Titel: Wrede's verbesserte Gas- und Luftmaschinen.
Autor: Wrede, Fabian
Fundstelle: 1854, Band 131, Nr. CVI. (S. 401–407)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj131/ar131106

CVI. Verbesserte Gas- und Luftmaschinen; von Fabian Wrede zu Stockholm, Mitglied der schwedischen Akademie der Wissenschaften.

Aus dem Repertory of Patent-Inventions, Februar 1854, S. 104.

Mit Abbildungen auf Tab. VI.

Unter der Benennung „Gasmaschine“ verstehe ich eine Maschine, wobei zum Hervorbringen mechanischer Wirkung die Ausdehnung permanenter Gase durch Wärme benutzt wird, in Uebereinstimmung mit folgendem nicht neuen Princip: „Eine und dieselbe Gasmasse wird vorwärts und rückwärts zwischen zwei verschiedenen Räumen in solcher Weise bewegt, daß sie gar keine Veränderung in ihrem Volum durch die Uebertragung erleidet. Während des Ueberführens von dem einen Raum zum andern wird sie abwechselnd erhitzt und abgekühlt, folglich ihre Spannkraft abwechselnd vergrößert und vermindert. Die fragliche Gasmasse ist in beständiger Communication mit dem einen Ende eines gewöhnlichen Arbeitscylinders, auf dessen Kolben sie folglich einen abwechselnd stärkeren und schwächeren Druck ausüben wird, so daß er sich rückwärts und vorwärts in derselben Weise wie bei Dampfmaschinen bewegen muß.“

Die Ueberführung des Gases kann auf zwei ganz verschiedene Weisen bewirkt werden, nämlich: entweder 1) dadurch daß man das Gas von einem Theil eines geschlossenen Gefäßes zum andern mittelst eines Kolbens bewegt, welcher einen großen Theil vom innern Volum des Gefäßes ausfüllt; oder 2) dadurch, daß man das Gas aus einem cylindrischen oder prismatischen Gefäß mittelst eines Kolbens austreibt, welcher es durch eine äußere Verbindung entweder zum andern Ende desselben |402| Gefäßes, also auf die andere Seite des Kolbens übergehen läßt, oder auch in ein anderes Gefäß, dessen Kolben sich in der Weise bewegt, daß das Gas durch den Ueberführungsproceß keine Veränderung in seinem Volum erleidet.

