DER INDUSTRIEOFEN IN EINZELDARSTELLUNGEN H ER'A USGEB ER: OB.-ING. L. LITINSKY LEIPZIG BAND I: WÄRMETECHNISCHE GRUNDLAGEN DER INDUSTRIEÖFEN VON HOFRAT ING. HAN S v. J0 PTN ER o. Ö. PROFESSOR Springer-Verlag Berlin Heide1berg GmbH 1927 WÄRMETECHNISCHE GRUNDLAGEN DER INDUSTRIEÖFEN EINE EINFÜHRUNG IN DIE WÄRMELEHRE UND GEDRÄNGTE ÜBERSICHT ÜBER DIE VERSCHIEDENEN ARTEN VON BRENNSTOFFEN UND IHRE VERWERTUNG VON HOFRAT INO. HANS v. JÜPTNER o. Ö. PROFESSOR MIT 25 FIGUREN IM TEXT Springer-Verlag Berlin Heide1berg GmbH 1927 ISBN 978-3-662-33392-1 ISBN 978-3-662-33789-9 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-33789-9 Copyright 1927 by Springer-Verlag Berlin Heide1berg Ursprünglich erschienen bei Otto Spamer, Leipzig 1927. Vorwort des Herausgebers. Bei der immer mehr durchdringenden Erkenntnis der Notwendigkeit der Spezialisierung auf allen Gebieten der Industrie und der Technik kann folgerichtig auch das Gebiet der technischen Literatur nicht ausgeschaltet werden. Es leuchtet ohne weiteres ein, daß in technischen Werken von mehr oder weniger zusammenfassendem Inhalt den einzelnen Gebieten der Technik schon allein aus Raumgründen nicht eine solche Behandlung zuteil werden kann, wie diese es eigentlich ihrer Natur und Bedeutung nach beanspruchen könnten. Diese Tatsache zwingt deshalb zu gleichzeitiger Anschaffung von mehreren Büchern, in welchen das fragliche Spezialgebiet häufig nur frag mentarisch behandelt wird, und verursacht nicht selten insofern unnütze Aus gaben, als ein großer Teil des sonstigen Inhaltes des angeschafften Buches den Spezialfachmann gar nicht interessiert. Es kommt noch hinzu, da.ß das Nachsuchen in mehreren Werken mit Verlust an kostbarer Zeit verbunden ist. Eine Sparwirtschaft und Rationalisierung muß deshalb auch auf dem Gebiet der technischen Literatur mit angewendet werden. Von allen Gebieten der technischen Literatur ist kein einziges bis jetzt dermaßen vernachlässigt worden, wie das Gebiet der industriellen Öfen. Die wenigen vorhandenen Werke behandeln gleichzeitig mehrere Gebiete; über viele industrielle Öfen ist in der Buchliteratur überhaupt nur wenig zu finden. Bedenkt man, daß der Industrieofen die Seele beinahe eines jeden industriellen Prozesses ist, so sIeht man ein, daß in bezug auf Bücher auf diesem Gebiete ein unzweifelhafter Mangel herrscht, dem unbedingt abgeholfen werden muß. Nach dem vorliegenden Plan soll jeder industrielle Ofen in einem be sonderen Buch für sich behandelt werden. Es ist eine Reihe voneinander unabhängiger Einzelbücher geplant, und zwar zunächst über folgendes: Hochöfen, Siemens-Martin-Öfen und andere Stahlwerksöfen, Kokereiöfen, Gaswerksöfen, Schwelöfen, Zementbrennöfen, Kalkbrennöfen, Keramische Brennöfen, Öfen zum Brennen von Dolomit, Magnesit usw., Ziegelbrennöfen, Porzellanbrennöfen, Brennöfen für feuerfeste Erzeugnisse, Glasschmelzöfen, Emaillieröfen, Holzverkohlungsöfen, Ofenberechnungen, Grundlagen des Ofenbo.ues, Wärmetechnik im Ofenbau, Torfverkohlungsöfen, Gießereiöfen, Öfen der chemischen Industrie, Erzröstöfen, Metallschmelzöfen, Destillier und Raffinieröfen, Hüttenmännische Öfen, Gaserzeuger für Industrieöfen, Baustoffe der Industrieöfen, Wärmeregeneration in den industriellen Ofen anlagen, Betriehsüberwachung der industriellen Ofenanlagen, industrielle VI Vorwort. Ofenheizgase, Schornsteine, Abhitzeverwertung in den Industrieöfen, Staub feuerung in den Industrieöfen usw. usw. Dem vorliegenden Band folgen in Kürze eine Reihe weiterer Spezialbände. loh hoffe durch die Herausgabe der Sammlung "Der Industrieofen in