XXXIX. Ueber Ericsson's Caloric-Maschine; von William A. Norton, Professor der Ingenieur-Mechanik am Yale College in New Haven. Aus Sillimans's american Journal of Science and arts, Mai 1853, S. 393. Norton, über Ericsson's Caloric-Maschine. I. Theorie der Triebkraft der Maschine. Folgende Principien sind bei der Aufstellung der Theorie der Ericsson'schen Luftexpansionsmaschine wohl ins Auge zu fassen. 1) Die Expansivkraft der heißen Luft unter dem Arbeitskolben muß etwas geringer seyn, als die der comprimirten Luft im Recipienten, weil sonst die Luft des Recipienten nicht das Bestreben hätte, in die Heizkammer zu strömen. Der Unterschied braucht übrigens nur wenige Unzen zu betragen; er hängt von den der Luftströmung entgegenstehenden Hindernissen ab, so wie von der Weite der Communications-Oeffnung und der Heizkammer. 2) Wenn die Luft aus dem Speisecylinder in den Recipienten strömt, so muß ihre Spannkraft größer seyn, als diejenige der in dem Recipienten befindlichen Luft, weil sich sonst die Ventile des Speisecylinders nicht öffnen würden. Bei Untersuchung der Leistung der Maschine will ich indessen diese Ungleichheit des Druckes außer Acht lassen und annehmen, die Expansivkraft der Luft sey in den Arbeits- und Speisecylindern sowie in dem Recipienten die gleiche, so lange nämlich die Communicationswege zwischen denselben offen sind. 3) Da die beiden mit einander verbundenen Kolben von ungleicher Größe und der Luftdruck gegen dieselben gleich oder nahezu gleich ist, so übersteigt der gesammte aufwärtsgehende Druck den abwärts gerichteten, und beide Kolben werden mit einer der Differenz dieser Pressungen gleichen Kraft aufwärts gedrückt. 4) Bei den Ericsson'schen Maschinen findet die Absperrung des Luftzutrittes bei 2/3 des Kolbenhubes statt; deßwegen hat der Raum unterhalb des Arbeitskolbens, in welchen die Luft von dem Recipienten einströmt, bevor das Ventil sich schließt, den nämlichen Inhalt, wie das Innere des Speisecylinders. Es wird bald erhellen, daß dieses mit einem allgemeinen Princip übereinstimmt, welches hinsichtlich der Wirkung der in Rebe stehenden Maschine von Wichtigkeit ist. 5) Wenn sich die Maschine in normaler Thätigkeit befindet, so kann das beim aufwärtsgehenden Kolbenhub in den Arbeitscylinder strömende Luftquantum die gleichzeitig aus dem Speisecylinder in den Recipienten gedrückte Luftmenge nicht übersteigen; in der Wirklichkeit muß dasselbe, weil immer einige Luft durch die Fugen entweicht, etwas geringer seyn. Wenn nun diese Luftmenge, nachdem sie in den Arbeitscylinder eingeströmt ist, ihre ursprüngliche Temperatur beibehalten würde, so würde ihr Druck demjenigen der äußeren Luft gleichkommen, d.h. ungefähr 15 Pfund per Quadratzoll betragen. Nehmen wir aber an, ihre Temperatur werde bis auf 480° Fahrenh. erhöht, so würde ihre Spannkraft verdoppelt, d.h. auf 30 Pfund per Quadratzoll erhöht werden. Um diese Annahme zu realisiren, muß daher die comprimirte Luft im Recipienten eine Expansivkraft von mehr als 30 Pfund, d.h. von 15 Pfund über den atmosphärischen Druck haben. Betrüge die Temperatur im unteren Cylinder 384° F. über die Temperatur der äußern Luft, anstatt 480°, so würde der Druck in diesem Cylinder und somit nothwendig auch im Recipienten 12 Pfund, d.h. 384/480 . 