LXXIX. Ueber den Nutzeffect und die Construction von Oefen für metallurgische und technische Zwecke; von C. Schinz. (Schluß von S. 209 des vorhergehenden Heftes.) Mit Abbildungen auf Tab. IV. Schinz, über den Nutzeffect und die Construction von Oefen für metallurgische und technische Zwecke. Für die Praxis weit wichtiger wäre eine genaue Kenntniß der Leitungsfähigkeit der zu schmelzenden oder zu erhitzenden Körper, da diese eigentlich die Zeit bedingt, in welcher der gewünschte Effect erreicht werden kann. Leider sind unsere Erfahrungen noch zu mangelhaft, um diese Effecte aus der Leitungsfähigkeit jener Körper a priori berechnen zu können, und die mit wissenschaftlicher Schärfe ausgeführten Untersuchungen von Peclet über die Leitungsfähigkeit verschiedener Materialien lassen sich für den vorliegenden Fall bloß zur Vergleichung, nicht zur Bestimmung absoluter Werthe benutzen. Als Beitrag zu dem, was auf diesem Felde noch zu thun ist, will ich hier eine Erfahrung mittheilen. In einem Ofen wurden in 17 Stunden 1800 Pfd. Glas mit einem Aufwande von 0,9917 Pfd. Holz per 1 Pfd. Glas geschmolzen; in einem andern Ofen wurden 5000 Pfd. Glas in 18 Stunden mit einem Aufwand von 1,4111 Pfd. Holz per 1 Pfd. Glas geschmolzen, also mit einem Mehraufwand von 29,7 Proc., und doch war die Wärme transmittirende Wandfläche des ersten Ofens um 23 Proc. im Verhältniß zum Inhalte des Ofens größer, so daß der zweite Ofen nothwendig gegen den ersten eine wesentliche Ersparniß statt eines Mehrverbrauchs hätte geben sollen. Der Eigenthümer des zweiten Ofens behauptete mit der größten Bestimmtheit, daß sein Glassatz nicht im geringsten strengflüssiger sey, als der im ersten Ofen angewandte, und es wurde daher von ihm die Erfüllung des Contractes bezüglich der in Aussicht gestellten Ersparniß bestritten. Der Glassatz, welcher im ersten Ofen verwendet wurde, bestand aus: 100 reinem Sand  25 gepulvertem Kalkstein  12 1/2 Potasche  12 1/2 kohlensaurem Natron; CaO, 3 SiO³ + NaO, 2 SiO³ + KaO, SiO³. derjenige des zweiten Ofens bestand aus: 100 Sand (eigentlich 125, wovon      1/5 kohlens. Kalk)  54 Kalkstein (wovon 25 in 125       Sand enthalten),    9 kohlensaurem Natron. 2 CaO, 3 SiO³ + NaO, 3 SiO³. Das Verhältniß des Sauerstoffs der Basen zu demjenigen der Kieselsäure war im ersten Satze 1 : 7, und im zweiten Satze 1 : 5. Hiernach sollte man allerdings vermuthen, daß dem ersten Satze eine geringere Schmelzbarkeit zukäme. Aber die Erfahrung im ersten Ofen mit einem Glassatze von 100 Sand, 18,5 Kalkstein und 14,6 Soda, dessen Sauerstoffverhältniß 1 : 6 ist, ergab schon eine sehr bedeutende Verlängerung der Schmelzzeit; ferner ist nach Plattner's Untersuchungen der Schmelzpunkt von Kalkschlacken um 100° höher als derjenige gewöhnlichen weißen Glases, woraus hervorgeht, daß wenigstens der Schmelzpunkt eines kalkreichen Glases höher liegen muß. Uebrigens erklärt ein höherer Schmelzpunkt noch keineswegs die bedeutende beobachtete Differenz in der Schmelzbarkeit, da ein um 100° höherer Schmelzpunkt nur 13 Proc. und ein um 50° höherer nur 6 Proc. mehr Holzverbrauch veranlassen würde, während dieser Mehrverbrauch im zweiten Ofen effectiv 30 Proc. betrug. Ich bin endlich zu einer mit den Thatsachen sehr genau übereinstimmenden Erklärung des verschiedenen Verhaltens dieser beiden Glassätze