- Expansionsmaschine
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Animation einer doppelt wirkenden Dampfmaschine mit FliehkraftreglerEine Dampfmaschine im engeren Sinne ist eine Kolben-Wärmekraftmaschine, das heißt eine Maschine, die die in Dampf enthaltene Wärmeenergie (auch Druckenergie) mittels eines Kolbens teilweise in mechanische Arbeit umwandelt.
Als Dampfmaschine im weiteren Sinne kann umgangssprachlich auch jede andere Maschine verstanden werden, die durch Dampf direkt oder indirekt angetrieben wird. Dies sind sowohl Kraftmaschinen wie die Dampfturbine, als auch dampfgetriebene Arbeitsmaschinen. Manchmal werden auch dampfgetriebene Transport- und Verkehrsmittel, Landmaschinen und sogar einige Apparate als Dampfmaschine bezeichnet.
Im folgenden Artikel wird der Begriff Dampfmaschine nur im engeren Sinne gebraucht für Kolbenkraftmaschinen. (Der Artikel behandelt ausschließlich diese Dampfmaschinen.)
Atmosphärische Dampfmaschine nach Newcomen
Wattsche Niederdruckdampfmaschine
Querprofil und Details der 1799 errichteten Dampfmaschine der Saline Königsborn, Kolorierte Tuschzeichnung von Jacob Niebeling, 1822.jpg)
Bock-Dampfmaschine von 1864
Förderdampfmaschine einer Kohlenzeche von 1887; Zeche Nachtigall, Westfälisches Industriemuseum
Die Dampfmaschine im Wülfing-Museum mit einer Leistung von über 300 PS
Pumpenhaus der Dampfmaschine in Pumpe-Stich (Eschweiler) von 1793
Dampfmaschine DS UriInhaltsverzeichnis
Wirkungsweise einer Kolbendampfmaschine
Die Kolbendampfmaschine setzt thermodynamische Energie (Dampfdruck) aus Dampferzeugern in mechanische Rotationsenergie um. Dabei bewegt sich ein Kolben in dem zugehörigen Zylinder hin und her, er führt eine oszillierende Bewegung aus. Benötigt wird für die mechanische Nutzenergie jedoch zumeist eine Rotationsbewegung.
Die Hin-Bewegung des Kolbens wird mit Druck des Dampfes als Arbeitstakt ausgeführt. Die Rückbewegung wird bei einseitig beaufschlagtem Kolben aus gespeicherter Rotations-Schwungenergie ausgeführt. Bei zweiseitig beaufschlagten Kolben hingegen wird die Rückbewegung des Kolbens ebenfalls als Arbeitstakt verrichtet, per Dampfdruck-Ansteuerung nunmehr auf die Unterseite des Kolbens.
Die Dampfzufuhr in den Zylinder steuert ein Schieber. Der Kolben wird mit dem Druck erst nach unten bzw. in Richtung der Kurbelwelle verschoben. Die Linearbewegung des Kolbens wird mittels Kreuzkopf und Pleuel als Koppelglied am Kurbelzapfen der Kurbelwelle in eine Rotationsbewegung umgesetzt. Das Pleuel schiebt anschließend (im einseitigen Betrieb) mit der im Schwungrad und in der Kurbelwelle gespeicherten Rotationsenergie den Kolben wieder aus der unteren Lage linear zurück in seine obere Ausgangsposition.
Das Arbeitsverfahren einer Dampfmaschine ist somit in zwei Takte gegliedert und ist daher ein Zweitaktverfahren.
Atmosphärische Dampfmaschine
In einer atmosphärischen Dampfmaschine wird der Zylinderraum unter dem Kolben mit Wasserdampf gefüllt. Im nächsten Arbeitstakt wird Wasser in den Zylinder eingedüst, so dass der Wasserdampf abkühlt und dabei kondensiert. Es wird ein Unterdruck erzeugt, so dass der Kolben durch den äußeren Atmosphärendruck in den Zylinder gedrückt wird. Die ausfahrende Bewegung des Kolbens erfolgt bei geöffnetem Dampfventil und durch eine Schwungmasse, die an einem Hebelarm, dem sogenannten Balancier, angebracht ist.
