Titel: | Erster Bericht über die zur Dampfschifffahrt sich eignenden Steinkohlen; von den HHrn. Henry de la Beche und Dr. Lyon Playfair. |
Fundstelle: | Band 110, Jahrgang 1848, Nr. XL., S. 212 |
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XL.
Erster Bericht über die zur Dampfschifffahrt sich
eignenden Steinkohlen; von den HHrn. Henry de la Beche und Dr. Lyon Playfair.
Aus dem Mechanics' Magazine, 1848, Nr.
1285–1288.
De la Beche und Playfair über die Steinkohlen welche sich zur
Dampfschifffahrt eignen.
Der Nutzen solcher Untersuchungen, sowohl hinsichtlich unserer Dampfschifffahrt als
unserer Industrie, wo die richtige Anwendung unseres fossilen Brennmaterials so
nothwendig ist, dürfte allgemein anerkannt seyn. Versuche, durch welche der wahre
praktische Werth von Steinkohlen ermittelt werden soll, erfordern jedoch eine lange
Reihe von Beobachtungen, welche auf specielle Zwecke gerichtet seyn müssen. Die
Eigenschaften durch welche besondere Arten dieses Brennmaterials sich auszeichnen,
sind so verschieden, daß sich aus einer etwas beschränkten Reihe von Beobachtungen
keine allgemeinen Resultate ableiten lassen. Wenn es sich z. B. um die Anwendung der
Steinkohlen für stationäre Dampfkessel handelt, wo ihr Verdampfungswerth oder
Dampfbildungsvermögen in Betracht kommt, kann eine Kohlensorte, welche wegen ihrer
schnellen Wirkung ausgezeichnet geeignet ist um in kurzer Zeit Dampf zu erzeugen,
doch weit übertroffen werden von einer andern Sorte, die ihr in dieser Hinsicht zwar
nachsteht, aber eine viel größere Menge Wassers in Dampf zu verwandeln vermag, daher
behufs der Kraftgewinnung von größerm Werthe ist. Eine Steinkohle welche diese
beiden Eigenschaften in hohem Grade vereinigt, könnte gleichwohl zum Schiffsgebrauch
untauglich seyn, wegen ihres mechanischen Gefüges. Wenn die Cohäsion ihrer Theilchen
gering ist, kann beim Transport durch die Reibung der Stücke an einander in Folge
der Bewegung des Schiffes, die Kohle so in Pulver verwandelt werden, daß sie
wesentlich an ihrem Werthe verliert. Und sogar, wenn man sich alle drei
Eigenschaften vereinigt denkt, nämlich Schnelligkeit und Andauer der Wirkung, nebst
bedeutendem Widerstand gegen das Zerbrechen, so sind bei der Auswahl dieses
Brennmaterials doch noch viele andere Eigenschaften zu beachten, ohne deren
Vereinigung es für die Dampfschifffahrt ohne Werth seyn könnte.
Ein wichtiger Unterschied der Steinkohlensorten besteht in ihrem Volum oder dem Raum
welchen ein gewisses Gewicht derselben einnimmt. Um den zum Unterbringen der
Steinkohlen erforderlichen Raum zu bestimmen, reicht es nicht hin, das specifische
Gewicht derselben zu
kennen, weil vermöge der mechanischen Gestaltung ihrer Bruchstücke eine Kohle von
geringerer Dichtigkeit einen kleineren Raum erfordern kann, als eine andere,
schwerere Kohle. Es ist dieß bei weitem kein bloß eingebildeter Unterschied, da er
sich manchmal bis auf 60 Proc. beläuft, 40 Proc. aber gar nicht selten beträgt. Eine
bloße theoretische Bestimmung der Dichtigkeit der Steinkohlen würde sonach in dieser
Hinsicht für die Praxis untaugliche Resultate geben. Der Raum welchen zwei
Steinkohlensorten einnehmen, die in ihrer Verdampfungskraft von gleichem Werthe
sind, differirt zuweilen um 20 Proc., d. h. da wo von einer Sorte 80 Tonnen gestaut
werden können, finden von einer andern Sorte von gleichem Verdampfungswerthe 100
Tonnen Platz, wenn sie mit Berücksichtigung ihrer mechanischen Structur gewählt
werden. Wir führen diese Thatsache nur an, um zu zeigen daß man sich vor raschen
allgemeinen Schlüssen zu hüten habe und daß wir auf diese verschiedenen Punkte
unsere Aufmerksamkeit richteten. Wir finden es bei dem jetzigen Stand unserer
Untersuchung übrigens nicht gerathen, besondere Steinkohlensorten zu empfehlen,
sondern lassen die experimentellen Thatsachen darüber entscheiden.
