Construction der Perkins'schen Wasserheizung; von C. Schinz. Mit Abbildungen auf Texttafel A. (Fortsetzung von S. 72 dieses Bandes.) Schinz, über Construction der Perkins'schen Wasserheizung. Transmissionsröhren. Transmissionsröhren nennen wir denjenigen Theil eines Röhrensystems, welches die Wärme in den zu beheizenden Röhren abgibt, während eine andere Röhrenlänge des Systems dazu bestimmt ist, im Ofen Wärme aus dem Feuer aufzunehmen. Ferner ist eine gewisse Länge des Systems nothwendig, um das heiße Wasser aus dem Ofen in die Zimmer und das in denselben abgekühlte in den Ofen zurück zu führen. Jedes System theilt sich also in: Transmissionsröhren, Ofenröhren und Leitungsröhren. Transmissionscoefficient nennt man diejenige Wärmemenge, die ein erwärmter Körper in der Zeiteinheit einer Stunde an die ihn umgebende Luft abzugeben vermag, je nach der Temperaturdifferenz t – T zwischen dem Wärme abgebenden Körper und der Wärme aufnehmenden Luft, t ist dann in unserm Falle gleich der Temperatur des Wassers und T = derjenigen der Luft. Soll diese auf 20° erwärmt werden, so ist T = 20°, und T wird abhängen von der vorhergehenden Abkühlung des Wassers. Wenn z.B. die Initialtemperatur des Wassers t'' = 250° ist, so wird die erste Röhrenlänge (siehe Tabelle II) einen Transmissionscoefficienten haben, der zwischen 427,5 und 474,5 liegt; er wird also 451c sein. Wie lang dieses Röhrenstück sein dürfe, hängt von der Geschwindigkeit der Circulation in den Röhren ab. Wenn das Wasser mit 250° aus dem Ofen kommt und mit 60° in denselben zurückkehren soll, so haben wir successive 20 verschiedene Transmissionscoefficienten, deren Summe gleich ist der durch die ganze Röhrenlänge abgegebenen Wärme. Es ist klar, daß das Wasser aus dem Ofen eben so viele Wärmeeinheiten enthalten muß. Damit es aber diese enthalten könne, ist nothwendig, daß es mit einer gewissen Geschwindigkeit durch den Ofen ströme. Die Transmissionsröhre wird daher um so länger sein dürfen, als die Circulation lebhafter ist; z.B. darf die Röhre nur 163m Länge haben, wenn die Geschwindigkeit des Wassers = 0m,1127 pro Secunde ist, und 188m Länge, wenn die Geschwindigkeit 0m,1287 wird. Im erstern Falle ist die Summe der transmittirten Wärme = 34700c, im letztern aber 39900c. Sämmtliche Transmissionscoefficienten in der Tabelle gelten für 1m Röhrenlänge von 45mm äußerm Durchmesser und unter der Bedingung, daß diese Röhre horizontal liege und frei von der Luft umspült werden könne. Diese Coefficienten würden andere werden, wenn die Röhre senkrecht gestellt wäre, oder wenn sie einen andern Durchmesser hätte; z.B. eine horizontale Röhre von nur 15mm Weite würde für t – T = 190° 2943c statt 4150c für 45mm Durchmesser pro 1qm geben. Ebenso würde dieselbe Röhre von 10mm Durchmesser, wenn sie 12m hoch senkrecht aufgestellt wäre, nur den Coefficienten 3589c pro 1qm geben. So können auch dicht auf einander geschichtete Röhren, wie man sie gewöhnlich in den Zimmerspiralen findet, nur kleine Coefficienten geben, da die an der untersten Röhre erwärmte Luft schon mit einer erhöhten Temperatur an die über ihr liegende Röhre tritt, und da überhaupt solche Röhren nur von der Seite von Luft bespült werden. Weit besser wäre es in den meisten Fällen, gar keine Spiralen zu machen, sondern die Röhren