Titel: | Ueber Versuchsergebnisse betreffs Dampfcondensation mittels bewegter Luft; nach einem Vortrage von Josef Popper. |
Fundstelle: | Band 268, Jahrgang 1888, S. 161 |
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Ueber Versuchsergebnisse betreffs
Dampfcondensation mittels bewegter Luft; nach einem Vortrage von Josef Popper.Nach einem uns gütigst übersandten Sonderabdruck aus der Wochenschrift des österreichischen Ingenieur- und Architektenvereins.
1888 Nr. 10.
Ueber Versuchsergebnisse betreffs Dampfcondensation.
Der Vortragende berichtete über eine Reihe von Versuchen, die er im Sommer des Jahres
1887 in der Maschinenfabrik der Herren C. Lenz und
Comp. durchgeführt hat. Der Oberflächencondensator hatte eine
Gesammtkühlfläche von 17qm,5 und befand sich im
Kesselhause in der Nähe des kälteren Endes des mit 3at,5 betriebenen Dampfkessels; ein Bläser von ungefähr 600mm Durchmesser mit wagerechter Drehachse wurde von
1 oder 2 Mann mittels einer Uebersetzung betrieben, die es ermöglichte, demselben
bis 450 Umdrehungen in der Minute zu geben.
Die Messungen selbst setzten sich aus drei getrennt durchgeführten Reihen von
Messungen zusammen; nämlich der Messung der bei verschiedenen Umdrehungen des
Bläsers in der Stunde condensirten Dampfmengen, sodann jener der für diese
verschiedenen Umdrehungszahlen nöthig gewesenen Arbeiten in Secundenmeterkilogramm
und ferner die der Wärmegrade der ein- und austretenden Luft und deren
Geschwindigkeit.
Betreffs der angewendeten Instrumente und Methoden sei folgendes bemerkt: Die
Luftgeschwindigkeit wurde mittels eines dynamischen Anemometers gemessen, das vor
Beginn der Versuche geaicht wurde und dessen Coefficienten in der bekannten Formel
nach der Methode der kleinsten Quadrate bestimmt worden waren.
Die Umdrehungszahlen des Bläsers wurden sowohl mittels Abzählung der Umdrehungen des
Kurbelkreises mit Rücksicht auf die jeweilige Uebersetzung, als auch unmittelbar
mittels eines an das Achsenmittel angehaltenen Umdrehungszählers bestimmt.
Die für die verschiedenen Umdrehungszahlen nöthige Arbeit wurde in der Weise
gemessen, daſs verschiedene Gewichte, die mittels einer Schnur das Getriebe und den
Bläser in Drehung versetzten, längs eines 4m hohen
Mastbaumes mit gleichförmiger Geschwindigkeit fallen gelassen wurden; die Zahl der
Umdrehungen des Bläsers, die Fallzeit und das eben angewendete Gewicht ergaben die
betreffende Secundenarbeit.
Die Versuche begannen mit der Ermittelung, wie viel Kilogramm Dampf auf 1qm des Condensators condensirt werden, wenn nur
eine freiwillige Kühlung stattfindet, d.h. wenn der Bläser nicht gedreht wird.
Sodann wurde untersucht, in welchem Verhältniſs die aufgewendete Arbeit steht in den
beiden Fällen, wo der Bläser als Centrifugalventilator oder, wo er als Schraubenrad
arbeitete. Ferner wurde untersucht, wie die Leistung des Schraubenrades bezüglich
der Dampfcondensation sich verhielt, wenn bei gleicher Umdrehungszahl das eine Mal
saugend und das andere Mal blasend gearbeitet wurde. Diejenigen Versuche, die als
für die Praxis maſsgebend zu betrachten waren, wurden mittels Anwendung des
saugenden Schraubenrades angestellt und diese Versuche wurden bei abgeänderten
Umdrehungszahlen in solcher Anzahl durchgeführt, daſs sich mit Beruhigung aus den
gewonnenen Ergebnissen Schlüsse für die Praxis ziehen lassen.
Aus den zu einer Tabelle zusammengestellten Versuchszahlen ist zu entnehmen, wie viel
bei einer Lufttemperatur, die jener bei den Versuchen herrschenden ziemlich nahe
steht, Kilogramme Dampf von atmosphärischer Spannung für 1qm und 1 Stunde condensirt werden, wenn man immer
andere Secundenarbeitsgröſsen für den Betrieb des Bläsers anwendet, d.h. es ergab
sich eine Doppelreihe von Gröſsen, von denen die einen die Zahl der aufzuwendenden
Pferdekräfte und die anderen die stets zugehörige specifische Kühlkraft der Luft
wiedergeben.
