Titel: Schinz, über Siemens' patentirte Regeneratoren mit Feuerstellen ohne Rost.
Autor: Schinz, C.
Fundstelle: 1861, Band 161, Nr. XCVII. (S. 342–349)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj161/ar161097

XCVII. Ueber C. W. Siemens' patentirte Regeneratoren mit Feuerstellen ohne Rost; von C. Schinz.

Unter den neueren Erfindungen gibt es wenige, welche eine so allgemeine Beachtung gefunden haben als die Siemens'schen Regeneratoren, deren Zweck ist, den Wärmeverlust bei denjenigen Oefen, in denen eine starke Hitze hervorgebracht werden muß, bedeutend zu verringern, indem man die Feuergase, bevor sie in die Esse ausströmen, auf einen geeigneten kalten Körper einwirken läßt, so daß dieser sich auf Kosten der Feuerluft erhitzt, und indem man nachher die so in diesem Körper zurückgehaltene und angesammelte Wärme wieder benutzt.66) In der That sind auch die vielfältigen Combinationen, welche der Erfinder in seinem Patent als Anwendungen desselben Princips aufführt, wohl durchdacht; dennoch haben die Versuche, diese Constructionen zur Ausführung zu bringen, den Beweis geliefert, daß dieselben sehr bedeutende Schwierigkeiten darbieten.

Dieses Resultat ließ sich übrigens voraus sehen, wenn man die Function dieser Apparate einer wissenschaftlichen Kritik unterzogen hätte.

Der Regenerator von Siemens ist eine Nachbildung des Ericsson'schen, und insofern eine glückliche, als sein Regenerator auf viel höhere Temperaturen angewendet wird als Ericsson's und daher einen |343| bedeutenden Nutzeffect geben muß, während der Ericsson'sche Regenerator einen kaum die Kosten lohnenden Erfolg bietet.

Eigentlich ist Siemens' Regenerator nichts Anderes als ein Luft-Heizapparat von besonderer Form und Construction, sowie von einer bis dahin ungewöhnlichen Ausdehnung; diese große Ausdehnung desselben muh eine erhöhte Wirkung zur Folge haben, und darin liegt der Kern der Erfindung.

Eine nothwendige Folge der durch diesen Regenerator bewerkstelligten starken Erhitzung der Verbrennungsluft war die Anwendung von Feuerherden ohne Rost, weil keinerlei Roststäbe der durch solche Luft erhöhten Intensität des Feuers widerstehen könnten. Diese nothwendige Zugabe muß aber in der Ausführung sehr bedeutende Schwierigkeiten darbieten, denn es ist nicht denkbar, daß namentlich Steinkohlen ohne Rost einer regelmäßigen Verbrennung fähig sind, es werden daher mit den Schlacken eine Menge nur theilweise verbrannter Kohlen entfernt werden, und die Verbrennung wird je nach der Lage und Form des Kohlenhaufens im Herde bald einen mehr oder weniger großen Ueberschuß von Luft, bald Mangel an solcher im Gefolge haben. Indessen wird einerseits Ueberschuß an Luft für solche technische Operationen, welche nicht möglichste Intensität des Feuers erfordern, wie z.B. die Dampferzeugung, die Verschmelzung von Blei, Wismuth, Zinn etc., nicht ungünstig wirken, und es wird dabei dennoch eine bessere Rauchverbrennung und größere Intensität des Feuers erzielt werden, als bei gewöhnlicher Feuerung. Andererseits wird selbst bei solchen Oefen, welche, wie die Puddel- und Schweißöfen, eine reducirende Flamme und möglichste Intensität erheischen, diesen Anforderungen entsprochen werden können, nur wird dabei die Brennstoffersparniß weit hinter derjenigen zurückbleiben, welche die nun ziemlich allgemein eingeführte Gasheizung gewährt. Siemens will jedoch die Anwendung seiner Regeneratoren auch auf die Gasfeuerung ausdehnen; wir werden später sehen, welches der muthmaßliche Erfolg dieser Combination seyn kann.

