Titel: Flüssigkeitswärmemotor von Dr. Zimmermann.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1901, Band 316 (S. 304–307)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj316/ar316068

Flüssigkeitswärmemotor von Dr. Zimmermann.

Wenn es bislang nicht gelungen ist, und vielleicht kaum versucht worden ist, die Kraft, mit welcher sich Flüssigkeiten bei der Erwärmung ausdehnen, in praktisch nutzbare motorische Arbeit überzuführen, so war hierfür offenbar eine Eigenschaft der Flüssigkeiten massgebend, welche die Erreichung des gedachten Zieles vorab als aussichtslos erscheinen liess, – und zwarist es die hohe spezifische Wärme aller Flüssigkeiten, die einen zu grossen Wärmeaufwand zum Zwecke einmaliger Benutzung der erwärmten Flüssigkeit bedingt haben würde, um irgend welche Aussicht auf nutzbaren Erfolg offen zu lassen.

Da nun die natürlichen Eigenschaften der Körper unveränderlich sind, so mussten Mittel gefunden werden, – den ungünstigen |305| Einfluss der gedachten Eigenschaft der Flüssigkeiten durch besondere Vorkehrungen zu eliminieren, – und dieses ist nach einer von Dr. O. Zimmermann in Ludwigshafen bei R. Oldenbourg-München soeben erschienenen Broschüre, der wir das Nachstehende entnehmen, dem Verfasser derselben gelungen durch Anwendung des „Gegenstromprinzipes“, wie nachfolgend beschrieben und durch einfache Zeichnungen erläutert ist.

Diese Beschreibung entspricht der Patentschrift und ist ergänzt durch einige Leistungsberechnungen, sowie durch allgemeine Betrachtungen über den Flüssigkeitswärmemotor.

Die vorliegende Erfindung bezweckt, die Kraft, mit welcher sich Flüssigkeiten bei der Erwärmung in begrenzten Räumen ausdehnen, in praktisch nutzbare Arbeit überzuführen. – Sie löst dieses Problem durch gegenströmenden Wärmeaustausch zwischen zwei voneinander getrennten Volumen einer Flüssigkeit unter Ergänzung des praktisch unvollkommenen Wärmewechsels durch Hinzufügung von Wärme bei dem gewärmten Volum und Abführung von Wärme bei dem gekühlten Volum Flüssigkeit.

Die Volumzunahme beträgt bei der Erwärmung von 0 auf 100° C:

für Wasser rund 4,3 %
Aether rund 17,5 „
schweflige Säure 27,9 „

und letztere Flüssigkeit erreicht bei 70° C. sogar den Ausdehnungskoeffizienten der Luft.

Die Ausdehnung für ein bestimmtes Temperaturintervall wächst mit steigender Temperatur und beträgt z.B. für Wasser bei Erwärmung von 100 auf 200° C. rund 11,5 %.

Da nun Flüssigkeiten in nur sehr geringem Masse elastisch resp. zusammendrückbar sind, so erfolgt die Ausdehnung mit sehr grosser Kraft.

Fig. 1 stellt den Vorgang schematisch dar:

Der Cylinder W sei erwärmt, der Cylinder K gekühlt. Die einander zugekehrten Cylinderböden der beiden Wechsler W und K sind durch ein Röhrenbündel miteinander verbunden und in diesem Röhrenbündel bewegt sich ein zweites Röhrenbündel, welches mit seinen Enden die beiden Kolben a und b durchsetzt, so dass einerseits die beiden, zwischen den Kolben liegenden Räume (Innenraum) und andererseits die ausserhalb der beiden Kolben liegenden Räume (Aussenraum) miteinander kommunizieren.

Textabbildung Bd. 316, S. 305

Die Kolben sind solcherart vollständig entlastet, auch wenn verschiedene Drucke im Innen- und Aussenraum herrschen.

Bei der gewählten Kolbenstellung ist die im Innenraum befindliche Flüssigkeit (Innenvolumen) warm und die im Aussenraum befindliche Flüssigkeit (Aussenvolumen) kalt. Wird nun der entlastete Doppelkolben a b in die entgegengesetzte Stellung bewegt, so strömt die warme Flüssigkeit nach K und die kalte nach W unter gegenströmendem Wärmeaustausch, so dass eine Abkühlung des Innenvolumens und eine Erwärmung des Aussenvolumens stattfindet, die durch Mantelerwärmung bei W und durch Mantelkühlung bei K ergänzt und vollendet wird.