einfach auf oder in den Boden zu legen, da diese Krümmungen die Circulation des Wassers sehr beeinträchtigen. Will man aber durchaus solche Wärmeschränke haben, so sorge man dafür, daß wenigstens die größtmögliche Transmission stattfinde, denn sonst ist es weder möglich, unnütze Röhrenlängen zu vermeiden, noch eine richtige Vertheilung der Transmissionsröhren in verschiedenen Räumen vorzunehmen. Man müßte die Spiralen spiralförmig gestalten oder neben einander senkrecht liegend wie in Figur 1 anordnen, so daß die Luft überall frei zutreten kann und nicht vorerwärmte Luft an die Röhren trete. Wie man den Bedarf an Wärme für jeden einzelnen zu heizenden Raum für den Maximumsbedarf bestimmt, habe ich in meinen frühern Schriften so umständlich angegeben, daß hier eine Wiederholung jener Anleitung überflüssig wäre. Wäre nun die Summe der in verschiedene Räume zu vertheilende Wärmeeinheiten = 67 447c, und wir wollen den Röhren die möglichst größte Leistung zumuthen, so geben wir dem Wasser im Ofen 250° und führen dasselbe mit 60° zurück; dann ist der mittlere Transmissionscoefficient W nach Tabelle II = 2125c, und wir brauchen 67447 : 2125 = 317m,4 Transmissionsröhren im Ganzen. Nun könnten wir aber nur in Ausnahmsfällen eine so große Circulationsgeschwindigkeit hervorbringen, um dieser Länge zu genügen. Wir müssen daher diese Länge in zwei gleiche Hälften theilen und mit denselben zwei Systeme bilden, so daß wir zwei Transmissionsröhren von 158m,7 Länge bekommen, in welchen das Wasser mit 250° eintritt und mit 60° austritt. Nun durchläuft das Wasser nach unserer Tabelle 19 Temperaturintervalle und jeder der 19 Coefficienten gilt für 158,7 : 19 = 8m,35 Röhrenlänge. Diese 19 Stück Röhrenlängen von 8m,35 werden also, insofern wir die richtige Circulationsgeschwindigkeit haben, transmittiren: 451,0 × 8,35   3767c 410,1   3424 376,5   3144 345,2   2882 315,8   2637 288,2   2357 262,2   2144 237,7   1944 214,7   1756 192,9   1577 172,5   1411 153,2   1253 135,0   1104 117,9     964 101,7     832   86,5     707   72,1     590   58,6     479   46,0     376 –––––– Summe 33339c, was mit der Hälfte des ganzen Bedarfes 67447 : 2 = 33723° hinlänglich nahe stimmt. Mittels dieser Werthe können wir nun leicht die Vertheilung der 317m Transmissionsröhren vornehmen. Wir wollen dies für eine städtische Privatwohnung vornehmen, wie sie in Fig. 2 und 3 als Grundrisse für zwei Stockwerke angegeben. Der Wärmebedarf für die einzelnen Räume wird in folgendem angegeben. Wir berechnen dann den Röhrenbedarf für jeden einzelnen aus obigen Zahlen und erhalten: Bedarf fürdie Räume TotaleRöhrenlänge Röhrenlängeaus obigenWerthen Transmission c m m c c A 5793 14,442 8,350 3767 6,092 2026 5793 B 2907   6,183 2,258 1398 3,925 1509 2907 C 2907   8,035 4,425 1635 3,610 1272 2907 D 2907   8,762 4,740 1610 4,022 1297 2907 E 5793 20,853 4,508 1340 8,350 2357 7,995 2096 5793 F 5793 27,578 0,355     48 8,350 1944 8,350 1756 8,350 1577 2,173   468 5793 G 2907 19,794 6,177   943 8,350 1253 5,267   711 2907 H 2733 26,076 3,083   393 8,350   964 8,350   832 6,293   544 2733 I 5793 27,107 2,057   163 + 9,349 8,350   590 8,350   479 Röhre des 2. Systems 8,350   376 8,350 3767 0,999   418 5793 K 5793 14,610 7,351 3006 7,250 2787 5793 L 8745 28,272 1,100   357 8,350 2882 8,350 2637 