Heizmateri
alien
(Brennmaterialien,
Brennstoffe),
Körper meist organischen Ursprungs, deren Beschaffungspreis die Anwendung
zur Erzeugung von
Wärme
[* 2] durch
Verbrennung für gewerbliche und häusliche
Zwecke gestattet. Die gebräuchlichsten Heizmateri
alien sind:
Holz,
[* 3]
Torf,
Braun-,
Steinkohle,
Anthracit. Unter gewissen Verhältnissen kommen noch allerlei
Abfälle, wie Gerberlohe, getrocknete
Pflanzen,
Stroh etc., hinzu.
Alle diese Heizmateri
alien bestehen im wesentlichen aus
Kohlenstoff,
Wasserstoff und
Sauerstoff, und zwar wächst
der Kohlenstoffgehalt in der angegebenen Reihenfolge vom
Holz bis zum
Anthracit, während in demselben
Maß der
Sauerstoff- und Wasserstoffgehalt abnehmen.
Als flüssiges Heizmaterial
benutzt man
Erdöl,
[* 4] welches nur aus
Kohlenstoff und
Wasserstoff besteht, und in untergeordneter
Weise
Terpentinöl und fette
Öle,
[* 5] als gasförmiges die brennbaren
Gase,
[* 6] welche an manchen
Orten dem Erdboden
entströmen und wesentlich auch aus
Kohlenwasserstoff bestehen. Neben diesen natürlichen werden künstliche Heizmateri
alien benutzt: Holz-
und Torfkohle und Steinkohlenkoks,
Teer, seltener
Spiritus,
[* 7]
Methylalkohol,
Glycerin, in immer ausgedehnterm
Maß aber
Gase, die
aus geringwertigen Heizmateri
alien durch trockne
Destillation
[* 8] dargestellt werden
(Gasfeuerung);
[* 9]
ferner Wassergas, [* 10] Leuchtgas, [* 11] Gichtgase etc. Alle diese Heizgase bestehen im wesentlichen aus Kohlenoxyd, Kohlenwasserstoff und Wasserstoff.
Die hauptsächlichsten
Bestandteile aller Heizmateri
alien sind also
Kohlenstoff,
Wasserstoff und
Sauerstoff, und die Verbrennungsprodukte
bestehen aus
Kohlensäure und
Wasser.
Sauerstoff- und Stickstoffgehalt beeinträchtigen den
Wert der Heizmateri
alien. Der
Sauerstoff macht einen
so großen Teil des
Wasserstoffs unwirksam, wie er braucht, um mit demselben
Wasser zu bilden, und damit
wird z. B. im
Holz der ganze Wasserstoffgehalt erschöpft.
Manche aber enthalten noch einen Überschuß an
Wasserstoff (disponibler,
freier
Wasserstoff), wie z. B. manche
Steinkohlen. Der
Wert der Heizmaterialien
wird ferner herabgemindert durch
Gehalt an hygroskopischem
Wasser (welches behufs seiner
Verdampfung einen Teil der erzeugten
Wärme in Anspruch nimmt, aber durch
Trocknen,
Darren entfernt werden kann), an
Schwefel, der zu schwefliger
Säure verbrennt und manche Heizmaterialien
für gewisse
Zwecke ganz
unbrauchbar macht, endlich an mineralischen
Stoffen, die bei der
Verbrennung als
Asche zurückbleiben.
Der
Gebrauchswert der Heizmaterialien
richtet sich nach dem
Zweck, den man mit denselben erreichen will, und eine überall
zutreffende
Ordnung der Heizmaterialien
nach ihrem Wert ist nicht zu geben. Für die einzelnen
Fälle der Verwendung der Heizmaterialien
berücksichtigt
man die Brennbarkeit, die Flammbarkeit oder nur den zu erzielenden
Wärmeeffekt. Die Brennbarkeit, d. h. die größere oder
geringere Entzündlichkeit, ist abhängig von der physikalischen
Beschaffenheit
(Porosität) und dem
Gehalt
an
Wasserstoff.