Einzeldarstellungen" einem wirklichen Bedürfnis entsprochen zu haben und bitte die Herren Fachgenossen mich durch Verbesserungswünsche und weitere Anregungen zu unterstützen. L. Litinsky. Vorwort des Verfassers. Der vorliegende erste Band der Sammlung "Der Industrieofen in Einzel: darstellungen" soll die wärmetechnischen Grundlagen der industriellen Ofen, 'auf welchen ja nicht nur der rationelle Betrieb, sondern auch die Konstruktion der technischen Feuerungen beruht, in möglichst knapper Form bringen. Er behandelt zunächst die Wärmelehre einschließlich der Wärmeübertragung, der Verbrennung, der Mittel zur Erzielung einer vollständigen Verbrennung, bespricht dann kurz die Prüfung der Feuerungsanlagen, gibt hierauf eine ge drängte tThersicht der Brennmaterialien und ihrer Veredlungsverfahren und schließt mit einer kurzen Übersicht über die verschiedenen Arten ihrer Verwendung. Das Werk bezweckt, eine Wiederholung dieser Grundlagen in den folgenden Bänden der Sammlung zu ersparen, und mußte, um nicht allzu umfangreich zu werden, namentlich in den die Brennstoffe enthaltenden Kapiteln, möglichst gedrängt gehalten werden. Daß hierbei das richtige Maß getroffen und das Buch seinem Zwecke dienen möge, wünscht Wien, im März 1927. Der Verfasser. Inhaltsverzeichnis. Seite J. Wärmelehre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1 Arten der Energie 1. Wärme 2. Temperatur und Wärmemenge 5. Wärmeein heit 5. Wärmekapazität 5. Spezifische Wärme 5. II. Wärmelehre (Fortsetzung). . . . . . . . . . 20 Neuere Ansichten über die spezifische Wärme 20. III. Wärmelehre (Fortsetzung). . . . . . . . . . 41 Thermodynamische Grundsätze 41. Unzerstörbarkeit der Energie (1. Haupt satz) 41. Verwandelbarkeit der Energie (2. Hauptsatz) 44. Nernstsches Wärme theorem (3. Hauptsatz) 48. IV. Wärmeübertragung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • 49 Allgemeines 49. Wärmeleitung 50. Innere Wärmeleitung 50. Äußere Wärme leitung 55. Wärmestrahlung 56. V. Wärmeü bertragung (Fortsetzung). . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Wärmeübertragung durch Leitung 66; durch Strahlung 66; durch Konvektion 67. Einfacher Strom, Parallelstrom und Gegenstrom 68. VI. Verbrennung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • 76 Theoretische Luftmenge 76. Vollständige und unvollständige Verbrennung 77. Gleichgewicht 77. Reaktionsgeschwindigkeit 79. Dissoziation 82. Oberflächen verbrennung 84. Kohlenstaubfeuerungen 85. VII. Mittel zur Erzielung einer vollständigen Verbrennung. . . . . . 90 Genügende Luftzufuhr 90. Genügend hohe Temperatur 98. Gute Mischung von Luft und Gas 103. Lebhaftes Zuströmen der Luft 103. VIII. Verbrennungswärme ........................ 109 Heizwert, absoluter und spezifischer BO. Berechnung und Bestimmung des Heizwertes IB. Direkte Bestimmung B3. Indirekte Methoden 114. IX. Verbrennungstemperatur ..................... 122 Pyrometrischer Heizwert 123. Berechnung der Verbrennungstemperatur 123. X. Prüfung der Feuerungsanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 Nutzbar gemachte und verlorene Wärme 132. Heizversuche und Kontrolle der Feuerungen 133. Stoffbilanz 133. Wärmebilanz 140. Mittel zur Erhöhung des N lltzeffekts 153. XI. Brennmaterialien .........................• 161 Einteilung 161. Feste, natürliche Brennstoffe 162. Holz 164. Torf 169. Braun kohle 172. Steinkohle und Anthrazit 176. Natürliche flüssige Brennstoffe und ihre Abkömmlinge 179. Naturgas oder Erdgas 182. XII. Veredlung der natürlichen Brennstoffe. . . . . . . . . . . . . . 