Titel: Delabar, über Tresca's Versuche mit Hugon's Gasmaschine.
Autor: Delabar, Gangolf
Fundstelle: 1868, Band 187, Nr. II. (S. 13–24)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj187/ar187002

II. Ueber Tresca's Versuche mit Hugon's Gasmaschine; von G. Delabar.

Im Jahre 1866 hat Tresca mit einer Hugon'schen Gasmaschine, wie wir sie im vorausgehenden Artikel nach beigegebener Abbildung näher beschrieben haben, bezüglich ihrer Leistungsfähigkeit und ihres Gasverbrauches Versuche angestellt, welche hier nach den Annales du Conservatoire des arts et métiers, t. VII. p. 69 (Juli 1866), der Hauptsache nach mitgetheilt werden sollen.

Bei diesen Versuchen, welche im Ganzen fünf Stunden andauerten, wurden die verbrauchten Gasmengen, die zum Betriebe des Kolbens und zur Unterhaltung der Gasflammen an den Entzündungsbrennern dienten, mittelst Gasuhren besonders beobachtet. Ebenso wurde mittelst eines Zählers die Anzahl der Umdrehungen der Betriebswelle per Minute bestimmt. Im Weiteren muß die Bemerkung vorausgeschickt werden, daß um die Versuchsmaschine herum vier Wasserbassins angelegt waren, von denen die drei ersten, zusammen 1286 Liter oder 857 1/3 Maaß (Schweizermaaß) Wasser fassend, zur Abkühlung des Gascylinders dienten, indem das Wasser des ersten Bassin auf continuirliche Weise um den hohlen Cylindermantel in die beiden anderen Bassins und von da mittelst einer Pumpe wieder in das erste Bassin zurückgeleitet wurde, und das vierte Reservoir, von geringerem Inhalt, die Bestimmung hatte, bei jedem Hub eine gewisse kleine Wassermenge in das Innere des Betriebscylinders zu liefern, welche einestheils die Abkühlung der Verbrennungsgase nach ihrer Entzündung und Explosion, und anderntheils die Vermehrung ihrer Nutzwirkung durch die mechanische Arbeit des dabei entstehenden Wasserdampfes bezweckte.

Die Resultate sämmtlicher Beobachtungen bei diesen Versuchen sind in der folgenden Tabelle aufgezeichnet.

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I. Tabelle
über die Beobachtungen, welche während der Bremsversuche am 7. Februar 1866 mit der Hugon'schen Gasmaschine gemacht wurden.

Textabbildung Bd. 187, S. 14
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Aus vorstehender Tabelle läßt sich sowohl die Berechnung der mechanischen Arbeit als die des Gasverbrauches per Stunde und Pferdekraft ableiten.

Der Prony'sche Zaum hatte einen Hebelarm von 2,00 Met. und das an seinem äußersten Ende aufgelegte Gewicht war 14 Kil.

Die von der Maschine während einer Umdrehung ausgeübte mechanische Arbeit ist demnach:

2m . 2π . 14k = 175,93 Kilogr.-Met.

Die Anzahl der Umdrehungen per Minute war im Mittel:

15904/(5 . 60) = 53,01 Umgänge.

Die mechanische Nutzarbeit per Secunde war also:

(175,93 . 53,01)/60 = 155,43km

oder

155,43/75 = 2,07 Pferdekräfte.

Die totale Gasconsumtion per Stunde stellt sich daher auf: (26631 Liter)/(5 . 2,07 Pferdekr.) = 26631/10,14 = 2606,6 Liter per Stunde u. Pferdekraft.

Allein es muß bemerkt werden, daß in dieser Ziffer auch der Gasverbrauch von den vier Entzündungsflammen enthalten ist, welcher durch eine besondere Gasuhr für die Zeit von 1/4 Stunde oder 15 Minuten zu 66 Liter, für eine Stunde also zu 4 × 66 = 264 Liter bestimmt wurde.

Zieht man daher dieses Resultat vom totalen Gasverbrauch ab, so erhält man für den Gasverbrauch bloß im Betriebscylinder per Stunde und Pferdekraft:

(26631 – 264 × 5)/(5 × 2,07) = 2445,41 Liter.

Ferner wurden während der Versuche mittelst eines Druckindicators eine große Anzahl Diagrammme von der Maschine abgenommen und zwar 23 an der unteren und 4 an der oberen Kammer.

Die Resultate, welche sich aus der Prüfung dieser verschiedenen Diagramme ergeben haben, sind in folgender Tabelle zusammengestellt.

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II. Tabelle
über die Resultate der Diagramme, welche mit dem Druckindicator an der Hugon'schen Gasmaschine erhalten wurden.

