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.
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:
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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).
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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) .
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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).
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.