Es ist möglich, durch hinlänglich ausgedehnte Heizapparate, seyen es Siemens'sche Regeneratoren oder solche anderer Construction, die Luft bis auf 1000º C., ja vielleicht 1200º C. zu erhitzen, wenn die dazu verwendete Flamme, wie im Puddel-, Schweiß- oder Glasofen, 1400 bis 1500º C. hat; indessen tritt namentlich bei intensivem Brennstoffe, wie Steinkohlen, bald eine Grenze ein, welche ziemlich die Hälfte der angegebenen Temperaturen betragen dürfte, weil die Materialien worüber wir zur Construction unserer Oefen verfügen können, weit entfernt sind absolut feuerfest zu seyn.

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Wir werden daher, indem wir nun die Effecte der erhitzten Luft berechnen, als Maximum ihrer Temperatur nur 600º C. in Rechnung bringen.

1 Pfd. Steinkohle mittlerer Güte producirt bei vollständiger Verbrennung 7509 Wärme-Einheiten. Dazu wird gewöhnlich eine Luftmenge erfordert, welche doppelt so groß ist, als das chemische Aequivalentengesetz sie verlangt. Diese Art der Verbrennung heißt: extensive Verbrennung oder Feuerung. Für diesen Fall ist die Luftmenge, welche auf 1 Pfd. Steinkohle kommt, 21,1118 Pfd. Erhitzen wir nun diese Luft auf 300º, 400º, 500º und 600º, so fügen wir derselben 300, 400, 500 und 600mal 0,2377mal ihr Gewicht Wärme-Einheiten zu, nämlich:

300 . 21,1118 . 0,2377 = 1505 Wärme-Einheiten
400 . 21,1118 . 0,2377 = 1997
500 . 21,1118 . 0,2377 = 2496
600 . 21,1118 . 0,2377 = 2995

Die im Feuerherde vorhandene Wärmemenge pro 1 Pfd. Kohle ist also 7509 + 1505 = 9014 W. E., wenn die Luft auf 300º vorerwärmt wurde, und da die specifische Wärme der Verbrennungsproducte aus 1 Pfd. Kohle mit dem bezeichneten Luftüberschusse = 5,33051 W. E. ist, so wird die Initial-Temperatur der Verbrennungsproducte ohne erhitzte Verbrennungsluft

= 7509/5,33051 = 1409°; sie wird bei Anwendung von
Luft von 300° = 9014/5,33051 = 1693°; „ „ „
400° = 9506/5,33051 = 1783°; „ „ „
500° = 10005/5,33051 = 1878°; „ „ „
600° = 10504/5,33051 = 2013°. „ „ „

Bei den meisten metallurgischen Operationen wird aber bekanntlich der Verbrennungsproceß so geleitet, daß ein Minimum von Luft dem Feuer zugeführt wird, so daß ein Theil des Brennstoffes in Form unverbrannter brennbarer Gase durch die Esse entweicht; dadurch wird das Volumen der Verbrennungsproducte ein viel geringeres, es hat aber dann auch eine viel höhere Temperatur, obgleich ein Theil des Brennstoffes unnütz verloren geht. Wir nehmen an, daß 1 Pfd. Steinkohle in diesem |345| Falle nur 5228 W. E. wirklich entwickelt, anstatt 7509 W. E. Da aber die specifische Wärme der so gebildeten Verbrennungsproducte 1,75863 W. E. ist, so wird die Initial-Temperatur derselben 5228/1,75863 = 2276°, statt 1409º, wie sie die extensive Feuerung gibt; wir nennen daher diese Art der Verbrennung: intensive Feuerung.

Da in diesem Falle 1 Pfd. Kohle 8,224 Pfd. Luft bedarf, so sind die durch Erhitzung dieser Luft dem Feuer zugeführten Wärmemengen bei

300°, 400°, 500°, 600°,
= 586 W. E. 782 W. E. 977 W. E. 1173 W. E.

und die daraus resultirenden Initial-Temperaturen:

2531° 2616° 2702° 2846°.

Die Gasfeuerung gewährt den eben behandelten Verbrennungsprocessen gegenüber den Vortheil, daß sie eine sehr annähernd stöchiometrisch richtige Zusammenführung von brennbaren Gasen und Verbrennungsluft gestattet, wodurch nicht nur alle Rauchbildung vermieden, sondern auch die höchste Initial-Temperatur erzielt wird.

1 Pfd. Steinkohle, als Gas verbrannt, producirt 7580 W. E.; die Verbrennungsproducte haben die specifische Wärme von 2,82138, daher die Initial-Temperatur = 7580/2,82138 = 2687° C. ist.

