Titel: | Ueber Ericsson's Caloric-Maschine; von William A. Norton, Professor der Ingenieur-Mechanik am Yale College in New Haven. |
Fundstelle: | Band 129, Jahrgang 1853, Nr. XXXIX., S. 186 |
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XXXIX.
Ueber Ericsson's Caloric-Maschine; von William A. Norton, Professor der
Ingenieur-Mechanik am Yale College in New Haven.
Aus Sillimans's american Journal of Science and arts, Mai 1853, S.
393.
Norton, über Ericsson's Caloric-Maschine.
I. Theorie der Triebkraft der
Maschine.
Folgende Principien sind bei der Aufstellung der Theorie der Ericsson'schen Luftexpansionsmaschine wohl ins Auge zu fassen.
1) Die Expansivkraft der heißen Luft unter dem Arbeitskolben muß etwas geringer seyn,
als die der comprimirten Luft im Recipienten, weil sonst die Luft des Recipienten
nicht das Bestreben hätte, in die Heizkammer zu strömen. Der Unterschied braucht
übrigens nur wenige Unzen zu betragen; er hängt von den der Luftströmung
entgegenstehenden Hindernissen ab, so wie von der Weite der
Communications-Oeffnung und der Heizkammer.
2) Wenn die Luft aus dem Speisecylinder in den Recipienten strömt, so muß ihre
Spannkraft größer seyn, als diejenige der in dem Recipienten befindlichen Luft, weil
sich sonst die Ventile des Speisecylinders nicht öffnen würden. Bei Untersuchung der
Leistung der Maschine will ich indessen diese Ungleichheit des Druckes außer Acht
lassen und annehmen, die Expansivkraft der Luft sey in den Arbeits- und
Speisecylindern sowie in dem Recipienten die gleiche, so lange nämlich die
Communicationswege zwischen denselben offen sind.
3) Da die beiden mit einander verbundenen Kolben von ungleicher Größe und der
Luftdruck gegen dieselben gleich oder nahezu gleich ist, so übersteigt der gesammte
aufwärtsgehende Druck den abwärts gerichteten, und beide Kolben werden mit einer der
Differenz dieser Pressungen gleichen Kraft aufwärts gedrückt.
4) Bei den Ericsson'schen Maschinen findet die Absperrung
des Luftzutrittes bei 2/3 des Kolbenhubes statt; deßwegen hat der Raum unterhalb des
Arbeitskolbens, in welchen die Luft von dem Recipienten einströmt, bevor das Ventil
sich schließt, den nämlichen Inhalt, wie das Innere des Speisecylinders. Es wird
bald erhellen, daß dieses mit einem allgemeinen Princip übereinstimmt, welches hinsichtlich
der Wirkung der in Rebe stehenden Maschine von Wichtigkeit ist.
5) Wenn sich die Maschine in normaler Thätigkeit befindet, so kann das beim
aufwärtsgehenden Kolbenhub in den Arbeitscylinder strömende Luftquantum die
gleichzeitig aus dem Speisecylinder in den Recipienten gedrückte Luftmenge nicht
übersteigen; in der Wirklichkeit muß dasselbe, weil immer einige Luft durch die
Fugen entweicht, etwas geringer seyn.
Wenn nun diese Luftmenge, nachdem sie in den Arbeitscylinder eingeströmt ist, ihre
ursprüngliche Temperatur beibehalten würde, so würde ihr Druck demjenigen der
äußeren Luft gleichkommen, d.h. ungefähr 15 Pfund per
Quadratzoll betragen. Nehmen wir aber an, ihre Temperatur werde bis auf 480°
Fahrenh. erhöht, so würde ihre Spannkraft verdoppelt, d.h. auf 30 Pfund per Quadratzoll erhöht werden. Um diese Annahme zu
realisiren, muß daher die comprimirte Luft im Recipienten eine Expansivkraft von
mehr als 30 Pfund, d.h. von 15 Pfund über den atmosphärischen Druck haben. Betrüge
die Temperatur im unteren Cylinder 384° F. über die Temperatur der äußern
Luft, anstatt 480°, so würde der Druck in diesem Cylinder und somit
nothwendig auch im Recipienten 12 Pfund, d.h. 384/480 . 15 Pfund über den
atmosphärischen Druck betragen.
