Titel: Güntner, über die Benutzung der Sonnenwärme zu Heizeffecten.
Autor: Güntner, Carl
Fundstelle: 1864, Band 173, Nr. C. (S. 418–426)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj173/ar173100

C. Ueber die Benutzung der Sonnenwärme zu Heizeffecten; von Carl Güntner.

Nach den pyrheliometrischen Messungen von Althans und Pouillet (Poggendorff's Annalen Bd. XLV S. 25 und 481) werden einer Fläche, welche von der Sonne senkrecht beschienen wird, per Quadratfuß und per Minute 3,4 Wärmemengen mitgetheilt. Die Wärme, welche täglich von der Sonne zur Erde gelangt, könnte sonach 10 Billionen Kubikmeter Wasser von 0° in Dampf von 100° C. verwandeln, gibt also den Heizeffect von 5 Billionen Ctr. Steinkohlen!

Rechnet man per Stunde und Pferdekraft 7 Pfd. Steinkohlen, und berücksichtigt man, daß unsere Dampfmaschinen nur 1/22 des absoluten mechanischen Effectes der Wärme geben, so ergibt sich der Gesammteffect der Sonnenwärme per Secunde zu 66 Billionen Pferdekräften! Abgesehen davon, daß uns diese Zahlen ein sehr anschauliches Bild von der riesigen mechanischen Leistung der Sonnenwärme liefern, führen sie auch auf den Gedanken, dieselbe der Industrie und dem Gewerbe in ausgiebiger Weise dienstbar zu machen.

Allerdings ist die Veränderlichkeit des Sonnenscheines ein sehr bedeutender Uebelstand; allein auch die Kraft des Windes ist veränderlich und doch haben wir sie in vielen Fällen unseren Zwecken dienstbar gemacht. Bedenkt man nun, daß in den südlichen Gegenden und in der tropischen Zone Regen und Sonnenschein mit großer Regelmäßigkeit wechseln, daß man ferner durch Concentration der Sonnenstrahlen bedeutende |419| Hitzegrade erzeugen kann, und daß nach den angeführten Daten eine Fläche von nur 200 Quadratfuß den Dampf für eine Pferdekraft liefern würde, so dürfte es nicht ohne Interesse seyn, die Frage der Benutzung dieser Wärmequelle näher in's Auge zu fassen.

Die praktische Verwendung der Sonnenwärme erfordert vor Allem Apparate, welche eine massenhafte Concentration der Sonnenstrahlen bewirken, also in sehr großen Dimensionen leicht ausgeführt werden können.

Daß die sphärischen Brennspiegel und Brennlinsen, welche man bisher zu Schulexperimenten benutzte, hierzu ganz untauglich sind, leuchtet ein. Besser würde sich die innere Mantelfläche eines geraden Kegels eignen, denn sie wirft alle Strahlen, welche parallel zur Achse einfallen, in die Achse. Gibt man z.B. in die Achse eines kegelförmigen Trichters aus Weißblech eine Röhre, füllt sie mit Wasser, und hält die Trichteröffnung gegen die Sonne so, daß die Röhre keinen Schatten wirft, so wird das Wasser in 6–10 Minuten heftig sieden, wenn die Fangöffnung 16'' Durchmesser hat, die Röhre 1'' dick ist und mit circa 12 Loth Wasser von 14° C. gefüllt wurde.

Die Vergrößerung der Fangfläche hat keine besondere Schwierigkeiten, denn Blechtrichter von 10–12' Oeffnung wären jedenfalls leichter herzustellen als sphärische Brennspiegel von demselben Durchmesser; allein da ein solcher Reflector dem jeweiligen Sonnenstande entsprechend gedreht werden müßte, und diese Bewegung nur durch einen heliostatartigen, also sehr complicirten Mechanismus erzielt werden könnte, wird die Kegelfläche höchstens in ganz besonderen Fällen anwendbar seyn.

Es bleibt sonach nur noch die Wahl zwischen der parabolischen und der gewöhnlichen Cylinderfläche.