Textabbildung Bd. 187, S. 16

Von diesen Diagrammen sind drei in den Figuren 7, 8 und 9 reproducirt worden, und zwar stellt die Curve der Fig. 7 dasjenige Diagramm dar, welches der Arbeit der Maschine ohne Einspritzwasser |17| entspricht, die beiden anderen Figuren 8 und 9 stellen hingegen solche Diagramme dar, welche vom Druckindicator verzeichnet wurden, während regelmäßig Wasser in den Betriebscylinder eingespritzt worden ist.

Diese Diagramme haben nun bezüglich der unteren Kammer des Betriebscylinders einen mittleren Druck von 0,479 Atm., in Bezug auf die obere Kammer desselben dagegen einen mittleren Druck von 0,584 Atm. herausgestellt.

Da der Durchmesser des Betriebskolbens 0,33 Met. und der Lauf desselben 0,32 Met. betrug, so findet man die während des Kolbenlaufes aufwärts producirte mechanische Arbeit:

Textabbildung Bd. 187, S. 17

und die während des Kolbenlaufes abwärts verrichtete mechanische Arbeit:

Textabbildung Bd. 187, S. 17

Die totale Arbeit der Maschine während eines Hin- und Rückganges, also während einer Umdrehung der Betriebswelle ist demnach die Summe:

135,46 + 166,14 = 301,60 Kil.-Met.

Die am Bremshebel gemessene Leistung oder Nutzarbeit war aber per Umdrehung nur

173,93 Kil.-Met.

Das Verhältniß der wirklich geleisteten und der angezeigten totalen Arbeit oder der Wirkungsgrad der Maschine ist folglich:

173,93/301,60 = 0,58.

Man kann aus den angegebenen Diagrammen auch noch denjenigen Theil des Kolbenlaufes ableiten, welcher der Entzündung der Gasmischung vorausgeht und den man den Hub für die Zulassungsperiode nennen kann.

Die letzte Columne der II. Tabelle gibt nämlich in Bezug auf die untere Kammer eine mittlere Abscisse der Zulassungsperiode von 31,7 m/m und in Betreff der oberen Kammer eine solche von 30,6 m/m.

Werden nun diese im Maaßstab der Diagramme gemessenen Zahlen auf den ganzen Kolbenhub bezogen, so erhält man das Verhältniß zwischen dem Hub für die Zulassungsperiode und dem ganzen Hub:

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31,7/71 = 0,446 für die untere und

30,6/73,0 = 0,419 für die obere Kammer.

Diese beiden Verhältnisse können nun weiter benutzt werden um das Verhältniß zwischen der atmosphärischen Luft und dem Leuchtgas in der Gasmischung im Moment der Entzündung zu bestimmen.

Nach obigen Angaben ist das Volumen des Leuchtgases, welches während der ganzen Dauer der Versuche in den Cylinder geleitet und verbraucht wurde, = 26631 – 1320 = 25311 Liter, und ist dasselbe zu gleichen Theilen auf 2 . 15904 = 31808 Hübe oder Cylinderfüllungen vertheilt, in Anwendung gekommen. Nun ist aber das Volumen einer Cylinderfüllung der unteren Kammer:

0,085526 . 0,32 . 0,446 = 12,21 Liter,

für eine solche der oberen Kammer dagegen:

0,085526 . 0,32 . 0,419 = 11,47 Liter,

und im Mittel:

(12,21 + 11,47)/2 = 11,84.

Das totale Volumen der Gasmischung während der ganzen Versuchsreihe ist folglich:

31808 . 11,84 = 376606,7 Liter.

Die dabei verwendete atmosphärische Luft hat also ein Volumen von:

376606,7 – 25311 = 351295,7 Liter,

gemessen unter dem Druck, welchen das Gas im Cylinder am Ende der Zuströmungsperiode hatte. Das Verhältniß zwischen der atmosphärischen Luft und dem Leuchtgas in der zu den Versuchen angewendeten Gasmischung ist somit:

351295,7/25311 = 13,5.

Diese Mischung war folglich der Art, daß 1 Theil Gas auf 13,5 Theile atmosphärische Luft kam und daß sie unter dem mittleren Druck von 3,78 Atm. in der unteren und von 4,29 Atm. in der oberen Kammer durch die besonderen Gasbrenner entzündet wurde, und in Folge der bei der Explosion entstehenden motorischen Kraft dem Kolben diejenige mechanische Arbeit mittheilte, welche wir bereits oben berechnet haben.

