10. Juni 1911.

sicht auf einen oberhalb der Zylinder in den abziehenden Gasen gelegenen Vorwärmer gewählt worden, durch welchen bei Kondensationsbetrieb eine Speisewassererwärmung auf rd. 100° erzielt worden ist.

Eine Wärmeaufnahme der Zylinder aus den umgebenden Heizgasen findet bei hoher Ueberhitzung (von etwa 350° an), wobei die Temperatur der Abgase der mittleren Temperatur der Zylinderwandungen annähernd entspricht, nicht statt. Die Kontrollrechnung ergibt, daß die Dampfwärme bei Austritt aus dem großen Zylinder dem Wärmeinhalt des Dampfes vor dem Hochdruckzylinder, vermindert um den Wärmewert der indizierten Arbeit sowie einen geringen Leitungs- und Strahlungsverlust für die nicht geheizte hintere Deckelfläche '), entspricht, so daß die Lage der Zylinder in den Abgasen bei hoher Ueberhitzung lediglich einen wirksamen Schutz gegen Leitungs- und Strahlungsverluste darstellt. In Uebereinstimmung hiermit haben Vergleichsversuche an Lokomobilen mit Heizgasabführung nach unten, d. h. ohne Heizung der Zylinder, übereinstimmende Verbrauchszahlen ergeben. Bei Temperaturen unter 350° findet eine Wärmeaufnahme aus den Heizgasen statt, welche bei 300° z. B. etwa 15 WE/kg beträgt.

Die Heizfläche des Kessels und des Hauptüberhitzers ist im Laufe der Versuche verschiedentlich geändert worden, wodurch Dampftemperaturen zwischen 200° und 500° erzielt worden sind. Der Zwischenüberhitzer, ebenso der Hauptüberhitzer sind zeitweise ganz entfernt worden.

Fig. 4 zeigt die Verhältnisse des untersuchten Gleichstromzylinders.

Fig. 4.

Gleichstromzylinder mit kurzem Kolben und Auslaẞorgan hinter den Schlitzen.

340 mm Zyl.-Dmr, 400 mm Kolbenhub.

Grenzen der Wärmeausnutzung in der

Dampfmaschine.

Es ist von Interesse, die Grenzen der Wärmeausnutzung kennen zu lernen, die der Wasserdampfmaschine gezogen sind.

Die größte mit einer »idealen Flüssigkeit als Wärmeträger aus den Heizgasen zu gewinnende Arbeit beträgt rd. 65 vH des Wärmeinhaltes der Heizgase. Hierbei ist angenommen, daß jedes Wärmeelement ohne Temperatursturz ausgenutzt wird. Der Prozeß ist durch das Entropiediagramm ABb'A, Fig. 5, dargestellt. Das Rechteck a Ab'b stellt die nicht ausgenutzte Wärme dar.

Die Wärmeausnutzung des günstigsten Carnotschen Kreisprozesses, dessen obere Temperatur T, ist, berechnet sich, wenn die absolute Temperatur auf dem Rost T, 1800°, die absolute Temperatur der atmosphärischen Luft To 293o und Ti VT, To = 726" ist, zu

Fig. 5.

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Arbeitsprozeß der idealen Flüssigkeit (I), günstigster Carnotscher Kreisprozeß (II), theoretischer Arbeitsprozeß für gesättigten Wasserdampf bei 20 at Anfangsdruck, 0,5 at Expansions-Enddruck, 0,075 at Kondensatordruck (III).

der Wirkungsgrad der Sattdampfmaschine mit vollständiger Expansion 0,311, mit unvollständiger Expansion rd. 0,27). Unter Berücksichtigung des Schornsteinverlustes beträgt die theoretische Wärmeausnutzung der Heizgase rd. 24 vH. Der Arbeitsprozeß der Sattdampfmaschine mit unvollständiger Expansion wird durch das Diagramm EFGHJE, Fig. 5, dargestellt. Die darunter gelegene Fläche eEJHg stellt die in der Dampfmaschine nicht ausgenutzte Wärme dar. Sie ist etwa doppelt so groß wie die Fläche a Ab'b, welche sich auf die ideale Flüssigkeit bezog").

Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit des Dampf- und Wärmeverbrauches der »vollkommenen « 3) und der verlustlosen << Maschine von der Dampfspannung bei einer Ueberhitzung von 160o. Die Wärmeersparnis für je 1 at Drucksteigerung nimmt in der ersichtlichen Weise mit zunehmendem Druck rasch ab.

1) Ueber den theoretischen Einfluß des Expansionsgrades der einmaligen und zweimaligen Ueberhitzung auf den Dampfverbrauch der verlustlosen Maschine s. Z. 1906 S. 322 Fig. 36 bis 38 und Zahlentafel 1. 2) Vergl. Schreber, Mehrstoffdampfmaschinen.

3) Der Arbeitsprozeß der vollkommenen Maschine oder >> ClausiusRankinesche Prozeß ergibt bei vollständiger adiabatischer Expansion bis auf die Kondensatorspannung die theoretisch ausnutzbare Wärme« (im Mollierschen J-S-Diagramm als Strecke abzugreifen!). Der thermodynamische Wirkungsgrad 7th ist das Verhältnis der in mechanische Arbeit umgewandelten Wärme zur theoretisch ausnutzbaren Wärme, oder auch das Verhältnis des Dampfverbrauches der vollkommenen Maschine zum Dampfverbrauch der wirklichen Maschine für 1 PS-st. Der Wert 17th ist ein Maß für die auftretenden Verluste durch Drosselung, Wärmeaustausch zwischen Dampf und Wandung, Leitung und Strahlung, Undichtigkeiten, sowie durch unvollkommene Expansion.

Der Arbeitsprozeß der verlustlosen Maschine ergibt die bei unvollständiger Expansion bis auf die wirkliche Expansions-Endspannung ausnutzbare Wärme. Der Gütegrad ng ist das Verhältnis des Dampfverbrauches der verlustlosen Maschine zum Dampfverbrauch der wirklichen Maschine. Der Wert 179 ist ein Maß für

Pe

die auftretenden Verluste durch Drosselung, Wärmeaustausch, Leitung und Strahlung und Undichtigkeiten, mit Ausschluß desjenigen durch unvollständige Expansion,

Die Versuche fanden ohne besondere Vorbereitungen an Maschinen ganz normaler Ausführung, und zwar teilweise unmittelbar im Anschluß an die Montage statt. Bei den weniger gut eingelaufenen Maschinen ist der mechanische Wirkungsgrad etwas geringer. In bezug auf die Wärmeausnutzung besteht bei den verschiedenen Maschinen eine bemerkenswerte Uebereinstimmung. Die zuverlässige Abdichtung, welche der verwendete Kolbenschieber mit Dichtungsringen somit schon nach kurzer Betriebszeit ergeben hat und die sich als vollkommen unabhängig von der Dampftemperatur erwiesen hat, darf besonders betont werden. Eine innere Revision, welche an der Lokomobile Nr. 13508

deutscher Ingenieure.

durchgeführt worden sind, haben ergeben, daß mangels der vorerwähnten Kühlung das Einlaßorgan häufig von Oelrückständen gereinigt werden mußte.

Kondensationsbetrieb.

