Heißluftmaschinen

Heißluftmaschinen (kalorische Maschinen, Luftexpansionsmaschinen, Heißluft-, Luftmotoren) dienen dazu, die Spannung erwärmter Luft arbeitsverrichtend nutzbar zu machen. Dadurch, daß gespannte Luft in einen Zylinder tritt und sich ausdehnt, treibt sie einen Kolben arbeitsverrichtend vor sich her. – Man unterscheidet geschlossene, offene und Feuerluftmaschinen.

Geschlossene Maschinen. Bei jedem Doppelhub, während jeder Umdrehung, wird eine abgeschlossene Luftmenge abwechselnd erwärmt und abgekühlt: in der Erwärmungsperiode dehnt sich die Luft aus und überträgt durch den Kolben Arbeit auf die Welle, während der Abkühlungszeit wird sie mit Hilfe der lebendigen Kraft des Schwungrades verdichtet. Der Unterschied zwischen Expansions- und Kompressionsarbeit ist die indizierte Leistung der Maschine. Die geschlossenen Maschinen bedürfen des Kühlwassers.

Offene Maschinen werden bei jeder Umdrehung mit einer neuen Menge erhitzter Luft gefüllt und stoßen dieselbe aus, sobald sie ihre Arbeit verrichtet hat. Sie gebrauchen also kein Kühlwasser, dafür aber eine Luftpumpe.

Feuerluftmaschinen sind offene Maschinen, bei denen die Verbrennung nicht in einer offenen Feuerung, sondern in einem luftdicht abgeschlossenen Räume vor sich geht. An Stelle der Betriebsluft treten die Feuergase. Die Maschinen bestehen also aus Pumpe, Ofen und Arbeitszylinder.

Die geschlossene Heißluftmaschine entspricht also der Dampfmaschine mit Oberflächenkondensation, die offene der Auspuffmaschine. Der ersteren liegt der Kreisprozeß Fig. 1, der letzteren derjenige, welchen Fig. 2 darstellt, zugrunde.

Fig. 1: Die Luftmenge v₁ wird bei konstantem Volumen von der Spannung p₁ bis zur Spannung p₂ erwärmt (a b) und dehnt sich bei fortgesetzter Erwärmung arbeitsverrichtend isotherm bis v₂ aus (b c), wobei die Spannung auf p₃ sinkt. Dann wird bei konstantem Volumen und[16] bei bis p₄ sinkender Spannung abgekühlt (c d) und endlich die Luft bei fortdauernder Abkühlung arbeitsverbrauchend bis zum Anfangszustande verdichtet (d a).

Fig. 2: Die Luftmenge v₁ wird bei konstanter Spannung (naturgemäß 1 Atmosphäre) angesaugt (a b), dann adiabatisch verdichtet (b c) und in einen Erhitzer oder geschlossenen Ofen gedrückt (c d). Hier, bei konstanter Spannung erhitzt, strömt sie in den Arbeitszylinder (d e), dehnt sich arbeitsverrichtend adiabatisch aus (e f) und wird endlich bei konstanter Spannung ausgetrieben (f a). Diagramm a d e f a des Arbeitszylinders weniger Diagramm a b c d des Pumpenzylinders gibt die gewonnene Arbeitsmenge (Diagramm b c e f) an. Die für diesen Fall geltenden Gleichungen sind folgende [1]:

worin die beigefügten Indizes die Punkte des Kreisprozesses in Fig. 2, L die von der bei c^e zugeführten Wärme Q_ce geleistete Arbeit und η den thermischen Wirkungsgrad bei diesem Kreisprozeß bedeutet.

Selbstverständlich werden in ausgeführten Maschinen diese Prozesse nicht streng, sondern nur annähernd durchgeführt. Geschlossene Maschinen finden sich in dreierlei Ausführung:

1. Als zweizylindrige Verdrängermaschinen (Fig. 3). Die Erwärmung und Abkühlung der Luft geschieht in dem langen Verdrängerzylinder, in welchem ein sogenannter Verdränger die Luft hin und her schiebt, die Arbeitsleistung in einem kleineren, einfach wirkenden Arbeitszylinder.

