Die Bedienung und Wartung elektrischer Anlagen und Maschinen: Teil 1 Einführung in die Grundlagen der Elektrotechnik [Reprint 2022 ed.] 9783112626443

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Die Bedienung und Wartung elektrischer Anlagen und Maschinen. von

Joseph Spennrath, weil. ])irektor der städtischen gewerblichen S c h a l e n u. der konigl. B a u g e w e r k s c h u l e in Aiichen.

Zweite, vollständig neu bearbeitete und bedeutend erweiterte Auflage von

Frz. Menge. E r s t e r Teil:

Einführung in die Grundlagen der Elektrotechnik. Mit 2 0 7 A b b i l d u n g e n u n d 1 T a f e l .

Zweiter Teil:

Einführung in den Bau und die Wirkungsweise der Stromerzeuger. Mit 210 A b b i l d u n g e n .

Berlin W . Verlag

von

M.

1912.

Krayn.

Vorwort zur zweiten Auflage. Die Verlagsbuchhandlung des vorliegenden Werkes trat mit der Bitte an mich heran, die Bearbeitung der zweiten Auflage zu übernehmen. Ich muß gestehen, daß ich zuerst nur ungern meine Zusage erteilte, da mir bewußt war, daß bei der außerordentlichen Entwicklung der Elektrotechnik in den letzten Jahren an eine e i g e n t l i c h e Bearbeitung nicht zu denken war, daß vielmehr eine absolute N e u a r b e i t geschaffen werden mußte, wenn der Inhalt des Werkes in etwa seinem Titel entsprechen, und er vor allem weiteren Kreisen von Nutzen sein sollte. Wenn ich mich dennoch zur Bearbeitung entschloß, so geschah es in erster Linie, um den vielen Schülern, die als Maschinisten, Schalttafelwärter, Monteure, Zeichner, Techniker u. a. m. meinen Unterricht in Elektrotechnik besuchten, den notwendigen Stoff zur Wiederholung und zum späteren Nachschlagen in die Hand zu geben. Weiter geschah es aus Pietät gegen den genialen und auf dem Gebiete des gewerblichen Unterrichtswesens so erfolgreichen Begründer und Direktor der gewerblichen Schulen zu Aachen, den Verfasser der ersten Auflage dieses Werkes, der leider allzu früh durch den Tod aus seinem überaus arbeitsreichen Leben abgerufen wurde. Der Stoff wurde leicht verständlich, jedoch eingehend behandelt; bei schwierigen Abschnitten, z. B. bei der Beschreibung der Phasenverschiebung, wurden passende mechanische Vorgänge zum Vergleich herangezogen. Zur Erleichterung des Studiums sind dem Text zahlreiche fertig durchgerechnete Aufgaben beigefügt, welche passend auf die einzelnen Abschnitte verteilt wurden. Ohne derartige Beispiele ist ein Verständnis bei solchen Lesern, welche über keine oder nur geringe mathematische Kenntnisse verfügen, geradezu unmöglich. Aber auch dem mathematisch vorgebildeten Leser werden diese Beispiele sehr willkommen sein.

IV

Vorwort zur zweiten Auflage.

Im Haupttext sind Buchstabengrößen als Zahlemverte vermieden. Die Formeln für die Gesetze sind in Worten hingeschrieben, und dann sind für die Worte B u c h s t a b e n als A b k ü r z u n g e n eingesetzt. In dieser Auffassung der Buchstabengrößen werden selbst Schüler, welche nur Volksschulvorbildung besitzen, leicht mit ihnen vertraut, wie mir jahrelange Erfahrung bewies. Nur in den klein gedruckten Erläuterungen wurden Buchstaben als algebraische Zahlenwerte verwandt. Diese Abschnitte sind aber so abgefaßt, daß sie übergangen werden können, ohne daß dadurch das Verständnis für den je folgenden Hauptinhalt leidet. Da der Hauptwert eines elektrotechnischen Werkes auf zahlreichen guten Abbildungen beruht, welche schematisch den Stromverlauf und den Aufbau der Apparate erkennen lassen, so habe ich sämtliche Strichzeichnungen selbst hergestellt bzw. die Kraftlinien-Bilder selbst aufgenommen. Die Klischees der Abbildungen der f e r t i g e n Apparate wurden mir von den verschiedenen Firmen gütigst leihweise zur Verfügung gestellt. — Ihnen sei an dieser Stelle mein verbindlichster Dank ausgesprochen. So hoffe ich der Öffentlichkeit ein Werk zu übergeben, welches allen, die sich in leichtverständlicher Weise über die wesentlichen theoretischen Grundlagen und praktischen Einrichtungen der Elektrotechnik orientieren wollen, von Nutzen sein wird. Den Herren Fachkollegen würde ich für Anregungen zu Veränderungen oder Erweiterungen des Inhaltes für eine eventuelle nächste Bearbeitung sehr verbunden sein. Sie wollen diese der Verlagsbuchhandlung M. Krayn in Berlin W 57 gefälligst mitteilen. A a c h c n , im Juni 1912.

