LXXI. Untersuchungen über eine vermeintliche Ursache der Dampfkessel-Explosionen; vom Bergingenieur Phillips. Aus den Annales des mines, 1850, Bd. XVII S. 131. Phillips' Untersuchungen über eine vermeintliche Ursache der Dampfkessel-Explosionen. In Folge mehrerer Unfälle bei Dampfkesseln, die sich unter fast gleichen Umständen ereigneten, hat sich die Meinung verbreitet, daß während der Betriebseinstellung der Maschinen das Kesselblech überhitzt seyn und folglich eine Explosion durch das Aufschwellen des Wassers verursacht werden könne, welches bei dem Wiederanlassen der Maschine an die überhitzten Wände trat. Ich habe zur Prüfung dieser Ansicht mehrere Versuche in der Fabrik des Hrn. Gouin zu Batignoles angestellt; der zu denselben verwendete Dampferzeuger bestand aus zwei cylindrischen Kesseln mit etwas gewölbten Enden. Jeder war mit einem Dampfbehälter versehen, und zwischen beiden befand sich eine Siederöhre, welche das Speisewasser, ehe es in die Kessel trat, aufnahm. Die Feuerung der Siederöhre geschah durch die Flammen, welche bereits unter den Kesseln circulirt hatten, und alsdann in die Esse strömten. Diese Siederöhre hatte auch den Zweck, den größten Theil der Niederschläge aus dem Speisewasser aufzunehmen. Beide Kessel waren sich übrigens gleich; 10,30 Meter lang und 0,80 Meter weit. Die Siederöhre hatte dieselbe Länge, und einen Durchmesser von 0,395 Meter. Die Dimensionen der Dampfbehälter betragen 0,45 Meter in Quadrat. Die Kessel sind zu 6 Atmosphären gestempelt; ihre Seitencanäle für die Flamme erheben sich 0,05 Meter über ihre Achse, und der Wasserstand wird in derselben Höhe erhalten. Die Speisung erfolgt theils durch eine von der Dampfmaschine bewegte Pumpe, theils durch zurückfallendes Wasser; das Speisewasser wird zuerst der Siederöhre zugeführt, und geht dann mittelst der Verbindungsröhren in die Kessel; die Verbindungsröhren sind an den zwei entgegengesetzten Enden des Ofens angebracht. Von den Deckeln der Dampfbehälter aus erheben sich die Dampfröhren, welche sich sofort zu einem einzigen Dampfrohr von 0,06 Meter Durchmesser, und 12–15 Meter Länge vereinigen. Am Ende ist diese Röhre mit der Maschine verbunden, welche 20–25 Pferdekräfte hat, und mit Expansion und Condensation arbeitet; die Leere des Kondensators beträgt 0,60–0,70 Meter (der Dampf der Kessel treibt zuweilen auch einen Dampfhammer). Es ist ein Richard'sches offenes Manometer, und ein solches mit zusammengepreßter Luft angebracht, welches man sowohl mit beiden Kesseln, als auch mit einem derselben in Verbindung bringen kann. Auch ist die Einrichtung getroffen, daß man den Dampf bloß aus einem der zwei Kessel oder aus beiden Kesseln zusammen ausströmen lassen kann. Der Apparat, welcher zu den in Frage stehenden Versuchen als der zweckmäßigste erachtet wurde, und nach den Angaben des Hrn. Regnault construirt ist, besteht in einem Quecksilberthermometer aus 5 Millimeter dickem Glase, welches bis 250° Cels. graduirt und dessen Röhre fast gänzlich im rechten Winkel auf dem Reservoir gebogen ist. Um die Versuche anzustellen, entblößte man durch Ausheben einiger Ziegelsteine die Oberfläche des Blechs von einem der beiden Kessel auf eine horizontale Länge von etwa 0,30 Met., und auf eine hinreichende Höhe, um parallel mit den Kanten des Cylinders einen blechernen Muff anbringen zu können. Letzterer hatte eine halbcylindrische Form von 0,07–0,08 Meter Durchmesser, und seine Kanten paßten ganz genau auf den Kessel, dessen Oberfläche an jener Stelle gehörig gereinigt worden war. Der Theil des Thermometers, welcher die Kugel enthält, wurde horizontal in den Muff gesteckt, so daß sich die Röhre senkrecht erhob. Nachdem man nun die Enden des