Titel: Poppe, über Ericsson's Luftexpansionsmaschine.
Autor: Poppe, Adolph
Fundstelle: 1853, Band 127, Nr. LXXXIV. (S. 401–415)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj127/ar127084

LXXXIV.  Ericsson's Luftexpansionsmaschine (caloric-engine) und das ihr zu Grunde liegende Princip; von Dr. Adolph Poppe.

Mit Abbildungen auf Tab. VI.

Einleitung.

Seit einiger Zeit ist die öffentliche Aufmerksamkeit mit gesteigerter Spannung auf Capitän Ericsson's neues Bewegungssystem gerichtet, in welchem die Expansivkraft der erhitzten Luft als Triebkraft auftritt. Wenn auch die Berichte der nordamerikanischen Blätter, welche die Dampfkraft durch das neue System im Geiste bereits gänzlich verdrängt sehen, nicht frei von Uebertreibung zu Gunsten dieser Erfindung sind, so steht doch, übereinstimmenden Nachrichten zufolge, die Thatsache fest, daß sie mit Erfolg und zwar in großartigem Maaßstabe bereits ausgeführt worden ist, daß sie mithin nicht in das Reich jener speculativen Projecte und ephemeren Erscheinungen gehört, wie wir sie von Zeit zu Zeit auf dem Gebiete der Industrie erscheinen und spurlos verschwinden sehen. Die seitherigen in öffentlichen Blättern zerstreuten Beschreibungen der Ericsson'schen Luftexpansionsmaschine (Warmluftmaschine) oder calorischen Maschine, wie sie der Erfinder nennt, sind theilweise verworren, und um so weniger geeignet, dem Leser einen deutlichen Begriff von dem Wesen der Erfindung beizubringen und ihn in den Stand zu setzen, sich ein Urtheil darüber zu bilden, da diesen Berichten die nöthige Erläuterung durch Abbildungen fehlt. Es würde mich daher freuen, wenn es mir gelingen sollte, durch nachfolgende Darstellung zur Aufklärung dieses Gegenstandes beizutragen.

Der Gedanke, die Expansivkraft erhitzter Luft zur Hervorbringung einer mechanischen Wirkung zu benützen, ist nicht neu. An Bemühungen in dieser Hinsicht hat es nicht gefehlt, allein weder der mechanische noch |402| der ökonomische Erfolg sprach zu Gunsten der Luftexpansionsmaschinen, weil es nicht gelang, die Luft rasch genug auszudehnen, und die erhitzte Luft, nachdem sie ihre Wirkung vollbracht, für die Betriebskraft selbst wieder nutzbar zu machen. Das Verdienst des ersten Versuches, das Ausdehnungsvermögen der Luft als Triebkraft anzuwenden, gebührt dem Engländer Stirling, welcher bereits im Jahre 1827 eine derartige Maschine in Gang setzte. Im Jahre 1833 trat Capitän Ericsson mit einer nach einem neuen Princip construirten, von ihm caloric-engine genannten Maschine auf, welche in London einige Zeit in Gang war und auf 5 Pferdekräfte berechnet, unter einem Druck von 35 Pfd. auf den Quadratzoll arbeitete. Der Herausgeber des Mechanic's Magazine begleitet die Beschreibung dieser Maschine56) mit der Bemerkung: „Das Wesentliche, wodurch sich diese Maschine vor den Dampfmaschinen und andern ähnlichen Motoren auszeichnet, besteht darin, daß die nämliche Quantität Wärme, welche sie in Bewegung setzt, immer wieder zur Bewegung verwendet wird, und daß aller weitere Wärmeaufwand nur dazu dient, den durch Ausstrahlung und zufällige Entweichung verursachten Verlust zu ersetzen.“ Uebrigens fehlte auch dieser Maschine der erwünschte Erfolg und erst nach 20 Jahren unablässiger Studien, Beobachtungen und Versuche sehen wir die Erfindung sich Bahn brechen. Zwei stationäre calorische Maschinen, eine kleinere von 5 und eine größere von 60 Pferdekräften, sind seit längerer Zeit in der Fabrik der HHrn. Hoggs und Delamater zu Newyork in Betrieb, und ein mit einer colossalen Maschine von 600 Pferdekräften ausgerüstetes Schiff von 2200 Tonnen Last ist bereits vom Stapel gelassen und hat seine ersten Probefahrten gemacht.

Die der Warmluftmaschine (calorischen Maschine) zu Grunde liegenden physikalischen Principien.

Den Leistungen der Ericsson'schen calorischen Maschine liegen folgende physikalischen Principien zu Grunde.

1) Das Vermögen der Luft, durch die Einwirkung der Wärme sich auszudehnen und dadurch eine diesem Ausdehnungsbestreben entsprechende Druckkraft zu erlangen. Man nimmt gewöhnlich an, die Luft dehne sich, wenn sie von 0° auf 100° Celsius erwärmt wird, um 1/3 ihres Rauminhaltes aus. Genauere übereinstimmende Versuche von Magnus und Regnault haben gezeigt, |403| daß diese räumliche Vermehrung 0,3665 betrage. Ist z.B. das Volumen der Luft bei 0° C. = 1 Kubikfuß, so beträgt es, wenn sie sich frei ausdehnen kann, bei 100° C. 1,3665 Kubikfuß. Nun besteht ferner das Gesetz, daß die Ausdehnung aller permanenten Gasarten, also auch diejenige der atmosphärischen Luft, der Wärmezunahme proportional ist. Dieses gibt uns ein ganz einfaches Mittel an die Hand, für jede Temperaturerhöhung der Luft die Vermehrung ihres Volumens und umgekehrt für jede Volumenvermehrung die zugehörige Temperaturzunahme zu bestimmen. Will man z.B. wissen, welche Temperaturerhöhung erforderlich ist, damit ein Volumen Luft von gewöhnlicher atmosphärischer Dichtigkeit und 0° C. sich verdopple, so findet man dieses durch die Proportion

100 : 0,3665 = t : 1

woraus

t = 100/0,3665 = 272° C.

