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Dampfmaschine.
[* 2] Über die
Größe des Arbeitsverlustes, der in den
Dampfmaschinen
[* 3] durch
Reibung
[* 4] verursacht
wird (Reibungsarbeit der
Dampfmaschine), hat neuerdings Thurston in
Ithaka
(New York)
Versuche angestellt, deren
Resultate deshalb beachtenswert
sind, weil
sie den bisherigen
Ansichten über die Reibungsarbeit widersprechen. Bisher nahm man nämlich nach de Pambour an,
daß die Reibungsarbeit der
Dampfmaschine sich aus zwei Teilen zusammensetzt, deren einer konstant
ist und durch die Leistung der leergehenden
Maschine
[* 5] dargestellt wird, während der andre der jedesmaligen Nutzleistung proportional
ist.
Aus den von Thurston angestellten
Versuchen hat sich jedoch ergeben, daß die Gesamtreibungsarbeit einer
Dampfmaschine konstant und von der
jedesmaligen Belastung ganz unabhängig ist, demnach nicht in demselben
Maße wie der sie verursachende
Druck zunimmt. Die Gesamtreibungsarbeit wird aus den beim Leergang der
Maschinen abgenommenen Indikatordiagrammen erhalten,
deren
Fläche proportional dem Arbeitsverlust angesehen werden kann. Außer der Gesamtreibungsarbeit hat Thurston auch ermittelt,
welcher Betrag derselben auf die verschiedenen miteinander arbeitenden Teile der
Dampfmaschine entfällt
(Lager
[* 6] der Schwungradwelle,
Kurbelstangenkopf und Kurbelzapfen,
Kolben und
Cylinder,
Kolbenstange und Stopfbuchse,
Schieber und Schieberspiegel,
Exzenter und Exzenterbügel,
Luftpumpe
[* 7] etc.). Die Gesamtreibungsarbeit betrug bei einer der untersuchten
Maschinen konstant
0,12 der effektiven Totalleistung, wenn der
Schieber nicht entlastet war, dagegen nur 0,09 bei Entlastung des
Schiebers.
Bei andern Maschinen lag der Betrag zwischen 0,089 und 0,095. Auch bei Verbundmaschinen (Compoundmaschinen) blieb er konstant und betrug hier bei verschiedenen Maschinen 0,135-0,175 der effektiven Totalleistung. Konstant ist hierbei in dem Sinne zu verstehen, daß eine Änderung der Reibungsarbeit weder mit der effektiven Leistung der Maschine, noch mit der Verschiedenheit der Arbeitsverteilung auf die Cylinder einer Verbundmaschine eintritt, solange die Maschine in dem gleichen Zustand der Schmierung erhalten wird.
Sehr bedeutend ist der Anteil der Lager der Schwungradwelle an der Reibungsarbeit; er beträgt bei Maschinen gewöhnlicher Konstruktion 0,33-0,5 der totalen Reibungsarbeit, also ungefähr 5-10 Proz. der bei voller Belastung auf den Dampfkolben übertragenen Arbeit. Bei guter Schmierung soll sich dieser Anteil auf 0,1 und weniger der totalen Reibung zurückführen lassen. Thurston empfiehlt daher, an den Schwungradwellenlagern eine kleine Öldruckpumpe anzubringen, welche fortwährend Öl zwischen Lager und Wellenzapfen einpreßt und so eine Ölschicht erhält.
Die Reibung eines nicht entlasteten Schiebers betrug 26 Proz. der totalen Reibung, kann aber durch eine sorgfältige Schieberentlastung auf 2,6 der Totalreibung vermindert werden. Dies ist besonders wichtig für Maschinen, deren Schieber direkt vom Regulator [* 8] beeinflußt wird. Die Reibung des Kolbens und seiner Stange läßt sich nicht genau angeben und hängt besonders von der Beschaffenheit der Maschine und der Aufmerksamkeit des Wärters ab. Es ergaben sich bei sorgfältig ausgeführten Maschinen und hinreichender Schmierung etwa 20 Proz. der totalen Reibung als Minimum. Die Reibung der Kurbelzapfen, Kreuzkopfführungen, Exzenter etc. soll von untergeordneter Bedeutung sein: durch besonders gute Schmierung würden demnach etwa 5 Proz. der ¶
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auf den Kolben übertragenen Arbeit, welche bisher als Reibungsarbeit verloren gingen, noch als Nutzarbeit verwertbar gemacht werden können.
