Titel: Boëtius, über die Ericsson'sche calorische Maschine.
Autor: Boëtius, H.
Fundstelle: 1861, Band 159, Nr. XXI. (S. 82–89)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj159/ar159021

XXI. Die Ericsson'sche calorische Maschine; beschrieben von H. Boëtius in Hamburg.

Mit Abbildungen auf Tab. II.

Von dem Civilingenieur H. Boëtius erschien bei Otto Meißner in Hamburg eine den Sachverständigen zu empfehlende kleine Schrift (Octav, 29 Seiten) unter dem Titel: „Die Ericsson'sche calorische Maschine, eine Beschreibung ihrer Wirkungsweise und Behandlung nebst einer allgemeinen Entwickelung der Theorien calorischer Maschinen.“

Im ersten Capitel ist Ericsson's gegenwärtige calorische Maschine im Allgemeinen beschrieben und die etwas complicirte Bewegung ihrer beiden Kolben durch fünf geometrische Zeichnungen veranschaulicht. Im zweiten Capitel bespricht der Verfasser die Behandlung der Maschine, und im dritten Capitel entwickelt er eine Annäherungstheorie derselben unter Voraussetzung des einfachen Mariotte'schen Gesetzes. Hierauf faßt er |83| im vierten Capitel die Theorie noch einmal auf, und zwar unter Voraussetzung starker Compression und Expansion der Luft, wobei er die Gesetze der sogenannten mechanischen Wärmetheorie zu Grunde legt; durch die betreffenden Rechnungen, denen zwei Zahlenbeispiele folgen, wird nachgewiesen:

1) daß, da die Volumvergrößerung der Luft durch Wärmeaufnahme eine sehr geringe ist, die für große Kraftwirkungen bestimmten calorischen Maschinen mit comprimirter Luft arbeiten müssen, wenn sie nicht zu colossale Dimensionen erlangen sollen;

2) daß zum Betriebe der mit comprimirter Luft arbeitenden calorischen Maschinen (selbst größter Kraftwirkungen, von 100 und mehr Pferdekräften) ein weit geringeres Quantum von Brennmaterial erfordert wird, als bei den besten Dampfmaschinen mit Condensation und Expansion unter sonst gleichen Umständen.18)

Wir entlehnen dieser Schrift die Beschreibung der gegenwärtigen, für kleinere Kraftleistungen bestimmten Ericsson'schen calorischen Maschine und deren Durchschnittszeichnung Fig. 1, welcher in Fig. 2 bis 6 die beachtenswerthesten Kolbenstellungen beigegeben sind.19)

Die Maschine besteht aus einem nach vorn offenen Cylinder, dessen Hälfte nach rechts genau ausgedreht ist und in diesem Theile zwei bewegliche Kolben A und B enthält. Im hinteren Theile des Cylinders ragt ein cylindrischer gußeiserner Topf C hinein, dessen umgebogene Flantsche am Cylinderende befestigt ist.

Der Topf ist mit einem Aschenfall und Rost wie gewöhnlich versehen; die auf dem Rost entwickelten Verbrennungsproducte erwärmen zunächst die Wände dieses Topfs, gehen durch den Feuercanal D, umspielen die äußere Seite der hinteren Cylinderfläche und entweichen durch ein Rohr E in den Schornstein oder in ein gewöhnliches russisches Rohr. Der äußere Kolben A ist der Treib- oder Arbeitskolben, er dichtet durch einen Lederring an die Cylinderwand und hat zwei aus Stahlblech hergestellte Ventile, die zum Einlassen der Luft in den Cylinder dienen. Der innere Kolben, Speisekolben, |84| schließt möglichst an die Cylinderwand. Er hat an seinem Umfange schräg zur Kolbenachse liegende Einschnitte, von ungefähr 2 Zoll Breite und 1/4 Zoll Tiefe; diese Einschnitte können durch einen an die Cylinderwand schließenden Stahlring f so geschlossen werden, daß der Raum vor und hinter dem Speisekolben abgesperrt wird und keine Luft von einem zum andern Raum gelangen kann. Dieser Ring ist auf dem hinteren Theil des Kolbens verschiebbar; nach links geschoben, gestattet er den Durchgang der Luft durch die schrägen Kolbeneinschnitte von der einen zur anderen Seite des inneren Kolbens. An diesem Kolben ist ferner ein Blechcylinder G, G angenietet, der möglichst genau cylindrisch gearbeitet ist und sich bei der Bewegung des Kolbens dicht über die äußere Fläche des cylindrischen Topfs schiebt. Der Speisekolben steht in unmittelbarer Berührung mit der heißen Luft. Damit ihn diese nicht zu sehr erhitzt, ist der Raum h, h mit Kohlenpulver ausgefüllt und der Kolben selbst mit Holz ausgefüttert.

