Titel: Schinz, über den Nutzeffect und die Construction von Oefen für metallurgische und technische Zwecke.
Autor: Schinz, C.
Fundstelle: 1861, Band 159, Nr. L. (S. 200–209)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj159/ar159050

L. Ueber den Nutzeffect und die Construction von Oefen für metallurgische und technische Zwecke; von C. Schinz.

Es ist bekannt, daß beim Schmelzen des Gußeisens nicht mehr als 0,01 und beim Schmelzen des Glases nicht mehr als 0,03 der Wärme welche der Brennstoff zu geben vermag, effectiv an diese Substanzen übergehen. Es gibt wohl wenige mechanisch-technische und chemisch-technische Operationen, bei welchen sich gegenwärtig noch so geringe Nutzeffecte herausstellen, da das Studium der Mechanik und der Chemie bereits allgemeine Verbreitung gefunden und daher die Theorie die Praxis geläutert und vervollkommnet hat; nur in der Benutzung der Wärme, und namentlich in denjenigen Fällen, wo der Brennstoffverbrauch den größten Einfluß auf die Gestehungskosten des zu erzielenden Productes hat, ist man noch weit hinter dem Resultat zurückgeblieben, welches durch eine richtige Anwendung der bezüglichen Naturgesetze zu erreichen seyn würde.

Seitdem ich mich speciell der Pyrotechnik widme und mit den Coryphäen derselben in Deutschland, England und Frankreich in Verkehr getreten bin, ist es mir erst recht klar geworden, wie sehr die Praxis in diesem Gebiete noch aller leitenden Grundsätze entbehrt und allen möglichen Trugschlüssen und Irrthümern ausgesetzt ist, wie sehr selbst die elementarsten Begriffe noch verwirrt sind und Vorurtheile den Eingang des Besseren erschweren. Ich hoffe daher Nutzen zu stiften, indem ich hier einige der von mir gewonnenen Erfahrungen auf Grundlage der Theorie mittheile.

Vor Allem fehlt es immer noch an der Unterscheidung zwischen Quantität und Intensität der Wärme, obgleich die Praxis beide Momente täglich vor Augen hat.

Ein gewisses Gewicht irgend eines Brennstoffs gibt, wenn aller Kohlenstoff desselben zu Kohlensäure und aller freie Wasserstoff zu Wasser |201| verbrannt wird, eine bestimmte stets gleichbleibende Wärmemenge; aber die Intensität dieser Wärme, die Temperatur des Feuers, ist außerordentlich verschieden, je nachdem diese Verbrennung mit mehr oder weniger Luft (welche zur Verbrennung erforderlich ist) stattfindet.

Diese Lehre und Alles was damit zusammenhängt, habe ich ausführlich in meiner Wärme-Meßkunst (Stuttgart 1858, Verlag von C. Mäcken) entwickelt, auf welche ich hiemit verweise; ich liefere aber im Folgenden zu diesem Capitel einen Nachtrag, welcher insofern von Bedeutung ist, als er die ganze Disciplin übersichtlicher macht.

Wenn in irgend einem zu technischem Zwecke bestimmten Ofen eine Operation bei einer gewissen Temperatur ausgeführt werden soll, so muß die Temperatur dieses Ofens die entsprechende seyn, und die Verbrennungsproducte, welche diese Temperatur zuerst erzeugen und dann unterhalten, können den Ofen unmöglich mit einer geringeren Temperatur verlassen; daher wird die im Feuerherde entwickelte Wärme in zwei Theile gespalten, nämlich in diejenige Quantität welche den Ofen erwärmt und dessen Temperatur unterhält, und in diejenige welche aus dem Ofen abströmt. Da aber der Ofen nicht ohne Zweck erhitzt wird, sondern irgend ein Körper in demselben mit erhitzt oder geschmolzen werden soll, so spaltet sich die im Ofen verbliebene Wärmemenge abermals, nämlich in einen Theil welcher von dem zu erhitzenden oder zu schmelzenden Körper aufgenommen wird, und einen andern der die Temperatur des Ofens selbst unterhält.

