Die vereinigte Dampf- und Kaltdampfmaschine einst und jetzt. Von Rudolf Mewes, Ingenieur und Patentanwalt. Die vereinigte Dampf- und Kaltdampfmaschine einst und jetzt. In dem letzten Jahrzehnt hat der Wettkampf zwischen der Dampfmaschine und den Verbrennungskraftmaschinen einen für die erstere immer gefährlicher werdenden Umfang angenommen, so dass die unbedingte Sicherheit und Anpassungsfähigkeit, durch welche die Dampfmaschine die übrigen Wärmekraftmaschinen übertrifft, und welche sie in so hervorragendem Masse als Betriebsmaschine für alle Zwecke und Leistungen geeignet erscheinen lassen, den geringeren wirtschaftlichen Wirkungsgrad gegenüber den gesteigerten Leistungen der modernen Verbrennungskraftmaschinen nicht mehr auszugleichen vermochte. Zunächst musste die Dampfmaschine das Gebiet der für das Kleingewerbe bestimmten Kleinkraftmaschinen räumen und sah sich neuerdings durch die Gicht- oder Generator- bezw. Wassergas benutzenden Grossgasmaschinen auf seiner eigensten bisher allein beherrschten Domäne der Grosskraftmaschine stark gefährdet. Unter solchen Umständen musste natürlich eine Steigerung des thermischen Wirkungsgrades der Dampfmaschine, also Mehrleistung ohne Mehraufwand an Dampf in der Dampfmaschinenindustrie die grösste Aufmerksamkeit erregen, da dadurch der Wettbewerb zwischen Dampf- und Wärmekraftmaschine wieder zu Gunsten der ersteren verschoben wird. Diese wirtschaftlich sowohl als auch maschinentechnisch hochbedeutende Leistung ist durch die Vereinigung der Dampfmaschine mit einer Kaltdampfmaschine durch einwandfreie Versuche verwirklicht worden. Diese Versuche, welche von Professor Josse in dem Maschinenlaboratorium der Kgl. Technischen Hochschule in Berlin im vorigen Jahre zu einem gewissen Abschluss gebracht und zur Jahrhundertfeier der Technischen Hochschule in den Mitteilungen des Maschinenlaboratoriums (H. 2, S. 1 bis 9, 1899) in einem vorläufigen Bericht veröffentlicht worden sind, haben ergeben, dass durch die Vereinigung der Kaltdampf- und Dampfmaschine bei einer Verbundmaschine mit Kondensation von etwa 40 PS 56 % der indicirten Leistung dieser Maschine ohne Mehraufwand an Dampf hinzugewonnen werden konnten. Das Wesen dieser vermeintlich neuen Erfindung kennzeichnet Professor Josse a. a. O. mit folgenden Worten: „Der Gedanke, einen Teil der Wärme dadurch in Arbeit umzusetzen, dass man diese Wärmemenge von verhältnismässig niederer Temperatur des Wärmeträgers, die bei Verwendung des gewöhnlichen Arbeitsmittels (Wasserdampf) nicht mehr ausgenutzt werden kann, zum Teil durch andere Arbeitsmittel mit niedriger liegendem Siedepunkt (Kaltdämpfe) verwerten könnte, ist schon längst ausgesprochen worden. Vor mehreren Jahren jedoch ist diese Idee von den Herren Gottlieb Behrend und Zimmermann in der präciseren Form eines Patentes zum Ausdruck gebracht und durch allerdings damals nicht befriedigende Versuche verwirklicht worden. Der Grundgedanke des Patentes besteht darin, die in den Auspuffprodukten der Dampfmaschinen enthaltene Wärmemenge (bei Auspuffmaschinen der Abdampf von 100°, bei Kondensationsmaschinen derselbe von 65 bis 70° entsprechend dem Vakuum) zur Verdampfungeiner bei niederer Temperatur siedenden Flüssigkeit zu verwenden und diese hierbei erzeugten, hochgespannten Dämpfe derselben in einem Arbeitscylinder unter Arbeitsleistung auf denjenigen Druck zu erniedrigen, welcher der Temperatur des Kühlwassers entspricht. Mit anderen Worten, der Vorgang besteht darin, einerseits