Titel: Siemens, über die Expansion des isolirten Dampfes und die Gesammtwärme des Dampfes.
Autor: Siemens, Carl Wilhelm
Fundstelle: 1853, Band 127, Nr. XVII. (S. 81–88)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj127/ar127017

XVII. Ueber die Expansion des isolirten (trockenen) Dampfes und die Gesammtwärme des Dampfes. Von dem Ingenieur Karl W. Siemens in Birmingham.

Aus dem Civil Engineer and Architects' Journal, September 1852, S. 294.

Mit Abbildungen auf Tab. II.

Der Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist, die Resultate einiger Versuche über den Dampf mitzutheilen, durch welche zuvörderst Regnault's Widerlegung des Watt'schen Gesetzes: „daß die Summe der latenten und fühlbaren Wärme in dem Dampfe von verschiedener Pressung dieselbe bleibe“ bestätigt, und durch welche ferner das Verhältniß der Expansion beim Erwärmen isolirten Dampfes nachgewiesen wird. Endlich hat die Arbeit auch den Zweck, die unmittelbaren praktischen Resultate dieser Versuche durch den Betrieb der Dampfmaschinen mit expandirten Dämpfen zu erläutern.

Der Verf. beschäftigte sich mit diesen Versuchen, jedoch mit langen Unterbrechungen, seit dem J. 1847, indeß hatten sie Anfangs nur eigene Belehrung zum Zweck, und man darf daher keine außerordentliche Genauigkeit von denselben erwarten. Die Frage hat jedoch eine große praktische Wichtigkeit für Mechaniker und Maschinenbauer, und der Verf. hat daher die Versuche mit Beihülfe einiger anderen Ingenieure wieder aufgenommen, und veröffentlicht dieselben, obgleich sie, wie bemerkt, den Anspruch auf Vollständigkeit nicht machen können.

Die Wärmemenge, welche erforderlich ist um 1 Pfd. Wasser in Dämpfe von verschiedener Pressung zu verwandeln, hat seit der ersten Periode des Dampfmaschinenbaues die Aufmerksamkeit der Physiker auf sich gezogen. Dr. Black beobachtete vor etwa einem Jahrhundert, daß |82| durch die Verwandlung des Wassers in Dampf (ohne daß dabei eine Temperaturzunahme stattfindet) eine bedeutende Wärmemenge absorbirt wird, und er nannte dieselbe die „latente Wärme des Dampfes.“ Sein Apparat bestand lediglich in einem mit Wasser gefüllten metallenen Gefäß, welches er einem sehr regelmäßigen Feuer aussetzte; aus den verhältnißmäßigen Zeiträumen, welche erforderlich waren, erstens um die Temperatur des Wassers auf den Siedepunkt zu steigern, und zweitens um dasselbe zu verdampfen, bestimmte er annäherungsweise die Größe der latenten Wärme. Später nahm er in Verbindung mit Dr. Irvine diese Versuche wieder auf, wendete aber einen andern Apparat an, der aus einem Dampfgenerator bestand und aus einem Oberflächencondensator, nämlich einem Schlangenrohr, welches mit viel Wasser umgeben war. Der in diesem Rohr verdichtete Dampf wurde sorgfältig gesammelt und gewogen und die Temperaturerhöhung des umgebenden Wassers untersucht, welche mit dessen bekannter Menge multiplicirt, die Gesammtwärme repräsentirte, die der Dampf geliefert hatte. Indem Black und Irvine die Wärmemenge, welche erforderlich ist um die Temperatur von 1 Pfd. Wasser um 1° Fahrenheit zu erhöhen, als Wärme-Einheit annahmen, erhielten sie für die Gesammtwärme in

Dampf von atmosphärischem Druck, die Zahl 954
Southern 1021
Watt 1140
Regnault 1145
Dr. Ure 1147
Despretz 1136, aber später 1152
Brix 1152
Gay-Lussac und Clement 1170
Graf Rumford 1206.

Alle diese ausgezeichneten Experimentatoren wendeten im Wesentlichen gleiche Apparate an, und die Unterschiede ihrer Resultate beweisen, wie leicht es ist Fehler zu begehen. Brix in Berlin war der Erste, der diese Irrthümer nachwies und ihren Einfluß auf die erhaltenen Resultate annähernd berechnete.

Während nun eine so große Mühe und so viele Kenntnisse aufgewendet wurden, um die latente Wärme des Dampfes von atmosphärischem Druck zu bestimmen, scheint eine weit wichtigere Frage vernachlässigt worden zu seyn, nämlich, welches der relative Wärmebetrag im Dampf von verschiedenen Dichtigkeiten ist? Der berühmte Watt erkannte die Wichtigkeit dieser Frage sehr wohl, begnügte sich aber mit einem einzigen Versuch, |83| auf welchen er das Gesetz gründete, daß die Summe der latenten und fühlbaren Wärme des Dampfes unter jedem Druck desselben sich gleich bleibe.

