Titel: | Bemerkungen über Betrieb und calorische Statik der Flammöfen zum Gießereibetriebe; von Dr. E. F. Dürre in Berlin. |
Autor: | Ernst Friedrich Dürre |
Fundstelle: | Band 200, Jahrgang 1871, Nr. LVII., S. 188 |
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LVII.
Bemerkungen über Betrieb und
calorische Statik der Flammöfen zum Gießereibetriebe; von Dr.
E. F.
Dürre in Berlin.
Dürre, über Betrieb und calorische Statik der
Flammöfen zum Gießereibetriebe.
Die Flammöfen, obwohl sie bei dem
Gießereibetriebe nicht von derselben Wichtigkeit sind, wie die
Schachtöfen, bieten für manche
Zwecke unbestreitbare Vorzüge und sind namentlich mehr als
andere Flammofenarten geeignet, theoretische Resultate zu
liefern.
Die Größe des Apparates, die lange Dauer des Schmelzprocesses,
der leicht genau abzumessende Umfang der Chargen, endlich die in
den meisten Fällen gebotene Sorgfalt beim Schmelzen selbst,
lassen eine bessere Verwerthung der Betriebsresultate zu.
Dennoch hat mit Ausnahme der Gasflammöfen, eine derartige
Verarbeitung der Betriebsziffern noch nicht stattgefunden und in
Folge dessen ist der Boden der Speculation, welchen der
Verfasser betreten will, noch vollkommen unvorbereitet, während
für seine in diesem Journal (Bd. CXCIX S. 366) erschienene
calorische Betrachtung der Schachtöfen die Untersuchungen von C.
Schinz u.a. über den
Hohofenbetrieb bereits vorgearbeitet hatten.
Die Construction der Flammöfen als bekannt vorausgesetzt, ist
zunächst Folgendes zu erwähnen.
Die Verbrennung verläuft in den
Flammöfen ganz anders als in den Schachtöfen, denn abgesehen von
der verschiedenen Luftzuführung, ist auch die Lage des
Brennstoffes in räumlicher Beziehung
eine ganz abweichende; im Schachtofen hat man es mit einer hohen
und schmalen Schmelzsäule zu thun, in dem Flammofen dagegen
verbreitet sich der Brennstoff auf größerer Grundfläche und mit
geringerer Höhe.
Der Zutritt der Luft erfolgt mithin
bei sonst günstigen Verhältnissen in
stark hervortretender Weise und die Verbrennung muß eine
vollkommenere werden als innerhalb einer hohen Schmelzsäule,
sofern nur Aufgabe des Brennstoffes und Unterhaltung des Zuges
zweckmäßig geordnet sind.
Wenn man nun die Erfahrung gemacht hat, daß durchschnittlich die
Hitze des in einem Flammofen flüssig gemachten Eisens unter dem
Hitzegrade liegt, welcher demselben Eisen im Schachtofen gegeben
werden kann, so beruht dieser Unterschied in der Größe der
Wärmeverluste bei dem Flammofenbetriebe.
Neben der summarischen Größe des Wärmeverlustes zeigen auch die
Elemente desselben den großen Unterschied beider Ofenarten; die
Verluste durch Reibung und Leitung sind geringer als die
Verluste durch Ausstrahlung der Ofenoberfläche und durch
Wärmeaufnahme der Verbrennungsgase, welche der Natur der
Brennstoffe nach unreiner sind als die aus den Schachtöfen sich
entwickelnden Gase. Der Gehalt derselben an tropfbarflüssigen,
hier also in Dampfform zu erhaltenden Verbindungen, unter
welchen das Wasser die Hauptrolle spielt und selbst bei der
denkbar größten Luftzuführung, der Zusammensetzung des
Brennstoffes entsprechend constant bleibt, verursacht einen sehr
bedeutenden Wärmeaufwand.
Um einen Begriff von der Größe der Verluste zu geben, sey es
gestattet, aus dem Handbuch des Gießereibetriebes des
VerfassersWissenschaftlich-technisches Handbuch des
Eisengießereibetriebes etc., von Dr. E. F. Dürre,
Bd. I, 1870; Bd. II Lief. 1, Leipzig 1871. einige Angaben über Verbrauchs-Resultate und
erforderliche Leistung zu machen.
Beobachtet man die Feuerung eines
Flammofens, so erkennt man während des Betriebes
zweierlei verschiedene Vorgänge ziemlich genau, die immerwährend
mit einander alterniren; der erste entspricht der trockenen
Destillation des frisch aufgeschütteten Brennstoffes, während
der zweite die Verbrennung des aus kohksartiger Masse
bestehenden Rückstandes einschließt. Natürlich wechseln beide
Stadien der Verbrennung um so
rascher, je rascher die Aufgabe an frischem Brennstoff
stattfindet und je heißer der Ofen ist.
Im Anfang des Heizens überwiegt, da die Verbrennungstemperatur
noch nicht erreicht ist, die trockene Destillation, der Zeit
nach, und erst später verläuft sie fast augenblicklich. Während
in der ersten Periode sich Kohlenwasserstoffe vorwiegend
entbinden, welche im Ofenraum verbrennen, bilden sich
im Verlauf der zweiten Periode Gasgemische von sehr hoher
Temperatur, die aus Kohlensäure, Wasserdampf und Stickstoff
bestehen.
Der Verfasser nahm, um von dem praktisch Sichtbaren auszugehen,
keinen Anstand, die Leistung der hier anwendbaren Brennstoffe in
zwei Theile zu zerlegen:
1) in die Production und Verbrennung von Leuchtgasen;
2) in die Verbrennung des rückständigen Kohlenstoffes.
Aus den zuerst angeführten Producten bilden sich Kohlensäure und
Wasser, aus dem rückständigen Kohlenstoff dagegen lediglich
Kohlensäure, allerdings unter Voraussetzung eines regelmäßigen
Betriebes.
Die Ergebnisse der Verkohkung, wie sie
von den metallurgischen und technologischen Schriftstellern
mitgetheilt werden, geben nicht genügenden Anhalt, wie viel
brennbare Bestandtheile vergasen und wie viel Rückstände sich
bilden. Man muß schon auf genaue Brennstoffanalysen zurückgehen,
um sich genügend orientiren zu können; so theilt Regnault (Scheerer's Metallurgie Bd. I S. 191) für die reine Kohle von Mons und für die von
Newcastle folgende Resultate mit:
Mons
Newcastle
86,49 Kohlenstoff
89,19 Kohlenstoff
5,40 Wasserstoff
5,31 Wasserstoff
8,11 Sauerstoff
5,56 Sauerstoff.
Rechnet man den Sauerstoffgehalt in Wasser um und für die
gewöhnliche Kohle die Summe dieses Wassers, des hygroskopisch
vorhandenen und der Asche auf 10 Proc., so behält man in der zum
Betrieb verwendeten Kohle von Mons
ca. 78 Proc. Kohlenstoff und 4 Proc.
Wasserstoff,
in der von Newcastle
ca. 80 Proc. Kohlenstoff und 4 Proc.
Wasserstoff,
übrig.
Unter der weiteren Annahme, daß gleiche Mengen Grubengas und
Aethylen sich bilden (Gasuntersuchungen aus den Flammöfen sind
noch nicht angestellt worden), beanspruchen die 4 Proc.
Wasserstoff in beiden Kohlensorten je 18 Proc. Kohlenstoff, so
daß für die Kohksproduction:
60 Proc. Kohlenstoff
bei den Kohlen
von Mons,
62 „ „
„ „ „
„
Newcastle
übrig bleiben, und sich in beiden Fällen
22 Proc. Gas bilden.
Dulong hat für ein Gasgemisch, wie es
hier der Einfachheit halber vorausgesetzt wurde, den absoluten Wärmeeffect auf 12130
Einheiten bestimmt, wobei die ausschließliche Production von
Kohlensäure und Wasser gedacht ist.