Wenn man die Luft an der Ausdehnung hindert, während man sie erwärmt, so äußert sie gegen die Wände des sie einschließenden Gefäßes einen mit der Temperaturzunahme sich steigernden Druck, welcher genau in dem Verhältniß zunimmt, in welchem sich bei freier Ausdehnung ihr Volumen vermehren würde. Hat z.B. die in einem Cylinder eingeschlossene Luft bei gewöhnlicher atmosphärischer Dichtigkeit am Anfang eine Temperatur von 0°, wobei sie einen Druck von circa 15 Pfunden per Quadratzoll ausübt, und wird sie nun bis zu 272° C. erhitzt, so äußert sie in Folge des Bestrebens, sich in ihr doppeltes Volumen auszudehnen, einen doppelt so großen Druck gegen die Wände des Cylinders, d.h. einen Druck von 30 Pfunden per Quadratzoll oder von 2 Atmosphären, und es findet mithin von innen ein Ueberdruck von 15 Pfunden per Quadratzoll gegen den äußeren atmosphärischen Druck statt. Wollte man die Luft bis auf 544° C. erhitzen, wodurch sie das Bestreben erlangen würde, sich in ihr dreifaches Volumen auszudehnen, so würde sie einen Druck von 45 Pfund per Quadratzoll = 3 Atmosphären, oder einen Ueberdruck von 30 Pfunden per Quadratzoll ausüben. Ist die Luft im Cylinder durch einen beweglichen Kolben abgesperrt, so setzt jener Ueberdruck den Kolben in Bewegung, und hat man die Anordnung getroffen, während des Kolbenhubes die Temperatur der sich ausdehnenden Luft unveränderlich auf 272° zu erhalten, so wird auch der Druck gegen die Kolbenfläche während des Hubes constant bleiben.

2) Das Vermögen wärmeleitender Körper, in dem Zustande einer feinen Zertheilung die dargebotene Wärme |404| rasch aufzunehmen (zu absorbiren) und die aufgenommene eben so rasch wieder abzugeben (zu emittiren). Daß Metalle in fein zertheiltem Zustande sowohl die strahlende Wärme, als auch die durch unmittelbare Berührung von der Luft dargebotene Wärme begieriger absorbiren, und eben so ihren Wärmeüberschuß an die kühlere Luft schneller abgeben als in compactem Zustande, rührt einfach von der erlangten größeren Oberfläche her. Ein kupferner Würfel von der Größe eines Kubikzolles enthält eine Oberfläche von 6 Quadratzoll. Bringen wir diesen Würfel in einen Raum, welcher erhitzte Luft enthält, so wird er in einer gewissen Zeit, z.B. in 1 Secunde, der Luft einen Theil ihrer Wärme entziehen. Verwandeln wir den Kupferwürfel in einen Draht von 1/2 Linie Durchmesser, so verwandelt sich jene Oberfläche von 6 Quadratzollen in eine Oberfläche von 96 Quadratzollen. Die gleiche Masse bietet demnach als Draht eine 16mal größere Oberfläche dar, welche in jenen Raum gebracht, der heißen Luft in 1 Secunde 16mal so viel Wärme entziehen oder dieselbe 16mal so schnell abkühlen wird, als in dem ersteren Falle. Umgekehrt wird der Kubikzoll des heißen Metalles in Drahtgestalt an die kalte Luft 16mal so schnell seinen Wärmeüberschuß abgeben, als in Würfelform. Die Thatsache, daß von zwei gleich großen quadratischen Flächen eines und desselben Metalles die rauhe Fläche die Wärme stärker ausstrahlt oder absorbirt als die polirte, findet gleichfalls in der Flächenvergrößerung ihre Erklärung. Wir sagen zwar beide Oberflächen seyen gleich groß, streng genommen sind sie es aber nicht; das rauhe Metall bietet bei identischer Umgränzung eine größere physische Oberfläche dar als das polirte, in analoger Weise, wie die natürliche Oberfläche einer Gebirgsgegend größer ist als ihre Projection oder als die Oberfläche einer flachen Gegend von vollkommen gleicher Gränze. – Eine sehr wichtige Rolle spielt ferner bei der calorischen Maschine

3) die schlechte Wärmeleitungsfähigkeit gewisser Körper.

Ericsson's Voruntersuchungen.

Der Grundgedanke, welchen Ericsson bei der Anwendung dieser physikalischen Gesetze mit Beharrlichkeit verfolgte, und den er allem Anschein nach mit überraschendem Erfolg durchgeführt hat, liegt darin, daß er die Ausdehnung der Luft nicht durch fortgesetzte Einwirkung der aus dem Brennmaterial entwickelten Wärme bewerkstelligt, sondern durch abwechselnde Uebertragung einer gewissen Wärmemenge an metallische Körper, |405| worin sie nach vollbrachter Wirkung, wie in einem Magazin, kurze Zeit aufbewahrt wird, um immer wieder von neuem zur Erzeugung der Triebkraft verwendet zu werden, daß also die ganze Consumtion an Brennmaterial nur dazu dient, die unvermeidlichen Verluste durch Strahlung u.s.w. zu ersetzen.

