Titel: | Dampfcalorimeter für Heitzkraftbestimmungen; von Professor Dr. P. Bolley. |
Fundstelle: | Band 176, Jahrgang 1865, Nr. LXXVIII., S. 265 |
Download: | XML |
LXXVIII.
Dampfcalorimeter für Heitzkraftbestimmungen; von
Professor Dr. P.
Bolley.
Aus der schweizerischen polytechnischen Zeitschrift, 1865,
Bd. X S. 18.
Mit einer Abbildung auf Tab. IV.
Bolley, über Dampfcalorimeter für
Heitzkraftbestimmungen.
Die gebräuchlichen Calorimeter sind von zweierlei Art: Eiscalorimeter und Warmwassercalorimeter.
Erstere dienen nur für Bestimmungen der specifischen Wärme, während letztere von den
Physikern zur Ermittelung der Quantitäten von Verbrennungswärme gebraucht werden,
welche sich aus den in dem Apparate verbrennenden Stoffen entbinden.
Es ist einleuchtend, daß für den letzteren Zweck, bei bestimmten Dimensionen des
Apparates, d.h. mit einem bestimmten Quantum Wasser, weit größere Effecte gemessen
werden können, wenn man die latente Wärme des Dampfes zu Hülfe nimmt, als wenn man
nur die Temperaturunterschiede des Wassers vor und nach dem Versuch als
Messungsmittel für die erzeugte Wärme wählt. Dieß aus mehrfachen Gründen: 1) weil
man beim Warmwassercalorimeter die Temperatur der Flüssigkeit dem Siedepunkt nicht
allzunahe bringen darf; 2) weil man auf eine gegebene Menge von Wasser (soviel eben
der Apparat faßt), angewiesen ist, während man in Apparaten, die zur Dampferzeugung
bestimmt sind, stets beliebige, ihrem Gewicht und ihrer Temperatur nach bekannte
Mengen Wassers nachfüllen und zur Messung brauchen kann; 3) weil man jedem
Wassertheilchen mindestens 540 Einheiten latenter Wärme zuzuführen und zur Messung
zu gebrauchen im Stande ist, die begreiflich beim Warmwassercalorimeter ganz aus dem
Spiele fallen. Darum
dient dieses auch nur mehr zu Bestimmungen in kleinerem Maaßstab und für
wissenschaftliche Zwecke, es ist ein physikalischer Apparat, der für technische
Fragen kaum geeignet ist. Wo es sich um Ermittelung der Verbrennungswärme z.B. von
Schwefel, reinem Kohlenstoff, Phosphor, einem Gase, Alkohol, kurz von Substanzen von
constanter Zusammensetzung handelt, mögen kleinere Quantitäten eher genügen, bei
Heizmaterialien aber, die stets ungleichartige Zusammensetzung haben, können nur
größere, zweckmäßig auserlesene Mengen befriedigende Durchschnittsresultate
liefern.
Dampfkessel anderseits, wie sie bei den größeren Untersuchungen von Brix, Hartig u.s.w. gedient haben, setzen nicht nur
größere Quantitäten von Brennmaterial und längere Dauer des einzelnen Versuches
voraus, sondern erheischen mancherlei Hülfsmittel, die nur mit größerem Aufwand
beschafft werden können, ihr Gebrauch involvirt überdieß Fehlerquellen, welche
namhaft vermindert werden können, bei einer Construction, die nicht auf anderweitige
praktische Verwendungen des Apparates Rücksicht zu nehmen hat, d.h. wenn man den
Dampfkessel zu einem eigentlichen Calorimeter macht. Bei größeren Feuerungsanlagen
ist bekanntlich in Betracht zu ziehen, ob sie nach der Weite der Rostfugen, der
Entfernung des Rostes vom Kesselboden, dem Querschnitt der Züge u.s.w. für lockere
starkflammende Brennstoffe – Holz, oder für dichtere – Steinkohlen
bestimmt sind, so daß in einer Anlage der einen Art nicht jedes Brennmaterial gleich
vortheilhaft verbrannt werden kann, daß also streng genommen, solche Apparate nicht
für Vergleichung der Leistungen verschiedener Materialien geeignet sind. Die Menge
der dem Mauerwerk zugeführten, in demselben sich anhäufenden und durch Strahlung und
Leitung entweichenden Wärme ist, man darf wohl sagen ganz unbestimmbar. Man könnte,
überall wo es sich nur um Bestimmung der nutzbaren Wärme
handelt, wie es auch in der Regel bei solchen im Großen ausgeführten Versuchen
geschieht, diesen Verlust bei vergleichenden Versuchen für einflußlos halten, wenn
man annehmen dürfte, es finde ein constantes Verhältniß zwischen der dem Apparate
(dem Kessel) und der dem Mauerwerk zugeführten Wärme statt, allein da dem nicht so
ist, bringt dieser Umstand große Unsicherheit in die Bestimmung selbst nur des nutzbaren Effectes.
