GLÜCKAUF. Berg- und Hüttenmännische Zeitschrift

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GLÜCKAUF

Berg- und Hüttenmännische Zeitschrift

Nr. 30 27. Juli 1929 65. Jahrg.

Die B estim m ung d er V erb ren n u n g sw ärm e mit dem Junkers-Kalorim eter.

Von Dipl.-Ing. W. W u n s c h , Essen.

Für die B estimm ung d e r V e r b re n n u n g sw ä rm e von Gasen kommt heute in ü b e rw ie g e n d e m M aße das Junkers-Kalorimeter zur A n w e n d u n g . Diese T atsache ist begründet durch die mit diesem M e ß g e r ä t bei verhältnismäßig einfacher H a n d h a b u n g erzielbare Genauigkeit, die nicht n u r f ü r technische, sondern unter Einhaltung b estim m ter B ed in g u n g en auch fü r wissenschaftliche Zwecke au sre ic h t1. Ein V orzug des Junkers-Kalorimeters b e s te h t fe rn e r darin, daß es auch die Ermittlung des H e iz w erte s g estattet, w a s z. B. bei den Explosionskalorim etern nicht d e r F all ist. Dem steht allerdings g eg e n ü b er, daß die B estim m ung, ebenfalls im G eg en satz zu den E x p lo s io n s k a lo ri

metern, eine v e rh ä ltn ism ä ß ig g r o ß e G a sm e n g e e r

fordert. Am w ichtigsten d ü rfte je d o c h sein, daß die mit dem Ju n k ers-K alorim eter un m ittelb a r erh alten en Ergebnisse bei Kenntnis d e r F eh le rm ö g lic h k e ite n und Fehlergrößen en tsp re ch en d b e ric h tig t w e rd e n können, so daß man die wirklichen V e rb re n n u n g sw ä rm e n erhält. W enn diese F e h le rq u e lle n u n d F e h le rg r ö ß e n auch bereits in einer Reihe von A rbeiten u n tersu c h t worden sind2, erscheint es d o c h als a n g e b ra c h t, h ier

auf noch einmal n äh e r einzugehen.

Der V e rb ren n u n g sv o rg an g , w elcher d e r B estim mung der V e rb ren n u n g sw ärm e z u g ru n d e liegt, muß seinem W esen nach einen iso th e rm e n V o rg a n g d a r stellen, das Abgas also die gleiche T e m p e ra tu r besitzen wie das z u g e fü h rte G a s und die zu

geführte V erbrennungsluft. F e r n e r sind bestim m te Bedingungen hinsichtlich des W a s s e r d a m p f g e h a l t e s der ein- und ausg e b rac h te n Stoffe einzuhalten. A u ß e r

dem ist, wie bei jed er chem ischen Reaktion, auf die Abhängigkeit der W ä r m e t ö n u n g von d e r T e m p e ra tu r zu achten. Es gelten f o lg e n d e B e z ie h u n g e n 3:

Wärmeinhalt des S y ste m s v o r d e r V e r b r e n n u n g

J j * = J i 0—F t ' — V ' c p m 0 , t )

Wärmeinhalt des S yste m s nach d e r V e r b r e n n u n g J 2‘ = J 2o + t - I v ' - C!_pm^0,t.

bei k o n sta n te m 1.

Die b eiden le tz tg e n a n n te n Koeffizienten setzen sich aus fo lg e n d e n E in z e lg rö ß e n zu sa m m e n :

= dem W ä rm e in h a lt des tro c k n e n G ases,

= dem W ä rm e in h a lt d e r tro c k n e n V e r

b re n n u n g slu ft,

r 1 = Q e ,= dem W ä r m e i n h a l t des in s g e s a m t ein g e b ra c h - te n W a s s e r d a m p f e s einschließlich d e r Ver- dam p fu n g sw 'ärm e.

führen nac h ste h en d e Vg ■ Cp rn 0 ’ * • t = Q e,

V, • cpitI0> ‘ * t = Q,

Vw - [ ( C p m °> *• t)

Die en tste h e n d e n G ase

W ä rm e m e n g e n aus dem System hinaus:

Va • Cpm0’1 • t = Q 3i = dem W ä r m e i n h a l t des tro c k n e n A b g a se s, VW' • [(cpm0,t • t) + r'] = Q a, — dem W ä r m e i n h a l t des

in s g e s a m t a u s g e b r a c h te n W a s s e r d a m p f e s einschließlich d e r V e r d a m p fu n g s w ä rm e , t = d e m W ä rm e in h a lt des V e r b r e n n u n g s w a s s e r s

(w = k g W a s s e r ) t = dem W ä r m e in h a l t des K o n tra k tio n s w a s s e rs . Sämtliche V olum ina, auch die des W a s s e rd a m p f e s , sind hierbei auf 0 ° und 760 mm Q.-S. bez o g en . D as W a s s e rd a m p f v o lu m e n e r g ib t sich aus dem V olum en der tro c k n e n G a se u n d d e r T e m p e r a t u r des is o th erm e n V org a n g es. B ed eu te t p den Sättigungsdruck des W a s s e r d a m p f e s in m m Q.-S. bei d e r T e m p e r a t u r t, g das G e w ic h t des W a s s e r d a m p f e s in g in 1 m 3 des

760 —p g e sä ttig te n G a se s, d a n n gilt die B ezie h u n g

w w

273

F ür die V e rb re n n u n g sw ä rm e Druck gilt dann

Hp. = J 10 - J 20 + ( I v - c pmo.t_Sv'

In diesen G le ic h u n g e n b e d e u te n J j 0 die innere Energie des S yste m s v o r d e r V e r b r e n n u n g , J 2° die innere Energie des S y s te m s nach d e r V e rb re n n u n g ,

“ v ■ cpm0,t • t die fü h lb a re W ä r m e d e r e in g e b r a c h te n Stoffe bei d er T e m p e r a t u r t, I v' • Cpm0-* • t die fü h lb are Wärme der a u s g e b ra c h te n Stoffe bei d e r T e m p e r a t u r t.

‘ I m m e n k ö t t e r : H e iz w e rtb e s tim m u n g m it b e s o n d e r e r B erü ck sichtigung g a sf ö rm ig e r u n d flü s s ig e r B re n n sto ffe , 1905.

2 I m m e n k ö t t e r , a . a . O . ; G a s W a s s e r f a c h 1919, S . 589; M itt. B u re au o f S tandarts, N r .3 6 ; G as A g e 1914, S . 41 0 ; J. G a s lig h tin g 1910, B d . 109, S. 355;

Gas W asserfach 1915, S. 85.

J M e n z e l : D ie T h e o rie d e r V e r b r e n n u n g , 1924, S. 21.

760

= Vtr = d em V olum en des tro c k n e n G a se s 273 + t tr

bei 0 ° und 760 mm Q.-S. in 1 m 3 des g e s ä ttig te n G a se s von t ° und

g J (Vg + V i ) = = dem V olum en des W a s s e r - Vt r - 0,804 d a m p fe s (0°, 760 m m ), das bei voller S ä t t ig u n g bei d e r S ä t t i g u n g s t e m p e r a t u r t in den e in g e b r a c h t e n G a se n en thalten sein k a n n ;

g - v ,

■ = V v

Vtr • 0,804 r' = r • 0,804

= d em im A b g a s b e s tä n d ig e n W a s s e r d a m p f v o l u m e n ;

= d e r V e r d a m p f u n g s w ä r m e von 1 m 3 W a s s e r d a m p f bei d er U m w a n d l u n g von 0,804 k g W a s s e r von 0 0 in 1 m 3 W a s s e r d a m p f v o n 0°.

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1022 G l ü c k a u f ₁_>₁_{. ou} Die G le ic h u n g 1 k ann auch wie fo lg t g eschrieben

w e rd e n :

H p t = J j 0 — J 2° + ( Q e 1 + Q e 2+ Q e 3 ~ Q a , — Q a 2~ Q a 3 — Q a 4) 2 .

Das letzte Glied in der G leichung 2 bedingt die T e m p e ra tu ra b h ä n g ig k e it d e r V e rbrennungsw ärm e.

W ird dieses G lied gleich Null, d ann e rhält man n ur den U nterschied d e r in n ern E n erg ie n des Systems vor und nach d er V e rbrennung, v e r m e h rt um den Betrag der äu ß e rn A rbeit (V o lu m en k o n tra k tio n ), also die a bsolute V e rb re n n u n g sw ä rm e H po. Die G rö ß e dieses R estgliedes ist a b h ä n g ig von d er T em p e ratu r des iso th e rm e n V o rg a n g es und vom F euchtigkeitsgehalt d e r Gase, wobei d e r zweite E influß überwiiegt.