das Temperaturgefälle in Wasserdampfmaschinen von der Kondensatorspannung (65 bis 70°) herab zur Kühlwassertemperatur (15 bis 20°), das bei Wasserdampf unmittelbar nicht ausnutzbar ist, durch andere geeignetere Dämpfe zu verwerten, andererseits dabei auch die Grösse Wärmemenge, die ohne in Arbeit verwandelt zu werden, durch die Dampfmaschine hindurchgeht, teilweise in Arbeit umzusetzen. Die Herren Behrend und Zimmermann haben diesen Gedanken, dessen Richtigkeit und Ausführbarkeit von vielen Seiten bestritten worden war, mit anerkennenswerter Zähigkeit verfolgt und vor einigen Jahren versucht, denselben aus der Theorie in die Praxis umzusetzen. Sie hatten in Verbindung mit einer Maschinenfabrik eine Versuchsmaschine gebaut und in Betrieb gebracht; die Versuche haben jedoch infolge verschiedener Umstände nicht befriedigt und scheiterten an praktischen Schwierigkeiten.“ Günstige Resultate wurden jedoch von Professor Josse mit einer derartigen Versuchsmaschine, welche die Berliner Maschinenbau-Aktiengesellschaft für Eisengiesserei und Maschinenfabrikation (vorm. J. C. Freund u. Co.) nach seinen Entwürfen bereitwilligst gebaut hat, erreicht, und zwar über Erwarten günstige. Aus praktischen Gründen wurde die Kaltdampfmaschine als gesonderte Maschine mit eigenem Triebwerk gebaut und neben der Wasserdampfmaschine aufgestellt. Die Wasserdampfmaschine arbeitet dabei wie gewöhnlich als Kondensationsmaschine, nur dass der Abdampf, welcher aus dem Niederdruckcylinder in einen Oberflächenkondensator geführt und dort niedergeschlagen wird, nicht wie gewöhnlich durch Kühlwasser, sondern durch eine leicht verdampfende Flüssigkeit. Solche Flüssigkeiten, welche in der Eismaschinentechnik allgemein im Gebrauch sind, sind in erster Linie Ammoniak und schweflige Säure, ferner Aceton, Benzol, Aether, Kohlensäure u.a. „Es ist,“ wie Professor Josse in dem erwähnten Bericht mit vollem Recht betont, „ganz gleichgültig vom theoretischen Standpunkt, welche von diesen Flüssigkeiten für den Versuch benutzt wird“. Josse wählte schweflige Säure, weil dieselbe in jahrelangem Eismaschinenbetrieb erprobt war und in dem Cylinder ohne Schmierung arbeiten kann, während Du Trembley, welcher bereits vor 50 Jahren in gleich vollkommener Weise die vereinigte Kaltdampf- und Dampfmaschine gebaut und erprobt hat, als Füllflüssigkeit für die Kaltdampfmaschine Aether benutzte. Die Behrend und Zimmermann'sche Maschine weist dieser Maschine gegenüber, soweit der vorläufige Bericht dies erkennen lässt, nur solche Unterschiede auf, welche durch den heutigen Stand der Dampfmaschinentechnik bedingt werden, wie z.B. die höhere Spannung. Zum Vergleich lasse ich die Beschreibung der auf einem Transportdampfer erprobten Du Trembley'schen Maschine nach dem Bericht der Prüfungskommission folgen, welche diese Maschine im Auftrage des Präfekten der Rhonemündungen 1853 prüfte. „Der Wasserdampf wird, nachdem er seine Wirkung ausgeübt hat, beim Austritte aus dem Cylinder in einen verschlossenen Apparat geleitet, welcher von oben nach unten von einer Grössen Anzahl einander nahe, aber isoliert stehender Röhren durchzogen ist. Das Fussende dieser Röhren taucht in ein unter dem Apparate stehendes Aetherreservoir. Der Aether steigt in den Röhren in die Höhe und füllt sie zum Teil. Sobald der Wasserdampf in den Apparat eingetreten ist und die Röhren von allen Seiten umgibt, so kondensirt er sich zu Wasser, und der Aether verdampft. Hierdurch gewinnt man nicht nur