Zur Würdigung des Vortheils, welchen sein System der Oekonomisirung der Wärme der Dampfmaschine gegenüber darbietet, stellt Ericsson zunächst über die Art und Weise, wie dieses Agens bei der letzteren nutzbar verwendet wird, ungefähr folgende Betrachtungen an. Angenommen, ein gewisses Dampfvolumen von bekannter Spannung trete in ein mit kaltem Wasser von bekanntem Volumen und bekannter Temperatur gefülltes Gefäß, so wird die Temperaturerhöhung, die das Wasser erleidet, einen genauen Maaßstab für die vor der Condensation in dem Dampf enthaltene Wärme abgeben. Läßt man nun ein gleiches Volumen Dampf von gleicher Spannung zuerst unter den belasteten Kolben eines Dampfcylinders strömen, denselben in Bewegung setzen, und erst nach vollbrachter Wirkung in jenes kalte Wasser strömen, so zeigt es sich, daß dieses die nämliche Temperaturerhöhung erleidet, wie wenn der Dampf nicht vorher die erwähnte mechanische Wirkung aus den Kolben hervorgebracht hätte. Demnach ist die Erzeugung der mechanischen Kraft von keinem Wärmeverlust begleitet. Dieser bemerkenswerthe Umstand findet bei der Dampfmaschine keine entsprechende Benützung. Der Dampf gelangt zwar bei der Condensations-Maschine in den Condensator und gibt dort seinen Wärmegehalt ab, aber nur ein sehr geringer Theil dieser Wärme wird durch die Warmwasserpumpe in den Dampfkessel zurückgeleitet, um von neuem Dampf erzeugen zu helfen. Die Kraft der Dampfmaschine ist daher nur ein Bruchtheil derjenigen Kraft, welche die Verbrennung einer gegebenen Quantität Brennmaterials möglicherweise hervorbringen kann.

In welcher Weise es nun möglich ist, ein bedeutendes Luftquantum mit einem verhältnißmäßig geringen Aufwand an Brennmaterial zu einer beliebigen Temperatur zu erhöhen und einen entsprechenden mechanischen Effect zu erzielen, dieses sucht Ericsson in folgender Weise zu erläutern. Man stelle sich vor, eine gebogene Metallröhre a, n, b sey auf die in der Skizze Fig. 1 angegebene Weise in einem Ofen angeordnet und der Einwirkung der Hitze ausgesetzt. An einer ihrer Oeffnungen a befinde sich ein Blasbalg, mit dessen Hülfe ein constanter Luftstrom unterhalten wird; ferner seyen bei a und b in der Röhre Thermometer angebracht. Setzt man nun, während ein gleichmäßiges Feuer unterhalten wird, den Blasbalg dergestalt in Thätigkeit, daß er z.B. 20 Kubikfuß Luft per Minute |406| liefert, so wird man, wenn der Thermometer bei a eine Temperatur von 15° und bei b eine solche von 36° zeigt, auf die Wärmemenge schließen können, welche nöthig ist, um diese fortwährend per Minute circulirenden 20 Kubikfuß Luft von 15° auf 36° zu bringen, d.h. ihre Temperatur um 21° zu erhöhen.

Angenommen nun, der eine Arm n, a der Metallröhre habe, wie Fig. 2 zeigt, außerhalb des Ofens eine Fortsetzung c, a von beliebiger Länge, und diese sey in einen Mantel eingeschlossen, der selbst von einem schlechten Wärmeleiter umgeben ist; ferner werde die erhitzte Luft, anstatt, wie in Fig. 1, außerhalb des Ofens sogleich ins Freie zu entweichen, durch den Röhrenarm d in den Raum zwischen dem erwähnten Mantel und der Röhrenverlängerung a, c geleitet, so daß sie erst bei b, eine kurze Strecke vor dem Blasbalg, ins Freie tritt. Alsdann werden, wenn der Luftstrom mit der nämlichen Geschwindigkeit wie vorher sich fortbewegt und das Feuer auf gleiche Weise unterhalten wird, die bei a in der Nähe des Blasbalgs und bei c an der Einmündungsstelle in den Ofen in der Röhre angebrachten Thermometer am Anfang auf 15° zeigen. Allein die Stelle c wird alsbald eine höhere Temperatur annehmen, weil die auf ihrem Wege durch den Ofen erwärmte Luft durch den Röhrenarm d bei c in den Mantel geleitet wird; aber jede Temperaturzunahme der Luft in c hat wieder eine entsprechende Zunahme an derjenigen Stelle des Mantels zur Folge, wo der Röhrenarm d in den letzteren einmündet; diese Erhöhung der Temperatur im Mantel ruft wieder eine Erhöhung in c hervor, und so fort, bis der Thermometer in d eine Temperatur anzeigt, welche derjenigen der heißen Luft bei c beinahe gleich ist. Ist dieses der Fall, so kann eine weitere Zunahme der Temperatur nicht mehr stattfinden. Da nun die Quantität der in die Röhre geblasenen Luft die nämliche ist, wie in dem ersten mit Bezug auf Fig. 1 angenommenen Fall, da die Intensität des Feuers ebenfalls die gleiche geblieben ist, so beweist dieses Beispiel unwiderlegbar, daß die Temperatur, welche der Luft beigebracht werden kann, von der in dem Ofen erzeugten Hitze unabhängig ist.

