Titel: Der Arbeitswert der Heizgase und seine Ausnutzung.
Fundstelle: Band 319, Jahrgang 1904, S. 197
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Der Arbeitswert der Heizgase und seine Ausnutzung. (Fortsetzung von S. 183 d. Bd.) Der Arbeitswert der Heizgase und seine Ausnutzung. Der Fluss der Arbeit durch die Wasserdampfmaschine. In den letzten Jahren ist es, namentlich in englischen, gelegentlich aber auch in deutschen Zeitschriften Sitte geworden, den sogenannten Wärmeplan einer Maschine zu geben, welcher die Verteilung der aus dem Brennstoff entstehenden Wärmeenergie nach Schornstein, Kondensator und Hauptwelle derart zur Darstellung bringt, als sei die Wärmeenergie eine Flüssigkeit, welche in einem Fluss dahinfliesst, der sich zwar teilen, von welchem aber wegen des Energieprinzipes nichts vertrocknen kann. Diese Wärmepläne beruhen auf ganz falschen Grundlagen und geben deshalb auch vollständig falsche Anschauungen. Da es der Zweck der Wärmekraftmaschinen ist, Arbeit zu liefern, so ist es ja ganz überflüssig zu wissen, wohin die vom Rost kommende Wärme fliesst; zu wissen gewünscht wird ausschliesslich, wo bleibt die Arbeit. Wir müssen also, wollen wir die in der Dampfmaschine eintretenden Verluste anschaulich machen, den Arbeitswert des Brennstoffen als einen Fluss darstellen, welcher von der Kohle auf dem Rost ausgehend durch die Maschine hindurchfliesst. Wir erhalten dabei einen Fluss, welcher in voller Breite aus einem Quellsee, der Kohle auf dem Rost, austritt, einzelne Zweige deltaartig aussendet, wesentlich aber durch unterirdische Spalten und Klüfte grosse Mengen seines Wassers für immer verliert, so dass an das Ziel, die Welle, nur geringe Bruchteile der aus dem See stammenden Wassermengen ankommen.
[Textabbildung Bd. 319, S. 197]
Fig. 14.
 Ich habe in Fig. 14 den Fluss der Arbeit dargestellt für die erste Steinkohlensorte bei den Luftmengen 1, 1,3, 1,6, 2,0 und ohne Einstrahlung, da diese ja auf die Arbeitsmenge keinen direkten Einfluss ausübt, wie oben nachgewiesen, sondern nur indirekten dadurch, dass sie vollkommene Verbrennung bei geringerem Luftüberschuss ermöglicht. Wie man erkennt, unterscheiden sich diese vier Arbeitsflüsse von einander so wenig, dass man die Unterschiede nur bei sehr grossem Maassstab deutlich machen kann. Dagegen zeigen sie übereinstimmend, dass der erste grosse Verlust an Arbeit, die erste unterirdische Spalte, der Rost ist; auf dem Rost findet ein ganz bedeutender Verlust an Arbeitsfähigkeit statt. Da wir aber noch nicht imstande sind, die chemische Energie der Kohlen anders als auf dem Umwege durch die Wärmeenergie in Arbeit zu verwandeln, so müssen wir diesen Verlust in den Kauf nehmen. Ob man durch andere Methoden der Verbrennung, z.B. bei konstantem Volumen, bei erhöhtem Druck usw. diesen Verlust geringer machen kann, soll wie schon am Anfang bemerkt, einer späteren Arbeit überlassen bleiben. Gehen wir in der Richtung des Arbeitsflusses weiter, so sehen wir an der Kesselwand sich einen schmalen Graben Arbeitswert nach dem Schornstein abzweigen; dieser Graben ist in allen vier Zeichnungen zu breit gezeichnet. Dagegen treffen wir hier wieder eine grosse unterirdische Schlucht, welche mehr als die Hälfte desArbeitswertes, der an sie herankommt, verschluckt. Man erkennt hier deutlich den ganz ungeheuren Einfluss des nicht zur Arbeitsleistung herangezogenen Temperaturunterschiedes zwischen Heizgasen und Wasserdampf. An der Turbine zweigt sich ein schmaler Graben nach dem Kondensator ab, während der Hauptteil des heranfliessenden Arbeitswertes durch die Turbine hindurch an die Welle gelangt.
