Der Schmidt´sche Rauchrohrüberhitzer im Lokomotivbetrieb

Mit Heißdampf an die Weltspitze – so lautet der Titel eines Buches, welches die Kasseler ALSTOM Power Energy Recovery GmbH, heute die ARVOS GmbH Schmidtsche Schack, aus Anlass des 100-jährigen Jubiläums der 1910 gegründeten Schmidt´schen Heissdampfgesellschaft mbH herausgab. Inhalt des Buches ist die Lebens- und Wirkungsgeschichte des damaligen Firmengründers Wilhelm Schmidt sowie des Unternehmens über diese 100 Jahre. Herausgreifen und mit weiteren Zeitzeugnissen verbinden soll dieser Artikel anhand des oben abgebildeten TMK-Exponats die Bedeutung der Dampfüberhitzung für die Lokomotiventwicklung.

Vor der Vorstellung dieses, die Wirkung des Wasserdampfes optimierenden Objekts des Monats zunächst ein – über mehr als drei Jahrhunderte zurückgehender – kurzer Blick in die Zeit unseres Kasseler Landgrafen Karl im 17./18. Jahrhundert und damit der Bedeutung für die regionale Technikgeschichte. Karl berief nach Aufhebung des Ediktes von Nantes (Religionsfreiheit in Frankreich) durch den katholischen König Ludwig XIV. den hugenottischen Mediziner, Physiker und Erfinder Denis Papin 1687 als Professor an die Universität Marburg.

Papin (s. Bild links bzw. oben, *1) stellte Landgraf Karl – nach seinen vorangegangenen Entwicklungen in Paris und London (u. a. der 1681 patentierte Papin´sche Dampfdruck-Kochtopf) – in 1690 eine aus einem beheizten, mit wenig Wasser befüllten Zylinder und beweglichem Kolben konstruierte "Dampfmaschine" vor. Der im Zylinder entstehende Druck des Wasserdampfs hob den Kolben an, dieser diente zur Hebung von zu pumpendem Wasser und stellte damit eine erste funktionierende Wärmekraftmaschine dar. Papin schwebte in der Folgezeit der Einsatz seiner Maschine u. a. in Bergwerken zur Abförderung von eindringendem Wasser vor, er scheiterte jedoch an der damals für diese Arbeit noch nicht möglichen Herstellung ausreichend großer Zylinder und Kolben sowie deren Abdichtung gegen das jeweils andere Medium (Wasser / Dampf / Außenluft). Ob weiterhin in Kassel in 1722 eine Pumpmaschine durch den österreichischen Freiherr Fischer von Erlach installiert wurde, ist nicht sicher überliefert. Diese zog nach Überlieferungen den Kolben nach Wassereinspritzung durch Unterdruck des kondensierten Wasserdampfs im Zylinder an und arbeitete nach dem atmosphärischen Prinzip des Engländers Thomas Newcomen. Beide mit Wasserdampf betriebenen Systeme bezeugen damit, dass Wasserdampf und damit ausgestattete Maschinen in der Residenzstadt Cassel und der Zeit danach eine sehr lange Tradition haben.

Das ausgehende 18. Jahrhundert wird als Beginn der ersten industriellen Revolution mit einer wesentlichen Umgestaltung wirtschaftlicher und sozialer Verhältnisse, Arbeitsbedingungen und Lebensumstände angesehen. Diese nahm ihren Ursprung in England über die Nutzung nichtmenschlicher Energie durch Mechanisierung im Textilgewerbe, setzte sich fort mit den Kohlegruben, der Erzverhüttung und der Dampfmaschine und dehnte sich in der Folge auf Westeuropa und die USA aus. Als eine der grundlegenden, wenn auch noch nicht zum Erfolg führenden Entwicklungen kann die in Kassel erfolgte Erfindung der Dampfpumpe angesehen werden, die wesentlichen Entwicklungen erfolgten aber in England mit den Dampfmaschinen von James Watt sowie den daraus fortentwickelten Dampflokomotiven von Richard Trevithick (s. Bild unten, *2) und George Stephenson.

