XL. Erster Bericht über die zur Dampfschifffahrt sich eignenden Steinkohlen; von den HHrn. Henry de la Beche und Dr. Lyon Playfair. Aus dem Mechanics' Magazine, 1848, Nr. 1285–1288. De la Beche und Playfair über die Steinkohlen welche sich zur Dampfschifffahrt eignen. Der Nutzen solcher Untersuchungen, sowohl hinsichtlich unserer Dampfschifffahrt als unserer Industrie, wo die richtige Anwendung unseres fossilen Brennmaterials so nothwendig ist, dürfte allgemein anerkannt seyn. Versuche, durch welche der wahre praktische Werth von Steinkohlen ermittelt werden soll, erfordern jedoch eine lange Reihe von Beobachtungen, welche auf specielle Zwecke gerichtet seyn müssen. Die Eigenschaften durch welche besondere Arten dieses Brennmaterials sich auszeichnen, sind so verschieden, daß sich aus einer etwas beschränkten Reihe von Beobachtungen keine allgemeinen Resultate ableiten lassen. Wenn es sich z. B. um die Anwendung der Steinkohlen für stationäre Dampfkessel handelt, wo ihr Verdampfungswerth oder Dampfbildungsvermögen in Betracht kommt, kann eine Kohlensorte, welche wegen ihrer schnellen Wirkung ausgezeichnet geeignet ist um in kurzer Zeit Dampf zu erzeugen, doch weit übertroffen werden von einer andern Sorte, die ihr in dieser Hinsicht zwar nachsteht, aber eine viel größere Menge Wassers in Dampf zu verwandeln vermag, daher behufs der Kraftgewinnung von größerm Werthe ist. Eine Steinkohle welche diese beiden Eigenschaften in hohem Grade vereinigt, könnte gleichwohl zum Schiffsgebrauch untauglich seyn, wegen ihres mechanischen Gefüges. Wenn die Cohäsion ihrer Theilchen gering ist, kann beim Transport durch die Reibung der Stücke an einander in Folge der Bewegung des Schiffes, die Kohle so in Pulver verwandelt werden, daß sie wesentlich an ihrem Werthe verliert. Und sogar, wenn man sich alle drei Eigenschaften vereinigt denkt, nämlich Schnelligkeit und Andauer der Wirkung, nebst bedeutendem Widerstand gegen das Zerbrechen, so sind bei der Auswahl dieses Brennmaterials doch noch viele andere Eigenschaften zu beachten, ohne deren Vereinigung es für die Dampfschifffahrt ohne Werth seyn könnte. Ein wichtiger Unterschied der Steinkohlensorten besteht in ihrem Volum oder dem Raum welchen ein gewisses Gewicht derselben einnimmt. Um den zum Unterbringen der Steinkohlen erforderlichen Raum zu bestimmen, reicht es nicht hin, das specifische Gewicht derselben zu kennen, weil vermöge der mechanischen Gestaltung ihrer Bruchstücke eine Kohle von geringerer Dichtigkeit einen kleineren Raum erfordern kann, als eine andere, schwerere Kohle. Es ist dieß bei weitem kein bloß eingebildeter Unterschied, da er sich manchmal bis auf 60 Proc. beläuft, 40 Proc. aber gar nicht selten beträgt. Eine bloße theoretische Bestimmung der Dichtigkeit der Steinkohlen würde sonach in dieser Hinsicht für die Praxis untaugliche Resultate geben. Der Raum welchen zwei Steinkohlensorten einnehmen, die in ihrer Verdampfungskraft von gleichem Werthe sind, differirt zuweilen um 20 Proc., d. h. da wo von einer Sorte 80 Tonnen gestaut werden können, finden von einer andern Sorte von gleichem Verdampfungswerthe 100 Tonnen Platz, wenn sie mit Berücksichtigung ihrer mechanischen Structur gewählt werden. Wir führen diese Thatsache nur an, um zu zeigen daß man sich vor raschen allgemeinen Schlüssen zu hüten habe und daß wir auf diese verschiedenen Punkte