Werden diese durch Beobachtung gewonnenen Zahlenreihen noch etwas über die
ausgeführten Messungen hinaus erweitert, indem man zu diesem Zwecke die hier
geltenden mathematischen Beziehungen zwischen Umdrehungszahlen des Bläsers,
aufzuwendender Arbeit und specifischer Kühlkraft der Luft der Rechnung zu Grunde
legt, so erhält man eine Uebersicht über die praktischen Ergebnisse bei Anwendung
der Luftoberflächencondensatoren im Allgemeinen und bei Dampfmaschinen
insbesondere.
Es wurden nun Dampfmaschinen von 4, 20, 50 und 200 angenommen, letztere
beiden als Condensationsmaschinen vorausgesetzt, und berechnet, wie viel
Kühloberfläche für jede Nutzpferdekraft in diesen vier verschiedenen Fällen nöthig
sein würde. Hierbei fand sich nun ein sehr merkwürdiges Ergebniſs, welches nicht nur
für Condensation mit bewegter Luft, sondern auch für die gewöhnliche Condensation
mit Kühlwasser bemerkenswerth ist und dessen Verfolg uns eine vermehrte Einsicht in
die hier obwaltenden Umstände gewährt- die Sache ist nämlich folgende:
Wenn eine gegebene Dampfanlage, die den Dampf frei in die Atmosphäre auspufft, für
die Leistung einer bestimmten Zahl von mechanischen Pferdekräften, also effectiver
Nutzleistung, eine gewisse Dampfmenge für Pferd und Stunde braucht, so wird sie,
falls man das Speisewasser durch die Dampfcondensation mittels eines
Oberflächencondensators wieder gewinnen will, für dieselbe effective Nutzleistung, die wir die
„effective Netto-Pferdekraft“ nennen wollen, offenbar mehr Dampf für die
Stunde und Pferdekraft benöthigen, weil ja der Betrieb der Kühlwasserpumpe oder des
Bläsers für sich eine neue Menge Dampf braucht.
Nun ist es selbstverständlich, daſs die specifische Kühlkraft eines
Oberflächencondensators desto gröſser ist, je mehr Arbeit man auf Pumpe oder Bläser
verwenden will; daraus würde man dann, wenigstens beim ersten Ueberschlag, folgern,
daſs die für die Nutzpferdekraft nöthige Kühloberfläche desto kleiner sein wird, je
gröſser die erlaubte Kühlarbeit angenommen wird, oder daſs wenigstens die
Verhältnisse bei kleinen und groſsen Maschinen einander entsprechend bleiben
werden.
Die ausgerechnete Tabelle zeigte nun aber, zu nicht geringer Ueberraschung, daſs dies
nicht der Fall sei, sondern daſs bei Dampfmaschinen von geringen absoluten
Leistungen ein Mindestmaſs der Kühloberfläche bestehe, so daſs bei gewünschter noch
gröſserer specifischer Kühlkraft des Condensators die Oberfläche desselben wieder
wachsen müsse; bei Maschinen von groſsen absoluten Leistungen zeigte sich hingegen
in der Tabelle eine solche Minimumstelle nicht, sondern die Oberfläche nahm stets
ab, wenn man eine stets gröſsere specifische Kühlkraft, also auch eine stets
gröſsere Kühlarbeit voraussetzte.
Die nähere Betrachtung dieser aus den Messungen sich ergebenden Beziehungen macht
eine übersichtliche mathematische Darstellung des ganzen Kühlvorganges nothwendig,
die in Folgendem kurz wiedergegeben ist.
Nennt man W die bei einem Versuche von irgend einem
Oberflächenkühler in der Stunde condensirte Dampfmenge (in Kilogramm) und N die hierbei angewendete Umdrehungszahl der Pumpe
(Centrifugalpumpe) oder des Bläsers, so ergibt sich aus physikalischen Gründen und
auch aus den angestellten Beobachtungen:
W = c + d . n, wobei c und
d constante Groſsen sind und
n=\frac{N}{100} behufs Vereinfachung der Formeln statt N eingesetzt wurde.