8,350 2357 2,122   512 8745 M 5793 25,320 6,228 1632 8,350 1944 8,350 1756 2,392   461 5793 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Uebertrag 236,381 57864 Bedarf fürdie Räume TotaleRöhrenlänge Röhrenlängenaus obigenWerthen Transmission c m m c c Uebertrag 236,381 57864 N 3024   17,721 5,958 1116 8,350 1411 3,413   497   3024 O 2733   20,697 4,937   756 8,350 1104 7,410   873   2733 P 3075   42,690 0,940     91 8,350   832 8,350   707 8,350   590 8,350   479 8,350   376   3075 –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Summe 317,489 66696. Danach berechnen sich dann auch die Spiralen, die in jeden Raum kommen, insofern man solche zu haben wünscht. Wir wollen zuerst ausrechnen, wie viele Spiralen gewöhnlicher Form wir haben müßten und dann solche in der Form der Figur 1. Erstere haben 0m,15 Biegung und zwei gerade Röhren je 1m,2 lang, daher ist deren totale Länge 2m,85; die letztern d = 0,4 0,35 0,30 0,25. Länge der geraden Stücke je 1m, somit 3,20 3,05 2,90 u. 2,75 Länge der Spiralen. Raum ErforderlicheRöhrenlänge Zahl der üblichenSpiralen Zahl der SpiralenFig. 1 d A 14,44 5 5 0,3 B   6,18 2 2 0,3 C   8,03 3 3   0,25 D   8,76 3 3 0,3 E 20,85 7 7 0,3 F 27,58 9 9   0,35 G 19,79 7 3   0,35 H 26,07 9 9 0,3 I 27,11 9 9   0,35 J   9,35 3            3 1/2 0,3 K 14,60 5 5 0,3 L 28,27 10   9 0,4 M 25,32 9 8 0,4 N 17,72 6            6 1/2 0,3 O 20,69 7 7 0,3 P 42,69 15   14     0,35 Zahl der Spiralen 109     103     Nun hat jede dieser Spiralen 4 Biegungen im rechten abgerundeten Winkel, was einen sehr bedeutenden Biegungswiderstand für das Wasser in den Röhren ausmacht; würden hingegen diese Röhren nur blos einfach in den Boden gelegt, so würde nicht nur dieser Widerstand sich sehr bedeutend reduciren, sondern wir würden auch noch viel weniger Leitungsröhren bedürfen. Es kommt übrigens ganz darauf an, ob die disponible Kraft zur nothwendigen Circulationsgeschwindigkeit vorhanden ist; wäre dies nicht der Fall, so müßte man nothwendig auf alle Spiralen verzichten. Immerhin aber werden die verticalen Spiralen Fig. 1 den Vorzug verdienen, denn wenn, wie ich gezeigt habe, der Transmissionscoefficient für auf einander gewundene Spiralen sehr viel kleiner wird, so müßten wir unbezweifelt die Zahl derselben noch um V 1/3, vielleicht sogar um 1/2 vermehren, wodurch nicht blos die Reibung es auch würde, sondern auch die Länge von 317m Röhren auf 423 bis 475 anwachsen würde. Daraus erklärt sich auch, warum die Praktiker viel mehr Röhren brauchen, als nothwendig wäre, und warum dieses Heizsystem viel mehr kostet, als es kosten sollte, und wie wenig der Empiriker auf sichern Erfolg rechnen kann. Wenn auch behauptet wird, man mache den Apparat mit mittlerm Drucke, so ist das nur eine Täuschung, wenigstens gewiß in den meisten Fällen; denn bei so langen Röhren ohne sehr große Steighöhe kann irgend eine Circulation nur zu Stande kommen, indem man dem Wasser ursprünglich eine hohe Temperatur gibt, obgleich man als mittlere Transmission pro 1m nicht mehr als 100c erwartet und vielleicht, wenn es gut geht, auch erhält. Wohlfeil wird man nur construiren, wenn man pro 1m auf 212c,5 im Mittel rechnet, und es wird dann auch leichter sein, die nöthige Circulation zu erhalten. Wärme-Aufnahme des Wassers im Ofen. Ofen-Röhren. Es