15 Pfund über den atmosphärischen Druck betragen. Es ist hiebei angenommen, daß keine Entweichung der Luft durch die Fugen stattfinde. In der Wirklichkeit verhält es sich jedoch anders; weßhalb denn auch die Quantität der bei jedem aufwärts gehenden Hub in den Arbeitscylinder tretenden Luft geringer ist, als die aus dem Speisecylinder in den Recipienten getriebene Luft. Angenommen, der Druck in dem Recipienten betrage 8 Pfund über den atmosphärischen Druck und die Entweichung der Luft belaufe sich bei diesem Druck auf 1/4, so treten 3/4 der durch den Speisecylinder gelieferten Luft in den Arbeitscylinder, und ihre Druckkraft würde sich für 2/3 des Hubes auf 11 1/4 Pfund (3/4 von 15 Pfund) reduciren, wenn die Temperatur ungeändert bliebe; aber die 480° F. Wärmezuschuß werden diesen Druck auf 22 1/2 Pfund, d.h. auf 15 + 7 1/2 Pfund erhöhen. Da nun der wirkliche Druck in der Maschine 8 Pfund über den äußeren atmosphärischen Druck beträgt, so können wir schließen, daß wenn die wirksame Temperatur der erhitzten Luft diejenige der äußeren Luft um 480° F. oder etwas weniger übersteigt, der Verlust an Luft durch die Fugen während des Doppelhubes nahezu 1/4 betragen muß. Die wirkliche Temperatur der heißen Luft ist ohne Zweifel geringer als die oben angenommene, um wie viel, dieses konnte ich nicht mit Sicherheit ermitteln; daher ist auch die Luftentweichung geringer als 1/4. Den Zeitungsberichten gemäß betrug die Temperatur der heißen Luft ungefähr 450°, oder 418° über die Temperatur der äußeren Luft (diese zu 32° F. angenommen). Dieser Angabe würde ein Luftverlust von ungefähr 1/5 entsprechen; ohne Zweifel liegt derselbe zwischen 1/4 und 1/5. Bei einer gegebenen Temperatur und einer gegebenen Absperrung bestimmt die entweichende Luft den effectiven Druck. Um dieses darzulegen, nehme man an, die Temperaturerhöhung betrage 480° F., und der Luftverlust bei einem an dem Manometer des Recipienten abzulesenden Drucke von 8 Pfunden, sey = 1/4. Alsdann würde dieser Verlust bei 12 Pfund Druck 3/8 betragen und die Spannkraft der in dem Arbeitscylinder befindlichen Luft würde sich von 7 1/2 auf 3 3/4 Pfund vermindern. Blieben nun die Communicationswege unverändert, so könnte eine so bedeutende Differenz des Druckes zwischen dem Recipienten und dem Cylinder nicht stattfinden; eine weitere Quantität Luft würde aus dem Recipienten strömen und zwar bei jedem folgenden Kolbenhube, bis der Druck im Recipienten sich auf ungefähr 8 Pfund reducirt hätte, worauf der Druck im Cylinder 7 1/2 Pfund betragen und die Maschine einen stetigen Gang annehmen würde. Aus dieser Ursache hauptsächlich (wegen des Luftverlustes) ist, wie es scheint, der erwartete Druck von 12 Pfunden bei den Ericsson'schen Maschinen nicht erreicht worden und hat sich nur auf 8 Pfund beschränkt. Es gibt noch eine andere Methode, die Theorie der Triebkraft der Caloric-Maschine darzulegen. Angenommen, der constante Druck im Recipienten betrage 15 Pfund + 15 Pfund. Unter dieser Annahme wird die Luft nach Vollendung des halben Hubes aus dem Speisecylinder in den Recipienten zu strömen beginnen und unter einem etwas größeren Drucke bis aus Ende des Hubes fortströmen. Nach