Da aber die Quantität der zu erhitzenden Luft von der erzeugten Wärmemenge gleichfalls unabhängig ist, so wollen wir annehmen, es werde bei dem zuerst angeführten Beispiel der Zug des Feuers dergestalt regulirt, daß die Brennmaterial-Consumtion um 3/4 oder um 75 Procent sich vermindert, so wird die Temperatur der per Minute beständig circulirenden 20 Kubikfuß Luft auch nur um 5°,25, anstatt, wie im ersten Beispiel, um 21° erhöht werden. Trifft man aber die Fig. 2 dargestellte Anordnung, |407| so werden die Thermometer in c und d genau in dem oben angedeuteten Sinne afficirt werden, nur daß es länger dauert, bis die Temperatur in d ihren Höhepunkt erreicht, und daß die Luft an der Ausmündung b unter einer entschieden geringeren Temperatur austritt. Es läßt sich demnach schon durch eine einfache theoretische Betrachtung nachweisen, daß jede beliebige Quantität Luft oder Gas unabhängig von der Quantität der zu diesem Zweck erzeugten Hitze bis zu einer hohen Temperatur erhitzt werden kann. Obgleich dieser Satz vielleicht paradox erscheint, so ist er es doch nicht. Denn mit Bezug auf die Figuren 2 und 3 wird man einsehen, daß die circulirende Luft nur in der Gegend von d das Maximum der Temperatur zeigt, und daß die letztere mit der Entfernung von diesem Punkte sich stufenweise vermindert. In Anbetracht des Zweckes einen mechanischen Effect hervorzubringen, ist dieser letztere Umstand, wie Ericsson bemerkt, jedenfalls eben so vortheilhaft, als wenn die Luft bis zu ihrem Austritt aus dem Apparat eine hohe Temperatur beibehielte, denn bei d ist es, wo die Luft in den Arbeitscylinder tritt, um nach vollbrachter Wirkung erst aus diesem in den die Röhrenverlängerung a, c umhüllenden Mantel zu gelangen.

Ericsson gab bei seinen Vorversuchen dem Apparate die Fig. 3 dargestellte Form, so daß er ganz in gleichem Sinne, wie der in Fig. 2 bezeichnete, wirkte. Die in a, c, d und b angebrachten Thermometer gaben die Temperatur, ihre Zunahme und Uebertragung auf gleiche Weise an. Die kalte Luft wurde durch eine Menge enger Röhren m, m, m in den Ofen getrieben, während die heiße Luft durch den diese Röhren umhüllenden Behälter R, den sogenannten Regenerator strömte, welcher die Stelle des Mantels Fig. 2 vertrat, wobei sie mit der äußeren Fläche jener Röhren in Berührung kam. Diesem Luftstrom stellte Ericsson ein System von Scheidewänden p, p, p entgegen, um eine beständige Mischung der Luftmolecüle zu veranlassen, welche sich als eine für die rasche Uebertragung der Wärme wesentliche Bedingung herausstellte. Dieser Zweck wurde auch durch die bezeichnete Anordnung so wirksam erreicht, daß die heiße Luft, welche durch eine 4,2 Meter lange Röhre von 0,032 Meter innerem Durchmesser mit einer Geschwindigkeit von 2 Metern per Secunde und einer Temperatur von 148° C. bei d in den Regenerator R einströmte, durch den Gegenstrom in den Röhren m, m, m abgekühlt, bis auf 30° herabsank. Dieser Gegenstrom zeigte bei seinem Eintritt in den Behälter R eine Temperatur von 23°.

Nach diesen einleitenden Betrachtungen gehe ich zu dem Hauptgegenstande, nämlich zur Beschreibung des Ericsson'schen Calorimotors |408| (caloric-engine) über. Ericsson ließ sich den Apparat in England auf den Namen eines Hrn. Dunn patentiren. Außer den in einigen nordamerikanischen Journalen zerstreuten Notizen ist es die dem Patentgesuch beigefügte Beschreibung und skizzenhafte Abbildung57), welche mir dabei als Anhaltspunkt diente. Daß ich die letztere in anschaulicherer Form wiedergegeben und die Maschine Fig. 4 in den verschiedenen Hauptmomenten der Bewegung dargestellt habe, wird, wie ich hoffe, nicht verfehlen zum Verständniß des Ganzen beizutragen.

Beschreibung der calorischen Maschine.

Ich will zuerst die Haupttheile der Maschine in ihrem gegenseitigen Zusammenhang beschreiben und dann auf das Spiel und die Wirkungsweise des Apparates übergehen.

