Titel: Hall, über die Ursachen der Dampfkessel-Explosionen und die Mittel zu ihrer Vermeidung.
Autor: Hall, Kemble
Fundstelle: 1856, Band 141, Nr. II. (S. 12–18)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj141/ar141002

II. Ueber die Ursachen der Dampfkessel-Explosionen und die Mittel zu ihrer Vermeidung; von Hrn. Kemble Hall, Bürger der Vereinigten Staaten.

Auszug einer Abhandlung, welche er am 4. und 11. März 1856 im Institut der Civilingenieure zu Birmingham unter dem Vorsitz des Hrn. Robert Stephenson vortrug.

Aus dem Civil Engineer and Architect's Journal, April 1856, S. 133.

Mit Abbildungen auf Tab. I.

Explosionen der Dampfkessel können durch verfehlte Construction derselben und verwendete mangelhafte Materialien entstehen; beiden Ursachen sucht man durch vorher mit den Kesseln angestellte Proben und durch die gewöhnlichen Sicherheitsventile vorzubeugen, und gegen die Verschlechterungen der Kessel in Folge ihres Gebrauchs schützen von Zeit zu Zeit angestellte Untersuchungen. Wenn der Dampfdruck nur stufenweis zunimmt, bis er die Stärke des Kessels übersteigt, so wird sich die Gefahr an einem von den vielen Nieten und den Fugen an denselben zeigen, weil daselbst immer einzelne Punkte sind, welche zuerst nachgeben. In dem Kessel, welcher am 18. August 1855 in den Hartford-Stahlwerken zu Sheffield explodirte, hatte der Dampf seinen gewöhnlichen Druck von 40 Pfd. auf den Quadratzoll, als die eine Seite des Kessels zerriß und der Dampf mit einem furchtbaren Geräusch ausströmte, wodurch Wärter und Heizer von der Gefahr unterrichtet wurden und derselben entgehen konnten. Die Seitenstützen waren beschädigt und hatten nachgegeben. Es lag daher die Annahme nahe, daß das Zerreißen des Kessels in mehrere Stücke, die gewöhnliche Folge der Explosionen, durch einen plötzlichen Kraftausbruch veranlaßt wurde, bei welchem auch Elektricität gewirkt hatte. Obgleich nun elektrische Erscheinungen durch die Expansion eines Dampfstroms auftreten können, so läßt sich doch nicht annehmen, daß ein Kessel bei seinen vielerlei metallischen Verbindungen mit der Erde in einen Elektricitätsbehälter verwandelt werden könne. Entsteht Elektricität, so wird sie sicher sogleich abgeleitet. Man hat ferner angenommen, daß die der Einwirkung des Feuers durch das Sinken des Wasserstandes ausgesetzten Blechplatten des Kessels überhitzt und zersetzt worden sehen; daß der Dampf, dessen Sauerstoff sich mit dem Eisen verband, Wasserstoffgas hinterließ, welches die Explosion veranlaßt; das Wasserstoffgas kann aber |13| ohne eine starke Beimischung von atmosphärischer Luft nicht explodiren und diese kann nur in geringer Menge in den Kessel gelangen, indem sie in Vermischung mit dem Wasser durch die Speisepumpe eingetrieben wird; durch das Rosten der Stützen und der innern Kesseloberfläche wurde zwar Sauerstoff absorbirt, dessen Menge ist jedoch zu gering, als daß er eine bemerkbare Veränderung in der chemischen Zusammensetzung des Dampfes hervorbringen könnte.

