Titel: Linde, über Luft-Dampfmaschinen.
Autor: Linde, C.
Fundstelle: 1870, Band 196, Nr. LXXVII. (S. 274–288)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj196/ar196077

LXXVII. Ueber Luft-Dampfmaschinen; von Professor C. Linde.

Aus dem bayerischen Industrie- und Gewerbeblatt, 1870 S. 22 und 92.

Unter dem Namen „Luft-Dampfmaschinen“ macht gegenwärtig ein bereits in vielen constructiven Modificationen zum Vorschlag und zur Ausführung gebrachtes System von Wärmekraftmaschinen viel von sich reden. Eine der neuesten dieser Constructionen, die Warsop'sche Maschine hat in den meisten technischen Blättern Aufnahme gefunden; es sind an die Beschreibung derselben in den englischen Journalen und in deutschen Reproductionen eine wahre Fluth von Meinungen, Hoffnungen, Mittheilungen von Versuchsresultaten und Berechnungen geknüpft, aus welchen der Leser ein deutliches und richtiges Bild von dem Werth der Maschine unmöglich gewinnen kann, weil ein großer Theil derselben auf Irrthümern und auf Unkenntniß der bezüglichen physikalischen Gesetze beruht.

Zur Umwandlung von Wärme in Arbeit die atmosphärische Luft als motorischen Körper zu benutzen, ist bekanntlich in unzähligen „Heißluftmaschinen“ unternommen worden. Die hohen Temperaturen, mit welchen man es in diesen Maschinen zu thun hat, haben einen durchschlagenden Erfolg dieser Bestrebungen vereitelt. Nachdem nun der Erfindungstrieb an der vortheilhaften Verwendung der atmosphärischen Luft, als einzeln wirkenden Motors, zu verzweifeln angefangen, von der Luft aber absolut nicht ablassen zu wollen scheint, so wird jetzt der Versuch gemacht, dieselbe mit Dampf zu mischen und beide mit gleicher Temperatur |275| auf den Arbeitskolben wirken zu lassen. Warsop comprimirt die Luft in einer Pumpe, leitet die gepreßte Luft in einer Röhre durch Räume, in welche aus der Maschine der Dampf und aus dem Heizraum die Feuergase abziehen, und läßt sie aus vielen kleinen Oeffnungen durch das Kesselwasser hindurch in den Dampfraum treten, dessen Temperatur sie sich natürlich aneignet und mit welchem sie dann gemeinsam in der Maschine arbeitet.

Wenn von einer solchen Kombination eine bessere Ausnutzung der Wärme erwartet wird, so baut sich diese Erwartung auf einem Irrthum auf, welcher schon unendlich viele nutzlose Anstrengungen hervorgerufen hat und heute noch, wie aus dem vorliegenden Falle sich ergibt, in dem Kopfe und Munde hochangesehener Techniker gefunden wird, indem sie behaupten, die Luft sey ein „wirksameres Agens,“ ein „besserer Träger der Wärme,“ ein vollkommeneres „Bewegungsfluidum,“ als der Dampf. „Wir wollen die Kosten bestimmen, welche zur Erzeugung einer gegebenen Dampfmenge bei einer gegebenen Spannung aufzuwenden sind,“ so läßt sich Eaton bei Gelegenheit eines Vortrages über die Warsop'sche Maschine in der British Association vernehmen,58) führt diese Rechnung durch, findet die Dampferzeugungskosten nahezu zwölfmal größer und sagt dann: „Die beiden Volumina sind aber fähig in einem Cylinder mit beweglichem Kolben dieselbe Arbeit zu verrichten, indem sie in gleicher Weise expandiren, so daß die Verwendung von Luft einen theoretischen Gewinn wie 12 : 1 gegenüber der Benutzung des Dampfes (von gleicher Temperatur) aufweise.“

Solche Argumentationen sind es, welche an das Projectiren und Probiren von Luftmaschinen gebannt halten und fortwährend zu neuen Verwirrungen und Verirrungen führen. Es dürfte kaum ein zweiter Fall nachgewiesen werden können, in welchem mit so geringer Ausnahme die Techniker gegen die Resultate der wissenschaftlichen Forschung in einer so überaus wichtigen Frage abgewendet bleiben. Es muß die Erklärung. für diese Thatsache wohl darin gesucht werden, daß die mechanische Wärmelehre, welcher wir jene Resultate verdanken, bisher beinahe nur in größeren theoretischen Werken, rein wissenschaftlichen Zeitschriften und auf einigen Kathedern den ihr gebührenden Raum gefunden hat, während die technischen Journale noch kaum den Versuch gemacht haben, sie in ihre Spalten einzuführen. Es dürfte aber gerade die Aufgabe derjenigen Journale seyn, welche die Beförderung der Industrie zum Ziele haben, |276| die Vermittlerrolle zwischen der forschenden Wissenschaft und der ausübenden Technik auch hier zu übernehmen und dieser zu Gute kommen zu lassen, was jene producirt.

