minute müßten 48 K.' gehoben weiden, so wären per Minute 8 Hube nöthig, jeder dürfte nur 7 1/2 Sec. Zeit erfordern; und hätte der Niedergang des Dampfkolbens in 2 1/2 Sec. Statt, so müßte das Gegengewicht so berechnet seyn, daß ein Niedergang der Pumpen höchstens 5 Sec. brauchte. Müßten die Pumpen schneller arbeiten, so würde das Gegengewicht vermindert, und im umgekehrten Falle vermehrt.

Da jedoch der Bedarf an Kraft fast beständig sich ändert, indem sich bald mehr, bald weniger Wasser in der Grube vorfindet, so wendet man noch ein anderes Mittel an, dieselbe zu reguliren. Es ist dieß eine Vorrichtung, wodurch man zwischen jedem Hube eine beliebig lange Pause eintreten lassen kann. Dieser sinnreiche Apparat (cataracte genannt) besteht in einer kleinen durch den Balancier gezogenen Pumpe, die bei jedem Hube etwas Wasser hebt, und einem Hahne, durch den man es mehr oder weniger schnell ausfließen läßt; und daraus ergibt sich eine kleinere oder größere Pause, bevor die Steuerungsstange die Dampfventile wieder in Bewegung sezt.

So vollziehen die meisten Maschinen gewöhnlich nur einige wenige (2 bis 3) Hube per Min., indem man zwischen jedem einen Stillstand von 10, 15 und mehr Secunden eintreten läßt.

Da endlich die Stifte, welche die Ventile bewegen, unahängig von einander gestellt werden können, so läßt sich nach Gutfinden der Augenblik ihres Thätigwerdens verändern. Man kann hiemit leicht |170| das Einströmen des Dampfes früher oder später absperren, so daß zu jeder Zeit gerade nur so viel Dampf verwendet wird, als zur Verrichtung der vorhandenen Arbeit erforderlich ist. Man läßt zuweilen nur so viel Dampf ein, oder sperrt ihn dergestalt ab, daß er eben vermögend ist, einen ganzen Lauf des Kolbens zu bewirken; und eine Vorrichtung am Ende des Balanciers gibt bei jedem Schwunge zu erkennen, ob der Kolben mit zu viel oder zu wenig Kraft sinkt. Eben so kann, da die Hube in der Regel nicht unmittelbar auf einander folgen, die Exhaustionsklappe stets um etwas früher als die Admissionsklappe geöffnet werden, so daß, bevor der Dampf wirkt, unter dem Kolben eine vollständige Condensation Statt findet.

Die Regulirung dieser Maschinen ist übrigens allgemein einem eigentlichen Maschinisten anvertraut, der einerseits die Katarakte und die Ventilstange, andererseits die governor valve, je nachdem es das Pumpwerk erfordert, stellt. Ein Wärter besorgt nur die Feuerung.

Die außerordentlichen Leistungen, zumal der neueren Dampfmaschinen in Cornwallis, haben demnach hauptsächlich darin ihren Grund, daß

1) der Dampf in besonders vortheilhaft gebauten Kesseln erzeugt wird;

2) daß aller Wärmeverlust möglichst verhindert wird;

3) daß von demselben Quantum Dampf ein ungewöhnlicher dynamischer Effect erhalten wird, indem man das Expansivprincip in einem ausnehmend hohen Grade benuzt;

4) daß man in Folge des trefflichen Regulirsystemes und der Klappen etc. nur sehr wenig Kraft verliert, und hiemit nur wenig Dampf nuzlos verwendet.

So sehr endlich die neuesten Angaben über den Nuzeffect, der mit 1 Bushel Steinkohlen erreicht wird, in Erstaunen sezten, so ist ein solcher auch nach den gegenwärtigen Principien der Dampfphysik keineswegs unglaublich.

Bei einem Dampfdruke von 2 1/2 Atm. ist der Druk per □'' = 37 1/2 Pfd. (engl.) und bei einem Gegendruk von 1 1/2 Pfd. der effektive = 36 Pfd.

Nimmt man die Absperrung bei 1/5 des Laufes an, so ist (nennen wir f die Fläche des Kolbens in □'', und l die Länge des Hubes in Fußen) der Effect

während des 1sten Fünftheiles des Laufes = fl/5 × 36 Pfd.,

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während der 4 anderen Fünftheile = fl/5 × 51 Pfd. (Wie die höhere Rechnung zeigt, wenn der sich expandirende Dampf wie hier dieselbe Temperatur behält.)

Der Totaleffect also = fl/5 × 87 Pfd.

Die Menge des verbrauchten Dampfes = fl/5.

Da ferner 1 K.' Dampf von 2 1/2 Atm. Druk 0,085 Pfd. wiegt, und 1 Fußzoll D. 0,085/144 Pfd.,

so müssen theoretisch

0,085/144 Pfd. D. (von 2 1/2 Atm. Druk) 87 Pfd. 1' hoch heben, und hiemit 0,085 Pfd. D. 144 × 87 oder 12528; und 1 Pfd. Dampf circa 147400 Pfd. 1' hoch.

Bekanntlich ist nun die absolute Heizkraft von 1 Pfd. guter Steinkohle = 7050 W, und die bei den besten Kesseln zu utilisirende wird zu 4600 anzunehmen seyn.

Da aber zur Erzeugung von 1 Pfd. Dampf circa 650 W erfordert werden,46) so wird 1 Pfd. Steinkohle 4600/650 oder 7 Pfd. Dampf liefern, und demnach 1 Bushel oder 84 Pfd. Steinkohlen (würde alle Dampfkraft utilisirt) unter obigen Verhältnissen einen Effect = 84 × 7 × 147400 oder 86–87 Mill. Pfd. 1' hoch hervorbringen können.

