Titel: Armengaud's Bemerkungen über die Dimensionen der Sicherheitsventile.
Autor: Armengaud,
Fundstelle: 1853, Band 129, Nr. XCI. (S. 401–407)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj129/ar129091

XCI. Praktische Bemerkungen über die Dimensionen der an den Dampfkesseln angebrachten Sicherheitsventile; von den HHrn. Armengaud.

Aus deren Génie industriel, August 1853, S. 77.

Nach den in Frankreich gültigen polizeilichen Vorschriften über die Dampfmaschinen im Allgemeinen, müssen die Dimensionen der Sicherheitsventile nach der Formel

Textabbildung Bd. 129, S. 401

berechnet werden. In dieser Formel bezeichnet:

d den Durchmesser in Centimetern,
s die Heizoberfläche des Kessels in Quadratmetern, und
n die Anzahl der Atmosphären, womit der Dampfdruck wirkt.

Ein Röhrenkessel mit 120 Quadratmeter Heizoberfläche, welcher bei dem gewöhnlichen Druck von 1 1/2 Atmosphären wirkt, müßte daher, wenn man nur Ein Sicherheitsventil annimmt, haben

Textabbildung Bd. 129, S. 401

was einem Querschnitt entspricht von

πd²/4 = (3,1416 × 27,3² Centimet.)/4 = 585,35 Quadratcentimeter.

Wenn man demzufolge, was zweckmäßiger ist, zwei Ventile statt eines anbringt, so hat man für jedes:

585,35/2 = 292,67 Quadratcentimeter.

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Dieses gibt alsdann für ihren Durchmesser

(292,67 Quadratcentim. = 3,1416 × x²)/4 oder x = 19,3 Centimet.

also ungefähr 19 Centimeter.

Diese Dimension wird ohne Beziehung auf die Gestalt und die Construction des Kessels bestimmt. Dieß sollte aber nach unserer Meinung nicht so seyn. Nicht alle Kessel bieten für dieselbe Gesammt-Heizoberfläche denselben räumlichen Inhalt dar, enthalten also nicht gleiches Wasser- oder Dampfvolum. Oft hat ein Kessel-System, z.B. das der Röhrenkessel, welches häufig bei Dampfschiffen und stets bei Locomotiven angewendet wird, eine weit größere Heizoberfläche bei einem weit geringeren Volum, als ein anderes, z.B. wie das mit gewöhnlichen Siederöhren, welches hauptsächlich in den Fabriken in Anwendung ist.

Wir sind der Meinung, daß man in der Praxis auf die Einrichtung und Beschaffenheit des Dampferzeugers, seine Räumlichkeit, Rücksicht nehmen sollte, um darnach den Sicherheitsventilen die entsprechenden Durchmesser zu geben.

Wenn die Dimensionen der Ventile solche sind, daß sie in sehr kurzer Zeit den Dampf viel rascher ausströmen lassen als er sich erzeugt, so werden solche hauptsächlich wegen des großen Wasser- und Dampfvolums gewählt, das der Kessel enthalten kann.

Wenn man demnach z.B. annimmt, daß ein cylindrischer Generator mit Siederöhren einen Raum umschließt, welcher zwanzigmal die Dampfmenge faßt, die er in der Secunde erzeugen kann, und daß der Durchmesser des Sicherheitsventiles nach dieser Zahl berechnet ist, so muß man auch annehmen, daß der röhrenförmige Generator, welcher, bei derselben Heizoberfläche, eine Räumlichkeit darbietet, die nur zehn- bis zwölfmal die Menge des in demselben Zeitraum von einer Secunde erzeugten Dampfes zu fassen vermag, kein eben so großes Sicherheitsventil zu haben braucht, als der erstere.

Dieser Fall kommt sehr häufig bei den Kesseln von großer Kraft vor. So könnten wir eine große Anzahl von Dampfschiffen anführen78), deren Röhrenkessel von den kaiserl. Bergingenieuren geprüft und gestempelt sind, |403| und deren Sicherheitsventile dennoch weit kleinere Dimensionen als die Kessel stationärer Maschinen mit cylindrischen Siederöhren haben, obgleich letztere keine größere Heizfläche darbieten. Dieß begreift sich vollkommen, da, wie schon bemerkt, diese letzteren einen verhältnißmäßig größeren räumlichen Inhalt haben und eben deßhalb mehr Dampf enthalten. Gerade weil die Röhrenkessel weit weniger Volum einnehmen als die übrigen Systeme, werden sie für die Schiffe und Locomotiven angewandt, indem deren Dampferzeuger den möglich geringsten Raum einnehmen müssen, was bei denjenigen der Fabriken und Hütten nicht erforderlich ist.

Auch sind wir der Meinung, daß man die Berechnung nach dem äußern Durchmesser des Ventiles und nicht nach dem inneren Durchmesser der Oeffnung machen sollte.