Werden die 7,1214 Pfd. Luft, welche pro 1 Pfd. in Gas verwandelter Steinkohle erforderlich sind, erwärmt

auf 300°, 400°, 500°, 600°,
so wird ihr Wärme-Gehalt 508 W. E. 677 W. E. 846 W. E. 1016 W. E.
und die Initial-Temperatur 2867°, 2927°, 2988°, 3112°.

Aus diesen Berechnungen ist ersichtlich, daß die Ueberhitzung der Verbrennungsluft am günstigsten bei der extensiven Feuerung wirkt, dann bei der intensiven; daß aber, insofern es sich um die Anwendung von Steinkohlen handelt, bei der Gasfeuerung eine Erhitzung der Luft auf 300º wahrscheinlich schon das zulässige Maximum ist, weil bei Temperaturen über 2867º wohl die wenigsten zur Construction unserer Oefen verwendbaren Materialien zu widerstehen im Stande sind.

Es werden daher die allerdings sehr sinnreichen Apparate von Siemens die Gasfeuerung nicht verdrängen; sie könnten dieß selbst dann nicht, wenn ihre Ausführung und Anwendung keine Schwierigkeiten darbieten würden, weil die Gasfeuerung im Effecte und in der Oekonomie des Brennstoffes weit voransteht.

Hiernach könnten wir es unterlassen, auf die Natur und Eigenschaften der Siemens'schen Apparate weiter einzugehen; eine Kritik |346| derselben wird jedoch den Nutzen gewähren, daß wir dadurch erkennen in wie fern die in der Praxis sich ergebenden Schwierigkeiten in der Theorie begründet sind.

Der Regenerator als Luft-Heizapparat unterscheidet sich von den bisher üblichen derartigen Apparaten hauptsächlich dadurch, daß die Wärme der abgehenden Verbrennungsproducte nicht durch eine Wand hindurch an die zu erwärmende Luft übertragen wird, sondern einfach an feuerfeste Massen, deren aufgenommene Wärme man dann wieder benutzt, indem man Luft über dieselben streichen läßt. Da nun die äußersten Schichten an den Flächen dieser Massen am heißesten sind, so ist anzunehmen daß die darüber geleitete Luft, in dem Augenblicke wo sie in den frisch angewärmten Regenerator eingelassen wird, sich höher erhitzt als dieß der Fall ist, wenn die Wärme vorher durch eine Wand zu gehen hat; aber diese höhere Erhitzung kann nur in der ersten Zeit stattfinden, denn sobald die Flächen einigermaßen abgekühlt sind, muß die Wärme durch Leitung aus dem Innern der Masse genommen werden, und es ist leicht einzusehen, daß sogar ein Zeitpunkt eintreten wird, wo diese Zuleitung der Wärme schwieriger erfolgt, als wann Luft und Verbrennungsproducte durch eine mehr oder weniger dünne Wand getrennt sind. Die Regeneratoren liefern also keineswegs eine gleichförmig erhitzte Luft, sondern eine ursprünglich sehr heiße Luft, deren Temperatur abnimmt, bis die Aenderung der Richtung von Luft und Verbrennungsproducten (der Periodenwechsel) vorgenommen wird.

Diese Veränderlichkeit der Temperatur der erhitzten Luft beeinträchtigt die Regelmäßigkeit der Feuerung. Sie hat aber noch einen anderen, wesentlicheren Nachtheil. Bekanntlich liefert ein Kamin oder irgend ein anderer Canal, durch welchen Luft geblasen oder angesogen wird, in der Zeiteinheit ein gewisses Volumen, welches von den Widerständen in Folge der Reibung und von dem Drucke des Gebläses oder dem durch den Zug hervorgebrachten Vacuum abhängt; sind nun diese Bedingungen constant, während die Temperatur der durchgeblasenen oder durchgesogenen Luft veränderlich ist, so bleibt das Volumen der Luft dasselbe, aber das Gewicht derselben wechselt, d.h. es werden verschiedene Mengen durchgehen.