den Vorteil der gewöhnlichen Kondensationsmaschinen, sondern es entwickelt auch der Aetherdampf, welcher in einem eigens hierzu bestimmten Raume über dem Verdampfungsapparate gesammelt wird, eine neue Kraft, welche noch zu der des Wasserdampfes hinzukommt. Das durch die Kondensation gebildete Wasser wird nach dem Kessel zurückgeführt; der über dem Verdampfungsapparate und in den Röhren erzeugte Aetherdampf aber gelangt in einen Cylinder, in welchem seine Kraft benutzt wird und welcher von gewöhnlichen Dampfmaschinencylindern in nichts abweicht. Der Kolben dieses zweiten Cylinders kann unabhängig arbeiten oder mit dem Wasserdampfcylinder an dieselbe Welle angeschlossen sein. Das letztere ist bei dem Schiffe Le du Trembley der Fall und wird in der Regel bei allen Dampfschiffen der Fall sein. Der Aetherdampf, dessen Entweichen aus mehrfachen Gründen sorgfältig vermieden werden muss, wird wie der Wasserdampf behandelt. Er wird in einen Röhrenapparat, ähnlich dem Verdampfungsapparate, eingeführt und durch einen ununterbrochenen Strahl Wasser kondensiert, welcher in den Apparat einfliesst und die Röhren umgibt. Der flüssige Aether wird darauf dem Verdampfungsapparate zugehoben, und der beschriebene Kreislauf beginnt von neuem. Diese Einrichtung gewährt eine namhafte Ersparnis an Brennmaterial, welche gewonnen wird: 1. durch die Speisung des Kessels mit dem warmen durch die Kondensation des Dampfes erhaltenen Wasser; 2. durch die Benutzung der Wärme, welche der Aetherdampf dem kondensierten, nicht wieder nach dem Kessel zurückkehrenden Wasserdampf entzieht; 3. durch die Speisung des Kessels mit destilliertem Wasser, wodurch das Absetzen von Salzen verhindert wird, welches dem Kessel warmes Wasser und mithin auch Wärme entzieht. Bei der Prüfung des Du Trembley waren aber auch neben Anerkennung der Vorteile, welche man von seiner Einrichtung erwarten konnte, die Gefahren zu untersuchen, welche aus der Anwendung des Aethers entspringen können, weil sich derselbe sowohl im flüssigen Zustande, als auch als Dampf bei der Berührung mit Feuer leicht entzündet. Diese Gefahren neben denen, welche die Dampfschiffahrt an und für sich schon bietet, erforderten die genaueste Aufmerksamkeit der Kommission. Was zunächst die Vorsichtsmassregeln betrifft, welche man zur Vermeidung der aus der Anwendung des Aethers hervorgehenden Unfälle getroffen hat, so haben die Apparate, durch welche der Aether hindurchgeht, der Verdampfungsapparat, der Kondensator und der Cylinder, durchgängig beim Zusammenbau äussere Mäntel, welche für den Fall, dass eine Undichtheit entstehen sollte, den Aetherdampf verhindern, sich nach aussen zu verbreiten; sie sind überall, wo der Aether in Dampfform auftritt, mit Manometern und Sicherheitsventilen versehen. Zwischen dem Kessel und dem Maschinenraume ist durchaus keine Kommunikation. Zu dem letzteren gelangt man nur mit Hilfe von Sicherheitslampen, welche im Aetherdampfe verlöschen, ohne denselben zu entzünden. Wenn überdies der Aetherdampf den Grössen Uebelstand der leichten Entzündbarkeit zeigt, so gewährt er auf der anderen Seite den Vorteil, dass er die Gefahr selbst durch seinen Geruch anzeigt, wie gering auch die Menge sei, welche der Luft beigemischt ist. Du Trembley hat die Verbindung seiner Apparate mit einer solchen Sorgfalt hergestellt, dass, wenn während des Stillstandes der geheizten Maschine ein schwacher Geruch die Gegenwart von Aether in der Luft anzeigt, dieser Geruch vollständig