Ueber die Ausnutzung der Hochofen- und Generatorgase für Nutzarbeit mittels geschlossener Feuerung. Ueber die Ausnutzung der Hochofen- und Generatorgase für Nutzarbeit mittels geschlossener Feuerung. Zu den auf maschinentechnischem Gebiete augenblicklich wichtigsten Aufgaben gehören unstreitig die beiden Probleme, erstens flüssige Luft ebenso billig wie Kunsteis herzustellen und zweitens die Wärme der Hochofen- und Generatorgase auf möglichst einfache und praktische Weise in mechanische Arbeit umzusetzen. Beide Aufgaben dürfen jetzt als gelöst angesehen werden. Die letztere ist übrigens gerade jetzt, wo die grossen Gasmaschinenfabriken mit dem Bau von mittels Gicht- oder Generatorgase betriebenen Grossgaskraftmaschinen vorgehen, auch in weiteren und nicht bloss in Ingenieurkreisen bekannt geworden. Wenn nun auch nicht zu verkennen ist, dass die Gaskraftmaschinen hierdurch einen gewissen Vorsprungvor der Dampfmaschine erlangt haben, so soll damit dennoch nicht zugestanden werden, dass der von der Technik eingeschlagene Weg der einzige und der beste ist. Im Gegenteil haben sich bei den wirklich ausgeführten Grossgasmaschinen, welche mittels Gichtgase betrieben werden, nicht zu unterschätzende Uebelstände gezeigt, wie der Einfluss des Staubes, die Grosse der Cylinder, da ja im Viertakt oder höchstens im Zweitakt gearbeitet werden muss u.s.w. (vgl. z.B. Ausnutzung der Hochofengase für Motorenbetrieb. Von H. Neumann, Ingenieur. Vortrag, gehalten auf der Hauptversammlung des Deutschen Acetylenvereins in Düsseldorf am 14. September 1900. Acetylen in Wissenschaft und Industrie, 1900 Heft 21). Diese Schwierigkeiten werden bei der B. Mewes unter D. R. P. Nr. 113899 geschützten geschlossenen Dampf kesselfeuerung mit hochgespanntem Gicht- oder Generatorgas vermieden, ganz abgesehen davon, dass die mit einem Gemisch aus Dampf und Verbrennungsgasen arbeitende Maschine im Eintakt wie die Dampfmaschine arbeiten und daher wesentlich kleinere Cylinderdimensionen erhalten kann. Die wichtigsten Vorteile dieser Anordnung bestehen darin, dass eine besondere Reinigung der Gichtgase fortfallen und die sonst nutzlos verloren gehende Abwärme derselben mit nutzbar gemacht werden kann und der wirtschaftliche Wirkungsgrad, nach den Versuchsergebnissen von Prof. A. Riedler und von Prof. F. M. Gutermuth an Druckluftmaschinen, sicher denjenigen der Gasmotoren noch übertrifft, worauf weiter unten noch näher eingegangen werden soll. Bei der soeben genannten geschlossenen Feuerung müssen der Brennstoff und die Verbrennungsluft in den Kessel hineingepresst werden. Die hierfür erforderliche Kraft wird, wenn sie nicht anderweitig zur Verfügung steht, von der Arbeitsmaschine entnommen, zu deren Antrieb das Gasdampfgemisch Verwendung findet. Wo daher der Fall eintritt, dass die Erzeugung der Pressluft durch einen an die Arbeitsmaschine angehängten Verdichter bewirkt werden muss, kann zweckmässig ein Teil der bei der Verdichtung erzeugten Wärme wiedergewonnen werden, indem das zur Kühlung der Luft verwendete Wasser nachher als Speisewasser für den Kessel dient. Auch wird es sich in diesem Falle zur Vermeidung grosser Pressluftbehälter empfehlen, die Dauer des Anheizens des Kessels dadurch abzukürzen, dass man dem Kessel von einem anderen im Betriebe befindlichen Kessel Heizdampf zuführt, oder dass man den Kessel mit einer kleinen Heizanlage versieht, welche ihm während der Inbetriebsetzung Wärme von aussen zuführt. Zum Schutz gegen Wärmeverluste wird der Kessel in der üblichen Weise mit einer Wärmeschutzmasse umgeben, welche je nach den gegebenen Verhältnissen aus festen, flüssigen oder gasförmigen Stoffen bestehen kann. Wählt man einen Wassermantel, so kann dieser