Was ist eine Dampfmaschine?
Kurz gesagt: Eine Dampfmaschine ist ein Apparat, welcher die Dampfkraft nutzt, um mechanische Arbeit mit Hilfe von Wärme auszuführen.
In einer Dampfmaschine dehnt sich heißer Dampf, der normalerweise von einem Kessel geliefert wird, unter Druck aus, und ein Teil der Wärmeenergie wird in Energie umgewandelt. Der Rest der Wärme kann entweichen. Um die maximale Effizienz der Maschine zu erreichen, kann der Dampf in einem separaten Apparat, einem Kondensator, bei vergleichsweise niedriger Temperatur und niedrigem Druck kondensiert werden. Für einen hohen Wirkungsgrad muss der Dampf infolge seiner Ausdehnung innerhalb des Motors einen weiten Temperaturbereich durchlaufen. Die effizienteste Leistung, d.h. die größte Arbeitsleistung im Verhältnis zur zugeführten Wärme, wird durch eine niedrige Kondensatortemperatur und einen hohen Kesseldruck sichergestellt. Der Dampf kann weiter erhitzt werden, indem er auf dem Weg vom Kessel zum Motor durch einen Überhitzer geleitet wird. Ein gemeinsamer Überhitzer ist eine Gruppe von parallelen Rohren, deren Oberflächen den heißen Gasen im Kesselofen ausgesetzt sind. Mit Hilfe von Überhitzern kann der Dampf über die Temperatur hinaus erhitzt werden, bei der er durch kochendes Wasser erzeugt wird.
Dampfmaschinen haben eine „äußere Verbrennung“ – dies ist der Unterschied zu Verbrennungsmotoren.
Es gibt verschiedene Typen von Dampfmaschinen:
- Atmosphärische Dampfmaschinen
- Niederdruckdampmaschinen
- Hochdruckdampfmaschinen
- Verbunddampfmaschinen
Die Geschichte der Dampfmaschine
Anfang des ersten Jahrhunderts n. Chr. entwarf ein griechischer Erfinder namens Held von Alexandria die erste Aeolipile oder primitive Dampfturbine der Welt. Das Aeolipile von Heron bestand aus einer Hohlkugel, die auf einem Rohrpaar montiert war. Von unten durch Feuer erhitzt, transportierten die Röhren den Dampf zur Kugel, wo er durch eine weitere Reihe von Röhren, die aus dem Äquator der Kugel herausragten, freigesetzt wurde. Diese Bewegung des Dampfes durch die Vorrichtung führte zu einer Rotation der Kugel, was die Möglichkeit der Verwendung von Dampf als Antriebsmittel demonstrierte.
Obwohl der Aeolipile von Hero als Neuheit und nicht als Mittel zur Beschleunigung der Produktion geschaffen wurde, ist er dennoch das erste bekannte Gerät, das Dampf in eine Drehbewegung umwandelt. Aber erst im 17. Jahrhundert wurde versucht, die Kraft, die Herons Aeolipile besitzt, für praktische Zwecke zu nutzen.
Dampf: Eine gute Lösung
Die ersten praktischen Dampfmaschinen wurden entwickelt, um ein sehr spezifisches Problem zu lösen: wie man Wasser aus gefluteten Minen entfernen kann. Als die Europäer des 17. Jahrhunderts von Holz auf Kohle als Hauptbrennstoff umstiegen, wurden die Bergwerke vertieft und infolgedessen nach dem Eindringen in unterirdische Wasserquellen häufig geflutet.
Es wird angenommen, dass ein spanischer Bergbauverwalter namens Jerónimo de Ayanz die erste Person war, die das Problem der gefluteten Bergwerke gelöst hat. Im Jahr 1606 meldete de Ayanz das erste Patent für eine Maschine an, die Dampfkraft zum Antrieb von Wasser aus Bergwerken nutzte. Der spanische Erfinder – dem auch die Erfindung einer der ersten Klimaanlagen der Welt zugeschrieben wird – benutzte seine Dampfmaschine, um Wasser aus den Silberminen in Guadalcanal, Sevilla, zu entfernen.
Während der Spanier erstmals eine dampfbetriebene Maschine für den Einsatz im Bergbau patentierte, wird die Erfindung der ersten Dampfmaschine meist einem Engländer zugeschrieben. Im Jahr 1698 patentierte Thomas Savery, ein Ingenieur und Erfinder, eine Maschine, die mit Hilfe von Dampfdruck effektiv Wasser aus überfluteten Minen absaugen konnte. Savery benutzte Prinzipien, die von Denis Papin, einem in Frankreich geborenen britischen Physiker, der den Dampfdruckkocher erfand, dargelegt wurden. Papins Ideen rund um eine Zylinder- und Kolben-Dampfmaschine waren zuvor noch nicht zum Bau einer funktionierenden Maschine verwendet worden, aber bis 1705 hatte Savery die Ideen von Papin in eine nützliche Erfindung verwandelt.
Mit zwei Dampfkesseln entwickelte Savery ein nahezu kontinuierliches System zum Pumpen von Wasser aus den Minen. Doch trotz des frühen Erfolgs von Savery’s System wurde bald entdeckt, dass seine Maschine nur in der Lage war, Wasser aus geringer Tiefe zu fördern, ein Problem, das überwunden werden musste, wenn Dampfmaschinen in tiefen Minen funktionieren sollten.
