Titel: Scheffler, über Dampfkesselexplosionen.
Autor: Scheffler, Hermann
Fundstelle: 1877, Band 226 (S. 591–598)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj226/ar226153

Ueber Dampfkesselexplosionen; von Dr. Hermann Scheffler, Oberbaurath zu Braunschweig.

Der Verfasser hat wiederholt die Ansicht geäußert, daß das Wesen einer Explosion, wodurch sich dieselbe von den Wirkungen eines Bruches |592| unterscheidet, in einer Stoßwirkung oder in einem Dampfstoße bestehe, daß dieser Stoß aus einer plötzlichen Dampfentwicklung entspringe, und daß die letztere ein momentanes Mißverhältniß zwischen dem auf dem Kesselwasser lastenden Drucke und der Temperatur dieses Wassers in der Weise voraussetze, daß der Druck im Vergleich zur Temperatur zu schwach geworden, also entweder eine Entlastung, oder eine Ueberhitzung des Wassers eingetreten sei. (Vgl. 1874 213 296.)

Diese Vorstellung über den physikalischen Proceß soll selbstverständlich den Charakter, insbesondere die Heftigkeit der Explosion, nicht aber die Veranlassung derselben erklären; dieselbe kann sehr wohl in der Unhaltbarkeit des Kessels, im Erglühen des Kesselbleches durch Wassermangel und überhaupt in einem Bruche der Kesselwand liegen; ein solcher Bruch würde indessen im Allgemeinen eine ungleich schwächere Wirkung äußern, wenn die damit verbundene plötzliche Oeffnung des Kessels nicht eine plötzliche Entlastung des Wassers und demnach eine rapide Dampfentwicklung, einen intensiven Nachschub von Dampf, welcher den Bruch in einen Stoß verwandelt, nach sich zöge. – Ein unhaltbarer Balken bricht ebenfalls, allein er explodirt nicht. Ein Gefäß mit Wasser unter starkem Druck kann zerspringen, aber nicht explodiren; das mit großer Geschwindigkeit ausströmende Wasser kann Gefäßtheile mit sich fortreißen und einen Rückschlag erzeugen, welcher nach dem Grade des Druckes und der Masse des bewegten Wassers unter Umständen eine gewisse Aehnlichkeit mit einer Explosion gewinnt, aber im Allgemeinen doch sehr verschieden davon ist.

Während in vielen Fällen die Veranlassung zum Bruche in der Unhaltbarkeit des Dampfkessels liegt und die das Unglück verschlimmernde plötzliche Entlastung des Kesselwassers eine Folge des Bruches ist, wird unzweifelhaft in manchen Fällen auch die plötzliche Entlastung eine Ursache des Bruches sein. Im letztern Falle werden zwei Entlastungen, die ursächliche und die secundäre auf einander folgen.

Die Anhänger der Ansicht, daß die plötzliche Entlastung des Kesselwassers niemals die Veranlassung zu einer Explosion sei, Pflegen die Unwahrscheinlichkeit eines Siedeverzuges, d.h. einer Ueberhitzung des Wassers, für sich anzuführen. Verfasser theilt diese Ansicht insofern vollkommen, als er ebenfalls glaubt, daß die Beschaffenheit des Wassers wohl selten bei normalem Gebrauche der Maschine eine Ueberhitzung bewirken werde. Allein der Ausdruck Siedeverzug ist nur ein Name, welcher das Mißverhältniß zwischen Druck und Temperatur bezeichnet; dieses Mißverhältniß kann auch durch plötzliche Entlastung des Wassers herbeigeführt werden, wobei die physikalische oder chemische Beschaffenheit |593| des Wassers und die Wirkung des Feuers gar nicht in Betracht kommt, und eben dieser Vorgang der Entlastung, nicht der der Ueberhitzung ist es, welchem für die Praxis die größere Bedeutung zugeschrieben werden muß. Die relativ große Zahl der Explosionen, welche beim Anlassen der stationären und locomobilen Dampfmaschinen, also grade in dem Augenblicke erfolgen, wo die Dampfspannung ermäßigt wird, ferner die mehrfach beobachtete Thatsache, daß mehrere communicirende Kessel der Reihe nach unmittelbar hinter einander, jeder spätere also bei vermindertem Drucke explodirt sind, macht in Verfassers Augen die Wirkungen einer plötzlichen Entlastung handgreiflich.

