Geschichte der Dampfmaschine

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

1 VORGESCHICHTE 1.1 Einführung in die Funktionsweise einer Dampfmaschine
1.2 Äolipile - Die Dampfmaschine der Griechen
1.3 Erfolglose Dampfmaschinenkonstruktionen

2 Dampfmaschinenentwicklung
2.1 Thomas
Newcomen
2.2 James Watt
2.3 Weitere Dampfmaschinenkonstruktionen
2.4 Dampfmaschine in der Moderne

3.1 Vorreiter England
3.2 Nachzügler Deutschland

4 Technische Einsatzgebiete
4.1 Bergbau
4.2 Eisenbahnen
4.3 schifffahrt
4.4. Textilindustrie

5 Gesellschaftliche Veränderungen
5.1 Industrielle Revolution
5.2 Transportwesen

Vorwort

Wenn man die Dampfmaschine im historischen Kontext betrachtet, wird unverkennbar die Tragweite dieser revolutionären Erfindung deutlich. Viele Menschen betrachteten dieses Monst­rum zu jener Zeit dennoch ungläubig und voller Misstrauen.

Bei genauerer Betrachtung sah ich mich konfrontiert mit einer Fülle an Informationen über Men­schen, welche die Welt veränderten, weil sie durch ihren Einfallsreichtum einen wichtigen Beitrag zum industriellen Fortschritt leisteten. Im Folgenden möchte ich die wichtigsten Aspekte der Geschichte der Dampfmachine beleuchten, um zu verdeutlichen, warum diese Entwicklung für die Industrialisierung wegweisend war und in wie fern die Welt heute deshalb ist, wie sie ist.

Dabei möchte ich Ihnen eine Aussage des Industriehistorikers Artur Fürst ans Herz legen, die auch mir bei dem Schreiben dieser Seminararbeit zu denken gegeben hat und die Leute damals sicherlich ebenfalls faszinierte:

"Feuer und Wasser sind Gegensätze, die einander AUSSCHLIEßEN wie Gut und Böse oder Hell und Dunkel. Das Wasser vernichtet das Feuer. [...] Wer hätte ahnen KÖNNEN, DASS GERADE FEUER UND WASSER, IN EINEM GEMEINSAMEN BEHÄLTNIS ZUSAMMEN­GESPERRT, NUR DURCH EINE DÜNNE WAND VONEINANDER GETRENNT, DER MENSCHHEIT DIE mächtigsten Helfer sein würden".^[1]

In diesem Sinne wünsche ich mir, Ihnen nun einen umfassenden Einblick in die Geschichte der Dampfmaschine darzubieten, die zwar nicht direkt in der Romantik begann, aber ebendort zu ihrem Höhepunkt gelangte.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Hochdorf, 29.Mai 2013

Einleitung

Die Geschichte der Dampfmaschine beinhaltet ein breites Themenfeld. Sie deckt zwischen dem siebzehnten und neunzehnten Jahrhundert sowohl den naturwissenschaftlichen, als auch den gesellschaftswissenschaftlichen Bereich ab und muss zusätzlich im historischen Kontext gesehen werden. Aus diesem Grund ist diese Seminararbeit nacheinander in die besagten Themenbereiche gegliedert: Kapitel 1 beschreibt die physikalischen Grundkenntnisse, die für den Leser unerläss­lich sind, um die Funktionsweise der Dampfmaschine zu verstehen. Es wird dabei aufgezeigt, wie bereits Menschen vor der neuzeitlichen Dampfmaschinenentwicklung versucht haben, diese phy­sikalischen Grundsätze anzuwenden. In Kapitel 2 wird die naturwissenschaftliche Perspektive fortgeführt und die Entwicklung bis in die Moderne beschrieben. In den nachfolgenden Kapiteln 3 bis 5 werden anschließend die Anwendungen beschrieben, welche die Dampfmaschine in der Industrie und im Alltag der Bevölkerung gefunden hat. Das letzte Kapitel geht dabei besonders auf die gesellschaftliche Entwicklung angesichts der Industrialisierung und die Meinung der Men­schen zu den Maschinen ein.

Da die Geschichte der Dampfmaschine ein Thema ist, das zeitlich aufeinander aufbaut, sind die Unterkapitel jeweils in sich chronologisch aufgebaut. Zwischen den einzelnen Kapiteln kommt es jedoch zu zeitlichen Sprüngen, weil die zu behandelnden Auswirkungen der Dampfmaschinen­entwicklung aus verschiedenen Standpunkten betrachtet werden. Dies ist notwendig, da bei­spielsweise die Entwicklung der dampfgetriebenen Transportmittel parallel ablief.