Die bei Versuchen mit Calorimetern nöthigen Correcturen beziehen sich:
1) auf die Wärmeabsorption der Masse des Apparates selbst. Es läßt sich diese
Correctur leicht ausführen, d.h. ihr Betrag umrechnen in Wasserwerth, wenn das Gewicht
und Material, die specifische Wärme und die Temperatur des Wassergefäßes bekannt
sind;
2) auf die Wärmeverluste, die durch Abgabe der Wände des Apparates an die Umgebung
entstehen.
Beide Beträge werden im Warmwassercalorimeter einen größeren aliquoten Theil vom
Gesammteffect ausmachen als beim Dampfcalorimeter, weil die Erwärmung der Gefäßwände
im Verhältniß zur Temperatur des Inhaltes, nicht in dem zur Wärmemenge, die darin
erzeugt wurde, stattfindet, und die Wärmeabgabe der Metallwände des Gefäßes
ebenfalls wesentlich von der Temperatur und nicht, oder nur in ganz untergeordnetem
Verhältniß von der Wärmequantität oder der Aggregatform des Inhalts abhängt;
3) auf die mit den Rauchgasen abgeführte Wärmemenge. Bei gewöhnlichen Feuerungen
müssen die Verbrennungsproducte, seyen sie gas- oder dampfförmig, unvollkommen oder
vollkommen verbrannte, sammt dem Stickstoff und dem überschüssig zugeführten
Sauerstoff der atmosphärischen Luft mit einer gewissen höheren Temperatur
entweichen, wenn der Verbrennungsproceß im Herde lebhaft von statten gehen soll,
weil durch deren höhere Temperatur der Luftzug bedingt wird. Die Temperatur der
zugeführten Luft, sowie die Temperatur der durch die Esse entströmenden Rauchgase
läßt sich an verschiedenen Stellen der Esse oder Züge durch Thermometer mit
hinreichender Genauigkeit bestimmen. Die Bestimmung der Menge der zutretenden Luft oder des aus der Esse entströmenden Gas- und
Dampfgemenges ist dagegen eine Aufgabe von fast unübersteiglichen Schwierigkeiten.
Man bedient sich gewöhnlich des sogenannten Woltmann'schen Flügels oder eines Flügelrädchens, das nach Art des Combes'schen Anemometers gebaut ist. Diese Instrumente
bieten aber, wie auch Brix zugibt, der sich ihrer
bediente, durchaus keine Sicherheit für die Bestimmung der durchströmenden
Luftmengen. Annähernd wenigstens läßt sich dagegen die zugeführte Luftmenge
bestimmen, wenn die Zufuhr durch eine Blasevorrichtung bewerkstelligt wird. Ein
kleines Cylinder- oder Kastengebläse mit Zählwerk würde unvergleichlich größere
Genauigkeit der Messung gestatten als der Woltmann'sche
Flügel. Eben so gut zu Messungen der Luftmenge läßt sich eine Gasuhr von
entsprechender Größe, die zwischen einen Ventilator und den Calorimeter
eingeschaltet wird, benützen.