gelangt. Es ist die den Materialien des Glassatzes zukommende Leitungsfähigkeit für die Wärme, welche dessen geringere oder größere Schmelzbarkeit bedingt. Die Leitungsfähigkeit des fein gepulverten Kalksteins ist 0,0618; diejenige des Quarzsandes ist 0,162 und diejenige der gepulverten kohlensauren Alkalien 0,084; sobald aber die letzteren Rothglühhitze angenommen haben, schmelzen dieselben und bilden also eine zusammenhangende Masse, so daß deren Leitungsfähigkeit nun 0,7 wird. Da nun das Schmelzgut nach seinem Einfüllen in die Häfen sehr bald auf Rothglühhitze gebracht ist, während der Schmelzdauer aber für den größeren Theil der Zeit die geringere Temperaturdifferenz zwischen dem Feuer und dem Schmelzgute stattfindet, so machen wir nur einen sehr kleinen Fehler indem wir die Leitungsfähigkeit der Alkalien gleich 0,7 setzen. Dann wird die Leitungsfähigkeit des Glassatzes für den ersten Ofen: 100 Sand × 0,162 = 16,200   25 Kalkstein × 0,0618 =   1,545   25 Alkalien × 0,7 = 17,500 –––– ––––––– 150 = 35,245 und die mittlere Leitungsfähigkeit ist 35,245/150 = 0,2350. Der Glassatz für den zweiten Ofen gibt: 100 Sand × 0,162 = 16,2000   54 Kalkstein × 0,0618 =   3,3372     9 Soda × 0,7 =   6,3000 –––– ––––––––– 163 = 25,8372 und die mittlere Leitungsfähigkeit ist 25,8372/163 = 0,1585. Wenn daher ersterer Glassatz in 17 Stunden den Schmelzproceß vollendet, so wird letzterer bei gleicher Intensität der Ofenhitze oder des Feuers 0,1585 : 0,235 = 17 : x = 27,14 Stunden brauchen. Würde daher dieser Glassatz im ersten Ofen bei gleicher Intensität des Feuers geschmolzen worden seyn, so wäre der Verbrauch pro 1 Pfd. Glas gewesen (27,14 . 105)/1800 = 1,5832 Pfd. Holz, während bei dem ersten Glassatz dieser Verbrauch nur 0,9917 Pfd. war; es ist folglich die Schmelzbarkeit des zweiten Satzes um 37 Proc. geringer als diejenige des ersten. Da aber 27 Stunden Schmelzzeit nicht bloß wegen der Transmission der Ofenwände, sondern auch wegen der Arbeitsvertheilung in der Glasfabrication höchst ungünstig sind, so mußte durch einen größern Holzverbrauch und damit hervorgebrachte höhere Ofentemperatur die Schmelzzeit verkürzt werden. Folgende Schemen zeigen am besten wie dieser Zweck erreicht wurde. Im ersten Ofen wurden in der Stunde (Zeiteinheit) consumirt    105 Pfd. Holz à 3877 = 407,085 W. E. –––––––––––––– vom Glase absorbirt (Pfd. 1800 . 0,2 . 1300)/17 Stunden =   27,529 von 64 Quadratfuß Ofen-Wandfläche transmittirt bei 1400°    Ofen-Temperatur à 1740 = 111,360 mit den Verbrennungsproducten entfernt Pfd. 105 . 1,8108 .    1412° = 268,196 ––––––––––––––    407,085 Die kleinste Temperatur-Differenz zwischen Glas und Verbrennungsproducten war also 1412° – 1300° = 112°. Im zweiten Ofen mit dem schwerschmelzbaren Satze war die    Schmelzzeit 18 Stunden und der Holzverbrauch 392 Pfd.    per St. = 392 × 3877 = 1,519,784 W. E. –––––––––––––– vom Glase absorbirt (Pfd. 5000 . 0,2 . 1350°)/18 Stunden =      75,000 von 136 Quadratfuß Wandfläche bei 1450° Ofentemperatur à    1003 transmittirt =    258,808 mit den Verbrennungsproducten entfernt Pfd. 392 . 1,8108 .    