Titel: Zur Werthbestimmung der Kohle.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1891, Band 280 (S. 63–69)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj280/ar280026

Zur Werthbestimmung der Kohle.

Nach einem im Journal für Gasbeleuchtung, 1891 S. 21, mitgetheilten Vortrage von H. Bunte.

Mit Abbildungen.

Ueber den Heizwerth und seine Beziehungen zur chemischen Zusammensetzung der Kohle sind in letzter Zeit vielfache sich widersprechende Anschauungen hervorgetreten, so dass es nöthig schien, zur Entscheidung dieser wichtigen Frage neue Versuche auszuführen, über deren Ergebnisse ich kurz berichten werde. Zuvor möchte ich mir erlauben, auf die früheren Untersuchungen einen kurzen Rückblick zu werfen.

Bis um die Mitte der sechziger Jahre waren Versuche über die Verbrennungswärme der Steinkohle so gut wie nicht vorhanden. Zwar waren ausgedehnte Untersuchungen über die Verdampfungskraft der Kohle in Amerika1), England2), Deutschland3) und Frankreich4) ausgeführt worden, da aber bei Dampfkesseln, wie bei allen Feuerungsanlagen, grosse und wechselnde Wärmeverluste stattfinden, welche bei diesen Versuchen nicht ermittelt wurden, so konnten die auf solche Weise gefundenen sogen. praktischen Heizwerthe keine allgemeine Bedeutung besitzen und die Verbrennungswärme der Kohlen, d.h. die gesammte bei der vollkommenen Verbrennung entwickelte Wärmemenge blieb unbekannt. So weit man die Verbrennungswärme in Betracht zog, ging man von der Anschauung aus, dass dieselbe abhängig sei von der Elementarzusammensetzung der Steinkohle, und berechnete den sogen. theoretischen Heizwerth nach der Dulong'schen Regel. Nach dieser soll die Verbrennungswärme einer organischen Verbindung gleich sein der Summe der Verbrennungswärmen der einzelnen Elemente; bei sauerstoffhaltigen Körpern, wie bei Brennstoffen, wurde angenommen, dass der Sauerstoff mit einem Theil des Wasserstoffes bereits zu Wasser verbunden sei, und dieser Theil daher an der Wärmeentwickelung bei der Verbrennung nicht theilnehme. Bezeichnet C den Kohlenstoff, H den Wasserstoff, O den Sauerstoff, S den Schwefel-, W den Wassergehalt der Kohle, so berechnete man den theoretischen Heizwerth nach der Formel

oder einer ähnlich gestalteten.

Es ist nun von vornherein klar, dass diese Regel einen tieferen wissenschaftlichen Werth nicht besitzt, da eine Reihe von Voraussetzungen, unter denen dieselbe aufgestellt ist, offenbar nicht zutreffen; so ist der Kohlenstoff in der Steinkohle nicht als Holzkohle vorhanden, deren Verbrennungswärme mit 8080 eingesetzt ist; ferner ist der Wasserstoff nicht gasförmig und ein Theil des Wassers nicht fertig gebildet in der Kohle vorhanden, wie es nach der Dulong'schen Regel angenommen wird. Man schenkte deshalb dem nach dieser Formel berechneten Heizwerth nur geringes Vertrauen, zumal da keinerlei Versuche vorhanden waren, welche die Regel bestätigen oder die Grösse ihrer Abweichung vom wahren Werthe hätten feststellen können. Erst im J. 1867 führten Scheurer-Kestner und Meunier in Mühlhausen Versuche zur Ermittelung der Verbrennungswärme der Steinkohlen im Kleinen mit Hilfe eines dem Calorimeter von Favre und Silbermann ähnlichen Apparates aus, welcher speciell für die Verbrennung von Steinkohle eingerichtet war. Aus den erhaltenen Werthen glaubte Scheurer-Kestner schliessen zu können, dass die Verbrennungswärme der Kohle nicht nur erheblich grösser sei (um 10 bis 17 Proc.), als die Dulong'sche Formel angebe, ja sogar höher als die Summe der Verbrennungswärmen der Elemente C und H, sondern dass überhaupt die Elementarzusammensetzung der Kohle keinen, auch nur annähernden Schluss auf den Heizwerth der Kohle zulasse.5)

