Hydraulische Kompressoren. Nach einem auf dem V. Internationalen Bergbaukongreß in Düsseldorf 1910 erstatteten Referat. Von Oberingenieur P. Bernstein, Köln. Hydraulische Kompressoren. Bei der stetig zunehmenden Verwendung von Preßluft in allgemeinen maschinellen Betrieben und insbesondere in Bergwerksbetrieben für Gewinnungs-, Förder- und Bewetterungszwecke dürfte es von Wert sein, die Entwicklung des in den letzten Jahren in Einführung begriffenen hydraulischen Kompressors zu verfolgen. Wie bei vielen anderen Errungenschaften der modernen Technik ist das Arbeitsprinzip des hydraulischen Kompressors nicht neu, vielleicht bald so alt, wie die Gewinnung mechanischer Energie mittels Wasserrades. Von dem im physikalischen Laboratorium noch vorzufindenden sogenannten Wassertrommelgebläse und dem Harzer Wettersatz abgesehen, sollen in Katalonien schon in den frühesten Zeiten des Eisenhüttenwesens dem hydraulischen Kompressor ähnliche Einrichtungen zur Erzeugung eines künstlichen Luftstromes für die Schmiedefeuer in primitiver Form verwendet worden sein. Fig. 1 zeigt die allgemeine Anordnung des hydraulischen Luftkompressors, der einen Wasserfall von einer Gefällhöhe h ausnutzt. Das Fallrohr, das zur Aufnahme des Betriebswassers an eine Zuflußleitung oder an einen offenen Zuflußkanal angeschlossen wird, ist am oberen Ende mit einem Düsenkörper versehen; durch die Düsen wird von dem strömenden Wasser Luft angesaugt. Das Luftwassergemisch wird in dem Fallrohr auf dem Wege nach unten komprimiert und in den Luftabscheider d entleert, wo die Trennung von Luft und Wasser bewirkt wird. Die sich infolge des geringeren spez. Gewichts im oberen Ten des Abscheiders ansammelnde Luft wird dann durch die Luftleitung zu der Verbrauchsstelle geführt. Das entlüftete Wasser strömt aus dem Abscheider in offenem Schachte oder in geschlossener Steigleitung aufwärts und fließt in einem Höhenabstande h vom Wasserspiegel des Zuflusses ab. Die Pressung der erzeugten Druckluft entspricht dem hydrostatischen Drucke der Rücklaufwassersäule p vom Wasserspiegel im Luftabscheider bis zum Wasserspiegel des Abflusses. Demnach wird die Strömungsenergie des Wasserfalls vom Nutzgefälle h ohne Zuhilfenahme irgend einer Maschinerie unmittelbar in Druckluftenergie umgesetzt. Die Wirkung ist durch Art und Größe der Wasserkraft grundsätzlich nicht eingeschränkt; es können vielmehr kleine und große Wassermengen von großer und kleiner Druckhöhe zur Erzeugung von Druckluft verwendet werden. Die Arbeitsweise des hydraulischen Kompressors ist derjenigen der weit verbreiteten Strahlgebläse ähnlich. Auch hier wird von der saugenden Wirkung der Flüssigkeitsstrahlen Gebrauch gemacht, jedoch mit dem wesentlichen Unterschiede, daß der saugende Wasserstrahl nicht in gespanntem Zustande zur Wirkung gelangt, sondern freifallend die atmosphärische Luft ansaugt. In grundsätzlichem Gegensatz zu den Strahlgebläsen, bei denen fast die gesamte verfügbare Energie des Treibmittels, sei es Dampf, Luft oder Wasser, in