Im hinteren Theile des Cylinders, nahe der Cylinderwand, ist ein zweiter Blechcylinder angenietet, der ebenfalls cylindrisch gearbeitet ist. Zwischen diesem Cylinder und dem Topfe schiebt sich der eben erwähnte Blechcylinder des Speisekolbens.

i ist das Auslaßventil, welches durch einen Hebel k mittelst eines auf der Schwungradwelle sitzenden Daumens l geöffnet wird und der gebrauchten Luft während der Rückbewegung des Speisekolbens von rechts nach links den Weg ins Freie gestattet oder durch ein Rohr geleitet werden kann, um sie zu verschiedenen Zwecken zu benutzen.

m ist ein Schwungkugelregulator, der von der Schwungradwelle mittelst conischer Räder getrieben wird und mit einem Hahne so in Verbindung steht, daß dieser bei zu rascher Bewegung der Maschine sich öffnet und einen Theil der im Cylinder befindlichen gespannten Luft entweichen läßt.

Die gußstählerne Kolbenstange des Speisekolbens geht luftdicht durch eine Stopfbüchse des Arbeitskolbens und ist mit dem Hebel a, b (siehe die geometrischen Zeichnungen) verbunden, der in a seinen Drehpunkt hat. Auf derselben Achse mit diesem Hebel befindet sich ein zweiter, a, c, dessen Ende c durch die Stange h, c mit der Kurbel h, g in Verbindung steht, in Folge dessen beim Gang der Maschine beide Hebel und dadurch der Speisekolben von der Kurbel in Bewegung gesetzt werden.

Zwei flache Stangen, die am Arbeitskolben befestigt sind und am Gestell der Maschine eine Gradführung haben, treiben direct einen Hebel d, e, der in d drehbar ist. Auf der Achse dieses Hebels ist noch ein zweiter Arm d, f befestigt, dessen Endpunkt f durch die Lenkstange h, f die Kurbel |85| g, h und dadurch die Maschine treibt. Das auf der Kurbelachse befindliche Schwungrad hat ein einseitiges Gewicht, welches so angebracht ist, daß dieses bei der wirksamen Bewegung des Arbeitskolbens gehoben wird und beim Rückgang wieder auf die ganze Maschine treibend wirkt.

Beim Rückgang des Kolbens (die Bewegung der Kolben von rechts nach links ist mit „Rückgang“, die umgekehrte Bewegungsrichtung mit „Hingang“ benannt) findet Folgendes in der Maschine statt: Der Ring f schließt in Folge der rückgängigen Bewegung die erwähnten Einschnitte am Umfange des inneren Kolbens, wodurch die vor diesem sich befindende heiße, gebrauchte Luft durch das geöffnete Auslaßventil aus dem Cylinder geschafft wird. Da dieser Kolben namentlich, wie später gezeigt wird, durch die eigenthümliche Combination des Hebelsystems und, weil er einen größeren Hub hat, sich weit rascher als der Arbeitskolben bewegt, so öffnen sich durch Luftverdünnung die Ventile des letzteren und der entstehende Zwischenraum zwischen beiden Kolben füllt sich mit äußerer atmosphärischer Luft.