Bei der Explosion auf den Consett-Eisenwerken zu Gateshead, im November v. J., wurde erwiesen, daß der Kessel einige Zeit vorher zerrissen, und daß das Ventil nicht verschlossen war. Die Platten waren rothglühend, und man nahm an daß der Wärter, welcher durch die Explosion getödtet wurde, den zu niedrigen Wasserstand erkannt und das Speiseventil eben geöffnet hatte, als die Explosion erfolgte. Nun vermindert aber die Hitze die Festigkeit des Eisens erst bei einer Temperatur von 550° F. (288° C.) und wenn sie im vorliegenden Falle diesen Punkt überstiegen und folglich den Kessel geschwächt hätte, so würde das Resultat nur ein Zusammenfallen des Canals gewesen seyn. Durch eine rothglühende Oberfläche wird aber das Wasser nicht schnell in Dampf verwandelt; die große Hitze stößt die Wassertheilchen zurück und sie werden durch die Wärmemittheilung von Seite des eingemengten Dampfes nur langsam verdampft; es kann durch die glühenden Kesselplatten keine große Dampfentwickelung entstehen. Wenn Wärme auf den Dampf einwirkt, so unterliegt die Steigerung des Drucks denselben Gesetzen, wie bei der Luft und allen andern elastischen Gasen, eine Wärmezunahme von 480° F. verdoppelt nur seinen Druck. Auch haben Versuche entscheidend bewiesen, daß man den Dampf in Berührung mit Wasser, ohne die Temperatur der Wassermasse zu erhöhen, erwärmen kann, deren oberste Schicht dabei allein durch die Berührung erwärmt wird. Wenn man aber z.B. annimmt, daß der Dampf auf 435° F. erhitzt worden sey und daß plötzlich Wasser in den Kessel gedrückt worden, so mußte der Druck sogleich steigen; diese Steigerung des Drucks durch den Hinzutritt von Wasser berechnet sich bei jener Temperatur nach den Versuchen von Arago und Dulong auf 360 Pfd. per Quadratzoll, oder mit andern Worten: während eine Hitze von 1000° F. auf Dampf angewendet, dessen Druck oder Volum nur etwa um das Dreifache erhöht, würde dieselbe Wärmemenge den Druck des Wassers auf den 1700fachen bringen. Diese ungeheure Zunahme des Drucks würde sicher durch die von dem Wasser bei seiner Verwandlung in Dampf absorbirte latente Wärme modificirt werden, durch ihre plötzliche und locale Wirkung würde sie aber eine Explosion erklärlich machen.

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Der überspannte Dampf kann ohne die Wirksamkeit der Speisepumpe mit in innige Berührung kommen. Bei der Explosion, welche sich am 16. Julius 1855 zu Chiswick ereignete, war das Sicherheitsventil in guter Ordnung und mit dem normalmäßigen Gewicht von 20 Pfd. auf den Quadratzoll belastet; der Kessel war während der Mittagsstunde außer Betrieb, und die Explosion erfolgte, als der Maschinenwärter im Begriff war das Dampfventil zu öffnen, um die Maschine wieder in Gang zu bringen. Der Wasserstand war wahrscheinlich niedrig und das plötzliche Einströmen von Dampf in die Röhren befreite das Wasser theilweis von dem Druck, daher es durch die Aufwallung in genaue Berührung mit dem überhitzten Dampf gebracht und plötzlich in Dampf von einer zu hohen Spannung bezüglich der Festigkeit des Kessels verwandelt wurde. Daß der Wasserstand im Kessel einer im Betriebe stehenden Dampfmaschine höher ist als bei deren Stillstande, und daß er durch Oeffnen des Sicherheitsventils noch erhöhet werden kann, wissen alle diejenigen, welche mit der Wartung der Maschinen praktisch bekannt sind. – Diese Wirkung zeigt sich auffallender bei einer beschränkten Wasseroberfläche und einem verhältnißmäßig engen Dampfraume. Dieß war bei der in der Tower-Mühle zu Sheffield am 11. August v. J. stattgefundenen Explosion der Fall. Der am Leben gebliebene Wärter versicherte auf das bestimmteste, daß er wenige Minuten vor dem Ereigniß den Wasserstandszeiger beobachtet und die Wassermenge zureichend gefunden habe; aber ein von dem Coroner zur Untersuchung des Kessels abgesandter Ingenieur bewies, daß derselbe überhitzt und die Angabe des Wasserstandszeigers unrichtig gewesen, oder mißverstanden worden sey. Der Kessel explodirte unmittelbar nachdem der Wärter einige nöthige Vorbereitungen zum Oeffnen des Sicherheitsventils gemacht hatte und wahrscheinlich im Augenblick des Oeffnens. – Die Kessel, welche auf den Walker-Eisenwerken zu Newcastle am 8. Oct. v. J. und auf der Kebblesworth-Steinkohlengrube am 19. Sept. v. J. explodirten, waren jeder mit einem Schwimmer und zwei Sicherheitsventilen versehen. In beiden Fällen hatte man Grund anzunehmen, daß das Wasser durch die verbindende Speiseröhre aus dem explodirenden Kessel in den benachbarten getrieben worden sey, und daß bei der letztern Explosion der Aufseher die Gefahr bemerkt hatte und beschäftigt war das Sicherheitsventil zu öffnen.

