Titel: PRÄTORIUS, Diphenyl-Oxyd – ein neuer Betriebsstoff für Dampfkraftanlagen.
Autor: Anonymus
Fundstelle: 1926, Band 341 (S. 216–218)
URL: http://dingler.culture.hu-berlin.de/article/pj341/ar341058

Diphenyl-Oxyd – ein neuer Betriebsstoff für Dampfkraftanlagen.

Bekanntlich ist der thermische Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine in erster Linie abhängig von der Verdampfungstemperatur des Frischdampfes und der Temperatur im Kondensator. Der Carnotsche Kreisprozeß ergibt den günstigsten Wirkungsgrad, der bei der Dampfmaschine niemals völlig erreicht werden kann, da |217| einmal die adiabalische Expansion praktisch nicht möglich ist, anderseits auch die Vorwärmung des Speisewassers durch Anzapfdampf in unendlich viele Stufen bis zur Kesseltemperatur sich auch nicht restlos durchführen läßt.1) Allerdings wird durch die Überhitzung bei gleichbleibendem Druck, die beim Carnot-Prozeß nicht möglich ist, der thermische Wirkungsgrad wieder etwas verbessert, so daß man den Idealprozeß der Dampfmaschine (d.h. bei Annahme adiabatischer Expansion) doch ungefähr mit dem Carnot-Prozeß vergleichen kann.

Die Formel für den thermischen Wirkungsgrad beim Carnot-Prozeß lautet: , worin T1 die absolute Frischdampftemperatur, T2 die absolute Kondensatortemperatur ist. Der thermische Wirkungsgrad beträgt also ungefähr für


Kesseldruck
Verdampfungs-
temperatur.
Kondensator-
druck
Kondensator-
temperatur.
Thermischer
Wirkungsgrad
ata °C. ata °C. %
10 179 0,05 32,5 34,6
20 211,4 0,05 32,5 39,3
40 249,2 0,05 32,5 41,5
100 309,5 0,05 32,5 47,5

Eine Drucksteigerung über 100 ata kommt bei der Dampfmaschine aus betriestechnischen und wirtschaftlichen Gründen kaum in Frage. Außerdem ist aber auch die obere Temperatur theoretisch begrenzt durch die kritische Temperatur des Wasserdampfes, die bei 225 ata 374° C. beträgt. Bei dieser Temperatur, die, wie gesagt, praktisch für Dampfmaschinen keine Bedeutung hat, würde der thermische Wirkungsgrad 52,9% betragen.

Um den thermischen Wirkungsgrad noch weiter zu erhöhen, müßte man die Dampfmaschine mit einem Stoff betreiben, der bei hohen Temperaturen geringere Dampfdrücke hat als Wasserdampf und dessen kritische Temperatur erheblich höher liegt. Auf Grund dieser Überlegungen baute Obering. Emmet vor einigen Jahren die bekannte Zweistoff-Dampfmaschine, bei der in der ersten Stufe Quecksilber, in der zweiten Wasser als Betriebsstoff benutzt wird. Als Quecksilber-Frischdampftemperatur wählte Emmet 400° C, das bis 0,04 ata entspannt wird und durch Abgabe seiner Verdampfungswärme Wasserdampf von 20 ata Spannung erzeugt. In der zweiten Stufe wird der Wasserdampf auf 0,05 ata entspannt. Der thermische Wirkungsgrad der Gesamtanlage errechnet sich zu:

%,

er ist also um % besser als bei einer Höchstdruckdampfmaschine von 100 ata Frischdampfdruck.

Die thermischen Vorteile einer Quecksilber-Wasser-Dampfmaschine sind also sehr erheblich. Dem stehen jedoch auch schwerwiegende Nachteile gegenüber, von denen der hohe Preis des Quecksilbers und die sehr giftigen Eigenschaften der Quecksilberdämpfe, die bei etwaigen Undichtigkeiten an Kessel, Rohrleitungen oder, Maschine das Bedienungspersonal gefährden, in erster Linie zu erwähnen snd. Auch die geringe Wärmespeicherfähigkeit des Quecksilbers (die Flüssigkeitswärme ist nur sehr klein) und das hohe spezifische Gewicht ist betriebstechnisch sehr ungünstig, das letztere namentlich deshalb, weil schon bei rd. 1,5 m Höhenunterschied im Kessel die Druckunterschiede zwischen oben und unten rd. 2 at betragen würden; dadurch entstehen erhebliche Temperaturunterschiede in den einzelnen Kesselteilen.

