Die Dampfmaschine – Erfinder, Aufbau und Funktion (2024)

250 Jahre Dampfmaschine Die Dampfmaschine – Erfinder, Aufbau und Funktion

26.08.2019 Aktualisiert am 16.01.2023 Von Katharina Juschkat

Vor 250 Jahren wurde das Patent für die Dampfmaschine von James Watt angemeldet. Doch die Erfindung reicht noch weiter in die Vergangenheit – und hatte bahnbrechende Auswirkungen auf die Industrie und Gesellschaft.

Dampfmaschinen verbindet man mit der Industrialisierung, mit laut schnaufenden Dampflokomotiven und mit Dampfschiffen. Das Genre des Steampunk huldigt die Zeit der Dampfmaschinen bis heute, indem es futuristische Ideen mit dampf- und zahnradgetriebener Mechanik verbindet. Zum 200. Todestag von James Watt am 25. August jährt sich auch das Patent der Dampfmaschine zum 250. Mal – im Jahr 1769 meldete Watt die Dampfmaschine, die unsere Industrie nachhaltig verändern sollte, zum Patent an.

Die Geschichte der Dampfmaschine – wer hat‘s erfunden?

James Watt wird allgemein die Erfindung der Dampfmaschine zugeschrieben – irrtümlicherweise. Watt war zwar maßgeblich an der Optimierung der Technologie beteiligt, doch die Dampfmaschine war das Ergebnis vieler Erfinder und technischer Weiterentwicklungen. Eine der ersten Dampfmaschinen konstruierte Denis Papin, ein französischer Physiker, bereits im Jahre 1690. Dabei handelte es sich um einen Zylinder, in dem sich Wasser und ein Kolben befand. Wenn man den Zylinder abwechselnd erwärmte und abkühlte, bewegte sich der Kolben und konnte so mechanische Arbeit verrichten.

Der englische Ingenieur und Erfinder Thomas Savery baute schließlich die erste Dampfmaschine, die in einer konkreten Anwendung Einsatz fand: Eine kolbenlose Dampfpumpe, die Grundwasser aus Bergwerken hochpumpte. Der in einem Dampfkessel erzeugte Wasserdampf sorgte durch seine Ausdehnung und Volumenverringerung beim Erwärmen und Abkühlen für eine Anhebung des Wassers.

Die Dampfmaschinen von Savery und Papin waren in ihrem Wirkungsgrad noch sehr dürftig – erst die 1712 von dem englischen Schmiedemeister Thomas Newcomen entwickelte atmosphärische Dampfmaschine war wirklich praxistauglich. Nebenstehende Abbildung verdeutlicht die Wirkungsweise: Über dem kugelförmigen Dampfkessel befindet sich ein Zylinder, in dem sich ein Kolben auf- und abbewegt. Die Bewegung überträgt sich über die Schwinge auf die Pumpe. Während in den Dampfkessel Dampf strömt, wird der Kolben im Zylinder durch das Gewicht des Pumpengestänges nach oben gezogen. Am höchsten Punkt wird die Dampfzufuhr unterbrochen, der Zylinder gekühlt. Der Dampf kondensiert, der Druck im Zylinder sinkt und der Luftdruck drückt den Zylinder nach unten. Auch die Newcomensche Dampfmaschine fand vor allem in Bergwerken Einsatz. Dadurch, dass Bergwerksgesellschaften immer tiefer gruben, ergab sich die Notwendigkeit nach effizienten Maschinen zum Abpumpen des Grubenwassers.

James Watt und die Dampfmaschine

Seit 1759 war auch der Schotte James Watt mit der Technik der Dampfmaschine beschäftigt. Er verbesserte den Wirkungsgrad der atmosphärischen Dampfmaschine von Newcomen erheblich, indem er einen Kondensator an die Dampfmaschine anband. Diese Konstruktion meldete er vor genau 250 Jahren im Jahr 1769 zum Patent an. Gemeinsam mit einem Partner setzte er ab 1774 seine Erfindung in einer Fabrik in Soho in die Realität um.