Muffs durch kleine Ziegelsteinstücke geschützt hatte, umgab man das Ganze mit Sand, sowohl um das Instrument festzustellen, als zur Vermeidung der äußern Abkühlung. Der etwa 2 Meter von dem Dampfbehälter und der Dampfröhre angebrachte Manometer befand sich 0,175 Met. über dem Wasserstande, d.h. in halber Höhe zwischen demselben und der Kuppel des Kessels. Die Beobachtungen beschränkten sich nun darauf, von Zeit zu Zeit, jedoch in sehr nahen Zwischenräumen, die von dem Thermometer angegebene Temperatur, sowie die von dem Manometer angezeigte Pressung zu gleicher Zeit zu notiren. Alle Versuche haben 1/4 und 1/2 Stunde vor der Betriebseinstellung der Dampfmaschine begonnen, wurden 1 Stunde lang während des Stillstandes der Maschine (während der Mahlzeit der Arbeiter) fortgesetzt, und erst 1/4 oder 1/2 Stunde nach der Wiederingangsetzung der Maschine beendigt. Drei Versuche sind vollständig in der nachstehenden Tabelle angegeben. Erster Versuch. Die Dampfkessel sind beide geheizt und die Maschine ist im Gange, das Thermometer wird aufgestellt, und einige Minuten darauf beginnen die Beobachtungen.     Zeit.          Druck in      Atmosphären, durch das Manometer        angezeigt Temperatur.           Bemerkungen. Uhr. Min.      Atmosphären. Cels. Grade.   1     45            4,4      118   1     49            4,2      121,8   1     51            4,3      126,5   1     53            4,3      127,9   1     55            4,3      128,7   1     57            4,33      129,2   1     59            4,35      129,8   2       1            4,35      130,5   2       3            4,25      130,9   2       5            4,23      131 Man hält die Maschine an, und die Arbeit   2       7            4,3      131 nimmt ihren Anfang.   2       9            4,35      131,3   2     11            4,39      131,9   2     13            4,42      132,3   2     15            4,60      132,7   2     20            4,55      133,8     Zeit.          Druck in      Atmosphären, durch das Manometer        angezeigt Temperatur.           Bemerkungen. Uhr. Min.      Atmosphären. Cels. Grade.   2     25            4,60      134,6   2     30            4,65      135,4   2     35            4,69      136   2     40            4,70      136,4   2     45            4,91      136,9   2     50            4,94      137   2     55            4,99      137   3      –            5        37 Die Maschine wird wieder angelassen; aber   3       5            5      137 der eine Kessel, auf welchem das Thermometer   3       7            4,95      136,5 steht, liefert allein den Dampf für die   3       9            5      135,7 Maschine, während der andere verschlossen   3     11            5,11      134,9 bleibt.   3     13            5,29      134,3   3     15            5,31      133,8   3     17            5,27      133,3   3     19            5,2      133   3     21            5,27      132,7   3     23            5,34      132,3   3     25            5,4      132   3     30            5      135,5 In diesem Augenblick bemerkt der Heizer, daß   3     35            4,17      136,5 der andere Kessel geschlossen ist; er öffnet   3     40            4,08      135,5 den Dampfhahn, und seit diesem Augenblick   3     45            4,25      134,7 liefern beide Kessel den Dampf für die   3     50            4,18      134 Maschine.   3     55            4,31      134,5   4      –            4,37      134,7 Zweiter Versuch. Die Maschine ist im Gange, ebenso beide Kessel. Um 1 Uhr 26 Minuten wird das Thermometer aufgesetzt. Das beim ersten Versuche benutzte Manometer zeigte sich nicht rein, weßhalb es den Druck unter vier Atmospähren nicht angab. Bei diesem Versuche sind die Pressungen durch ein anderes Manometer (mit comprimirter Luft) bestimmt. Ueber vier Atmosphären hat man die von dem ersten Manometer (einem Richard'schen) angezeigten Pressungen ebenfalls (in Parenthese) beigefügt.     