Vollendung des halben Kolbenhubes nimmt der Luftkörper, welcher ursprünglich den Speisecylinder unter 15 Pfund Druck füllte, die Hälfte des Raumes unter 30 Pfund Spannung ein. Während nun die Communication zwischen dem Recipienten und dem Arbeitscylinder auf die Dauer von 2/3 Hub fortwährend offen ist, strömt die nämliche Quantität Luft unter dem nämlichen Druck von 30 Pfunden aus dem ersteren in den letzteren. Diese Luft ist im Stande einen Raum gleich der Hälfte des Speisecylinders, oder was auf das Nämliche herauskommt, gleich einem Drittel des Arbeitscylinders unter der gleichen Temperatur und ohne Aenderung des Druckes auszufüllen; indem sie sich ausdehnt um 2/3 des Arbeitscylinders auszufüllen, wird daher ihre Expansivkraft auf 15 Pfund reducirt. Um nun dieses auszugleichen, ist es nur nöthig ihre Temperatur, so rasch als sie einströmt, auf 480° F. zu erhöhen, wodurch ihre Expansivkraft 30 Pfunden äquivalent bleibt. Aehnlich läßt sich die Sache für jeden andern Druck und Temperaturgrad erläutern, und die Frage des Luftverlustes kann von demselben Gesichtspunkte aus betrachtet werden. Es wurde bemerkt, daß die Absperrung, welches auch die relativen Dimensionen der beiden Cylinder seyn mögen, so adjustirt werden sollte, daß derjenige Theil des Arbeitscylinders, in welchen die Luft bei offen bleibendem Ventil einströmt, dem ganzem Speisecylinder an Volumen gleich sey. Um dieses darzulegen, wollen wir zuerst den Luftverlust durch die Fugen außer Acht lassen und den der angenommenen Absperrung entsprechenden Bruchtheil des Hubes (bei den in Rede stehenden Maschinen = 2/3) durch a, ferner einen größeren Bruchtheil des Hubes für eine andere Absperrung durch b bezeichnen. Es sey b = n . a. Denken wir uns nun, der Hub bis zur Absperrung sey bei gleich bleibendem Drucke kleiner als a, so wird der mittlere Druck für den ganzen Hub geringer seyn. Ist er aber größer als 9 (z.B. = na), so wird sich der Luftkörper, welcher ursprünglich den Speisecylinder bei 15 Pfund Druck und 32° F. Temperatur füllte, bei seinem Eintritt in den Arbeitscylinder um das n fache ausdehnen, und seine wirksame Kraft wird = 15/n . 2 seyn, die Temperatur = 480° + 32° angenommen, während für die Expansion a die Kraft = 15 . 2 ist. Bei der folgenden Expansion von a bis b ist die mittlere Kraft durch den ganzen Bruchwerth des Hubes b größer als (15 . 2)/n, insofern dieses die wirkliche Kraft nach der Expansion bis zu b ist. Das Gesagte bleibt richtig, wenn man auch den Luftverlust mit in Betracht zieht. Denn angenommen, dieser Verlust reducire den Druck der Luft, welche vor ihrer Erwärmung a füllt, auf 15/m so wird dieser Druck nach ihrer Erwärmung um 480° F. = 15/m . 2 seyn, wofür wir k setzen wollen. Nehmen wir nun an, die Absperrung werde von a bis b vermehrt, so wird dadurch die Kraft k auf k/n reducirt; aber der mittlere effective Druck für den nämlichen Bruchtheil b des Hubes wird, wenn man sich der Absperrung a bedient, größer als dieser Werth, und der wirkliche Druck nach der Expansion bis b wird = k/n seyn. Demnach ist der constante Druck für die Absperrung b gleich dem Druck für die Absperrung a, reducirt durch die Expansion bis b. Es dürfte hier der Ort seyn zu untersuchen, welche