Nachdem wir uns durch vorläufige Versuche überzeugt hatten, daß durch
wissenschaftliche Untersuchungen in kleinem Maßstab kein praktisches Resultat
erzielt werben könne, wurde beschlossen mit jeder Steinkohlensorte Versuche in so
großem Maßstabe anzustellen, daß die theoretischen Ansichten durch praktische
Resultate controlirt werden. Da zu diesen Versuchen aber wegen anderweitiger
Geschäfte unsere Zeit nicht hinreichte, so wählten wir zur Ueberwachung ihrer
Einzelheiten geschickte Assistenten. So wurde Hrn. Wilson, Vorstand der königl. landwirthschaftlichen Akademie zu Cirencester,
die Oberaufsicht über den ökonomischen Theil der Versuche anvertraut. Er und Hr.
Arthur Phillips errichteten die Dampfkessel und stellten
die Versuche hinsichtlich der praktischen Verdampfungskraft der Steinkohlen an. Dem
Hrn. Wilson gesellte sich später Hr. Kingsbury zu und leistete wichtige Dienste. Die
Oberaufsicht wurde, nach Abgang des Hrn. Wilson, von Hrn.
Phillips übernommen. Die Steinkohlen-Analysen
wurden Hrn. Wrightson (einem Schüler Liebig's) anvertraut. Hr. Galloway, Assistent des Museums für praktische Geologie, unterstützte ihn
bei Untersuchung der Gase und Asche aus den Oefen. Nach diesen beiden letztern
setzte Hr. How, Assistent des Laboratoriums des
Civil-Ingineur-Collegiums, diese Analysen fort. Sehr ersprießliche
Dienste leistete auch der Ingenieur William Hutchinson.
Die von den Assistenten erhaltenen Resultate, mit Angabe der befolgten Verfahrungsweisen, werden in
einem Anhang dieser Abhandlung mitgetheilt.
Die erste Abtheilung des Anhangs enthält eine vollkommene Beschreibung des Ganges,
welcher beim praktischen Theil der Versuche befolgt wurde, und die Beschreibung der
dazu angewandten Apparate.
Die zweite Abtheilung enthält das Nähere der Beobachtungen und Versuche zur
Ermittlung der Verdampfungskraft der verschiedenen Steinkohlensorten.
Die dritte Abtheilung enthält die Formeln, welche zur Berechnung der Versuche und zur
Correction und Reduction derselben auf eine Normalgröße dienten.
Die vierte Abtheilung enthält die chemischen Versuche, nebst den Analysen der
Steinkohlen bezüglich ihrer näheren und entfernten Bestandtheile und die Bestimmung
ihres Heizwerthes.
Die Art, wie die Versuche angestellt wurden, ist in der ersten Abtheilung des Anhangs
beschrieben; es genügt also hier die Punkte zu bezeichnen, welche bei der Reduction
und Berechnung der Resultate beobachtet wurden. Es leuchtet ein, daß mehrere
Umstände beachtet werden müssen, ehe der wahre Verdampfungswerth eines
Brennmaterials erhalten werden kann. So hat das Wasser in den Reservoirs den Tag
über verschiedene Temperaturen in Folge der Veränderungen in der Lufttemperatur.