Southern wiederholte den Versuch, und fand daß dichtere Dämpfe mehr Wärme enthalten als solche von niedererem Druck, und dieß veranlaßte ihn zur Annahme der Hypothese, daß die latente Wärme des Dampfes bei allen Graden des Druckes dieselbe sey.

Spätere Versuche und allgemeine Folgerungen schienen zu Gunsten des Watt'schen Gesetzes zu sprechen, und es hatte dasselbe daher das allgemeine Vertrauen, bis vor wenigen Jahren der französische Bergingenieur und Akademiker Regnault durch eine Reihe von außerordentlich sinnreichen und mit der größten Sorgfalt geleiteten Versuchen bewies, daß weder das Watt'sche noch das Southern'sche Gesetz richtig seyen, sondern daß die Wahrheit zwischen beiden in der Mitte liege. Der von Regnault angewendete Apparat enthielt wesentliche Verbesserungen gegen die früher benutzten, auch hatte er noch den Vortheil, die Arbeiten von Brix zur Bestimmung der Größe der Irrthümer benutzen zu können. Es gelang ihm daher allem Anschein nach, die absolute Größe der Wärm im Dampf von verschiedenem Druck mit großer Genauigkeit zu messen. Die bedeutenden Anlagekosten und die complicirte Beschaffenheit des von Hrn. Regnault angewendeten Apparates, der auf Kosten der französischen Regierung ausgeführt wurde, hat bis jetzt andere Experimentatoren von der Wiederholung seiner Versuche abgehalten; auch halten sich viele, namentlich englische Maschinenbauer, noch immer an das Watt'sche Gesetz.

Kurz nach der Veröffentlichung der Regnault'schen Versuche in England, im Jahre 1848, entstand bei dem Verfasser der vorliegenden Arbeit die Idee, deren Resultate durch einen einfachen Apparat direct nachzuweisen, und dieser soll hier mittelst Fig. 39 beschrieben werden.

Er besteht aus einem aufrecht stehenden cylindrischen Gefäß von Weißblech A, und dieses ist von einem andern Gefäß B, B umgeben, während der Zwischenraum zwischen beiden mit Holzkohlenpulver oder einem andern nichtleitenden Material ausgefüllt wird. Eine Dampfröhre C mit einer engen gläsernen Oeffnung D, ist mit dem innern Gefäß in einer ansteigenden Lage verbunden, so daß das Wasser, welches aus dem Kessel mit fortgerissen und welches durch Condensation in der Röhre entstanden ist, in den Kessel zurückfließen kann. Die enge Oeffnung der Röhre gestattet nur einem kleinen Strahl von reinem Dampf in das Gefäß einzuströmen, |84| wo er sich plötzlich ausdehnt und seine Temperatur der Kugel eines Thermometers F mittheilt, welcher von oben herab durch eine Stopfbüchse geht. Das untere Ende des inneren Gefäßes A ist einerseits mit dem Quecksilbermanometer G und andererseits mittelst eines Hahnes, um den Druck zu reguliren, mit einem Condensator I verbunden. Da der Druck und die Temperatur des Dampfes innerhalb des Kessels bekannt sind und die Temperatur des expandirten Dampfes beobachtet wird, so erfährt man, ob letztere Temperatur mit derjenigen übereinstimmt, welche von dem Druck herrührt, den das Quecksilbermonometer angibt. Wäre dieß der Fall, so würde dadurch das Watt'sche Gesetz bestätigt werden; da aber die Temperatur höher steigt als die dem Druck entsprechende, so folgt daß der Hochdruckdampf einen Ueberschuß von Wärme enthält, welche dazu dient den expandirten Dampf zu überhitzen. Jeder Wärmeverlust des Apparats würde die Temperatur zu vermindern streben und zu Gunsten des Watt'schen Gesetzes seyn; ich werde aber zeigen, daß sich diese Verluste gänzlich vermeiden lassen und man ein richtiges quantitatives Resultat erhalten kann. Zu diesem Zweck muß man zuerst den Druck im Kessel auf seinen höchsten Punkt steigern, und den anzeigenden Apparat von der Wärme gehörig durchdringen lassen; das Feuer unter dem Kessel muß darauf vermindert werden, und man muß gleichzeitig und in regelmäßigen Zwischenräumen den abnehmenden Druck im Kessel, und die Temperatur des expandirten Dampfes von constantem Druck beobachten. Wenn die Pressionen fast gleich sind, so verstärkt man das Feuer unter dem Kessel wieder, und setzt die Beobachtungen fort, bis man wieder den höchsten Druck erreicht hat. Der Wärmeverlust durch Ausstrahlung u.s.w. läßt sich durch eine Vergleichung der zwei Beobachtungsreihen genau schätzen.

