Titel: Combes' Untersuchung einiger Beobachtungen über die Wirkungsweise des Dampfes bei Cornwall'schen Dampfmaschinen.
Autor: Combes,
Fundstelle: 1843, Band 89, Nr. XLI. (S. 161–166)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj089/ar089041

XLI. Untersuchung einiger Beobachtungen über die Wirkungsweise des Dampfes bei Dampfmaschinen, insbesondere bei den Entwässerungs-Dampfmaschinen mit Expansion in der Grafschaft Cornwallis. Von Hrn. Combes.

Aus den Comptes rendus, 1843, Bd. XVI S. 649.

In Folge einer im Jahre 1834 nach England unternommenen Reise veröffentlichte ich in den Annales des mines (tom. V, 1834) eine Abhandlung über die in der Grafschaft Cornwallis aufgestellten Entwässerungs-Dampfmaschinen und begleitete dieselbe mit einer Zeichnung, der ersten, welche über diese Maschinen erschien. Ich bezeichnete die Hauptursache ihrer Superiorität über andere Dampfmaschinen und stellte einige Berechnungen auf, die sich auf die Annahme gründeten, daß die Spannung des Dampfes in dem Cylinder im Momente des Absperrens des Admissionsventils gleich der Spannung in dem Dampfkessel sey, und daß die Spannung des Dampfes während seiner Expansion in dem Cylinder im umgekehrten Verhältnisse des Volumens variire. Auf dieser Reise war es mir unmöglich, mir die Elemente einer etwas vollständigen Discussion der Phänomene zu verschaffen, welche die Thätigkeit des Dampfes bei dieser Maschine aufweist; insbesondere fehlte mir die directe Beobachtung der Dampfspannung in dem Cylinder an den verschiedenen Stellen des Kolbenhubs, so wie des bei jedem Kolbenhube in den Cylindern consumirten Wassers. Die Wichtigkeit dieser beiden Elemente wurde seit dieser Epoche von den englischen Ingenieuren in Cornwallis, so wie von mir vollkommen gewürdigt. Hr. John Taylor hatte sich bei verschiedenen Gelegenheiten geäußert, wie wichtig es wäre, die Injection des Speisungswassers der Dampfkessel direct zu messen, und der Gebrauch des kleinen tragbaren Feder-Manometers, dessen Beschreibung ich in den Annales des mines (tom. XVI, 1839) mittheilte, war in England schon ziemlich verbreitet. Einige Jahre nach Veröffentlichung der erwähnten Abhandlung hatte ein französischer Mechaniker, Hr. Halette zu Arras, bereits Maschinen nach dem Cornwall'schen Systeme gebaut, und später wurden zwei solche Maschinen aus England nach Frankreich eingeführt, und die eine zu Rive-de-Gier, die andere in der Mine zu Rocher-Bleu in dem Departement Bouches-du-Rhone aufgestellt.

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Die Maschinen von Cornwallis erregten mehr und mehr die Aufmerksamkeit der englischen Ingenieure. Man brachte an den Cylindern dieser Maschinen das Feder-Manometer an und erhielt so die Curven der Spannungen. Bei einigen derselben maß man das Volumen des in die Kessel gepumpten Wassers mit Hülfe eines Hydrometers, auf dessen Erfindung von Hrn. Robert Fox in der polytechnischen Gesellschaft zu Cornwallis ein Preis ausgesezt worden war. Die Resultate wurden in den Verhandlungen der Gesellschaft englischer Civilingenieure veröffentlicht.

Im Jahr 1840 machte Hr. Piot, Zögling der écoles des Mines, eine wissenschaftliche Reise nach England. Er war beauftragt, über die veränderlichen Spannungen des Dampfes in den Cylindern vor und nach der Absperrung des Admissionsventils, über die Quantitäten des in den Dampfkesseln verdampften Wassers, über die Formen der Dampfkessel und über die Brennmaterial-Consumtion Beobachtungen anzustellen und zu sammeln. Hr. Piot konnte, Dank der Gefälligkeit des Hrn. Robert Fox, an den Cylindern dreier Maschinen einen Feder-Manometer anlegen und seinem Berichte die Curven der veränderlichen Dampfspannungen in diesen Cylindern beifügen.

