LXVIII. Pyrotechnische Rundschau; von C. Schinz. (Fortsetzung von Bd. CLXXIII S. 44.) Schinz, über Thierry's Rauchverbrennungsapparat. IX. Ueber den Rauchverbrennungsapparat von Thierry in Paris. Die bekannte Thatsache, daß Wasserdämpfe durch glühende Kohle sehr leicht in Kohlenoxyd und Wasserstoff umgesetzt werden, verbunden mit derjenigen, daß durch Verbrennung von Wasserstoff bedeutend mehr Wärme erzeugt wird, als durch Verbrennung von Kohlenstoff (34000 : 8000), erklärt es hinlänglich, daß viele technische Speculanten durch Einführung von Wasserdämpfen in das Feuer dessen Nutzeffect erhöhen zu können glauben. Daß dieselben aber jene Thatsachen unrichtig auffaßten, ist jetzt klar erwiesen, da zur Umwandlung von Wasserdampf in Wasserstoff und Kohlenoxyd eine ebenso große Wärmemenge erforderlich ist, als nachher durch Verbrennung des Wasserstoff- und Kohlenoxydgases wieder frei wird. Die Zahl dieser Speculanten hat aber dennoch nicht abgenommen, weil die Wissenschaft noch weit entfernt ist, selbst in ihren einfachsten Sätzen zum Gemeingut geworden zu seyn. Michael Ivison, Seidenspinner in Edinburgh, hatte zuerst die Idee, den Wasserdampf zur Verzehrung des Rauches in den Dampfkesselöfen anzuwenden und ließ sich dieselbe am 24. Februar 1838 in England patentiren.Ivison's Patentbeschreibung ist im polytechn. Journal Bd. LXXI S. 216 mitgetheilt. Hierzu empfahl er, Dampf aus einem Hochdruckkessel mittelst einer Röhre, welche zur Regulirung des Dampfzuflusses mit einem Hahn und an ihrem trichterartig geformten Ende mit kleinen Löchern versehen ist, in den oberen Theil des Ofens zu leiten, welcher die Flamme und die gasförmigen Verbrennungsproducte der Steinkohle enthält; indem der (nicht überhitzte) Dampf in schwachen Strahlen von oben nach unten auf das entzündete Brennmaterial herabströmt, werde nicht nur der Rauch verzehrt, sondern auch an Brennmaterial erspart, weil eine gegebene Menge Steinkohlen einen größeren Effect hervorbringe. Jacob Perkins, welcher sich so viel mit der Anwendung des Hochdruck-Dampfes beschäftigte, besprach in einem Aufsatz über Verbesserungen in der Eisenfabrication (Bulletin du musée de l'industrie 1844, p. 108) die Benutzung des überhitzten Dampfes bei den metallurgischen Processen und fügte bei: „Ich habe durch Versuche gefunden, daß wenn man in oder über die Flamme eines Feuerherdes (in der Richtung der Gasströme) überhitzten Dampf leitet, der Rauch verzehrt und die Verbrennung beschleunigt wird.“ Unter dem wissenschaftlichen Gesichtspunkte hat also Perkins zuerst entdeckt, daß überhitzte Wasserdämpfe, welche über einem Verbrennungsherde in die im Gemisch mit Luft verbrennenden brennbaren Gase injicirt werden, die Eigenschaft haben, die Verbrennung vollkommener zu machen, d.h. den Rauch nicht entstehen zu lassen und die Verbrennung zu beschleunigen. Aber Perkins veröffentlichte seine Erfahrungen, ohne sie zum Gegenstande eines Patents zu machen, und gerade deßhalb wurden sie von den Industriellen wenig beachtet. Uebergehen wir nun zahlreiche patentirte Verfahrungsarten, welche alle zum Zweck haben, nicht überhitzten Wasserdampf entweder in den Aschenraum oder durch die Roststangen selbst zu leiten, um ihn über das Brennmaterial gelangen zu lassen, so kommen wir endlich auf das Patent, welches Joseph Hazard am 9. Januar 1855 nahm und wodurch er das uns beschäftigende Problem praktisch realisirte. Die Bedingungen hierzu sind nach Hazard: 1) überhitzter Dampf wird in zahlreichen dünnen Strahlen in den Feuerraum injicirt, um denselben rauchverzehrend zu machen; 2) das Ueberhitzen des Dampfes wird durch