XV. Die Verwerthung der Brennmaterialien, mit Einschluß der Mineralöle, nach W. J. Macquorn Rankine. Nach dem Engineer aus der deutschen Industriezeitung, 1868, Nr. 4 u. 5. Rankine, über die Verwerthung der Brennmaterialien, mit Einschluß der Mineralöle. In der Royal United Service Institution hielt der bekannte Professor Macquorn Rankine in Glasgow kürzlich einen Vortrag über die Verwerthung der Brennmaterialien, mit Einschluß der Mineralöle, in welchem er, ohne gerade etwas wesentlich Neues vorzubringen, die Grundsätze einer rationellen Verbrennung anschaulich darlegte. Als Wärmeeinheit nahm er hierbei diejenige Wärmemenge an, welche nöthig ist, um eine Gewichtseinheit Wasser von 100° C. bei mittlerem Atmosphärendruck in Dampf von 100° C. zu verwandeln, also z. B. für französ. Maaß die Wärmemenge, welche zum Verdampfen von 1 Kilogrm. Wasser von 100° C. nöthig ist, d. h. 537 gewöhnliche französische Wärmeeinheiten oder Calorien. (Eine gewöhnliche französische Wärmeeinheit ist bekanntlich gleich der Wärmemenge, welche nöthig ist, um 1 Kilogm. Wasser um 1° C. zu erwärmen.) Die Annahme dieser Wärmeeinheit, die man auch „Verdampfungseinheit“ nennen kann, hat den Vortheil, daß man bei der Berechnung die Anwendung großer Zahlen umgeht, daß weiter die Angabe der Heizkraft auf eine Wirkungsweise der Brennmaterialien bezogen ist, die praktisch von höchster Wichtigkeit ist und endlich, daß die Angabe der Heizkraft von den verschiedenen Maaßsystemen ganz unabhängig ist. — Bei Bestimmung der Heizkraft von Brennmaterialien durch Verdampfung von Wasser ist die Temperatur T1 des Speisewassers in Graden C. und die Abweichung T2 des in dem bestimmten Falle stattfindenden Siedepunktes in Graden C. von dem normalen Siedepunkte = 100° C. in Rechnung zu ziehen. Ist Q′ das beobachtete Gewicht des verdampften Wassers, so ist das auf eine Speisewassertemperatur von 100° C. und den Siedepunkt = 100° C. reducirte Gewicht desselben Textabbildung Bd. 189, S. 43 Ist der wirkliche Siedepunkt nicht beobachtet worden, so kann derselbe bekanntlich leicht aus dem Barometerstande berechnet werden. Besondere Sorgfalt ist bei praktischen Versuchen darauf zu verwenden, daß der Dampf kein oder doch nur sehr wenig Wasser mit fortreißt, da eine Abscheidung des fortgerissenen Wassers aus dem Dampfe, Condensirung und Wägung des trockenen Dampfes bei Versuchen im großen Maaßstab kaum durchführbar ist. Die theoretische Heizkraft Qt der Brennmaterialien hängt allein von deren chemischer Zusammensetzung ab, die praktisch nutzbar zu machende, Q, aber auch von der Einrichtung des Verbrennungsapparates, der Luftzuführung und vielen anderen Umständen. Das Verhältniß Q/Qt beider mag Wirkungsgrad des Verbrennungsraumes genannt werden. Die theoretische Heizkraft aller Brennmaterialien, die irgend eine praktische Wichtigkeit besitzen, ist durch zahlreiche Versuche, von denen man jetzt namentlich die von Favre und Silbermann in Paris (Annales de Chimie et de Physique, vol. XXXV, XXXVI et XXXVII) benutzt, vollständig genügend bekannt, während in Bezug auf die Kenntniß der nutzbaren Heizkraft noch viel zu thun übrig bleibt. Die Brennmaterialien zerfallen für die Bestimmung ihrer theoretischen Heizkraft in zwei Abtheilungen, die der chemisch einfachen Körper und die der chemischen Verbindungen. Für die ersteren gelten folgende Angaben: Sauerstoff in Gewichtseinheiten. Luft pro