Damit war der chemischen Analyse, durch welche man bisher die Brennstoffe zu charakterisiren und ihren ungefähren Heizwerth festzustellen versuchte, der grösste Theil ihres Werthes genommen, ohne dass man in der Lage gewesen wäre, die Verbrennungswärme der Kohlen in einfacher Weise calorimetrisch zu bestimmen. Denn das von Scheurer-Kestner benutzte Verfahren war nur mit ausserordentlich kleinen Mengen Kohle (0,3 bis 0,5 g) auszuführen, erforderte sehr empfindliche und genaue Instrumente und umständliche physikalische Methoden und war für technische Heizwerthbestimmungen ganz ungeeignet. Trotz der ausserordentlichen Wichtigkeit der Frage nach dem Heizwerthe der Brennstoffe wurden deshalb weitere calorimetrische Versuche zunächst nicht ausgeführt.

Da gegen die Richtigkeit der Beobachtungen von Scheurer-Kestner wiederholt Zweifel auftauchten, so trat das Bedürfniss immer dringender hervor, die Verbrennungswärme, den Gesammtheizwerth der Kohlen mit Verwendung grösserer Mengen unter Bedingungen festzustellen, wie sie bei der praktischen Verheizung, etwa bei Dampfkesselfeuerungen vorhanden sind. Der polytechnische Verein in München errichtete daher unter Aufwand bedeutender Geldmittel, zu welchen Staat und Stadt, sowie opferwillige süddeutsche Industrielle namhafte Beträge beisteuerten, die „Heizversuchsstation München“, welche ihre Arbeiten im J. 1879 begann.

Die Einrichtung der Versuchsanlage, in welcher die Brennstoffe im grossen Massstabe auf ihren Heizwerth geprüft wurden, ist in schematischer Darstellung in Fig. 1 (S. 68,69) wiedergegeben. Wie die Zeichnung erkennen lässt, ist der Versuchsapparat ein, für besondere Zwecke in mehrere Abtheilungen getrennter stehender Röhrenkessel mit Innenfeuerung, in welchem Kohlen, genau wie in jedem Dampfkessel, verheizt werden; der Versuchskessel hat nur besondere Einrichtungen, um alle bei der Verbrennung entwickelte Wärme in den verschiedenen Formen ihres Auftretens messen zu können. Die Versuchsanlage stellt also ein Calorimeter im grossen Massstabe dar.6)

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Bei Ausführung eines Versuches wurden gewogene Mengen Kohle, etwa 200 bis 300 k, während eines 6- bis 10stündigen Versuches auf dem Roste verbrannt. Im Herde sowohl wie in den Kesseln kommen die Verbrennungsgase nirgends mit Mauerwerk, wodurch die genaue Messung der aufgenommenen Wärme sehr erschwert würde, zusammen; die Wärme wird vielmehr direct an durchfliessendes Wasser abgegeben oder zur Dampfbildung verwendet. Um nun die zur Dampfbildung benutzte Wärme zu messen, wurde nicht, wie es gewöhnlich geschieht, die Menge des verdampften Wassers gemessen, sondern der Wasserdampf durch eine eigenartige Vorrichtung mit bekannten Wassermengen von constanter Temperatur condensirt und die Temperaturerhöhung des Condensationswassers gemessen. Es geschah dies, um den Fehler zu vermeiden, welcher dadurch begangen werden könnte, dass der aus den Kesseln entwickelte Dampf entweder feucht oder überhitzt ist; im ersteren Falle würde die Messung des verdampften Wassers zu hohe, im anderen Falle zu niedrige Resultate ergeben haben. Zur Controle der aus dem Condensationswasser berechneten Wärmemenge wurde übrigens in vielen Fällen auch das in den Kesseln verdampfte Wasser mittels eines genau geaichten Speisewassergefässes gemessen.