Zum Glück für die europäischen Minenbesitzer entwickelte 1711 ein anderer Engländer, Thomas Newcomen, eine bessere Methode, um Wasser aus den Minen zu pumpen. Sein System nutzte eine neu konstruierte Dampfmaschine, die die Notwendigkeit eines akkumulierten Dampfdrucks beseitigte – ein Fehler im System von Savery, der zu vielen unglücklichen Explosionen führte. Newcomen’s “atmosphärische” Maschine – so genannt, weil die Höhe des Dampfdrucks nahe am atmosphärischen Druck lag – war die erste kommerziell erfolgreiche Maschine, die Dampf zum Betrieb einer Wasserpumpe verwendete.
Obwohl sie eine Verbesserung gegenüber Savery’s ursprünglicher Darstellung der Dampfmaschine war, hatte Newcomen’s atmosphärische Maschine auch ihre Mängel. Die Maschine war äußerst ineffizient, da sie einen konstanten Kaltwasserstrom zur Kühlung des wichtigen Dampfzylinders (der Teil des Motors, in dem der Dampfdruck in Bewegung umgewandelt wird) sowie eine konstante Energiequelle zur Wiedererwärmung des Zylinders benötigte.
Ungeachtet dieses großen Nachteils blieb Newcomen’s Motorkonstruktion in den nächsten 50 oder mehr Jahren unangefochten und wurde neben dem Auspumpen von Minen auch zur Entwässerung von Feuchtgebieten, zur Wasserversorgung von Städten und sogar zur Versorgung von Fabriken und Mühlen eingesetzt, indem Wasser von unterhalb eines Wasserrades zur Wiederverwendung nach oben gepumpt wurde.
Dampfmaschinen und Industrialisierung
Doch schon 1765 war das Schicksal von Newcomen’s Maschine besiegelt. In diesem Jahr begann James Watt, ein schottischer Instrumentenbauer, der an der Universität Glasgow angestellt war, mit der Reparatur eines kleinen Modells eines Newcomen-Motors. Watt war verblüfft über den hohen Dampfverbrauch der Newcomen-Maschine und erkannte, dass er, um diese Ineffizienz zu beheben, auf die ständige Kühlung und Wiedererwärmung des Dampfzylinders verzichten musste.
Um dies zu erreichen, entwickelte Watt einen separaten Kondensator, der es ermöglichte, den Dampfzylinder auf einer konstanten Temperatur zu halten und die Funktionalität von Newcomen’s Maschine dramatisch zu verbessern.
Aus finanziellen Gründen war Watt nicht sofort in der Lage, seinen neuen und verbesserten atmosphärischen Motor herzustellen. Aber schon 1776 ging er eine Partnerschaft mit Matthew Boulton ein, einem englischen Hersteller und Ingenieur, der fest entschlossen war, Dampfmaschinen nicht nur für das Pumpen von Wasser aus Bergwerken einzusetzen.
Mit finanzieller Unterstützung von Boulton entwickelte Watt eine einfachwirkende (und später eine doppeltwirkende) Rotationsdampfmaschine, die zusammen mit Watts charakteristischem separaten Kondensator einen Parallelbewegungsmechanismus aufwies, der die Leistung des vorhandenen Dampfzylinders verdoppelte. Die Boulton-Watt-Maschine war auch die erste, die es dem Bediener der Maschine ermöglichte, die Motordrehzahl mit einer Vorrichtung, einem so genannten Fliehkraftregler, zu steuern. Der verbesserte Motor verwendete ein neues Getriebesystem – entwickelt von Boulton and Watts’ Mitarbeiter William Murdoch -, das als Sonnen- und Planetengetriebe bekannt ist, um die (lineare) Hin- und Herbewegung in eine Drehbewegung umzuwandeln.
Watts’ Verbesserungen an der Dampfmaschine, kombiniert mit Boultons Vision einer dampfbetriebenen Nation, erleichterten die rasche Einführung von Dampfmaschinen in ganz Großbritannien und schließlich auch in den Vereinigten Staaten. Um 1800 trieben die Dampfmaschinen Mühlen, Fabriken, Brauereien und eine Vielzahl anderer Fertigungsbetriebe an. Im Jahr 1852 fand der erste Flug eines dampfbetriebenen Luftschiffs statt.
Dampfmaschine – deutsche Qualität von Wilesco
Seit 1950 hat sich das 1912 gegründete Unternehmen „Wilesco“ mit der Produktion von Modell-Dampfmaschinen und Antriebsmodellen beschäftigt.
1966 wurde die Dampfwalze „Old Smoky“ als mobiles Modell ins Fertigungsprogramm aufgenommen. Es folgten neben dem Dampftraktor noch ein Dampffeuerwehrauto, angelehnt an ein Original der Fa. MAGIRUS aus dem Jahre 1904. Das neueste fahrbare Modell ist der Schlepper „Mighty Atom“. Es handelt sich um einen detailgetreuen Nachbau des Originals von 1932.
Technische Faszination – Wilesco Dampfmaschinen
Die traditionsreichen Modelle der Wilesco Dampfmaschinen sind heute anschaulicher und aktueller den je! Sie veranschaulichen wie Wärme in mechanische Energie umgewandelt wird. Somit kann diese Energie wieder als Antrieb nutzbar gemacht werden.
Die Modelle zeigen auf eine interessanter Art und Weise wie die Technik hinter diesen Dampfmaschinen funktioniert. Durch Baussätze, können nicht nur Kinder sondern auch Erwachsene hinter diese faszinierende Technik blicken.
Seit mehr als 60 Jahren Produktion der Wilesco-Dampfmodelle sorgen über drei Millionen Dampfmodelle für ultimativen Dampfspaß. Die Langlebigkeit der Wilesco Dampfmaschinen lässt auch das Sammlerherz höher schlagen.
Wilesco Dampfmodelle: Technik zum Anfassen, kreativer Spielspaß