Wir haben also zu unterscheiden:

a) die Wärmemenge welche im Ofen und in dem zu erhitzenden oder zu schmelzenden Körper verbleibt, diese heißt der Nutzeffect des Brennstoffes;

b) die Wärmemenge welche auf den zu erhitzenden oder zu schmelzenden Körper übertragen wird, nämlich den Nutzeffect des Ofens.

Es gibt nun aber noch einen dritten Nutzeffect, nämlich den Nutzeffect der Verbrennung, und bei diesem ist noch zu unterscheiden die Quantität der erzeugten Wärme und die Intensität derselben.

Da wir hier bloß Apparate für hohe Temperaturen besprechen, so haben wir in Beziehung auf Quantität nur zwei Arten der Feuerung in Betracht zu ziehen, nämlich die sogenannte intensive Feuerung und die Gasfeuerung; bei letzterer werden die Brennstoffe vorerst in brennbare Gase verwandelt und diese dann durch frische Luft verbrannt.

Bei der für pyrotechnische Zwecke bisher angewandten intensiven Feuerung wird absichtlich ein Minimum von Luft zu dem Brennstoff geleitet; dadurch bilden sich brennbare Gase, welche mit den eigentlichen Verbrennungsproducten unverbrannt entweichen, und es entsteht daher |202| ein Verlust in der Quantität der erzeugten Wärme, aber ein Gewinn an Intensität, weil die Temperatur (Initial-Temperatur) unter solchen Umständen sehr erhöht wird.

Die großen Vorzüge der Gasfeuerung bestehen darin, daß man dieselbe so leiten kann, daß nichts von dem Brennstoffe unverbrannt entweicht und doch kein Luftüberschuß zu dem Feuer kommt, daher die Intensität noch viel größer wird als im vorhergehenden Falle.

Es ist natürlich nicht möglich, bei der sogen. intensiven Feuerung, wenigstens ohne chemische Analyse, genau zu bestimmen, wieviel von dem Brennstoffe in Form unverbrannter Gase verloren geht; aber die Annahme, daß die eine Hälfte des vorhandenen Kohlenstoffs zu Kohlensäure verbrenne, die andere Hälfte in Kohlenoxydgas umgewandelt werde und unverbrannt entweiche, stimmt mit allen Beobachtungen und Berechnungen, welche bezüglich solcher Feuerungen angestellt worden sind.

Man findet unter diesen Voraussetzungen, wie ich in meiner Wärme-Meßkunst gezeigt habe, leicht durch Rechnung die den verschiedenen Brennstoffen zukommenden Wärmemengen und Initial-Temperaturen, so wie die specifische Wärme der Verbrennungsproducte.

Wir wollen diese drei Factoren für die gebräuchlichsten Brennstoffe hier zusammenstellen.

Textabbildung Bd. 159, S. 202
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Der Nutzeffect der Brennstoffe ist nun verschieden, je nach der Temperatur welche der Ofen und der in ihm zu erhitzende oder zu schmelzende Körper annehmen soll. Man kann denselben für eine bestimmte Anzahl von Fällen durch Rechnung finden, indem man diese Temperatur, welche also auch die abziehenden Verbrennungsproducte haben, mit deren specifischen Wärme multiplicirt und das Product von der ursprünglich erzeugten Wärmemenge subtrahirt.

Zum Beispiel: 1 Pfd. (1/2 Kilogr.) trockenes Holz, für welches die specifische Wärme der Verbrennungsproducte bei intensiver Feuerung = 1,4961 ist, gibt einen Nutzeffect von 0,400, wenn die Temperatur des Ofens 1000° C. ist. Es ist nämlich

die von 1 Pfd. Holz producirte Wärme: 2492 W. E.
1,4961 × 1000 = 1496
––––––––––––
es bleiben mithin 996 W. E.

und der Nutzeffect des Brennstoffes ist:

2492 : 996 = 1 : x = 0,400.

Noch einfacher kann dieser Nutzeffect berechnet werden, indem man die Temperatur des Ofens von der Initial-Temperatur abzieht und den Rest mit der Initial-Temperatur dividirt; z.B. (1666 – 1000)/1666 = 0,400.