Die von Watt erfundene einfachwirkende Dampfmaschine funktioniert wie folgt: Über ein Ventil gelangt der Wasserdampf aus dem Dampfkessel in den Zylinder. Das drückt den Kolben im Zylinder nach unten. Das erste Ventil schließt sich, das Ausgleichsventil öffnet sich, sodass sich über und unter dem Kolben der Druck ausgleicht. Damit zieht das Gewicht nach unten und bewegt den Kolben nach oben. Dann öffnet sich das Ventil zum Kondensator, in den Wasserdampf gedrückt wird. Durch den entstandenen Unterdruck im Kondensator wird der Kolben wieder nach unten gezogen.

So funktioniert die einfachwirkende Dampfmaschine von James Watt:

Die einfachwirkende Dampfmaschine fand hauptsächlich als Pumpe Einsatz. Der Bedarf nach einer Maschine, die gleichmäßige Drehbewegungen lieferte, war zur damaligen Zeit jedoch hoch, weshalb Watt seine Dampfmaschine weiterentwickelte und die doppeltwirkende Dampfmaschine konstruierte. Zunächst verband er zwei Räume mit Druckventilen über und unter dem Zylinder mit dem Dampfkessel und dem Kondensator, um beide Kolbenbewegungen als Arbeitshübe zu verwenden – somit wurde das Gewicht überfällig, dass den Kolben wieder hochzieht. Bisher war es jedoch nur möglich, die abwärts ziehenden Kräfte des Zylinders mittels einer Kette zu übertragen – um jetzt beide Arbeitshübe zu nutzen, verwendete Watt statt der Kette eine Kolbenstange. Und um diese Stange an dem Balancier zu führen, erfand er 1784 das sogenannte Wattsche Parallelogramm – das er selbst als seine größte Erfindung bezeichnete.

Um die bisherige Kolbenbewegung der Dampfmaschine in die gewünschte Rotationsbewegung umzusetzen, erfand der Ingenieur und Mitarbeiter von James Watt, William Murdoch, das Umlaufrädergetriebe oder Planetengetriebe, das an die Stelle des Gewichts montiert wurde. Zudem fand an der doppeltwirkenden Dampfmaschine erstmals ein Fliehkraftregler Einsatz, der die Arbeitsgeschwindigkeit der Maschine regulierte und für eine konstante Drehzahl sorgte. Um zu demonstrieren, wie viel Arbeit seine Dampfmaschine verrichtete, erfand Watt die Leistung „Pferdestärke“.

So funktioniert die doppeltwirkende Dampfmaschine von James Watt:

Die Dampfmaschine und die Industrialisierung

Mit diesen Verbesserungen wurde die Dampfmaschine wirtschaftlich und setzte sich nicht nur im Bergbau durch, sondern fand ab der zweiten Hälfte des 18. Jahrhunderts auch in weiteren Industrieanwendungen und dem Transportwesen Einsatz.

Die Dampfmaschine ermöglichte es, Fabriken unabhängig von natürlichen Energiequellen wie Wind- oder Wassermühlen zu bauen – immer mehr Fabriken wurden in Städten errichtet, die Urbanisierung nahm ihren Lauf. In der Industrie fand sie vor allem im Textilgewerbe und im Maschinenbau Einsatz. Aus vorindustriellen und handgetriebenen Drehbänken wurden Werkzeugmaschinen, die mit Dampfkraft betrieben wurden, was einen wesentlichen Beitrag zur ersten industriellen Revolution leistete. Gleichzeitig fand ein Dequalifizierungsprozess statt, da die Arbeiter nicht mehr das Werkzeug selbst führen mussten, das übernahm jetzt die Maschine, und hochspezialisierte Fachkräfte wurden überflüssig. Auch das Transportwesen wurde von den Dampfmaschinen geprägt: Dampflokomotiven und Dampfschiffe ermöglichten es, Güter in kürzerer Zeit und mit weniger Kosten zu transportieren.

Das Video erklärt, wie die Dampfmaschine die Welt veränderte:

Die Industrialisierung forderte immer bessere und schnellere Leistungen, doch mit der Dampfmaschine stieß man bald an die Grenzen des technisch Machbaren, da die Hubzahl begrenzt war. Für deutlich höhere Leistungen erfand man schließlich die Dampfturbine, die bis heute in zahlreichen Kraftwerken im Einsatz ist.

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