Für die vollkommenste Verbrennung würde demnach
1 Pfund
Steinkohle
von Mons
= 0,60 . 8000 + 0,22 . 12130 = 7418,6 W. E.
1 „
„
„
Newcastle
= 0,62 . 8000 + 0,22 . 12130 = 7628,0 W. E.
produciren können.
Hierbei wurde von der Wärmeabsorption bei der Zerlegung der rohen
Kohle ganz abgesehen; praktische Versuche ergeben ja, daß
Steinkohle im großen Durchschnitt keinen größeren Wärmeeffect
als 6000 W. E. erreiche. Guettier
gibt in seinem ausgezeichneten Traité de la fonderie an, daß zu 100 Pfd.
Roheisen 49 Pfd. Kohlen von Mons erforderlich gewesen seyen.
Es berechnen sich hierfür der theoretische
Effect 49 . 7418,6
oder 363511,4 Wärmeeinheiten;
und der praktische
Effect 49 . 6000
oder 294000 Wärmeeinheiten.
Die großen Flammöfen zu Finspong in Schweden erzielen ein
günstigeres Resultat als die von Guettier citirten französischen Apparate; sie arbeiten
im Durchschnitt mit 31 Pfd. Kohlen von Newcastle pro 100 Pfd. Einsatz.
Hierfür berechnen sich der theoretische
Effect 31 . 7628,6
oder 236486,6 Wärmeeinheiten;
und der praktische
Effect 31. 6000
oder 186000 Wärmeeinheiten.
Der Wärmeaufwand welchen das Roheisenschmelzen an sich erfordert,
beziffert sich auf nicht mehr als 22000 Wärmeeinheiten pro 100 Pfd. Roheisen, sobald man
eine Temperatur von 1500° C. im Metallbad annimmt.
Versuche welche in Spandau gemacht wurden, um die Temperatur des
Roheisens zu ermitteln, ergaben indeß eine höhere Ziffer, die
hier in Anschlag gebracht werden muß.
Es sind 2220° C. ermittelt, welche, den Coefficienten der
specifischen Wärme des Roheisens für 2000° = 0,166469
eingeführt, das Resultat bis auf 36956 Wärmeeinheiten
steigern.
Immerhin aber zeigt der Vergleich dieses Sollverbrauches mit den
oben discutirten Betriebsresultaten, wie groß der Verlust an
Wärme in einem Flammofen ist. Erwägt man, daß viele Oefen, ja
die Mehrzahl derselben bis 80 Pfund Kohlen pro 100 Pfund Einsatz verbrauchen,
so sagt man sich selbst, daß nur Wärmeverluste, durch
Constructionsfehler oder Mängel in der primitiven Anlage
veranlaßt, einen derartigen Unterschied zwischen Anforderung und
Ausführung hervorbringen können. Die folgenden Rechnungen und
Ermittelungen dienen vielleicht dazu, einige Aufklärung in die
Verhältnisse zu bringen.
Gang der
Verbrennung.
Die Intensität der Verbrennung hängt
hier wie bei allen Oefen von der Vollkommenheit derselben ab,
also in erster Linie von dem Luftzutritt. Es ist demnach
zunächst die erforderliche Zutrittsgeschwindigkeit der Luft im Feuerraum zu
ermitteln, wobei die von Schinz
angegebene Methode der Oberflächenberechnung Platz greift.
Rechnet man die Tonne Kohlen durchschnittlich zu 400 Pfd. oder
200 Kilogrm., ein Gewicht welches für die preußischen Kohlen
wenigstens Gültigkeit hat, so ist die Summe der Oberflächen pro 100 Pfd. Kohlen für Stücke
von
3 Zoll
4 Zoll
5 Zoll
6 Zoll
Durchmesser
oder 78
Millimet.
105 Millimet.
131 Millimet.
157 Millimet.
––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––
je 2,196
1,649
1,313
1,102 Quadratmeter.
Der Verlauf der Verbrennung, welcher demnächst zu beachten ist,
stellt sich weit einfacher dar als bei den Schachtöfen, wo es
noch nicht möglich war, das gegenseitige Verhältniß von
Kohlensäure und Kohlenoxyd annähernd zu bestimmen. Bei den
Flammöfen dagegen hat man es in der Hand, die vollkommene
Leistungsfähigkeit der Esse allerdings vorausgesetzt, den Gang
der Verbrennung zu beeinflussen und dieselbe dem angestrebten
Ziel, nämlich der ausschließlichen
Production von Kohlensäure und Wasser entgegen zu
führen, welche hier angenommen werden soll.
Die Zusammensetzung der Steinkohle,
welche bekannt seyn muß, wenn man die zu ihrer Verbrennung
nothwendige Luftmenge bestimmen will, kann in diesem Fall aus
den bereits mitgetheilten Daten über die Steinkohlen von Mons
und Newcastle abgeleitet werden. In der Praxis d.h. für jeden
Einzelfall ist es erforderlich, eine besondere Untersuchung der
Kohlen nach großer Durchschnittsprobe machen zu lassen, deren
Ausfall den theoretischen Calcul begründet.
Ob es dann angemessen ist, die Betrachtung ebenso zu machen wie
hier und zunächst eine Verkohkung, dann eine Verbrennung der
Kohks anzunehmen, bleibt dahingestellt; für die
Verlustberechnungen, die hier zu machen sind, ist der etwas
complicirtere Gang vorzuziehen.
Ein Durchschnitt der beiden betrachteten Kohlensorten, die ja
wenig von einander abweichen, ergibt ungefähr:
60 Proc.
Kohks (reiner Kohlenstoff),
22 „
Gas,
18 „
Verluste, Asche, Wasser.
Die brennbaren Bestandtheile von 100
Pfd. solcher Kohlen, also 78 Pfd. Kohlenstoff und 4 Pfd.
Wasserstoff erfordern zu ihrer vollkommenen Verbrennung zusammen
239,89 Pfund Sauerstoff.
Diese Menge entspricht 1029,5 Pfund oder rund 398 Kubikmeter
atmosphärischer Luft von gewöhnlicher Temperatur, so daß auf die
Tonne Kohlen etwa 1590 Kubikmeter zu rechnen wären.
Bezieht man die gefundenen Werthe auf die Oberflächensummen der
respectiven Kohlenmengen von verschiedenen Stückgrößen, wie sie
sich früher darstellten, so erhält man
für
3 Zoll
oder
4 Zoll
oder
5 Zoll oder
6 Zoll oder
78 Millimet
105 Millimet.
131 Millimet.
157 Millimet.
große Kohlenstücke
45,3
60,3
75,7
90,3
laufende Meter
als Minimalwerthe
der Zutrittsgeschwindigkeit der Verbrennungsluft. Das
Mittel davon beträgt 67,9 Meter, unter der Voraussetzung daß die
angewandten Kohlen eine gleichmäßige Mischung obiger Stückgrößen
enthielten – ein Fall der, wie auch die sphäroidische
Gestalt der Brennstoffstücke, in der Praxis selten gefunden
werden dürfte.
Diese Geschwindigkeit gilt ferner nur für den Fall der
vollkommensten Zugänglichkeit des Brennstoffes, d.h. für eine
Lockerheit der Schüttung welche in Wirklichkeit nicht existiren
kann. Erwägt man, daß die auf einer beliebig großen Fläche
aneinandergereihten Brennstoffkugeln Intervalle zwischen sich
frei lassen, welche im Ganzen nur etwa 1/5 der ganzen bedeckten
Fläche ausmachen, so muß man die Geschwindigkeit der Luft
fünfmal so groß annehmen als vorhin ermittelt wurde. Dann erst
tritt in der gegebenen Zeit an den Brennstoff das erforderliche
Luftquantum und ohne jeden Druck heran.
