Titel: Huber, über den Zug in den Schornsteinen und die Einwirkung der Witterung auf denselben.
Autor: Huber, C.
Fundstelle: 1870, Band 197, Nr. CXXV. (S. 492–498)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj197/ar197125

CXXV. Ueber den Zug in den Schornsteinen und die Einwirkung der Witterung auf denselben; von Dr. C. Huber.

Aus der Zeitschrift des Vereines deutscher Ingenieure, 1870, Bd. XIV S. 383.

Prof. H. Buff in Gießen veröffentlichte in dem „Gewerbeblatt für das Großherzogthum Hessen,“ 1866 S. 105 (polytechn. Journal Bd. CLXXX S. 214), einige Versuche welche in hohem Grade geeignet sind, alle bei dem Schornsteinzug in Betracht kommenden Momente vor Augen zu führen. Sein Neffe, Prof. Dr. Meidinger in Carlsruhe, hielt dann im Jahre 1867 einen Vortrag über diesen Gegenstand in Carlsruhe, welcher in der „badischen Gewerbezeitung,“ 1867, S. 26, reproducirt wurde. Meidinger benutzte dabei einen von ihm verbesserten Versuchsapparat, von dessen überraschenden Wirkungen ich selbst Gelegenheit hatte mich zu überzeugen. Da die Versuche nicht diejenige Verbreitung gefunden zu haben scheinen, welche sie verdienen, so will ich dieselben hier mittheilen.

Meidinger's Versuchsapparat besteht im Wesentlichen aus einer rechtwinkelig gebogenen Röhre von Weißblech, deren einer Schenkel horizontal, deren anderer vertical gerichtet ist. An dem Ende des ersteren ist ein brennendes Licht angebracht, während der ganze Apparat durch ein Stativ in seiner Lage erhalten wird. Das 450 Millimet. hohe senkrechte Rohr ist unten mit einem abnehmbaren Deckel geschlossen, während das obere offene Ende mit verschiedenen Aufsätzen versehen werden kann, um die Wirkung der sogenannten Schornsteinhüte zu zeigen. Der horizontale Theil des Apparates ist 240 Millimet. lang und hat, wie auch der senkrechte, eine lichte Weite von 36 Millimet.

Um bei den Versuchen eine zu starke Erwärmung des horizontalen Schenkels zu vermeiden, ist derselbe mit einer geschlossenen Weißblechhülle von 42 Millimet. Durchmesser umgeben, welche am oberen Ende eine kleine Oeffnung zum Einfüllen von Kühlwasser enthält. Auch der senkrechte Schenkel ist mit einem 54 Millimet. weiten Blechmantel umgeben, welcher zur Aufnahme verschiedener Flüssigkeiten dient.

Zur Nachahmung des Windes wurde ein ziemlich starker doppeltwirkender Blasbalg benutzt, dessen gepreßte Luft durch einen langen Kautschukschlauch in eine 300 Millimet. lange und vorn zu einer 6 Millimeter weiten Spitze ausgezogene Glasröhre geleitet wurde. Vermittelst |493| der letzteren konnte ein Luftstrom in jeder beliebigen Richtung und aus jeder Entfernung auf den oberen Theil des Apparates gesendet werden.

Der senkrechte Schenkel des Apparates repräsentirt den Kamin, der horizontale den Ofen und das an dem Ende desselben befindliche Licht das auf dem Roste brennende Feuer.

Die Ursache des Zuges in den Kaminen oder Schornsteinen ist eine in denselben aufwärts gehende Luftströmung, welche ihrerseits in zweierlei Weise ein Nachströmen kalter Luft durch den Ofen bewirken kann. Eine jede in Bewegung befindliche Luftmasse hat das Bestreben, hinter sich einen verdünnten Raum zu erzeugen und bewirkt so, daß andere Luft nachströmt, um diese Verdünnung wieder auszugleichen. Auf diese Weise wird von der bewegten Luft des Kamines die äußere Luft durch den Rost in den Ofen gesaugt.

An dem Versuchsapparat läßt sich diese nachsaugende Wirkung einer Luftströmung sehr hübsch deutlich machen. Wenn das vor dem horizontalen Schenkel befindliche Licht angezündet ist, brennt die Flamme ruhig in die Höhe, wird aber augenblicklich in die Röhre hineingetrieben, sobald durch das in den senkrechten Theil von unten eingeführte Gebläserohr ein nach aufwärts gerichteter Luftstrom erzeugt wird. Die Flamme behält ihre horizontale Richtung bei, so lange das Gebläse in Thätigkeit ist. Daß in den Locomotiven nach diesem Principe der Zug hervorgebracht wird, ist bekannt.