Und um diese frühen englischen, später dann auch in Europa und den USA gebauten Dampflokomotiven und deren geringen Wirkungsgrad bei hohem Kohleverbrauch, gegen Ende des 19. Jh. aber auch um stationäre Dampfkessel für die Stromgewinnung durch Dampfmaschinen und -turbinen geht es bei unserem Objekt des Monats Dezember 2022. Denn neben vielen anderen Details war ein Problem herausragend: die Umsetzung des Primärenergieverbrauchs und der Heizleistung in Zugkraft und Geschwindigkeit der Lokomotiven und später in Drehmoment und Drehzahl für die Antriebsmaschinen der Generatoren. Im Lokomotivbau war die Wirtschaftlichkeit zunächst noch kein vorrangiges Ziel, erst die stete Zunahme des Eisenbahnverkehrs und der hohe Zuwachs an Kohle- und Wasserverbrauch zwangen also zu konstruktiven Verbesserungen wie der tatsächlich erforderlichen Zylinderfüllung, der Erhöhung des Kesseldrucks und der Vermeidung des Wärmeverlustes durch Dampfkondensation an kalten Zylinderwandungen.

Durch geeignete Steuerungsmechanismen gelang es in einem ersten Schritt, die Dampffüllungen der Zylinder so zu verringern, dass der im zweiten Schritt erhöhte Dampfdruck zur selbsttätigen Expansion ohne unnötigen Dampfaustritt am Ende der Kolbenbewegung erfolgte. Eine zweifache Dampfdehnung in nacheinander geschalteten Zylindern unterschiedlicher Dimensionierung in der Verbundlokomotive erbrachte eine weitere Energieersparnis, jedoch immer noch ohne vollständige Vermeidung des Wärmeverlustes. Der weitere Weg war erkannt: Die Dampftemperatur musste deutlich erhöht werden, eine verlustbehaftete Kondensation im Zylinder war nur durch überhitzten und damit trockenen Dampf zu vermeiden. Diesen Bedingungen entsprechende Werkstoffe, Dichtungen und Schmierstoffe standen jedoch noch nicht zur Verfügung.

Es ist hier nicht der Raum für eine vollumfängliche Schilderung des Entwicklungsprozesses des Heißdampfes und zusätzlich der Lebensgeschichte eines genialen Autodidakten aus Wegeleben am Nordrand des Harzes. Das muss anderen Veröffentlichungen vorbehalten bleiben, u. a. dem Porträt des von ihm gegründeten Kasseler Unternehmens Schmidt´sche Heissdampfgesellschaft mbH, heute ARVOS GmbH Schmidtsche Schack, zu dessen 100-jährigem Jubiläum. Dennoch ein kurzes Zitat zum Entwicklungsprozess aus diesem Buch:

"Heißdampf – das Geheimnis des Erfolgs Der Lokomotivbau stand an einer Wende. In dieser Phase der Eisenbahngeschichte schlug die Stunde eines Mannes, der sich bereits jahrelang, zunächst zurückgezogen als begabter Konstrukteur, später als selbständiger Unternehmer mit der Problematik der Dampftechnik auseinandergesetzt hatte. Es war Wilhelm Schmidt, der sich nach einer Reihe von Wanderjahren als Erfinder und ambitionierter Konstrukteur in Kassel niedergelassen hatte. Seine Forschungs- und Entwicklungsarbeiten ebneten den Weg zur Einführung des sogenannten Heißdampfes in den Lokomotivbau. Als Heißdampf wurde überhitzter Dampf bezeichnet, dessen Temperatur mindestens 100 °C höher war als die Sättigungstemperatur des Wasserdampfes bei gleichem Druck. Es war ein langer, steiler Weg, der nur durch ein Höchstmaß an erfinderischem Können und technischem Sachverstand, gepaart mit dem festen Glauben an die Richtigkeit des eingeschlagenen Weges zum Ziel führte. Dieses Ziel hatte einen Namen. Er lautete "Überhitzer", eine konstruktive Errungenschaft, die als integriertes Element des Dampfmotors die Lokomotive zu bisher unbekannten Leistungs- und Geschwindigkeitsrekorden befähigte, verbunden mit beachtlichen Kosteneinsparungen. …" (*3).

