Titel: H. Fischer, über die Wärmeabgabe von Heizflächen an Luft.
Autor: Fischer, Hermann
Fundstelle: 1878, Band 228 (S. 1–9)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj228/ar228001

Ueber einige neuere Beobachtungen über die Wärmeabgabe von Heizflächen an Luft; von Hermann Fischer.

Mit Abbildungen.

1) In Folge meiner Aeuſserungen über gerippte Heizflächen in diesem Journal (1876 222 5) 10. 1877 226 118) sind von verschiedenen Seiten Anfragen an mich gekommen, welche sich auf die meinen Behauptungen zu Grunde liegenden Thatsachen beziehen. Um ferneren derartigen Anfragen zu begegnen, theile ich im Folgenden die Versuche mit, welche den betreffenden Beweis in sich tragen.

Im Herbste 1875 hatte ich Veranlassung, eine Anzahl vergleichender Versuche über die Wärmeabgabe glatter und gerippter guſseiserner Dampfheizungsröhren anzustellen. Dank der freundlichen Beihilfe des Hrn. Fabrikanten Th. Rosenkranz und meines Assistenten, Hrn. Ingenieur Giesecke, konnten die Versuche in dem Maſse sorgfältig beobachtet werden, daſs die Ergebnisse derselben, soweit es den Vergleich unter den beiden geprüften Rohrarten betrifft, als zuverlässige bezeichnet werden können.

Es waren zwei guſseiserne Rohre A (Fig. 1 bis 4) von 2m,490 Länge, 80mm Weite, 100mm äuſserem Durchmesser derartig nach einem Modell gegossen, daſs dieses einmal äuſserlich glatt, das andere Mal mit 8 Rippen (Fig. 1 und 2) von 10mm und 5mm Dicke und 2m,210 Länge an der dünneren Kante versehen abgeformt worden war. Diese beiden Rohre wurden nun in der Weise, wie Fig. 3 es erkennen läſst, senkrecht aufgestellt. Der einhüllende Schacht bestand dabei aus zwei in einander steckenden Breterkasten, deren Wände einen Abstand von 80mm hatten; der zwischen beiden Breterkasten befindliche Hohlraum war sorgfältig mit Heu ausgestopft, so daſs eine Schachtwand gebildet war, die gewiſs nur wenig Wärme nach Auſsen leitete. Die von dem Rohr abgegebene Wärme muſste daher ausschlieſslich von der durch die am Fuſsboden befindlichen vier Oeffnungen B einströmenden und am oberen Ende des Schachtes frei abflieſsenden Luft aufgenommen werden, theils durch Berührung der Luft mit der Auſsenwand des Rohres, theils durch die von dieser gestrahlten Wärme, welche die inneren Schachtwände erwärmte und diese dadurch befähigte, durch Berührung an der Luft Wärme abzugeben.

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Fig. 1., Bd. 228, S. 2
Fig. 2., Bd. 228, S. 2
Fig. 3–4., Bd. 228, S. 2

Etwa 200mm über dem unteren Rande des Rohres befanden sich in den Wandungen drei gut verschlieſsbare Oeffnungen, in welche Thermometer gesteckt wurden, deren Kugeln durch Schirme von Pappe und Korkholz möglichst gegen Strahlung geschützt und 120mm von der Mitte des zu prüfenden Rohres entfernt waren. In gleicher Weise wurden 2m,60 über dem unteren, also 110mm über dem oberen Rande zwei Thermometer angebracht, wie auch in der halben Höhe des Rohres (1m,20 über dem unteren Rande des Rohres) zwei solche Thermometer Platz gefunden hatten.

Von dem unteren Verschluſsdeckel des Rohres führte ein enges Rohr C mit Hahn ins Freie, um hier das gebildete Wasser ununterbrochen, aber ohne gleichzeitiges Entweichen von Dampfabflieſsen zu lassen. Dieses Wasser wurde am Ende eines jeden Versuches sorgfältig gewogen. Mit dem oberen Verschluſsdeckel des zu prüfenden Rohres war ein Manometer D und das Dampfzuleitungsrohr E verbunden; letzteres war vielfach mit Stroh umwickelt und hatte, von seiner Biegung ab eine geneigte Lage bis zu einem geräumigen Wassersack. Es ist daher anzunehmen, daſs alles in dem Dampfzuleitungsrohr gebildete Wasser nach diesem Wassersack gelangte.