Diese Geschwindigkeit, welche sich also im Mittel auf 5. 67,9
Meter oder 339,5 Meter berechnet, bezieht sich natürlicherweise
auf die Zeit, innerhalb welcher die Verbrennung von 100 Pfund
Kohlen erfolgen muß oder kann. Bei dem Flammofenbetrieb, wo
der Kohlenverbrauch des Anwärmens sich auf den eigentlichen
Schmelzbetrieb schlechter vertheilt als bei dem Schachtofen
– wo außerdem selten oder nie besonders über diesen Theil
des Consums Notiz und Buch geführt wird, kann man diese Zeit nur
auf Umwegen abschätzen. Dennoch ist es nothwendig sie zu
ermitteln, weil es wichtig erscheint, die auf experimentellem
Wege von Schinz für Kohksfeuer auf einem
Rost gefundene Geschwindigkeit mit der Praxis zu
vergleichen.
Die Resultate französischer Oefen, wie
sie von Guettier in seinem schon
genannten Werke mitgetheilt werden, ergeben als Dauer der
Verbrennung von 100 Pfund Steinkohlen etwa 8 1/6 Minuten; dabei
ist das Anwärmen vernachlässigt, das eigentliche Vollfeuer aber
auf 3 Stunden angesetzt und nur dieses in Rechnung gezogen, da
die Verbrennung während der ersten Stunden doch nur eine
unvollkommene ist. Der Einsatz war auf circa 45 Ctr. und der Kohlenverbrauch auf 49 Pfund pro Ctr. Einsatz fixirt worden, so
daß im Ganzen etwa 2205 Pfd. Kohlen verbrannt seyn mußten. Diese
Verhältnisse treffen aber nicht immer zu und man kann, rechnet
man Anwärmen und Vollfeuer untereinander, 1 Tonne Kohlen pro Stunde, also 15 Minuten
Verbrennungszeit für 100 Pfund Steinkohlen annehmen. Dabei ist
eine durchschnittliche Besetzung von 7500 Pfd., wie sie
beispielsweise in Gleiwitz, Berlin etc. üblich ist,
vorausgesetzt; bei größeren und bei kleineren
Einsatzquantitäten, als hier erwähnt, treten sofort andere
Verhältnisse ein und verändern das Zeitmaaß der Verbrennung.
Schinz hat als für die
Kohlensäurebildung günstigste Zutrittsgeschwindigkeit in der
Secunde in einer Rostfeuerung den Werth 0,39 Meter pro Quadratmeter
Brennstoffoberfläche gefunden; berechnet man daraus die
Verbrennungszeit pro 100 Pfd.
Steinkohlen, indem man den für dasselbe Quantum Kohle gefundenen
Weg von 339,5 Meter pro Quadratmeter
Oberfläche zu Grunde legt, so erhält man 339,5/0,39 oder 896
Secunden, d.h. etwa rund 15 Minuten.
Ein Vergleich dieses Resultates mit dem oben aus dem Ofenbetrieb
abgeleiteten ergibt sogleich die Unvollkommenheit des letzteren.
Bei scharfem Betrieb und geringerem Einsatz verbrannten 100
Pfund Kohlen in 8 Minuten; im großen Durchschnitt bei größeren
Oefen, das Anwärmen mit eingeschlossen, ergab sich derselbe
Werth wie aus der Schinz'schen Zahl.
Dabei ist klar, daß, während die Zeitdauer der Verbrennung im
ersten Stadium des Feuerns eine weit größere als der Mittelwerth
von 15 Minuten ist, im Stadium des Vollfeuers jene Dauer
wiederum eine weit geringere seyn muß. Dieser Unterschied und
diese Wandlung im Gang des Schmelzens ist schwer festzustellen
und für die hier erstrebten Aufklärungen genügen die
Durchschnittsresultate vollkommen.
Es wird demnach darauf zu halten seyn, daß
ein Flammofen so viel Luft mindestens aufsaugt, als zur
Verbrennung von 100 Pfund Kohlen
in 15 Minuten erforderlich ist. Darüber hinaus ist jede Ofenconstruction zu
brauchen; erreicht sie das genannte Resultat dagegen nicht, so
erscheint sie unbedingt als ungenügend.
Rostfläche.
Die obere Grenze der Leistung eines
Flammofens in der vollkommenen Verbrennung, wie sie in
dem folgenden praktischen Beispiel gegeben ist, muß aber benutzt
werden um den Rost zu berechnen. In
diesem Fall ist es ausdrücklich zu betonen, weil man unter
Zugrundelegung einer größeren Verbrennungszeit, leicht einen
Apparat von schwacher Wirkungsfähigkeit construiren würde.
Es ist in der Praxis möglich, sobald ein Ofen günstig liegt, 75
Ctr. Eisen in fünf Stunden niederzuschmelzen und dieses mit 49
Pfd. Kohlen pro 100 Pfd. Einsatz zu
bewirken.
Es werden mithin 3675 Pfund in 5 Stunden verbrannt (also 100
Pfund in etwas über 8 Min.); das Luftquantum, welches von dem
Ofen aufgesaugt werden muß, beträgt hiernach ungefähr 37834
Pfund oder 12626 Kubikmeter, oder 0,70147 Kubikmeter pro Secunde.
Da 100 Pfund genau gerechnet, 488 Secunden zur Verbrennung in
diesem Ofen gebrauchen und der theoretische Weg der für 100
Pfund erforderlichen Verbrennungsluft 339,5 laufende Meter
beträgt, so berechnet sich für letztere eine Geschwindigkeit pro Secunde von 339,5/488 oder
0,694562 laufenden Metern.
Bezieht man diesen Werth auf den vorhin berechneten Luftconsum
pro Secunde, so erhält man
0,701470/0,694562 oder 1,00995 Quadratmeter als die Summe der nothwendigen Luftzulässe für
einen Flammofen, welcher 75 Centner Roheisen mit einem Kohlenverbrauch von 49 Pfd. pro
Centner Einsatz in 5 Stunden niederschmelzen soll.
Die 1,00995 Quadratmeter bezeichnen speciell die Summe aller Rostöffnungen d.h. die sogenannte freie Rostfläche der technischen
Sprache.
Die Größe der totalen Rostfläche, also
auch das Verhältniß der bedeckten zur
freien, hängt von der Construction des Apparates,
speciell des Rostes selbst ab. Bei gewöhnlichen Planrosten nimmt
man 1/2 bis 3/5 der totalen Fläche als freien Theil an, und
würde in dem Verhältniß entschieden noch weiter gehen, wenn
nicht die Solidität der Rostconstruction darunter litte. Absolut
gedacht kann umgekehrt das Verhältniß der freien zur totalen
Rostfläche bis zu 1 : 4, d.h. dem Verhältniß der Intervalle des aufgeschütteten Brennstoffes
zur ganzen von demselben bedeckten Fläche gehen, ohne
den Zug zu beschränken. (Bei den Spandauer Flammöfen, man vergl.
Handbuch des Eisengießereibetriebes Bd. I S. 506, ist das
Verhältniß 0,39 : 1 eingehalten worden, ohne die Energie des
Betriebes zu hindern.) Für den hier bezeichneten Fall schwankt
hiernach die Rostfläche im Ganzen zwischen 1,68325 und 2,0199
Quadratmeter.
Form und Anordnung des Rostes sind von den übrigen Theilen des
Ofens constructiv abhängig, so daß es nicht angezeigt erscheint,
hier bereits darüber zu verhandeln.
Resultate der
Verbrennung.
Das Volumen der Verbrennungsproducte,
berechnet aus dem Gewicht derselben und der Ofentemperatur
innerhalb der einzelnen Zonen des Apparates, ist von dem größten
Interesse für die Kenntniß der Function eines Flammofens, weil
man daraus die durchschnittliche und die partielle Zuggröße,
mithin die verschiedenen Querschnitte des Ofens ableiten
kann.