Den calorischen Maschinen lag ein vollkommen richtiger Gedanke zu Grunde, der aber nichts zu thun hat mit der landläufigen und durch solche Calculationen, wie wir sie oben vernommen, unterstützten Annahme, die Luft sey ein „wirksameres Agens“ als ihr mächtiger Concurrent, der Wasserdampf. Wenden wir uns zuerst gegen diese Annahme. Lassen wir Luft innerhalb derselben Temperaturgrenzen arbeiten wie Dampf, so ist die Arbeitsmenge, welche aus dem Processe gewonnen werden kann, bei beiden Motoren gleich groß, denn die aus der Umwandlung von Wärme in Arbeit zu erzielende Arbeitsmenge ist unabhängig von dem Körper, an welchen jene gebunden wird und ist nur abhängig von den Temperaturgrenzen.59) Dieser Satz ist der Ausdruck für eine jener wichtigen von der Wärmelehre aufgedeckten Thatsachen, deren Kenntniß – so wesentlich sie die Beurtheilung der Wärmekraftmaschinen erleichtert, und die Anhaltspunkte für die richtige Construction solcher Maschinen bietet – sich nur langsam und schwer Eingang beim technischen Publicum zu verschaffen vermag. Es stehen ihr da entgegen die Schlüsse, welche aus der oberflächlichen Betrachtung der Vorgänge bei den beiden Hauptgattungen von Wärmemotoren gezogen werden. Die Erzeugung von Wasserdampf erfordere zur Veränderung des Aggregatzustandes eine große Menge von Wärme, welche nicht wieder gewonnen werde, da der abziehende Dampf sie mit sich fortnehme. Diese Wärmemenge müsse hingegen bei Anwendung der Luft nicht aufgewendet werden. Das ist die gewöhnliche Einwendung. Es ist wahr, daß der abziehende Dampf eine große „latente“ Wärmemenge mit aus der Maschine nimmt, aber damit ist noch nicht bewiesen, daß in den calorischen Maschinen der Luft ein größerer Theil der derselben zugeführten Wärmemenge als Arbeit entzogen werden könne, daß nicht ein ebenso großer Theil als Wärme |277| wieder herausgezogen werden müsse, wie in der Dampfmaschine. Schon die oberflächliche Beobachtung der calorischen Maschinen zeigt, daß eine sehr beträchtliche Wärmemenge in der den Umwandlungsproceß verlassenden Luft enthalten ist, während die bei der Volumveränderung verzehrte latente Wärme allerdings weniger in die Augen fällt. Die Sache ist so wichtig, eine allgemein verständliche Aufklärung über diesen Punkt so wünschenswerth daß wir den Versuch machen wollen eine solche zu geben, soweit es in der gebotenen Kürze und ohne mathematischen Nachweis möglich ist. Wir wollen zu dem Zwecke die Wirkungen jener Zustandsänderungen betrachten, welche einerseits mit Wasserdampf in den Dampfmaschinen, andererseits mit Luft in den calorischen Maschinen vorgenommen werden, und wollen insbesondere prüfen: wie groß der Theil der zugeführten Wärme bei beiden Motoren sey, welcher in Nutzarbeit umgewandelt werden könne.

Der Vorgang bei der Anwendung des Dampfes ist bekannt. Zur Erzeugung von Dampf haben wir dreierlei Wärmeaufwand:

1) Es muß das Wasser von der Anfangstemperatur t₀ auf die Dampftemperatur t₂ erwärmt werden. Hierzu ist pro Kil. eine Wärmemenge („Flüssigkeitswärme“) q erforderlich, welche für jeden Grad der 100theiligen Scala ungefähr eine Wärmeeinheit, also (t₂–t₀) Calor. beträgt. (Wärmeeinheit nennen wir ja gerade das Wärmequantum welches nöthig ist, um 1 Kil. Wasser von 0° auf 1° C. zu erwärmen. Bei höheren Temperaturen ist die Flüssigkeitswärme etwas größer.)

2) Es muß die Anziehungskraft der kleinsten Theile auf einander überwunden werden, es muß die Flüssigkeit in Gasform gebracht werden. Hierzu ist eine sehr beträchtliche („innere latente“) Wärmemenge erforderlich, welche innerhalb der Grenzen, mit welchen wir es zu thun haben, im Mittel 450 Calorien beträgt und bei hohen Temperaturen geringer ist, wie bei niedrigen.

3) Jeder Temperatur t₂ des sich entwickelnden Dampfes entspricht eine ganz bestimmte Spannung P₂ und ein ganz bestimmtes Volumen v₂. Indem das Wasser sich unter diesem Druck zu diesem Volumen ausdehnt, wird eine gewisse Arbeit und zu deren Verrichtung eine gewisse („äußere latente“) Wärmemenge aufgewendet. Davon wird bei Maschinen ohne Condensation ein Theil zur Ueberwindung des Gegendruckes der Atmosphäre verbraucht und zwar, da pro Quadratmeter der atmosphärische Druck 10334 Kil. beträgt und da jeder Wärmeeinheit eine Arbeit von 424 Met. Kil. entspricht, ein Theil: 10334/424 (v₂ – v₀), oder = 24,373 (v₂ – v₀) wenn v₀ das ursprüngliche (Wasser-) Volumen (in Kubikmetern |278| bezeichnet. Der Rest p₂/424 (v₂ – v₀) – 24,373 (v₂ – v₀) wird als Nutzarbeit an den Kolben abgegeben.