Die folgenden Ausführungen sollen deutlich machen, wie die Dampfmaschine sich vom Mutter­land der Industrialisierung bis nach Deutschland ausbreitete und welche Auswirkungen auf die Bevölkerung daraus entstanden. Aus einer Fülle verschiedener Anwendungsgebiete werden im Folgenden jene angesprochen, die für die Bevölkerung am relevantesten waren.

Das Grundprinzip, welches ermöglicht den Dampf später in vielfältiger Form als Energielieferant zu nutzen, wird nun auf der folgenden Seite, mit dem Aufbau einer einfachen Kolbendampfma­schine, illustriert.

1 Vorgeschichte

1.1 Einführung in die Funktionsweise einer Dampfmaschine

Als Dampfmaschine kann im weiteren Sinne jede Maschine verstanden werden, die durch Dampf direkt oder indirekt betrieben wird. Im Folgenden wird aber überwiegend die Kolbendampfma­schine thematisiert, da diese die gängigste Variante darstellt.

Die Kolbendampfmaschine, auch Kolben-Wärmekraftmaschine genannt, wandelt die im Dampf enthaltene Wärmenergie, die durch Verbrennung erzeugt wurde, in mechanische Arbeit um. Maßgebliche Bestandteile einer solchen Vorrichtung sind Dampferzeuger, Kolben, Pleuel, Schie­ber, Kurbel, sowie Schwungrad. Diese sind in der untenstehenden Abbildung 2 rot hervorgeho­ben.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Schematische Darstellung einer Kolbendampfmaschine

Das Arbeitsverfahren der Dampfmaschine wird als Zweitaktverfahren bezeichnet, da es sowohl auf der Hin- als auch Zurückbewegung der Kolbenstange basiert. Es wird dabei zwischen dem einseitigen und zweiseitigen Betrieb unterschieden, welche in der Art und Weise verschieden sind, in der der Kolben nach dem ersten Arbeitstakt wieder zurück in die Ausgangsposition ge­langt. Standardgemäß wird die Druckzufuhr des Dampferzeugers durch den Schieber freigegeben und der Dampfdruck drückt den Kolben linear in Richtung der Kurbelwelle, wobei die Kraft über den Pleuel auf die Kurbel übertragen wird und somit das Schwungrad in Bewegung versetzt.

Bei einem einseitigen Betrieb wird nun der Kolben, durch die im Schwungrad und der Kurbel­welle gespeicherten Energie, wieder linear zurück in die Ausgangsposition geschoben, während bei einem zweiseitigen Betrieb die Rückbewegung des Kolbens durch eine Dampfdruck- Ansteuerung auf die Unterseite des Kolbens per Schieber realisiert wird.^[2]

Der thermodynamische Kreisprozess, der in der Dampfmaschine abläuft, wird als Clausius- Rankine-Prozess^[3] bezeichnet. Dies bedeutet, dass sich die Dampfmaschine nach dem Ablauf des Prozesses energetisch wieder im selben Gleichgewichtszustand befindet und verdeutlicht gleich­zeitig die Zustandsänderung des Wassers.

Die erste von insgesamt vier Zustandsänderungen wird als adiabatische^[4] Expansion^[5] des Damp­fes in der Turbine beschrieben. Dies ist der Vorgang, bei dem der Kolben linear in Richtung der Kurbelwelle befördert wird. Anschließend findet im zweiten Schritt eine isobare^[6] Kondensation des Dampfes durch Kühlung anhand eines Kühlwasserkreislaufs statt. Als Nächstes wird durch Druckerhöhung mit Hilfe einer Kesselspeisepumpe das Kondensat in den Dampfkessel zurück­befördert, wo der zuvor erwähnte Dampferzeuger die vierte Zustandsänderung herbeiführt. Die­ser letzte Teilprozess stellt die isobare Wärmezufuhr im Kessel dar. Das Wasser wird erwärmt bis es schließlich verdampft und erfährt anschließend noch eine Überhitzung. Dies führt dazu, dass der Druck in der Phase der Expansion nun wieder unter Abgabe von Arbeit abgebaut wird und den Kolben in Bewegung zu setzen vermag.^[7]

Bereits die Griechen besaßen vor etwa 2000 Jahren her­ausragende Ingenieure. So war es Heron von Alexandria, der im ersten Jahrhundert die wahrscheinlich erste Wär­mekraftmaschine der Welt, die Äolipile^[8], erdachte und erbaute. Ihr Potential wurde damals allerdings verkannt und so blieb sie als Kuriosum praktisch ungenutzt.

Die Maschine besteht aus einem zum Teil mit Wasser gefüllten Gefäß, an dem beiderseits ein offenes, luftdich­tes Rohr hinabreicht. Die Verbindung zwischen dem Rohr und dem kugelrunden Gefäß ist wie in Abbildung 3 dargestellt, über eine drehbare Achse realisiert. An dem Gefäß sind zudem zwei Drüsen angebracht, welche in entgegengesetzte Richtung zeigen.

