The Steam Engine Essay, Research Paper
Referat xber die Dampfmaschine Dampfmaschine, mechanische Anlage zur xbertragung der Energie von Wasserdampf in mechanische Energie f r verschiedenartige Anwendungen, darunter f r Antriebe und zur Erzeugung von Elektrizit t. Das Grundprinzip der Dampfmaschine besteht darin, W rmeenergie von Wasserdampf in mechanische Energie umzuwandeln, indem man den Wasserdampf in einem Zylinder abk hlen l xt. Ein im Zylinder angebrachter Kolben wird durch die Temperaturunterschiede (heixer und abgek hlter Wasserdampf) hin- und herbewegt. Wasserdampf zur Erzeugung von Energie oder zum Heizen wird in der Regel in einem Dampfkessel erzeugt. Die einfachste Form eines Dampfkessels ist ein geschlossener, mit Wasser gef llter Beh lter, der mit einer Flamme so lange erhitzt wird, bis das Wasser zu ges ttigtem Dampf wird. Die gew hnliche, in vielen Haushalten eingesetzte Warmwasseranlage arbeitet mit einem solchen Kessel, den man in einer solchen Anlage als Warmwasserbereiter (auch Heixwasserbereiter) bezeichnet. Neben der Erw rmung durch eine Gasflamme kennt man auch die Erw rmung mit Hilfe eines Tauchsieders. Groxtechnische Anlagen zur Erzeugung von Elektrizit t aus Dampf sind allerdings erheblich komplizierter aufgebaut und mit einer Reihe unterschiedlicher Zusatzger te ausgestattet. Der Wirkungsgrad von Dampfmaschinen ist im allgemeinen niedrig, daher wurden sie bei der Elektrizit tserzeugung in den meisten F llen durch Dampfturbinen ersetzt.Geschichte Die erste Kolbenkraftmaschine wurde 1690 von dem franz sischen Physiker und Erfinder Denis Papin entwickelt und beim Pumpen von Wasser eingesetzt. Papins Maschine, kaum mehr als eine Spielerei, war ein primitives Ger t, bei dem die Hauptleistung mit Luft- und nicht mit Dampfdruck (siehe Druck) erzielt wurde. Sie bestand aus einem einzigen Zylinder, der gleichzeitig als Kessel diente. Eine geringe Menge Wasser wurde auf den Boden des Zylinders geleitet und erw rmt, bis sich Dampf bildete. Der Dampfdruck hob einen in den Zylinder eingepaxten Kolben. Anschliexend wurde die Heizquelle unter dem Zylinder entfernt. Beim Abk hlen des Zylinders kondensierte der Dampf, und der Luftdruck ber dem Kolben dr ckte diesen wieder nach unten.1698 baute der englische Ingenieur Thomas Savery eine Dampfmaschine mit zwei Kupferbeh ltern, in die abwechselnd aus einem Kessel Dampf eingeleitet wurde. Saverys Maschine wurde ebenfalls zum Wasserpumpen eingesetzt, wie auch die sogenannte atmosph rische Dampfpumpe mit Balancier (zweiarmiger Hebel), die der englische Erfinder Thomas Newcomen im Jahr 1705 konstruierte. Dieses Ger t hatte einen senkrechten Zylinder und einen mit Gegengewichten versehenen Kolben. Zusammen mit den Gegengewichten bewirkte Dampf, der mit geringem Druck unten in den Zylinder geleitet wurde, dax sich der Kolben zum oberen Ende des Zylinders bewegte. War der Kolben dort angekommen, ffnete sich automatisch ein Ventil, durch das ein Strom kalten Wassers in den Zylinder gespritzt wurde. Dadurch kondensierte der Dampf, und der Luftdruck schob den Kolben wieder zum unteren Ende des Zylinders. Eine Stange, die an dem Verbindungsbalken zwischen Kolben und Gegengewicht befestigt war, bewegte sich mit dem Kolben auf und ab und bet tigte eine Pumpe. Newcomens Maschine br