Zur eingehenden P r ü f u n g dieser Zusam m enhänge im Hinblick auf die H e iz w ertb e stim m u n g technischer G ase, vor allem von S teinkohlengas, G e neratorgas u n d W a s s e rg a s , sind entspre chende Berechnungen, g e tre n n t nach ein- und au s gebrachten W ärm eb eträ g en fü r H 2, C O , C H X und C 3H G als den hauptsächlichsten B estandteilen d er gen a n n te n G asgem ische du rc h g e f ü h r t w o rd e n . Setzt m an in die G leichung 1 od er 2 die fü r W a s s e r s t o f f gültigen Z ahlenw erte für die T e m p e r a t u r 20° ein, dann ergibt sich H 2 + 0,5 0 2 + 1,88 N f - H 20 + 1,88 N 2.

Bei voller W a s s e rd a m p f sä ttig u n g von Gas, Luft und A bgas e r h ä lt m an fü r das R estglied: ( 0 ,3 1 2 -2 0 ) + (2,38 • 0,312 • 20) + ¡0,0803 • [(0,372 • 20) + 434]'

— (1,88 • 0,312 • 20) — ¡0,0447 • [(0,372 • 20) + 434]}

— ( 1 , 0 0 - 0 , 8 0 4 - 2 0 ) — ( 0 , 5 - 0 , 0 2 3 7 - 0 , 8 0 4 . 2 0 ) = S Q . Summ e d e r positiven G lieder 56,5 kcal Summ e d er negativen G lied er 47,7 kcal

U nterschied + 8,8 kcal Dieses E rg e b n is besagt, daß die bei 20° und mit voller W a s s e r d a m p f Sättigung d e r ein- und a u s g e b ra c h te n Stoffe erm ittelte V erbrennungsw ärm e um 8,8 kcal g r ö ß e r ist als der absolute W e rt H p0. Die G rö ß e von H po bleibt hierbei zunächst außer Betracht, weil es nur auf die U n tersch ied sw erte ankommt.

Hinsichtlich des F euchtig k eitsg eh altes von Gas, Luft und A bgas ist fo lg e n d e s zu bem erken. Alle Gase mit A usnahm e von C O entwickeln bei der Ver

b re n n u n g W a s se rd a m p f . Die A bgase d e r Verbrennung von W a s s e rs to ff sowie d er Kohlenw asserstoffe v er

lassen also das K a lorim e te r in w a sse rdam pf

g esä ttig tem Zustande. F ü h re n G a s und Luft eine g e rin g e re W a s s e rd a m p f m e n g e in den Vorgang ein, als im A bgas bei voller S ä ttig u n g enthalten sein kann, dann wird ein W ä rm e v e r lu s t durch W a sse r

v e r d a m p fu n g o d e r g erin g e re Kondensation von Ver

b re n n u n g s w a s s e r eintreten. S treng genom m en müßte d a h e r genau diejenige W a sse rd a m p fm e n g e ein

g e b ra c h t w erden, die mit den A bgasen fortgeht. Da diese M enge jed o ch info lg e d er Z unahm e der W a sse r

d a m p fs p a n n u n g mit d er T e m p e ra tu r steigt, erfährt der Punkt, in dem Q e - Q a = 0 ist, eine dauernde V e r

schiebung, so daß d er S ä ttig u n g sg ra d der ein- g e b ra c h te n G ase stets d e r T e m p e ra tu r a nge paßt w e rden müßte. P raktisch stö ß t man hierbei natürlich au f seh r g ro ß e Schwierigkeiten. Dazu kommt, daß auch die W ä rm e in h a lte d e r trockne n G ase eine Ände

r u n g m it d er T e m p e ra tu r erfahre n, was ebenfalls eine V e rsch ieb u n g in dem U nterschied bedeutet. E rh e b t m an d a g e g e n die F o rd e r u n g , daß ebenso wie bei d e r T e m p e r a t u r auch hinsichtlich des F euchtigkeits

g e h a lte s zwischen ein- und ausg e b rac h te n Stoffen G leich h e it besteht, dann erg eb en sich, wie noch

gezeigt wird, unter U m stä n d e n zu hohe Werte d h der U nterschied w ird positiv. Am deutlichsten über

sieht man die g anz en V erhältnisse an Hand der

Abb. 1. W ä r m e in h a lte für W asserstoff.

f ü r W a s s e r s to f f in d e r a n g e g e b e n e n Weise für ver

schiedene B ed ingungen berechneten Kurventafel (Abb. 1 und Zahlentafel 1).

Z a h l e n t a f e l 1. Wasserstoff.

Relative F e u c h tig k e it O o U

5° C 10° C 15° C 20° C 25 °C

%

E i n g e b ra c h te kcal

100 9,0 18,1 28,7 41,4 56,5 74,8

75 6,8 14,9 24,2 35,1 47,7 62,7

50 4,5 11,7 19,6 28,6 38,8 50,6

25 2,3 8,5 15,1 22,2 30,0 38,5

tro ck e n 0,0 5,3 10,5 15,8 21,1 26,4

A u s g e b r a c h te kcal

100 5,0 14,1 24,2 35,1 47,7 62,7

Die ausg e zo g en e n Linien stellen die Wärmeinhalte d er eingebrachten Stoffe bei verschiedenen Feuchtig

keitsg eh a lten dar. Die in d e r K lam m er angegebenen S ä ttig u n g s w e rte beziehen sich n u r auf den Feuchtig

k eitsgeha lt d er V e rb re n n u n g slu ft. Das G as ist hierbei mit 1 0 0 % re la tiv e r F eu c h tig k e it (r. F.) in die Rech

n u n g eingesetzt. Die gestrich e lte Kurve gibt den B etrag und den V erlauf des W ä rm e in h a lte s der aus

g e b ra c h te n Stoffe in A b h ä n g ig k e it von der Tempe

ra tu r bei 100 o/o r. F. w ieder. Dabei is t zu berück

sichtigen, daß die Kurve des A usgebrachten u n te r der V o ra u ssetzu n g vollständiger S ättig u n g d e s Ein

ge b ra c h te n e rrec h n et w o r d e n ist, a lso streng ge n o m m e n n ur mit d er a u sg e z o g e n e n Kurve für 100o/o r. F. verglichen w e r d e n k a n n . Da die Vergle ich

b arkeit mit den übrigen K urven f ü r die eingebrachten W ä rm e m e n g e n , wie noch g e z e i g t w ird, nicht wesent

lich b ee in träch tig t w ird , ist von d e r E rre c h n u n g d er übrigen jeweils z u g e o rd n e te n Kurven Abstand g e n o m m e n w o rd e n . D aß die Kurven bei 0° nicht in einem P u n k t zusam m enlaufen, ist darin begründet, daß auch bei 0° noch eine W a s s e rd a m p f s p a n n u n g besteht.

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27. Juli 1929 G l ü c k a u f ₁₀₂₃ Liegt die Kurve d er ein g eb rach te n W ä rm e m e n g e n

o b e r h a l b der Kurve des A usgebrachte n, dann ist der Koeffizient - Q positiv u n d u m g e k e h rt. M an sieht, daß £ Q und damit auch die V erbrennungsvvärm e stark vom Feuchtigkeitsgehalt der eingeb rach te n Stoffe a b hängt und daß bei deren voller S ä ttig u n g zu h ohe V e r

brennungswärmen g efunden w e rd en .

Hier sei bemerkt, daß den B ere ch n u n g en ein idealer isothermer V o rga ng z u g r u n d e liegt und a u ß e r dem vollständige W a s s e r d a m p f s ä tti g u n g d e r A bgase vorausgesetzt ist. Diese V erhältnisse können jedoch versuchstechnisch e ingeha lte n w e rden, denn man hat nur dafür zu sorgen, daß die T e m p e r a t u r des in das Kalorimeter eintretenden K ü h lw a sse rs g e n a u gleich der R aum tem peratur ist1, d ann stellt sich die A b g a s temperatur auf wenige Zehntel G ra d e g en a u au f die W assereingangstem peratur ein, wie m an d u rc h za h l

reiche Beobachtungen n ac hgew iesen hat. U n te r diesen Bedingungen ist das A bgas aller G a se mit A usnahm e des Kohlenoxyds bei gleicher A bgas- und W a sser- eintrittsteinperatur des K ü h lw a sse rs in G e g e n w a r t des überschüssigen V e rb re n n u n g s w a s se rs v o lls tä n d ig mit W asserdampf g e sä ttig t2. Die den eingek la m m erten Feuchtigkeitsgehalten z u g ru n d e liegende A nnahm e, daß sich das G as im G a s m e sse r m it W a s s e r d a m p f nahezu vollständig belädt, d ü rf te erw iesen sein3.

Abb. 2. M e th an .