Styling. Menge.

Inhaltsverzeichnis. i.

Abschnitt 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Einleitung.

Arbeit Arbeitsleistung Energie Kraftmaschinen Wirkungsgrad Kupplungen. Übersetzungen

1 2 3 5 6 9

Eigenschaften und Wirkungen der ge. spannten Elektrizität. Der elektrische Strom und seine Gesetze. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.

Elektrische Energie Leiter und Nichtleiter der Elektrizität. Ruhende und bewegte Elektrizität Gleichstrom, Wechselstrom Elektrischer Widerstand. (Das Ohm.) Elektrizitätsmenge. (Das Coulomb.) Stromstärke. (Das Ampere.) Amperesekunde, Ampereminute, Amperestunde Elektromotorische Kraft. (Das Volt.) Das Ohmsche Gesetz • Die Leistung des elektrischen Stromes. (Das Watt.) . . . Elektrische Leistung und mechanische Arbeit Elektrische Leistung und W ä r m e Die Überlastung elektrischer Leitungen. (Der Kurzschluß) .

22 23 24 25 26 33 33 36 36 37 38 40 41 43

Die Verteilung der Elektrizität. 21. Reihen- und Parallelschaltung 22. Stromstärke und Widerstand bei Reihen- und Parallelschaltung. (Die Kirchhoffschen Regeln.) 23. Messung von Widerständen mit Hilfe der Stromverzweigung. (Wheatstonesche Brücke.)

48 54 64

VI

Inhaltsverzeichnis.

Abschnitt

Magnetismus.

Seite

24. 25. 26. 27. 28. 29.

Magnete Das gegenseitige Verhalten zweier Magnetpole Die magnetische Influenz. (Verteilung.) Molekularmagnete Die Herstellung künstlicher Magnete Die magnetischen Kraftlinien. Das magnetische Feld. Die Feldstärke 30. DaB Verhalten von Eisen im magnetischen Feld. Magnetische Induktion. Permeabilität 31. Hysteresis

70 73 74 75 76 79 84 90

Magnetismus und Elektrizität. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38.

Die elektrischen Kraftlinien Die Kraftlinien paralleler Ströme Die Kraftlinien eines Stromkreises Die Kraftlinien einer Spule Die Zahl der Amperewindungen Elektromagnete Amperewindungszahl und Kraftlinienzahl bei Elektromagneten. Die Tragkraft der Elektromagnete 39. Das Verhalten von Magneten im elektrischen Felde . . . 40. Das Verhalten elektrischer Ströme im magnetischen Felde . 41. Das gegenseitige Verhalten elektrischer Ströme

92 93 94 95 97 100 102 109 112 117

Induktionserscheinungen. 42. 43. 44. 45.

Die Die Die Die

Induktion Selbstinduktion Wirbelströme Induktionsapparate

119 130 133 135

Elektrostatik. 16. Reibungselektrizität 47. Influenzelektrizität 18. Atmosphärische Elektrizität.

Blitz.

Blitzableiter

. . . .

144 152 159

II. Die Erzeugung der elektrischen Energie. Abschnitt

galvanischen Elemente.

Seite

49. Die galvanischen Elemente 50. Die Schaltung der Elemente

167 177

Dynamomaschinen im allgemeinen. 51. 52. 53. 54. 55. 56. 57. 58. 59. 60.

Dynamomaschinen Die Entwicklung der Dynamomaschinen Der Aufbau der Dynamomaschinen Das Magnetfeld der Dynamomaschinen Der Anker der Dynamomaschinen Die Wicklung der Anker Die Schleifringe Der Kommutator. (Kollektor.) Die Bürsten Verluste und Wirkungsgrad der Dynamomaschinen..

.

.

181 181 185 189 193 194 199 200 204 . 206

Gleichstrommaschinen. 61. 62. 63. 64. 65. 66. 67. 68. 69. 70. 71. 72. 73. 74. 75.

Der Gleichstrom und seine Entstehung in den Generatoren. 207 Die Ankerwicklung bei Gleichstrommaschinen .211 Die Pelderregung bei Gleichstrommaschinen 216 Das Verhalten der drei Maschinen 219 Die mehrpoligen Maschinen 222 Die Wicklung der mehrpoligen Maschinen 223 Die Stromabnahme bei mehrpoligen Maschinen 230 Die Ankerrückwirkung 231 Funkenfreier Gang der Dynamomaschinen 232 Dreileitermaschinen 237 Die elektromotorische Kraft der Dynamomaschinen . . . . 239 Die Regulierung der elektromotorischen Kraft 241 Parallel- und Reihenschaltung von Gleichstromgeneratoren . 242 Die Veränderung der Drehrichtung bei Gleichstromgeneratoren 246 Ausgeführte Gleichstromgeneratoren 249

VIII Abschnitt

7G. 77. 78. 79. 80. 81. 82. 83. 84. 85. 86. 87. 88. 89.