Weiches Holz, besonders harzhaltiges (wasserstoffreiches), ist brennbarer als schweres, Holzkohle ist brennbarer als Koks und wasserstoffreiche Steinkohle brennbarer als Anthracit. Die Flammbarkeit, d. h. die Eigenschaft, mit mehr oder weniger großer Flamme [* 12] zu verbrennen, ist abhängig von der Entwickelung brennbarer Gase oder Dämpfe aus den und da diese zumeist aus Kohlenwasserstoffen bestehen, so wird die Flammbarkeit durch den Gehalt an freiem, disponiblem Wasserstoff bestimmt.
Leicht brennbarer Heizmaterialien
bedarf man bei unvollkommenen Heizeinrichtungen, besonders bei solchen ohne
Rost, wo schnelle Erwärmung auf nicht sehr hohe
Temperatur erfolgen soll. Flammbare Heizmaterialien
dienen zum unmittelbaren Erhitzen verhältnismäßig
großer
Räume oder großer
Flächen, wie in Flammöfen und bei Kesselfeuerungen. Den größtmöglichen absoluten
Wärmeeffekt
erreicht man stets durch möglichst vollkommene
Verbrennung des Brennmaterials und durch Vermeidung von Wärmeverlusten, wie
sie z. B. durch
Verdampfung von hygroskopischem
Wasser herbeigeführt werden.
Eine vollständige
Verbrennung wird nur erreicht bei hinreichendem Luftzutritt. Die
Kohlensäure, zu welcher
der
Kohlenstoff der Heizmaterialien
verbrennt, enthält auf 1 Teil
Kohlenstoff 2,66 Teile
Sauerstoff. In 100 Teilen
Luft sind aber auf 23,1
Teilen
Sauerstoff 76,9 Teile
Stickstoff, also auf 1 Teil des erstern 3,3 Teile des letztern und auf 2,66
Teilen
Sauerstoff 8,88 Teile
Stickstoff enthalten. 1 Teil
Kohlenstoff braucht also, um zu
Kohlensäure zu
verbrennen, 11,54 Teile
Luft, 1 kg
Kohlenstoff mithin 8,7
cbm.
Ferner braucht 1 Teil
Wasserstoff 8 Teile
Sauerstoff, um zu
Wasser
zu verbrennen, also dreimal mehr als
Kohlenstoff, demnach 34,62 Teile
Luft und 1 kg
Wasserstoff mithin 26,1
cbm
Luft. Hiernach
brauchen zur vollständigen
Verbrennung:
1 Kilogr. Heizmaterialien |
Luft in Kubikmetern bei 0° | bei 15° |
---|---|---|
Holz mit 20 Proz. Wasser | 4.94 | 5.21 |
Holz, wasserfrei | 6.17 | 6.51 |
Torf, trocken | 6.98 | 7.36 |
Braunkohle, trocken | 6.98 | 7.36 |
Steinkohle | 8.58 | 9.05 |
Anthracit | 9.07 | 9.57 |
Holzkohle | 8.59 | 9.06 |
Koks | 8.56 | 9.03 |
Erfahrungsgemäß reichen aber diese Luftmengen zur vollständigen Verbrennung nicht aus, sind vielmehr bis doppelt so groß zu nehmen, weil nur bei Überschuß von Sauerstoff sämtlicher Kohlenstoff zu Kohlensäure verbrennt. Bei allen anerkannt guten, sorgfältig unterhaltenen Feuerungen, die keinen Rauch ¶
mehr
mehr entweichen lassen, findet sich in den abgehenden Feuerungsgasen beinahe noch ebensoviel freier Sauerstoff, wie sich in der Feuerung mit Kohlenstoff und Wasserstoff verbunden hat.