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Das Wasser, welches man vorzüglich zur Abkühlung der Verbrennungsgase sorgfältig in den Betriebscylinder einspritzte, entwickelte, indem es sich theilweise in Dampf verwandelte, ebenfalls eine gewisse Arbeitsgröße, wovon man sich Rechenschaft geben kann, indem man die beiden Diagramme Fig. 7 und 8 mit einander vergleicht, von denen das erstere der mechanischen Arbeit entspricht, welche ohne und das andere jener, die mit Anwendung von Injectionswasser entwickelt worden ist. Dieser Vergleich zeigt ganz augenfällig die günstige Einwirkung des Einspritzwassers. Dasselbe dient ganz besonders zur guten Erhaltung der Maschinentheile, zur Verminderung der Temperatur der austretenden Gase und wirkt durch diese Ursachen wahrscheinlich noch nützlicher als durch Vermehrung der mechanischen Arbeit, welche aus der theilweisen Verdampfung desselben resultirt. Wir erinnern übrigens bei dieser Gelegenheit daran, daß die gleiche Anwendung des Injectionswassers auch schon von anderen Constructeuren, namentlich bei Heißluftmaschinen gemacht worden ist.10)

Aus den in den obigen Tabellen verzeichneten Elementen kann man endlich auch die Wärmemengen berechnen, welche während des Ganges der Maschine absorbirt oder freigeworden sind.

Die absorbirte oder verlorene Wärmemenge vertheilt sich auf vier verschiedene Wirkungen:

1) auf die Wärmemenge welche durch die Verdampfung des in den Betriebscylinder eingespritzten Wassers verloren oder absorbirt wurde;

2) auf die Wärmemenge welche durch das Circulationswasser aufgenommen wurde;

3) auf die Wärmemenge welche durch die austretenden Verbrennungsgase mitgenommen wurde, und

4) auf die Wärmemenge welche der mechanischen Arbeit des Motors entspricht.

Wir wollen nach einander diese einzelnen Wärmemengen zu bestimmen suchen.

Die zum Einspritzen in das Innere des Betriebscylinders verwendete Wassermenge war (nach der I. Tabelle) 58,2 Liter oder 58,2 Kilogr.; die dadurch absorbirte Wärmemenge ist demnach, da auf 1 Kil. des gebildeten Dampfes circa 650 Calorien kommen: 58,2 . 650 = 37830 Calorien.

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Das zur Abkühlung des Cylinders während der ganzen Versuchszeit verwendete Wasser beträgt nach früherer Angabe 1286 Liter, und diese Wassermenge hat sich von der Anfangstemperatur von 19° auf die mittlere Austrittstemperatur von (46 + 42)/2 = 44°, um 44 – 19 = 25° erhöht. Dieser Temperaturerhöhung entspricht die Wärmemenge:

1286 . 25 = 32150 Calorien.

Diese Zahl ist aber jedenfalls noch zu gering, weil es nicht möglich war, die Abkühlung des Wassers in dem verfügbaren Bassin zu berechnen.

Um die Wärmemenge zu bestimmen, welche von den entweichenden Verbrennungsgasen mitgenommen wurde, müssen wir von der Zusammensetzung der verwendeten Gasmischung ausgehen, welche wir oben zu 1 Thl. Leuchtgas auf 13,5 Thle. atmosphärischer Luft bestimmt haben.

Nehmen wir nach der Analyse von Payen 11) an, der Kubikmeter Leuchtgas bestehe durchschnittlich aus:

0,59 Raumtheilen Einfach-Kohlenwasserstoffgas
0,09 Zweifach-Kohlenwasserstoffgas
0,07 Kohlenoxydgas
0,21 Wasserstoffgas
0,04 Stickstoffgas
––––––––––––––––
1,00

so finden wir, da das erste dieser Gase zur vollkommenen Verbrennung das doppelte, das andere das dreifache und jedes der beiden folgenden je das halbe Volumen Sauerstoff bedarf, daß zur vollkommenen Verbrennung von einem Kubikmeter Leuchtgas von der obigen Zusammensetzung 1,59 Kubikmeter Sauerstoff oder 100/21. 1,59 = 7,57 Kubikmeter atmosphärische Luft nöthig sind, und daß daher eine Gasmischung, im Verhältniß des Leuchtgases zur atmosphärischen Luft wie 1 : 7,57 = 0,13 : 1,00, in den Betriebscylinder der Gasmaschine eingeführt und entzündet, vollständig verbrenne zu Kohlensäure, Sauerstoff, Stickstoff und Wasserdampf.