Ferner ergibt sich aus physikalischen Gründen und wurde durch die Messungen
bestätigt, daſs, wenn A die Secundenarbeit (in
Meterkilogramm) des Ventilators (oder der Pumpe) bedeutet:
A = an + bn3 ist, wo a und b ebenfalls constante Coefficienten sind. Nennt man
daher a die Zahl der Pferdekräfte, die bei diesem
bestimmten Condensator behufs Condensation von W
Kilogramm Dampf für 1 Stunde verbraucht wurden, so ist:
\alpha=\frac{A}{75.W}
Ist ferner D die Zahl des stündlichen Dampfverbrauches
(in Kilogramm) für eine effective Pferdekraft bei einer Dampfmaschine, die den Dampf frei auspufft
und D1 jener stündliche
Dampfverbrauch für 1 effective Netto-Pferdekraft (also Nutzpferdekraft) derselben
Maschine, falls dieselbe aber ihren gesammten Dampf durch mechanische
Ventilationsarbeit niederschlagen muſs, so muſs stattfinden:
D_1=\frac{D}{1-\alpha\,D}
wobei D aus den zahlreichen
Erfahrungen bei den verschiedenen Maschinenarten und Gröſsen ziemlich genau im
Vorhinein bekannt ist.
Heiſst ferner w das auf 1qm condensirte Dampfgewicht und F die
Oberfläche des eben zu Messungen benutzten Condensators, so ist:
w=\frac{W}{F}
Will man nun wissen, wie groſs die Oberfläche O (in
Quadratmeter) eines Condensators für 1 effective Netto-Pferdekraft sein müsse, unter
der Voraussetzung, daſs die Kühl versuche mit dem bestimmten Condensator von der
Oberfläche F der Berechnung für andere Fälle zu Grunde
gelegt werden sollen und dürfen, so findet sich die Grundbeziehung:
O=\frac{75\,F.D}{75.c+(75\,d-\alpha\,D)n-b\,D\,n^3}
Und aus dieser Formel sieht man sofort, daſs es für O
ein Minimum geben müsse, nämlich für
n=\sqrt{\frac{25\,d}{b\,D}-\frac{\alpha}{3\,b}}
wobei n, wie oben gesagt, den
100. Theil der Umdrehungszahl des Bläsers in der Minute bedeutet.
Demnach sehen wir überzeugend, daſs bei dem ganzen Vorgang solcher Condensationen in
der That eine Minimumlage vorhanden ist; man sieht aber auch ferner, daſs dieses
Kühlflächenminimum bei um so kleineren Umdrehungszahlen eines und desselben Bläsers
stattfindet, je gröſser der Dampfverbrauch für 1 effective Pferdekraft ist, weil ja
D im Nenner steht- und da eben kleine Maschinen
einen gröſseren specifischen Dampfverbrauch haben, und die oben erwähnte erweiterte
Tabelle nicht über eine verhältniſsmäſsig geringe Umdrehungszahl hinaus gerechnet
wurde, weil man sich nicht allzuweit von den angestellten Beobachtungen entfernen
durfte, wenn man noch brauchbare Zahlen erringen wollte, so ist es leicht
einzusehen, warum jene erwähnte Minimumgröſse der Kühlfläche nur bei den kleinen
Maschinenarten und nicht auch bei den groſsen bei Besichtigung der Tabelle
wahrgenommen werden konnte.
Nebenbei sei bemerkt, daſs nach Einsetzung der bei den Versuchen gewonnenen
Zahlenwerthe für a, b, c u.s.w. der Werth des Minimums
von O sich aus der obigen Formel genau übereinstimmend
mit der Zahl in der aus den Versuchen aufgebauten Tabelle ergab.
Als eine für die Praxis bemerkenswerthe Folgerung aus dem Gesagten und der Formel für
n ergibt sich ferner unmittelbar, daſs die
überhaupt noch praktisch anwendbaren Umdrehungszahlen der Centrifugalpumpen für
Oberflächencondensation mit Wasserkühlung bei den Schiffsmaschinen, die ja stets
groſse absolute Leistungen besitzen, stets weit unter jener Zahl sein werden, die
dem Kühlflächenminimum entspricht.