Angenommen, ein Regenerator lasse pro Secunde constant 6 Kubikfuß Luft durchgehen, so sind

6 K. F. Luft von 600º = 0,13158 Pfd.
„ „ „ „ „ 500º = 0,14860 „
„ „ „ „ „ 400º = 0,17069 „
„ „ „ „ „ 300º = 0,20048 „

Dieß gibt per Stunde 474 Pfd., 535 Pfd., 614 Pfd. und 722 Pfd.

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Es wird dadurch unmöglich, eine Regelmäßigkeit der Feuerung einzuhalten, denn durch Anwendung von Schiebern und anderen üblichen Mitteln dürfte diesem Uebelstand nicht mit Erfolg zu begegnen seyn.

Man könnte vermuthen, da der eine Canal des Regenerators durch die Verbrennungsproducte, der andere durch die Luft bestrichen wird, und der erstere an Temperatur zunimmt, während gleichzeitig der zweite daran abnimmt, so werde die Ungleichförmigkeit der Ansaugung durch den Kamin diejenige der Luftzuführung ausgleichen. Dieß ist aber keineswegs der Fall, wie wir sogleich sehen werden.

Angenommen, der Kamin habe 50 Fuß Höhe und 4 Quadratfuß Querschnitt, und die in ihm wirksame Temperatur steige von 300º auf 600º, während die Temperatur der erhitzten Luft im Regenerator von 600º auf 300º sinkt; in diesem Falle werden die Geschwindigkeiten im Kamin seyn; 6 Fuß: 6,1 F.; 6,2 F. und 6,28 F. Bei dem angenommenen Querschnitt des Kamins sind die per Secunde evacuirten Volumina: 24 Kubikfuß; 24,4 Kubikf.; 24,8 Kubf. und 25,12 Kubf.; reduciren wir diese auf 0º und berechnen aus dem reducirten Volumen das Gewicht, welches an Verbrennungsproducten per Stunde entführt wird, so bekommen wir

für 600º 500º 400º 300º
respective Pfd. 277, 239, 212 und 190,

also eine rasch abnehmende Menge, während die zugeführte Luftmenge (wie wir oben gesehen haben) eine rasch zunehmende ist. Es findet also statt einer Ausgleichung gerade das Gegentheil statt, und es wird in Folge dieser entgegengesetzten Wirkungen entweder der Verbrennungsproceß selbst ein stets wechselnder, indem bald Mangel an Luft und bald Ueberschuß an solcher stattfindet, oder es wird der Brennstoffverbrauch in den Perioden, zwischen welchen die Strömungen in den Regeneratoren gewechselt werden, ein sehr variirender.

Diese nachtheilige Wirkung vermindert sich, wenn die Endtemperaturen weniger weit aus einander liegen als 300º und 600º, aber bemerkbar und von nachtheiligem Einflusse werden sie immer seyn. Bei der Gasfeuerung, deren erste Bedingung richtiges Verhältniß zwischen Luft und Gas ist, lassen sich diese Regeneratoren unter gar keinen Umständen anwenden, ohne den ausgezeichneten Gang dieser Heizung zu beeinträchtigen.

Diese Regeneratoren sind überdieß so construirt, daß sie einen unverhältnißmäßigen Kraftaufwand veranlassen. Die Luft und Verbrennungsproducte müssen nicht nur sehr lange und in vielen Biegungen sich windende Wege machen, sondern diese Wege sind auch nach den von |348| Siemens in seinen Patent-Zeichnungen gegebenen Proportionen viel zu enge. Ich habe einen Siemens'schen Puddelofen in allen Details berechnet und bin zu dem Resultate gekommen, daß, um in demselben die zum Puddeln nöthige Brennstoffmenge zu consumiren, ein Gebläse erforderlich wäre, welches 3 Zoll Wasserdruck gibt, oder ein Kamin von 250 Fuß Höhe. Ein solcher Aufwand steht außer allem Verhältniß mit dem durch das Regenerationsprincip zu erzielenden Vortheil.