Meine Verbesserungen an den Gasmaschinen beziehen sich hauptsächlich auf die letztem unter 2) erwähnten Methoden das Gas zu bewegen. Da die Gase im Allgemeinen sehr schlechte Wärmeleiter sind, so ist einleuchtend, daß wenn eine Masse von erhitztem Gas in ein Gefäß von niedrigerer Temperatur in solcher Weise übergeführt werden könnte, daß im Gas selbst keine Bewegung entstände, dann nur die äußeren Theile der Gasmasse, oder diejenigen welche unmittelbar die Wände des Gefäßes berührten, durch letztere abgekühlt würden, während im Gegentheil der Rest der Gasmasse seine höhere Temperatur beibehielte, bis die allmählich aufsteigenden Ströme Zeit hatten sich zu entwickeln. Denken wir uns nun in Uebereinstimmung mit dem oben Gesagten, daß das Gas mittelst eines Kolbens aus dem obern Theil eines cylindrischen Gefäßes herausgetrieben wird, und daß es mittelst eines äußern Verbindungsrohrs in den untern Theil desselben Gefäßes geführt wird, so ist klar, daß es dort mit einer Geschwindigkeit einströmen muß, welche diejenige des Kolbens in demselben Verhältniß übertrifft, als die Fläche des letztern größer als die Fläche der Röhrenöffnung ist. Das Gas muß folglich die untere Fläche des Kolbens erreichen, sich über dieselbe verbreiten und dann an den Wänden des Gefäßes hinabsteigen, in Folge des in den untern Schichten entstehenden Saugens; und es ist daher einleuchtend, daß wenn das eintretende Gas eine höhere Temperatur hat als die Wände des Gefäßes, es durch dieselben bald abgekühlt werden wird, so daß der höhere Wärmegrad keinen Vortheil gewährt. Wenn hingegen das Gas, anstatt durch eine einzige Oeffnung am Boden des Gefäßes einzuströmen, durch eine große Anzahl von kleinen Löchern eingeführt wird, welche über der ganzen Bodenfläche gleich vertheilt sind, so ist der Fall ein ganz verschiedener; die größere Geschwindigkeit, womit das Gas auch jetzt noch durch die kleinen Löcher einströmt, wird bald durch das zwischen denselben entstehende Saugen neutralisirt, und anstatt der größeren circulirenden Bewegung, welche in dem vorigen Fall fast die ganze Masse des Gases in Berührung mit den Wänden des Gefäßes brächte, erfolgt nun eine im Ganzen gleichförmige Bewegung des Gases, daher nur die äußeren Theile desselben in Berührung mit dem Gefäß kommen. Diese vortheilhafte Anordnung läßt sich auf verschiedene Weisen ausführen, wovon folgende die einfachsten sind: |403| A, B, C, D, Fig. 5, ist ein geschlossener cylindrischer Generator, unter welchem Ausdruck ich ein Gefäß verstehe, worin das abwechselnde Erwärmen und Abkühlen des Gases bewirkt wird; E, F, G, H ist ein in demselben eingeschlossener Cylinder, dessen äußerer Durchmesser um so viel kleiner als der innere von jenem ist, daß der Raum zwischen denselben einen hinreichend geräumigen Verbindungscanal zwischen den oberen und unteren Theilen des Generators bildet. Der innere Cylinder ist sowohl am oberen Ende als am Boden mit einem Deckel geschlossen, welcher mit einer großen Anzahl von kleinen Löchern versehen ist; zwischen diesen Deckeln und denjenigen des äußern Cylinders bleibt ein Raum von beiläufig derselben Weite wie zwischen den Wänden der zwei Cylinder. Wenn nun der Kolben K gehoben wird, so muß das über ihm befindliche Gas durch die Löcher im obern Deckel E, F austreten, dann in dem Raum zwischen den Cylindern hinabziehen, hierauf zwischen die Böden C, D und G, H gelangen und in den untern Theil des Generators durch die Löcher im innern Boden G strömen. Das Gas kommt folglich in unmittelbare Berührung mit den zwei Böden, welche durch den Ofen erwärmt werden; es muß daher beim Eintreten in den Generator nahezu dieselbe Temperatur haben wie die Böden, von welcher, wie ich bereits gezeigt habe, während seiner Bewegung im Generator nur sehr wenig verloren gehen kann. Wenn der Kolben wieder sinkt, geht das Gas in umgekehrter Ordnung, und muß dann über dem Kolben eintreten, abgekühlt durch das über dem Deckel A, B eingeführte Wasser. In Folge des abwechselnden Einflusses des warmen und kalten Gases auf die Cylinderwände werden dieselben allmählich eine Temperatur bekommen, welche von unten nach oben abnimmt, so daß das Erwärmen und Abkühlen des Gases fast gänzlich in dem Raum zwischen den Cylindern bewirkt wird. Es versteht sich von selbst, daß der Generator mit einer Seitenöffnung versehen seyn muß, durch welche er in beständiger Verbindung mit dem einen Ende eines Arbeitscylinders steht, und daß der übertragende Kolben durch die Maschine in ähnlicher Weise wie die Ventile einer Dampfmaschine bewegt werden muß. Wenn das erhitzte Gas von dem warmen zu dem kalten Ende des Generators aufsteigt, durch den zu diesem Zweck zwischen beiden Cylindern gelassenen Raum, so gibt es einen großen Theil seiner Wärme an deren Wände ab, und kommt beträchtlich abgekühlt zwischen die zwei Deckel, weßhalb ihm nur ein kleiner Theil seiner anfänglichen Wärme mittelst des abkühlenden Wassers entzogen zu werden braucht. Je vollständiger die Wärme des Gases an die Cylinderwände abgegeben wird, desto vortheilhafter ist es, weil diese Wärme nicht verloren ist, sondern größtentheils wieder aufgenommen wird, wenn das abgekühlte Gas in der entgegengesetzten |404| Richtung zurückkehrt. Um diesen Zweck zu erreichen, muß man den Raum zwischen den Cylindern so eng als möglich wählen; über eine gewisse Gränze darf man ihn jedoch nicht verkleinern, weil er eine hinreichend geräumige Communication zwischen den zwei Enden des Generators bilden muß. Je größer der Generator ist, desto weiter muß offenbar der Raum seyn; bei größeren Maschinen würde er so weit, daß der hindurchgehende Gasstrom seine Wärme den umgebenden Wänden nur noch unvollkommen mittheilen oder von denselben zurückempfangen könnte; um diese Schwierigkeit zu vermeiden, kann man zwischen den zwei erwähnten Cylindern einen oder mehrere einschalten, um den Gasstrom in zwei oder mehrere zu zertheilen.

