XIV. Ueber Parkes' neue Theorie der percussiven Thaͤtigkeit des Dampfes. Aus dem Civil Engineer and Architects' Journal. Aug. 1841, S. 253. Mit einer Abbildung auf Tab. II. Ueber Parkes' neue Theorie der percussiven Thätigkeit des Dampfes. Hr. Josiah Parkes entwikelt in einer in den Transactions of the Institution of Civil Engineers Vol. 3, Pars. 4 erschienenen Abhandlung über die Thätigkeit des Dampfes bei den einfachwirkenden Pumpwerks-Dampfmaschinen in Cornwallis ein neues Princip der Dampfwirkung bei Cornwallis-Maschinen, welches im ersten Augenblik ein Mittel zu bezeichnen scheint, den dynamischen Effect des Dampfes bei Dampfmaschinen beinahe ins Unendliche zu steigern. Warum er jedoch der Meinung ist, daß der Dampf nur in diesen Maschinen in obigem Sinne wirksam sey, wissen wir nicht; wir sind der Ansicht, daß, wenn er es in diesen sey, er es in weit höherem Maaße bei Locomotiven seyn müsse, wo die Dichtigkeit und Geschwindigkeit des in den Cylinder tretenden Dampfes um so viel größer ist. Der Entdeker gibt seinem neuen Princip die Bezeichnung „percussive Thätigkeit des Dampfes“ und kündigt es in folgenden Worten an: „Man hat bisher angenommen, der Dampf wirke auf den Kolben einer Dampfmaschine nur vermöge seiner Elasticität.“ „Dampf besizt indessen eine andere wichtige Eigenschaft, welche eben so gut wie Druk und Expansivkraft in seiner Natur begründet ist. Diese Eigenschaft ist die Geschwindigkeit und folglich das dem Dampfe von hoher Elasticität zukommende mechanische Moment, eine Kraft, welche bei den eigenthümlichen Verhältnissen einer Cornwallis-Maschine ins Spiel kommt. Die Geschwindigkeit des Dampfes bei seinem Uebergang von einem dichten in ein dünneres Medium ist ungeheuer; das mechanische Moment dieses Dampfes muß daher sehr bedeutend seyn. In Folge der zwischen dem Cylinder und Dampfkessel einer Cornwallis-Maschine augenbliklich hergestellten freien Communication empfängt der Dampf in dem Cylinder einen plözlichen Impuls, und dieser Impuls theilt sich vermöge der Eigenschaft der Flüssigkeiten der Oberfläche des Kolbens mit. Dieser auf den Kolben fortgepflanzte Impuls also, welcher der plözlich hergestellten Communication zwischen dem sehr elastischen Dampfe in dem Kessel und dem Dampfe in dem Cylinder zuzuschreiben ist, läßt sich mit der Gewalt einer Erschütterung (percussion) vergleichen.“ Diese Kraft wird in einer beigefügten Anmerkung durch eine Vergleichung mit der Rammmaschine und dem hydraulischen Widder erläutert; wir halten indessen folgende Erläuterung für weit geeigneter. In der beigefügten Skizze Fig. 28 stelle d e f g den Durchschnitt eines Cylinders vor, in welchem der Kolben p luftdicht beweglich ist. Der Kolben sey vermittelst einer Lenkstange a mit dem einen Ende des Balanciers b in Verbindung gesezt, während an dem anderen Ende desselben eine Masse M herabhängt; ferner stelle h k eine unbiegsame Kreisscheibe vor, welche luftdicht in den Cylinder paßt, jedoch als gewichtlos angenommen ist. Zwischen dieser Platte und dem Kolben p sey ein mit Luft von gegebener Dichtigkeit gefüllter Raum c. Wenn der Kolben p nahe an der höchsten Stelle des Cylinders sich befindet, so sind die Umstände denen der einfachwirkenden Cornwallis-Maschine unmittelbar vor Beginn des Kolbenhubes analog; die in dem Raume c über dem Kolben befindliche Luft stellt nämlich die Dampfschichte oder das Dampfpolster vor, gegen welches der Kolben am Ende des rükgängigen Hubes zu liegen kommt, der Balancier den aufgewogenen