Wird unter der Maschine ein Feuer entfacht, so setzt der entstehende Wasserdampf, der an beiden Enden der Drüsen heraustritt, die Kugel in eine Rotati­onsbewegung. Es wird praktisch eine Umwandlung von thermischer Energie in mechanische erreicht. Da dieses Funktionsprinzip allerdings eher einer Dampfturbine als einer Dampfmaschi­ne gleicht^[9], wird dieser Aufbau einer Wärmekraftmaschine im Nachfolgenden nicht weiter be­trachtet. Es sei lediglich angemerkt, dass bereits die alten Griechen das Rückstoßprinzip^[10] und die Expansionskraft des Wasserdampfs entdeckt haben, jedoch erst etwas eineinhalb Jahrtausende später den Engländern der entscheidende Durchbruch auf diesem Gebiet gelang.^{[11] [12]}

Die ersten neuzeitlichen Dampfmaschinen wurden überwiegend zu Demonstrationszwecken verwendet. Die ersten Versuche eine Dampfmaschine als Nutzmaschine zu gebrauchen, kamen unter anderem aus dem sechzehnten Jahrhundert, von Blasco de Garay. Es ist historisch nur we­nig Material zu jenem Experiment Mitte des sechzehnten Jahrhunderts zu finden, in dem ver­sucht wurde, ein Schiff durch die Dampfkraft anzutreiben. Aus einem Brief über Blasco de Garays Tätigkeiten vom Direktor der spanischen Archive in Simancas geht hervor, dass das Ex­periment „aus einem großen Kessel mit kochendem Wasser bestand und aus sich bewegenden Rädern, die an beiden seiten des schiffes befestigt waren. in dem Bericht an den Kaiser und den Prinzen wurde die geniale Erfindung generell anerkannt, besonders wegen der Schnelligkeit und Leichtigkeit, mit denen das Schiff bewegt wurde.“^[13]

Obwohl die Gutachter des Königs ihr Wohlwollen gegenüber dem Einsatz dieser neuen Erfin­dung in der Seefahrt entgegenbrachten, weigerte sich der Finanzminister wegen der hohen Kos­ten und Sicherheitsmängel^[14] das Projekt weiter zu finanzieren, wodurch es faktisch gescheitert ist.^[15]

Einem weiteren Anwendungsgebiet der Dampfkraft widmete sich Ende des siebzehnten Jahr­hunderts Thomas Savery, ein englischer Ingenieur und Erfinder. Die Problematik der Wasserhal­tung in Bergwerken^[16] versuchte er durch eine Maschine zu lösen, welche es ermöglicht Wasser zu heben. Er griff dabei auf die Erkenntnisse des Engländers Denis Papin zurück, der kurz zuvor mit der Erfindung eines Zylinders, in dem ein Kolben durch abwechselndes Abkühlen und Er­wärmen mechanische Arbeit verrichtet, die erste funktionierende Wärmekraftmaschine lieferte.

Savery konstruierte eine Dampfpumpe, die es erlaubt Wasser um bis zu zwölf Meter hoch zu heben. Obwohl seine Konstruktion entscheidende Mängel in Sachen Effizienz und Kosten auf­wies, ermöglichte sie ihm, ein Patent anzumelden, das bis 1733 gültig war und sich auf alle Ma­schinen erstreckte, die Wasser mit Hilfe von Feuer hebten. Dies sollte weitreichende Bedeutung für Thomas Newcomen, einen weiteren bedeutenden, englischen Erfinder haben, welcher im Folgenden die Dampfmaschine entscheidend verbessern konnte und die Mängel Saverys behebte. Es wurde ihm jedoch durch das Patent eine Kooperation mit diesem praktisch aufgedrückt.^[17]

2.1 Thomas Newcomen

Mit Thomas Newcomen erfuhr die neuzeitliche Dampfmaschinenentwicklung ihre erste bedeu­tende Weiterentwicklung. Die bereits von Savery entwickelte Dampfpumpe genügte den Anfor­derungen der praktischen Anwendung in Bergwerken nicht, sodass ein effizienterer Aufbau not­wendig war.