Zum anschaulicheren Verständniſs der Beziehungen bei Bläsern sei noch angeführt, daſs
für das bei den Versuchen benutzte Schraubenrad sich mittels der Methode der
kleinsten Quadrate aus den ziemlich zahlreichen Messungen ergab:
Amk = n + 0,15.n3
Eine fernere Folgerung aus der obigen Formel für O ist
die, daſs für bestimmte Werthe von a, b, c, d und
irgend einem angenommenen n stets ein D besteht, für welches die Condensation des gesammten
Dampfes unmöglich wird, weil nämlich O unendlich groſs
ausfiele: so z.B. ergab sich aus den angestellten Messungen, daſs bei Anwendung des
Versuchsventilators, und zwar mit 1000 Umdrehungen in der Minute, eine
Dampfmaschine, die 43k Dampf für 1 effective
Pferdekraft beim freien Auspuff braucht, auch bei Anwendung eines noch so groſsen
Condensators ihr Speisewasser nicht mehr vollständig zurückgewinnen kann.
Was nun die Anwendbarkeit und Nützlichkeit der Luftoberflächencondensation für die
Praxis betrifft, so ergab sich aus den durchgeführten Messungen, in Kürze,
folgendes:
Wenn man die Lufttemperatur so hoch voraussetzt, wie sie an den heiſsesten Tagen des
Hochsommers vorhanden ist, wenn man ferner annimmt, daſs alle Constructionen, und
zwar sowohl jene des Bläsers als auch jene der Transmission und der Condensatorhülle
nicht vollkommener ausgeführt wären, als bei den oben erwähnten Versuchen des
Vortragenden der Fall war, so kann man mit voller Beruhigung rechnen, daſs
1) die chemische Reinigung eines mittelschlechten, stets neu geförderten
Speisewassers zwei- bis dreimal mehr kostet, als der Betrieb des Bläsers für die
Condensation des Dampfes behufs Wiedergewinnung des Speisewassers;
2) daſs die Arbeit einer Pumpe, welche Kühlwasser für den Oberflächencondensator mit
guten Vacuum aus einer Tiefe von 12 bis 15m (oder
aus einer gleichwertigen Entfernung) herbeischaffen muſs, schon ebenso groſs ist,
als jene des Bläsers, der mittels Luft kühlt und nur ein schwaches Vacuum
hervorbringt, wobei vorausgesetzt ist, daſs man nur eine mittlere, also keine gar zu
groſse specifische Kühlkraft des Condensators in Anwendung bringen will, demnach die
Oberfläche nicht übermäſsig groſs oder klein anwendet.
Und eine Vergleichung der direkten mit der indirekten Luftkühlung, d.h. mit jener,
wobei das Kühlwasser nach seinem Entweichen vom Condensator abgekühlt wird, um
wieder als Kühlflüssigkeit verwendet werden zu können, wobei aber das Speisewasser stets frisch
gefördert werden muſs, ergibt folgendes:
Nennt man Ve die für
1k zu condensirenden Dampfes nöthige Luftmenge
in Cubikmeter, te und
ta die Temperaturen
der ein-, bezieh. austretenden Luft, die stets, als mit Wasserdunst gesättigt,
vorausgesetzt wird, se
und sa die
Spannungsmaxima des Wasserdunstes in Millimeter Quecksilber für die Temperaturen te und ta, so findet man, wie
Wellner in den „Technischen Blättern“ des Jahres 1882 darlegte,
V_e=3,46\,\frac{273+t_c}{s_a-s_e}
Dieser Ausdruck liefert für te = 18° und ta = 34°.. Ve = 41,6, aber für eine herrschende Lufttemperatur, wie sie bei
den Versuchen des Vortragenden statthatte, nämlich im Mittel von 30° und bei
derselben, durch das Vacuum bedingten, Austrittstemperatur von 34° schon nahe an
130cbm Luft und bei 34° selbst, also an sehr
heiſsen Tagen des Hochsommers, wäre überhaupt keine Abkühlung mehr möglich; daraus
folgt, daſs eine gewisse Zeit des Jahres hindurch der Betrieb nach dieser Methode
wegen der groſsen Arbeit der Luftbeschaffung sehr unwirthschaftlich oder gänzlich
undurchführbar wäre.
Da es sehr wünschenswerth ist, das Speisewasser rein in die Kessel zu bringen, so
wird es offenbar angezeigt sein, bei der indirekten Luftkühlmethode statt eines
Einspritzcondensators einen nassen Oberflächencondensator anzuwenden und die durch
Verdunstung verlorene Wassermenge nur dem Kühlkasten, bezieh. seinen groſsen Flächen
zuzuführen; diese Verfahrungsweise wollen wir auch von nun an in den folgenden
Auseinandersetzungen voraussetzen, dürfen aber nicht vergessen, daſs sie etwas mehr
Luft als die Einspritzmethode benöthigt, weil ja das Kühlwasser weniger erwärmt aus
dem Oberflächencondensator als aus dem Einspritzcondensator austritt.