Die Gestalt und Dimensionen der Dampfkessel, so wie der Brennmaterialverbrauch in einer gegebenen Zeit sind gleichfalls in seinem Tagebuch verzeichnet. Was die directe Messung des verdampften Wasserquantums betrifft, so konnte er darüber keinen directen Versuch anstellen, und die Notizen, welche er sich in Bezug auf diesen Gegenstand verschaffte, ermangelten der nöthigen Genauigkeit. Vor diesem Zeitpunkte hatte Hr. Thomas, Professor an der école centrale des Arts et Manufactures, an mehreren Maschinen, unter anderen an einer Hochdruk-Expansions-Dampfmaschine zu Charonne, einen Feder-Manometer in Anwendung gebracht, den ich aus England mitgebracht hatte. Er war so gefällig, mir das Resultat seiner Beobachtungen mitzutheilen, und lud mich ein, die Versuche mit ihm zu wiederholen. Er hatte die Thatsache constatirt, daß die Dampfspannung in dem Cylinder während der Expansion weit weniger rasch als im umgekehrten Verhältnisse des Volumens sich ändere. Diese Thatsache, welche sich in allen seinen Beobachtungen, die er anzustellen Gelegenheit hatte, wiederholte, tritt in der Curve der Spannungen, welche wir mit einander über die in Rede stehende Maschine zu Charonne entwarfen, sehr deutlich hervor.

Die hauptsächlichen Schlußfolgen, welche ich aus den von Hrn. Piot über die Maschinen von Cornwallis, und von Hrn. Thomas und von mir über die Maschine zu Charonne angestellten Beobachtungen abgeleitet habe, waren bereits von verschiedenen englischen |163| Schriftstellern über die Cornwall'schen Maschinen als Norm festgesezt. Ich hatte den Gegenstand der Société philomatique in den Sizungen des 21. und 28. Jan. d. I. mitgetheilt, als ich von den wichtigen Beobachtungen des Hrn. Wicksteed über den Wasserverbrauch bei zwei zu London aufgestellten Wasserhebmaschinen, die eine nach dem Cornwall'schen System, die andere nach dem System von Boulton und Watt, in Kenntniß gesezt wurde. Die neuen Versuche des Hrn. Wicksteed haben die Deductionen, zu welchen ich gelangt war, vollkommen bestätigt.

Die gesammelten Beobachtungen sind zwar noch nicht zahlreich genug, um die Allgemeinheit dieser Schlußfolgerungen außer Zweifel zu sezen. Indessen schienen sie mir nicht ganz unwerth, dem Urtheile der Akademie vorgelegt und der Oeffentlichkeit übergeben zu werden, sey es auch nur, um zu neuen Beobachtungen und zu einer gründlicheren Discussion der in den Dampfmaschinen vorkommenden Erscheinungen anzuregen.

Die beobachteten Thatsachen und die daraus abgeleiteten Schlußfolgerungen lassen sich folgendermaßen zusammenstellen:

1) Bei Expansions-Dampfmaschinen, d. h. bei solchen Dampfmaschinen, wo der Dampf nur während eines Theiles des Kolbenhubes in den Cylinder zugelassen wird, vermindert sich die Spannung des Dampfes nach Absperrung des Admissionsventils im Allgemeinen weniger rasch, als im umgekehrten Verhältnisse des Volumens, die Cylinder mögen von einem Mantel umschlossen, und von Außen mit einer von dem Dampfkessel hergeleiteten Dampfhülle umgeben, oder ohne Mantel der Berührung der äußeren Luft ausgesezt seyn.

2) Die Spannung des Dampfes in den Cylindern, während das Admissionsventil offen bleibt, ist einmal beinahe constant, ein anderesmal veränderlich. Im lezteren Falle erreicht die Spannung beinahe am Beginn des Kolbenhubes ihr Maximum, und fängt unmittelbar darauf an abzunehmen. Der Dampf wirkt also durch Expansion, während das Admissionsventil offen ist, und wenn man eine Curve zeichnet, deren Ordinaten den veränderlichen Spannungen des Dampfes während des ganzen Kolbenhubes und deren Abscissen den Abständen des Kolbens vom Anfangspunkte seines Laufes proportional sind, so kommt es hie und da vor, daß die beiden Theile dieser Curve, welche den von dem Kolben vor und nach Absperrung des Admissionsventils durchlaufenen Räumen entsprechen, eine einzige fortlaufende Curve ohne auffallende Inflexionen bilden. Im ersteren Falle erreicht die Spannung des Dampfs in dem Cylinder ihr Maximum beinahe bei Beginn des Kolbenhubs, und bleibt alsdann |164| bis zur Absperrung des Admissionsventils constant; von diesem Momente an nimmt sie aber rascher als im umgekehrten Verhältnisse des Volumens ab. Immer ist das Maximum der Dampfspannung in dem Cylinder auffallend geringer, als diejenige in dem Dampfkessel.