Von der Summe dieser drei Wärmemengen, von der „Gesammtwärme“ Q wird nun folgender Theil Q₁ thatsächlich in der Maschine in mechanische Arbeit umgewandelt. Expandirt der Dampf vom Volumen v₂ auf v₁, und von der Temperatur t₂ auf t₁, mit welcher er die Maschine verläßt, so wird ad 1) ein Theil t₂ – t₁ der vorhin angewendeten Flüssigkeitswärme in (Expansions-) Arbeit verwandelt, wovon wieder ein Theil, nämlich 24,373 (v₁ – v₂) zur Ueberwindung des atmosphärischen Druckes verbraucht wird, so daß: (t₂ – t₁) – 24,373 (v₁ – v₂) oder genauer (q₂ – q₁) – 24,373 (v₁ – v₂) für die Nutzarbeit verbleibt.

Da der Dampf im gasförmigen Zustande die Maschine verläßt, so wird ad 2) die „innere latente“ Wärme ganz von ihm als Wärme mit fortgenommen.

Endlich ad 3) haben wir bereits gesehen, daß von der „äußeren latenten“ Wärme der Theil p₂/424 (v₂ – v₀) – 24,373 (v₂ – v₀) dem in der Maschine beabsichtigten Zwecke zugeführt wird.

Der Theil Q findet sich also:

Ql = (q₂ – q₁) + p₂/424 (v₂ – v₀) – 24,373 (v₁ – v₀)

oder da v₀ gegen v₁ und v₂ sehr klein ist:

Q₁ = q₂ – q₁ + 1/424 pv₂ – 24,373 v₁.

Nehmen wir die einer Maschine ohne Kondensation entsprechenden Verhältnisse an, so daß wir die Expansion nur bis zu t₁ – 100° C. führen können, so ergeben sich für verschiedene Kesseltemperaturen t₂ und bei einer Speisewassertemperatur t₀ = 0° C. die in Tab. I zusammengestellten Werthe:

Tabelle I.

Textabbildung Bd. 196, S. 278
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Also, um das in Dampf verwandelte Wasser arbeiten zu lassen, sind wir genöthigt eine Zustandsänderung mit demselben vorzunehmen, welche die ganze „innere latente Wärme“ und einen beträchtlichen Theil der „äußeren latenten Wärme“ (nämlich pro Kubikmeter Volumvergrößerung 34,373 Cal.) für sich in Anspruch nimmt, ganz abgesehen von der in Nutzarbeit umgewandelten Wärmemenge. Außerdem bleibt ein Theil der Flüssigkeitswärme an den Dampf gebunden, weil wir mit der Expansion nicht bis zur ursprünglichen Temperatur heruntergehen konnten.

Wie verhält es sich nun bei Anwendung der atmosphärischen Luft?

Um die Luft durch Wärme zu spannen, haben wir ihr pro Kubikmeter und Temperaturgrad eine gewisse Wärmemenge c = 0,21786 Cal zuzuführen.

Denken wir uns in einem Cylinder einen Kubikmeter Luft eingeschlossen, und führen wir derselben bei constantem Volumen Wärme zu, so wird neben einer Zunahme der Temperatur von t₀ auf t₂ der Druck p₀ auf P₂ anwachsen.60) Lassen wir die so gespannte Luft arbeitverrichtend expandiren, bis ihr Druck auf p₁ zurückgegangen ist, so wird hierbei das Volumen von v₀ = Kub.-Met. auf v₁ Kub.-Met. wachsen,61) und die Temperatur von t₂ auf t₁ sinken.62)

Hierbei wird ein Theil (t₂ – t₁) c der vorhin zugeführten Wärme Q = (t₂ – t₀) c in Arbeit verwandelt, und zwar dienen wie beim Dampf 24,373 Cal. pro Kubikmeter Volumvergrößerung, also: 24,373 (v₁ – v₀) Cal. zur Ueberwindung der von dem Arbeitskolben zurückgedrängten Atmosphäre, so daß für die Nutzarbeit verbleibt das Aequivalent der Wärmemenge Q₁ = c (t₂ – t₁) – 24,373 (v₁ – v₀). Die zur Ueberwindung der Atmosphäre, also zur Zustandsänderung der Luft erforderliche, der Nutzarbeit aber nicht zu Gute kommende Wärmemenge können wir auch als „latente“ Wärme bezeichnen und ansehen. Hatte die Luft wieder eine Anfangstemperatur t₀ = 0° C. und wird die Expansion bis zum Drucke p₁ = p₀ = 1 Atm. geführt, so ergeben sich für verschiedene Temperaturen t₂ die in Tab. II. zusammengestellten Werthe:

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Tabelle II.

Luft ohne Compression.