unsere Aufmerksamkeit richteten. Wir finden es bei dem jetzigen Stand unserer Untersuchung übrigens nicht gerathen, besondere Steinkohlensorten zu empfehlen, sondern lassen die experimentellen Thatsachen darüber entscheiden. Nachdem wir uns durch vorläufige Versuche überzeugt hatten, daß durch wissenschaftliche Untersuchungen in kleinem Maßstab kein praktisches Resultat erzielt werben könne, wurde beschlossen mit jeder Steinkohlensorte Versuche in so großem Maßstabe anzustellen, daß die theoretischen Ansichten durch praktische Resultate controlirt werden. Da zu diesen Versuchen aber wegen anderweitiger Geschäfte unsere Zeit nicht hinreichte, so wählten wir zur Ueberwachung ihrer Einzelheiten geschickte Assistenten. So wurde Hrn. Wilson, Vorstand der königl. landwirthschaftlichen Akademie zu Cirencester, die Oberaufsicht über den ökonomischen Theil der Versuche anvertraut. Er und Hr. Arthur Phillips errichteten die Dampfkessel und stellten die Versuche hinsichtlich der praktischen Verdampfungskraft der Steinkohlen an. Dem Hrn. Wilson gesellte sich später Hr. Kingsbury zu und leistete wichtige Dienste. Die Oberaufsicht wurde, nach Abgang des Hrn. Wilson, von Hrn. Phillips übernommen. Die Steinkohlen-Analysen wurden Hrn. Wrightson (einem Schüler Liebig's) anvertraut. Hr. Galloway, Assistent des Museums für praktische Geologie, unterstützte ihn bei Untersuchung der Gase und Asche aus den Oefen. Nach diesen beiden letztern setzte Hr. How, Assistent des Laboratoriums des Civil-Ingineur-Collegiums, diese Analysen fort. Sehr ersprießliche Dienste leistete auch der Ingenieur William Hutchinson. Die von den Assistenten erhaltenen Resultate, mit Angabe der befolgten Verfahrungsweisen, werden in einem Anhang dieser Abhandlung mitgetheilt. Die erste Abtheilung des Anhangs enthält eine vollkommene Beschreibung des Ganges, welcher beim praktischen Theil der Versuche befolgt wurde, und die Beschreibung der dazu angewandten Apparate. Die zweite Abtheilung enthält das Nähere der Beobachtungen und Versuche zur Ermittlung der Verdampfungskraft der verschiedenen Steinkohlensorten. Die dritte Abtheilung enthält die Formeln, welche zur Berechnung der Versuche und zur Correction und Reduction derselben auf eine Normalgröße dienten. Die vierte Abtheilung enthält die chemischen Versuche, nebst den Analysen der Steinkohlen bezüglich ihrer näheren und entfernten Bestandtheile und die Bestimmung ihres Heizwerthes. Die Art, wie die Versuche angestellt wurden, ist in der ersten Abtheilung des Anhangs beschrieben; es genügt also hier die Punkte zu bezeichnen, welche bei der Reduction und Berechnung der Resultate beobachtet wurden. Es leuchtet ein, daß mehrere Umstände beachtet werden müssen, ehe der wahre Verdampfungswerth eines Brennmaterials erhalten werden kann. So hat das Wasser in den Reservoirs den Tag über verschiedene Temperaturen in Folge der Veränderungen in der Lufttemperatur. Auch die Temperatur des Wassers im Dampfkessel wechselt mit der äußern Temperatur und den Umständen unter welchen die Versuche angestellt werden. Die Gestalt eines Cornwall'schen Dampfkessels gestattet eine Ungleichheit in der Temperatur des Wassers in den verschiedenen Kesseltheilen, indem das kältere und dichtere Wasser zu Boden sinkt und dort zu bleiben strebt, so daß die Temperatur des Wassers auf der Oberfläche bei weitem nicht der mittlern