Dampfmaschine

Grundprinzip und Bedeutung

Eine Dampfmaschine ist im engeren Sinne eine Kolben-Wärmekraftmaschine mit äußerer Verbrennung. In einem beheizten Dampferzeuger wird Wasser verdampft. Der unter Druck stehende Dampf enthält Wärmeenergie und Druckenergie; diese Energie verschiebt einen Kolben in einem Zylinder und wird dadurch in Bewegungsenergie umgewandelt. Meist ist der Kolben Teil eines Schubkurbelgetriebes: Die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens wird über Kreuzkopf, Pleuel und Kurbelwelle in die Rotation eines Schwungrades übertragen, das eine Arbeitsmaschine antreibt.

Dampfmaschinen unterscheiden sich von Verbrennungsmotoren, weil die Verbrennung außerhalb der eigentlichen Arbeitsmaschine stattfindet. Von der Dampfturbine unterscheiden sie sich dadurch, dass die Dampfturbine die Energie des Dampfes direkt in Rotation umwandelt, während die Kolbendampfmaschine zunächst eine oszillierende Kolbenbewegung erzeugt.

Historisch wurden Dampfmaschinen zuerst ab Anfang des 18. Jahrhunderts im Steinkohlebergbau zur Wasserhaltung eingesetzt, also zum Abpumpen von Wasser aus Gruben. Später trieben sie Textilmaschinen, Maschinen in vielen Industriezweigen, Dampfschiffe, Dampflokomotiven und Lokomobile an. Im 19. Jahrhundert wurden sie damit zu einer wichtigen Kraftquelle für Industrie und Verkehr. Um die Wende zum 20. Jahrhundert wurden sie allgemein durch Elektromotoren und als Fahrzeugantrieb durch Verbrennungsmotoren abgelöst. In Kraftwerken werden heute vor allem Dampfturbinen genutzt.

Arbeitsweise der Kolbendampfmaschine

Die Kolbendampfmaschine wandelt thermodynamische Energie, also Dampfdruck aus einem Dampferzeuger, in mechanische Rotationsenergie um. Der Kolben bewegt sich im Zylinder hin und her. Diese lineare, oszillierende Bewegung wird durch ein Schubkurbelgetriebe in eine Drehbewegung umgeformt.

Bei einer einfachwirkenden Dampfmaschine wirkt der Dampfdruck nur auf eine Seite des Kolbens. Der Arbeitstakt bewegt den Kolben in eine Richtung; die Rückbewegung erfolgt durch die im Schwungrad und in der Kurbelwelle gespeicherte Rotationsenergie. Bei einer doppeltwirkenden Dampfmaschine wirkt der Dampf abwechselnd auf beide Seiten des Kolbens. Dadurch ist auch die Rückbewegung ein Arbeitstakt, was Leistung und Wirkungsgrad erhöht.

Die Dampfzufuhr wird über Schieber oder Ventile gesteuert. Der Dampf drückt den Kolben zunächst nach unten oder in Richtung der Kurbelwelle. Über Kreuzkopf und Pleuel wird diese Bewegung am Kurbelzapfen der Kurbelwelle in Rotation umgesetzt. Das Arbeitsverfahren ist in zwei Takte gegliedert und wird deshalb als Zweitaktverfahren beschrieben.

Wichtige Bauarten

Die atmosphärische Dampfmaschine erzeugt ihre Kraft durch ein Vakuum. Der Raum unter dem Kolben wird mit Dampf gefüllt; anschließend wird Wasser eingespritzt, der Dampf kondensiert, und es entsteht Unterdruck. Der äußere Atmosphärendruck drückt den Kolben in den Zylinder. Ein bekannter Vertreter war die Maschine von Thomas Newcomen ab 1712. Ihr energetischer Wirkungsgrad lag bis zur Weiterentwicklung durch James Watt unter 1 %, in der Geschichtsdarstellung wird für die Newcomen-Maschine auch 0,5 Prozent genannt.

Bei der Niederdruckdampfmaschine wird Dampf mit einem leichten Überdruck von einigen 100 mbar aufgegeben. Eine wichtige Verbesserung war der getrennte Kondensator: Die Kondensation des Dampfes wurde aus dem Arbeitszylinder in einen eigenen wassergekühlten Behälter verlegt. So musste der Zylinder nicht bei jedem Takt stark abgekühlt und wieder erwärmt werden.

