Titel: | Neuere Pumpen und Kompressoren. |
Autor: | Fr. Freytag |
Fundstelle: | Band 323, Jahrgang 1908, S. 520 |
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Neuere Pumpen und Kompressoren.
Von Prof. Fr. Freytag,
Chemnitz.
(Schluß von S. 506 d. Bd.)
Neuere Pumpen und Kompressoren.
3. Tiefpumpen (Bastardpumpen).
Textabbildung Bd. 323, S. 519
Fig. 158.Antrieb einer doppeltwirkenden Tiefpumpe mittels
Kurbelscheiben.
Die Firma Deseniß & Jakobi A.-G. in Hamburg hat gewisse Neuerungen an Tiefpumpen durchgeführt, einer Pumpenart, die mit
den ältesten mechanisch bewegten Pumpen in Bergwerken usw. verwandt ist,
neuerdings aber neben anderen in den Vordergrund getretenen Fabrikaten des
großen Gebietes „Pumpenbau“ etwas stiefmütterlich behandelt worden und
trotz vieler Verwendung auf einer primitiven Entwickelungsstufe geblieben ist.
Der Grund ist wohl in dem Umstände zu suchen, daß das Streben nach
Normalisierung und Herstellung in größerer Anzahl, welches das weite Gebiet des
Pumpenbaues beherrscht, bei dieser Abart der Kolbenpumpe wenig Gelegenheit zur
Betätigung finden konnte. Auch der suggestive Drang nach „Schnellbetrieb“
fand angesichts der Eigenart der bei Tiefpumpen vorliegenden Bedingungen keine
günstige Stätte, so daß die Umlaufzahlen dieser Pumpen sich nach wie vor um die
Zahl 30 herum bewegen.
Die beengte Lage des Zylinders im Brunnenrohr hat es bei den üblichen
Konstruktionen mit sich gebracht, daß der Druckwindkessel oberhalb des
Brunnenkopfes, also um die Tiefe des Wasserspiegels vom Zylinder und dem im
Kolben sitzenden Druckventil entfernt, angeordnet wurde, und daß ein
Saugwindkessel fast stets fehlte. Die notwendige Folge hiervon war, daß die
ganze Wassersäule bis nach oben hin – viele Meter hoch – abwechselnd
beschleunigt und verzögert wurde und nur in der über Tage weitergeführten
Druckleitung in den Maße, als es der Druckwindkessel bewirkt, eine gleichmäßige
Bewegung erhielt.
Das Fehlen des Saugwindkessels wurde bei neueren Ausführungen dadurch weniger
fühlbar gemacht, daß man das Saugrohr unter dem Zylinder wegfallen ließ und
diesen so tief einhängte, daß er selbst im abgesenkten Zustande des Brunnens
noch einige Meter Wasser über sich hatte. Das früher übliche und sogar häufig 10
und mehr Meter lang ausgeführte Saugrohr, das oft noch dazu bedeutend enger als
der Zylinder war, mußte die lebendige Kraft der in Bewegung gesetzten
Wassersäule in einer Weise vermehren, die das Spiel des Saugventils ungünstig
beeinflußte. Der Druckwindkessel wurde in Form eines doppelwandigen Steigerohres
direkt über den Zylinder verlegt, womit der weiter aufwärts gelegene Teil von
der Teilnahme an der Kolbenbewegung befreit war, soweit die Größe des Luftraumes
ausgleichend wirkte.
Textabbildung Bd. 323, S. 519
Fig. 159.Antrieb einer doppeltwirkenden Tiefpumpe mittels Balanziers
und schräger Pleuelstange.
Das seit langen Jahren angewandte Mittel, um die einseitige, nur während des
Aufwärtshubes Kraft beanspruchende Arbeitsweise dieser Pumpenart zu verbessern,
daß nämlich die Pumpe in der Nähe der Terrainhöhe einen Plunger erhielt, der
einen Teil des beim Aufwärtshub geförderten Wassers aufnahm und beim Abwärtsgang
wieder verdrängte, ist als Kraftausgleich nur dann vollkommen wirksam, wenn die
Förderhöhen unter und über dem Plunger annähernd gleich sind. Viele Pumpen
fördern aber – oft aus bedeutender Brunnentiefe – nur bis Terrain, also fast ohne
daß der Plunger beim Abwärtsgang Kraft beansprucht. Dann ist man gezwungen, den
weiteren Ausgleich in schwingenden oder sich drehenden Gegengewichten zu suchen,
die ohnehin schon zum Ausgleich des Gestängegewichtes Anwendung finden. Solche
ersterer Art läßt man am Kreuzkopf mittels Balanzier oder ähnlicher
Hebelanordnungen angreifen, drehende Gegengewichte werden dagegen in den auf der
Kurbelwelle sitzenden Zahnrädern oder Schwungrädern angebracht. Derartige, oft
beträchtliche Massen sind für den ruhigen Gang der Pumpe keineswegs förderlich,
dem Versuche einer Gangzahlsteigerung aber geradezu hinderlich.
