Titel: Gollner, über Dampfkessel.
Autor: Gollner, H.
Fundstelle: 1890, Band 276 (S. 303–310)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj276/ar276045

Ueber Dampfkessel; von Prof. H. Gollner in Prag.

(Schluſs des Berichtes S. 216 d. Bd.)

Eine durchaus sachgemäſse und sehr empfehlenswerthe Untersuchung bei Dampfkesseln ist jene zur Klarstellung der Formänderungen derselben anläſslich der hydrostatischen Probe. Prof. Radinger beschreibt anläſslich der Delegirten- und Ingenieur-Versammlung des Verbandes der Dampfkessel-Ueberwachungs-Vereine (24. und 25. Mai 1886) zu Prag die von ihm seit 10 Jahren benutzte Untersuchungsmethode und das hierfür bestimmte Instrument, welches als Fühlhebel-Apparat bezeichnet wurde.

Es unterliegt keinem Zweifel, daſs die Möglichkeit der sicheren und sehr genauen Beobachtung der Formänderungen einzelner Kesseltheile bezieh. ganzer fertig gestellter Dampfkessel unter dem Einflüsse des Probedruckes und des Eigen- wie Wassergewichtes, ferner die Möglichkeit der Verfolgung der Aenderungen dieser Formationen unter wechselndem Drucke, endlich die durch das Instrument gesicherte Anzeige der möglicher Weise schon eingetretenen bleibenden Formänderungen nach Druckentlastung des Kessels von gröſstem Werthe ist für die zuverlässige Beurtheilung der Güte des Kesselmateriales, sowie der ganzen Construction.

Prof. Radinger berichtet über den Fühlhebelapparat, daſs derselbe der äuſseren Form nach einem groſsen Manometer ähnlich sieht, also eine kreisrunde Zifferscheibe mit Glasdeckel und Zeiger zeigt, und auſser diesen Theilen noch eine radial vom Gehäuse abstehende Druckstange besitzt. Die Zifferscheibe hat einen Durchmesser von etwa 200mm, ist vier Theile getheilt, welche je wieder in 100 Untertheile zerlegt sind. Durch Einwärtsdrücken der federnden Druckstange wird der Zeiger in Bewegung gesetzt; die ausgeführte Uebersetzung des Apparates bedingt für 1mm Bewegung der Druckstange eine Zeigerbewegung entsprechend einem Quadranten des Zifferblattes.

Der Apparat wird derart zugestellt, daſs bei Beginn der Untersuchung durch eine Spannung der Druckstange der Zeiger auf das Ende des zweiten Quadranten der Zifferscheibe eingestellt wird. Bei den nun durch den Kesseldruck eintretenden Formänderungen des zu untersuchenden Kesseltheiles kann der Zeiger in dem einen wie anderen Sinne solche von je 2mm (auf 0mm,01 genau), zur Anzeige bringen; insbesondere ist das Verhalten des untersuchten Theiles bei vollständiger Entlastung des Kessels, der Nachweis des Vorhandenseins einer bleibenden Formänderung genau sicherzustellen.

Der Apparat trägt noch eine Centralschraube zur Festigung an |304| einen Ständer, und werden noch für die Druckstange Folgestücke angewendet, um eine gröſste Länge derselben von 1m,5 zu erreichen. Ein Folgestück ist für die rohe Einstellung eingerichtet, während die erwähnte Druckstange die feine Einstellung gestattet. Die Anordnung des Apparates für Untersuchung äuſserer Wände des Kessels oder selbst innen gelegener Haupttheile, wie Flammrohren u.s.w., ist in allen Fällen möglich.