Es ist hiebei angenommen, daß keine Entweichung der Luft durch die Fugen stattfinde.
In der Wirklichkeit verhält es sich jedoch anders; weßhalb denn auch die Quantität
der bei jedem aufwärts gehenden Hub in den Arbeitscylinder tretenden Luft geringer
ist, als die aus dem Speisecylinder in den Recipienten getriebene Luft. Angenommen,
der Druck in dem Recipienten betrage 8 Pfund über den atmosphärischen Druck und die
Entweichung der Luft belaufe sich bei diesem Druck auf 1/4, so treten 3/4 der durch
den Speisecylinder gelieferten Luft in den Arbeitscylinder, und ihre Druckkraft
würde sich für 2/3 des Hubes auf 11 1/4 Pfund (3/4 von 15 Pfund) reduciren, wenn die
Temperatur ungeändert bliebe; aber die 480° F. Wärmezuschuß werden diesen
Druck auf 22 1/2 Pfund, d.h. auf 15 + 7 1/2 Pfund erhöhen. Da nun der wirkliche
Druck in der Maschine 8 Pfund über den äußeren atmosphärischen Druck beträgt, so
können wir schließen, daß wenn die wirksame Temperatur der erhitzten Luft diejenige
der äußeren Luft um 480° F. oder etwas weniger übersteigt, der Verlust an
Luft durch die Fugen während des Doppelhubes nahezu 1/4 betragen muß. Die wirkliche
Temperatur der heißen Luft ist ohne Zweifel geringer als die oben angenommene, um
wie viel, dieses konnte
ich nicht mit Sicherheit ermitteln; daher ist auch die Luftentweichung geringer als
1/4. Den Zeitungsberichten gemäß betrug die Temperatur der heißen Luft ungefähr
450°, oder 418° über die Temperatur der äußeren Luft (diese zu
32° F. angenommen). Dieser Angabe würde ein Luftverlust von ungefähr 1/5
entsprechen; ohne Zweifel liegt derselbe zwischen 1/4 und 1/5.
Bei einer gegebenen Temperatur und einer gegebenen Absperrung bestimmt die
entweichende Luft den effectiven Druck. Um dieses darzulegen, nehme man an, die
Temperaturerhöhung betrage 480° F., und der Luftverlust bei einem an dem
Manometer des Recipienten abzulesenden Drucke von 8 Pfunden, sey = 1/4. Alsdann
würde dieser Verlust bei 12 Pfund Druck 3/8 betragen und die Spannkraft der in dem
Arbeitscylinder befindlichen Luft würde sich von 7 1/2 auf 3 3/4 Pfund vermindern.
Blieben nun die Communicationswege unverändert, so könnte eine so bedeutende
Differenz des Druckes zwischen dem Recipienten und dem Cylinder nicht stattfinden;
eine weitere Quantität Luft würde aus dem Recipienten strömen und zwar bei jedem
folgenden Kolbenhube, bis der Druck im Recipienten sich auf ungefähr 8 Pfund
reducirt hätte, worauf der Druck im Cylinder 7 1/2 Pfund betragen und die Maschine
einen stetigen Gang annehmen würde.
Aus dieser Ursache hauptsächlich (wegen des Luftverlustes) ist, wie es scheint, der
erwartete Druck von 12 Pfunden bei den Ericsson'schen
Maschinen nicht erreicht worden und hat sich nur auf 8 Pfund beschränkt.
Es gibt noch eine andere Methode, die Theorie der Triebkraft der
Caloric-Maschine darzulegen. Angenommen, der constante Druck im Recipienten
betrage 15 Pfund + 15 Pfund. Unter dieser Annahme wird die Luft nach Vollendung des
halben Hubes aus dem Speisecylinder in den Recipienten zu strömen beginnen und unter
einem etwas größeren Drucke bis aus Ende des Hubes fortströmen. Nach Vollendung des
halben Kolbenhubes nimmt der Luftkörper, welcher ursprünglich den Speisecylinder
unter 15 Pfund Druck füllte, die Hälfte des Raumes unter 30 Pfund Spannung ein.