Textabbildung Bd. 196, S. 280

Wir ersehen hieraus zunächst: wie bei der Dampfmaschine neben der latenten Wärme ein Theil der Flüssigkeitswärme unverwandelt zurückbleibt, so bleibt hier an die Luft neben der latenten Wärme von 24,373 (v₂ – 1) Calor. ein Theil der thermometrisch nachweisbaren „Luftwärme,“ (wenn ich mich so ausdrücken darf) zurück, welcher noch beträchtlicher ist, wie dort. Denn bei der Expansion von t₂ = 180º bis zum atmosphärischen Druck erreicht der Dampf die Temperatur t₁ = 100º, die Luft t₁ – 117,35º. Wir sehen auch, daß die Dampfmaschine in diesem Falle 13,3 Proc., die Luftmaschine nur 7,6 Proc. der zugeführten Wärme in Arbeit verwandelt, und daß wir die Luft auf 400º erwärmen müßten, um den gleichen Effect zu erzielen. Wir befolgen nun aber zweierlei Mittel, um die Endtemperatur t₁ herabzumindern. Das erste dieser beiden – in den calorischen Maschinen thatsächlich angewendeten – Mittel ist die Compression vor oder bei der Erwärmung. Durch die Reduction des Luftvolums ermöglichen wir die Expansion bis zu einer Temperatur zu führen, welche zwar niemals unter die ursprüngliche sinken kann, derselben sich jedoch beträchtlich mehr nähert, als bei der Maschine ohne vorhergehende Compression. Tabelle III zeigt, wie sich unter sonst gleichen Verhältnissen die Resultate denen der Tabelle II gegenüber verändern.

Es werde zunächst 1 Kub.-Met. Luft durch Compression auf 2 Atm. gespannt. Dabei steigt die Temperatur von t₀ = 0º auf t¹ = 61º,63) das Volumen wird auf v¹ = 0,61162 reducirt.64) Die hierzu nöthige Arbeit wird natürlich in Wärme umgewandelt und läßt sich ausdrücken durch: 424 q Cal., wenn Q die Wärmemenge ist, welche zugeführt werden mühte, um die gleiche Temperaturerhöhung zu bewirken. Von dieser Compressionsarbeit ist aber ein Theil durch die Atmosphäre übernommen |281| worden, indem sich dieselbe bei der Reduction unseres Luftvolums unter dem Druck von 10334 Kil. pro Quadratmet, ausdehnen konnte. Sie hat also, in Wärme ausgedrückt, dazu beigetragen: 24,373 Cal. (1 – v¹). Setzen wir voraus, daß wir diese Leistung der Luft nachher anrechnen werden, wenn wir sie unter gleichem Druck bei der Expansion zurückdrängen müssen, so ist: q = c (t¹ – t₀).

Nun führen wir eine Wärmemenge Q zu, welche die Temperatur auf t₂ bringt, so daß der Druck auf p₂ wächst. Lassen wir dann bis auf atmosphärischen Druck expandiren, so sinkt die Temperatur auf t₁ und das Volumen wächst auf v₁. Hierbei geht eine Wärmemenge c (t₂ – t₁) in Arbeit über, zum Theil in Nutzarbeit, zum Theil zur Ueberwindung des atmosphärischen Druckes. Der letztere Theil ist mit Einrechnung der vorhin besprochenen Leistung: 24,373 (v₁ – v₀).

Ziehen wir von c (t₂ – t₁) das Aequivalent der Compressionsarbeit c (t₁ – t₀) und die latente Wärme 24,373 (v₁ – v₀) ab, so erhalten wir den in Nutzarbeit verwandelten Theil Q₁ von Q, welcher beträgt:

Q₁ = c (t₂ – t¹ – t₁) – 24,373 (v₁ – 1).

Tabelle III.

Luft mit Compression.

Textabbildung Bd. 196, S. 281

Die Tabelle zeigt thatsächlich eine energische Wirkung der Compression auf die Endtemperatur der Expansion und in Folge davon auf das Verhältniß Q₁/Q Immerhin aber bleibt t, besonders bei hohen Temperaturen t₂ beträchtlich über t₀ stehen.