Fig. 6 zeigt einen in dieser Weise construirten Generator. Der Zwischencylinder ist der Länge nach in zwei getheilt, damit um den Generator eine hinreichend geräumige Communication mit dem Arbeitscylinder gebildet wird. Wenn die zwei so entstehenden Hälften wieder in zwei oder mehr Theile getheilt werden, erlangt man den Vortheil, daß die Wärmeleitung von unten aufwärts beträchtlich vermindert wird.

Nach meiner Erfahrung ist es keineswegs gleichgültig, wie man die durchlöcherte Platte an dem Boden oder Deckel des Generators befestigt; wenn man sie so anbringt, daß sie den Deckel des Generators entweder gar nicht oder nur an wenigen Punkten berührt, so wird sie eine von derjenigen des letztern sehr verschiedene Temperatur haben, was offenbar einen großen Kraftverlust veranlaßt; um dieß zu verhüten, muß man der Platte und dem Deckel so viele Verbindungspunkte, oder richtiger ausgedrückt, so große Berührungsflächen geben, als es möglich ist ohne den freien Durchgang der Gase zwischen denselben zu hemmen. Fig. 7 zeigt, wie ich dieß an meinen bisherigen Modellen zu erzielen bemüht war. A, B ist die durchlöcherte Platte; c, d, c, d sind erhöhte Theile daran, deren Höhe über der Oberfläche der Platte gleich dem Raum ist, welcher zwischen der Platte und dem Deckel des Generators bleiben soll, und deren obere Flächen mit dem letztern in vollkommene Berührung kommen. Um die Wärmemittheilung zwischen dem Deckel oder Boden des Generators und den durchlöcherten Platten noch mehr zu begünstigen, sollten letztere von Kupfer oder einem andern guten Wärmeleiter gemacht werden.

Der Vortheil, welchen die beschriebene Art das Gas zu bewegen, im Vergleich mit der zuerst erwähnten gewährt, ist nun einleuchtend. Offenbar muß bei der zuerst erwähnten Anordnung, wo die Bewegung des Gases mittelst eines Kolbens bewirkt wird, von letzterm ein sehr beträchtlicher Theil des Generators eingenommen werden und folglich der innere |405| Raum desselben viel größer seyn als das darin enthaltene Gasvolum. Bei der zuletzt erwähnten Anordnung kann hingegen das im Generator enthaltene Gas dessen Volum, wo nicht ganz, wenigstens größtentheils ausfüllen, daher derselbe in diesem Fall viel kleiner gemacht werden als im andern. Ueberdieß wird das Gas nun während des ganzen Schubs mit dem unmittelbar erhitzten Boden des Generators in Berührung kommen, wogegen bei dem zuerst erwähnten Mechanismus das Gas während eines Theils des Schubs durch seine Berührung mit einem Theil des Generators erhitzt wird, welcher aber nur mittelst der Wärmeleitung von unten erhitzt wurde und daher nicht ganz so heiß wie der Boden seyn kann. Das Erhitzen des Gases muß folglich bei dem zuletzt beschriebenen Proceß mit größerer Sicherheit und auf einen höhern Grad bewirkt werden, als in dem andern. Dazu gewinnt man noch den Vortheil, daß die Maschine in viel kürzerer Zeit geheizt werden kann, weil man nun bloß den Boden zu erhitzen braucht um die Maschine in Bewegung zu setzen, während sie bei dem zuerst erwähnten Proceß erst in Bewegung kommen kann, nachdem sich die Wärme ziemlich weit an den Wänden des Generators hinauf fortgepflanzt hat, wozu eine lange Zeit nöthig ist.

Aus obigen Bemerkungen über die Gasmaschine nach der einen oder andern Construction ist ersichtlich, daß ihre Kraft großentheils von der Differenz zwischen der Temperatur des Gases in dem warmen und in dem kalten Raum abhängt; es ist aber einleuchtend, daß sie eben so von dem Grad der Kompression abhängt, welche dem Gas anfänglich ertheilt wurde. Um die Kraft der Maschine zu verdoppeln oder zu verdreifachen, braucht man daher nur mittelst der Druckpumpe die in dem Generator enthaltene Gasmenge zu verdoppeln oder zu verdreifachen; und es bestehen für die Kraft der Maschine keine anderen Gränzen, als diejenigen welche die Stärke ihrer Wände und anderer Theile, sowie die Vollkommenheit der Fugen bedingen.

