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Schule > Physik > Mechanik > Die Dampfmaschine von James Watt

Einleitung

- Dampfmaschine ist eine mechanische Anlage zur Übertragung der Energie von Wasserdampf in mechanische Energie für verschiedenartige Anwendungen, darunter für Antriebe und zur Erzeugung von Elektrizität
- das Grundprinzip der Dampfmaschine besteht darin, Wärmeenergie von Wasserdampf in mechanische Energie umzuwandeln, indem man den Wasserdampf in einem Zylinder abkühlen lässt
- ein im Zylinder angebrachter Kolben wird durch die Temperaturunterschiede (heißer und abgekühlter Wasserdampf) hin- und herbewegt
- Wasserdampf zur Erzeugung von Energie oder zum Heizen wird in der Regel in einem Dampfkessel erzeugt
- die einfachste Form eines Dampfkessels ist ein geschlossener, mit Wasser gefüllter Behälter, der mit einer Flamme so lange erhitzt wird, bis das Wasser zu gesättigtem Dampf wird
- die gewöhnliche, in vielen Haushalten eingesetzte Warmwasseranlage arbeitet mit einem solchen Kessel, den man in einer solchen Anlage als Warmwasserbereiter (auch Heißwasserbereiter) bezeichnet wird
- neben der Erwärmung durch eine Gasflamme kennt man auch die Erwärmung mit Hilfe eines Tauchsieders
- großtechnische Anlagen zur Erzeugung von Elektrizität aus Dampf sind allerdings erheblich komplizierter aufgebaut und mit einer Reihe unterschiedlicher Zusatzgeräte ausgestattet
- der Wirkungsgrad von Dampfmaschinen ist im Allgemeinen niedrig, daherwurden sie bei der Elektrizitätserzeugung in den meisten Fällen durch Dampfturbinen ersetzt