Bei den gewöhnlichen Schornsteinen ist indessen die so eben besprochene Wirkung des Nachsaugens eine verschwindend kleine; es kommt hier hauptsächlich die warme Feuerluft in Betracht. Durch die Verbrennung auf dem Roste wird die dort befindliche Luft erhitzt, dadurch ausgedehnt und leichter. Zur Herstellung des Gleichgewichtes wird sie von der äußeren kalten und schwereren Luft nach oben gedrängt und entweicht mit einer Temperatur welche höher als diejenige der äußeren Luft ist, aus dem Schornstein. Es ist somit klar, daß der Zug ein um so stärkerer seyn wird, je größer die Temperaturdifferenz zwischen Feuerluft und äußerer Luft.120) Deßhalb wird auch der Zug und damit die Verbrennung sehr lebhaft, sobald das Feuer nur kurze Zeit gebrannt hat. |494| An dem Versuchsappparat läßt sich dieß auch nachweisen. Hat man nämlich durch die Wirkung des Gebläses die Flamme einige Zeit in der horizontalen Röhre brennen lassen, so brennt sie auch in dieser horizontalen Richtung fort, wenn man das Gebläse entfernt und rasch den Deckel an dem unteren Ende der senkrechten Röhre wieder aufsetzt. Die Flamme geht hingegen wieder in ihre ursprüngliche senkrechte Lage zurück, wenn der aufrechte Schenkel unten offen bleibt. Daraus erklärt sich der nachtheilige Einfluß, welchen nicht geheizte Oefen ausüben, die in denselben Schornstein einmünden, wenn dieselben nicht verschlossen sind, so daß kalte, den Zug schwächende Luft in den Schornstein gelangen kann. Am auffallendsten ist dieser Uebelstand immer in den oberen Stockwerken, weil hier die nutzbare Schornsteinhöhe eine nur geringe ist.

Mit der Höhe des Schornsteines nimmt die Stärke des Zuges zu, aber nicht in demselben Verhältnisse, sondern in dem der Quadratwurzel aus der Höhe. Nur die senkrechte Höhe kommt dabei in Betracht, so daß alle Schleifungen etc., abgesehen von dem Reibungswiderstand, keinen Einfluß haben.

In Betreff der Weite der Schornsteine unterscheidet man bekanntlich die weiten (deutschen) von den engen (russischen) Kaminen. Letztere bewirken einen viel stärkeren Zug, weil die warme Feuerluft den Raum derselben ganz ausfüllt, und daher auch ein Aufsteigen der ganzen Luftsäule stattfindet, während bei den deutschen auch von oben kalte Luft eindringen kann, welche der aufsteigenden warmen Luft sehr viel Wärme entzieht und dadurch den Zug schwächt.

Die Beschaffenheit der Schornsteinwände hat auf die Stärke des Zuges einen sehr bedeutenden Einfluß, da die Temperatur der in dem Schornstein enthaltenen Luft von derjenigen der Wände abhängig ist. Es erklärt sich so, daß eiserne Schornsteine durch die rasche Wärmeabgabe nach außen einen schwächeren Zug hervorbringen, als steinerne.

Sobald die Temperatur der Schornsteinwände, und damit auch die der darin enthaltenen Luft, höher ist als die der äußeren Luft, wird eine aufwärtsgehende Luftströmung vorhanden seyn, ebenso aber auch ein abwärtsgehender Zug (Rückzug), wenn die äußere Luft wärmer ist als die Schornsteinwände resp. die eingeschlossene Luft.

An dem erwähnten Apparate läßt sich dieß sehr hübsch zeigen. Füllt man nämlich den ringförmigen Zwischenraum an der senkrechten Röhre mit warmem Wasser, so beweist das Eingesaugtwerden der Flamme das Vorhandenseyn eines aufwärtsgehenden Zuges; füllt man dagegen diesen Zwischenraum mit einer Kältemischung aus 7 Loth roher Salzsäure und |495| 11 Loth krystallisirtem Glaubersalz, so bewegt sich die Flamme nach außen, als Beweis daß Rückzug vorhanden ist.

Ein solcher Rückzug macht es oft sehr schwierig, überhaupt ein Feuer zu Stande zu bringen; man ist meistens genöthigt, in dem Kamin selbst durch ein rasches Flammfeuer mit Stroh, Papier etc. einen aufsteigenden Luftstrom herzustellen, welcher dann durch das Feuer rasch verstärkt wird.

Da die Schornsteinwände ihre hohe Temperatur sehr lange behalten, so findet fast immer ein aufwärtsgehender Zug statt; selbst in nicht geheizten Wohnungen ist dieß der Fall, so lange die Temperatur des Hauses noch um etwas höher ist, als die der äußeren Luft. Tritt dann aber plötzlich milde Witterung ein, so daß die äußere Lufttemperatur höher wird, so findet Rückzug statt, indem die äußere Luft an den kälteren Schornsteinwänden sich abkühlt und herabsinkt, so lange bis der Temperaturunterschied ausgeglichen ist.