den Feuerraum selbst bewirkt, indem der Dampf durch ein Schlangenrohr zieht, welches im Gewölbe des Ofens, folglich zwischen dem Rost und dem Kessel angebracht ist. Thierry (rue de la pompe, Nr. 11 in Paris) war der Mitarbeiter Hazard's und ist jetzt sein Cessionär; am 24. April 1855 hatte sich Guy-Richer das gleiche Verfahren in Frankreich patentiren lassen, dessen Patent jedoch durch richterliche Entscheidung ebenfalls als Thierry's Eigenthum erklärt wurde. In der letzten Zeit unterstellte Thierry seine Erfindung der Begutachtung der Société d'Encouragement pour l'industrie nationale zu Paris, welche den darüber von ihren Mitgliedern Tresca und Silbermann erstatteten Bericht in ihrem Bulletin, Februarheft 1864, S. 65 veröffentlichte. Die Versuche, auf welche sich dieser Bericht stützt, sind aber so unvollständig und so wenig übersichtlich, daß sie in der That keine anderen Schlußfolgerungen zulassen, als die von den Genannten aufgestellten, nämlich: 1) daß diese Injection überhitzten Wasserdampfes entschieden den Rauch zum Verschwinden bringe; 2) daß dieses Resultat ohne irgend welche Vermehrung des Brennstoffverbrauches erhalten werde, und fast immer mit einer nicht unbeträchtlichen Brennstoffersparniß; 3) daß die Anbringung des Thierry'schen Apparates an Dampfkesselöfen etc. leicht sey; 4) daß dieser Apparat eine Verminderung der Rostfläche zulasse und 5) endlich, daß derselbe besonders den Industriellen zu empfehlen sey. Gewiß ist darüber kein Zweifel zu erheben, daß diese Injection von überhitztem Dampfe eine Verbesserung der Verbrennung bewirkt; aber eben so gewiß ist, daß weder die Berichterstatter der Société d'Encouragement, noch der Erfinder sich bewußt waren, worin die Ursache dieser Erscheinung liegt, und daß daher die Anwendung dieses Injicirapparates sehr verschiedene Resultate gibt, je nachdem derselbe zufällig dem Brennstoffverbrauche und den Dimensionen des Dampfkessels mehr oder weniger angepaßt ist, so daß das Verschwinden des Rauches nicht in allen Fällen erreicht und noch weniger in allen Fällen eine Brennstoffersparniß erzielt wird. In allen von den Berichterstattern angestellten Versuchen, wozu meistens die besten Newcastle-Steinkohlen verwendet wurden, betrug die per 1 Kilogrm. Kohle erzeugte Dampfmenge zwischen 4,79 bis 7,93, im Mittel nur 6,453 Kilogr.; und durch den für die Injection verbrauchten Dampf reduciren sich diese Zahlen noch auf 4,58 bis 7,59, im Mittel bloß 5,652 Kilogrm. Ohne die Dampfinjection war die Dampfproduction 4,60 bis 5,72, im Mittel bloß 5,040 Kilogrm., somit die Ersparniß im höchsten Falle 12 Procent, und diese ist sehr zweifelhaft, da der zur Injection verwendete Dampf nicht einmal mit annähernder Genauigkeit gemessen werden konnte. Die Heizflächen, welche an den Dampfgeneratoren wirksam waren, sind nur bei einem der Versuche angegeben, welcher mit den Dampfkesseln im Marine-Arsenal zu Cherbourg angestellt wurde, wo sie für einen Brennstoffverbrauch von 295 Kilogrm. per Stunde = 114,75 Quadrat-Meter betrugen. Damit hoffte man wenigstens 10 Kil. Dampf per 1 Kilogrm. Kohle erzeugen zu können, während effectiv mit Dampfinjection nur 5,29 Kilogr. und ohne diese 4,60 Kilogr. erhalten wurden. Dennoch wird behauptet, der Stickstoffgehalt der Verbrennungsproducte sey im ersteren Falle 82, im letzteren 79 Proc. gewesen, während bei vollkommener Verbrennung ohne Luftüberschuß derselbe 68 Procent seyn würde. Die mitgetheilten Resultate sind dem Apparate von Thierry keineswegs günstig, noch viel weniger aber von der Art, daß man an deren Wahrheit glauben könnte. Der Bericht, welcher