Theil des Bewegungsmechanismus und die Masse M den nicht aufgewogenen Theil. Um einen Begriff von der Art und Weise zu geben, wie das Moment des bei Beginn des Kolbenhubes plözlich in den Raum über dem Kolben zugelassenen Dampfes auf den lezteren übergetragen wird, und auf diese Weise die Wirkung über die der einfachen Spannkraft des Dampfes zukommende Wirkung hinaus steigert, nehmen wir an, eine Masse S (gleich der Masse des bei einem Hube zugelassenen Dampfes) stoße mit einer gegebenen Geschwindigkeit gegen die Platte h, k. Das Resultat dieses Impulses ist offenbar, daß die Masse S einen Theil ihrer Geschwindigkeit, mithin auch ihres Momentes verliert, welcher sofort auf die in dem Raume c enthaltene Luft übergetragen wird. Diese theilt den größten Theil dieses Momentes dem Kolben p, dem Balancier b und der angehängten Masse M mit. Angenommen, die Masse S schlage mit einer Geschwindigkeit gleich derjenigen des Dampfes bei seinem Eintritt in den Cylinder der Cornwallis-Maschine gegen die Platte h, k an, so kann man annehmen, erstere liefere dieselbe percussive Wirkung, wie lezterer; in der Wirklichkeit aber wird sie größer seyn, und zwar wegen der gleichzeitigen Wirkung der ganzen Masse, während die Masse des Dampfes stufenweise in den Cylinder tritt. Die zwischenliegende Luftschichte c ist zur vollkommenen Uebereinstimmung beider Fälle wesentlich, denn der einströmende Dampf geht nicht eher durch die verengerte Mündung des Drosselventils, gegen welches er wie gegen den bereits im Cylinder befindlichen Dampf anschlägt, als bis er sich ausdehnt, einen großen Theil seiner Geschwindigkeit verliert, während er zu gleicher Zeit den Dampf, mit welchem er sich vermengt, zusammendrükt. Die Nothwendigkeit, diese Theorie der percussiven Wirkung des Dampfes anzunehmen, drängte sich Hrn. Parkes auf, weil er nicht im Stande war, in der einfachen Elasticität des Dampfes eine den factischen Leistungen der Pumpwerks-Dampfmaschinen in Cornwallis Genüge leistende Kraft zu entdeken. Dieß ist unserer Ansicht nach der einzige gültige Beweisgrund, welchen der Verfasser zu seinen Gunsten aufstellt. Er hat zwar zur Bestätigung noch mehrere andere Beweisgründe angeführt, welche aber, um einiges Gewicht zu erhalten, die Coexistenz des ersteren voraussezen. Ueberdieß haben sie mehr einen negativen Charakter, indem sie in folgendem Sinne geführt sind: da die der Elasticität des Dampfes allein zuzuschreibende Kraft geringer ist als die geleistete Arbeit, so muß der Kraftüberschuß aus einer anderen Quelle hergeleitet werden; daher läßt er sich nur aus der auf den Kolben übergetragenen momentanen Wirkung deduciren, welche bei der plözlichen Herstellung einer Communication zwischen dem im Cylinder und dem im Dampfkessel befindlichen Dampfe stattfindet. Angenommen, die aus Versuchen sich ergebenden Resultate seyen genau (woran a priori zu zweifeln wir keinen Grund haben), so scheint obiger Schluß folgerecht, wenigstens insofern, als der zur Realisirung des beobachteten dynamischen Effects erforderliche Kraftüberschuß in irgend einer Eigenschaft des Dampfes zu suchen ist, welche sich von seiner Elasticität wesentlich unterscheidet; und sein Moment oder besser sein Beharrungsvermögen (Trägheit) ist die einzige Eigenschaft, von welcher sich ein Ueberschuß an Kraft ableiten läßt. Gibt man also zu, die einfache Spannkraft des Dampfes sey nicht genügend, die factisch gelieferte Arbeit zu leisten, und nimmt man an, die fehlende Kraft werde durch die