Es wurde daher, ausländischen Vorbildern folgend, die doppeltwirkende Tiefpumpe in neuerer Zeit mehrfach zur Ausführung
gebracht. Der Bergbau hatte diese Anordnung zur Erzielung einer vollkommenen
Kraftverteilung auf Hin- und Rückhub natürlich längst angenommen, weil der
Schacht den Platz dazu bot. Der Tiefbrunnen ist aber im Durchmesser stets so
beschränkt, daß an ein „Nebeneinander“ der beiden Zylinder – und um zwei
einfachwirkende Zylinder kann es sich nur handeln – nicht zu denken ist, sondern
nur das „Uebereinander“ in Frage kommt. Die beiden Gestänge, die
ineinander gesteckt werden, arbeiten mit 180° Versetzung. Diese Anordnung bringt
es mit sich, daß die Kolbenventile die doppelte Wassermenge durchlassen müssen
als ihrer eigenen Bewegung entspricht, da doch der eine Kolben dem anderen
entgegenarbeitet. Gegengewichte fallen hierbei, sofern man nicht die Differenz
der Gestängegewichte ausgleichen will, vollständig weg. Das bietet außer den
oben erörterten Vorteilen noch den weiteren, daß eine etwaige Täuschung über die
Wasserstandstiefe oder deren Veränderung, endlich eine Veränderung des
Pumpenhubes – alles Umstände, die bei der einfachwirkenden Tiefpumpe das
Verändern des Gegengewichtsmomentes nötig machen – hier ganz einflußlos sind;
ebenso kommt der Plunger und seine große Stopfbüchse in Wegfall. Die Aufgabe,
von einer Antriebswelle aus die beiden ineinander
steckenden Gestänge entgegengesetzt zu bewegen, ist in verschiedener Art
behandelt worden. Einmal geschah dies durch zwei ineinander greifende
Kurbelscheiben – Stirnräder – wobei die eine Kurbelwelle über Mitte Brunnen
liegt, die andere über dem Endpunkt eines Balanziers, der die Umkehr der
Bewegung bewirkt (Fig. 158). Hierbei muß aber,
um den Kraftwechsel in der Verzahnung zu vermeiden, das Gestängegewicht der
indirekt angetriebenen Seite durch ein Gegengewicht ausgeglichen und noch ein
Gewichtsüberschuß eingeführt werden, damit auch die Abwärtsbewegung dieses
Gestänges Kraft erfordert. Die andere Anordnung verwendet ebenfalls zwei
übereinander arbeitende Kreuzköpfe, an denen aber, wie Fig. 159 ersichtlich, schräge
Pleuelstangen angreifen, die nach den entgegengesetzten Enden eines Balanziers
geführt werden. Dieser wird durch eine besondere Pleuelstange und tief gelagerte
Kurbel bewegt. Eine Anordnung, die sich – der oben angedeuteten Vorzüge wegen –
in manchen Fällen auch dann empfiehlt, wenn die gewünschte Wassermenge noch mit
einer einfachwirkenden Pumpe aus dem Brunnen zu fördern wäre. Der bessere
Kraftausgleich macht diese Konstruktion auch ohne übermäßige Schwungmassen, zum
elektrischen Antrieb besonders geeignet. So wird die in Fig. 158 dargestellte Pumpe von einem 35
PS-Gleichstrommotorangetrieben, der durch Kontakt-Ein- und Ausrückung vom
Reservoir aus betätigt wird; sie leistet 100 cbm/Std.
Textabbildung Bd. 323, S. 520
Fig. 160.Antrieb einer Tiefpumpe mittels Riemenvorgelege.