183 Veredlungsarten 183. Aufbereitung 184. Trocknen der Brennmaterialien 184. Brikettieren 188. Destillation 190. Verschwelung 194. Urdestillation 204. XIII. Veredlung der natürlichen Brennstoffe durch Vergasung .... 212 Arten derselben 212. Vergasung mit Luft 213. Mit Wasserdampf 219. Halb wassergas 226. Vergasung mit dem Sauerstoff von Metalloxyden 230; mit Luft sauerstoff und Metalloxyden 232. VIII Inhaltsverzeichnis. - Figurenverzeichnis. -'ieite XIV. Veredlung der Brennstoffe durch Vergasung roher Brennstoffe. 235 Destillation bzw. Verschwelung bei gleichzeitiger unvollständiger Verbrennung der Rückstände 235. Restlose Vergasung 239. Mond- und Zonengas 240. XV. Sonstige Veredlungsarten ..................... 242 Acetylen 242. Wasserstoff 242. Methangas 243. Carburierte Luft 243. Blau- gas 243. Halbflüssige Brennstoffe 244. Extraktion 244. Verflüssigung 245. XVI. Verwendung der Brennstoffe 247 Namenregister 251 Sachregister. 253 Figurenverzeichnis. Fig. Seite 1. Energieverteilung . .................... 25 2. Atomwärmen hei verschiedenen Werten von ßv und Temperaturen 27 3. A-und V-Kurven nach Nernst. . . . . . . . . . . . . . . 49 4. Wärmedurchgang durch eine Kesselwand mit Kesselsteinbelag 66 5. Wärmedurchgang durch einen Gitterstein . . 67 6. Temperaturgefälle beim Gegenstromapparat. 70 7. Beziehungen zwischen T-t und (T-tj2 70 8. Einstromapparat . . 70 9. Parallelstromapparat . . . . . . . 70 10. Gegenstromapparat. . . . . . . . 71 11. Wärmeabgabe einer Feuerung nach außen und innen in jedem Querschnitt 72 12. Wärmeabgabe einer Feuerung nach außen und innen 73 13. Wärmeübertragung und Strömungsgeschwindigkeit. 75 14. Dissmdation des CO nach Menzel . 8"4 2 15. Dissoziation von H 0 nach Menzel. 85 2 16. Entflammungspunkt . . . . . . . 101 17. Entflammungspunkt . . . . . . . 102 18. Weg eines Gasteilchens in einer Flamme 103 19. Diagramm der Rauchgaszusammensetzung nach Laszlo. 108 20. Verbrennungstemperatur von reinem Kohlenstoff . . . 129 21. Verbrennungsdiagramm von 'Va. Ostwald. . . . . . . 145 22. Ideales Generatorgas aus trockener Luft von 1 bis 4 Atm. Druck 216 23. Luftgeschwindigkeit und Generatorgas 218 24. Zusammensetzung von Wassergas 223 25. Wassergasdiagramm. . . . . . . . . 224 I. Wärmelehre. Arten der Energie, Wärme, Temperatur und Wärmemenge, Wärmeeinheiten, Wärmekapazität, spezifische Wärme. Der Zweck aller Öfen ist es, in rationeller Weise Wärme zu erzeugen und auf zu erhitzende Räume oder Körper zu übertragen, wobei wir uns zur Ge winnung der Wärme in erster Linie der Brennstoffe, in vielen Fällen heute auch der Elektrizität und manchmal auch der mechanischen Energie be dienen. Die Wärmeist eine bestimmte Form der Energie, wobei wir unter Energie alles verstehen, was Arbeit leisten kann. Solche Energieformen gibt es ver schiedene, die sich in zwei scharf von einander getrennte Gruppen einteilen lassen: A. Potentielle Energie (Energie der Lage, Spannkraft). Hierher ge hören alle jene Energieformen, welche unmittelbar keine Arbeit leisten können, weil sie hieran irgendein vorhandener Widerstand hindert. So gehört hierher die Energie einer gespannten Feder, des im Staubecken gesammelten Wassers, des in einem hinreichend starken Gefäße enthaltenen hochgespannten Dampfes, aber auch die in den Brenn- und Explosivstoffen aufgespeicherte chemische Energie. Alle diese, man kann sie als la t e n t e bezeichnen, Energieformen müssen freigemacht, d. h. es muß zuerst das Hindernis, welches ihrer Wirk samkeit entgegensteht, beseitigt werden, ehe sie Arbeit leisten können. B. Kinetische Energie (Energie der Bewegung, lebendige Kraft), welche