A, Fig. 4, ist der Arbeitscylinder, welcher hinsichtlich seines Zweckes dem Dampfcylinder einer Dampfmaschine entspricht. Derselbe ist oben vollständig offen, und bildet die Fortsetzung eines cylindrischen gleich hohen Behälters E mit gewölbtem Boden, des Expansionsheizers. Demnach vereinigen sich Arbeitscylinder und Expansionsheizer zu einem einzigen oben offenen Cylinder mit gewölbtem Boden. In dem Cylinder A bewegt sich genau anschließend ein sorgfältig gearbeiteter Metallkolben a. An die untere Fläche dieses Kolbens ist ein Behälter D befestigt, welcher der Form des Expansionsheizers E dergestalt sich anschmiegt, daß er diesen bei der tiefsten Lage des Kolbens beinahe vollständig ausfüllt, ohne jedoch die Wände desselben zu berühren. Der Behälter D ist unten mit Gyps und nach oben mit Asche oder Kohle ausgefüllt, um vermöge der schlechten Wärmeleitungsfähigkeit dieser Stoffe den Kolben gegen den schädlichen Einfluß der Hitze zu schützen und zugleich die Ausstrahlung und den Verlust der Wärme durch die breite Kolbenfläche möglichst zu verhüten. Dieser Zweck wird auch durch die bezeichnete Anordnung so gut erreicht, daß die Wärme an der Kolbenliederung kaum hinreicht, um Talg zu schmelzen. Der Arbeitskolben a steht vermittelst vier Stangen d, d in starrer Verbindung mit einem zweiten kleineren Kolben b, dessen Fläche aus Gründen, die weiter unten ihre Erläuterung finden werden, nur ungefähr halb so groß wie die des Kolbens a ist. Dieser kleinere Kolben läuft in einem oben geschlossenen aber unten offenen Cylinder B, dem sogenannten Speisecylinder (supply-cylinder), der in fester und centraler Lage über dem |409| Arbeitscylinder A angebracht ist. Die nächste Aufgabe der Maschine besteht, wie bei der Dampfmaschine, in der Erzeugung einer hin- und hergehenden Kolbenbewegung, und diese wird in die für industrielle Zwecke geeignete rotirende Bewegung durch einen Transmissions-Mechanismus verwandelt, welcher von einem zwischen beiden Kolben befindlichen Punkte ausgeht, als von untergeordnetem Interesse aber hier nicht näher bezeichnet werden soll.

Der Deckel des Speisecylinders B, der hinsichtlich seines Zweckes und seiner Einrichtung die vollkommenste Aehnlichkeit mit einem Gebläsecylinder hat, enthält zwei selbstthätige Ventile oder Klappen s und t, wovon die erstere nach innen, die letztere nach außen sich öffnet. Bei der Herabbewegung des Kolbens b läßt demnach die Klappe s Luft in den Cylinder dringen, während t sich schließt; beim Aufgang des Kolbens schließt sich dagegen s, während die Klappe t sich öffnet, und dem Kolben gestattet, die eingesaugte Luft in die Röhre g zu drücken. Diese letztere leitet die Luft in den cylindrischen Recipienten oder Luftbehälter C, welcher abwechselnd durch die eine oder die andere der beiden Röhren l, l oder m, m mit einem cylindrischen Luftbehälter H, dem sogenannten Heizer, der durch ein gelindes Feuer von unten erwärmt wird, in Communication steht. Diese abwechselnde Verbindung wird durch die beiden Schieber N, N' vermittelt, indem diese in correspondirender Bewegung bald die Röhre l, l, bald die Röhre m, m gleichzeitig bedecken. Die Stangen dieser beiden Schieber treten durch Stopfbüchsen aus den Behältern, worin sie sich bewegen, ins Freie; die ganze Bewegung der Schieber steht aber mit der Rotation der Kurbelwelle in mechanischem Zusammenhang und tritt stets im geeigneten Momente ein.

Zwischen den Behältern C und H sind in die Röhren l, l und m, m die beiden Regeneratoren L und M eingeschaltet, durch welche demnach die Luft abwechselnd streichen muß, um aus dem Recipienten C in den Heizer H zu gelangen. Diese Regeneratoren sind ohne Zweifel das wichtigste Organ der ganzen Maschine. Jeder derselben besteht aus einem rectangulären Behälter, welcher von oben bis unten mit siebartigen Geflechten oder Geweben aus dünnem Kupferdraht durchzogen und von außen mit schlechten Wärmeleitern bekleidet ist. Nach übereinstimmenden Berichten haben diese Behälter bei der in der Werkstätte der HHrn. Hogg und Delamater in Newyork aufgestellten Maschine von 60 Pferdekräften einen quadratischen Querschnitt von 26 Zoll im Geviert und enthalten 200 über einander geschichtete Drahtgewebe. Auf jeden Zoll der Seite eines solchen siebartigen Gewebes kommen 10 Drähte, also auf jeden Quadratzoll |410| 100 viereckige Löcher oder Maschen, und da jede Seite des Siebes 26 Zoll lang ist, so enthält es 26 × 26 × 100 = 67600 Maschen. Die Gesammtzahl der Maschen aller 200 Siebe ist demnach 200 × 67600 = 13520000. Die Länge des Drahtes in jedem einzelnen Sieb beträgt, da von einer Seite des Quadrates zur gegenüberliegenden jedesmal 10 × 26 = 260 Drähte gespannt sind, und jeder dieser Drähte 26 Zoll lang ist, 13500 Zoll = 1126 Fuß, und da 200 Siebe vorhanden sind, so repräsentirt der in jedem Regenerator befindliche Kupferdraht eine Länge von 225200 Fuß oder eine Länge von ungefähr 10 deutschen Meilen. Da endlich der Durchmesser jedes Drahtes 1/2 Linie beträgt, so bieten sämmtliche Drahtgewebe eine Heiz- oder Abkühlungsoberfläche von 2456 Quadratfuß dar. Die Heizoberfläche einer gewöhnlichen Locomotive beträgt 800 Quadratfuß; es ist demnach in dem verhältnißmäßig kleinen Behälter von 26 Zoll im Geviert die Heizfläche von drei Locomotiven concentrirt. Wird nun dieses System von Drahtgeflechten zu einer gewissen Temperatur erhitzt und eine Quantität kühle Luft hindurchgetrieben, so erscheint es nicht mehr unbegreiflich, daß die Luft, indem bei dieser ungeheuren Anzahl von Maschen und dieser kolossalen Berührungsfläche sozusagen jedes ihrer Atome mit dem erhitzten Metall in Contact gelangt, auf ihrem kurzen Weg durch den Raum des Regenerators beinahe momentan den Wärmeüberschuß des Metallgeflechtes sich zueignet und zu einem der aufgenommmenen Wärmemenge entsprechenden Volumen sich ausdehnt. Eben so begreiflich aber ist es, daß, wenn umgekehrt heiße Luft durch die abgekühlten Drahtgewebe getrieben wird, die letzteren der Luft ihren Wärmeüberschuß eben so schnell entziehen und eine Verminderung ihres Volumens veranlassen, als sie vorher die Wärme an die Luft abgegeben und dieselbe ausgedehnt hatten.