der Société d'Encouragement erstattet wurde, könnte füglich ignorirt werden, wenn nicht anderweitige und anderswo angestellte Versuche dargethan hätten, daß die Injection erhitzter Wasserdämpfe über dem Verbrennungsherde geeignet ist den Rauch zu beseitigen und die Verbrennung zu beschleunigen; auch diese (mir mitgetheilten) Versuche sind jedoch noch nicht so weit geführt, um daraus verläßliche Resultate mit Sicherheit ableiten zu können. Der Bericht von Tresca und Silbermann veranlaßt uns aber die Ursache jener Erscheinung zu erörtern, welche er gänzlich unberührt läßt. Es ist diese Erscheinung nichts anderes als das bekannte Verhalten einer Kerzen- oder Lampenflamme vor einem Löthrohr, nur mit dem Unterschiede, daß Wasserdampf statt Luft eingeblasen wird, was schon bei den sogenannten Aeolipilen in Anwendung kam. In beiden Fällen ist es allein die durch das Blasen hervorgebrachte heftige Bewegung, welche die Verbrennung begünstigt und beschleunigt. Die zu verbindenden gasförmigen Körper werden dadurch in innigere Berührung mit einander gebracht, in rasche parallele Ströme gezogen, und so wird ihre Verbindung beschleunigt. Da dieß schon bei einer Kerzenflamme im freien Raume stattfindet, so muß natürlich die Wirkung noch größer werden, wenn diese Injection in einem geschlossenen Canale stattfindet, so daß die vorhandenen Gase nicht ausweichen können. In diesem Falle findet aber noch eine weitere Kraftäußerung statt, indem über der Kohlenschicht auf dem Herde ein luftverdünnter Raum entsteht, in Folge dessen die Luft in größerer Menge durch den Brennstoff hindurch angesogen wird. Diese letztere Wirkung kann natürlich eben so günstig als ungünstig für das Endresultat seyn; bei kleinem Roste, hoher Brennstoffschicht, kleinen Kohlenstücken, geringer Kaminhöhe, starker Abkühlung der Gase bevor sie in den Kamin gelangen, kann und wird der Erfolg günstig seyn; er wird hingegen ungünstig werden, sobald die Umstände einen Luftüberschuß in die Verbrennungsproducte bringen. Die durch solche Injection bewirkte Aspiration selbst wird aber modificirt durch die Geschwindigkeit des injicirten Fluidums und durch die Dimensionen der Ströme im Verhältnisse zu dem sie umgebenden Querschnitte. Bei dem einheitlichen Querschnitte der Oeffnungen (Düsen), durch welche das Fluidum injicirt wird, muß natürlich die Geschwindigkeit um so größer ausfallen, je größer das injicirte Volumen wird, und da das injicirte Fluidum, wenn solches Wasserdampf ist, keine Wärme erzeugen kann, sondern zum Nachtheile der Transmission die Verbrennungsproducte nur verdünnt, so ist die Ueberhitzung dieses Dampfes von Wichtigkeit, indem dadurch 1 Vol. von ursprünglich 150° C. = Dampf von 4,55 Atmos. Spannung auf das Vol. 1 + at = 1 + 0,003665 . 500 = 2,8325 gebracht wird. Ersetzen wir die Dampfinjection durch eine Injection von Luft, indem wir dafür Sorge tragen, daß aus dem Herde keine schon verbrannten Gase (keine Kohlensäure) aufsteigen, so haben wir die sogenannte Gasfeuerung. Auch in diesem Falle wird die injicirte Luft durch Vorwärmen auf das doppelte Volumen gebracht, wodurch der Zweck – lebhafte Verbrennung durch genügenden Contact zwischen Luft und brennbaren Gasen – erreicht wird, denn die erhöhte Geschwindigkeit der Ströme wirkt dabei, und nicht die in der Luft zugebrachte Wärme, welche ganz unbedeutend ist. 1 Kil. Steinkohle z.B. liefert in den brennbaren Gasen 1387 W. E.; die dazu erforderliche Luft, auf 300° C. erhitzt, liefert bloß 7,1214 Kil. × 300 × 0,2377 = 508 W. E. und die dann weiter erzeugte Wärmemenge ist 6193 W. E.; folglich bringt die Injectionsluft