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Dampfmaschine mit Dampfauswechselung. Gegenstand der Erfindung ist
die teilweise oder völlige Auswechselung des bei der gewöhnlichen Dampfmaschine
im Zylinder verbleibenden und nachher komprimierten Dampfes gegen ein Gas oder Gasgemisch.
Als Gasgemische kommen in erster Linie in Betracht: atmosphärische Luft und Verbrennungsprodukte.
Es wird im nachfolgenden nur von Gasgemischen die Rede sein, doch sollen auch reine
Gase mit einbegriffen sein. Als Gasgemische sind auch Gemische von Gasen mit Dampf
anzusehen. Zweck der Auswechselung ist einmal die Erzielung hoher Kompressionsendtemperaturen,
durch welche die innersten Schichten des Dampfzylinders, besonders die Umflächen
des schädlichen Raumes, kurz vor Eintritt des Frischdampfes stark geheizt werden,
dann die Mischung des eintretenden Frischdampfes mit dem Gasgemisch, durch welche
die Wärmeeintrittszahl des ersteren stark herabgesetzt wird. Beide Wirkungen vereinigen
sich dazu, die schädlichen Wirkungen des inneren Wärmeaustausches in der Dampfmaschine
möglichst hintanzuhalten. Es ist also, wenn man nur die zweite Wirkung erstrebt,
nicht gerade erforderlich, das zur Auswechselung (Spülung) dienende- Gasgemisch
vor der Einführung in den Zylinder zu erhitzen. Doch wird man das im allgemeinen
tun, um die Doppelwirkung zu erzielen. Die Hauptwirkung ist von der hohen Temperatur
zu erwarten, die ein nur mäßig vorgewärmtes Gasgemisch beider Kompression erreicht.
Adiabatisch gerechnet erreicht Luft, welche eine Temperatur von 300° bei Beginn
der Kompression hat und von dem Auspuffgegendruck von i, 15 Atm. auf
i i, 5 Atm. komprimiert wird, eine Temperatur von
etwa 83o°, die
sich zum Teil den Wandungen mitteilt, so daß ein Wasserniederschlag selbst bei gesättigt
eintretendem -Dampf von 1z Atm. abs. mit der Sättigungstemperatur von 187' kaum
zu befürchten ist. Bedeutsam für die Wirkung der hohen Kompressionstemperatur ist
auch, daß sie ganz kurz vor dem Eintritt des Frischdampfes erreicht wird, so daß
der Wärme nicht mehr viel Zeit bleibt, nach tieferen Schichten der Wandung. abzuwandern.
Eine hohe Temperatur im Augenblick des Frischdampfeintrittes ist aber für die Vermeidung
eines Wasserniederschlages an den Wandungen von größter Wichtigkeit. Sie ist geeignet,
diesen zu verhindern und damit auch den außerordentlich lebhaften Wärmeentzug durch
die im weiteren Verlauf des Arbeitsvorganges bei abnehmendem Druck sonst verdunstende
Wasserschicht zu vermeiden.
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Die Erfindung kommt sowohl in Verbindung mit gesättigtem Eintrittsdampf
als auch mit überhitztem in Frage. Im letzteren Falle wird mit größerer Sicherheit
erwartet werden können, daß jegliche Eintrittskondensation ausbleibt.
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Die Erfindung kommt vor allem für Auspuffmaschinen in Betracht, weil
bei Maschinen mit Kondensation das Gasgemisch mit dem Dampf in den Kondensator gelangt
und das Vakuum sehr verschlechtern würde. Für Gegendruckmaschinen kommt sie in Betracht,
wenn das Absatzgebiet für Abwärme im Vergleich zur -Leistung der Maschine -klein
ist, Zur Auswechselung des nach dem Druckabfall, welcher der Vorausströmung folgt,
noch im Zylinder verbleibenden Dampfes..können alle Mittel benutzt werden, welche
bei Dieselmotoren und anderen Verbrennungskraftmaschinen für die Auswechselung der
alten Verbrennungsprodukte gegen frische Luft oder frisches brennbares Gemisch angewandt
werden, nämlich bei Zweitaktmaschinen die Ausspülung unter Anwendung einer Spülpumpe,
bei Viertaktmaschinen der Ausschub des alten Stoffes durch den Arbeitskolben und
mit dem darauffolgenden Hube das Ansaugen des neuen Stoffes.