Beobachtungen über die Erschütterungen der Gebäude durch Dampfmaschinen haben ergeben, daß namentlich das Zusammenfallen
der Schwingungsdauer der tragenden Balken mit beliebigen Vielfachen der Zeit eines Kolbenhubes gefährlich werden kann, weil
sich in diesem Falle die Stoßwirkungen summieren. Man kann sich hierbei dadurch helfen, daß man der
Maschine dauernd eine andre Geschwindigkeit erteilt. Eine 10pferdige Westinghouse-
Dampfmaschine, die in der obern Etage einer Silberwarenfabrik
aufgestellt war, verursachte solche Erschütterungen, daß noch in Entfernungen von 100 m Gegenstände von ihren Gestellen herunterfielen.
Nach einer Erhöhung der Umdrehungszahl der Maschine um 22 Gänge in der Minute war der Übelstand vollständig
beseitigt.
Eine neuere schnell laufende
Dampfmaschine, Newalls Verbundschnellläufer, hat im äußern Aufbau viel Ähnlichkeit
[* 10] mit der bekannten
Westinghouse-Maschine. Zwei nebeneinander stehende, einander ganz gleiche Doppelcylinder sind auf einen rechteckigen Kasten
gesetzt, in welchem die Kurbelwelle gelagert ist und umläuft. Dieser Kasten ist dann gleich mit der zu
betreibenden Maschine (z. B. einer Dynamomaschine) auf eine Fundamentplatte geschraubt, und so ist
Kraftmaschine und Arbeitsmaschine zu einem Ganzen vereinigt.
Der Kasten hat an seinen Längsseiten Öffnungen, die den Zugang zu den Köpfen der Bleuelstangen gestatten, gewöhnlich aber durch Deckel verschlossen sind. Die Cylinder der Maschine sind einfachwirkend. [* 9] Fig. 1 zeigt einen Doppelcylinder im Durchschnitt; zunächst über jeder Kurbel [* 11] steht ein nach unten offener Niederdruckcylinder a, in welchem ein hoher Kolben b gleitet, der ohne Kolbenstange direkt mit der Bleuelstange c verbunden ist. Auf dem Kolben des Niederdruckcylinders steht, fest mit ihm verbunden, der nach oben offene Hochdruckcylinder d, der also die Bewegungen des Niederdruckkolbens mitmacht und sich dabei auf einen Kolben e aufschiebt, der von dem Deckel des Niederdruckcylinders getragen wird.
Eigentümlich ist die Steuerung. Es ist nämlich der Zapfen [* 12] f, mit welchem die Bleuelstange c im Kolben b gelagert ist, zugleich als Rundschieber ausgebildet, und der Kolben b selbst, der zugleich als Kreuzkopf [* 13] dient, ist außerdem auch noch Schieberkasten und Schieber. Der Bleuelstangenzapfen steckt in einer cylindrischen Bohrung des Niederdruckkolbens rechtwinkelig zur Kolbenachse und wird durch die Seitenschwingungen der Bleuelstange in eine hin- und hergehende Drehbewegung versetzt; hierdurch wird der innere Raum des hohlen Kolbens b abwechselnd mit dem kleinen und dem großen Cylinder in Verbindung gesetzt, während die Verbindung des innern Kolbenraums mit der Dampfzu- und -Ableitung durch die auf und nieder gehende Bewegung des Kolbens herbeigeführt wird.
Der Dampf [* 14] wirkt nun in folgender Weise: er tritt durch den rechten Niederdruckkolben in den rechten Hochdruckcylinder, geht dann wieder durch den rechten Kolben nach dem linken Kolben und durch diesen zum linken Niederdruckcylinder und darauf, nochmals den linken Kolben durchstreichend, ins Freie. Abwechselnd hiermit tritt der Dampf zuerst durch den linken Niederdruckkolben in den linken Hochdruckcylinder, von hier durch beide Kolben in den rechten Niederdruckcylinder und durch den rechten Kolben ins Freie. Der Dampf expandiert also immer von dem Hochdruckcylinder des einen Doppelcylinders in den Niederdruckcylinder des andern.