Inhaltsverzeichnis.

Wechselstrommaschinen.

Der Wechselstrom Die Spannungs- und Stromkurve bei Wechselstrom . . . . Die Periodenzahl (Frequenz) Die Felderregung der Wechselstrommaschinen Die gewöhnlichen (Emphasen-) Wechselstrommaschineu . . Effektive elektromotorische Kraft und effektive Stromstärke bei Wechselstrom Das Ohmsche Gesetz für Wechselstrom. Phasenverschiebung von EMK und Stromstärke Die Leistung des Wechselstromes Die Zweiphasenstrommaachinen Der Dreiphasenstrom (Drehstrom) Die Drehstromgeneratoren Die Leistung des Drehstromes Der Parallelbetrieb von Wechsel- und Drehstrommaschinen . Ausgeführte Wechsel- und Drehstromgeneratoren . . . .

Seite

255 259 261 263 266 271 276 284 286 290 298 302 304 312

Thermoströme. 90. Thermoelemente.

Thermosänlen.

Pyrometer

321

Abkürzungen und Zeichen. A AEG

= Arbeit. = Allgemeine Elektrizitäts-Gesellschaft. Amp. = Ampere. B = Magnetischeinduktion, bzw. = beziehungsweise. DEW = Deutsche ElektrizitätsWerke. cosy = Cosinus Phi (Leistungsfaktor). E = Elektromotorische Kraft. EMK = Elektromotorische Kraft. Emax = Maximale EMK. Fig. = Figur. H == Feldstärke. I = Stromstärke. Imax = Maximale Stromstärke. Kai = Kalorie. KVA = Kilovoltampere. KW = Kilowatt. K W / S t d = Kilowattstunde. L = Leistung.

LPS m/kg MMK MW

= = = =

S &H = Std = u.a.m. = u. f. = usw. = VA = W = z. B. =

Leistungi.Pferdestärken. Meterkilogramm. Magnetmotorische Kraft. Magnetischer Widerstand. Pferdestärke. Seite. Sekunde, sogenannt. Siemens-SchuckertWerke. Siemens & Halske. Stunde, und andere mehr, und folgende, und so weiter. Voltampere. elektrischer Widerstand, zum Beispiel.

rj p * o>

Etha (Wirkungsgrad). My (Permeabilität). Pi Omega.

PS = S. = Sek. = sog. = SSW =

= = = =

I. Einleitung. 1. Arbeit. Ununterbrochen wird in der Welt eine große Menge Arbeit verrichtet; diese kommt überall dadurch zustande, daß Kräfte irgendwelchen Ursprungs unter Ueberwindung eines Widerstandes Körpern eine Bewegung erteilen. Selbstverständlich ist die Größe der verrichteten Arbeit nicht allein abhängig von der wirksamen Kraft, sondern auch von der durchlaufenen Wegstrecke, mag diese auch noch so klein sein. Die Größe jeder Arbeit ist demnach bedingt: a) durch die Größe der angewandten Kraft, b) durch die Größe des W e g e s , der unter dem Einfluß dieser Kraft zurückgelegt Kraft wird. E Als Einheit der Arbeit gilt das Meter- m 1 k i l o g r a m m ) (m/kg) oder das Kilogrammmeter (kg/m). Diese wird verrichtet, wenn man eine Kraft von 1 kg längs eines Weges Hookg von 1 m anwendet, wenn man z. B. ein GeLast wicht von 1 kg auf eine Höhe von 1 in hebt. Fig. 1. Eine beliebige Arbeit bestimmt man, indem man die Größe der Kraft in kg mit dem Wege in m multipliziert. Arbeit = Kraft X Weg. Es sei: Aya m/kg) = Arbeit, K (in kg) = Kraft, S(;n m) = Weg; dann ist: A = K • s 2 ). ') B e i großen Arbeiten, z. B . beim Transport auf Eisenbahnen oder Automobilen, ist als Arbeitseinheit das T o n n e n k i l o m e t e r sehr im Gebrauch (t/km); dieses ist die Arbeit, die eine Kraft von 1000 k g längs eines W e g e s von 1000 m verrichtet; 1 t/km =

1 0 0 0 0 0 0 m/kg.