Zeit.          Druck in      Atmosphären, durch das Manometer        angezeigt Temperatur.           Bemerkungen. Uhr. Min.      Atmosphären. Cels. Grade.   1     30           3,33      124   1     35           3,33      127   1     40           3,53      128,3   1     45           3,65      129,0   1     50           3,70      130,7   1     55           3,70      130,9   2      –           3,60      130,8   2       3 1/2           3,60      130,7 Man hält die Maschine an.   2       5           3,75 (4,2)      131   2     10           3,8   (4,15)      132,3   2     15           3,95 (4,24)      133,2   2     20           4,05 (4,36)      134,2   2     25           4,2   (4,49)      135   2     30           4,35 (4,59)      135,9   2     40           4,55 (4,80)      137,5   2     50           4,8   (5,00)      139   3      –           5,00 (5,15)      140,2   3       5           4,95 (5,1)      140,9 Man läßt sie wieder an.   3     15           4,4   (4,69)      138,7   3     25           4,00 (4,32)      136,7 Dritter Versuch. Manometer von Richard.   1     43           4,2      107   1     45           4,10      121   1     50           3,90      127   1     55           3,40      128   2      –           3,35      129   2       5           3,38      130   2     10           3,44      131,5            2     15           3,48      133   2     20           3,49      133,5 Man hält die Maschine an, läßt aber den   2     25           3,56      134,8 Dampf ab, und zwar so, daß die Pressung   2     30           3,60      135,2 sich nicht verändert.   2     35           3,50      136   2     40           3,47      136   2     45           3,53      136,5   2     50           3,52      137   2     55           3,50      137   3      –           3,49      136,9 Man bringt das Feuer, welches man hatte   3       5           3,75      138 niedergehen lassen, wieder stark in Zug;   3     10           4,70      141 die Maschine wird aber nicht angelassen;   3     15           5,20      143,5 die Pressung wird höher.     Zeit.          Druck in      Atmosphären, durch das Manometer        angezeigt Temperatur.           Bemerkungen. Uhr. Min.      Atmosphären. Cels. Grade.   3     17           4,60      145 Der Dampfkessel wird mit der Maschine in   3     20           4,60      145 Verbindung gesetzt und gespeist.   3     25           4,77      144,9   3     30           4,77      144,9   3     35           4,52      144,6 Wenn man bei diesen Versuchen berücksichtigen wollte, daß fast die ganze Thermometerröhre von Luft umgeben ist, so müßte man die Temperatur der Tabellen um etwa 3,5° erhöhen. Etwa 10–11 Theile der Röhre waren aber gegen jede äußere Abkühlung geschützt, weil sie in dem Muff steckten und von Sand umgeben waren. Die über dem Muff befindliche Luft hatte eine Temperatur von 36°, was durch einen directen Versuch bestimmt worden war. Die geringste Temperatur, welche dem Gange der Maschine entsprach, betrug 131° C., und die höchste Temperatur während des Stillstandes 141° C. Man muß daher die Anzahl der Theilungen suchen, um welche im ersten Fall 120 Theile bei einer Temperaturerhöhung von 105° C. vermehrt werden, sowie im zweiten Fall die 130 Theile für eine Temperaturerhöhung von 115° C. Der Ausdehnungscoefficient des Quecksilbers ergibt sich nach Regnault im erstern Falle zu 0,00024, und im zweiten zu 0,00025. Man findet daher für ersteren Fall eine Zunahme von 3°,02, und für den zweiten von 