[* 9] ^[Abb.: Fig. 1. Newalls Verbundschnellläufer.]
In den heute gebräuchlichen Einspritzkondensatoren für Dampfmaschinen wird dem Dampf behufs Kondensation die Wärme [* 15] durch Mischung des Dampfes mit Einspritzwasser entzogen, in den Oberflächenkondensatoren durch Übertragung der Dampfwärme durch Metallwände auf das Kühlwasser. Theisen bringt das Kühlwasser eines Oberflächenkondensators mittels großer, ins Kühlwasser eintauchender Scheiben zur Verdunstung, entzieht hierdurch diesen und somit indirekt dem Kühlwasser, den Kondensationsrohren und dem Dampfe Wärme.
Der Dampf durchstreicht ein Röhrenbündel, welches vom Kühlwasser umgeben ist. Zwischen je zwei senkrechten Röhrenreihen sind große kreisrunde Scheiben etwa bis zur Hälfte in das Kühlwasser getaucht, die, in Drehung versetzt, das sie benetzende Wasser mit empornehmen. Über den aus dem Wasser herausragenden Teil der Scheiben streicht Luft, welche durch einen Ventilator angesaugt wird, so daß das anhaftende Wasser verdunstet und durch die Verdunstung eine Abkühlung der Scheiben erfolgt.
Bei weiterer Drehung der Scheiben tauchen die abgekühlten Flächen wieder ins Kühlwasser ein und sind nun befähigt, dem wärmern Kühlwasser Wärme zu entziehen, welche dieses den Röhrenwandungen, bez. dem Dampfe entnimmt. Durch die Drehung der Scheiben wird auch das Kühlwasser in Bewegung gesetzt, so daß immer neue Wasserteilchen mit den Röhren [* 16] in Berührung kommen und somit der Wärmeaustausch zwischen Wasser und Dampf beschleunigt wird. Da zur Verdunstung von 1 kg Kühlwasser etwa ebensoviel Wärme nötig ist, wie 1 kg Abdampf bei seiner Verflüssigung abgibt, so wird nur so viel Kühlwasser verbraucht, als sich Abdampf kondensiert. Die höhern Anschaffungskosten dieses Kondensators sollen reichlich wieder ausgeglichen werden durch die Ersparnis an Kühlwasser sowie dadurch, daß das Niederschlagswasser eine 25 Proz. höhere Temperatur hat als bei Einspritzkondensation, also dem Kessel mit dem Speisewasser entsprechend mehr Wärme zugeführt wird. Ausgeführt wird dieser Kondensator [* 17] von Langen u. Hundhausen in Grevenbroich.
Von F. J. Weiß in Basel
[* 18] ist unter dem Namen Gegenstromkondensation eine neuere Art von Einspritzkondensation (Mischkondensation)
für Dampfmaschinen angegeben worden, welche sich besonders zum Kondensieren großer Dampfmassen, also für große Dampfmaschinen
und für Zentralkondensationsanlagen, welche von einer größern Anzahl von Dampfmaschinen den Dampf absaugen
sollen, eignet. Weiß berichtet darüber in »Stahl und Eisen«,
[* 19] 1889, Nr. 8: Eine jede Kondensation besteht im wesentlichen aus
zwei zusammenarbeitenden Teilen, aus dem eigentlichen Kondensator, einem Gefäß,
[* 20] in welchem der von der
Dampfmaschine zuströmende Abdampf
durch eingeführtes Kühlwasser möglichst vollständig zu Wasser verdichtet werden soll, und aus den Vorrichtungen,
welche die erforderliche Luftverdünnung im Kondensator unterhalten, indem sie die dort vorhandene, im Kühlwasser und im Kesselspeisewasser
absorbiert gewesene oder durch undichte Stellen eingedrungene Luft, bez. das durch die Mischung des Dampfes mit dem Kühlwasser
entstandene Warmwasser absaugen. Wenn eine Pumpe
[* 21] zugleich mit der Luft auch das warme Wasser aus dem
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Kondensator zu schaffen hat, so nennt man sie nasse Luftpumpe. Findet aber die Wasserentnahme aus dem Kondensator getrennt von der Entlüftung statt (entweder durch eine Warmwasserpumpe oder einfacher durch ein bis zu mindestens 10 m Tiefe führendes Abfallrohr), so nennt man die nur die Luft fortschaffende Pumpe eine trockne Luftpumpe. Bei der Gegenstromkondensation findet die getrennte Wasser- und Luftentnahme Anwendung. Der in jedem Kondensator herrschende Gesamtdruck p, der jedenfalls bedeutend geringer als der Druck der Atmosphäre sein muß und in der Regel 0,15-0,3 Atm. beträgt, setzt sich aus zwei Teilen zusammen: aus dem Druck d des im Kondensator anwesenden Dampfes und aus dem Druck l der im Kondensator anwesenden Luft, und zwar so, daß p = d+ l ist. Diesen Gesamtdruck mit möglichst geringen Mitteln (kleiner Kühlwassermenge, kleiner Luftpumpe, geringer Betriebskraft) möglichst niedrig zu halten, ist die Aufgabe der Kondensationsanlage.
