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Strahlapparate [1]

[337] Strahlapparate beruhen darauf, daß ein aus einer tropfbaren oder gasförmigen Flüssigkeit gebildeter Strahl, der durch eine andre Flüssigkeit strömt,[337] die ihm zunächst liegenden Teile derselben mitreißt, so daß um ihn ein Vakuum entstehen würde, wenn es nicht durch Zuströmen entfernter liegender Flüssigkeitsteile immer wieder ausgefüllt würde. Indem der Strahl die ihn umgebende Flüssigkeit ansaugt, vermischt er sich mit ihr und überträgt so viel von seiner lebendigen Kraft auf sie, daß beide miteinander fortströmen. Wird dann ihre gemeinschaftliche Geschwindigkeit noch durch einen Gegendruck verringert, so setzt sich ein entsprechender Teil der lebendigen Kraft des Gemisches in Druck um, der zur Ueberwindung des Gegendruckes dient. – Strömt ein Dampfstrahl durch eine kühlere Flüssigkeit, oder wird Dampf von einem kühleren Flüssigkeitsstrahle angesaugt, so kondensiert er sich bei der Vermischung, und das Ansaugen wird um so stärker, je vollständiger die Kondensation ist. Zur vollständigen Kondensation ist erforderlich, daß verhältnismäßig wenig Dampf mit einer gegebenen Menge kühlerer Flüssigkeit in Berührung kommt.

Die Flüssigkeiten, welche in der Technik hauptsächlich zur Anwendung kommen, sind: atmosphärische Luft, Wasser und Wasserdampf.

1. Luftstrahlwasserpumpen. Als solche ist die sogenannte Sprühflasche (Zerstäuber, Drosophor, Inhalationsapparat) zu betrachten (s.a. Zerstäubungsvorrichtungen). Sie besteht aus einem horizontalen, in eine seine Mündung auslaufenden Blasrohre a (Fig. 1) und einem in derselben Ebene liegenden senkrechten Sang- oder Steigrohre e, welches mit seinem Fuße in die zu zerstäubende Flüssigkeit taucht, und dessen obere seine Mündung so gestellt ist, daß der aus dem Blasrohre strömende Strahl darüber hinstreicht. Dadurch wird die Luft über der Mündung des Saugrohrs verdünnt, die äußere Atmosphäre drückt die Flüssigkeit im Saugrohre in die Höhe und bei ihrem Austritte wird die Flüssigkeit von dem Luftstrahle fortgerissen und zerstäubt.

2. Luftstrahlluftpumpen werden angewendet:

a) zur Pulsionsventilation mit komprimierter Luft, dadurch bewirkt, daß man in eine sich erweiternde oder in eine zylindrische Röhre e (Fig. 2), die mit dem zu ventilierenden Räume in Verbindung steht, durch eine engere Röhre e einen Luftstrahl treibt, der die in der Röhre e befindliche Luft mit fortreißt. Diese Ventilationsmethode hat sich wenig bewährt.

b) Zur Waggonventilation. Zu diesem Zwecke kann die Luft aus dem Waggon durch den beim Fahren entgehenden Luftzug auf die soeben beschriebene Weise angesaugt und fortgetrieben werden. Der Ventilator ist um eine senkrechte Achse drehbar und mit einer Windfahne versehen, welche eine den Luftzug aufsaugende weite Trichtermündung stets der Zugrichtung entgegenstellt.

3. Wasserstrahlluftpumpen, Wasserstrahlgebläse.

a) Das Wassertrommelgebläse, schon 1589 von Della Porta beschrieben, besteht aus einer senkrechten, mindestens 3,5 m langen Röhre a (Fig. 3), die aus einem Wasserbehälter r vermitteln einer Einfalldüse c gespeist wird und bei deren Mündung mit seitlichen Oeffnungen e versehen ist, durch die der herabstürzende Wasserstrahl Luft ansaugt und in einen am unteren Ende der Röhre a angebrachten Karten, die sogenannte Trommel, mit sich fortreißt. Während hier das Wasser durch ein nahe dem Kastenboden befindliches Loch abfließt, wird die sich wieder abscheidende gepreßte Luft durch eine am Kastendeckel angebrachte Windröhre nach dem Orte ihrer Bestimmung geleitet. Die Windpressungen, die man erreicht, betragen 0,5 bis 1 m Wassersäule. Fig. 3a zeigt eine andre Anordnung des Wassertrommelgebläses. Hier mündet in das die Einfalldüse bildende obere kegelförmige Ende c der Wasserröhre a ein engeres kegelförmiges Rohr e, das bis über den Wasserspiegel in dem Behälter r reicht und durch welches die Luft von dem das Rohr e umschließenden Wasserstrahle angesaugt wird. Auf gleichem Prinzip beruht Bunsens Wasserluftpumpe.