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Wenn das Gasgemisch vorgewärmt werden soll, ist es beim Zweitaktsystem
im allgemeinen zweckmäßig, ihn durch den Vorwärmer hindurchzublasen, damit die Spülpumpe
mit niedriger Temperatur arbeitet. Wenn sie jedoch ihrer Art nach durch höhere Temperaturen
nicht gefährdet ist (Strahlgebläse), kann man sie auch durch den Vorwärmer hindurchsaugen.
Beim Viertaktsystem wird das Durchsaugen durch den Vorwärmer hindurch das natürliche
sein, weil der Arbeitszylinder ja ohnehin für das Arbeiten mit hohen Temperaturen
eingerichtet ist.
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An Stelle der bei Zweitaktverbrennungskraftmaschinen üblichen und
schon dort nicht recht zutreffenden Bezeichnung »Spülpumpe« möge im nachfolgenden
die Bezeichnung »Spülgebläse« eingeführt werden. Das Spülgebläse kann ein Kolbengebläse,
ein Schleudergebläse oder ein Strahlgebläse sein.
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Als Wärmequellen für die Vorwärmung kommen in Betracht zunächst die
Abgase der Kesselanlage, welche entweder unmittelbar als Auswechselungsstoff Verwendung
finden oder mittels Vorwärmer Luft oder einen anderen geeigneten Auswechselungsstoff
vorwärmen. Die Benutzung dieser billigen Wärmequelle beschränkt sich aber im wesentlichen
auf Maschinen, die in nächster Nähe der Kesselanlage liegen oder mit dem Kessel
unmittelbar verbunden sind, wie Lokomotiven, Lokomobilen, Straßendampfkraftwagen
(Dampfautomobile), Dampfwalzen, Schienendampfkraftwagen (sog. Dampftriebwagen).
Für Anlagen, deren Maschine nicht in nächster Nähe des Kessels liegt, sind die Kesselabgase
als Wärmequelle zwar auch benutzbar, doch werden hier im allgemeinen andere Wärmequellen
bequemer sein. Es kommen für solche Anlagen besonders in Betracht: die Heizung des
Vorwärmers mit Frischdampf, die Erzeugung der Wärme durch Verbrennung innächster
Nähe der Maschine (direkte . Vorwärmung), die Verwendung von Maschinenabwärme. Auch
die stufenweise Vorwärmung durch mehrere Quellen in der Reihenfolge der erreichten
oder erreichbaren Temperaturen ist möglich.
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In Abb. i ist die Erfindung für eine Maschine dargestellt, bei welcher
der Auslaß des Dampfes und etwa überschüssiger Spülstoffmengen durch den Arbeitskolben
erfolgt, welcher kurz vor Beendigung des Hubes einen Schlitz in der Zylinderwand
freigibt und ihn beim Rückgang in der gleichen Stellung wieder schließt. Für den
Eintritt des Spülstoffes (Gasgemisches) ist hier ein besonderes Spülventil s angeordnet.
Der Eintritt des Frischdampfes findet -durch das Ventil/ statt, welches ganz
wie ein Einlaßventil einer gewöhnlichen Dampfmaschine gesteuert wird und im allgemeinen-
der geforderten Leistung entsprechend veränderliche Füllung gibt.
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Der Arbeitsvorgang ist folgender: Nachdem das beim voraufgegangenen
Spiel durch Spülung eingeführte Gasgemisch beim Rückgang des Kolbens komprimiert
ist,- tritt kurz vor dem Hubwechsel mit angemessener Voreinströmung gesättigter
oder überhitzter Frisch= dämpf in den Dämpfzylinder ein.
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Wenn nicht- bis zur Eintrittsspannung kom= primiert ist, tritt eine
Mischung von Dampf mit dem komprimierten Gasgemisch ein mit der oben erläuterten.
