Professor Rateau: Theorie und Wirkungsweise der Strahlkondensatoren.Mit Genehmigung des Verfassers nach einem Aufsatz im Bulletin de la Société de l'Industrie Minérale, Paris, bearbeitet. Professor Rateau: Theorie und Wirkungsweise der Strahlkondensatoren. Die Strahlkondensatoren, die Verallgemeinerung der bekannten Injektoren, sind Vorrichtungen, in denen der Dampf einen Ringraum durchströmt, welcher die wasserführende Düse umschliesst. Man kann sie im Sinne der obigen Verallgemeinerung auch als gewöhnliche Injektoren ansehen, die ihren Betriebsdampf als Abdampf den Zylindern entnehmen und gegen die Atmosphäre als Gegendruck fördern. Während aber bei gewöhnlichen Injektoren die Grösse der Wasserbewegung gegenüber der Geschwindigkeit des Dampfstrahles vernachlässigt werden kann, während ausserdem die von Dampf und Wasser mitgerissene Luft hier keine Rolle spielt, wird bei der Untersuchung der Strahlkondensatoren gerade diesen beiden Grössen eine besondere Bedeutung beigemessen werden müssen. Erfunden von Alexander Morton in Glasgow im Jahre 1867, wenige Jahre nach der Erfindung der Injektoren, sind die Strahlkondensatoren insbesondere von der Firma Gebrüder Körting, Hannover, in die Praxis eingeführt worden. Wie jeder Strahlapparat setzt sich der Strahlkondensator aus drei Hauptteilen zusammen: 1. den beiden konvergierenden Düsen A und B (Fig. 1), durch welche die beiden miteinander zu mischenden Mittel zuströmen. Im dargestellten Falle bildet der Körper der Vorrichtung die Dampfdüse A, welche die zweite, die Wasserdüse B umschliesst. Im Gegensatze zu den Injektoren wird hier durch die äussere Düse Dampf zugeführt, entsprechend dem viel grösseren Raum, der zur Aufnahme des niedrig gespannten Dampfes erforderlich ist. 2. Die Mischdüse D, in welcher der Dampf bei seiner Berührung mit dem Wasser kondensiert. Hier vollzieht sich eine beträchtliche Aenderung im mittleren spezifischen Gewicht der beiden Mittel, eine Erscheinung, die allen Strahlapparaten dieser Art eigentümlich ist. 3. Die Diffusionsdüse oder Fangdüse E, in welcher die Geschwindigkeit des aus der Mischdüse austretenden Strahles verlangsamt und zum Teil in Nutzpressung umgewandelt wird. Sie schliesst sich an die Mischdüse durch eine Einschnürung an, die als „Hals“ des Strahlkondensators bezeichnet werden kann. Es wird im übrigen noch gezeigt werden, dass der Querschnitt dieses Teiles auf die Wirkungsweise des Strahlkondensators grossen Einfluss übt. Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Strahlkondensator ist von Prof. A. Rateau, Paris, konstruiert und kennzeichnet sich durch eine besondere Gestaltung des Einströmrohres für das Wasser, durch eine Regelvorrichtung für die Wassermenge sowie durch eine eigenartige Gestaltung seines Rückschlagventiles. Die Einströmleitung B für dasInjektionswasser hat, wie Fig. 2 erkennen lässt, sternförmigen Querschnitt. Textabbildung Bd. 319, S. 785 Fig. 1. Textabbildung Bd. 319, S. 785 Fig. 2. Der daraus hervortretende Strahl hat daher eine ungefähr dreimal so grosse Oberfläche wie der der gleichen Wassermenge entsprechende Strahl von kreisförmigem Querschnitt. Der Dampf findet demnach nicht nur eine grosse Berührungsfläche, sondern er kann auch bis in die Mitte des Strahles eindringen, kondensiert daher schneller. Man hat also hier ein Mittel in der Hand, die Länge des Strahlkondensators bei gleicher Leistungsfähigkeit zu verringern. Während sonst bei den Strahlkondensatoren die