Titel: Ericsson's neue Luftexpansionsmaschine.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1856, Band 140, Nr. LIV. (S. 259–265)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj140/ar140054

LIV. Capitän Ericsson's neue Luftexpansionsmaschine.

Aus dem Mechanics' Magazine, 1856, Nr. 1691.

Mit Abbildungen auf Tab. IV.

Das Wesentliche vorliegender Erfindung besteht darin, daß der Regenerator und Heizer oder beide, mittelst der combinirten Bewegungen zweier innerhalb des Arbeitscylinders befindlicher Kolben, ohne Anwendung einer besondern Speisungspumpe, bei jedem Hub der Maschine mit frischer comprimirter Luft versehen werden. Dieses geschieht unter einem Gleichgewicht des Druckes, so daß der Speisungskolben während der Füllung oder Speisung des Regenerators oder Heizers von jedem Widerstand befreit wird. Zugleich versieht einer dieser Kolben den Dienst des Arbeitskolbens, indem er die volle Kraft auf die Maschine ausübt, ohne durch irgend einen nicht balancirten Druck gegen den Speisekolben eine Verzögerung zu erleiden.

Fig. 15 stellt diese Maschine mit den beiden Cylindern, Kolben und dem Luftheizungsapparate im horizontalen Durchschnitte, Fig. 16 im Aufrisse dar. Die Maschinen sind einfach-wirkend, und zwei derselben sind durch eine Kurbelwelle verbunden. Beide Kurbeln sind unter einem Winkel von 180° gegen einander gestellt, so daß, während der Kolben der einen Maschine durch die Spannung der erhitzten Luft getrieben wird, der Kolben der andern Maschine seinen rückgängigen Hub macht, und umgekehrt. Da beide Maschinen in ihrer Construction identisch sind, so gilt die Beschreibung der einen zugleich für die andere.

Der Cylinder a ist an dem einen Ende offen, an dem andern mit einem Deckel b versehen; dieser hat in seiner Mitte eine Oeffnung, die in einen Ventilkasten d führt. Letzterer hat zwei Oeffnungen e und f, |260| welche mit Ventilen g versehen sind. Die Stange des Ventils g tritt durch die hohle Stange des Ventils h, und beide werden durch einen geeigneten Mechanismus, welcher die Perioden der Bewegungen gibt, in Thätigkeit gesetzt. Die Oeffnung f führt mittelst einer Röhre i in eine Kammer j, welche ein System enger Röhren k umgibt, die den sogenannten Regenerator bilden. Zwischen diesen Röhren circulirt die aus dem Cylinder tretende Luft, und theilt ihre Wärme der in den Röhren befindlichen kalten Luft mit. Die Oeffnung e communicirt mit den Röhren m des sogenannten Heizers. Das Röhrensystem k, welches den Regenerator bildet, ist mit beiden Enden an eine Platte n befestigt und öffnet sich in zwei Kammern o und p. Die eine o steht durch die Röhre q und durch das nach außen sich öffnende selbstthätige Ventil r mit dem Cylinder a in Verbindung; die andere p communicirt mit den Heizröhren m, welche vermöge ihrer Windungen der von einem Ofen s entwickelten Wärme eine bedeutende Heizoberfläche darbieten. Das Röhrensystem m, m ist über dem Feuer angeordnet, so daß die Verbrennungsproducte auf ihrem Weg nach dem Canal t zwischen denselben circuliren. Die Bodenplatte des Canals t ist ein Röhrenblech, an welches ein System von Röhren u befestigt ist, durch das die Verbrennungsproducte nach dem Canal w und von da in den Schornstein gelangen.

Die Röhren u sind in eine Kammer eingeschlossen, welche durch eine in der Nähe des Bodens befindliche Oeffnung v von außen einen Luftstrom aufnimmt. Oben befindet sich eine andere Oeffnung x, durch welche der Luftstrom, nachdem er die Röhren umspielt und von denselben Wärme aufgenommen hat, seinen Weg nimmt, so daß die Verbrennungsproducte mit einer sehr niedrigem Temperatur ins Freie entweichen. Es sind nämlich zwei entgegengesetzte Ströme zu beachten, wovon der eine der atmosphärische Strom ist, welcher von den kältesten nach den heißesten Enden der Röhren geht und die Wärme der durch die Röhren nach der entgegengesetzten Richtung streichenden Verbrennungsproducte stufenweise absorbirt.