Wirkung auf die Wandungen und den Wärmeaustausch. Wenn da=
gegen
bis auf Eintrittsspannung komprimiert ist, tritt beim Voröffnen kein Dampf ein,
das Voröffnen hat dann nur den Zweck, den Strömungsquerschnitt für die nachlfer
folgende Füllung vorzubereiten. Während der Füllung wird in beiden Fällen der relative
Dampfgehalt des Gemisches immer mehr zunehmen und die Temperatur durch den Zutritt
des im allgemeinen kälteren Frischdampfes sinken. Je kleiner die Füllung im Vergleich
zur Größe des schädlichen Raumes ist, desto höher bleibt die Temperatur bis zum
Ende der Füllung, und desto geringer ist die Gefahr, daß sich während der Füllung
noch ein Niederschlag bildet. Das ist bedeutsam für das Verhalten der Maschine bei
schwachen Belastungen, die sonst in der Regel einen höheren Dampfverbrauch für die
PSh aufweisen.
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Mit dem Abschluß des Einlasses/ beginnt die Expansion, bis der Kolbenrand
den linken Rand des Schlitzes überfährt. Es tritt dann zunächst Druckabfall und
ein mehr oder weniger vollkommener Druckausgleich zwischen Zylinder und Außenluft
ein. Erst nachdem dieser einigermaßen beendet ist, etwa beim Diagrammpunkt 2, wird
das Spülventil s geöffnet, und es tritt das Gasgemisch mit Naturwärme oder vorgewärmt
in den Zylinder ein und treibt den noch im Zylinder verbliebenen Dampf vor sich
her durch den Auslaßschlitz a hinaus. Der eigentliche Spülvorgang ist beendet, wenn
der Kolbenrand wieder bis zur linken Schlitzkante (Diagrammpunkt ¢) vorgeschritten
ist. Wenn in diesem Augenblick auch das Spüleinlaßorgan s geschlossen wird, würde
die Kompression im Punkte 4. des Diagramms beginnen, und es müßte bei Auspuff, damit
die Kompression nicht zu hoch ansteigt, ein absichtlich großer schädlicher Raum
vorgesehen werden.
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Man kann aber den Steuerungsantrieb für das Organ s so einrichten,
daß es erst später, etwa im Punkt 5 des Arbeitsdiagramms, geschlossen wird; dann
wird ein Teil des eingespülten Gasgemisches beim Rückgang des Kolbens wieder in
den Vorwärmer oder die abgetrennten Kesselzüge zurückgeschoben. Dieser Vorgang möge
Rückschubverfahren genannt werden. Die Linie q.-5 des Diagramms wird dabei leicht
in der Richtung nach 5 ansteigen, je nach der räumlichen Größe des Vorwärmers oder
der Kesselzüge und nach Art der Zufuhr des Gasgemisches von der anderen Seite her
durch die Spülpumpe.
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Man kann die Funktionen des Zylinderschlitzes bei a und des Spülventils
auch vertauschen und das Gasgemisch bei a eintreten lassen und den alten Dampf durch
das Organs austreten lassen. Dann regelt letzteres als normales Austrittsorgan den
Beginn der Kompression; -Rückschub findet nicht statt. Die Vorausströmung wird ebenfalls
durch das Organs bestimmt. Man wird es etwas vor der Freigabe des Schlitzes öffnen
lassen, damit der Dampf im Zylinder vor dem Eintritt des Gasgemisches einigermaßen
entspannt ist. Es entsteht eine normale Dampfmaschinensteuerung mit dem Einlaßorgan
f und dem Auslaßorgan s, für welches man sich auch die bei Dampfmaschinen üblichen
Formen, das Doppelsitzventil, Kolbenventil, den Corlißschieber usw., eingeführt
denken kann. Auch die Aufgaben dieser Organe bleiben dieselben, nur muß das Auslaßorgan
bei s sehr beträchtliche Mengen Dampf während der Druckabfallperiode abführen und
dafür reichliche Querschnitte mit reichlicher Vorausströmung freigeben. Hinzu kommt
gegenüber dem Zylinder normaler Dampfmaschinen für den Eintritt des Auswechselungsstoffes
lediglich der Zylinderschlitz; dieser macht dann, wenn weitere Organe vermieden
werden -sollen, bei doppelt wirkenden Maschinen den Kolben von großer Länge (Höhe)
notwendig. Man kann aber einen Kolben von gewöhnlicher Länge (Höhe) und einen entsprechend
kürzeren Zylinder zur Ausführung bringen, wie das in Abb. z geschehen ist, muß dann
aber, um einen vorzeitigen Abfluß des Dampfes während der Expansion zu verhindern,
dem Schlitz noch ein Steuerorgan vorschalten, welches jeweils spätestens von dem
Beginn der Schlitzeröffnung an bis zum planmäßigen Eintritt des Ersatzstoffes (Gasgemisches)
geschlossen gehalten sein muß.