Der Apparat zeigt nach den Mittheilungen von Prof. Radinger eine auſserordentliche Empfindlichkeit und gibt bei richtiger Handhabung durchaus verläſsliche Anzeigen; diese Empfindlichkeit ist um so nothwendiger, als ein mit Wasser gefüllter Dampfkessel, der unter Druck steht, selbst für die geringsten Einwirkungen deutlich sichtbar empfänglich ist. Ein Mann, der sich auf den Kessel stellt oder oben seinen Standpunkt wechselt, wird vom Apparate angezeigt. Auch die Umgebung wirkt durch die Fundamente auf den Kessel zurück. Der Apparat eignet sich, entsprechend aufgestellt, zum Nachweise der Einbiegung des Kessels durch die Wasserfüllung, sowie der Streckung desselben durch den Innendruck; zum Nachweise, ob der bezügliche Kesseltheil genau kreisrund ist oder nicht und zwar durch die Lieferung eines regelmäſsigen bezieh. unregelmäſsigen Diagramms, auf dessen rechtwinkligen Achsen einerseits der augenblickliche Kesseldruck (in at), andererseits die Gröſse der ganzen Formänderung aufgetragen wird. Aus diesem Diagramme können schlieſslich wichtige mechanische Gröſsen, wie der Elasticitätsmodulus des Materiales (die gröſste elastische Formänderung), bei bekannten Kesseldimensionen, endlich der noch für eine vorhandene Wandstärke zulässige Druck (in at) abgeleitet werden.

Die von Prof. Radinger angegebene Untersuchungsmethode sowie der zugehörige Fühlhebelapparat empfiehlt sich zur allgemeinen Einführung wegen der Einfachheit der Durchführung derselben, sowie wegen der Klarheit und Wichtigkeit der erlangten Ergebnisse.

An die eben erläuterte Untersuchungsmethode für Dampfkessel schlieſst sich jene an, welche den Zweck hat, die Festigkeit einzelner Theile bezieh. der ganzen Construction nachzuweisen. Die bezüglichen Versuche, welche auch „Explosions-Versuche“ heiſsen, haben an sich zweifellos einen entscheidenden Werth, wenn sie für die am häufigst vorkommenden Kesselsysteme mit Erfolg durchgeführt werden könnten; sie sind aber für eine zahlreichere Durchführung zu kostspielig und gefährlich. Da den Kesselberstungen stets sehr merkliche Formveränderungen in den einzelnen Kesseltheilen, an den verschiedenen Verbindungsstellen u.s.f. vorangehen, so sind die einzelnen Phasen solcher umfassenden Explosionsversuche vorzüglich geeignet, die den zu untersuchenden Kesseltypus anhaftenden Schwächen und Mängel hinsichtlich der gewählten Form und Lage der Kesseltheile und insbesondere in Bezug auf ihre Verbindungen erkennen zu lassen und derart zur |305| Vervollkommnung des bezüglichen Kesselsystemes in mechanischer Beziehung beizutragen.

Explosionsversuche mit den gewöhnlicheren Kesselsystemen wurden bekanntlich mehrfach in England ausgeführt, sie haben die Bedenklichkeit mancher bisher als gut erkannten Einzelheiten nachgewiesen. Es sei hier insbesondere an die Gefährlichkeit groſser Oeffnungen in den Kesselwandungen, deren Ränder nicht genügend verstärkt sind, erinnert, ferner die Bedenklichkeit der Anwendung gewöhnlicher Winkeleisen für Hauptverbindungen am Kesselkörper hervorgehoben. Desgleichen fanden in Amerika zahlreiche Explosionsversuche hauptsächlich mit den dort herrschenden „Glieder-“ oder „Sectionskesseln“ statt, welche die vorzügliche Verwendbarkeit des amerikanischen Guſseisens für entsprechend geformte Glieder dieser Kessel nachzuweisen geeignet waren. Von den neueren hochinteressanten Explosionsversuchen seien jene hervorgehoben, welche nach Glaser's Annalen für Gewerbe und Bauwesen, 1887, von der Firma S. Huldschinsky und Söhne in Gleiwitz mit dem Sicherheits-Röhrenkessel (Patent Schmidt) durchgeführt wurden.

