Wärmekraftmaschinen

Wärmelehre

Wärmekraftmaschinen

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

Herons Dampfantrieb

Heron von Alexandria lebte wahrscheinlich um 100 n. Chr. Er war einer der genialsten Ingenieure seiner Zeit und entwarf Druckapparaturen, die erst viel später praktische Verwendung fanden.

Seine berühmteste Erfindung dürfte wohl der sogenannte "Heronsball" sein, eine Spritzflasche, die auch heute noch im chemischen Labor oder in Parfümzerstäubern Verwendung findet.

Die mit Wasserdampf betriebene Drehkugel (Aeolipile) ist wohl Herons bedeutendste Erfindung, in ihr ist das Grundprinzip der heutigen Rückstoßturbinen bereits verwirklicht.
In einem Wasserkessel wird Dampf erzeugt, der über eine Rohrleitung in eine leicht drehbare Kugel geleitet wird. An der Kugel befinden sich zwei Düsen, durch welche der Wasserdampf austreten und die Kugel nach dem Rückstoßprinzip in Bewegung setzen kann.

Animation von der Seite Thinkquest

 

Wesentlich mysteriöser, aber auf dem gleichen Prinzip wie der Heronsball beruhend, waren die Tempeltüröffner:

"Sobald vor den Tempeln das heilige Altarfeuer entzündet war, öffneten sich nach einiger Zeit - ohne sichtbares Zutun des Menschen - durch eine geheimnisvolle Kraft die Tempeltüren. Wenn dann die Gläubigen das Heiligtum betraten, umfing sie wieder allerlei Zauberei. In feinen Strahlen rieselte geweihter Regen herunter, bronzene Vögel öffneten die Schnäbel und ließen überirdische Töne erklingen. Ging der Gottesdienst zu Ende, dann tröpfelte Wasser auf das Opferfeuer, es erlosch. Die Gläubigen strömten aus dem Tempel und sahen bald darauf, wie die Türen - wiederum gleichsam von Geisterhand bewegt - sich langsam schlossen. Leicht erklärlich, dass die damaligen Tempelpriester nichts von dem Wunderwerk verrieten, das sich unterhalb des Tempels befand und das sie für ihre Zwecke gebührend auszunutzen verstanden." (aus H. Netz: Vom Heronsball nach Calder Hall; Deutsches Museum 1965)

Versuche den "Tempeltüröffner" physikalisch zu erklären.

James WATT (1736 - 1819)

James WATT (1736 - 1819)
von Henry Howard [Public domain], via Wikimedia Commons

James WATT wurde am 19. Januar 1736 in Greenock, Schottland geboren. Im Alter von 17 entschloss er sich, Maschineningenieur zu werden. Zwei Jahre später sollte er eine NEWCOMEN-SAVERY Dampfmaschine, die zum Pumpen von Wasser aus Minen benutzt wurde, reparieren. Sie faszinierte ihn so, dass er begann sie weiter zu verbessern. Im Alter von 29 konstruierte WATT einen getrennten Kondensator für Dampfmaschinen. Er untersuchte die Eigenschaften von Wasserdampf, vor allem die Beziehung zwischen Ausdehnung, Druck und Temperatur des Dampfs. Aufgrund dieser Erkenntnisse konstruierte er eine getrennte Kondensatorkammer für die Dampfmaschine, die den Wirkungsgrad der Dampfmaschine stark erhöhte, weiter verbesserte er die Vakuumqualität. 1767 baute er eine Erweiterung für Fernrohre, die erlaubte, Distanzen zu messen. 1768 ging WATT eine Verbindung zu John ROEBUCK of the Carron, einem Britischen Erfinder ein, der nun WATTs Forschung finanzierte, und er erhielt im nächsten Jahr Patente für seine Methode der Treibstoff- und Dampfreduzierung in Maschinen und für andere Verbesserungen an Newcomen's Maschine.

1772 ging ROEBUCK Bankrott und drei Jahre später wurde Matthew BOULTON, ein Englischer Unternehmer, dem die Soho Engineering Works in Birmingham gehörte, WATTs neuer Partner. WATT und BOULTON begannen mit der Produktion von Dampfmaschinen.

WATT überwachte von 1776 bis 1781 die Installation von Pumpmaschinen in Kupfer- und Zinnminen. Er fuhr mit seiner Forschung fort und erhielt viele Patente für andere wichtige Erfindungen, wie das sun-and-planet Getriebe, eine Drehkolbenmaschine, eine doppelt wirkende Maschine und einen Dampfmesser umfassten.

1785 wurde er zum fellow der Royal Society of London gewählt. 1788 erfand er den Fliehkraftregulator, der die Geschwindigkeit der Maschine automatisch regelte, 1790 ein Druckmessgerät. Im 19. Jahrhundert zog er sich aus der Firma zurück und widmete sich seiner Forschungsarbeit. James WATT wird manchmal fälschlicherweise als Erfinder der Dampfmaschine betrachtet. Richtig ist aber, dass er einen sehr bedeutenden Beitrag zur Entwicklung dieser Maschine geleistet und damit ihrem industriellen Durchbruch den wohl entscheidenden Impuls gegeben hat.