zweckmässig zur Vorwärmung und Reinigung des Speisewassers benutzt und zur Vermeidung von Wärmeverlusten nochmals mit einem Wärmemantel umgeben werden. Trotz des durch Festigkeitsrücksichten gebotenen kleinen Durchmessers wird der Kessel infolge des unmittelbaren Wärmeüberganges vom Gas zum Dampf und Wasser innerhalb der Umlaufröhren K und wegen der nur einer ganz geringen Spannung ausgesetzten und daher sehr dünnwandigen Rohre K1 und K2 sehr leistungsfähig sein (Fig. 1 bis 3). Falls mehrere Kessel erforderlich werden, lassen sich diese leicht zu einer Gruppe vereinigen, indem sie in einen Walzenkessel als gemeinsamen Wassermantel eingebaut werden. Der Kessel besteht aus einem starken Aussenmantel A, in den die Glocke B leicht zugänglich und herausnehmbar eingebaut ist. Bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform vereinigen sich die Röhren D und E, welche Luft und Brennstoff zuführen, zu dem gemeinsamen Rohre F, welches an seiner Verlängerung eine Schaulinse G trägt, um nötigenfalls die Flamme beobachten zu können. Die Anordnung der Linse in dieser Form eignet sich nur für Gas oder klarflüssigen Brennstoff. H stellt eine beliebige Zündvorrichtung dar. Das tliunlichst vorgewärmte Speisewasser wird durch das Rohr c zugeführt. Wasserstandszeiger J1 und J2 machen die verschiedenen Wasserstände im Ringraum und in der Glocke sichtbar, während das Sicherheitsventil K3 die Spannung begrenzt. Unmittelbar nach dem Anlassen der Pressluft wird der Wasserspiegel unter der Glocke B sinken, da die durch den Glockenboden führenden Röhren gegen diesen abgedichtet sind. Ist so viele Luft unter die Glocke getreten, dass sie durch die Löcher L und durch die Umlaufröhren K zu entweichen beginnt, so wird die Zündung angelassen und mit der Brennstoffzufuhr begonnen. Die entstehenden Verbrennungsgase werden dann gemeinsam mit dem sich entwickelnden Dampf und mit demWasser in den Umlaufröhren emporsteigen und auf diesem Wege einen grossen Teil ihrer Wärme abgeben. In den Dampfraum eingetreten, wird das Wasser zurückbleiben, das Gasgemisch wird aber durch das Rohr K – ziemlich getrocknet – in schlangenförmigen Windungen nochmals in den Glockenraum hinabgeführt und erleidet hierbei eine so kräftige Nachheizung, dass nicht nur der Dampf überhitzt, sondern auch etwa unverbrannt mitgerissener Brennstoff nachverbrannt wird. Das Rohr K1K2 führt das Gasgemisch weiter zu dem Hahn M, durch den der Kessel mit der Atmosphäre oder mit der Arbeitsmaschine verbunden werden kann. Textabbildung Bd. 316, S. 178 Fig. 1. Textabbildung Bd. 316, S. 178 Fig. 2. Textabbildung Bd. 316, S. 178 Fig. 3. Verbrennungsrückstände und Kesselstein werden in der Regel durch das Rohr N ausgeblasen; im übrigen ist der Kessel durch den unteren Reinigungsdeckel o leicht zugänglich. Die hier beschriebene Vorrichtung stellt in Wahrheit eine Vereinigung einer Druckluftmaschine mit einer Dampfmaschine in der Weise dar, dass nicht wie bei dem oben erwähnten Popp-System Dampfmaschine und Druckluftmaschine getrennt, sondern in innigster Vereinigung durch das Dampfluft- bezw. Dampfgasgemisch arbeiten, wobei die Pressluft und das Pressgas von der Maschine selbst oder auch anderweitig, wie etwa durch Wasserkraft, erzeugt werden. Da der Arbeitsgang (Kreisprozess) genau derselbe ist, wie bei den mit eingespritztem Wasserdampf vorgewärmten Druckluftmaschinen der Popp-Anlage, so muss natürlich auch der (effektive) wirtschaftliche Wirkungsgrad dieser Maschine ebenso gross sein, zumal da die höchsten Temperaturen hier nicht niedriger, sondern um etwa 100° höher gehalten werden können. Ausserdem kann man im vorliegenden Falle, wenn man die Komplikation mit in den Kauf nehmen will, noch etwa 