Der zweite Abschnitt dieser Arbeit bezieht sich auf die durch Wärme wirkte Expansion des isolirten Dampfes, d.h. solchen Dampfes, der von dem Wasser, aus welchem er erzeugt wurde, gänzlich getrennt ist. Der Verfasser konnte keine directen Versuche über diesen Gegenstand auffinden, ausgenommen einige neuerlich von dem Amerikaner Frost angestellte, die aber nicht viel Vertrauen verdienen. Das Verhältniß der Expansion oder Ausdehnung der Luft und anderer permanenter Gase durch die Wärme, wurde zuerst und gleichzeitig durch Dalton und Gay-Lussac bestimmt; sie fanden, daß sich alle Gase gleichförmig und in demselben absoluten Verhältniß ausdehnen, und daß die Zunahme des Volums für jeden Grad Fahrenheit 1/480 Theil des Gesammtvolums bei 32° F. oder 1/660 Theil bei 212° F. beträgt. Dulong und Petit bestätigten das Gesetz von Dalton und Gay-Lussac, allein es scheint, daß diese Physiker ihre Arbeiten auf die permanenten Gase und auf den |85| atmosphärischen Druck beschränkten, und die allgemeine Anwendbarkeit ihrer Entdeckung ohne weitere Versuche annahmen.

Da „überhitzter Dampf“ ein großes Interesse für den Verfasser hatte, so unternahm er im Jahre 1847 einige directe Versuche über das Verhältniß seiner Expansion. Er erlangte dadurch eine Bestätigung seiner Ansicht, daß Dämpfe sich rascher expandiren als permanente Gase, oder mit andern Worten, daß das Expansions-Verhältniß verschiedener Gase und Dämpfe gleich ist, nicht bei derselben absoluten Temperatur, sondern an Punkten die vom Erzeugungspunkt gleichweit entfernt sind.

Der zu diesen Versuchen angewandte Apparat ist in den Fig. 40 und 41 in einem Länge- und einem Querdurchschnitt abgebildet. Er besteht aus einem mit Oel gefüllten metallenen Kasten A, A, unter welchem ein Ofen B, B, befindlich ist, der durch Gasflammen gefeuert wird. Das eine Ende des Kastens ist mit einer Stopfbüchse versehen, durch welche eine Glasröhre C, von ungefähr 1/16 Zoll Durchmesser, geht. Sie ist an dem einen Ende verschlossen, kann verschoben werden und ruht horizontal auf einer Scala unter der Oeloberfläche. Das andere offene Ende der Glasröhre ist mit einem offenen Quecksilberheber G verbunden, um den verlangten Druck in der horizontalen Glasröhre hervorzubringen. In das verschlossene Ende der Röhre C wird ein wenig Wasser und ein Quecksilberkolben P gebracht, worauf man die Röhre in das Oelbad bringt und sie mit dem Heber verbindet. Das Oelbad wird nun nach und nach erwärmt und die Temperatur beobachtet. Sobald der Siedepunkt des Wassers unter dem fraglichen Druck in der Röhre erreicht ist, bewegt sich der Quecksilberkolben rasch vorwärts, bis alles Wasser in Dampf verwandelt ist. Da die Temperatur fortwährend steigt, so setzt der Kolben seinen Lauf langsamer auf der Scala fort, und es wird sein Vorschreiten auf derselben von Zeit zu Zeit, nebst der Temperatur, beobachtet. Das Experiment wird fortgesetzt, bis die Temperatur ohngefähr 400° Fahrenh. erreicht, worauf das Oel zu sieden beginnt. Die Gasflamme wird dann entfernt, damit sich das Bad nach und nach abkühlen kann. Die Beobachtungen der Temperatur und der Stellung des Quecksilberkolbens werden fortgesetzt bis die Dämpfe hinter demselben wiederum verdichtet sind. Eine Vergleichung der zwei Reihen von Beobachtungen gibt das richtige Mittel des Versuchs, durch welches die Wirkungen der Reibung des Quecksilberkolbens, jede mögliche geringe Entweichung von Dampf durch denselben, endlich alle Fehler, die von der langsamen Fortpflanzung der Wärme herühren, vollständig ausgeglichen werden.

|86|

Das allgemeine Resultat, welches bei den obigen Versuchen erlangt wurde, läßt sich auf folgende Weise ausdrücken: Dampf, welcher bei 212° F. erzeugt und unter dem constanten Druck einer Atmosphäre erhalten wurde, wird, wenn man ihn außer Berührung mit Wasser erwärmt, auf:

230° F., dadurch ausgedehnt, 5mal mehr als es bei der Luft der Fall seyn würde
240° deßgl. 4 deßgl. deßgl.
260° deßgl. 3 deßgl. deßgl.
370° deßgl. 2 deßgl. deßgl.