Ein Theil der von den Heizröhren der Kessel aufgenommenen Wärme geht, wie bei allen Feuerungen, durch Strahlung und Leitung der mit Wärmeschutzmasse bekleideten Wandungen nach aussen verloren. Dieser Verlust wird; ähnlich wie bei den kleinen Calorimetern, durch Abkühlungsversuche bestimmt und besonders in Rechnung gestellt. Er beträgt etwa 5 bis 6 Proc. der gesammten beobachteten Wärme, ist also relativ gering.

Ausser dieser von der Versuchsanlage aufgenommenen Wärme ist noch derjenige Theil des Brennstoffes zu bestimmen, welcher unverbrannt durch den Rost fällt, und der Wärmebetrag zu messen, welcher mit den Verbrennungsproducten die Kesselanlage verlässt und in den Schornstein geht, also der Wärmeverlust durch die Rauchgase. Dieser Wärmeverlust wird gefunden aus der Temperatur und Menge bezieh. der chemischen Zusammensetzung der Rauchgase, welche durch genaue Gasanalysen ermittelt wurde. Summirt man die an allen Theilen der Versuchsanlage gefundenen Wärmemengen, sowohl die von den Versuchskesseln aufgenommene Wärme, als auch die in den Herdrückständen und den Rauchgasen vorhandenen Verluste, so erhält man den Gesammtheizwerth, die Verbrennungswärme der Kohle. Während nun die einzelnen Posten, aus denen sich die Verbrennungswärme eines Brennstoffes zusammensetzt, also Verdampfung und Verluste, je nach den Versuchsbedingungen sehr verschieden sein können, muss die Summe der beobachteten Wärmemenge für ein und dieselbe Kohle immer nahezu gleich sein, da sie gewissermassen den gesammten, im Brennstoffe vorhandenen Wärmevorrath darstellt, der nur je nach den Verhältnissen der Feuerung mehr oder weniger zur Ausnutzung kommt.

In dieser Weise wurde in der Heizversuchsstation eine grosse Zahl von Brennstoffen untersucht7); das Ergebniss dieser Heizwerthbestimmungen stand vollständig im Gegensatze zu den Behauptungen von Scheurer-Kestner. Während man nach dem letzteren annehmen musste, dass die Verbrennungswärme der Kohle mit der Elementarzusammensetzung derselben in keinem Zusammenhange stehe, zeigten die von der Heizversuchsstation München erhaltenen Werthe eine nahe Uebereinstimmung mit dem aus der chemischen Zusammensetzung nach der Dulong'schen Regel ermittelten theoretischen Verbrennungswärme, so dass der Schluss gezogen werden konnte: die Verbrennungswärme der Kohle kann mit einer für die Praxis ausreichenden Genauigkeit aus der chemischen Zusammensetzung der Brennstoffe berechnet werden.

Textabbildung Bd. 280, S. 64
Um die vor nunmehr etwa 10 Jahren an der Heizversuchsstation München gewonnenen Ergebnisse vorzuführen und eine einfache Vergleichung der im Grossen gefundenen Verbrennungswärme mit den aus der chemischen Zusammensetzung kleiner Durchschnittsproben berechneten Werthen zu ermöglichen, habe ich eine bildliche Darstellung gewählt. Auf Fig. 2 sind die Gesammtheizwerthe einiger Saarkohlen zusammengestellt, und zwar geordnet |65| nach ihren Verbrennungswärmen. Diese letzteren sind durch Bänder versinnlicht, deren Länge den bei der vollständigen Verbrennung gelieferten Wärmeeinheiten8) entspricht, und zwar sind 100 W.-E. = 1 mm. Bei jeder Kohlensorte ist die im Versuchsapparate gefundene Verbrennungswärme (ausgezogene Linie mit eingeschriebener Verbrennungswärme) und die nach der Dulong'schen Regel aus der Elementarzusammensetzung berechnete, durch zwei Linien angegeben. Um die Werthe noch weiter vergleichen zu können, ist an der obersten Linie die procentische Abweichung beider Heizwerthe angegeben, bezogen auf den theoretischen Heizwerth = 100.