Rechnet man also auch 1/5 für die Reibungen etc. ab, so ergibt sich, daß eine solche Maschine mit 1 Bushel Kohle an 70 Millionen Pfd. heben mag; bei einer noch vorzüglicheren Feuerung aber, und noch ausgedehnterer Benuzung des Expansionsprincips wird der Nuzeffect wohl über 80 oder 90 Millionen Pfd. steigen können.

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Versuchen wir noch eine Berechnung.

Die Taylor'sche Maschine (Nr. 2 der Tabelle) hebt das Wasser (mit 6 Pumpsäzen) 718' hoch.

Zu 315010 Hüben verbrauchte sie (im Jun. 1833) 3015 Bushel Kohlen und machte in 3 Minuten 20 Hube.

Der Dampfcylinder hat 70'' Durchmesser und jeder Hub 10'.

Die Pumpenkolben haben 17'' Durchmesser und heben sich 7 1/2' hoch.

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Der Nuzeffect findet sich also:

Da der Querschnitt der Pumpen = 11/14 × (17 . 17'')/144

= 1,578 □', so ist bei jedem Hube die gehobene Last

= 1,578 × 62 1/2 × 7 1/2 × 713 oder circa 525000 Pfd. 1' hoch und bei 315000 Huben = 165375 Millionen Pfd., und da dabei 3015 Bushel Kohle consumirt wurde,

die Leistung von 1 Bushel = 54 2/3 Mill. Pfd.

Der erforderliche Druk auf 1 □'' des Dampfkolbens ergibt sich auf folgende Weise: Das Gewicht der zu hebenden Wassersäule ist = 1,578 × 62 1/2 × 713 = 70000 Pfd.

Die Fläche jenes Kolbens = 11/14 × 70² = 3850 □''.

Bei gleicher Länge bei den Armen des Balanciers wäre der Druk per □'' = 70000/3850 oder 18,2 Pfd.

Da aber der Arm des Dampfkolbens im Verhältniß von 10 : 7 1/2 länger ist, so vermindert sich der erforderliche Gegendruk um 1/4 oder auf 13,6 Pfd.

Den Dampfconsum schäzen wir, indem wir annehmen, daß der Dampf bei 1/4 des Hubes (oder 2 1/2') abgesperrt werde.

Die Fläche des Kolbens ist = 3850/144 oder 26 2/3 □'.

Bei jedem Hube strömt also 26 2/3 × 2 1/2 oder 66 2/3 K.' ein, wofür wir (um die Erwärmung während der Expansion in Rechnung zu bringen) 72 K.' sezen.

Wiegt 1 K.' Dampf (von 2 1/2 Atm.) 0,085 Pfd., so werden bei 1 Hube 72 × 0,085 oder 6 Pfd. Dampf consumirt, und für 315000 Hube 1,890,000 Pfd., und da hiezu 3015 Bushel Steink. verwendet wurden, so hätte 1 Bushel 626 Pfd. und 1 Pfd. Steink. 7,4 Pfd. Dampf erzeugt.47)

Der Druk des Dampfes, wenn er ursprünglich dem von 2 1/2 Atm. gleichkommt, bei 1/4 des Laufes abgesperrt und gleich warm erhalten wird, und der Gegendruk kaum 1/10 Atm. stark ist – beträgt per □'' im Mittel aller 19 Pfd.

Da nun zur Ueberwindung obiger Last wenigstens ein Druk von 13,6 Pfd. erforderlich ist, so müssen hiemit wenigstens 72 Proc. oder fast 3/4 der dynamischen Kraft nuzbar verwendet werden, und wenig über 1/4 derselben durch die Reibung und die Nebenlasten verloren gehen.

Da endlich in 3 Minuten durchschnittlich 20 Hube geschehen, so kommen auf 1 Hub 9 Secunden Zeit; und da sich annehmen läßt, daß ein Niedergang des Dampfkolbens etwa 2 1/2, |173| und einer der Pumpen nur 3 1/2 Secunde brauchen, so wird zwischen jedem Hube eine Pause von etwa 3 Sec. eintreten können.

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Beträgt der Querschnitt der Pumpen 5/4 □', die Totalhöhe der Steigröhren 1100', und ist die Zahl der Pumpenzüge 6 per Min. von 8', so ist die Leistung (duty) oder Last = 5/4 × 1100 × 6 × 8 = 66,000 Kub.' 1' hoch, oder (1 K.' zu 62 1/2 Pfd.) = 4 1/8 Mill. Pfd. 1' hoch, oder per Stunde 248 Mill., und verbraucht man in dieser Zeit 5 Bushel Steinkohlen, so hebt 1 Bushel nahe an 50 Mill. Pfd. 1' hoch.

Multiplicirt man die Zahl der Mill. (Pfd. 1' hoch) mit 3,63, so findet man die Leistung in Dynamien oder in Tonnen (zu 1000 Kil.) 1 Met. hoch. Eine Leistung von 54 Millionen Pfd. per Bushel ist also = 54 × 3,63 oder 195 1/2 Tonnen per Kil.

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Eine umständliche Beschreibung dieser Pumpensäze geben die Annales des Mines im I. Bde. der III. Sér. Die plungers sind hohle Cylinder von Bronze, in die eine hölzerne Achse eingetrieben ist.

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Um den Dampf während der Expansion auf derselben Temperatur zu erhalten, wird zwar ein Aufwand von circa 50 W nöthig seyn; dagegen mag aber das Speisewasser ungefähr 50° C. heiß seyn.

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Bei den besten Einrichtungen erhält man sonst gegen 7 Pfd. Dampf.

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