relative Durchmesser den Speise- und Arbeitscylindern zu geben sind, um den größtmöglichen Effect von der Maschine zu erzielen. Es bezeichne A den Flächeninhalt des Speisekolbens und x das Volumenverhältniß des Arbeitskolbens zum Speisekolben. Alsdann ist, wie wir gesehen haben, derjenige Theil des Hubes, während dessen die Luft in den Arbeitscylinder strömt und mit ihrem vollen constanten Druck wirkt, = 1/x. Nennen wir diesen Druck per Quadratzoll P, so gibt uns folgende Proportion den mittleren effectiven Druck p gegen den Arbeitskolben während des ganzen Hubes: x : 1 + log nat x = P : p, woraus p = (P + P log x)/x. Der aufwärtsgehende mittlere Druck gegen den ganzen Kolben ist daher repräsentirt durch den Werth (P + P log x)/x . Ax = PA + PA . log x. Der abwärts gerichtete Druck gegen den Arbeitskolben ist = 15 . Ax Pfunden, und hieraus der resultirende effective Druck = P . A . lo gx + PA – 15 Ax. Mit Hülfe der Differentialrechnung findet man daß dieser Ausdruck für x = P/15 ein Maximum wird, woraus hervorgeht, daß die Maschine bei irgend einem gegebenen Luftdruck die größtmögliche Kraft entwickelt, wenn der reciproke Werth des die Größe der Absperrung bezeichnenden Bruches und das Volumenverhältniß beider Cylinder, gleich ist dem wirkenden Druck per Quadratzoll, dividirt durch den atmosphärischen Druck von 15 Pfund. Das wirkliche Verhältniß des kubischen Inhaltes der Cylinder der Ericsson'schen Maschinen ist 665/1000 oder nahezu 66/100, und der Bruchtheil des Hubes, bei welchem der Luftzutritt abgesperrt wird, 63/100, Untersuchen wir nun, wie die Kraft der Maschinen des calorischen Schiffs zu bestimmen ist. Auf beiden Kolben lastet der gleiche oder nahezu der gleiche Luftdruck, während die Communicationswege offen sind; der Druck gegen die obere Fläche des Speisekolbens beginnt mit 15 Pfunden, wird von 2/3 des Hubes an bis aus Ende 8 Pfund + 15 Pfund. Nach Vollendung von 2/3 des Kolbenhubes wird die Luft im Arbeitscylinder abgesperrt, und wirkt nun bis an das Ende des Hubes vermöge ihrer Expansion. Der mittlere effective Druck per Quadratzoll für den ganzen Hub ist dann bei beiden Kolben der gleiche; er läßt sich auf die übliche Weise mit Hülfe der natürlichen Logarithmen ermitteln. Multiplicirt man dieses um 15 Pfund verminderte Resultat mit der Differenz des Flächeninhaltes beider Kolben in Quadratzollen und wieder mit der Geschwindigkeit des Kolbens per Minute, und dividirt das Product durch 33000, so erhält man die Pferdekraft einer der Maschinen. Es ist jedoch zu bemerken, daß das auf diesem Wege erlangte Resultat etwas zu groß ausfallen wird und zwar aus folgenden Gründen. 1) Der Druck im Speisecylinder ist größer als der Druck im Recipienten (8 Pfd.), und der Druck im Arbeitscylinder ist kleiner als dieser. 2) Während 1/3 des Hubes von Anfang an bleiben die Ausgangsventile oben am Deckel des Speisecylinders geschlossen, folglich muß die Expansivkraft der Luft im Recipienten durch ihr Ueberströmen in den Arbeitscylinder etwas vermindert werden. 