scheint von Anfang an bei den Herstellern von Perkins'schen Wasserheizungen eine fixe Idee gewesen zu sein, daß die Röhren wo immer thunlich in Spiralen dicht auf einander und über einander gewunden werden müssen. Um dieser Idee willen sind viele Tausende von Metern solcher Röhren ganz unnütz, ja oft zum Nachtheile des Erfolges verwendet worden, denn so aufgewundene Röhren können weder alle Wärme abgeben, noch alle Wärme aufnehmen, die ihrer Transmission oder ihrer Heizfläche zukommt. Daher gilt bei den Praktikern die unverbrüchliche Regel, daß man 1/6 bis 1/5 der Gesammtröhrenlänge in den Ofen legen müsse. Es ist aber eine sonst ausgemachte Sache, daß 1qm Heizfläche pro Stunde 59c,355 für eine Differenz von T – t = 1° pro Stunde aufnimmt. Wenn daher 1m Röhre 0qm,1414 Fläche darbietet, so wird ein solcher für T – t ebenfalls = 1°, 59c,355 × 0,1414 = 4c,1964 = W° aufnehmen – dies aber allerdings unter der Bedingung, daß diese Röhre vom Feuer frei und an deren ganzem Umfange bespült werde. Dieser Bedingung wird nun aber bei der üblichen Construction auf keine Weise Genüge geleistet. Daher kommt es dann auch, daß gewöhnlich eine 6mal größere Röhrenlänge als erforderlich in den Ofen gelegt wird. Es läßt sich die nothwendige Länge der Ofenröhren leicht bestimmen, indem man den Wärmebedarf durch obige Zahl W° ×T – t = dividirt. Ist T' die Initialtemperatur der Gase, T'' die Endtemperatur derselben, die des Wassers in den Röhren = t' bez. t'', so ist T – t = (T' + T'')/2 – (t' + t'')/2. Wenn nun T' = 1400, T'' = 300, t' = 60, t'' = 250 sind, so wird T – t = 695°, und wenn nun die in den Räumen zu vertheilende Wärmemenge wie in unserm Projecte 67447c beträgt, so wird die Länge der Ofenröhre = 67447 : (695 × 4,1964) = 23m,126. Dies wäre sogar ganz genau, wenn nicht der Ofen selbst ebenfalls aus dem Herde und den Canälen Wärme aufnehmen und an die äußere Luft zerstreuen würde; dadurch wird aber die mittlere Differenz T – t eine andere selbst dann, wenn der Brennstoffconsum Ersatz bietet für das, was im Ofen abgeht. Man muß daher die so gefundene Ofenröhrenlänge stets controliren. Diese Controle läßt sich auf folgende Weise ausführen. Wenn die Gase mit 300° im Kamin entweichen, so ist das Wärme-Aequivalent für Steinkohle = 6000c. Der Bedarf an Kohle ist daher für die Erwärmung des Wassers (67447 : 6000 =) 11k,3, und für den Ofen nehmen wir vorläufig an (17852 : 6000 =) 3k,0. Nun geben 14k,3 Kohle mit ihrem absoluten Wärme-Aequivalent = 7509 multiplicirt, die absolute Wärmemenge, welche der Brennstoff liefert, also auch denjenigen, der mit den Verbrennungsproducten in den Kamin abgeführt wird. Wir haben also Wärmevorrath 14,3 × 7509 = 107379c, mit denen das Wasser auf 250 – 60 = 190° zu erwärmen, der Ofentransmission und der Evacuation in den Kamin zu genügen ist. Die specifische Wärme der Verbrennungsproducte ist (nach Tabelle V) 14,3 × 5,33051 = 76,2 = w. Theilen wir nun die totale Ofenröhrenlänge in 5 gleiche Theile, so ist die Wärmeaufnahme für jeden solchen Theil = 20,786 : 5 = 4,157 × 4,1964 = 17c,44 = W°. Das Wasser in den Röhren hat ursprünglich 60° und soll mit 250° den Ofen verlassen; es wird also, indem es diese 5 Röhrenlängen durchläuft, eine Progression stattfinden, deren erstes Glied = 60, das letzte = 250 ist, daher die