3) Wenn man bei einfach wirkenden Dampfmaschinen des Cornwall'schen Systems das Gleichgewichtsventil, welches die durch den Dampfkolben getrennten Cylinderräume mit einander in Communication sezt, öffnet, so vermindert sich die Spannung des Dampfes, welcher sich sogleich in einen größern Raum ausbreitet, und die nunmehrige Spannung steht zu der ursprünglichen Spannung in einem geringeren Verhältnisse als das umgekehrte Verhältniß der Volume.

4) Kennt man das Volumen des Dampfs in dem Cylinder am Ende des Kolbenhubs, die Spannung dieses Dampfes, ferner die Spannung und die Temperatur des Dampfes in dem Dampfkessel, so kann man mit Hülfe bekannter Formeln die höhere und tiefere Gränze des Gewichtes des in dem Cylinder befindlichen Dampfes bestimmen; diese Gränzen sind auch diejenigen des bei jedem Kolbenhube in dem Dampfkessel consumirten Wassergewichtes, wenn am Ende des Kolbenhubes kein Wasser in dem Cylinder bleibt. Ist aber das leztere der Fall, so kann das in dem Dampfkessel consumirte Wassergewicht die höhere Gränze übersteigen.

Kennt man das in dem Cylinder einer Expansions-Dampfmaschine im Augenblike der Absperrung des Admissionsventils befindliche Dampfvolumen, die Spannung und Temperatur dieses Dampfes im Dampfkessel, so kann man die höhere und tiefere Gränze des Gewichtes des alsdann im Cylinder befindlichen Dampfes bestimmen. In allen denjenigen Fällen, wo die Spannung des Dampfes indem Cylinder während der Oeffnung des Admissionsventils nahezu constant blieb, habe ich gefunden, daß das Gewicht des in dem Dampfkessel wirklich consumirten Wassers die auf obige Weise bestimmte höhere Gränze auffallend überstieg, und daß daher im Momente der Absperrung des Admissionsventils Wasser in dem Cylinder sich zeigte. Drei Entwässerungsmaschinen in Cornwallis und die einfachwirkende Maschine von Watt und Boulton zu London lieferten ein ähnliches Resultat.

Aus den oben angeführten Thatsachen zog ich folgende Schlußfolgerungen:

Bei den meisten und wahrscheinlich bei allen Dampfmaschinen verwandelt sich ein Theil des in den Cylinder strömenden Dampfes sogleich in Wasser, indem derselbe durch die Wände des kurz zuvor |165| mit dem Condensator in Communication gewesenen Cylinders abgekühlt wird; vielleicht daß diese Condensation des Dampfes auch zum Theil durch seine Bewegung in den Röhren veranlaßt wird. Dem sey wie ihm wolle, es bildet sich in dem Cylinder auf Kosten des einströmenden Dampfes Wasser, und zwar unabhängig von dem in Tropfengestalt aus dem Dampfkessel in den Cylinder herübergeschleuderten Wassers.

Dieses Wasser verdampft nun während der Expansion des Dampfes von neuem, so daß während dieser Expansion zu dem bereits vorhandenen Dampf noch neue Quantitäten Dampfes hinzukommen. Hieraus erklärt sich, daß die Spannungen weniger rasch als im umgekehrten Verhältnisse der Volume abnehmen.

Bei denjenigen Maschinen, deren Cylinder von einer aus dem Dampfkessel in einen Mantel herbeigeleiteten Dampfhülle umgeben und auf diese Weise einer äußeren Wärmequelle ausgesezt sind, verdampft aller liquid gewordene Dampf von Neuem, wenn der Kolben am unteren Ende seines Hubes angelangt ist, vorausgesezt daß der von dem Dampfe am Ende des Hubes eingenommene Raum zwei oder dreimal so groß als sein ursprüngliches Volumen ist. Bei Maschinen ohne Mantel, deren Cylinder der Berührung der Luft ausgesezt sind, verdampft nicht das ganze liquid gewordene Wasser am Ende des Kolbenhubes, sondern verwandelt sich in dem Augenblike, wo der Cylinderraum mit dem Condensator (Maschine zu Charonne) in Communication gesezt wird, plözlich in Dampf; dieselbe Erscheinung findet bei Maschinen mit Mantel statt, wenn die Expansion nur eine geringe Ausdehnung hat (Maschine von Boulton und Watt zu Oldford).