verschwindet, sobald das Schiff im Gange ist. Wenn der Bau des Du Trembley der erste Versuchder Anwendung kombinierter Dämpfe bei der Meeresdampfschiffahrt ist, kann dagegen die Anwendung dieses Systems bei stehenden Maschinen als durch die Erfahrung bestätigt betrachtet werden. In Lyon befindet sich eine solche Maschine (vgl. Polytechnisches Centralblatt 1848, S. 683) mit einer Gesamtleistung von 50 PS, welche zum Betriebe einer der bedeutendsten Glaswarenfabriken dient und seit 6 Jahren ohne Unterbrechung, ohne Unfälle und zur vollkommenen Zufriedenheit der Erbauer gearbeitet hat“ (vgl. Polytechnisches Centralblatt 1854, Bd. 385 u. ff. und Annales des mines 1853, Bd. 4 S. 203). Die Kommission, welche, wie schon oben bemerkt wurde, die von Du Trembley erfundene vereinigte Kaltdampf- und Dampfmaschine zu untersuchen hatte, fuhr zu diesem Zwecke mit dem Schiff, auf welchem die Maschine aufgestellt war, den 7. Juni 1853 mittags 1 Uhr von Marseille in 53stündiger Fahrt nach Algier. Die Maschine hat während dieser Fahrt ohne Unterbrechung gearbeitet. Die Kolben machten 32 Doppelhübe in der Minute; die Leistung beider Maschinen betrug etwa 70 PS. Während der Ueberfahrt mussten die Apparate einmal mit Aether gespeist werden. Diese Operation geschieht ohne alle Schwierigkeiten und Gefahren, und ohne die Bewegung der Maschine unterbrechen zu müssen, indem man mittels eines hierzu bestimmten Hahnes auf den Kondensator einen Heber aufschraubt, dessen zweiter Schenkel in das Gefäss, welches den Aether enthält und auf dem Verdeck aufgestellt ist, taucht. Der Kondensator saugte selbst so viel Aether an, als man in denselben einführen wollte. Die Höhe des Aethers im Kondensator und im Verdampfungsapparate wird durch Glasröhren angegeben. Das Manometer für den Wasserdampf hielt- sich während der Reise durchschnittlich auf 1¾ at, das für den Aetherdampf auf 1⅞ at. Das Vakuummanometer im Wasserdampfkondensator zeigte 0,55 m und das im Aetherdampfkondensator nur 0,1 m. Der Hub der Kolben, welche 32 Touren in der Minute machten, war gleich 0,75 m, der Durchmesser des Wasserdampfcylinders 0,65 m und des Aetherdampfcylinders 0,8 m. Die Maschinen leisteten, wenn sie nur mit Wasserdampf arbeiteten, nach mehreren Versuchen 69?41 PS. Die Spannung des Dampfes konnte man wegen der Unzulänglichkeit des Kondensators nur bis auf 1¾ statt auf 2 at treiben. Bei ordnungsmässigem Betrieb ist die Leistung der Kaltdampfmaschine nur um ¼ geringer als diejenige der Wasserdampfmaschine. Von besonderem Interesse ist der Umstand, dass zwischen den durch die Kondensation des Wasserdampfes und des Aetherdampfes hergestellten Unterdrücken eine Grösse Spannungsverschiedenheit herrscht. Diese Differenz entspringt, wie die Kommission besonders hervorhebt, erstens aus der Spannung, welche der Aetherdampf bei der Temperatur des zur Verdichtung angewendeten Meerwassers noch beibehält, und dann aus der durch zu kleine Oberflächen bedingten Unzulänglichkeit des Kondensators. Im Anschluss hieran heisst es dann im Kommissionsbericht: „Bei einer neuen Maschine ist dieser Fehler nicht zu befürchten; man wird dann auch in Bezug auf den Aether- und Kohlenverbrauch noch günstigere Resultate erlangen.