Differenz = 38. Die sich folgenden Wassertemperaturen sind also t = 60 98 136 174 212, um in der ersten Section dann noch auf t = 250° gebracht zu werden. Die Ofentransmission wird ebenfalls eine Progression befolgen. Wir nehmen als Summe dieser Transmission = 17650c, die in eine Progression von 5 Gliedern zu bringen ist; aber wir kennen weder das Anfangs- noch das Endglied. Wir berechnen daher das erste Glied, indem wir das Temperaturverhältniß, Initial- und Endtemperatur 1400 : 300 = 4,6 zu Hilfe nehmen. Die Zahl n der Glieder ist 5, daher dann das Anfangsglied = 17650 : 4,6 × 5 = 767. Es sei nun S die Summe, so finden wir die Differenz Δ der Progression durch Textabbildung Bd. 219, S. 104 Daher ist dann die gesuchte Progression in umgekehrter Ordnung: 6293 4911,5 3530 2148,5 767, in Summe = 17650c. Ist nun die Initialtemperatur der Verbrennungsproducte T = 1400°, das erste Glied der Wassertemperaturen t = 212, so ist die Absorption in der ersten Section T – t = 1400 – 212 = 1188°. Diese mit W° = 17,44 multiplicirt = 20724c plus Ofentransmission = 6293c. Die Summe beider = 27017c ist also verschwunden und von dem ursprünglichen Vorrathe von 107379c in Abzug zu bringen. Es. ergibt sich als Rest = 80362c. Daher haben die Gase nur noch die Temperatur T = 80362 : 76,2 = 1054°. Fährt man mit dieser Rechnung fort, so erhält man: Wärmevorrath T t T – t Absorbtion durch Total Wasser Ofen 107379 1400 212 1188 × W°= 20724 +   6293 = 27017   80362 1054 174   880 15347 +   4911 = 20258   60104   789 136   653 11338 +   3530 = 14918   45186   593   98   495   8632 +   2148 = 10780   34406   451   60   391   6819 +     767 =   7586 ––––––––––––––––––––––––   26820   352 62910 + 17649 = 80559 Schon der Umstand, daß wir eine Temperatur von 351° statt 300° übrig behalten, beweist, daß die Wärmeabsorption nicht ausreichend groß ist, was dann auch die Summirung dieser beweist, denn wir haben statt 67447c nur 62922 erhalten, also um 4525 zu wenig; diese sind noch in der Evacuationstemperatur von 351° enthalten. Wir müssen also unsere Ofenröhren etwas verlängern. Die Ursache davon liegt darin, daß der mittlere Werth von T – t vermöge der Ofentransmission statt 695°, wie wir berechnet hatten, 652 geworden ist. Versuchen wir es, die Ofenröhren um 15 Proc. länger zu nehmen, und führen dann dieselbe Rechnung aus, so bleibt uns eine Evacuationstemperatur von nur 273°, und wir haben einen Ueberschuß der Absorption von 1412c. Machen wir nun den fernem Versuch, die Ofenröhrenlänge um 10 Proc. zu verlängern, so wird W° = 22,864 × 4,1964 : 5 = 19,19 und wir haben: Wärmevorrath T t T – t 107379 1400 212 1188 × W° = 22797 +   6293 = 29090   78289 1027 174   853   6369 +   4911 = 21280   57009   748 136   612 11744 +   3530 = 15274   41735   548   98   450   8635 +   2148 = 10783   30952   407   60   347   6659 +     767 =   7426 ––––––––––––––––––––––––   23526   309 66204 + 17649 = 83853. So wären wir nun so ziemlich bei der rechten Länge angelangt, da nur noch 1243 an der Absorption fehlen. Es wird in den meisten Fällen besser sein, eher eine etwas zu geringe als zu große Länge zu nehmen, da, wenn das Wasser und die Flamme einander entgegenströmen, der angenommene Absorptionscoefficient eher zu klein als zu groß ist. Man kann sich fragen, ob es nicht