Innenraum und Aussenraum der Wechsler W und K stehen mit den beiden Cylinderseiten eines Druckcylinders P von bestimmten Abmessungen in ununterbrochener Verbindung, und so muss sich die durch Erwärmung erfolgte Ausdehnung des Aussenvolumens und die durch Kühlung erfolgte Zusammenziehung des Innenvolumens durch Verschiebung des Kolbens c im Druckcylinder ausgleichen. Diese Verschiebung des Kolbens c erfolgt unter einem Drucke, welcher arbeitsleistend benutzt werden kann, und so findet durch hin und her gehende Bewegung des Doppelkolbens ab eine zwangsweiseBewegung des Kolbens c statt, der arbeitsleistend so stark belastet werden kann, als die Apparatur zulässt.

Es ist aber nicht einmal notwendig, einen besonderen Druckcylinder anzuwenden, wenn der Kolben a um soviel grösser genommen wird als der Kolben b, wie der alternierenden Veränderung der Volumen entspricht, so dass alsdann die hin und her gehende Bewegung des Doppelkolbens ab direkt arbeitsleistend nach aussen, etwa durch eine Kolbenstange fortgeleitet werden kann.

Textabbildung Bd. 316, S. 305

Diese eben beschriebene Einrichtung stellt die einfachste Anordnung der Maschine dar und ist mehr bestimmt zur Verbildlichung des Erfindungsgedankens als für die praktische Ausführung.

Für diese scheint es geeignet, den Gegenstromapparat getrennt von den Wechslern anzuordnen, damit nicht das eine Flüssigkeitsvolum durch die hindurchsetzenden Röhren beeinträchtigt werde.

Hierdurch entsteht die Ausführungsform Fig. 2, welche mit den für die Bewegung nötigen, allgemein bekannten Maschinenelementen ausgestattet ist und als neu noch einen Druckregler d aufweist, der einer Steuerung gleich, den Druckwechsel genau im richtigen Momente vollzieht und in Verbindung mit einem Windkessel E den starren Druck der Flüssigkeit in einen elastischen Druck umwandeln soll.

Auch hier ist die Verbindung des Druckcylinders P mit den Wechslern eine ununterbrochene, und die Steuerung bewirkt nur eine alternierende Verbindung der beiden Cylinderseiten mit einem Windkessel E durch die Eingangskanäle und andererseits mit einem offenen oder ebenfalls als Windkessel ausgestalteten Stand röhr F.

Das Hubvolumen des Druckcylinders entspricht genau der Volumenvermehrung, welche durch den beabsichtigten Erwärmungsgrad eintreten muss. Es ist aber dieser Erwärmungsgrad nicht genau konstant zu erhalten und andererseits werden sich die Fassungsräume der Wechsler und des Gegenstromapparates unter den starken pulsierenden Drucken etwas verändern, so dass schon aus diesem Grunde eine Verbindung des Druckraumes mit einem ausgleichenden Windkessel geboten erscheint. Der Druck wechselt von einer Seite zur anderen, und so ergibt sich die Notwendigkeit einer Steuerung, welche abwechselnd die beiden Cylinderseiten mit dem Windkessel E verbindet.

Textabbildung Bd. 316, S. 305
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Es ist aber auch notwendig, den unter Druck in die Endstellung gelangenden Kolben vor der Umkehr zu entlasten und dies geschieht durch dieselbe Steuerung, welche durch einen Schieber oder sonst eine bekannte Steuerungseinrichtung den Druck nach der offenen Seite in ein Standrohr entlässt.

In den Endstellungen des Kolbens öffnet die Hilfssteuerung mit sehr geringer Voreilung, und so beginnt der Hub sofort mit vollem Druck, welcher der Spannung im Windkessel entspricht.

Es ist hiermit zugleich ein Mittel gefunden, um die Maschine mit einem ganz beliebigen konstanten Drucke arbeiten zu lassen, der dadurch erreicht wird, dass nach Anwärmung des Wechslers W Luft in den Windkessel E eingepresst wird, bis der beabsichtigte Druck erreicht ist. Wird auch das offene Standrohr F mit einem Windkessel abgeschlossen, so ist die Möglichkeit gegeben, statt gegen den Druck der Atmosphäre auch gegen jeden anderen Druck arbeiten zu können und hierdurch wird erreicht, dass die angewandte Flüssigkeit auch auf Temperaturen erhitzt werden kann, welche deren Siedepunkt überschreiten.