Dieselben B ere chnungen sind, w ied e ru m in der Annahme th eoretischer V e rb re n n u n g , fü r das M ethan nach der G leich u n g C H d + 2 0 2 + 7,52 N 2 = C 0 2 + 7,52 N 2 + 2 FI20 d u r c h g e f ü h r t w o rd e n . D as E r gebnis g eht aus Abb. 2 und d e r Z ahle nta fel 2 hervor.

Auch hier ist w ied e r die Ä n d e ru n g d e r U n t e r schiede mit d er T e m p e r a t u r ersichtlich. Im G e g en satz zum W a s se rs to ff liegt a b e r die Kurve d e r a u s gebrachten W ä r m e m e n g e n d e r Kurve der ein

gebrachten W ä rm e m e n g e n f ü r 100 o/o r. F. am nächsten. Beim W a s s e r s t o f f b e s te h t in d ieser Hin-

1 O as W a sse rfa c h 1919, S. 589; J. G a s lig h tin g 1911, B d. 113, S. 97 2 I m m e n k ö t t e r , a . a . O .

3 H a b e r , G a s W a s s e r fa c h 1897, S. 751; 1914, S. 215.

sicht die g r ö ß t e A n n ä h e ru n g etw a bei r. F. = 75 o/„.

Auf die U rsa ch en dieser U nterschiede w ird noch e in g eg a n g en .

Z a h l e n t a f e l 2. Methan.

Relative

F e u c h tig k e it 0 ° C 5° C 1 0 ° C 1 5 0 C 20° C 25° C

%

E i n g e b ra c h te kcal

100 28,0 56,3 89,4 128,8 176,2 233,1

75 20,9 46,3 75,2 108,9 148,5 195,4

50 14,0 36,3 61,1 89,0 120,9 157,6

25 6,9 26,3 46,9 69,1 93,3 119,8

0 0,0 16,4 32,8 49,2 65,6 82,1

A u s g e b r a c h te kcal

100 22,7 54,1 89,6 130,1 177,4 232,5

Beim K o h len o x y d liegen die V erhältnisse etw as verwickelter. D a C O bei d e r V e rb re n n u n g kein W a ss e r ergibt, h ä n g t d e r F e u c h tig k e itsg e h a lt d e r Abgase vom F eu c h tig k e itsg e h a lt von G as und Luft ab. Bei voller W a s s e r d a m p f s ä ttig u n g von G a s und Luft ist auch das Abgas in fo lg e d er V olum en k o n tra k tio n v o llstä n d ig g e sä ttig t; von rd. 7 5 «/o r. F. an a b w ä rts tri f f t dies bereits nicht m e h r zu, so daß d e r W a s s e r d a m p f g e h a l t des A bga se s gleich dem ein g eb rach te n W a s s e rd a m p f ist. D araus erklärt es sich, daß m an für jeden F euchtigkeitsgehalt von Gas und Luft stark v o n einander ab w eichende Kurven für die a u sg e b ra c h te n W ä rm e m e n g e n erhält. Dies ste h t im G e g en satz zu allen ändern G asen, die bei der V e rb re n n u n g W a s s e rd a m p f entwickeln. Beachtlich ist ferner, daß bei trocknem Gas und t r o c k n e r Luft EQ = 0 w ird, d a ß m an also in diesem S onderfalle u n m itte lb a r die V e rb re n n u n g sw ä rm e H po erm ittelt (A bb. 3 - 7 und Z ah le n ta fel 3).

Abb. 3. K o h le n o x y d , 1 0 0 % r. F.

Als Beispiel fü r die H e iz w e rtb e s tim m u n g eines technischen G a se s ist schließlich die V e rb re n n u n g von S te in k o h le n g as g e w ä h lt w o rd e n . D e r B ere ch n u n g liegt die V e rb re n n u n g m it ein fa ch em L u ftü b e rs c h u ß zugrunde, wie er bei n o r m a le r W ä r m e b e l a s t u n g d e s Kalorim eters auftritt (Abb. 8, Zahlentafel 4). Die V e r b re n n u n g sw ä rm e des G a se s b e t r ä g t 4715 k cal; das Abgas b e s t e h t bei th e o re tisc h e r V e rb re n n u n g aus 0,44 Vol. C 0 2, 1,08 Vol. H , Q u n d 3,48 Vol. N ,. D er

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1024 G l ü c k a u f _in_{r. 30}

Z a h l e n t a f e l 3. Kohlenoxyd.

T o ° c r 5 ° " c I 10° c 1 15° C I 20° c 1 25" C 100 °/o rela tive F e u c h t ig k e i t

E in g e b ra c h t A u s g e b ra c h t E in g e b ra ch t A u s g e b ra c h t E in g e b ra c h t A u s g e b r a c h t E in g e b ra c h t A u s g e b r a c h t E in g e b ra c h t A u s g e b r a c h t

9,0 7,7

18,1 15,4

28,7 24,5

41,4 35,3 75 % relative F e u c h tig k e it

6,8

6,8 14,9 14,1

24,2 22,5

35,1 33,0 50 % relative F e u c h tig k e it

4.5 4.5

11,7 10,9

19,6 18,0

28,6 26,6 2 5 % relative F e u c h tig k e it

2.3 2.3 0,0 0,0

8.5 7,7 tr o c k e n

5,3 4.5

15,1 13,5 10,5 9,0

22,2 19,9 15,8 13,5

56,5 47,9

74,8 63,6 47,7 44,3

62.7 58.8 38,8 35,5

50.6 46.7 30,0 26,7

38.5 34.6 21,1 17,9

26.4 22.5 Luftbedarf errechnet sich zu 4,30 m 3. Die mit »ein

g e b ra c h t trocken« bezeichnete gestrichelte Kurve stellt den W ärm ein h alt des A usgebrachten dar, unter der A nnahme, daß Gas und Luft ohne W asserdam pf in

Abb. 4. K ohlenoxyd, 7 5 % r. F.

den V e rbrennungsV organg eingehen. Mit Rücksicht auf die gerin g e Verschiedenheit dieser Kurve von der ändern Kurve, die dem E ingebrachten bei voller Sätti

g u n g z u g e o rd n e t ist, ist mit alleiniger Ausnahme des K ohlenoxyds von der B erechnung dieser Kurve und d er dazwischen liegenden Kurven bei den ändern G a se n a b g e s eh en worden. Dieses eine Beispiel k e n n zeichnet anderseits deutlich g e n u g den Einfluß des S ättig u n g sg rad es von Gas und Luft auf das Ergebnis der B estim m ung der V e rb ren n u n g sw ärm e bei w a sse r

stoffhaltigen Gasen.

Z a h l e n t a f e l 4. Steinkohlengas.

Relative

F eu c h tig k e it 0 ° C m e u

1 0 ° C 15° C 20° C 25" C

%

E in g e b ra c h te kcal

100 25,5 51,4 81,6 117,5 160,9 212,8

75 19,1 42,2 68,7 99,4 135,6 178,3

50 12,8 33,1 55,8 81,3 110,4 143,9

25 6,3 24,0 42,8 63,1 85,2 109,4

0 0,0 15,0 30,0 45,0 60,6 75,0'

A u s g e b r a c h te 1tcal

E in g e b r a c h t 100 21,9 48,6 79,1 114,5 156,3 205,7

E i n g e b r a c h t tr. 21,9 48,2 78,1 112,5 152,7 199,5

Die g esam te B e re ch n u n g fü r das Steinkohlengas ist mit einer gew isse n U nsich e rh eit behaftet, weil sich die spezifische W ä r m e des Steinkohlengases nicht

g enau fe stlege n läßt. In A n b e trach t des hohen Luft

bedarfes wird d ieser F e h le r jed o ch bedeutungslos.

Die eingezeichneten Pfeile sollen andeuten, wie wesentlich es ist, den H e iz w ertp ro zeß isotherm zu leiten. H a t das in das K alorim eter eintretende Wasser eine T e m p e ra tu r von etw a 12° (Leitungswasser) bei der

Abb. 6. K o h le n o x y d , 25 % r. F.

R a u m te m p e ra tu r von 20°, d an n stellt sich die Abgas

te m p e r a tu r auf etw a 15° ein, w o ra u s sich eine Er

h ö h u n g der V e rb re n n u n g s w ä rm e als Unterschied zwischen l Q e 20° und XQa 15° von + 4 2 , 2 kcal ergibt.

Von zwei L a b o ra to riu m sv e rsu c h e n mit gleichem Gas e r g a b d er iso th erm bei v o ller S ä ttig u n g durchgeführte 4591 kcal fü r H p0, d e r nicht i so th e rm durchgeführte ( R a u m t e m p e r a tu r 20,2°, Wassereintrittstemperatur 11,94°, A b g a ste m p e ra tu r 14,7°) 4651 kcal, also einen U nterschied von + 60 kcal. D urch rechnerische B erichtigung dieses W e rte s erhielt m an 4598 kcal für Hp0) also u n ter B e rü c k sic h tig u n g d e r subjektiven B e s tim m u n g sfe h le r den gleichen W e r t wie im ersten Falle. Die N o tw e n d ig k e it d er is o th erm en Durch-

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f ü h r u n g d e r V e rb re n n u n g s w ä rm e b e s tim m u n g durtte dam it erw iesen sein.