[Textabbildung Bd. 319, S. 197]
Fig. 15.
 Zum Vergleich habe ich in Fig. 15 zwei Wärmepläne gegeben, welche den in Fig. 14 b und c zur Darstellung gebrachten Beispielen entsprechen. Der Vergleich von Arbeitsfluss und Wärmeplan zeigt, dass in letzterem ein Verlust auf dem Rost nicht zur Darstellung gelangt, und nach dem Energieprinzip auch nicht zur Darstellung gelangen kann, während der Arbeitsflusslauf zeigt, dass auf dem Rost ein Drittel des Heizwertes seine Verwandlungsfähigkeit in Arbeit eingebüsst hat. Schlimmer noch ist der Unterschied beider Zeichnungsmethoden an der Kesselwand; während der Arbeitsflusslauf wiederum einen grossen Verlust an Verwandlungsfähigkeit nachweist, bleibt im Wärmeplan die Energiemenge natürlich wieder dieselbe. Es zweigt sich hier aber ein Zweig nach dem Schornstein ab, welcher mehr als viermal so breit ist als der entsprechende im Arbeitsflusslauf. Am auffallendsten ist aber der Unterschied an der Turbine. Während der Arbeitsflusslauf zeigt, dass der Turbine nur ein ganz schmaler Streifen Arbeitsfähigkeit zugeführt wird, von welchem sie den grössten Teil der Welle abliefert, liefert die Turbine, nach dem Wärmeplan zu urteilen, nur einen geringen Bruchteil der ihr zufliessenden Energie an die Welle ab, während der grösste Teil an ihr vorbei nach dem Kondensator abfliesst. Unterscheiden sich schon die nach dem Schornstein fliessenden Abzweigungen in den beiden Darstellungsarten, so ist der Unterschied in den nach dem Kondensator fliessenden ganz ungeheuer. Im Arbeitsflusslauf hat sie z.B. bei φ = 1,6 die Breite 3,2, während sie im Wärmeplan bei derselben Luftmenge die Breite 61,6 hat, wenn in beiden Fällen die Breite vor dem Rost 100 beträgt. Dass man durch derartige Darstellungen verführt wird, den Grund für die geringe Ausbeute an Arbeit in Wasserdampfmaschinen im Kondensator zu suchen, ist sehr naheliegend; trotzdem dadurch, wie der Arbeitsflusslauf zeigt, niemals mehr gewonnen werden kann als die Differenz zwischen der Arbeit der Turbine und dem Arbeitswert des Wasserdampfes. Diesen Resultaten widersprechen scheinbar die an Abwärmekraftmaschinen gewonnenen Resultate, da diese ja. nur die aus dem Zylinder der Wasserdampfmaschine kommende Wärme ausnützen. Dieser Widerspruch ist aber nur scheinbar, denn wie man bei Behrend13) selbst findet, haben die Abwärmekraftmaschinen nur dort Wert, wo die Wasserdampfmaschine schlecht arbeitet. Hier sind aber überall theoretisch vollkommene Wasserdampfmaschinen vorausgesetzt, und ich halte es auch für vorteilhafter, statt der Kombination einer schlechten Wasserdampfmaschine und einer Abwärmekraftmaschine gleich eine gute Wasserdampfmaschine aufzustellen. Der nach dem Kondensator fliessende Arbeitsverlust kann, wie die Rechnungen zeigen, bis auf einen ganz kleinen Rest durch Wasserdampfmaschinen ausgenutzt werden, deshalb solle man sich bemühen, die Wasserdampfmaschinen so zu bauen, dass sie den Forderungen der Theorie möglichst gerecht werden. Man hat dann auf jeden Fall den Vorteil der einfacheren Anlage. Es wird der Abwärmekraftmaschine von Behrendt ergehen wie der von Du Trembley (D. p. J. 1854, 134, S. 161). Nachdem sie einige Zeit hindurch eine bessere Ausnutzung der Brennstoffe