2)

Der Punkt zwischen K und s bedeutet, daß die beiden Größen multipliziert werden sollen. S p e n n r a t h , M e n g e , Bedienang elektrischer Anlagen.

|

Einleitung. Sehr einfach ist die Berechnung einer Arbeit beim Heben eines Körpers mittels einer Rolle (Fig. 1); die Kraft ist offenbar gleich der Last (400 kg), der Weg gleich der Höhe (15 m), auf die die Last gehoben werden soll; mithin ist die Arbeit: A = K • s = 400 X 15 = 6000 m/kg.

In vielen Fällen benutzt man beim Verrichten der Arbeit Maschinen, wie Flaschenzüge, Winden, schieie Ebenen, Hebel usw.; durch alle diese Maschinen wird aber die Arbeit nicht verringert, es wird nur an Kraft gespart, während der Weg entsprechend vergrößert wird.

Fig. 2.

Um einen Kohlenwagen von 800 kg Gewicht von der Ebene a auf die 10 m höher gelegene b zu bringen, ist eine Arbeit von 800 X 10 = 8000 m/kg erforderlich. Benutzt man hierzu eine schiefe Ebene (Fig. 2) von 50 m Länge, so ist die notwendige Kraft nur 800

= 160 kg, der Weg, der zurückgelegt werden muß, aber

50 m, also 5mal so groß. Die zu verrichtende Arbeit ist dann: 160 X 50 = 8000 m/kg, folglich ebensogroß.

2. Arbeitsleistung (Effekt). Unter Arbeitsleistung (Arbeitseifekt) versteht man die Arbeit, welche in der Zeiteinheit verrichtet wird; als Einheit gilt: 1 M e t e r k i l o g r a m m g e l e i s t e t in 1 S e k u n d e (1 mkg/sek). Man berechnet eine Leistung (einen Effekt), indem man die Arbeit (in m/kg) durch die Zeit, in der sie verrichtet wird (in Sek.), dividiert. Dauert z. B. die Förderung des Kohlenwagens von a nach b (Fig. 2) 22/3 Minuten ( = 160 Sek.), so ist die Arbeitsleistung: 8000

160

=

,

mk

i g/sek-

In der Praxis benutzt man meist als Maß für die Leistung d i e P f e r d e s t ä r k e (PS.), die dann geleistet wird, wenn 75 m/kg Arbeit pro Sek. verrichtet werden. D i e L e i s t u n g in PS. i s t g l e i c h d e r L e i s t u n g in m k g / s e k d i v i d i e r t d u r c h 75. 50 Zur Förderung erforderlich.

des Kohlenwagens sind mithin: — =

2

/3 PS.

Einleitung. Sehr einfach ist die Berechnung einer Arbeit beim Heben eines Körpers mittels einer Rolle (Fig. 1); die Kraft ist offenbar gleich der Last (400 kg), der Weg gleich der Höhe (15 m), auf die die Last gehoben werden soll; mithin ist die Arbeit: A = K • s = 400 X 15 = 6000 m/kg.

In vielen Fällen benutzt man beim Verrichten der Arbeit Maschinen, wie Flaschenzüge, Winden, schieie Ebenen, Hebel usw.; durch alle diese Maschinen wird aber die Arbeit nicht verringert, es wird nur an Kraft gespart, während der Weg entsprechend vergrößert wird.

Fig. 2.

Um einen Kohlenwagen von 800 kg Gewicht von der Ebene a auf die 10 m höher gelegene b zu bringen, ist eine Arbeit von 800 X 10 = 8000 m/kg erforderlich. Benutzt man hierzu eine schiefe Ebene (Fig. 2) von 50 m Länge, so ist die notwendige Kraft nur 800

= 160 kg, der Weg, der zurückgelegt werden muß, aber

50 m, also 5mal so groß. Die zu verrichtende Arbeit ist dann: 160 X 50 = 8000 m/kg, folglich ebensogroß.

2. Arbeitsleistung (Effekt). Unter Arbeitsleistung (Arbeitseifekt) versteht man die Arbeit, welche in der Zeiteinheit verrichtet wird; als Einheit gilt: 1 M e t e r k i l o g r a m m g e l e i s t e t in 1 S e k u n d e (1 mkg/sek). Man berechnet eine Leistung (einen Effekt), indem man die Arbeit (in m/kg) durch die Zeit, in der sie verrichtet wird (in Sek.), dividiert. Dauert z. B. die Förderung des Kohlenwagens von a nach b (Fig. 2) 22/3 Minuten ( = 160 Sek.), so ist die Arbeitsleistung: 8000

160

=

,

mk

i g/sek-

In der Praxis benutzt man meist als Maß für die Leistung d i e P f e r d e s t ä r k e (PS.), die dann geleistet wird, wenn 75 m/kg Arbeit pro Sek. verrichtet werden. D i e L e i s t u n g in PS. i s t g l e i c h d e r L e i s t u n g in m k g / s e k d i v i d i e r t d u r c h 75. 50 Zur Förderung erforderlich.

des Kohlenwagens sind mithin: — =

2

/3 PS.