Man macht sich in der Praxis gewöhnlich nicht die geringste
Vorstellung von den Gas- und Dampfmassen, welche in einem
Flammofen pro Zeiteinheit
hervorgebracht und weggeschafft werden müssen. Dieselben
variiren natürlich, sowohl in der Qualität als in der Quantität
außerordentlich, je nach dem Verlauf des
Verbrennungsprocesses.
Hier muß der Fall vollkommenster Verbrennung vorausgesetzt
werden, d.h. der ausschließlichen Production von Kohlensäure und
Wasser, obwohl dieser Modus auch bei den besten Apparaten erst
im Stadium des Vollfeuers sicher eintreten dürfte.
Nach früheren Annahmen verbrennen innerhalb 5 Stunden
3675 Pfund Kohlen mit Hülfe
von
37834 „ atmosphärischer
Luft oder
12626 Kubikmetern zu Kohlensäure und
Wasserdampf.
Die Kohlen enthalten bekanntlich in 100 Pfund
78 Pfund reinen Kohlenstoff, welche 285,89 Pfund Kohlensäure
4
„ Wasserstoff, welche
36,00 Pfund Wasserdampf
bilden; daraus berechnen sich für die
gesammte Kohlenmenge:
10267,3 Pfund Kohlensäure
1323,0
„ Wasserdampf
29018,17
„ Stickstoff.
Es werden in 5 Stunden producirt:
5133,650 Kil.
Kohlensäure, welche
(der Liter
à 1,97 Grm.)
2606,513
Kubikmeter
661,500
„
Wasserdampf, welche
( „ „
à
0,59
„ )
1121,186
„
14509,085 „
Stickstoff, welche
( „ „
à
1,25
„ )
11607,268
„
ausmachen.
Die vorstehenden Volumina beziehen sich auf gewöhnliche
Temperaturen und können erst nach erfolgter Berechnung der
Temperatur im Ofen, in die Raumverhältnisse umgerechnet werden,
welche wirklich für die Ofenconstruction maßgebend werden.
Producirte
Wärmemenge.
Die in dem hier aufgestellten Beispiel producirte Wärmemenge
berechnet sich auf zweierlei Weise:
1) Nimmt man einfach an, daß
2866,5 Pfund Kohlenstoff und
147,0
„ Wasserstoff
zu
Kohlensäure und Wasser verbrennen, so
erhält man
2866,5 . 8000 + 147. 34000 = 27,930,000
Wärmeeinheiten.
2) Rechnet man aber 60 Pfund Kohlenstoff und 22 Pfund
Kohlenwasserstoffe pro 100 Pfd.
Steinkohlen, so stellt sich, früheren Berechnungen nach, der
Effect eines Zollpfundes Steinkohlen auf 7418,6 Wärmeeinheiten
und das Gesammtresultat beträgt
3675 . 7418,6 oder 27,263,355
Wärmeeinheiten.
Der Unterschied rührt daher, weil im zweiten Fall die latente Wärme des Wasserdampfes
den Effect der Kohlenwasserstoffe beeinträchtigt, welche bei den
obiger Rechnung zu Grunde liegenden Bestimmungen des absoluten
Wärmeeffectes für Kohlenstoff und Wasserstoff nicht mit in
Rücksicht gezogen wurde.
Berechnet man die latente Wärme des
producirten Quantums Wasserdampf, so erhält man, da Regnault für die Gewichtseinheit
536,67 Einheiten Wärme als absorbirbar gefunden.
1323,0 . 536,67 oder rund 712000 Wärmeeinheiten, welche, dem
zweiten Werth für die Wärmeproduction des Flammofens
zugerechnet, den ersten Werth um Einiges noch übertreffen. Die
übrigbleibende Differenz ist durch Fehler in den an sich schon
so schwierigen Grundbestimmungen zu erklären, zeigt sich aber
viel zu gering, um hier großen Einfluß zu üben.
Da sämmtliche Wärmeverluste nach einander berücksichtigt werden,
so erscheint es vortheilhaft, das erste Resultat, also
27,930,000 Wärmeeinheiten den weiteren Berechnungen zu Grunde zu
legen. Zur Wirkung kommen dieselben in ihrer Gesammtheit
doch nicht, denn sowohl Wasserdampf als Vorwärmung des
Brennmateriales erfordern gleich zu Anfang, d.h. auf dem Rost
und über dem Rost, einen bestimmbaren und ziemlich bedeutenden
Wärmeaufwand.
Theoretische
Temperatur des Verbrennungsraumes.
Die Formel t = P/Qw, worin P die
Wärmemenge in Einheiten, Q die
Gewichtsmenge der Gase und w den
Coefficient der specifischen Wärme derselben bezeichnen, ändert
sich für den vorliegenden Fall, da das in Betracht kommende
Gemisch aus drei verschiedenen Gasen respective Dämpfen besteht,
in die Form t = P/(Qw +
Q₁w₁ + Q₁₁w₁₁...) um, wobei Q₁ w₁ u. Q₁₁ w₁₁ die bezüglichen Werthe für Wasserdampf
und Stickstoff enthalten.
Es betragen:
Qw
= 10267,3 . 0,2164
= 2221,8
Q₁w₁
= 1323,0 .
0,4750
= 628,4
Q₁₁w₁₁
= 29018,17 . 0,2440
= 7080,4
––––––––
Die Summe ist mithin
9930,6 – ein Werth
der noch
oftmals zur Anwendung kommen dürfte.
Die theoretische Anfangstemperatur ist demnach
27930000/9930,6 oder 2813° Cels. für den
vollkommensten Zustand der Verbrennung.
Daß sie nicht zur Wirkung kommen kann, zeigt die nächste
Betrachtung, welche sich mit den Verlustquellen innerhalb des
Feuers und unmittelbar über demselben beschäftigt.
Wärmeverluste im
Inneren des Feuerraumes und disponible Wärme beim Eintritt
der Gase in den Schmelzraum.
Wie viel Wärme durch die Vorwärmung der Steinkohle bis zu
2813° und durch die Latenz im Wasserdampf absorbirt wird,
ist, wiewohl der letzte Werth gefunden wurde, nur schwer zu
taxiren. Jedenfalls mangelt es an bestimmten Ansichten über das
Verhältniß der wirklichen Verbrennungserscheinung zur
theoretischen Vorstellung von derselben. Der gewöhnliche Weg
gibt unmögliche, weil viel zu hohe Resultate.
Eine einfache Rechnung beweist dieses am besten.
Der Coefficient der specifischen Wärme für Steinkohlen ist im
Mittel 1,19, das verbrannte Quantum 3675, die
Temperatur 2813°; das Product Qwt also = rund 12,302,000
Einheiten, somit fast die Hälfte des totalen Wärmequantums.
In dieser Verlegenheit bietet sich ein praktischer Ausweg, wenn
man den bei der Verbrennung von Steinkohlen im Calorimeter
gefundenen Werth des absoluten Wärmeeffectes berücksichtigt und
den Unterschied zwischen demselben und den auf theoretischem Weg
gefundenen Werthen als Ausdruck des
Wärmeverlustes durch Erwärmen des Brennstoffes und
durch den vorhandenen Wasserdampf betrachtet.
Man nimmt im Allgemeinen an, daß ein Pfund Kohlen 6000
Wärmeeinheiten producire und daß diese nach außen hin nutzbar
würden.
Auf das besagte Kohlenquantum von 3675 Pfund bezogen, ergeben
sich
22050,000
Wärmeeinheiten,
welche von
der theoretischen
27930,000
„
abgezogen,
–––––––––
eine Ziffer von
5880,000
„
als Wärmeconsumtion
innerhalb der Feuerung resultiren
lassen.