Textabbildung Bd. 280, S. 65
Bei der Betrachtung dieser Linien findet man, dass neben sehr geringen Abweichungen auch Unterschiede von 3 und 4 Proc. bei einzelnen Kohlensorten vorkommen. Diesen Abweichungen würde man eine grössere Bedeutung beilegen müssen, wenn es sich um die Vergleichung chemisch reiner Substanzen handelte; wenn man aber bedenkt, wie verschieden das Versuchsmaterial und namentlich wie ausserordentlich verschieden die Methoden sind, nach welchen die verglichenen Werthe erhalten wurden, so wird man diese Differenzen als in der Natur der Dinge liegend betrachten dürfen. Während einerseits die Heizwerthbestimmungen mit Hunderten von Kilo Kohle in einem ziemlich complicirten Apparate ausgeführt wurden, sind die berechneten Heizwerthe aus der chemischen Analyse kleiner Durchschnittsproben von etwa 1 g abgeleitet, und zwar nach einer Regel, welche, wie schon eingangs hervorgehoben wurde, nur mit gewissen Einschränkungen als ungefähr zutreffend bezeichnet werden kann. Behält man diese Umstände im Auge, so wird man zugeben, dass der aus den Ergebnissen der Heizversuchsstation München gezogene Schluss vollkommen berechtigt war, wonach – entgegen den bis auf die neueste Zeit wiederholten Behauptungen von Scheurer-Kestner, Fischer u.a. – die Verbrennungswärme der Kohle im Allgemeinen steigt und fällt entsprechend den nach der Dulong'schen Regel berechneten Werthen, dass man demnach mit einer für die Praxis ausreichenden Genauigkeit die Verbrennungswärme der Kohle aus der genauen chemischen Analyse einer Durchschnittsprobe berechnen kann.

Diese Ergebnisse der Heizversuchsstation München sind in weiten Kreisen der Technik mit Vertrauen aufgenommen worden9), und es hat sich auf dieser Basis eine rationelle Controle der Brennstoffe und Feuerungsanlagen entwickelt, welche namentlich in Süddeutschland von dem Bayerischen Dampfkessel-Revisionsverein und dem Director desselben, Herrn Gyssling, weiter ausgebildet worden ist.10)

Nicht die gleiche Aufnahme fanden diese Versuchsergebnisse in der wissenschaftlichen und technischen Literatur, in welcher die Sätze von Scheurer-Kestner vielfache Vertretung fanden und die Methode der Münchener Station als unwissenschaftlich hinzustellen versucht wurde.11) Zunächst trat Scheurer-Kestner mit neuen calorimetrischen Versuchen hervor, welche das gleiche Ergebniss wie die früheren hatten; besonders aber liess F. Fischer (Hannover) in seinen zahlreichen Veröffentlichungen keine Gelegenheit vorübergehen, um die Methoden und Ergebnisse der Münchener Versuchsstation zu discreditiren. Auf Grund eines einzigen von ihm an zahlreichen Stellen veröffentlichten calorimetrischen Versuches mit einem von ihm angegebenen Apparate erklärte er die Scheurer-Kestner'schen Werthe für zutreffend, die Dulong'sche Formel für völlig unbrauchbar

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Textabbildung Bd. 280, S. 67
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und die Ergebnisse der Münchener Station für unrichtig. Demgegenüber hatte Schwackhöfer12) (Wien) bei einer Reihe von 30 Kohlenproben, welche er in einem von ihm angegebenen Calorimeter untersuchte, Werthe gefunden, welche im Allgemeinen sich den von der Münchener Station erhaltenen näherten; er erklärte, dass die „Heizversuchsstation München den Heizwerth der Kohlen zuerst richtig bestimmt“ und dass die von Scheurer-Kestner gefundenen Zahlen viel zu hoch seien.

