Dampfmaschine

Eine Dampfmaschine verwandelt die Wärme eines Feuers in Bewegung, indem Dampf einen Kolben antreibt. Thomas Newcomens Maschine von 1712 pumpte Wasser aus Bergwerken, und James Watts Verbesserungen ab 1765 machten die Dampfkraft so billig, dass sie die Fabriken der Industriellen Revolution antreiben konnte.

Was es ist

Eine Dampfmaschine nutzt den Dampf von kochendem Wasser, um einen Kolben zu bewegen, und macht so aus Brennstoff mechanische Arbeit. Die ersten pumpten Wasser aus Bergwerken, spätere trieben Räder, Spinnereien, Schiffe und Lokomotiven an.

Die Maschine auf der Tafel entspricht dem Typ, den Thomas Newcomen 1712 baute. Man nennt sie atmosphärische Dampfmaschine, weil die Arbeit vom Druck der Außenluft geleistet wird; der Dampf dient nur dazu, ein Vakuum zu erzeugen. Der Kessel arbeitet kaum über dem Luftdruck und kann daher weit weniger leicht platzen als die Hochdruckkessel des 19. Jahrhunderts.

Wie es funktioniert

Im Mittelpunkt steht ein senkrechter, oben offener Zylinder mit einem Kolben darin. Der Kolben hängt an einer Kette am einen Ende eines großen Balanciers aus Holz, der auf der Mauer des Maschinenhauses schwingt. Am anderen Ende hängt das Pumpengestänge, das durch den Schacht bis zu den Pumpen am Grund der Grube reicht.

Die Aeolipile des Heron von Alexandria drehte sich im 1. Jahrhundert n. Chr. durch Dampfstrahlen, leistete aber keine nützliche Arbeit.

Das schwere Pumpengestänge zieht sein Ende des Balanciers nach unten und hebt dadurch den Kolben; Dampf aus dem darunterliegenden Kessel füllt den Zylinder. Ein Ventil sperrt den Dampf ab. Ein Strahl kalten Wassers aus dem Behälter wird in den Zylinder gespritzt, der Dampf kondensiert sofort zu ein wenig Wasser, und zurück bleibt ein Teilvakuum. Die Luft über dem Kolben drückt nun stärker als der dünne Dampf darunter. Bei einem Zylinder von einem halben Meter Durchmesser kann dieser Druckunterschied theoretisch etwa 20 Kilonewton erreichen, so viel wie das Gewicht von zwei Tonnen; die nutzbare Kraft lag deutlich darunter. Der Kolben sinkt, der Balancier kippt, und das Gestänge hebt sich und fördert Wasser aus der Grube.

An späteren Watt-Maschinen schwingen die Kugeln des Reglers nach außen, wenn die Maschine schneller läuft, und drosseln das Dampfventil.

Strömt wieder Dampf ein, treibt er die Luft durch ein kleines Schnüffelventil hinaus, während das Kondenswasser durch ein eigenes Rohr mit Rückschlagventil abfließt. Der Takt wiederholt sich etwa zwölfmal in der Minute. Eine am Balancier hängende Stange mit Knaggen, der Steuerbaum, öffnet und schließt die Ventile selbsttätig.

Bei jedem Hub kühlt der kalte Strahl den Zylinder ab, und die nächste Dampfladung muss ihn erst wieder erwärmen, bevor sie ihn füllen kann. Der größte Teil der Kohle geht für dieses Aufheizen drauf.

James Watt kondensierte den Dampf deshalb in einem getrennten, ständig kalten Gefäß, während der Zylinder heiß blieb. Später schloss er den Zylinder oben, ließ den Dampf auf beide Seiten des Kolbens wirken und fügte ein Getriebe für die Drehbewegung hinzu. Damit konnte die Maschine Werkstätten antreiben und nicht mehr nur Pumpen.

Wie man sie baut

Eine atmosphärische Maschine braucht einen Kupferschmied oder Kesselbauer, einen Gießer, der einen Zylinder gießen und ausbohren kann, einen Zimmermann für den Balancier und einen Maurer für das Haus.