Vor dem ersten Einsatz eines Überhitzers in einer Lokomotive zunächst ein Blick in die Villenkolonie Mulang am Rande des Schlossparks des heutigen Kasseler Stadtteils Wilhelmshöhe und damit der Entwicklungsgeschichte der Überhitzung. Dort hatte sich der Unternehmer Gustav Henkel, Geschäftsführer der Maschinenbau-Aktiengesellschaft vorm. Beck und Henkel, ein repräsentatives, heute noch existierendes Wohngebäude errichtet. Diese Villenkolonie verfügte zwar von Anfang an über Be- und Entwässerung, im Gegensatz zur Kernstadt Cassel aufgrund ihres Wasserkraftwerks Neue Mühle an der Fulda gegenüber dem damaligen Dorf Bergshausen aber nicht über elektrisches Licht. Henkel beschloss, ein privates Elektrizitätswerk mit einer Dampfmaschine zu errichten, welches im Mai 1893 die öffentliche Versorgung der Gemeinde Wahlershausen übernahm, zu der die Villenkolonie gehörte.

In der Hunrodstraße am Mulang wurde "eine 40pferdige, einfach wirkende Zweizylinder-Heißdampf-Auspuffmaschine aus der Maschinenfabrik L. W. Schröder in Aschersleben" aufgestellt. Zusammen mit "einem stehenden Feuerbüchsenkessel mit eingehängten Quersiedern" und einem "Einrohr-Spiralschlangen-Durchlauf-Überhitzer" wurde dies zur "ersten mit Heißdampf von 350 °C betriebenen" Kraftwerksanlage von Wilhelm Schmidt (Zitat, *4). Erhalten ist eine historische Darstellung der Dampferzeugung mit Kessel und Überhitzer (s. Bild links bzw. oben, *5), mit der sich das – besonders auch aus aktueller Sicht – nachhaltige Prinzip gut erläutern lässt:

"Der Überhitzer war ein Einrohr-Spiralschlangen-Durchlauf-Überhitzer. In diesem steckte die nachhaltigste erfinderische Leistung Wilhelm Schmidts: Durch die von ihm angewandte Technik, Wasserdampf und Heizgase zunächst im Gleichstrom und dann im Gegenstrom zu führen, hatte er die scheinbar unlösbare Aufgabe, bei der Erzeugung von Heißdampf auf 350 °C Wirtschaftlichkeit und Betriebssicherheit zu verbinden, in wahrhaft genialer Weise gelöst. Durch intensive Beheizung des Kessels enthält der Wasserdampf große Mengen an mitgerissenen Wassertröpfchen. Dieser bewusst erzeugte nasse Nassdampf tritt über ein Ventil a in die untersten beiden Schlangenrohrebenen des Überhitzers (Vorüberhitzer). Die Heizgase haben hier die höchste Temperatur; durch den hohen Wärmebedarf für Trocknung und Erwärmung des Nassdampfes wird den Heizgasen jedoch so viel Wärme entzogen, dass es zu keinen Materialproblemen kommt. Aus der zweiten Windung gelangt der vorgetrocknete Dampf durch ein außen angebrachtes vertikales Rohr b, in dem Restfeuchte kondensiert, in die oberste Windung der Überhitzerspirale. Von dort aus durchläuft der Dampf etliche Spiralebenen (Hauptüberhitzer) im Gegenstrom zu den Heizgasen. Dabei erreicht der Heißdampf die gewünschten 350 °C und wird in diesem Zustand bei c den beiden Zylindern der Zwillings-Kolbendampfmaschine zugeführt" (Zitat, *4).

Zur – aus heutiger Sicht – frühen Nachhaltigkeit der Erfindung Wilhelm Schmidts nicht nur für stationäre Anlagen und Lokomotiven: Die sicherlich noch erhebliche Abwärme der einfach wirkenden Auspuffmaschinen wurde zur Beheizung des neben dem Kraftwerk in der Hunrodstraße stehenden Palmenbads benutzt, einem großen Gewächshaus mit dazugehörigem Schwimmbad auch für die Einwohner. Und der erzeugte Strom wurde später auch für die elektrisch betriebene "Herkulesbahn" benutzt, welche neben den im Habichtswald abgebauten Braunkohle- und Basaltvorkommen auch Personen zum Herkules beförderte.

