Zwei Versuche über den Einfluß des Gegendruckes auf die Wirtschaftlichkeit der Kolbendampfmaschine. Von Carl Fred Holmboe, Kristiania. Zwei Versuche über den Einfluß des Gegendruckes auf die Wirtschaftlichkeit der Kolbendampfmaschine. Für eine große Anzahl industrieller Anlagen wie Brauereien, Papier-, Zellstoff-, Schokoladefabriken usw. wird Dampf für Koch-, Trocken- und Heizzwecke in zum Teil ganz bedeutenden Mengen verwendet. Textabbildung Bd. 325, S. 513 Fig. 1. p2 Gegendruck in at (abs.). p1 = 11 at (abs.). t1 = 300° C; Theoretischer Dampfverbrauch. f. d. PSe/Std. Je nach Art des Betriebes wird ein Dampfüberdruck von 0,1–1,5, ausnahmsweise 2 at verlangt. Dieser Dampf wird entweder in Niederdruckkesseln erzeugt oder man schaltet ein Druckverminderungsventil zwischen dem Hochdruckkessel und der Heizanlage ein, da letztere in den weitaus meisten Fällen für geringen Druck konstruiert ist. Bei größeren Anlagen läßt man zweckmäßig den hochgespannten Kesseldampf erst in einer Kolbendampfmaschine oder Dampfturbine auf einen gewünschten, der Heizanlage entsprechenden Enddruck expandieren. Es ist eine altbekannte Tatsache, daß diese Vereinigung von Heiz- und Kraftanlage von außerordentlich großer wirtschaftlicher Bedeutung ist, da die Dampfmaschine nur einen geringen Bruchteil von dem Wärmeinhalt des Dampfes in mechanische Arbeit umsetzt. Besonders bei großen Anlagen für Papier- und Zellstoff-Fabrikation werden für die Trockenmaschinen mehrere Tonnen Dampf i. d. Stunde bei einem Druck von 1–2 at verwendet und wird dann an den Maschinenlieferanten die Frage gestellt, wie viele PS-Std. er für seine Maschine bei einem bestimmten stündlichen an die Heizanlage abzugebenden Dampfgewichts garantieren kann. Während die Garantiezahlen der verschiedenen Fabrikanten bei Maschinen mit Kondensationsbetrieb auf Grund reichen Erfahrungsmaterials meist nur um einige hundert Gramm für die PSe-Std. voneinander abweichen, so erhält man, sobald es sich um Maschinen für Gegendruckbetrieb handelt, weit auseinander liegende Werte, die deutlich auf eine auf diesem Gebiet herrschende Unsicherheit hindeuten. Um zunächst einen ganz allgemeinen Ueberblick über den Einfluß des Gegendruckes auf den Dampfverbrauch einer Maschine zu bekommen, ist es von Interesse, die Kurven des Dampfverbrauches der verlustlosen Kolbendampfmaschine oder Dampfturbine aufzuzeichnen. In Fig. 1 ist der Dampf verbrauch einer verlustlosen Maschine als Funktion des Gegendruckes aufgezeichnet unter Voraussetzung eines Anfangsdruckes p1 von 11 at (abs.) und einer Anfangstemperatur von 300° C. Die Kurve ist nach den Mollierschen Wärmetafeln für adiabatische Expansion entworfen und zeigt deutlich den raschen Zuwachs des Dampfverbrauches mit zunehmendem Gegendruck. Ferner ist es noch interessant, den Einfluß des Anfangsdruckes auf den theoretischen Dampfverbrauch einer Gegendruckmaschine unter Voraussetzung konstanten Gegendruckes graphisch darzustellen. In Fig. 2 sind einige Kurven des Dampfverbrauches als Funktion des Anfangsdruckes für verschiedene Größen des Gegendruckes dargestellt. Textabbildung Bd. 325, S. 513 Fig. 2. p1 Anfangsdruck in at (abs.). p2 Gegendruck in at (abs.). Anfangstemperatur t1 = 300° C; Theoretischer Dampfverbrauch f. d. PSe/Std. Wenn man nun von den theoretischen Zahlen auf den wirklichen Dampfverbrauch einer Dampfmaschine zurückschließen will, so ist es einleuchtend, daß man vor allen Dingen den Einfluß des Gegendruckes auf die in der Maschine auftretenden Wasserverluste näher betrachten muß. Das Folgende enthält eine kurze Betrachtung hierüber nebst Messungsresultate, die dem Untersuchungsmaterial für zwei Kolbendampfmaschinen entstammen. Textabbildung Bd. 325, S. 514 Fig. 3. Die Verluste, die in der Kolbendampfmaschine auftreten, sind bekanntlich: 1. Arbeitsverluste auf Grund unvollkommener Expansion, 2. Abkühlungsverlust des Admissionsdampfes der zum Teil mit 1 zusammenhängt, 3. Wärmeverluste durch Strahlung und Leitung, 4. Undichtigkeitsverluste, 5. mechanische Verluste. Textabbildung Bd. 325, S. 514 Fig. 4. Hochdruckzylinder; Niederdruckzylinder; Gegendruck = 1,01 at; Gegendruck = 2,55 at. Wenn wir von den mechanischen Verlusten ganz absehen und nur die Dampfarbeit in der Maschine betrachten, so hat der unter 2 genannte Verlust den weitaus größten Einfluß auf den Dampfverbrauch