percussive Thätigkeit des Dampfes ergänzt, so ist natürlich der nächste Schritt, die Ursache und Wirkung dieser Thätigkeit zu untersuchen. Die Ursache ist einleuchtend und in der obigen Darstellung zur Genüge erläutert. Eine Masse verdichteten Dampfes strömt mit großer Geschwindigkeit durch das Drosselventil; der größte Theil dieser Geschwindigkeit geht verloren, während er vermöge seiner Elasticität auf die Oberfläche des Kolbens wirkt. Diese Masse Dampf muß daher, indem sie ihre Geschwindigkeit verliert, ihr Moment irgend einem anderen Körper oder Körpern mittheilen, um durch sie zur Erhöhung des dynamischen Effects des Dampfes nüzlich verwendet zu werden. Der Köper, welcher den Stoß des einströmenden Dampfes empfängt, und sein Moment auf die beweglichen Theile der Maschine fortpflanzt, ist in vorliegendem Falle die in der Figur durch die Luft c dargestellte Dampfschicht, und der einströmende Dampf wird durch die Masse S repräsentirt. Diese Uebertragung des Moments des Dampfes ist es, welche percussive Thätigkeit des Dampfes genannt wird. Bei Untersuchung der Resultate dieser Thätigkeit ist es unsere Aufgabe, die Größe des mechanischen Momentes zu bestimmen, welches durch dieselbe auf den Kolben und andere damit in Verbindung stehende Maschinentheile übergetragen wird. Vergeblich suchten wir in Parkes' Abhandlung nach einer Lösung dieser Frage. Ein Artikel mit der Ueberschrift, „Bestimmung der Quantität der percussiven Wirkung“ fängt mit der Bemerkung an, daß der der Percussion zuzuschreibende dynamische Effect zu entdeken und für jedes Beispiel zu bestimmen sey. Allein die einzige Methode, welche der Verfasser zur Bestimmung jener Größe anwendet, ist die der Elimination, d. h. er leitet aus dem in der Quantität der gelieferten Arbeit gefundenen dynamischen Totaleffecte des Dampfes den auf seine Elasticität einschließlich der Expansion kommenden Theil her; den Rest, welcher der gewöhnlichen Theorie nach die fehlende Kraft bezeichnet, schreibt er der percussiven Thätigkeit zu. In einer Anmerkung sagt Parkes: „Ich habe nicht im Sinne, die abstracte Frage wegen der Quantität dieser dem Dampfe abzugewinnenden Art von Kraft zum Gegenstand meiner Untersuchungen zu machen; meine gegenwärtige Aufgabe beschränkt sich auf die Bestimmung des Effects, welcher ihr bei drei der Untersuchung unterworfenen Maschinen zugeschrieben werden kann.“ Es ist zu bedauern, daß er nicht die „abstracte Frage wegen der Quantität dieser dem Dampf abzugewinnenden Gattung von Kraft“, sondern nur die „praktische Frage“ hinsichtlich der qualitativen Leistungen des Dampfes in den drei in Erwägung gezogenen Fällen zum Gegenstand seiner Untersuchungen macht. Eine solche Untersuchung würde aber ohne Zweifel voll Schwierigkeiten gewesen seyn, und das Resultat hätte leicht auf Null sich reduciren können. Lezteres würde allem Vermuthen nach der Fall seyn, wenn sich die Untersuchung auf die in den Werken über Mechanik niedergelegten Geseze des Stoßes stüzen würden. Soll aber das neue Princip im Gegensaz zu diesen Gesezen aufgestellt werden, so ist es vor allem nöthig, ihre Nichtigkeit zu beweisen. Daß jedoch diese Absicht bei dem von dem Verfasser angenommenen Falle nicht zum Grunde liegt, erhellt aus seiner Vergleichung der percussiven Thätigkeit des Dampfes mit dem Stoße eines festen Körpers, wobei er auf keine Weise andeutet, daß die für feste Körper bestehenden Geseze nicht in gleichem Sinne auch in Beziehung auf den Dampf gültig sind. Er übersieht