Ein Uebelstand, der sich in den Grenzen der zur Verfügung stehenden Anlagekosten
bisher nicht hat vermeiden lassen, liegt darin, daß die Schwungmasse auf die mit
Zahnrädern angetriebene Vorgelegewelle gesetzt werden muß, da sich bei der
geringen Umlaufzahl der Kurbelwelle zu große Durchmesser und Gewichte ergeben
würden, wollte man die Schwungmasse auf diese setzen. Vergrößerung der
Umlaufzahl würde das einzige Mittel zur Abhilfe sein, sofern es sich nicht um
ganz kleine Ausführungen handelt. Für solche ist allerdings mit reichlich
breiten Riemen und schweren Schwungrädern der Antrieb ohne Zahnräder,
nur durch zwei Riemenvorgelege durchgeführt worden (s. Fig. 160), so besonders in oder unter bewohnten Gebäuden, mit
Rücksicht auf den geräuschloseren Gang. Der Vergrößerung der Umlaufzahl stehen
aber die oben erwähnten Bedenken – zu große Wasserbeschleunigung, Vibrationen
und Stauchen des Gestänges, unruhiger Gang und Stöße in den Ventilen –
entgegen.
Textabbildung Bd. 323, S. 521
Fig. 161.Enteisenungsanlage der Deseniß & Jakobi, A.-G
a Bastardpumpe, b Brunnen, c
Reservoir, d Filter, e Rohwasser, f Reinwasser, g Spülwasser, h Luft.
Trotz dieser Schwierigkeiten gibt es bis jetzt noch keine andere Lösung der
Aufgabe, aus Röhrenbrunnen mit tiefem Wasserstand zu pumpen, die gleiches
leistet. Denn diese schwerfällig erscheinenden, durch sorgfältige Konstruktion
und Ausführung aber zu hoher Betriebssicherheit gebrachten Pumpen haben den
gewiß sehr annehmbaren Wirkungsgrad von 65 bis herunter zu 50 v. H., bezogen auf
die gehobene Wassermenge und mittlere Förderhöhe,
während andere Pumpen im Durchschnitt mit einem nur etwa halb so großen
Wirkungsgrad arbeiten.
Ein anderes Gebiet, auf dem die Deseniß & Jakobi,
A.-G., eigenartige Pumpenkonstruktionen ausgeführt hat, ist der Bau von
sogen. Bastardpumpen. Es sind dies Pumpen, die zur
Förderung von Luft und Wasser in bestimmtem Verhältnis, wie es für die nach den
Patenten der Firma wirkenden Enteisenungsanlagen
für Grundwasser erforderlich ist, dienen. Diese Bastardpumpen sind den
verschiedenen Erfordernissen, wie sie bei hand- und maschinell getriebenen
Pumpen vorkommen, angepaßt worden.
Handpumpen werden stets als Differentialpumpen, Kurbelbastardpumpen, also der
größte Teil aller Maschinenpumpen, als sogen. nasse Kompressoren ausgebildet.
Für letztere wurde der hintere Zylinderdeckel einer doppeltwirkenden Kolbenpumpe
entfernt und, wie die Fig. 161 ersichtliche
Enteisenungsanlage erkennen läßt, an seine Stelle mittels Krümmer ein Hohlkörper
angeschlossen, dessen obere Hälfte von der unteren durch ein Rückschlagventil
getrennt ist. In der unteren Hälfte sitzt das Luftsaugventil. Wird der Raum
hinter den Kolben bis zu dem Rückschlagventil (Luftdruckventil) mit Wasser
gefüllt und die Pumpe bewegt, so wird Luft im Betrage des Pumpenvolumens unter
das Rückschlagventil gesaugt und nach Umkehr der Kolbenbewegung durch dieses
nach oben gedrückt. Alle Vorzüge des nassen Kompressors – keine Erwärmung, guten
Lieferungsgrad, selbst bei Verkleinerung des Hubes, Wegfall der
Zylinderschmierung – weisen diese Pumpen auf, ebenso aber auch dessen Nachteile
– große hin- und herbewegte Massen und sehr begrenzte Hubzahlen für größere
Ausführungen. Für Bastard-Tiefpumpen mit kleiner Umlaufzahl hat sich diese
Bauart als die beste bewährt.
Andere Bastardpumpen werden nach dem Prinzip des trockenen Kompressors
ausgeführt. So stellt Fig. 162 eine Dampfpumpe
\frac{60\,\times\,110\,\times\,150}{180} dar, bei der die
hintere Seite des Pumpenkolbens Preßluft in einen besonderen Luftkessel
hineindrückt, während der Ringraum des Plungers als Wasserpumpe wirkt. Auch
diese Konstruktion macht eine Zylinderschmierung entbehrlich, da die
Manschettenliderung dauernd von Wasser benetzt wird und läßt ferner so hohe
Umlaufzahlen zu, wie sie die Wasserpumpen dieser Art überhaupt erreichen
lassen.
Textabbildung Bd. 323, S. 521
Fig. 162.Bastardpumpe der Deseniß &. Jakobi. A.-G.
In anderen Fällen wird Luft und Wasser in denselben Druckwindkessel gepumpt.
