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.

Druckversion