3) Nach geschlossenem Ventil muß der elastische Druck der Luft in dem Arbeitscylinder während des übrigen Drittelhubes durch Verlust an den Fugen einige Verminderung erleiden. Die Folge dieses Luftverlustes ist seither nicht in Betracht gezogen worden. II. Leistungen des calorischen Schiffes in Vergleich mit Dampfschiffen. Folgendes sind die Hauptresultate einer erfolgreichen Probefahrt des „Ericsson“ von New-York nach Alexandria, hin und zurück. Anzahl der Umdrehungen der Räder per Minute = 9; Geschwindigkeit der Fahrt ungefähr = 7 1/2 Meilen; Luftdruck im Recipienten = 8 Pfund; Verbrauch an Anthracitkohlen in 24 Stunden = 6 Tonnen. Was die Pferdekraft der Ericsson'schen Maschine bei dieser Probefahrt anbelangt, so betrug die Pressung der heißen Luft 8 Pfund + 15 Pfund. Angenommen, die Absperrung betrage 15/23 = 0,652 des Hubes, so wäre der mittlere effective Druck in jedem Cylinder 6,4 Pfund + 15 Pfund, und die Pferdekraft beider Maschinen beliefe sich auf 311. Nehmen wir die Absperrung zu 63/100 an, wie in einigen Berichten angegeben wird, so stellt sich der mittlere Druck im Arbeitscylinder zu 6,04 Pfund + 15 Pfund heraus, während er im Speisecylinder 6,4 + 15 bleibt. Unter dieser Annahme zeigen sich als Resultat 259 Pferdekräfte. Für einen mittleren Druck von 6 Pfund in jedem Cylinder stellt sich das Resultat auf 292, für 6 1/2 Pfund auf 316 Pferdekräfte. Die Leistung der Maschine war übrigens bei der Versuchsfahrt aus oben bereits erwähnten Gründen unzweifelhaft geringer als 311 Pferdekräfte, und wir dürfen mit Sicherheit schließen, daß sie 300 Pferdekräfte nicht überstiegen habe, eher geringer gewesen sey. Dieses ist jedoch nur die Hälfte der vollen Maschinenkraft, wie sie Capitän Ericsson schätzt. Diese Schätzung setzt aber einen Druck von 12 Pfund voraus, während wegen des Luftverlustes u.s.w. nur 8 Pfund Druck erzielt werden konnten. Unter einer solchen Voraussetzung würde sich allerdings bei 2/3 Absperrung eine Leistung von ungefähr 600 Pferdekräften herausstellen. Der Brennmaterialverbrauch betrug 6 Tonnen Anthracitkohlen per Tag; dieses macht 1,87 Pfund per Pferdekraft in der Stunde. Für 600 Pferdekräfte würde dieses 0,93 Pfund per Pferdekraft in der Stunde ausmachen. Nehmen wir jedoch an, daß der Ueberschuß des Druckes im Recipienten über den im Arbeitscylinder und ebenso der Ueberschuß des Druckes im Speisecylinder über denjenigen im Recipienten 3/10 Pfund per Quadratzoll war, so bringen wir bei einer Absperrung von 2/3 nur 248 Pferdekräfte heraus. Der dieser Bestimmung entsprechende Brennmaterialverbrauch würde sich auf 2,26 Pfund per Pferdekraft in der Stunde belaufen. Bei Dampfschiffen beträgt der durchschnittliche Verbrauch an Anthracitkohlen nach genauen Ermittelungen 3,11 Pfund per Pferdekraft in der Stunde. Dividiren wir dieses Resultat durch 1,87 und 2,26, so erhalten wir die Quotienten 1,66 und 1,38. Hieraus ergibt sich ein Vortheil zu Gunsten des calorischen Schiffes im Verhältniß von 5 : 8,3 für die eine, und von 5 : 6,9 für die andere Schätzung der Pferdekraft. Sollte sich aber Ericsson's Schätzung des Effectes der Maschinen des Caloric-Schiffes in der Folge realisiren, so würde sich für die Ersparniß an Brennmaterial das Verhältniß von 1 : 3,39 herausstellen. Das Gewicht der Ericsson'schen Maschinen im Verhältniß zu der Pferdekraft ist dreimal so groß, als das Gewicht der Maschinen eines Seedampfbootes, und auch hinsichtlich des