B. Kompressoren.
Die Verwendung von Druckluft zu industriellen Zwecken hat in der Neuzeit immer mehr
zugenommen; in Bergwerken, chemischen Fabriken, für Werkzeuge, Hebemaschinen,
Sandstrahlgebläse, zum Anlassen von größeren Gaskraftmaschinen und für viele andere
Zwecke hat sie sich als ein gefahrloses und zuverlässiges Betriebsmittel
erwiesen.
Mit diesem Anwachsen ihrer Verwendungsgebiete und der Verschiedenheit der hierbei in
Betracht kommenden Drücke ist die Bauart der zur Drucklufterzeugung dienenden
Maschinen (Kompressoren) immer mannigfaltiger geworden.
Für Drücke bis zu 4 at werden gewöhnlich einstufige, für Drücke über 4 at zwei-
und mehrstufige Kompressoren (Verbundkompressoren) verwendet. Der Kraftbedarf und
die Lufterwärmung sind bei Verbundkompressoren geringer als bei einstufigen
Maschinen, weshalb sie, namentlich bei größeren Anlagen, immer mehr zur Anwendung
gelangen.
Bei kleineren Luftmengen würde die Kompression in zwei
getrennten Zylindern verhältnismäßig teuer und teilweise unausführbar sein,
weshalb man in solchen Fällen vorteilhaft Einzylinder-Stufenkompressoren herstellt, bei denen die beiderseitigen
Kolbenflächen nicht gleich groß sind. Die größere Kolbenseite stellt dann die erste
Stufe – den Niederdruckzylinder – und die kleinere Kolbenseite die zweite Stufe –
den Hochdruckzylinder – dar.
Derartige kleinere schnellaufende Einzylinder-Stufenkompressoren eignen sich für
Luftpressungen von 6 bis 30 at und für Luftmengen von etwa 200–3000 l/Min.; größere
langsamer laufende Kompressoren der gleichen Bauart werden für Luftpressungen von
6–7 at und für Luftmengen bis etwa 30 cbm/Min. ausgeführt.
Die verschiedenen Antriebsarten, die für Kompressoren in Frage kommen, lassen sich in
drei Gruppen teilen und zwar in solche, bei denen der Luftkolben von einem
Kurbelzapfen aus bewegt wird – Riemen-, Zahnrad-Elektromotorenantrieb – und in
solche, bei denen der hin- und hergehende Kolben einer Dampf- oder Gasmaschine durch
eine gemeinsame Stange mit den Luftkolben unmittelbar gekuppelt ist; hierzu kommen
sogen. Schleuderkompressoren, die mittels Dampfturbinen (Turbokompressoren) oder
Elektromotoren unmittelbar angetrieben werden.
Man unterscheidet ferner einfach- und doppeltwirkende Kompressoren liegender und
stehender Bauart, und was die zur Steuerung derselben dienenden Organe anbelangt,
solche mit selbsttätigen Ventilen und solche mit zwangläufig bewegten Schiebern
(Flach-, Dreh- und Kolbenschieber), die noch mit Rückschlagventilen zum Entweichen
der verdichteten Luft nach erreichtem Höchstdrucke versehen sind.
Behufs Wärmeentziehung der verdichteten Luft und der Zylinderwandungen bezw.
Verringerung des zur Verdichtung der Luft erforderlichen Arbeitsaufwandes werden die
Kompressoren mit äußerer Mantel- und Deckelkühlung, die Stufenkompressoren noch mit
besonderer Zwischenkühlung versehen.
Halbnasse und nasse Kompressoren, bei denen das Kühlwasser in das Innere des Zylinders eingeführt wird, sind, da fast
jedes Wasser bei der Erwärmung feste, die Kolben- und Zylinderlaufflächen stark
angreifende Bestandteile absetzt, nur noch selten anzutreffen.
Zur Beurteilung des Kraftbedarfes eines Kompressors ist es notwendig, denselben auf
eine bestimmte Menge Druckluft von bestimmter Spannung und Temperatur zu beziehen;
erstere bezw. der Lieferungsgrad eines Kompressors ist von der Hubzahl desselben und
von der bei jedem Hube angesaugten Luftmenge abhängig. Er ist um so größer je
dichter der Kompressor, d.h. je weniger Luft von der Druckseite nach der Saugseite
während des Saughubes überströmt, je größer der volumetrische Wirkungsgrad, d.h. je
größer das Verhältnis des nutzbaren Hubes zum ganzen Kolbenhube, je höher die
Spannung am Ende des Saughubes, d.h. je weniger Widerstände beim Saugen auftreten
und ferner je niedriger die Temperatur am Ende des Saughubes ist, d.h. je weniger
die Luft schon beim Eintritt in den Zylinder erwärmt wird.