Mit den gewöhnlichen Luft-Heizapparaten haben die Siemens'schen Regeneratoren den gemeinschaftlichen Fehler, daß die Verbrennungsproducte die äußeren Ofenwandungen, welche den Luft-Heizapparat einschließen, bespühlen und so eine nicht unbeträchtliche Wärmemenge an die äußere Luft abgeben und zu Verlust bringen, welche außerdem eine nützliche Verwendung finden könnte. Selbst in den Fällen, wo die zu erhitzende Luft eine hohe Pressung haben soll, wie z.B. bei Hohöfen, ist es keine schwierige Aufgabe, Luftkammern zu construiren, welche auch in der Wärme dicht bleiben, und wenn die Wände dieser Kammern mit der erhitzten Luft statt mit den Verbrennungsproducten bespühlt werden, so wird dadurch eine sehr bemerkliche Wärmeersparniß erzielt werden, weil die Temperatur der erhitzten Luft immer sehr viel niedriger als diejenige der Verbrennungsproducte ist.

Bezeichnen wir die Leitungsfähigkeit einer solchen Umfassung mit C, die Dicke derselben mit e, die im Innern herrschende Temperatur mit t und die Temperatur der äußeren Luft mit t'', die Strahlungsfähigkeit der äußeren Umhüllungsfläche mit S, ferner den Leitungscoefficienten für die äußere Luft, welcher mit der Form des Apparates wechselt, mit L, so läßt sich die Temperatur der Außenfläche = t' berechnen durch die Formel:

Textabbildung Bd. 161, S. 348

Geben wir diesen Bezeichnungen die Werthe:

C = 0,4

e = 0,8'

t = 1500º und dann t = 300º

t'' = 0º

S = 0,648

L = 0,452,

so haben wir t' = (0,4 . 1500 + 1,1 . 0,8 . 1)/(0,4 + 1,1 . 0,8) = 469°
und t' = (0,4 . 300 + 1,1 . 0,8 . 1)/(0,4 + 1,1 . 0,8) = 94°.
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Berechnen wir ferner die Wärmeabgabe solcher Wände per Quadratfuß, nach den von Dulong gefundenen Gesetzen, so finden wir, daß erstere per Stunde 3537 W. E., letztere nur 150 W. E. verlieren.

Eine solche Construction verlangt nothwendig, daß die Verbrennungsproducte nicht um das Gefäß herum circuliren welches die Luft enthält, sondern umgekehrt, daß die Verbrennungsproducte den inneren, die Luft den größeren äußeren Raum einnehmen.

Neben dem bezeichneten Vortheile gewährt eine solche Anordnung noch den, daß eine gleich große Fläche einen viel höheren Effect gibt. Es wird nämlich, wenn die Luft im inneren Raume, z.B. in einer Röhre eingeschlossen ist, die von der erhitzten inneren Fläche ausgehende strahlende Wärme nicht als solche von der Luft absorbirt, sondern von der gegenüberstehenden Wand aufgefangen und die Luft empfängt die Wärme ausschließlich durch Leitung; werden hingegen die Verbrennungsproducte im Rohre durchgeführt und die Luft umgibt dasselbe, so wird die Luft einerseits mehr von der strahlenden Wärme aufnehmen und andererseits wird diese strahlende Wärme von den die Luft einschließenden Umfassungswänden aufgenommen, daher auch der größere Theil dieser Wärme an die Luft übergeht.

Man erspart daher dadurch nicht nur Wärme, sondern auch an Heizfläche, denn die durchgehende Wärme ist um so größer, je schneller dieselbe absorbirt wird. So kann die Luft bei hinlänglicher Ausdehnung des Apparates constant auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden, ohne den Verbrennungsproducten einen übermäßigen Widerstand entgegenzusetzen und der unvermeidliche Verlust an Wärme wird durch die Außenwände auf das thunliche Minimum herabgezogen.

Will man den so in Temperatur und Gewicht gleichförmig und regelmäßig gewordenen stark erhitzten Luftstrom zu einem extensiven oder intensiven Verbrennungsprocesse benutzen, so wird man immerhin in die Nothwendigkeit versetzt seyn, den Brennstoff mit demselben ohne Rost in Berührung zu bringen, und dieß wird für Steinkohlen stets schwierig seyn, wogegen für Holz und Torf eine solche Anordnung von Erfolg seyn könnte. Selbst bei Anwendung letzterer Brennmaterialien wird aber die Gasfeuerung gewiß unter allen Umständen und zu jedwedem Zwecke den Vorzug verdienen.

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Ein nach dem Siemens'schen Princip construirter Schweißofen ist im polytechn. Journal Bd. CXLVII S. 273 beschrieben.

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