Handelt es sich um Erzeugung möglichst hoher Temperaturen, so muß man die Heizmaterialien
gut trocknen, um Wärmeverluste durch Verdampfung
des hygroskopischen Wassers zu vermeiden; ferner muß man möglichst kompakte Heizmaterialien
verwenden, um in
demselben Raume mehr Brennstoff zu verbrennen. Man muß für energische Luftzuführung sorgen, um die Verbrennung zu beschleunigen,
und die zugeführte Luft vorher erhitzen. Der große Überschuß an Luft, den man behufs vollständiger Verbrennung in die Feuerung
leiten muß, ist der Erzielung hoher Hitzegrade sehr hinderlich, weil der Überschuß sehr viel Wärme
entführt.
Eine einfache Rechnung ergibt, daß aus diesem Grund eine höhere Temperatur erzielt wird, wenn man nur die Hälfte des Kohlenstoffs zu Kohlensäure, die andre aber zu Kohlenoxyd verbrennt, also eine unvollständige Verbrennung einleitet. Hiervon macht man nicht selten bei metallurgischen Operationen Gebrauch; am vorteilhaftesten aber ist die Anwendung gasförmiger Heizmaterialien, bei denen es allein möglich ist, das zur vollständigen Verbrennung erforderliche Luftquantum genau zu regulieren.
Hinsichtlich der bei der Verbrennung erzeugten Wärme ist zu unterscheiden, wieviel Wärme überhaupt von den Heizmaterialien entwickelt wird (Brennkraft, spezifischer oder absoluter Wärmeeffekt), und der Temperaturgrad, den das Heizmaterial bei einer Anfangstemperatur von 0° entwickelt (Heizkraft, pyrometrischer Wärmeeffekt). Heizkraft und Brennkraft zusammengenommen bestimmen den Wert eines Heizmaterials. Wird die Brennkraft auf den Wert des Heizmaterials bezogen, so erhält man dessen Brennwert. Da für die Wärme kein bestimmtes Maß vorhanden ist, so muß man sich begnügen, die relativen Wärmemengen zu ermitteln, d. h. anzugeben, um wieviel die aus einem Brennstoff entwickelte Wärmemenge die aus einem andern übertrifft.
Führt man die erzielten Resultate auf ein bestimmtes Volumen der Heizmaterialien zurück, so findet man den spezifischen Wärmeeffekt, bezieht man sie dagegen auf ein bestimmtes Gewicht, z. B. auf 1 kg des Brennmaterials, den absoluten Wärmeeffekt oder die kalorische Wärme. Beide Effekte werden bedingt durch die chemische Zusammensetzung des Heizmaterials, die spezifische Wärme der Verbrennungsprodukte und ihrer Begleiter, den Feuchtigkeits- und Aschengehalt und den äußern Zustand der Heizmaterialien. Unter Wärmeeinheiten (Kalorien) versteht man diejenige Wärmemenge, welche nötig ist, um eine dem verwendeten Heizmaterial gleiche Menge Wasser um 1° C. zu erwärmen. Die absoluten Wärmeeffekte einiger der wichtigsten Heizmaterialien ergibt folgende Tabelle:
Absolute Wärmeeffekte | |
---|---|
Wasserstoff | 34462 |
Sumpfgas | 13063 |
Äthylen | 11857 |
Petroleum, rohes | 11773 |
Terpentinöl | 10852 |
Äther | 9027 |
Fett | 9000 |
Kohlenstoff zu Kohlensäure verbrennend | 8080 |
Steinkohle | 6-8000 |
Holzkohle | 7640 |
Alkohol | 7183 |
Methylalkohol | 5307 |
Holz | 3600 |
Torf | 3000 |
Kohlenstoff zu Kohlenoxyd verbrennend | 2474 |
Kohlenoxyd | 2403 |
Schwefel | 2220 |
Den spezifischen Wärmeeffekt eines Heizmaterials erhält man durch Multiplikation des absoluten Wärmeeffekts mit dem spezifischen Gewicht des Heizmaterials.