(5)

27. Juli 1929 G l ü c k a u f 1025 Die Berechnung d er K urve ntafe l f ü r S te in k o h le n

gas ist unter der A nnahm e n o r m a le r W ä r m e b e l a s t u n g des Kalorimeters erfolgt, d. h. dem K a lo rim e te r sind der Vorschrift1 entsprechend stündlich etw a 1000 kcal

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Abb. 7. K o h le n o x y d , tr ocke n.

zugeleitet worden. Bei d ieser W ä r m e z u f u h r b e trä g t die in das K alorim eter e in tre te n d e L u ftm en g e rund das Doppelte der theoretischen. F ü h r t man dem Kalorimeter n u r 500 o d e r 250 kcal stündlich zu, so beträgt die Luftm enge etw a das 3,5- o d e r 5 fache d er theoretischen. F ü r diese F älle ist die K urventafel 9 (Zahlentafel 5) berechnet w o rd e n . Die Linien stellen unmittelbar die U nterschiede zw ischen den ein- und ausgebrachten W ä rm e m e n g e n d a r und lassen deutlich den Einfluß der W ä r m e z u f u h r e rkennen. B esonders wichtig, vor allem fü r die s p ä t e m B etrac h tu n g en , ist es, daß die erm ittelte V e rb re n n u n g s w ä rm e bei voller

Sättigung von G as und Luft nicht von d er W ä r m e zufuhr zum K alorim eter a b h ä n g t. Sie ist natürlich, wie aus Abb. 8 h e rv o rg e h t, a b s o lu t zu hoch.

Z a h l e n t a f e l 5. Steinkohlengas

(Differenzkurven bei verschiedener Belastung und 20°).

Relative F eu ch tig k eit % 100 50 0

Volle B elastu ng . . . + 4,5 - 44,2 - 92,7 Halbe B elastung . . . + 4,5 - 78,0 - 158,0 Viertel Belastung . . . + 4,5 110,6 - 223,5

Das E rg e b n is einer V ersuchsreihe bei v e rsch ied e

nen W ä r m e z u f u h r e n zum K a lorim e te r v eran sch a u lich t Abb. 10. Eine za h le n m äß ig e A u s w e rtu n g d ieser V er

suche im H inblick au f die T h e o rie l ä ß t sich n a c h träglich1 leider nicht mit Sicherheit vorn e h m e n , weil die Z u sa m m e n se tz u n g des b etre ffe nden Gases nicht b e k a n n t u n d auch die M essung d e r L u ftfe u c h tig keit bei diesen V ersuchen nicht ganz zu v e rlässig ist.

Im m erh in w ird das E rg e b n is d er th eo re tisc h en E r w ä g u n g e n d er G r ö ß e n o r d n u n g nach hierm it durc h au s bestätigt. M an m uß auch bedenken, daß bei diesen experim entellen U n te rsu c h u n g e n d er S tra h lu n g s einfluß eine R olle spielt, au f den ich noch z u r ü c k kom m en w erde.

Das w ichtigste E rg e b n is d e r in Abb. 9 zu r D a r stellung g e b ra c h te n B ere ch n u n g en ist also die T a t sache, daß die B estim m u n g d er V e rb re n n u n g s w ä rm e

1 G a s W a s s e r fa c h 1919, S. 589; Z u m G a s k u r s u s 1921, S. 180.

Abb. 9. S te in k o h le n g a s, D if fe re n z k u r v e n bei v e r s c h ie d e n e r Belastung.

bei voller W a s s e r d a m p f s ä t ti g u n g von G a s und Luft von der W ä r m e b e la s t u n g des K a lorim e te rs u n a b hän g ig ist. In fo lg e d e s se n w ird die V e r b re n n u n g s w ärm e u n ter diesen B ed ingungen eindeu tig du rc h die T e m p e r a t u r bestim m t, und die bish erig en Z ah le n w erte geben die M öglichkeit, die G r ö ß e der U nterschiede von H pt g e g e n ü b e r H p0 mit Sicherheit ohne K enntnis der A b g a sz u sa m m e n s e tz u n g fe s t

zulegen. D a die V e rb re n n u n g eines G a se s in einem G asg e m isc h s töchiom etrisch so verläuft, als ob die ändern G ase ü b e r h a u p t nicht zug e g en w ären, läß t sich für die is o th e rm e V e rb re n n u n g eines solchen G a s gem isches im Ju n k e r s- K a lo rim e te r die G rö ß e des U nterschiedes d e r erm ittelten V e rb re n n u n g s w ä rm e g e g e n ü b e r H po d u rc h B e re ch n u n g erm itteln, sofern nur alle E inzelw erte b e k a n n t sind. F ü r die wichtigsten B renngase H 2, C 0 2, C H a habe ich die W e r te schon a nge geben, so daß es n u r n och die B e r i c h tig u n g s g rö ß e f ü r C mH n zu b erechne n gilt.

C mH n ist ein S a m m e lb e g riff f ü r die im S tein

k o h le n g a s v o rh a n d e n e n schw eren K o h le n w a s s e rs to ff e d er Reihe C tlH 2n einschließlich des bei d er Analyse gleichzeitig e rm ittelten Benzols. Eine g e tre n n te B estim m u n g der einzelnen reinen K o h le n w a s s e r

stoffe ist schw ierig, so daß m an m eist mit einem einzigen K o h l e n w a s s e rs to ff re ch n en m uß, dessen V e rb re n n u n g s e ig e n s c h a f te n d enen des n o rm ale n G e m ische s am n äc h ste n k om m en. P r o p y le n e r fü llt e r f a h r u n g s g e m ä ß diese B ed in g u n g , u n d f ü r dieses

1 D ie se V e rs u c h e sin d s c h o n fr ü h e r in e in e m ä n d e r n Z u s a m m e n h a n g e a u s g e fü h r t w o rd e n .

(6)

1026 G l ü c k a u f N r. 30 Gas ist die K urventafel in Abb. 11 (Z a h le n tafe l 6)

aufgestellt w orden. Da ich mich d a ra u f beschränkt habe, die V e rb ren n u n g mit v oller S ättig u n g von Gas und Luft d u rc hzuführe n, ist n u r eine Kurve für die

Abb. 10. Einfluß d e r W ä r m e b e la s tu n g des Kalorim eters auf den o b ern H eiz wert.

eingebrachten W ä rm em en g e n , nämlich bei 100% r. F., sowie die Kurve f ü r die ausgebrachten W ärm em engen w iede rgege ben worden. Als T em p e ratu rg re n zen habe ich 15 und 25° g e w ä h lt 1.

Die T atsache, daß der W ä rm ein h alt des Aus

g ebrachten beim P ropylen u n d zum Teil auch beim M ethan höher g efunden w ird als der W ärm einhalt des E ingebrachten, ist wie f o l g t zu b e g r ü n d e n : Je größer die bei der V e rb ren n u n g eines Gases entstehende W a s se rd a m p fm e n g e ist, desto niedriger ist verhältnis

m äßig der untere Heizwert, d. h. desto höher liegt die Kurve des A usgebrachten über der Kurve des Ein-

Abb. 11. T h e o r e t is c h e V e r b re n n u n g von P ropyle n, 100% r. F.

gebrachten. Beim Ü bergang zum obern Heizwert, d. h.

bei d er A bkühlung d er A bgase und d er Kondensation des V e rbrennungsw asserda m pfes, bleibt eine desto g rö ß e re M enge davon dam pfförm ig, je größer das Volumen der bei der V e rb ren n u n g gleichzeitig e n t

stan d en e n p e rm a n en ten G ase ist. M a ß g e b e n d ist also einerseits das en tstandene W asserdam pfvolum en und anderseits das Verhältnis W a sse rd a m p f zu Kohlen

säure. Beim P ropylen ist z. B. die entsteh e n d e W a s s e r

d am p fm e n g e se h r hoch, die Kurve des A usgebrachten liegt dem nach o b erh alb von 100° beträchtlich über

1 E in e g e r in g e U n s ic h e rh e it d ie s e r B e r e c h n u n g b e ste h t d a rin , d a ß a u ch fü r d a s P r o p y le n d ie sp e z ifisc h e W ä r m e n ic h t m it g e n ü g e n d e r G e n a u ig k e it b e k a n n t ist. D e r m ö g lic h e F e h le r is t je d o c h g e rin g .

der Kurve des Eingebrachten. Bei der Abkühlung-,, also dem Ü b e rg an g zum obern H eizw ert, bleibt da

g eg e n infolge des bei der V e rb re n n u n g entstandenen gleichen Volum ens K ohlensäure eine verhältnismäßig g ro ß e W a s s e rd a m p f m e n g e beständig, deren Ver

d a m p fu n g s w ä rm e nicht frei wird. Dadurch ist es zu erklären, daß beim P ropylen die Kurve des Aus

g eb rach ten über der des E ingeb ra ch ten liegt, während sie beim W a ssersto ff un terh a lb d er des Eingebrachten verläuft. Der za h le n m äß ig e U nterschied ergibt sich o hne weiteres aus den Schaubildern.