Der bekannteste Vertreter dieser Bauart war die atmosphärische Dampfmaschine von Thomas Newcomen ab 1712 (s. u.). Die Dampfmaschine wurde vorwiegend für die Wasserhaltung in Kohlenzechen eingesetzt. Der exergetische Wirkungsgrad dieser Maschine lag unter 1 %.
Niederdruckdampfmaschine
Bei der Niederdruckdampfmaschine wird der Dampf mit einem leichten Überdruck von einigen 100 mbar aufgegeben. Im Gegensatz zur Newcomen-Dampfmaschine wird nicht nur bei der Kondensation, sondern auch bei der Befüllung des Zylinders Arbeit verrichtet. Dieses führt zur Steigerung der Leistungsfähigkeit und war Ausgangspunkt für die Weiterentwicklung der Dampfmaschine zu höheren Dampfdrücken. Die bekanntesten Vertreter dieser Bauart waren die Dampfmaschinen von James Watt ab etwa 1769 (s. u.).
Hochdruckdampfmaschine
Bei Hochdruckdampfmaschinen wird der Dampf weit über 100 °C erwärmt, so dass sich ein höherer Druck aufbaut. Auf eine Abkühlung des aus dem Zylinder austretenden Wasserdampfes kann verzichtet werden (Auspuffbetrieb). Der Kondensator kann also wegfallen, was diesen Maschinentyp in Verbindung mit der höheren Energiedichte des unter Druck stehenden Dampfes erheblich leichter macht und damit den Einsatz von Dampfmaschinen in Dampflokomotiven erst ermöglichte. Vertreter dieser Bauart sind praktisch alle Kolben-Dampfmaschinen in Fahrzeugen seit Richard Trevithick ab etwa 1802 (s. u.).
Geschichte der Dampfmaschine
Die ersten Versuchs-Dampfmaschinen, die aber keine praktive Anwendung fanden, wurden unter anderem von Denis Papin 1690 und Thomas Savery 1698 in Kassel entwickelt.
Die erste verwendbare Dampfmaschine wurde 1712 von Thomas Newcomen konstruiert und diente zum Abpumpen des Wassers in einem Bergwerk. Diese so genannte atmosphärische Dampfmaschine erzeugte durch Einspritzen von Wasser in einen mit Dampf gefüllten Zylinder einen Unterdruck gegenüber der Atmosphäre. Mit diesem Druckunterschied wurde der Kolben im Arbeitstakt vom atmosphärischen Luftdruck nach unten gedrückt und anschließend durch das Eigengewicht der anzutreibenden Pumpenstange wieder nach oben in die Ausgangsposition gezogen. Die Kraftübertragung zwischen Kolbenstange und Balancier erfolgte mittels einer Kette. Der Wirkungsgrad der Newcomenschen Maschine lag bei 0,5 Prozent.
James Watt, dem oft fälschlicherweise die Erfindung der Dampfmaschine zugeschrieben wird, verbesserte den Wirkungsgrad der Newcomenschen Dampfmaschine erheblich, indem er mit seiner 1769 patentierten[1] Konstruktion einerseits den Abkühlvorgang aus dem Zylinder heraus in einen separaten Kondensator verlagerte, andererseits den Kolben abwechselnd von der einen und der anderen Seite mit Dampf beschickte – und auf der jeweils gegenüberliegenden Seite den Auslass zum Kondensator öffnete. So konnte Watt auf das mechanische Rückführen des Kolbens verzichten, und die Maschine bei beiden Kolbenhüben Arbeit verrichten lassen. Zusammen mit der Erfindung des Wattschen Parallelogramms war es möglich, die Maschine ein Schwungrad drehen zu lassen. James Watt bezeichnete diese Erfindung als seine bedeutendste; sie gilt auch heute noch als Musterbeispiel für die Lösung der Aufgabe, eine geradlinige Bewegung in eine kreisförmige nur mit Hilfe von Drehgelenken umzuwandeln.
James Watt gilt als Entdecker des Nutzens der Dampfexpansion. Bei der Dampfmaschine wird dieser Effekt durch ein vorzeitiges Schließen der Ventile erreicht; dadurch wird die Zuführung von Dampf in den Zylinder unterbrochen, während der darin eingeschlossene Dampf weiter Arbeit leistet. Weiterhin führte James Watt 1788 den Fliehkraftregler zur Geschwindigkeitsregulierung seiner Maschine ein. Vorher war dieses Maschinenelement bereits beim Bau und Betrieb von Mühlen eingesetzt worden.