Mit Hülfe des Versuchsapparates läßt sich der Einfluß des Windes auf den Zug in den Schornsteinen besonders schön deutlich machen und namentlich beweisen, daß der Wind kein principielles Hinderniß für den Zug ist, sondern denselben sogar in den meisten Fällen noch begünstigt.

1) Leitet man vermittelst des Gebläses einen horizontalen Luftstrom in einer Höhe von etwa 10 Millimet. über dem Apparat hinweg, so wird die Flamme des brennenden Lichtes eingesaugt, mehr noch, wenn die Richtung des Windstrahles etwas aufwärts geht. Der Grund davon liegt darin, daß die Luft des Schornsteines durch Ansaugen mit in die Bewegung gerissen wird.

2) Richtet man den horizontalen Windstrahl so, daß er das Rohr etwas unterhalb der Ausmündung trifft, so findet ein noch lebhafteres Ansaugen der Flamme statt, als in dem vorigen Versuche. Der Luftstrom wird nämlich an der Rohrwand verdichtet und gleitet dann an den Flächen derselben empor, und es entsteht ein Strom welcher die ruhende Luft des Schornsteins mit in die Bewegung hineinzieht.

3) Leitet man den horizontalen Luftstrom endlich gerade auf die Mündung des Rohres, indem man das Gebläserohr direct auf die Kante des Schornsteines aufsetzt, so findet ein Wegblasen der Flamme, also Rückzug statt. Der Grund davon ist folgender: Der aus dem Gebläserohr austretende Luftstrom erweitert sich allmählich kegelförmig, indem er die angrenzenden Luftschichten mit in die Bewegung hineinzieht, also auch die in dem Schornstein befindliche. Aber beim Anprallen und Verdichten an der Schornsteinwand folgt der sich wieder ausdehnende Strom |496| der inneren Wand nach abwärts und bewirkt so Rückzug. Aus demselben Grunde findet ein Einströmen von Luft in den Schornstein auch statt, wenn der letztere glatt in einer Fläche ausmündet, ohne sich über dieselbe zu erheben.

Die Wirkung des Windes auf einen Schornstein entspricht nun keineswegs einem der unterschiedenen drei Fälle, sondern vielmehr allen zusammen. Man kann mit dem Apparate den natürlichen Wind ziemlich genau nachahmen, wenn man das Glasrohr des Gebläses etwa aus einer Entfernung von 600 Millimet. gegen das obere Ende des Schornsteines richtet. Der kegelförmig erweiterte Luftstrom trifft dann zum Theil das Rohr, während der übrige Theil in fast horizontaler Richtung über der Mündung hinstreicht. Der Versuch zeigt nun, daß ein lebhafter Zug in dem Schornstein entsteht, daß also der Wind die Luft aus der Röhre heraussaugt. Der auf das Rohr ausprallende Luftstrom erzeugt eine Strömung nach oben, wie in dem Versuch 1), und diese gibt mit der horizontalen Richtung des über der Mündung hinziehenden Stromes eine Resultante, welche, in geneigter Richtung über dem Schornsteine hinziehend, erst allmählich in eine horizontale übergeht. Selbst ein abwärts gerichteter Windstoß bewirkt noch eine Verstärkung des Zuges, so lange die Neigung desselben nicht mehr als 15° gegen den Horizont beträgt. Die Resultante aus der horizontalen und der aufwärtsgehenden Bewegung geht dann eben noch in horizontaler Richtung über den Schornstein hinweg. Bei einem über 15° geneigten Strome fällt dagegen ein Theil in die Oeffnung hinein und erzeugt Rückzug.

Das eben Gesagte erklärt auch, warum man auf einem Thurme oder einer Brücke mit hohem Geländer stehend, von dem herrschenden Winde nicht getroffen wird, während man mit der ausgestreckten Hand die an der Mauer heraufkommende und dann in geneigter Richtung über dem Kopfe wegstreichende Luftströmung bemerken kann.

Nach diesen Erörterungen läßt sich die Wirkung verschiedener Schornsteinhüte sehr leicht beurtheilen.

Sehr häufig findet man an Schornsteinen als architektonischen Schluß einen Kranz von Blech oder Mauerwerk angebracht. Ein Versuch mit dem Apparate zeigt, daß dieser Kranz sehr nachtheilig wirkt. Da derselbe nämlich den aufwärtsgehenden Luftstrom ausfängt, so kommt über demselben nur der horizontale Wind zur Wirkung und erzeugt so, wie bei dem früheren Versuche, Rückzug. Will man absolut einen Kranz als Verzierung anbringen, so muß sich die Kaminröhre noch wenigstens 600 Millimet. über den Kranz erheben.