Temperatur des Wassers im Kessel entspricht, indem der Wärme-Unterschied des Wassers auf der Oberfläche und am Boden ungefähr 70° F. beträgt. Andere Umstände haben natürlich Einfluß auf die Verdampfungskraft der Steinkohlen, wie z. B. der, daß nicht alles der Wirkung des Feuers ausgesetzte Wasser im Kessel in Dampf verwandelt wird und daß Holz zum Anmachen des Feuers genommen wird. Ein anderer Umstand von großem Belang ist die Ausdehnung oder Zusammenziehung des Dampfkessels in Folge einer Erhöhung oder Erniedrigung der Temperatur. Beim Beginn der von den HHrn. Wilson und Kingsbury geleiteten Versuche wurde es anfangs für überflüssig gehalten, wegen dieser verschiedenen Einflüsse Correctionen vorzunehmen; nachdem man sich aber experimentell überzeugt hatte, daß der Unterschied des Kesselinhalts zwischen den Temperaturen von 150 und 212° F. (52½° und 80° R.) 69,625 Pfd. Wasser betrug, sah man ein daß er in Rechnung gebracht werben müsse, selbst wenn die Temperatur am Anfang und am Ende um nicht mehr als 10° F. (4° R.) differirt. Andere Umstände, welche zwar von minderm Belang, aber doch von Einfluß auf die Resultate sind, wurden vernachlässigt, weil solche Correctionen nur die Resultate complicirter gemacht hätten und doch von geringem praktischem Werth gewesen wären, indem sie in die möglichen Beobachtungsfehler bei solchen annähernden Versuchen fallen. Solche Umstände sind: die Quantität der während der Verbrennung sich entwickelnden Gase, die Temperatur-Erhöhung der in den Feuerraum eintretenden Luft, der barometrische und hygrometrische Zustand der Atmosphäre, die Wärme-Ausstrahlung des Kessels (welche jedoch wegen seiner Backsteindecke sehr gering ist), der hygrometrische Zustand des Brennmaterials, oder die zum Hervorbringen eines mechanischen Zugs im Kamin erforderliche Wärme. Für die meisten dieser Fälle wurden aber die nothwendigen Beobachtungen angestellt, um, wenn es später wünschenswerth erscheinen sollte, Correctionen vornehmen zu können. Bei der Berechnung des Verdampfungswerthes einer Steinkohle wurde die verbrauchte Kohlenmenge in zwei Portionen getheilt; die erste ist diejenige welche erforderlich ist, um die ganze dem Feuer ausgesetzte Wassermasse von der mittlern Temperatur auf 212° F. (80° R.) zu bringen; die zweite Portion ist diejenige welche erforderlich ist um das aus den Reservoirs genommene Wasser von der Temperatur von 212° F. aus zu verdampfen. Um dieses thun zu können, wird die mittlere Temperatur der ganzen Wassermasse ermittelt, d. h. die Temperatur des Wassers im Kessel, nachdem es bei seiner anfänglichen Temperatur, mit dem Wasser des Reservoirs bei dessen durchschnittlichen Temperatur vermischt worden ist. Die durchschnittliche Temperatur des letztern war das Mittel mehrerer den Tag über gemachten Beobachtungen und wird mit t′ bezeichnet. Es sey nun w das Gewicht des Wassers aus den Reservoirs bei der Temp. t′ W das Gewicht des Wassers im Kessel bei der Temp. t″, welche letztere dessen Temperatur an der Oberfläche, durch Versuche corrigirt, ergibt, und t die Temperatur nach der Vermischung. Dann ist t = Textabbildung Bd. 110, S. 215 Die Correction wegen des Holzes geschah nach den Daten welche die HHrn. Wilson und Kingsbury durch Experimente erhalten hatten; sie ist aber nur für die angewandte Holzgattung gültig, weil in darauf folgenden Versuchen der