Über jeweils stationär aufgebaute, einfach wirkende Verbund-Heißdampfmaschinen mit zwei Expansionsräumen, liegende Feuerbüchsenkessel mit stehendem Überhitzer und liegende Zweiflammrohrkessel mit umgekehrter Strömungsrichtung des Nassdampfes – zunächst im Gegenstrom und danach im Gleichstrom – wurde der Weg zum Einsatz des Schmidt´schen Überhitzers für Lokomotiven bereitet. Die beiden ersten, je eine von Vulcan in Stettin und Henschel in Cassel, wurden mit einem Langkessel-Überhitzer ausgestattet. Leider sind in der obigen Abbildung des Kessels von Vulcan (*6) die angegebenen 142 Siederohre nicht eingezeichnet und damit ist auch nicht der Weg des Rauchgases zur Erhitzung des Kesselwassers ersichtlich, sie werden aber in der Rauchkammer geendet haben. In einer ansonsten gleichen Zeichnung in der Quelle (*7, dort dann Seite 226) sind diese Siederohre weder textlich noch zeichnerisch angegeben.

Und so sah die erste Henschel-Lokomotive mit Langkessel-Überhitzer aus (s. Bild oben, *7). Zunächst trug sie die Nr. Cassel 131 der Kgl. Preuß. Staatsbahnen, nach ihrer Umzeichnung die Nr. 1846. Sie gehörte zur Direktion Cassel mit dem Standort Cassel-Gleisdreieck. Es handelte sich um eine Personenzug-Lokomotive des Typs P4 mit angehängtem Tender und versah nach unterschiedlichen Angaben ihren Dienst bis 1918 oder 1923. Ein anderes Schicksal erlitt die zweite, bei Vulcan erbaute Lokomotive mit Langkessel-Überhitzer: "Die Hannover 74 war in der Ausführung mit Langkessel-Überhitzer praktisch nie richtig im Einsatz. Schon bald nach der Probefahrt am 13. April 1898 kam sie zurück in die Fa. Vulcan, wo die ersten Umbauten erfolgten. 1900/1901 war sie wieder in der Werkstatt. Nach kurzem Einsatz in Hannover-Hagenkamp begann 1902 ihre völlige Demontage und der Umbau auf den Rauchkammer-­Überhitzer Bauart Wilhelm Schmidt. Nach Abschluss dieser Arbeiten kam sie zur Betriebswerkstätte Cassel-Bahndreieck, wo sie von Juli 1903 bis zum Jahre 1918 zwischen Cassel und Hannover eingesetzt war. Dort wurde sie umgezeichnet zur Cassel 74, dann zur Cassel 20 und 1906 schließlich zur Cassel 401 mit der Gattungsbezeichnung S 4. Am 28. Mai 1918 wurde sie als Schrott an die Eisen- und Stahlwerke Völklingen verkauft" (Zitat, *8). 

Die Entwicklungsarbeiten von Wilhelm Schmidt gingen stetig weiter. Die folgenden vier Lokomotiven, je eine von Vulcan in Stettin und Borsig in Berlin sowie zwei von Henschel in Cassel, wurden mit dem 1899 patentierten Rauchkammer-Überhitzer ausgestattet (s. Bild oben, *9), "bei dem zwar das vom Langkessel bekannte weite Flammrohr erhalten blieb, aber nicht mehr die Überhitzerrohre aufnahm und auch an eine andere Stelle im Langrohr rückte. Durch das Flammrohr erfolgte lediglich die Zuführung heißer Gase aus der Feuerbüchse in die Rauchkammer, in der nun der Überhitzer untergebracht war" (tlw. zitiert, *10). Zur Funktionsweise ein weiteres Zitat (*11):

"Die Feuergase aus der Feuerkiste werden geteilt: der größere Teil geht wie gewohnt durch die (hier nicht abgebildeten) Siederohre und dient der Erzeugung des Kesseldampfes; der kleinere Teil geht durch das etwa 300 mm weite Flammrohr direkt in die Rauchkammer und umspielt dort die darin befindlichen Überhitzerrohre. (Der Weg der Feuergase aus der Feuerkiste durch das Flammrohr in die Rauchkammer ist in der ... Abbildung durch zwei gelbe Pfeile markiert.)