Es wurde oben erwähnt, daß der Recipient C abwechselnd durch einen der beiden Regeneratoren L oder M mit dem Heizer H in Communication stehe. Der letztere selbst ist durch die Oeffnungen i, k und die Ventilkammer F mit dem Raum E unter dem Arbeitskolben in Verbindung, vorausgesetzt, daß das Schieberventil p die Oeffnung i nicht verdeckt. Der Schieber p kann nämlich drei Lagen annehmen: die oberste, worin er die Oeffnung der Röhre n, die mittlere, worin er beide Oeffnungen n und i, und die unterste, worin er die Oeffnung i bedeckt. Befindet sich der Schieber in seiner tiefsten Stellung Fig. 4, Nr. II, so steht der Raum unter dem Arbeitskolben mit dem Heizer H, dem Recipienten C u.s.w. in keiner weiteren Verbindung, sondern communicirt auf folgendem Wege mit der äußeren Luft: durch die Oeffnung k, die Röhre n, das Innere des Schiebers N, die Röhre m, m und den Regenerator M, das Innere |411| des Schiebers N' und die Röhre o. Soviel über die einzelnen Haupttheile der Maschine und ihren Zusammenhang. Der besseren Uebersicht wegen mag noch der Weg bezeichnet werden, welchen die Luft, um zur Wirkung zu gelangen, von ihrem Eintritt in den Apparat bis zu ihrem Austritt aus demselben zurückzulegen hat. Durch das Ventil s strömt die äußere Luft in den Speisecylinder B, von diesem durch das Ventil t und die Röhre g in den Recipienten C, aus diesem, je nach der Stellung der Ventile N, N' durch die Röhren l, l und den Regenerator L oder durch die Röhren m, m und den Regenerator M in den Heizraum H, und so fort durch die Oeffnung i, den Ventilkasten F und die Oeffnung k in den Raum E unter den Kolben und gelangt, nachdem sie hier ihre Wirkung vollbracht hat, durch die Röhre n, den Schieber N, die Röhren m, m und den Regenerator M in den Raum des Schiebers N' und endlich durch die Röhre o ins Freie. Ich gehe nun zur näheren Beschreibung des Spiels der Maschine über, wobei folgende Hauptmomente der Bewegung zu unterscheiden sind.

1) Fig. 4, Nr. I. Wir wollen annehmen, der Schieber p befinde sich, bevor die Maschine in Gang gesetzt wird, in seiner mittleren Stellung, wobei er beide Oeffnungen i und n bedeckt, während die Schieber N, N' die in den Regenerator M führenden Röhren m, m bedecken; die verschiedenen Räume seyen mit Luft von gewöhnlicher Dichtigkeit gefüllt, deren Temperatur, sowie die der äußeren Luft, der einfacheren Betrachtung wegen, 0° betragen soll, und beide Kolben befinden sich in ihrer tiefsten Lage. In jeder der Feuerstellen unter den Behältern H und E werde nun ein Feuer angezündet, wodurch diese, sowie der Regenerator L auf 272° C. erwärmt werden sollen58), während der Regenerator M, welcher bei der gegenwärtigen Stellung der Schieber N, N' durch die Röhre o mit der äußeren Luft communicirt, und von unten der Wirkung des Feuers nicht ausgesetzt ist, kühl bleibt. Um die Bewegung der Maschine leichter einleiten zu können, wird mittelst einer Handpumpe durch die Röhre r Luft in den Recipienten C gepreßt, wodurch der innere Druck um ungefähr 1 1/2 Pfund per Quadratzoll vergrößert wird. Unter diesen Umständen erhält sowohl die Luft in H und den damit unmittelbar in Verbindung stehenden Räumen, als auch das höchst geringe Luftquantum im Schieberkasten F und im Behälter E das Bestreben sich in sein doppeltes Volumen auszudehnen, und übt daher auf die Wände der Behälter einen |412| diesem Ausdehnungsbestreben entsprechenden Druck, d.h. einen absoluten Druck von circa 30 Pfund per Quadratzoll, oder einen Ueberdruck von 15 Pfunden über den äußeren atmosphärischen Druck aus. Sobald nun der Maschinist das Ventil p aus seiner Mittellage in die Nr. I dargestellte Lage bringt, und dadurch die Communication zwischen dem Arbeitscylinder, dem Heizer H und dem Regenerator L herstellt, wird die expandirende Kraft der erhitzten Luft den Kolben a zu heben beginnen. Mit diesem Kolben steigt aber auch gleichzeitig der Kolben b des Speisecylinders in die Höhe und drückt die in demselben enthaltene kühle Luft durch das sich öffnende Ventil t in die Röhre g und von da in den Recipienten C und den heißen Regenerator L. Indem sie die vielen Millionen Maschen der heißen Drahtgeflechte durchströmt, entzieht sie den letzteren ihre Wärme, und strömt unter einer Temperatur von 272° C. und verdoppeltem Volumen in den Arbeitscylinder nach. Das kleinere aus dem Speisecylinder gedrückte Volumen wird daher, wenn der Rauminhalt dieses Cylinders halb so groß als der des Arbeitscylinders ist, gerade hinreichen, den Raum des letzteren auszufüllen. Somit wird der Arbeitskolben a unter einem constanten absoluten Druck von 30 Pfunden per Quadratzoll oder in Betracht des entgegenwirkenden äußeren atmosphärischen Druckes mit einem Ueberdruck von 15 Pfunden gehoben. Diesem Druck wirkt der Widerstand entgegen, den die Luft im Cylinder B dem Kolben b entgegensetzt, und dieser Widerstand wirkt gleichfalls mit 15 Pfunden Ueberdruck abwärts, weil während der Oeffnung des Ventils t die Räume B und E mit einander in Verbindung stehen. Demnach ist es der Kraftüberschuß des unteren größeren Kolbens über den auf den oberen Kolben entgegenwirkenden Luftdruck, welcher bei Beurtheilung der Leistung der Maschine in Rechnung zu bringen ist, d.h. es darf, da der Raum B bei gleicher Höhe beider Cylinder nur halb so groß wie der Raum A, also auch die Fläche des Kolbens b nur halb so groß als die des Kolbens a ist, nur die Hälfte des auf den unteren Kolben aufwärts wirkenden Druckes als disponible Kraft in Anschlag gebracht werden. Hätte z.B. der Cylinder A 8 Fuß = 96 Zoll Durchmesser, so wäre der disponible Kraftüberschuß = (48² . 15 . π)/2 = 54286 Pfunden.