Das zweite Mittel, dessen man sich bedienen kann, um diejenige Wärmemenge wenigstens theilweise in Arbeit zu verwandeln, welche dem |282| Motor nach der Expansion bis zum atmosphärischen Drucke noch innewohnt, ist die directe Abkühlung, wie wir sie in den Condensations-Dampfmaschinen und in den „geschlossenen“ calorischen Maschinen angewendet finden. Hier substituirt sich der abgekühlte Motor vor dem Kolben der Atmosphäre. Wir vermögen die Expansion bis zur Kühltemperatur zu führen und den Gegendruck vor dem Kolben zu reduciren. Setzen wir constante Kühltemperatur voraus, so wird bei Dampf diese Reduction auf einen constanten (Condensator) Druck, bei Luft aber auf einen mit dem Volumen veränderlichen Druck stattfinden. Nehmen wir fernerhin an, wir seyen im Stande als Kühltemperatur, also auch als Expansionsgrenze, die Anfangstemperatur herzustellen, so wird beim Zurückgang des Kolbens selbstverständlich gerade in dem Momente die ursprüngliche Spannung wieder eintreten, in welchem die Luft auf ihr ursprüngliches Volumen zurückgedrängt ist, da ja durch Temperatur und Dichtigkeit die Spannung eines Gases bestimmt ist. Wollen wir diese Verhältnisse wieder durch Zahlen veranschaulichen, so haben wir in Bezug auf den Dampf in unsere Gleichung65) zur Bestimmung der in Nutzbarkeit verwandelten Wärme (S. 278): Q₁ = q₂ – q₁ + pv₂/424 – pv₁/424 die der Condensatortemperatur entsprechenden Werthe von q₁, p₁ und v₁ einzusetzen. Bezüglich der Luft haben wir einerseits das Aequivalent der Expansionsarbeit c (t₂ – t₁) ebenfalls auf die Kühltemperatur t₁ zu beziehen und andererseits wird der Ausdruck für die Gegendruckarbeit: 10334 (v₁ – v₀) übergehen in denjenigen für die Arbeit welche zur Volumverminderung der abgekühlten Luft erforderlich ist. Diese findet sich nach dem Mariotte-Gay-Lussac'schen Gesetze: pvlog nat v₁/v₀ Somit wird der Theil der zugeführten Wärme, welcher in unserer geschlossenen calorischen Maschine in Arbeit verwandelt wird, sich finden: Q₁ = c (t₂ – t₁) – pv₀/424 und wenn vor der Wärmezuführung die Luft auf die Temperatur t¹ comprimirt wird:

Q₁ = c (t₂ – t¹) – pv₀/424 log nat v₁/v

Nehmen wir beispielsweise an, wir seyen im Stande im Kühlraume sowohl einer Dampfmaschine, als auch einer geschlossenen calorischen Maschine durch Kühlwasser eine Temperatur von 46° C. herzustellen, |283| setzen wir also t₀ – t₁ – 46° C. und wieder v₀ = 1 Kubikmeter und bei Luft p₀ = 1 Atm. so wird für Dampf, da 46° C. einer Condensatorspannung von 1/10 Atm. entsprechen:

Q₁ = q₂ – q₁ + pv₂/424 – 2,4373 v

und für Luft:

Q₁ = c (t₂ – t¹) – 24,273 log nat v

In der letzteren Gleichung ist c (t₂ – t¹) der Ausdruck für die zugeführte Wärme (wobei für Maschinen ohne Anfangscompression t¹ = t₁ ist), 24,373 log nat v₁ aber ist die Wärmemenge welche der Luft beim Rückgang des Kolbens direct durch Abkühlung zu entziehen ist, da selbstverständlich, um die Temperatur constant zu erhalten, gerade das Aequivalent der aufgewendeten Compressionsarbeit weggeführt werden muß. Es bietet somit das Verhältniß dieser beiden Größen, wie es in der nachstehenden Tabelle zusammengestellt ist, unmittelbar eine Anschauung über das Maaß, in welchem in unserer Maschine die zugeführte Wärme theilweise in Arbeit verwandelt wird, theilweise aber als Wärme abziehen muß.

Tabelle IV.

Textabbildung Bd. 196, S. 283

Die letzte Columne dieser Tabelle, wie auch der Tabellen I, II und III, stellt das jenige Verhältniß der in Nutzarbeit verwandelten zur gesammten zugeführten Wärme dar, welches nach der (von Zeuner zuerst ausgesprochenen) Anschauung, von welcher wir ausgegangen sind, als das überhaupt zu erreichende Maximum zu betrachten ist. Daß unser Werth Q₁/Q, welcher das gleiche (effective) Verhältniß für die unserer Betrachtung zu Grunde gelegten Maschinen darstellt, jenes Verhältniß (T₂ – T₁)/T₂ nirgends erreicht hat, rührt daher, weil die in diesen Maschinen vor sich gehenden Processe nicht die günstigsten sind. Es dürfte am Platze |284| seyn, hier nebenbei die Antwort66) auf die Frage mitzutheilen, bei welcher Art von Ausnutzungsproceß die ganze disponible Arbeit gewonnen werden könnte, welcher Proceß als der vollkommene zu betrachten sey. Es ist als solcher derjenige Proceß gefunden worden, welcher sich aus folgenden vier Theilen zusammensetzt:

1) Kompression von der Temperatur T₁ bis zur Temperatur T₂ ohne Wärme-Zuführung oder Entziehung.

2) Volumvergrößerung unter Zuführung der Wärmemenge Q bei constanter Temperatur T₂.

3) Expansion ohne Wärme-Zuführung oder Entziehung von der Temperatur T₂ bis zur Temperatur T₁.

4) Volumverminderung unter Entziehung der Wärmemenge Q bei constanter Temperatur T₁ bis zum ursprünglichen Volumen.