Wenn z.B. der innere Durchmesser jedes Ventilsitzes 0,18 Met. und der äußere Durchmesser 0,19 Met. beträgt, d.h. wenn die Ventile 5 Millimeter Sitz auf der ganzen Peripherie haben, so ist es offenbar die dem äußeren Durchmesser (0,19 Met.) correspondirende Oberfläche, multiplicirt mit dem Belastungsgewicht des Ventils, was dem Dampfdruck entgegenwirkt, und nicht der innere Querschnitt der Oeffnung. Wenn folglich ein überschüssiger Druck das Gleichgewicht stört, so ist die Dampfmenge, welche unmittelbar zu entweichen strebt, im Verhältniß dieser äußeren Oberfläche und nicht im Verhältniß des inneren Querschnitts.

Es ist in der That nicht nothwendig, daß sich das Ventil vollkommen, d.h. in einer dem ganzen Querschnitt der Röhre oder des Cylinders entsprechenden Weite öffnet, damit der Dampf ausströmen kann; dieses Ausströmen geschieht vielmehr schon bei dem geringsten Ueberdruck. Wenn daher z.B. der normale Druck von 1,5 Atmosphären nur um 1/100 Atmospären zunimmt, so hebt sich das Ventil im Verhältniß dieses Ueberdrucks, multiplicirt mit seiner äußeren Oberfläche, und läßt sofort Dampf entweichen.

Streng genommen, muß die Erhebung des Ventils schon bei dem geringsten Ueberdruck stattfinden, so daß unmittelbar Dampf ausströmt, und sobald der Dampf nur durchsickert, ist die Kraft, welche dieses Ventil noch mehr zu heben strebt, wenn man sie in Kilogrammen ausdrücken will, gleich der gesammten äußeren Oberfläche des Ventils in Quadratcentimetern, multiplicirt mit der Differenz zwischen dem inneren und dem atmosphärischen Druck, diese in Kilogrammen per Quadratcentimeter ausgedrückt.

Deßhalb hat man auch verlangt, daß die Ventile am Sitze nur eine geringe Breite haben, damit sie nur sehr wenig Adhärenz darbieten.

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Wir behaupten demnach, daß zwei an einem Röhrenkessel von 120 Pferdekräften angebrachte Sicherheitsventile, von denen jedes einen inneren Durchmesser von 0,18 Met. hat, anstatt von 0,19 Met. nach der gesetzlichen Berechnung, vollkommen ausreichend sind, und daß sie selbst diejenigen Dimensionen noch übersteigen, welche, streng genommen, für einen solchen Kessel angenommen werden sollten, wenn man ihn hinsichtlich seines Hohlraums oder des Dampfvolums, welches er enthalten kann, mit einem Kessel mit Siederöhren vergleicht, welcher dieselbe Heizoberfläche hat.

Um übrigens selbst solche Personen, welche mit den Dampfmaschinen gar nicht vertraut sind, in Betreff dieses Gegenstandes zufrieden zu stellen, brauchen wir ihnen nur zu zeigen, welche ungeheure Menge Dampf durch die Oeffnung solcher Ventile ausströmt, sobald sie aufgehoben sind, und ihnen nachzuweisen, um wie viel größer das Dampfvolum ist, welches durch dieselben entweichen kann, als dasjenige welches erzeugt wird.

Es dürfte nicht ohne Interesse seyn, in Bezug hierauf die folgende Tabelle über die Geschwindigkeit und das Gewicht des bei verschiedenem Druck in die Luft ausströmenden Dampfes einzusehen.

Gewicht und Geschwindigkeit des bei verschiedenem Druck in die Luft entweichenden Dampfes.

Textabbildung Bd. 129, S. 404

Aus dieser Tabelle ersieht man, daß bei dem Druck von 1,5 Atmosphäre die Ausströmungsgeschwindigkeit 343 Meter per Secunde ist.

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Mithin beläuft sich für eine Oeffnung von nur 0,18 Meter Durchmesser, welche einem Querschnitt von 254,47 Quadratcentimet. entspricht, das Dampfvolum, welches in dem Zeitraum von einer Secunde auszuströmen vermag, auf

343 × 0,025447 Meter = 8,728 Kubikmet.79),

und für zwei solche Oeffnungen wird es

8,728 × 2 = 17,456 Met.,

also fast 17 1/2 Kubikmeter per Secunde.

Bei diesem Druck beträgt das Gewicht des Kubikmeters Dampf 0,854 Kilogramme, der Verbrauch ist also dem Gewicht nach

17,456 × 0,854 = 14,899 Kilogr.

oder nahe 15 Kilogr. per Secunde.