b) Körtings Wasserstrahlluftpumpe (Fig. 4) ist ein Wassertrommelgebläse der in Fig. 3 abgebildeten Art mit der Abänderung, daß die Luft nicht durch mehrere ins Freie gehende Oeffnungen, sondern nur durch eine Rohrmündung eingesaugt wird. Das Wasser strömt durch den Rohrstutzen a in die Einfalldüse c und saugt durch den Rohrstutzen e, der mit dem auszupumpenden Räume verbunden wird, die Luft an. Die Mischdüse a₁ geht in die sogenannte Druckdüse a₂ über, indem sich das Rohr, welches beide bilden, nach unten wieder erweitert. Der Strom des Gemisches wird dadurch verzögert und in den Stand gesetzt, größeren Gegendruck zu überwinden. Die Druckdüse bildet hier gleichzeitig einen Schlauchansatz. Bei i kann ein Manometer angeschraubt werden. Eine Druckhöhe von 3,5 m genügt zur Erzeugung der nötigen Wassergeschwindigkeit. Der Wasserverbrauch beträgt bei der gebräuchlichsten Größe dieses Apparates etwa 8 l in der Minute. Mit 5 m und mehr Druckhöhe des Wasserstrahls läßt sich ein fast vollständiges Vakuum erreichen.

4. Wasserstrahlwasserpumpen.

a) Die Saugstrahlpumpe von Thomson (Fig. 5), in the Report of the British Association von 1852 beschrieben, ist ebenfalls als eine Modifikation des Wassertrommelgebläses zu[338] betrachten, denn man kann sie sich dadurch entstanden denken, daß der soeben beschriebene Apparat um 90° gedreht und so das Saugrohr e senkrecht gestellt wurde. Taucht dieses mit seinem unteren Ende in Wasser, so drückt, wenn die Luft darin verdünnt worden ist, die äußere Atmosphäre das Wasser in der Saugröhre e in die Höhe, und wenn es mit dem aus der Einfalldüse c strömenden Wasserstrahle zusammentrifft, wird es von diesem mit fortgerissen, und beide gelangen durch die Düse a₁ zum Ausflusse.

b) Die Nagelsche Strahlpumpe, vornehmlich zur Hebung von Wasser aus Baugruben bestimmt, unterscheidet sich von der Thomsonschen nur dadurch, daß die Einström- und die Mischdüse aus Holz konstruiert sind, und das Saugrohr um diese herumgeführt ist und von oben einmündet.

5. Wasserstrahldampfpumpen. Diese Klasse wird durch Körtings Strahlkondensator repräsentiert. Das mit etwa 4,5 m Druckhöhe bei a (Fig. 6) eintretende Wasser strömt durch die Einfalldüse c und eine zweite Düse, ein sogenanntes Friedmannsches Zwischenrohr c₁ in die Misch- oder Kondensationsdüse a₁. Der durch den Saugstutzen e eintretende, vom Zylinder einer Dampfmaschine kommende Vorderdampf verteilt sich auf die beiden ringförmigen Spalten zwischen c und c₁ und zwischen c₁ und a₁. Er tritt also an zwei Stellen mit dem Wasserstrahle in Berührung, was den Stoß bei ihrem Zusammentreffen vermindert, sowie das Ansaugen und die Kondensation befördert. Das Gemisch von Dampf und Betriebswasser wird durch die lebendige Kraft des letzteren fortgerissen. Während der Kondensation des Dampfes vermindert sich dessen Volumen, weshalb der Querschnitt der Mischdüse a₁ abnimmt; in der Druckdüse a₂ aber wird seine Bewegung durch den Gegendruck der äußeren Atmosphäre etwas verzögert, weshalb der Querschnitt dieser Düse allmählich etwas zunehmen muß. Auf diese Weise wird in dem Dampfzylinder ein Vakuum erzeugt, ohne daß eine Kolbenpumpe dazu nötig wäre. Da das Innere eines kompakten Wasserstrahles auf den von außen zuströmenden Dampf nicht kondensierend wirkt, ist in die Einfalldüse ein Dorn gesetzt, wodurch der Wasserstrahl ringförmigen Querschnitt und eine größere Kühlfläche erhält. Das Vakuum wird durch diesen Apparat ebenso wie durch einen Luftpumpenkondensator mit der etwa 25fachen Speisewassermenge erzeugt und beträgt etwa 0,66 m. Die Temperatur des Kondensationswassers ist 25–30° C. Wenn kein natürliches Gefälle zur Erzeugung des Wasserstrahles vorhanden ist, und das Betriebswasser gepumpt werden muß, ist zwar die Anwendung des Apparates weniger vorteilhaft, doch wegen seiner Einfachheit immer noch empfehlenswert.