Für die Praxis ist die Bestimmung der Wassermengen wichtig, welche durch gleiche Gewichtsteile der verschiedenen Heizmaterialien in Dampf [* 14] verwandelt werden. Um 1 kg Wasser von 0° in Dampf von 100° zu verwandeln, sind 652 Wärmeeffekte erforderlich. Es können daher verdampfen 1 kg Kohlenstoff 8080/652 = 12,4 und 1 kg Wasserstoff 34462/652 = 52,9 kg Wasser. Diese theoretische Verdampfungskraft wird aber in der Praxis niemals erreicht. Im Durchschnitt verdampft 1 kg trockner aschenfreier Brennstoff und zwar harzhaltiges Holz 10,2, gewöhnliches Holz 9,6, Torf 11,4, Braunkohle 12,6, Steinkohle 16,8, Koks 17 kg Wasser von 0°.
Der pyrometrische Wärmeeffekt eines Heizmaterials kann ermittelt werden, indem man die Gewichtsmengen sämtlicher bei der Verbrennung auftretender Produkte mit der zugehörigen spezifischen Wärme (Luft 0,238, Wasserdampf 0,475, Kohlensäure 0,216, Kohlenoxyd 0,2479, Stickstoff 0,244, Asche 0,2) multipliziert und den ermittelten absoluten Wärmeeffekt durch die Summe dieser Produkte dividiert. In reinem Sauerstoff verbrannt, gibt 1 g Kohlenstoff 3,67 g Kohlensäure, und der pyrometrische Wärmeeffekt ist daher 8080/3,67×0,216 = 10,187°. In der Luft verbrannt, kommen noch 8,88 g Stickstoff, mit welchem der Sauerstoff verdünnt ist, in Rechnung, und die Verbrennungstemperatur ergibt sich daher 8080/3,67×0,216+8,88×0,244 = 2731°. Da nun in der Praxis doppelt soviel Luft erforderlich ist, als die Rechnung ergibt, so sind auch noch 11,55 g Luft zu berücksichtigen und man erhält 8080/3,67×0,216+8,88×0,244+11,55×0,238 = 1415° als Ausdruck für den pyrometrischen Wärmeeffekt des Kohlenstoffs. In solcher Weise findet man, daß folgende Temperaturen erzielt werden können bei:
Holz mit 20 Proz. Wasser | 1150° |
Holz, wasserfrei | 1200° |
Torf | 1210° |
Braunkohle | 1300° |
Holzkohle | 1340° |
Koks | 1340° |
Steinkohle | 1360° |
Anthracit | 1360° |
Führt man aber nur die einfache Luftmenge in den Verbrennungsraum ein, so daß die Hälfte des Kohlenstoffs zu Kohlensäure, die andre Hälfte zu Kohlenoxyd verbrannt wird, so erhält man folgende höhere Temperaturen:
Holz mit 20 Proz. Wasser | 1520° |
Holz, wasserfrei | 1660° |
Torf | 1810° |
Braunkohle | 1950° |
Holzkohle | 2040° |
Koks | 2040° |
Steinkohle | 2110° |
Anthracit | 2130° |
Dies sind die höchsten Temperaturen, welche sich technisch durch einfache Verbrennung der Heizmaterialien auf einem Rost in dem Feuerraum erreichen lassen. Bei Anwendung von Gasen aber und unter den oben angegebenen Bedingungen kann man dem theoretischen pyrometrischen Wärmeeffekt erheblich näher kommen.
Vgl. Strott, Über Heizmaterialien, Anleitung zur Ermittelung des Brennwertes etc. (Holzmind. 1876);
Fischer, Chemische Technologie [* 15] der Brennstoffe (Braunschw. 1880);
Krüger, Lehre [* 16] von den Brennmaterialien (Jena [* 17] 1883).