Würde in einer Wärmekraftmaschine genau in dieser Art der Proceß vorgenommen, so wäre der calorische Wirkungsgrad (also der Wirkungsgrad ohne Berücksichtigung der äußeren Widerstände) = 1, die geleistete Arbeit also = 424 Q (T₂ – T₁)/T

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Das Vorstehende mag zur Erklärung der Thatsache genügen, daß Luft, welche innerhalb derselben Temperaturgrenzen arbeitet wie Dampf, keineswegs eine bessere Verwerthung der Wärme zu erzielen gestattet. Wir ersehen aus den Tabellen sehr wohl, wo die Wärme hinkommt die nicht in Arbeit verwandelt wird. Ein großer Theil (die der Temperatur t₁ entsprechende Wärme) bleibt in den offenen Maschinen als Luftwärme an die Luft gebunden, ein anderer Theil 24,373 (v₁ – v₀) ist latent, d.h. ist zur Ueberwindung des Gegendruckes, also zu einer Arbeitsleistung verwendet worden, die der Maschine nicht zu Gute kommt. Bei den geschlossenen Maschinen aber sehen wir unmittelbar jenen Theil Q₂ als Wärme in das Kühlwasser übergehen. Wir ersehen ferner, daß der nicht in Arbeit verwandelte Theil der zugeführten Wärme nicht geringer ist als der unverwandelte Theil der Wärme in der Dampfmaschine, und daß es ein Vorurtheil und ein Irrthum ist, anzunehmen, die latente Wärme des Dampfes verursache einen ganz besonderen, nur dem Dampfe eigenthümlichen Verlust bei der Umwandlung von Wärme in Arbeit, und die Luft sey deßhalb „ein wirksameres Agens“ als der Dampf.

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Also nur in sofern als man in den Heißluftmaschinen höhere Temperaturen angewendet hat, als es bei Benutzung des gesättigten Dampfes mit Rücksicht auf die zu bedeutende Druckzunahme desselben möglich ist, nur in sofern durfte man von den Heißluftmaschinen eine vollkommenere Ausnutzung der Wärme erwarten, als bei den Dampfmaschinen. Nun läßt sich aber auch dasselbe erreichen, wenn man den Dampf getrennt vom Wasser erwärmt, d.h. denselben überhitzt und es hat dann der Wasserdampf zwei wesentliche Vorzüge vor der atmosphärischen Luft, einmal: daß man im Dampfkessel ein Kraftmagazin besitzt, was für die Gangverhältnisse und Regulirung der Kraftmaschinen von größter Wichtigkeit und in vielen Fällen unentbehrlich ist, und zweitens: daß der Dampf sich sehr leicht abkühlen läßt, nämlich momentan durch bloßen Contact mit Wasser.

Es würde also die Anwendung des überhitzten Dampfes die beiden Vorzüge vereinigen: 1) ohne übermäßige Spannung eine hohe Temperatur t₂ zu ermöglichen, 2) durch Kondensation eine niedrige Expansionstemperatur t₁ zu erreichen.

Der einzige Grund, welcher schließlich in denjenigen Fällen wo ein Kraftmagazin entbehrlich ist, für die Anwendung der atmosphärischen Luft als calorischen Motors geltend gemacht werden könnte, ist die Sicherheit gegen Explosionsgefahr und die Unabhängigkeit von der zum Anheizen des Dampfkessels erforderlichen Zeit. Und selbst diesen Bedingungen vermöchte der Wasserdampf zu genügen, wenn man ihn unter atmosphärischer Spannung erzeugte und in einem vom Kessel isolirten Raume überhitzte. Dieser Ueberhitzung würde der Wasserdampf keine größeren Schwierigkeiten entgegensetzen, als die atmosphärische Luft. Die Conservirung der Gefäßwände sowohl, wie die Schmierung der Kolben und Schieber bereiten in beiden Fällen bei hohen Temperaturen gleiche Verlegenheiten.

Wenn somit selbst für sehr hohe Temperaturen der atmosphärischen Luft kaum ein Vorzug vor dem Wasserdampf eingeräumt werden kann, so ist es sicherlich als eine Verirrung zu bezeichnen, wenn bei den „Luft-Dampfmaschinen“ in einen Dampfkessel Luft comprimirt werden will, welche gemeinschaftlich mit dem Dampf arbeiten soll. Da in diesem Falle Dampf und Luft bei gleicher Temperatur arbeiten, so kann von einer Verbesserung des Ausnutzungsprocesses doch wahrlich keine Rede seyn. Außerdem ist weder die Explosionsgefahr, noch die zum Anheizen erforderliche Zeit reducirt, im Gegentheile wird die erstere sehr bedeutend gesteigert. Es sieht allerdings so aus, als hätten diejenigen, welche die Warsop'sche Maschine gebaut, geprüft, beschrieben und gepriesen haben, |286| keine Vorstellung von dem wahren Zustande gehabt, in welchem beide Motoren in dem Kessel sich befinden und durch den Arbeitscylinder hindurchgehen. So wird z.B. von Eaton in seinem Vortrage in der British Association (a. a. O.) der kräftige Einfluß der in den Kessel eingepumpten Luft auf die Verdampfung folgendermaßen dargelegt: „Ein Versuch, welcher wiederholt angestellt worden sey, habe diese Ansicht durchaus bestätigt. Man lasse nämlich die Maschine unter Dampf laufen, so wird das Manometer bei fast auslöschendem Feuer stark sinken. Wenn man nun aber die Luftpumpe in Betrieb setzt, so wird das Manometer wieder im Verlaufe einiger Minuten steigen und damit eine beträchtliche Zeit fortfahren, während die Maschine ihre Arbeit wie vorher verrichtet, nachdem sie einen Augenblick lang in Folge des durch Einrücken der Luftpumpe vergrößerten Widerstandes gestockt hat. Dieses Resultat zeigt unzweifelhaft, daß die Verdampfungsfähigkeit des Kessels durch die Zuführung der Luft alsbald vergrößert wurde, und diese Vergrößerung der Verdampfungsfähigkeit erfolgte ohne Wirkung des Feuers.“ Daß Luft und Dampf je eine der gemeinsamen Kesseltemperatur entsprechende, unter sich aber verschiedene Spannung annehmen, deren Summe durch das Manometer angezeigt wird und auf den Kolben wirkt, scheint man sich nicht klar gemacht zu haben.