indessen den wichtigen Umstand, daß der Stoß des eindringenden Dampfes nicht unmittelbar vom Kolben aufgefangen wird, sondern von dem Dampfe, welcher den unter dem Kolben befindlichen Raum einnimmt, ferner daß die Rükwirkung nothwendiger Weise der Kraft des Impulses gleichkommt. In Rüksicht auf diese leztere Bedingung kann der eintretende Dampf sein Moment nur so schnell verlieren, als der Dampf im Cylinder vermöge seiner einfachen Elasticität einen Widerstand oder eine Rükwirkung gleich der Gewalt des Stoßes entgegenzustellen im Stande ist. Diese leztere wird daher immer genau durch die Elasticität des im Cylinder befindlichen Dampfes gemessen, dessen dynamischer Effect demnach den der percussiven Wirkung zuzuschreibenden Antheil in sich schließt. Wenn nun der Indicator eine getreue Darstellung der Dampfspannung in ihrer Veränderlichkeit von Anfang bis zum Ende des Kolbenhubs liefert, so muß derselbe uns nothwendiger Weise auch die Mittel an die Hand geben, den dynamischen Totaleffect des Dampfes zu bestimmen. Es ist aber zu bemerken, daß die Wirkung des Stoßes, vermöge der Eigenschaft der Flüssigkeit, dem Indicatorkolben eben so gut als dem Dampfkolben sich mittheilt, so daß, wenn eine percussive Kraft vorhanden wäre, welche noch neben der Spannkraft des Dampfes auf den Dampfkolben wirkte, der Einfluß dieser Kraft auch am Indicatorkolben wahrnehmbar wäre, und durch ein vermehrtes Steigen des Bleistiftes auf der Tafel angezeigt würde. Diese Betrachtung führt uns zur Ueberzeugung, daß jener beobachtete Unterschied zwischen der auf Rechnung der Elasticität des Dampfes kommenden Kraft und der wirklichen Leistung jener einer Untersuchung unterworfenen Maschinen nicht der percussiven Thätigkeit des Dampfes zugeschrieben werden kann. Und da keine andere Quelle vorhanden ist, aus welcher die in Rede stehende Erscheinung abgeleitet werden kann, so sind wir zu dem Schlusse genöthigt, daß die angenommene Differenz in der Wirklichkeit gar nicht existirt und daß folglich entweder die Versuchsangaben oder die auf dieselben sich stüzenden Rechnungen irrig sind. Wir haben bereits oben bemerkt, daß wir keinen Grund haben, a priori an der Genauigkeit der Beobachtungen zu zweifeln; wir werden daher jezt Hrn. Parkes' auf die Huel Towan Maschine sich beziehende Berechnungen ins Detail prüfen, in der Absicht, zu erforschen, ob der zwischen der Kraft als Folge der einfachen Elasticität des Dampfes, und den effectiven Leistungen beobachtete Unterschied, gar nicht oder ganz oder theilweise einem Fehler in seinen Deductionen aus den Resultaten der Beobachtungen zuzuschreiben sey. Hr. Parkes sagt: „Der absolute Widerstand besteht aus dem Gewichte, welches den rükgängigen Hub veranlaßt, plus dem Betrag der Reibung der Maschine und des Schachtgestänges und aus der Elasticität des nicht condensirten Dampfes.“ Hiezu sollte bei jeder Drukpumpe noch gerechnet werden das Gewicht einer Wassersäule, deren Basis gleich ist dem Querschnitt des Kolbens und deren Höhe gleich ist der mittleren Höhe der unteren Kolbenfläche über dem Niveau des Wassers in der Cisterne, aus welcher es abfließt, und bei jeder Saugpumpe das Gewicht der ganzen gehobenen Wassersäule von dem Niveau in der Cisterne an; auch dürfen wir den wiewohl geringen Beistand nicht vergessen, welchen der atmosphärische Druk auf den obern Theil der Kolbenstange ausübt. Nur von dem Betrag der lezten Größe sind wir durch einen directen Versuch unterrichtet, aber wir wissen, daß die Last, welche den