Während nun die Communication zwischen dem Recipienten und dem Arbeitscylinder auf
die Dauer von 2/3 Hub fortwährend offen ist, strömt die nämliche Quantität Luft
unter dem nämlichen Druck von 30 Pfunden aus dem ersteren in den letzteren. Diese
Luft ist im Stande einen Raum gleich der Hälfte des Speisecylinders, oder was auf
das Nämliche herauskommt, gleich einem Drittel des Arbeitscylinders unter der
gleichen Temperatur und ohne Aenderung des Druckes auszufüllen; indem sie sich
ausdehnt um 2/3 des Arbeitscylinders auszufüllen, wird daher ihre Expansivkraft auf
15 Pfund reducirt. Um nun dieses auszugleichen, ist es nur nöthig ihre Temperatur,
so rasch als sie einströmt, auf 480° F. zu erhöhen, wodurch ihre
Expansivkraft 30 Pfunden äquivalent bleibt. Aehnlich läßt sich die Sache für jeden
andern Druck und Temperaturgrad erläutern, und die Frage des Luftverlustes kann von
demselben Gesichtspunkte aus betrachtet werden.
Es wurde bemerkt, daß die Absperrung, welches auch die relativen Dimensionen der
beiden Cylinder seyn mögen, so adjustirt werden sollte, daß derjenige Theil des
Arbeitscylinders, in welchen die Luft bei offen bleibendem Ventil einströmt, dem
ganzem Speisecylinder an Volumen gleich sey. Um dieses darzulegen, wollen wir zuerst
den Luftverlust durch die Fugen außer Acht lassen und den der angenommenen
Absperrung entsprechenden Bruchtheil des Hubes (bei den in Rede stehenden Maschinen
= 2/3) durch a, ferner einen größeren Bruchtheil des
Hubes für eine andere Absperrung durch b bezeichnen. Es
sey b = n . a. Denken wir uns nun, der Hub bis zur Absperrung sey
bei gleich bleibendem Drucke kleiner als a, so wird der
mittlere Druck für den ganzen Hub geringer seyn. Ist er aber größer als 9 (z.B. =
na), so wird sich der Luftkörper, welcher
ursprünglich den Speisecylinder bei 15 Pfund Druck und 32° F. Temperatur
füllte, bei seinem Eintritt in den Arbeitscylinder um das n fache ausdehnen, und seine wirksame Kraft wird = 15/n . 2 seyn, die Temperatur = 480° + 32°
angenommen, während für die Expansion a die Kraft = 15 .
2 ist.
Bei der folgenden Expansion von a bis b ist die mittlere Kraft durch den ganzen Bruchwerth des
Hubes b größer als (15 . 2)/n, insofern dieses die wirkliche Kraft nach der Expansion bis zu b ist.
Das Gesagte bleibt richtig, wenn man auch den Luftverlust mit in Betracht zieht. Denn
angenommen, dieser Verlust reducire den Druck der Luft, welche vor ihrer Erwärmung
a füllt, auf 15/m so
wird dieser Druck nach ihrer Erwärmung um 480° F. = 15/m . 2 seyn, wofür wir k setzen wollen. Nehmen
wir nun an, die Absperrung werde von a bis b vermehrt, so wird dadurch die Kraft k auf k/n reducirt; aber der mittlere effective Druck für den
nämlichen Bruchtheil b des Hubes wird, wenn man sich der Absperrung a bedient, größer als dieser Werth, und der wirkliche
Druck nach der Expansion bis b wird = k/n seyn. Demnach ist der
constante Druck für die Absperrung b gleich dem Druck
für die Absperrung a, reducirt durch die Expansion bis
b.