Nach einigen Vorversuchen fanden die eigentlichen Versuche am 9., 11., 13., 15. und 16. December 1875 statt, indem die zwischen den Versuchstagen liegende Zeit zum Aendern der Versuchseinrichtung erforderlich war. Es wurden nämlich nicht allein die beiden in Rede stehenden Rohre |3| innerhalb des Schachtes, sondern auch im freien Räume stehend beobachtet. Später wurden die gebrauchten 8 Thermometer – das achte hing neben dem Versuchsschacht – durch 8 × 11 Ablesungen mit einem Geiſsler'schen Normalthermometer verglichen. Die Ergebnisse der Versuche, zu denen noch zu erwähnen ist, daſs vor Vermerkung der eigentlichen Versuchszeit während etwa ½ bis ¾ Stunden Dampf in und theilweise durch das Rohr geleitet wurde, um sowohl die Luft möglichst aus demselben zu entfernen, als auch der ganzen Einrichtung diejenige Temperatur zu geben, welche sie während des Versuches fast genau beibehielt, sind folgende:

a) Geripptes Rohr im Schacht.
Dauer des Versuches 2,3 Stunden
Zahl der Dampfdruck-Beobachtungen 4
Mittlerer Dampfdruck 3k,16
Zugehörige berechnete Temperatur 134,4°
Temperatur der das Rohr umgebenden Luft, Mittel aus
28 Ablesungen 35,4°
daher Temperaturunterschied zwischen Dampf und Luft 99,0°
Zu Wasser verdichteter Dampf, im Ganzen 10k,0
also stündlich 4k,78
wodurch frei wurden 511 × 4,78 2443c
oder für jeden Grad des Temperaturunterschiedes 24c,7.
b) Dasselbe Rohr frei.
Dauer des Versuches 2 Stunden
Zahl der Dampfdruck-Beobachtungen 5
Mittlerer Dampfdruck 2k,99
Zugehörige Temperatur 134°
Temperatur der das Rohr umgebenden Luft, Mittel aus
40 Beobachtungen 29,8°
daher Temperaturunterschied 104,2°
(Die Thermometer hatten denselben Platz wie immer.)
Verdichteter Dampf zusammen 11k,1
also stündlich 5k,5
wodurch frei wurden 511 × 5,5 2810c
also für jeden Grad des Temperaturunterschiedes 27c,0.
c) Glattes Rohr im Schacht.
Dauer des Versuches 2 Stunden
Zahl der Dampfdruck-Beobachtungen 5
Mittlerer Dampfdruck 2k,89
Zugehörige Temperatur 133°
Temperatur der das Rohr umgebenden Luft, Mittel aus
35 Ablesungen 28°
daher Temperaturunterschied 105°
An Dampf wurden verdichtet, überhaupt 6k,63
also stündlich 3k,31
wodurch frei wurden 513 × 3,31 1698c
also für jeden Grad des Temperaturunterschiedes 16c,1.
d) Glattes Rohr frei.
Dauer des Versuches 2 Stunden
Zahl der Dampfdruck-Beobachtungen 5
Mittlerer Dampfdruck 2k,84
Zugehörige Temperatur 132°
Temperatur der das Rohr umgebenden Luft, Mittel aus
40 Ablesungen 24°
daher Temperaturunterschied 108°
An Dampf wurde verdichtet, überhaupt 7k,9
also stündlich 3k,95
demnach eine Wärmemenge frei von 513 × 3,95 2026c
oder für jeden Grad des Temperaturunterschiedes 18c,7.
e) Glattes Rohr frei.
Dauer des Versuches 1 ⅔ Stunden
Zahl der Dampfdruck-Beobachtungen 4
Mittlerer Dampfdruck 2k,4
Zugehörige Temperatur 126°
Temperatur der das Rohr umgebenden Luft, Mittel aus
32 Ablesungen 24°
Temperaturunterschied 102°
An Dampf wurde verdichtet, überhaupt 5k,42
also stündlich 3k,25
Entwickelte Wärme 514 × 3,2 1683c
also für jeden Grad des Temperaturunterschiedes 16c,5.