Dieser Werth theilt sich in
5168000
Einheiten für Wärmeverluste
im Brennstoff
712000
„ „ „
durch den
Wasserdampf.
Die Gase treten also, die Richtigkeit der vorstehenden
Raisonnements vorausgesetzt, mit einem disponiblen Wärmequantum
von 22,050,000 Einheiten in den eigentlichen Schmelzraum und
haben eine Temperatur von 22050000/9930,6 oder 2220,9°
Celsius.
Diese Zahlen bestimmen gewissermaßen den Querschnitt des
Ofeneinganges, d.h. die Abmessungen welche der Zone über der
Feuerbrücke durchschnittlich zu geben sind.
Man kann sich nämlich vorstellen, daß, um die Luft in der früher
ermittelten Geschwindigkeit unter den Rost treten zu lassen, es
erforderlich sey, auch den Ofengasen eine bestimmte
Geschwindigkeit zu geben. Diese Geschwindigkeit ist nur
annähernd durch das Quantum von Gasen zu bestimmen, welche in
einer der Luftzufuhr ebenfalls zu Grunde liegenden Zeiteinheit
sich bilden und entfernt werden müssen.
Nimmt man an, daß die Gase keinen Druck haben sollen, so müßte
die Geschwindigkeit der Massen vor und hinter dem Roste dieselbe
seyn; doch spielt hier die Esse eine
tief eingreifende Rolle und verschiebt sich deßhalb die
Besprechung der Volumina und Geschwindigkeiten besser bis nach
der Erörterung der Essenwirkung.
Wärmeabsorption durch das schmelzende
Roheisen.
Der zunächst auffallende Wärmeverbrauch im Flammofen, obwohl
quantitativ der geringfügigste, ist der zur Schmelzung des
Roheisens nothwendig werdende.
Der Einsatz wurde in diesem Beispiel gleich 75 Zollcentner
Roheisen angenommen und vorausgesetzt, daß eine flüssige
Beschaffenheit des Einsatzes in 5 Stunden erzielt werde.
Hier entsteht nun eine neue Schwierigkeit für die calorische
Berechnung durch die schwankenden Angaben über die
Gießtemperatur des Roheisens. Der Verfasser hat bereits mehrfach
öffentlich nachgewiesen, wie wenig Werth die genaue Bestimmung
des Schmelzpunktes habe, da dieselbe technisch keine Anwendung
finden könne; das zum Gießen vorbereitete Roheisen muß ja in
vielen Fällen eine hohe Temperatur haben und man zieht selbst
dann, wenn kälter gegossen werden muß, es vor, das Metall heiß
abzustechen und in den Gießpfannen abkühlen zu lassen, bis der
durch Praxis und Erfahrung erkennbare Zeitpunkt da ist.
Es ist deßhalb stets rathsam, für die calorische Berechnung eine
höhere Temperatur anzunehmen als die wissenschaftlichen
Bestimmungen des Schmelzpunktes sie ergeben; der Verfasser hat
in einer früher veröffentlichten Skizze die Eisentemperatur auf
1500° angenommen. Bei der statischen Betrachtung des
Kupolofenbetriebes (in diesem Journal Bd. CXCIX S. 366) ging er
dagegen von der Gastemperatur des Ofens aus, weil thatsächlich
die Schachtöfen sehr hitziges Eisen zu geben vermögen.
Im vorliegenden Falle erscheint es angemessen, die der
Gastemperatur zufällig nahe kommende Hitze des Roheisens zu
supponiren, welche nach den Messungen zu Spandau gefunden wurde,
d.h. 2220° C.
Auf den ersten Blick erscheint diese Annahme unzulässig, da die
Gase im Ofen abkühlen und die genannte Temperatur schließlich
nicht mehr erreichen würden, wenn eben nicht die sämmtlichen
Werthe dieses statischen Versuches Durchschnitte einer
Heizperiode von 5 Stunden wären, von denen die ersten Stadien
bei geringer Hitze, die letzten bei sehr starker Hitze
verlaufen. So lange es an besonderen Angaben über Anheizen und
Vollfeuer mangelt, muß man sich mit solchen Durchschnitten
begnügen und die Unwahrscheinlichkeit der Verhältnisse, als in
Wirklichkeit nicht existirend, übersehen.
Der Wärmeconsum des Roheisens berechnet sich, wenn man nach Schinz den Coefficienten der
specifischen Wärme des Roheisens bei 2000° C. = 0,166469
annimmt, auf
7500 . 2220 . 0,166469 = 2,771,700
Wärmeeinheiten.
Ein Vergleich dieser Methode mit der von Schinz angewandten, mittelst der Daguin'schen Formel ausgeführten, ergibt für letztere
ein anderes Resultat.
Nach P. A. Daguin ist die latente
Wärme der Metalle
L = 160 + T . (C – c), wenn T die betreffende Temperatur und C, c die Coefficienten der
specifischen Wärme bei dieser Temperatur beziehungsweise bei
gewöhnlicher Temperatur bezeichnen.
Da man annehmen kann, daß nur die Temperaturen bis zum
Schmelzpunkt hierbei angewandt werden dürfen, so zerlegt sich
die Aufgabe in zwei Theile:
1) Die Berechnung der latenten Wärme bis 1220°. (Pouillet gibt für Gießereiroheisen
die Schmelztemperaturen 1100 bis 1250° nach Daguin und Schinz.)
2) Die Berechnung der Ueberhitzung von 1000° nach der
gewöhnlichen Methode.
ad 1) ist C – c für 1220° = 0,14048571 – 0,0904970 =
0,04998875
folglich ist L
= 160 + 1220 . 0,04998875 = 220 Einheiten.
(Schinz hat für die Temperaturen 1100
bis 1250° nur 208 resp. 202,5 Einheiten angegeben, die
jedenfalls auf einem Rechnungsfehler beruhen.)
Auf 7500 Pfund bezogen, ergeben sich 1,650,000 Einheiten als
Ausdruck der latenten Wärme.
ad 2) ist der Werth der Ueberhitzung
7500 . 1000 . 0,166469 = 1,248,520 Einheiten, so daß ein
Total-Consum von 2,898,520 Einheiten, mithin etwas mehr
sich herausstellt als oben berechnet wurde.
Wenn man erwägt, daß die Werthe welche Boulanger und Dulait durch
die Mischmethode für die latente Wärme des Gußeisens gefunden
haben, circa 175,00 Einheiten pro Pfund betrugen, so kann man sich
den Ueberschuß welchen die Daguin'sche Methode gibt, leicht erklären. Rechnet man
2,771,700 – 1,248,520 = 1,523,180 Einheiten als latent,
so berechnen sich pro Pfund circa 203 Einheiten, eine Zahl die
also in der Mitte zwischen dem berechneten Werth und dem durch
Versuche gefundenen liegt und für vorliegenden Zweck
hinreichende Wahrscheinlichkeit besitzt.
Wärmeabsorption
durch die glühenden Ofenwände und
Strahlungsverluste.
Eine sehr namhafte Wärmemenge entweicht oder wird gebunden durch
die Erhitzung des Ofens bis zur vollständigen Glühhitze und
durch die Ausstrahlung der Ofenwände nach der Luft hin.
Beide Wirkungen sind erst in neuester Zeit und dabei noch in
beschränktester Weise beachtet worden; auch hat es seine
Schwierigkeit, die mit physikalischen Apparaten gefundenen
Absorptions- und Strahlungsgesetze auf so rohe und
ungleichförmige Massen anzuwenden, wie es die Wände der
metallurgischen Apparate sind. Bei den Flammöfen insbesondere,
wo verschiedene Theile der Gesammtoberfläche auch verschieden
ausstrahlen, ist es nicht möglich, ohne besondere Versuche und
Beobachtungen Resultate von annähernder Richtigkeit zu
erhalten.