Fig. 7 zeigt die Abhängigkeit des Dampfverbrauches, des Wärmeverbrauches, des thermodynamischen Wirkungsgrades) und des Gütegrades) von der Dampftemperatur bei Kondensationsbetrieb, 15 at Kesseldruck, rd. 0,65 at Expansions-Enddruck und 0,1 at Kondensatorspannung. Der Expansionsdruck von 0,65 at ist deshalb gewählt, weil hierbei der Dampfverbrauch für die Nutzpferdestärke durchschnittlich am

hitzung mit und ohne Zwischenüberhitzung.

nach längerer Betriebszeit mit Dampftemperaturen von 400 bis 500 durch den Magdeburger Verein für Dampfkesselbetrieb vorgenommen worden ist, hat hinsichtlich des Kolbenschiebers ergeben, daß Ringe und Lauffläche blank waren und daß keinerlei Abnutzung festgestellt werden konnte. Dieses günstige Verhalten ist zum Teil darauf zurückzuführen, daß der Kolbenschieber durch den austretenden Dampf soweit gekühlt wird, daß Oel an der Lauffläche nicht festbrennt. Bei wechselnder Dampftemperatur ist eine gleichbleibende Dichtheit mit Ventilen nicht zu erzielen, ein Umstand, der in neuerer Zeit zur Anwendung federnder Ventile oder Sitze geführt hat. Die Versuche, welche mit dem Gleichstromzylinder, Fig. 4, bei gleich hohen Temperaturen

55. Nr. 23

1911

Ueber den theoretischen Einfluß der Zwischenüberhitzung vergleiche Z. 1906 S. 322.

Der Wert der Ueberhitzung gründet sich bekanntlich auf das geringere Wärmeleitvermögen und den geringeren Strömungswiderstand des überhitzten Dampfes. Die hierdurch bedingte Verringerung des Verlustes durch Wechselwirkung zwischen Dampf und Wandung findet in der Zunahme des Gütegrades ihren Ausdruck. Die Gütegradlinie für einfache Ueberhitzung steigt bis 400°, diejenige für 50° Zwischenüberhitzung bis etwa 350° stark an, um dann flacher zu verlaufen. Bei diesen Temperaturen verläßt der Dampf den Niederdruckzylinder im trocken gesättigten Zustand! Bis zu den höchsten Temperaturen zeigen die Linien des Dampf- und Wärmeverbrauches abfallende, die Linien des thermodynamischen Wirkungsgrades und des Gütegrades ansteigende Tendenz, weshalb die Anwendung der höchsten vom betriebstechnischen Standpunkt zulässigen Ueberhitzungen für die Verbundmaschine vorteilhaft erscheint.

Für Temperaturgebiete von je 100° ist der Einfluß der Ueberhitzung auf Dampfverbrauch und Wirkungsgrad in Zahlentafel 4 berechnet.

Dampfersparnis für je 100 im Mittel erforderliche Ueberhitzung

für 1 vH Dampfersparnis im Mittel. Zunahme des Gütegrades auf 1000 Ueberhitzung

400 bis 500°

ohne 500

༠( ་ 3,45

3,83 5

1.56

5,95 5,95 6.4 0.12 0.1 0.062 0,042 0.023 0.01

Die Zwischenüberhitzung wirkt in geringerem Maße als die Anfangsüberhitzung, wie ein Vergleich der strichpunktierten Dampfverbrauchskurve (für Zwischenüberhitzung allein) und der ausgezogenen Kurve zeigt.

Der Verlauf und die allmähliche Annäherung der Linien des Gütegrades mit und ohne Zwischenüberhitzung beweist, daß der wirtschaftliche Wert der Zwischenüberhitzung bei mäßiger Ueberhitzung vor dem Hochdruckzylinder nicht unbedeutend ist, bei hoher Ueberhitzung hingegen immer mehr verschwindet. Die Dampfersparnis durch Zwischenüberhitzung um 50°C beträgt bis 200° rd. 10 vH, bei 300° rd. 8 vH, bei 400" rd. 5,5 vH, bei 500° rd. 3,5 vH. Wegen des für die Zwischenüberhitzung zu leistenden Wärmeaufwandes ist die Wärmeersparnis durchschnittlich rd. 3,5 vH geringer. Bei Lokomobilen bleibt jedoch zu berücksichtigen,

daß die Zwischenüberhitzung durch die Abgase fast kostenlos erfolgt.