Durch diese und andere Veröffentlichungen des letzten Jahrzehnts war die Frage nach der Verbrennungswärme der Kohlen in eine solche Verwirrung gerathen, dass es dringend erforderlich war, durch neue Versuche eine Klärung derselben herbeizuführen. Dazu schien mir am geeignetsten die Wiederholung von calorimetrischen Versuchen mit genau denselben Apparaten und Methoden, welche von den Gegnern angegeben und benutzt worden waren, und ich wählte dazu zunächst das Calorimeter von F. Fischer in Hannover. Da es ferner nicht ausgeschlossen war, dass das Ergebniss der Versuche bis zu einem gewissen Grade von der Einrichtung des Apparates abhängig sei, und bisher jeder Beobachter mit einem eigenthümlichen Instrumente gearbeitet hatte, so benutzte ich ausserdem noch ein zweites Calorimeter, welches in seiner ursprünglichen Einrichtung von Berthelot in Paris herrührt, und das Alexejew13) in St. Petersburg zu seinen Untersuchungen gebraucht hatte und mir freundlichst überliess.

Was die Wahl der Brennstoffe anlangt, so habe ich sehr verschiedene Kohlensorten benutzt; da ich vermuthete, dass die Gaskohlen die grössten Abweichungen von der Dulong'schen Regel zeigen sollten, so habe ich vorzugsweise diese berücksichtigt. Weiter habe ich eine Anzahl Saarkohlen verwendet, welche mir von der königl. Bergdirection Saarbrücken auf mein Ersuchen zur Verfügung gestellt wurden.

Textabbildung Bd. 280, S. 68
Für die Darstellung der Versuchsergebnisse, deren Einzelheiten14) ich hier übergehen kann, habe ich die gleiche Anordnung, wie bei den früheren Versuchen gewählt. Die einzelnen Kohlensorten sind nach ihrem Heizwerthe geordnet auf Fig. 3 neben einander gestellt und die Verbrennungswärme durch die Länge der einzelnen Bänder wieder gegeben. Wie auf der früheren Darstellung ist die im Calorimeter gefundene Verbrennungswärme, verglichen |69| mit dem nach der Dulong'schen Regel berechneten und das Verhältniss beider in Procenten des berechneten Werthes ausgedrückt, besonders aufgezeichnet.

Bei Betrachtung dieses Bildes, auf welchem sich sehr verschiedene fossile Brennstoffe befinden, ergibt sich sofort die relativ geringe Abweichung der nach verschiedenen Methoden erhaltenen Werthe, die um so überraschender ist, als die Dulong'sche Regel, wie mehrfach hervorgehoben, ja nur einen Näherungswerth ergeben kann, da ihre Voraussetzungen nur theilweise zutreffen. Statt der von Scheurer-Kestner und seinen Vertheidigern behaupteten Abweichungen von 10 und 15 Proc. zu Gunsten des calorimetrischen Heizwerthes gegenüber dem berechneten konnten wir nur ausnahmsweise Differenzen von – 3,7 und + 2,0 Proc. beobachten.

Im Grossen und Ganzen bestätigen somit die calorimetrischen Versuche im Kleinen durchaus die im Grossen ausgeführten Heizversuche der Münchener Station und führen zu dem Schlüsse, dass die Verbrennungswärme der Kohlen mit der chemischen Zusammensetzung in unmittelbarem Zusammenhange steht und mit einer für die Praxis ausreichenden Genauigkeit aus der Elementarzusammensetzung einer Durchschnittsprobe berechnet werden kann. Ich halte damit die Frage nach der Verbrennungswärme der Kohlen, so weit dieselbe für die Verwendung der Brennstoffe von Bedeutung ist, meinerseits für erledigt.

