Bauanleitung Dampfmaschine

Während Dampfmaschinen heute eine eher untergeordnete Rollen spielen und weitestgehend von Verbrennungsmotoren abgelöst wurden, waren sie seinerzeit maßgeblich an der industriellen Revolution beteiligt. Die ersten Dampfmaschinen gab es bereits 1690 entwickelt von Denis Papin und 1698 entwickelt von Thomas Savery. Allerdings handelte es sich bei diesen Maschinen um Versuchsmaschinen, die in der Praxis nicht verwendet wurden. Die erste Dampfmaschine, die tatsächlich zur Anwendung kam, wurde 1712 von Thomas Newcomen erfunden und genutzt, um das Wasser in einem Bergwerk abzupumpen. Seine Dampfmaschine, die auch als atmosphärische Dampfmaschine bezeichnet wird, erzeugte in einem mit Dampf gefüllten Zylinder einen Unterdruck, indem Wasser in diesen Zylinder eingespritzt wurde. Der Kolben wurde durch diesen Druckunterschied im Arbeitstakt erst vom atmosphärischen Luftdruck nach unten gedrückt und anschließend durch das Eigengewicht der Pumpenstange, die angetrieben werden sollte, wieder nach oben gezogen.

Bauanleitung DampfmaschineFür die Kraftübertragung zwischen der Kolbenstange und dem Balancier war eine Kette zuständig. Im Jahre 1769 verbesserte James Watt den Wirkungsgrad der Dampfmaschine von Newcomen, der bei nur 0,5 Prozent lag, deutlich. Damit erfand Watt die Dampfmaschine zwar nicht wie häufig angenommen, entwickelte sie aber entscheidend weiter. Im Zuge dieser Weiterentwicklung nahm Watt zwei Veränderungen vor. Zum einen verlagerte er den Abkühlvorgang, der nun nicht mehr in dem Zylinder, sondern in einem separaten Kondensator erfolgte. Zum anderen beschickte er den Kolben abwechselnd von einer und der einen Seite mit Dampf und öffnete gleichzeitig auf der gegenüberliegenden Seite jeweils den Auslass zum Kondensator. Dadurch war eine mechanische Rückführung des Kolbens nicht mehr notwendig. Durch die Erfindung des Wattschen Parallelogramms wurde es zudem möglich, dass die Maschine ein Schwungrad drehte. Neben Watt gab es weitere Persönlichkeiten, die im Zusammenhang mit der Dampfmaschine von Bedeutung sind. Hierzu gehören beispielsweise der amerikanische Ingenieur Robert Filton, der 1807 das erste gebrauchsfähige Dampfschiff konstruierte, oder Georg Stephenson, der 1814 die erste funktionsfähige Dampflokomotive baute.

Eine Dampfmaschine selber bauen

a.) Eine aufwändige Dampfmaschine zu bauen, setzt einiges an Grundlagenwissen und technisch-handwerklichem Geschick voraus. Modellbauer und Hobbybastler arbeiten daher häufig mit fertigen Bausätzen, die alle erforderlichen Bauteile enthalten. Mithilfe der beiliegenden Bauanleitung ist es dann auf diese Weise möglich, eine eigene kleine Dampfmaschine zu bauen, die üblicherweise ihren großen Vorbildern nachempfunden ist.

Ein schönes Beispiel für eine historische Dampfmaschine zeigt dieses Video:

b.) Wer sich nun am Selbstbau einer Dampfmaschine versuchen möchte, sollte sich zuerst mit der Theorie beschäftigen, denn nur wenn die Grundlagen bekannt sind, kann dieses Wissen auf die praktische Umsetzung angewandt werden. Daher findet sich im Folgenden keine Bauanleitung für eine Dampfmaschine im eigentlichen Sinne, sondern eine grundlegende Beschreibung der Funktionsweise sowie der physikalischen Grundlagen.

 

Die Funktionsweise einer Dampfmaschine und die physikalischen Grundlagen

1.) Eine Dampfmaschine ist eine Wärmekraftmaschine, die Dampf, der in Kesseln erzeugt wurde, in mechanische Arbeitsleistung umwandelt. Der unter hohem Druck stehende Dampf muss dazu den Kolben im Wechsel nach unten und nach oben drücken. Ein Schieber, der über einen Extender mit der Kurbelwelle verbunden ist, steuert den Zu- und den Abdampf, während eine Schwungscheibe die Unregelmäßigkeiten in der Drehbewegung durch ihre Masse ausgleicht.

2.) Damit das Wasser in dem Kessel erhitzt wird, muss die Wärmeenergie Q zugeführt werden. Die Wärme Q führt einerseits dazu, dass sich die Wassertemperatur durch die Zunahme der inneren Energie U erhöht, und andererseits dazu, dass sich das Wasser durch die Volumenänderungsarbeit W ausdehnt. Die entsprechende Formel hierzu lautet:

3.) Wird nun weitere Wärme zugeführt, bildet sich Dampf. Die innere Energie U nimmt in einem geschlossenen Gefäß immer mit den Parametern Temperatur und Druck p zu, wobei dieser Vorgang für die Wirkungsweise von Dampfmaschinen entscheidend ist. Kann sich das Gefäß nämlich vergrößern, verrichtet der Dampf die nutzbare Volumenänderungsarbeit W. Da der Zylinder und der Kolben ein Gefäß mit veränderbarem Volumen bilden, bewegt der Dampf den Kolben, der dadurch mechanische Arbeit verrichtet. Durch den Druck p erzeugt der Dampf die Kraft F, der Dampf verschiebt sich um den Weg s. Damit lautet die Formel für die Arbeitsleistung des Kolbens W = F x s. In der Dampfmaschine vergrößert der Druck das Volumen V, während die Temperatur im Zylinder gleichzeitig abgesenkt wird. Die Kraft, die nach unten wirkt, wird durch ein Getriebe in eine Drehbewegung umgewandelt. Die Arbeitsleistung hier ergibt sich aus dem Drehmoment M multipliziert mit dem Drehwinkel Phi.

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