Dampfmaschine

Kolben Zylinder Dampfmaschine.jpg und Zylinder einer atmosphärischen Dampfmaschine]]

Dampfmaschine.jpg mit einer Leistung von über 300 PS]]

Eine Dampfmaschine ist eine Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie teilweise in mechanische Arbeit umwandelt. Die heute industriell verbreitete Bauform ist die Dampfturbine. Unter einer "Dampfmaschine" wird aber im Deutschen vor allem die Kolbendampfmaschine, eine dampfgetriebene Kolbenmaschine, verstanden, um die es in diesem Artikel geht. Die Dampfmaschine war die erste Kraftmaschine, die mit fossilen Brennstoffen in Form von Steinkohle betrieben wurde.

Wirkungsweise einer Kolbendampfmaschine

Die Kolbendampfmaschine setzt thermodynamische Energie (Dampfdruck) 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, der dann bis zur Kondensation abgekühlt wird. Daraufhin wird der Kolben durch den äußeren Atmosphärendruck in den Zylinder gedrückt. Die ausfahrende Bewegung des Kolbens erfolgt von außen, beispielsweise durch eine Schwungmasse.

Der bekannteste Vertreter dieser Bauart war die atmosphärische Dampfmaschine von Thomas Newcomen ab 1712 (s. u.)

Niederdruckdampfmaschine

Bei einer Niederdruckdampfmaschine drückt zusätzlich Dampf mit einigen 100 mbar Überdruck auf die andere Seite des Kolbens. Auf den Kolben wirken dadurch Überdruck plus Atmosphärendruck, was die Leistungsfähigkeit erhöht. 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

Das erste von Dampf angetriebene Gerät wurde von dem Griechen Heron von Alexandria im 1. Jahrhundert erfunden, aber nur als Spielerei verwendet (Aeolipile). Es folgten einige weitere Versuche, die alle keine große Anwendung fanden, unter anderem von Denis Papin 1690 und Thomas Savery 1698.

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 Newcomen'schen Dampfmaschine erheblich, indem er ab 1769 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 Watt'schen 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 kreisförmige Bewegung in eine geradlinige 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 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 Maschinenleasings geboren.

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.

Wo die erste Dampfmaschine Deutschlands stand, ist strittig. Eine der ersten Dampfmaschinen Deutschlands stand 1793 in Eschweiler und wurde dort für die Wasserhaltung im Bergbau eingesetzt. 1803 baute Franz Dinnendahl die erste Dampfmaschine im Ruhrgebiet. Hergestellt in England, wurde sie auf der Zeche Vollmond in Bochum-Langendreer in Betrieb genommen. Im Mansfeld-Museum steht die erste deutsche Dampfmaschine Wattscher Bauart, die auf dem König-Friedrich-Schacht bei Hettstedt im Jahr 1785 in Betrieb genommen wurde. Die Maschine kann in Bewegung vorgeführt werden. Auch das oberschlesische Tarnowitz sonnt sich in diesem Ruhm. Hier wurde angeblich am 19. Januar 1788 die erste Dampfmaschine auf dem europäischen Festland in Betrieb genommen. Sie diente zur Entwässerung der Tarnowitzer Bergwerke.

Mit diesen Entwicklungen wurden Dampfmaschinen ab der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts nun auch wirtschaftlich.

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, dass 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 2 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 durch die Dampfmaschine erst ermöglicht.

Neuzeit

Als 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 emissionsfreie 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, ist praktisch emissionsfrei 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, Berlin, Springer 1907
F. Fröhlich, Kolbendampfmaschinen, in: Dubbels Taschenbuch für den Maschinenbau, 11. völlig neu bearbeitete Auflage 1953, Zweiter Band, S.93ff
Conrad Matschoss, Geschichte der Dampfmaschine: ihre kulturelle Bedeutung, techn. Entwicklung u. ihre grossen Männer, 3. Aufl. Berlin 1901, Reprint bei: Gerstenberg, Hildesheim, ISBN 3806707200
Technik leicht verständlich Fachredaktion Technik des Bibliographischen Instituts unter Leitung von Johannes Kunsemüller, Fackel-Buchklub
Lucian Haas, Tim Schröder, Monika Wimmer, Bewegungssignale Maschinen und Welten (Broschüre zum Jahr der Technik), Bonn : Bundesministerium für Bildung und Forschung, 2004, Download: http://www.bmbf.de/pub/bewegungssignale_maschinen_und_welten.pdf
Sigvard Strandh, Die Maschine, Geschichte - Elemente - Funktion, Freiburg im Breisgau ^* : Herder, 1980, ISBN 3-451-18873-2
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, Verlagsges. mbH, Wiesbaden

Offprint from MTZ Motortechnische Zeitschrift 62/2001 - Vol. 5, Friedr. Vieweg & Sohn, Verlagsges. mbH, Wiesbaden

Weblinks

Dampfmaschine | Technikgeschichte der Frühen Neuzeit

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