6. Dampfstrahlwasserpumpen. Diese zerfallen in Ejektoren, die dazu dienen, Wasser durch einen Dampfstrahl zu fördern, und in Injektoren, mit denen Wasser durch einen Dampfstrahl in einen Dampfkessel gedrückt wird, um ihn zu speisen. Von Ejektoren erwähnen wir:

a) die einfache nichtsaugende Dampfstrahlpumpe (Fig. 7). Durch das Einströmrohr a und den Fuß o, der auf oder unter dem Boden des Flüssigkeitsbehälters befestigt wird, gelangt der Dampf in die aufwärts gerichtete Einströmdüse c, während die zu fördernde Flüssigkeit durch die seitlichen Oeffnungen e in der die Düse umgebenden Röhre eintritt. Durch das Zusammentreffen der Flüssigkeit mit dem Dampfstrahle wird dieser kondensiert. In der Mischdüse a₁ wird die Kondensation vervollständigt, und die dem kondensierten Dampfe innewohnende lebendige Kraft treibt das Gemisch in die Druckdüse a₂ und das Steigrohr a₃, während durch die Saugöffnungen e Flüssigkeit aus dem Behälter nachströmt. Derartige Ejektoren gestatten das Heben schmutziger, mit pulverförmigen Substanzen gemachter und dicker Flüssigkeiten, sowie, wenn sie aus geeignetem Material hergestellt sind, auch von Säuren in großen Mengen und verhältnismäßig kurzer Zeit. Sie erfordern zwar größeren Dampfaufwand als Kolbenpumpen; wenn aber die durch die Kondensation des Dampfes eintretende Erwärmung der zu fördernden Flüssigkeit vorteilhaft ist, wird der Mehrverbrauch von Dampf auf diese Weise nutzbar gemacht. Je nachdem der Dampfüberdruck 1–5 Atmosphären beträgt, kann die Flüssigkeit auf 4–38 m Höhe gehoben werden.

b) Bei dem Friedmannschen Ejektor (Fig. 8), der zum Heben von Wasser aus Brunnen und Baugruben häufig angewendet wird, ist die Einströmungsdüse c abwärts gerichtet, und zwischen dieser und der Mischdüse a₁ sind mehrere Zwischendüsen oder sogenannte Zwischenrohre eingeschaltet, wodurch die Kondensation des Dampfes und der stoßfreie Eintritt des Wassers in den Dampf befördert werden. Der Apparat wird unter Wasser aufgestellt. Seine Wirkungsweise ist dieselbe wie die der einfachen Dampfstrahlpumpe, doch ist sein Dampfverbrauch geringer. Zum Zwecke der Reinigung des Saugkorbes und der Zwischenrohre kann das Steigrohr durch eine Klappe verschlossen werden. Der Dampf strömt dann durch den Saugkorb aus und entfernt die Unreinlichkeiten. Diese Ejektoren werden für Leitungen von 3–30 cbm in der Stunde gebaut. Läßt man das Wasser durch sie einem Injektor zuführen, so können die beiden Strahlapparate einen Dampfkessel direkt aus einem Brunnen mit vorgewärmtem Wasser speisen.

c) Die Friedmannsche Schiffsleckpumpe, welche über 320 cbm Wasser in der [339] Stunde fördert, unterscheidet sich von dem soeben beschriebenen Ejektor nur durch horizontale gleichachsige Anordnung der Düsen und Zwischenrohre, Vermehrung der Zahl der letzteren und größere Dimensionen.