Verdampfungswerth von einem andern Holz sehr verschieben gefunden wurde. Die Coefficienten der Verdampfungskraft des Holzes lassen sich aus einem Versuche ableiten, in welchem ein gewisses Gewicht Wasser von einer gewissen Temperatur auf den Siedepunkt gebracht und dann ein gewisser Antheil desselben in Dampf verwandelt wurde. Hr. Kingsbury bediente sich folgender Formeln zur Berechnung. N ist das Gesammtgewicht des Holzes welches zum Erhitzen von (W + w) (dem Gewicht des Wassers im Dampfkessel und dem während des Versuchs aus den Reservoirs abgelassenen) von der mittlern Temperat. t auf 212° F. erforderlich war; alsdann muß das Gewicht N′ ermittelt werden, welches erforderlich ist um w von 212° F. aus zu verdampfen. Dann ist w/N = e, der Verdampfungskraft. Es sey m das Gewicht des Holzes, welches erforderlich ist, um W + w von t auf 212° F. zu erhitzen, 1000 als die latente Wärme des Dampfes angenommen. N um W + w von 212° F. aus zu verdampfen N′ um w 212° aus zu verdampfen Dann ist m + N′ = N. Nun ist Textabbildung Bd. 110, S. 216 Aber n/N′ = Textabbildung Bd. 110, S. 216 Folglich N′ = n Textabbildung Bd. 110, S. 216 l(N - N′) = (212 = t)n = (212 - t)N′ Textabbildung Bd. 110, S. 216 Nl = N′ Textabbildung Bd. 110, S. 216 = N′/w (212 - t) (W + w) + I w Folglich w/N′ = Textabbildung Bd. 110, S. 216 = e oder wenn man den Werth von t nach der ersten Formel einführt: Textabbildung Bd. 110, S. 216 Wenn q die Quantität des zum Anzünden des Feuers verbrauchten Holzes ist, so ist e q das Gewicht des von 212° F. aus durch das Holz verdampften Wassers, welches von dem Gewicht des durch die Kohle verdampften Wassers abgezogen werden muß. Der Coefficient der Verdampfungskraft der Steinkohlen oder die Anzahl der Pfunde Wassers, welche 1 Pfd. Steinkohle von 212° F.(80° R.) aus verdampft, läßt sich wie folgt berechnen: Es sey P das Gesammtgewicht der verbrauchten Kohle, so ist die Leistung von P das Erhitzen des W + w Wasser von t auf 212° F. und das Verdampfen von w - e q von 212° F. aus. Es sey nun m das erforderl. Gew. Steink. um W + w von t auf 212° zu erhitzen Es sey nun p das erforderl. Gew. Steink. um w - e q v.212° aus zu verdampfen, Es sey nun n das erforderl. Gew Steink. um W + w v.212° aus zu verdampfen. So ist Textabbildung Bd. 110, S. 217 = E, der Verdampfungskraft. Textabbildung Bd. 110, S. 217 Setzt man die Werthe ein, durch welche die mittlere Temperatur t erhalten wurde (erste Formel), so bekommt man: Textabbildung Bd. 110, S. 217 worin W das Gewicht des Wassers im Kessel; w das Gewicht des Wassers welches während des Versuchs aus den Reservoirs abgelassen wurde; t′ die mittlere Temperatur des Wassers in den Reservoirs; t″ die corrigirte anfängliche Temp. des Wassers im Kessel ist.Eine kleine Correction muß wohl auch für die in den Verbrennungsrückständen zurückbleibende brennbare Materie, also den Ruß und die Kohlentheilchen in der Asche, vorgenommen werden. Um sie mit der größten Genauigkeit anzustellen, wäre eine Reihe von Beobachtungen und Analysen erforderlich gewesen, deren Mühe und Kosten sich durch den Betrag der erforderlichen Correction wohl nicht gelohnt hätten. Es wurde daher folgendes Verfahren für ausreichend erachtet, obgleich das Resultat bloß eine rohe Annäherung zur Wahrheit ist. Behufs einer solchen Annäherung nehmen wir an, daß der Verdampfungswerth der Kohle von dem Verhältniß der