Z a h l e n t a f e l 6. Propylen

(theoretische Verbrennung, 1 0 0 % relative Feuchtigkeit).

15° C 20° C 25 °C

E in g e b ra c h t . . . 274,9 376,2 497,6

A u s g e b r a c h t . . . 284,4 387,1 509,9

Z a h l e n t a f e l 7. Berichtigungswerte ( 1 0 0 % relative Feuchtigkeit, beliebige W ärm ebelastung des Kalorimeters).

15° C 20° C 25° C

C O ... - 5,9 - 8,6 — 11,2

h2 ... ^{- 6,3} ^{- 8,8} ^-12,1

c3h6 ... + 9,5 + 10,9 + 12,3 (Zahlen h ab e n g e g e n ü b e r d e r A b b ild u n g umgekehrte

Vorzeichen.)

M it H ilfe d er Abb. 11 sowie d e r fr ü h e m Kurven

tafeln ist Abb. 12 (Z a h le n ta fe l 7) entw orfen worden, in d er die U ntersch ied e H Pt - H p 0= Q e- Q a zur Dar

stellung g e b r a c h t sind. Das M e th an ist hierbei wegen des g eringe n U nterschiedes zwischen ein- und aus-

Abb. 12. D iffe re n z k u r v e n d e r reinen O a s e bei 100% r. F.

un d b e lie b ig e r W ä r m e b e l a s t u n g des Kalorimeters.

g e b ra c h te n W ä r m e m e n g e n bei 100 o/o r. F. außer B etracht g elasse n w o rd e n . Dieses Schaubild 12 (Zahlentafel 7) ermöglicht, für jedes Gas mit bekannter Z u s a m m e n s e tz u n g die B erich tig u n g sg rö ß e zu errech

nen. Der Anteil der inerten G a se im Frischgas ist nicht von B ed eu tu n g , weil diese bei voller Wasser- d a m p fs ä ttig u n g u n v e r ä n d e r t durch den Prozeß hin

d u rc h g e h e n , also keine Ä nde rung der V e r b r e n n u n g s w ä rm e b ew irken können.

M an ersieht o h n e w eiteres (vgl. a. Abb. 8), daß es bei d er B estim m ung d e r V e rbrennungsw ärm e von S teinkohlengas für technische Zw ecke nicht erforder

lich ist, eine B e richtigung vorzunehm en, sofern nur G a s und Luft einen W a s s e r d a m p f g e h a l t von 100°/o aufw eisen. Anders liegen die Verhältnisse bei der U n te r s u c h u n g von reinen G asen, wie Wasserstoff und

(7)

27. Juli G l ü c k a u f ₁₀₂₇

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Kohlenoxyd, sowie bei Reichgasen, die eine e n t sprechende Berichtigung als a n g e b ra c h t erscheinen lassen, sofern auf g ro ß e G e n a u ig k e it W e r t g e le g t wird.

Sobald jedoch Gas und Luft nicht voll g e s ä ttig t sind, namentlich bei geringer B elastung des Kalorim eters und bei nicht isotherm er D u rc h fü h ru n g der B estim mung, werden die U nterschiede, wie aus den obigen Darlegungen hervorgeht, so g ro ß , daß die B estim m ung der V erbrennungsw ärm e im S trö m u n g sk a lo rim e ter unbrauchbare W e rte erg eb en muß.

Hinsichtlich der E rm ittlu n g d er V e rb re n n u n g s wärme insgemein gelten natürlich die bereits e rw äh n ten Vorschriften. Für die D u rc h fü h ru n g der B estim m ung als isothermen Prozeß hat sich folgende Einrichtung und Arbeitsweise bew ährt. Ein im V ersu ch sra u m a u f gestellter H o c h b eh älter von m indestens 50 1 Inhalt wird mit Hilfe einer W a r m w a s s e r v o r r i c h t u n g mit Wasser von an n ä h e rn d R a u m te m p e ra tu r gefüllt.

Gegen Ende der F ü llu n g lä ß t man W a s s e r aus diesem Hochbehälter durch eine H e b e rle itu n g dem K a lo ri

meter zufließen und stellt den W a r m w a s s e r e rz e u g e r so ein, daß das T h e r m o m e te r am W a s s e r e i n g a n g des Kalorimeters eine T e m p e r a tu r anzeigt, die gleich ist der Raumtem peratur. Der W a s s e rz u f lu ß zum Überlauf des Kalorimeters w ird mit einem Q u e ts c h h a h n in der Schlauchleitung so gereg elt, daß die W a s s e r h ö h e im Hochbehälter kon stan t bleibt. W e n n das W a s s e r genau R aum tem pera tur aufweist, kann m an die W a r m w asservorrichtung abstellen und ist in der Lage, mit der im B ehälter befindlichen W a s s e rm e n g e nacheinander m ehrere H e iz w e rtb e stim m u n g e n aus

zuführen.

Die V ollsättigung d er V e rb re n n u n g s lu ft mit W asserdam pf bei d er betre ffe n d en T e m p e r a t u r e r

reicht man in einem nicht zu g ro ß e n Raum leicht durch V erdam pfung von W a s s e r aus o ffen en G efäßen.

Die E inhaltung dieser V e rsu ch sv o rs c h rift bereitet kaum Schwierigkeiten. N och ein fa ch er läßt sich die Vollsättigung der V e rb re n n u n g s lu ft mit W a s s e rd a m p f durch eine in Z u sa m m e n a rb e it mit der F irm a Junkers erdachte, an jedem H a n d k a lo rim e te r leicht anz u

bringende Z u s atzeinrichtung erreichen. N euerd in g s wird auch das selbsttätige K a lo rim e te r der F irm a Junkers mit einer Z u satze in rich tu n g geliefert, welche die isotherm e D u r c h f ü h r u n g der V e rb re n n u n g s wärm ebestim m ung bei v o lle r W a s s e r d a m p f s ä tti g u n g gewährleistet.

Für genaue B estim m ungen d a r f d er S t r a h l u n g s e i n f l u ß nicht ü b e rs e h e n w erden. D ieser ist ab h ä n g ig von der O b e rflä c h e n b e sc h a ffe n h e it des Kalorim eters, von dem T e m p e ra tu ru n te r s c h ie d zwischen m ittlerer Tem peratur des K a lo rim e te rw a s se rs und R au m tem peratur sowie von der W ä r m e z u f u h r zum K a lo ri

meter bzw. von d e r in d e r Zeiteinheit d u r c h s tr ö m e n den W asserm enge. Je d u n k le r die O b e rflä c h e des Kalorimeters, je g r ö ß e r der bezeichnete T e m p e r a t u r unterschied und je g e r in g e r die W ä r m e z u f u h r , desto größer ist der S tra h lu n g se in flu ß . M an erkennt, daß er infolge seiner A b h ä n g ig k e it von d er O b e rflä c h e n beschaffenheit des Kalorim eters für jedes G e rä t und außerdem von Zeit zu Zeit e rn e u t fe s tg e s te llt werden muß.

Der S tra h lu n g se in flu ß kann in n ac h s te h e n d e r Weise genügend g en a u be s tim m t w e rden. M an läßt

■n das unten v ers c h lo ss e n e K a lo rim e te r (o h n e Brenner) W a s s e r von h ö h e r e r T e m p e r a t u r als R au m tem peratur (nicht nied rig e r w e g e n d e r W a s s e r d a m p f

k o n d e n s a tio n ) eintreten, und zw ar bei einer D u r c h flußgesc h w in d ig k e it, die der n o rm ale n W ä r m e z u f u h r von 1000 kcal entspricht, wenn d e r T e m p e r a t u r unterschied zwischen W a s s e re in g a n g und -a u s g a n g rd. 12° b eträgt. D er T e m p e ra tu ru n te r s c h ie d bei diesem Versuch zwischen den T h e r m o m e te r n am E in g a n g und am A u s g a n g wird gem essen. Die G rö ß e der A b s tra h lu n g (bei iso th erm er F ü h r u n g der H e iz

w e r tb e s tim m u n g h an d e lt es sich im m e r um A b s t r a h l u n g ) lä ß t sich d arau s nach der F orm el berechnen

A t,o = — ----------.