Ganz anders wirkt dagegen eine horizontale Platte, welche in |497| einiger Entfernung von der Mündung angebracht wird. Anfänglich nur als Schutz gegen den einfallenden Regen benutzt, ist diese Vorrichtung das beste Mittel, alle nachtheiligen Wirkungen des Windes, namentlich auch von senkrechten Windstößen, zu beseitigen. Man kann bei dem Versuchsapparate den Windstrahl in jeder beliebigen Richtung und Stärke auf das Schornsteinende richten und bemerkt stets ein Einsaugen der Flamme. Es ist indessen keineswegs gleichgültig, welche Dimensionen man der Deckplatte gibt und welche Höhe über der Schornsteinmündung. Nach Versuchen von Meidinger ist eine Deckplatte welche den doppelten Durchmesser der Schornsteinröhre besitzt und in einer Höhe gleich zwei Drittel des Durchmessers angebracht ist, die wirksamste Vorrichtung dieser Art. Dieselbe macht es sogar unnöthig, einen unter dem Giebel eines Daches ausmündenden Schornstein bis über den First zu erhöhen.

Von Frankreich aus wurde in neuerer Zeit eine Vorrichtung als Schutzmittel gegen den Wind angepriesen, welche auch auf mehreren Fabrikschornsteinen in Carlsruhe zur Anwendung gekommen ist. Sie besteht aus einem Hut von zwei unter einem rechten Winkel gekreuzten, nach oben spitz zugehenden Platten, welche etwas in den Schornstein hinabragen. Der leitende Gedanke dabei war wohl der, daß dem Rauche stets zwei Oeffnungen zum Entweichen übrig bleiben, wenn durch Wind die beiden anderen verschlossen werden. Daß dem aber nicht so ist, zeigt der Versuch auf das Schlagendste. Man mag den Windstrahl in irgend welcher Richtung auf das Plattenkreuz richten oder die Schrägung der Platten in irgend einer Weise ändern, es findet stets ein Einblasen des Windes statt. Daß trotzdem die Besitzer der mit dieser Vorrichtung versehenen Schornsteine keine Klage darüber zu führen haben, rührt offenbar daher, daß bei der bedeutenden Höhe dieser Schornsteine und dem dadurch bedingten sehr starken Zuge der nachtheilige Einfluß der gekreuzten Platten verschwindend klein ist. In Carlsruhe wenigstens hat man außerdem gar keine Schutzvorrichtung gegen den Wind in dem besprochenen Aufsatz gesucht, sondern nur einen raschen pyramidalen Abschluß des sich nur allmählich verjüngenden viereckigen Schornsteines.

Auch in der „Zeitschrift des Vereines deutscher Ingenieure“ sind zwei neue Schornsteinaufsätze beschrieben und empfohlen worden, der eine von Dr. Wolpert (Bd. XIII S. 323 und Bd. XIV S. 38), der andere von E. J. Noeggerath (Bd. XIII S. 645). Modelle derselben wurden ebenfalls mit dem Versuchsapparate geprüft und gaben sehr günstige Resultate.

Bei dem Wolpert'schen Luft- und Rauchsauger wird in der That jede Windrichtung zur Verstärkung des Zuges benutzt, wie auch die Versuche |498| im Kleinen zeigen. Indessen ist nicht zu verhehlen, daß der nur kleine ringförmige Raum zum Entweichen der Verbrennungsgase besonders bei windstillem Wetter den Zug verschwächt, wenn auch nicht gerade viel. Bei großen Apparaten wird dieser Mißstand wohl weniger fühlbar seyn.

Die von Noeggerath erdachte Form benutzt ebenfalls alle Windrichtungen zur Vermehrung des Zuges, nur nicht steil abwärts gehende. Durch eine Deckplatte läßt sich auch hier das Einblasen verticaler Windstöße verhüten, aber ebenso wenig wie bei dem Wolpert'schen Apparate zur Verstärkung des Zuges verwenden.

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Dadurch daß die Geschwindigkeit der Gase in dem Schornstein im Verhältniß der Quadratwurzel aus der Temperatur (und Schornsteinhöhe) steigt, v = √(2g/273) . H . T, während die Ausdehnung der kalten Luft gleichmäßig zunimmt nach der Formel (1 + 0,00366 T), tritt indessen eine Grenze ein, welche theoretisch bei 273°C. liegt, mit Berücksichtigung der Reibungswiderstände aber bedeutend höher, bei 400 bis 500°C.

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