Benutzt man, wie es der Verfasser in der letzten Lieferung seines
Handbuches gethan hat, die von C. Schinz gemachten Angaben und das von Dulong und Petit entwickelte Gesetz, und betrachtet man die
Innenfläche des Flammofens als transmittirende Wand, ohne
Rücksicht auf das hinter derselben liegende Material (Steinmauer
oder Luft), so gelangt man zu folgenden Consequenzen.
Ein Flammofen zu 75–100 Centner Einsatz hat an
feuerberührten Innenflächen:
2 Seitenwände von 3 Fuß mittlerer Höhe
und 11 1/2 Fuß Länge
69 Quadratfuß
1 Stirnwand an der Fuchsseite von 6 1/2
Fuß Breite und 2 1/2 Fuß
Höhe
16
1/4 „
1 Gewölbfläche von 5 Fuß Breite und, von
der Rostebene an gerechnet, 17 1/2
Fuß aufgerollter Länge
87
1/2 „
––––––––––––––
zusammen
172 3/4 Quadratfuß.
Abgerundet sind mithin in Berechnung zu ziehen 173 Quadratfuß
oder 17 1/4 Quadratmeter.
Nach den von Schinz gemachten
Versuchen (Documente, S. 47 und 48) betragen die pro Quadratmeter ermittelten
Wärmequantitäten der Transmission
resp. 3492 – 5547 – 8325
– 36628 – 32558 – 36046 Einheiten pro Stunde,
wofür sich nach der Dulong'schen Formel die theoretischen Temperaturen
226° – 288° –
346° – 540° – 538° –
540°
für die transmittirende Fläche
berechneten.
Sieht man gänzlich von den Differenzen ab, welche diese
berechneten Temperaturen von den wirklich vorhandenen
unterscheiden – und welche Veranlassung zu der Schinz'schen Annahme wurden, daß die
Strahlungsverluste in Wirklichkeit 4,3 bis 22,5 mal größer
ausfallen müssen, als sich auf theoretischem Wege ermitteln läßt
– so kann man für die Ofentemperatur 2220,9° Cels.
ganz gut die Transmission der Ofenwand berechnen. Da nach Dulong und Petit die Wärmemengen sich wie die
Quadrate der Flächentemperatur verhalten, so kann man den
folgenden Ansatz machen:
540² : 2220,9° = 36,046 : x
Man findet für x die Zahl von
609715,8 Einheiten pro Quadratmeter
und Stunde, einen Werth also, der für die Grenzen der
Wärmeentwickelung in dem hier zu Grunde gelegten Apparat
modificirt, die Summe von 10,670,000 Einheiten pro 17 1/2 Quadratmeter und Stunde
ergibt.
Die Temperatur 2220,9° erreicht zwar der Ofen vermutlich
erst in dem letzten Stadium des Feuerns, sie ist aber wie alle
hier in Rechnung kommenden Werthe der Durchschnitt von 5
Stunden. Man müßte deßhalb, um folgegerecht zu seyn, das
Resultat des Dulong'schen Gesetzes
auf das Fünffache steigern und erhält dann eine Wärmeconsumtion
welche über 2mal so groß ist, als die überhaupt producirte
Wärmemenge.
Man kann also in der Praxis von dem Dulong'schen Gesetz nur soweit Gebrauch machen, daß
man die an der Außenfläche des Ofens gefundene Temperatur zu
Grunde legt und darnach rechnet, dafür aber den Wärmeverbrauch in den Ofenwänden
auf andere Weise bestimmt.
Da solche Messungen, wie sie eben angeführt wurden, noch nicht
existiren, so müssen Annahmen gemacht werden, und leiteten
hierbei außer der persönlichen Wahrnehmung des Verfassers noch
vorzugsweise die Erfahrungen von Lowthian Bell an englischen Hohöfen, welche sich in der von P.
Tunner besorgten deutschen
Ausgabe seiner Hohofenchemie etc. S. 31 und ff. mitgetheilt
finden.
Er gibt daselbst eine Tabelle mit thermometrischen Bestimmungen,
die er im Rauhgemäuer des Hohofens gemacht, dann einige mit
einem einfachen Calorimeter ausgeführte Messungen der
Ausstrahlungsverluste.
Das 5 Fuß dicke Gemäuer resp. Futter zeigte ca. 1 Fuß über den Formen eine
Temperatur von 289° F. oder 143° Cels. und ergab
einen Wärmeverlust von ca. 302,48
Pfundcalorien pro
Quadratfuß. Diese repräsentirt also
die wirklich nach außen gelangte Wärmemenge, unabhängig von dem
theoretischen Verhältniß zur Temperatur der transmittirenden
Fläche. Setzt man die Hohofentemperatur und die
Flammofentemperatur der Einfachheit wegen gleich und nimmt man
weiter an, daß die nach außen gelangende Wärmemenge in beiden
Fällen umgekehrt proportional der beziehentlichen Wandstärke der
Umfassung sey, so erhält man pro
Quadratfuß Flammofenfläche etwa 1210 Einheiten Wärmeverlust pro Stunde.
Die Oberfläche des Flammofens zu ca.
220 Quadratfuß angenommen (ohne die kleinen Details der Armatur
in Rechnung zu ziehen, welche das Verhältniß bedeutend
steigern), ergeben sich pro Stunde
ca. 266,200 Wärmeeinheiten, für
die Dauer der Charge also über 1,300,000 Einheiten als Betrag
der freien Strahlung. Daß dieses zu wenig ist, leuchtet ein,
sobald man den später zu ermittelnden Unterschied der übrigen
Wärmeverluste und der totalen Wärmeproduction betrachtet, und
der erlangte Werth bedarf der von Schinz angedeuteten Correction, d.h. der
Multiplication mit einem beliebigen zwischen 4,3 und 22,5
liegenden Coefficienten, welcher durch Erfahrung bestimmt werden
muß und nach Lage, Größe und Construction des Ofens sich
verändert.
Für die besondere Berechnung der Wärmemenge
welche vom Mauerwerk des Flammofens aufgeschluckt wird,
um dasselbe rothglühend zu machen, kann man folgenden
approximativen Weg einschlagen. Der früher gedachte Ofenkörper
hat in einer gleichmäßigen Wand von 12 Zoll Dicke und einem
Gewölbe von ebenfalls 12 Zoll (die eventuelle Sandbeschüttung
mit eingerechnet) ca. 173 bis 222
Quadratfuß Innen- und Außenfläche, daher im Minimum 173
Kubikfuß Mauerwerk von harten, zum Theil feuerfesten Ziegeln,
die an der Innenseite also die Ofentemperatur hier
2220,9° annehmen, nach außen aber diese nach Maaßgabe
ihres Leitungsvermögens fortpflanzen. Dabei wird eine in
quadratischem Verhältniß der normalen Entfernung stattfindende
Verminderung der geleiteten Wärme und der resultirenden
Temperatur vorausgesetzt. Beträgt nun die äußere Temperatur in
der Steinmasse so viel, wie Lowthian Bell an der Gestellwand eines Hohofens gesunden, so
nimmt die Temperatur der Wand des Flammofens von der Temperatur
des Inneren, 2220,9°, bis zu ca. 143° von Innen nach Außen ab.
Die mittlere Temperatur der Wände und Gewölbe des Ofens beträgt
etwa 1028°, wenn man die Temperaturen gleichstarker
Mauerstreifen, der Reihe a + b²a + c²a + d²a +... nach
steigen läßt, wobei a, b, c, d...
wiederum eine arithmetische Reihe bilden. Es berechnen sich
daraus die Temperaturen 143°, 462°, 1287°
und endlich 2288°, welchem letzten Glieds man 2220,9
substituiren kann.