Beim Hingang der Kolben schließen sich die Ventile, es eilt der Speisekolben vor und verdrängt durch die größere Geschwindigkeit die Luft zwischen beiden Kolben, diese geht durch die jetzt vom Ringe geöffneten Einschnitte des Speisekolbens in den Raum zwischen diesem und dem Topfe. Hierbei muß die noch kalte Luft die Zwischenräume der heißen Cylinderwand und des angenieteten Blechcylinders, sowie der heißen Topfwand und des Blechcylinders am Kolben passiren. Trotz der kurzen Berührungszeit nimmt sie hier eine Temperatur von circa 250° C. an. Diese Wärmeaufnahme bewirkt eine Volumvergrößerung oder Zunahme der Spannung in der erhitzten Luft, welche letztere sich, da durch den Ring die Kolbeneinschnitte geöffnet sind, also freie Communication der Luft vor und hinter dem Speisekolben stattfindet, der ganzen im Cylinder eingeschlossenen Luft mittheilt. Diese Spannung der Luft wächst mit der Bewegung der Kolben bis zu einem Maximum, das in dem Momente stattfindet, in welchem der Speisekolben seine größte Geschwindigkeit angenommen; von hier ab bis zum Ende des Schubes nimmt die Pressung aber fast wieder auf atmosphärische Spannung ab. Hierin liegt gerade das Geniale der ganzen Construction, da ohne dieses die nachtheiligsten Verhältnisse für die ganze Maschine eintreten würden. Indem durch die von der Ringstellung vermittelte Communication der Luft vor und hinter dem Speisekolben auf beiden Seiten von diesem gleiche Spannung stattfindet, so kann dieser keine Kraftäußerung durch den Mechanismus auf die Kurbel übertragen, sondern nur der äußere Kolben wird vom Ueberdruck der Luftspannung im Cylinder über den des atmosphärischen Druckes, fortgeschoben |86| und unterhält die Thätigkeit der Maschine. Dieser Ueberdruck ist so groß, daß er neben der Arbeit noch das einseitige Gewicht des Schwungrades hebt.

Die eigenthümlichen Kolbenbewegungen werden am deutlichsten aus näherer Betrachtung der geometrischen Zeichnungen Fig. 2 bis 6 erhellen, in denen die bemerkenswerthesten Kolbenstellungen nach den wirklichen Verhältnissen einer Ericsson'schen Maschine verzeichnet sind.

Zunächst hat in Fig. 2 der Weg der hingehenden Bewegung des Arbeitskolbens geendet; bei dieser Stellung ist der innere Kolben schon auf dem Rückgange, auf dem er bereits 1 1/2 Zoll durchlaufen hat. Das Auslaßventil ist also schon vor Ende der Bewegung des äußeren Kolbens geöffnet und bleibt es so lange, bis der Speisekolben an dem Ende der rückgängigen Bewegung angekommen ist; während dieser Zeit wirkt kein treibender Druck auf irgend einen der Kolben, sondern die Maschine wird durch das einseitige Gewicht des Schwungrades, welches jetzt zur Wirkung kommt, getrieben.

Fig. 3 zeigt die Endstellung des inneren Kolbens; während dieser hier schon den Rückgang vollendet hat, ist der äußere Kolben noch auf demselben begriffen und hat noch 1 5/8 Zoll seines Weges zu durchlaufen. Da sich das Auslaßventil bei Aenderung der Bewegung des Speisekolbens schließt, ebenfalls aber die Einlaßventile in diesem Moment sich geschlossen haben, so wird die zwischen beiden Kolben befindliche Luft im Verhältniß zu dem noch zu durchlaufenden Weg des äußeren Kolbens comprimirt. Während der Acte, die Fig. 2 und 3 darstellen, ist also atmosphärische Luft im Cylinder aufgenommen und hat den Zwischenraum beider Kolben gefüllt.

In Fig. 4 ist das Ende des Rückganges vom äußeren Kolben verzeichnet. In diesem Momente ist der Speisekolben schon um 2 1/8 Zoll auf seinem Hingange vorgeschritten und in Folge dessen ein Theil der Luft, die zwischen beiden Kolben sich befand, durch die Einschnitte am inneren Kolben, die bei dieser Bewegung vom Ringe f geöffnet sind, in den Cylinderraum hinter den Speisekolben getreten, hat sich hier erhitzt, indem sie mit der heißen Cylinder- und Topfwand in Berührung kam, und dadurch noch mehr an Spannung zugenommen, als sie schon vorher durch die Compression gewonnen hatte. Dieser Ueberdruck über die Spannung der äußeren atmosphärischen Luft wirkt jetzt treibend auf den äußeren Kolben und bewirkt die Leistung der Maschine.