Auch die Temperatur des Wassers im Dampfkessel wechselt mit der äußern Temperatur
und den Umständen unter welchen die Versuche angestellt werden. Die Gestalt eines
Cornwall'schen Dampfkessels gestattet eine Ungleichheit in der Temperatur des
Wassers in den verschiedenen Kesseltheilen, indem das kältere und dichtere Wasser zu
Boden sinkt und dort zu bleiben strebt, so daß die Temperatur des Wassers auf der
Oberfläche bei weitem nicht der mittlern Temperatur des Wassers im Kessel
entspricht, indem der Wärme-Unterschied des Wassers auf der Oberfläche und am
Boden ungefähr 70° F. beträgt. Andere Umstände haben natürlich Einfluß auf
die Verdampfungskraft der Steinkohlen, wie z. B. der, daß nicht alles der Wirkung
des Feuers ausgesetzte Wasser im Kessel in Dampf verwandelt wird und daß Holz zum
Anmachen des Feuers genommen wird. Ein anderer Umstand von großem Belang ist die
Ausdehnung oder Zusammenziehung des Dampfkessels in Folge einer Erhöhung oder
Erniedrigung der Temperatur. Beim Beginn der von den HHrn. Wilson und Kingsbury geleiteten Versuche wurde
es anfangs für überflüssig gehalten, wegen dieser verschiedenen Einflüsse
Correctionen vorzunehmen; nachdem man sich aber experimentell überzeugt hatte, daß
der Unterschied des Kesselinhalts zwischen den Temperaturen von 150 und 212° F.
(52½° und 80° R.) 69,625 Pfd. Wasser betrug, sah man ein daß er
in Rechnung gebracht werben müsse, selbst wenn die Temperatur am Anfang und am Ende
um nicht mehr als 10° F. (4° R.) differirt. Andere Umstände, welche
zwar von minderm Belang, aber doch von Einfluß auf die Resultate sind, wurden
vernachlässigt, weil solche Correctionen nur die Resultate complicirter gemacht
hätten und doch von geringem praktischem Werth gewesen wären, indem sie in die
möglichen Beobachtungsfehler bei solchen annähernden Versuchen fallen. Solche
Umstände sind: die Quantität der während der Verbrennung sich entwickelnden Gase,
die Temperatur-Erhöhung der in den Feuerraum eintretenden Luft, der
barometrische und hygrometrische Zustand der Atmosphäre, die
Wärme-Ausstrahlung des Kessels (welche jedoch wegen seiner Backsteindecke
sehr gering ist), der hygrometrische Zustand des Brennmaterials, oder die zum
Hervorbringen eines mechanischen Zugs im Kamin erforderliche Wärme. Für die meisten
dieser Fälle wurden aber die nothwendigen Beobachtungen angestellt, um, wenn es
später wünschenswerth erscheinen sollte, Correctionen vornehmen zu können.
Bei der Berechnung des Verdampfungswerthes einer Steinkohle wurde die verbrauchte
Kohlenmenge in zwei Portionen getheilt; die erste ist diejenige welche erforderlich
ist, um die ganze dem Feuer ausgesetzte Wassermasse von der mittlern Temperatur auf 212° F. (80° R.) zu bringen; die
zweite Portion ist diejenige welche erforderlich ist um das aus den Reservoirs
genommene Wasser von der Temperatur von 212° F. aus zu verdampfen. Um dieses
thun zu können, wird die mittlere Temperatur der ganzen Wassermasse ermittelt, d. h.
die Temperatur des Wassers im Kessel, nachdem es bei seiner anfänglichen Temperatur,
mit dem Wasser des Reservoirs bei dessen durchschnittlichen Temperatur vermischt
worden ist. Die durchschnittliche Temperatur des letztern war das Mittel mehrerer
den Tag über gemachten Beobachtungen und wird mit t′ bezeichnet.
Es sey nun
w das Gewicht des Wassers aus den Reservoirs
bei der Temp. t′
W das Gewicht des Wassers im Kessel bei der
Temp. t″,
welche letztere dessen Temperatur an der Oberfläche, durch
Versuche corrigirt, ergibt, und t die Temperatur nach
der Vermischung.
Dann ist t = Textabbildung Bd. 110, S. 215
Die Correction wegen des Holzes geschah nach den Daten welche die HHrn. Wilson und Kingsbury durch
Experimente erhalten hatten; sie ist aber nur für die angewandte Holzgattung gültig,
weil in darauf
folgenden Versuchen der Verdampfungswerth von einem andern Holz sehr verschieben
gefunden wurde. Die Coefficienten der Verdampfungskraft des Holzes lassen sich aus
einem Versuche ableiten, in welchem ein gewisses Gewicht Wasser von einer gewissen
Temperatur auf den Siedepunkt gebracht und dann ein gewisser Antheil desselben in
Dampf verwandelt wurde. Hr. Kingsbury bediente sich
folgender Formeln zur Berechnung.
