Geschichte & Kultur

Erfindung und Entwicklung der Dampfmaschine

Dampfmaschinen sind Mechanismen, die Wärme zur Erzeugung von Dampf verwenden, der wiederum mechanische Prozesse ausführt, die allgemein als  Arbeit bekannt sind.  Während mehrere Erfinder und Innovatoren an verschiedenen Aspekten der Verwendung von Dampf zur Stromversorgung arbeiteten, sind an der Hauptentwicklung der frühen Dampfmaschinen drei Erfinder und drei Hauptmotoren beteiligt.

 

Thomas Savery und die erste Dampfpumpe

Die erste für Arbeiten verwendete Dampfmaschine wurde 1698 vom Engländer Thomas Savery patentiert und diente zum Pumpen von Wasser aus Minenschächten. Der grundlegende Prozess umfasste einen Zylinder, der mit Wasser gefüllt war. Dann wurde dem Zylinder Dampf zugeführt, der das Wasser verdrängte, das durch ein Einwegventil ausströmte. Nachdem das gesamte Wasser ausgestoßen worden war, wurde der Zylinder mit kaltem Wasser besprüht, um die Temperatur des Zylinders zu senken und den Dampf im Inneren zu kondensieren. Dies erzeugte ein Vakuum innerhalb des Zylinders, das dann zusätzliches Wasser ansaugte, um den Zylinder wieder aufzufüllen, wodurch der Pumpzyklus abgeschlossen wurde.

 

Kolbenpumpe von Thomas Newcomen

Ein anderer Engländer,  Thomas Newcomen. verbesserte Saverys Pumpe mit einem Design, das er um 1712 entwickelte. Newcomens Motor enthielt einen Kolben in einem Zylinder. Die Oberseite des Kolbens war mit einem Ende eines Schwenkbalkens verbunden. Ein Pumpenmechanismus war mit dem anderen Ende des Trägers verbunden, so dass Wasser angesaugt wurde, wenn der Strahl am Pumpenende nach oben kippte. Um die Pumpe anzutreiben, wurde dem Kolbenzylinder Dampf zugeführt. Gleichzeitig zog ein Gegengewicht den Balken am Pumpenende nach unten, wodurch der Kolben auf die Oberseite des Dampfzylinders stieg. Sobald der Zylinder mit Dampf gefüllt war, wurde kaltes Wasser in den Zylinder gesprüht, wodurch der Dampf schnell kondensiert und ein Vakuum im Zylinder erzeugt wurde. Dies führte dazu, dass der Kolben abfiel und den Strahl am Kolbenende nach unten und am Pumpenende nach oben bewegte. Der Zyklus wurde dann automatisch wiederholt, solange Dampf auf den Zylinder aufgebracht wurde.

Das Kolbendesign von Newcomen hat effektiv eine Trennung zwischen dem abgepumpten Wasser und dem Zylinder geschaffen, der zur Erzeugung der Pumpleistung verwendet wird. Dies verbesserte die Effizienz von Saverys ursprünglichem Design erheblich. Da Savery jedoch ein breites Patent für seine eigene Dampfpumpe besaß, musste Newcomen mit Savery zusammenarbeiten, um die Kolbenpumpe zu patentieren.

 

James Watt’s Verbesserungen

Der Schotte James Watt  verbesserte und entwickelte die Dampfmaschine in der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts erheblich und machte sie zu einer wirklich tragfähigen Maschine, die zum Beginn der industriellen Revolution beitrug. Die erste große Neuerung von Watt bestand darin, einen separaten Kondensator einzubauen, damit der Dampf nicht in demselben Zylinder gekühlt werden musste, in dem sich der Kolben befand. Dies bedeutete, dass der Kolbenzylinder auf einer viel gleichmäßigeren Temperatur blieb, was die Kraftstoffeffizienz des Motors stark erhöhte. Watt entwickelte auch einen Motor, der eine Welle drehen konnte, anstatt auf und ab zu pumpen, sowie ein Schwungrad, das eine reibungslose Kraftübertragung zwischen Motor und Arbeitslast ermöglichte. Mit diesen und anderen Innovationen wurde die Dampfmaschine auf eine Vielzahl von Fabrikprozessen anwendbar, und Watt und sein Geschäftspartner Matthew Boulton bauten mehrere hundert Motoren für den industriellen Einsatz.

 

Spätere Dampfmaschinen

Im frühen 19. Jahrhundert gab es große Innovationen bei Hochdruckdampfmaschinen, die viel effizienter waren als die Niederdruckkonstruktionen von Watt’s und den anderen Dampfmaschinenpionieren. Dies führte zur Entwicklung viel kleinerer und leistungsstärkerer Dampfmaschinen, mit denen Züge und Boote angetrieben und ein breiteres Spektrum industrieller Aufgaben wie das Laufenlassen von Sägen in Mühlen ausgeführt werden konnten. Zwei wichtige Innovatoren dieser Motoren waren der Amerikaner Oliver Evans und der Engländer Richard Trevithick. Im Laufe der Zeit wurden Dampfmaschinen für die meisten Arten von Fortbewegung und industriellen Arbeiten durch Verbrennungsmotoren ersetzt. Die Verwendung von Dampferzeugern zur Stromerzeugung ist jedoch bis heute ein wichtiger Bestandteil der Stromerzeugung.

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