Während des Versuches d war es nicht zu vermeiden, daſs die Thüren des Raumes, in welchem der Versuch stattfand, häufig geöffnet wurden, in Folge dessen zeitweise ein heftiger Durchzug entstand. Das besondere Mehrergebniſs dieses Versuches ist wohl auf diese Thatsache zurückzuführen. Ich will deshalb den Versuch d bei den hier folgenden Erörterungen nicht berücksichtigen.

Die beiden Versuche (a und b) mit dem gerippten Rohre ergeben eine durchschnittliche Wärmeabgabe in der Stunde und für jeden Grad Temperaturunterschied von ½ (24,7 + 27) = 25c,85; die beiden zu benutzenden Versuche (c und e) mit dem glatten Rohre dagegen ½ (16,1 + 16,5) = 16c,3. Daher gab das gerippte Rohr für eine Stunde und 1° Temperaturunterschied 25,85 – 16,3 = 9c,55 mehr ab als das glatte Rohr.

Die Oberfläche des glatten Rohres berechnet sich einschlieſslich der Scheiben zu 0qm,9, diejenige des gerippten Rohres zu 2qm,4. Es ergaben daher, wenn die Wärmemenge für 1qm Oberfläche, 1° Temperaturunterschied und 1 Stunde Dauer mit k bezeichnet wird, das glatte Rohr: k = 18,1, dagegen das gerippte Rohr: k = 10,77; und wenn man die Flächen zwischen den Rippen als gleichwerthig mit denjenigen des glatten Rohres betrachtet, die Oberfläche der Rippen nur: k = 7,6.

Berechnet man nun den Gewichtszuwachs des Rohres durch Anbringung der Rippen und berücksichtigt, daſs die Gewichtseinheit des glatten Rohres billiger herzustellen sein wird als diejenige des gerippten Rohres, so ergibt sich, daſs die Anlagekosten für ein und dieselbe Wärmemenge bei gerippten Rohren höher sein werden als bei glatten, so lange nur von den Kosten des Wärme- abgebenden Körpers die Rede ist. Anders gestaltet sich die Sache, wenn der geforderte Raum für Aufstellung desselben einen entsprechenden Werth hat, wenn also aus irgend einem Grunde der Erwärmer der Luft möglichst kleinen Raum einnehmen soll. Dieses die vortheilhafte Anwendung der Rippen einschränkende Ergebniſs wird noch in höherem |5| Maſse eintreffen, wenn die Rippen an einer ebenen Wand sich befinden, ihre Oberflächen sich also gegenseitig bestrahlen (vgl. 1877 226 118).

Die absolute Gröſse von k bedarf noch einer kurzen Besprechung. Redtenbacher gibt für den Wärmeübergang von Dampf durch eine (glatte) Guſseisenwand in Luft für k den Werth 12. Wenn nun auch die vorliegenden Versuche nicht den Zweck hatten, den absoluten Werth von k festzustellen, so darf ich doch für dieselben auch in dieser Richtung eine gewisse Beachtung beanspruchen.

Wie schon angegeben, ist die Temperatur der Luft in einer Entfernung von 170mm von der Rohrmitte gemessen. Hieraus geht hervor, daſs die gemessene Temperatur nicht gleichbedeutend ist mit derjenigen, welche in unmittelbarer Nähe der Rohroberfläche in der Luft herrschte. Bei dem glatten Rohr war die Entfernung der Thermometerkugel von der Rohrwand volle 70mm. Redtenbacher hat jedenfalls auch nicht die Temperatur der berührenden Luftschichten gemeint; vielmehr geht aus seinen Anwendungen hervor, daſs unter der äuſseren Temperatur diejenige des zu erwärmenden Raumes verstanden werden soll. Diese ist nun geringer als die von mir in Rechnung gesetzte, nämlich bei Versuch b durchschnittlich 19°, bei Versuch e durchschnittlich 18°. Würde dieselbe daher in Rechnung gestellt, so würde sich k etwas kleiner ergeben, und zwar zu rund 17 für das glatte Rohr. Da bei senkrechten Heizflächen, wie den vorliegenden, eine lebhaftere Spülung der Luft längs der Heizflächen stattfindet als an der Wand eines liegenden Rohres (welches Redtenbacher angenommen zu haben scheint), so weicht der von mir gefundene Werth für k in Wirklichkeit nicht so sehr von Redtenbacher's Zahl ab, als es scheint.