Bisher habe ich nur im Allgemeinen erwähnt, daß in der Gasmaschine ein permanentes Gas angewandt wird, ohne eine besondere Gasart zu nennen. Wenn man nur die Kraft der Maschine in Betracht zieht, so ist es von keiner Wichtigkeit welche Gasart man benutzt; dieß ist jedoch nicht mehr der Fall, wenn man andere Umstände berücksichtigt. Wollte man z.B. atmosphärische Luft anwenden, welche von allen permanenten Gasen am leichtesten zu haben ist, so würde sie durch den in ihr enthaltenen Sauerstoff die erhitzten Theile der Maschine womit sie in Berührung kommt, nach und nach oxydiren und folglich zerstören; würde man hingegen ein sauerstofffreies Gas anwenden, oder wenigstens ein solches, welches in Berührung mit erhitztem Metall seinen Sauerstoff nicht |406| abgibt, so könnte dieses Gas nicht nachtheilig auf die Maschine wirken. Stickstoff wäre in jeder Hinsicht vortheilhaft, wenn er nicht besonders dargestellt werden müßte; obgleich mm seine Bereitung weder schwierig noch besonders kostspielig ist, so sollte sie doch wo möglich vermieden werden. Wasserstoff kann leichter dargestellt werden, hat aber andere Uebelstände, welche ihn entschieden unbrauchbar machen; seine Anwendung könnte z.B. gefährliche Explosionen veranlassen, wenn der Maschinist aus Unachtsamkeit zugleich mit demselben atmosphärische Luft in die Maschine gelangen ließe; überdieß würde vom Wasserstoff wegen seines geringen specifischen Gewichts in Folge der unvermeidlichen Undichtheiten der Maschine viel mehr entweichen als von einem schwerern Gas. Die Speisepumpe, welche in allen Fällen nöthig ist, um den Gasverlust zu compensiren, müßte vierzehnmal größer seyn, wenn man anstatt atmosphärischer Luft Wasserstoff anwenden würde. Die brauchbarste Gasart ist nach meiner Meinung diejenige Mischung von Stickstoff und Kohlenoxyd, welche entsteht, wenn man über rothglühende Holzkohle langsam atmosphärische Luft leitet. Wird die Maschine mit Holzkohlen oder Kohks geheizt, so kann man diese Mischung der Feuerstelle durch ein zu diesem Zweck in derselben angebrachtes Rohr entnehmen.

Nach obigen Mittheilungen über die Gasmaschine ist es einleuchtend, daß sie sowohl einfach- als doppeltwirkend benutzt werden kann. In vielen Fällen kann es vortheilhafter seyn, die einfach-wirkende anzuwenden; dann muß sie jedoch modificirt werden, um einige sehr wichtige Unbequemlichkeiten zu beseitigen. Bekanntlich hängt die Kraft einer einfach-wirkenden Maschine von der Differenz zwischen einem größern und einem geringern im Generator stattfindenden Druck ab, und selbst der geringste Druck in demselben muß noch größer als der atmosphärische seyn. Offenbar kann der Kolben durch den Mechanismus der Maschine selbst nur in einer Richtung geführt werden, und es muß daher seine Rückkehr in der entgegengesetzten Richtung durch Anwendung einer äußern dem Mittlern Druck im Generator entsprechenden Kraft bewerkstelligt werden, was aber mit großen praktischen Unbequemlichkeiten verbunden ist. Ueberdieß müßte bei einer einfach-wirkenden Maschine, wo eine Seite des Kolbens in unmittelbarer Berührung mit der äußern Luft steht, in Folge der Undichtheit der Packung des Kolbens stets ein sehr beträchtlicher Gasverlust stattfinden, und es wären daher sehr große Speisepumpen erforderlich. Alle diese Uebelstände lassen sich jedoch leicht dadurch beseitigen, daß man dasjenige Ende des Cylinders, welches nicht mit dem Generator communicirt, mit einem Reservoir verbindet, in welches Gas bis zum Mittlern im Generator stattfindenden Druck gepumpt wird.

|407|

Die besprochene Gasmaschine (welche mir am 11. Juli 1853 für England patentirt wurde) kann unbeschadet ihrer Eigenthümlichkeiten auf sehr verschiedene Weise hinsichtlich der Stellung und Form ihrer Generatoren und Cylinder ausgeführt werden. Anstatt das Gas in den Generator durch eine Anzahl von Löchern oder Oeffnungen zu führen, welche auf seinem ganzen Boden oder Deckel gleich vertheilt sind, kann man diese durchlöcherte Platte auch durch ein oder mehrere Drahtgewebe ersetzen.

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