Die elektrische Heizung. Von F. H. Haase, gepr. Ingenieur, Patentanwalt in Berlin. Mit Abbildungen. Die elektrische Heizung. Die gewaltige Entwickelung der Elektrotechnik zu Gunsten der Beleuchtungsindustrie musste nothwendig zu Versuchen veranlassen, Elektricität auch für gewöhnliche Heizzwecke nutzbar zu machen, zumal man bei Lichtanlagen Gelegenheit genug hat, Erfahrung über Vorgänge bei Wärmeentwickelungen zu sammeln. Der praktischen Verwendung für gewöhnliche Heizzwecke stellt sich jedoch die Kostenhöhe des elektrischen Stromes hinderlich entgegen. Wenn 1000 Watt-Stunden nach heutiger Preislage von den Elektricitätswerken mit 16 Pfg. berechnet werden, so stellen sich die Kosten für die Entwickelung von 1000 Wärmeeinheiten theoretisch auf: \frac{736\,\times\,424\,\times\,16}{3600\,\times\,75}=18,5\mbox{ Pfg.} und wenn man den Stromverlust in der Leitung auf 20 Proc. veranschlagt, so kommen 1000 Wärmeeinheiten auf \frac{18,5}{0,8}=23\mbox{ Pfg.} zu stehen. Dem gegenüber stehen als Kosten für 1000 Wärmeeinheiten bei Staubkohlenfeuerung mit bestenSteinkohlen ungefähr 0,6 Pfg. „ guter Feuerung mit guten Stein-kohlen 0,9 bis 1,0 „ „ gewöhnlichem Hausbrand im Mit-tel bei gleichmässiger Feuerung 1,3 „ 1,5 „ „ Kochherdbrand im Mittel 2,0 „ 2,8 „ Die elektrische Heizung stellt sich demnach bei Bezug des elektrischen Stromes von Elektricitätswerken ungefähr 10mal so hoch als gewöhnlicher Kochherdbrand. Wird der elektrische Strom von dem Consumenten selbst mittels Dampfmaschinenbetrieb erzeugt, so kommen die 1000 Cal. auf ungefähr nur 10 Pfg. zu stehen, d.h. immer noch 5mal so hoch als gewöhnlicher Kochherdbrand. Wesentlich günstiger gestalten sich aber die Verhältnisse, wenn man billige Wasserkraft oder Wind zur Erzeugung elektrischen Stromes benutzt. Es kann dann unter Umständen die elektrische Heizung billiger zu stehen kommen als gewöhnliche Steinkohlenfeuerung, und dann ist sie natürlich dieser Feuerung bei weitem vorzuziehen, da sie sehr bequem ist, keine Schmutzerei, keinen Rauch und weniger leicht Feuersgefahr wie eine Feuerung verursacht und zudem auch an jeder beliebigen Stelle eines Raumes zur Ausnutzung gebracht werden kann. Für die Erzeugung einer Wärmeeinheit in 1 Secunde sind theoretisch \frac{736\,\times\,424}{75}=4161 Watt-SecundenIn Druckschriften von Physikern und Chemikern findet man die Wärmeeinheit zumeist auf 1 g Wasser bezogen, während der Ingenieur gewöhnt ist, die Wärmeeinheit auf 1 k zu beziehen; ausserdem wählt der Physiker zumeist als Zeiteinheit die Secunde, während der Heizungsingenieur den Wärmebedarf auf die Stunde bezieht. Diese Verschiedenheit ist leicht geeignet, grosse Verwirrung und Unsicherheit herbeizuführen, da der Ingenieur, welcher nach einem Buche rechnet, nicht zuerst nachforschen kann, auf welche Einheit die darin angeführten Formeln bezogen sind, und er zudem auch in der Kegel vergeblich danach forschen würde, weil die meisten Physiker und Chemiker es für ebenso selbstverständlich halten, dass man die Wärmeeinheit auf 1 g bezieht, wie der Ingenieur es für selbstverständlich hält, dass man das Kilogramm der Wärmeeinheit zu Grunde legt. Es würde deshalb sehr erwünscht sein, wenn Physiker und Chemiker in solchen Fällen, in welchen sie ein für den Ingenieur bestimmtes Buch schreiben, auch die dem Ingenieur geläufige Einheit darin zu Grunde legen.Wählt man das Gramm und die Secunde als Bezugseinheit, so ergeben sich die Coëfficienten für \frac{V^2}{O} und für A2 . O durch Division der in Formel 3 angegebenen durch die