Verfolgen wir kurz die Vorgänge in den Maschinen, wie sie bisher zu den Versuchen gedient haben. Im Dampfkessel wurde ein Manometerdruck von 3 bis 4 Atm. hergestellt. Eine mit der Dampfmaschine in Verbindung stehende Luftpumpe comprimirte die Luft auf diesen Druck. Dann wurde dieselbe durch einen Raum geleitet, in welchem sie zunächst vom abziehenden Dampf Wärme aufnehmen sollte, während sie doch durch die Compression ungefähr dieselbe Temperatur bekommen haben mußte, wie sie der Dampf vor dem Eintritt in den Dampfcylinder gehabt hatte! Weiterhin wurde sie durch die aus dem Feuerraume abziehenden Gase erwärmt, trat in den Wasserraum des Kessels, stieg durch das Wasser unter Wärmeabgabe in den Dampfraum und nahm die ihrer reducirten Temperatur und ihrem Volumen entsprechende Spannung an. Die Wassertemperatur aber war natürlich abhängig von der Summe der sie belastenden Spannungen einerseits des Dampfes, andererseits der comprimirten Luft. Da somit die Spannung des Dampfes eine geringere seyn mußte, als diejenige des gesättigten Dampfes von gleicher Temperatur, so befand sich der Dampf in überhitztem Zustande. Dabei war die Kesseltemperatur also dieselbe, welche in jedem Dampfkessel herrscht, welcher unter demselben Manometerdruck steht.

Den Resultaten der angestellten Versuche wird von den Berichterstattern |287| die Bedeutung eines Beweises für die Verbesserung der Dampfmaschinen durch Combination mit dem Warsop'schen Apparate beigelegt. Das günstigste unter den verzeichneten Resultaten ergab einen Steinkohlenverbrauch von 5,9 Pfd. pro Stunde und Pferdestärke, während die Maschine mit reinem Dampfe arbeitend unter sonst gleichen Verhältnissen 7,52 Pfd. consumirt habe.

Nun kann aber ein solcher Brennmaterialverbrauch an und für sich doch sicherlich nicht als ein Beweis für eine Verbesserung der Dampfmaschinen im Allgemeinen angesehen werden, da ja gut gebaute und betriebene Dampfmaschinen mit der Hälfte ausreichen.

Aus der relativen Verbesserung der Versuchsmaschine scheint uns aber nur hervorzugehen, daß dieselbe mit einem unvollkommenen Heizapparat versehen war. Die Berichterstatter schreiben die erlangten günstigen Resultate „vorzugsweise vier verschiedenen Ursachen zu: 1) daß die Luft als Träger der Wärme, dem abziehenden Dampf und den Verbrennungsgasen die Wärme entzieht; 2) daß sie die Circulation des Wassers im Kessel befördert; 3) daß sie bis zu einem gewissen Grade die Kondensation des Dampfes in dem Cylinder und in den Dampfwegen verhindert, und 4) daß sie aus den von Eaton angegebenen Gründen ein ökonomischeres Bewegungsfluidum bildet als der Wasserdampf.“

Es kann ad 1) und 2) sicherlich kein Zweifel darüber bestehen, daß der Wirkungsgrad einer Heizanlage dadurch erhöht wird, daß man den abziehenden Gasen Wärme entzieht und dieselbe dem Kessel zuführt. Ganz richtig sagt aber Colburn 67) bezüglich dieses Punktes: „Setzen wir den Fall, daß die angewendeten Maschinen für Dampf von 100 bis 120 Pfd. Druck per Quadratzoll berechnet seyen, so würde bei denselben unter Anwendung des Warsop'schen combinirten Systemes die durch die Compression der Luft erzeugte Wärme so groß seyn, daß die Temperatur der letzteren nicht bloß jene des abziehenden Dampfes, sondern auch jene der Verbrennungsgase in den Heizcanälen des Kessels übertreffen würde, so daß es unmöglich wäre die Luft als Uebertrager der Wärme benutzen zu können.“ Also nur eine schlechte Heizanlage, bei welcher die abziehenden Heizgase eine sehr hohe Temperatur haben, kann durch unseren Luftapparat verbessert werden.

