Dampfmaschine Wann Erfunden

[Urbano Bozman]

EineDampfmaschine ist eine Wrmekraftmaschine, die Wrmeenergie 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.

In einer atmosphrischen Dampfmaschine wird der Zylinderraum unter dem Kolben mit Wasserdampf gefllt, der dann bis zur Kondensation abgekhlt wird. Daraufhin wird der Kolben durch den ueren Atmosphrendruck in den Zylinder gedrckt. Die ausfahrende Bewegung des Kolbens erfolgt von auen, beispielsweise durch eine Schwungmasse (Schwungrad).

Bei Hochdruckdampfmaschinen wird das Wasser weit ber 100 C erhitzt, so dass sich ein hherer Druck aufbaut. Auf eine Abkhlung des aus dem Zylinder austretenden Wasserdampfes kann verzichtet werden (Auspuffbetrieb). Der Kondensator fllt also weg, was diesen Maschinentyp in Verbindung mit der hheren Energiedichte des unter hohem Druck stehenden Dampfes erheblich leichter macht und damit den Einsatz von Dampfmaschinen in Dampflokomotiven erst ermglichte.Vertreter dieser Bauart sind praktisch alle Kolben-Dampfmaschinen in Fahrzeugen seit Richard Trevithick ab etwa 1802 (s. u.).

301 v.Chr. baute Archimedes mit der Dampfkanone ein mit Wasserdampf betriebenes Geschtz. Das erste von Dampf angetriebene Gert 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 groe 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 atmosphrische Dampfmaschine erzeugte durch Einspritzen von Wasser in einen mit Dampf gefllten Zylinder einen Unterdruck gegenber der Atmosphre. Mit diesem Druckunterschied wurde der Kolben im Arbeitstakt vom atmosphrischen Luftdruck nach unten gedrckt und anschlieend durch das Eigengewicht der anzutreibenden Pumpenstange wieder nach oben in die Ausgangsposition gezogen. Die Kraftbertragung zwischen Kolbenstange und Balancier erfolgte mittels einer Kette. Der Wirkungsgrad der Newcomenschen Maschine lag bei 0,5 Prozent.

James Watt, dem oft flschlicherweise die Erfindung der Dampfmaschine zugeschrieben wird, verbesserte den Wirkungsgrad der Newcomen'schen Dampfmaschine erheblich, indem er ab 1769 einerseits den Abkhlvorgang 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 gegenberliegenden Seite den Auslass zum Kondensator ffnete. So konnte Watt auf das mechanische Rckfhren des Kolbens verzichten, und die Maschine bei beiden Kolbenhben Arbeit verrichten lassen. Zusammen mit der Erfindung des Watt'schen Parallelogramms war es mglich, die Maschine ein Schwungrad drehen zu lassen. Dieses Parallelogramm lsst sich an der nebenstehenden Abbildung mit den Buchstaben a, b, r, s, t, u erkennen. James Watt bezeichnete diese Erfindung als seine bedeutendste; sie gilt auch heute noch als Musterbeispiel fr die Lsung der Aufgabe, eine kreisfrmige 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 Schlieen der Ventile erreicht; dadurch wird die Zufhrung von Dampf in den Zylinder unterbrochen, whrend der darin eingeschlossene Dampf weiter Arbeit leistet. Weiterhin fhrte James Watt den Fliehkraftregler zur Geschwindigkeitsregulierung seiner Maschine ein. Vorher war dieses Maschinenelement bereits beim Bau und Betrieb von Mhlen eingesetzt worden.

Die Watt'sche Dampfmaschine ersparte durch diese Verbesserungen gegenber ihren Vorgngern ein Vielfaches der Wrmeenergie, die zum Betrieb der Maschine notwendig war. Der Wirkungsgrad der Wattschen Maschine erreichte schlielich 3,0 Prozent.

Mit seinem kaufmnnischen Teilhaber Matthew Boulton verkaufte er seine Maschinen jedoch nicht, sondern stellte sie seinen Kunden zur Verfgung, um sich einen Teil der eingesparten Brennstoffkosten auszahlen zu lassen. Damit war eine frhe 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 Straenfahrzeug einbaute. Voraussetzung fr die Funktionsfhigkeit der Hochdruckdampfmaschinen war der Fortschritt in der Metallherstellung und -bearbeitung zu dieser Zeit, denn in Hochdruckmaschinen mssen die Maschinenteile sehr passgenau sitzen. Auerdem besteht die Gefahr der Explosion des Kessels.

Wo die erste Dampfmaschine Deutschlands stand, ist strittig. Eine der ersten Dampfmaschinen Deutschlands stand 1793 in Eschweiler. 1803 baute Franz Dinnendahl die erste Dampfmaschine im Ruhrgebiet. Vorgestellt in England, wurde sie auf der Zeche Vollmond in Bochum-Langendreer in Betrieb genommen.

