Die Dampfmaschine

Die Dampfmaschine
Was ist die Dampfmaschine ?
Die Dampfmaschine ist eine Maschine, die Wärme in mechanische Energie
umwandeln kann. Sie wird als Wärmekraftmaschine bezeichnet.
Im 18. Jahrhundert wurde zum ersten Mal eine industrielle Produktion mit ihrer
Entwicklung und Nutzung möglich. Sie wurde für vieles eingesetzt, z.B. für
Lokomotiven, Schiffe, Maschinen in Eisenwerken, aber auch in Spinnereien und
Webereien. Sogar dem Straßenbau und der Landwirtschaft als Dampfflug diente sie.
Heutzutage ist die Dampfmaschine als Dampfturbine in der Industrie verbreitet.
Da die Dampfmaschine eine von Dampf getriebene Kolbenmaschine ist, wird sie im
Deutschen vor allem als Kolbendampfmaschine verstanden.
Die Dampfmaschine ist die erste Kraftmaschine, die mit fossilen Brennstoffen in
Form von Steinkohle betrieben wurde.
Geschichte der Dampfmaschine
Im ersten Jahrhundert erfand Heron von Alexandria, ein antiker Mathematiker
und Ingenieur, ein Gerät, das alleine von Dampf angetrieben wurde.
Erst viele Jahrhunderte später (1700 n. Chr.)erfolgen die ersten
Pionierarbeiten zur Dampfmaschine unter anderem von Denis Papin und Thomas
Savery.
Der Grund für die plötzlichen Bemühungen vieler Wissenschaftler zur
Entwicklung der Dampfmaschine war die Problematik des einsickernden
Grundwassers in den Bergwerken, welches man wieder herauspumpen wollte.
Thomas Newcomen entwickelte 1712 die erste Dampfmaschine (eine so genannte
atmosphärische Dampfmaschine), welche zwar eine geringe Leistung erbrachte,
aber trotzdem in den Kohlengruben eingesetzt werden konnte.
1765 verbesserte James Watt die Dampfmaschine von Newcomen, indem er
innerhalb der Maschine die Ausdehnung und Abkühlung des Wassers in
verschiedenen Abteilungen ablaufen ließ. Dadurch fand die Dampfmaschine eine
ernorme Popularität und Verbreitung und spielte eine wichtige Rolle in der
Industriellen Revolution.
1784 konstruierte Oliver Evans die Hochdruckdampfmaschine, welche Verwendung
in Lokomotiven, dampfbetriebenen Kutschen und Straßenfahrzeuge fand. Auch im
Bereich der Textilindustrie fand die Dampfmaschine ihre Einsatzbereiche
(z.B. als Antrieb für automatische Spinnmaschinen).
Bis 1800 waren bereits 1000 Dampfmaschinen in Benutzung.
Schließlich wurde 1852 auch das erste Luftschiff durch eine solche
betrieben.
Heutzutage verwendet man die Dampfkraft nur noch in Kraftwerken, da
leistungsfähigere Antriebe entwickelt wurden. Ein Beispiel hierfür wären die
Verbrennungsmotoren, die in Fahrzeugen eingesetzt werden.
Wie funktioniert eine Dampfmaschine?
Wasser wird durch Feuer erhitzt. Der entstehende Druck erzeugt Dampf. Dieser
entweicht durch die Dampfleitungsrohre zum Zylinder. Der Dampf kann nur über eine
Seite in den Zylinder gelangen, da die Stellung der Schieberstange die andere
Öffnung verschließt. Der heiße Dampf drückt den Kolben auf die andere Seite, der
Kolben drückt den im Zylinder enthaltenen Abdampf aus dem Zylinder. Bevor kein
Dampf mehr auf den Kolben einwirken kann, schaltet die Schieberstange um. So ist
die Dampfzufuhr unterbrochen. Das Aufkommen des Kolbens an die Zylinderwand
wird durch die Schwungmasse des Schwungrades überwunden. Die Schieberstange
gibt die andere Seite für den neuen Dampf frei. Der Dampf drückt den Kolben nun in
die andere Richtung. Der Abdampf wird wieder vom zurückgehenden Kolben
herausgedrückt.
Der Wirkungsgrad eines Heißluftmotors
Ein Heißluftmotor kann nicht die gesamte Wärmeenergie, die ihm zugeführt wird in
mechanische Energie umwandeln.
Beim Abkühlen und Verdichten der Luft geht ein Teil der Energie als Abwärme verloren.
Dieser Energieverlust lässt sich nicht vermeiden.
Die verlorene Abwärme nennen wir Wt .
Die zugeführte Wärmeenergie ist Wh.
Daraus ergibt sich die nutzbare Wärmeenergie W nutzbar.
W nutzbar =
Wh - Wt
Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine drückt das Verhältnis der zugeführten Wärme
zur nutzbaren mechanischen Energie aus:
Wirkungsgrad max = W nutzbar
W zugeführt
Wh - Wt
= Wh
Wt
= 1 - Wh
Die Energien Wh und Wt sind proportional zu den Kelvin-Temperaturen Th (hohe KevinTemp., heißer Teil des Motors) und Tt (tiefe Kelvin-Temp., kalter Teil des Motors)
Wirkungsgrad n max =
Wt
1- Wh
Tt
= 1 - Th
Beispiel an einem idealen Heißluftmotor
Th (hohe Temperatur, heißer Teil des Motors ) = 900K
Tt (hohe Temperatur, kalter Teil des Motors ) = 300K (Zimmertemperatur)
n max = 1-Tt
Th
n max = 1-300K
900K
= 1-1/3 = ungefähr 67 %
=> Aus 100 Joule zugeführter Energie lassen sich etwa 67 J mechanische Energie gewinnen.
Der Stirlingmortor (/ Heißluftmotor)
Der Stirlingmortor ist ein Heißgas – Motor. In einem abgeschlossenen Gasraum befinden sich
zwei Kolben: Verdrängerkolben und Arbeitskolben. Diese sorgen für den Antrieb einen
Schwungrades, das an den beiden Kolben mit Hilfe von Stäben befestigt ist. Der
Arbeitskolben bringt alleine die gesamte nutzbare Arbeit auf. Der Verdrängerkolben wird nur
bewegt um das Gas zu verschieben.
hier dargestellt : orange: Verdrängerkolben
grün: Arbeitskolben
gelb: Schwungrad
blau: Kühlrippen
Der Vorgang wird in 4 Teile unterteilt:
1. Das Gas wird von außen erhitzt. Es dehnt sich aus und schiebt den Verdrängerkolben nach
außen, zum Arbeitskolben. Dieser treibt das Schwungrad an.
2. Das Schwungrad dreht sich durch die Massenträgheit weiter. Der Verdrängerkolben schiebt
das Gas vom heißen in den kalten Bereich, wo es abgekühlt wird. Gleichzeitig nimmt er einen
Teil der Wärme auf und das Gas wird durch Kühlrippen abgekühlt. Durch die Abkühlung ist
der Druck des Gases nicht mehr so hoch.
3. Jetzt wird die Arbeit durch die Schwungmasse verrichtet. Sie drückt den Verdrängerkolben
nach unten, wobei der Arbeitskolben sich nicht bewegt. Das Gas kühlt weiter ab und verliert
an Duck.
4. Das Schwungrad dreht sich weiter und der Arbeitskolben verschiebt sich nach unten.
Dadurch wird Das abgekühlte Gas nach unten geschoben. Das Gas wird wieder erhitzt und
zusätzlich von der gespeicherten Wärme
des Verdrängerkolbens erwärmt.