Construction der Perkins'schen Wasserheizung; von C. Schinz. Mit Abbildungen auf Texttafel A. (Fortsetzung von S. 106 dieses Bandes.) Schinz, über Construction der Perkins'schen Wasserheizung. Ofenconstruction. Der größte Vorwurf, den man der Hochdruckwasserheizung mit Recht machen kann, ist der, daß im Ofen eine sehr beträchtliche Wärmemenge zerstreut wird. Es stellt sich daher die Aufgabe, einerseits den Ofen so anzubringen, daß die von ihm zerstreute Wärme benützt werde, und anderseits die Menge auf ihr mögliches Minimum zu beschränken. Bezeichnen wir mit T die Temperatur des Feuers im Ofen, r die Temperatur der äußern Luft, welche den Ofen umspült, S den Strahlungscoefficienten = 3,62 für Thonsteine, L den Leitungscoefficienten = 1,778 für horizontale Flächen,                  = 2,05 für verticale Flächen, C die Leitungsfähigkeit des Materials, aus dem die Wände bestehen, für Thonsteine = 0,6, e die Dicke der Ofenwände in Meter, so läßt sich die äußere Temperatur τ' der Ofenflächen berechnen durch Textabbildung Bd. 219, S. 210 Für Holz ist T = (1142 + 300)/2 = 721°, wenn die Gase mit 300° in den Kamin strömen. Für Torf T = (1213 + 300)/2 = 756° Für Braunkohle T = (1345 + 300)/2 = 822°. Für Steinkohle T = (1409 + 300)/2 = 854°. Da eine intensive Temperatur den Röhren zu gut kommt und diese mehr Wärme absorbiren als der Ofen, so ist solche immer vortheilhafter. Bei Anwendung dieser Brennstoffe würden die Temperaturen τ' sein: für Ofendecke: Textabbildung Bd. 219, S. 211 Ofendecke e = 0,3 τ' = 209 219 237 246° e = 0,6 129 135 145 150 Wände e = 0,3 203 212 229 237 e = 0,6 125 130 140 145. Die pro Stunde und Quadratmeter Fläche transmittirten Wärmeeinheiten sind dann: Ofendecke e = 0,3 2218 2425 2832 3054c e = 0,6   956 1031 1161 1230 Wände e = 0,3 2192 2377 2754 2946 e = 0,6   954 1017 1150 1219 Danach möchte man glauben, daß die größern Ofenwanddicken nicht einmal die Hälfte der Wärme zerstreuen, als nur halb so dicke Wände; dem ist aber nicht so. Ein Ofen z.B., der 5m Seite und 4m Höhe hätte, würde eine Deckenfläche von 25qm darbieten und 80qm Wandfläche; machen wir nun aber e = 0,6 statt 0,3, so bekommt der Ofen 5m,6 Seite und 4m,3 Höhe, daher 32qm,4 Ofendecke und 96qm,4 Wandfläche, daher würde die Transmission (für Steinkohle) sein: für e = 0,3 e = 0,6 25 × 3054 =   76350 32,4 × 1230 =   39852 80 × 2946 = 235680 96,4 × 1219 = 117511 ––––––– ––––––– 312030c 157363c Verhältniß = 1 : 0,5. Der in den Figuren 4 und 5 dargestellte Ofen hat nun 2m,64 Länge 1m,69 Breite und 1m,44 Höhe. Daher ist dessen Deckenfläche = 2,64 × 1,69 =   4qm,461 Wandfläche (5,28 + 3,38) × 1,44 = 12qm,557.    e = 0,6 und die Transmission =   4,461 × 1230 =   5487c 12,557 × 1219 = 15307 –––––– 20794c. Dies ist bedeutend mehr, als wir früher angenommen hatten; dafür enthält aber auch der Ofen eine größere Röhrenlänge, es sind nämlich 6 Röhren neben einander, von denen jede im Ofen 3m,870 Länge hat, also im Ganzen 3,87 × 6 = 23m,22. Unter so veränderten Verhältnissen müssen wir nochmals prüfen, ob Brennstoffmenge und erwarteter Effect übereinstimmen. k Wir haben 20794/6000 =   3,466 Steinkohle für die Ofentransmission und 67447/6000 = 11,214 Steinkohle für Erwärmung des Wassers, –––––– zusammen 14,680, welche zu 7509 = 110230c geben. Die specifische Wärme w des Productes ist = 14,68 × 5,3305 = 78c,251. Die Progression der Ofentransmission = 1040 2599 4158 5717 u. 7276c. Die Progression der Wassertemperaturen, wie früher = 60 98 136 174 u. 212°. Der Absorptionscoefficient per Theil = W⁰ wird (23 × 22)/5 × 4,1964 = 19,488. Wir haben daher Wärmevorrath T t T–t Wasser-Absorpt. Ofen-Transm. Total. 110230 1400 212 1188 23151   7276 = 30427   79803 1020 174   846 16487   5717 = 22204   57599   736 136   600 11693   4158 = 15851   41748   510   98   412   8029   2599 = 10628   31120   398   60   338   5233   1040 =   6273 –––––––––––––––––––––––––––––––––––   24877   318 64593 20790 = 85383 Da die Evacuationstemperatur um 18° zu hoch ist, die Absorption aber um 2857c zu klein, so möchte es scheinen, als ob auch diesmal noch mehr Transmissionsfläche erforderlich wäre; wir wollen aber nun zeigen, daß eine kleine Vermehrung der Brennstoffe zu demselben Ziele führt. Nehmen wir 15k Kohle, so wird der Wärmevorrath = 112630c und die Wärmecapacität der Gase = 15 × 5,3305 = 79,956, und wir haben dann: 112630 1400 212 1188 23151 7276 = 30427 82203 1028 174 854 16643 5717 = 22360 59843 749 136 613 11946 4158 = 16104 43739 547 98 449 8750 2599 = 11349 32390 405 60 345 6723 1040 = 7763 ––––––––––––––––––––– 24627 308 67213 20790 = 88003 wodurch also unser Zweck ebenfalls erreicht wird, wenn auch freilich mit etwas weniger Oekonomie. Die Figuren 6 und 7 zeigen, wie je 3 Röhren im Ofen außerhalb desselben verbunden werden können. Statik der Widerstände im Ofen. Wenn schon die meisten Praktiker sich um diese Statik nicht im mindesten bekümmern, so wird doch gerade die Aufstellung einer solchen denselben zeigen, daß dieselbe nicht vernachlässigt werden darf, wenn man auf sichern Erfolg rechnen will, da viele Fälle vorkommen, wo die Kammhöhe nicht ausreicht, um diese Widerstände zu überwinden, und anderseits solche, wo der Ueberschuß der Kaminhöhe den Heizer verleitet, stärker zu feuern, als dem Erfolge und der Oekonomie zuträglich ist. 15k Kohle, welche pro Stunde verbrannt werden, geben 15 × 16,595 = 248cbm,87 Gase von 0°, entsprechend = 0cbm,0691 pro Secunde. Dieses Volum ist aber durch Erhöhung der Temperatur im Ofen weit größer, wechselt übrigens jeden Augenblick, sowie die Gase sich abkühlen. Wir können nach den obigen Resultaten annehmen, daß sie in den 5 Sectionen successive die Temperatur 1400 1030 640 450 und 300° haben werden. Dadurch werden die Volume V (in Cubikmeter) dieser Gase pro Secunde = 0,4238 0,3301 0,2313 0,1831 0,1451. Die Querschnitte Q der 3 Canäle im Ofen berechnen sich, indem wir deren Höhe mit der Breite multipliciren und vom Producte für die Röhren 6 × 0,045² × π = 0,00954 abziehen. 0,08846  0,07866  und  0,7866 = Q. Nun sind die Geschwindigkeiten v = V/Q in der 1. Section 0,4238 : 0,08846 = 4m,79, dann in der 2. Section 0,3301 : 0,08846 = 3m,73, in der 3. 0,2313 : 0,07866 = 2m,94, in der 4. 