“ Die Leistung der vereinigten Kaltdampf- (Aetherdampf-) und Wasserdampfmaschine betrug nach den Dauerversuchen im Mittel 70 PS, der Kohlenverbrauch während der Versuchsdauer von 36½ Stunden 2860,9 kg, stündlich also 77,67 kg und pro stündliche Pferdekraft 1,11 kg. Vor der Einführung des vereinigten Betriebes haben die beiden Dampfmaschinen nach dem Schiffsjournal in 2,818 Stunden 851,95 kg, stündlich also 302 kg und pro stündliche Pferdekraft 4,31 bis 4,51 kg verbraucht. „Hiernach erwächst aus der Einführung des Aetherdampfes gegen die alleinige Anwendung von Wasserdampf eine Ersparnis von 3,20 bis 3,35 kg pro stündliche Pferdekraft oder 74,26 %.“ Dies ausserordentlich günstige Ergebnis mit der Du Trembley'schen Maschine in der Praxis übertrifft das von Josse mit der Behrend-Zimmermann'schen Versuchsmaschine erhaltene Resultat noch um 18 % und stimmt vollständig mit der Bemerkung von Professor Josse überein, dass die mit der vereinigten Kaltdampf- und Dampfmaschine zu erzielende zusätzliche Leistung um so grösser ist, je grösser der Dampfverbrauch der Wasserdampfmaschine ist, und dass somit bei einer schlechten Wasserdampfmaschine mit hohem Dampfverbrauch durch Anschluss der Kaltdampfmaschine der Prozentsatz der zu gewinnenden Arbeit grösser sein wird, als bei einer guten Wasserdampfmaschine mit geringerem Dampf verbrauch. Aus den Versuchen im Maschinenlaboratorium der Berliner Technischen Hochschule folgt, dass etwa pro 15 kg Wasserdampf, der durch die Wasserdampfmaschine hindurchgeht, in der Kaltdampfmaschine eine indizierte Pferdestärke geleistet werden kann. Der thermische Wirkungsgrad der mit schwefliger Säure betriebenen Kaltdampfmaschine ist demnach gleich \frac{637}{7875}=8 %. Ebenso wie Du Trembley vor 50 Jahren, hat auch Professor Josse bei der neuesten Versuchsmaschine auf die Dichtung der Stopfbüchsen besonderen Wert legen müssen, sowohl um Verluste an der Arbeit zu vermeiden, als auch namentlich um den Geruch hintan zu halten, und diese Aufgabe in gleich vollkommener Weise praktisch gelöst. Besonders erwähnt zu werden verdient noch, dass einst wie jetzt der Kaltdampfarbeitscylinder absolut keiner Wartung bedarf. Die Abmessungen der Behrend-Zimmermann'schen Maschine gebe ich hier noch an, um einen vollständigen Vergleich mit der älteren Maschine zu ermöglichen. Durchmesser des Hochdruckcylinders 340 mm „ „ Niederdruckcylinders 530 „ Kolbenhub 500 „ Durchmesser des Kaltdampfcylinders 200 mm Kolbenhub 500 „ Die Tourenzahl war bei der Dampfmaschine gleich 41,5 und bei der Kaltdampfmaschine gleich 77 in der Minute. Der Dampf verbrauch der Dampfmaschine betrug mit Kondensation normal 8,6 kg pro Ni und ging durch Anwendung der Kaltdampfmaschine auf 5,5 kg pro Ni herunter, was einer Ersparnis von 56 % entspricht. Aus dem Vergleich der beiden hier ausführlich besprochenen Maschinentypen ergibt sich der Schluss, dass die Behrend-Zimmermann'sche Maschine gegenüber derjenigen von Du Trembley eine neue Erfindung nicht mehr darstellt. Die Erfinder haben nur das Verdienst, die bereits vor 50 Jahren praktisch ausgeführte Maschine nochmals erfunden und, was hoch anzuschlagen ist, diese wirklich gute Sache trotz vieler Mäkeleien, Enttäuschungen und Schwierigkeiten in beinahe 10jährigen Mühen mit Grössen Opfern wiederum lebensfähig gemacht und zur Geltung gebracht zu haben. Die Theorie der vereinigten Kaltdampf- und Dampfmaschine, sowie auch die wirtschaftliche Seite dieses Maschinentypus ist in zwei recht interessanten Arbeiten von Ingenieur Richard Stetefeld in der Zeitschrift für die gesamte Kälteindustrie (Heft 1, 2 und 5 d. Jahrg.) behandelt worden. Dieses Thema soll im Anschluss an die vorliegende Arbeit in einem besonderen Aufsatze eingehend besprochen werden.