höchstens 6,2 bis 6,3 Proc. Wärme hinzu. In ganz ungeeigneter Weise hat Thierry die Dimensionen seiner Injectionsdüsen sehr groß = 0,004 Met. Durchmesser gewählt und folglich um so weniger derselben anwenden können; wenn er denselben bloß 0,001 Met. Durchmesser = 0,0000078 Quadrat-Meter Querschnitt gegeben hätte, so hätte er statt 5 Düsen vom Gesammt-Querschnitt 0,00000702 Quadrat-Meter, deren 0,00000702/0,0000078= 9 benutzen können, ohne mehr Dampf zu verbrauchen, wodurch bei gleicher Geschwindigkeit eine im Verhältnisse von 5 : 9 größere Wirkung entstehen müßte. Da bei dieser Operation die Bewegung mit möglichst geringem Dampfaufwande erzeugt werden soll, so muß natürlich der Querschnitt der Injectionsdüsen, verglichen mit demjenigen der Feuerbrücke, stets unendlich klein ausfallen, so daß die Aspiration höchstens eine Druckhöhe von 2 Meter Luftsäule betragen kann, woraus folgt, daß der Widerstand in der Brennstoffschichte auf dem Roste nur unbedeutend vermehrt werden kann. Wenn somit die Anwendung von Dampfströmen als Mittel der Rauchverbrennung das Beste zu bieten scheint, so ist dieß in Wirklichkeit doch nicht der Fall; denn dieses Mittel verhindert eben so wenig als alle anderen früher besprochenen, daß bald Gas-, bald Luftüberschuß in den Verbrennungsproducten vorkomme, weil es uns an Merkmalen für deren Vorhandenseyn fehlt. Zuzugeben ist jedoch, daß dieses Mittel der Verbesserung des Verbrennungsprocesses wirksamer und sicherer ist als die bisher vorgeschlagenen. Thierry legt die zur Ueberhitzung des Dampfes dienenden Leitungsröhren in die Seitenwände des Herdes und das Injectionsrohr im rechten Winkel zur Achse des Kessels frei über der Heizthür, so daß die Dampfströme in gerader Linie auf die Feuerbrücke über dem Herde weggehen. Die Oeffnungen in dieser Injectionsröhre machte er von 4 Millimeter Durchmesser kreisrund und deren Zahl betrug 4 bis 5 auf circa 1 Meter Herdbreite. Nach den von den Berichterstattern angestellten Versuchen würde das Gewicht des injicirten Dampfes per Stunde nicht mehr als 12,685 Kil. betragen; die Genauigkeit dieser Angabe ist aber zu bezweifeln, da die Bestimmung dieser Quantität durch Einleiten des Dampfes in Wasser gemacht wurde, wobei natürlich der Widerstand gegen den Ausfluß anders geworden ist als wenn der Dampf in den Herd strömt. Nehmen wir den Dampfdruck zu 4,55 Atmosphären an, so ist die Contraction beim Ausströmen durch die engen Oeffnungen = 0,451 . p, worin p die Druckhöhe in Dampfsäule bezeichnet. Nun ist diese Druckhöhe bei 4,55 Atmosphären = 4,55 . 0,76 = 3,4125 Met. Quecksilbersäule = 13,563 . 3,4125 = 46,283 Wassersäule und (46,283 . 1000)/2,4497 = 18894 Met. Dampfsäule von 4,55 Atmosphären. Somit ist der Druckverlust durch Contraction = 0,451 . 18894 = 8521 Meter. Ferner hat dieser Dampf mehrere Umbiegungen zu machen, welche bei der demselben in den Röhren gegebenen Geschwindigkeit von 10 Metern (was p = 5,0994 Met. entspricht) = 3 . 5,0994 = 15,2982 Met. zu überwindenden Widerstand betragen, wozu noch fürReibung in den circa 8 Meter langen Leitungen circa 48,7018   „ kommen, so daß der ursprüngliche Druck auf 18894 – 8585 =    10309 Met. reducirt wird, wodurch die Ausströmungsgeschwindigkeit = √(2g. P) = √(19,61 . 8585) = v = 405,6 Met. würde. Der Querschnitt der fünf Düsen von 4 Millimeter Durchmesser ist = 0,00001248 Quadrat-Meter und daher das ausgeblasene Volumen per Secunde 405,6 . 