0,1831 : 0,07866 = 2m,33 und in der 5. 0,1451 : 0,07866 = 1m,84, im Fuchse 0,1451 : 0,049 = 2m,96 und im Kamine 0,1451 : 0,0784 = 1m,85, wenn dessen Durchmesser 0m,28 ist. Diesen Geschwindigkeiten entsprechen die Druckhöhen: p₁ = 1,17; p₂ = 0,717; p₃ = 0,443; p₄ = 0,281; p₁ = 0,174; p₆ = 0,444 und p₇ 0,174. Der am schwierigsten zu bestimmende Widerstand ist der, welcher im Brennstoffe auf dem Roste stattfindet, da er von der Art und der Zertheilung von jenem abhängt. Backende pulverförmige Steinkohlen geben den größten Widerstand;    annähernd ist w = 0,1 p₁, = 0,1170 Die Umbiegung der Gase in den Canal im scharfen rechten Winkel p₁ = 1,1700 Die Contraction im Eingange (Heizung und Ventilation, S. 333 Formel     6.) D = 0,55 d = 0,2, A = 0,42 und Ap = 0,4680 Die Reibung im 1. Canale KLU/4S × (p₁ + p₂/2) = (0,024 × 0,88 × 2,09)/(4 × 0,08846) × 0,943 = 0,1176 –––––– Summe 1,8726 Uebertrag 1,8726 U ist gleich dem Umfange der Canalwände plus demjenigen des    Umfanges der 6 Röhren. Im 2. Canale ist die Reibung (K × 0,56 × 2,15)/(4 × 0,07866) p₃ = 0,0407 Im 3. Canale (K × 0,56 × 2,15)/(4 × 0,07866) p₄ = 0,0258 Die doppelte Umbiegung in scharfen rechten Winkeln zwischen dem     1. und 2. Canale (p₂ + p₃)/2 + (0,717 + 0,433)/2 = 0,5800     dem 2. und 3. Canale (p₃ + p₄)/2 = (0,443 + 0,281)/2 = 0,3620 Die Umbiegung durch den Fuchs p₅ sin² i = 0,174 × 0,7071² . (i = 45°) = 0,0870 Die Contraction in demselben A = 0,45 p₆ = 0,45 × 0,444 = 0,1998 –––––– 3,1679 Nun fragen wir, wie hoch muß der Kamin sein, um diesen Widerstand zu überwinden, wenn die Temperatur der Gase in demselben = 300°? Diese Höhe ist = h = P/(1 – sy), wo P = dem Widerstande, s = dem specifischen Gewichte der Gase nach ihrer Temperatur = 0,4763 und y = dem specifischen Gewicht nach ihrer Natur = 1,03508. 3,1679/(1 – 0,4763 × 1,02508) = h = 6m,19. In unserm vorliegenden Projecte wird aber der Kamin wohl 12m Höhe haben; wenn aber dies anders wäre, so müßte man suchen, welches die nothwendige Höhe ist. Die Umbiegung in den Kamin verbraucht noch an Druckhöhe p₇ = 0,1740 Die Reibung im Kamine, incl. Zuführungscanal, den wir = 2mannehmen. = KL/D p₇ = (0,024 × (12 + 2))/0,28 × 0,174 = 0,2088 Effective Ausflußgeschwindigkeit 0,1740 –––––– 3,7347 Nun producirt aber unser Kamin P = h – hsy = 6,1416 und wir haben einen Drucküberschuß von     der auf irgend eine Weise zu beseitigen ist. 2,4169 Gewöhnlich geschieht das mittels eines Schiebers, den man zwischen Kamin und Ofen anbringt. Dies hat aber den Nachtheil, daß der Heizer nie auf einen bestimmten Consum rechnen kann, daher er seine Röhren bald überhitzt, bald nicht genügend erwärmt. Damit also der richtige Maßstab inne gehalten werden könne, soll der Widerstand ein permanenter und unveränderlicher sein. Nichts ist zu diesem Zwecke geeigneter, als eine conische oder pyramidale Verengung des Kamins. (Heizung und Ventilation, Formel 5.) Machen wir die Pyramide in einem Winkel von 30°, so ist A = 0,26. Daher ist 0,26 × p = 2,4169; p = 2,4169/0,26 = 9,32, daraus v = √2gp = 13m,511, dann Q = V/v = 0,1451/13,511 = 0,01074 = Querschnitt der conischen oder pyramidalen