Die Versuche fanden im Monate Juni 1885 in der Nähe der Stadt Gleiwitz statt; die Versuchsstation war an einer freien und hochgelegenen Stelle erbaut. Ihre Einrichtung bestand aus einem Kesselhause mit Dampfkessel von 61qm,4 Heizfläche und einem 10m hohen Schornstein; unmittelbar neben dem Kesselhause wurde eine tiefliegende bombenfeste Kasematte ausgeführt, aus deren Inneren man die Kesselfeuerung und alle Einrichtungen am Kessel durch geschützte Oeffnungen beobachten konnte. Desgleichen waren Vorrichtungen ausgeführt, um die Speisewasser-Zuführung regeln, die Feuerung bedienen und löschen, die Sicherheitsventile sowie den Rauchschieber öffnen und schlieſsen zu können. Die Dampfspannung wurde durch 4 Manometer gemessen, desgleichen waren zur Messung der Temperaturen zahlreiche Schmelz-Proben vorbereitet.

Es wurden folgende fünf Versuche durchgeführt:

1) Abreiſsen von Schrauben der Verbindungsbogen. 2) Platzen der Wasserrohre. 3 a) Wasserzuführung im Kessel bei erglühten Röhren, b) Heizen ohne Wasser, bis ein Reiſsen der Wasserrohre eintritt. 4) Drucksteigerung bei verkeilten Sicherheitsventilen und geschlossenen Absperrventilen. 5) Einleitung des Siedeverzuges und plötzliche Entlastung. Die Versuche 1, 2, 3 und 5 sollten bei einer Dampfspannung von 10at (normale Betriebsspannung) durchgeführt werden.

ad 1) Der Dampfkessel wurde eine Zeit lang unter 10at Betriebsdruck erhalten, dann durch Abblasen entlastet, hierauf 6 Verbindungsschrauben von den Verbindungsbogen entfernt und der Kessel neu angeheizt und dessen Spannung auf 10at gebracht. Der Kessel zeigte trotz der fehlenden Schrauben keinerlei Undichtheit, und war nach Einsetzen derselben wieder sofort betriebstüchtig.

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ad 2) Wasserrohre wurden in der Wand bis auf 0mm,5 durch Anfeilen einer Strecke von 0m,2 geschwächt; dieselben hielten einen Dampfdruck von 12at sicher aus. Ferner wurden zwei Wasserrohre bis auf Papierdicke in der Wand nachgefeilt und der Kessel wieder angeheizt; ein Dampfdruck von 12at bewirkte keine Zerstörung der Rohre, von denen drei einseitig, drei beiderseitig angefeilt waren. Selbst besondere Inanspruchnahme derselben Rohre durch plötzliches Oeffnen des Dampfventiles, durch Einspritzen von Wasser, Erhöhung der Dampfspannung auf 16at führten keinen Rohrbruch herbei. Zwei neu eingesetzte Rohre wurden in folgender Weise vorbereitet. Das eine Rohr im Hinterkessel wurde an zwei Seiten auf eine Länge von 620mm so weit angefeilt und diese Stellen durch Rundfeilung verbunden, daſs sich kleine Oeffnungen in der Wand zeigten, welche durch Holzpfropfe geschlossen wurden. Das zweite Rohr befand sich im Vorderkessel dicht über dem Roste und wurde auf 1250mm Länge auf Papierdicke in der Wand zugefeilt. Bei 8at,75 Kesselspannung trat die Berstung (Aufrollen) der so geschwächten Rohre ein, während die übrigen Rohre ganz unverletzt blieben. Die Rohrberstung hatte ein Abreiſsen der Verbindungsschrauben an einem Ende, das Abreiſsen des Rohrkopfes am anderen Ende, ein geringes Verbiegen des Verbindungsbogens (aus schmiedbarem Gusse) zur Folge.

ad 3) Nach eingetretenem Erglühen der Wasserrohre pumpte man kaltes Wasser in den Kessel; die Temperatur der Rohre wurde bei diesem und dem folgenden Versuche mittels besonderer Schmelzproben1) ermittelt.