Injektions-Wassermenge für alle Dampfmengen unveränderlich ist, kann sie hier stets entsprechend der Leistung der Maschine geregelt werden. Die hierfür bestimmte Einrichtung besteht aus mehreren Längskanälen, die hinter der Hauptdüse B in die Wasserzuleitung einmünden. Diese Kanäle sind symmetrisch gegen die sternförmigen Teile der Hauptdüse verteilt und dienen zur Vermehrung oder Verringerung der zuströmenden Wassermenge, jenachdem sie mit Hilfe eines Ringschiebers c, der von aussen her betätigt werden kann, mehr oder weniger geöffnet werden. Die von den Hilfsdüsen gelieferte Wassermenge kann die Grösse der durch die Hauptdüse entweichenden erreichen. Das Wasser tritt aus ihnen in einer Reihe von Strahlen aus, die von dem Sternkörper des Hauptstrahles getrennt sind, was ebenfalls zur Vergrösserung der Berührungsfläche beiträgt. Der Antrieb des Schiebers c kann mittels eines Handrades erfolgen, das auf die Spindel des Kegeltrieblings f aufgesetzt wird. Noch besser ist es allerdings, insbesondere in Fällen, wo häufige Belastungsschwankungen auftreten, die Einstellung des Schiebers selbsttätig, durch die Maschine erfolgen zu lassen. Eine hierzu geeignete, sehr einfache Vorrichtung zeigt beispielsweise Fig. 3 im Schnitt. Sie besteht aus dem Zylinder K, dessen Kolben M durch die Leitung P von oben den Druck des in die Maschine eintretenden Dampfes erhält. Die als Zahnstange ausgebildete Kolbenstange D greift in ein Zahnrad, welches den Ringschieber c (Fig. 1) in der Düse antreibt. Am unteren Ende steht die Kolbenstange unter dem Einfluss einer Feder R, deren Spannung mittels der Schraube so geregelt werden kann, dass erst bei einer bestimmten Leistung der Maschine Bewegung des Kolbens M und damit Oeffnen der Hilfsleitungen b (Fig. 1) stattfinden kann. (Rateau setzt natürlich dabei voraus, dass die Eintrittspannung des Dampfes mit der Leistung der Maschine ansteigt, wie das wohl bei allen Maschinen mit Drosselregelung der Fall sein wird.) Wenn die Maschine mit einem Stromerzeuger gekuppelt ist, so kann der Antrieb des Schiebers auch elektrisch erfolgen, indem die Stange, welche die Zahnstange D (Fig. 3) trägt, mit dem Anker eines mit dem Stromerzeuger in Reihe geschalteten Elektromagneten verbunden wird. Je nach der Stärke des erzeugten Stromes wird der Anker von dem Magneten mehr oder weniger angezogen, der also ähnlich wirkt, wie der Kolben M der beschriebenen Vorrichtung. Textabbildung Bd. 319, S. 786 Fig. 3. Das Rückschlagventil, mit dem Strahlkondensatoren stets verbunden sein müssen, um das Eintreten von Wasser in die Maschinenzylinder zu verhüten, hat die Gestalt eines Doppelkegels und ist hohl (Fig. 1). Seine kegelige Gestalt verringert die Ablenkungsverluste im austretenden Dampfstrahl, woraus eine bedeutendere Verminderung des bei Tellerventilen unvermeidlichen Druck- und Ausströmverlustes folgt. Da der Ventilkörper hohl ist, so schwimmt er, wenn das Wasser bis hinauf steigt, auf diesem und schliesst die Dampfzuleitungsicher ab, bevor das Wasser sie erreichen kann. Da das Gewicht des Ventilkörpers grösser sein könnte, als das Gewicht des von ihm verdrängten Wassers, so wird sein Gewicht durch die Feder r genau in der Mitte des Ventilhubes ausgeglichen, so dass der leichteste Dampfstoss genügt, um das Ventil zu öffnen. Der Rückschlag des Wassers bringt den Ventilkörper dann wieder auf seinen Sitz zurück. Die Gestalt des Ventiles ist sehr geeignet, um Stössen und sonstigen grossen