W hrend der schottische Ingenieur und Erfinder James Watt Verbesserungen an Newcomens Maschine vornahm, machte er eine Reihe von Erfindungen, die das Entstehen der modernen Dampfmaschine erm glichten. Watts erste wichtige Entwicklung war die Konstruktion einer Maschine mit einem eigenen Raum f r das Kondensieren des Dampfes. Diese 1769 patentierte Maschine verbesserte den Wirkungsgrad der Maschine von Newcomen erheblich. Der Dampfverlust durch das abwechselnde Erw rmen und Abk hlen des Zylinders blieb bei dieser Konstruktion nahezu aus. Watts Maschine hatte einen isolierten Zylinder, der st ndig die Dampftemperatur beibehielt. In dem davon getrennten, wassergek hlten Kondensationsraum wurde mit einer Pumpe ein Unterdruck erzeugt, so dax der Dampf vom Zylinder in den Kondensationsraum gesogen wurde. Mit der Pumpe wurde auch das Wasser aus dem Kondensationsraum entfernt.Eine weitere tiefgreifende -nderung in der Konstruktion der ersten Maschinen von Watt war die Verwendung von Wasserdampf statt Luftdruck. Watt erfand auxerdem ein Verfahren, mit dem ein sich hin- und herbewegender Kolben einer Maschine ein sich drehendes Schwungrad antreiben konnte. Das erreichte er zun chst durch ein System von Zahnr dern, ein Getriebe, sp ter wie bei modernen Kraftmaschinen mit einer Kurbelwelle. Weitere von Watt eingef hrte Verbesserungen und Erfindungen waren u. a. die Anwendung des Prinzips der Doppelwirkung, bei dem Dampf abwechselnd auf beide Seiten des Kolbens geleitet wurde, so dax in beide Richtungen Druck auf den Kolben ausge bt wurde. Watt r stete seine Kraftmaschinen auch mit Drosselklappen aus. Damit liex sich die Geschwindigkeit regeln. Mit Hilfe von Fliehkraftreglern erreichten seine Konstruktionen automatisch eine gleichbleibende Arbeitsgeschwindigkeit.Die n chste entscheidende Entwicklung auf dem Gebiet der Dampfmaschine war die Einf hrung brauchbarer Hochdruckdampfmaschinen. Watt hatte zwar das Prinzip der Hochdruckdampfmaschine erkannt, konnte aber diese Art der Maschine nicht vervollkommnen. Anfang des 19. Jahrhunderts gelang es dem britischen Ingenieur und Erfinder Richard Trevithick und dem amerikanischen Erfinder Oliver Evans, eine Hochdruckdampfmaschine zu konstruieren. Trevithick setzte dieses Modell der Dampfmaschine zum Antrieb der ersten je gebauten Lokomotive f r eine Eisenbahn ein. Sowohl Trevithick als auch Evans bauten dampfbetriebene Kutschen zur Fortbewegung auf Straxen.Etwa zur gleichen Zeit baute der britische Ingenieur und Erfinder Arthur Woolf die erste Verbundmaschine (auch Mehrfach-Expansionsmaschine genannt). Sie stellte eine Verbesserung der Zweifach-Expansionsmaschine von J. Hornblower dar. Bei der Mehrfach-Expansionsmaschine wird unter hohem Druck stehender Dampf zun chst auf einen und, nachdem er sich ausgedehnt und dabei Druck verloren hat, auf einen weiteren Kolben geleitet. Woolfs erste Maschinen hatten zwei Zylinder. Sp ter gab es aber auch Arten mit dreifacher und sogar vierfacher Expansion. Der Vorteil der Verbindung von zwei oder mehr Zylindern besteht darin, dax weniger Energie durch Abgabe von W rme an die Zylinderw nde verlorengeht und die Maschine deshalb einen h heren Wirkungsgrad erzielt.