Kaminspitze, durch welche der Ueberschuß von p = 2,4169 absorbirt wird, so daß der Kohlenconsum fast sicher constant 15k pro Stunde bleibt. Diese Ausströmungsgeschwindigkeit wäre allenfalls durch ein Manometer zu controliren, um sich zu versichern, daß richtig gerechnet wurde; es müßte dasselbe einen Druck von 0m,0121 Wasser geben. In einem solchen Falle könnte man allerdings durch Verlängerung der Ofenröhren auch noch die Evacuationstemperatur vermindern, um damit eine Ersparniß an Brennstoff zu erhalten. Durch Zufügen von 2 Röhren zu den 6 vorhandenen, würde der Consum sich auf 13k Kohle reduciren lassen. Die Evacuationstemperatur würde dann 1300, welcher s = 0,6773 entspricht, daher dann p = 3,87, was so ziemlich den Widerständen entspricht, da einerseits die Volume der Gase kleiner, aber auch die Querschnitte kleiner werden. Es wird also immer zweckmäßig sein, hohe Schornsteine zur Oekonomie des Brennmaterials zu benützen, wo solche ohnedem von der Localität gegeben sind. Wäre hingegen ein solcher Kamin besonders zu construiren, so würden die größern Constructionskosten den Ersparnissen von 3 Jahren gleichkommen. Tabelle I. Allgemeine Werthe und Bedeutung der in dieser Abhandlung gebrauchten algebraischen Zeichen. D und d Durchmesser, größerer und kleinerer, insofern deren zwei in Betracht kommen. S Strahlungscoefficient. Q Querschnitt. F Oberfläche. W Wärmetransmissionscoefficient an Luft, wenn t' – t = 20°, pro 1m laufende Röhre. W° Wärmeaufnahme des Wassers pro 1m laufende Röhre. w Specifische Wärme der Verbrennungsproducte. v Geschwindigkeit. h Höhe, auch Fallhöhe. s Specifisches Gewicht der Luft oder des Wassers. c Wärmeeinheit. Dimensionen der jetzt gebräuchlichen Perkins'schen Röhren. D Aeußerer Durchmesser = 0m,045, daher Oberfläche F pro laufenden Meter = 0,045 π = 0qm,1414. d Innerer Durchmesser = 0m,024, daher innerer Querschnitt Q = 0,012² π = 0qm,000113. W⁰ Wärmeaufnahme im Ofen vom Wasser pro 1qm = 59c,3555, daher pro 1m laufende Röhre = 59,3555 × 0,1414 = 4c,1964. Textabbildung Bd. 219, S. 215 Formel zur Berechnung der Geschwindigkeit. 2g Intensität des Falles = 19m,61. P = h (s – s') Druckhöhe oder auch Fallhöhe. L Länge der Röhren, in denen Reibung stattfindet. Diese Reibung ist eigentlich KL/d. K Reibungscoefficient = 0,024; da d ebenfalls für unsere Röhren = 0,024 ist, so wird der Bruch K/d = 1. B Umbiegungen im rechten Winkel = 1 oder 0,5, wenn abgerundet. Tabelle II. Transmissions-Coefficienten für die Temperatur der Luft. Summen der Coefficienten Ca, aus welchen der mittlere Coefficient = W erhalten wird, indem man die 10gradigen Temperaturintervallen darin dividirt. Absorptionscoefficienten der Ofenröhren Textabbildung Bd. 219, S. 216 Textabbildung Bd. 219, S. 216 Temperatur des Wassers t.; Entsprechende Transmission pro 1m Röhre C; Mittlerer Transmissionscoefficient Ca; Summe von Ca; Temperaturintervalle; Mittlerer Coefficient W für das System. Tabelle III. Specifisches Gewicht des Wassers bei Temperaturen zwischen 0° und 300°. t⁰ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9   0 1,00000   0,99954   0,99908   