Aus diesen durch Rechnung gefundenen Nutzeffecten lassen sich auch die nutzbaren Aequivalente verschiedener Brennstoffe ableiten. Zum Beispiel: da 1 Pfd. trockenes Holz bei intensiver Feuerung 2492 Wärme-Einheiten gibt und sich bei denselben für Oefen mit 1000°C. Temperatur 0,4 Nutzeffect des Brennstoffes herausstellt, so ist das Aequivalent von 1 Pfd. solchen Holzes unter den angegebenen Bedingungen = 2492 × 0,4 = 996,8 W. E.

Folgende Tabelle enthält die Nutzeffecte der oben angeführten Brennstoffe, die Wärmeverluste durch das Abziehen der Verbrennungsproducte, und die nutzbaren Aequivalente für Oefen mit 1000°, 1100°, 1200°, 1300°, 1400° und 1500° C. Temperatur.

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Textabbildung Bd. 159, S. 204
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Der Nutzeffect der Oefen wird gefunden, indem man das Gewicht der zu erhitzenden oder zu schmelzenden Substanz mit der derselben zu ertheilenden Temperatur und mit deren specifischen Wärme multiplicirt, und das Product durch die Anzahl der Stunden dividirt, welche zu der Operation nöthig sind.

Es seyen z.B. in einem Flammofen 300 Pfd. Eisen auf Schweißhitze zu bringen, so wird dazu eine Temperatur im Ofen von 1500° erforderlich seyn. Wenn nun diese Operation sich in 2 Stunden vollendet, so ist (da die spec. Wärme des Eisens = 0,1255) der Nutzeffect des Ofens

300 . 1500 . 0,1255/2 = 28,238 W. E.

Sind zu dieser Operation beispielsweise 150 Pfd. mittlere Steinkohle per Stunde verbrannt worden, so ist bei intensiver Feuerung der Nutzeffect des Brennstoffes = 150 . 0,280 . 5200 = 218400 W. E.

Oder setzen wir nach der Tabelle direct das Nutzäquivalent ein

1500 . 1456 = 218,400
ziehen wir dann den Nutzeffect des Ofens ab = 28,238
––––––––
so gibt der Rest = 190,162

den Wärmeverbrauch an, welcher zur Unterhaltung des Ofens auf 1500° per Stunde nöthig ist, und der auf 1 reducirte Nutzeffect des Ofens ist 28,238/218,400 = 0,129.

Der Nutzeffect des Ofens ist natürlich, je nach dessen Construction, ein sehr verschiedener, worauf ich zurückkomme.

Ich will nun noch durch einige Beispiele zeigen, wie sich die Zahlen vorstehender Tabelle zur Lösung verschiedener Fragen benutzen lassen.

Hier in Offenburg kommen die 100 Pfd. Steinkohlen auf 42 kr. zu stehen; der Aufwand in Geld für den oben berechneten Verbrauch beträgt somit 1,5 . 42 kr. = fl. 1 . 3 kr.

Fragen wir nun, welche Auslage würde die Anwendung von Holzkohle veranlassen, wenn der Sack à 50 Pfd. auf 56 kr. zu stehen kommt?

Das Nutzäquivalent von 150 Pfd. Steinkohle in Holzkohle ist:

1272 : 1456 = 150 : x = 172 Pfd. Holzkohle à 56 kr. per Centner = fl. 1 . 37 kr.

Die Klafter Buchenholz zu 144 Kubikfuß wiegt 2938 Pfd. und kostet an demselben Orte fl. 18, folglich der Centner 37 kr.

Wie hoch käme der Brennstoffverbrauch zu stehen, wenn man statt Steinkohle Buchenholz mit Gasfeuerung anwenden wollte?

Antwort: für vollständig getrocknetes Holz (die Trocknung könnte in |206| solchem Falle ohne besondere Kosten durch die abgehende Wärme bewerkstelligt werden) ist das Aequivalent = 892 W. E., daher

892 : 1456 = 150 : x = 245 Pfd. Holz à 37 kr. per Centner = fl. 1 . 31 kr.

Wie viel betragen die Kosten der Steinkohle, welche man per Stunde für denselben Ofen verbraucht, wenn man dieselbe zuerst in Gas verwandelt?

