Zusammenfassung:
Die Entwicklung der Dampfmaschine
Denis
Papins und Thomas Saverys Dampfmaschine
Bereits
1680 und 1698 bauten Denis Papin, französischer Physiker, und Thomas
Savery, englischer Ingenieur, unabhängig voneinander die ersten
Dampfmaschinen. Papin selber baute zwar keine Dampfmaschine, doch er
erfand den Papinschen Topf und entdeckte
somit als erster die Möglichkeit,
Dampf zur Arbeitsleistung zu nutzen. Savery hingegen baute
als erster eine Dampfmaschine.
Diese sollte zum Wasserheben in Bergwerken eingesetzt werden, da Ende
des 17. Jahrhunderts die Bergwerke dringend gute und wirkungsvolle
Pumpen benötigten, um das eindringende Wasser aus den Minen zu
pumpen.
Saverys
Pumpmaschine besteht aus einer Ansaugpumpe, einem Empfänger, einem
Boiler, der beheizt wird, drei Ventilen und einer Wasserzisterne. Im
Inneren des Empfängers herrscht ein Unterdruck, da er zuvor von Luft
„befreit“ und abgekühlt wurde.
Die
Funktionsweise lässt sich in drei Phasen einteilen:
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Phase 1:
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Ventil
2 + 3 sind geschlossen, nur Ventil 1 ist geöffnet, sodass durch
den
Außendruck
Wasser in den Empfänger strömt
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Phase 2:
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Ventil
1 wird geschlossen und Ventil 2 + 3 geöffnet. Der Dampfdruck vom
Boiler drückt das Wasser im Empfänger durch das geöffnete
Ventil 3 nach oben.
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Phase 3:
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Indem alle Ventile
geschlossen sind und durch die Wasserzisterne kaltes Wasser auf
den Empfänger fließt, wird dieser abgekühlt und es bildet sich
wieder ein Unterdruck.
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Saverys
Pumpdampfmaschine brachte jedoch auch einige Probleme, wie z. B. der
schlechte Wirkungsgrad und das ständige Abkühlen und Erwärmen, und
war deshalb kaum brauchbar für den Einsatz in Bergwerken.
Thomas
Newcomens Dampfmaschine
Thomas
Newcomen, Schmied, verbesserte das Modell, indem er den Dampferzeuger
vom Zylinder abtrennte und die Kondensation des Dampfes durch
direktes Einspritzen von kaltem Wasser in den Zylinder beschleunigte
beschleunigte. Sein Modell fand 1712 Verwendung.
Newcomens
Dampfmaschine besteht aus einem doppelwirkenden Hebel, der mit dem
Minenschacht und dem Zylinder verbunden ist, einem Zylinder, einem
beheizten Boiler, einer Wasserzisterne und zwei Ventilen.
Die
Funktionsweise lässt sich in 2 Phasen einteilen:
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Phase 1:
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Ventil
2 ist geöffnet, sodass Dampf in den Zylinder strömt und diesen
nach oben drückt.
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Phase 2:
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Wenn der Kolben des
Zylinders oben angekommen ist, wird das Ventil 2 geschlossen und
das Ventil 1 geöffnet. Dann fließt Wasser in den Zylinder und
lässt den Dampf kondensieren, sodass der Kolben durch den
entstehenden Unterdruck wieder nach unten gedrückt wird.
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Ein
Vorteil dieser Maschine ist, dass ihre Leistung nicht vom Dampf
abhängig ist wie bei Savery, sondern von der Größe des Zylinders.
Allerdings hatte sie auch einen geringen Wirkungsgrad, da sie sehr
viel Kohle benötigte – fast ebenso viel, wie aus der Mine
gefördert wurde.
James
Watts Dampfmaschine
James
Watt, schottischer Erfinder, entwickelte die erste anwendbare
Dampfmaschine, die von 1788 in Großbetrieben und Fabriken eingesetzt
wurde. Er studierte die Newcomen-Dampfmaschine genau und entwickelte
zwei wesentliche Verbesserungen: Das Gefäß, das die Arbeit mittels
Dampfdruck verrichtet, muss so heiß gehalten werden, wie der Dampf
selber und das Gefäß, in dem der Dampf kondensiert, muss vom
Zylinder getrennt sein und so kalt wie die Außentemperatur sein
(Kondensator).
Die
Funktionsweise ist folgendermaßen:
Im
Boiler wird Dampf erzeugt, welcher zum Zylinder geleitet wird. Der
Kolben im Zylinder wird abwechseln von oben und unten durch die
Kraft des sich ausdehnenden Dampfes und einem Unterdruck
angetrieben, der im Kondensator erzeugt wird.
Der
Unterdruck im Kondensator entsteht, weil Wasser in den kommenden
Dampf des Zylinders gesprüht wird. Dieser kühlt sich ab und zieht
sich folglich zusammen.
Weil
Dampf und Unterdruck von zwei Seiten auf den Kolben wirken und
dieser bei der Hin- und Rückbewegung Arbeit leistet, wird die
Maschine auch „doppelwirkende Dampfmaschine“ genannt.
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