der Maschine, da der Abkühlungsverlust bis 80 v. H. und mehr der Gesamtverluste ausmachen kann. Der Abkühlungsverlust ist von dem Temperatur- und Wärmegefälle durch die Maschine bezw. den einzelnen Zylindern abhängig und wird somit mit zunehmendem Gegendruck abnehmen. Dasselbe ist mit den Undichtigkeiten der Kolben der Fall, da diese von dem Druckunterschied auf beiden Seiten des Kolben abhängig ist. Hieraus geht hervor, daß der thermische Wirkungsgrad der Kolbendampfmaschine, bezogen auf das Wärmegefälle, günstiger wird, wenn die Maschine als Gegendruckmaschine als wenn sie im Kondensationsbetriebe arbeitet. In beiden Fällen wird vorausgesetzt, daß die Bemessung der Zylinder usw. dem Zweck der Maschine entspricht. Die in dem Folgenden mitgeteilten Versuchsergebnisse zeigen zahlenmäßig die Steigerung des thermischen Wirkungsgrades im Verhältnis zu dem Gegendruck. Bezeichnen wir den Wärmeinhalt des Dampfes, am Absperrventil gemessen, mit i1 und den Wärmeinhalt nach vollkommener adiabatischer Expansion auf den Gegendruck p2 mit i2, so ist der thermische Wirkungsgrad der Maschine, bezogen auf den Anfangszustand des Dampfes \eta_1=\frac{632}{C_1\,i_1}, worin C1 den Dampfverbrauch der Maschine in kg f. d. PSi-Stunde bedeutet. Textabbildung Bd. 325, S. 514 Fig. 5. Der thermische Wirkungsgrad, bezogen auf die Arbeit der vollkommenen Maschine, ist für die ind. PS {\eta_1}'=\frac{632}{C_1\,(i_1-i_2)} und bezogen auf die effektive Leistung Tabelle 1. Ver-suchNr. GebremsteLeistungPSe IndizierteLeistungPSi Abs Dampfdruck inkg/qcm Dampf-temperaturam Absperr-ventilC° Dampf-verbrauchf. d.PSe/Std. WEi1 i1–i2 Thermischer Wirkungsgrad. bezw. auf die eff.Leistungv. H. Theoretisch.Damf-verbrauchfür75 kgm/Sek. Mecan.Wirkungs-gradv. H. Therm.Wirkungs-grad bezw.auf die ind.Leistungv. H. p1 p2 η 1 η 2 1 200 214 11,9 2,55 252 112 706   72,5   8 77,9 9,3 93,5 83,3 2 200   214,5 11,2 1,01 251   8,1 706 107,0 11 73,0   5,97 93,4 78,2 3 200 214 11,5 0,17 253   6,5 706 166,0     13,75 58,7   3,81 93,5 62,8 ηe = η'1 . ηm, worin ηm den mechanische Wirkungsgrad der Maschine bedeutet. Die Tab. 1 enthält die Hauptergebnisse eines Versuches an einer besonders für den Gegendruckbetrieb gebauten Verbundmaschine. (Fig. 3). Die Maschine ist ein Schnelläufer mit Kolbenschieber für Hoch- und Niederdruckzylinder. Die Regelung erfolgt mittels eines Achsenregulators, der ein entlastetes Drosselventil betätigt. Die während der Versuche 1 und 2 genommenen Diagramme sind in Fig. 4 und 5 wiedergegeben, in letztem Falle rankiniziert. Textabbildung Bd. 325, S. 515 Fig. 6. Gegendruck in at (abs.). M = Mechanischer Verlust; Thermischer Wirkungsgrad in v. H. In Fig. 6 sind die Werte von η'1 und ηe als Funktion des Gegendruckes aufgetragen und erkennt man deutlich, wie rasch ηe mit zunehmendem Gegendruck wächst. Der thermische Wirkungsgrad η1, bezogen auf dem Anfangszustande des Dampfes, dagegen sinkt, was auch ohne weiteres verständlich ist. Tab. 2 enthält weitere Versuche an einer Verbundmaschine gleicher Bauart (Fig. 3). Tabelle 2. Gebremste Leistung in PS 300 Indiz. Leistung des Hochdruckzylinders 172,5    „           „         „  Niederdruckzylinders 148,5    „           „       der Maschine 321 Mechanischer Wirkungsgrad in v. H. 93,6 Dampfverbrauch f. d. PSe/Std. 10,6 Anfangsdruck in at abs. 13,65 Gegendruck in at abs. 3,0 Dampftemperatur am Absperrventil in°C. 251,0 i1= 705,5 i1– i2= 61,0 Thermisch. Wirkungsgrad bez. auf d. Anfangszustand η1 6,56         „                  „              „     „   „  Wärmegefälle  η'1 76         „                  „              „    und die ind. Leistung  ηe 81,2 Der Grund, warum der thermische Wirkungsgrad bei dieser Maschine kleiner ist als der der erst untersuchten Maschine, trotzdem diese kleiner war, mag zum Teil daran liegen, daß Verbundmaschinen, die mit hohem Gegendruck arbeiten, ein höheres Druckgefälle p1/p2 besser ausnutzen als ein niederes. Aus diesen Versuchen geht hervor, daß der thermische Wirkungsgrad der Verbund-Kolbendampfmaschinen bezogen auf die ind. Leistung über 80 v. H. liegt, wenn der Gegendruck 2 at (abs.) überschreitet. Es gibt nun selbstverständlich eine Grenze, bei der die Verbundmaschine unwirtschaftlicher arbeitet als eine Einzylindermaschine. Dies gilt besonders, wenn der Anfangsdruck klein ist im Verhältnis zu dem Gegendruck.