Der eigentliche Rauchkammer-Überhitzer besteht aus drei Reihen von 19 bzw. 20 Rohren mit einem Durchmesser von 41/33 mm, die der Rauchkammerwandung entsprechend gebogen sind. Im linken Teil der ... Abbildung sind diese Rohre quer angeschnitten, so dass sich drei Reihen mit 19 bzw. 20 kreisförmigen Schnitten ergeben. Die drei Rohrreihen sind so angeordnet, dass sie im Wesentlichen drei konzentrische Ringe bilden, die mit kleinem Abstand hintereinander eingebaut sind (gelbe Markierung im rechten Teil der Abbildung). Während die beiden äußeren Ringreihen vollständig parallel verlaufen, sind sämtliche Röhren der inneren Ringreihe im unteren Teil unterschiedlich stark aufgebogen, so dass sich ein tunnelartiger, spitz zulaufender Hohlraum ergibt. In diesen treten die aus dem Flammrohr kommenden Heizgase ein und umspülen dann die Überhitzerrohre, in denen der Nassdampf umläuft.

Die Gesamtheit der Überhitzerrohre ist innen und außen ummantelt. Dadurch entsteht innerhalb der Rauchkammer praktisch eine eigenständige Überhitzerkammer. Durch das Hochziehen der Überhitzerröhren-Ummantelung innerhalb der Rauchkammer entsteht ein kleiner Aufbau rund um die Esse, der charakteristisch ist für diese Bauform des Rauchkammerüberhitzers."

Bereits 1900 wurde Wilhelm Schmidt der – aus der Langkesselerfindung weiterentwickelte – Rauchrohrüberhitzer patentiert, der in abgewandelter Ausführung unser Objekt des Monats Dezember 2022 darstellt und in der obigen Abbildung (*12) links in einer Querschnittebene etwa in der Lage des Nass- und Heißdampfsammlers vor dem Kesselraum abgebildet ist, rechts oben in einer Längsschnittebene links vor der Nassdampfzuführung. Zur Funktionsweise auch hier wieder ein Zitat (*13):

"Der Langkessel enthält im unteren Teil 144 gewöhnliche Rauchrohre mit einem Durchmesser von 41/45 mm. Durch diese streichen die Rauchgase von der Feuerbüchse zur Rauchkammer und geben dabei ihre Wärme an das Kesselwasser zur Erzeugung von Nassdampf ab. Im oberen Teil des Langkessels liegen (in der Regel) drei Reihen mit jeweils sieben Rauchrohren mit einem wesentlich größeren Durchmesser (118/127 mm). In jedem dieser insgesamt 21 Rauchrohre befindet sich ein Überhitzerelement, bestehend aus vier nahtlosen Stahlröhren mit 28/36 mm Durchmesser. In Richtung Feuerbuchse (aber in genügendem Abstand zu dieser!) sind je zwei Überhitzerröhren verschraubt und bilden so ein U-Rohr. In der Rauchkammer sind die Rauchröhren nach oben abgebogen und in einen gemeinschaftlichen Flansch eingewalzt. Die Feuergase streichen auch durch die beschriebenen weiten Rauchrohre. Sie geben dabei ihre Wärme zum Teil an das Kesselwasser, zum Teil an den in den engen Überhitzerröhren umlaufenden Nassdampf ab."

Unser Exponat in der Ausführung Rauchrohrüberhitzer hat eine ähnliche Zahl gewöhnlicher Rauchrohre, jedoch mit 38/44 mm Durchmesser, sowie vier Reihen mit jeweils acht Überhitzer-Rauchrohren mit 109/122 mm Durchmesser. Somit übernehmen 32 Rauchrohre mit je einem Überhitzerelement, bestehend aus einem dreifach umgelenkten Stahlrohr mit 29 mm Außendurchmesser, die hohe Temperatursteigerung und Dampftrocknung. Diese dreifache Umlenkung innerhalb eines Rauchrohrs zur Erzielung eines Überhitzerelementes war in der oben zitierten Ausführung innerhalb des Rauchrohrs mit zwei den Dampf umlenkenden Bögen realisiert und in der Rauchkammer unterhalb der beiden Sammler durch Biegung, wie die obige Darstellung rechts unten zeigt. In unserem Exponat erfolgt die dreifache Umlenkung innerhalb des Rauchrohrs, auch wenn dieses hier für die Erläuterung gekürzt ist. Die Zuführung des Nassdampfs aus dem Dom zum Nassdampfsammler erfolgt mit einem Rohr mit 148/158 mm Durchmesser.