Die Hochdruckdampfmaschine arbeitet mit Dampf, der weit über 100 °C erhitzt wird und deshalb einen höheren Druck besitzt. Da der Betriebsdruck deutlich über dem Atmosphärendruck liegt, kann auf einen Kondensator verzichtet werden. Dadurch werden solche Maschinen leichter; das machte ihren Einsatz in Fahrzeugen, besonders in Dampflokomotiven, möglich. Hochdruckmaschinen nutzten auch die Dampfexpansion: Der Zylinder wird nur zu Beginn des Kolbenhubs mit Dampf beaufschlagt, danach arbeitet der eingeschlossene Dampf durch seine Ausdehnung weiter.

Eine Verbunddampfmaschine oder Mehrfachexpansionsmaschine besitzt mindestens zwei in Dampfrichtung nacheinander geschaltete Arbeitseinheiten. Der Dampf leistet zuerst in einem Hochdruckzylinder Arbeit und wird anschließend in einem oder mehreren Niederdruckzylindern weiter genutzt. Eine Gleichstromdampfmaschine, um 1908 von Johannes Stumpf vorgestellt, trennt Einströmung und Ausströmung so, dass der entspannte Dampf beim Ausstoßen nicht seine Strömungsrichtung wechseln muss. Das senkte Abkühlungsverluste, erforderte aber deutlich längere Zylinder und hätte sich erst bei Drücken ab 20 bar bewährt.

Entwicklung bis Watt

Die Idee dampfgetriebener Apparate reicht bis ins erste nachchristliche Jahrhundert zurück. Heron von Alexandria beschrieb den Heronsball, auch Aeolipile oder Äolsball genannt. In den Jahrhunderten vor den neuzeitlichen Dampfmaschinen dienten solche Geräte meist der Demonstration der Dampfkraft. Frühe Versuche werden unter anderem mit Blasco de Garay 1543, Salomon de Caus 1615 und Giovanni Branca 1629 verbunden.

Jerónimo de Ayanz y Beaumont ließ 1606 als erster eine Dampfmaschine patentieren. Seine Maschine wurde praktisch zur Entwässerung von Bergwerksstollen eingesetzt, indem Dampfdruck einen kontinuierlichen Wasserfluss in Rohrleitungen antrieb. Weitere Fortschritte waren Denis Papins Sicherheitsventil und Papinscher Topf von 1690 sowie Thomas Saverys Dampfpumpe von 1698.

Die erste verwendbare Dampfmaschine konstruierte Thomas Newcomen 1712. Sie diente zur Wasserhaltung in Bergwerken und war eine atmosphärische Dampfmaschine. Um 1770 waren in England rund 100 Newcomen-Maschinen im Einsatz, vor allem im Bergbau. Jacob Leupold beschrieb 1720 eine Hochdruckdampfmaschine mit zwei Zylindern; seine Darstellung erschien im Theatri Machinarum Hydraulicarum Tomus II.

Watts Verbesserungen und Industrialisierung

James Watt erfand die Dampfmaschine nicht, verbesserte aber den Wirkungsgrad der Newcomenschen Maschine entscheidend. Seine 1769 patentierte und sechs Jahre später von John Wilkinson gebaute Konstruktion verlagerte den Abkühlvorgang aus dem Zylinder in einen separaten Kondensator. Spätere Watt’sche Maschinen waren doppeltwirkend: Der Kolben wurde abwechselnd von beiden Seiten mit Dampf beaufschlagt, während die jeweils andere Seite zum Kondensator hin ausließ.

Watt entwickelte außerdem das Wattsche Parallelogramm für die geradlinige Bewegung der Kolbenstange. 1781 patentierte er ein Planetengetriebe, das William Murdoch konstruiert hatte, um die Kolbenbewegung in eine Drehbewegung umzuwandeln. 1788 führte Watt den Fliehkraftregler zur Geschwindigkeitsregulierung ein. Der Wirkungsgrad der wattschen Maschine erreichte schließlich 3 Prozent. Watt erfand auch die Leistungseinheit Pferdestärke, um die Leistungsfähigkeit seiner Maschinen zu zeigen.