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D arin b e d e u te t At,o die A b w e ic h u n g d e r T h e r m o m e t e r - anzeige am A u s g a n g des K alorim eters je 1° T e m p e ra tu r u n te rsc h ie d zwischen m ittlerer W a s s e rte m p e r a tu r des K a lorim e te rs und R au m te m p e ra tu r, ?At den beim Versuch zu r B estim m ung des S trah lu n g se in flu ss e s gem essenen T e m p e ra tu ru n te r s c h ie d zw ischen W a s s e r e in g a n g und -ausgang, t E die W a s s e r e i n g a n g s te m p e ratur, tA die W a s s e ra u s g a n g s te m p e ra tu r , t R die R a u m te m peratur. F ü r die B erichtigung der T h e r m o m e te r anzeige bei einem H eiz w ertv e rsu ch gilt dann

t A + X;

Die G rö ß e a ist also d e r T e m p e ra tu ra n z e ig e des W a s s e ra u s g a n g s th e rm o m e te rs am K alorim eter zuzu

zählen.

Bei n o rm a le r W ä r m e z u f u h r zum K alorim eter ist dieser S tr ah lu n g s ein flu ß gering. E r b e t r ä g t auf G ru n d zahlreicher B estim m ungen etwa 0,04 o/o der V e rb re n n u n g sw ä rm e je 1° T e m p e ra tu ru n te rsc h ie d zwischen m ittlerer W a sse rte m p e r a tu r u n d R a u m tem peratur, steig t aber beträchtlich mit A bnahm e der B elastung des Kalorim eters. Infolgedessen ist es zw eckm äßig, stets mit einer W ä rm e z u fu h r von 1000 kcal/h zu arbeiten, weil dann die B erichtigung im mer m it dem gleichen einmal erm ittelten W e r t für Atjo eingesetzt w e rd en kann. F ern e r ist es ratsam , die O berfläche des Kalorim eters blank zu halten o d e r aber die B erichtigung von Z eit zu Zeit neu zu ermitteln.

Zum Schluß sei noch kurz auf den B e g r i f f d e s H e i z w e r t e s eingeg a n g en . Die B estim m u n g des (untern) Fleizwertes ist, a b g e s e h e n vom S tra h lu n g s

einfluß, von den bish er d a r g eleg ten V e rs u c h s

b e d in g u n g e n u n a b h ä n g ig . W e n n z. B. ein g ro ß e s V olum en tro c k n e r Luft in das K alorim eter ein- tritt, w ird ein T eil des aus d er V e rb re n n u n g h e r

rü h r e n d e n W a s s e r d a m p f e s von dieser Ü b e rschußluft h in w e g g e fü h rt und die V e r b re n n u n g s w ä rm e w egen des V erlustes d e r latenten V e rd a m p fu n g s w ä rm e dieses W a s s e rd a m p f e s zu n ie d rig g efunden. J ed o c h w ird ein en tsp re c h e n d g e r in g e re r B etrag an W a s s e r d a m p f kon d en siert und au fg e fa n g e n , so daß sich die von der fe s tg e ste llte n V e rb re n n u n g s w ä rm e in A bzug g e b ra c h te W ä r m e m e n g e um den gleichen B e tra g v e r m in d e rt; d a d u rc h fin d et m an den u n te rn H e iz w e rt in der gleichen H ö h e , wie w e n n ein g e r in g e re s L u ft

volum en von h ö h e r e r W a s s e r d a m p f s ä t ti g u n g in das K a lo rim e te r e in g e s trö m t wäre.

S tr e n g g e n o m m e n e n ts p ric h t je d o c h die B estim m u n g des H e iz w e rte s nicht g e n a u seiner B e g r if f s erk lä ru n g . Die F o r d e r u n g , d aß das W a s s e r beim H e iz w e rt in D a m p f fo rm aus dem V e r b re n n u n g s v o rg a n g entw eicht, ist f o lg e r ic h tig an die B e d in g u n g gek n ü p ft, daß das g e sa m te A b g a s eine T e m p e r a t u r

(8)

1028 G l ü c k a u f ^im^{r .}^{j u} aufweist, die gleich der T a u p u n k tte m p e r a tu r d e s

A bgases ist. Die W ä rm e m e n g e , die im Abgas, dem T e m p e ra tu rg e b ie t zwischen R au m te m p e ra tu r und T a u p u n k t t e m p e r a t u r e n ts p re ch en d — bei Stadtgas etw a 5 0 ° —, enthalten ist, kann aber in W a h rh e it nicht g ew o n n en w erden, w ä h re n d sie bei der üblichen B e stim m ung des H e iz w erte s im S trö m u n g sk a lo rim e ter ausg e n u tz t wird. A ußerdem e r fo lg t die B erechnung der latenten V e r d a m p fu n g sw ä rm e durch Malnehm en der K o n d e n sw a ss e rm e n g e in g m it 0,6; in Wirklichkeit ist diese W ä rm e m e n g e , auf die E inheit bezogen, nicht g e n a u 0,6 kcal, s o n d ern je nach dem T au p u n k t des A bga se s g r ö ß e r o d e r kleiner. D am it ist aber der technisch ausn u tzb a re untere H e iz w ert abhängig vom L u ftü b ersch u ß d er b e tre ffe nden F e u e r u n g und e n t

sprich t nicht dem k alorim etrisch ermittelten untern H eizw ert. Diese Ü berlegungen können mit dazu bei

trag e n , die alleinige B eib eh a ltu n g d e r eindeutig b estim m b a ren V e rb re n n u n g s w ä rm e in der F eu eru n g s

technik zu b e gründen.

Z u s a m m e n f a s s u n g .

Die A b h ä n g ig k e it der V erbrennungsw ärm e von

T e m p e r a tu r und F e u c h tig k e its g e h a lt d er Oase bei der B estim m ung im J u n k e rs-K a lo rim e te r w ird erklärt und fü r die einzelnen G ase z a h le n m ä ß ig dargestellt. So

dann wird die A b h ä n g ig k e it d e r ermittelten Ver

b re n n u n g sw ä rm e von der W ä r m e z u f u h r zum Kalori

m eter nachgew iesen und gezeigt, daß die isotherme D u rc h fü h ru n g der B estim m u n g der Verbrennungs

w ä rm e unerläßlich ist.

Es fo lg t der Vorschlag, die B estim m ung der Ver

b re n n u n g sw ä rm e bei v o ller W asserdam pfsättigung von G as und Luft v o rz u n eh m en und eine ent

sprechende B erich tig u n g sg rö ß e anzubringen, unter Angabe der hierfür erfo rd erlic h en zahlenmäßigen Unterlagen. Für die D u rc h fü h ru n g der Bestimmung d er V e rb ren n u n g sw ärm e als iso th erm en Prozeß und bei voller W a sse rd a m p f s ä ttig u n g w ird eine geeignete V e rsu ch san o rd n u n g beschrieben.

Der Einfluß, die B estim m ung und die Berechnung der S tr a h lu n g hinsichtlich des kalorim etrischen Vor

g a n g s w erden d arg eleg t. Den Schluß bildet eine kritische B etrac h tu n g der B e stim m ung und Definition des H eizw ertes ( H u).

W issenschaftliche und wirtschaftliche U n tersu c h u n g en in d er Steinkohlenaufbereitung.

Von Dipl.-Ing. H. H e i d e n r e i c h , R a d o w e n z (O st-B öhm en).

(Schluß.)

Abb. 15. T r e n n u n g in d e r S etzm aschin e, V er le g u n g der Sinkversuch, das A uftreten von Bergeteilen in der Kohle und u m g e k e h r t von Kohlenstücken in den Bergen. Diese falsch a u sg e tra g e n e n Teile w erden w eiterhin m it dem Ausdruck »Fehlkorn« und je nach ihrer Lage in der Kohle als »falsche Kohle« oder in den B ergen als »falsche Berge« bezeichnet.

N

R e in k o h le n c h a ra k te r istik und B ildung d e s Fehlerdreiecks.

N a tu r g e m ä ß ist die G e w ic h ts m e n g e der falschen Kohle gleich d erje nigen d er falschen Berge. Die tat

sächliche T rennungslinie, wie sie sich beim Wasch

v o rg a n g in der S etzm aschine ergibt, verläuft demnach in Abb. 1 5 1 an Stelle d e r G e r a d e n C " b B " c nach der Linie C " 0 " B " , und die tatsächlich a u sg e trag en e Rein

werden können. Dabei versinnbildlicht die Fläche A"M"C"bB"c o berhalb dieser T re n n u n g s lin ie die Ge

w ichtsm enge der R einkohle und die u n te r der Tren

n u n g s g e r a d e n befindliche Fläche C"bB"cD"N" die B ergem enge. Bei einer U n te r s u c h u n g der beiden Auf- bereitungserzeugnisse e rgibt sich jedoch infolge der Tatsache, daß die S o rtierung in d er Setzmaschine nicht mit derselben Schärfe erfolgt wie beim Schwimm- und

0_____________________

Die A u s t r a g s f e h l e r .