Eine Ausdehnung unserer Kenntnisse von den Eigenschaften des Dampfes ist für den Ingenieur und Maschinenbauer von hohem praktischen Interesse. Es genügt, in dieser Hinsicht zu bemerken daß theoretisch bewiesen wurde, daß eine vollkommene Condensationsmaschine von Boulton und Watt (nach Abzug der Reibung und aller Wärmeverluste im Ofen und durch Ausstrahlung) nur ungefähr 7 Proc. der mechanischen Kraft liefern würde, welche der expandirten Wärme äquivalent wäre. Man kann hieraus folgern, daß der Dampfmaschine eine große Abänderung im Princip bevorsteht, und es ist des Verfassers beschiedene Meinung, daß diese Krisis durch Untersuchungen über diejenigen Eigenschaften der gasförmigen Flüssigkeiten, welche bis jetzt nur wenig Aufmerksamkeit erregt haben, und hauptsächlich über die Eigenschaften des isolirten oder trockenen Dampfes, beschleunigt werden muß.

Tabelle der Versuche über die Expansion des isolirten oder trockenen atmosphärischen Dampfes.

Textabbildung Bd. 127, S. 86
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Textabbildung Bd. 127, S. 87

Die vorliegende Arbeit wird sich darauf beschränken, aus obigen Versuchen das Expansions-Verhältniß des Dampfes innerhalb des Dampfcylinders einer Maschine nachzuweisen. Es wurde durch die ersten Versuche nachgewiesen, daß expandirter Dampf überhitzter Dampf ist, und durch die zweite Reihe von Versuchen gezeigt, wie groß die |88| Volumzunahme in Folge einer Temperaturzunahme ist. Nehmen wir nun an, daß die Resultate der Versuche richtig seyen, so erfordert die von Pambour construirte Expansionscurve, welche auf dem Watt'schen Gesetz beruht, eine Abänderung wegen des Temperatur-Ueberschusses im expandirten Dampf; und man wird bemerken, daß diese Correction der Expansionscurve zu Gunsten der Expansionsmaschinen ist, weil man während der Expansion einen größeren durchschnittlichen Druck erhält, als es der Fall seyn würde, wenn der expandirte Dampf nicht auf diese Weise überhitzt wäre. Die Richtigkeit dieser Annahme wird durch einige Beobachtungen des Hrn. Eduard Cowper bestätigt, indem derselbe, ehe er die obigen Versuche kannte, dieselbe Folgerung aus Diagrammen von Expansionsmaschinen zog. Auch scheint es, daß in Cornwall die Ingenieure durch Erfahrung mit der Thatsache bekannt wurden, daß expandirter Dampf überhitzter Dampf ist, und ökonomischer bei seiner Anwendung als gesättigter Dampf; denn es ist bei ihnen Praxis, den Dampf bei sehr hohem Druck zu erzeugen und ihn bis zu dem erforderlichen Druck herab sich expandiren zu lassen, bevor er in den Dampfcylinder strömt.

Eine andere bemerkenswerthe praktische Beobachtung ist die, daß ein Strahl von Hochdruckdampf die ungeschützte Hand nicht verbrüht, während dieß ein Strahl von Niederdruckdampf thut, obgleich der Hochdruckdampf ein heißerer Körper ist. Die abkühlende Wirkung eines Strahls Hochdruckdampf ist so bedeutend, daß, wie der Verfasser erfahren hat, in Amerika mitten im Sommer Eis dadurch erzeugt wurde, daß man einen starken Dampfstrahl von 400 Pfd. Druck per Quadratzoll gegen ein feuchtes Tuch bließ. Diese Erscheinung läßt sich durch den vollkommen trockenen und untergesättigten Zustand des expandirten Dampfes erklären, welcher bei einem großen Bestreben sich wieder zu sättigen, eine bedeutende Verdunstung auf feuchten Oberflächen veranlaßt, mit denen er in Berührung kommt. Die rasch steigende Expansion des Dampfes beim Erwärmen, wenn derselbe noch dem Siedepunkt nahe ist, beweist der Vortheil, den man erlangt, wenn man den Dampfcylinder entweder durch ein Dampfgehäuse gegen Abkühlung schützt, oder ihn durch eine Feuerung erwärmt. Es ist jedoch wichtig zu wissen, daß die specifische Wärme des Dampfs sich um so mehr zu vermindern scheint, je mehr die Temperatur den Siedepunkt überschreitet.

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