zweckmäßiger wäre, eine größere Röhrenlänge in den Ofen zu bringen, um die Temperatur der Gase auf mehr als 300° abzukühlen? Die Ersparniß an Brennstoff würde etwa 20 Proc. sein, aber es könnte eine solche Ersparniß nur bei Kaminhöhen von wenigstens 20m Höhe stattfinden, da der Widerstand im Ofen absichtlich etwas groß gemacht werden muß, um die Röhren mit den Gasen in innigen Contact zu bringen. Vielleicht wird man die Einwendung machen, daß es kaum begreiflich sei, daß die Empirie auf eine Ofenröhrenlänge von 1/6 bis 1/5 der totalen Länge geführt habe, während sich nun diese auf 1/15 reducirt. Diese Reduction ist jedoch vollkommen begründet, sobald wir von der ganz unzweckmäßigen Aufwicklung der Röhren in dichte Spiralen abgehen und denselben eine solche Lage geben, daß sie an ihrer ganzen Peripherie vom Feuer bespült werden; denn dicht aufgewundene Röhren werden nur an der Tangente vom Feuer berührt, so daß nur höchstens 1/6 der Peripherie als Heizfläche wirksam sein kann. Bringen wir aber den ganzen Umfang der Röhren mit dem Feuer in Contact, so wird der Effect erst ein vollständiger sein. Diese ungeschickte Art, die Röhren in Spiralen aufzuwinden, erklärt auch, warum die Empirie schon mit einer Mittlern Transmission von 100c pro 1m Röhrenlänge vorlieb nimmt. Für 317m Transmissionsröhren legen die Praktiker 63m in den Ofen und erhalten damit den Effect 1/6 × 63 = 10,5, während 22m,864 dem Feuer blosgelegte Röhren den Effect 22,864 geben, d. i. ganz dasselbe Verhältniß wie die Transmissionscoefficienten 100 : 212,5. Ein nahes Zusammenlegen der Ofenröhren ist immerhin zweckmäßig, um dem Ofen nicht eine übermäßige Größe geben zu müssen, und um die Flamme mit möglichst großer Geschwindigkeit an der Heizfläche hinstreichen zu lassen, aber unter der Bedingung, daß die Gase der Röhre entlang streichen, und nicht im rechten Winkel gegen dieselben. Auch ist Gegenstrom zwischen Wasser und Feuer fast unerläßlich, da sonst der Effect ebenfalls ein geringerer sein würde. Unser Wärmeabsorptionscoefficient von 59c,3555 pro 1qm ist zwar der gewöhnlichen Kesselfeuerung entnommen, bei welcher keine Gegenströmung stattfindet; dafür aber dürfen wir nicht vergessen, daß bei Röhrenheizung ein Theil der Fläche über und nicht unter dem Wasser ist, daher weniger wirksam. Nach Redtenbacher verhält sich der Nutzeffect der Kesselfeuerung zu der mit Gegenstrom wie 1 : 1,35, und wenn wir nun ferner bedenken, daß die Bewegung des Wassers indirect, nicht im Ofen, bewirkt wird, so wird jener Coefficient nicht kleiner, noch wesentlich größer angenommen werden können. Um die Röhren im Ofen in thunlichster Zusammenlegung anzubringen, läßt sich ein Kunstgriff anwenden, welcher diesem Zwecke vorzüglich entspricht. Dieser besteht darin, das in den Ofen zurückkehrende Wasser vor dem Eintritt in denselben in zwei oder mehrere gleich lange Röhren zu theilen und es dann beim Austritte aus dem Ofen wieder zu vereinigen. Dies läßt sich mit Hilfe von T-Stücken leicht bewerkstelligen. Es beschreibt dann zwar das Wasser in letztern rechte, nicht abgerundete Winkel, die doppelt so viel Widerstand leisten als abgerundete Winkel; dafür sind dann aber die Widerstände gegen die Circulation des Wassers im Ofen selbst geringer und zwar im Verhältnisse 5 : 4. (Fortsetzung folgt.)