Ab der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts wurden Dampfmaschinen durch solche Verbesserungen wirtschaftlich nutzbar, zunächst besonders im Kohlebergbau. Claude François Jouffroy d’Abbans konstruierte 1783 das erste funktionsfähige Dampfschiff. Richard Trevithick baute 1804 die erste auf Schienen fahrende Dampflokomotive. Der breite Durchbruch dauerte dennoch: In England wurden Dampfmaschinen erst bis in die 1860er Jahre massenhaft verwendet. Gründe waren unter anderem die nötige Verwendung von Eisen und die Konkurrenz der Wasserkraft in Ländern wie Frankreich und den USA.

Die Weiterentwicklung führte von Sattdampfmaschinen über Heißdampf-Maschinen zur Verbund- oder Compound-Maschine mit Zwei- und Dreifachexpansion. Ein Heißdampfkessel besitzt einen Überhitzer, der vom Feuer oder heißen Rauchgasen bestrichen wird; der Dampf erreicht dadurch Temperaturen um 350 Grad Celsius. Hochdruckmaschinen erreichten 1910 bei mittlerer Steinkohlenqualität einen Verbrauch von 0,5 kg Steinkohle pro PS-Stunde, entsprechend einem Wirkungsgrad von über 18 %.

Deutschland und heutige Nutzung

In Preußen wurde man 1769 auf die englischen „Feuermaschinen“ aufmerksam. Johann Esaias Silberschlag erkannte früh ihren Nutzen. 1785 wurde bei Burgörner die erste in Preußen nachgebaute Dampfmaschine wattscher Bauart in Betrieb genommen. Am 23. August 1785 ging die erste deutsche Dampfmaschine wattscher Bauart auf dem König-Friedrich-Schacht bei Hettstedt offiziell in Betrieb. Nach anfänglichen Störungen wurde sie wirtschaftlich erfolgreich. 1794 wurde sie durch eine stärkere Maschine ersetzt und arbeitete später bei Löbejün bis 1848.

Weitere frühe Einsätze gab es 1788 in Tarnowitz zur Entwässerung der Bergwerke, 1793 in Eschweiler und 1803 durch Franz Dinnendahl in Essen im Ruhrgebiet. In anderen deutschen Staaten verbreiteten sich Dampfmaschinen langsamer. 1811 wurde die erste Dampfmaschine in Sachsen in der Saline Bad Dürrenberg errichtet. Ernst Alban konstruierte in Mecklenburg ab 1823 Hochdruckdampfmaschinen mit Röhrenkessel und schwingendem Zylinder. Nach einer nicht ganz vollständigen Statistik gab es 1846 im Zollverein 1518 Dampfmaschinen, 1861 bereits 8695.

Heute sind Kolbendampfmaschinen als Fahrzeugantrieb weitgehend durch Verbrennungsmotoren ersetzt. Gründe sind unter anderem der Start ohne Aufwärmzeit, höherer Wirkungsgrad, größere Leistung bei geringerem Gewicht und bequemere Bedienung. Als zentrale Energiequelle von Industrieunternehmen wurden sie durch die elektrische Energieversorgung verdrängt. Im Steinkohlenbergbau wurden und werden Dampfmaschinen noch in Förderanlagen eingesetzt, weil sie sowohl heben als auch bremsen können.

Eine vollständige Renaissance ist nicht ausgeschlossen, weil Dampfmaschinen eine kontinuierliche, potenziell emissionsärmere Verbrennung nutzen können und unter Last anlaufen. Moderne Entwicklungen wie der Dampfmotor zielten darauf. Die IAV GmbH entwickelte in den späten 1990er Jahren für Volkswagen eine moderne Dampfmaschine; daraus entstand Ende 2000 die Firma Enginion. Der ZEE-Prototyp erreichte einen Wirkungsgrad von 23,7 %, Enginion musste jedoch 2005 Insolvenz anmelden. Für die heutige Stromproduktion sind vor allem Dampfturbinen in Kohle-, Gas-, Kernkraft- und Solarthermiekraftwerken wichtig.