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Es ist für die vorstehend betrachtete Anordnung der Abb. r mit Umkehrung
der Aufgaben des Organs s und des Zylinderschlitzes vorerst vorausgesetzt, daß das
Dampfeinlaßorgan Fund das Dampfauslaßorgan s getrennt mit ungleichem Voreilwinkel
angetrieben werden. Bekanntlich ist es damit möglich, jede gewollte Dampfverteilung
zu erzielen, -also Voreinströmung, Beginn der Expansion, der Vorausströmung und
der Kompression unabhängig voneinander festzulegen. Wenn man aber die Antriebe der
einzelnen Steuerorgane vereinigt oder die Steuerorgane zu einem einzigen zusammenzieht,
entstehen Abhängigkeiten, welche die freie Wahl der einzelnen Steuerungsgrößen einschränken.
Das gilt besonders vom Muschelschieber und seiner besonders wichtigen Form, dem
Muschelkalbenschieber, und von den mehrfach öffnenden Abarten des Muschelschiebers,
dem Trickschieber, dem Pennschieber usw. In Abb. a ist eine Anordnung mit Muschelschieber
dargestellt, der einen Trickkanal für Doppeleinströmung hat. Es ist hier die Anordnung
mit kurzem Kolben und Einlaßschlitzen für das Gasgemisch in der Mitte vorausgesetzt.
Wie oben schon bemerkt wurde, muß bei kurzem Kolben dem
Raume g,
aus welchem das Gasgemisch in den Zylinder eintritt, ein Organ vorgeschaltet sein,
welches den vorzeitigen Austritt von. Dampf während der Expansion verhindert. Es
ist aber auch bei der Anordnung mit Muschelschieber möglich, einen Langkolben anzuwenden,
durch welchen dieses Organ entbehrlich, aber die Spülzeit erheblich abgekürzt wird,
Der Kolben ist in der rechten Totlage gezeichnet; auf der linken Seite findet die
Spülung statt. Wie durch die Strömungslinien mit den Pfeilen angedeutet ist, tritt
das Gasgemisch bei g in den Dampfzylinder ein und wirft den alten Dampf durch den
Auslaß a hinaus. Auf der rechten Kolbenseite findet in gewöhnlicher Weise Voreintritt
statt, nachdem vorher auf dieser Seite das Gasgemisch komprimiert und dadurch auf
hohe Temperatur gebracht ist.
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Diese Form wird besonders für umsteuerbare Maschinen in Betracht kommen.
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Der alte, durch die Auslaßöffnung ausgetriebene Dampf ist kurzweg
im vorstehenden mit Dampf bezeichnet; das ist eigentlich nicht ganz korrekt, weil
er noch das Gasgemisch der voraufgegangenen Kompression enthält; er müßte eigentlich
als Dampfgasgemisch bezeichnet werden.
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Bei den bisher erläuterten Anordnungen ist entweder für den Eintritt
des Gasgemisches oder für den Austritt des alten Dampfes ein Zylinderschlitz, der
durch den Arbeitskolben gesteuert wird, vorgesehen. Es ist aber auch möglich, unter
Fortlassung des Organs s (Abb. i) sowohl den Eintritt des Gasgemisches als auch
den Austritt des alten Dampfes durch je einen vom Arbeitskolben gesteuerten Zylinderschlitz
zu steuern. Dafür bieten die Zweitaktverbrennungskraftmaschinen, insbesondere die
Zweitaktdieselmotoren, mannigfache Vorbilder. Auch ist es möglich, hierbei zur Vermeidung
übermäßiger Kompression noch einen besonders gesteuerten Hilfsauslaß außer dem Auslaßschlitz
anzuordnen.