Die kontinuierliche Weiterentwicklung der druckbetriebenen Dampfmaschine, die zuerst mit so genanntem "Sattdampf" arbeitete, fhrte ber die einzylindrige Heidampfmaschine zur zwei- oder dreizylindrischen Compound-Maschine und zuletzt zur mehrzylindrischen Heidampf-Hochdruck-Dampfmaschine, wie sie von Kemna angeboten wurde.Bei der Sattdampfmaschine befinden sich im Kessel alle Siederohre fr die Dampferzeugung im Wasserbett, die Heidampfmaschine besitzt ein zweites Rhrensystem, dass vom Feuer oder den heien Rauchgasen bestrichen wird. Dadurch wird der Dampf "berspannt" 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 Heidampf in den Hochdruckzylinder eingespeiste, nunmehr teilentspannte und khlere entweichende Dampf hat immer noch genug Arbeitsvermgen, um den mit einer wesentlich greren 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 (Kurbelwellenkrpfung um 180 Grad versetzt).Kemna baute ab 1908 Dampfmaschinen mit 2 Hochdruckzylindern.

Frhe 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 ermglicht.

Als Fahrzeugantrieb sind Dampfmaschinen weitgehend durch Verbrennungsmotoren abgelst worden, die ohne Aufwrmzeit starten, einen hheren Wirkungsgrad haben, grere Leistung bei geringerem Gewicht bieten und komfortabler zu bedienen sind. Weiterhin hat die Dampfmaschine durch die flchendeckende 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 Frderanlagen eingesetzt, denn dort kann die Dampfmaschine als Frdermaschine zum Heben von Kohle, als auch als Bremse zum Herablassen von Versatzmaterial dienen. Beim Bremsen wird die Energie zur Erhitzung des Dampfes verwendet.

Im Auftrag der Volkswagen AG hat die IAV GmbH in den spten 1990er Jahren eine solche moderne "Dampfmaschine" entwickelt, die ber eine extrem emissionsfreie externe Verbrennung einen gewissen Vorrat an hochgespanntem Dampf erzeugt, der dann wie beim Dieselmotor ber Dsen je nach Energiebedarf eingespritzt wird. Ende 2000 ist hieraus die Firma Enginion hervorgegangen und hat aus dem ZEE (Zero Emission Engine) Prototyp die heutige SteamCell weiterentwickelt. Diese Maschine arbeitet im Zweitaktverfahren, praktisch emissionsfrei und auerdem ohne bliche Schmiermittel, weil die Verschleiteile aus modernen Kohlenstoffkomponenten gefertigt sind.

In diesem Jahr, 2023, existiert die Dampfmaschine bereits 254 Jahre. Sie hat unsere Welt verndert und die Industrialisierung vorangetrieben. Doch tatschlich haben wir die Geschichte der Dampfmaschine lange falsch erzhlt, denn ihr Erfinder ist nicht James Watt. Mehr ber die Dampfmaschine und ber ihre Bedeutung im 21. Jahrhundert finden Sie hier.

1769 meldete James Watt Patent auf die Dampfmaschine an. Da James Watt dieses Patent anmeldete, wird er bis heute oft als der Erfinder der Dampfmaschine bezeichnet. Dies ist allerdings nicht ganz korrekt. Watt hat tatschlich einen groen Teil zur Entwicklung der Dampfmaschine beigetragen, aber viele Wissenschaftler waren an der Realisierung der Wrmekraftmaschine beteiligt. Der erste bekannte Wissenschaftler, der an der Dampfmaschine arbeitete, war Denis Papin. Als franzsischer Physiker arbeitete er bereits 1690 an der Technik der Maschine - knapp 80 Jahre bevor James Watt das Patent angemeldet hat.

Denis Papin arbeitete damals an einem Zylinder, in dessen Innenraum sich Wasser und ein Kolben befanden. Durch Erwrmung und Abkhlung des Wassers im Innenraum des Zylinders bewegt sich der Kolben. So entstand mechanische Energie. Die erste richtige Dampfmaschine wurde dann in England von Thomas Savery gebaut. Diese Maschine pumpte Grundwasser aus Bergwerken herauf. Doch noch immer waren die Dampfmaschinen nicht besonders wirkungsvoll. 1712 erfand dann der englische Schmied Thomas Newcomen die atmosphrische Dampfmaschine.

James Watt, geboren in Schottland, war fasziniert von der Dampfmaschine und widmete sich der weiteren Entwicklung der Konstruktion. Er begann 1759, sich mit den Wrmekraftmaschinen auseinanderzusetzen. Er band einen Kondensator an die atmosphrische Dampfmaschine von Newcomen und verbesserte so ihren Wirkungsgrad. Zehn Jahre spter meldete Watt Patent an. Watt entwickelte in der Zeit seiner Entwicklung die einfach- und die zweifachwirkende Dampfmaschine. Diese wurde bald in Fabriken aller Art als Pumpe eingesetzt.

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