Um die Fähigkeit seiner Dampfmaschinen zu demonstrieren, erfand Watt die Leistungseinheit Pferdestärke.
Die wattsche Dampfmaschine ersparte durch diese Verbesserungen gegenüber ihren Vorgängern ein Vielfaches der Wärmeenergie, die zum Betrieb der Maschine notwendig war. Der Wirkungsgrad der Watt’schen Maschine erreichte schließlich 3,0 Prozent.
Mit seinem kaufmännischen Teilhaber Matthew Boulton verkaufte er seine Maschinen jedoch nicht, sondern stellte sie seinen Kunden zur Verfügung, um sich einen Teil der eingesparten Brennstoffkosten auszahlen zu lassen. Damit war eine frühe Form des Contractings geboren.
Mit diesen Entwicklungen wurden Dampfmaschinen ab der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts nun auch wirtschaftlich.
In Preußen war man bereits 1769 auf die Feuermaschinen aus England aufmerksam geworden. Besonders der Oberkonsistorialrat Johann Esaias Silberschlag, der sich auch als Naturwissenschaftler einen Namen gemacht hatte, erkannte frühzeitig den Nutzen dieser Maschine und fertigte bis 1771 mehrere umfangreiche Gutachten darüber an. 1785 wurde dann die erste, in Preußen nachgebaute Dampfmaschine wattscher Bauart bei Burgörner in Betrieb genommen [2]. Bereits 1778 hatte sich James Watt bereit erklärt, der preußischen Bergbauverwaltung seine verbesserte Dampfmaschinen zur Wasserhebung unter fachmännicher Anleitung zu überlassen. Seine Firma Boulton & Watt forderte jedoch ein 14-jähriges Liefermonopol, eine Bedingung, auf die man im merkantilistischen Preußen nicht eingehen wollte. Unter dem Vorwand einer Erwerbsabsicht wurden der Oberbergrat Waitz von Eschen und der Assessor Carl Friedrich Bückling (1756-1812) vom preußischen Minister Friedrich Anton von Heynitz nach England geschickt. Waitz sollte sich speziell mit der Funktionsweise der Maschine vertraut machen und Bückling entsprechende Baupläne anfertigen. Wohl lediglich eine englische Dampfmaschine wurde erworben und 1779 auf einer Braunkohlengrube bei Altenweddingen eingesetzt.
Nachdem Bückling noch ein zweites Mal nach England geschickt worden war, war er in der Lage, exakte Baupläne für eine eigene Dampfmaschine nach dem Vorbild der wattschen unter Mitwirkung der Preußischen Akademie der Wissenschaften zu entwerfen. Bis 1783 wurde ein verkleinertes, funktionsfähiges Modell gebaut, von da an wurden die Teile in Originalgröße hergestellt und zusammengesetzt. Am 23. August 1785 wurde die erste deutsche Dampfmaschine wattscher Bauart auf dem König-Friedrich-Schacht bei Hettstedt offiziell in Betrieb genommen. Ihre Störanfälligkeit brachte der Maschine anfangs viel Spott ein. Durch die Abwerbung des britischen Dampfmaschinen-Mechanikers William Richards konnten die Probleme bis 1787 jedoch beseitigt werden. Die Maschine wurde zu einem ökonomischen Erfolg. 1794 wurde sie jedoch durch eine stärkere ersetzt und in eine Steinkohlengrube bei Löbejün verlegt, wo sie noch bis 1848 arbeitete. Im Mansfeld-Museum in Hettstedt steht seit 1985 ein 1:1-Nachbau dieser Dampfmaschine, der in Bewegung vorgeführt werden kann. Im heute polnischen oberschlesischen Tarnowitz wurde am 19. Januar 1788 eine Dampfmaschine in Betrieb genommen, die zur Entwässerung der Tarnowitzer Bergwerke diente. Von dieser Dampfmaschine wird fälschlich behauptet, sie sei die erste auf dem europäischen Festland gewesen.
Mit der Erfindung der Dreschmaschine kam die Dampfmaschine auch in der Landwirtschaft zum Einsatz. Für die Beschickung der Dreschmaschine mit Garben, Absacken des Getreides, Abnehmen und Aufladen des ausgedroschenen Strohs etc. waren etwa 10 Personen notwendig.