Was sodann den Einfluß der Luft auf die Verhinderung der Condensation betrifft, so führt uns derselbe auf einen Punkt, den wir besprechen müssen. Bei den Versuchen ergab sich anfangs, als die Luft in einem Volumverhältniß von 43 Proc. dem Dampf zugesetzt worden war, ein vermehrter Brennmaterialaufwand gegenüber dem Betriebe mit |288| reinem Dampfe und erst als der Zusatz jenes „besseren Trägers der Wärme“ auf 10 Proc. reducirt worden war, erhielt man das oben angegebene Resultat. Also je weniger Luft, desto besser war die Wirkung! Die 10 Proc. Luft aber brachten aus dem Kamine so viel Wärme mit, daß sie die aus der Compressionsarbeit hervorgehenden Verluste überwogen. Aus dem Quantitätsverhältniß läßt sich nun auch das Spannungsverhältniß bestimmen. Das Quantitätsverhältniß 1/10 ergibt aber einen verhältnißmäßig sehr geringen Druck der Luft gegenüber dem Dampfdruck. Was wird die Folge seyn? Bei der Expansion wird die Temperatur der Luft rascher abnehmen, als die des Dampfes; es wird also gerade das Entgegengesetzte von dem oben für die Luft Vorgebrachten geschehen. Dagegen ist zu beachten, daß der Dampf in überhitztem Zustande sich befindet, so daß er eine Abkühlung verträgt, ohne sofort zu condensiren; es ist zu beachten, daß der ganze Warsop'sche Kessel ein Ueberhitzungsapparat ist, was den Berichterstattern, wie aus ihren Calculationen geschlossen werden muß, unbekannt geblieben ist.

Die Annahme ad 4) endlich, daß die Luft ein „ökonomischeres Bewegungsfluidum“ sey, als der Wasserdampf, gehört, wie wir gesehen haben, in das Reich der Fabel.

Eaton beabsichtigt mit einer Hochdruck-Dampfmaschine ersten Ranges, sowie mit einer Condensationsmaschine, weitere Versuche anzustellen. Solche Versuche sind an und für sich gewiß nur zu begrüßen, nur möchte man wünschen, daß die Experimentatoren mit etwas mehr Klarheit und richtiger Erkenntniß der dabei in Betracht kommenden Fragen ausgerüstet seyn möchten, als sie bisher in der Sache an den Tag gelegt worden sind.

Im Engineering vom 19. November 1869 befindet sich die Darstellung und Beschreibung einer „pneumatischen Locomotive“ von Fox, Walker und Comp., bei welcher ebenfalls comprimirte Luft in den Dampfkessel gepumpt werden soll. Es unterscheidet sich dieses Project von der Warsop'schen Maschine total dadurch, daß die Luft in die geschlossene Feuerkiste gepumpt wird, dort die Verbrennung flüssigen Brennmateriales (Kreosot und ähnliche kohlenwasserstoffhaltige Stoffe) bewirkt, so daß in den Dampfraum direct die Gesammtheit der Verbrennungsproducte tritt. Hier hat also das Einpumpen der Luft einen ganz anderen Sinn. Engineering spricht von Versuchen, welche mit einer derartigen Locomotive angestellt werden sollen. Es wäre die Ausführung dieses Projectes bekanntlich die Realisirung eines auch bei uns in Deutschland (besonders durch Dählen) schon vor längerer Zeit viel besprochenen und gehegten Gedankens.

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Engineering, August 1869, S. 122; polytechnisches Journal Bd. CXCIV S. 363 (erstes Decemberheft 1869).

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Ich habe bei Gelegenheit eines im Jahrgang 1869 des bayerischen Industrie- und Gewerbeblattes S. 365 veröffentlichten Vortrages die besonders durch Zeuner's vorzügliche Arbeiten nachgewiesene Thatsache auseinandergesetzt, daß die im günstigsten Falle zu erzielende Arbeitsmenge L sich aus der Beziehung ergebe: L Met.-Kil. = 424 Q (T₂ – T₁)/T₂ wenn Q in Calorien die dem Körper zugeführte Wärme, T₂ und T₁ resp. die höchste und die tiefste absolute Temperatur bezeichnen, welche während des Expansions-Processes eintreten. Die „absolute Temperatur,“ ein Begriff an welchen man sich auch bald wird gewöhnen müssen, ist die vom wahren absoluten Nullpunkte aus gezählte Temperatur. Der „absolute Nullpunkt“ aber, auf welchen man aus dem Verhalten der Gase bei den uns zugänglichen Temperaturen mit mathematischer Präcision zu schließen im Stande ist, liegt nach der Celsius'schen Scala bei minus 273º.

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Nach: p₂/p₀ = (273 + t₂)/(273 + t₀) = T₂/T₀ 1.)

|279|

Nach: v₁/v₀ = (p₂/p₂)0,7092 2.)

|279|

Nach: T₂/T₁ = (273 + t₁)/(273 + t₂) = (p₂/p₁)0,2908 3.)

|280|

Nach Formel 3.)

|280|

Nach Formel 2.)

|282|

In welcher Gleichung hier der Einfluß des Wassergehaltes im Dampfe der Einfachheit wegen vernachlässigt ist.

|284|

Zeuner, Grundzüge der mechanischen Wärmetheorie, S. 209.

|287|

Im Engineering, August 1869, S. 144; polytechn. Journal Bd. CXCIV S. 386.

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