Alle bisher zur Verhinderung von Explosionen angewandten Erfindungen und Vorrichtungen dienen dazu, die Speisung zu bewirken, wenn der Wasserstand im Kessel zu niedrig ist, oder um das Sicherheitsventil durch den Dampfdruck, unabhängig von andern Umständen, zu öffnen. |15| Nun beweisen aber die angeführten Beispiele, daß bei mehreren derselben durch die erwähnten Mittel das zu vermeidende Uebel erst herbeigeführt wurde. Es scheint aller Grund zu der Annahme vorzuliegen, daß die große Mehrzahl der Explosionen durch Nachlässigkeit des Wärters entstand, indem er den Wasserstand unter die Canäle sinken ließ und dadurch die Platten einer zu großen Hitze aussetzte, so daß der Dampf überhitzt wurde und den normalmäßigen Druck weit überstieg. Wenn dann unter diesen gefahrvollen Umständen frisches Wasser in den Kessel gelangt, sich auf den erhitzten Platten und in dem überhitzten Dampf verbreitet, so wird dieses Wasser plötzlich in Dampf verwandelt, welcher eine für die Festigkeit des Kessels zu hohe Spannung hat und daher den Generator zersprengen kann. Da nun zur Erzeugung dieses traurigen Resultats, dem überhitzten Dampf das Wasser aus demjenigen welches sich schon im Kessel befindet, geliefert werden kann, nämlich durch die Aufwallung, welche das Oeffnen des Sicherheitsventils veranlaßte, so liegt die sehr beunruhigende Thatsache vor, daß das bisherige Sicherheitsventil die Ursache einer Explosion werden kann.

Diese Betrachtungen führen zu der Folgerung, daß nur dann Sicherheit zu erreichen sey, wenn man ein Ventil anbringt, welches sich öffnet sobald das Wasser im Kessel bis zu einem gefährlichen Stande gesunken ist, um zuerst das Wasser, als das gefährlichere Element, und dann den Dampf entweichen zu lassen.

Fig. 11 erläutert dieses Princip; sie stellt ein mit dem Wasser in Verbindung stehendes Ventil dar, welches durch eine Stange in seiner Stellung erhalten wird, die als seine Spindel dient; diese Ventilstange endigt in einen Knopf, der mit Zinn oder einer leichtflüssigen Legirung in einer kleinen kupfernen Schale eingelöthet ist, die auf dem obersten Theil des Ofens angebracht wurde. Dabei können keine Stopfbüchsen in Unordnung gerathen, denn das flüssige Metall bleibt in dem Schälchen, dessen Material ein guter Wärmeleiter ist. Wird der Ofen übermäßig gefeuert, so schmilzt der Knopf los, das Ventil öffnet sich und läßt Wasser und Dampf aus dem Kessel ausströmen. Es kann der Kessel beschädigt und es können die Canäle durch das Feuer zerstört werden, aber eine Explosion entsteht nicht. Man hat diese Vorrichtung unter hohem Druck versucht, und sehr gute Resultate erhalten.

Wir wollen nun den Apparat mittelst der Abbildungen näher beschreiben und seine Anwendung bei verschieden construirten Dampfkesseln erläutern.