Von dem Canal x strömt die erwärmte Luft abwärts durch einen verticalen Canal y, welcher mit zwei Oeffnungen z und a' versehen ist, die beide mittelst Dämpfern oder Registern regulirt werden. Die eine führt unter den Rost in den Ofen, um das Feuer anzufachen, wenn eine größere Hitze erforderlich ist; die andere führt oberhalb des Feuers, um die Luft direct nach den Heizröhren m gelangen zu lassen, wenn es nöthig erscheint, die Hitze der Röhren zu mäßigen. Durch diese Anordnung wird eine große Brennmaterial-Ersparniß erzielt, und der Maschinenwärter in den Stand gesetzt, die Wärme der Heizröhren mit der größten Leichtigkeit |261| zu reguliren. Der Cylinder ist mit zwei Kolben b' und c' versehen. Der eine, dem offenen Ende des Cylinders näher liegende Kolben b' der sogenannte Arbeitskolben, ist mit einem selbstthätigen Ventil d' versehen, welches sich nach Innen öffnet, und der andere c', der Speisekolben, befindet sich zwischen dem Arbeitskolben und dem Deckel des Cylinders.

Die Stange f' des Speisekolbens tritt durch eine in dem Arbeitskolben befindliche Stopfbüchse e. Diese Kolbenstange umfaßt das Ende eines um den Zapfen h' schwingenden Arms g', welcher zu beiden Seiten des Zapfens h' die Rollen i' und j' enthält. Diese Rollen, welche die Bestimmung haben, die Bewegungen des Speisekolbens zu reguliren, werden abwechselnd durch zwei an der Kurbelwelle m' befindliche Excentriken k' und l' in Bewegung gesetzt; das Excentricum k' wirkt auf die Rolle i' und das andere l' auf die Rolle j'. In Fig. 15 sind der Arm und die beiden Excentriken nur in Verbindung mit der einen Maschine dargestellt; Fig. 16 zeigt den Arm und seine Rollen in beiden entgegengesetzten Stellungen. Das Excentricum k' wirkt auf die Rolle i', um den Speisekolben nach Innen zu bewegen, und das andere Excentricum l' beherrscht seine Bewegung in der entgegengesetzten Richtung. Der Arbeitskolben besitzt zu beiden Seiten der Stopfbüchse e' die Bolzen m'', m'', von welchen zwei Schubstangen n', n' nach dem Arm o' einer oscillirenden Welle p' gehen. Letztere ist noch mit einem andern unter dem geeigneten Winkel angeordneten Arm q' versehen, welcher durch eine Stange r' mit der Kurbel s' der Welle m' verbunden ist. Die erforderlichen Bewegungen der Ein- und Ausströmungsventile werden mittelst eines geeigneten Mechanismus von der Kurbelwelle hergeleitet.

Ich gehe nun zur Beschreibung der Wirkungsweise der Maschine über, wobei ich annehme, daß die Feuerung der Oefen bereits in gehörigem Gang sey.

Mit Hülfe einer an der Kammer p an dem einen Ende des Regenerators angebrachten Handluftpumpe wird zuerst atmosphärische Luft bis zum Druck von ungefähr 1 Atmosphäre eingepumpt, worauf sich die Maschine in arbeitsfähigem Zustande befindet. Die Kurbeln müssen, wie dieses auch bei Dampfmaschinen üblich ist, am Anfang über den todten Punkt hinaus bewegt werden.