Gewichtseinheit. Verdampfungseinheiten. Wasserstoffgas 8 36 64,2 Kohlenstoff, fest 2⅔ 12 15,0 Kohlenstoff, fest, bei Verbrennung zu KohlenoxydKohlenstoff, gasförmig, enthalten in 2⅓ Thln. Kohlenoxyd 1⅓1⅓ 66 4,510,5 15,0 Kohlenstoff, reiner, gasförmig (berechnet) 2⅔ 12 21? Die erste Verticalreihe nach den Namen der Elemente gibt das Gewicht Sauerstoff an, welches zum Verbrennen von einer Gewichtseinheit des betreffenden Elementes nothwendig ist, die zweite das Gewicht der dazu nöthigen Luft, die dritte die theoretische Verdampfungsfähigkeit, in den oben angenommenen Wärmeeinheiten ausgedrückt, pro Gewichtseinheit des betreffenden Elementes. Der Kohlenstoff tritt bekanntlich in verschiedenen Modificationen auf, als Diamant, Graphit, Kohks und Kohle, und ergibt je nach diesen Modificationen eine verschiedene Heizkraft und zwar eine um so geringere, je härter und dichter er ist, weil ein Theil Wärme zur Ueberwindung der gegenseitigen Anziehung der einzelnen Theile consumirt wird. Die oben angeführte Zahl für festen Kohlenstoff gilt für Kohks und Kohle. Wird Kohlenstoff zu Kohlenoxydgas verbrannt, so verbraucht er halb so viel Sauerstoff, wie bei vollständiger Verbrennung zu Kohlensäure, gibt aber nur 3/10 so viel Heizkraft, wie im letzteren Fall, nämlich 4½ Einheiten. Wird das so erhaltene Kohlenoxyd, das aus 1 Thl. Kohlenstoff und 1⅓ Thln. Sauerstoff, also 2⅓ Thln. besteht, weiter zu Kohlensäure verbrannt, so verbraucht es noch 12153; Thl. Sauerstoff und gibt 10½ Wärmeeinheiten. Während sich also in jedem Fall 1 Thl. Kohlenstoff mit 1⅓ Thln. Sauerstoff verbindet, werden im ersteren Falle nur 4½, im zweiten aber 10½ Wärmeeinheiten erhalten. Es erklärt sich dieß daraus, daß im ersten Fall der Kohlenstoff aus dem festen Zustande zunächst in den gasförmigen übergeführt werden muß, während er im zweiten Fall bereits gasförmig ist. 6 Wärmeeinheiten werden also zur Umwandlung des festen Zustandes des Kohlenstoffes in den gasförmigen verbraucht, oder mit anderen Worten: die latente Verdampfungswärme des Kohlenstoffes ist 6 mal so groß wie die des Wassers. Die gesammte theoretische Heizkraft des reinen gasförmigen Kohlenstoffes ist also = 15 + 6 = 21, da die des festen Kohlenstoffes = 15. Was diejenigen Brennmaterialien betrifft, welche chemische Verbindungen sind, so nahm man früher an, daß man zur Berechnung ihrer Heizkraft nur die Heizkräfte ihrer einzelnen Bestandtheile zu addiren brauche. Jetzt aber weiß man, daß man davon noch diejenigen Wärmemengen abziehen muß, welche zur Trennung der einzelnen Bestandtheile von einander nöthig sind. Für verschiedene Kohlenwasserstoffgase, mit Ausnahme des Sumpfgases, hat sich herausgestellt, daß die Wärme, die zur Trennung des Kohlenstoffes vom Wasserstoff nöthig ist, sehr nahe der Wärme gleich ist, welche das Ueberführen des Kohlenstoffes aus dem festen in den gasförmigen Zustand erfordert, so daß man genügend genaue Resultate erhält, wenn man bei Berechnung der Heizkraft dieser Verbindungen die Heizkraft jeder in ihnen enthaltenen Gewichtseinheit Kohlenstoff = 15 Verdampfungseinheiten annimmt. Enthält das Brennmaterial Sauerstoff, so absorbirt dieser zur Bildung von Wasser ⅛ seines Gewichtes Wasserstoff, oder pro Gewichtseinheit 64/8 Wärmeeinheiten, da die Heizkraft des Wasserstoffes = 64. Enthält also das Brennmaterial C Gewichtstheile Kohlenstoff, H Gewichtstheile Wasserstoff und O Gewichtstheile Sauerstoff, so ist seine theoretische