verbrennlichen zur unverbrennlichen Materie abhänge, und daß wenn die in der Asche zurückgebliebene brennbare Substanz bei der Dampferzeugung ihren Nutzeffect geleistet hätte, dieser der nämliche sey, wie wenn eine entsprechende Menge Steinkohle verbrannt worden wäre. Bezeichnet demnach Q das Gewicht Steinkohle, welches dieselbe Menge brennbare Substanz enthält wie der Verbrennungs-Rückstand im Ofen, so istTextabbildung Bd. 110, S. 217der corrigirte Coefficient der Verdampfungskraft.Ist nunw1 = Gewicht der Asche nach dem Versuch,w2 = Gewicht der unverbrannten Kohle (Cinders) nach dem Versuch,w3 = Gewicht des Rußes nach dem Versuch.Es seyen fernerr1r2r3der respective Procentgehalt brennbarer Substanz in der Asche, der unverbrannten Kohle und dem Ruße;Q das Gewicht Steinkohle, welche eben so viel brennbare Substanz enthält, undr der Procentgehalt an brennbarer Substanz, wie er durch die Analyse der Steinkohle gefunden wird;dann ist r Q = r1 W1 + r2 W2 + r3 w3folglich Q = Textabbildung Bd. 110, S. 217 In den vorstehenden Formeln wurde die latente Wärme des Dampfs zu 1000° angenommen, wie es bisher (in England) üblich war; nachdem aber alle Berechnungen über diesen Gegenstand nach den Versuchen der HHrn. Wilson und Kingsbury schon angestellt und die Resultate an die Admiralität eingesandt waren, erschien Regnault's schätzbare Abhandlung über die latente Wärme des Dampfs. Es wurde daher nothwendig, bei den weitern Versuchen diese neuen Resultate zu benützen; dieselben sind, soweit sie in gegenwärtiger Untersuchung Anwendung finden, in folgender Tabelle zusammengestellt. TabelleNr. I : über die specifische und latente Wärme des Wassers und des Dampfs. Textabbildung Bd. 110, S. 219 100theiliger Luftthermometer.; 100theil. Quecksilberthermometer.; Zahl der von einem kil. Wasser beim Sinken v. T auf 0° abgegebenen wärme-Einheiten.; Fahrenheit'sches Luftthermometer.; Fahrenheit'sches Quecksilberthermomet.; Anzahl der in einem Pfd. Wasser bei T° enthaltenen Wärme-Einheiten.; Mittlere spec Wärme des Wassers zwischen 0° u. T° Cels. oder 32° und T° Fahrenh.; Spec. Wärme des Wassers von T bis T + d T.; Latente Wärme des bei der Temperatur T gesättigten Dampfs.; Cels; Fahrh.; Im Verlauf der Untersuchung schienen uns noch weitere Correctionen erforderlich. So bestimmte Hr. Phillips durch sorgfältige Versuche die Veränderungen in der Capacität des Dampfkessels bei verschiedenen Temperaturen und für diese Differenz wurden später Correctionen vorgenommen. Auch die Capacitäts-Veränderungen der Wasserreservoirs wurden in Rechnung gezogen, sobald ihre Temperatur von derjenigen, bei welcher sie eingemessen wurden, um 2° F. abwich. Eine andere Fehlerquelle, welche berücksichtigt werden muß, ist der etwaige Unterschied der Temperaturen beim Beginnen und Beschließen des Versuches. Da diese Differenz durch Beobachtung bekannt ist, kann die Correction nach der Tabelle über die Expansion des Wassers im Kessel (im Anhang mitgetheilt) gemacht werden. Um diese neuen Correctionen in die Versuche zur Bestimmung des Coefficienten der Heizkraft des Holzes einzuführen, bediente sich Hr. Phillips folgender Formeln: Textabbildung Bd. 110, S. 220 In denselben bezeichnet W das während des Versuchs aus den Reservoirs in den Kessel abgelassene Wasser. w = das Gewicht (nach der Expansionstabelle) des Wassers in den Kesseln beim Beginne des