Antwort: 2064 : 1456 = 150 : x = 106 Pfund à 42 kr. = 44 1/2 kr.

Bei der Construction der Oefen kommt oft die Frage vor, wie groß der Brennstoffverbrauch per Stunde seyn wird, wozu man alle übrigen Factoren vorher bestimmen muß.

Zum Beispiel: der Nutzeffect des Ofens ist per Stunde 20,000 W. E.
die Transmission der Ofenwände berechnet sich bei
1500° Ofentemperatur auf

200,000 W. E.
–––––––––––
der Verbrauch des Ofens ist somit 220,000 W. E.
Wollte man nun diesen Wärmebedarf mittelst einer
Gasfeuerung mit lufttrockenem Holze erzeugen, um
die abgehende Wärme anders als zum Trocknen des
Holzes benutzen zu können, so wäre die zu dieser
Benutzung verfügbare Wärme = 220,000 × 0,770 =




169,400 W. E.
––––––––––––
und der ganze Aufwand 389,400 W. E.,

welche 389,400/2991 = 130 Pfd. Holz mit 20 Proc. Wasser.

Welches nun auch der Zweck eines pyrotechnischen Apparats und der zu erzielende Effect desselben seyn mag, so haben wir stets zu bestimmen:

  • 1) die Wärmemenge, welche der zu erzielende Effect erfordert;
  • 2) die Menge der von den Ofenwänden aufgenommenen oder zerstreuten, transmittirten Wärme;
  • 3) die Wärmemenge, welche mit den Verbrennungsproducten dem Ofen entführt wird.

Die Summe dieser drei Factoren ergibt die zu erzeugende Wärmemenge, welche mit Hülfe der oben stehenden Tabelle leicht und hinlänglich genau bestimmt werden kann.

Sowohl der hervorzubringende Effect als der Wärmeverlust (oder die Wärme-Absorption) durch die Ofenwände sind aus drei Factoren zu bestimmen:

  • a) aus der specifischen Wärme der Ofenwände;
  • b) aus der Leitungsfähigkeit derselben für die Wärme;
  • |207| c) aus dem Schmelzpunkt oder der Temperatur, welche die Ofenwände zu erreichen haben.

Obschon die Physiker die specifische Wärme sehr vieler Körper bestimmt haben, so ist doch nur von wenigen ihre specifische Wärme bei höheren Temperaturen bekannt, und es ist also nicht möglich, mit Genauigkeit die Wärmemenge zu bestimmen, deren irgend ein Körper bedarf, um auf sehr hohe Temperaturen gebracht zu werden; ferner nehmen alle Körper, indem sie schmelzen, eine gewisse Menge latenter Wärme auf, von den wenigsten ist aber bekannt, wie viel diese beträgt, sie scheint jedoch nicht bedeutend zu seyn, so daß wir sie ohne allzugroße Fehler unbeachtet lassen können. Da ohnehin die Temperatur des Ofens fast immer höher ist als diejenige, welche der zu erhitzende oder zu schmelzende Körper annehmen soll, so ist dadurch schon der zu klein angenommenen Wärmecapacität Rechnung getragen; wir haben z.B. oben angenommen, daß die 300 Pfd. zu schweißendes Eisen auf 1500° erhitzt werden, obgleich die Schweißhitze eigentlich nur 1400° ist.

Da die Zeit, in welcher irgend ein Körper von Wärme durchdrungen wird, von der Temperatur-Differenz zwischen dem Wärme abgebenden und dem Wärme aufnehmenden Körper bedingt ist, so ist es bis zu einem gewissen Grade vortheilhaft, den zu erhitzenden Körper auf eine höhere Temperatur zu bringen, als derselbe annehmen soll. Man kann indessen darin auch leicht zu weit gehen und auf Kosten des Brennstoffes Zeit gewinnen, die dann theuer bezahlt ist.

Zum Beispiel: In einem Glasofen wurden in 18 Stunden mit einem stündlichen Aufwand von 300 Pfd. Torf 5000 Pfd. Glas geschmolzen und geläutert (mit Gasfeuerung und einer Ofentemperatur von 1500°).