Für die Wärmeabgabe des Dampfes ist der Luftgehalt desselben von erheblichem Einfluſs. Diese längst bekannte Thatsache zeigte sich bei den Vorversuchen in dem Maſse, daſs bei den eigentlichen Versuchen zweckmäſsig, ja nothwendig erschien, zunächst den Dampf während eines kurzen Zeitraumes frei abströmen zu lassen, um einen möglichst luftfreien Dampfraum zu erhalten. Ein Abströmenlassen der Luft und Verschlieſsen des Abströmungsrohres, sobald Dampf austritt, ist zu diesem Zweck durchaus nicht genügend. Wegen der Ergieſsung von Luft in Dampf kann der Rest ersterer nur im Verein mit Dampf entfernt werden; man muſs daher gleichsam den Dampfraum ausspülen. Ob dies bei den vorliegenden Versuchen in dem Maſse stattgefunden hat, daſs von dem Dampfe als luftfreiem die Rede sein kann, oder ob die Spülung in ausgedehnterem Maſse angewendet wurde, als es bei praktischen Anwendungen der Fall zu sein pflegt, vermag ich nicht anzugeben.

Ich kann hierzu nur noch bemerken, daſs mir Besitzer von Dampfheizungsanlagen nicht selten erzählt haben, die Heizkörper würden |6| zuweilen weniger warm als zu anderen Zeiten, und daſs in denjenigen Fällen, welche ich näher untersuchen konnte, dem Uebel durch bessere Luftabführung gesteuert werden konnte.

2) Durch private Mittheilungen erhielt ich Kenntniſs von Aufzeichnungen, welche die Wärmeabgabe sogen. Schachtöfen vom Eisenwerk Kaiserslautern zu Kaiserlautern betreffen.

In dem Kreis-Verwaltungsgebäude zu Tarnowitz (Schlesien) sind zwei der Schachtöfen nach Art der Fig. 1 und 2 Taf. 1 Bd. 226 dieses Journals aufgestellt, die aber mit 8 flachen Röhren ausgerüstet sind. Die Gesammtheizfläche jedes Ofens kann zu 45qm angenommen werden, wovon 30qm auf die Oberfläche der Rippen entfällt. Es wurden in jedem Ofen stündlich im Durchschnitt 15k,33 Würfelkohlen verbrannt, wobei der Rauch mit 150° in den Schornstein entwich. Nimmt man an, daſs von je 1k Kohle 5000c nutzbar gemacht worden sind, so hat jeder Ofen 76650c abgegeben.

Ein Ofen derselben Form und Gröſse ist in der Evangelischen Kirche zu Bonn aufgestellt und vom Civilingenieur Gregor daselbst beobachtet worden. Die in dem Fuſsboden der Kirche liegende Lufteinströmungsöffnung hatte, nach Abzug der zum Tragen der z. Z. des Versuches abgehobenen durchbrochenen Eisenplatten bestimmten Winkeleisen, einen Querschnitt von 1m,380 [0m,870 – (2 × 0m,032)] = 1qm,112. Die Temperatur der aus dieser Oeffnung strömenden Luft war 48¾°. Das Anemometer zeigte eine Ausströmungsgeschwindigkeit von durchschnittlich 1m,75, so daſs secundlich 1cbm,95 Luft ausströmten. Die 14⅜° warme Luft entströmte von dem Fuſsboden der Kirche nach der Heizkammer. Soweit die Gregor'schen Aufzeichnungen.