Zieht man Herd und Feuerbrücke unter gleichen Verhältnissen in
Rechnung, so erhält man weitere 60 Kubikfuß Mauerwerk, welche zu
den 173 zutreten.
Das Gewicht eines Kubikfußes Ziegelmauerwert auf 125 Pfd.
festgesetzt und der specifische Wärmeeffect = 0,2150, beträgt
das von allen feuerberührten Ofenwandtheilen mindestens absorbirte Wärmequantum,
um die Innenfläche auf 2220,9° zu bringen:
233 . 125 . 0,2150 . 1028,2 = 6,438460
Einheiten.
Am Leichtesten controlliren ließe sich eine solche Rechnung, wenn
man beim Flammofenbetrieb den Ofen zuerst weißglühend macht und
dann erst den Einsatz hinein bringt. Wo es sich um sehr
strengflüssiges Eisen handelt, verfährt man wohl so, notirt aber
in den meisten Fällen nicht die
während des Anheizens verbrauchte Kohlenmenge. Der einzige in
der technischen Literatur bekannte Fall findet sich
aufgezeichnet in Wiebe's Skizzenbuch für
den Ingenieur und Maschinenbauer, Heft X, und bezieht sich auf die auf Taf.
4 und 5 daselbst abgebildeten Flammöfen der Kanonengießerei zu
Spandau.
Einer der kleineren, auf 67 Centner Einsatz berechneten Oefen
erforderte 1 Stunde 50 Minuten zum Anheizen und brauchte in
dieser Zeit 11 Centner Kohlen. Ein Ofen von 75 bis 100 Ctr.
Einsatz, also 87 1/2 Centner durchschnittlicher Haltung, würde
etwa 14,4 Centner Kohlen verbrauchen und diente die
Wärmeproduction derselben in erster Linie zur Erhitzung des
Ofens und der Esse. Die nutzbare Hitze mit 6000 Wärmeeinheiten
pro Pfund angenommen, ergibt
sich eine Production von 1440. 6000 oder 8,640,000 Einheiten.
Vergleicht man dieses Resultat mit dem obigen, so stellt sich
ein Unterschied von über 2,200,000 Einheiten heraus, der sich
auf Erhitzung der Esse und auf Verluste über der Esse durch Leitung
der Gase bequem repartirt und daher auch vollkommen genügt.
Die Wärmeabsorption
der Esse und der Verlust an Wärme in den abziehenden
Gasen.
Scheerer hat in seiner Metallurgie
(Bd. I S. 398) das Princip der Esse auf das Verhältniß zweier
verschieden schwerer Fluida in den beiden Schenkeln eines
communicirenden Rohres zurückgeführt und berechnet mit Rücksicht
darauf die Geschwindigkeit des
Luftzuges als Function der
Höhe. Seine vorgängigen theoretischen Betrachtungen
führten zu der Formel
Textabbildung Bd. 200, S. 205
in welcher bezeichnen:
G die Geschwindigkeit einer auf T Grade erwärmten Luftmenge,
h die Höhe der Esse,
t die gewöhnliche Temperatur.
Die Resultate dieser Formel sind aber ohne Correction nicht für
die Praxis anwendbar, denn die Arbeit der Esse wird
gehindert:
1) durch die Reibung an den
Essenwänden,
2) durch die Arbeit des warmen Luftstromes
bei seinem Austritt aus der Esse. Es ist erforderlich, daß
der Luftstrom noch über der Esse
eine bestimmte Geschwindigkeit beibehalte, um den Effect
nicht zu hindern.
Beide Umstände, besonders der unter 2) namhaft gemachte, wirken
deprimirend auf den Effect der Essen und die obige Formel muß
deßhalb noch einen Erfahrungscoefficienten aufnehmen, welchen
Peclet in nachstehender Weise
bestimmt hat.
Die Zugverzögerung
ρ ist demnach:
für gemauerte Essen
= 1,998 √D/(L + 4 D)
für Blechessen
= 3,16 √D/(L + 10 D)
für gußeiserne Essen
= 4,47 √D/(L + 20 D);
wobei L und
D die Länge des effectiv
wirksamen Zuges, also Höhendifferenz von Mündung und Rost, D hingegen den Durchmesser
bezeichnet.
Da Scheerer die in dieser Arbeit zum
erstenmal genau berechneten Modalitäten einer Rostfeuerung,
namentlich aber die durchschnittliche Rostbeschüttung, die
Minimalgeschwindigkeit der unter den Rost tretenden Luft nicht
bestimmt hatte und ebenso wenig auf Volumen und Zusammensetzung
der Verbrennungsproducte eingegangen ist, so mußte er an die Benutzung seiner
Formel einige Hülfsregeln und Bedenken knüpfen, die sich eben
wesentlich auf die Temperatur der Esse, das Verhältniß der
specifischen Dichtigkeit der Verbrennungsgase unter einander und
zur Luft, das ja in der calorischen Benutzung der specifischen
Wärmeeffecte zum Theil Ausdruck findet, und endlich auf den
Betrieb der Rostfeuerung beziehen.
Als T räth Scheerer z.B. das arithmetische Mittel der obersten
und untersten Essentemperatur anzuwenden; das specifische
Gewicht der Essengase berechnet er unter Weglassung des
Wasserdampfes auf 1,09 und wegen des Einflusses der Rostfeuerung
verweist er auf Versuche die zu machen wären, schreibt übrigens
der Reibung keinen besonders großen Einfluß zu.
Die weiteren Folgerungen Scheerer's,
die er lediglich aus der genannten Formel ableitet, sind zu
übergehen, da im Folgenden von bestimmten Verhältnissen
ausgegangen werden muß und die allgemeinen Gesichtspunkte nicht
weiter mitsprechen.
Man kann bei dem Flammofen für
Gießereibetrieb, wo bei starkem Schüren und rußender
Flamme die austretenden Gase an der Essenmündung sich temporär
zu entzünden vermögen, als durchschnittliche Temperatur 200 bis
300° annehmen.
Das Minimum derselben ergibt sich als eine solche, die nach
Abgabe der zum Erwärmen einer 15 Meter hohen und entsprechend
weiten Esse nöthigen Wärme, noch ausreichend ist, den Gasstrom so rasch zu entfernen, als
Luft unter den Rost tritt.
Es setzt sich mithin die Eintrittstemperatur der Gase für die
Esse zusammen aus der Temperatur
welche der von der Esse aufgesaugten Wärme entspricht, und der Temperatur welche die Gase
besitzen müssen, um mit einer näher zu präcisirenden
Geschwindigkeit aus der Esse in die Atmosphäre treten und dort
diffundiren zu können.
Dabei tritt noch der theils constructiv, theils technisch
bestimmte Durchmesser der Esse in Mitwirkung, welcher im
vorliegenden Falle gegeben ist.
Man baut die Esse für einen einzelnen
Flammofen nicht gern weiter als 2 Fuß im Lichten, geht aber mit
der Weite ebenso wenig unter 15 Zoll herunter. Da sich der
Fuchs, besser noch ein im Essenfuß angebrachter Schieber, der zu
raschen Ausgleichung der Temperaturen am Ofenende widersetzt, so
kann man in jedem Falle mit der Essenweite bis zu dem Maximum
von 24 Zoll Quadrat gehen.
Rechnet man hiernach den Querschnitt der Esse = 0,3969
Quadratmeter, so müssen, da der hier betrachtete Ofen in der
Zeit von 5 Stunden 15334,967 Kubikmeter Gas producirt, pro Secunde etwa 0,852 Kubikmeter
die Esse passiren; daraus ergibt sich auf gewöhnliche Temperatur
bezogen eine Geschwindigkeit von 2,147 Metern, welche den Gasen
durch Erwärmung gegeben werden muß.