Beanspruchungen Widerstand zu leisten. Führungen J sind zur Sicherheit vorhanden für den Fall, dass Reste des mit dem Dampf eintretenden Schmieröles den Gang des Ventiles beeinflussen sollten. Schliesslich ist noch die Anordnung des Ventiles im Körper des Strahlkondensators selbst bemerkenswert, Es wird hierdurch die Zahl der Flanschenverbindungen, die zwischen Maschine und Kondensator unbedingt dicht gehalten werden müssen, auf einen Mindestwert beschränkt, sehr zum Vorteil der erreichbaren Luftleere. Die Theorie der Strahlkondensatoren gründet sich wie jene der Strahlapparate im allgemeinen auf dem Prinzip der Erhaltung der Bewegungsgrösse während des zwischen den beiden Strömen stattfindenden Stosses in der Mischdüse. Bei der Berechnung des Druckes in der Diffusionsdüse sind dann einerseits die Reibungs- und Wirbelverluste der Mischdüse, anderseits der Einfluss der mitgerissenen Luft und der infolge der stets unvollständigen Kondensation übrig bleibenden Dämpfe in Rücksicht zu ziehen. Ohne diese Verluste würde sich die Berechnung der Spannung viel einfacher gestalten. Es bezeichne J1 das Gesamtgewicht des Dampfes, eingerechnet das von ihm mitgerissene Kondensationswasser, v1 die Geschwindigkeit, mit welcher er in die Mischdüse durch eine Leitung vom Querschnitte f1 eintritt und die gewöhnlich mehr als 200 m/sek betragen kann. Eine Verminderung des Druckes von 1 bis 2 cm Quecksilbersäule genügt wegen der geringen Dichte des Dampfes bei dem absoluten Druck p0 in der Mischdüse, um solche Geschwindigkeiten zu erzeugen. Mit J2 soll ferner die Injektionswassermenge bezeichnet werden, mit v2 die Wassergeschwindigkeit beim Eintritt in die Mischdüse durch eine Leitung vom Querschnitte f2. Bekanntlich ist v_2=\sqrt{2\,g\,(H'+H_e)}, worin He den wirklichen Wasserdruck in der Leitung, H' den Unterdruck in der Mischdüse (alle in Wassersäulen gemessen) darstellen. Die Bewegungsgrössen des Dampfes und des Wassers sind ferner J1 v1 und J2 v2. Ist w die mittlere Geschwindigkeit des Dampfwassergemisches beim Eintritt in die Diffusionsdüse, so muss nach dem Satz von der Erhaltung der Bewegungsgrösse J1v1 + J2 v2 = (J1 + J2) w . . . . I) gelten, vorausgesetzt, dass die an sich sehr geringen Reibungsverluste längs der Innenwand der Mischdüse und der Einfluss der Neigung dieser Wand gegen die Mittelachse auf die Bewegung des Gemisches vernachlässigt werden. Der Einfluss der Schwerkraft ist aufgehoben, wenn die Vorrichtung mit wagerechter Achse aufgestellt wird; der Einfachheit der Rechnung wegen soll er daher auch im vorliegenden Falle unberücksichtigt bleiben. Bezeichnet ferner m=\frac{J_2}{J_1} das bekannte Verhältnis zwischen Injektionswassermenge und dem zu kondensierenden Dampfgewicht, das bei normaler Tätigkeit der Strahlkondensatoren ungefähr 25 beträgt, so folgt aus Gleichung I) w=\frac{v_1+m\,v^2}{1+m} . . . . II) Angenommen, es trete aus der Mischdüse ein Flüssigkeitsstrom vom spezifischen Gewicht sx aus – diese Annahme ist nur zulässig, solange die Abwesenheit von Luft und unkondensiertem Dampf vorausgesetzt wird – so entspricht die lebendige Kraft dieses Flüssigkeitsstromes einer Flüssigkeitssäule von der Höhe L=\frac{j\,\cdot\,w^2}{2\,g}, worin j den von verschiedenen Bedingungen abhängigen Wirkungsgrad der Diffusionsdüse darstellt oder einem Druck P=s_x\,\cdot\,L=s_x\,\frac{j\,\cdot\,w^2}{2\,g} . . . . III) Die vorstehende Gleichung gibt Aufschluss über die Wirkungsweise aller Strahlapparate: Das Betriebsmittel (Dampf), dessen spezifisches Gewicht ungefähr \frac{1}{10^4} beträgt, kondensiert bei seiner Berührung mit dem zu fördernden Mittel in der Mischdüse, sein spezifisches Gewicht wird dann gleich dem der Mischung sx. Infolge dieser plötzlichen Aenderung des spezifischen Gewichtes kann man den Dampf mit einer sehr grossen Geschwindigkeit in den Kondensator eintreten lassen und ist es dann möglich, dem aus der Mischdüse austretenden Strahl in der Diffusionsdüse einen Druck entgegenzustellen, der viel grösser ist als jener, durch welchen die Wassergeschwindigkeit v2 erzeugt worden ist. Ein Zahlenbeispiel dürfte das noch klarer erkennen lassen: Es sei He = 0, H' = 9 m (einem Druck von 66 cm Quecksilbersäule entsprechend), m = 25 und v1 = 220 m/sek, was bei einem absoluten Druck von 1,33 m Wassersäule in der Mischdüse bei trockenem Dampf nur einem Druckgefälle von 0,021 kg/qcm entsprechen würde. Aus Gleichung II) ergibt sich dann w = 21,22 m. Infolge seiner grossen Geschwindigkeit ist die Bewegungsgrösse des Dampfes ungefähr ebenso gross wie jene des Wassers, die Geschwindigkeit des Wassers jedoch wird durch die Aufnahme des kondensierenden Dampfes um 60 v. H. vergrössert. Wird für den mittleren Wirkungsgrad der Diffusionsdüse j = 0,70 angenommen, so wird der aus der Mischdüse austretende Strahl eine Wassersäule von \frac{j\,\cdot\,w^2}{2\,g}=16\mbox{ m}, also bedeutend mehr als H' = 9 m überwinden können. Die ganze Berechnung setzt voraus, dass stets genügend Dampf zuströmt. Wenn der Dampfzufluss aber geringer wird, also m immer grösser wird, so nähert sich die Geschwindigkeit w immer mehr dem Wert v2 der Wassergeschwindigkeit. Diese Geschwindigkeitsabnahme ist insbesondere dann sehr bedeutend, wenn bei abnehmender Dampfmenge der Querschnitt f1 der Dampfeinströmung unverändert bleibt. Denn die Geschwindigkeit v1 nimmt dann ebenso schnell ab wie der Dampfzufluss, und die Bewegungsgrösse, des Dampfes fällt sehr bedeutend ab. Aus der Gleichung III) lässt sich leicht berechnen, Welches Verhältnis zwischen Wasser- und Dampfmenge gerade noch ausreicht, um dem aus der Mischdüse austretenden Strahl die zur Ueberwindung des Druckunterschiedes zwischen Mischdüse und Atmosphäre erforderliche lebendige Kraft zu erteilen. Aus dem vorhergehenden Zahlenbeispiel folgt fernerhin deutlich, dass die Strahlkondensatoren theoretisch ihr Injektionswasser selbst ansaugen können, da die lebendige Kraft des Strahles ausreichend gross wird. Man kann daher die Bewegungsgrösse des Wassers noch vermindern, indem man He einen negativen Wert annehmen lässt. Die Gleichung ergibt, dass man w bis auf den Wert\sqrt{\frac{2\,g\,\times\,9}{j}}=15,88\mbox{ m}, v2 bis auf 7,70 m und endlich He bis auf \frac{w^2}{2\,g}-9=5,98\mbox{ m} verringern kann, d.h. man könnte, vorausgesetzt, dass keine Luft und keine unkondensierten Dämpfe vorhanden wären, mit den Strahlkondensatoren bei normaler Beanspruchung noch Wasser bis auf rund 6 m ansaugen. Sobald der Dampfzufluss bis unter die zulässige Grenze abnimmt, ist es erforderlich, den Gesamtwert der Bewegungsgrössen aufrecht zu erhalten, um ein Abreissen der Wassersäule in der Leitung zu verhindern. Hierfür gibt es verschiedene Mittel: 1. Einführen von Frischdampf in das Innere des Strahlkondensators oder besser noch unmittelbar in den Wasserstrahl. Hat die Maschine unveränderliche Leistung, so kann die Dampf Zuführung unterbrochen werden, sobald die Störung vorüber