rükgängigen Hub veranlaßt, das mittlere Gewicht der gehobenen Wassersäule nebst der Reibung des Wassers und der Maschinerie, so wie die Differenz zwischen dem atmosphärischen Druk und dem während des rükgängigen Hubes erfolgenden Dampfdruk auf die Fläche der Kolbenstange nur um ein Geringes übersteigen darf. Dieses Uebergewicht (welches nöthig ist, um die Maschine mit ihrer Wasserlast in Bewegung zu bringen) wird am Ende des Kolbenhubes durch die Dampfschicht, welche die Maschine zur Ruhe bringt, balancirt. Diesem Gewichte substituirt Hr. Parkes in seiner Berechnung die Wasserlast, welche, wie er sich ausdrükt, allein als eine positiv bestimmte Quantität bezeichnet werden kann. Bei Berechnung dieser Last begeht er zwei Fehler, welche sich indessen gegenseitig ausgleichen. Er bezeichnet nämlich den mittleren Durchmesser der Pumpen zu 14,625 Zoll, anstatt zu 14,968 Zoll; dieser Umstand macht es nöthig, 1 Kubikfuß Wasser zu 65,47 Pfd. anstatt zu 62,5 Pfd. anzunehmen, um das Gewicht des Wassers gleich 6,866,644 Pfd. zu sezen, worin er mit Hrn. Henwood, von welchem der Versuch angestellt wurde, übereinstimmt. Bei Berechnung des effectiven Widerstandes gegen den Kolben ist es erlaubt, die ganze Höhe der Wassersäule ins Spiel zu ziehen, indem diese gleich der Summe der oben erwähnten mittleren Höhen ist, so daß also der absolute Widerstand gleich ist dem Gewichte der ganzen gehobenen Wassersäule plus der Reibung des Wassers in der Röhre, der doppelten Reibung der Maschinerie und der Elasticität des nicht condensirten Dampfes, minus der Differenz zwischen dem Dampfdruk während des rükgängigen Hubes und dem Druk des nicht condensirten Dampfes auf die Fläche der Kolbenstange während des wirksamen Hubes. Der Durchmesser des Kolbens beträgt 80 Zoll, derjenige der Kolbenstange 7 Zoll; der Flächeninhalt des ersteren mit Abzug des Flächeninhalts der lezteren oder der effective Flächeninhalt des Kolbens ist 4988,08 Quadratzoll und der von dem Gewichte des Wassers herrührende Widerstand am Kolben beträgt 11,01 Pfd. auf den Quadratzoll. Die Elasticität des uncondensirten Dampfes wird zu 1,25 Pfd. auf den Quadratzoll geschäzt, und diejenige des Dampfes während des rükgängigen Hubes wurde durch Hrn. Henwood's Indicatortafel zu ungefähr 6,4 Pfd. aufgezeichnet. Die Differenz zwischen den beiden lezten Größen, im Verhältnisse des Flächeninhalts der Kolbenstange zu der effectiven Kolbenfläche reducirt, ist 0,04. Wir finden demnach den Totalwiderstand auf den Quadratzoll des Kolbens (wobei wir mit Parkes annehmen, daß die Reibung, über deren wirklichen Betrag wir uns nicht Gewißheit zu verschaffen im Stande sind, einen Druk von 5,75 Pfd. auf den Quadratzoll verursache) gleich 11,01 + 5,75 + 1,25 - 0,04 = 17,87 Pfd. Wir halten mit Hrn. Parkes diese Angabe auf keine Weise für übertrieben, insbesondere hinsichtlich der Schäzung der Reibung, und ziehen daher den Schluß, daß der etwaige Irrthum in der Berechnung der Kraft nach der Aufzeichnung des Indicators liegen müsse. Da wir nun mit uns im Reinen sind, daß die durch den Indicator aufgezeichnete mittlere Elasticität keine hinreichende Kraft liefert, so bleibt uns keine andere Wahl, als entweder anzunehmen, daß die Aufzeichnung des Indicators falsch sey, oder uns selbst für unfähig zu bekennen, die durch Hrn. Henwood beobachteten Thatsachen zu erklären. Wenn wir zugeben, die Pressungen haben sich der Aufzeichnung des Indicators gemäß verhalten und das Gleichgewichtsventil (equilibrium valve) habe