Die ersten Versuche
Dass mithilfe von Dampf Arbeit verrichtet werden kann, war schon im Altertum bekannt. Es bestand aber keinerlei Bedürfnis, diesen Sachverhalt für Maschinen zu nutzen. Das änderte sich erst im 17. Jahrhundert, als zunehmend das Bedürfnis nach Antrieben für Pumpen im Bergbau, für Mühlen und für die ersten einfachen Maschinen in der sich entwickelnden Industrie entstand.
Erste wichtige Versuche zur Konstruktion einer Dampfmaschine machte der französische Naturwissenschaftler DENIS PAPIN
(1647-1712) um 1690. Er konstruierte eine Maschine, in der ein Kolben in einem Zylinder durch Wasserdampf angehoben wurde und dadurch ein Pumpengestänge bewegte (Bild 2). Nach Abkühlung des Dampfes drückte der äußere Luftdruck den Kolben wieder nach unten. Das Pumpgestänge wurde dadurch gehoben.
Die atmosphärische Dampfmaschine von NEWCOMEN
Weiterentwickelt wurde diese Art von Dampfmaschine - man bezeichnet sie wegen der Beteiligung des Luftdruckes als atmosphärische Dampfmaschine - von dem englischen Schmied und Techniker THOMAS NEWCOMEN (1663-1729). NEWCOMEN entwickelte eine Maschine, bei der das Wasser nicht mehr direkt im Zylinder erhitzt wurde, sondern von einem einfachen Dampferzeuger aus durch ein Ventil in den Zylinder strömte. Bild 3 zeigt eine zeitgenössische Darstellung dieser Dampfmaschine.
Durch den einströmenden Dampf wurde der Kolben gehoben. Nach Schließen des Dampfventils wurde ein Ventil mit kaltem Wasser geöffnet. Das in den Zylinder einströmende Wasser kühlte den Dampf ab. Durch den Luftdruck wurde der Kolben wieder nach unten bewegt. Durch ein zusätzliches Ventil konnte das Wasser wieder abgelassen werden. Die Maschine wurde zum Antrieb einer Pumpe eingesetzt, die bei 12 Hüben in der Minute 540 Liter Wasser förderte.
JAMES
WATT erzielt entscheidende Fortschritte
Wichtige Forschritte bei der Weiterentwicklung von Dampfmaschinen erzielte
der schottische Techniker JAMES WATT (1736-1819).
WATT gelang es, die Dampfmaschine so zu verbessern, dass die Ausdehnung
und Abkühlung des Dampfes in verschiedenen Bereichen erfolgte (Bild
4). Er erfand den Kondensator zur Abkühlung
(Kondensation) des Dampfes, den Fliehkraftregler zur automatischen Regulierung der Dampfzufuhr, ein Getriebe zur Umwandlung
der Hin- und Herbewegung in eine Drehbewegung und ergänzte ein Schwungrad
zur Überwindung der Totpunkte. Um 1781 war die Dampfmaschine so entwickelt,
dass sie in breitem Umfange als Antriebsmaschine verwendet werden konnte.
In den folgenden Jahren wurden Dampfmaschinen in den
unterschiedlichsten Bereichen eingesetzt: Als Antrieb für Pumpen
in Bergwerken, für Textilmaschinen, für Schiffe und
Dampfkutschen.
1800 erhielt der englische Ingenieur RICHARD
TREVITHICK
(1771-1833) ein Patent für eine Hochdruckdampfmaschine für Schienenfahrzeuge,
1801 baute er einen Dampfwagen für die Straße.
Zum endgültigen Erfolg verhalfen der Lokomotive die Brüder GEORGE STEPHENSON (1781-1848) und ROBERT STEPHENSON (1803-1859). 1822 gründete GEORGE STEPHENSON die erste Lokomotivenfabrik. Sie lieferte die Lokomotiven für die erste Bahnstrecke der Welt, die 1822-1825 zwischen den 40 Kilometer entfernten Orten Stockton und Darlington gebaut und 1825 in Betrieb genommen wurde. In Deutschland wurde die erste Bahnstrecke am
7. Dezember 1835 zwischen Nürnberg und Fürth eröffnet. Bild 5 zeigt die 1829 von STEPHENSON gebaute Lokomotive "Rocket", die eine Geschwindigkeit von ca. 50 km/h erreichte.
Das Grundprinzip
aller modernen Dampfmaschinen
Das Grundprinzip moderner Dampfmaschinen
besteht darin, dass Wasserdampf von einem Heizkessel durch eine spezielle
Steuerung in Form eines Steuerzylinders
(Bild 6) in den Arbeitszylinder strömt,
und zwar einmal in den Bereich links vom Arbeitskolben und einmal in den
Bereich rechts vom Arbeitskolben. Durch den unter hohen Druck stehenden
Wasserdampf wird der Arbeitskolben bewegt. Er führt eine Hin- und
Herbewegung aus, die über eine Pleuelstange in eine Drehbewegung
umgewandelt wird.
Heute werden Dampfmaschinen kaum noch verwendet. Man findet sie noch bei historischen Bahnen (Dampflokomotiven) und in Museen. Sie sind durch den Elektromotor und durch Verbrennungsmotoren (Ottomotor, Dieselmotor) schon seit Beginn des 20. Jahrhunderts allmählich verdrängt worden.
Die physikalischen
Grundlagen
Es ist bemerkenswert, dass die Dampfmaschine zu den technischen Anordnungen
gehört, die aufgrund von Erfahrungen gebaut und genutzt wurden und
bei denen erst später die physikalischen Grundlagen klar formuliert
wurden.
Erst um 1824 zeigte SADI CARNOT
(1796-1832) in seiner berühmten Schrift "Betrachtungen über
die bewegende Kraft des Feuers und die zur Entwicklung dieser Kraft geeigneten
Maschinen",
- warum Dampfmaschinen mechanische Arbeit verrichten können und
- wodurch ihr Wirkungsgrad bestimmt wird.
Physikalische Grundlage für die Dampfmaschine ist der sogenannte carnotsche Kreisprozess. Nähere Erläuterungen sind unter diesem Stichwort zu finden. SADI CARNOT gab auch den theoretisch maximalen Wirkungsgrad für einen solchen Prozess an:
Der Wirkungsgrad ist nur von der Temperaturdifferenz
des reversiblen Prozessablaufs abhängig. Da es in der Natur und in
der Technik keine vollkommen reversibel ablaufende Prozesse gibt, ist
dies der höchstmögliche Wirkungsgrad, der beim Umwandeln von
thermischer in mechanischer Energie erreicht werden kann.
Eine Dampfmaschine, deren heißer Wärmespeicher siedendes Wasser
von 373 K (100 °C)und deren kalter Wärmespeicher Wasser von 273
K (0 °C) enthält, hat demnach theoretisch einen maximalen Wirkungsgrad
von:
Die Wirkungsgrade der Niederdruckdampfmaschinen lagen
weit darunter. Um diesen Wert zu erhöhen, musste die Temperaturdifferenz
vergrößert werden. Dies wurde durch Überhitzen des Wasserdampfes
in Hochdruckdampfmaschinen erreicht. Dabei wird der Dampf unter hohem
Druck zum Sieden gebracht, bevor er in den Zylinder eingeleitet wird.
Bei Temperaturdifferenzen von 350 K wurden Wirkungsgrade von 0,20 bis
0,25 erreicht.