Durch die Luftzufuhr mittelst eines solchen Blaseapparates können aber zwei andere
Vortheile erreicht werden: 1) Man hat es mehr in der Hand, langsamer oder schneller
und in jedem Falle stets genug Luft zutreten zu lassen, um die Verbrennung
vollständiger zu erreichen. Bei dem unten zu beschreibenden Dampfcalorimeter dient ein
Ventilator und man kann leicht bemerken, daß bei sehr allmählichem Zulegen frischen
Materials auffallend geringere Rauchbildung stattfindet als bei Verbrennung unter
anderen gewöhnlichen Zugverhältnissen sonst vorkommt. 2) Man kann die Abzugscanäle
für die Rauchgase enger halten und verlängern, und sie mit Wasser umgeben, so daß
die Gase auf eine beliebige Temperatur abgekühlt werden können, ohne daß der
Verbrennungsproceß darunter leidet. Weil man auf diese Weise die mit den Rauchgasen
fortgerissene Wärme größtentheils auf das die Rauchrohre umgebende Wasser überträgt,
bringt man mehr Sicherheit in die Bestimmung dieses Wärmeverlustes, und erhält
überdieß einen mit dem nutzbaren Effect direct vergleichbaren Ausdruck für die Größe
dieses Verlustes, indem man die mit Wasser gefüllte Umhüllung der Rauchröhren
gleichsam als einen Warmwassercalorimeter betrachtet und die darin beobachteten
Effecte getrennt berechnet.
Durch Summirung der beiden Effecte und mit Hülfe der nöthigen Correcturen für die
anderen genannten Verlustquellen kann man den Gesammteffect bestimmen. Daß diese letztere Bestimmung aber das
eigentliche Ziel solcher Untersuchungen seyn sollte, bedarf keiner Erwähnung.
Die obigen Betrachtungen veranlagen die Bemühungen einen Apparat herzustellen, der
nicht zu kostbar, nicht zu schwerfällig, leicht zu bedienen und in seinen Leistungen
sicher sey. Er sollte theils zu den häufig vorkommenden gutächtlichen Untersuchungen
über Heizmaterialien, theils zur Uebung der Prakticanten des technischen
Laboratoriums in derartigen Untersuchungen und Berechnungen dienen. Der nachfolgend
beschriebene ist nach meinen Angaben und nach Berathung über einzelne
Constructionsfragen mit dem Ingenieur der Maschinenfabrik von Gebrüder Sulzer in Winterthur, Herrn
Brown, in dieser Fabrik
ausgeführt worden.
Der Calorimeter selbst, in der beigegebenen Abbildung in 1/10 seiner wirklichen Größe
dargestellt, besteht aus fünf Haupttheilen, in dem Verticaldurchschnitt Fig. 1
sichtbar: A dem Verbrennungsraum und B dem stehenden cylindrischen Dampfkessel, welcher mit
C, einem Holzmantel, umgeben ist; ferner aus D dem Luftzuführrohr, das an seinem oberen Ende den Rost
trägt, und E dem Fuße aus Gußeisen. Es ist an A, dem Verbrennungsraum, seitlich im unteren Theile das
Rohr a angebracht für Nachfüllung des Brennmaterials.
Dieses ist geschlossen mit der Thüre b, an welche die
Doppelwand c angegossen ist, wie es gewöhnlich bei
Kesselfeuerungsthüren zur Verminderung allzustarker Strahlung der Wärme nach der Thüre hin der
Fall ist; sowohl die Thüre selbst, als die innere Doppelwand haben Oeffnungen, um
den Gang der Verbrennung beobachten zu können. Die Oeffnung in der Thüre selbst ist
mit einem Glimmerblatt geschlossen. Die Verschlußart der Thüre selbst ist ähnlich
der einer Gasretorte. Im oberen Theile des Feuerungsraumes ist d das Rohr für Abzug der Rauchgase angebracht; die
äußerliche Verlängerung desselben nach e hin wird unten
näher beschrieben werden. Der Verbrennungsraum ist aus Schmiedeeisen, der Hals des
Rohres a sowie der des Rauchrohres d sind von Gußeisen.