Man ist daher schon seit längerer Zeit bestrebt, einen Stoff zu finden, der ähnlich günstige thermische Eigenschaften hat wie das Quecksilber, ohne dessen betriebstechnische Nachteile aufzuweisen. Wie H. Dow1) mitteilt, ist es nunmehr gelungen, einen solchen Stoff herzustellen, und zwar das sogenannte Diphenyl-Oxyd. Dieser Stoff, über dessen chemische Zusammensetzung und Art der Herstellung Dow keine näheren Angaben macht, ist ein bei gewöhnlicher Raumtemperatur fester weißer Körper, der aber schon bei geringer Verunreinigung schmilzt. Der Schmelzpunkt des reinen Stoffes liegt bei 27° C, der Siedepunkt für athmosphärischen Druck bei 258° C. Die thermischen Eigenschaften sind zwar nicht ganz so günstig wie beim Quecksilber, aber bedeutend vorteilhafter als die vom Wasserdampf. Der kritische Punkt liegt bei 530° C und 32,5 ata, also weit über der Temperatur, die bei unseren heute zur Verfügung stehenden Materialien anwendbar ist. Wenn die mit Diphenyl-Oxyd und Wasser betriebene Dampfmaschine mit 450° C Anfangstemperatur (entsprechend etwa 16 ata Druck des Diphenyl-Oxyd-Dampfes) und 32,5° C Kondensatortemperatur arbeitet, so ergibt sich ein thermischer Wirkungsgrad von

%.

Die thermischen Vorzüge des Diphenyl-Oxyds sind demnach die gleichen wie die von Quecksilber. Erst wenn es möglich wäre, Kessel- und Maschinenbaustoffe zu verwenden, die Flüssigkeits- und Dampftemperaturen über 530° C zulassen, wäre Quecksilber als Betriebsstoff überlegen.

Von besonderer Wichtigkeit ist es aber, daß in wirtschaftlicher und betriebstechnischer Hinsicht das Diphenyl-Oxyd ganz erhebliche Vorteile aufweist. In erster Linie ist der weit geringere Preis und die Möglichkeit, den Stoff in unbegrenzter Menge zu erzeugen, zu nennen. Der Preis beträgt nach Dow 30 cents pro lb., d.h. rd. 2,80 M/kg, während der Quecksilberpreis nach den letzten Notierungen 9,30 M/kg, also mehr als das Dreifache, beträgt. Berücksichtigt man noch, daß beim Bau großer Quecksilber-Kraftwerke die augenblickliche Quecksilbergewinnung der ganzen Welt nicht annähernd ausreichen würde, um den Bedarf zu decken, so würde die gesteigerte Nachfrage wahrscheinlich eine wesentliche Preiserhöhung zur Folge haben, während dies bei Diphenyl-Oxyd, das aus vorhandenen Stoffen in unbegrenzter Menge hergestellt werden kann, nicht zu befürchten ist.

Der weitere große Nachteil des Quecksilbers und seiner Dämpfe ist die Giftigkeit. Nach Dows Mitteilungen hat sich bei den bisherigen Versuchen mit Diphenyl-Oxyd ergeben, daß es weder in flüssiger Form noch als Dampf gesundheitsschädliche Eigenschaften hat. Sein spezifisches Gewicht ist kaum höher als das von Wasser (1,083), so daß also auch im Kessel keine wesentlichen Temperaturunterschiede zwischen den oberen und unteren Teilen auftreten, wie das bei Quecksilber der Fall ist. Auch das bedeutet einen ganz wesentlichen Vorteil, da keine besonderen Kesselbauarten wie beim Quecksilber notwendig sind; würde nämlich zwischen unterem Teil der Siederohre und oberem Quecksilberspiegel ein Höhenunterschied von 5 bis 6 m wie bei den heutigen Steilrohrkesseln bestehen, so würde der Druckunterschied zwischen oben und unten 6,8 bis 8,2 ata betragen |218| und die entsprechende Temperaturdifferenz 100 bis 130° C. Schon aus diesem Grunde ist es bei Quecksilberdampfmaschinen kaum möglich, über 400° C Dampftemperatur im Kessel heraufzugehen, während bei Diphenyl-Oxyd, bei dessen Benutzung auch in hochgebauten Kesseln Temperaturunterschiede von praktischer Bedeutung nicht auftreten, eine Kesseltemperatur von 450° C durchaus möglich erscheint.

Besondere Erwähnung verdient noch die außerordentliche Dampfdichte, die nach Dows Untersuchungen durchschnittlich das 9,4fache der Wasserdampfdichte beträgt. Da der Wärmeinhalt des Diphenyl-Oxyd-Dampfes, je nach der Verdampfungstemperatur, etwa ⅙ bis 1/7 des Wärmeinhalts von Wasserdampf ausmacht, so würde, selbst auf gleichen Wärmeinhalt bezogen, im ungünstigsten Falle die Dichte noch so groß sein als bei Wasserdampf. Mit anderen Worten, bei Benutzung von Diphenyl-Oxyd können die Maschinenabmessungen bedeutend kleiner sein als bei einer Wasserdampfmaschine gleicher Leistung, oder bei gleichen Abmessungen kann die Umdrehungszahl wesentlich verringert werden.