Energie.

3

Es sei: L = Leistung (IN mkg/sek), L (p.s.) = Leistung (IN PS.) Und t = Zeit (in Sek.); A A t = T~i dann ist: L = , ; A= Lt; t Li ferner Lp*., = ~ = ~

A = 75 • L(rs.> • t; t =

Eine Maschine von 10PS. gebraucht zur Verrichtung von 45000 m/kg Arbeit eine Zeit, die nach der letzten Formel leicht zu finden ist: A 45000 t = TL(p.s.)-7o ~ = lr< 1 0xX. '5 = 60 Sekunden oder 1 Minute. Multipliziert man die Leistung mit der Zeit, so ,erhält man die Arbeit. Eine Dampfmaschine von 1000 PS. z. B. liefert während 10 Stunden (Std.) eine Arbeit von 1000 X 1 0 = 10000 Pferdekraftstunden (PS./Std.) = 10000 X 60 = 600000 PS./Min. = 10000 X 3600 = 36000000 PS./sek. Durch Multiplikation mit 75 erhält man daraus dann die Gesamtarbeit in m/kg. 3. Energie. Unter E n e r g i e versteht m a n die F ä h i g k e i t eines Körpers, Arbeit zu verrichten. Man unterscheidet: k i n e t i s c h e E n e r g i e und p o t e n t i e l l e Energie, a) Die k i n e t i s c h e E n e r g i e ist die Arbeitsfähigkeit, die ein Körper besitzt, der sich in Bew e g u n g befindet; diese w i r d in der T e c h n i k auch als l e b e n d i g e K r a f t bezeichnet.

M

Han mer

Ein rollender Eisenbahnwagen setzt andere, im Geleise stehende, in Bewegung, verrichtet also Arbeit; eine Kanonenkugel zerteilt auf ihrer Flugbahn Holz, Mauern, ja Stahlplatten; schnell fahrende Automobile reißen Bäume und Telegraphenstangen um usw.

b) Die p o t e n t i e l l e Energ i e ist die Arbeitsfähigkeit, die ein Körper besitzt: Fig. 3. Fig. i. 1. infolge von H ö h e n u n t e r s c h i e d e n in der L a g e seiner T e i l c h e n ; — Die Körperteilchen b e w e g e n sich dann unter dem Einfluß der Schwer1*

Energie.

3

Es sei: L = Leistung (IN mkg/sek), L (p.s.) = Leistung (IN PS.) Und t = Zeit (in Sek.); A A t = T~i dann ist: L = , ; A= Lt; t Li ferner Lp*., = ~ = ~

A = 75 • L(rs.> • t; t =

Eine Maschine von 10PS. gebraucht zur Verrichtung von 45000 m/kg Arbeit eine Zeit, die nach der letzten Formel leicht zu finden ist: A 45000 t = TL(p.s.)-7o ~ = lr< 1 0xX. '5 = 60 Sekunden oder 1 Minute. Multipliziert man die Leistung mit der Zeit, so ,erhält man die Arbeit. Eine Dampfmaschine von 1000 PS. z. B. liefert während 10 Stunden (Std.) eine Arbeit von 1000 X 1 0 = 10000 Pferdekraftstunden (PS./Std.) = 10000 X 60 = 600000 PS./Min. = 10000 X 3600 = 36000000 PS./sek. Durch Multiplikation mit 75 erhält man daraus dann die Gesamtarbeit in m/kg. 3. Energie. Unter E n e r g i e versteht m a n die F ä h i g k e i t eines Körpers, Arbeit zu verrichten. Man unterscheidet: k i n e t i s c h e E n e r g i e und p o t e n t i e l l e Energie, a) Die k i n e t i s c h e E n e r g i e ist die Arbeitsfähigkeit, die ein Körper besitzt, der sich in Bew e g u n g befindet; diese w i r d in der T e c h n i k auch als l e b e n d i g e K r a f t bezeichnet.

M

Han mer

Ein rollender Eisenbahnwagen setzt andere, im Geleise stehende, in Bewegung, verrichtet also Arbeit; eine Kanonenkugel zerteilt auf ihrer Flugbahn Holz, Mauern, ja Stahlplatten; schnell fahrende Automobile reißen Bäume und Telegraphenstangen um usw.

b) Die p o t e n t i e l l e Energ i e ist die Arbeitsfähigkeit, die ein Körper besitzt: Fig. 3. Fig. i. 1. infolge von H ö h e n u n t e r s c h i e d e n in der L a g e seiner T e i l c h e n ; — Die Körperteilchen b e w e g e n sich dann unter dem Einfluß der Schwer1*

4

Einleitung'.