Eine weitere frühe Dampfmaschine Deutschlands und erste Dampfmaschine des Aachener Reviers stand 1793 in Eschweiler und wurde dort ebenfalls für die Herrenkunst (Wasserhaltung) im Bergbau eingesetzt. 1803 baute Franz Dinnendahl in Essen die erste Dampfmaschine im Ruhrgebiet. Bereits zwei Jahre zuvor hatte Dinnendahl den Einsatz der ersten Dampfmaschine zur Wasserhaltung im Ruhrbergbau betreut. Hergestellt in England, wurde diese auf der Zeche Vollmond in Bochum-Langendreer in Betrieb genommen. Das Maschinenmodell kann in Bewegung vorgeführt werden.
1836 erstellte man die erste deutsche Dampfmaschinenstatistik, und zwar für den Regierungsbezirk Düsseldorf.[3]
Die Hochdruckdampfmaschine wurde 1784 von Oliver Evans konstruiert. Das erste Exemplar wurde von ihm jedoch erst 1812 gebaut. Ihm zuvor kam Richard Trevithick, der 1801 die erste Hochdruckdampfmaschine in ein Straßenfahrzeug einbaute. Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit der Hochdruckdampfmaschinen war der Fortschritt in der Metallherstellung und -bearbeitung zu dieser Zeit, denn in Hochdruckmaschinen müssen die Maschinenteile sehr passgenau sitzen. Außerdem bestand die Gefahr der Explosion des Kessels.
Die kontinuierliche Weiterentwicklung der druckbetriebenen Dampfmaschine, die zuerst mit so genanntem „Sattdampf“ arbeitete, führte über die einzylindrige Heißdampfmaschine zur zwei- oder dreizylindrischen Compound-Maschine und zuletzt zur mehrzylindrischen Heißdampf-Hochdruck-Dampfmaschine, wie sie von Kemna angeboten wurde. Bei der Sattdampfmaschine befinden sich im Kessel alle Siederohre für die Dampferzeugung im Wasserbett, die Heißdampfmaschine besitzt ein zweites Röhrensystem, das vom Feuer oder den heißen Rauchgasen bestrichen wird. Dadurch wird der Dampf „überspannt“ und erreicht Temperaturen um 350 Grad Celsius. Die Compound-Maschine oder Verbund-Maschine besitzt einen Hochdruckzylinder mit kleiner Bohrung und einen oder mehrere in Serie geschaltete(n) Niederdruckzylinder. Der als Heißdampf in den Hochdruckzylinder eingespeiste, nunmehr teilentspannte und kühlere entweichende Dampf hat immer noch genug Arbeitsvermögen, um den mit einer wesentlich größeren Bohrung versehenen Niederdruckzylinder zu betreiben. Dabei wird versucht, die Zylinderbohrungen so abzustimmen, dass das erzeugte Drehmoment beider Zylinder auf die Kurbelwelle etwa gleich ist. Auch muss das Volumen beider Zylinder auf die Drehzahl der Dampfmaschine abgestimmt sein, damit die Entspannung des Dampfes auf beide Zylinder verteilt wird. Compound-Maschinen gab es im Gleichlauf (beide Kolbenstangen gehen gleichzeitig in die gleiche Richtung) und im Gegenlauf (Kurbelwellenkröpfung um 180 Grad versetzt). Kemna baute ab 1908 Dampfmaschinen mit zwei Hochdruckzylindern.
Die besten Maschinen hatten bereits um 1910 einen sehr hohen Wirkungsgrad und erreichten mit Steinkohle mittlerer Güte einen Verbrauch von etwa 0,5 kg/PS-Stunde.
Frühe Anwendungen der Dampfmaschinen fanden sich in der Textilindustrie zum Antrieb von Textilmaschinen und im Bergbau zur Wasserhaltung. Es folgten Dampflokomotiven, Dampfschiffe sowie Lokomobilen und Lkw. Auch das erste Luftschiff wurde 1852 von einer Dampfmaschine angetrieben. Die industrielle Revolution wurde unter anderem durch die Dampfmaschine erst ermöglicht.