8 bis 10% der Abwärme mit Hilfe einer Kaltdampfmaschine nutzbar machen. Man kann annehmen, dass die Leistungsfähigkeit dieser Maschine, ohne dass besondere technische Einzelheiten erst erprobt werden müssten, nach den von Riedler und Gutermuth angestellten Versuchen bei Benutzung guter, gesteuerter Kompressoren und der Dampfcylinder unserer neuesten Dampfmaschinen 30% überschreiten wird. Um einen Ueberblick über die bei den Popp-schen Druckluftmaschinen und der vorliegenden Maschine wirklich erreichbaren Leistungen zu geben, lasse ich die Riedler'schen Versuche nach dem bekannten Buch Neue Erfahrungen über die Kraftversorgung von Paris durch Druckluft (System Popp) von A. Riedler, Professor an der königl. Technischen Hochschule zu Berlin hier möglichst wortgetreu folgen. Riedler hat zu seinen Versuchen eine der in der Pariser Zentralstation St. Fargeau bestehenden Cockerill-Maschinen umgebaut und mit einem Kompressor seiner eigenen Bauart vereinigt. „Die Luftverdichtung erfolgt,“ wie er selbst darüber berichtet, „in zwei Stufen, der Niederdruckcylinder saugt die atmosphärische Luft an, verdichtet sie auf etwa 2 at und drückt sie in einen Zwischenbehälter, aus welchem der Hochdruckcylinder saugt und die Verdichtung auf den Enddruck vollendet. Die Anordnung des Umbaues ist aus Fig. 4 und 5 ersichtlich. Wegen der Beschränkung der Umbauzeit wurde aber – entgegen der Zeichnung – der Zwischenbehälter über die beiden Kompressionscylinder gelegt. Der schädliche Raum wurde auf 1½% gegen 15 bis 50% bei den Cockerill-Kompressoren vermindert und die Kompressorleistung wesentlich erhöht. Mit diesem Kompressor leistet eine Dampfpferdekraft stündlich die Verdichtungsarbeit von 10,4 cbm angesaugter Luft bei 6 at Ueberdruck der verdichteten Luft. Von Verbesserungen erwähne ich den geräuschlosen stossfreien Gang, das Ansaugen reiner, möglichst kalter Luft von ausserhalb des Maschinenraumes, die Luftverdichtung in zwei Stufen und die Anwendung gesteuerter Ventile und Klappen besonderer Bauart, nebst anderen kleineren, aber wichtigen Einzelheiten. Bei der zweistufigen Kompression wird im Zwischenbehälter die vorkomprimierte Luft durch Wassereinspritzung bis auf die ursprüngliche oder Wassertemperatur abgekühlt und hierdurch der Arbeitsaufwand wesentlich vermindert. Die Ventile sind Gummiklappen besonderer Bauart und zwangläufig gesteuert. Der Ventilverlust ist vollständig vermieden und geräuschloser Gang erzielt. Das Diagramm dieses Kompressors ist in Fig. 6 dargestellt. Der Arbeitsgewinn durch die Zwischenkühlung ist hieraus ersichtlich.“ Die nachstehende Tabelle enthält die von Prof. F. M. Gutermuth mit dieser Kompressoranlage erhaltenen Resultate: Riedler-Kompressor (Zentralstation rue St. Fargeau, Paris). Kompressor Umdrehungenpro Min. IndizierteKompressor-arbeit Kompressor-druck Volum-Wirkungs-grad Luftlieferung Wirklich.Saugvol. pr. Umdr. Stünd-lich 1 Dampf-PS undStunde at cbm cbm Riedler 52 615 6,0 0,985 2,195 6848 10,020 Cylinderdurchm.    1090 mm 60 709 6,0 0,98 2,18 7902 10,026 bezw. 670 mm 38 422 6,0 0,985 2,195 5000 10,656 Hub = 1200 mm 39 424 6,0 0,985 2,195 5136 10,890 Bezüglich der Umsetzung des in der Pressluft aufgespeicherten Kraftvorrats sagt Riedler a. a. O. mit vollem Recht, dass alles Wesentliche in der Energiezuführung in die Druckluft durch die Vorwärmung liegt, da durch die Vorwärmung die Luft bei gleichbleibender Spannung ausgedehntund ihr ein grosses Arbeitsvermögen unmittelbar zugeführt wird. Bei der in der Luftmaschine stattfindenden Ausdehnung der Druckluft kann die bei der Vorwärmung aufgenommene Wärmemenge unmittelbar und fast vollständig in Arbeit umgesetzt werden; sogar die einfachen gusseisernen Oefen arbeiten