Dieser höhere Druck findet fast bis zum Ende des Hinganges des Arbeitskolbens statt; während dieser Zeit erfolgt eine. Zunahme der Spannung bis zu einem Maximum und von diesem Momente an eine Expansion bis zum Ende der Wirksamkeit. Das Maximum trifft mit dem |87| Moment der größten Geschwindigkeit des Speisekolbens zusammen, da bis hierhin die Luft so rasch zwischen beiden Kolben verdrängt wird, daß die Spannungszunahme durch die stattfindende Erhitzung und in Folge der kleinen Geschwindigkeit des bis dahin noch langsam vorschreitenden äußeren Kolbens höher ist, als die Abnahme derselben durch Volumvergrößerung.

In Fig. 5 ist die Stellung der Kolben beim Eintritt der größten Geschwindigkeit, die ziemlich zu Mitte des Hubes eintritt, verzeichnet. In dieser Stellung müssen beide Kolben noch 2 1/2 Zoll von einander entfernt seyn, indem sonst, durch die noch große Geschwindigkeit des Speisekolbens, dieser den Arbeitskolben überholen und berühren würde. Die größte Nähe beider Kolben tritt, nach der Construction, ungefähr 1 1/2 Zoll vor dem Ende der Bewegung des inneren Kolbens ein. Von ersterem Momente an bis zum letzteren entfernen sie sich wieder um 1 Zoll von einander.

Am Ende der Bewegung des Speisekolbens Fig. 6 hat der äußere dasselbe noch nicht erreicht, jedoch nur noch einen kleinen Weg von 1/2 Zoll zu durchlaufen. Während dieses Weges findet jedoch keine innere Spannung in der Luft mehr statt, indem bei Aenderung der Bewegungsrichtung des inneren Kolbens das Auslaßventil schon geöffnet ist, also eine Wirkung der Luft in der Maschine aufgehört hat. Ist auch der äußere Kolben am Ende angekommen, so wiederholen sich die Acte, die wir im Vorhergehenden näher beleuchtet haben.

Man ersieht aus dieser Betrachtung, daß in der Maschine sowohl Compression wie Expansion stattfinden. Beide sind hier von Nutzen, obgleich die erstere nur unbedeutend auftritt. Leider erfolgt die Expansion nicht vollständig, namentlich ist, wenn die Maschine mit voller Kraft oder höchster Temperatur arbeitet, am Ende des Hubes eine nicht unbedeutende Spannung in der Luft vorhanden, welches sich auch beim Oeffnen des Auslaßventils durch ein unangenehmes Geräusch zu erkennen gibt. Bei niedriger Temperatur ist die Ausdehnung der Luft nicht so groß, sie füllt dann nur gerade den Raum im Cylinder, bei der Spannung von circa 1 Atmosphäre, aus. Bei höherer Temperatur ist eine stärkere Ausdehnung, und die Luft behält noch eine Spannung am Ende der Bewegung. Man bemerkt dieß auch sogleich am Gange der Maschine; treibt sie wenig, so hört man kaum das Oeffnen des Auslaßventils, wenn sie hingegen mit voller Kraft arbeitet, verursacht dieß Oeffnen einen heftigen Schlag. Der jetzigen Ansicht des Verf. nach würde sich dieses durch Aenderung der Constructionsverhältnisse vermeiden lassen, wenn man die Kolbenbewegungen so einrichtete, daß bei voller Kraftleistung gerade atmosphärische Spannung eintritt, während bei einer geringeren Thätigkeit die Luft sich unter 1 Atmosphäre Spannung expandirt.

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Für die Ingangsetzung der Maschine ist nur eine vorhergehende Heizung derselben von circa 1/2 Stunde nöthig; dieselbe wird am besten mit Kohks unterhalten. Die Sorge des Heizers ist fast einzig, daß, namentlich wenn die Maschine noch steht, keine so intensive Feuerung stattfindet, daß die Wände des Topfes mehr als eben dunkelglühend werden. Ist die Temperatur der Maschine hoch genug gesteigert, wovon der Heizer bald unterrichtet ist, so wird das Schwungrad mittelst eines sehr bequemen, an der Maschine angebrachten Hebelsystems so weit gedreht, daß die Kurbel für den äußeren Kolben auf dem todten Punkt steht (Fig. 2). In dieser Stellung kommt schon das einseitige Gewicht des Schwungrades zur Wirksamkeit und versetzt die Maschine in die Situation der Fig. 3, in welcher eine Spannung der Luft eingetreten ist, die auf den Arbeitskolben wirkt und die Maschine in Thätigkeit setzt. Für die Heizung der Maschine ist noch zu beachten, daß der beim Auslaßventil angebrachte Pyrometer keine höhere Temperatur angibt, als die Maschine zu ihrem Betriebe erfordert.