sich geschlossen, wenn der Kolben noch 9 Zoll von dem Ende des rükgängigen Hubes entfernt war, so müssen wir entweder annehmen, der übermäßig große Raum von 68.069 Kubikfuß habe unter dem Kolben am unteren Ende seines Hubes existirt, oder wir müssen (wenn wir 30 Kubikfuß einräumen) einen Wasserverlust von 7.4 Proc. annehmen. Nach der lezteren Hypothese betrug das bei jedem Hube aus dem Cylinder entweichende, mit 6.4 Pfunden drükende Dampfvolumen 352.886 Kubikfuß, welches den Rauminhalt unter dem Kolben bezeichnet, wenn das Gleichgewichtsventil geschlossen ist; und das über dem Kolben bleibende Volumen betrug 25.979 + c, wobei c den Inhalt des Raumes über dem an der höchsten Stelle seines Hubes befindlichen Kolben oder das Volumen der Dampfschicht oder des Dampfpolsters bezeichnet. Die ganze Quantität des im Cylinder befindlichen Dampfes von obiger Spannung ist daher gleich 378.865 + c und sein relatives Volumen 3668. Der Raum, welchen er einnahm, ehe das Gleichgewichtsventil geöffnet wurde, betrug 346.393 + c, seine Elasticität 7 Pfd. auf den Quadratzoll, und sein relatives Volumen 3377; wir können daher den Werth von c aus folgender Proportion finden: 32.472 : 291 = (346.393 + c) : 3377 woraus c = 30.438 Kubikfuß. Das absolute Dampfvolumen, welches die Dampfschicht vor der Compression bildete, war 56.417, ihr relatives Volumen 3668; nach der Compression belief sich ihr absolutes Volumen auf 30.438, ihr relatives Volumen daher auf 1975 und die Elasticität des Dampfs auf 12.48 Pfd.; anstatt, wie der Indicator angab, auf 10.7. Hr. Parkes gibt den Werth von c zu 9.176 Kubikfuß an, was offenbar die Differenz zwischen der berechneten und der beobachteten Spannung der Dampfschichte steigern würde. Unmittelbar vor der Oeffnung des Gleichgewichtsventils beträgt das Volumen des im Cylinder befindlichen Dampfes bei 7 Pfd. Pressung 376.831 Kubikfuß, und der Raum, welchen derselbe Dampf einnahm, als der Kolben ¼ seines Hubes vollbracht hatte, und das Admissionsventil ganz geschlossen war, belief sich auf 117.036 Kubikf., so daß das relative Dampfvolumen in diesem Falle 3377 × 117.036/376.831 = 1049, und seine Elasticität 24.87 Pfd. auf den Quadratzoll betrug; nach der Aufzeichnung des Indicators belief sich leztere nur auf 20.4 Pfd. Wir sind nicht im Stande, die Richtigkeit der durch den Indicator während der Periode, wo das Zulaßventil offen war, aufgezeichneten Drükungen zu prüfen; allein obige Rechnung reicht hin darzuthun, daß der Indicator weit entfernt ist, eine genaue Messung der Elasticität des Dampfes wenigstens in den angeführten Momenten zu liefern, und daß, wenn das ganze oder beinahe das ganze verwendete Wasser in Dampfgestalt durch die Maschine ginge, dasselbe hinreichen würde, durch seine einfache Spannkraft einen dynamischen Effect gleich der factisch geleisteten Arbeit hervorzubringen, besonders wenn das Volumen der erwähnten Dampfschichte nach Parkes' Angabe nur 9.176 Kubikfuß beträgt, was auch mit Henwood's Angabe über die per Kolbenhub verbrauchte Dampfmenge übereinstimmt. Eine Reihe gut geleiteter Versuche mit einfachwirkenden Cornwallis-Maschinen würde nicht nur hinsichtlich der Leistungen dieser Maschinen, in Betreff deren immer noch so manche Zweifel abwalten, sehr interessant seyn, sondern sie würden ohne Zweifel über die Theorie der Dampfmaschinen im Allgemeinen Licht verbreiten, zumal da jene Maschinen für Beobachtungen leicht zugänglich sind, was bei doppeltwirkenden Maschinen nicht der Fall ist.