Den Kessel bauen. Früher war das eine genietete Hülle aus Kupfer oder Schmiedeeisen mit gewölbter Oberseite, über einem Feuerrost eingemauert, mit einem gewichtsbelasteten Sicherheitsventil, Probierhähnen für den Wasserstand und einem Speiserohr. Eine betriebsfähige Nachbildung braucht einen Kessel, den ein qualifizierter Kesselbauer entworfen, geprüft und abgenommen hat; improvisieren Sie nie einen.

Den Zylinder gießen und bohren. Der Zylinder steht dicht über dem Kessel auf schweren Balken, die in den Mauern ruhen, und ist mit ihm nur durch ein kurzes Dampfrohr verbunden. Seine Bohrung muss über die ganze Länge rund und glatt sein, sonst leckt der Kolben; genaues Bohren gehörte zu den schwierigsten Aufgaben des 18. Jahrhunderts.

Den Kolben einpassen. Dichten Sie den Rand des Kolbens mit Seil oder Leder ab und halten Sie oben eine dünne Wasserschicht als zusätzliche Dichtung.

Den Balancier aufrichten. Fertigen Sie ihn aus Eiche, mit gebogenen Bogenstücken an beiden Enden, damit die Ketten senkrecht ziehen. Legen Sie seine Mittelachse auf eine dicke Mauer.

Die Ventile einbauen. Ein Ventil lässt Dampf ein, ein anderes spritzt kaltes Wasser aus einem hoch im Haus stehenden Behälter ein; ein Schnüffelventil lässt Luft hinaus, und ein Rohr mit Rückschlagventil leitet das Kondenswasser ab. Betätigen Sie sie zuerst von Hand, später über Knaggen an einer Stange, die am Balancier hängt.

Sicherheit. Ein Kessel, dessen Sicherheitsventil verstopft, verklemmt oder überlastet ist, kann explodieren: Versperren oder trennen Sie den Abblaseweg nie, und legen Sie nie zusätzliches Gewicht auf das Ventil. Dampf und heißes Wasser verbrühen schwer. Halten Sie während des Betriebs Abstand zu Balancier, Ketten und Pumpengestänge, und zäunen Sie den Schacht ein.

Geschichte und Entwicklung

Heron von Alexandria beschrieb im 1. Jahrhundert n. Chr. eine Kugel, die von Dampfstrahlen gedreht wurde, doch sie blieb eine Kuriosität. 1690 zeigte Denis Papin, dass kondensierender Dampf unter einem Kolben ein Gewicht heben kann. Thomas Savery ließ sich 1698 eine Pumpe ohne Kolben patentieren. Sie saugte Wasser an, indem Dampf in einem Gefäß kondensierte, und drückte es dann mit Dampfdruck höher, schaffte aber nur bescheidene Förderhöhen.

Watts Sonne-und-Planet-Getriebe von 1781 machte aus dem Auf und Ab des Balanciers eine Drehung.

Newcomen, ein Eisenwarenhändler aus Dartmouth, und sein Partner John Calley stellten 1712 die erste funktionierende Maschine in einer Kohlengrube bei Dudley Castle auf. Da Saverys Patent das Heben von Wasser durch Feuer abdeckte, wurden Newcomens Maschinen bis zu dessen Ablauf 1733 unter diesem Patent gebaut. Als Newcomen 1729 starb, liefen in Großbritannien und Europa bereits mehr als hundert davon.

1763 sollte James Watt, Instrumentenbauer an der Universität Glasgow, ein Modell einer Newcomen-Maschine reparieren. Zwei Jahre später kam ihm die Idee des getrennten Kondensators, den er 1769 patentieren ließ. Mit Matthew Boulton begann er 1776, Maschinen zu verkaufen. Sie brauchten etwa ein Viertel des Brennstoffs einer gleich starken Newcomen-Maschine. Um 1800, als Watts Patent auslief, setzten Richard Trevithick und andere auf Hochdruckdampf und bauten kleinere, leichtere Maschinen, die bald auf Schienen und in Schiffe kamen.