Zur Controle dieser Messungen wurde mittels eines besonderen Fühlhebels die Ausdehnung der unteren Lage der Röhren gemessen und aus dieser und den bekannten Ausdehnungscoefficienten des bezüglichen Metalles die Temperatur desselben bestimmt. Es wurde ermittelt, daſs für jedes Millimeter Rohrausdehnung eine Temperaturerhöhung von 30° C. eintritt, welches Ergebniſs mit den Resultaten der Schmelzproben sehr gut übereinstimmte.

Zum Schlusse der Mittheilungen über die Untersuchungsmethoden der Dampfkessel sei noch auf jene zurückgekommen, welche die Klarstellung des absoluten Wirkungsgrades desselben zum Zwecke hat. Diese Untersuchungsmethode ist durch die Kesselrevisions-Vereine zum groſsen wirthschaftlichen Vortheile der Dampfkesselbesitzer in die groſse Praxis eingeführt worden und hat endlich jene Beachtung gefunden, welche sie vermöge ihres unmittelbaren Nutzens für den wirthschaftlich vortheilhaften Betrieb einer Dampfkesselanlage verdient.

Die Dampfkesseluntersuchungs- und Versicherungs-Gesellschaft in |307| Wien hat durch ihren technischen Director C. Thalwitzer anläſslich des internationalen Congresses der Maschinen-Ingenieure in Paris 1889 einen Beitrag zum zweiten Programmspunkte der Verhandlungen unter dem Titel: Ueber Fortschritte der Dampfkessel-Revisions-Gesellschaften unterbreitet, welcher die Theorie der Untersuchungsmethode der Dampfkessel zum Zwecke der Sicherstellung des absoluten Wirkungsgrades enthält und eine höchst belehrende Zusammenstellung der Ergebnisse von 371 solcher Untersuchungen (1881 bis 1888) – geordnet nach den Kesselsystemen (6 Hauptarten) – bringt.

Die Untersuchungen sind als vollständig durchgeführt anzuerkennen, so weit der absolute Wirkungsgrad einer Dampfkesselanlage in Betracht kommt. Sie sind durchgeführt, um durch einen Dauerheizversuch die Hauptgröſsen zur Lösung der Gleichung:

ηt*) = M ( λ – q0) : B . H = (1 – Σ W : H) = (Af : Ar) (F : R) (λ – q0 : H)

festzustellen. Die besonders wichtige Form des analytischen Ausdruckes für ηt, nämlich

ηt = (ηf . ηF) ξt

in welchem ηt und ηF bezieh. den Wirkungsgrad der Feuerung und der ganzen Heizfläche, endlich ξt einen die gesammten Wärmeverluste in Folge Strahlung und Leitung nach Auſsen berücksichtigenden Factor bezeichnet, kann nach den Ergebnissen der Heiz versuche nicht unmittelbar hinsichtlich der angegebenen Hauptwerthe ηf und ηF verwerthet werden.

Die zahlreichen im Wege des praktisch-wissenschaftlichen Experimentes sichergestellten Hauptresultate werden nun zum Schlusse der Abhandlung zur Zusammenfassung von Schluſsfolgerungen ausgenutzt, die im Folgenden der Hauptsache nach wiedergegeben sind, so weit dieselben für die groſse Praxis von unmittelbarem Interesse sind.

Nimmt man zunächst den mittleren theoretischen Heizwerth der Brennstoffe Hcal, ferner die mittlere Anstrengung der Rostfläche der Kesselanlagen, welche zur Untersuchung kommen, in Betracht, so daſs Af = B : R als Maſs dieser mittleren Anstrengung dient, so ergibt sich die ThThatsache, daſs das Product H × (B : R) fast eine constante Gröſse wird und rund 522000cal beträgt; d.h. durchschnittlich kann auf eine Wärmeentwickelung von 500000cal für die Stunde und 1qm Rostfläche gerechnet werden.

Betrachtet man den Zusammenhang zwischen den sogen. Luftüberschuſscoefficienten für die Verbrennung (n) und den Nutzeffect (ηt) der Kesselanlagen, ist F : R die relative Gröſse des Kessels oder das

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Verhältniſs der Heiz- zur Rostfläche derselben, so bezeichnet der Ausdruck die für 1qdcm Heizfläche und für die Stunde entwickelbare Wärmemenge, welche n. fr. durchschnittlich beträgt. Nimmt man auf die einzelnen Kesselsysteme Rücksicht und ordnet diese wieder nach den Werthen BH : 100 F, so lassen sich für n und ηt gewisse Resultate bilden. Diese gestatten nun, einen Ueberblick über den Werth der einzelnen Kesselsysteme zu gewinnen.