Außer der Verminderung der Verluste durch Wärmeaustausch und Drosselung, welcher eine entsprechende Zunahme des Gütegrades entspricht, bedingt die Ueberhitzung eine Abnahme des Verlustes durch unvollkommene Expansion, infolge des steileren Verlaufes der Expansionslinie und des sich hieraus ergebenden niedrigeren Druckes zu Ende der Expansion. Dieser Gewinn kommt in Fig. 7, welcher derselbe Expansions-Enddruck von 0,65 at abs. zugrunde liegt, nicht zum Ausdruck.

Fig. 8 zeigt des Abhängigkeit des Dampfverbrauches von der Expansions-Endspannung.

Die Gründe, weshalb als Maßstab für die Expansion der Druck am Ende der Expansionsperiode und nicht das im Anhange der Normen vorgeschlagene Volumenverhältnis gewählt ist, habe ich in Z. 1906 S. 319 dargelegt. Für die Trennung der Verluste, insbesondere die Ermittlung des Verlustes durch unvollkommene Expansion, ist es geradezu Bedingung, daß in der wirklichen Maschine derselbe Druck zu Ende der Expansion herrscht, wie in der verlustlosen Vergleichsmaschine. Dies ist bei Annahme desselben VoV2 lumenverhältnisses nicht der Fall. Auch für die Verluste durch Wärmeaustausch im Zylinder sind der Druck und die entsprechende Temperatur des Dampfes zu Ende der Expansion und nicht das Volumenverhältnis ausschlaggebend.

Vi

Die Darstellung in Fig. 8 bezicht sich auf Versuchsreihen, die sich hauptsächlich durch die Höhe der Ueberhitzung und der Zwischenüberhitzung unterscheiden. Die untersten Linien zeigen die Abhängigkeit der indizierten Leistung vom Expansions-Enddruck. Expansions-Enddruck. Die Leistungskurve liegt um so höher, je höher die Ueberhitzung ist, und zwar ist der durch die Höhe der Ueberhitzung bedingte Unterschied in den indizierten Leistungen bei einem bestimmten Expansions-Enddruck recht beträchtlich.

Die mittleren Linien zeigen den Dampfverbrauchi für die indizierte und für die Nutzpferdestärke für die dre Versuchsreihen, und zwar sind die Linien, welche sich auf die Nutzpferdestärke beziehen, mit Strichelung versehen. Die Linien zeigen durchweg flachen Verlauf. Der tiefste Punkt oder der günstigste Dampfverbrauch wird um so früher erreicht, je höher die Ueberhitzung ist. Hieraus und aus dem steileren Verlauf der Expansionslinie bei höherer Temperatur folgt unzweifelhaft, daß hohe Ueberhitzung die vollkommenere Ausnutzung der Expansion begünstigt. Die Linien des Dampfverbrauchs für die Nutzpferdestärke haben ihren tiefsten Punkt bei einem größeren Expansions-Enddruck, weil der mechanische Wirkungsgrad mit der Belastung und dem Expansions-Enddruck zunimmt.

Die Lage des tiefsten Punktes der Dampfverbrauchskurve kann als Anhaltpunkt für die Güte der Maschine gelten. Im allgemeinen wird stets diejenige Maschine die vollkommenere sein, d. h. den besseren thermodynamischen und mechanischen Wirkungsgrad haben, welche das Minimum des Dampfverbrauches früher, d. h. bei kleinerem Expansions-Enddruck erreicht. Die Linien des thermodynamischen Wirkungsgrades stehen in ihrer gegenseitigen Lage hiermit in Einklang.

Der Mehrverbrauch gegenüber dem günstigsten Dampfverbrauch berechnet sich für je 0,1 at höheren ExpansionsEnddruck zu 2 bis 2,3 vH. Ist unter normalen Verhältnissen der günstigste Expansions-Enddruck zu 0,65 at ermittelt, so beträgt der Mehrverbrauch rd. 7,5 vH, wenn die Expansion nur bis zur atmosphärischen Spannung stattfindet.

(Fortsetzung folgt