Da in den meisten Fällen die wahre Veranlassung und der Verlauf einer Explosion nicht nachgewiesen werden kann, mithin die Statistik der Explosionen ein unvollständiges Material darbietet, welches den Hypothesen freien Spielraum läßt, so ist es begreiflich, daß die Wahrscheinlichkeit dieses oder jenes Processes bei den Fachmännern eine verschiedene Beurtheilung findet, so daß ein Vorgang, welcher dem Einen als ein naheliegender erscheint, von dem Andern für einen unwahrscheinlichen gehalten, ja von einem Dritten ohne Umstände für einen unmöglichen erklärt wird. So verhält es sich mit dem Siedeverzuge, mit der plötzlichen Entlastung des Kesselwassers und mit der plötzlichen Dampfentwicklung, überhaupt mit dem Mißverhältnisse zwischen Druck und Temperatur. Dieses Mißverhältniß kommt nach Obigem in zwei verschiedenen Bedeutungen, einmal als Veranlassung von Explosionen und sodann als Ursache der Heftigkeit der durch andere Veranlassung herbeigeführten Explosionen in Betracht. Daß das fragliche Mißverhältniß die Rolle einer Mitwirkung oder secundären Wirkung bei jeder Explosion spielt, scheint mir so einleuchtend, daß es nicht für nöthig erscheint, dazu noch weitere Belege beizubringen. Ob jedoch das fragliche Mißverhältniß als primäre Veranlassung einer Explosion mehr oder weniger leicht auftreten könne, bedarf einer Constatirung durch Beobachtungen über den Verlauf des Siedeprocesses und über die Temperatur- und Druckveränderungen nach räumlichen und zeitlichen Abscissen. Wer jenem Mißverhältnisse gar keine Bedeutung zuschreibt, ignorirt dasselbe schlechthin, muß also auch annehmen, daß Temperatur und Druck stets im richtigen Verhältnisse sind und bleiben. Nun würde zwar eine einzelne Beobachtungsweise, welche keine erheblichen Schwankungen nachwiese, nicht beweisen, daß ein erhebliches Mißverhältniß niemals einträte; viele Beobachtungen dieser Art würden aber die Wahrscheinlichkeit eines möglichen erheblichen Mißverhältnisses sehr herabdrücken. Umgekehrt, würde eine einzelne Beobachtungsweise, |594| welche namhafte Differenzen zeigte, freilich nur den Beweis liefern, daß ein Kessel trotz solcher Differenzen nicht immer explodirt; sie würde aber doch, indem sie den Glauben an die Constanz des normalen Verhältnisses erschüttert, die Möglichkeit näher rücken, daß unter ungünstigen Umständen das in Rede stehende Mißverhältniß einen Betrag erreichen könne, welcher die Explosion unmittelbar herbeizuführen im Stande ist.

Um einen Einblick in die unter gewöhnlichen Umständen vorkommenden Schwankungen des Druckes und der Temperatur zu erhalten, hat Scheffler an der Locomotive „Gandersheim“ drei aus der Fabrik von Schäffer und Budenberg in Buckau-Magdeburg bezogene, zu diesem Zwecke eigens construirte Thermometer anbringen lassen. Das vordere dieser drei Thermometer mündete im Kessel in der Nähe des Eintrittes der Speisepumpe, also an derjenigen Stelle, wo zu Zeiten die niedrigste Temperatur des Wassers zu erwarten war; das mittlere mündete in der Mitte des Langkessels oder im Centrum des Siederohrsystems, also an derjenigen Stelle, wo die Abnutzung der Siederöhren die stärkste Einwirkung des Feuers, daher die höchste Temperatur vermuthen ließ; das hintere endlich mündete an der Vorderwand der Feuerkiste in der Höhe des Führerstandes. An diesen drei Thermometern sind von vier Sachverständigen, dem Maschinenmeister Harsleben, den Maschinentechnikern Steltzer und Köch und dem Werkführer Wolf Beobachtungen angestellt worden, welche in unserer Quelle (Organ für die Fortschritte des Eisenbahnwesens, 1877 Bd. 14 S. 141) tabellarisch geordnet ausführlicher mitgetheilt sind. Die Versuche zerfallen in vier Gruppen: Versuche beim Stillstande der Maschine zu einer Zeit, wo nicht gespeist wurde; beim Stillstande während des Speisens; auf der Fahrt zu einer Zeit, wo nicht gespeist wurde; auf der Fahrt während des Speisens. Die Speisung hat auf drei verschiedene Weisen stattgefunden, mit dem Injector, mit einer Kolbenpumpe und mit zwei Kolbenpumpen.