Würde man nun auf einem sehr guten Vacuum, z.B. 1/10, wie oben bei der indirekten Methode
angenommen wurde, auch bei der direkten Methode bestehen, so träte der erwähnte
Uebelstand der groſsen Luftmenge nur noch mehr hervor; jedoch ist das Verhältniſs
der in beiden Fällen zu beschaffenden Luftmengen durchaus nicht so ungünstig für die
direkte Kühlung, wie man meistens voraussetzt; theoretisch würde unter Beibehaltung
der obigen Temperaturzahlen wohl eine 3 bis 3½ mal gröſsere Luftmenge nöthig sein;
bedenkt man jedoch, daſs bei der letzteren die Luftströmung senkrecht auf die
Kühlflächen, bei der gemischten Methode jedoch, der Natur der Construction nach, nur
parallel zu derselben geführt werden kann, und daſs ferner der nasse
Oberflächencondensator bald unreine Kühlflächen erhalten muſs, so dürfte kaum mehr
ein praktisch belangreicher Unterschied in der Bläserarbeit vorhanden sein.
Beide Methoden würden verbessert werden, wenn man kein so starkes Vacuum herstellen und
dafür, behufs Brennstoffersparniſs sehr hoch gespannten Kesseldampf anwenden würde;
dann ist aber die direkte Luftkühlung der indirekten überhaupt vorzuziehen, denn
jene braucht nicht zwei Kühlkörper, keine Wasserpumpe und keine Röhrenleitung,
stellt also nicht die Betriebsstörungen, wie sie bei der indirekten Methode
vorkommen, in Aussicht.
Noch vielseitiger anwendbar wird die direkte Luftcondensation, wenn ein Theil des
nothwendigen Kühlwassers vorhanden ist und man die Kühlluft nur zur Ergänzung, zum
Ersatz des fehlenden Kühlwassers verwendet; ein Fall, der sehr häufig vorkommen wird
und bei dem sich eine sehr zweckmäſsige Anordnung durchführen läſst, auf die hier
einzugehen nicht der Platz ist.
Unabhängig aber von der Frage nach Herstellung eines Vacuums ist die
Dampfcondensation durch Luft in vielen Fällen von höchster Wichtigkeit, wenn es sich
bloſs darum handelt, reines Speisewasser zu erzielen, Herbeischaffung von
Speisewasser überhaupt (bis auf einen kleinen Bruchtheil) umgehen zu können, ferner
das Geräusch des auspuffenden Dampfes und das Benässen von Nachbargebäuden durch
denselben zu beseitigen, also Bedingungen zu erfüllen, die zu Lebensfragen für die
Errichtung von Dampfanlagen werden können. Dann steht der direkten Luftcondensation
keinerlei Bedenken im Wege und sie erscheint wegen dieses Anwendungsgebietes allein
schon als ein höchst wichtiges Ziel der Verbesserung unserer Dampfmaschinenanlagen.
Man hat dann nur nöthig, den Brennstoff von auſsen zuzuführen, sonst ist die ganze
Anlage in sich abgeschlossen, es ist kein Brunnen zu graben, keine Rohrleitung
anzulegen u.s.w. und daher nur nöthig, der eigentlichen Construction einer solchen
Condensatoranlage selbst die nöthige Aufmerksamkeit zuzuwenden; sie muſs in ihrer
Art klein, wohlfeil, leicht zugänglich und, etwaiger Ausbesserungen wegen, schnell
ausschaltbar sein, ferner muſs dafür gesorgt werden, daſs die vom Dampfe
mitgerissenen Schmieröle nicht wieder zurückgefördert werden.
Diese Bedingungen glaubt der Vortragende durch eigenthümliche Anordnungen bereits
auch für den Fall eines Arbeitens mit theilweisem Vacuum im Condensator erfüllt zu
haben, jedoch werde er auf diese Sache erst dann zurückkommen, nachdem sie durch
einen praktischen Betrieb im Groſsen erprobt sein werde.
Die Zahlenergebnisse will der Vortragende bei einer weiteren Gelegenheit mittheilen.
(Vgl. 1888 267 585.)