Da nun 1cbm Luft von 48¾° ziemlich genau 1k,1 wiegt und die specifische Wärme der Luft zu 0,24 in Rechnung gesetzt werden darf, so ergibt sich aus den in Rede stehenden Werthen eine stündliche Wärmeabgabe von 3600 × 1cbm,95 × 1k,1 × 0c,24 × (48,75° – 14,375°) oder rund 63750c. Hiernach waren also von je 1qm Heizfläche nur (63750 : 45) oder rund 1420c abgegeben.

Die vorliegenden Versuche sind in verschiedenen Richtungen lückenhaft. Was zunächst die Gregor'schen Beobachtungen betrifft, so ist nicht ersichtlich, ob auf die Contraction der Luft bei dem Ausströmen derselben Rücksicht genommen ist. In noch höherem Maſse wird der er Werth derselben dadurch beeinträchtigt, daſs durchaus keine Angaben gemacht worden sind über den Zustand der Heizkammer, bezieh. die Dauer des Versuches. Die Durchwärmung der Heizkammerwände beansprucht eine ganz erhebliche Wärmemenge, die indessen von so vielen Einzelheiten abhängig ist, daſs eine Berechnung derselben kaum durchzuführen sein dürfte. Ich mache nur aufmerksam auf die Verdunstung des Wassers feuchter Wände, den Einfluſs der Wandconstruction, die specifische Wärme des Baumaterials. Der einzig ausführbare Weg |7| wird daher in einem längeren Betriebe der Heizung zu finden sein, so daſs die einzelnen Einflüsse zu mittleren sich ausgeglichen haben.

Die Beobachtungen in Tarnowitz würden die Mittel zur Erreichung brauchbarer Zahlen gewähren, wenn gleichzeitig Grasanalysen und Temperaturbeobachtungen stattgefunden hätten. So wie dieselben hier vorliegen, kann man wohl zu einer stündlichen Wärmeabgabe von 76650c für jeden Ofen, also von (76650 : 45) oder rund 1700c für je 1qm Heizfläche gelangen; ebenso leicht aber auch zu einem höheren oder kleineren Werth.

Beide Versuche mögen indeſs zu einer angenäherten Vergleichung der Wärmeabgabe von glatten oder gerippten Guſseisenflächen dienen, da sie hierzu wohl genau genug sind.

Es mag angenommen werden, daſs die wirkliche Wärmeabgabe 1600c für je lqm betragen hätte, also 1600 × 45 = 72000c im Ganzen. Nach verschiedenen vorliegenden Beobachtungen muſs angenommen werden, daſs 1qm glatter Heizfläche eines gut construirten guſseisernen Ofens wenigstens 3000c abgibt. Demnach würden die 15qm glatter Oberfläche des Schachtofens 15 × 3000 = 45000c überführen. Für die 30qm Rippenfläche blieben dann noch 72000 – 45000 = 27000c, also für je 1qm derselben (27000 : 30) = 900c. Das Verhältniſs der Wärmeabgabe von glatter und gerippter Fläche wäre demnach 10 : 3. Die oben unter 1 genannten Versuche ergaben dagegen das Verhältniſs 18,1 : 7,6 oder rund 10 : 4,2. Diese Verhältniſse sind demnach sehr ähnlich, so daſs die geringe Leistung der Rippen auch bei unmittelbarer Wärmeüberführung aus den Verbrennungsgasen in die Luft als nachgewiesen betrachtet werden darf; insbesondere bestätigt das Obige meine frühere Aeuſserung, daſs die Wirkung der Rippen ungünstiger sein wird, sobald sie auf ebenen Wänden sich befinden.

3) Die vorliegende Gelegenheit gibt mir Veranlassung, noch über einen anderen Versuch zu berichten, welchen ich im August 1877 mit einer von Johannes Haag in Augsburg gelieferten Heizschlange vorzunehmen hatte. Fig. 5 und 6 stellen dieselbe nebst ihrer Hülle im Querschnitt und Grundriſs dar. Sie war so aufgestellt, daſs der untere Rand des hölzernen, mit Heu ausgestopften Schachtes 195mm von dem Fuſsboden entfernt war, das Dampfzuführungsrohr a von 25mm Weite und 33mm äuſserem Durchmesser zunächst um 1m,8 senkrecht, dann in einer Länge von 3m,65 in geringer Neigung nach einem höchsten Punkt empor stieg, von wo es nach einem Wassersack rasch abfiel und ein Abführungsrohr b (Fig. 6) das gebildete Wasser auf dem kürzesten Wege auſserhalb des Kastens führte.