der Arbeitsdüse in kinetische Energie umgesetzt wird, wird beim hydraulischen Kompressor nur eine mäßige Geschwindigkeit des Arbeitsstrahles erzeugt, aber die Arbeitsabgabe des Wassers an die zu verdichtende Luft vorwiegend in Form von potentieller Energie bewirkt. Während nämlich das Mengenverhältnis von Luft und Wasser, d.h. die auf die Raumeinheit Wasser anzusaugende Raumeinheit Luft, beim Strahlgebläse infolge des sehr geringen Gegendrucks von etwa 1/10 at im Höchstfalle ein Fünfhundertfaches und noch mehr beträgt, ist beim hydraulischen Kompressor, in welchem hohe Luftpressungen zu erzeugen sind, das theoretische Luft-Wasser-Verhältnis sehr gering. Der auf die Erzeugung der Saugwirkung entfallende Teil des Nutzgefälles ist daher im Verhältnis zum wirksamen in nutzbare Kompressionsarbeit umgesetzten Gefälle kaum nennenswert. Auf diese grundsätzliche Verschiedenheit der Vorgänge ist die Tatsache zurückzuführen, daß beim hydraulischen Kompressor wesentlich günstigere Wirkungsgrade erzielt werden, als dies bei den bislang bekannten Strahlgebläsen der Fall ist. Textabbildung Bd. 325, S. 567 Fig. 1. Textabbildung Bd. 325, S. 567 Fig. 2. Textabbildung Bd. 325, S. 567 Fig. 3. Eine weitere kennzeichnende Eigentümlichkeit des hydraulischen Kompressors besteht darin, daß die jeweils zu erzeugende Luftpressung unabhängig ist von der verfügbaren Gefällhöhe oder der Druckhöhe des Wassers. Da der Kompressionsdruck durch Verlängerung des Fallrohres unterhalb des Unterwasserspiegels und Rückführung des Abwassers vom Luftabscheider aufwärts durch den offenen Schacht oder die Steigleitung bis zum Abfluß hergestellt wird, so ist einleuchtend, daß auf diese Weise beliebig hohe Luftpressungen auch bei geringen Gefällhöhen erzeugt werden können. Bevor in die Erläuterung einzelner Wasser-Druckluftanlagen, die in den letzten Jahren in verschiedenen Bergwerksbetrieben Deutschlands vom Wasserkraft-Druckluft-Syndikat in Mülheim a. Rh. errichtet wurden, eingegangen wird, erscheint es geboten, die Versuchsanlagen, die den Ausgangspunkt für die weitere Entwicklung bildeten, zu erwähnen und die an ihnen erzielten Versuchsergebnisse mitzuteilen. Textabbildung Bd. 325, S. 567 Fig. 4. An Stelle einer alten aufgelassenen Wasserradanlage an der Prims, auf dem Gelände der Dillinger Hüttenwerke in Dillingen an der Saar, wurde ein hydraulischer Niederdruck-Kompressor für Versuchszwecke in den vorhandenen Schacht eingebaut. Bei einer durch Nachteufen hergestellten Gesamttiefe des Schachtes von rd. 19 m ergab sich unter Abzug der Gefällhöhe der Wasserkraft und der Konstruktionshöhe des Luftabscheiders die Steigwassersäule zu etwa 12 m, entsprechend einer effektiven Luftpressung von 1,2 at Ueberdruck. Das normale Gefälle betrug 1,8 m, konnte aber durch Stauung des Oberwasserspiegels auf 2,8 m erhöht werden. Fig. 2 und 3 zeigen den Versuchskompressor in Auf- und Grundriß. Der verwendete Luftsauger bestand aus einem Röhrensystem von 800 Stück ⅝'' Saugröhrchen c, die in fünf Reihen