Die Fahrten, mit welchen die Beobachtungen stattgefunden haben, sind entweder Leerfahrten oder Vorspannfahrten gewesen, weil unter solchen Umständen die gleichzeitige und häufige Beobachtung von drei Thermometern, einem Manometer und einer Uhr durch vier Beobachter die geringsten Störungen für den Maschinenführer hatten. Es liegen also vier Beobachtungen während schwacher und mäßiger, nicht aber während starker Arbeits- und Dampfentwicklung vor; man hat daher die bei mäßiger Dampfentwicklung täglich und stündlich vorkommenden, nicht aber ungewöhnliche Differenzen zu erwarten.

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Vor der Besprechung der Beobachtungen sei darauf aufmerksam gemacht, daß der am Monometer beobachtete Druck mit keiner der drei im Kessel beobachteten Temperaturen dauernd genau übereinstimmt. Eine solche Uebereinstimmung ist allerdings in allen den Fällen unmöglich, wo die letzteren Temperaturen ungleich sind. Bei gleichen Temperaturen müßte dagegen auf diese Uebereinstimmung gerechnet werden. Wenn dieselbe jedoch auch in diesem Falle nicht stattfindet, so liegt es nahe, die Differenz in der Ungenauigkeit des Federmanometers zu suchen. Es ist jedoch auffallend, daß, wenn nicht grade gespeist wird, sowohl im Ruhezustande, als auch auf der Fahrt, bei entschieden steigender Temperatur und Spannung nach einigen Versuchen das Manometer unausgesetzt einen Druck im Dampfraume anzeigt, welcher höher ist als der höchste im Kesselwasser, während bei entschieden sinkender Temperatur und Spannung nach andern Versuchen das Umgekehrte zur Erscheinung kommt, daß nämlich der Druck im Dampfraume häufig um ebenso viel niedriger steht. Hiernach müssen wir die Abweichungen der Angaben des Manometers von den berechneten Spannungen im Kesselwasser, ebenso wie die Differenzen der Temperatur und Spannung an den verschiedenen Stellen des Kessels auf einen innern Grund beziehen.

Die Beobachtungen rechtfertigen folgende Schlüsse.

1) Bei der Speisung durch Kolbenpumpen werden unter gewöhnlichen Verhältnissen an den verschiedenen Punkten des Kesselwassers gleichzeitig herrschende Temperaturdifferenzen erzeugt, welche sich so weit steigern, daß sie einer Spannungsdifferenz von 2at,25 entsprechen. Hierbei ändert sich die Spannung im Dampfraume so, daß sie ungefähr der an der momentan heißesten Stelle im Kesselwasser herrschenden Temperatur entspricht, daß sie also im Allgemeinen stärker ist als die der Mittlern Temperatur des Kesselwassers entsprechende, indem sie die der niedrigsten Temperatur entsprechende zuweilen um 2at,75 übersteigt. Hiernach scheint sich während des Speisens im Allgemeinen keine Entlastung, sondern eine Ueberlastung des Kesselwassers zu bilden. Dieser Umstand ist von Wichtigkeit, da er die in der Druckdifferenz von 2 bis 3at liegende Gefahr vor heftigen Erschütterungen bei plötzlicher Ausgleichung erheblich abschwächt; denn so lange eine Ueberlastung für alle Punkte des Kesselwassers besteht, kann eine massenhafte plötzliche Dampfentwicklung kein Gegenstand der Befürchtung sein.

