Dr. Wiebke Salzmann

Lektorat • Naturwissenschaften

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Dampfmaschine

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Dampfmaschine; einfach wirkende Dampfmaschine; zweifach wirkende Dampfmaschine; Expansionsdampfmaschine; Volldruckdampfmaschine

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Dampfmaschine & Co.

Die Dampfmaschine

In einer Dampfmaschine wird die Wärme über das Medium Wasserdampf transportiert – heißer Dampf versetzt einen Kolben in Bewegung und verwandelt so Wärme in Arbeit. Der Dampf muss zunächst erzeugt werden, indem in einem Kessel Wasser erhitzt und verdampft wird. Ein einfaches Experiment zeigt anschaulich die Volumenzunahme während des Verdampfens.

Abb. 1 ¦ Verdampfung in der Mikrowelle   Foto: Verdampfung von Wasser in einem Luftballon in der Mikrowelle
BildunterschriftIn einen Luftballon wird ein Esslöffel Wasser gefüllt, der Ballon anschließend zugeknotet. Auf einem Teller wird er dann in die Mikrowelle gelegt und die Mikrowelle dann etwa 40–50 Sekunden angestellt. Mikrowellen regen vor allem Wassermoleküle zum Schwingen an, diese Molekülschwingungen sind makroskopisch gleichbedeutend mit Wärme. (Deshalb funktioniert das Erhitzen von Speisen in der Mikrowelle.) Durch die zugeführte Wärme verdampft das Wasser im Ballon, der Dampf expandiert und bläht den Ballon auf. Obwohl in der Versuchsanleitung zu lesen war, dass man den Ballon getrost an der Tülle vor dem Knoten anfassen kann, habe ich die Finger davon gelassen, da der Ballon selbst sehr heiß ist – deutlich heißer als kochendes Wasser! Beim Abkühlen schrumpft der Ballon wieder.Bildunterschrift Ende

Dampfkreisel

Den sich ausdehnenden Dampf kann man nutzen, um Gegenstände in Bewegung zu versetzen. Bevor ich die Dampfmaschine beschreibe, hier noch ein anderes Beispiel – der Dampfkreisel. Der Dampfkreisel besteht aus einem gebogenen Kupferrohr, das so in eine Korkscheibe gesteckt ist, dass die unten herausragenden Enden in entgegengesetzte Richtung zeigen.

Abb. 1b ¦ Der Dampfkreisel   Foto: der Dampfkreisel von Astromedia
BildunterschriftDer Dampfkreisel von www.astromedia.deBildunterschrift Ende

Nun wird das Kupferrohr mit Wasser gefüllt, der Kreisel in eine Schüssel mit Wasser gesetzt und ein brennendes Teelicht unter die Kupferschleife gestellt. Die Hitze der Flamme lässt das Wasser im Rohr verdampfen, sein Volumen nimmt schlagartig zu und der Dampf schießt aus den unter Wasser liegenden Rohrenden hinaus. Aufgrund der Impulserhaltung kommt es zu einem Rückstoß, der den Kreisel in entgegengesetzte Richtung in Bewegung setzt. (Bevor der Dampf aus dem Rohr austrat, war das System aus Kreisel und Dampf in Ruhe, hatte also den Impuls 0. Der austretende Dampf hat aber nun einen Impuls. Da der Gesamtimpuls des Systems aber erhalten bleiben muss, da keine äußeren Kräfte wirken, muss der Impuls des Dampfes durch einen entgegengesetzten Impuls ausgeglichen werden. Deshalb dreht der Kreisel sich entgegengesetzt.)

Abb. 1c ¦ Bewegungen beim Dampfkreisel  
BildunterschriftDie Pfeile verdeutlichen die Bewegungsrichtung des Dampfes (rot) und die des Kreisels (blau). Bildunterschrift Ende

Das Video zeigt den Dampfkreisel in Aktion:

Abb. 1d ¦ Der Dampfkreisel (Video)  
BildunterschriftDer Dampfkreisel von www.astromedia.deBildunterschrift Ende

Einfach wirkende Dampfmaschine

In einer sogenannten einfach wirkenden Maschine drückt der sich ausdehnende Dampf den Kolben nach oben, der Kolben versetzt ein Schwungrad in Bewegung, das dann den Kolben wieder nach unten schiebt, wobei dieser den Dampf wieder aus dem Zylinder hinausdrückt. Dann kann der nächste Durchlauf beginnen und der Dampf den Kolben wieder hinausdrücken.