Bei der Hugon'schen Gasmaschine kommen aber, wie wir oben nachgewiesen haben, auf 1 Kubikmeter Leuchtgas bedeutend mehr, |21| nämlich 13,5 Kubikmeter atmosphärische Luft, oder auf 1 Volumen der Gasmischung bezogen:

Leuchtgas 0,070 Vol. Th.
atmosphärische Luft 0,932 „ „
––––––––––––
1,000

Fast genau im gleichen Verhältniß stehen das Leuchtgas und die atmosphärische Luft zu einander in der Gasmischung wie sie bei der Lenoir'schen Gasmaschine angewendet wird. Payen fand nämlich durch seine oben erwähnte Untersuchung mit einer solchen Maschine auf 1 Volumen der Gasmischung:

Leuchtgas 0,077 Vol. Th.
atmosphärische Luft 0,923 „ „
––––––––––––
1,000

Diese Mischungsverhältnisse, auf welche beide Constructeure aus analogen Gründen und besonders aus dem Grunde der leichteren und sicheren Entzündung und der vollständigeren Verbrennung der Gasmischung gekommen sind, stimmen, wie man sieht, auffallend mit einander überein. Auf Grund derselben läßt sich nun auch ziemlich genau die Wärmemenge berechnen, welche durch die entweichenden Verbrennungsgase bei ihrem Austritt mitgenommen wurde.

Da nämlich das totale Volumen der verbrauchten Gasmischung 376606,7 Liter = 376,6 Kubikmeter betrug und die specifische Wärme der Gasmischung aus den Wärmecapacitäten der einzelne Verbrennungsproducte sich etwa zu 0,25 bestimmt, so erhält man, die Temperatur der entweichenden Gase nach der I. Tabelle zu 186° angenommen, die Wärmemenge welche nach der Verbrennung der Gasmischung mit den Verbrennungsproducten abzieht:

0,25 . 376,6 . 186 = 17511,9 Calorien.

Um endlich die der mechanischen Arbeit entsprechende Wärmemenge zu bestimmen, genügt es, sich zu erinnern, daß die am Bremshebel bestimmte Nutzwirkung per Secunde, also der Nutzeffect 155,33 Kil.-Met. beträgt, und daß diese Arbeit 5 Stunden oder 5 . 3600 Secunden lang verrichtet worden ist. Man erhält dann, das mechanische Wärmeäquivalent per Calorie (Wärmeeinheit) zu 425 Kil.-Met. angenommen, die der während der ganzen Dauer der Versuche geleisteten Arbeit entsprechende Wärmemenge durch den Ausdruck:

(155,33 . 5. 3600)/425 = 6583 Calorien.

|22|

Im Ganzen wurden 26631 Liter Gas consumirt, und da jedem Liter nach den Untersuchungen von Fabre und Silbermann ungefähr eine Wärmemenge von 6 Calorien entspricht, so beträgt die bei der Verbrennung obigen Gases freigewordene totale Wärmemenge:

26631 . 6 = 159786 Calorien.

Das Verhältniß der durch die Maschine nutzbar gemachten Wärmemenge zur totalen Wärmemenge des ganzen Gasverbrauches ist demnach.

6583/159786 = 0,041

wornach also, wie man sieht, die erstere nur circa 4 Procent der letzteren beträgt.

Aus den vorigen Berechnungen über die Wärmeverluste hat sich ergeben:

Calorien.
Die vom Injectionswasser absorbirte Wärme zu 37839
„ „ Kühlwasser „ „ „ 32150
„ von den austretenden Verbrennungsgasen mitgenommene Wärme zu 17511
„ in mechanische Arbeit umgesetzte Wärme zu 6583
–––––
Im Ganzen 94074

Da nach Obigem die totale Wärme welche während der Versuche durch die Gasmischung entwickelt wurde, 159786 Calorien beträgt, so repräsentirt die Differenz 159786 – 94074 = 65713 Calorien die Wärmemenge, welche durch Ausstrahlung und Abkühlung durch die Maschinentheile oder das Circulationswasser verloren gieng.

Die Einführung des Injectionswassers in den Betriebscylinder hat namentlich zur Folge, daß die Verbrennungsgase mit der niederen Temperatur von nur 186° C. entweichen, während bei der Maschine von Lenoir die mittlere Temperatur der entweichenden Gase 250° beträgt und selbst bis auf 280° steigt12), eine Temperatur, welche auf die gute Erhaltung der Maschine schon einen sehr nachtheiligen Einfluß ausübt. Da die detonirende Gasmischung in beiden Maschinen dieselbe ist, so kann die verminderte Temperatur der entweichenden Verbrennungsgase bei der Hugon'schen Maschine als offenbarer Beweis gelten, daß das Einspritzen des Wassers in den Betriebscylinder sehr günstig auf die gute Erhaltung der Maschine einwirkt.

|23|

Berechnen wir auch noch die Wärmemenge, welche auf den Gasverbrauch per Stunde und Pferdekraft bei der Hugon'schen Maschine kommt, so erhalten wir nach obigen Angaben hierfür:

2,6066 . 6000 = 15639,6 oder circa 15640 Calorien.