Es dürfte hier der Ort seyn zu untersuchen, welche relative Durchmesser den
Speise- und Arbeitscylindern zu geben sind, um den größtmöglichen Effect von
der Maschine zu erzielen. Es bezeichne A den
Flächeninhalt des Speisekolbens und x das
Volumenverhältniß des Arbeitskolbens zum Speisekolben. Alsdann ist, wie wir gesehen
haben, derjenige Theil des Hubes, während dessen die Luft in den Arbeitscylinder
strömt und mit ihrem vollen constanten Druck wirkt, = 1/x. Nennen wir diesen Druck per Quadratzoll P, so gibt uns folgende Proportion den mittleren
effectiven Druck p gegen den Arbeitskolben während des
ganzen Hubes:
x : 1 + log nat x = P : p, woraus
p = (P + P
log x)/x.
Der aufwärtsgehende mittlere Druck gegen den ganzen Kolben ist
daher repräsentirt durch den Werth
(P + P log
x)/x . Ax =
PA + PA . log x.
Der abwärts gerichtete Druck gegen den Arbeitskolben ist = 15
. Ax Pfunden, und hieraus der resultirende
effective Druck = P . A .
lo
gx + PA –
15 Ax. Mit Hülfe der Differentialrechnung findet
man daß dieser Ausdruck für x = P/15 ein Maximum wird, woraus hervorgeht, daß die Maschine bei irgend
einem gegebenen Luftdruck die größtmögliche Kraft entwickelt, wenn der reciproke
Werth des die Größe der Absperrung bezeichnenden Bruches und das Volumenverhältniß
beider Cylinder, gleich ist dem wirkenden Druck per
Quadratzoll, dividirt durch den atmosphärischen Druck von 15 Pfund.
Das wirkliche Verhältniß des kubischen Inhaltes der Cylinder der Ericsson'schen Maschinen ist 665/1000 oder nahezu 66/100,
und der Bruchtheil des Hubes, bei welchem der Luftzutritt abgesperrt wird,
63/100,
Untersuchen wir nun, wie die Kraft der Maschinen des
calorischen Schiffs zu bestimmen ist. Auf beiden Kolben lastet der gleiche oder
nahezu der gleiche Luftdruck, während die Communicationswege offen sind; der Druck gegen die obere Fläche
des Speisekolbens beginnt mit 15 Pfunden, wird von 2/3 des Hubes an bis aus Ende 8
Pfund + 15 Pfund. Nach Vollendung von 2/3 des Kolbenhubes wird die Luft im
Arbeitscylinder abgesperrt, und wirkt nun bis an das Ende des Hubes vermöge ihrer
Expansion. Der mittlere effective Druck per Quadratzoll
für den ganzen Hub ist dann bei beiden Kolben der gleiche; er läßt sich auf die
übliche Weise mit Hülfe der natürlichen Logarithmen ermitteln. Multiplicirt man
dieses um 15 Pfund verminderte Resultat mit der Differenz des Flächeninhaltes beider
Kolben in Quadratzollen und wieder mit der Geschwindigkeit des Kolbens per Minute, und dividirt das Product durch 33000, so
erhält man die Pferdekraft einer der Maschinen.
Es ist jedoch zu bemerken, daß das auf diesem Wege erlangte Resultat etwas zu groß
ausfallen wird und zwar aus folgenden Gründen. 1) Der Druck im Speisecylinder ist
größer als der Druck im Recipienten (8 Pfd.), und der Druck im Arbeitscylinder ist
kleiner als dieser. 2) Während 1/3 des Hubes von Anfang an bleiben die
Ausgangsventile oben am Deckel des Speisecylinders geschlossen, folglich muß die
Expansivkraft der Luft im Recipienten durch ihr Ueberströmen in den Arbeitscylinder
etwas vermindert werden. 3) Nach geschlossenem Ventil muß der elastische Druck der
Luft in dem Arbeitscylinder während des übrigen Drittelhubes durch Verlust an den
Fugen einige Verminderung erleiden. Die Folge dieses Luftverlustes ist seither nicht
in Betracht gezogen worden.