2) Wenn der Arbeitskolben ungefähr 2/3 seines aufwärtsgehenden Hubes zurückgelegt hat, so bewegt sich der Schieber p abwärts in seine mittlere Lage, so daß er beide Oeffnungen i und n bedeckt, wodurch alles weitere Nachströmen der heißen Luft abgesperrt ist. Der Kolben legt daher das übrige Drittel seines Hubes vermöge der Expansion der unter |413| ihm befindlichen mit einem Ueberdruck von 15 Pfunden per Quadratzoll wirkenden eingeschlossenen Luft zurück. Von dem Momente der Absperrung bis zur Beendigung des Hubes nimmt natürlich der Druck gegen die untere Kolbenfläche stufenweise ab, während zugleich der entgegenwirkende Luftdruck gegen den Kolben b insofern zunimmt, als die durch den letzteren in den Recipienten gedrückte Luft wegen Absperrung der Oeffnung i nicht in den Arbeitscylinder nachdringen kann, und folglich eine gewisse Compression erleidet. Daher erreicht der Arbeitskolben seine höchste Lage nur mit einem verhältnißmäßig geringen Druck.

3) Sobald der Arbeitskolben seine höchste Lage erreicht, so bewegt sich das Ventil p aus der mittleren Lage, die es soeben eingenommen, in seine tiefste Lage Nr. II, wobei es die untere Oeffnung i noch bedeckt hält, dagegen die obere Oeffnung n frei läßt. Sofort sinken beide Kolben vermöge ihrer bedeutenden eigenen Schwere herab und treiben die heiße Luft durch die Röhre n und den inneren Raum des Schiebers N in den kühlen Regenerator M. Hier gibt sie, die unzähligen Drahtmaschen durchströmend, und mit der ungeheuren Abkühlungsoberfläche von 2456 Quadratfuß in Berührung kommend, beinahe ihren ganzen Wärmegehalt ab, strömt von da durch den Raum des Schiebers N' und gelangt, bis auf circa 30° abgekühlt, durch die Röhre o ins Freie. Während der so eben beschriebenen einmaligen Auf- und Niederbewegung des Arbeitskolbens ist also mit der Temperatur beider Regeneratoren ein Wechsel vorgegangen; der heiße Regenerator hat seine Wärme an die aus dem Cylinder B dem Cylinder A zuströmende kalte Luft abgegeben und ist dadurch abgekühlt worden, während der kühle Regenerator M den Wärmegehalt der nach vollbrachter Wirkung aus dem Cylinder strömenden heißen Luft aufgenommen hat.

4) Angenommen, dieser Temperaturwechsel der Regeneratoren sey schon nach dem ersten Doppelhub vollständig genug, so bewegen sich die Schieber N, N' und ebenso der Schieber p gleichzeitig in die Nr. III dargestellte Lage. Die kühle Luft des Speisecylinders streicht durch den nunmehr heißen Regenerator M, absorbirt die Wärme desselben, strömt, sich ausdehnend, unter den Kolben und treibt ihn in die Höhe.

5) Nach Vollendung von 2/3 des Kolbenhubes bewegt sich das Ventil p wieder in seine Mittellage, damit der Kolben vermöge der Expansion der abgesperrten Luft den Rest seines Laufs vollende.

6) Aus der eben erwähnten Lage bewegt sich endlich der Schieber p in seine tiefste Lage Nr. IV. Der vermöge seines Gewichtes herabsinkende Kolben aber drückt die heiße Luft durch den Schieberraum N, den kühlen |414| Regenerator L, den Schieberraum N' und die Röhre o ins Freie. Nach diesem zweiten Doppelhub nehmen sämmtliche beweglichen Theile wieder die in Nr. I dargestellte Lage an und das Spiel der Maschine wiederholt sich in der beschriebenen Weise.

