"Wat is en Dampfmaschin'? Da stelle mer uns janz dumm, und da sage mer so: En Dampfmaschin, dat is ene jroße schwarze Raum. Der hat hinten un vorn e Loch. Dat eine Loch, dat is de Feuerung. Und dat andere Loch, dat krieje mer später."
In einer atmosphärischen Dampfmaschine wird der Zylinderraum unter dem Kolben mit Wasserdampf gefüllt, der dann bis zur Kondensation abgekühlt wird. Daraufhin wird der Kolben durch den äußeren Atmosphärendruck in den Zylinder gedrückt. Die ausfahrende Bewegung des Kolbens erfolgt von außen, z. B. durch eine Schwungmasse.
Der bekannteste Vertreter dieser Bauart war die atmosphärische Dampfmaschine von Thomas Newcomen ab 1712 (s.u.).
Bei einer Niederdruck-Dampfmaschine drückt zusätzlich Dampf mit einigen 100 mbar Überdruck auf die andere Kolbenseite. Auf den Kolben wirken dadurch Überdruck plus Atmosphärendruck, was die Leistungsfähigkeit erhöht.
Die bekanntesten Vertreter dieser Bauart waren die Dampfmaschinen von James Watt ab etwa 1769 (s.u.).
Bei Hochdruck-Dampfmaschinen wird das Wasser weit über 100°C erhitzt, so dass sich ein höherer Druck aufbaut. Auf eine Abkühlung des aus dem Zylinder austretenden Wasserdampfes kann verzichtet werden (Auspuffbetrieb).
Der Kondensator fällt also weg, was diesen Maschinentyp in Verbindung mit der höheren Energiedichte des unter hohem Druck stehenden Dampfes erheblich leichter macht und damit den Einsatz von Dampfmaschinen in Dampflokomotiven erst ermöglichte.
Vertreter dieser Bauart sind praktisch alle Kolben-Dampfmaschinen in Fahrzeugen seit Richard Trevithick ab etwa 1802 (s.u.).
Die erste verwendbare Dampfmaschine wurde 1712 von Thomas Newcomen konstruiert und diente zum Abpumpen des Wassers in einem Bergwerk. Diese so genannte atmosphärische Dampfmaschine erzeugte durch Einspritzen von Wasser in einen mit Dampf gefüllten Zylinder einen Unterdruck gegenüber der Atmosphäre. Mit diesem Druckunterschied wurde der Kolben im Arbeitstakt vom atmosphärischen Luftdruck nach unten gedrückt und anschließend durch das Eigengewicht der anzutreibenden Pumpenstange wieder nach oben in die Ausgangsposition gezogen. Die Kraftübertragung zwischen Kolbenstange und Balancier erfolgte mittels einer Kette. Der Wirkungsgrad der Newcomenschen Maschine lag bei 0,5%.
James Watt, dem oft fälschlicherweise die Erfindung der Dampfmaschine zugeschrieben wird, verbesserte den Wirkungsgrad der Newcomen'schen Dampfmaschine erheblich, indem er ab 1769 einerseits den Abkühlvorgang aus dem Zylinder heraus in einen separaten Kondensator verlagerte, andererseits den Kolben abwechselnd von der einen und der anderen Seite mit Dampf beschickte - und auf der jeweils gegenüberliegenden Seite den Auslass zum Kondensator öffnete.
So konnte Watt auf das mechanische Rückführen des Kolbens verzichten, und die Maschine bei beiden Kolbenhüben Arbeit verrichten lassen. Zusammen mit der Erfindung des Watt'schen Parallelogramms war es möglich, die Maschine ein Schwungrad drehen zu lassen.
Dieses Parallelogramm lässt sich an der neben stehenden Abbildung mit den Buchstaben a, b, r, s, t, u erkennen. James Watt bezeichnete diese Erfindung als seine bedeutendste; sie gilt auch heute noch als Musterbeispiel für die Lösung der Aufgabe, eine kreisförmige Bewegung in eine geradlinige nur mit Hilfe von Drehgelenken umzuwandeln.
James Watt gilt als Entdecker des Nutzens der Dampfexpansion.
Bei der Dampfmaschine wird dieser Effekt durch ein vorzeitiges Schließen der Ventile erreicht, dadurch wird die Zuführung von Dampf in den Zylinder unterbrochen, während der darin eingeschlossene Dampf weiter Arbeit leistet. Weiterhin führte James Watt den Fliehkraftregler zur Geschwindigkeitsregulierung seiner Maschine ein. Vorher war dieses Maschinenelement bereits beim Bau und Betrieb von Mühlen eingesetzt worden.
Die Watt'sche Dampfmaschine ersparte durch diese Verbesserungen gegenüber ihren Vorgängern ein Vielfaches der Wärmeenergie, die zum Betrieb der Maschine notwendig war. Der Wirkungsgrad der Wattschen Maschine erreichte schließlich 3,0%.