D e r L i e f e r u n g s - u n d d e r W i r k u n g s g r a d . D enk t man sich 100 Gewichtsteile Rohkohle wie in Abb. 151 nach dem A schengehalt in Schichten übereinander geo rdnet, so sollte der Aufbereitungs

v o rga n g durch T re n n u n g nach einer je nach dem beabsichtigten A usbringen in verschiedener H öhen

lage verlaufenden w a g rech te n Linie C"bB"c dargestellt

(9)

kohle wird durch die Fläche M " A " B " 0 " C " w i e d e r gegeben. Sie ist mit dem Rechteck M"A"B"cC"b flächengleich. Die G r ö ß e d e r F lä che 0 " C " C " b, die das Fehlkorn in den Bergen, u n d d er F lä che 0"B"B "c, die die falsche Kohle aufzeigt, gib t A ufschluß über die Ungenauigkeit des S etzvorganges. Das in den e n t

sprechenden F lächengrößen zum A usdruck k o m m en d e Gewichtsverhältnis der g esa m te n a u s g e tr a g e n e n Kohle zu der fehlkornfreien R ein k o h len m en g e sei als

»Lieferungsgrad« bezeichnet, zum U n terschied von

»Wirkungsgrad«, der die G ü te der W asch erzeu g n isse berücksichtigt und d aher m e h r w irtschaftlicher Art ist. Der Lieferungsgrad ist ein Maß f ü r die G üte des Setzvorganges in b ez u g auf seine so n d ern d e

M"A"B"cO"C"

Wirkung. X - n A H r j C T t '

A 'C '0 'd B'cT' in Abb. 1511 zeigt die Integ ratio n der Fläche M "A "B "0 "C ". Sie w ü rd e bei theoretisch reiner T rennung nach d er T re n n lin ie C"bB"c in Abb. 151 die dünn au sg e zo g en e Form A ' O ' T ' a u f weisen. In W irklichkeit e n tsp ric h t sie diesem Ver

laufe nur bis zum P u n k te C', von hier verlä ß t sie die Gerade und nimmt infolge stetigen A b w a n d ern s von Kohlenteilen in die Berge eine konkave Form an.

Sie erreicht bei der O rdina te Ve erst den A bszissen

wert W ' 0 ' ct. Der U nterschied beider W e rte , W 'O ' - W ' 0 ' ct, drückt die M enge d e r falschen Berge aus.

Erst beim Punkte B'c w ird durch Z u w a n d ern von Bergeteilchen als falsche Kohle der tatsächliche Wert des Ausbringens ve erreicht. D as Verhältnis

^ ° ct = ^ g = X stellt hier den L iefe rungsgra d dar.

Wird zu der in Abb. 151 nach S ortenschichten geordneten Rohkohle die C harakteristik in Abb. 1 5 III gezeichnet, so w ü rd e diese im P u n k te O durch die Länge der Abszisse VeO den A sch e n g e h a lt der aschenreichsten Schicht in der Reinkohle angeben, wenn der W a s ch v o rg a n g o hne Verluste vor sich ginge.

Der Ascheninhalt der Reinkohle bei fehlerfreier T r e n nung wäre durch die Fläche A C O V eM w i e d e r gegeben, der mittlere A schengehalt hätte die G rö ß e ct, entsprechend der H ö h e des Rechteckes U tW (VcM.

Durch das F ehlen d e r fälschlich in die W asch- beige gelangten K ohlenteile e n ts te h t a b e r ein g e ringeres A usbringen an w irklicher reiner Kohle, und zw'ar von der G rö ß e MVco. D e m na ch k o m m t d er O r dinate MVC0 jen er A sch e n g eh alt zu, d e r th eo re tisc h beim Ausbringen ve erscheinen w ürde . Der P u n k t O der R ohkohlenw aschkurve w a n d e r t also in die Lage des Punktes O c der R ein k o h len w a sc h k u rv e. Durch Zuwandern von Bergen als falsche K ohle w ird der Fehlbetrag des A u s b rin g e n s Vc Vco ersetzt. Als aschenreichste Schicht in d e r R einkohle tritt die durch die Ordinate Vb B d a rg e ste llte auf. Die tatsächliche Charakteristik der Reinkohle a, v e r lä u ft d a h e r nach der Kurve A C O cBc.

Um beliebige Z w ische npunkte der C h a ra k te ristik der Reinkohle zu erh a lte n , g e h t m an wie f o l g t vor.

Vom Punkte Xt der R o h k o h le n w a s c h k u rv e zieht man eine wagrechte G e rad e, bis sie im P u n k te X't die In te grationskurve A ' 0 ' ct T ' trifft, und von hier eine L ot

rechte bis zur Linie A' O ' D', also die G e r a d e X't X'e.

Von dem g e fundenen P u n k te X'e g e h t m an w a g re c h t zur W aschkurve zurück u n d e r h ä lt im P u n k te Xe den gesuchten W e rt des A s c h e n g e h a lte s d e r zu g e h ö rig en Schicht in der R einkohle. Die H ö h e X't X'e gibt

das M aß an, um das die W a s c h k u rv e verschoben w o rd e n ist.

Die d u rc h den F e h l a u s tr a g h e r v o rg e ru f e n e Ver

sch lec h teru n g d er Reinkohle k o m m t in d e r F lä che C O c Bc O zum Ausdruck, die w egen ih r e r D reiecks

form als »Fehlerdreieck« bezeichnet sei. W ird dieses Fehlerd reieck in ein Rechteck von d e r Seitenlange ve u m g ew a ndelt, so veranschaulicht die H ö h e des Fehlervierecks« Ac die G r ö ß e der V erschlechterung des A sche ngehaltes d e r Reinkohle in fo lg e der unvolL k om m enen S o n d e ru n g in d e r Setzmaschine.

In ähnlich e r W eise lä ß t sich die C h a ra k te ristik d er W a s c h b e r g e finden, wie sie in Abb. 1 5 III in d e r Kurve a b d u rc h die Linie C b BD w ied e rg eg e b en wird.

E s liegt nun nahe, die somit fe stg e ste llten G r ö ß e n u nterschiede zwischen th eo re tisc h en und tatsächlichen W e rten zu r E rm ittlu n g des W ir k u n g s g r a d e s h e r a n zuziehen. Diesen W e g haben B i e r b r a u e r und K a r - li k b e s c h r i tt e n 1. W ä h r e n d d e r letztgenannte den W irk u n g s g r a d d u rc h das V erhältnis zwischen dem tatsächlich v o rh a n d e n e n und dem a u s g e b ra c h te n G e halt an V erbrennlichem in der R einkohle ausdrückt, f a ß t B ierbrauer den technischen W i r k u n g s g r a d (de r a b so lu te k o m m t nach seiner M e in u n g f ü r die K o h le n a u fb e re itu n g nicht in F r a g e ) u n te r B e o b ac h tu n g des eigentlichen Zweckes des S etzv o rg a n g es als die Ver

hältniszahl der p ra ktisch erreichten zu r th eo re tis c h en A nreicherung auf. Nach Karlik, dessen W i r k u n g s g ra d m an als »R einheitsgrad« bezeichnen kann, ist

| _ Q ^ _ Q

f]c — z ---nac h B i e r b r a u e r Yite c h = ---e, w o b e i a

1 - ct a - ct

den A sch e n g eh alt des A u fg a b e g u te s bedeutet.

Beide W ir k u n g s g r a d e stellen ein V erhältnis von A b szissen g rö ß en d a r und lassen das A u s b rin g e n in seiner ta tsäc h lich e n und th e o re tisc h e n G r ö ß e außer acht. D e sh a lb soll in einem n eu e n A usdruck fü r den W i r k u n g s g r a d von A u fb e reitu n g san lag e n g e ra d e diese B eziehung des A u sb rin g e n s v e r w e rte t w e rden.

D a d u rch e rg ib t sich ein M e n g e n w irk u n g s g ra d t)v. In dem d u rc h Abb. 15 III v e ran sch a u lich te n Beispiel e r hält m an beim A u sb rin g e n ve eine tatsäc h lich e R ein heit der g e w asch en e n K ohle von ce Asche, o b w o h l dieser A sch e n g e h a lt bei g ü n stig ste m Arbeiten d er S etzv o rric h tu n g e rst bei einem A u sb rin g e n von vt er-

y e

reicht w ü r d e ; d a m it e rg ib t sich yjv = — , u n d die M e n g e n v e rlu ste ( W a s c h v e rlu s te ) b e tra g e n 1 - rjv = Vf —v e

--- . D er Vorteil dieser A usdrucksw eise gegen- vt

ü ber den bish erig en V erfahren liegt v o r allem in d er leichten V o rste llb ark eit des M e n g e n w irk u n g sg ra d e s.