Heizkraft Q t = 15 C + 64 H - 8 O. Die zur Verbrennung dieses Stoffes nöthige Luftmenge ist A = 12 C + 36 H - 4½ O. Bei einer Feuerung, in welcher der Zug auf gewöhnliche Weise durch einen Schornstein erzeugt wird, verbraucht man im Allgemeinen etwa das Doppelte der theoretisch nöthigen Luftmenge, dagegen wenn der Zug durch ein Blaserohr, einen Dampfstrahl, einen Ventilator etc. erzeugt wird, einen bedeutend geringeren Ueberschuß, in einzelnen Fällen sogar gar keinen. — Einige Beispiele der theoretischen Heizkraft verschiedener Brennmaterialien sind in folgender Tabelle zusammengestellt: Textabbildung Bd. 189, S. 45 Heizkraft; Holzkohle; Kohks (durchschnittlich); Steinkohle Textabbildung Bd. 189, S. 46 Heizkraft; Steinkohle; Torf, trocken; Holz, trocken C18H20 und C26H28 sind zwei Kohlenwasserstoffe, zwischen deren Zusammensetzung die der Hauptbestandtheile des Petroleums liegt. C, H und O bezeichnen die resp. Gehalte an Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, A die theoretisch zur Verbrennung nöthige Luftmenge, Q t die theoretische Heizkraft, und die letzten beiden Columnen endlich zeigen, wie viel Heizkraft von dem Kohlenstoffe und wie viel von dem Wasserstoffe des Brennmaterials herrührt. Die Angaben für Torf und Steinkohlen beziehen sich auf gute Proben; als praktischer Erfahrungssatz kann angenommen werden, daß schlechte Sorten dieser beiden Brennmaterialien durchschnittlich etwa ⅔ so viel Heizkraft wie die guten Sorten haben; für Erdöle gilt dieß nicht, da diese kaum je etwas anderes als verbrennbare Bestandtheile enthalten. Die theoretische Heizkraft gibt die Grenze an, nach der man bei Verwerthung der Brennmaterialien streben, die man aber nie erreichen, noch weniger überschreiten kann. Unter den Ursachen, aus welchen die nutzbare Heizkraft stets geringer ist als die theoretische, ist die erste die unvollkommene Verbrennung, indem nicht alle Bestandtheile des Brennmateriales mit der genügenden Luftmenge verbunden werden. Diese unvollkommene Verbrennung entsteht entweder durch Mangel an Luft oder durch Mangel an genügender Mischung der Luft mit dem Brennmaterial oder bei gasförmigem Brennmaterial zuweilen durch plötzliche Abkühlung, in deren Folge die Flamme ausgelöscht wird, bevor die Verbrennung vollständig ist. Wie groß der durch unvollkommene Verbrennung entstandene Wärmeverlust ist, läßt sich schon daraus ermessen, daß der Kohlenstoff bei der Verbindung mit der halben Menge Sauerstoff, die zu seiner vollständigen Verbrennung nothwendig ist, nur 4½ anstatt 15 Wärmeeinheiten gibt. Diesen Verlusten hat man durch eine außerordentlich große Zahl von Vorrichtungen vorzubeugen gesucht, auf die wir hier nicht weiter eingehen können. Eine zweite Ursache von Wärmeverlust ist die durch Strahlung und Leitung. Péclet hat nachgewiesen, daß etwa die Hälfte der Wärme, welche die Kohle in einer Feuerung entwickelt, von der glühenden Masse direct ausstrahlt und von den heißen Gasen nicht mit weiter geführt wird. Es muß daher sorgfältig beachtet werden, daß von dieser Wärme nichts aus der Feuerung entfernt wird. Sind z. B. Luftlöcher in der Ofenthür vorhanden, so müssen jedenfalls Doppelthüren der Art angebracht werden, daß die Oeffnungen in der inneren Platte der in der äußeren nicht direct gegenüber liegen. Eine dritte sehr bedeutende Quelle von Wärmeverlust ist der durch die heißen Gase, welche aus dem Schornsteine ausströmen. Dieser Wärmeverlust