Wärmelehre

Wärmekraftmaschinen

Dampfmaschine

  • Wie funktioniert eigentlich eine Dampfmaschine?
  • Was ist so besonders an einem WANKEL-Motor?
  • OTTO- oder DIESEL-Motor?
  • Was versteht man unter einem Wirkungsgrad?

Dampfmaschine

PAPIN's atmosphärische Dampfmaschine

Denis PAPIN (1647 - 1712); unbekannter Autor [Public domain], via Wikimedia Commons

Namhafte Wissenschaftler (HUYGENS, LEIBNITZ, GUERICKE usw.) versuchten, mit der treibenden Kraft des Dampfes das Leben der Menschheit zu erleichtern. Eine erste Vorform einer Dampfmaschine stammt vom Franzosen Denis PAPIN (1647 - 1712). PAPIN war sehr kreativ (u.a. erfand er den Vorläufer des heutigen Dampftopfes) und vielseitig (Doktor der Medizin, Professor der Mathematik). Er machte zahlreiche Entwürfe und führte eine große Zahl von Versuchen durch. Im Jahre 1690 berichtet er über die sogenannte atmosphärische Dampfmaschine.

Bei PAPIN ist das Druckgefäß gleichzeitig Kessel, Zylinder und Kondensator. Die Kondensation geschah durch Wärmeabgabe an die Umgebung. Dazu musste man das vom Gefäß von der Feuerstelle trennen (oder umgekehrt).

  • In einen Zylinder wurde etwas Wasser gefüllt und ein Kolben bis zur Wasseroberfläche heruntergedrückt (die über dem Wasser befindliche Luft konnte über ein Röhrchen entweichen).

  • Bringt man nun das Wasser zum Sieden, so drückt der Wasserdampf den Kolben entgegen der durch den äußeren Luftdruck und der Erdanziehung verursachten Kraft nach oben.

  • In der obersten Stellung wird der Kolben nun arretiert.

  • Lässt man jetzt den Dampf durch Abkühlung kondensieren, so entsteht im Zylinder ein Unterdruck.

  • Aufgrund des äußeren Luftdrucks wird nun der entarretierte Kolben nach unten gedrückt und kann dabei Arbeit verrichten.

PAPIN schreibt: "Da das Wasser die Eigenschaft hat, nachdem es durch Feuer in Dampf verwandelt worden, so elastisch wie Luft zu werden und nachher durch Abkühlen sich wieder so gut zu verdichten, dass es vollkommen aufhört, elastisch zu sein, so habe ich geglaubt, dass man leicht Maschinen machen könnte, in denen das Wasser mittels mäßiger Wärme und geringen Kosten die vollständige Leere (Hinweis: Vakuum) hervorbringen würde, die man vergeblich mit dem Schießpulver zu erzielen versucht hat (Hinweis: Huygens versuchte das Vakuum mittels Explosion zu erzeugen. Zum Auslösen der Explosion verwandte er Schießpulver)."

PAPIN's Ideen stellten einen wesentlichen Schritt auf dem Weg zur funktionierenden Dampfmaschine dar. In der Praxis hatte er jedoch große Schwierigkeiten: Der Kolben schloss nicht dicht genug, notwendige Ventile mussten mit der Hand bedient werden, die Leitungsverbindungen hielten nicht dicht und die Kessel hielten dem Dampfdruck nicht stand.

NEWCOME's Dampfmaschine

Der Schmied Thomas NEWCOMEN (1663 - 1729) verbesserte im Jahre 1712 die Anordnung von PAPIN, indem er eine Idee des englischen Ingenieurs Thomas SAVERY (1650 - 1715), den Dampferzeuger vom Zylinder abzutrennen, übernahm. Außerdem erkannte NEWCOMEN, dass die Kondensation des Dampfes durch direktes Einspritzen von kaltem Wasser in den Zylinder beschleunigt wurde. Das dadurch entstehende "Teilvakuum" reichte immer noch aus, dass die durch den äußeren Luftdruck bewirkten Kräfte Arbeit verrichten konnten. Auch NEWCOMEN's Erfindung ist eine atmosphärische Dampfmaschine.

  • Im ersten Takt strömt heißer Dampf vom Kessel in den Zylinder und hebt den Kolben an.

  • Im zweiten Takt wird kaltes Wasser in den Zylinder gespritzt, der Wasserdampf kondensierte, es entsteht ein Teilvakuum im Zylinder.

  • Im dritten Takt (Arbeitstakt) wird der Kolben durch den äußeren Luftdruck nach unten bewegt, das Kühlwasser fließt aus dem Zylinder ab.

  • Über den Balancier (großer Querbalken) wird auf der linken Seite eine Wasserpumpe betrieben. Außerdem werden durch ihn die Ventile gesteuert.

Im Gegensatz zu den Entwicklungen von PAPIN funktionierten die Dampfmaschinen von NEWCOMEN tatsächlich. Sie dienten - nach weiteren Verbesserungen - fast ein Jahrhundert lang zum Entwässern von Bergwerken. Der oben beschriebene Ablauf wiederholte sich dabei etwa 10mal in der Minute. Allerdings lag der Wirkungsgrad dieser Maschinen bei knapp 1%, d.h. die NEWCOMEN'sche Dampfmaschine verbrauchte fast ebensoviel Kohle, wie aus der Grube gefördert wurde.

Die genialen Entwicklungen von WATT

James WATT (1736 - 1819) hatte mit dem Schmiedemeister NEWCOMEN die hervorragenden handwerklichen Fähigkeiten gemein. Bei WATT kam jedoch das ausgeprägte Interesse an der Wissenschaft hinzu, welches ihn auch die theoretischen Hintergründe einer Wärmekraftmaschine durchschauen lies.