GESCHICHTE
- erste Kolbenkraftmaschine wurde 1690 von dem französischen Physiker und Erfinder Denis Papin entwickelt und beim Pumpen von Wasser eingesetzt
- Papins Maschine, war ein primitives Gerät, bei dem die Hauptleistung mit Luft- und nicht mit Dampfdruck erzielt wurde
- bestand aus einem einzigen Zylinder, der gleichzeitig als Kessel diente
- eine geringe Menge Wasser wurde auf den Boden des Zylinders geleitet und erwärmt, bis sich Dampf bildete
- der Dampfdruck hob einen in den Zylinder eingepassten Kolben
- anschließend wurde die Heizquelle unter dem Zylinder entfernt
- beim Abkühlen des Zylinders kondensierte der Dampf, und der Luftdruck über dem Kolben drückte diesen wieder nach unten.
- 1698 baute der englische Ingenieur Thomas Savery eine Dampfmaschine mit zwei Kupferbehältern
- in die abwechselnd aus einem Kessel, Dampf eingeleitet wurde
- Saverys Maschine wurde ebenfalls zum Wasserpumpen eingesetzt, wie auch die so genannte atmosphärische Dampfpumpe mit einem zweiarmigen Hebel die der englische Erfinder Thomas Newcomen im Jahr 1705 konstruierte
- Dieses Gerät hatte einen senkrechten Zylinder und einen mit Gegengewichten versehenen Kolben
- der mit den Gegengewichten bewirkte Dampf, wurde mit geringem Druck unten in den Zylinder geleitet wurde, dadurch bewegte sich der Kolben zum oberen Ende des Zylinders
- war der Kolben dort angekommen, öffnete sich automatisch ein Ventil, durch das ein Strom kalten Wassers in den Zylinder gespritzt wurde
- dadurch kondensierte der Dampf, und der Luftdruck schob den Kolben wieder zum unteren Ende des Zylinders
- Eine Stange, die an dem Verbindungsbalken zwischen Kolben und Gegengewicht befestigt war, bewegte sich mit dem Kolben auf und ab und betätigte eine Pumpe
- Newcomens Maschine brachte nur geringe Leistung, konnte aber zum Abpumpen von Wasser aus Kohlegruben eingesetzt werden
- während der schottische Ingenieur und Erfinder James Watt Verbesserungen an Newcomens Maschine vornahm, machte er eine Reihe von Erfindungen, die das Entstehen der modernen Dampfmaschine ermöglichten
- Watts erste wichtige Entwicklung war die Konstruktion einer Maschine mit einem eigenen Raum für das Kondensieren des Dampfes
- diese 1769 patentierte Maschine verbesserte den Wirkungsgrad der Maschine von Newcomen erheblich
- der Dampfverlust durch das abwechselnde Erwärmen und Abkühlen des Zylinders blieb bei dieser Konstruktion nahezu aus
- Watts Maschine hatte einen isolierten Zylinder, der ständig die Dampftemperatur beibehielt
- in dem davon getrennten, wassergekühlten Kondensationsraum wurde mit einer Pumpe ein Unterdruck erzeugt, so dass der Dampf vom Zylinder in den Kondensationsraum gesaugt wurde
- Mit der Pumpe wurde auch das Wasser aus dem Kondensationsraum entfernt
- eine weitere tief greifende Änderung in der Konstruktion der ersten Maschinen von Watt war die Verwendung von Wasserdampf statt Luftdruck
- Watt erfand außerdem ein Verfahren, mit dem ein sich hin- und herbewegender Kolben einer Maschine ein sich drehendes Schwungrad antreiben konnte
- das erreichte er zunächst durch ein System von Zahnrädern, ein Getriebe, später wie bei modernen Kraftmaschinen mit einer Kurbelwelle
- weitere von Watt eingeführte Verbesserungen und Erfindungen waren u. a. die Anwendung des Prinzips der Doppelwirkung, bei dem Dampf abwechselnd auf beide Seiten des Kolbens geleitet wurde, so dass in beide Richtungen Druck auf den Kolben ausgeübt wurde
- Watt rüstete seine Kraftmaschinen auch mit Drosselklappen aus, denn damit ließ sich die Geschwindigkeit regeln
- mit Hilfe von Fliehkraftreglern erreichten seine Konstruktionen automatisch eine gleich bleibende Arbeitsgeschwindigkeit.
- die nächste entscheidende Entwicklung auf dem Gebiet der Dampfmaschine war die Einführung brauchbarer Hochdruckdampfmaschinen
- Watt hatte zwar das Prinzip der Hochdruckdampfmaschine erkannt, konnte aber diese Art der Maschine nicht vervollkommnen
- anfang des 19. Jahrhunderts gelang es dem britischen Ingenieur und Erfinder Richard Trevithick und dem amerikanischen Erfinder Oliver Evans, eine Hochdruckdampfmaschine zu konstruieren
- Trevithick setzte dieses Modell der Dampfmaschine zum Antrieb der ersten je gebauten Lokomotive für eine Eisenbahn ein
- sowohl Trevithick als auch Evans bauten dampfbetriebene Kutschen zur Fortbewegung auf Straßen
- etwa zur gleichen Zeit baute der britische Ingenieur und Erfinder Arthur Woolf die erste Verbundmaschine (auch Mehrfach-Expansionsmaschine genannt)
- sie stellte eine Verbesserung der Zweifach-Expansionsmaschine von James Hornblower dar
- bei der Mehrfach-Expansionsmaschine wird unter hohem Druck stehender Dampf zunächst auf einen und, nachdem er sich ausgedehnt und dabei Druck verloren hat, auf einen weiteren Kolben geleitet
- Woolfs erste Maschinen hatten zwei Zylinder
- später gab es aber auch Arten mit dreifacher und sogar vierfacher Expansion
- der Vorteil der Verbindung von zwei oder mehr Zylindern besteht darin, dass weniger Energie durch Abgabe von Wärme an die Zylinderwände verloren geht und die Maschine deshalb einen höheren Wirkungsgrad erzielt

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