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Beim Viertakt ist der Vorgang folgender: Wenn man den Hub, welcher
den Vorgängen in einer normalen Dampfmaschine mit Frischdampffüllung, Expansion
und Vorausströmung entspricht, als ersten Hub bezeichnet, der sich hier genau so
abspielt wie bei der normalen Dampfmaschine, so findet im zweiten Hub Ausschub statt,
bei welchem der alte Dampf, soweit er nicht schon beim Spannungsabfall im Anschluß
an die Vorausströmung hinausgeworfen ist, ausgeschoben wird; beim dritten Hub wird
dann das Gasgemisch in Naturzustand oder vorgewärmt angesaugt und im vierten komprimiert,
wobei es die vorn erwähnte hohe Temperatur erreicht.
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Die Welle zum Antrieb der Steuerorgane erhält dabei durch entsprechende
Übersetzung nur 'die halbe Drehzahl der Kurbelwelle. Die Anordnung ähnelt am meisten
der eines Viertalctdieselmotors. Auch dort werden im zweiten Hub die alten, nicht
mehr arbeitsfähigen Stoffe- hinausgeschoben und im dritten Hub frische Luft angesaugt,
die im vierten komprimiert wird. Das Brennstoffventil und die Einführung von Brennstoff
kommen in Fortfall, und es tritt an ihre Stelle ein Dampfeinla.ßventil oder ein
anderes Steuerorgan für den Frischdampfeinlaß. Das Dampfeinlaßorgan, welches ebenfalls
nur bei jeder zweiten Umdrehung einmal geöffnet wird, wird in der Regel für veränderliche
Füllung eingerichtet sein. Das Anlaßventil der Dieselmotoren ist entbehrlich.
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Es kann sich als nützlich erweisen, den Kompressionsenddruck bei etwaigen
Veränderungen des Entnahmedruckes des Spülstoffes (Gasgemisches) oder anderer Einflußgrößen
auf unveränderlicher Höhe zu halten oder doch zeitweise Überschreitungen einer gewissen,
für zulässig erachteten Höhe zu verhindern, was durch Änderung der Spülstoffzufuhr
entweder von Hand oder auch selbsttätig unter Zuhilfenahme eines Hilfskraftgetriebes
(Servomotors), welches unter dem Einfiuß des Kompressionsdruckes steht, geschehen
kann.
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Bei sehr hohen Anfangstemperaturen kann es vorkommen, daß die Zylinderwandungen,
soweit sie Gleitflüchen sind, und gewisse Steuerungsorgane unter den Temperaturen
leiden oder doch die Verwendung hochwertiger Schmieröle notwendig machen. In diesen
Fällen wird es geboten sein, die Teile ganz oder teilweise zu kühlen. Es kommen
die gleichen Kühlmittel in Frage, die bei Gas- und Ölmaschinen angewandt werden.
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Bei der Verwendung von Kesselabgasen als Auswechselungsstoff bedarf
es wegen der genügend hohen Temperatur der Abgase einer besonderen Vorwärmung nicht.
Der Vorwärtner fällt hier also fort, und die Spülpumpe, oder bei Viertakt der Dampfzylinder
im dritten Hub, saugt die Abgase unmittelbar aus dem Abzug an.
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Es besteht aber bei Verwendung von Kesselabgasen für den Zweifakt
mit Spülung die Möglichkeit,. in Verbindung mit künstlichem Zug die Anläge noch
weiter zu vereinfachen, indem man das Zuggebläse gleichzeitig als Spülgebläse wirken
läßt. Zweckmätig wird das Gebläse in diesem Falle als Unterwindgebläse ausgebildet,
weil es dann mit niedriger Temperatur arbeitet und das zu fördernde Volumen kleiner
ist.