Fig. 11 ist ein Querdurchschnitt von einem mit diesem Apparat versehenen gewöhnlichen cylindrischen Kessel mit bloß einem innern Canal.

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Fig. 12 ist ein Seitenaufriß des Apparates, wie er in Fig. 11 im Zusammenhange mit dem Kessel dargestellt wurde. A ist ein, mit dem Wasser im Kessel durch eine Röhre in Verbindung stehendes Ventil; B, C, D, E ist eine als Spindel des Ventils A dienende Stange, bestehend aus zwei bei D durch ein Gelenk verbundenen Theilen, die unten bei E in eine Flantsche auslaufen. Das obere Ende C dieser Stange oder Ventilspindel ist mit einem Schraubengewinde und einer Mutter versehen, wodurch das Ventil dicht in seinem Sitz erhalten wird. F ist eine Schale oder ein Becher, auf der obern Seite des Canals aufgeschraubt, und in demselben ist die Stange C, D, E mittelst Zinn oder einer leichtflüssigen Legirung befestigt. Wenn das Metall in dem Becher F schmilzt, so wird das Ventil durch den Druck des Dampfes geöffnet, folglich Wasser und Dampf durch das Rohr B entleert.

Der Becher F muß aus Kupfer oder einem andern guten Wärmeleiter gemacht und in einer Stellung angebracht werden, wo er zuerst der Einwirkung der Hitze ausgesetzt ist, wenn durch das Sinken des Wasserspiegels der obere Theil des Kessels vom Wasser entblößt wird und das Feuer daselbst heftiger einwirkt. Unter dem Schraubengewinde der Ventilstange ist eine Scheibe G von vulcanisirtem Kautschuk angebracht, welche durch ihre Elasticität jede Differenz in der Ausdehnung des Kessels oder seiner Feuerröhre ausgleicht. Die Röhre H über dem Ventil dient zur Ableitung des aus dem Kessel ausströmenden Wassers und Dampfes, welche zum Auslöschen des Feuers benutzt werden können. Die Röhre B kann auch als Speiseröhre benutzt und dazu mit der Speise-Druckpumpe in Verbindung gebracht werden.

Fig. 13 zeigt die Anwendung des Apparates bei einem Kessel mit äußeren Canälen.

Fig. 14 zeigt die Einrichtung des Apparats bei einem Kessel mit zwei inneren Zügen.

Fig. 15 und 16 zeigen eine Form des Bechers F für das leichtflüssige Metall, in welchem die Ventilstange auf eine andere als die in Fig. 11 und 12 dargestellte Weise festgehalten wird.

Fig. 17 ist eine Abänderung des Gelenkes D an der Ventilstange C, D, E; die Ungleichheiten der Ausdehnung werden hier durch die Elasticität der Verbindungsstange ausgeglichen, unabhängig von der Kautschukscheibe in Fig. 11. Man kann aber denselben Zweck durch eine gewöhnliche Springfeder erreichen.

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Besprechung vorstehenden Aufsatzes in der Versammlung der Civilingenieure.

Aus vorstehendem Vortrag haben viele Gesellschaftsmitglieder die Ueberzeugung gewonnen, daß der Hall'sche Apparat, wenn er gehörig ausgeführt wird, sehr nützlich ist und die Möglichkeit der Gefahr einer Explosion verhindert; daß er aber nur dann seinen Dienst leistet, wenn eine Explosion fast unvermeidlich geworden ist.

Die meisten Explosionen der Dampfkessel wurden dem Umstand zugeschrieben, daß man häufig die Feuerherde in den Canälen anlegt, dem Cornwalliser System entgegen, bei welchem man auf eine große Räumlichkeit der Kessel und langsame Verbrennung sieht; wo hingegen die Canalfeuerung angewendet wird, ist die Kesseloberfläche häufig unzureichend, die Feuerung dagegen stark und schnell.

