Titel: Zeuner und G. Schmidt, über Kaltdampfmaschinen.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1882, Band 244 (S. 89–94)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj244/ar244034

Ueber Kaltdampfmaschinen.

Bei den Eiserzeugungsmaschinen wird eine Kochsalz- oder Chlorcalciumlösung in Wasser verwendet, welche sich noch unter – 15° bringen läſst, ohne zu gefrieren, und die durch einen Circulationsapparat in durchaus gleichem Kältezustand erhalten wird. Dieser „Heizflüssigkeit“ wird bei der Carre'schen Maschine die Wärme durch ein durchstreichendes Rohrsystem entzogen, welchem flüssiges Ammoniak zugeleitet wird, das auf Kosten der Wärme der Heizflüssigkeit verdampft. Der Ammoniakdampf wird in ein Gefäſs geleitet, in welchem er von Wasser absorbirt wird; diese Flüsssigkeit wird in einen Kessel gepumpt, dort durch Erhitzung das Ammoniak aus dem Wasser getrieben, mittels eines Oberflächencondensators wieder condensirt und neuerdings dem Rohrsystem im Verdampfer zugeführt.

Diesem Absorptionssystem steht das Compressionssystem entgegen, welches schon i. J. 1835 von Perkins, 1856 von Harrison, 1860 von Carré, 1862 von Siebe benutzt wurde, bei welchem aber gewöhnlich Aether verwendet wurde. C. Linde in München hat dieses System unter Verwendung von Ammoniak statt Aether weiter entwickelt, in Folge dessen der Arbeitscylinder ein 16mal kleineres Volumen erhält und das so schädliche Eintreten atmosphärischer Luft durch Undichtheiten entfällt, da die Ammoniakdämpfe bei dem Proceſs eine über dem atmosphärischen Druck liegende Spannung besitzen. Zeuner1) nennt diese mittels eines Compressionscylinders arbeitenden Maschinen Kaltdampfmaschinen, weil sie gewissermaſsen verkehrt laufende Heiſsdampfmaschinen sind, so wie die Kaltluftmaschinen als verkehrt laufende Heiſsluftmaschinen oder die Kreiselpumpen als verkehrt laufende Turbinen angesehen werden können.

Hierbei mag erwähnt werden, daſs die Kaltluftmaschinen zuerst in einem sehr gediegenen Vortrag am 20. Februar 1868 im Architekten- und Ingenieurverein in Böhmen von Hrn. Franz Wellner, jetzt Oberingenieur in der Maschinenfabrik E. Skoda in Pilsen, behandelt wurden, über welchen Vortrag in den Mittheilungen des genannten Vereines, 1867 S. 64 allerdings nur ein höchst dürftiges Referat gebracht ist. |90| Wellner hat seine Erfindung, die später von Windhausen u.a. (vgl. 1870 195 * 115. 1873 207 509. 1875 218 235. 1877 224 * 172) aufgegriffen wurde, nicht weiter verfolgt, weil er sie eben mit voller Sachkenntniſs durchstudiert und erkannt hat, daſs die Kaltluftmaschinen nicht lebensfähig sein können, weil sie im Vergleich zu ihrer Leistung zu theuer ausfallen. Dieser Anstand ist bei der Linde'schen Kaltdampfmaschine nicht vorhanden.

Ein Beispiel einer verkehrt laufenden Heiſsdampfmaschine liefert eine reversirte Locomotive. Die Cylinder arbeiten hierbei als Pumpen, welche von der lebendigen Kraft des Zuges betrieben werden. Hinter dem Kolben wird die Luft aus der Rauchkammer und durch den offenen Cylinderwechsel angesaugt und vor dem Kolben wird die angesaugte Luft erst etwas comprimirt, dann mit frischem Kesseldampf gemischt und in die Dampfkammer und Dampfleitung zurück gedrückt.

Denkt man sich eine stationäre Condensationsmaschine mit Oberflächencondensator durch einen Wasserröhrenkessel bedient und statt der Heizgase eine Heizflüssigkeit, welche das Wasser in den Röhren verdampft, nebst einer Pumpe, welche das Condensationswasser wieder in den Kessel pumpt, so entsteht hieraus eine Kaltdampfmaschine, indem man die Maschine verkehrt laufen läſst, etwa die Schwungradwelle durch ein Wasserrad antreibt und statt Wasser Ammoniak anwendet. Der Arbeitscylinder wirkt dann ohnehin schon als Pumpe, weshalb die Speisepumpe entfallen kann. Das im Condensator entstandene flüssige Ammoniak wird dem mit Salzwasser gefüllten, als Röhrenkessel construirten Verdampfer zugeführt, das Wasser gibt Wärme an das Ammoniak ab, dieses verdampft, die Ammoniakdämpfe werden von dem Arbeitscylinder angesaugt und in den Oberflächencondensator gepreſst, wo sie durch Kühlwasser wieder unter dem hohen Compressionsdruck condensiren und neuerdings dem Verdampfer zugeführt werden können.