Es wurden von der Glasmasse stündlich aufgenommen

(5000 . 0,2 . 1500)/18 = 83,333 W. E.
durch die Wände des Ofens wurden transmittirt 396,457 „
durch die Verbrennungsproducte wurden entführt 896,310 „
–––––––––––––
entsprechend 300 Pfd. Torf à 4497 W. E. 1,349,100 W. E.

und per 1 Pfd. Glas war der Aufwand (300 . 18)/5000 = 1,080 Pfd. Torf.

In demselben Ofen wurde bei Anwendung von sehr feuchtem Holze nur eine Ofentemperatur von 1250° erhalten, und dann war die Wärmeaufnahme der 5000 Pfd. Glas per Stunde nur 56,818 W. E..

Da, um 5000 Pfd. Glas auf 1000° zu erwärmen, 5000 . 0,2 . 1000 |208| = 1,000,000 W. E. erforderlich sind, so würde dieser Effect 1,000,000/56,818 = 17,6 Stunden beanspruchen.

Es werden also per Stunde vom Glase aufgenommen 56,818 W. E.
bei 1250° Ofentemperatur war die Transmission 224,392 W. E.
–––––––––––
281,210 W. E.

Nun ist das Nutzäquivalent von 1 Pfd. trockenem Torfe bei einer Ofentemperatur von 1250° = (2258° – 1220)/2258° × 4497 = 2006 W. E.

folglich der Torfaufwand per Stunde 281,210/2006 = 140 Pfd.

Durch die Verbrennungsproducte wurden entführt

Pfd. 140 × 1250 × 1,9918 = 348,560 W. E.
vom Glase und Ofen wurden absorbirt 281,210 W. E.
––––––––––––
629,770 W. E.

Dieß entspricht 140 Pfd. Torf à 4497 = 629,580 W. E.

Um nun die 5000 Pfd. Glas von 1000° auf 1500° zu bringen, sind erforderlich 5000 . 0,2 . 500 = 500,000 W. E., welche bei einer Absorption von 56,818 W. E. per Stunde 50000/56818 = 8,8 Stunden beanspruchen.

Der Torfverbrauch per Stunde findet sich folgendermaßen:

vom Glase absorbirt 56,818 W. E.
von den Ofenwänden transmittirt wie oben 369,457 W. E.
–––––––––––
426,275 W. E.

Diese Summe dividirt durch das Nutzäquivalent bei 1500°, nämlich 426,275/1511 = 282 Pfd. Torf.

Für erstere Operation ist der Verbrauch 17,6 Std. × 140 Pfd. = 2464 Pfd. Torf
für letztere „ „ 8,8 Std. × 282 Pfd. = 2482 „ „
––––––––––––––
4946 Pfd.

und der Verbrauch für 1 Pfd. Glas wird 4946/5000 = 0,909 Pfd.

Im ersten Falle war die Dauer des Schmelzens 18 Std.
und der Verbrauch
5400 Pfd. Torf
im zweiten Falle war die Dauer des Schmelzens 26,4
Std. und der Verbrauch
4946 „ „
––––––––––––
Differenz 454 Pfd.
|209|

Allerdings wären in der Glasfabrication 8,4 Stunden Zeit gegen 454 Pfd. Torf ein sehr ungünstiges Verhältniß und ich habe das angeführte Beispiel nur deßwegen gewählt, weil die von dem Glase effectiv absorbirte Wärme aus dem Versuche positiv bekannt ist; es versteht sich, daß ein günstigeres Resultat erzielt würde, wenn man die Temperatur allmählich steigern würde, anstatt die angeführten Extreme zu wählen.

Um übrigens Mißverständnissen zuvorzukommen, muß ich bemerken, daß es im Allgemeinen ganz unzulässig ist, zu sagen das Glas habe per Stunde 3 W. E. aufgenommen, wenn sich eine solche Mittelzahl nicht auf einen Versuch stützt, da natürlich zu Anfang der Operation, wo die Wärmedifferenz zwischen Glas und Ofen sehr groß ist, weit mehr, und wenn die Wärmedifferenz klein wird, bedeutend weniger Wärme an das Glas übergeht.

(Der Schluß folgt im nächsten Heft.)

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