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Dampfmaschine

Kolben-Wärmekraftmaschine
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"Wat is´ne Dampfmaschin´? Da stelle mer uns janz dumm,
und da sage mer so: En Dampfmaschin, dat is ene jroße
schwarze Raum. Der hat hinten un vorn e Loch. Dat eine
Loch, dat is de Feuerung. Und dat andere Loch, dat
krieje mer später."
Lehrer Bommel in Die Feuerzangenbowle


Eine Dampfmaschine ist eine Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie teilweise in mechanische Arbeit umwandelt.

Wirkungsweise

Wird Wasser in einem geschlossenen Raum bis zum Sieden erhitzt, entsteht Wasserdampf und der Druck in dem Raum steigt. Der Siedepunkt des Wassers beträgt rund 100°C bei Normaldruck und wird bei steigendem Druck höher. Wird Wasserdampf in einem geschlossenen Raum abgekühlt und zur Kondensation gebracht, verringert sich der Druck in dem Raum.

Beide Effekte können genutzt werden, um einen Kolben in einem Zylinder hin und her zu bewegen oder in anderer Form mechanische Energie zu nutzen.

In einer atmosphärischen Dampfmaschine wird der innere 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, z.B. durch eine Schwungmasse. Der bekannteste Vertreter dieser Bauart war die atmosphärische Dampfmaschine von Thomas Newcomen ab 1712 (s.u.).

Bei einer Niederdruck-Dampfmaschine drückt zusätzlich Dampf mit einigen 100 mbar Überdruck auf die andere Kolbenseite. 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.).

Bei Hochdruck-Dampfmaschinen wird das Wasser weit über 100°C erhitzt, so dass sich ein höherer Druck aufbaut. Bei Dampflokomotiven sind bis zu 20bar und darüber üblich. Auf eine Abkühlung des aus dem Zylinder austretenden Wasserdampfes kann verzichtet werden (Auspuffbetrieb). Der Kondensator fällt also weg, was diesen Maschinentyp in Verbindung mit der höheren Energiedichte des unter hohem 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 (Püsterich). 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. Diese so genannte atmosphärische Dampfmaschine erzeugte durch Einspritzen von Wasser in einen mit Heißdampf gefüllten Kolben einen Unterdruck gegenüber der Atmosphäre. Mit diesem Druckunterschied wurde der Kolben im Arbeitshub in Richtung des abkühlenden Dampfes gezogen bzw. vom Atmosphärendruck dorthin gedrückt, und anschließend durch ein Gegengewicht (in der Regel das Eigengewicht einer anzutreibenden Pumpenstange) wieder in die Ausgangsposition zurückgeführt.

James Watt, dem oft fälschlicherweise die Erfindung der Dampfmaschine zugeschrieben wird, verbesserte den Wirkungsgrad der Newcomen'schen Dampfmaschine erheblich, indem er einerseits den Abkühlvorgang aus dem Kolben heraus in einen separaten Kondensator verlagerte, andererseits den Kolben abwechselnd von der einen und der anderen Seite mit Heißdampf beschickte - und auf der jeweils gegenüberliegenden Seite den Auslass zum Kondensator öffnete. So konne Watt auf das mechanische Rückführen des Kolbens verzichten, und die Maschine bei beiden Kolbenhüben Arbeit verrichten lassen.

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 besteht die Gefahr der Explosion des Kessels.

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


Frühe Anwendungen der Dampfmaschinen fanden sich insbesondere im Bergbau zur Wasserhaltung. Es folgten Dampflokomotiven, Dampfschiffe und Lokomobile. Die Abbildung rechts zeigt ein Raddampfer um die Jahrhundertwende. Raddampfer zeichnen sich dadurch aus, dass ein Schaufelrad auf der Seite oder am Heck vorhanden ist. Die industrielle Revolution wurde durch die Dampfmaschine erst ermöglicht.

Neuzeit

Als Fahrzeugantrieb sind Dampfmaschinen weitgehend durch Verbrennungsmotoren abgelöst worden, die einen höheren Wirkungsgrad haben, größere Leistung bei geringerem Gewicht bieten und komfortabler zu bedienen sind. Der schlechte Wirkungsgrad der Dampfmaschinen liegt an der Notwendigkeit, das Wasser mit großem Energieaufwand verdampfen zu müssen, ohne die Verdampfungsenergie nutzen zu können und am geringen ausnutzbaren Temperaturgefälle (Carnot-Wirkungsgrad). Die Temperaturobergrenze wird bei Dampflokomotiven durch das Schmieroel vorgegeben und liegt bei 400 Grad. Bei Auspuffbetrieb liegt die untere Temperatur deutlich über 100 Grad.

Obwohl die Zeit der Kolbendampfmaschine schon lange vorbei zu sein scheint, ist eine Renaissance nicht völlig ausgeschlossen. Einige Vorteile einer Dampfmaschine gegenüber dem Verbrennungsmotor sind ihr kontinuierlicher Verbrennungsvorgang, der sich viel emissionsärmer gestalten lässt, dadurch auch weniger Verschleiß/Wartung, reduzierte Öl-Emissionsgefahr durch Wasserschmierung. Der Wasserkreislauf kann geschlossen ausgeführt werden.
In Entwicklungsländern halten sich Dampflokomotiven vor allem, weil die Technik einfacher ist und Dampf mit beliebigen Energieträgern erzeugt werden kann.

Eine modernere Maschine zur Nutzung von Dampfkraft mit hohem Wirkungsgrad ist die Dampfturbine, die zum Beispiel bei Wärmekraftwerken zum Einsatz kommt. Bei Kraftwerksanlagen wird der Abdampf hinter der Turbine kondensiert, um gegen ein Vakuum zu arbeiten und nicht gegen den atmosphärischen Luftdruck.

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