Mit seinem kaufmännischen Teilhaber Matthew Boulton verkaufte er seine Maschinen jedoch nicht, sondern stellte sie seinen Kunden zur Verfügung, um sich einen Teil der eingesparten Brennstoffkosten auszahlen zu lassen. Damit war eine frühe Form des Maschinenleasings geboren.
Die Hochdruckdampfmaschine wurde 1784 von Oliver Evans konstruiert.
Das erste Exemplar wurde von ihm jedoch erst 1812 gebaut. Ihm zuvor kam Richard Trevithick, der 1801 die erste Hochdruckdampfmaschine in ein Straßenfahrzeug einbaute. Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit der Hochdruckdampfmaschinen war der Fortschritt in der Metallherstellung und -bearbeitung zu dieser Zeit, denn in Hochdruckmaschinen müssen die Maschinenteile sehr passgenau sitzen. Außerdem besteht die Gefahr der Explosion des Kessels.
Mit diesen Entwicklungen wurden Dampfmaschinen ab der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts nun auch wirtschaftlich.
Frühe Anwendungen der Dampfmaschinen fanden sich in der Textilindustrie zum Antrieb von Textilmaschinen und im Bergbau zur Wasserhaltung. Es folgten Dampflokomotiven, Dampfschiffe und Lokomobile. Auch das erste Luftschiff wurde 1852 von einer Dampfmaschine angetrieben. Die Abbildung rechts zeigt ein Raddampfer um die Jahrhundertwende. Raddampfer zeichnen sich dadurch aus, dass ein Schaufelrad auf der Seite oder am Heck vorhanden ist. Die industrielle Revolution wurde durch die Dampfmaschine erst ermöglicht.
Siehe auch: Liste bedeutender Erfindungen
Neuzeit
Als Fahrzeugantrieb sind Dampfmaschinen weitgehend durch Verbrennungsmotoren abgelöst worden, die einen höheren Wirkungsgrad haben, größere Leistung bei geringerem Gewicht bieten und komfortabler zu bedienen sind. Weiterhin hat die Dampfmaschine durch die flächendeckende Versorgung mit elekrischer Energie ihre Funktion als zentrale Enegiequelle eines Industrieunternehmens verloren, die sie lange Zeit inne hatte.
Obwohl die Zeit der Kolbendampfmaschine schon lange vorbei zu sein scheint, ist eine Renaissance nicht völlig ausgeschlossen. Einige Vorteile der Dampfmaschine gegenüber dem Verbrennungsmotor sind ihr kontinuierlicher Verbrennungsvorgang, der sich viel emissionsärmer gestalten lässt. Ein weitere Vorteil der Dampfmaschine ist ihre extreme Überlastbarkeit bei der Nachfrage von Leistungsspitzen. Durch den heute üblichen geschlossenen Kreislauf von Dampf und Kondensat ergibt sich eine emissionsarme Schmierung von Zylinder und Kolben der Maschine.
Eine Weiterentwicklung der Dampfmaschine stellt der Dampfmotor dar. Diese Antriebsmaschine kann hinsichtlich ihrer Leistung und Zylinderanzahl aus einem Baukasten zusammengestellt werden und wird genutzt, wenn bei einem thermischen Prozess eine größere Menge Abdampf anfällt, der noch wirtschaftlich genutzt werden soll.
Eine modernere Maschine zur Nutzung von Dampfkraft mit hohem Wirkungsgrad ist die Dampfturbine, die zum Beispiel bei Wärmekraftwerken zum Einsatz kommt. Bei Kraftwerksanlagen wird der Abdampf hinter der Turbine kondensiert, um gegen ein Vakuum zu arbeiten und nicht gegen den atmosphärischen Luftdruck.
Eine weitere Kolbenmaschine zur Ausnutzung thermischer Energie ist der Stirlingmotor, der die Energie genau wie bei einer Dampfmaschine durch einen Kreisprozess umsetzt.
Die Geschichte der Dampfmaschine Historische Entwicklungen - Industriegeschichte - Technische Denkmale Autoren: Otfried Wagenbreth, Helmut Dützsch, Albert Gieseler Aschendorff-Verlag Münster ISBN_3-402-05264-4
Die Maschine Geschichte - Elemente - Funktion Autor: Sigvard Strandh Herder Verlag ISBN_3-451-18873-2
Die Geschichte der Dampfmaschine Autor: Conrad Matschoss Ausgabe von 1901
Umwelt: Technik 9 von Gerhard Hessel, Peter Kornaker und Rainer Schönherr aus dem Ernst Klett Schulbuchverlag
Physik mit SI-Einheiten (Gesamtausgabe) von Walz aus dem Schroedel Verlag
Tempora aus dem Klett Verlag (Internet)
Technik leicht verständlich Fachredaktion Technik des Bibliographischen Instituts unter Leitung von Johannes Kunsemüller aus dem Fackel-Buchklub
Bewegungssignale Maschinen und Welten(Zeitschrift zum Jahr der Technik) von Lucian Haas, Tim Schröder und Monika Wimmer
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