3°,74. Bei dem ersten Versuch begannen die Beobachtungen um 1 Uhr 45 Minuten. Von diesem Augenblick bis 2 Uhr 3 Minuten, d.h. 18 Minuten lang war die Maschine im Gange. Die innere Pressung erhielt sich fortwährend zwischen 4,2 und 4,4 Atmosphären, und die Temperatur stieg nach und nach von 118° bis zu 130°,9 C.; dann schien ein Stillstand des Thermometers stattzufinden. Um 2 Uhr 3 Minuten setzte man die Maschine außer Betrieb, und ließ das Feuer abgehen, während sich der Dampf in den Kesseln anhäufte. Diese Zeit der Ruhe dauerte 1 Stunde. In der Zwischenzeit von 2 Uhr 3 Minuten bis 3 Uhr stieg der Druck nach und nach und sehr regelmäßig von 4,23 auf 5 Atmosphären, und das Thermometer in derselben Zeit von 131 bis 137° C. Letztere Temperatur blieb sich aber während der letzten 20 Minuten gleich, während sich das Manometer zu gleicher Zeit zwischen 4,91 und 5 AtmosphärenAtmospären erhielt. Um 3 Uhr 5 Minuten wurde die Maschine wieder in Gang gesetzt; allein wegen eines Irrthums, welcher daher rührte, daß man in der Zwischenzeit eine Verbindung an der Dampfröhre des andern Kessels reparirte, war derselbe verschlossen geblieben als man die Maschine wieder anließ, so daß 20 Minuten lang bloß derjenige Kessel, auf welchem das Thermometer angebracht war, Dampf an die Maschine abgab. Am Manometer standen übrigens beide Kessel mit einander in Verbindung. Während dieser 20 Minuten stieg das Manometer von 4,95 bis auf 5,4 Atmosphären, was nicht verwundern kann, wenn man bedenkt, daß sich in dem andern Kessel eine große Menge Dampf anhäufen mußte. Zu gleicher Zeit fiel das Thermometer sehr rasch und ohne Reaction von 137 auf 132° C. Um 3 Uhr 25 Min. bemerkte man daß der andere Kessel abgesperrt geblieben war, man stellte seine Verbindung mit der Maschine sofort her, die Temperatur stieg neuerdings, während zu gleicher Zeit das Manometer, indem es den Mittlern Druck beider Kessel angab, gesunken war. Von 3 1/2–4 Uhr stieg der Druck von 4,08 bis auf 4,37 Atmosphären, und die Temperatur von 134° bis 136°,5. Man sieht, daß bei diesem Versuch während des Stillstandes eine Erhöhung, und während des Ganges der Maschine eine Verminderung der Temperatur stattgefunden hat. Die Differenz betrug übrigens höchstens 4–6°. Man muß jedoch stets berücksichtigen, daß man die wirkliche Temperatur des Blechs im Innern der Kessel nicht angezeigt erhält, indem die von dem Thermometer angezeigte Temperatur nicht unbedeutend von derjenigen abweicht, welche sich aus dem Druck des Manometers ableiten läßt. Während des Ganges der Maschine betrug die äußere Temperatur des Blechs 131° C. und entsprach einem Manometerdruck von 4,25 Atmosphären; nun müßte bei diesem absoluten Druck die Temperatur des Dampfes nach Regnault's Bestimmungen 146°,5 C. betragen, was einen Unterschied von 15°,5 ergibt. Während des Stillstandes der Maschine war die äußere Temperatur bei 137° stehen geblieben. Zu gleicher Zeit zeigte aber das Manometer einen Druck von 5 Atmosphären an, daher die letzterm entsprechende Dampftemperatur 152°,25 beträgt, was beweist daß die innere Temperatur des Blechs die äußere Temperatur desselben um 15°,25 übersteigt. In beiden Fällen strömte daher die Wärme vom Innern des Kessels nach dem Aeußern. Wollte man nun für die Temperatur der Masse des Blechs die Mittelzahl zwischen der äußern, von dem Thermometer angegebenen Temperatur, und der innern (welche dem Dampfdruck entspricht) annehmen, so würde man im erstem Falle 138°,8, und im zweiten 144°,63 haben, was einen Unterschied von 5°,83 zwischen der Temperatur der Masse des Blechs beim Gange und beim Stillstande der Maschine ausmachen würde. Der zweite Versuch hat ganz ähnliche Resultate ergeben. Während