0,99862   0,99814   0,99768   0,99722   0,99676   0,99630   0,99582    10 0,99536   99490 99444 99399 99353 99305 99259 99213 99168 99122  20 99076 99031 98985 98940 98894 98848 98803 98757 98712 98667  30 98621 98576 98530 98485 98440 98394 98349 98304 98261 98216  40 98170 98125 98080 98035 97992 97947 97902 97857 97812 97769  50 97724 97679 97634 97589 97546 97501 97456 97414 97369 97324  60 97279 97237 97192 97149 97105 97060 97017 96973 96928 96886  70 96841 96796 96754 96710 96668 96623 96581 96536 96492 96450  80 96405 96363 96319 96276 96234 96190 96148 96104 96062 96017  90 95975 95933 95889 95847 95803 95761 95717 95675 95633 95592 100 95548 95506 95464 95420 95378 95334 95293 95251 95209 95166 110 95124 95082 95039 94997 94955 94936 94872 94831 94787 94746 120 94704 94663 94626 94578 94537 94495 94454 94413 94371 94330 130 94289 94248 94206 94165 94122 94081 94039 93998 93957 93916 140 93875 93834 93793 93752 93711 93670 93629 93588 93549 93508 150 93467 93426 93386 93345 93304 93263 93222 93182 93143 93102 160 93062 93021 92980 92942 92901 92860 92820 92781 92741 92700 170 92660 92621 92581 92540 92500 92459 92421 92380 92342 92302 180 92264 92223 92183 92143 92102 92064 92024 91984 91945 91906 190 91867 91827 91787 91749 91709 91671 91631 91593 91552 91515 200 91474 91437 91397 91359 91319 91281 91241 91201 91163 91126 210 91086 91048 91008 90970 90933 90893 90855 90816 90778 90740 220 90701 90663 90625 90586 90548 90511 90471 90434 90396 90357 230 90319 90282 90244 90205 90168 90130 90093 90053 90009 89979 240 89941 89904 89865 89828 89791 89753 89716 89679 89640 89602 250 89565 89528 89491 89455 89417 89380 89343 89304 89267 89230 260 89193 89156 89119 89082 89045 89008 88971 88934 88898 88861 270 88824 88787 88750 88714 88677 88640 88603 88567 88532 88495 280 88459 88422 88385 88349 88312 88276 88239 88204 88168 88131 290 88095 88058 88022 87987 87951 87914 87878 87842 87807 87771 300 87734 Tabelle IV. Specifisches Gewicht der Gase = 1, bei Temperaturen zwischen 0° und 300°, oder Werthe für s von 0° bis 300° zur Berechnung der Volume und der Höhendifferenzen von Luftsäulen bei verschiedenen Temperaturen. t⁰ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9   0 1,00000   0,99963   0,99273   0,98912   0,98555   0,98200   0,97858   0,97499   0,97152   0,96808    10 0,96465   96126 95788 95453 95120 94789 94460 94135 93810 93704  20 93171 92854 92538 92225 91916 91607 91300 90996 90692 90392  30 90095 89797 89504 89211 88920 88630 88345 88058 87775 87494  40 87215 86936 86660 86385 86113 85842 85574 85306 85039 84775  50 84512 84252 83990 83736 83480 83224 82972 82720 82469 82222  60 81975 81728 81484 81242 81001 80761 80521 80286 80050 79816  70 79583 79352 79121 78893 78665 78439 78215 77990 77768 77548  80 77327 77110 76892 76676 76461 76247 76034 75823 75614 75405  90 75197 74990 74784 74580 74377 74174 73972 73773 73575 73377 100 73180 72984 72788 72596 72404 72212 72021 71831 71643 71455 110 71268 71082 70897 70715 70531 70349 70170 69989 69809 69632 120 69438 69279 69102 68927 68754 68581 68408 68239 68068 67898 130 