N ist das Gesammtgewicht des Holzes welches zum Erhitzen
von (W + w) (dem Gewicht des
Wassers im Dampfkessel und dem während des Versuchs aus den Reservoirs abgelassenen)
von der mittlern Temperat. t auf 212° F.
erforderlich war; alsdann muß das Gewicht N′
ermittelt werden, welches erforderlich ist um w von
212° F. aus zu verdampfen.
Dann ist w/N = e, der Verdampfungskraft.
Es sey m das Gewicht des Holzes, welches erforderlich
ist, um W + w von t auf 212° F. zu erhitzen, 1000 als die latente
Wärme des Dampfes angenommen.
N um
W + w
von
212° F.
aus zu verdampfen
N′ um
w
212°
aus zu verdampfen
Dann ist m + N′ = N.
Nun ist Textabbildung Bd. 110, S. 216
Aber n/N′ = Textabbildung Bd. 110, S. 216
Folglich N′ = n
Textabbildung Bd. 110, S. 216
l(N - N′) = (212 = t)n = (212 - t)N′
Textabbildung Bd. 110, S. 216
Nl = N′
Textabbildung Bd. 110, S. 216
= N′/w (212 -
t) (W + w) + I w
Folglich w/N′ =
Textabbildung Bd. 110, S. 216
= e
oder wenn man den Werth von t nach
der ersten Formel einführt:
Textabbildung Bd. 110, S. 216
Wenn q die Quantität des zum Anzünden des Feuers
verbrauchten Holzes ist, so ist e
q das Gewicht des von 212° F. aus durch das Holz
verdampften Wassers, welches von dem Gewicht des durch die Kohle verdampften Wassers
abgezogen werden muß.
Der Coefficient der Verdampfungskraft der Steinkohlen oder die Anzahl der Pfunde
Wassers, welche 1 Pfd. Steinkohle von 212° F.(80° R.) aus verdampft,
läßt sich wie folgt berechnen:
Es sey P das Gesammtgewicht der verbrauchten Kohle, so
ist die Leistung von P das Erhitzen des W + w Wasser von t auf 212° F. und das Verdampfen von w - e q von 212° F.
aus.
Es sey nun m das erforderl. Gew.
Steink. um W + w von t auf 212° zu erhitzen
Es sey nun p das erforderl. Gew.
Steink. um w - e q
v.212° aus zu verdampfen,
Es sey nun n das erforderl. Gew
Steink. um W + w
v.212° aus zu verdampfen.
So ist Textabbildung Bd. 110, S. 217 = E, der Verdampfungskraft.
Textabbildung Bd. 110, S. 217
Setzt man die Werthe ein, durch welche die mittlere Temperatur t erhalten wurde (erste Formel), so bekommt man:
Textabbildung Bd. 110, S. 217
worin
W das Gewicht des Wassers im Kessel;
w das Gewicht des Wassers welches während des
Versuchs aus den Reservoirs abgelassen wurde;
t′ die mittlere
Temperatur des Wassers in den Reservoirs;
t″ die corrigirte
anfängliche Temp. des Wassers im Kessel ist.Eine kleine Correction muß wohl auch für die in den
Verbrennungsrückständen zurückbleibende brennbare Materie, also den
Ruß und die Kohlentheilchen in der Asche, vorgenommen werden. Um sie
mit der größten Genauigkeit anzustellen, wäre eine Reihe von
Beobachtungen und Analysen erforderlich gewesen, deren Mühe und
Kosten sich durch den Betrag der erforderlichen Correction wohl
nicht gelohnt hätten. Es wurde daher folgendes Verfahren für
ausreichend erachtet, obgleich das Resultat bloß eine rohe
Annäherung zur Wahrheit ist. Behufs einer solchen Annäherung nehmen
wir an, daß der Verdampfungswerth der Kohle von dem Verhältniß der
verbrennlichen zur unverbrennlichen Materie abhänge, und daß wenn
die in der Asche zurückgebliebene brennbare Substanz bei der
Dampferzeugung ihren Nutzeffect geleistet hätte, dieser der nämliche
sey, wie wenn eine entsprechende Menge Steinkohle verbrannt worden
wäre. Bezeichnet demnach Q das Gewicht
Steinkohle, welches dieselbe Menge brennbare Substanz enthält wie
der Verbrennungs-Rückstand im Ofen, so istTextabbildung Bd. 110, S. 217der corrigirte Coefficient der