Bei einem rjv von beispielsweise 90 o/o b e tra g e n die V erluste 1 0o/o, das heißt, man kön n te d u rc h v o ll k o m m en e Setzarbeit x% 0 m e h r R einkohle a u stra g e n , o der m an brauchte, um dieselbe R e in k o h le n m e n g e bei ideal v or sich g e h e n d e r T r e n n u n g zu erzeugen, n u r 90 o/o d e r bish erig en R o h k o h le n a u fg a b e . Eine S te ige

ru n g des t]v von 90 auf 91 o/o e r h ö h t d a s A u sb rin g e n um V90, o d e r g e s ta tte t die H e r a b s e t z u n g d e r F ö rd e - d e r u n g um 1/ 91.

1 B i e r b r a u e r : D ie p la n m ä ß ig e E rfa s s u n g d e s A n re ic h e r u n g s e rfo lg e s als G ru n d la g e w irts c h a ftlic h e r G e s ta ltu n g d e s A u fb e re itu n g s b e trie b e s , G lü c k au f 1927, S. 149; M a d e l : B e re c h n u n g d e s W ir k u n g s g r a d e s v o n K o h le n a u f

b e re itu n g e n , G lü c k a u f 1927, S. 4 2 1 ; K a r l i k : D ie A u fb e re itu n g v o n S te in k o h le d u rc h W a s c h e n u n te r Z u g r u n d e l e g u n g d e r W a s c h k u rv e , M o n t. R d sc h . 1925, S. 247.

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1030 G l ü c k a u f IN r. JU Die von Karlik au fg e ste llte n B erechnungen über

den M e h r e rtra g durch g rö ß e re A n n ä h e ru n g des t a t sächlichen W e rte s an den th eo re tisc h en m üßten d ah e r richtig la u te n : W e r d e n m it d e r einen M aschinenart täglich 53,5 W a g e n Reinkohle mit einem Reinheits

g r a d von 9Qo/o a u s g e w asch e n , w ä h re n d die bestehende Anlage einen solchen von nur 9 5 % besitzt, so w erden bei d e r gleichen R o h k o h le n a u fg a b e in der alten Anlage n u r 42,0 W a g e n R einkohle erzielt. Die Ver

b es se ru n g d er A nlage verm eidet d ah e r 11,5 W agen täglicher Verluste.

D er M e n g e n w irk u n g sg ra d gib t auch in anschau

licher W e ise A u sk u n ft ü b e r den Einfluß der W a s c h verlu ste au f das geldliche E rg e b n is (Abb. 16). T rä g t man den V erkaufsw ert von 1 t R einkohle mit dem A sch e n g eh alt cc in der Länge 9?® auf, so wird der je t R ohkohle erzielte E rlös durch die Länge ®eO e bei dem A usbringen vc ange geben. Eine Steigerung

n . _m

Abb. 16. Einfluß des W ir k u n g s g r a d e s auf den G ew inn.

des A u sb rin g e n s von ve au f vt e rg ib t eine E rh ö h u n g des E rlöses auf 2 5 ^ 0 ^ . D a einer derartigen durch E in sc h rä n k u n g d er W a schverluste erzielten M e h r

einnahm e keine o d e r keine nennensw erten Ausgaben g e g e n ü b e rs te h e n , k om m t sie einer E rh ö h u n g des R ein ertrag es gleich. T r ä g t man in * O0 O die G röße d e r G e s te h u n g s k o ste n je t R ohkohle auf, so zeigen die U nterschiede d e r Längen, ® eO e bzw. den Gewinn. Aus d e r Abbildung läßt sich der W ert des A usbringens b0 ablesen, bei dem d er Gewinn gleich Null wird, so daß die durch die A ufbereitungs

erzeugnisse erzielten E innahm en g an z zur Deckung der Selbstkosten v e rw e n d e t w erden müssen. Die Abbildung lä ß t w eiterhin das starke Anwachsen des G ew innes selbst bei g e r in g e n E rhöhungen des M engen W irkungsgrades erkennen.

D i e F e h l a u s t r a g s a r t e n .

Zur E r h ö h u n g des W i r k u n g s g r a d e s ist in erster Linie eine eingehende Kenntnis d e r Art der auf F e h l au s tra g u n g e n b e ruhenden W a sch v erlu ste e rfo rd e r

lich. Der A ustragsfehler kann je nach der ihm z u g r u n d e liegenden U rsache g le ic h b lc ite n d oder schw a n k en d sein. Die gleichbleibenden F e h l a u s tra g u n g e n entstehe n in d er Setzmaschine- sie weisen w ä h re n d d er W a schschicht stets dieselbe o der nahezu dieselbe G rö ß e auf, und nur V erände

ru n g e n d er B edin g u n g en haben ihre Änderung ZUr F olge. Die w e chselnden F e h la u s tra g u n g e n werden du rc h die S chw a n k u n g en d e r G ü te und des Aus

b rin g e n s h e r v o rg e ru f e n und m achen sich erst durch die M ischung verschieden g ew a sc h e n e r Reinkohlen im V o rra tsb e h ä lte r geltend.

Die gleichbleibenden Fehlaustragungen.

1. D i e V e r i r r u n g . Sie b e r u h t darauf, daß leichte Teile durch g r ö b e re s und s chw ereres G u t im Gemenge so stark in d er B ew e g u n g b ee influßt werden, daß sie auch am E n d e des S etzv o rg a n g es , also bei Erreichung der Brücke, noch nicht den ihnen nach ihrem spezifi

schen Gewicht, i h r e r K o rn g r ö ß e und Kornform zu

kom m enden P la tz g e fu n d e n haben. F ern e r bilden die U n re g elm äß ig k eiten d e r L ock e ru n g des Setzbettes und d e r H o h lrä u m e in d er U m g e b u n g eine Quelle für F e h lla g e r u n g e n , die zu einer V erirrung des Kornes A nlaß geben. E ntsprechend der leichtern V ersch ieb b a rk eit des klei

nen K o rn e s ist seine Verirrung g r ö ß e r als die des g rö b e rn Gutes.

J e ö fte r je d e s Korn der Hub

b e w e g u n g u n te rw o rfe n wird, desto g e r i n g e r ist die Möglichkeit einer V e rirru n g ; je schne lle r die Kohle ü b e r das B ett w a n d e rt, desto wahr

sch e in lich e r w ird ein verirrtes Stück seine richtige Höhenlage bei E r r e i c h u n g des A ustrages ver

fehlen. J e k rä f t ig e r d e r senkrechte W a s s e r s t o ß ist, d e sto stärke r wer

den sich die U nterschiede der be

n a c h b a r t e n H o h lrä u m e auswirken und d e s to g r ö ß e r w ird der Unter

schied d e r H ö h e n w e g e von spe

zifisch leichtem und schwerem G u t sein; d a h e r ist bei großer H u b h ö h e eine g r ö ß e r e Verirrung zu e r w a rte n . Die V e rirru n g nimmt in solchen Fällen einen beachtsam en W e rt an, in denen bei Ü berlastung d er Setzmaschinen das Gut am Ende d er Setzbahn n u r u n g e n ü g e n d nach den S orten geschichtet ist. Dazu tritt noch der Umstand, daß zur D u rc h a rb e itu n g d e r e r h ö h te n Eintragsmenge eine g r ö ß e r e H u b h ö h e g e w ä h lt w e rden muß. Diese A rt d e r F e h l a u s t r a g u n g findet man vor allem bei alten A ufb e reitu n g san lag e n .

2. D e r F e h l a u s t r a g i n f o l g e v e r s c h i e d e n e r K o r n g r ö ß e . Aus der T atsache, daß das kleine Korn eine andere S etzbarkeit besitzt, ergibt sich eine ungleichförm ige A b lag e ru n g verschieden großer Kohlenteilchen im Setzbett. D er Einfluß dieser ungleichförm igen L a g e ru n g g r o ß e r und kleiner Körner in der neutralen Schicht, w o die Trennung in Reinkohle und Berge erfolgt, m acht sich besonders bei der G ro b k o rn setzm asc h in e bem erkbar, in der die aschenreichste Schicht des Kornes mit kleinem Durch

m esser merkTch schlechter ist als die des großem Kornes.

Die V ersch lec h te ru n g des kleinkörnigen Gutes läßt sich in Abb. 10 aus dem V erlaufe der Austrags- kurve VV' erkennen. Diese hätte, wenn Grobes und Feines gleich g u t g e w a sc h e n w ü rd e n , eine der Sorten- schaulinie 1,65 parallele Lage. Da von dem gröbern Korn eiii Teil in die Berge w a n d e r t und anderseits