"Wat is en 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
In einer atmosphärischen Dampfmaschine wird der Zylinderraum unter dem Kolben (Technik) 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. 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
Watt'sche Niederdruckdampfmaschine
Watt'sche Niederdruckdampfmaschine
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Das erste von Dampf angetriebene Gerät wurde von dem Griechen Heron von Alexandria im 1. Jahrhundert erfunden, aber nur als Spielerei verwendet (Aeolopile). 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 Arbeitshub in Richtung des abkühlenden Dampfes gezogen bzw. vom Atmosphärendruck dorthin gedrückt, und anschließend durch das Eigengewicht der 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 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 konne 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. Dieses Parallelogramm läßt sich an der neben stehenden Abbildung mit den Buchstaben a, b, r, s, t, u erkennen. James Watt bezeichnete diese Erfindung als seine bedeutenste; sie gilt auch heute noch als Musterbeispiel für die Lösung der Aufgabe, eine kreisförmige Bewegung in eine geradlinige nur mit Hilfe von Drehgelenken umzuwandeln. Zuvor hatte man sich mit einer Kette zur Verbindung von Kolbenstange und Balancier beholfen. Weiterhin gilt James Watt als Entdecker 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.
Die Wattsche Dampfmaschine ersparte durch diese Verbesserungen gegenüber ihren Vorgängern ein Vielfaches der Wärmeenergie erzeugt durch Steinkohlen. Mit seinem kaufmännischen Teilhaber Matthew Boulton verkaufte er seine Maschinen 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 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.
Siehe auch: Liste bedeutender Erfindungen
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).
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.
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.
Eine Kolbenmaschine zur Ausnutzung thermischer Energie ist der Stirlingmotor, der die Energie durch einen Kreisprozess wesentlich effizienter umsetzt.
Weiterführende Links
Weiterführende Literatur
- Die Geschichte der Dampfmaschine Historische Entwicklungen - Industriegeschichte - Technische Denkmale Autoren: Otfried Wagenbreth, Helmut Dützsch, Albert Gieseler Aschendorff-Verlag Münster ISBN 3-402-05264-4
- Die Maschine Geschichte - Elemente - Funktion Autor: Sigvard Strandh Herder Verlag ISBN 3-451-18873-2
- Umwelt: Technik 9 von Gerhard Hessel, Peter Kornaker und Rainer Schönherr aus dem Ernst Klett Schulbuchverlag
- Physik mit SI-Einheiten (Gesamtausgabe) von Walz aus dem Schroedel Verlag
- Tempora aus dem Klett Verlag (Internet)
- Technik leicht verständlich Fachredaktion Technik des Bibliographischen Instituts unter Leitung von Johannes Kunsemüller aus dem Fackel-Buchklub
- Bewegungssignale Maschinen und Welten(Zeitschrift zum Jahr der Technik) von Lucian Haas, Tim Schröder und Monika Wimmer