Zahl 3,6. oder Volt-Ampère, in Wirklichkeit aber, bei 80 bis 90 Proc. Nutzeffect, für die Secunde: \frac{4161}{0,9} bis \frac{4161}{0,8} d. i. 4600 bis 5200 Volt-Ampère oder für die stündliche Erzeugung von w Wärmeeinheiten: E = 1,28 . w bis 1,44. w Volt-Ampère . . . . (1) erforderlich. Bezeichnet man allgemein die Anzahl der erforderlichen oder gewählten Volt Spannung mit V und die secundlich erforderliche Stromstärke (Strommenge) in Ampère mit A, so ist der Ausdruck für die elektrische Arbeit: E = V . A. Nach dem Ohm'schen Gesetz ist nun die Stromstärke auch ausdrückbar durch: A=\frac{V}{O} wenn O den Widerstand des Leiters in Ohm-Einheiten bezeichnet. Man hat demnach auch: E=\frac{V^2}{O} und E = A2 . O . . . . . . (2) Aus der Vereinigung der Gleichungen 1 und 2 ergibt sich: w=(0,78\mbox{ bis }0,69)\,\times\,\frac{V^2}{O} oder . . . . . . (3) w=(0,78\mbox{ bis }0,69)\,\times\,A^2\,.\,O Man kann demnach die Wärmeentwickelung in zweierlei Weise durch elektrischen Strom bewirken, indem man entweder für möglichst kleinen oder für möglichst grossen Widerstand in dem zu erhitzenden Leiter sorgt und im ersteren Falle die Spannung und im zweiten Falle die Stromstärke hinreichend gross macht. In theoretischer Hinsicht ist es völlig gleichgültig, ob man mit grosser Spannung oder mit grosser Stromstärke arbeitet, in praktischer Hinsicht wird jedoch hoher Spannung der Vorzug gegeben und man wählt gerne – insbesondere für kleine Heizungseinrichtungen – einen möglichst guten und dafür dünnen Leiter für die Umsetzung der Elektricität in Wärme. Aus Sicherheitsgründen geht man jedoch in der Wahl der Spannungshöhe in der Regel nicht über 120 Volt hinaus, und es gibt auch Heizungseinrichtungen, bei welchen keine höhere Spannung als 50 Volt zur Anwendung kommt. Jedenfalls darf die Spannung in der Zuleitung zur Heizstelle der Sicherheit wegen nicht höher als 150 Volt bei Wechselstrom und 300 Volt bei Gleichstrom sein, und, wenn so hohe Spannungen gewählt werden, sind schon besondere Sicherheitsmaassnahmen für Wohnungen empfehlenswerth, abgesehen von solchen, welche verhindern, dass die Spannung noch weiter steigen kann. Bezeichnet man den Leitungswiderstand, welchen ein Leiter von durchweg gleichgrossem Querschnitt in senkrechter Richtung zur Strombewegung für je 1 qmm Querschnittsgrösse und je 1 m Länge dem Stromdurchgange entgegensetzt, in Ohm-Einheiten ausgedrückt, mit o, die Anzahl der Quadratmillimeter, welche der Querschnitt des Leiters fasst, mit f und die Gesammtlänge des Leiters in Metern mit l, so ist dessen Gesammtwiderstand: O=o\,.\,\frac{l}{f} Man kann demnach auch, wenn man den Coefficienten 0,69 bis 0,78 allgemein mit ϱ bezeichnet, die Ausdrücke für die stündliche Wärmeentwickelung w schreiben in der Form: w=\rho\,.\,f\,.\,\frac{V^2}{o\,.\,l} und . . . . . . (3a) w=\rho\,.\,o\,.\,l\,.\,\frac{A^2}{f} Die vorstehend definirte Widerstandsgrösse o nennt man den specifischen Widerstand des Leiters. Dieser specifische Widerstand ist durchaus nicht immer gleich gross, sondern er wächst mit der Temperatur des Leiters, und zwar ungefähr nach dem Gesetze, welches dem Ausdrucke: ot = o0 . (1 + ε . t) . . . . . . . . (4) entspricht, in welchem ot den specifischen Widerstand bei der Temperatur t (n. Cels.), o0 denjenigen bei der Temperatur Null und ε einen von der Beschaffenheit des Materials abhängigen Factor bezeichnet, dessen Werthe nach RühlmannGrundzüge der Elektrotechnik von Richard Rühlmann. in der folgenden Tabelle I angegeben sind; zugleich enthält diese Tabelle