Nach der in der Patentbeschreibung enthaltenen Angabe ist ein Wechsel der Schieber N, N' erst nach etwa 50 Huben nöthig, indem es so lange dauern soll, bis in der Wärmeabnahme des einen und der Wärmezunahme des andern Regenerators ein Stillstand eingetreten ist. Man sieht aus dieser Beschreibung, daß die Maschine, ähnlich der alten atmosphärischen (Newcomen'schen) Dampfmaschine, einfach wirkend ist. Soll daher eine rotirende Bewegung erzeugt werden, so sind mindestens zwei solcher Apparate erforderlich, welche durch eine passende Transmission in der Art auf eine Kurbel wirken, daß, während der Arbeitskolben der einen Maschine in seiner höchsten Lage sich befindet, derjenige der andern Maschine seinen tiefsten Punkt erreicht hat.

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Durch die befriedigenden Resultate, welche die beiden mehrfach erwähnten calorischen Maschinen von 5 und von 60 Pferdekräften lieferten, ermuthigt, hat Ericsson, in der Absicht die Anwendbarkeit seines Princips auf die Schifffahrt durch einen im kolossalsten Maaßstabe angestellten Versuch außer Zweifel zu stellen, ein Schiff gebaut, welches den größten Dampfschiffen an die Seite gestellt werden kann. Nach dem Berichte des Civilingenieurs Victor Beaumont ist dieses Schiff 250 Fuß lang, und 42 Fuß breit bei 2200 Tonnen Gehalt. Vier Schornsteine, jeder von nur 30 Zoll Durchmesser, ragen 12 Fuß über das Verdeck empor. Zwei derselben dienen zur Abführung der aus den Regeneratoren kommenden Luft, die andern zwei als Rauchfang. Beide Schaufelräder haben 32 Fuß Durchmesser und 10 Fuß Breite. Die 18 Zoll dicke Radwelle hat in der Mitte eine 3 Fuß 8 Zoll lange Kurbel, in welche zwei unter 45° geneigte Bleuelstangen eingehängt sind. Vor der Welle befinden sich zwei durch einen Balancier verbundene Calorimotoren der beschriebenen Art, welche die eine Bleuelstange in Bewegung setzen; zwei andere Calorimotoren befinden sich hinter der Welle und setzen die andere Bleuelstange in Thätigkeit. Die Art und Weise, wie diese vier Arbeitscylinder mit ihren vier Speisecylindern mit Hülfe der beiden Bleuelstangen auf die einzige Kurbel wirken und ihr eine gleichmäßige Rotation ertheilen, ist weder aus dem Berichte des oben erwähnten Technikers, noch aus den verschiedenen Zeitungsberichten |415| verständlich; es sind daher nähere Angaben hierüber noch abzuwarten. Jeder der Arbeitscylinder hat 14 Fuß Durchmesser und 6 Fuß Kolbenhub. Die Böden des Expansionsheizers und des Heizers sind 1 1/2 Zoll dick und werden durch die strahlende Wärme eines 5 Fuß unter ihnen befindlichen Feuers von Anthracitkohlen erhitzt. Ericsson hat diesen bedeutenden Abstand gewählt, um das Glühendwerden der Böden dieser Behälter zu verhüten; er hofft daher, daß dieselben länger als vier Jahre aushalten. Er hat es ferner vortheilhaft gefunden, die Luft im Cylinder nur auf ungefähr 195° C. zu erhitzen, wobei sie einen Druck von circa 11 Pfund per Quadratzoll ausübt. Die Regeneratoren haben einen Querschnitt von 24 Quadratfuß und sind mit 200 Drahtgeflechten gefüllt, welche, wenn auf den Quadratzoll 100 Maschen kommen, eine Summe von mehr als 69 Millionen Maschen oder Zellen darbieten. Die Gesammtdrahtlänge eines solchen Regenerators beträgt 1,152,000 Fuß oder ungefähr 50 deutsche Meilen; sämmtliche Gewebe aber bieten eine Heiz- oder Abkühlungsfläche von 12385 Quadratfuß dar, die der summirten Heizfläche von 15 Locomotiven gleichkommt. Wenn die Maschine 15 Kolbenhube per Minute macht, so beträgt das Gewicht der in einer Stunde durch den Apparat gegangenen Luft 75 Tonnen. Das Schiff consumirt in 24 Stunden angeblich nur 6 Tonnen = 6094 Kilogr. Kohlen bei einer Leistung von angeblich 600 Pferdekräften. Ein Dampfschiff von 600 Pferdekräften consumirt in 24 Stunden 72000 Kilogramme Steinkohlen. Es würde sich daher nach jener Angabe, deren Glaubwürdigkeit vor der Hand noch dahin gestellt bleiben mag, in Vergleich mit dem Dampfschiff zu Gunsten des calorischen Schiffes eine beinahe zwölffache Ersparniß an Brennmaterial herausstellen.

Frankfurt a. M., den 6. März 1853.

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Mitgetheilt im polytechn. Journal, 1834, Bd. LI S. 81.

|408|

Polytechn. Journal, 1852, Bd. CXXIII S. 86.

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Nach Ericsson beträgt diese Temperaturerhöhung bei einer seiner stationären Maschinen nur 260° C.

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