übereinander radial am Umfang eines Hohlringes a angebracht waren, wobei die Verbindung mit der Atmosphäre durch sechs senkrechte über den Wasserspiegel hinausragende Saugrohre b hergestellt wurde (siehe auch Fig. 4). Die teleskopartige Verbindung des Saugers mit dem Fallrohr ermöglichte seine Einstellung in gewünschter Höhenlage zum Oberwasserspiegel, der bei den Versuchen verändert wurde. Die Versuche bezweckten, den Ansaug-Vorgang und namentlich das Verhalten des Kompressors bei veränderlichen Wassermengen und Gefällhöhen näher zu untersuchen und erstreckten sich auf die Bestimmung der erzielbaren Kompressionsleistungen bei gegebenen Wassermengen und Gefällhöhen. Von den eingehenden Leistungs-Versuchen mit verschiedenen Gefällhöhen und Wassermengen, die unter Leitung des Herrn Geh. Baurat Professor Gutermuth (Darmstadt) vom Verfasser ausgeführt wurden, sind die Ergebnisse der Versuchsreihe mit 1,8 m Gefälle in Tab. 1 und in Fig. 5 wiedergegeben. Hierbei wurden die Luftmengen mittels geeichter Anemometer, die am Luftsauger angebracht waren, und die Wassermengen mittels Ueberfallsmessungen im Untergraben bestimmt. Die erzielten Kompressionsarbeiten sind nach der Arbeitsgleichung des isothermischen sowohl als auch des adiabatischen Prozesses berechnet, desgleichen die bezüglichen Gütegrade. Tabelle 1. Hydraulischer Versuchskompressor in Dillingen a. d. Saar. Gefälle = 1,8 m, Luftpressung = 1,2 at eff., Lis = 7,88 mkg/l Luft, Lad = 8,86 mkg/l Luft. Wasser-mengel/Sek. Anemo-meter-wegm/Sek. Wasser-leistungPS Luft-mengel/Sek. Kompressions-leistungPS Gütegradbezogen auf isoth. adiab. isoth.Kompr. adiab.Kompr. 416 0,63   9,8   55   5,7   6,5 0,58 0,66 487 0,93 11,4   81   8,6   9,6 0,75 0,84 522 1,06 12,4   92   9,7 10,9 0,78 0,88 637 1,35 15,0 117 12,2 13,8 0,81 0,92 657 1,37 15,4 119 12,5 14,1 0,81 0,92 718 1,52 17,0 132 13,7 15,6 0,80 0,92 768 1,57 18,2 137 14,4 16,2 0,79 0,89 823 1,63 19,5 142 15,0 16,8 0,77 0,86 848 1,65 20,3 143 15,1 16,9 0,74 0,83 868 1,66 20,8 144 15,3 17,0 0,74 0,82 1 m/Sek. Anemometerweg = 14,5 l angesaugte Luft f. d. Saugrohr. Textabbildung Bd. 325, S. 568 Fig. 5. Eine zweite Versuchsanlage für größere Gefällhöhen und höhere Luftpressungen wurde im Jahre 1903 auf Schacht Glanzenberg des Erzbergwerkes der Gewerkschaft Glanzenberg in der Nähe von Siegen aufgestellt. Als Aufschlagwasser wurden die auf den oberen Sohlen zusitzenden Wasser benutzt, die von der Wasserhaltungs-Maschine zurückgepumpt wurden. Der Höhenunterschied zwischen Stollensohle und Tiefbausohle betrug 122 m. Nach Abzug der Abscheiderhöhe bis zum normalen Wasserspiegel im Luftabscheider sowie der Höhe des Gerüstes, auf dem der Abscheider gelagert war, stand eine nutzbare Höhe von rd. 120 m für den Kompressor zur Verfügung. Die größte Wassermenge betrug 19 l/Sek. Die Versuchsanordnung ist in Fig. 6 und 7 dargestellt: durch eine absperrbare schmiedeeiserne Leitung a von 150 mm l. W. gelangt das Wasser aus dem Sumpfe in den den Saugkopf b umgebenden Behälter; durch den