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Rechnungsmäßig ist die erzeugte Abgasmenge erheblich größer als die
erforderliche Spülmenge. Zur Ausgleichung -dieser Ungleichheit bestehen zwei Mittel:
entweder man
läßt den überschuß durch ein regulierbares Drosselorgan
ins Freie, oder man teilt die Kesselanlage in zwei Teile, in einen Teil, welcher
mit Unterwind von solchem Druck arbeitet, daß er auch noch die Spülwiderstände überwindet,
und einen Teil, welcher mit anderen Zugmitteln, z. B. natürlichem Schornsteinzug,
oder mit Blasrohrwirkung durch das von der Dampfmaschine abgelieferte Dampfgasgemisch
betrieben wird. Bei kleinen Anlagen mit nur einem Kessel wird sich die Teilung der
Anlage auf die Trennung der Feuerungen und der Kesselzüge beschränken, in welchen
dann verschieden hoher Druck herrscht. Es können dann in den Feuerungen auch verschiedene
Brennstoffe verfeuert werden, nämlich in der Feuerung, welche ihre Gase zur Spülung
der Dampfmaschine hergibt, ein Brennstoff, welcher möglichst reine Abgase abliefert
(z. B. Öl), in der anderen Feuerung ein anderer Brennstoff. Der für die Erzeugung
der Spülabgase abgetrennten Feuerung und dem zugehörigen Gebläse wird man nur solche
Größe geben, daß sie für diesen Zweck genügen. Das Gebläse für diesen Teil ist also
gleichzeitig Unteiwindgebläse für die abgetrennte Feuerung und Spülgebläse für die
Auswechselung des Zylinderinhaltes der Dampfmaschine. Das Unterwindgebläse kann
ganz so ausgebildet werden wie ein gewöhnliches Spülgebläse.
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Abb. 3 zeigt als Beispiel einen Flammrohr. heizrohrkessel mit zwei
Flammrohren und getrennten Zügen. Das große Flammrohr k ist für Kohlenfeuerung gedacht
und erzeugt mit dem anschließenden Rohrbündel die Hauptdampfmenge mit irgendeinem
geeigneten Zugmittel. Das kleine Flammrohr p ist für die Ölfeuerung gedacht und
liefert die Spülgase, nachdem sie vorher noch Wärme an das Flammrohr p und das anschließende
kleine Rohrbündel zur Dampferzeugung abgegeben haben und sich dabei auf ein für
die Spülung angemessenes Maß abgekühlt haben. Bei u tritt der Unterwind ein. Die
Rauchkammer muß wegen der verschiedenen Drucke in zwei Teile geteilt werden, den
Teil r für die Abgase der Hauptfeuerung und den Teil t für die Abgase der Ölfeuerung.
Diese letzteren gelangen von dem Stutzen v nach dem Spüleinlaß der Dampfmaschine.
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Wenn mehrere Kessel vorhanden sind, wird man einen ganz für die Gewinnung
der Spülgase der Dampfmaschine einrichten. Dieser Kessel wird zweckmäßig ein Kessel
sein, dessen Züge ganz von Kesselwandungen umgeben sind, damit bei den verhältnismäßig
hohen Drucken keine Gasverluste durch die Einmauerung entstehen.
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Bei der Bestimmung des Hubvolumens eines als Kolbenmaschine ausgebildeten
Gebläses mit kalt angesaugter Luft wird man zu beachten haben, daß infolge der Temperaturerhöhung
in dem Vorwärmer oder der Feuerung das für die Spülung abgelieferte Volumen sehr
viel größer (bis etwa doppelt so groß) ist als das angesaugte Volumen.
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Bei geteilter Kesselanlage wird das Unterwindgebläse des für die Spülung
abgetrennten Teiles zweckmäßig als Kolbengebläse ausgebildet, wodurch der Maschine
je Hub eine bestimmte Menge Luft zugemessen wird, gerade so viel, wie zur Spülung
benötigt wird. Bei einfach wirkenden kleinen Maschinen kann das Kolbengebläse auch
in einem Kurbelkastengebläse mit gewöhnlichen Lederklappen bestehen, wie es bei
kleinen Zweitaktverbrennungskraftmaschinen vielfach Anwendung findet.
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Der sonstige Luftbedarf der Kesselanlage hängt aber von dem Dampfverbrauch
der Maschine ab; dieser ist aber nicht wie der Spülluftbedarf allein von der Drehzahl
der Maschine abhängig, sondern auch von der Füllung der Maschine, so daß für den
übrigen Teil der Kesselanlage ein Kolbengebläse nicht zweckmäßig ist. Hier dürfte
die Zugerzeugung durch Abdampf mittels Blasrohres am geeignetsten sein, besonders
für Dampflastautos, Dampftriebwagen und Lokomotiven.