Bei diesen Kaltdampfmaschinen kann statt Ammoniak auch schweflige Säure verwendet werden. Eine solche Maschine ist in Wien in Betrieb.

Bezeichnet nach Zeuner:

  • q = 1,01235 t + 0,004189 t2 die Flüssigkeitswärme des Ammoniaks bei der Temperatur t,
  • r = 314,865 – 0,64303 t – 0,004714 t2 die Verdampfungswärme desselben,
  • x die specifische Dampfmenge, d.h. das in 1k Gewicht des Gemenges von flüssigem und gasförmigem Ammoniak enthaltene Dampfgewicht,
  • G das Gewicht des für einen Hub in den Cylinder tretenden Gemenges von der specifischen Dampfmenge x1,
  • |91| p1 die Pressung des von dem Verdampfer in den Cylinder tretenden Gemenges,
  • p2 die durch die Compression des Dampfes entstandene Pressung, welche auch constant im Condensator herrscht,
  • t1, q1, r1, t2, q2, r2 die zugehörige Temperatur, Flüssigkeits- und Verdampfungswärme,
  • x2 die specifische Dampfmenge am Ende der Compression, wo das Uebertreten in den Condensator unter constantem Druck p2 beginnt.

Wird ferner angenommen, daſs die Kühlfläche hinreichend groſs ist, um die ganze Dampfmenge Gx2 vollständig zu condensiren; ist sodann:

  • x3 die specifische Dampfmenge des mit der Geschwindigkeit w durch das Regulirungsventil strömenden Gemenges von der Spannung p1,
  • x4 die specifische Dampfmenge desselben, nachdem durch Wirbelbildung die Geschwindigkeit w abgegeben und in Wärme umgewandelt worden ist,
  • Q1 die Wärmemenge, welche für einen einfachen Hub von der Heizflüssigkeit (dem Wasser) im Verdampfer an das Ammoniak abgegeben wird,
  • dieselbe Wärmemenge bezogen auf die Secunde bei n Umdrehungen der Maschinen welle in der Minute,
  • Q2 die Wärmemenge für einen Hub, welche das Ammoniak im Condensator an das Kühlwasser abgibt,
  • L die indicirte Arbeit des Compressions- oder Arbeitscylinders,
  • A = 1/424 das calorische Aequivalent der Arbeitseinheit; ist endlich:
  • φ ein Erfahrungscoefficient gröſser als 1, durch welchen den Spannungsverlusten durch Widerstände, den Wärmeverlusten nach auſsen und dem Einfluſs der Cylinderwandungen Rechnung getragen werden soll,

so ist, da die Maschine die Wärmemenge Q1 empfängt und die gröſsere Wärmemenge Q2 abzugeben hat:

.

Da ferner die Flüssigkeitswärme q2 des tropfbaren Ammoniaks zum Theil verwendet wird, um x4 Kilogramm bei constantem Druck p1 zu verdampfen, so ist auch:

, . . . . . . (1)

wenn das Glied (p2p1), welches zu q2 zu addiren wäre und der Spannungsänderung der Flüssigkeit von Volumen σ für 1k entspricht, als sehr klein vernachlässigt wird. Hiernach ist:

=
=
=
|92|

.

Die indicirte Pferdestärke ist somit:

. . . (2)

und die effective Pferdestärke Ne kann nach den Ausführungen Linde's ψ = 5/4mal so groſs angenommen werden. Hierin bestimmt sich die specifische Dampfmenge x2 nach dem Gesetz der adiabatischen Linie:

. . . . . . (3)

worin

und nach Zeuner für Ammoniak:

Das angesaugte Volumen ist theoretisch gleich dem Kolbenquerschnitt F multiplicirt mit dem Schub s, also:

oder hinreichend genau:

Da sich aber die im schädlichen Raum befindliche hoch comprimirte Dampfmenge bei dem nächsten Kolbenlauf erst von Spannung p2 bis Spannung p1 und noch etwas darunter ausdehnen muſs, bis das Ansaugen der Dämpfe aus dem Rohrsystem des Verdampfers erfolgen kann, so muſs das wirkliche Volumen Fs erheblich gröſser sein als das theoretische, also:

. . . . (4)

oder, wenn die mittlere Kolbengeschwindigkeit bedeutet:

. . . . (5)

Zeuner nimmt φ = 4/3 an und sagt diesbezüglich (a. a. O. S. 476): „In gleichem Maſse erhöht sich auch die indicirte Arbeit der Kaltdampfmaschine. “ – Dies ist vom theoretischen Standpunkte nicht richtig, denn bei den Gebläsen wird durch den schädlichen Raum nur das nöthige Cylindervolumen, keineswegs aber die Betriebsarbeit principiell erhöht. Die theoretische Gleichung erfordert principiell nur ein Zusatzglied wegen der Wärmeverluste |93| nach auſsen, welche gesetzt werden können, und wenn man: setzt, φ ebenfalls = 4/3, so kann dies ganz wohl der Thatsache entsprechen, ist aber nicht theoretisch zu begründen.