1670 = 1,185,976 ––––––––––––––    1,519,784 W. E. es war also die nöthige Temperatur-Differenz im Minimum, um in 18 Stunden zu schmelzen = 1670° – 1350° = 320°, wobei der Schmelzpunkt des Glases um 50° höher angenommen ist als im ersten Ofen. Wäre nun in diesem zweiten Ofen der Satz des ersten geschmolzen worden, so wäre der Holzverbrauch gewesen:     Pfd. 234 × 3877 = 907,418 W. E. ––––––––––––– vom Glase absorbirt (Pfd. 5000 . 0,2 . 1300°)/17 Stunden =   76,471 von 136 Quadratfuß transmittirt bei 1400° à 1740 = 236,640 durch die Verbrennungsproducte entführt Pfd. 234 . 1,8108 .    1412° = 594,307 ––––––––––––– = 907,418 W. E. Der Holzverbrauch pro 1 Pfd. Glas ist: a) im ersten Ofen für leicht schmelzbaren Satz (17 . 105)/1800 = 0,9917 Pfd. b) in demselben mit dem schwer schmelzbaren Satz (27,14 . 105)/1800 = 1,5832   „ c) im zweiten Ofen mit dem leicht schmelzbaren Satz (17 . 234)/5000 = 0,7816   „ d) in demselben mit dem schwer schmelzbaren Satz (18 . 392)/5000 = 1,4111   „ Vergleichen wir den Holzverbrauch a mit c so ergibt sich ein Unterschied von 21 Proc. zu Gunsten von c, welche also das günstigere Flächenverhältniß des letztern Ofens bestimmen; vergleichen wir c mit d, so ist der Unterschied 37 Proc., welcher den Unterschied der Schmelzbarkeit der beiden Sätze bestimmt; vergleichen wir endlich a mit d, so ergibt sich ein Unterschied von 30 Proc., welcher den effectiven Mehrverbrauch an Holz bezeichnet, der den Streit veranlaßte. Dieser Mehrverbrauch beruht aber auf der um 37 Proc. geringeren Schmelzbarkeit des Glassatzes. Addiren wir zu dem effectiven Mehrverbrauch = 30 Proc., für verminderte Ofenwandfläche 21 Proc., 30 + 21 = 51, so bleibt eine Differenz von 51 – 37 = 14 Proc., welche der Ofen wirklich mehr consumirte; diese 14 Proc. dürften wohl daher rühren, daß in Folge der Steigerung des Holzverbrauchs die Gasentwickelung weniger stetig ist. Da in beiden Oefen die Hafenoberfläche, durch welche hindurch die Wärme an das Glas treten mußte, nahezu die gleiche war, so konnte diese keinen Einfluß ausüben; sonst aber wird allerdings bei der Bestimmung der Leitungsfähigkeit noch der Factor der mehr oder weniger dicken Schichte, durch welche die Wärme einziehen muß, mit in Betracht kommen. Was nun den Schmelzpunkt der zu schmelzenden Substanz betrifft, so haben wir bereits gesehen welchen Einfluß derselbe ausübt, und die oben mitgetheilte Tabelle über den Nutzeffect der Brennstoffe für Temperaturen von 1000°, 1100° bis 1500°, zeigt diesen Einfluß sehr übersichtlich. Bei der Construction der Oefen kommt nun, wie ebenfalls bereits ersichtlich geworden, sehr viel darauf an, daß die Ausdehnung der Ofenwände auf das zulässige Minimum beschränkt wird, da diese Flächen weit mehr Wärme zerstreuen als der zu erhitzende oder zu schmelzende Körper aufnimmt. Die specifische Wärme des Materials, woraus diese Wände bestehen, ist von geringem Einfluß, wenn der Ofen, wie beim Schmelzen von Glas oder beim Puddeln von Eisen, in fortdauerndem oder fast fortdauerndem Betriebe ist. Wenn aber der Betrieb ein periodischer ist, oder gar eine völlige Abkühlung des Ofens zwischen jeder Operation stattfinden muß, wie beim Brennen von Thonwaaren, so hat die specifische Wärme des Ofenmaterials, oder mit anderen Worten die Wärmecapacität der Ofenwände, einen sehr bedeutenden Einfluß auf den Nutzeffect des Ofens. Der gebrannte Thon, welcher fast ausschließlich zum Ofenbaue verwendet wird, verhält sich bezüglich seiner specifischen Wärme verschieden, dieselbe variirt zwischen 0,1890 und 