auch Mittelwerthe von o0 nach verschiedenen Forschern. Tabelle I. Material SpecifischerLeitungswider-stand bei 0° ε Eisendraht     0,13 0,0048 Kohle 40,0 0,0005 Kupferdraht       0,024 0,0038 Neusilber     0,30 0,00034 Nickelin     0,45 0,00028 bis0,00019 Platindraht     0,11 0,0024 Quecksilber       0,934 0,00091 Quecksilber kann natürlich nicht als Heizleiter in Betracht kommen; es ist dies jedoch dasjenige Material, nach welchem die Ohm'sche Einheit ausgedrückt zu werden pflegt (indem dieselbe dem Leitungswiderstande einer Quecksilbersäule von 1 qmm Querschnitt und 1,06 m Länge gleich gesetzt wird), weshalb es hier zum Vergleich mit angeführt ist. Beachtet man, dass der erhitzte Heizleiter seines erhöhten Widerstandes wegen weniger elektrischen Strom aufnimmt als der kalte und in Folge dessen natürlich auch weniger elektrischen Strom in Wärme umsetzt, so wird man dasjenige Material als geeignetstes für den Heizleiter erachten müssen, dessen Widerstand am wenigsten bei zunehmender Temperatur steigt, d. i. dasjenige, für welches ε am kleinsten ist, also Nickelin. Einige Beispiele lassen den Einfluss der Widerstandsveränderung leicht erkennen. Es sei Nickelinblech von 0,2 mm Dicke und 25 mm Breite für eine stündliche Wärmeabgabe von 1000 Wärmeeinheiten bei einer Temperatur von 250° bestimmt und die Spannung soll 100 Volt betragen. Wird der Coefficient ϱ mit 0,7 in Anschlag gebracht, so ergibt die Rechnung nach Formel 3 a die Länge l des Blechstreifens zu l=\rho\,.\,f\,.\,\frac{V^2}{o\,.\,w}=0,7\,.\,5\,.\,\frac{10000}{0,48\,.\,1000}=73\mbox{ m}. Wenn nun die Temperatur auf 400° steigt, während die Spannung dieselbe bleibt, so ist, weil der specifische Widerstand o auf 0,5 wächst, die Wärmeabgabe: w=0,7\,.\,5\,.\,\frac{10000}{0,5\,.\,73}=960 Wärmeeinheiten Die Wärmeabgabe vermindert sich also in diesem Falle um 4 Proc. Wählt man anstatt des Nickelinbleches Eisendraht von 3 mm Dicke, so erhält man bei 73 m Länge desselben, im Falle einer Temperatur von 250°: w=0,7\,.\,7\,.\,\frac{10000}{0,29\,.\,73}=2310 Wärmeeinheiten und im Falle einer Temperatur von 400°: w=0,7\,.\,7\,.\,\frac{10000}{0,38\,.\,73}=1770 Wärmeeinheiten. Der Verlust an Wärmeabgabe beträgt also bei Wahl des Eisendrahtes nicht weniger als 23 Proc. Für kleine Apparate benutzt man in der Regel Platindraht von 0,2 bis 0,5 mm Dicke, welcher entweder über Asbestlagen hin und her gelegt oder gewickelt wird oder selbst mit Asbest umsponnen ist. Für grössere Apparate verwendet man Nickelinblech mit Asbestzwischenlage (eventuell in einfacher Zusammenrollung mit Asbestbelag auf einer Seite). Für eigentliche Heizkörper verwendet man aber vorwiegend Eisendraht, den man auf Eisenstäbe, eiserne Hohlkörper nach vorheriger Bewickelung mit Asbest aufwickelt (in Windungen, die einander nicht berühren); man gruppirt dann wohl auch mehrere mit Draht zu umwickelnde Hohlkörper neben einander und umwickelt dieselben in einfacher Aufeinanderfolge. Lässt man durch solche Hohlkörper das zu erhitzende Medium (z.B. Luft) hindurchströmen und umgibt etwa das Ganze noch mit einem Blechmantel, so ist ein Heizkörper in ähnlicher Art, wie er bei Wasserheizung gebräuchlich ist, vollendet. Natürlich kann man genügend umsponnenen Draht auch mehr oder weniger freiliegend in einem Raume verlegen; es ist jedoch immer zweckmässig, ihn an einem eisernen Körper (beispielsweise an einer mit Stiften oder sonstigen Vorsprüngen versehenen Eisenplatte) mehrfach hin und her zu führen oder mit anderen Körpern vollständig zu umhüllen, um die