II. Leistungen des calorischen Schiffes
in Vergleich mit Dampfschiffen.
Folgendes sind die Hauptresultate einer erfolgreichen Probefahrt des
„Ericsson“ von New-York nach Alexandria, hin und
zurück.
Anzahl der Umdrehungen der Räder per
Minute = 9;
Geschwindigkeit der Fahrt ungefähr = 7 1/2 Meilen;
Luftdruck im Recipienten = 8 Pfund;
Verbrauch an Anthracitkohlen in 24 Stunden = 6 Tonnen.
Was die Pferdekraft der Ericsson'schen Maschine bei dieser
Probefahrt anbelangt, so betrug die Pressung der heißen Luft 8 Pfund + 15 Pfund.
Angenommen, die Absperrung betrage 15/23 = 0,652 des Hubes, so wäre der mittlere
effective Druck in jedem Cylinder 6,4 Pfund + 15 Pfund, und die Pferdekraft beider
Maschinen beliefe sich auf 311. Nehmen wir die Absperrung zu 63/100 an, wie in
einigen Berichten angegeben wird, so stellt sich der mittlere Druck im Arbeitscylinder
zu 6,04 Pfund + 15 Pfund heraus, während er im Speisecylinder 6,4 + 15 bleibt. Unter
dieser Annahme zeigen sich als Resultat 259 Pferdekräfte. Für einen mittleren Druck
von 6 Pfund in jedem Cylinder stellt sich das Resultat auf 292, für 6 1/2 Pfund auf
316 Pferdekräfte.
Die Leistung der Maschine war übrigens bei der Versuchsfahrt aus oben bereits
erwähnten Gründen unzweifelhaft geringer als 311 Pferdekräfte, und wir dürfen mit
Sicherheit schließen, daß sie 300 Pferdekräfte nicht überstiegen habe, eher geringer
gewesen sey. Dieses ist jedoch nur die Hälfte der vollen Maschinenkraft, wie sie
Capitän Ericsson schätzt. Diese Schätzung setzt aber
einen Druck von 12 Pfund voraus, während wegen des Luftverlustes u.s.w. nur 8 Pfund
Druck erzielt werden konnten. Unter einer solchen Voraussetzung würde sich
allerdings bei 2/3 Absperrung eine Leistung von ungefähr 600 Pferdekräften
herausstellen.
Der Brennmaterialverbrauch betrug 6 Tonnen Anthracitkohlen per Tag; dieses macht 1,87 Pfund per
Pferdekraft in der Stunde. Für 600 Pferdekräfte würde dieses 0,93 Pfund per Pferdekraft in der Stunde ausmachen. Nehmen wir
jedoch an, daß der Ueberschuß des Druckes im Recipienten über den im Arbeitscylinder
und ebenso der Ueberschuß des Druckes im Speisecylinder über denjenigen im
Recipienten 3/10 Pfund per Quadratzoll war, so bringen
wir bei einer Absperrung von 2/3 nur 248 Pferdekräfte heraus. Der dieser Bestimmung
entsprechende Brennmaterialverbrauch würde sich auf 2,26 Pfund per Pferdekraft in der Stunde belaufen.
Bei Dampfschiffen beträgt der durchschnittliche Verbrauch an Anthracitkohlen nach
genauen Ermittelungen 3,11 Pfund per Pferdekraft in der
Stunde. Dividiren wir dieses Resultat durch 1,87 und 2,26, so erhalten wir die
Quotienten 1,66 und 1,38. Hieraus ergibt sich ein Vortheil zu Gunsten des
calorischen Schiffes im Verhältniß von 5 : 8,3 für die eine, und von 5 : 6,9 für die
andere Schätzung der Pferdekraft. Sollte sich aber Ericsson's Schätzung des Effectes der Maschinen
des Caloric-Schiffes in der Folge realisiren, so würde sich für die Ersparniß
an Brennmaterial das Verhältniß von 1 : 3,39 herausstellen.