Der innere Kolben bedarf für seine Bewegung keines Oels oder Fettes, indem er nur sanft an die Cylinderwand anzuschließen braucht, weil keine Spannungsdifferenzen zu beiden Seiten desselben stattfinden. Der äußere Kolben wird mit Talg geschmiert; dieser hält sich vollständig, indem in der That die Temperatur des vorderen Theiles des Cylinders, worin der Kolben geht, nur so groß wird, daß man noch immer mit der Hand die Temperatur desselben vertragen kann. Die übrigen Mechanismen der Maschine werden nur wie bei jeder anderen Maschine in Oelung gehalten. Soll die Maschine außer Thätigkeit gesetzt werden, so wird das Auslaßventil durch den Hebel c (Fig. 1) geöffnet. Durch eine Oeffnung im hinteren Theile der Maschine kann man die Feuerzüge vom Ruße reinigen, welches von Zeit zu Zeit geschehen muß.

Bezüglich der Haltbarkeit der Construction gegen die Einwirkung der hohen Lufttemperatur hält der Verf. die Maschine für so geschützt, daß sie ausreichend lang diesen Einflüssen widerstehen wird. Einzelne Theile, wie der Feuertopf, Lederliederung des Arbeitskolbens, die Ventile, mögen, namentlich bei nachlässiger Behandlung, auf die Dauer der Zeit leiden und erneuert werden müssen, jedoch hat man auch bei Dampfmaschinen zerstörende Einwirkungen, und es ist anzunehmen, daß dieselben bei calorischen Maschinen nicht schlimmer auftreten werden. Ericsson hat auf wirklich sinnreiche Weise diese nachtheiligen Einflüsse möglichst unschädlich zu machen gewußt.

Der Arbeitskolben geht in kalter Luft; die Cylinderwand wird durch den Strom der kalten Luft, der zwischen ihr und dem Kolben durchgeht, möglichst kalt erhalten. Durch die engen Zwischenräume zwischen den |89| Blechcylindern und der Cylinder- und Topfwand entzieht die kalte Luft letzteren so viel Wärme, daß sie bei vorsichtiger Feuerung kaum dunkelglühend sich erhalten und lange der Zerstörung widerstehen werden.

Der Verf. hat jetzt schon längere Zeit den Gang einer solchen Maschine in der Maschinenfabrik von J. Lohse und Sohn Nachfolger in Hamburg, woselbst eine sich in Thätigkeit befindet, zu beobachten Gelegenheit gehabt, und weiß nichts daran auszusetzen, welches ihn zu einem Zweifel über ihre Lebensfähigkeit berechtigen könnte.

Wegen der Einfachheit der Behandlung sind diese Maschinen gewiß sehr zu empfehlen, und dieses wird unbedingt zu ihrem allgemeinen Eingang für viele gewerbliche und industrielle Zwecke förderlich seyn.

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Wie im polytechn. Journal Bd. CLVIII S. 394 berichtet wurde, hat Ericsson kürzlich in Schweden ein Patent für eine calorische Maschine genommen, die mit sehr comprimirter Luft getrieben wird. Wir werden die Beschreibung dieser Maschine nächstens liefern.

A. d. Red.

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Eine klare und deutliche Beschreibung von Ericsson's gegenwärtiger calorischen Maschine enthält auch die Schrift: Lenoir's und Ericsson's neue Bewegungs-Maschinen und Testud de Beauregard's verbesserter Dampfgenerator; von A. Lipowitz, Chemiker und Techniker in Berlin. Leipzig, Verlagsbuchhandlung von J. J. Weber, 1861.“

A. d. Red.

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