0,2410; man könnte aber diese Werthe, welche per Kubikfuß eine Capacität von 184 bis 233 W. E. ergeben, sehr beträchtlich vermindern, indem man die Steine entweder hohl oder porös machte, so daß eine viel kleinere Masse zu erhitzen wäre. Von überwiegendem Einfluß auf die Oekonomie beim Betriebe pyrotechnischer Apparate für hohe Temperaturen ist hingegen die Leitungssähigkeit des Materials woraus die Ofenwände bestehen. Peclet hat die Leitungsfähigkeit von zwei Sorten gebrannten Thones zu 0,306 und 0,414 bestimmt. Da aber die Zusammensetzung des Thons von verschiedenen Fundorten sehr variirt, so können uns diese Zahlen nur ein beiläufiges Maaß der Grenzen geben, innerhalb welcher die Leitungsfähigkeit des gebrannten Thones liegt. Die erste Bestimmung ergibt für 1 Quadratfuß Ofenwand bei 1500° Temperaturdifferenz zwischen der inneren Ofenfläche und der äußeren Luft: 1500 × 0,306 = 459 W. E., und die zweite ergibt 1500 × 0,414 = 621 W. E.; es ist daher leicht einzusehen, daß solche Angaben zu einer genauen Berechnungsweise nicht dienen können. Eine genaue Kenntniß der Leitungsfähigkeit der für den Ofenbau dienenden Materialien ist aber besonders deßhalb wichtig, weil, wie wir schon im Vorhergehenden gesehen haben, die durch die Ofenwände zerstreute Wärme je nach der Temperatur der Oefen, 22 bis 33 Proc. der producirten Wärme betragen kann; und da von der im Ofen abgegebenen Wärme auch eine entsprechende Menge mit den Verbrennungsproducten abzieht, so beträgt in Wirklichkeit der Wärmeverbrauch für den Ofen selbst 60 bis 90 Proc. der Production, während der eigentliche Nutzeffect, nämlich die Wärme welche dem zu schmelzenden oder zu erhitzenden Körper mitgetheilt wird, nicht mehr als 5 bis 7 Proc., und mit Hinzuziehung der abgeführten Verbrennungsproducte 10 bis 40 Proc. ausmacht. Ich sah mich daher veranlaßt, alle Bedingungen zu prüfen, welche geeignet sind den großen Wärmeverlust durch die Ofenwände zu vermindern. In meiner „Wärme-Meßkunst“ habe ich (Artikel 240 und folgende) die allgemeinen Werthe sowie die Formeln angegeben, nach welchen die Transmission der Wärme durch mehr oder weniger dicke Wände zu berechnen ist. Ich habe nur hinzuzufügen, daß wenn die äußere Temperatur = t' einer etwas dicken Wand 60° C. übersteigt, alsdann die Transmission nicht mehr dieser Temperatur proportional berechnet werden darf, sondern eine solche Fläche ist als eine constante Wärmequelle zu betrachten, welche ihre Wärme an die sie umgebende Luft in progressiver Menge nach dem Gesetze von Dulong abgibt, also nach der Formel Sm (at – 1) + Lnt b, worin L und S die Leitungs- und Strahlungscoefficienten für die wärmeabgebende Fläche sind, m und n constante Größen, ebenso a und b, während t die Temperaturdifferenz zwischen der wärmeaufnehmenden Luft und der wärmeabgebenden Fläche bezeichnet. Da nun die Temperatur der Wandfläche abhängt: 1) von dem Strahlungscoefficient der Wandfläche = S 2) von der Form der Wand = L 3) von der Dicke der Wand = e 4) von der innern Temperatur = t 5) von der äußeren Temperatur = t'' 6) von der Leitungsfähigkeit ihres Materials = C so müssen alle diese Factoren berücksichtigt werden, wenn man die Bedingungen untersucht, unter denen diese Temperatur beschränkt wird, und darauf kommt es eigentlich an, da ja gerade diese Temperatur in der oben