Angenommen, die Kolben der Maschine befinden sich in der Fig. 16 dargestellten Lage an dem Ende ihres auswärtsgehenden Hubes. Während nun die in der Richtung des Pfeils sich bewegende Kurbel s' den äußeren tobten Punkt überschreitet, und dadurch dem Arbeitskolben b' nur eine geringe Bewegung mittheilt, wird der Speisekolben c' durch die |262| Wirkung des Excentricums k' gegen die Rolle i' des Arms g' rasch von dem Arbeitskolben entfernt. Dieses Excentricum rotirt nämlich in der Richtung des Pfeils, und seine wirksame Fläche ist so gestaltet, daß die Bewegung des Kolbens langsam beginnt, rasch zunimmt und gegen das Ende des Hubes allmählich anhält; der Kolben bleibt sodann in Ruhe, während der äußerste Theil des Excentricums an der Rolle vorübergeht. Während dieser einwärts gehenden Bewegung des Speisekolbens legt der Arbeitskolben nur eine geringe Strecke seines gleichfalls nach Innen gehenden Hubes zurück; daher öffnet sich das Ventil d' des Arbeitskolbens durch den Druck der Atmosphäre, um der kalten Luft den Eintritt in den zwischen beiden Kolben befindlichen Raum zu gestatten. Sobald der Speisekolben still steht, schließt sich die Oeffnung f, und die fortgesetzte Bewegung des Arbeitskolbens nach Innen fängt an die auf solche Weise zugeführte kalte Luft zu comprimiren, welche sofort das selbstthätige Ventil d', durch das die Luft eingetreten war, schließt. Diese kalte Luft wird durch den Arbeitskolben bis an das Ende seines nach Innen gehenden Hubes fortwährend comprimirt, und da die zu dieser Compression erforderliche Kraft von der andern Maschine hergeleitet wird, so ist es wichtig, die Bedingung der Verbindungen zu beobachten. Jetzt beginnt der Speisekolben der einen Maschine seinen Hub, und die Luft strömt in Folge des atmosphärischen Druckes ein; wenn der Arm o' der oscillirenden Welle p', womit der Kolben durch die Stange n' verbunden ist, seine größte Hebelwirkung erreicht hat, so befindet sich der entsprechende Arm an der oscillirenden Welle der andern Maschine in seiner kleinsten Wirkung. Während sich aber der Kolben nach Innen bewegt, und die stufenweise Compression der zugeführten Luft den Widerstand vermehrt, wirkt der Arm o' allmählich als kürzerer Hebel, und der nämliche Arm der andern Maschine als längerer Hebel, so daß die zur Comprimirung der zugeführten Luft nöthige Kraft möglichst zweckmäßig verwendet ist.

Ehe der Speisekolben den so eben beschriebenen Hub nach Innen beginnt, öffnet sich das Ventil g. Das Ventil h hat sich vorher geschlossen, so daß die Füllung erhitzter Luft, durch welche der vorhergehende Hub der Maschine vollbracht worden war, ins Freie entweichen kann. Die zur Bewegung des Speisekolbens nach Innen erforderliche Kraft ist demnach sehr gering, indem die Luft auf der einen Seite ins Freie entweicht, auf der andern Seite vermöge des atmosphärischen Druckes durch das Ventil d' eintritt. Die aus dem Cylinder entweichende heiße Luft umspielt aber das Röhrensystem k des Regenerators, und theilt ihre Wärme der durch die Röhren streichenden kalten Luft mit. Die letztere wird somit vorgewärmt, ehe sie auf ihrem Weg durch die Heizröhren |263| ihren vollständigen Hitzegrad erlangt. Auf diese Weise wird viel Wärme, welche sonst verloren ginge, gespart.

Nachdem die kalte Luft eingepumpt und comprimirt worden ist, kann die Maschine durch die Spannkraft der erhitzten Luft in Gang gesetzt werden. Nachdem das Ausströmungsventil g während des größeren Theiles der einwärts gehenden Bewegung des Arbeitskolbens geschlossen geblieben war, wird das Einströmungsventil h' jetzt geöffnet. Die heiße Luft gelangt daher aus dem Heizer in den Cylinder, wodurch der Speisekolben gegen den Arbeitskolben hin, nach Außen getrieben wird. Das Excentricum l' hat eine solche Gestalt, daß es den Kolben mit einer rasch beschleunigten Bewegung zurückführt, bis er mit dem Arbeitskolben beinahe in Berührung kommt. Bei dieser Bewegung des Speisekolbens wird die bereits comprimirte Luft zwischen den beiden Kolben noch weiter comprimirt, nicht durch die Kraft der Maschine, sondern durch die Spannkraft der erhitzten Luft, da sich der Speisekolben zwischen der heißen Luft des Heizers und der kalten Luft, das selbstthätige Ventil r aber sich zwischen beiden befindet. Denn man darf nicht vergessen, daß, da der Heizer und der Regenerator mit einander in Verbindung stehen, die vollkommen elastische Luft sich in beiden unter gleichem Drucke befindet, obgleich ein Theil derselben stärker erhitzt ist als der andere. Und da die Luft des Cylinders nur durch das in der Seite des Cylinders befindliche Ventil r von der Luft des Regenerators getrennt ist, so wird der Speisekolben durch die erhitzte Luft so weit auswärts bewegt, bis die Speiseluft zu gleicher Spannung comprimirt ist; alsdann schafft jede fernere Bewegung des Speisekolbens, welche durch das Excentricum l' bewirkt wird, indem dieses den Arbeitskolben näher schiebt, die Speiseluft durch das Ventil r aus dem Cylinder in den Regenerator. Die einzige bei dieser Uebertragung durch die Maschine ausgeübte Kraftäußerung besteht in der kleinen Kraft, welche zur Bewegung des Kolbens zwischen den beiden gleichen Pressungen erforderlich ist, um der einen jenes kleine Uebergewicht zu geben, welches zur Oeffnung des Ventils r nöthig ist. Sobald der Speisekolben an diesem Ventil vorbeigeht und den Arbeitskolben einholt, hört jener überwiegende Druck auf, und das Ventil schließt sich vermöge seiner Schwere. Die so eben beschriebenen Operationen zur schließlichen Comprimirung und Uebertragung der Luft finden statt, während der Arbeitskolben ganz oder beinahe in Ruhe ist, d.h. während die Kurbel durch den von dem Arm q' entferntesten tobten Punkt geht. Es wird also einer Bewegung der Kurbel in der Nähe dieses tobten Punktes eine weit kürzere Bewegung des Kolbens entsprechen. Wenn der Speisekolben seine |264| größte Nähe an den Arbeitskolben erreicht, hat der letztere nur einen sehr kleinen Theil seines auswärts gehenden Hubes erreicht.