Der Dampfdruck d hängt, gute Verteilung des Kühlwassers vorausgesetzt, lediglich von der Temperatur des ablaufenden Warmwassers ab und diese wiederum nur von der Menge und Temperatur des zur Verfügung stehenden, bez. in Verwendung genommenen Kühlwassers, hat also unter gegebenen Verhältnissen eine bestimmte unveränderliche Größe. Der andre Teil des Gesamtdrucks d dagegen, der Luftdruck l, läßt sich durch eine zweckmäßige Art und Weise der Luftabführung sehr niedrig halten.
Hierin liegt das Wesen der Gegenstromkondensation. Während bei richtiger Anlage, abgesehen von dem für sich entfernten Warmwasser, die Luftpumpe nur noch Luft abführen soll, ist sie bei der gewöhnlichen Art der Kondensation (Parallelstromkondensation) so angebracht, daß sie ein Gemenge absaugt, welches zum größten Teil aus Dampf und nur zum geringsten Teil aus Luft besteht. Sie verrichtet aber dadurch eine Menge unnötiger Arbeit und bedarf einer entsprechend größern Betriebskraft; denn der Dampfdruck im Kondensator wird durch Dampfabsaugen nicht erniedrigt, weil die entnommene Dampfmenge sich aus dem vorhandenen Warmwasser sofort wieder ersetzt.
Der Dampf soll jedoch im Kondensator möglichst kondensiert werden und zwar vor Eintritt in die Luftpumpe. Dies kann nur so erreicht werden, daß man dem Kondensator die Gestalt eines stehenden Gefäßes von gewisser Höhe gibt, in welches der Dampf von unten, das kalte Wasser aber von oben eintritt, während die Luftabführung noch oberhalb der Wasserzuführung stattfindet. Der zu kondensierende Dampf strömt somit dem niedergehenden Kühlwasser entgegen, und die Luftpumpe saugt ihre Luft an der Stelle aus dem Kondensator, wo er durch das eintretende Kühlwasser seine niedrigste Temperatur hat und infolgedessen nur wenig Dampf vorhanden ist. Es sei beispielsweise die Temperatur des Kühlwassers = 15° C., diejenige des Warmwassers = 40° C. und der Gesamtdruck p im Kondensator p = 0,1 Atm., so hat man bei der gewöhnlichen Kondensation hinter dem Kolben der nassen Luftpumpe während ihres Saugens den Kondensatordruck = 0,1 Atm., der sich aus Luftdruck l und Dampfdruck d zusammensetzt, wobei außer der Luft auch warmes Wasser von 40° C. in der Pumpe ist.
Nach Regnaults Dampftabellen beträgt die Spannung d des Dampfes bei 40° C. = 0,072 Atm. Es ist somit der Gesamtdruck p = 0,1 Atm. = Luftdruck l + Dampfdruck d = l + 0,072 und hieraus l = p - l = 0,1 - 0,072 = 0,028 Atm. Der Luftdruck beträgt also wenig mehr als ein Viertel des Kondensatordrucks. Es wird daher die Luft in sehr verdünntem Zustand angesaugt, deshalb muß die Luftpumpe unverhältnismäßig groß (beinahe viermal zu groß) gemacht werden und absorbiert eine entsprechend große Menge Betriebskraft.