Von nichtsaugenden Injektoren heben wir hervor:

a) Den Injektor von Schau (Fig. 9). Bei a tritt der Dampf in der Düsenrichtung ein und gelangt in die Einströmdüse c, während das Speisewasser bei e rechtwinkelig zur Düsenrichtung mit mindestens 0,3 m Druckhöhe eintritt. Bei ihrem Zusammentreffen kondensiert sich der Dampf, beide gelangen in die Misch- oder Kondensationsdüse a₁ von da in die Druckdüse a₂ und dann in das Speiserohr a₃. An der Stelle u, wo die Kondensationsdüse in die Druckdüse übergeht, ist die Wandung derselben mehrfach durchbohrt, damit ein Ueberschuß von Wasser hier austreten kann, um in den sogenannten Slabberraum s und von da ins Freie zu gelangen. Es wird dadurch verhütet, daß das überschüssige Wasser, das der Strahl nicht in den Kessel zu drücken vermag, einen schädlichen Gegendruck ausübt.

b) Bei dem Injektor von Kraus (Fig. 10) ist die Misch- oder Kondensationsdüse durch einen kleinen Zwischenraum u, den sogenannten »Uebersprungraum«, welcher das überschüssige Wasser in den Slabberraum s und von da ins Freie gelangen läßt, von der Druckdüse a₂ vollständig getrennt, so daß hier ein sogenannter »freispringender Strahl« entsteht. Im übrigen unterscheidet sich dieser Injektor von dem vorhergehenden dadurch, daß das Speisewasser bei e durch einen Absperrhahn in der Richtung der Düsen eintritt, während der Dampf durch den seitlichen Stutzen a in ein Knierohr einströmt, das sich allmählich verengt und die Einströmdüse c bildet.

Der Slabberraum ist bei den meisten Injektoren durch ein sich nach außen öffnendes Ventil von der Atmosphäre getrennt, damit diese von dem freispringenden Strahle nicht etwa nachgesaugt werde.

Bei den saugenden Injektoren der bisher üblichen Art darf anfangs nur wenig Dampf eingelassen werden, damit er sich vollständig kondensiert und durch die entstehende Luftverdünnung das Speisewasser kräftig ansaugt. Nachdem das erste Ansaugen des Wassers erfolgt ist, muß dagegen verhältnismäßig viel Dampf eingelassen werden, damit er imstande ist, das Wasser in den Dampfkessel zu drücken. Der Querschnitt des Dampfstrahles muß daher nach Bedarf verkleinert und vergrößert werden können, was man durch einen in der Düse verstellbaren konischen Dorn, die sogenannte »Dampfspindel« oder »Düsennadel« zu bewirken pflegt. Man macht entweder die Düse fest und die Spindel verstellbar, oder macht die Spindel fest und die Düse verstellbar. Da es indes Geschicklichkeit und Uebung erfordert, die Dampfspindel zum Saugen richtig einzustellen, kann man sie auch in der Achsenrichtung sein durchbohren, so daß bei aufsitzender Spindel gerade so viel Dampf durch diese Bohrung einströmt, wie zum Ansaugen nötig ist.

a) Fig. 11 zeigt einen solchen Injektor von Schäffer und Budenberg für stationäre und lokomobile Dampfkessel. V ist die in der Mitte mit Schraubengewinde, am äußeren Ende mit einem Handrädchen und am inneren Ende mit einem in die Einströmdüse c genau passenden Kopfe versehene Düsennadel. Dieser Kopf ist der Länge nach und der Hals der Quere nach durchbohrt, so daß bei aufsitzendem Kopfe die zum Ansaugen nötige Dampfmenge in die Einströmdüse gelangen kann. Ist das Speisewasser durch den Rohrstutzen e angesaugt, so wird die Düsennadel zurückgeschraubt, bis der Spindelkopf genügend Dampf einläßt, um das angesaugte Wasser durch die Mischdüse, die Druckdüse und das Speiseventil z in den Kessel zu drücken. Die Misch- und die Druckdüse sind hier zusammengeschraubt und zwar so, daß zwischen ihnen eine weitere zylindrische Kammer freibleibt, deren Wandung mehrfach durchbohrt ist, damit überschüssiges Wasser in den Slabberraum gelangen kann.

Die Wasserzuführung ist bei den neueren Injektoren einfach durch einen Hahn regulierbar; bei den älteren wurde sie durch Verstellung der Einströmdüse oder der Mischdüse, also durch Verengung oder Erweiterung des Spaltes, durch den das Wasser zu dem Dampfstrahle gelangt, geregelt. Bei dem ältesten Injektor, von Giffard (1858) konstruiert, war die Dampfspindel in einem Rohre, dessen Ende die Einströmdüse bildete, verstellbar, und dieses wiederum in einem Rohre, das die Mischdüse und die Druckdüse enthielt. Die Dichtung und Handhabung dieses Apparates war jedoch schwierig, und man hat deshalb die doppelte Verstellbarkeit in neuerer Zeit aufgegeben.

b) Körtings Patentuniversalinjektor ist in dem Artikel Dampfkesselspeiseapparate beschrieben und abgebildet.