Ferner ist die am Condensator abzuleitende Wärmemenge:

somit in der Secunde:

, . . . . (6)

wenn Gk das Gewicht des Kühlwassers für die Secunde und t', t'' dessen Temperatur bei dem Ein- und Austritt bedeutet.

Die Heizfläche des Verdampfers rechnet Linde mit und die Kühlfläche des Condensators .

Um aus 1k Wasser von 0° Eis von 0° zu erzeugen, muſs demselben die Wärmemenge entzogen werden; hat das Wasser die Temperatur t0 und soll Eis von – t0° erzeugt werden, so ist die für 1k Wasser nöthige Wärmemenge , daher für und mit Zuschlag von 2c durch äuſsere Einflüsse .

Beispiel nach Zeuner: Die Kaltdampfmaschine soll stündlich 250k Eis von – 8° Temperatur erzeugen, also in der Secunde vom Verdampfer wegführen.

Die Heizflüssigkeit muſs zu dem Zwecke, Eis von – 8° zu erzielen, auf der Temperatur erhalten werden. Die Temperatur des condensirten Ammoniaks soll sein.

Die specifische Dampfmenge x1 wird = 0,9 angenommen.

Es folgt nach den Zeimer'schen Formeln und nach der a. a. O. gegebenen Tabelle für gesättigte Dämpfe von Ammoniak:

q 1 = – 14,243 r 1 = 323,45 r 1 = – 0,05363 u 1 = 0,5222
q 2 = 21,923 r 2 = 300,12 r 2 = 0,07742 u 2 = 0,1521

und die Spannung:

p 1 = 1397mm,75 Quecksilber = 1at,839
p 2 = 6466mm,84 = 8at,509.

Hiermit ist zunächst nach Gleichung (1):

nach Gleichung (3):

,

also

und dann nach Gleichung (2):

;

endlich nach Gleichung (5):

Für die Kolbengeschwindigkeit folgt nun: , also der Durchmesser und erst bei einer stündlichen Erzeugung von 1000k Eis wäre nöthig.

Wird hierfür der Kolbenschub gesetzt, so ergeben sich bei im Kolbengeschwindigkeit Umdrehungen in der Minute.

|94|

Bei gleichem Hub und gleicher Tourenzahl erhielten wir für 250k Eiserzeugung das Volumen , also nur 10l Inhalt.

Die effective Pferdestärke beträgt für 1000k Eis 38,25 oder mit 1e effectiv können stündlich 26k Eis erzeugt werden, woraus folgt, daſs man mit 1k Heizkohle 10k Eis erzeugen kann.

Ferner ist nach Gleichung (6):

Für und folgt also: . Im früheren Beispiel ist , also:

(nicht 16k, wie Zeuner rechnet).

Die Heizfläche des Verdampfers folgt , die Kühlfläche des Condensators . Da in der Secunde 1k,6 Kühlwasser 8c aufnehmen, also in der Stunde 28800c durch die Kühlfläche geleitet werden müssen, so entfällt auf 1qm Kühlfläche 1440c in der Stunde bei 5° Temperaturdifferenz, wonach der Wärmedurchgangscoefficient mit 288c, also sehr sicher gerechnet ist, da man denselben Oberflächencondensator mit 600c für 1qm für die Stunde und für 1° Temperaturdifferenz annehmen darf.

Durch die Verdampffläche gehen in der Stunde hindurch, also für 1qm nur 1000c. Rechnet man den Durchgangscoefficienten = 285°, so ergibt sich eine Temperaturdifferenz zwischen Heizflüssigkeit und Ammoniakdampf von 3,5°, d.h. wenn in der Maschine ist, so ist die Temperatur der Heizflüssigkeit immer noch genügend zur Bildung von Eis von .

Handelt es sich nicht um Herstellung von Eis, sondern nur um Erzeugung von Kühlflüssigkeit, so ist es, nicht nothwendig, wie in dem früheren Beispiel zu machen, sondern genügt etwa schon , wodurch auch der Zähler in der Gleichung (2), somit die Pferdestärke für gleichen Betrag von Q1 und Qs wesentlich kleiner wird. Auf das Volumen Fs hat der Unterschied in dem Werthe von t1 nur sehr geringfügigen Einfluſs.

Stellt man endlich die Frage, wie sich eine positiv wirkende Ammoniak-Dampfmaschine gestalten würde, in welcher der Admissionsdampf 40°, also 15at,5 Spannung und der in den Condensator strömende Dampf + 20°, mithin 8at,5 Spannung besitzt, damit die Oberflächencondensation so wie früher möglich ist, so ist klar, daſs eine solche wegen der unvermeidlichen Entweichungen des Ammoniakdampfes bei der hohen Spannung von 15at sich wohl nicht als praktisch erweisen würde. Das condensirte Ammoniak müſste durch eine Pumpe in den Dampfkessel gedrückt werden und man hätte auch hier in Pumpe und Speiserohr die Undichtheiten zu fürchten.

Gustav Schmidt.

|89|

Civil-Ingenieur, 1881 S. 499.

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