Dampfmaschinen heute
Schema einer 3-fach ExpansionsdampfmaschineAls Fahrzeugantrieb sind Dampfmaschinen weitgehend durch Verbrennungsmotoren abgelöst worden, die ohne Aufwärmzeit starten, einen höheren Wirkungsgrad haben, größere Leistung bei geringerem Gewicht bieten und komfortabler zu bedienen sind. Weiterhin hat die Dampfmaschine durch die flächendeckende Versorgung mit elektrischer Energie ihre Funktion als zentrale Energiequelle eines Industrieunternehmens verloren, die sie lange Zeit innehatte. Im Steinkohlenbergbau wurden und werden noch Dampfmaschinen in Förderanlagen eingesetzt, denn dort kann die Dampfmaschine sowohl als Fördermaschine zum Heben von Kohle als auch als Bremse zum Herablassen von Versatzmaterial dienen. Beim Bremsen wird die Energie zur Erhitzung des Dampfes verwendet.
Obwohl die Zeit der Kolbendampfmaschine schon lange vorbei zu sein scheint, ist eine Renaissance nicht ausgeschlossen. Einer ihrer Vorteile gegenüber dem Verbrennungsmotor ist ihr kontinuierlicher Verbrennungsvorgang, der sich emissionsärmer gestalten lässt. Ein weiterer Vorteil der Dampfmaschine ist ihre extreme Überlastbarkeit bei der Nachfrage von Leistungsspitzen. Durch den heute üblichen geschlossenen Kreislauf von Dampf und Speisewasser ergibt sich eine emissionsarme Schmierung von Zylinder und Kolben der Maschine. In diesem Sinne ist als modernisierte Dampfmaschine der Dampfmotor entwickelt worden.
Im Auftrag der Volkswagen AG hat die IAV GmbH in den späten 1990er Jahren eine solche moderne „Dampfmaschine“ entwickelt, die über eine extrem emissionsarme externe Verbrennung einen gewissen Vorrat an hochgespanntem Dampf erzeugt, der dann wie beim Dieselmotor über Düsen je nach Energiebedarf eingespritzt wird. Ende 2000 ist hieraus die Firma Enginion hervorgegangen und hat aus dem ZEE (Zero Emission Engine)-Prototypen die heutige „SteamCell“ weiterentwickelt. Diese Maschine arbeitet im Zweitaktverfahren und kommt außerdem ohne übliche Schmiermittel aus, weil die Verschleißteile aus modernen Kohlenstoffkomponenten gefertigt sind.
Siehe auch
Weiterführende Literatur
- Heinrich Dubbel: Entwerfen und Berechnen der Dampfmaschinen. 2. verbesserte Auflage, Springer, Berlin 1907.
- F. Fröhlich: Kolbendampfmaschinen. in: Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau, 11. völlig neu bearbeitete Auflage 1953, Zweiter Band, S. 93 ff.
- Conrad Matschoss: Geschichte der Dampfmaschine: ihre kulturelle Bedeutung, techn. Entwicklung u. ihre großen Männer. 3. Aufl. Berlin 1901, Reprint bei: Gerstenberg, Hildesheim, ISBN 3-8067-0720-0.
- Technik leicht verständlich Fachredaktion Technik des Bibliographischen Instituts unter Leitung von Johannes Kunsemüller, Fackel-Buchklub.
- Otfried Wagenbreth, Helmut Düntzsch, Albert Gieseler: Die Geschichte der Dampfmaschine. Aschendorff Verlag, Münster 2001, ISBN 3-402-05264-4.
- Gerhard Buschmann, Herbert Clemens, Michael Hoetger, Bertold Mayr: Der Dampfmotor – Entwicklungsstand und Marktchancen. Sonderdruck aus MTZ Motortechnische Zeitschrift 05/2001, 62. Jahrgang, Friedr. Vieweg & Sohn, Wiesbaden.
- Hebestedt: Die Geschichte der Hettstedter Dampfmaschine von 1785. In: 200 Jahre erste deutsche Dampfmaschine, hrsg. v. VEB Mansfeld Kombinat Wilhelm Pieck, Eisleben 1985.
Einzelnachweise
- ↑ Patent GB 176900913 James Watt: „Steam engines“
- ↑ Günter Jankowski u. a., Zur Geschichte des Mansfelder Kupferschieferbergbaus, Clausthal-Zellerfeld, 1995 (S. 143 ff)
- ↑ Wolfgang Hoth: Erste Dampfmaschinen in Remscheid, Mai 1975
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