kraft ( = Anziehungskralt der Erde) von dem höher gelegenen Orte nach unten und sind dabei in der Lage, Arbeit zu verrichten, wie dieses bei Hammerwerken (Fig. 3) und Wasserrädern (Fig. 4) der Fall ist, Diese Arbeitsfähigkeit bezeichnet man als: E n e r g i e d e r Schwere. — 2. infolge von T e m p e r a t u r u n t e r s c h i e d e n der Körperteilchen, mit denen zugleich Spannungsunterschiede verbunden sind; — Die Dämpfe und Gase höherer Spannung strömen gewaltsam zu den Orten mit niedrigerer Spannung und treiben hierbei den Kolben einer Dampfmaschine z. B. (Fig. 5) vor sich her; würde der Dampf auf beiden Seiten des Kolbens gleiche Temperatur und damit auch gleiche Spannung haben, so würde der Kolben gleichstark nach rechts und zugleich nach links gedrückt, müßte also in Kuhe bleiben. Diese Arbeitsfähigkeit bezeichnet man als: E n e r g i e d e r W ä r m e . —

3. infolge von S p a n n u n g s u n t e r s c h i e d e n der einzelnen Teilchen. — Hierzu gehören jene Spannungsunterschiede, die nicht eine Folge von Wärme, sondern von mechanischen, elektrischen oder chemischen Vorgängen sind. Die Arbeitsfähigkeit infolge elektrischer Spannungszustände heißt: e l e k t r i s c h e E n e r g i e , die weiter unten näher behandelt wird. Die Arbeitsfähigkeit infolge chemischer Spannungszustände heißt: c h e m i s c h e E n e r g i e . Selten wird diese Energie direkt zur Erzeugung von Arbeit, sondern meist zum Hervorbringen von Wärme benutzt, die dann die Arbeit leistet. Diese Wärmeerzeugung heißt: V e r b r e n n u n g ; darunter ist

Kraftmaschinen.

stets die chemische Verbindung- eines Körpers mit Sauerstoff, einem Hauptbestandteil der Luft, zu verstehen. Eine besonders heftige Verbrennung' heißt: E x p l o s i o n . Bei der Verwendung der verschiedenen Energieformen kommen zwei wichtige Tatsachen zur Geltung: a) Jede Energieform läßt sich im allgemeinen in eine beliebige andere umwandeln. b) Jede Energieform läßt sich in mechanische Arbeit verwandeln und umgekehrt. Beispiel: Durch die Verbrennung von Kohlen unter einem Dampfkessel verwandelt man die c h e m i s c h e E n e r g i e zwischen Kohle und Sauerstoff in W ä r m e , deren Träger der Wasserdampf ist; diese wird dann in der Dampfmaschine in m e c h a n i s c h e A r b e i t umgewandelt, die durch Antrieb einer Dynamomaschine sofort in e l e k t r i s c h e E n e r g i e übergeht. Diese letztere kann man in den Elektromotoren wieder in m e c h a n i s c h e A r b e i t , durch elektrische Lampen in L i c h t , durch Heizapparate in W ä r m e , durch Akkumulatoren in c h e m i s c h e E n e r g i e umwandeln usw.

4. Kraftmaschinen. Unter Kraftmaschinen( Motoren) versteht man jene maschinellen Vorrichtungen, die dazu dienen, die verschiedenen Energieformen in mechanische Arbeit umzuwandeln. Als solche sind in der Praxis im Gebrauch: Wassermotoren, Windmotoren, Wärmemotoren und Elektromotoren. a) Die W a s s e r m o t o r e n werden unter dem Einfluß von fließendem Wasser bewegt; sie sind ausgeführt: 1. als gewöhnliche Wasserräder, 2. als Wasserturbinen. Ihre Leistung ist abhängig von der pro Sekunde zufließenden Wassermenge und dem Höhenunterschiede zwischen den Oberflächen des zu- und abfließenden Wassers (H Fig. 4), dem sog. G e f ä l l e . b) Die W i n d m o t o r e n w e r d e n betrieben durch beAvegte Luft. c) Die W ä r m e m o t o r e n werden bewegt durch den Druck erhitzter Dämpfe oder Gase. Man unterscheidet: 1. Dampfmotoren, betrieben durch erhitzten Wasserdampf, ausgeführt als gewöhnliche Dampfmaschinen oder als Dampfturbinen; 2. Verbrennungsmotoren, betrieben durch Gase oder vergaste Oele, welche in den Zylindern der Motoren

Kraftmaschinen.