Es ist dieses von grosser Wichtigkeit, weil, wie eingangs erwähnt worden ist, die Ausdehnungskoeffizienten mit steigen der Temperatur erheblich wachsen. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Anwendung eines besonderen Druckcylinders unterbleiben (Fig. 3), wenn die Querschnitte der Wechsler so gewählt werden, dass sie den Flüssigkeitsvolumen der beiden gewählten Endtemperaturen entsprechen. Es ist dann einer der beiden Wechsler mit dem Druckregler d, dem Windkessel E und dem Standrohre zu versehen, welche vorher mit dem Druckcylinder in Verbindung gestanden hatten. In allen Fällen ist der Gegenstromapparat so zu dimensionieren, dass seine lichten Räume den Inhalt eines Hubvolumen der Wechsler fassen, so dass die gegenströmenden Flüssigkeitsmengen auch ganz aneinander vorbeigeführt werden, denn der Gegenstromapparat würde nicht vorteilhaft arbeiten, wenn er grösser genommen würde. Andererseits ist eine grosse Berührungsfläche für einen möglichst vollkommenen Wärmeaustausch erwünscht, so dass sich die Anwendung vieler enggestellten Röhren kleinen Kalibers empfiehlt. Soll aber eine weitergehende Wärmeökonomie im Wärmeaustausch erreicht werden, so darf die Gegenströmung nicht die Bewegungsrichtung ändern, wie bei den Anordnungen Fig. 1, 2 und 3 gedacht, sondern sie muss in gleichbleibender Richtung verlaufen und dieses kann erreicht werden, wenn mindestens ein Wechsler mit Steuerung für den Ein- und Austritt der pulsierenden Flüssigkeit versehen wird, während der andere Wechsler, einer Pumpe gleich, mit Saug- und Druckventilen versehen sein kann.

Textabbildung Bd. 316, S. 306

Diese Anordnung, welche die Anwendung eines beliebig grossen Gegenstromapparates gestattet, ist in Fig. 4 gegeben.

Natürlich können allgemein statt der Scheibenkolben auch Plungerkolben arbeiten, die sich für hohe Drucke besonders empfehlen.

Die Regulierung der Geschwindigkeit kann durch Drosselung der Elüssigkeitssäulen erfolgen und durch entsprechende Einstellung der Steuerung für den Ein- und Austritt der pulsierenden Flüssigkeit.

Die Drosselung der Flüssigkeitssäulen, sowie die Verstellung der Steuerung kann von Hand oder auch durch einen selbstthätig wirkenden Regulator erfolgen, auch durch verminderte Wärmezuführung könnte eine Regulierung der Geschwindigkeit stattfinden.

Die Spannungen in den Windkesseln und dementsprechend die Flüssigkeitsmengen auf beiden Seiten werden konstant erhalten durch ein belastetes Ventil, welches den Hochdruckraum mit dem Niederdruckraum verbindet und andererseits durch einekleine Pumpe, welche einen etwaigen Flüssigkeitsüberschuss im Niederdruckraum von da nach dem Hochdruckraum zurückführt. Dieser Flüssigkeitswärmemotor kann auch zu verschiedenen anderen Zwecken benutzt werden, so z.B. zur Erzeugung von Druckwasser zum Betriebe der verschiedenartigsten Einrichtungen, wie hydraulische Aufzüge, Pressen u.s.w. Die Arbeitsweise des Motors ist sodann wie nachstehend beschrieben. Die beiden Durchmesser des Wechselkolben ab sind etwas verschieden und zwar um so viel, als erforderlich ist, um die Arbeit des Verschiebens der Kolben mit Steuerung zu bewirken. Die grössere Volumzunahme der Flüssigkeit, welche durch entsprechende Wärmezufuhr und dadurch erfolgter Ausdehnung ihrer Volumen gewonnen worden ist, wird durch ein Druckventil der Arbeitsstelle oder einem Akkumulator zugeführt. Das Volumen der hierdurch abgeführten Wassermenge wird bei jedesmaligem Hubwechsel mittels der Wechselkolben durch ein Saugventil wieder angesaugt und ergänzt.