Wärme zunächst an eine grössere Oberfläche oder auf eine grössere Masse zu vertheilen. Man ist übrigens nicht unbedingt an Metall zur Umwandlung des elektrischen Stromes in Wärme gebunden, kann vielmehr auch Kohle, sowohl in festen Stücken als auch in Form von Paste oder auch in Körner- oder Staubform benutzen; man muss dann aber hinreichend Vorsorge gegen Abbrand der Kohle tragen, indem man sie in einen luftdicht zu verschliessenden Körper einschliesst (dessen noch freien Raum man mit einer die Verbrennung nicht begünstigenden Masse ausfüllt) und mit zwei als Pole dienenden metallischen, aus dem besagten Körper hervorragenden Anschlusstheilen für die Zu- und Rückleitung des Stromes verbindet. Diese Andeutungen werden wohl zum Verständniss der einfacheren Einrichtungen elektrischer Heizapparate genügen; man hat jedoch auch weniger einfache Einrichtungen ersonnen, deren eingehendere Besprechung und Vorführung im Bilde hier wohl am Platze sein dürfte. Zunächst sei eines von Ernest Abshagen in Chicago construirten Heizkörpers gedacht, welcher in den Fig. 1 und 2 theils im Schnitt, theils in Ansicht dargestellt ist. Derselbe besteht aus zwei wagerecht liegenden Hohlkörpern a1 und a2, welche mittels lothrecht stehender Rohrstutzen a mit einander verbunden sind und von denen der Untertheil a1 zwei Drahtspiralen R enthält, die zur Umwandlung des elektrischen Stromes in Wärme bestimmt sind. Der Zusammenhang der beiden Spiralen ist in Fig. 2 ersichtlich und die Verbindung derselben mit den Polen eines Stromerzeugers ist in Fig. 1 schematisch angedeutet. Der ganze Heizkörper ist mit einer, die Elektricität nicht leitenden, schwer verflüchtigbaren Flüssigkeit (angeblich mit Wallrath-Baumwollsamenöl) angefüllt. Textabbildung Bd. 295, S. 18 Heizkörper von Abshagen. Der obere Rohrkörper a2 besitzt am Vorderende eine Erweiterung, in welcher ein eingedichteter Kolben e unter dem Drucke der sich ausdehnenden Flüssigkeit nach aussen geschoben und im Falle der Abkühlung der letzteren durch den Druck der Atmosphäre wieder zurückgeschoben wird. Zugleich ist dafür gesorgt, dass der Kolben e in weitest vorgeschobener Stellung einen Kurzschluss zwischen Abzweigungen der Zu- und Rückleitung der Spiralen herstellt und dadurch diese letzteren dem weiteren Einfluss des elektrischen Stromes entzieht. Zu diesem Zwecke trägt der Kolben e, genügend von ihm isolirt, ein Metallplättchen p, an welches die eine der vorbesagten Abzweigungen angeschlossen ist, während die andere Abzweigung an ein im vordersten Ende der Erweiterung f liegendes, federnd zurückweichendes Metallstück q befestigt ist. Sobald der besagte Kurzschluss hergestellt ist, kühlen sich die beiden Spiralen R ab und allmählich nimmt dann auch die Temperatur der im Apparate befindlichen Flüssigkeit wieder ab; dieselbe zieht sich wieder zusammen und der Kolben e wird, wie vorbesagt, zurückgedrängt, wobei auch der Kurzschluss für den Strom wieder unterbrochen wird, indem die Berührung zwischen p und q aufhört. Textabbildung Bd. 295, S. 18 Heizkörper für Dampfkessel. Dass man das dieser Heizkörperconstruction zu Grunde liegende Princip auch auf Heizeinrichtung von Dampfkesseln oder Wasserkesseln anwenden kann, ist aus den schematischen Fig. 3 und 4 ersichtlich. Hier liegen einige Heizspiralen in Röhren, welche den Kessel in der Längenrichtung durchziehen und vorn und hinten mit anderen Rohren zusammen in Kammern münden, von welchen die vordere in einem offenen Rohransatz den verschiebbaren Kolben enthält. (Fortsetzung folgt.)