jeder beweg1{en Masse (m) innewohnt und, indem sie Arbeit leistet, in eine andere Energieform übergeht. Je nachdem es sich hierbei um bewegte größere Massen, um bewegte Atome und Moleküle, um die Bewegung von Elektronen oder des Lichtäthers handelt, unterscheidet man folgende ver schiedene Arten: Handelt es sich um die Bewegung größerer Massen! so haben wir mecha nische Energie (und Schallwellen), bei der Bewegung von Molekülen und Atomen haben' wir Wärme, bei jener von Elektronen elektrische Energie und bei jener des Lichtäthers strahlende Energie!). Wenn eine Kraft K eine Masse M längs einer Wegstrecke 8 fortbewegt und hierbei einen bestimmten Widerstand überwinden muß, wobei unsere Masse 1) Allerdings rechnet man zur strahlenden Energie auch die Bewegungsenergie von fortgeschleuderten Elektronen oder ganz kleinen Massenteilchen, wie bei den IX- und ,ß-Strahlen. v. J ü P t ne r. Wärmetechnische Grundlagen. 2 Wärmelehre. nach Zurücklegung des Weges 8 zum Stillstand kommt, so ist dieser Wider. stand ebenso groß wie die Kraft K, und bei dieser Bewegung wird die Arbeit A=K'8 sein. Würde dieselbe Kraft die Masse M längs der Wegstrecke 8 fortbewegen, ohne daß hierbei irgendein Widerstand zu überwinden wäre, so würde die Masse M am Ende des zurückgelegten Weges eine Geschwindigkeit verlangen, und die von der Kraft geleistete Arbeit wäre dann M·v2 A=-2-' Da nun diese beiden Arbeitsgrößen einander gleich sein müssen, wird Mv2 -2-=K'8. Die im zweiten Falle geleistete Arbeit ist nämlich nicht verloren. sie ist selbst Energie, denn wenn wir der Masse M, nachdem sie die Geschwindigkeit ver· langt hat, das Hindernis K entgegensetzen, so ist sie imstande, dasselbe durch die Wegstrecke 8 hindurch zu überwinden, indem sie dieselbe mit verzögerter Geschwindigkeit fortbewegt, bis sie endlich nach Zurücklegung des Weges 8 zum Stillstand kommt. Da nun alle freien Energieformen Bewegungsenergien sind und sich nur durch die Art der bewegten Massen (größere Massen, Atome und Moleküle, Elektronen und Ätherteilchen) voneinander unterscheiden, andererseits aber die bewegten Teilchen öfter gegeneinander stoßen werden, ist es selbstver· ständlich, daß es hierbei dazu kommen muß, daß eine Energieform in eine andere übergeht, sowie daß diese Energieumwandlungen in einem Äquivalenz. verhältnisse stattfinden werden. Andererseits ergibt sich hieraus aber auch ohne weiteres, daß sich auf diese Weise keine vollständige Umwandlung der einen Energieform in eine zweite erzielen lassen wird, da ja die Energie übertragenden Zusammenstöße zwischen sehr verschiedenen bewegten Massen eintreten werden. Wenden wir uns nun wieder der Wärme zu, die uns ja hier besonders inter· essiert, so bezeichnen wir damit jene Energieform, welche sich durch unser Gefühl merklich macht, indem wir finden, daß ein von uns berührter Körper warm oder kalt sei, was nichts anderes sagt, als daß die Bewegungsenergie der Teilchen des berührten Körpers in ersterem Falle größer ist als jene unseres Körpers, also teilweise auf letzteren übergeführt wird, während im zweiten Falle der entgegengesetzte Vorgang eintritt. Das Gefühl sagt uns nun auch, ob der eine Körper, den wir berührten, wärmer oder kälter ist als ein zweiter, d. h. ob die Energie seiner Molekularbewegungen, also seine Temperatur, größer oder kleiner ist als jene des anderen. Zur Messung der Temperatur be dient man sich des Thermometers (oder für hohe Temperaturen des Pyro meters), deren älteste auf der Messung der Volumenänderungen beruhen, welche ein hierbei benutzter Körper beim Erwärmen erleidet.