0,00001248 = 0,0050619 Kubik-Meter, also per Stunde = 18,22 Kub. Met., und da 1 Kub. Meter dieses Dampfes 2,449666 Kil. wiegt, so würde dessen Gewicht 44,64 Kil. betragen. Nun wird durch die Ueberhitzung des Dampfes das Volumen desselben 2 1/3mal größer und daher dessen Gewicht 2 1/3mal kleiner, nämlich 44,64/2,33 = 19,16 Kil. Nehmen wir letztere Quantität an, welche gewiß wahrscheinlicher ist als die von Tresca und Silbermann angegebene, so ist der Dampfverbrauch per 1 Kil. Brennstoff = 19,16/296 = 0,0647 Kil. Dieser Dampf wird also den Verbrennungsproducten beigemischt und verdünnt dieselben, wodurch natürlich die Transmission an den Dampfkessel geschwächt wird. Nehmen wir die Zusammensetzung der Kohle an wie in Nr. VIII meiner pyrotechnischen Rundschau (S. 27 in diesem Bande des polytechn. Journals) = 0,0973 Elemente des Wassers,    0,0358 freier Wasserstoff,    0,8149 Kohlenstoff, so wird die producirte Wärme: 0,0358 Wasserstoff = 34000 = 1217 W. E. 0,8149 Kohlenstoff  =   8000 = 6519    „ ––––––––– 7736 W. E. minus latente Wärme des Wasserdampfes   227    „ ––––––––– 7509 W. E. Die Verbrennungsproducte bestehen dann aus: deren spec. Wärme ist:     Kohlensäure   2,9880 Kil. = 0,64660     Wassergas aus Kohle   0,4195  „ = 0,19926     Stickstoff   8,0964  „ = 1,97552 Dazu kommen:     injicirter Wasserdampf   0,0647  „ = 0,03073     von den Berichterstattern    angegebener Luftüberschuß   0,9209  „ = 0,21890 –––––––––– –––––––––––––– 12,4895 Kil.            3,07101 = w₁ woraus sich die Anfangstemperatur dieser Verbrennungsproducte ergibt = 7509/3,07101 =2445°C. Vergleichen wir diese Zahl mit den Angaben in Nr. VIII meiner Rundschau: für Verbrennung mit doppelter Luftmenge = 1409° C. „ „ mit Mangel an Luft (Selowitz) 1916° „ „ mit Mangel an Luft (gewöhnliche    Annahme) 2276° „ wirklich vollkommene Verbrennung 2661° so ergibt sich, daß dieselbe immer noch sehr hoch und günstig ist. Es ist aber nicht wahrscheinlich, daß die angestellten Analysen der Verbrennungsproducte richtig sind, sonst müßte die per 1 Kil. Brennstoff erhaltene Dampfmenge viel günstiger gewesen seyn. Es sind nämlich: 2,9880 Kil. Kohlensäure = 1,5044 Kubik-Met. bei 0° 0,4195   „ Wassergas = 0,5189 „ „ 8,0964   „ Stickstoff = 6,4163 „ „     hinzugefügt: 0,0647 Kil. Wassergas = 0,0801 „ „ 0,9209   „ Luft = 0,7088 „ „ ––––––––––––––––––––––––––––    3,2285 Kubik-Met. bei 0° und bei der Anfangstemperatur von 2445° = 32,16 Kub.-Met. = 1191 Kubikfuß. Berechnen wir darnach den Transmissionscoefficienten wie in Nr. VIII meiner Rundschau (S. 34 in diesem Bande des polytechn. Journals), so erhalten wir: 4,8737 = w₀, und setzen wir nun diese Werthe in die Formel Textabbildung Bd. 173, S. 280 ein, so erhalten wir, da F = 114,75 Quadrat-Meter = 1275 Quadratfuß und k =        296 Kil.               =   592 Pfd. sind: Textabbildung Bd. 173, S. 280 Die transmittirte Wärmemenge wäre dann: (2445 – 225) w₁ = 6818 W. E. und die per 1 Kil. Kohle erzeugte Dampfmenge = 6818/640 = 10,65 Kil., während effectiv nur 5,29 Kil. erhalten wurden. Diese enorme Differenz zwischen dem Resultate der Rechnung und demjenigen des Versuches kann nur darauf beruhen, daß die Verbrennungsproducte in Wirklichkeit wie in Selowitz neben unverbrannter Luft noch sehr viel unverbrannte Gase enthielten. Wenn wir übrigens dieser Berechnung selbst die Werthe von Selowitz zu Grunde legen, erhalten wir eine weit höhere Zahl als das Beobachtungsresultat = 5,29 Kil.; worauf dieses beruht, könnte nur durch neue genauere Versuche festgestellt werden. Wie aber die Berichterstatter der Société d'Encouragement eine sogenannte Erfindung empfehlen können, welche per 1 Kil. der besten Kohle bloß 5,29 Kil. Dampf, minus den injicirten 0,0647 Kil. = 5,2253 Kil. zu liefern vermag, ist schwer zu begreifen.