stets die chemische Verbindung- eines Körpers mit Sauerstoff, einem Hauptbestandteil der Luft, zu verstehen. Eine besonders heftige Verbrennung' heißt: E x p l o s i o n . Bei der Verwendung der verschiedenen Energieformen kommen zwei wichtige Tatsachen zur Geltung: a) Jede Energieform läßt sich im allgemeinen in eine beliebige andere umwandeln. b) Jede Energieform läßt sich in mechanische Arbeit verwandeln und umgekehrt. Beispiel: Durch die Verbrennung von Kohlen unter einem Dampfkessel verwandelt man die c h e m i s c h e E n e r g i e zwischen Kohle und Sauerstoff in W ä r m e , deren Träger der Wasserdampf ist; diese wird dann in der Dampfmaschine in m e c h a n i s c h e A r b e i t umgewandelt, die durch Antrieb einer Dynamomaschine sofort in e l e k t r i s c h e E n e r g i e übergeht. Diese letztere kann man in den Elektromotoren wieder in m e c h a n i s c h e A r b e i t , durch elektrische Lampen in L i c h t , durch Heizapparate in W ä r m e , durch Akkumulatoren in c h e m i s c h e E n e r g i e umwandeln usw.

4. Kraftmaschinen. Unter Kraftmaschinen( Motoren) versteht man jene maschinellen Vorrichtungen, die dazu dienen, die verschiedenen Energieformen in mechanische Arbeit umzuwandeln. Als solche sind in der Praxis im Gebrauch: Wassermotoren, Windmotoren, Wärmemotoren und Elektromotoren. a) Die W a s s e r m o t o r e n werden unter dem Einfluß von fließendem Wasser bewegt; sie sind ausgeführt: 1. als gewöhnliche Wasserräder, 2. als Wasserturbinen. Ihre Leistung ist abhängig von der pro Sekunde zufließenden Wassermenge und dem Höhenunterschiede zwischen den Oberflächen des zu- und abfließenden Wassers (H Fig. 4), dem sog. G e f ä l l e . b) Die W i n d m o t o r e n w e r d e n betrieben durch beAvegte Luft. c) Die W ä r m e m o t o r e n werden bewegt durch den Druck erhitzter Dämpfe oder Gase. Man unterscheidet: 1. Dampfmotoren, betrieben durch erhitzten Wasserdampf, ausgeführt als gewöhnliche Dampfmaschinen oder als Dampfturbinen; 2. Verbrennungsmotoren, betrieben durch Gase oder vergaste Oele, welche in den Zylindern der Motoren

G

Einleitung.

mit Luft vermischt zur Explosion gebracht werden; ausgeführt als Motoren für: Gas, Benzin, Benzol, Spiritus, Petroleum u. a; 8. Heißluftmotoren, betrieben durch erhitzte Luft; diese kommen nur für kleine Leistungen in Frage. Die Leistung der Wärmemotoren ist abhängig von der pro Sekunde wirkenden Gasmenge (Dampfmenge) und von dem Temperaturunterschiede zwischen dem arbeitenden und abströmenden Gas (Dampf). d) Die E l e k t r o m o t o r e n werden bewegt durch Elektrizität. 5. Wirkungsgrad. Bei allen maschinellen Betrieben geht ein Teil der zugeführten Arbeitsleistung verloren; dieser Verlust muß aufgewandt werden, um die Eeibung zwischen den gleitenden und rollenden Teilen zu überwinden und um der Trägheit 1 ) der bewegten Massen entgegenzuwirken. Seine Größe ist gleich dem Unterschiede zwischen aufgenommener und abgegebener Leistung; also: Verlust = aufgenommene Leistung — abgegebene Leistung. Beispiele: Eine

Dampfmaschine,

die

am Kolben

100 PS.

aufnimmt,

am

Schwungrad aber nur 75 PS. abgibt, hat einen Verlust von 100 — 75 = 25 PS. Ein Elektromotor

soll

bei einem Verlust von 25 PS. 140 PS. ab-

geben ; dann müssen ihm 25 -)- 140 = 165 PS. zugeführt werden.

Mit Hilfe der Verlustbestimmung ergibt sich der W i r ku n g s g r a d einer Maschine; es ist stets: , TT . , abgegebene Leistung Wirkungsgrad = — j =— ; ferner: ° ° aufgenommene Leistung a b g e g e b e n e Leistung = W i r k u n g s g r a d X aufgen o m m e n e L e i s t u n g und . abgegebene Leistung aufg . r. ° e n o m m e n e L e i s t u n g° = „W i r .k u n g s g r a jd 2 Es sei: ) = Wirkungsgrad, Unter der Trägheit eines Körpers versteht man die Tatsache, daß jeder ruhende Körper so lange in Kuhe bleibt, bis eine Kraft ihn in B e w e g u n g

setzt, und jeder bewegte Körper in Bewegung bleibt,

bis eine K r a f t ihn daran hindert. 2)

Das Zeichen

ä entspricht.

ist der griechische Buchstabe E t a , der unserem

G

Einleitung.