angeführten Formel von Dulong allein bestimmend ist. Um diese Untersuchung möglichst einfach und dadurch übersichtlicher zu machen, habe ich für S, L, t'' und t mittlere Werthe angenommen, welche für die in Rede stehenden Oefen annähernd passen. Ich habe gesetzt S = 0,648 L = 0,4383 t'' = 0 t  = 1500°, folglich t ± t'' auch = 1500°. Die Werthe von e (Wanddicke) habe ich gesteigert von 5'' bis auf 30'' und endlich C auf drei Werthe gesetzt, nämlich: 0,084; 0,31 und 0,5; dabei habe ich auch noch die Wärmeleitungsfähigkeit der Luft = 0,024 in Ansatz gebracht, um den Einfluß von Luftschichten nachzuweisen, wenn man solche zwischen den Ofenwänden einschließt. Da ich noch nicht dazu gekommen bin, die Werthe von C durch genaue Versuche zu bestimmen, so habe ich dafür diejenigen gewählt, welche mit meinen Erfahrungen an ausgeführten Apparaten am besten übereinstimmen; demnach gilt 0,5 für gewöhnliche Backsteine, hart gebrannt und mit erheblichem Gehalt an Eisenoxyd; 0,31 für feuerfeste Steine von ziemlich feinem Korne; 0,084 für ähnliche Massen, welche aber durch organische Stoffe porös gemacht wurden. Mit diesen Factoren habe ich eine große Anzahl von Berechnungen durchgeführt und deren Resultat in den Figuren 1, 2 und 5 graphisch dargestellt. Die verticalen Linien in diesen Figuren geben die Wanddicke = e in Zollen = 0,03 Meter an; die horizontalen Linien, welche die Curven berühren, geben die Wärme-Einheiten an, welche pro 1 Quadratfuß und pro Stunde von der äußeren Wandfläche an die umgebende Luft transmittirt werden. Die Curve A, Fig. 1, ist bestimmt durch die erhaltenen Rechnungsresultate für C = 0,5, und e bei 5'' anfangend und bei 30'' endend; die Curve B, Fig. 1, ist bestimmt für C = 0,31, und e bei 5'' anfangend und bei 30'' endend; die Curve C, Fig. 1, für C = 0,084, und e bei 5'' anfangend und bei 30'' endend; die Curve D, Fig. 2, für C = 0,31, und e = 5'', dann C' = 0,5, und e' bei 1'' anfangend und bei 24'' endend; das heißt, die Wand hat gegen das Innere des Ofens eine 8'' dicke Fütterung von feuerfesten Steinen, die dann in zunehmender Dicke mit gewöhnlichen Backsteinen (deren Leitungsfähigkeit = 0,5) umkleidet sind. Die Curve E, Fig. 2, ist basirt auf eine innere Mauer von feuerfesten Steinen, nämlich C = 0,31 und e = 8''; diese ist mit einem lufterfüllten Raume von 3'' umgeben, d.h. C' = 0,024 und e' = 3''; endlich besteht die äußere Umhüllung aus gewöhnlichen Backsteinen, wofür C'' = 0,5 und e'' von 1'' bis 19''. Die Curve F, Fig. 2, endlich ist gebildet durch die Berechnung für eine innere Schicht C = 0,084 und e = 8'', eine Luftschicht C' = 0,024 und e' = 3'', dann eine äußere Umhüllung C'' = 0,31 und e'' = 1'' bis 19''. Diese Curven zeigen nun, daß der Einfluß der Leitungsfähigkeit des Materiales weit bedeutender ist als derjenige der Dicke der Wände, und daß namentlich mit Luft erfüllte Zwischenräume und hohle oder poröse Steine am meisten dazu beitragen die Wärmetransmission herabzudrücken; dieser Einfluß macht sich um so mehr geltend, als bei zunehmender Wanddicke auch die Oberfläche der Wand eine größere wird, wodurch auch wieder mehr Wärme zerstreut wird. Um über dieses Verhältniß ins Klare zu kommen, habe ich, wie in den Figuren 3 und 4 im Längen- und Querschnitte dargestellt ist, die für jeden Zoll zunehmender Wanddicke entstehende