hängt von der spec. Wärme der Verbrennungsgase ab, die etwa ¼ von der des Wassers beträgt; für jedes Kilogramm Gas und jeden Grad Cels. seiner Temperatur geht also 1/2000 Wärmeeinheit (Verdampfungseinheit) verloren. Ist also das Gewicht der Verbrennungsgase pro Kilogramm Brennmaterial = 1 + A′ und der Ueberschuß der Temperatur dieses Gases über die der äußeren Luft = Tc, so beträgt der Verlust = 1 + A′/2000 Tc Wärmeeinheiten. Nachstehende Tabelle zeigt einige Beispiele des Wärmeverlustes durch die Schornsteingase: 1 + A′ 13 19 25 Kilogrm. Tc 300 300 300° C. Verlust in Wärme-Verdampfungseinheiten 1,95 2,85 3,75 1 + A′ gibt das Gewicht der Verbrennungsgase pro Kilogrm. Brennmaterial in Kilogrm. an, Tc den Ueberschuß der Temperatur der entweichenden Gase über die der äußeren Luft. Für vollständige Verbrennung von 1 Kilogrm. Kohle ist 1 + A′ = 13 Kilogrm. das Gewicht der theoretisch entstehenden Gasmenge; da aber fast stets mehr Luft als theoretisch nöthig zugeführt wird, so schwankt für bituminöse Kohle 1 + A′ zwischen 13 und 25 und beträgt im Durchschnitt 19 Kilogrm. Um den auf diese Weise entstehenden Wärmeverlust zu vermindern, darf die Temperatur im Schornstein nicht höher seyn, als durchaus nothwendig ist. Ist der Schornstein das einzige Mittel zur Zugerzeugung, so läßt sich nachweisen, daß die nützlichste Wirkung dann erhalten wird, wenn die Gase mit einer Temperatur von circa 315° C. entweichen. Von großer Wichtigkeit ist es, die Zuführung einer unnöthig großen Luftmenge zu dem Brennmaterial zu vermeiden. Wird der Zug ausschließlich durch den Schornstein erzeugt, so werden pro Pfd. Brennmaterial 12 Pfd. Luft zur Oxydation und weitere 12 Pfd. zur Verdünnung, im Ganzen also circa das Doppelte der theoretisch nöthigen Luftmenge gebraucht. Bei Anwendung des Blaserohres, wie bei Locomotiven, wird nicht mehr als das 1½fache der theoretisch nothwendigen Luftmenge gebraucht und bei Methoden zur Verbrennung von Mineralölen, bei denen das Brennmaterial unmittelbar vor der Verbrennung durch einen Strahl überhitzten Dampfes innig mit Luft gemischt wird, wird kaum mehr als die theoretische Luftmenge nöthig seyn. Bei Anwendung künstlicher Mittel zur Zugerzeugung ist eben die Verdünnung der Luft im Schornstein nicht durchaus nothwendig und durch Anwendung geeigneter mechanischer Vorrichtungen zur Zugerzeugung läßt sich der Wärmeverlust durch die abziehenden Gase auf ein Minimum herabbringen. Von Interesse ist der Einfluß, welchen die Größe der Heizfläche auf den Brennmaterialverbrauch ausübt. Eine genaue Theorie desselben läßt sich noch nicht aufstellen, doch stimmt folgende Formel ziemlich gut zu den Erfahrungen: Textabbildung Bd. 189, S. 48 Hierbei bezeichnet S die Heizfläche in Quadratfuß engl., F die pro Stunde verbrannte Menge Brennmaterial in Pfdn. engl., a und b empirische Constanten; für gewisse Fälle z. B. a 0,50 0,30 etc. b 1,0 0,93 0,90. Der Coefficient a, der von dem Wärmeverluste durch die Verbrennungsgase abhängt, schwankt zwischen 0,5 und 0,3; er beträgt 0,5 bei Anwendung von Schornsteinen zur Zugerzeugung, 0,3 bei Anwendung eines Blaserohres oder eines Dampfstrahles; er scheint annähernd proportional zu seyn dem Quadrat des Gewichtsverhältnisses der Verbrennungsgase zu dem verbrannten Brennstoffe. Der Coefficient b ist ziemlich gleich 1, wenn das Wasser im Kessel sich in der vortheilhaftesten Richtung gegen die Verbrennungsproducte, d. h. denselben