ist. Bei stark und häufig wechselnder Belastung der Maschine ist es dagegen erforderlich, für ein selbsttätiges Oeffnen der Frischdampfleitung Sorge zu tragen, das stets stattfindet, sobald die Leistung der Maschine einen bestimmten Wert unterschreitet. Dem Maschinisten kann dann die Beaufsichtigung des Kondensators nicht mehr allein überlassen werden. Es ist leicht einzusehen, dass dieses Verfahren nicht wirtschaftlich ist, und daher nur in ganz besonderen Fällen zur Anwendung gelangen wird. 2. Ein weiteres Mittel besteht darin, den Ausflussquerschnitt f1 der Dampfdüse in dem Masse zu verringern, als der Dampfzufluss abnimmt, so dass die Dampfgeschwindigkeit ihrem Werte v1 stets nahe bleibt. Dieses Verfahren wird von der Firma Gebr. Körting und auch von Rateau angewendet. Um es durchzuführen, genügt es, die Wasserdüse B (Fig. 1) in der Achse des Kondensators mit Hilfe einer Schraubenspindel einstellbar zu machen. Da die Mischdüse von kegeligem Querschnitt ist, so wird durch Verstellen der Wasserdüse der Querschnitt f1 geändert. Allerdings ist auch dieses Mittel nur innerhalb enger Grenzen anwendbar. Es versagt schon, wenn wie beim Leerlauf der Maschinen der Dampfverbrauch auf 15 v. H. und weniger desjenigen bei Vollbelastung herabsinkt. 3. Das dritte Mittel, den Druck des Einspritzwassers zu erhöhen, ist in jedem Falle anwendbar. Man kann z.B. den Wasserdruck He berechnen, der bei einem atmosphärischen Luftdruck H den Kondensator im Betrieb erhält, selbst dann, wenn der Dampfzufluss bis auf Null fällt. Damit keine Störung eintritt, muss nämlich \frac{j\,\cdot\,w^2}{2g}\,>\,H, oder weil \frac{j\,\cdot\,w^2}{2\,g}=j\,\cdot\,(H_e+H); j (He + H) > H sein, woraus folgt: H_e\,>\,\left(\frac{1}{j}-1\right)\,H . . . . . IV) Für j = 0,7 ist He > 0,42 H. Bei gewöhnlichem atmosphärischen Luftdruck hat H die Werte zwischen 9,5 und 9,7 m. Der Druck, welcher also selbst ohne ohne Dampfzufluss den Betrieb des Kondensators aufrecht erhalten kann; beträgt demnach rund 4 m Wassersäule. Infolge der unvermeidlichen Anwesenheit von Luft und Dampf wird man hier allerdings auf mindestens 5–6 m Ueberdruck rechnen müssen. 4. Schliesslich wird man Betriebsstörungen des Kondensators ohne Erhöhung der gesamten Bewegungsgrösse auch dadurch vermeiden können, dass man den Gegendruck vermindert. Das kann z.B. derart geschehen, dass man den Kondensator in einer gewissen Höhe über dem Ausgussbehälter anbringt. Dadurch kann der Druck Ne bis auf Null herabgemindert werden. Die Bedingung, der diese Anordnung entsprechen muss, damit auch hier wieder keine Störung zu befürchten ist, wenn der Dampfzufluss bis auf Null sinkt, lautet: j\,\cdot\,\frac{w^2}{2\,g}=j\,(H_e+H')\,>\,H-H' oder j . He + H' > (1 – j) H. Im besonderen, wenn He = 0, so muss H' > (1 – j) H . . . . . . V) sein. Für j = 0,7 und H = 0,9 wird die obige Ungleichung erfüllt für einen Wert von H' = 2,7 m. In jedemFalle wird also eine Höhe von 3 m vollkommen ausreichend sein. Das Gefälle, unter dem dann der Kondensator zu arbeiten hat, beträgt H + H'. Nach Gleichung IV) muss für einen störungsfreien Gang die Bedingung erfüllt werden: H'+H\,>\,\left(\frac{1}{j}-1\right)\,(H-H'); es folgt hieraus, dass die Gesamthöhe H + H', um die der Wasserspiegel gehoben werden muss, um so geringer sein wird, je grösser die Saughöhe H' ist. Die vorstehend erörterten Mittel können nicht nur einzeln für sich, sondern auch mehrere gleichzeitig angewendet werden. (Schluss folgt.)