gewährt hat, wird man durch Verbesserung der Wasserdampfmaschinen dieselbe Ausnutzung zu erzielen gelernt haben, und dann verschwindet sie wieder. Anders ist es mit dem grossen Verlust, welcher beim Durchgang durch die Kesselwand stattfindet, der nur im Arbeitsflusslauf, nicht aber im Wärmeplan zur Darstellung gelangt. Dieser Verlust an Arbeit, bei φ = 1,6 38 v. H. vom Heizwert, also mehr als ein Drittel, kann durch Wasserdampfmaschinen nicht verkleinert werden, weil man aus Rücksicht auf die Sicherheit des Betriebes den Dampfdruck nicht mehr steigern darf und damit auch die Temperatur nicht mehr steigern kann. Hier ist also der Punkt, wo die Verbesserungen der Dampfmaschine einzusetzen haben, und die oben angegebene Regel: nicht zur Arbeitsleistung herangezogene Temperaturunterschiede möglichst klein zu machen, zeigt uns, wie wir vorzugehen haben; nämlich mit der Wasserdampfmaschine eine Dampfmaschine zu vereinigen, die mit einer Flüssigkeit mit höherem Siedepunkt betrieben wird, so dass der Temperaturunterschied zwischen Heizgase und Kesseltemperatur ein kleinerer wird. Die Mehrstoffdampfmaschinen. Der Gedanke, nachdem bei den Temperaturen unterhalb der dem Wasserdampf zugänglichen nicht mehr viel zu gewinnen war, nun zu den oberhalb gelegenen Temperaturen vorzugehen, ist nicht schwierig zu fassen, und man hat ihn deshalb auch vielfach auszuführen gesucht. Der einfachste Weg ist der der Ueberhitzung des Wasserdampfes. Wie eine einfache Zeichnung des Temperatur-Entropie-Diagrammes des überhitzten Dampfes zeigt, kann dadurch nur sehr wenig gewonnen werden, selbst wenn man bis zu Temperaturen vorgeht, welche noch soeben von Ueberhitzern aus bestem Material vertragen werden können: Es ist die der Ueberhitzungswärme entsprechende Fläche des Diagrammes viel zu schmal neben der Fläche der Verdampfungswärme. In der Praxis erzielt man durch Ueberhitzung meistens eine viel grössere Verbesserung, als man aus dem Diagramm entnehmen kann; das ist ein Beweis, dass durch Ueberhitzung Vorteile erreicht werden, welche in der einfachen Theorie der verlustlosen Dampfmaschine gar nicht berücksichtigt werden. Es ist hinreichendbekannt, dass durch die Ueberhitzung die Eintrittskondensation verringert, wenn nicht vollständig vermieden wird, und die so erzielte Verbesserung der indizierten Wirkung bedingt die vermehrte Leistung der Wasserdampfmaschine. Würde man ohne Ueberhitzung denselben indizierten Wirkungsgrad erzielen können, so würde die Ueberhitzung unter Umständen sogar schädlich sein. Auch der Gedanke, mit den gesättigten Dämpfen einer Flüssigkeit von höherem Siedepunkt als Wasser die hohen Temperaturen auszunutzen, ist mehrfach geäussert worden; hat man doch sogar Quecksilber vorgeschlagen. Alle diese Vorschläge waren aber ohne thermodynamische Untersuchungen der betreffenden Flüssigkeiten gemacht. Erst in meiner Theorie derMehrstoffdampfmaschinen14) habe ich gezeigt, welche thermodynamischen Eigenschaften man von einer Flüssigkeit verlangen muss, damit sie eine gute Ausnutzung der Wärmeenergie gewährleistet. Unter Berücksichtigung der übrigen physikalischen und chemischen Eigenschaften hat sich als brauchbarste herausgestellt das Anilin.15) (Schluss folgt.)