Verdampfungskraft.Ist nunw1 = Gewicht der Asche nach dem Versuch,w2 = Gewicht der unverbrannten Kohle (Cinders) nach dem
Versuch,w3 = Gewicht des Rußes nach dem
Versuch.Es seyen fernerr1r2r3der respective Procentgehalt brennbarer Substanz in der
Asche, der unverbrannten Kohle und dem Ruße;Q das Gewicht
Steinkohle, welche eben so viel brennbare Substanz enthält, undr der
Procentgehalt an brennbarer Substanz, wie er durch die Analyse der
Steinkohle gefunden wird;dann ist r Q = r1
W1 + r2
W2 + r3
w3folglich Q = Textabbildung Bd. 110, S. 217
In den vorstehenden Formeln wurde die latente Wärme des Dampfs zu 1000°
angenommen, wie es bisher (in England) üblich war; nachdem aber alle Berechnungen
über diesen Gegenstand nach den Versuchen der HHrn. Wilson und Kingsbury schon angestellt und die
Resultate an die Admiralität eingesandt waren, erschien Regnault's schätzbare Abhandlung über die latente Wärme des Dampfs. Es
wurde daher nothwendig, bei den weitern Versuchen diese neuen Resultate zu benützen;
dieselben sind, soweit sie in gegenwärtiger Untersuchung Anwendung finden, in
folgender Tabelle zusammengestellt.
TabelleNr. I : über die specifische und latente Wärme des Wassers und des Dampfs.
Textabbildung Bd. 110, S. 219
100theiliger Luftthermometer.;
100theil. Quecksilberthermometer.; Zahl der von einem kil. Wasser beim Sinken v.
T auf 0° abgegebenen wärme-Einheiten.; Fahrenheit'sches
Luftthermometer.; Fahrenheit'sches Quecksilberthermomet.; Anzahl der in einem
Pfd. Wasser bei T° enthaltenen Wärme-Einheiten.; Mittlere spec
Wärme des Wassers zwischen 0° u. T° Cels. oder 32° und
T° Fahrenh.; Spec. Wärme des Wassers von T bis T + d T.; Latente Wärme
des bei der Temperatur T gesättigten Dampfs.; Cels; Fahrh.;
Im Verlauf der Untersuchung schienen uns noch weitere Correctionen erforderlich. So
bestimmte Hr. Phillips durch sorgfältige Versuche die
Veränderungen in der Capacität des Dampfkessels bei verschiedenen Temperaturen und
für diese Differenz wurden später Correctionen vorgenommen. Auch die
Capacitäts-Veränderungen der Wasserreservoirs wurden in Rechnung gezogen,
sobald ihre Temperatur von derjenigen, bei welcher sie eingemessen wurden, um
2° F. abwich. Eine andere Fehlerquelle, welche berücksichtigt werden muß, ist
der etwaige Unterschied der Temperaturen beim Beginnen und Beschließen des
Versuches. Da diese Differenz durch Beobachtung bekannt ist, kann die Correction
nach der Tabelle über die Expansion des Wassers im Kessel (im Anhang mitgetheilt)
gemacht werden. Um diese neuen Correctionen in die Versuche zur Bestimmung des Coefficienten der
Heizkraft des Holzes einzuführen, bediente sich Hr. Phillips folgender Formeln:
Textabbildung Bd. 110, S. 220
In denselben bezeichnet W das während des Versuchs aus
den Reservoirs in den Kessel abgelassene Wasser.
w = das Gewicht (nach der Expansionstabelle) des Wassers
in den Kesseln beim Beginne des Versuchs.
w′ = das Gewicht des Wassers im Kessel am Ende des
Versuchs.
l = Coefficient der latenten Wärme des Dampfs.
t = erforderliche Wärmemenge, um das Wasser der
Reservoirs von seiner mittlern Temperatur auf jene zu bringen, bei der es
verdampft.
t′ = erforderliche Wärmemenge, um das Wasser im
Kessel von der ursprünglichen zur endlichen Wärme zu erhitzen.
t″ erforderliche Wärmemenge, um das Wasser von der
Temperatur der Reservoirs auf die endliche Temperatur des Wassers im Kessel zu
bringen.