2) Die Differenz zwischen der Spannung im Dampfraume und im Kesselwasser während des Speisens ist zwar in der Regel, namentlich in den spätern Perioden, eine Ueberlastung: in den ersten Augenblicken |596| des Speisens zeigt sich jedoch fast ausnahmslos das Gegentheil, nämlich eine Entlastung, welche bis zu 0at,43 zu beobachten ist. Bei sinkender Temperatur und Spannung ist in den Zeiten, wo nicht eben gespeist wird, die Entlastung des Kesselwassers um 0,1 bis 0at,2 sogar der herrschende Zustand. Die Coexistenz von Temperaturermäßigung, Sinken der Spannung und Entlastung des Wassers, wenn nicht gespeist wird, ferner die gleiche Erscheinung in den ersten Augenblicken, wo gespeist wird, und endlich die Coexistenz von Temperaturermäßigung, Sinken der Spannung und Ueberlastung des Wassers, nachdem eine Zeit lang gespeist ist, sind drei wichtige Erscheinungen. Im dritten Falle liegt die primitive Ursache der Veränderung im Wasser, dessen Temperatur durch die Zuführung von kälterem Wasser erniedrigt wird. Indem sich jetzt die Dampferzeugung bei ermäßigtem oder doch nicht überwiegendem Verbrauche vermindert, sinkt die Spannung im Dampfraume stetig und zwar so weit, daß näherungsweise das normale Verhältniß zwischen Druck- und Siedetemperatur bestehen bleibt; weil aber die Temperatur des Wassers es ist, welche primitiv sinkt oder voranschreitet, und welche das Sinken der Spannung im Dampfraume als secundäre Folge nach sich zieht, wird das Beharrungsvermögen des Dampfes einen mäßigen Ueberschuß von Spannung, also eine geringe Ueberlastung bedingen. Anders ist es, wenn im ersten Falle durch beschleunigtes Abblasen die primitive Ursache der Veränderung in den Dampf verlegt wird. Alsdann wird die Temperaturerniedrigung des Wassers eine Folge der Spannungsermäßigung. Sowie nämlich durch die zu starke Abführung von Dampf der Druck unter das der Siedetemperatur entsprechende Maß zu sinken im Begriffe steht, wird das Wasser nach allgemeinem Beharrungsgesetze noch einen Augenblick jene Temperatur beibehalten, bis sich eine kleine Differenz von dem zur Ueberwindung des Beharrungszustandes erforderlichen Grade gebildet hat. Alsdann, also in kurzen Perioden und mit kleinen Eruptionen, wird sich vermöge der entstehenden Entlastung ein Theil des Wassers (abgesehen von dem durch das Feuer verdampften Theile) in Dampf verwandeln, also eine bestimmte Menge der im Wasser enthaltenen Wärme binden oder die Temperatur des Wassers ermäßigen, um auf diese Weise das im Verschwinden begriffene normale Verhältniß zwischen Druck- und Siedetemperatur immer wieder herzustellen. Nur auf diese wohl einleuchtende Weise läßt sich das erhebliche Sinken der Temperatur um 25° in der kurzen Zeit von etwa 9 Minuten bei einem Versuche, wo kein kaltes Wasser zugeführt ist und von einer äußern Abkühlung keine Rede sein kann, erklären.

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Der zweite Fall unterscheidet sich von dem dritten dadurch, daß in den Anfangsstadien des Speisens wegen der noch ungeschwächten Geschwindigkeit der Locomotive der Dampfverbrauch größer ist, so daß mehr Dampf abgeführt als zugeführt wird. Hierdurch gewinnt dieser Fall den Charakter des ersten Falles des Abblasens, welcher die Entlastung bedingt. Möglicherweise kann auch die Abkühlung des Kesselwassers in den Anfangsstadien des Speisens eine Condensation von Dampf in dem Dampfraume bedingen, welche ebenso wie ein Abblasen wirken würde.

3) Bei steigender Temperatur und Spannung wird es sich ebenso wie bei sinkender Temperatur und Spannung darum handeln, ob gehemmter Dampfabfluß, vielleicht gar mit Unterdrückung des Verdampfungsprocesses, also unter Entbindung von Wärme in den aus dem gasförmigen Zustande in den flüssigen Zustande zurückkehrenden Partikeln, oder ob beschleunigte Dampferzeugung die primitive Ursache der Veränderung ist. Im erstern Falle wird sich eine Ueberlastung, im letztern eine Entlastung (nämlich ein Ueberschuß der Spannung im Wasser gegen die Spannung im Dampfraume) bilden. Im Ruhestande der Locomotive scheint der erstere Fall, nämlich die Aufstauung des Dampfes vorzuherrschen; während der Fahrt scheint oftmals der letztere Fall der beschleunigten Dampfentwicklung vorzukommen.