Die erstere concentrirt alle Strahlen, welche parallel zur Achsenebene einfallen, genau in die Achse. Es ist hierbei ganz gleichgültig, ob die Sonnenstrahlen senkrecht oder schief zur Achse liegen und darum würde bei Anwendung dieser Fläche bloß eine einfache Drehung nöthig seyn, damit die Lage der Fläche dem Sonnenstande stets entspricht.

Liegt z.B. die Brennachse in der Richtung Nord-Süd, so genügt eine Drehung von Ost nach West; liegt die Brennachse horizontal in der Richtung Ost-West und die Achsenebene vertical, so hätte man die Fläche um eine verticale Achse zu drehen. In den Aequatorial-Gegenden wäre bei der letzteren Flächenlage gar keine Bewegung nöthig, da die Achsenebene mit der Ebene der Sonnenbahn zusammenfällt.

Wird in der Brennachse einer solchen Rinne von parabolischem Querschnitt eine Röhre angebracht, welche mit der Fläche fest verbunden seyn kann, so werden die Sonnenstrahlen auf der Oberfläche der Röhre concentrirt |420| und lassen sich zu Erhitzungen verwenden, indem man die betreffenden Objecte in die Heizröhre gibt.

Das Verhältniß des Durchmessers der Heißröhre zur Spannweite der Rinne muß hierbei so gewählt werden, daß der beabsichtigte Hitzegrad erzeugt wird.

Setzt man die Zunahme der Temperatur an der Röhrenoberfläche dem Concentrationsgrade der Sonnenstrahlen proportional, so kann man die Temperatur der Heizröhre durch die Relation T° = l/s . t° bestimmen. Hierbei ist s die Spannweite der Reflectorfläche, l die Länge des Bogens auf welchem die Strahlen concentrirt werden sollen, und t die Temperatur eines den Sonnenstrahlen ausgesetzten Thermometers.

Bei einer Heizröhre von 3–4'' und einer Reflectorrinne aus Weißblech von circa 3' Spannweite, kann man Wasser verdampfen. Die Temperatur der Heizröhre ist also in diesem Falle über 100°.

Durch mehrere solche Reflectoren, parallel neben einander gelegt, würde sich die Fangfläche beliebig leicht vergrößern lassen; allein, wie schon erwähnt, könnten diese Reflectorrinnen nur in den Aequatorial-Gegenden fix gelagert werden. Für andere Punkte der Erde wäre eine Drehung nothwendig und dieß bedingt bei so großen Flächen einen kostspieligen Bau.

Es bleibt sonach nur noch die gewöhnliche Cylinderfläche übrig; sie ist unstreitig die zweckmäßigste Reflectorfläche, da sie eine fixe Lagerung gestattet und sehr leicht ausgeführt werden kann.

Denkt man sich eine fixe Rinne von kreisförmigem Querschnitt so liegend, daß ihre hohle Fläche der Sonne zugewendet ist, und legt man durch den Mittelpunkt der Sonne und durch die Achse der Cylinderfläche eine Ebene, so werden alle parallel zu dieser Ebene einfallenden Strahlen in einer geraden Linie concentrirt, welche in der Achsenebene liegt und parallel zur Cylinderfläche ist.

Der Abstand dieser Focallinie von der Achse ist bekanntlich R/2, wenn R der Halbmesser der Cylinderfläche ist.

Während der Bewegung der Sonne beschreibt die Focallinie eine Cylinderfläche vom Halbmesser R/2 und es werden sonach die Sonnenstrahlen stets auf eine Röhre reflectirt werden, wenn diese so bewegt wird, daß ihre Achse mit der Focallinie zusammenfällt.

Reflectorrinnen von kreisförmigem Querschnitt können |421| also fix gelagert werden, wenn die Heizröhren beweglich sind.

Liegen die Achsen in der Richtung Ost-West, so wird die erforderliche Kreisbewegung der Heizröhren im Allgemeinen eine sehr geringe seyn; sie ist eine langsame Oscillation um die Achsen der Reflectoren und läßt sich also mechanisch leicht ausführen.