entgegen, bewegt; ist dieß nicht der Fall, so kann er um 8–10 Proc. sinken. Wird z. B. 1 Pfd. Brennmaterial stündlich pro Quadratfuß Heizfläche verbrannt, wird ein guter Schornsteinzug angewendet, so daß a = 0,5 und wird auf die Einführung des Brennmaterials keine besondere Aufmerksamkeit verwendet, so daß b = 0,9, so erhält man den Wirkungsgrad Textabbildung Bd. 189, S. 48 Dieß kann schon als ein sehr gutes Resultat angesehen werden. Ein Wirkungsgrad von 0,45–0,50 gilt noch nicht für sehr schlecht, 0,55–0,60 ist bei guten Schiffskesseln gewöhnlich und höhere Procentsätze sind Ausnahmen. Schließlich noch einige Worte über die wahrscheinlichen Resultate der Verwendung von Mineralölen als Brennmaterialien. Die Kohle ist ein sehr complicirter Brennstoff; ihre möglichst beste Verwendung setzt verschiedene Bedingungen voraus, die zum Theil einander widersprechen. Es ist zugleich der feste Kohlenstoff und das Gas zu verbrennen, das sich aus ihm entwickelt, und es ist außerordentlich schwierig, beides gleich gut zu erreichen, nicht zu wenig Luft zuzuführen, wodurch unvollkommene Verbrennung entstehen würde, und nicht zu viel Luft zuzuführen, wobei zu viel Wärme in den Verbrennungsgasen verloren gehen, Wasserstoff und mit ihm ein bedeutender Theil Kohlenstoff unverbrannt entweichen würde. Die Vorrichtungen zur Verminderung der Wärmeverluste sind ziemlich schwierig anzubringen und namentlich hängt der Erfolg zu sehr von der Aufmerksamkeit des Feuermannes ab. Die beste je construirte Feuerung und der beste Kessel werden bei schlechter Wartung die unbefriedigendsten Resultate geben. Von einem Apparat zur Verbrennung von Mineralölen dagegen, der zweckmäßig construirt ist und einmal gut arbeitet, lassen sich auch bei nur mittelmäßig sorgfältiger Bedienung keine schlechten Resultate erwarten. Auch scheint es nicht schwierig zu seyn, bei Verbrennung von Mineralölen den Wärmeverlust durch unvollständige Verbrennung auf Null und den durch die abziehenden Verbrennungsgase auf ein sehr kleines Maaß herabzuziehen. Ein Wirkungsgrad von 90 Proc. ist bei Anwendung von Mineralölen etwas sehr gewöhnliches, so daß, wenn die theoretische Heizkraft der betreffenden Kohlenwasserstoffe 22½ Verdampfungseinheiten ist, auch bei sehr rohen Apparaten die Verdampfung von 19–20 Pfd. Wasser pro Pfd. Petroleum nichts Ueberraschendes hat. Erwähnung verdient noch die Anwendung eines Dampfstrahles bei Feuerungen. Ein Nutzen derselben ist jedenfalls die mechanische Wirkung, die innige Berührung, in welche das gasförmige Brennmaterial mit dem zur Verbrennung nöthigen Sauerstoffe gebracht wird; außerdem dürfte aber der Dampf auch eine chemische Wirkung haben. Alle Kohlenwasserstoffe sind geneigt, bei höherer Temperatur Kohlenstoff abzusetzen, wenn derselbe nicht sofort verbrannt wird. Nun ist es wahrscheinlich, daß der Sauerstoff des Dampfes sich mit dem Kohlenstoffe des Kohlenwasserstoffes verbindet, während der Wasserstoff beider frei wird; das so entstehende Gemenge von Kohlenoxyd und Wasserstoff ist sicher sofort vollständig zu verbrennen, sobald genügend Luft zugeführt wird. Selbstverständlich ist damit nicht gemeint, daß durch Zersetzung des Wasserdampfes und nachherige Wiederverbindung der Bestandtheile Wärme gewonnen werde, sondern nur, daß der bei der Zersetzung gebundene Sauerstoff gewissermaßen ein die Verbrennung erleichterndes Lösungsmittel für den Kohlenstoff bilde.