Für solche Anwendungsweise, bei welcher der Motor als Flüssigkeitswärmepulsator funktioniert, kann derselbe auch in Art der bekannten, direkt wirkenden schwungradlosen Pumpen ausgeführt werden.

Auch können die Wechslerkolben gleichen Durchmesser bekommen, wenn dieselben durch einen besonderen Motor angetrieben werden. Hierdurch wird erreicht, dass die ganze Volumen Vermehrung der beabsichtigten Arbeitsleistung zu gute kommt.

Die ergänzende Erwärmung und Kühlung der beiden Flüssigkeitsmengen kann auch durch besondere Oberflächenapparate bewirkt werden, welche zwischen Gegenstromapparat und Wechsler eingeschaltet werden. Die Erwärmung kann auch durch direkte Beheizung geschehen.

Die Maschine wird mit Kolbengeschwindigkeiten arbeiten, wie solche bei Flüssigkeitspumpen gebräuchlich sind, und kann deshalb auch direkt mit Pumpen gekuppelt werden.

Bei Anordnung der Wechsler in Tandemsystem können die inneren Stopfbüchsen durch ein, die beiden Cylinderböden verbindendes Rohr ersetzt werden, welches die gemeinschaftliche Kolbenstange mit geringem Spielraum umgibt. Der thermische Wirkungsgrad kann nur durch praktische Versuche ermittelt werden, es ist jedoch anzunehmen, dass derselbe sich überaus günstig stellen wird, da keinerlei Wärmeverluste als latente Wärme oder durch Expansion und Kompression entstehen können.

Es mögen nun einige Beispiele über die Berechnung der Leistung des Flüssigkeitswärmemotors folgen, bei Anwendung verschiedener Flüssigkeiten und verschiedener Endtemperaturen unter einem Nutzdrucke von 50 at. Die Wechsler haben bei allen Beispielen 300 mm Durchmesser und 600 mm Hub, somit Hubinhalt = 42411 ccm.

1. Die Flüssigkeit sei Wasser, die Endtemperaturen + 20° C. und + 100° C.,

dann verhält sich v . t20 : v . t100 = 100 : 104
v . t20 = 42411 ccm
dann ist v . t100 = 44107 „
––––––––––––––––
somit Volumgewinn 1696 ccm
= 1,696 l.

Die Ausdehnung von 1696 ccm entspricht bei einem Drucke von 50 at einer Leistung

= 1696 . 50 = 84800 kg/cm = 848 kg/m per Hub.

Die Maschine macht bei 30 Touren pro Minute 60 Hube, somit Leistung per Sekunde 848 kg/m

2. Die Flüssigkeit sei Wasser, die Endtemperaturen + 20° C. und + 200° C.,

v . t 0 = 1,00000
v . t 20 = 1,00161
v . t200 = 1,15899 (16 at Druck)
–––––––––––––––––
Volumgewinn = 0,15738.
v . t20 : v . t200 = 100 : 115,7
wenn v . t20 = 42410 ccm
dann ist v . t200 = 49068 „
––––––––––––––––
somit Volumgewinn 6658 ccm = 6658 l.
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Die Ausdehnung von 6658 ccm entspricht bei einem Nutzdrucke von 50 at

einer Leistung = 6658 . 50
= 332900 kg/cm
= 3329 kg/m
= 44,5 PS.

3. Die Flüssigkeit sei Aether, die Endtemperaturen + 20° C. und + 100° C.,

v . t 20 = 1,030
v . t 100 = 1,175 (6,5 at Druck)
––––––––––––––––
Volumgewinn = 0,145.

In gleicher Weise berechnet wie bei 1 und 2 ergibt sich eine Leistung von 41 PS.

4. Die Flüssigkeit sei schweflige Säure, die Endtemperaturen + 20° C. und + 100° C.,

Dampfspannung bei 20° C. = 4,66 at
100°C. = 22 „
v . t 20 = 1,0375
v . t 100 = 1,2795
––––––––––––––––
Volumgewinn = 0,2420.
Leistung = 68 PS.

Bei Entwickelung einer sehr grossen Gesamtleistung, wobei mehrere Wechslerpaare in Thätigkeit treten, empfiehlt es sich, die Wechsler in gleichem Querschnitte zu nehmen, so dass dieselben nur die Volumenvergrösserung hervorbringen und solcherart mit ganz entlasteten Doppelkolben und leichten Gestängen arbeiten, während die Volumvergrösserung in besonderen für alle Wechsler gemeinschaftlichen Arbeitscylindern zur Wirkung kommt, welche mit versetzten Kurbeln auf dieselbe Welle arbeiten, und die wegen der starken Kolbenstange am besten einfachwirkend ausgeführt werden.