Der Dampfkessel B, in seinem unteren und oberen Theile
aus Gußeisen, im cylindrischen Theile aus Eisenblech, umgibt den Feuerungsraum A. f ist das Dampfrohr, an welchem das weitere Rohr g hängt, welches unter das Niveau des Wassers h taucht. Durch den ringförmigen Zwischenraum zwischen
f und g entweichen die
Dämpfe und verlieren auf diesem Wege etwa mitgerissenes Wasser, das im Rohre g niederfällt. i ist eine
mit einem Eisenstopfer verschließbare Oeffnung im Deckel des Kessels zum Einfüllen
von Wasser. k ist ein beweglicher Deckel, der durch die
Schraube l und den Riegel m
festsitzend auf dem Dampfkessel geschlossen werden kann.
Der Mantel C ist aus Faßdauben gemacht; zwischen
demselben und dem Dampfkessel B ist ein Hohlraum, der
mit Werg gefüllt ist, damit Wärmeverlust nach außen möglichst vermieden werde. D ist ein gußeisernes Rohr, das bei n mit der Gebläsevorrichtung durch einen
Kautschukschlauch verbunden ist. Es sind angegossen die beiden Teller o und p, deren oberer, p, mit vielen Löchern versehen ist, damit der bei s aus dem Rohre D
austretende Wind gegen den Rost q und in den Raum A strömen kann. An dem Rohre D ist ferner angebracht die Pfanne r, die
während des Versuches durch das Rohr t mit Wasser
gefüllt wird, um luftdichten Verschluß zu haben. D und
alle daran befestigten Theile kann in der Führung n auf-
und abgeschoben werden, um den Rost und die Teller p und
o, sowie die Pfanne r
von Asche und Schlacken reinigen zu können. Um diesen Theil des Apparates an seiner
Stelle in der Höhe zu halten, sind an dem Fußgestell E
horizontale Zapfen v angebracht, über die einerseits die
zum Mittragen dienende Röhre t, auf der anderen Seite
ein gußeiserner Bügel w durch einige Drehung um die
Achse D hingeschoben wird.
Nächst dem Dampfcalorimeter ist noch ein wesentlicher zweiter Theil des Apparates,
der keiner Abbildung bedarf um veranschaulicht zu werden, namhaft zu machen, nämlich
der Rauchcanal sammt der Abkühlvorrichtung für die
Rauchgase. An den Ansatz des Rohres d
schließt sich ein
horizontales Rohr aus Messingblech an, das aber nicht kreisrunden, sondern ovalen
Querschnitt hat, damit die Oberfläche im Verhältniß zum Querschnitt vergrößert
werde. Dasselbe liegt in einem Zinktrog mit Holzumhüllung, der unten 9 Zoll, oben 12
Zoll weit, 15 Zoll hoch und 6 Fuß lang ist, und während eines Versuches mit Wasser
gefüllt wird. Hinter diesem horizontalen Rohr und Abkühlgefäß schließt sich ein
zweites ganz ähnliches an, um die Rauchgase möglichst abzukühlen. Aus diesem strömen
sie durch ein gewöhnliches Ofenrohr aus. In letzterem ist nahe der Mündung ein
Thermometer eingesteckt, um die Temperatur des Gasgemenges bei seinem Austritt zu
messen. Ein Schlangenrohr, in einem Kühlfaße liegend, wie es bei
Branntweindestillirapparaten gebräuchlich ist, hat sich als eine für den Abzug der
Rauchgase unzweckmäßige Form erwiesen, da die Windungen dem Luftstrome zu große
Hemmnisse boten, wodurch die Verbrennung erschwert würde.