Das Gewicht der Ericsson'schen Maschinen im Verhältniß zu
der Pferdekraft ist dreimal so groß, als das Gewicht der Maschinen eines
Seedampfbootes, und auch hinsichtlich des durch die Maschine eingenommenen Raumes
ist der Vortheil auf Seite der Dampfmaschine, indem bei der letzteren die
Raumersparniß in Vergleich mit der ersteren ungefähr doppelt so groß ist. Das im
Verhältniß zu ihren Leistungen bedeutende Gewicht der calorischen Maschine, steht außerdem der
Realisirung einer großen Geschwindigkeit der Fahrt im Wege, und was endlich die
Anwendung des calorischen Princips auf die Flußschifffahrt oder den Transport auf
Eisenbahnen anbelangt, so scheint das große Gewicht der Maschine und der Raum, den
sie einnimmt, zum Voraus alle Hoffnung abzuschneiden, dasselbe auch auf diesem
Gebiete mit Erfolg zur Anwendung gebracht zu sehen. Dagegen sind hinsichtlich der
Anwendung der calorischen Maschine für die Zwecke der Fabrication, zur Entwässerung
der Gruben u.s.w. diese Einwürfe von geringerem Gewichte, und man mag daher in
dieser Richtung mit Sicherheit einem günstigen Resultate der Erfindung
entgegensehen.
Fassen wir die vorangegangenen Bemerkungen in einer gedrängten Uebersicht zusammen,
so ergibt sich:
1) Daß im Vergleich mit der condensirenden Schiffsdampfmaschine die Ericsson'sche Luftexpansionsmaschine im Stande ist, mit
einer um ein Sechstel bis ein Drittel geringeren Quantität Brennmaterial das
Nämliche zu leisten. Sollte es aber mit der Zeit gelingen, ihr die von Hrn.
Ericsson bezeichnete
Kraftentwickelung zu geben, so würde sich die Brennmaterialersparniß auf 70 Procent
belausen.
2) Daß bei gleicher Leistung ihr Gewicht ungefähr dreimal so groß ist als das einer
Schiffsdampfmaschine, und daß im Fall die von ihrem Erfinder geschätzte Kraft
erreicht werden sollte, ihr Gewicht um 30 Procent größer ausfallen würde.
3) Daß rücksichtlich des von den Maschinen und Kohlen eingenommenen Raumes der
Vortheil entschieden zu Gunsten der Dampfmaschine ist.
4) Daß das große Gewicht der Maschine im Verhältniß zu der entwickelten Kraft der
Erzielung einer hohen Fahrgeschwindigkeit für jetzt im Wege steht. Es ist indessen
zuzugeben, daß die von dem Erfinder angegebene Kraftleistung zur Hervorbringung
größerer Geschwindigkeiten sich eignen würde. Die Zeit allein kann entscheiden, ob
dieses Maximum der Kraft wirklich erreichbar ist oder nicht.
5) Daß das große Gewicht der Maschine und der bei ihrer gegenwärtigen Form von ihr in
Anspruch genommene Raum, aller Wahrscheinlichkeit nach ihrer Anwendung für die
Zwecke der Flußschifffahrt und des Eisenbahnverkehrs im Wege steht. Dagegen ist mit
Zuversicht zu erwarten, daß die Caloric-Maschine als stationäre Maschine und
in denjenigen Fällen der Seeschifffahrt, wo die Geschwindigkeit ohne Nachtheil der
Brennmaterialersparniß geopfert werden kann, einen entschiedenen Triumph über die
Condensations-Dampfmaschine erlangen werde.
Obgleich wir zu dem Schluß gelangt sind, daß der neue Motor den überspannten
Erwartungen welche man im Hinblick auf seine Leistungen hegte, nicht vollständig
entspricht, so müssen wir doch ohne allen Rückhalt zugeben, daß die Erfindung eine
bedeutende, viel versprechende Errungenschaft auf dem Gebiete der industriellen
Technik ist, und daß die Genialität der Erfindung und der in der ganzen Construction
sich kundgebende mechanische Scharfsinn nicht genug hervorgehoben werden kann.