Fläche berechnet und diese Flächen mit dem für je einen Quadratfuß erhaltenen Werthe multiplicirt; dadurch sind die Curven der Fig. 5 entstanden, welche ebenfalls A bis F benannt sind und den gleichnamigen Curven in den Figuren 1 und 2 entsprechen. Diese zeigen, daß bei gut leitendem Material selbst 3 Fuß dicke Mauern stets die Transmission vermindern, während bei schlecht leitendem Material durch dicke Mauern, wegen der vermehrten Oberfläche, dieselbe zunimmt. In der Wand eingeschlossene Luftschichten oder poröse Steine führen zu demselben Ziele und sind als analog zu betrachten, denn der poröse Stein enthält ebenfalls eingeschlossene Luft, welche dieselbe Wirkung hervorbringen muß als wenn sie in besonderen Räumen enthalten wäre. Da in unseren Berechnungen nur die Factoren C und e veränderlich sind, und die Endresultate bloß von dem Gliede e/C + e'/C' (siehe Artikel 245 meiner Wärme-Meßkunst) abhängen, so können wir diese Annahme leicht prüfen. In der Wand E haben wir 13'' feuerfeste Steinmasse und 3'' Luft, in der Wand C 16'' porösen Stein; wäre nun in letzteren das Aequivalent von 3'' Luft eingeschlossen, so müßten wir 1,3/0,31 + 0,3/0,024 = 16,7 haben wie für die Wand E; wir haben aber 1,6/0,084 = 19,0, daher das Material der Wand C einer Schicht von 3,6'' Luft und 12,4'' Thon gleichkommt, welche gibt: 1,24/0,31 + 0,36/0,024 = 19,0, und ein Kubikfuß dieses porösen Steins würde dann, das specifische Gewicht des Thons = 1,8 angenommen, wiegen Pfd. 75,33 + 0,016 = 75,346 Pfd., während dieselbe Masse ohne Poren 97,2 Pfd. wiegt, oder das spec. Gewicht der porösen Masse wäre 1,3953. Da es möglich ist, poröse Steine von spec. Gewicht 0,7 zu machen, so könnte auch das Leitungsvermögen C auf 0,0374 heruntergebracht werden. Führen wir mit diesem Werthe von C die Rechnung für eine 8'' und 16'' dicke Wand aus, so erhalten wir pro Quadratfuß 92 und 42 W. E., und für die diesen Wanddicken nach Fig. 4 und 5 entsprechenden Außenflächen 6624 und 4410 W. E. Fassen wir nun die Ergebnisse für diese beiden Wanddicken zusammen, so haben wir: Curve. Leitungsquotienten. pro1 QuadratfußW. E. proOfenflächeW. E. – 1,600/0,0374   42   4410 C 1,600/0,084   98 10300 F 0,8/0,31 + 0,3/0,024 + 0,5/0,31 = 1,6/0,098 122 12810 E 0,8/0,31 + 0,3/0,024 + 0,5/0,5   = 1,6/0,1 127 13335 B 1,6/0,31 596 62580 D 0,8/0,31 + 0,8/0,5                     = 1,6/0,382 840 88200 A 1,6/0,5        1360    142800 ======= ========== ======== – 0,8/0,0374   92   6624 C 0,8/0,084 250 18000 B 0,8/0,31        2071    149112 A 0,8/0,5        6260    440720 Die Aequivalente an trockenem Holze für letztere Zahlen ergeben pro 16'' Wanddicke, intensive Feuerung, Pfd.  18; 41; 51; 54; 251; 354 u. 573   8'' Wanddicke, „ Pfd.  27; 72; – – 599; – 1770 16'' Wanddicke, Gasfeuerung, Pfd. 3,8; 9; 11; 11,5; 54; 77; 124   8'' Wanddicke, „ Pfd. 5,7; 15,6; – – 129; – 382. Aus dieser Zusammenstellung der erhaltenen Resultate ersieht man, von wie großem Belang das Durchleitungsvermögen des Materiales der Ofenwände ist, und zugleich welche bedeutende Brennstoffersparniß durch gehörige Berücksichtigung dieser Eigenschaft erreicht werden könnte. Es wird eine Zeit kommen, wo der Hüttenmann eben so gut sein Ofenbaumaterial auf dessen Leitungsfähigkeit untersuchen wird, als er jetzt seine Erze der chemischen Analyse unterzieht.