Die mitgetheilte Scheerer'sche Formel
gibt das beste Mittel, die erforderliche Temperatur zu
bestimmen, da die ihre Anwendbarkeit sonst störenden Mängel hier
beim Austreten der Gase nicht in Betracht kommen, um so weniger
als es sich um eine Anfangsgeschwindigkeit handelt. Es soll nur
die Temperatur einer Luftsäule bestimmt werden, welche
erforderlich ist um dieselbe mit einer gegebenen Geschwindigkeit
in die Höhe zu treiben. Deßhalb kann man auch die Höhe h vollständig vernachlässigen und
erhält dann die Formel
Textabbildung Bd. 200, S. 207
Nimmt man z.B. t = 20° Cels. und G
= 2,147, so wird T ungefähr =
236° Cels.
Da bei der Anwendung der Scheerer'schen Formel von der Differenz im specifischen
Gewicht zwischen atmosphärischer Luft und dem hier angenommenen
Gasgemisch abgesehen wurde, so mußte das Resultat der Rechnung
noch corrigirt werden.
Da die genannten 15334,967 Kubikmeter 20304,25 Kilogramme wiegen,
so berechnet sich der Kubikmeter auf 1,318 Kilogram., während
die atmosphärische Luft 1,295 Kilogram. per Kubikmeter wiegt. Die gefundene Temperatur mußte
demnach mit 1318/1295 multiplicirt werden; dieses ergibt ca. 240° als Ausgangspunkt
für die Calculation des Wärmeverlustes der
Gase innerhalb der Esse, die sich in folgender Weise am
besten ausführen läßt, so lange nicht exacte Temperaturmessungen
an den betreffenden Apparaten vorgenommen werden.
Nimmt man die verschiedenen Gastemperaturen in der Esse
proportional den Außentemperaturen der Essenwände an, und
bestimmt man die letzteren nach dem Verhältniß welches Lowthian
Bell für die successive
Temperaturabnahme eines ebenfalls mehr oder minder steil sich
erhebenden Hohofengemäuers gefunden hat – so gelangt man,
von der gefundenen Austrittstemperatur = 240° ausgehend,
zu nachstehenden Resultaten.
Lowthian Bell fand bei 51 Fuß Höhe
über den Formen im Mittel 118° Fahrenheit äußere
Temperatur, während in der Nähe der Formen 289° sich
ermitteln ließen. Nimmt man die Temperatur um ca. 8 Fuß höher als 51 Fuß, damit
die Totallänge des Flammofens von der Feuerbrücke an bis zum
Fuchs bei dem Vergleich berücksichtigt wird, so bekommt man die
abgerundeten Temperaturen 275° und 110°, denen man
die Innentemperaturen, abgesehen vom
Wärmeconsum im Inneren, proportional setzen kann,
sobald man durchweg gleiche Wandstärken annimmt.
Auf Temperaturen über 0° reducirt, ergeben die obigen
Zahlen das Verhältniß 78 : 243 = 240 : x; man erhält x =
748,95° Cels. rund 750° als
Mittel-Temperatur für den Eintritt der Gase in die Esse,
so daß 485° das Mittel beider Essentemperaturen
bezeichnet. Sieht man von der bei gemauerten Essen sehr geringen
Wärmestrahlung überhaupt ab, so berechnet sich für den Durchgang der Gase durch die Esse
ein summarischer Wärmeaufwand von (750 – 240) . 9930,6
oder 5064605,8 Einheiten.
Wie viel davon auf Strahlungsverluste und auf Absorption der
Essenwände zu rechnen ist, kann noch schwerer gesagt werden als
bei der Verlustberechnung der Flammöfen. Jedenfalls sind die
Gase 750° heiß beim Eintreten in die Esse, obwohl nicht
angenommen werden kann, daß dann der Anfang der Esse mit dem
Ende des Eisensumpfes zusammenstoßen darf.
In diesem Fall, also bei Flammöfen mit gestrecktem Herd wird ein
Verbindungsglied von engerem Querschnitt, der Fuchs, eingeschaltet, welcher durch eine temporäre
Stagnation des Gasabzuges eine locale Abgrenzung höherer
Temperatur einerseits, gegen eine durch Verdünnung des Gaszuges
verursachte Temperaturabnahme andererseits bewirkt. Die
Wirkungen der Füchse an den Flammöfen
sind noch nicht im Geringsten aufgeklärt und das vorstehend
Gesagte ist deßhalb mehr als Ergebniß technischen Bewußtseyns,
denn als Resultat bestimmter Beobachtungen und Versuche
anzusehen. Die Wärmemenge welche die Gase nach Passiren des
Fuchses in die Esse bringen, beträgt mithin
750 . 9930,6 oder rund 7,447,950
Einheiten,
also über 25 Proc. der überhaupt
entwickelten Menge, wovon 5,064,606 zur Erhitzung der Esse
verbraucht werden, und 2,383,344 in den abziehenden Gasen
verloren gehen.
In der Praxis stellt sich häufig die zuletzt berechnete Menge
bedeutend größer und ist dann der größere Kohlenverbrauch
unvermeidlich.
––––––––––
Recapitulirt man die Resultate der vorhergehenden Berechnungen,
so stellen sich Wärmemengen, Temperaturen und Volumina in den
verschiedenen Stadien des Ofenbetriebes, wie folgt:
2866,5 Pfd. Kohlenstoff
147,0
„ Wasserstoff
entwickeln in 5
Stunden
27,930,000 W. E.
davon
absorbirten:
a) der Brennstoff
5,168,000
b) der Wasserdampf
712,000
c) das Roheisen
2,771,000
d) die Ofenwände
6,438,460
e) die Esse
5,064,606
f) die abziehenden
Gase
2,383,344
22,537,410 „
„
–––––––––––––––
es bleiben mithin für
Strahlung des Ofenkörpers etc.
5,392,590 W. E.
Theilt man diese Wärmevertheilung in größere Gruppen nach den
hauptsächlichsten Ofenzonen, so erhält man folgende Zahlen:
1) im Feuerraum
5,880,000
Wärme-Einheiten
2) im Ofen
14,602,050 „
3) in der Esse
5,064,606 „
4) in der freien
Luft
2,383,344 „
––––––––––
Zusammen wie
oben
27,930,000 W. E.
Die Wärmemengen und daraus resultirenden Temperaturen der Gase
sind in abnehmender Reihe:
1) theoretische Wärme
etc.
27,930,000 Einheiten und
2813° Cels.
2) über der Feuerbrücke
22,050,000 „ „
2220,9° „
3) hinter dem Fuchse
7,447,950 „ „
750° „
4) über der Esse
2,383,344 „ „
240° „
Berechnet man aus den Temperaturen und dem anfänglichen Volumen
der Verbrennungsproducte die Volumina derselben in den
verschiedenen Zonen mit Hülfe der bekannten Formel
Textabbildung Bd. 200, S. 210
wo t₁ =
20° und t₂ nach
einander = 2813°, 2220,9°, 750° und
240° bedeutet, ρ
dagegen den durchschnittlichen Ausdehnungscoefficienten des
Gasgemisches vorstellt, so kann man unter
der Annahme gleicher Geschwindigkeit einen Schluß
ziehen auf die Profilgrößen der einzelnen Ofentheile. Natürlich
muß hierbei mehr als je die Praxis mit eingreifen und die
Speculation controlliren, weßhalb es auch zu weit führen würde,
an das bereits Gesagte noch eine speculative Constructionslehre
für Gießereiflammöfen anzuschließen. Das bleibt dem
construirenden Praktiker in jedem Falle überlassen, wenn er an
der Hand der gegebenen Methode die Betriebsgrundzüge seines
Apparates ungefähr berechnet hat. Vielleicht gestattet sich der
Verfasser später selbst einmal ein bestimmtes praktisches
Beispiel ausführlicher zu behandeln, als es hier, im Anschluß an
allgemeine Betrachtungen möglich gewesen ist.