In den Tabellen auf S. 66 und 67 sind die Ergebnisse der calorimetrischen Versuche; welche unter meiner Leitung von meinem Assistenten A. Bauer mit grosser Sorgfalt ausgeführt wurden, zusammengestellt. Ueber die Art der Ausführung der Versuche, sowie der Berechnung der Resultate folgen nähere Mittheilungen weiter unten in dieser Abhandlung.

(Fortsetzung folgt.)

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1845 Johnson, Report of the Navy Departement of U. S. of America.

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1848 De la Beche und Playfair, D. p. J, 1848 110 212 ff.

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1849 bis 1853 Brix' Untersuchungen über die Heizkraft der Brennstoffe Preussens (Berlin 1853).

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Marozeau, Bull. de la soc. de Mulh.; D. p. J. 1850 117 244.

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Scheurer-Kestner und C. Meunier, Bull. de la soc. de Mulhous., 1868; Comptes rendus, 1869 Bd. 59 S. 414, 1871 Bd. 73 S. 1061, 1873 Bd. 77 S. 1587; vgl. auch Naumann, Die Heizungsfrage, Giessen 1881; dagegen Bunte, Die Resultate der Heizversuchsstation München, Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure, 1882 Bd. 26 S. 440.

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Dass die Versuchsanlage ein vollkommenes „Calorimeter“ ist, welches alle Wärme zu messen gestattet, geht u.a. aus Versuchen mit Holzkohlen hervor, bei welchen im Mittel aus drei sehr nahe übereinstimmenden Experimenten die Verbrennungswärme, des Kohlenstoffes zu 8133 W.-E. für 1 k (Favre und Silbermann fanden 8080 W.-E., Scheurer-Kestner 8100 W.-E., |64| Berthelot 8140 W.-E.) gefunden wurde. Die Behauptung Scheurer-Kestner's, der Versuchskessel sei kein Calorimeter, ist dadurch widerlegt.

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Vgl. Berichte der Heizversuchsstation München, Bayer. Industrie- und Gewerbeblatt, 1879 bis 1883.

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1 Wärmeeinheit = W.-E. = der Wärme, welche 1 k Wasser um 1° C. erwärmt.

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Ich erinnere an die Normen zur Untersuchung von Dampfkesseln und Dampfmaschinen, aufgestellt vom Verein deutscher Ingenieure und dem internationalen Verband der Dampfkesselvereine 1885, bei denen der Heizwerth nach Dulong zu Grunde gelegt wurde. – W. Gyssling, Auswahl, Lieferung und Prüfung von Brennstoffen.

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Vgl. die Jahresberichte des bayer. Dampfkessel-Revisionsvereins 1880 bis 1889. Auswahl, Lieferung und Prüfung von Brennstoffen. Von W. Gyssling. München 1884.

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Vgl. Lüders, Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure, 1882 S. 115; dagegen Antikritik Bunte, Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure; Scheurer-Kestner, Bulletin de la société de Mulhouse. (Juni 1883); F. Fischer an zahlreichen Stellen in D. p. J. und Technologie der Brennstoffe. Braunschweig 1880; besonders S. 382 ff.; Naumann, Die Heizungsfrage. Giessen 1884; Alexejew, Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft, 1887 S. 1557.

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Schwackhöfer, Fresenius' Zeitschrift für analytische Chemie, 1884 S. 453 bis 476.

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Alexejew hat bei seinen ersten Versuchen Werthe erhalten, welche mit denen von Scheurer-Kestner übereinstimmten. Neuere Versuche haben Ergebnisse geliefert, welche die Werthe der Münchener Station bestätigen. Vgl. Berichte der deutschen chemischen Gesellschaft, 1886 S. 1557, und D. p. J. 1887 265 93.

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Beschreibung der calorimetrischen Versuche wird später gegeben.

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