Die Einleitungen zu einem Versuche sind: Füllen des Kessels bis auf die ungefähre
Höhe von h und so, daß das Gewicht des eingefüllten
Wassers bekannt ist. Es dient dazu ein Meßgefäß aus Blech mit trichterförmigem Boden
und Abflußrohr mit Hahn, und engem Halse, in dem ein kleines nach der Seite
gerichtetes Abflußröhrchen angebracht ist, durch welches das Wasser, wenn das Gefäß
nahe am Uebervollwerden ist, abfließt. Dasselbe ist genau geaicht und dient
ebenfalls zum Abziehen des rückständigen Wassers im Dampfkessel, was durch den am
Kesselboden, angebrachten Hahn z geschieht. Die Menge
des eingefüllten Wassers und seine Temperatur werden notirt. Die Tröge, welche das
Abkühlwasser für die Rauchgase enthalten, werden in gleicher Weise gefüllt, und
ebenfalls das Gewicht und die Temperatur des Wassers vorgemerkt. Ist die Füllung
geschehen, so beginnt das Heizen. Zu diesem Ende wird eine kleine abgewogene Menge
von Holzkohlen auf den Rost gebracht und darauf etwas von dem passend zerkleinerten
und abgewogenen Brennstoffe, her zur Untersuchung vorliegt, und dessen Feuchtigkeit
durch gesonderte Versuche bestimmt ist. Die Thüre b wird
geschlossen und nun das Feuer durch Zublasen von Wind durch D angefacht; sobald das eingefüllte Material sich in voller Gluth
befindet, wird neues in kleiner Menge zugegeben. Während des Brennens wird die
Temperatur des Abkühlwassers in den Trögen, worin das Rauchrohr liegt, beobachtet,
und zu diesem Ende die Flüssigkeit häufig umgerührt, damit die Temperatur in den
oberen Schichten und in den unteren im Troge sich ausgleiche. Der Stand der Gasuhr
zu Anfang des Versuchs ist ebenfalls zu notiren.
Man fährt mit Heizen fort, bis das Niveau des Wassers im Kessel von h sich bis etwa einen bis zwei Zoll vom Deckel des
Feuerraumes gesenkt hat. Diese Höhendifferenz entspricht etwa 50–60 Pfd.
Wasser. Will man den Versuch länger fortsetzen, so füllt man durch i eine abgewogene (gemessene) und ihrer Temperatur nach
gekannte Menge Wassers ein und bringt sie mit in Rechnung.
Ist der Versuch beendigt, so werden die auf dem Roste rückständigen Kohlen
herausgenommen und durch Einsperren in ein Blechgefäß getödtet. Diese werden gewogen
und ihr Gewicht von dem Gesammtgewicht des zugegebenen Materials abgezogen. Streng
genommen wäre das Brennbare in diesem Rückstande zu bestimmen, da er nicht
unverändertes Brennmaterial ist. Die anfänglich zum Anzünden gebrauchten Holzkohlen
werden ebenfalls in Abzug gebracht, so zwar, daß man den aus den Daten eines
besonderen Versuches ermittelten Heizeffect derselben berechnet und von den
Gesammteffect abzieht.
Dieser letztere setzt sich zusammen:
1) aus der Wärmemenge, die nöthig ist zur Temperaturerhöhung des Wassers im Kessel
auf 100° C. plus derjenigen, die erforderlich
ist, um die entstandene Menge Dampf hervorzubringen;
2) aus der Wärmemenge, die nöthig war, um das bekannte Gewicht des Kessels auf
100° C. (falls nicht etwa Dämpfe von etwas höherer Temperatur und Spannung
erzeugt wurden) zu erwärmen;
3) aus der Temperaturerhöhung der gemessenen Wassermengen in den beiden
Kühltrögen;
4) aus der beim Austritt aus dem Rauchrohr den Gasen noch bleibenden
Temperaturerhöhung. Das Volum des zugeblasenen Windes wird von der Gasuhr abgelesen
und kann, falls man ein Manometer eingeschaltet und für dessen während des Versuchs
stets ungefähr gleichbleibenden Stand gesorgt hatte, in Gewicht umgerechnet und aus
der specifischen Wärme der Luft und der beobachteten Temperatur die Wärmemenge
berechnet werden, die zu dieser Temperaturerhöhung nöthig war.
Man darf den Verlust an Wärme, der durch Strahlung und Leitung von der Außenfläche
des Kessels aus sich ergibt, als ganz gering ansehen, denn die Holzbekleidung des
Kessels zeigt kaum fühlbare Temperaturerhöhung. Neben den obigen vier Componenten
des Gesammteffectes darf dieser ohne merklichen Nachtheil vernachlässigt werden.
Bei späterer Mittheilung von Versuchsresultaten wird es Gelegenheit geben, die Art
der Berechnung ausführlicher darzulegen.