2. Als einzylindrige Verdrängermaschinen (Fig. 4). Die Erwärmung und Abkühlung der Luft geschieht im Arbeitszylinder selbst; der Boden des kalten Raumes wird vom Arbeitskolben gebildet, die Kolbenstange des Verdrängers geht durch den Arbeitskolben in einer Stopfbüchse, letzterer ist durch zwei symmetrisch eingreifende Stangen mit der Welle verbunden.

3. Als Kolbenmaschinen (Fig. 5). Die Erwärmung der Luft wird in einem geheizten, die Abkühlung in einem gekühlten Zylinder bewirkt, beide sind in ununterbrochener Verbindung. Die Kolben sind so gesteuert, daß die Luft abwechselnd aus einem in den andern Zylinder übertritt; befindet sie sich im heißen, so ist die Spannung hoch, befindet sie sich im kalten, so ist die Spannung niedrig. Der Unterschied der beiden Indikatordiagramme gibt die indizierte Leistung an; er entsteht dadurch, daß bei hoher Spannung der Kolben des heißen Zylinders sich schnell, der des kalten sich langsam bewegt, bei niedriger Spannung die Bewegungsverhältnisse entgegengesetzt sind. Beide Indikatordiagramme haben also dieselben Ordinaten, doch gehören diese zu verschiedenen Abszissen.

Geschlossene Heißluftmaschinen sind am häufigsten erfolgreich ausgeführt, die offenen sind nie über den Versuch hinausgekommen, Feuerluftmaschinen jedoch trotz der größeren praktischen Schwierigkeiten, welche die Feuergase als Betriebsflüssigkeit bedingen, mehrfach brauchbar geworden. Näheres über die Theorie dieser Maschine findet sich in [2]–[6], [8], [10].

In der Zeitschrift des Vereins deutscher Ingenieure sind die Maschinen von Rider [7], Lehmann [9] und Bénier [11], [12] beschrieben (mit Abbildungen), worauf wir verweisen. Die Maschine von Buschbaum findet sich in [1] dargestellt. Die Abmessungen sind folgende:

[17] Den Brennstoffverbrauch älterer Lehmannscher Maschinen liegender Anordnung fanden Brauer und Slaby zu 4–7 kg Zwickauer Steinkohlen für die Pferdestunde, doch gebrauchten diese Maschinen mit aufgemauertem Ofen viel Brennstoff zum Anheizen. Nach Versuchen von Schöttler gebrauchte eine 2–3 pferdige Rider-Maschine 11–12 kg böhmische Braunkohlen oder halb so viel Gaskoks, nach Versuchen von Slaby eine 4pferdige Bénier-Maschine 2,4 kg Koks für die Pferdestunde. Bei den größeren Ausführungen letzteren Systems soll der Koksverbrauch bis auf 1 kg sinken.

Grundsätzlich kann Luft zum Betriebe von Kraftmaschinen nicht vorteilhafter sein als Dampf. Da für große Arbeitsleistungen die Abmessungen der Heißluftmaschinen ungeheuerlich werden, so führt man sie nur bis zur Stärke weniger Pferde aus. Für den Kleinbetrieb haben sie sich da und dort gut bewährt. So baut z.B. die Firma Zenker & Quabis in Breslau kleine stationäre und fahrbare Heißluftpumpmaschinen zur Wasserversorgung für verschiedene Zwecke. Die Leistungen, Ausführungen und Preise der Maschinen dieser Firma sind aus der nachfolgenden Tabelle zu ersehen.

Die reine Nutzleistung in gehobenem Wasser berechnet sich danach für die kleinste und größte Nummer zu 0,067 bis 1,5 PS. Als Hauptvorzüge ihrer Maschinen gibt die vorgenannte Firma folgendes an: Keine Konzession erforderlich, an jedem Orte aufstellbar, sehr geringer Raumbedarf. Außerordentliche Einfachheit und Solidität. Leichtverständlich und zugängig in allen Teilen. Keine Explosionsgefahr. Vollkommene Betriebssicherheit. Feuerung wie bei gewöhnlichen Stubenöfen. Jederzeit betriebsfertig nach kurzem Anheizen. Größte Dauerhaftigkeit. Gleichmäßiges ruhiges Arbeiten. Billigster Motor in Anschaffung und Unterhaltung. Bedienung kann von jeder beliebigen Person nebenbei erfolgen, also kein gelernter Maschinist nötig.