4) Das Sieden bei entlastetem Wasserspiegel ist eine mehr oder weniger stoßweise Dampfentwicklung unter absatzweiser Bindung von Wärme. Dasselbe kommt bei rasch sinkender Spannung und in den Anfangsstadien des Speisens häufig und bei steigender Spannung zuweilen vor. Es ist unter ganz gewöhnlichen Verhältnissen eine Entlastung von fast 0at,5 beobachtet. Dieser Grad von Entlastung muß also als ein sich häufig einstellendes Ereigniß angesehen werden. Unter ungewöhnlichen Verhältnissen muß eine weit erheblichere Entlastung für möglich gehalten werden. Die Möglichkeit einer solchen Steigerung begründet sich vornehmlich durch die beobachteten sehr erheblichen Spannungsdifferenzen, welche an den einzelnen Stellen des Kesselwassers eintreten und sich bis auf 2at und mehr belaufen, sowie auf die constatirte sehr erhebliche Störung des normalen Verhältnisses zwischen der Siedetemperatur und dem auf dem Wasser lastenden Drucke – eine Störung, welche fast bis auf 3at anwächst.

Wenngleich die größten Differenzen der letztern Art glücklicherweise Ueberlastungen, keine Entlastungen sind, und wenngleich die ersteren Differenzen, welche aus den verschiedenen Temperaturen des Kesselwassers abgeleitet sind, nicht die unmittelbaren Wirkungen wie Entlastungen |598| des Wasserspiegels haben können, so können dieselben doch bei plötzlichen Ausgleichungen eine rapide Uebertragung des Verdampfungsprocesses von dem einen Theile des Kesselwassers auf den andern und bei plötzlichen Ueberlastungen eines Theiles der Wassermenge eine rasche Concentrirung und Verstärkung des Verdampfungsprocesses in den nicht überlasteten Theilen, welche jetzt allein die der Wärmezuführung entsprechende Dampfmenge entwickeln müssen, erzeugen, mithin eine heftige Dampfströmung im Dampfraume und auch eine plötzliche Dampfentwicklung an einzelnen Stellen hervorbringen.

Die Sprünge des Manometers bei plötzlichem Oeffnen und Schließen des Regulators beweisen, daß die rasche Einleitung und Unterbrechung einer Bewegung in einer stark gespannten Gasmasse sehr merkbare Stoßeffecte herbeiführt. Die rapide Umwälzung des Siedeprocesses wird daher unzweifelhaft ähnliche Effecte erzeugen.

Indem sich zu solchen aus den Temperaturdifferenzen im Kesselwasser entspringenden Wirkungen diejenigen gesellen, welche auf einer augenblicklichen Entlastung des Wasserspiegels beruhen, sollte da nicht unter besonders ungünstigen Umständen eine Complication von Wirkungen eintreten können, welche intensiv genug wäre, um einen Kesselmantel zu sprengen, der zwar nicht mehr die Festigkeit eines neuen Mantels, aber doch noch denjenigen Grad von Festigkeit besitzt, welchen man nach den heutigen Erfahrungen für ausreichend hält? Derartige besonders ungünstige Umstände mögen allerdings nur auf dem seltenen Zusammentreffen mehrerer und erheblicher schädlichen Wirkungen beruhen; die aus den angestellten Versuchen gewonnenen Zahlen verbieten jedoch entschieden, ein solches Ereigniß zu den Unmöglichkeiten zu zählen.

5) Die Temperatur- und Spannungsdifferenzen, welche sich beim Speisen mit Injectoren bilden, sind ganz unerheblich gegen diejenigen, welche beim Speisen mit Kolbenpumpen, besonders mit zwei derartigen Pumpen entstehen.1) Hiernach muß den Injectoren ein entschiedener Vorzug gegeben werden.

|598|

Das Tenderwasser, welches mit den Kolbenpumpen direct in den Kessel geführt wird, hat eine Temperatur von 18 bis 20°. Bei dem Speisen mittels eines Injectors zeigt das Wasser vor dem Eingangsventile folgende Temperaturen:

bei4atUeberdruck56°
4,564
570
5,576
680
6,582
783.
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