Weitere Details zum Aufbau der Feuerbüchse und dem Zusammenbau mit dem Kessel, zur Kesselfüllung, der Wasserdampfbildung und Entnahme aus dem Dom, dem Nass- und Heißdampfsammler sowie der Überhitzerfunktion innerhalb des Kessels finden Sie in Kürze in unserer ausführlichen Beschreibung. Diese können Sie sich dann über den QR-Code in der am am Exponat angebrachten Kurzbeschreibung herunterladen. Denn unser TMK-Exponat "Schmidt´scher Rauchrohrüberhitzer" steht schließlich in der Halle R05 des Werkes Rothenditmold, der Halle also, in der die Kessel gebaut wurden und demzufolge auch für den Rauchrohrüberhitzer nach Wilhelm Schmidt adäquat dokumentiert werden muss!

Text und TMK-Bilder: Wolfgang Dünkel, TMK

(last update 15.12.2022)

------------------------------------------------------

Bild-, Zitat- und Grafikquellen:

*1  Denis Papin: Wikipedia, gemeinfrei

*2  Coalbrookedale loco, Richard Trevithick: Wikipedia, gemeinfrei

*3  Zitat zum Heißdampf: Mit Heißdampf an die Weltspitze, Porträt eines Unternehmens, Richard Brachmann, ALSTOM Power Energy Recovery GmbH, vorm. Schmidt´sche Heissdampf-Gesellschaft mbH, 1910 – 2010, Seite 33 ff., ISBN 3-934752-06-3, George Verlag, Habichtswald/Kassel, 2010

*4  Zitat zur Villenkolonie Mulang: Das Leben und Wirken von Wilhelm Schmidt, Die Geschichte der Einführung des Heißdampfes in den Dampfkesselbau und die Maschinentechnik, Dr. Wolf-Dieter Ostermann, Lebensbilder aus Harz und Börde, Aschersleben, 2009, Herausgabe mit Unterstützung durch den AK Technikgeschichte des VDI Nordhessen, S. 31, vergriffen

*5  Kraftwerksanlage Mulang: Mittheilungen aus der Praxis des Dampfkessel- und Dampfmaschinenbetriebes, Organ des Central-Verbandes der preussischen Dampfkessel-Ueberwachungs-Vereine,16. Jg., 1893, S. 275

*6  Zeitschrift des Vereins Deutscher Ingenieure, Bd. 45, 1901, Nr. 47, S. 1663 - 1669

*7  125 Jahre Henschel, herausgegeben von der Henschel & Sohn AG, Kassel, 1935, S. 250

*8  wie *4, jedoch S. 75

*9  Die Heißdampf-Lokomotive. Dargestellt u. beschrieben von R. Hirt, 4. Auflage, Nieder-Ramstadt bei Darmstadt: Carl Malcomes, Franz Siemenroth, 1925

*10  wie *4, jedoch S. 72

*11  wie *4, jedoch S. 72

*12  Die Anwendung von Heißdampf im Lokomotivbetriebe nach dem System von Wilhelm Schmidt, Cassel-Wilhelmshöhe, Juli 1908

*13  wie *4, jedoch S. 77

Sonstige Quellen:

Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau, Bände I u. II, 12. Auflage, 1961, Springer-Verlag OHG, Berlin / Göttingen / Heidelberg

Magazin "technik nordhessen" der t.-w. Vereine Nordhessens, Axel Freitag, ehem. Stellv. Vorsitzender des TMK († 2018), Ausgabe 1-2018

Kontakt

Technik-Museum Kassel Betreiber gGmbH
Wolfhager Str. 109
34127 Kassel
0561-86190400
museum@tmk-kassel.de

Unsere Öffnungszeiten


 Mi - Fr  13 - 17 Uhr
Sa & So 11 - 17 Uhr

Unsere Ausstellungshalle ist nicht geheizt, im Winterhalbjahr bitte entsprechend kleiden.

So erreichen Sie uns mit dem NVV