Nur ein Bedenken scheint gegen die Verwendung des neuen Stoffes zu sprechen: seine Zersetzung bei hohen Temperaturen. Dadurch wurde auch seinerzeit Emmet, dem die günstigen thermischen Eigenschaften des Diphenyl-Oxydes bereits bekannt waren, veranlaßt, einen anderen Betriebsstoff für seine Zweistoff-Turbine zu wählen. Wie die neueren Untersuchungen von Dow aber gezeigt haben, ist diese Zersetzung einmal so geringfügig, daß sie praktisch vernachlässigt werden kann, dann aber hat das Zersetzungsprodukt, Phenol, selbst thermisch fast ebenso günstige Eigenschaften wie Diphenyl-Oxyd, so daß es den Arbeitsprozeß nur ganz unwesentlich verschlechtert. Dow hat in einem eisernen Kessel während eines Monats Tag und Nacht das Diphenyl-Oxyd bei 440° C sieden lassen und durch genaue Messungen festgestellt, daß im Höchstfalle während dieser Zeit 2% der Gesamtmenge sich zersetzt haben.

Diphenyl-Oxyd scheint tatsächlich in jeder Hinsicht geeignet zu sein, das teure und giftige Quecksilber bei der Zweistoff-Dampfmaschine zu ersetzen. Es wäre daher sehr wünschenswert, wenn in nächster Zeit eine Versuchsanlage gebaut und durch genaue Untersuchungen die Frage geklärt würde, ob eine solche Anlage nicht nur thermisch, sondern auch wirtschaftlich den neuzeitlichen Hochdruck-Dampfmaschinen überlegen ist. Eine Gegenüberstellung zweier Maschinen, von denen die reine Dampfmaschine mit doppelter Überhitzung (Anfangs- und Zwischenüberhitzung auf je 400° C), die Zweistoffmaschine dagegen nur mit Sattdampf arbeitet, ist in der folgenden Zahlentafel gegeben:

mit Zwischenüberhitzung. Diphenyl-Oxydml
Frischdampf 50 ata 400° C 10 ata 400° C Diph.-Ox.
Abdampf 0,05 ata 32,5° C 0,05 ata 32,5° C Wasserd.
Thermischer Wir-
kungsgrad

40,5%

49%
Gütegrad der Ma-
schine

82%

83%
Mechanischer und
elektr. Wirkungs-
grad


85%


85%
Kessel-Wirkungs-
grad

93%

93%
Verfügbare Kraft
abzügl. Kraftver-
brauch für Hilfs-
maschinen)



95%



94%
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
Wirtschaftlicher
Wirkungsgrad

24,9%

30,2%
–––––––– –––––––––
Gewinn 21,3%
––––––––––

Die Zusammenstellung zeigt, daß auch der wirtschaftliche Wirkungsgrad der Zweistoffkraftanlage bedeutend höher ist als bei der Hochdruckmaschine. Für Hilfsmaschinen muß etwas mehr Kraft bei der Zweistoff-Maschine aufgewandt werden; dafür ist aber ihr Gütegrad etwas besser, vor allem deshalb, weil die Expansion in der ersten Stufe durchweg im Heißdampfgebiet erfolgt. Denn wie das Entropiediagramm erkennen läßt, verläuft die Sättigungskurve derartig, daß bei jeder adiabatischen oder annähernd adiabatischen Expansion der ursprünglich trockene Diphenyl-Oxyd-Dampf überhitzt wird, obwohl die absolute Temperatur natürlich sinkt.

Über die eigentlichen Gestehungskosten, die für die Wirtschaftlichkeit jeder Kraftanlage von mindestens gleicher Bedeutung sind wie die Brennstoffkosten, können bisher noch keine Angaben gemacht werden. Der Betriebsstoff ist, wenn auch viel billiger als Quecksilber, im Verhältnis zu Wasser doch noch recht teuer und ebenso wird die doppelte Maschinen- und Kondensatoranlage die Anlagekosten stark belasten. Ein endgültiges Urteil darüber und ebenso über Lohn- und Unterhaltungskosten wird erst möglich sein, wenn Betriebsergebnisse einer Zweistoff-Kraftanlage mit Diphenyl-Oxyd vorliegen.

Prätorius.

|217|

Zerkowitz [Zeitschrift d. V. d. I. Bd. 68 (1294) S. 1093/96], hat den Beweis erbracht, daß der Clausius-Rantine-Prozeß der Dampfmaschine nur theoretisch, und zwar bei Speisewasservorwärmung durch Anzapfdampf bis zur Kesseltemperatur mit unendlich vielen Stufen den gleichen Wirkungsgrad erreicht wie der Carnot-Prozeß.

|217|

Mechanical Engineering, August 1926.

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