Es braucht kaum bemerkt zu werden, daß diese Reflectoren nicht alle Strahlen genau in der Achse der Rinne vereinigen, allein bei richtiger Wahl des Halbmessers (R), des Durchmessers (d) der Heizröhre, und der Spannweite (s) der Rinne, kann die vorhandene Abweichung vernachlässigt werden; so werden z.B. für R = 5', s = 5' und d = 4'' selbst die äußersten Strahlen auf die Oberfläche der Röhre concentrirt.

Da die cylindrischen Reflectoren direct in den Boden gelagert werden können, so ist es nur nothwendig der Fläche den nöthigen Grad von Steifheit gegen Formveränderungen zu ertheilen.

Eine billige Erzeugung solcher Reflectorflächen könnte unserer Ansicht nach auf folgende Weise erzielt werden: Dünnes Eisenblech wird zwischen zwei Walzen gepreßt. Die eine der Walzen ist von Schuh zu Schuh mit kleinen Wülsten, die zweite mit entsprechenden ringförmigen Höhlungen versehen; wird nun das Blech gewalzt, so entstehen auf der Fläche kleine vertiefte Rippen, welche senkrecht zur Walzenachse liegen, und die Fläche kann bei entsprechender Wahl der Walzendurchmesser gleichzeitig die gewünschte kreisförmige Wölbung erhalten. Die Rippenhöhlungen, welche auf der concaven Seite des Bleches liegen sollen, werden nun mit Blei ausgefüllt; die innere Fläche wird blank gescheuert und gut verzinnt. Die Rückenfläche kann durch einen dauerhaften Anstrich vor Oxydation geschützt werden. Auf diesem Wege lassen sich Reflectorrinnen von 6' Spannweite und 6' Länge, wenn die hierzu nöthigen Hülfsmaschinen vorhanden sind, sehr billig erzeugen; denn nimmt man die Blechstärke zu 1/4''', so wird für eine Quadratklafter kaum mehr als 30 Pfd. Blech benöthiget und es dürften also die Erzeugungskosten per □° 5 fl. nicht überschreiten. Diese Reflectorrinnen werden auf dem Verwendungsplatze zu größeren, das ist längeren Rinnen vereinigt, indem man sie in den entsprechend hergerichteten Boden so einsenkt, daß sie genau aneinandergefügt sind und überall aufliegen.

Bei gleicher Form der Reflectoren sind die Bewegungen der Heizröhren congruent; wenn also bloß Wasser verdampft werden soll, so können die Siederöhren durch zwei parallele Querröhren fest verbunden werden. Das ganze Heizröhrensystem wird dann entweder in fixen Punkten, welche |422| in den Ebenen der Cylinderachsen liegen, aufgehängt, oder durch Stützen, welche mit kleinen Rollen versehen sind, getragen. Eine nähere Ausführung der übrigens sehr einfachen Detailconstructionen liegt außer dem Zweck dieser Zeilen, denn ich wollte vorerst nur zeigen, daß es möglich sey Sonnenstrahlen massenhaft und in leicht ausführbarer Weise zu concentriren.

Es ist nunmehr nöthig, den Heizeffect solcher Reflectorflächen zu bestimmen. Vor Allem muß hierbei in's Auge gefaßt werden, daß die horizontal liegende Reflectorfläche während eines Tages Sonnenschein unter sehr verschiedenen Winkeln getroffen wird, die Menge der auf die Reflectorfläche fallenden Sonnenstrahlen ist also variabel; sie kann aber proportional gesetzt werden dem senkrechten Querschnitte jenes Strahlenbündels, welcher in irgend einem Augenblicke von der Reflectorfläche aufgefangen wird. Wir werden diesen Querschnitt die Fangfläche nennen.

Es ist ferner die Wärmewirkung auf eine senkrecht beschienene Fläche nicht constant; sie ändert sich nach Pouillet mit der Dicke der Luftschichte, welche die Strahlen durchlaufen. Da indeß das Gesetz dieser Abhängigkeit noch nicht vollkommen festgestellt ist, da ferner auch andere zufällige Einflüsse diese Wirkung modificiren, so werden wir der folgenden Effectberechnung nur den mittleren Werth der Wärmewirkung einer senkrecht beschienenen Fläche zu Grunde legen.