Weil also an dem Orte, wo die nasse Luftpumpe die Luft aus dem Kondensator absaugen muß, warmes Wasser vorhanden ist, so muß dort nutzlos eine Menge Dampf aufgesaugt werden, mit welchem die allein zu entfernende Luft vermischt ist. Bei Anwendung der Gegenstromkondensation dagegen wird die Luft von der trocknen Luftpumpe an der höchsten und kühlsten Stelle des Kondensators entnommen, wo sie so dicht ist, daß sie nahezu allein schon den Gesamtdruck p ausübt. Die Temperatur im obern Teil des Kondensators ist nur wenige Grad höher als diejenige des Kühlwassers.
Sie möge sich etwa von 15 auf 20° C. erhöht haben. Dieser entspricht nach Regnault ein Dampfdruck von 0,023 Atm. Es bleibt daher für die Luft eine Spannung l = p - d= 0,10-0,023 = 0,077 Atm. Die Luft wird also unter den angenommenen Bedingungen bei der Gegenstromkondensation in einem 0,077/0,028 = 2,75mal dichtern Zustand abgesaugt als bei gewöhnlicher Kondensation. Die Luftpumpe kann daher 2,75mal kleiner sein und beansprucht entsprechend weniger Betriebskraft.
Dabei bietet die Gegenstromkondensation gegenüber der Parallelstromkondensation noch als zweiten Vorteil einen geringern Kühlwasserverbrauch. Eine nasse Luftpumpe saugt Wasser und Luft mit Dampf an derselben Stelle ab. Der Gesamtdruck von Luft und Dampf entspricht dem Kondensatordruck p. Der Dampfdruck ist deshalb um den Luftdruck geringer als dieser, also = p - l. Von diesem Dampfdruck hängt aber unmittelbar die Temperatur ab, auf welche sich das ablaufende Wasser erwärmen kann, deshalb kann diese nur geringer sein, als der vollen Kondensatorspannung entsprechen würde. Je weniger Wärme das Wasser aber aufnimmt, um so reichlicher muß es für gleiche Kondensationsleistung dem Kondensator zugeführt werden.
Ist die Spannung im Kondensator wieder = 0,10 Atm., so würde nach Regnault die entsprechende Dampftemperatur, bez. Warmwassertemperatur 46° C. betragen. So warm kann aber bei Anwendung der nassen Luftpumpe das ablaufende Wasser nicht werden, denn seine Dämpfe würden allein schon den Gesamtdruck p = 0,10 Atm. ausüben, für die Luft bliebe nichts mehr übrig, d. h. es würde diese Temperatur nur eintreten dürfen, wenn gar keine Luft im Kondensator vorhanden wäre, was jedoch der Wirklichkeit widerspricht.
Bei der Gegenstromkondensation sind die Verhältnisse andre. Hier wird aus dem untern Teil, aus welchem das Warmwasser abgesaugt wird, die Luft in solchem Maße nach oben verdrängt, daß unten reiner Dampfdruck herrscht, also l = 0 und p = d ist. Daher kann sich das Warmwasser vollständig bis auf die der Kondensatorspannung entsprechende Temperatur erwärmen, wenn nur für eine gute Kühlwasserzerteilung gesorgt ist. Dadurch wird die Kälte, d. h. die Wärmeaufnahmefähigkeit, des Wassers vollständig ausgenutzt und somit der Kühlwasserverbrauch sowie die zu dessen Beschaffung erforderliche Arbeit auf den geringstmöglichen Grad beschränkt. Bei einem Versuch mit einer gewöhnlichen Kondensation fand sich folgendes: die Kühltemperatur konstant = 18° C., die Temperatur des ablaufenden Wassers = 29,36, bez. 57° C., je nachdem das 66-,33-, bez. 14,5 fache des Gewichts des kondensierten Dampfes am Kühlwasser verbraucht wurde, wobei die Kondensatorspannung ¶