Diesen Anforderungen durch zweckmäßige Steuerungen zu entsprechen haben die den Bau
von Kompressoren betreibenden Firmen sich in der Neuzeit besonders angelegen sein
lassen.
Hierdurch sowie durch andere Verbesserungen ist erreicht worden, daß
Kompressoren in der gegenwärtigen Ausführungsform als Verbundkompressoren mit
Antrieb durch Verbundmaschinen für 1 cbm angesaugte und auf 6 at komprimierte Luft
0,6–0,7 kg Dampf beanspruchen, dieser Dampfverbrauch bei Ueberhitzung und
dreistufiger Dampfausnutzung sogar bis auf 0,45–0,5 kg Dampf für 1 cbm angesaugte
Luft zurückgeht. Hinsichtlich des Platzbedarfes sind ebenfalls erhebliche
Fortschritte gemacht worden, dadurch, daß man zu gleichen Verhältnissen und
Geschwindigkeiten wie bei modernen Betriebsmaschinen übergegangen ist. Eine Fläche
von 6 . 12 = 72 qm, die vor 15–20 Jahren ein Kompressor von 2000 cbm Stundenleistung
erforderte, genügt jetzt, um einen modernen Kompressor von 10000 cbm Stundenleistung
aufzustellen. Auch sind die Anschaffungskosten, bezogen auf die Luftmenge, ganz
erheblich zurückgegangen, so daß die modernen Kompressoren mit den Geschwindigkeiten
normaler Betriebsdampfmaschinen einen großen wirtschaftlichen Fortschritt im
Luftbetriebe darstellen.
Vergleiche, die E. W. Köster, Direktor der Maschinenbau-A.-G. Pokorny & Wittekind in Frankfurt a. M. in einem am 6. Februar
1907 im Bezirksverein deutscher Ingenieure an der niederen Ruhr gehaltenen Vortrage
über Turbo- und Kolbenkompressoren anstellteZeitschr. d. Ver. deutsch. Ingenieure 1907, S. 1793., fallen
zu Ungunsten der Turbokompressoren insofern aus, als der für die gesamte
Wirtschaftlichkeit eines Druckluftbetriebes maßgebende Wirkungsgrad des
Luftkompressionsprozesses, bezogen auf isothermische Kompression, bei diesen
letzteren erheblich niedriger als bei den Kolbenkompressoren liegen soll,
wesentliche Verbesserungen in dieser Richtung auch nicht zu erwarten seien!
Abgesehen von dieser zurzeit wohl noch nicht genügend geklärten Behauptung, dürfte
der Turbokompressor aber inbezug auf Oelverbrauch und Einfachheit der Bedienung dem
Kolbenkompressor überlegen sein, ebenso, wie dies bei der heutigen Dampfturbine der
Kolbenmaschine gegenüber der Fall ist.
Der Turbinenkompressor besitzt außer der Welle mit den Flügelrädern keine beweglichen
Teile, Stöße oder Umkehrungen in der Kraftrichtung kommen nicht vor. Ventile oder
Steuerungen sind nicht vorhanden.
Die Bedienung beschränkt sich auf die Untersuchung von drei bis vier Lagern und da
die Schmierung zumeist eine selbsttätige Umlaufschmierung ist, bei der immer wieder
dasselbe Oel verwendet wird, ist der Oelverbrauch ein sehr geringer. Da ferner
keinerlei Schmierung im Innern des Gehäuses nötig ist, liefert der
Schleuderkompressor auch vollkommen ölfreie Druckluft. Neben geringem Platzbedarf
besitzt er noch den Vorteil, daß sich Umlaufzahl, Luftmenge und Luftdruck innerhalb
weiter Grenzen verändern lassen, ohne daß dadurch der Wirkungsgrad erheblich
sinkt.
Diese mannigfachen Vorzüge des Turbokompressors gegenüber dem Kolbenkompressor lassen
begreiflich erscheinen, daß der weiteren Klärung betreffs des für die Beschaffung
der einen oder anderen Kompressorbauart wohl in erster Linie maßgebenden
Wirkungsgrades des Luftkompressionsprozesses seitens der beteiligten Fachkreise
allseitiges Interesse entgegengebracht wird.
Auch einige deutsche Firmen haben den Bau von Schleuderkompressoren bereits
aufgenommen. Ueber derartige, sowie über andere Bauarten neuerer Kompressoren sollen
in einem demnächst erscheinenden besonderen Berichte weitere Angaben folgen.