Das Watt, die Einheit der Leistung, wurde zu seiner Ehre nach ihm benannt. Neben seiner Maschineningenieur- und Erfindertätigkeit war WATT auch als Bauingenieur tätig und vermaß verschiedene Kanalrouten.

WATT starb am 19. August 1819 in Heathfield, England.

Rudolf DIESEL (1858 - 1913)

Rudolf DIESEL (1858 - 1913)
unbekannter Fotograf [Public domain], via Wikimedia Commons

Rudolf Christian Karl DIESEL wird am 18. 03.1858 in Paris geboren und verbringt dort seine Kindheit.

Mit 12 Jahren wird seine Familie aus Frankreich ausgewiesen.

Er geht in Augsburg zur Schule und studiert an der TU-München.

Anschließend arbeitet er in leitender Position bei der Firma Linde und entwickelt Kältemaschinen.

1892 erhält er ein Patent auf eine Verbrennungskraftmaschine und entwickelt mit verschiedenen Firmen mehr oder weniger erfolgreich den "Diesel-Motor" weiter.

Am 30.09.1913 ertrinkt er auf der Schiffsüberfahrt von Frankreich nach England.

Eine Biographie DIESELs zeigt seine Schule, das Holbein-Gymnasium in Augsburg.

Automobilgeschichte

1769

Im diesem Jahr baut der Franzose Joseph Cugnot eines der ersten dampfgetriebenen Fahrzeuge. Die nebenstehend abgebildete Maschine war sehr leistungsschwach, so dass das Gefährt mit 4 Personen zunächst nur eine Geschwindigkeit von 4 km/h erreichte. Die Präsentation des Fahrzeugs dauerte ca. zwölf Minuten, da nach dieser Zeit der zuvor "aufgeladene" Dampfkessel leer war. Cugnot konnte die Geschwindigkeit noch auf 10 km/h steigern. Sein Fahrzeug ließ sich auf Grund der schlechten Straßenlage nur schwer steuern. Bei einer Probefahrt zerstörte der Erfinder seine Entwicklung selbst.

1860

Étienne Lenoir entwickelt den doppelt wirkenden Gasmotor. Diese Erfindung ähnelt der doppelt wirkenden Dampfmaschine von Watt sehr stark. Neu ist jedoch, dass das Explosionsgemisch erst innerhalb des Zylinders erzeugt wird. Die Verbrennung des Gases findet einmal auf der linken und einmal auf der rechten Seite des Kolbens statt, so dass dieser in horizontaler Richtung hin- und herbewegt wird. Die Zündung des Gasgemisches erfolgt durch einen Induktionsfunken. Mit dem Lenoir-Motor beginnt die Geschichte der Verbrennungskraftmaschinen. 1863 läuft der erste dreirädrige Straßenwagen mit einem Lenoir-Motor, als Brennstoff dient Leuchtgas.

Die nebenstehende Skizze soll einen Eindruck vermitteln, wie frühe Motoren ausgesehen haben, das Funktionsprinzip wird jedoch leider nicht deutlich.

1886

Unabhängig voneinander bauen Carl BENZ in Mannheim und das Gespann Wilhelm MAYBACH und Gottlieb DAIMLER in Cannstatt die ersten Fahrzeug mit Benzinmotor.

Während BENZ ein völlig neues Verkehrsmittel entwickeln wollte, bei dem alle Komponenten (Lenkung; Kraftübertragung usw.) aufeinander abgestimmt sind, geht es MAYBACH und DAIMLER mehr um einen leistungsfähigen Motor, der zunächst nur in einen hölzernen Kutschwagen eingebaut wurde.

Im Wesentlichen benutzten alle drei Konstrukteure (mit kleinen Abwandlungen) den von Nikolaus OTTO im Jahre 1876 entwickelten Viertaktmotor.

Auf der Internetseite des Deutschen Museums in München kannst du Näheres über die Entwicklung des Motorwagens von Carl BENZ nachlesen.



Motorwagen von Carl BENZ (v = 16 km/h)


Motorkutsche von Gottlieb DAIMLER

 


Erster Dieselmotor (Deutsches Museum München)

1892

Rudolf Diesel meldet den nach ihm benannten Motor zum Patent an. Dieser Motor kommt ohne Zündanlage und ohne Vergaser aus.

 

1903

Der Amerikaner Henry Ford baut die erste große Autofabrik und führt die Fließbandfertigung ein. Dadurch sinkt der Preis und das Auto wird zur Massenware. Vom nebenstehenden Modell Ford T wurden 14 Millionen Stück verkauft.

 



Der Erfinder mit einem Motorenmodell

1957

Dem deutschen Ingenieur Felix Wankel gelingt der erste Probelauf eines Kreiskolbenmotors. Bei diesem Motor muss nicht mehr eine Hin- und Herbewegung in eine Kreisbewegung umgewandelt werden, da sich der Kolben bereits dreht.