Bei Schiffsmaschinen werden zwei Gruppen von Wechslerpaaren auf je zwei Arbeitscylinder wirken, so dass im ganzen vier Arbeitscylinder auf vier um 90° versetzte Kurbeln arbeiten.

Nehmen wir hierbei eine Kolbengeschwindigkeit von 1 m an, und einen Nutzdruck von 75 at, so liefert je 1 qcm Kolbenfläche gerade 1 PS oder 1 qm Gesamtkolbenfläche 10000 PS.

Zur Erzeugung des hierzu pro Hub gebrauchten 1 cbm Ausdehnungsdruckwassers würden bei 10 %iger Ausdehnung des Wassers (entsprechend 160° C.) 41 cbm Gesamthubvolum der Wechsler notwendig sein, woraus ersichtlich ist, dass eine bedeutende Gesamtleistung auf verhältnismässig kleinem Raum erzeugt werden kann.

Das in den Wechslern erzeugte Druckwasser kann auch an entfernter Stelle Kraft zur Wirkung bringen und zwar:

1. Durch zwei Wassersäulen, welche, von beiden Seiten des kalten Wechslers ausgehend, mit den beiden Seiten eines doppelt wirkenden Arbeitscylinders in unterbrochener Verbindung stehen und dessen Kolben in hin und her gehende, schwungradlose und im Hub nicht scharf begrenzte Bewegung versetzen.

2. Durch nur eine Wassersäule, welche Druckwasser aus den Wechslern empfängt und an die Arbeitsstelle führt, wobei die Wechsler das abgegebene Volum durch Saugventile wieder aufnehmen.

In diesen beiden Fällen müssen die Wechsler von aussen angetrieben werden, da die Anwendbarkeit des elastischen Drucks eines Windkessels ausgeschlossen ist, weil dieser sich sofort durch die Wassersäulen bis an die Arbeitsstelle fortpflanzen und dort expansieren würde, – wohl aber können die Wechsler um so viel verschiedene Querschnitte haben, dass die Bewegung der Wechslerkolben erleichtert wird, durch den Ueberdruck der Hochdruckseite auf den grösseren Wechslerkolben.

Auf der Wassersäule der Hochdruckseite lastet dann der elastische Druck der zu überwindenden Arbeit; ist diese Last aber grösser, als dem zulässigen Maximaldruck der Hochdruckseite entspricht, so muss sich ein Auslass öffnen, der dem maximalen Drucke entsprechend belastet ist.

Dieses könnte ein belastetes Ventil sein, welches sich aber für hohe Drucke nicht empfiehlt.

Es soll vielmehr auch hier ein Windkessel Benutzung finden, dessen Rückwirkung jedoch durch ein Rückschlagventil aufgehoben ist. Die Spannung im Windkessel entspricht dem Maximaldrucke; wird dieser auf der Hochdruckseite überschritten, so tritt von da Wasser in den Windkessel ein und erhöht den Niveaustand und zugleich den Druck in demselben; der Druck soll aber konstant bleiben, und es ist deshalb notwendig, auch das Niveau konstant zu erhalten und dieses geschieht durch Schwimmertöpfe, welche aussen an den Windkessel in Niveauhöhe angeschlossen werden und in Art der Kondenstöpfe nur Wasser, nicht aber Pressluft durchlassen.

Bei wechselnder Gegenströmung sind beide Seiten (Innen- und Aussenraum) durch je ein Rückschlagventil mit dem Windkessel verbunden; bei gleichbleibender Gegenströmung dagegen nur die Hochdruckseite. Bei kleinen Abmessungen können die Wechslerkolben auch von Hand verschoben werden, so bei Handstanzen u.s.w.

Soll das Druckwasser bei einem hydraulischen Fahrstuhle oder zum Speisen eines Akkumulators Verwendung finden, dann sind zwei Paare Wechsler an dieselbe Drucksäule anzuschliessen, so dass die Kolben des einen Paares um ½ Hub zu den Kolben des anderen Paares versetzt sind, damit das Druckwasser stetig zuströme.

Für den Betrieb von hydraulischen Pressen und von Förderpumpen genügt ein Paar Wechsler.

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