mit mehr als 80% Wärmeausnutzung, wie nachstehende Tabelle der Gutermuth'schen. Versuche zeigt. Textabbildung Bd. 316, S. 179 Fig. 4. Textabbildung Bd. 316, S. 179 Fig. 5. Leistung von Vorwärmöfen. Art des Ofens Heizfläche Stündl. er-wärmte Luft-menge in cbm Lufttemper.am Ofen Stündlich übertrageneWärmemenge beiEin-tritt beiAus-tritt imganzen pro qmHeizfläche pro 1 kgKoks qm ° ° Kal. Kal. Kal. Gusseiserner Ofen 1,31,3   576  313   7  7 107184 1790017200 1376013230 44704530 Schmiedeeiserner    Röhrenofen 4,3 1088 50 175 39200   9100 5600 Der stündliche Brennstoffaufwand betrug 0,09 kg für jede Nutzpferdekraft der Luftmaschinen. Textabbildung Bd. 316, S. 179 Fig. 6. Hierzu bemerkt Prof. Riedler folgendes: „Mit vollkommeneren Heizvorrichtungen ist es ohne nennenswerte Erhöhung des Brennstoffverbrauchs möglich, der Druckluft so viel Wärme zuzuführen, dass nicht nur alle Verluste bei Erzeugung der Druckluft ersetzt werden, sondern dass auch mehr Arbeit abgegeben werden kann, als ursprünglich zur Luftverdichtung aufgewendet wurde. 15 bis 20% Mehrarbeit ist mit einfachen, praktisch lebensfähigen Mitteln erreichbar und es steht in dieser Hinsicht den Luftmaschinen ein weites Feld offen. 30% Mehrarbeit ist beispielsweise schon bei Vorwärmung auf 250° möglich. (Die diesbezüglichen theoretischen Formeln und Begründungen hat Prof. Dr. J. Weyrauch in der Zeitschrift des Vereines deutscher Ingenieure gegeben.) In Verbindung mit Gasmaschinen kann die Explosionswärme unmittelbar der Druckluft zugeführt oder die durch die Mantelkühlung verlorene Wärme durch die Druckluft aufgenommen und ausgenutzt werden. Wenn hierfür die rechte Ausführungsform gefunden ist, kann nach wissenschaftlicher Erfahrung 1 PS mit einem Brennstoffaufwand von 300 bis 400 g erzeugt werden, d.h. der Hälfte dessen, was die besten Dampfmaschinen brauchen.“ Die von Riedler angedeutete Ausführungsform der Druckluftmaschine mit Vorwärmung dürfte durch die oben beschriebene Kombination der Dampfmaschine und der Druckluftmaschine mittels geschlossener Feuerung gegeben sein. Nach Riedler's Angaben ist unter Voraussetzung einer Vorwärmung auf 250° das Verhältnis zwischen Kompressorarbeit (Ac) und Arbeit der Luftmaschine (Ae) bei 8 at: Ac : Ae = 1 : 1,34 34% Gewin 6 at: Ac : Ae = 1 : 1,39 39 „     „ 4 at: Ac : Ae = 1 : 1,44 44 „     „ Die für den praktischen Maschinenbetrieb, durch die Benutzung erhöhter Vorwärmung, insbesondere durch doppelte Vorwärmung erreichbaren Grenzen sind in der nachstehenden Tabelle angegeben. Luftverbrauch bei Compoundbetrieb mit doppelter Vorwärmung. Vorwärm-temperatur Luftverbrauchpro PSi undStunde Wirkunsgrad =\frac{N_e}{N_i} ° cbm Mit Vorwärmungpvk = konst. k = 1,41 200300 9,57,8 η = 0,85 Mit Vorwärmung undEinspritzung k = 1,2    1 kg Dampf    2  „       „ 200200 7,36,0 η = 0,90 Die letztere Heizungsart durch Dampfeinspritzung ist typisch für das Arbeiten der oben beschriebenen Maschine; letztere unterscheidet sich nur dadurch, dass nicht der Dampf in die Pressluft, sondern die hochgespannten Verbrennungsgase in den Dampfkessel eingeführt, das Wasser heizen und sich mit dem erzeugten Dampf mischen. Gearbeitet wird wie bei den beiden letzten Versuchsanordnungen ebenfalls mit einem Dampfluftgemisch, dessen Temperatur nur etwas höher, etwa 300 bis 400° C. gewählt wird. Hieraus kann man auf Grund der angeführten Versuche ohne weiteres mit Sicherheit auf einen wirtschaftlichen Wirkungsgrad der Gesamtleistung von über 30% schliessen. Da augenblicklich Verhandlungen mit verschiedenen Grossindustriellen wegen Ausführung von derartigen Maschinen anlagen zur Ausnutzung der Hochofengase schweben, so dürften bald Versuchsergebnisse veröffentlicht werden können.