durch die Maschine eingenommenen Raumes ist der Vortheil auf Seite der Dampfmaschine, indem bei der letzteren die Raumersparniß in Vergleich mit der ersteren ungefähr doppelt so groß ist. Das im Verhältniß zu ihren Leistungen bedeutende Gewicht der calorischen Maschine, steht außerdem der Realisirung einer großen Geschwindigkeit der Fahrt im Wege, und was endlich die Anwendung des calorischen Princips auf die Flußschifffahrt oder den Transport auf Eisenbahnen anbelangt, so scheint das große Gewicht der Maschine und der Raum, den sie einnimmt, zum Voraus alle Hoffnung abzuschneiden, dasselbe auch auf diesem Gebiete mit Erfolg zur Anwendung gebracht zu sehen. Dagegen sind hinsichtlich der Anwendung der calorischen Maschine für die Zwecke der Fabrication, zur Entwässerung der Gruben u.s.w. diese Einwürfe von geringerem Gewichte, und man mag daher in dieser Richtung mit Sicherheit einem günstigen Resultate der Erfindung entgegensehen. Fassen wir die vorangegangenen Bemerkungen in einer gedrängten Uebersicht zusammen, so ergibt sich: 1) Daß im Vergleich mit der condensirenden Schiffsdampfmaschine die Ericsson'sche Luftexpansionsmaschine im Stande ist, mit einer um ein Sechstel bis ein Drittel geringeren Quantität Brennmaterial das Nämliche zu leisten. Sollte es aber mit der Zeit gelingen, ihr die von Hrn. Ericsson bezeichnete Kraftentwickelung zu geben, so würde sich die Brennmaterialersparniß auf 70 Procent belausen. 2) Daß bei gleicher Leistung ihr Gewicht ungefähr dreimal so groß ist als das einer Schiffsdampfmaschine, und daß im Fall die von ihrem Erfinder geschätzte Kraft erreicht werden sollte, ihr Gewicht um 30 Procent größer ausfallen würde. 3) Daß rücksichtlich des von den Maschinen und Kohlen eingenommenen Raumes der Vortheil entschieden zu Gunsten der Dampfmaschine ist. 4) Daß das große Gewicht der Maschine im Verhältniß zu der entwickelten Kraft der Erzielung einer hohen Fahrgeschwindigkeit für jetzt im Wege steht. Es ist indessen zuzugeben, daß die von dem Erfinder angegebene Kraftleistung zur Hervorbringung größerer Geschwindigkeiten sich eignen würde. Die Zeit allein kann entscheiden, ob dieses Maximum der Kraft wirklich erreichbar ist oder nicht. 5) Daß das große Gewicht der Maschine und der bei ihrer gegenwärtigen Form von ihr in Anspruch genommene Raum, aller Wahrscheinlichkeit nach ihrer Anwendung für die Zwecke der Flußschifffahrt und des Eisenbahnverkehrs im Wege steht. Dagegen ist mit Zuversicht zu erwarten, daß die Caloric-Maschine als stationäre Maschine und in denjenigen Fällen der Seeschifffahrt, wo die Geschwindigkeit ohne Nachtheil der Brennmaterialersparniß geopfert werden kann, einen entschiedenen Triumph über die Condensations-Dampfmaschine erlangen werde. Obgleich wir zu dem Schluß gelangt sind, daß der neue Motor den überspannten Erwartungen welche man im Hinblick auf seine Leistungen hegte, nicht vollständig entspricht, so müssen wir doch ohne allen Rückhalt zugeben, daß die Erfindung eine bedeutende, viel versprechende Errungenschaft auf dem Gebiete der industriellen Technik ist, und daß die Genialität der Erfindung und der in der ganzen Construction sich kundgebende mechanische Scharfsinn nicht genug hervorgehoben werden kann.