Während der Speisekolben an dem Ventil r vorübergeht, bleibt eine comprimirte Luftschichte zwischen den beiden Kolben, welche wie ein elastisches Kissen wirkt. In diesem Zeitpunkt wird die heiße Luft des Cylinders durch Schließung des Ventils h abgesperrt, der Arbeitskolben durch die Spannkraft der erhitzten Luft, und der Speisekolben durch das Excentricum nach Außen getrieben.

Wie bereits erwähnt wurde, hat das auf die Rolle j' wirkende Excentricum l', welches den auswärtsgehenden Hub des Speisekolbens beherrscht, eine solche Form, daß die Bewegung des Kolbens eine rasch beschleunigte ist, bis er sich dem Arbeitskolben nähert, dann allmählich langsamer wird. Von dem Punkte 1 bis 2 muß aber die Krümmung des Excentricums so beschaffen seyn, daß seine Bewegung durch Vermittelung der Kurbel und der Arme o' und q' mit der Bewegung des Arbeitskolbens übereinstimmt.

Wie oben gezeigt wurde, ist die abwechselnde Hebelwirkung der Arme o' beider Maschinen von der Art, daß die Kraft zur Comprimirung der Speiseluft auf das vortheilhafteste verwendet wird, und es bleibt nur noch übrig die Verbindung zwischen beiden zu erläutern. Die Hebelwirkung des mit dem Arbeitskolben verbundenen Arms o' nimmt während des auswärts gehenden Hubes bei der einen Maschine stufenweise zu, während die Spannung der heißen Luft durch Ausdehnung allmählich abnimmt; bei der andern Maschine, wo jetzt der Arbeitskolben die Speiseluft comprimirt, nimmt sie gleichzeitig ab, und umgekehrt.

Die auf den Arbeitskolben behufs der Comprimirung der Speiseluft ausgeübte Kraft ist nicht als ein wirklicher Verbrauch, sondern nur als eine Uebertragung der Kraft zu betrachten. Dieß geht aus der Beschreibung der ganzen Operation hervor; denn die solcher Weise comprimirte Luft wird auf den Regenerator übertragen, von diesem auf den Heizer und von dem Heizer auf den Cylinder, wo sie auf den Kolben die Spannkraft ausübt, die ihr ursprünglich durch den Kolben ertheilt wurde, nebst derjenigen Spannkraft, welche sie durch die Erhitzung erlangt hat.

Durch den abwechselnden Hub jeder Maschine wird die erforderliche Quantität kalter Luft in die Maschine geschafft, comprimirt, von dem Cylinder auf den Regenerator übertragen, von diesem durch den Heizer und von dem Heizer nach dem Cylinder zurückgeführt. Bei diesem Kreislauf wird sie allmählich erwärmt und zwar zuerst durch die Wärme, welche sie von der entweichenden heißen Luft aufnimmt, dann durch die Ofenwärme. Da die Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, so wird die Wärme |265| nicht durch Leitung von dem Heizer nach dem Regenerator zurückgeführt, sondern, nachdem die heiße Luft ihre Kraft auf den Cylinder ausgeübt hat, überträgt sie beim Entweichen ihre überschüssige Hitze auf die durch den Regenerator streichende Speiseluft. Da der Zweck des Regenerators lediglich in der Brennmaterialersparniß besteht, so ist klar, daß die Speiseluft durch den Speisekolben von dem kalten Ende des Arbeitscylinders direct nach einem Heizer gedrückt werden kann, welcher mit dem andern Ende des Arbeitscylinders in directer Verbindung steht. (Patentirt für England am 8. Mai 1855.)

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