67730 67563 67395 67230 67064 66901 66736 66573 66410 66250 140 66089 65930 65772 65613 65456 65298 65142 64988 64834 64680 150 64527 64374 64223 64072 63928 63772 63624 63476 63314 63182 160 63036 62890 62754 62602 62458 62316 62173 62033 61893 61752 170 61613 61474 61335 61198 61059 60924 60787 60654 60519 60385 180 60252 60120 59986 59855 59724 59594 59463 59335 59205 59077 190 58950 58823 58696 58571 58445 58320 58196 58072 57948 57825 200 57703 57581 57459 57339 57219 57099 56980 56862 56743 56625 210 56508 56391 56274 56160 56044 55929 55815 55701 55588 55487 220 55362 55250 55028 54916 54916 54806 54695 54586 54478 54369 230 54260 54153 54046 53939 53832 53727 53620 53526 53411 53306 240 53202 53099 52997 52894 52791 52689 52587 52487 52385 52285 250 52186 52086 51986 51887 51789 51690 51593 51496 51399 51303 260 51206 51111 51014 50919 50824 50729 50635 50542 50449 50356 270 50236 50171 50078 49986 49895 49805 49713 49623 49532 49442 280 49354 49265 49176 49087 48999 48911 48824 48736 48650 48562 290 48476 48390 48305 48219 48134 48048 47966 47881 47797 47713 300 47630 Tabelle V. Zusammensetzung, Wärmeproduction, Bedarf an Luft zur Verbrennung, specifische Wärme der Verbrennungsproducte bei 0° und absolutes und specifisches Gewicht derselben für verschiedene Brennstoffe. Vollkommene Verbrennung mit Luftüberschuß. Zusammensetzung. Holz. Torf. Braunkohle Steinkohle. Anthracit. Asche k – 0,0480 0,0930 0,0520 0,0280 Elemente des Wassers u. Stickstoff k 0,6000 0,5075 0,2669 0,0973 0,0332 Freier Wasserstoff k 0,0056 0,0117 0,0202 0,0358 0,0234 Kohlenstoff k 0,3944 0,4328 0,6169 0,8149 0,9154 Wärmeproduction. Aus Wasserstoff zu 34000c c   190   398   687 1217   796 Aus Kohlenstoff zu 8000c c 3155 3462 4935 6519 7323 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 3345 3860 5622 7736 8119 Minus latente Wärme des  Wassergases zu 540c c   351   331   244   227   132 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Effective erzeugte Wärme c 2994 3529 5378 7509 7987 Bedarf an Sauerstoff u.Luft zur Verbrennung. Sauerstoff zur Bildung von   Kohlensäure k 1,0517 1,1541 1,6451 2,1731 2,4411 Sauerstoff zur Bildung von   Wasser k 0,0448 0,0936 0,1616 0,2864 0,1872 Mitgehender Stickstoff k 3,6096 4,1073 5,9475 8,0964 8,6521 Luftüberschuß = 1/2 k 4,7061 5,3550 7,7542 10,5559   11,2804   –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Total k 9,4122 10,7100 15,5084 21,1118   22,5608   Specifische Wärme derVerbrennungsproducte. Kohlensäure c c 0,31294 0,34341 0,48950 0,64660 0,72635 Wassergas c c 0,30847 0,29108 0,21456 0,19926 0,11581 Stickstoff c c 0,88074 1,00218 1,45119 1,97552 2,11121 Luftüberschuß c c 1,11864 1,27288 1,84317 2,50913 2,68135 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Total c 2,62079 2,90955 3,99842 5,33051 5,63472 Initialtemperaturen. Grad 1142 1213 1345 1409 1417 Volum d. nöthigen Luft bei 0⁰ cbm 7,2452   8,2442 11,938 16,251 17,362 Volum der Gase bei 0⁰ cbm 8,01404 8,99362 12,3805 16,59494 17,53106 Specifisches Gewicht y der  Gase bei 0⁰, Luft = 1 0,99999 1,00483 1,02059 1,02508 1,03340   (Fortsetzung folgt.)