Der Nuzen der Mäntel, d. h. der Vortheil, die Cylinder der Dampfmaschine einer äußeren Wärmequelle auszusezen, in der Absicht, die Quantität der Arbeit zu vermehren, welche durch eines und dasselbe in dem Kessel verdampfte Wassergewicht, oder durch das consumirte Brennmaterial entwikelt wird, ist sowohl durch directe Erfahrung, als auch durch die auf Beobachtung sich stüzende Discussion außer Zweifel gesezt.

Bei den zwekmäßig angeordneten und belasteten einfachwirkenden Entwässerungs-Dampfmaschinen in Cornwallis steigt die Arbeit, welche von jedem in dem Dampfkessel consumirten Kilogramm Wasser auf den Kolben übertragen wird, häufig auf 35000 Kilogr. auf 1 Meter gehoben, und der Nuzeffect auf 32000 Kilogr. auf 1 Meter gehoben. Bei der zu Oldford aufgestellten einfachwirkenden Entwässerungsmaschine niederen Drukes nach dem System von Boulton und Watt übersteigt die Arbeit, welche von jedem in dem Dampfkessel verdampften |166| Kilogramm Wasser auf den Kolben übertragen wird, nicht 17000 bis 18000 Kilogr. 1 Meter hoch gehoben, und der Nuzeffect nicht 13000 bis 14000 Kilogr. 1 Meter hoch gehoben.

Ungeachtet der großen Superiorität der Cornwall'schen Maschinen über die Maschinen von Boulton und Watt, so wie über alle anderen Maschinen ähnlicher Art, scheint es doch gewiß, daß man bei diesen Maschinen noch nicht die Gränze des Nuzeffectes, den man aus der Verdampfung eines bestimmten Wassergewichtes oder aus der Consumtion einer gewissen Quantität Brennmaterials ziehen kann, erreicht hat. Dieser Effect würde gewiß noch erhöht werden, wenn man dahin gelangte, das Flüssigwerden (die Condensation) des Dampfes zu verhindern, welches bei seiner Admission in den Cylinder stattfindet, und man würde diesen Zwek wahrscheinlich erreichen, wenn man den Cylinder einer äußeren Wärmequelle aussezte, deren Temperatur die des Dampfes in dem Dampfkessel überstiege. Hiezu könnten die gasartigen Verbrennungsproducte, welche wahrscheinlich mit einer Temperatur von wenigstens 250 bis 300 Centesimalgraden in den Schornstein entweichen, nuzbar verwendet werden. Durch eine einfache Anordnung, indem man die Dimensionen der Gasleitungsröhren dem Querschnitte des Schornsteins gleich machte, würde, wie ich glaube, der Verbrennungsproceß auf dem Roste durch die Circulation der heißen Gase um den Cylinder nicht merkbar geschwächt werden. Ich bemerke übrigens, daß die Verbrennung auf den Rosten der Cornwall'schen Dampfkessel sehr langsam von statten geht, was für den Nuzeffect des Brennmaterials eher vortheilhaft als nachtheilig ist.

Keine der bis jezt aufgestellten Formeln, um die durch ein bestimmtes verdampftes Wassergewicht auf den Kolben einer Dampfmaschine übertragene Arbeit zu berechnen, berüksichtigt die thatsächliche Ansammlung von Wasser in dem Cylinder und die vollständige oder partielle Verdampfung dieses Wassers während der Expansion des Dampfes. Alle diese Formeln nehmen an, die Spannung des Dampfes ändere sich nach Gesezen, die von den aus der directen Beobachtung abgeleiteten sehr verschieden sind. Sie sind demnach ungenau; und wenn sie auch hie und da für das Verhältniß zwischen den auf den Kolben übertragenen Arbeitsquantitäten und den in den Dampfkesseln verdampften Wasserquantitäten Werthe liefern, welche den aus directen Beobachtungen resultirenden Werthen ziemlich nahe kommen, so ist dieses nicht Folge einer Compensation des Fehlers im entgegengesezten Sinne, und kann deßhalb nicht als ein Beweis ihrer Genauigkeit gelten.

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