mit Luft vermischt zur Explosion gebracht werden; ausgeführt als Motoren für: Gas, Benzin, Benzol, Spiritus, Petroleum u. a; 8. Heißluftmotoren, betrieben durch erhitzte Luft; diese kommen nur für kleine Leistungen in Frage. Die Leistung der Wärmemotoren ist abhängig von der pro Sekunde wirkenden Gasmenge (Dampfmenge) und von dem Temperaturunterschiede zwischen dem arbeitenden und abströmenden Gas (Dampf). d) Die E l e k t r o m o t o r e n werden bewegt durch Elektrizität. 5. Wirkungsgrad. Bei allen maschinellen Betrieben geht ein Teil der zugeführten Arbeitsleistung verloren; dieser Verlust muß aufgewandt werden, um die Eeibung zwischen den gleitenden und rollenden Teilen zu überwinden und um der Trägheit 1 ) der bewegten Massen entgegenzuwirken. Seine Größe ist gleich dem Unterschiede zwischen aufgenommener und abgegebener Leistung; also: Verlust = aufgenommene Leistung — abgegebene Leistung. Beispiele: Eine

Dampfmaschine,

die

am Kolben

100 PS.

aufnimmt,

am

Schwungrad aber nur 75 PS. abgibt, hat einen Verlust von 100 — 75 = 25 PS. Ein Elektromotor

soll

bei einem Verlust von 25 PS. 140 PS. ab-

geben ; dann müssen ihm 25 -)- 140 = 165 PS. zugeführt werden.

Mit Hilfe der Verlustbestimmung ergibt sich der W i r ku n g s g r a d einer Maschine; es ist stets: , TT . , abgegebene Leistung Wirkungsgrad = — j =— ; ferner: ° ° aufgenommene Leistung a b g e g e b e n e Leistung = W i r k u n g s g r a d X aufgen o m m e n e L e i s t u n g und . abgegebene Leistung aufg . r. ° e n o m m e n e L e i s t u n g° = „W i r .k u n g s g r a jd 2 Es sei: ) = Wirkungsgrad, Unter der Trägheit eines Körpers versteht man die Tatsache, daß jeder ruhende Körper so lange in Kuhe bleibt, bis eine Kraft ihn in B e w e g u n g

setzt, und jeder bewegte Körper in Bewegung bleibt,

bis eine K r a f t ihn daran hindert. 2)

Das Zeichen

ä entspricht.

ist der griechische Buchstabe E t a , der unserem

Wirkungsgrad.

L = aufgenommene Leistung', L ab = abgegebene Leistung; Lt dann ist: n~L ab = n • L ; L = Bei der Berechnung der Maschinen muß der Wirkungsgrad stets berücksichtigt und sein Wert durch geeignete Konstruktion und sorgfältige Bedienung im Betriebe möglichst hoch gehalten werden. Den besten Wirkungsgrad haben die elektrischen Maschinen. Der Gesamtwirkungsgrad mehrerer miteinander gekuppelter Maschinen ist gleich dem Produkte der Wirkungsgrade der einzelnen Getriebe.

Dampfmaschine

Dynamo Fig. (i.

Beispiele: 1. Eine von eiDer Dampfmaschine

durch Riemen

Dynamomaschine (Fig. 6) soll 55 Kilowatt abgeben; =

angetriebene da 1 Kilowatt

1,36 PS. ist, so entspricht dieses einer mechanischen Leistung von

5 5 X 1.36 = 74 PS. Die Dynamomaschine besitze einen Wirkungsgrad = 0,85, dann 74 müssen ihr an der Riemenscheibe 7 r- ss = 88 PS. zugeführt werden. 0,85

Bei einem Wirkungsgrade des Riemenantriebes von >;2 = 0,98 muß das

88

Schwungrad der Dampfmaschine Q g g =

90

PS. abgeben,

' 90 selbst bei einem Wirkungsgrade % = 0,8, — = U,8 hervorbringen.

und

diese

112 PS. am Kolben

Der Gesamtwirkungsgrad der Anlage wäre dann: L '

? = =

ab ~ i r

74 =

n 2

= 0

'

6 6

-

Multipliziert man die einzelnen Wirkungsgrade, so ergibt dieses ebenfalls y =

^ • % • >;3 = 0,85 X 0,98 X 0,8 = 0,66,

rechnet sich die Leistung, ebenfalls zu L = ^ - b

=

und

daraus be-

die die Dampfmaschine aufnehmen muß, 74

p 6

=

112 PS.

8

Einleitung.

2. Einem Wasserrad werden 75000 mkg/sek zugeführt. kann dieses abgeben, wenn = 0,72 ist? Es sind: 75000 mkg/sek =

=

1000 PS.; mithin kann es

abgeben: L ab =