Die Bestimmung der verdichteten Dampfmenge fand auf dieselbe Weise statt, wie bei dem unter 1 genannten Versuche beschrieben wurde. Das Rohr der Schlange hatte eine Weite von 25mm und 35mm äuſseren Durchmesser. Die Oberfläche der Schlange berechnet sich – |8| wenn abgesehen wird von dem gröſseren Durchmesser der Verbindungsmuffe und den aus Flacheisen gebildeten Gestelltheilen, da die Länge des Schlangenrohres 15m,44 war – zu rund 1qm,697. Die Oberfläche des Dampfzuleitungs- und Wasserableitungsrohres ist dagegen:

(3m,65 + 1m,8 + 0m,2) × 0m,033 × 3,14

oder rund 0qm,585.

Fig. 5., Bd. 228, S. 8
Fig. 6., Bd. 228, S. 8

Die durch Schirme gegen Strahlung möglichst geschützten Kugeln der Thermometer befanden sich bei c (Fig. 5), und zwar in der Mitte der Länge von Fig. 6. Nachdem durch Vorversuche festgestellt war, daſs die Temperaturen innerhalb sehr enger Grenzen schwankten, begann der eigentliche Versuch am 4. August Nachmittags 3 Uhr 40 Minuten. Die Wärme der einströmenden Luft schwankte fast gar nicht, so daſs während der 2stündigen Beobachtungen – die einzelnen Ablesungen fanden nach je 20 Minuten statt – nur ein Abweichen von 0,5° nach oben und unten von der mittleren Temperatur, nämlich 22° stattfand. Die ausströmende Luft veranlasste ein Schwanken der Thermometer um etwa 1,5° über und unter den mittleren Thermometerstand von 41°. Die Dampfspannung überschritt während einer Zeit von etwa 15 Minuten den durchschnittlichen Werth von 3at,33, und zwar nur um weniges, weshalb ich die genannte Dampfspannung (2at,33 Ueberdruck) als fortwährend vorhanden annehme. 4 Uhr 40 Minuten wurde das bisher gebildete Wasser gewogen und zu 6k bestimmt. Die zweite Stunde lieferte, obgleich die äuſseren Verhältnisse, bis auf die erwähnte, nur kurze Zeit dauernde Dampfspannungserhöhung dieselben waren, 6k,5 Wasser. Diese Mehrleistung vermag ich der genannten Unregelmäſsigkeit allein nicht zuzuschreiben, muſs vielmehr vermuthen, daſs während des Versuches eine gewisse Menge Luft entweichen konnte, so daſs während der zweiten Stunde der Dampf luftfreier war als während der ersten.

Behufs Inrechnungstellung der Rohre auſserhalb der Schlange war in mittlerer Höhe des wenig geneigten Dampfzuführungsrohres ein |9| Thermometer angebracht, welches eine Lufttemperatur von durchschnittlich 26° anzeigte. Die Wärme der das kurze senkrechte Rohr umgebenden Luft, welche ja zum Theil durch die Schlange erwärmt war – das Rohr befand sich am Ende der Schlange – war vielleicht etwas geringer oder etwas höher; der betreffende Unterschied wird aber wegen der geringen Länge des senkrechten Rohres vernachlässigt werden dürfen.

Die während 2 Stunden abgegebene Wärmemenge berechnet sich zu (6k + 6k,5) × 513 = 6412c,5, also die stündliche Wärmeabgabe zu rund 3206c. Durch Gegenüberstellung dieses Werthes mit dem Product aus Uebergangscoëfficient k in die Summe der Producte von Fläche und Temperaturunterschied, ergibt sich aus der Gleichung k (106° × 0qm,585 + 100,5° × 1qm,697) = 3206 der Werth k = 13,7.

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