In neuerer Zeit sucht man einen kräftigeren Saugstrahl dadurch zu erreichen, daß man während des Ansaugens den Dampf in der Mischdüse durch ein Ventil ins Freie entweichen läßt und dadurch Gegendruck vermeidet; ist aber Wasser angesaugt und in den Druckraum gepreßt, so schließt es das Ventil. So hat z.B. beim Injektor von Schäffer & Budenberg,[340] D.R.P. 102825 (Fig. 12) die Mischdüse m einen im Druckraume r liegenden verschiebbaren Teil m₁, der beim Ansaugen von m absteht, so daß durch den Spalt zwischen m und m₁ der Dampf entweichen kann. Fördert der Injektor, so schiebt sich m₁ unter dem in r auftretenden Drucke gegen m und schließt den Spalt. Gleichzeitig schließt das mit m₁ verbundene Ventil s den Raum r gegen den Auslaß u ab (s.a. Dampfkesselspeiseapparate).

7. Dampfstrahlluftpumpen, Dampfstrahlgebläse. Als einfachster Apparat dieser Art ist das Lokomotivblasrohr zu erwähnen. Auch Apparate, nach dem Prinzip der Injektoren konstruiert, werden vielfach als Gebläse, Ventilatoren oder Exhaustoren benutzt. Indem der Dampf hier durch die Einströmdüse und mehrere Zwischenrohre streicht, saugt er die Gase an, treibt sie durch die Misch- und Druckdüse und von da in einen geschlossenen Raum oder ins Freie. Wir verweisen bezüglich der Einrichtungen für Unterwindgebläse, Dampfstrahlhochdruckgebläse, Grubenventilatoren, Gasexhaustoren, Injektorelevatoren u.s.w. auf den Katalog der Firma Körting, Körtingsdorf vor Hannover, in dem sich Beschreibungen und Zeichnungen vorfinden. Die Verwendbarkeit der Dampfstrahlluftpumpen ist sehr mannigfaltig. Außer zu den erwähnten Zwecken können sie zur Ventilation von Schiffsräumen, Waggons, Trockenräumen u.s.w. dienen, während sie des durch sie verursachten Geräusches wegen zur Ventilation von Wohnräumen nicht geeignet sind. Ferner werden sie vielfach zum Saugen oder Pressen von Luft oder Gasen durch Flüssigkeiten angewendet (vgl. a. Dampfstrahlrührgebläse). Bezüglich der Berechnung der Dampfstrahlapparate verweisen wir auf [1]–[3], [5] und [6].

Zu den Strahlapparaten gehören auch die Sandstrahlgebläse und die Preßluftspritzapparate, wovon erstere in Bd. 7, S. 570, letztere in dem Art. Zerstäubungsapparate ausführlich behandelt werden.

Literatur: [1] Weisbach-Herrmann, Ingenieur- und Maschinenmechanik, 2. Teil, S. 923 und 3. Teil, S. 1269 ff., Braunschweig 1883–87. – [2] Grashof, Anhang zu Redtenbachers Resultate für den Maschinenbau, 6. Aufl., S. 494, Abschnitt: Dampfstrahlpumpen, Heidelberg 1875. – [3] Zeuner, Grundzüge der Wärmetheorie, 2. Aufl., Freiberg 1866, S. 390 ff. – [4] Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1872, S. 110, und 1889, S. 327. – [5] Weyrauch, Grundriß der Wärmetheorie, 2. Hälfte, Stuttgart 1907, S. 59. – [6] Schrauff, G., Untersuchungen über den Arbeitsvorgang im Injektor, Zeitschr. d. Ver. deutsch. Ing. 1909, S. 768 ff. – [7] Die Patentschriften, D.R.P. Kl. 59, Nr. 78633, 82123, 82351, 85586, 88643, 89751, 92047, 94655, 95709, 97600, 98410, 102488, 102835, 102998, 103090, 103338, 106379, 130099, 157850, 193315, 195885.

Th. Beck.

Fig. 1.

Fig. 2.

Fig. 3., Fig. 3a.

Fig. 4.

Fig. 5.

Fig. 6.

Fig. 7.

Fig. 8.

Fig. 9.

Fig. 10., Fig. 11.

Fig. 12.