So ergab sich z.B., daſs durchschnittlich der absolute Wirkungsgrad für alle untersuchten Cylinderkessel mit Neben- und Unterkessel erreichte ηt = 60 Proc.

Die wichtige Beziehung zwischen n und ηt läſst sich für (BH : 100 F) = Constans, in folgender Weise ausdrücken:

Der absolute Wirkungsgrad der Kesselanlage ηt steigt mit abnehmendem Werth von n und zwar vergröſsert sich η um 10 Proc., wenn n um 0,38 (für ηt zwischen 60 Proc. und 80 Proc.) vermindert, und n um 0,64 verkleinert wird, wenn ηt zwischen 40 Proc. und 60 Proc. liegt. – Jener Heizer wird unter Voraussetzung einer bestimmten Dampferzeugung mit einem beliebigen Kesselsysteme B rein verbrauchen, der bei noch vollkommener Verbrennung mit n nie die Feuerung zu führen vermag. Für n = Constans steigt ηt um 10 Proc., wenn (BH) : 100 F um 100cal vermindert wird.

Für (BH : 100 F) = Constans findet sich, daſs:

Der Flammrohrkessel dem Cylinderkessel mit Unterkessel um 3 Proc. überlegen ist.

Der Wellrohrkessel den gewöhnlichen Flammrohrkessel um 2 Proc. übertrifft.

Für Cylinder und Flammrohrkessel kann durch deren Combination mit Röhrenkessel-Systemen der Werth ηt um 7 Proc. bis 8 Proc. gehoben werden.

Für die Combination eines Dampfkessels mit einer Tenbrink-Vorlage kann der Werth ηt um 10 Proc. bis 13 Proc. erhöht werden.

Die Wärmedurchgangs-Coefficienten nach Redtenbacher (kr)cal und nach Rankine (Kr)cal geben mit ihren ursprünglichen mittleren Werthen (kr = 23cal und Kr = 0,06) unbrauchbare Resultate.

Es erschien zweckmäſsig, diese Werthe für die einzelnen Kesselsysteme zu ermitteln.

Diese Systeme waren A) Cylinderkessel mit Unterkessel, B) Cylinderkessel verbunden mit Röhrenkessel, C) Flammrohrkessel, D) Flammrohrkessel verbunden mit Röhrenkessel. Für den Coefficienten krcal nach Redtenbacher ergab sich eine Veränderlichkeit nach dem Kesselsystem und je nachdem dasselbe als eigentlicher Kesselapparat (Nichtstromapparat)

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(kr') oder als Stromapparat (kr'') arbeitete und nach der Anstrengung der Heizfläche Af = M (λq0) : F hinsichtlich Wärmeleitung.

Die mittleren Werthe für kr' und kr'' für die vier Kesselsysteme (A – D) waren rund:

System Durch-
gangs-
Coefficient
M (λq0) : F in cal
5000–10000 10000–15000 15000–20000
A kr'
kr''
14,0
17,0
20,0
23,0
26,0
29,0
B kr'
kr''
15,0
18,0
23,0
27,0

C kr'
kr''
14,0
17,0
18,0
21,0

D kr'
kr''
13,0
11,0


Die Durchgangscoefficienten Kr nach Rankin, und zwar Kr' für eigentliche Kesselapparate und Kr'' für Stromapparate, lieſsen ihre Unabhängigkeit von dem Werthe M (λ – q0) : F erkennen, zeigten sich Jedoch abhängig von den Producten der Temperaturgefälle und zwar: (T0w) (_T2t0), wenn bedeutet: T0 und T2 die Anfangstemperatur der Rauchgase über dem Roste bezieh. die Endtemperatur der gesammten Heizfläche (F), ferner w und t0 bezieh. die Dampftemperatur und die Temperatur des Speisewassers.