Der einzige Einwurf, welchen man gegen die Feuerungen unter dem Kessel machen kann, ist die Gefahr der Kesselsteinbildung durch Fällung der in dem Wasser enthaltenen festen Substanzen auf den Boden des Kessels; durch diesen Umstand werden aber selten, wenn überhaupt je, Explosionen veranlaßt; die einzige Beschädigung welche dadurch entstehen kann, ist das Verbrennen der Kesselplatten, aber auch dieses kann nur bei großer Vernachlässigung eintreten.

Manche Kessel mit innerer Heizung wurden durch die auf einige Stellen zu stark leckende Flamme beschädigt, indem an solchen Stellen die Platten Schiefern bekamen und dann bald durchbrannten. Das beste Mittel dieß zu verhindern, besteht darin, daß man den innern Feuerungscanal weiter macht, wodurch auch die Dampferzeugung steigt, während das Verbrennen der Kesselplatten verhindert wird.

In Cornwall, wo bekanntlich die Brennmaterialersparung bei der Dampfentwickelung am weitesten getrieben worden ist, haben die Kessel fast sämmtlich innere Feuerung und dennoch kommt dort kaum eine Explosion vor. – Die Cornwalliser Kessel mit doppelten Canälen sind denen mit einfachen vorzuziehen) denn ihre Heizfläche ist größer und die Construction fester; auch ist der Wasserstand über den Röhren höher und die Feuerung kann abwechseln.

Bei dieser Gelegenheit wurde eine neue Art Locomotivkessel der Gesellschaft vorgezeigt; sie wird auf den Werken der HHrn. Humphreys, Tennant und Dykes ausgeführt. Die Feuerbüchse von 3 Fuß Durchmesser besteht aus einer Reihe von mit Flantschen oder Kränzen versehenen Ringen aus Low Moor-Eisen (bekanntlich dem festesten, was England hat), die so mit einander verbunden sind, daß die Niete von Wasser umgeben |18| sind und das Feuer auf letztere nicht einwirken kann. Der Wasserstand über der Feuerbüchse ist doppelt so hoch als gewöhnlich über den engen Röhren von 3 Zoll Durchmesser. Nirgend haben die Platten eine doppelte Stärke. Der Kessel soll Dampf von 70 Pfd. auf den Quadratzoll geben und wurde mit einer Belastung von 120 Pfd. probirt. Die Kuppel ist weit stärker als bei den Great Western-Locomotiven, und man darf annehmen daß sich der Dampf in derselben ganz gefahrlos ansammeln kann.

Es wurden mehrere Locomotivkessel-Explosionen besprochen, die von manchen Eigenthümlichkeiten begleitet waren; sie ließen sich jedoch stets auf natürliche Ursachen zurückführen. In einigen Fällen fand man eine Reihe runder Löcher, und in andern Fällen Vertiefungen, die sich rings um das Innere der Kuppel, in der Nähe der Niete ausdehnen. Die Kessel hatten da nachgegeben, wo die Platten durch das (wahrscheinlich zu starke) Umbiegen geschwächt worden waren.

Die Ursachen der Dampfkessel-Explosionen mögen auf den ersten Blick schwierig aufzufinden seyn, allein sorgfältige Untersuchungen werden sie stets aus Licht bringen und irgend eine fehlerhafte Beschaffenheit des Kessels nachweisen, welche dessen Explosion unvermeidlich machte. Die Constatirung der Thatsachen nach den Explosionen hat oft große Schwierigkeiten, aber dennoch sind der Fälle wenige, wo sich nicht eine Schwäche an irgend einem Punkt des Kessels, oder ein zu hoher Druck, ohne gehörige Widerstandsmittel, nachweisen ließ.

Als Ergebniß der ganzen Discussion stellt sich heraus, daß der Hall'sche Apparat mit Vortheil bei allen Kesseln angewendet werden kann; daß es aber besonders wichtig ist, intelligente und gewissenhafte Maschinenwärter und Heizer anzustellen, ohne welche sich kein Kessel unbeschädigt erhalten läßt.

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