Abb. 2 ¦ Einfach wirkende Dampfmaschine  
BildunterschriftAuch diese Dampfmaschine ist ein Bausatz von www.astromedia.de.
In der Aufnahme von der Seite (3. Filmszene) sieht man den Schlauch, über den der Dampf in den Zylinder geleitet wird. In der Papp-Umhüllung liegt ein Beutel aus dünner Plastikfolie; in diesen strömt der Dampf und dehnt den Beutel aus. Durch die Ausdehnung wird der Kolben nach oben gedrückt (4. Filmszene). Der Kolben setzt seinerseits das Schwungrad in Bewegung (was in der 2. Filmszene besser zu sehen ist). Das Schwungrad bleibt wegen seiner Massenträgheit in Bewegung und kann so den Kolben wieder nach unten drücken, wobei dann der Beutel zusammengedrückt wird. Der Dampf muss irgendwohin und drückt das Ventil (links neben dem Zylinder) nach oben. Nun kann der Dampf nach links abfließen und entweicht durch den Schornstein, wie man in der ersten Szene des Films sieht.
Die Büroklammer am Schlauch ist ein Tipp aus der Bauanleitung, um den Druck zu erhöhen. Leider ist mir der Balken, an dem der Kolben hängt, nicht ganz gerade gelungen, weshalb größere Reibungsverluste auftreten (deshalb auch der mitunter schleppende Betrieb …)Bildunterschrift Ende

Zweifach wirkende Dampfmaschine

Statt den Kolben von einem Schwungrad wieder nach unten drücken zu lassen, kann man auch diesen Schritt vom Dampf erledigen lassen und eine zweifach wirkende Maschine konstruieren. Dazu muss der Kolben über Pleuelstangen, Hebel und ein Schwungrad einen Hebel in Bewegung setzen, der zwischen zwei Einströmöffnungen hin und her schaltet. In der einen Hebelstellung wird der Dampf in den Raum über dem Kolben geleitet und der Kolben wird bei Einströmen und Ausdehnung des Dampfes nach unten gedrückt. Gleichzeitig komprimiert er den Dampf unter sich und drückt ihn aus dem Zylinder hinaus. In der anderen Hebelstellung strömt Dampf in den Raum unter dem Kolben, drückt den Kolben nach oben, wobei der Dampf über dem Kolben hinausgedrückt wird. Gleichzeitig wird die jeweils andere Zylinderhälfte mit der Ausströmöffnung verbunden, sodass der verbrauchte Dampf ausströmen kann.

Kreisprozess einer zweifach wirkenden Dampfmaschine

1. Wasser wird im Kessel verdampft

und dann in den Zylinder geleitet. Dabei bringt es als Dampf Wärme in den Zylinder.

Die vier Schritte des Kreisprozesses, die im Zylinder einer zweifach wirkenden Dampfmaschine ablaufen, werden nun anhand der Abbildungen erläutert – da der Dampf hier den Kolben sowohl hinunter- als auch hinaufdrückt, finden im Grunde zwei Kreisprozesse gleichzeitig statt – einer für den Dampf unter dem Kolben, einer für den Dampf über dem Kolben, wobei die Kreisprozesse um zwei Schritte gegeneinander verschoben sind.
Im Folgenden wird der Kreisprozess für den Dampf unter dem Kolben ausführlicher beschrieben; die jeweils ablaufenden Schritte für den Dampf über dem Kolben werden nur genannt.
Die Farbe deutet die Temperatur an – gelb ist am kühlsten, je dunkler das Rot, desto wärmer ist der Dampf.

2. Isobare Dampfzufuhr

Abb. 3a ¦ Zweifach wirkende Dampfmaschine   Grafik: Dampfmaschine
BildunterschriftDer heiße Dampf strömt über die Einströmöffnung in den Zylinder hinein (roter Pfeil) und drückt dabei den Kolben nach oben. Da ständig heißer Dampf (und damit auch Wärme) nachströmt, bleibt der Druck trotz Volumenzunahme konstant – sowie auch die Temperatur. Der Dampf verrichtet in diesem Schritt die sogenannte Füllungsarbeit.
Der Dampf über dem Kolben wird isobar (Schritt 4) hinausgedrückt.Bildunterschrift Ende

3. Adiabatische Expansion

Abb. 3b ¦ Zweifach wirkende Dampfmaschine   Grafik: Dampfmaschine
BildunterschriftLässt man die Einströmöffnung offen, bis der Kolben sich bis ganz nach oben bewegt hat, hat der Dampf in dem Moment, in dem der Kolben ihn wieder hinausdrückt, noch einen Druck, der über dem Atmosphärendruck liegt. Dieser Drucküberschuss kann nicht als Arbeit genutzt werden und geht verloren. Um ihn ebenfalls zur Arbeitsgewinnung zu nutzen, schließt man die Einströmöffnung bereits, wenn der Kolben erst einen Bruchteil des Weges nach oben zurückgelegt hat. Der bereits in den Zylinder eingeströmte Dampf expandiert nun (fast) adiabatisch und kühlt dabei ab. (Es wird ja kein weiterer heißer Dampf nachgeliefert.) Bei der Expansion drückt der Dampf den Kolben weiter nach oben. Die in diesem Schritt abgegebene Arbeit ist die Expansionsarbeit.
Durch dieses Vorgehen gewinnt man zwar weniger Arbeit, braucht dafür aber auch viel weniger Dampf, sodass der Wirkungsgrad insgesamt höher wird.
Dampfmaschinen, die mit diesem Schritt arbeiten, nennt man Expansionsmaschinen; Dampfmaschinen, bei denen dieser Schritt entfällt, heißen Volldruckmaschinen.
Der Dampf über dem Kolben wird adiabatisch komprimiert (Schritt 5).Bildunterschrift Ende