Saugkopf und die Hilfsaugdüsen am oberen Teile des Fallrohres wird Luft angesaugt und in dem schmiedeeisernen Fallrohr c von 100 mm l. W. verdichtet. Das Fallrohr mündet in den schmiedeeisernen zylindrischen Luftabscheider d von 800 mm l. W. und 2,2 m Höhe ein. Die erzeugte Preßluft tritt durch eine mit dem Regelventil i und dem Dreiwegventil l versehene Luftleitung k von 50 mm l. W. in den Luftbehälter m und von da abwechselnd in die Luftleitung q oder durch den Reduzierhahn n und das konische Blechrohr o ins Freie. Das Wasser fließt durch das Ueberströmventil e, das auf den gewünschten Oeffnungsdruck eingestellt werden kann, in ein mit Verschlußpfropfen und Hahn versehenes Meßgefäß f und sodann durch eine 120 mm weite Leitung h zum Sumpfe der Wasserhaltungsmaschine. Diese bewältigt bei gesteigerter Umlaufzahl neben dem zusitzenden auch das im Kompressor umlaufende Wasser. Mit den Versuchen, die mit verschiedenen Rohrlängen und Rohrdurchmessern sowie mit verschieden ausgebildeten Luftabscheidern vorgenommen wurden, wurde bezweckt, Konstruktionsgrundlagen für die Bemessung der wichtigen Teile des hydraulischen Kompressors zu gewinnen. Textabbildung Bd. 325, S. 568 Es wurden zwei verschiedene Fallrohrlängen gewählt. Bei unveränderter Lage des Abscheiders ergaben sich zwei Anordnungen: I. Fallrohrlänge gleich 120 m: der Sauger ist in der Höhe der 63 m-Sohle aufgestellt, das Aufschlagwasser wird dem Sumpfe a entnommen. II. Fallrohrlänge 87 m: die Rohrleitung r führt das Aufschlagwasser zu einem auf der 96 m-Sohle aufgestellten Holzkasten, aus dem es mit geringer Geschwindigkeit dem auf derselben Sohle befindlichen Sauger zuströmt. Diese Anordnung ist in Fig. 6 punktiert angedeutet. Bei jeder der beiden Anordnungen wurden mittels der regelbaren Ventile für Wasser und Luft weitgehende Aenderungen von Gefälle und Luftpressung vorgenommen. Die gegenseitige Abhängigkeit von Nutzgefälle h und effektiver Luftpressung p ergibt sich aus der Beziehung: H = h + p, worin H den ganzen Höhenunterschied von Wasserzu- und -abfluß, h das veränderbare Nutzgefälle, p die veränderbare Luftpressung in m Wassersäule bedeutet. Die Austrittsgeschwindigkeit des Wassers am Ueberströmventil e entspricht der jeweiligen Luftpressung. Da ferner die der Druckhöhe p entsprechende Energie am Austritt aus dem Kompressor noch im Wasser enthalten ist, so ist das jeweilige in Kompressionsarbeit theoretisch umsetzbare Nutzgefälle h = H – p in m Wassersäule. Textabbildung Bd. 325, S. 569 Fig. 8. Textabbildung Bd. 325, S. 569 Fig. 9. Die Messung der angesaugten sowie der gelieferten Luftmenge erfolgte mit Hilfe von zwei geeichten Anemometern, von denen das eine am Eintrittsstutzen des Saugkopfes, das andere am weiteren Ende des konischen Rohres o angebracht war. Aus dem Unterschiede der so gemessenen Luftmengen ergaben sich die Luftverluste i im Kompressor. Die Betriebswassermenge wurde mittels des geeichten Wasserkastens f gemessen. Von den zahlreichen Versuchen mit niedrigen und hohen