Dampfmaschine und Industrialisierung

Am Beispiel der Dampfmaschine kann man gut sehen, wie sich Fortschritte auf verschiedenen Gebieten der Technik gegenseitig günstig beeinflussten.

  • Seit Anfang des 18. Jahrhunderts machte sich in der führenden Industrienation England ein Rückgang des Holzvorrates bemerkbar. Das beförderte einerseits die Nachfrage nach Eisen als Fertigungsmaterial, andererseits die Ausbreitung der Koksverwendung im Eisen-Hüttenbetrieb, in dem man früher weitgehend Holzkohle bei der Eisengewinnung einsetzte.

  • Die steigende Nachfrage nach Eisen trieb ihrerseits wieder die Verbesserung des Hochofenbetriebs und auch die Nutzung des Kokses an.

  • Die steigende Nachfrage nach Kohle, die durch die zunehmende Verwendung von Koks hervorgerufen wurde, förderte den Bergbau und nötigte zu tieferen Bohrungen und zur Anlage von tieferen Schächten, um größere Mengen von Kohle gewinnen zu können.

  • Tiefere Schächte standen in größerer Gefahr zu "versaufen" und nötigten daher zur Verbesserung des Pumpwerkes.

  • Bessere Pumpwerke setzten eine bessere und wirkungsvollere Ausnutzung der Energiequellen voraus, vor allem aber eine Verbesserung der im 18. Jahrhundert bereits für Pumpzwecke vorhandenen Dampfmaschinen von Newcomen.

  • Die Verbesserung der Dampfmaschine durch James Watt machte ihrerseits bessere und exaktere Schmiedearbeit vor allem in der Herstellung des Zylinders für die Dampfmaschine notwendig.

  • Auf der anderen Seite schuf die Einführung der Dampfmaschine auch in der Eisenindustrie die Voraussetzung für die Verbesserung der Eisenverarbeitung und der Schmiedearbeit bei der Verwendung des Dampfes als Antrieb von Hammer, Walze und Gebläse.

Neben der Verwendung im Berg- und Hüttenwesen spielte die Dampfmaschine als stationärer Antrieb in den Fabriken eine immer wichtigere Rolle. Über ein Gewirr von Rollen und Lederriemen wurden von der zentralen Dampfmaschine aus eine Vielzahl von kleineren Maschinen angetrieben (heute hat jede kleinere Maschine ihren eigenen Elektromotor).

Eine besonders tiefgreifende Umwälzung rief die Dampfmaschine auf dem Gebiet des Verkehrs hervor. R. Fulton baute 1807 das erste brauchbare Dampfschiff "Clermont", das zwischen New York und Albany verkehrte. Die Strecke von 240km wurde in 32 Stunden zurückgelegt. Schon 1819 konnte das erste größere Dampfschiff, das allerdings auch noch Segel führte, in 29,5 Tagen den Atlantik überqueren. In der vierziger Jahren des 19. Jahrhunderts nahm die Dampfschifffahrt einen raschen Aufschwung. Große Reedereien wurden gegründet, die Schiffsschraube hielt Einzug, und das Eisen stetzte sich als Schiffsbaumaterial durch.

Wer sich für die Dampfschifffahrt interessiert, kann auf Rainer Radow`s Steamboat-Seiten Informationen zu Originalen bekommen.

Tramroad von Pen-y-darran

An die Seite des Dampfschiffs trat als neues Beförderungsmittel die Dampfeisenbahn, die erst den umfangreichen Gütertransport ermöglichte, den das aufsteigende Fabrikwesen erforderte. Der geniale Engländer Richard Trevithick baute 1803 die erste Schienenlokomotive der Welt. Sie kam am 21. 02. 1804 erstmals auf der Tramroad von Pen-y-darran zum Einsatz.

Ab 1814 wurden auch Dampflokomotiven für den Einsatz auf Grubenbahnen entwickelt. Zudem wurde bereits seit 1789 an der Verbesserung der Schienen gearbeitet.

Modell der "Rocket"

1829 gewann die "Rocket" des Konstrukteurs Robert Stephenson den Lokomotivwettbewerb von Rainhill. Bereits 1830 fuhr die erste Personendampfeisenbahn von Liverpool in das 53km entfernte Manchester. In Deutschland fuhr die erste Dampfeisenbahn 1835 auf der 6,1km langen Strecke von Nürnberg nach Fürth.

Mit dem Aufkommen der Verbrennungsmotoren am Ende des 19. Jahrhunderts verlieren die Dampfmaschinen an Bedeutung. Allerdings spielt die Nutzung des Dampfes in den Wärmekraftwerken bei den Dampfturbinen noch eine wesentliche Rolle.

Dampfmaschinen werden von Liebhabern noch gepflegt und sind in Museen zu bestaunen. Hans Tenne (Hannover) baut die nebenstehend abgebildeten Miniaturdampfmaschinen.

Das Deutsche Museum in München bietet umfangreiches Material über die Entwicklung der Dampfmaschine.

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