Anlässlich eines Reparaturauftrages für eine NEWCOMEN-Maschine erkannte WATT sehr genau deren Schwächen und ging nun zielstrebig an deren Verbesserung. Um den Dampf zu kondensieren musste NEWCOMEN Wasser in den Zylinder einspritzen, was nicht nur eine Kondensation des Dampfes sondern auch eine Abkühlung des gesamten Zylinders bedeutete und mit hohen Energieverlusten verbunden war. Um dies zu vermeiden führte WATT seine wichtigste Neuerung ein, den Kondensator. Damit entfiel das energiezehrende Aufheizen und Abkühlen des Zylinders, da die Kondensation in einem vom Zylinder getrennten, stets gekühlten Gefäß stattfand. Darüber hinaus baute WATT an den Kondensator eine Pumpe, welche die Luft und warmes Wasser (das später wieder dem Kessel zugeführt wurde) aus dem Kondensator absaugte. Auf diese Weise entstand ein Unterdruck im Kondensator, der den Betrieb der Maschine wesentlich verbesserte. Durch eine wärmedämmende Ummantelung des Zylinders wurden weitere Energieverluste vermieden.

 
Situation zu Beginn des Arbeitstaktes

In seinem ersten eigenen Entwurf baute der geniale Tüftler eine sogenannte "einfach wirkende" Maschine. Im Gegensatz zu den atmosphärischen Maschinen wird bei WATT jedoch die Arbeitsverrichtung nicht durch ein Vakuum bedingt, sondern durch den Druckunterschied, der zwischen dem Raum oberhalb und unterhalb des Zylinders herrscht. In der Abbildung ist schematisch die Funktionsweise dieser "einfach wirkenden" Maschine dargestellt. Sie benötigte nur mehr ein Viertel der Kohlenmenge, welche eine NEWCOMEN-Maschine verschlang.

1-3: Einlass- und Auslassventil sind offen, das Ausgleichsventil ist geschlossen. Heißer Dampf strömt vom Kessel, drückt den Kolben nach unten (dies wird durch den Unterdruck im Kondensator noch unterstützt). Der heiße Dampf verrichtet unter allmählicher Abkühlung Arbeit (Arbeitstakt). Der noch vom vorangegangen Takt vorhandene kalte Dampf wird in den Kondensator geschoben.

4-6: Einlass- und Auslassventil sind geschlossen, das Ausgleichsventil ist offen. Es kann ein Druckausgleich zwischen dem Raum oberhalb und unterhalb des Kolbens erfolgen. Der nicht im Gleichgewicht befindliche Balancier zieht den Kolben wieder nach oben.

Aus dem berühmten Dampfmaschinenpatent von James WATT aus dem Jahre 1769 (verkürzte Darstellung)

Allen denjenigen, welchen dieses Schriftstück zu Gesicht gelangt, sende ich, James Watt, aus Glasgow in Schottland, Kaufmann, meinen Gruß [...] Mein Verfahren der Verminderung des Verbrauches an Dampf und, hierdurch bedingt, des Brennstoffes in Feuermaschinen setzt sich aus folgenden Prinzipien zusammen:

  • Erstens, das Dampfgefäß (Zylinder), in welchem die Kräfte des Dampfes zum Antrieb der Maschine Anwendung finden sollen, muss während der ganzen Zeit, wo die Maschine arbeitet, so heiß erhalten werden, als der Dampf bei seinem Eintritte ist, und zwar erstens dadurch, dass man das Gefäß mit einem Mantel aus Holz oder einem anderen die Wärme schlecht leitenden Material umgibt, dass man dasselbe zweitens mit Dampf oder anderweitigen erhitzten Körpern umgibt und dass man drittens darauf achtet, dass weder Wasser noch ein anderer Körper von niedrigerer Wärme als der Dampf in das Gefäß eintritt oder dasselbe berührt (Wärmeisolation).

  • Zweitens muss der Dampf bei solchen Maschinen, welche ganz oder teilweise mit Kondensation arbeiten, in Gefäßen zur Kondensation gebracht werden, welche von den Dampfgefäßen oder -zylindern getrennt sind und nur von Zeit zu Zeit mit diesen in Verbindung stehen. Diese Gefäße nenn ich Kondensatoren, und es sollen dieselben, während die Maschinen arbeiten, durch Anwendung von Wasser oder anderer kalter Körper mindestens so kühl erhalten werden als die die Maschine umgebende Luft (externe Kondensation des Dampfes) .

  • Drittens, sobald die Luft oder andere durch die Kälte des Kondensators nicht kondensierte Dämpfe den Gang der Maschine stören, so sind dieselben mittels Pumpen, welche durch die Maschine selbst betrieben werden, oder auf andere Weise aus den Dampfgefäßen zu entfernen . . . (Erzeugung von Unterdruck im Kondensator).

Prinzipieller Aufbau der zweifach wirkenden Dampfmaschine

Aufgrund ihrer Konstruktion kam die "einfach wirkende" Dampfmaschine fast ausschließlich als Pumpenantrieb zum Einsatz. Mit der zunehmenden Industrialisierung war man jedoch an einer universell einsetzbaren, gleichmäßig laufenden Betriebsmaschine interessiert. Diese Forderung erfüllt WATT indem er bei der "zweifach wirkende" Maschine die Räume über und unter dem Kolben abwechselnd mit dem Kondensator verbindet. So kann er beide Kolbenbewegungen als Arbeitshübe nutzen. Ein Gewicht zum Hochziehen des Kolbens ist nicht mehr nötig, der Balancier konnte bei Fortentwicklungen entfallen. Während WATT noch mit relativ niedrigem Dampfdruck arbeitete, setzte man sogenannte Hochdruckdampfmaschinen ein, die eine höhere Leistung bei kleinerer Bauweise erzielten.

Druckversion