4. Isobare Dampfabfuhr

Abb. 3c ¦ Zweifach wirkende Dampfmaschine   Grafik: Dampfmaschine
BildunterschriftDer zurückgehende Kolben drückt den Dampf aus dem Zylinder hinaus (gelber Pfeil). Da der Dampf unter dem Druck des Kolbens den Zylinder verlassen kann, bleibt der Druck (und die Temperatur) im Dampf konstant.
Über dem Kolben strömt der Dampf isobar in den Zylinder hinein (Schritt 2).Bildunterschrift Ende

5. Adiabatische Kompression

Abb. 3d ¦ Zweifach wirkende Dampfmaschine   Grafik: Dampfmaschine
BildunterschriftDa der Kolben beim Zurückgehen die Zylinderwand auch in seiner tiefsten Stellung nicht ganz erreicht, bleibt ein Leerraum übrig, der durch den im nächsten Durchlauf wieder einströmenden Dampf erst gefüllt werden muss. Diese Auffüllung liefert keine Arbeit und verschwendet daher Dampf. Um das zu verhindern, schließt man man die Ausströmöffnung bereits, bevor der Kolben seine tiefste Stellung erreicht hat. Dabei komprimiert der sich noch nach unten bewegende Kolben den noch vorhandenen Dampf adiabatisch weiter (wobei dessen Temperatur zunimmt). Der im Leerraum verbliebene Dampf hat dann fast den Druck erreicht, mit dem der frische Dampf einströmt, sodass dieser sofort mit der Arbeit beginnen kann.
Über dem Kolben expandiert der Dampf adiabatisch (Schritt 3).Bildunterschrift Ende

Abb. 4 ¦ Zweifach wirkende Dampfmaschine in Aktion  Animation: Die oben erlaeuterten Schritte im Zylinder der zweifach wirkenden Dampfmaschine
BildunterschriftBildunterschrift Ende

6. Kondensation des Dampfes

Um die Arbeit, die benötigt wird, um den Dampf wieder aus dem Zylinder hinauszudrücken, möglichst klein zu machen (und damit den Wirkungsgrad zu erhöhen), lässt man ihn in einen an die Ausströmöffnung angeschlossenen Kondensator strömen. Der Dampf kondensiert, was eine starke Volumenverringerung und damit einen Unterdruck zur Folge hat, der den weiteren Dampf aus dem Zylinder saugt.

Man kann den abgekühlten Dampf nach Schritt 5, statt ihn in den Kondensator zu drücken, auch in einen weiteren Zylinder befördern. Dort kann man den Dampf mit seiner immer noch hohen Temperatur für einen weiteren Arbeitsgang nutzen. Da der Dampf jedoch schon expandiert ist und einen entsprechend niedrigeren Druck hat, sind diese zweiten (oder auch dritten) Zylinder größer. Man unterscheidet entsprechend Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckzylinder. Eine solche Dampfmaschine mit mehreren Zylindern nennt man Verbunddampfmaschine.

Der Erfinder der Dampfmaschine war übrigens nicht James Watt, ihm gebührt jedoch das Verdienst, sie 1769 so verändert zu haben, dass sie in Fabriken und Lokomotiven einsetzbar war. Er trennte insbesondere Verdampfungs- und Kondensationsvorgang, wodurch der Zylinder immer heiß bleiben konnte. Im Vorgängermodell, das 1712 von Thomas Newcomen entwickelt wurde, wurde der Zylinder nach jedem Verdampfungsvorgang abgekühlt, um den Kondensationsvorgang einzuleiten. Das im Zylinder kondensierte Wasser floss ab in den Kessel, der Kolben bewegte sich infolgedessen nach unten und ein neuer Verdampfungsvorgang konnte einsetzen. Diese Dampfmaschine wurde nur für Pumpen eingesetzt. Auch das wechselseitige Einströmen des Dampfes auf beiden Seiten des Kolbens ist eine Erfindung von James Watt.

Dampfmaschinen wurden in der Industrie eingesetzt, beispielweise zum Antrieb von Webmaschinen, in der Landwirtschaft zum Antrieb von z. B. Dreschmaschinen, aber auch zur Fortbewegung in Dampfschiffen und Dampflokomotiven (siehe Galerie). Dampfbetriebene Fahrzeuge sind heute meist nur noch als Touristenattraktion oder als Hobby einzelner zu sehen. Lokomotiven fahren heute elektrisch oder mit Dieselmotoren.

© Wiebke Salzmann
Datum der letzten Änderung: 14. Juli 2010