Textabbildung Bd. 173, S. 422

Bei dem Einfallswinkel α ist die Fangfläche = f sin α und da man während der unendlich kleinen Zeit dt die Fangfläche constant annehmen kann, so ist die Wirkung während dieser unendlich kleinen Zeit durch die Gleichung:

dW = ef . sin α . dt 1)

bestimmt.

|423|

Es ist aber t/T = α/(π/2) oder t = 2/π . T . α

also dt = 2/π . T . 2)

Statt dt in 1) den Werth aus 2) gesetzt, gibt:

dW = 2/π . efT . sin α . 3)

Wird diese Gleichung innerhalb der Grenzen α und β integrirt, so erhält man:

Textabbildung Bd. 173, S. 423

Für α = 0 und β = 90° erhält man:

W = 2/π efT .

Wird die Fläche nicht unter dem Aequator, sondern in der geographischen Breite β° angewendet, so ist der höchste Sonnenstand = 90 – β und es ist daher zwischen α = 0 und α = 90 – β zu integriren.

In dem Ausdrucke: W = 2/π . efT (cos αcos β) ist die Größe e durch Versuche zu bestimmen.

Pouillet hat nun allerdings für unseren Breitengrad e im Mittel = 3,4 Wärmemengen per □' und per Minute gefunden; allein dieß ist die absolute per Flächeneinheit mitgetheilte Wärmemenge; sie kann also keiner Effectberechnung zu Grunde gelegt werden, bei welcher so bedeutende Verlustquellen vorhanden sind: hierher gehören z.B. Verlust in Folge unvollkommener Reflexion; Verlust in Folge unvollkommener Absorption; Verlust durch Wärmeausstrahlung; Verlust durch Abkühlung an der frei vorbeistreichenden kälteren Luft. Einige dieser Verlustquellen können zwar verringert werden, allein sie werden sich nie ganz beseitigen lassen, und darum ist es nothwendig, jenen Werth von e ausfindig zu machen, welcher die Wärmemenge angibt, die von einem Quadratschuh |424| Fangfläche per Minute in der angegebenen Weise nutzbar gemacht werden kann.

Da hierüber keinerlei Versuche vorlagen, machte ich selbst messende Versuche mit Reflectorflächen von ähnlicher Construction, aber kleineren Dimensionen.

Zur Vermeidung jeder irrigen Vorstellung über den Grad der Genauigkeit, mit welcher die Reflectorfläche construirt war, ist es nothwendig, ihre Ausführung kurz zu beschreiben.

Die zwei gegenüberliegenden 3' langen Seiten eines hölzernen rechteckigen Rahmens von 1' Breite und 3' Länge wurden genau nach einer vorgezeichneten Parabel ausgeschnitten und auf die hierdurch gebildeten parabolischen Kanten wurden zwei Weißblechtafeln genagelt.

Vier Stützen, welche an den Seiten des Rahmens befestiget waren, trugen eine 3 1/2zöllige Röhre so, daß ihre Achse mit der Brennachse der Fläche zusammenfiel.

Die Röhre war an beiden Enden geschlossen, außen geschwärzt, und mit einem Abzugsrohre versehen.

Während des Versuches wurde die Fläche stets so gegen die Sonne gehalten, daß die Achse des Schattens der Röhre mit der Scheitellinie zusammenfiel, und die Ebene des Rahmens senkrecht zu den Sonnenstrahlen war. Die Fangfläche betrug sonach genau 3 Quadratfuß.

Ein Papierstreifen, welcher in der Achsenebene nahe an der Röhre gehalten wurde, zeigte sich stellenweise intensiv erleuchtet, und es war somit die Concentration ziemlich unvollkommen.

Eine sorgfältigere Ausführung wurde indeß absichtlich unterlassen, um das Resultat des Versuches nicht günstiger zu gestalten, als dieß bei Ausführungen im Großen erwartet werden kann; aus demselben Grunde wurde das Weißblech nur von Staub und Schmutz befreit.

Vor und nach jedem Versuche wurde das Wasser in der Siederöhre gewogen, und der Moment des Siedens erst dann bemerkt, wenn der Dampf aus der Abzugsröhre mit Heftigkeit ausströmte.

