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.)