Versuchs. w′ = das Gewicht des Wassers im Kessel am Ende des Versuchs. l = Coefficient der latenten Wärme des Dampfs. t = erforderliche Wärmemenge, um das Wasser der Reservoirs von seiner mittlern Temperatur auf jene zu bringen, bei der es verdampft. t′ = erforderliche Wärmemenge, um das Wasser im Kessel von der ursprünglichen zur endlichen Wärme zu erhitzen. t″ erforderliche Wärmemenge, um das Wasser von der Temperatur der Reservoirs auf die endliche Temperatur des Wassers im Kessel zu bringen. P = Gewicht des während des Versuchs verbrannten Brennmaterials. E = Coefficient der Heizkraft des Holzes. Wenn aber die anfängliche Temperatur niederer ist als diejenige am Ende, so wird die Formel: Textabbildung Bd. 110, S. 220 Alle Glieder behalten darin ihren ursprünglichen Werth mit Ausnahme des letzten, in welchem t″ durch t′″ ersetzt wird (entsprechend der erforderlichen Wärme, um die Temperatur am Ende auf diejenige zu erhöhen, wo das Wasser expandirt wurde); t′″ ist dann als negativ zu betrachten, während t′ positiv wird. Ist nun q das Gewicht des zum Anzünden des Feuers verwendeten Holzes, so stellen sich die Formeln zur Berechnung der Verdampfungskraft der Steinkohle wie folgt: Textabbildung Bd. 110, S. 220 Und Textabbildung Bd. 110, S. 220 Da die Versuche streng vergleichende sind und unter gleichen Umständen angestellt wurden, so kann die Unterlassung der übrigen oben erwähnten Correctionen von keinem wesentlichen Einfluß auf das Resultat seyn; in der That wäre sie auch unnütz, ja sogar unrathsam gewesen, weil, wie oben schon bemerkt wurde, die Beobachtungsfehler bei derartigen annähernden Versuchen so groß bleiben. Die einzige unterlassene Correction, welche für die Praxis erforderlich gehalten werden könnte, betrifft den hygroskopischen Zustand des Brennmaterials. Bei Holz ist sie allerdings nothwendig; die Steinkohle aber ist bei weitem weniger hygroskopisch als das Holz. Letzteres enthält nämlich 1/5 seines eigenen Gewichts hygroskopisches Wasser, und die zu dessen Verdunstung erforderliche Wärme ergibt sich durch einfache Berechnung nahezu gleich 22 Proc. der gesammten, durch die Verbrennung des Holzes erzeugten Wärme. Das hygroskopische Wasser der Steinkohle aber ist sehr gering, wie aus dem Gehalt einiger Walliser Proben zu ersehen ist: Hygroskop. Wasser. Graigola Steinkohle 1,06 Proc. Anthracit 2,44 Proc. Old Castle-Steinkohle 0,74 Proc. Ward's Fiery Vein 1,27 Proc. Myndd Newydd 0,67 Proc. Pentrepoth 0,78 Proc. Pentrefelin 0,70 Proc. Hätten Wir für diesen geringen Wassergehalt Correctionen vorgenommen, so wäre man für die Praxis dadurch nur irregeleitet worden, weil die Steinkohlen auf ein Schiff selten in so trockenem Zustand gelangen, wie dieß hier der Fall war, wo sie in Fässern verpackt waren und unter Dach gehalten wurden. Es wurde für unnöthig erachtet, wegen der in den Kamin abziehenden Gase Correctionen vorzunehmen, weil wiederholte Analysen der Kamingase ergaben, daß sie keinen brennbaren Bestandtheil enthalten, sondern nur aus Kohlensäure, schwefliger Säure, Sauerstoff und Stickstoff bestehen. Die Menge des im Kamin enthaltenen freien Sauerstoffs betrug ein Viertel bis die Hälfte desjenigen Sauerstoffs, welcher sich mit dem Brennstoff verband; es streicht also fast zweimal so viel Luft durch das Feuer, als nach der Theorie erforderlich wäre. (Der Schluß folgt im nächsten Heft.)