Nun nimmt man im Allgemeinen an, daß bei den besten Dampfkesseln ein Quadratmeter Heizoberfläche mit guter Steinkohle zu verdampfen vermag

0,038 Kubikmeter Wasser in der Stunde,

0,635 Kilogr. in der Minute.

Folglich würde ein Kessel von 120 Quadratmeter Oberfläche höchstens erzeugen

0,635 × 120 = 76,20 Kilogr. in 1 Minute,

76,20/60 = 1,27 Kilogr. in der Secunde.

Dieß entspricht für den normalen Druck von 1,5 Atmosphäre

1,27 Kilogr. ÷ 0,854 = 1,5 Kubikmeter.

Und da die beiden Oeffnungen von 0,18 Met. in demselben kurzen Zeitraume 17,456 Kubikmeter ausströmen lassen, so sieht man, daß sie bei ihrem Querschnitt fast zwölfmal so viel Dampf ausströmen lassen können, als der Kessel zu erzeugen im Stande ist; denn man erhält

17,456 Kubikmeter/1,50 Kubikmet. = 11,63.

Die Sicherheitsventile haben aber nur den Zweck, den überschüssigen Dampf ausströmen zu lassen, sobald die Spannung des Dampfs den normalen Druck übersteigt, und nicht ihn ganz und gar abzuführen. Sehen |406| wir nun, welche Zeit erforderlich ist, damit so viel Dampf ausströmt als nöthig ist, um ihn von 1,5 Atmosphäre auf einen geringern Druck, z.B. auf den Druck der Atmosphäre herabzubringen, wo er dann dem Druck von Außen das Gleichgewicht hielte.

Nach einer in dem Guide du Mécanicien conducteur de locomotives 80) von den sehr verdienstvollen Ingenieuren Flachat und Petiet mitgetheilten Tabelle müssen, damit ein Kubikmeter Dampf von 1,5 Atmosphäre Druck sich auf den atmosphärischen Druck expandiren kann, 0,372 Kubikmeter ausströmen (m. s. diese Tabelle unten).

Sonach muß der Kessel von 120 Pferdekräften, welcher 1,5 Kubikmeter in 1 Secunde erzeugt, fassen

1,5 × 0,372 = 0,558 Kubikmet. in 1 Sec. oder 558 Liter,

um den Dampf von 1,5 Atmosph. auf 1 Atmosphäre (den von Außen auf den Kessel ausgeübten Druck) sinken zu machen.

Da aber in diesem Zeitraum die zwei Oeffnungen der Ventile 17,456 Kubikmeter ausströmen lassen können, so ergibt sich, daß die obigen 558 Liter in 32/1000 Secunde verbraucht seyn würden, d.h. in weniger als 1/30 Secunde.

Da also mit solchen Ventilen ein so kleiner Bruchtheil einer Secunde erforderlich ist, um die Spannung des ganzen erzeugten Dampfes von 1,5 Atmosph. auf 1 Atmosphäre zu bringen, so wäre, wenn die Dampfspannung über 1,5 Atmosph., oder den normalen Druck, stiege, die erforderliche Zeit, um sie zu vermindern und auf diesen Druck zurückzuführen, ohne Vergleich kürzer und unmerklicher; denn einerseits öffnen sich die Ventile sobald ein Ueberdruck entsteht, und andererseits entweicht der Dampf um so rascher, je größer der Druck ist.

Wir behaupten auch, daß solche Ventile für Röhrenkessel in der That eine zu bedeutende Dimension haben, daher man sie ohne Nachtheil bei diesen Systemen reduciren könnte, sowie im Allgemeinen in allen den Fällen, wo der Raum für das Wasser und den Dampf verhältnißmäßig viel kleiner ist als bei den Generatoren mit gewöhnlichen Siederöhren.

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Dampf-Volume, welche ausströmen müssen, damit der in einem Behälter von 1 Kubikmeter Inhalt eingeschlossene Dampf nach einander alle Pressionen von 5 Atmosphären bis zum atmosphärischen Druck durchmacht, und Gesammt-Volume, welche ausströmen müssen, damit sich der Dampf bis zum atmosphärischen Druck expandirt.

Textabbildung Bd. 129, S. 407
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Z.B. den Bastia, Schiff von 120 Pferdekräften, mit zwei Kesseln, deren jeder von 60 Pferdekräften mit zwei Ventilen von 0,165 Meter Durchmesser versehen ist. Dieses dem Staat gehörige Dampfschiff fährt schon seit längerer Zeit unter gewiß sehr zweckmäßigen und sicheren Verhältnissen.

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Hierbei ist nicht Rücksicht genommen auf die Wirkungen der Contraction, welche übrigens bei der cylindrischen Form der Tubulaturen keinen bedeutenden Einfluß haben.

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Deutsche Uebersetzung von C. Hartmann. 2te Auflage, Weimar 1847, IIter Band 1852.

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