Weiter werden Heißluftmaschinen für kleine Leistungen, Laboratoriumszwecke u.s.w. gebaut von der Aerogengas-Gesellschaft m. b. H. in Hannover. Zu erwähnen sind ferner die neueren Patentschriften über offene Heißluftmaschinen Nr. 123039 von v. Knorring und Nadrowski in Dresden; Nr. 152957 von Godoy in Granada, und von geschlossenen Heißluftmaschinen Nr. 113750 von Lindh in Stockholm; Nr. 114346 und Nr. 136257 von E. Fränkel in Guben; Nr. 131434 von Eisenhuth in New York; Nr. 137320 von Siemens & Halske in Berlin.

Als rotierende Maschinen haben die Heißluftmaschinen und Heißluftdampfmaschinen eine große Zukunft in Gestalt der Gasturbinen, welche durch gespannte heiße Luft allein oder Gemische derselben mit Wasserdampf und Heizgasen getrieben werden. Praktische Ausführungen haben diese Gasturbinen noch nicht erhalten; in zahlreichen Patentschriften dagegen sind verschiedene Konstruktionen beschrieben, so von Lemale in Paris in Nr. 138407, von Veith in Zürich in Nr. 152448 und von C. Semmler in Dortmund in Patentschrift Nr. 163843. Ueber die Theorie der Gasturbinen s. [16]. Näheres über Detailkonstruktionen u.s.w. in [1]–[15].

Literatur: [1] Hüttentaschenbuch, 18. Aufl., 1902, Bd. 1, S. 295. – [2] Bork, Die Kraftmaschinen für das Kleingewerbe, Berlin 1880. – [3] Hirsch, Théorie des machines aérothermiques, Ann. des ponts et chaussées, 1874, S. 409. – [4] Slaby, Theorie der geschlossenen Heißluftmaschinen, Verhandl. f. Gewerbfleiß 1878. – [5] Brauer u. Slaby, Versuche über Leistung und Kraftbetrieb von Kleinmotoren, Berlin 1879. – [6] Weyrauch, Zur Beurteilung von Luft- und Gasmaschinen, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1880, S. 185. – [7] Schöttler, Die Heißluftmaschine von Rider, ebend. 1881, S. 633. – [8] Schröter, Regeneratoren bei Heißluftmaschinen, ebend. 1883, S. 449. – [9] Schöttler, Heißluftmaschinen der Berlin-Anhalt. Maschinenbau-A.-G., ebend. 1885, S. 935. – [10] Köchy, Theorie der geschlossenen Heißluftmaschinen, Verhandl. f. Gewerbfleiß. – [11] Lahmeyer, Die Feuerluftmaschinen von Bénier, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1888, S. 1158. – [12] Slaby, ebend. 1889, S. 89. – [13] Diesel, Theorie und Konstruktion eines rationellen Wärmemotors, Berlin 1893. – [14] Knoke, Die Kraftmaschinen des Kleingewerbes, 2. Aufl., Berlin 1902. – [15] Lehmann, Regenerator für geschlossene Heißluftmaschinen, Masch.-Konstr. 33, 1899, S. 75; Heißluftpumpmaschine der Rider-Ericson Engine Co., ebend. 34, 1900, S. 84/85; Heißluftmotor System Rider-Lehmann, ebend. 34, 1900, S. 167/168. – [16] Neilson in Engineering 28/10 1904, danach in Journ. s. Gasbel. u. Wasserversorg. 1905, S. 640 ff.; Reeve, El. Review 1905, S. 947, Journ. s. Gasbel. u. Wasserversorg. 1905, S. 967.

v. Ihering.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3., Fig. 4.

Fig. 5.