des Stillstandes ist die ganz stationär gewordene Temperatur ohne Reaction von 130,7 bis 140°,9 gestiegen, d.h. um mehr als 10°, während das Manometer fortwährend von 3,75 bis 5 Atmosphären stieg. Als die Maschine wieder in Gang gesetzt wurde, und beide Kessel im Verlauf von 20 Minuten mit der Maschine in Verbindung standen, war der Druck bis auf 4 Atmosphären, und die Temperatur auf 136°,7 gesunken; letztere war aber noch nicht stationär. Wollte man nun noch für die Temperatur der Masse des Blechs die Mittelzahl zwischen der äußeren von dem Thermometer angezeigten, und der inneren Temperatur annehmen, welche dem Dampfdruck entspricht, so würde man 136,°5 statt 131° für den Gang der Maschine, und 146°,5 statt 141° für ihren Stillstand haben. Der Temperaturunterschied zu beiden Zeiten würde demnach 10° sey. Beide Versuche haben folglich ein und dasselbe Resultat ergeben, d.h. eine Temperatur, die an der äußern Oberfläche des Blechs während des Stillstands der Maschine um 5–10° höher ist als während ihres Ganges, und eine mittlere Temperatur des Blechs, welche beim Stillstande der Maschine um 6–10° höher als beim Betriebe derselben ist. Diese Differenz ist in dem vorliegenden Fall zu gering, um Explosionen zu erklären. Nimmt man nun wirklich an, daß die Masse des Blechs beim Wiederanlassen der Maschine plötzlich die Wärme abgeben muß, welche einer Temperatur von 10° entspricht, so würde diese Wärmemenge in dem vorliegenden Fall 1062 Wärmeeinheiten betragen, die im Stande sind augenblicklich 1,63 Kil. Wasser zu verdampfen, welche im Innern des Kessels verdampft und concentrirt, die innere Spannung des Dampfes auf 4,64 Atmosphären erhöhen würden. Dieß ist die äußerste Gränze, welche sich aus den vorhergehenden Versuchen nach dieser Hypothese ergibt. Nun ist aber diese Gränze in dem vorliegenden Fall offenbar viel zu hoch, weil dabei vorausgesetzt wird, daß das Wasser augenblicklich verdampft, und daß das Blech des Kessels, sobald die Maschine wieder in Gang gesetzt wird, sich mit der Masse des Wassers augenblicklich in das Gleichgewicht der Temperatur setzt. Die Erfahrung lehrt hingegen daß dieß durchaus nicht der Fall ist, denn wenn die Maschine wieder in Betrieb gesetzt wird, so bedarf das Thermometer zum Sinken um 1° wenigstens 3 Minuten, und das Manometer fängt immer an zu fallen, statt zu steigen. Bei der innern Spannung des Kessels, welche im normalen Zustande während des Ganges der Maschine stattfindet, repräsentirt die Dampfmenge welche das Blech erzeugt, um sich mit der Temperatur ins Gleichgewicht zu setzen, nur ein Volum von 3,08 Kubikmetern, und dieses Volum kann mittelst des Spieles der Maschine in derjenigen Zeit, während welcher das Blech sich abkühlen kann (welcher Zeitraum wenigstens 1/2 Stunde beträgt), vollkommen ausströmen. Zur Erklärung der Temperaturdifferenz welche während des Stillstandes und während des Betriebes der Maschine stattfindet, sind nur zwei Hypothesen zulässig. Die innere Spannung muß entweder in Folge der Anhäufung des Dampfes im Kessel zunehmen, oder es muß das beim Wiederanfang des Ganges von dem Dampf mitgerissene flüssige Wasser die Kesselwände abkühlen. Beide Hypothesen stimmen mit den numerischen Resultaten der zwei erwähnten Versuche überein. Nach dem dritten Versuch aber, welcher hauptsächlich in der Absicht angestellt wurde, die Ursache der fraglichen Thatsache zu ermitteln, muß dieselbe lediglich der höhern Spannung zugeschrieben werden, welche durch die Anhäufung des Dampfes in der Zwischenzeit der Ruhe veranlaßt wurde. Man ließ nämlich bei diesem dritten Versuch, dessen Resultate in obiger Tabelle detaillirt sind, während des Stillstandes der Maschine die Dämpfe durch