Die folgende kleine Tabelle gibt die mittleren Resultate zahlreicher Versuche, welche ich mit dieser Reflectorfläche im Monat August und September ausführte.

|425|

Tageszeit.
Wasser
in
Lothen.
Anfängliche
Temperatur
desselben.
Zeit bis
zum Sieden
in Minuten.
Zeitdauer des
Siedens in
Minuten.
Verdampftes
Wasser in
Lothen.
Zustand
der
Atmosphäre.
9–10 32 11°,5 C. 19 60 13,3 Sehr rein.
4–5 64 12° 35 60 12,1 Rein.
2–3 64 12° 34 60 13,9 Rein und sehr schwül.
10–12 32 12° 19 120 26 Trübe.

Nach diesen Versuchen ist die per Quadratfuß und per Minute nutzbar gemachte Wärmemenge = 1,3. Pouillet hat 3,4 gefunden, und es war sonach der Nutzeffect bei Verdampfung von Wasser circa 38 Procent.

Für unsere Zone kann man demnach den mittleren Werth von e = 1,3 setzen.

Der Effect einer Reflectorfläche = f ist in 12 Stunden:

W = 2,6/π . 2T . f (cos αcos β), α = 0 und β = 90°.

W = 5,0/3,14 . Tf = 1,59 f T Calorien,

wobei f in Quadratfußen und T in Minuten gegeben seyn müssen.

Eine Fläche von 1000□° würde also in 12 Stunden:

W = 1,59 . 1000 . 36 . 6 . 60 = 20606400

nutzbar gemachte Calorien liefern, somit den Effect von circa 44 Cntr. Steinkohlen geben.

Nimmt man an, daß diese Fläche in der tropischen Zone in Verwendung kommt und dort 200 Tage Sonnenschein per Jahr gerechnet werden können, so ist der jährliche Effect circa 8800 Cntr. Steinkohlen.

Rechnet man die Anlagekosten der Fläche per Quadratklafter zu 20 fl., so würde bei 5 Proc. Verzinsung des Anlagecapitals der Heizeffect eines Centners Steinkohlen auf 8,8 kr. zu stehen kommen!

Im Allgemeinen läßt sich indeß nicht vollkommen bestimmt entscheiden, ob die Anwendung solcher Reflectoren vom ökonomischen Standpunkte aus vortheilhaft ist; denn die Anlagekosten des Reflectors, die |426| Zahl der heiteren Tage, der Localpreis des Brennstoffes und sonstige locale Verhältnisse sind hierbei maaßgebend. Selbstverständlich wäre zunächst die Benutzung solcher Reflectoren in den südlicheren Gegenden und ganz besonders dort in's Auge zu fassen, wo die periodische Wirkung derselben auf den beabsichtigten Zweck keinen nachtheiligen Einfluß übt. So würden z.B. solche Reflectoren in Aegypten zum Heben des Nilwassers für die Bewässerung ganz anwendbar seyn; die Reflectoren mit ihren Siederöhren würden den nöthigen Dampf zum Betriebe einer Dampfmaschine liefern, und die Sonne welche den Boden Afrika's versengt, müßte ihn auch wieder bewässern. Wären solche Reflectoren nicht überhaupt als periodisch wirkende Dampfkessel in der tropischen Zone anwendbar und könnten sie nicht auch in der gemäßigten Zone in einzelnen Fällen mit Vortheil zu Bewässerungen oder zu Abdampfprocessen benutzt werden?

Die feste Ueberzeugung, daß es besonders in den südlichen Gegenden Fälle geben wird, wo die besprochene Art der Benutzung der Sonnenwärme von unzweifelhaftem Werthe ist, bestimmte mich, meine Gedanken über eine praktische Benutzung der Sonnenwärme, so wie die wenigen Versuche welche ich hierüber machte, der Oeffentlichkeit zu übergeben.

Die Consumtion der Brennstoffe ist in stetigem Zunehmen; mit unermüdlichem Fleiße suchen wir im Inneren der Erde nach Kohlenschätzen, und es dürfte also kein überflüssiges Beginnen seyn, auch einmal den Blick zur Urquelle aller Erdwärme, zur Sonne, zu lenken.

Wien, den 28. Mai 1864.

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