Für die mittleren Werthe von Kr' und Kr'' fand sich je nach dem Kesselsysteme und dem Werthe der Gröſse (T0w) (T2t0) rund:

System Durch-
gangs-
Coefficient
(T0w) (T2t0)
100000–200000 200000–300000 300000–400000
A Kr'
Kr''
0,05
0,07
0,04
0,05
0,04
0,05
B Kr'
Kr''
0,05
0,07
0,04
0,04
0,03
C Kr'
Kr''
0,04
0,06
0,04
0,05
0,03
0,04
D Kr'
Kr''
0,04
0,05
0,03
0,03
0,02

Die Werthe der beiden Tabellen lassen erkennen, daſs im Allgemeinen Kessel mit Unterfeuerung gröſsere Werthe für den Durchgangscoefficienten ergeben, als Kessel mit Innenfeuerung.

Die Durchgangscoefficienten für Stromapparate sind im Allgemeinen gröſser, als jene für die reinen Kesselapparate. Die Differenz dieser Werthe für die einzelnen Kesselsysteme ist sehr nahe constant. Die Tabellenwerthe sind für die erste Orientirung über die Wärmetransmissions-Fähigkeit |310| eines gegebenen Kesselsystemes bei gewisser Inanspruchnahme der angewendeten Kesselheizfläche sehr brauchbar.

Auſser der eben behandelten umfassenden Untersuchung einer Kesselanlage soll – wenn irgend möglich – eine besondere Untersuchung der ausgenutzten Feuerungsanlage erfolgen und zwar hinsichtlich ihres Wirkungsgrades (ηf), als auch hinsichtlich des im Feuerraume sich einstellenden Temperaturgefälles und zwar zwischen T0 für F = o und Tf für F = Fd d. i. der im Bereiche des Feuerraumes gelegenen, theils strahlenden, theils leitenden Heizfläche. Das Gefälle T0 – Tf ist für jede Feuerung kennzeichnend und liefert der Ausdruck (T0Ff) : T0 = s die sogen. Charakteristik der Feuerung. Die Berechnung von T0 ist zulässig, wenn H und die specifische Wärme der Verbrennungsgase ermittelt ist, der Werth Tf muſs auf dem Wege des Versuches gefunden werden. Zur Durchführung dieses Versuches ist das Elektro-Pyrometer von Siemens zu benutzen oder derselbe nach der calorimetrischen Methode zu erledigen. Derartige Versuche verursachen viel Mühe und sind zeitraubend, jedoch für die Klarstellung der Temperaturgefälle im Feuerraum und der besonderen Wirkungsweise der angeordneten Feuerungsanlage von entscheidender Wichtigkeit.

Die Ermittelung des theoretischen Wirkungsgrades der gesammten Heizfläche und zwar des Werthes ηF = (T0 – T2) : T0, sowie der schon früher erwähnten Vorzahl ξt zur Klarstellung der Wärmeverluste in Folge Strahlung und Leitung nach Auſsen und zur Bestimmung des effectiven Wirkungsgrades der Heizfläche ξt (T0 – T2) : T0 sind Aufgaben der besonderen Untersuchungen einer Dampfkesselanlage.

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Zinn 235° C., Wismuth 270°, Blei 334°, Zink 433°, Aluminium 600°, 0,75 Silber, 0,25 Kupfer 850°, 0,57 Silber, 0,43 Kupfer 900°, Reines Silber 1000°, Kupfer 1100°.

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Es bezeichnet ηt den absoluten Wirkungsgrad, Mk, Bk bezieh. die für die Versuchsdauer verbrauchte Speisewasser- und Brennstoffmenge, H den theoretischen Heizwerth des Brennstoffes, Σ W die totalen Wärmeverluste, Af und Ar die Anstrengung der Heiz- und Rostfläche, F, R die Heiz- und Rostfläche, (λ – q0) Wärmeaufwand für die Gewichtseinheit Kesseldampf.

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