die Röhre entweichen, welche das Wasser in den Kessel zurückführt, so daß sich der Dampfdruck während des Stillstandes der Maschine nicht erhöhte. Da man nun das Feuer gänzlich abgehen ließ, so konnte nur sehr wenig Dampf entweichen, und man konnte daher die Wirkung des Wassers, welche dieser Dampf zur Abkühlung der Kesselwände mitzureißen vermochte, gänzlich unberücksichtigt lassen. Es ergab sich auf diese Weise der Dampfdruck während des Stillstandes der Maschine zwischen 3,47 und 3,60 Atmosphären, und die Temperatur welche am Ende des Betriebes noch nicht stationär war, stieg nur von 133°,5 auf 137°, d.h. um 3°,5; von 2 Uhr 45 Min. bis 3 Uhr erhielt sich die Temperatur zwischen 136°,6 und 137°. In diesem Augenblick warf man Brennmaterial auf den Rost und schürte das Feuer wieder lebhaft an, ohne noch eine Verbindung mit der Maschine herzustellen. Von 3 Uhr 5 Min. bis 3 Uhr 15 Min. stieg der Dampfdruck von 3,75 bis zu 4,20 Atmosphären, und die Temperatur von 136°,9 bis 143°,5. Um 3 Uhr 15 Min. wurde die Verbindung mit der Maschine hergestellt, und der Kessel mit Wasser gespeist. Von 3 Uhr 15 Min. bis 3 Uhr 25 Min. erhielt sich der Druck zwischen 4,52 und 4,60 Atmosphären, und die Temperatur zwischen 145 und 144°,6. Wenn man folglich dafür sorgt, daß der Dampfdruck während des Stillstandes der Maschine nicht steigen kann, so bekommt man nur eine unbedeutende Temperaturerhöhung; überdieß ergibt sich aus diesen Versuchen daß unter allen Umständen, wo die Temperatur in dem einen oder dem andern Sinne schwankte, dieß in demselben Sinne der Fall war wie beim Druck des Dampfes im Kessel. Nur ein Versuch hat eine Anomalie gezeigt, die sich übrigens leicht erklären läßt; bei diesem Versuch blieb, als man die Maschine wieder in Gang setzte, der andere Kessel verschlossen, während derjenige an welchem das Thermometer angebracht war, der Maschine allein Dampf lieferte; hierbei stieg der Druck von 5 auf 5,40 Atmosphären, während die Temperatur von 137 auf 132° fiel. Dieser Umstand erklärt sich aber ganz natürlich, wenn man berücksichtigt daß das Manometer, welches zu gleicher Zeit mit beiden Kesseln in Verbindung steht, den Druck im Innern desjenigen Kessels, der allein im Betriebe war, und in welchem die Dampfspannung eine geringere als in dem andern seyn mußte, gar nicht anzeigte. Aus meinen Versuchen scheint daher hervorzugehen, daß bei allen zweckmäßig eingerichteten und betriebenen Dampfkesseln, unter Umständen wie die obigen, welches der gewöhnlichste Fall ist, die Anhäufung des Dampfes während der Einstellung der Maschine eine Ueberhitzung der Kesselwände veranlaßt, die jedoch an und für sich nicht hinreichend ist um eine Explosion zu veranlassen. Die französische Centralcommission für Dampfmaschinen hat die Folgerungen meines Berichtes gutgeheißen und auf den Vorschlag eines ihrer Mitglieder nachstehende Bemerkungen hinzugefügt: „Die oben mitgetheilten Versuche beweisen, daß in dem vorliegenden Falle wie in allen ähnlichen Fällen die Wärmeströmung fortwährend aus dem Innern nach dem Aeußern des Kessels stattfindet, so daß der Kessel stets Wärme an das Gemäuer abgibt, anstatt solche von letzterm aufzunehmen; es ist daher in dem Augenblick, wo die Maschine wieder in Betrieb gesetzt wird, keine Explosion zu befürchten. Dagegen könnte bei schlecht betriebenen Kesseln, unter denen das Feuer sehr stark geschürt wird, der umgekehrte Fall eintreten; daß nämlich das Mauerwerk überhitzt wäre, und seine Wärme direct an das Blech des Kessels abgäbe, welches dann eine bedeutend höhere Temperatur als das Wasser erlangen könnte; unter diesen Umständen wäre im Augenblick des Wiederanlassens der Maschine eine Explosion zu befürchten.“