Dieses Resultat stimmt so ziemlich mit demjenigen überein, welches aus einer ähnlichen Rechnung für die Dampfmaschine erhalten wird. Diese braucht nämlich selbst im günstigen Falle noch immer per Stunde und Pferdekraft 2 Kil. Steinkohlen. Rechnen wir daher das Kilogramm Steinkohlen durchschnittlich zu 7500 Calorien, so entspricht der angegebene Steinkohlenverbrauch per Stunde und Pferdekraft einer Wärmemenge von:

2 . 7500 = 15000 Calorien.

Die Anwendung des Gases ist nun freilich gegen diejenige der Steinkohlen leichter und einfacher auszuführen; allein dabei darf man nicht vergessen, daß die letztere viel ökonomischer als die erstere ist. Denn rechnen wir für das Kilogramm Steinkohlen selbst den hohen Preis von 5 Centimes und für den Kubikmeter Leuchtgas im Gegentheil den niedrigen Preis von nur 30 Centimes, so kosten die 2 Kil. Steinkohlen für die Dampfmaschine per Stunde und Pferdekraft doch nur 10 Centimes, während die 2,6 Kubikmeter Leuchtgas, welche die Gasmaschine per Stunde und Pferdekraft consumirt, nicht weniger als 78,18 Centimes, also über 7mal mehr kosten.

Vom ökonomischen Standpunkt aus kann also die Gasmaschine keineswegs mit der Dampfmaschine concurriren. Dessenungeachtet können aber, wie wir am Schlusse des vorausgehenden Artikels näher auseinandergesetzt haben, in der Praxis und ganz besonders in den Kleingewerben doch viele Fälle eintreten, wo die Dampfmaschine nicht anwendbar ist und die Gasmaschine sehr gute Dienste zu leisten vermag.

Fassen wir schließlich die Resultate, welche sich aus den Versuchen von Tresca mit der Hugon'schen Gasmaschine ergeben haben, kurz zusammen, so lauten dieselben dahin:

1) daß die Maschine während der Versuchszeit von fünf Stunden ganz regelmäßig arbeitete und die Entzündung ebenso regelmäßig, ohne irgend eine Unterbrechung, vor sich gieng;

2) daß dieselbe bei einer mittleren Geschwindigkeit von 53,01 Umdrehungen per Minute einen effectiven Nutzeffect von 2,07 Pferdekräften leistete;

3) daß sie im Ganzen, d.h. sowohl für den Betriebscylinder als für |24| die Entzündungsbrenner, 2606,6 Liter Leuchtgas per Stunde und Pferdekraft consumirte, wovon 2445,41 Liter auf den Cylinder und 264 Liter auf die Brenner kommen;

4) daß die Gasmischung im Verhältniß von 1 Raumtheil Leuchtgas auf 13,5 Raumtheile atmosphärische Luft und unter dem mittleren Druck von 3,78 Atmosphären in der unteren und von 4,29 Atmosphären in der oberen Cylinderkammer angewendet wurde;

5) daß zur Abkühlung des Betriebscylinders im Ganzen, also während der ganzen Versuchszeit von fünf Stunden, 1285 Liter Wasser und als Injectionswasser zur theilweisen Verdampfung und zur Abkühlung der Verbrennungsgase überdieß 58,2 Liter verbraucht wurden;

6) daß die Verbrennungsgase mit der verhältnißmäßig sehr niedrigen Temperatur von 182° die Maschine verließen;

7) daß die Hugon'sche Gasmaschine die Wärme ungefähr im halben Verhältniß nutzbar macht wie die Dampfmaschine, daß aber bei den jetzigen Preisen des Leuchtgases und der Steinkohlen die Kosten für die Unterhaltung oder Speisung der Gasmaschine noch über 7mal höher zu stehen kommen als diejenigen der Dampfmaschinen, und

8) daß die Gasmaschine gleichwohl in vielen Fällen wo die Dampfmaschine nicht anwendbar ist, mit Nutzen verwendet werden könne.

|19|

Siehe polytechn. Journal Bd. CLXXVIII S. 169 und S. 418, Bd. CLXXIX S. 249 und 329, und a. a. O.

|20|

Siehe polytechn. Journal Bd. CLXIII S. 165.

|22|

Siehe polytechn. Journal Bd. CLXIII S. 165.

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