P = Gewicht des während des Versuchs verbrannten
Brennmaterials.
E = Coefficient der Heizkraft des Holzes.
Wenn aber die anfängliche Temperatur niederer ist als diejenige am Ende, so wird die
Formel:
Textabbildung Bd. 110, S. 220
Alle Glieder behalten darin ihren ursprünglichen Werth mit Ausnahme des letzten, in
welchem t″ durch t′″ ersetzt wird (entsprechend der erforderlichen Wärme, um die
Temperatur am Ende auf diejenige zu erhöhen, wo das Wasser expandirt wurde); t′″ ist dann als negativ zu betrachten,
während t′ positiv wird. Ist nun q das Gewicht des zum Anzünden des Feuers verwendeten
Holzes, so stellen sich die Formeln zur Berechnung der Verdampfungskraft der
Steinkohle wie folgt:
Textabbildung Bd. 110, S. 220
Und
Textabbildung Bd. 110, S. 220
Da die Versuche streng vergleichende sind und unter gleichen Umständen angestellt
wurden, so kann die Unterlassung der übrigen oben erwähnten Correctionen von keinem
wesentlichen Einfluß auf das Resultat seyn; in der That wäre sie auch unnütz, ja
sogar unrathsam gewesen, weil, wie oben schon bemerkt wurde, die Beobachtungsfehler bei derartigen
annähernden Versuchen so groß bleiben.
Die einzige unterlassene Correction, welche für die Praxis erforderlich gehalten
werden könnte, betrifft den hygroskopischen Zustand des Brennmaterials. Bei Holz ist
sie allerdings nothwendig; die Steinkohle aber ist bei weitem weniger hygroskopisch
als das Holz. Letzteres enthält nämlich 1/5 seines eigenen Gewichts hygroskopisches
Wasser, und die zu dessen Verdunstung erforderliche Wärme ergibt sich durch einfache
Berechnung nahezu gleich 22 Proc. der gesammten, durch die Verbrennung des Holzes
erzeugten Wärme. Das hygroskopische Wasser der Steinkohle aber ist sehr gering, wie
aus dem Gehalt einiger Walliser Proben zu ersehen ist:
Hygroskop. Wasser.
Graigola Steinkohle
1,06
Proc.
Anthracit
2,44
Proc.
Old Castle-Steinkohle
0,74
Proc.
Ward's Fiery Vein
1,27
Proc.
Myndd Newydd
0,67
Proc.
Pentrepoth
0,78
Proc.
Pentrefelin
0,70
Proc.
Hätten Wir für diesen geringen Wassergehalt Correctionen vorgenommen, so wäre man für
die Praxis dadurch nur irregeleitet worden, weil die Steinkohlen auf ein Schiff
selten in so trockenem Zustand gelangen, wie dieß hier der Fall war, wo sie in
Fässern verpackt waren und unter Dach gehalten wurden.
Es wurde für unnöthig erachtet, wegen der in den Kamin abziehenden Gase Correctionen
vorzunehmen, weil wiederholte Analysen der Kamingase ergaben, daß sie keinen
brennbaren Bestandtheil enthalten, sondern nur aus Kohlensäure, schwefliger Säure,
Sauerstoff und Stickstoff bestehen. Die Menge des im Kamin enthaltenen freien
Sauerstoffs betrug ein Viertel bis die Hälfte desjenigen Sauerstoffs, welcher sich
mit dem Brennstoff verband; es streicht also fast zweimal so viel Luft durch das
Feuer, als nach der Theorie erforderlich wäre.
(Der Schluß folgt im nächsten Heft.)