Luftpressungen sind hier nur die Versuchsreihen mit in der Praxis gebräuchlicher Arbeitspressung mitgeteilt, und zwar ein Versuch der Anordnung I mit 50 m Gefälle und 7 at Pressung sowie ein Versuch der Anordnung II mit 17 m Gefälle und 7 at Pressung. Tabelle 2. Hydraulischer Versuchskompressor auf Grube Glanzenberg (Anordnung I). Gefälle = 50 m, Luftpressung = 7 at eff., Lis = 20,79 mkg/l Luft, Lad = 28,47 mkg/l Luft. Wasser-mengel/Sek. Anemo-meter-wegm/Sek. Wasser-leistungPS Luft-mengel/Sek. Kompressions-leistungPS Gütegradbezogen auf isoth. adiab. isoth.Kompr. adiab.Kompr.   8,7 0,82   5,8 11,8 3,3   4,5 0,57 0,78 10,0 1,03   6,6   14,75 4,1   5,6 0,62 0,85 11,4 1,25   7,6 18,0 5,1   6,8 0,66 0,90 12,5 1,40   8,3 20,0 5,7   7,6 0,68 0,92 13,8 1,50   9,2 23,0 6,3   8,7 0,69 0,95 14,7 1,70   9,8 24,5 6,8   9,3 0,70 0,95 15,1 1,72 10,0 25,0 6,9   9,5 0,69 0,95 16,5 1,88 11,0 27,5 7,6 10,4 0,69 0,94 18,0 2,03 12,0 29,0 8,2 11,0 0,68 0,92 1 m/Sek. Anemometerweg = 14,5 l angesaugte Luft. Tabelle 3. Hydraulischer Versuchskompressor, auf Grube Glanzenberg (Anordnung II). Gefälle = 17 m, Luftpressung = 7 at eff., Lis = 20,79 mkg/l Luft, Lad = 28,47 mkg/l Luft. Wasser-mengel/Sek. Anemo-meter-wegm/Sek. Wasser-leistungPS Luft-mengel/Sek. Kompressions-leistungPS Gütegradbezogen auf isoth. adiab. isoth.Kompr. adiab.Kompr.   7,0 0,25 1,52 3,7 1,00 1,40 0,65 0,92   8,2 0,30 1,83 4,4 1,20 1,67 0,65 0,91   9,3 0,33 2,10 5,2 1,46 2,01 0,68 0,95 10,6 0,41 2,40   6,05 1,66 2,30 0,69 0,95 11,8 0,44 2,66   6,75 1,87 2,56 0,69 0,96 12,6 0,49 2,85 7,1 1,95 2,70 0,69 0,94 14,2 0,56 3,20 8,2 2,25 3,12 0,70 0,97 16,5 0,59 3,73   8,65 2,38 3,28 0,64 0,88 17,6 0,58 3,98 8,5 2,32 3,23 0,58 0,81 18,5 0,58 4,20 8,5 2,33 3,23 0,55 0,77 19,6 0,54 4,45 8,0 2,20 3,04 0,49 0,68 1 m/Sek. Anemometerweg = 14,5 l angesaugte Luft. Textabbildung Bd. 325, S. 569 Fig. 10. I Maximaler Unterdruck 0,075 at; Maximaler Unterdruck 0,131 at. Textabbildung Bd. 325, S. 569 Fig. 11. Kompressionsdruck 7 at; Fallrohrlänge 87 m. Textabbildung Bd. 325, S. 569 Fig. 12. Fallrohrlänge 120 m; Kompressionsdruck 7 at. Für diese zwei Versuchsreihen sind die beobachteten Wassermengen in Sekundenlitern, die Anemometerwege in Sekundenmetern, die sich ergebende Luftmenge in Sekundenlitern, ferner die Wasserleistung und Kompressionsleistung in kgm, sowie berechneten Gütegrade, beide bezogen auf den isothermischen und adiabatischen Vorgang, in die Tab. 2 und 3 und in Fig. 8 und 9 eingetragen. Das Ergebnis der mittels Quecksilbervakuummeters vorgenommenen Unterdruckmessungen ist für verschiedene Aufschlagmengen in Fig. 10 dargestellt. Aus dem Verlauf der Unterdrucklinien ist ersichtlich, daß der Unterdruck für die jeweilige Betriebswassermenge innerhalb der Saugzone ein Maximum aufweist. Die Verteilung der Kompression auf die Länge des Fallrohres unterhalb der Saugzone bis zum Luftabscheider bei verschiedenen Wassermengen ist für die Fallrohrlänge von 87 m und 120 m in den Fig. 11 und 12 veranschaulicht. (Fortsetzung folgt.)