Newcomen entwickelte in diesem Zuge 1712 die erste verwendbare Dampfmaschine, die als at­mosphärische Dampfmaschine bekannt ist. Sie wies zwar einen Wirkungsgrad von lediglich 0,5% auf, löste jedoch problemlos das Wasserhaltungsproblem in Berg­werkstollen weitestgehend.^[18]

Die atmosphärische Dampfmaschine unterscheidet sich zu der in Abschnitt 1.1 vorgestellten Kolbendampfmaschine in ihrem Auf­bau geringfügig, da sie für die Lösung des Wasserhaltungsprob­lems modifiziert wurde. So wurde der Kolben vertikal angeordnet und über eine Kette mit einem Balancier verbunden, anstatt eine Kurbelwelle mit Schwungrad zu verwenden. Dies ermöglichte es die Grubenpumpen anzutreiben.^[19]

Die bedeutendste Veränderung stellte die Art und Weise dar, wie Newcomen das Zurückschieben des Kolbens in den Zylinder realisierte: Nach Vollendung des ersten Arbeitstakts, wird wie in Abbildung 4 angedeutet, die Dampfzufuhr unterbrochen und eine Wassereinspritzung in den Zylinder vorgenommen, um den dortigen Wasserdampf zu kühlen und somit kondensieren zu lassen. Dadurch entsteht im Zylinder ein Unterdruck, der zusammen mit dem von außen wirkenden Luftdruck der Außenluft dafür sorgt, dass der Kolben wieder in den Zylinder herein geschoben wird.

Diese Form der Wassereinspritzung ermöglichte es, den zweiten Takt der Dampfmaschine deut­lich schneller durchzuführen^[20], wodurch erheblich höhere Kolbentakte genutzt werden konnten.^[21]

2.2 James Watt

James Watt ist ein schottischer Erfinder, der oftmals fälschli­cher Weise aufgrund seiner herausragenden Weiterentwicklun­gen der Dampfmaschine als deren Erfinder gilt. Watt erkannte früh, dass die von Newcomen entwickelte Maschine nicht wirtschaftlich genug betrieben werden kann und es folglich sinnvoll ist an deren Effizienz zu arbeiten.

So entwickelte Watt ein System, in dem der Dampf nicht mehr innerhalb des Zylinders kondensiert, sondern in einem ausge­lagerten Kondensator. Dies hatte den Vorteil, dass beim ersten Arbeitstakt keine Energie verschwendet werden muss, um den abgekühlten Zylinder wieder zu beheizen (Abbildung 6).

Als Nächstes verbesserte Watt die Leistungsfähigkeit der Dampfmaschine, indem er die Dampf­kraft auf beide Bewegungsrichtungen des Kolbens wirken ließ (Abbildung 7). Dabei ist jeweils die Druckzufuhr in einer Kammer des Zylinders geöffnet um den Kolben in eine gewisse Richtung zu befördern, während in der anderen Kammer das Ventil zum Kondensator geöffnet wird. Dies sorgt dafür, dass der in der gegenüberliegenden Kammer befindliche Dampfdruck die Gegenbe­wegung des Kolbens nicht behindert. Dampfmaschinen, bei denen die Dampfexpansion in bei­den Richtungen genutzt wird, werden als doppelt wirkende Dampfmaschinen bezeichnet.^[22]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

ABBILDUNG 7 Niederdruckdampfmaschine sowohl doppelt wirkende Dampfmaschine

Diese von Watt geprägte Dampfmaschinenkonstruktion wird allgemeinhin als „Watt'sche Nie­derdruckdampfmaschine“^[23] bezeichnet. Sie hat einen Wirkungsgrad von etwa 3%. Die Entwick­lung wurde von Watt um 1769 fertiggestellt und ging 1775 bei der ersten Dampfmaschinenfabrik „Boulton & Watt“, deren Mitgründer James Watt war, in die Produktion. Es war die erste Dampfmaschine, die für kontinuierliche und zentralisierte Arbeitsprozesse in der Industrie Ver­wendung finden konnte. Während die Newcomen-Maschine lediglich für den Einsatz mit Pum­pen in Bergwerken eingesetzt werden konnte, eröffnete die Konstruktion Watts zahlreiche neue Anwendungsbereiche^[24]. In wie fern Watt mit seinen Forschungen Einfluss auf die Dampfma­schinenentwicklung nahm, soll im Folgenden verdeutlicht werden.

James Watt war ein Begründer des Niederdrucks bei Dampfmaschinen. Er gab den Maschinen lediglich einen leichten Überdruck von einigen 100 mbar auf, was im Nachhinein betrachtet die Weiterentwicklung der Dampfmaschinen für einige Zeit behinderte. Grund dafür waren zahlrei­che seiner Patentierungen, die es anderen Ingenieuren praktisch unmöglich machten, weitere Modifikationen an der Watt'schen Konstruktion vorzunehmen. Es wurde dem Unternehmen „Boulton & Watt“ zu jener Zeit nachgesagt, dass die Patente als Marktstrategie eingesetzt worden seien, um die Konkurrenz zu behindern.^[25] Exemplarisch wurde der Britische Ingenieur Jonathan Hornblower wegen seiner durchaus effizienten Weiterentwicklung, der Verbunddampfmaschine verklagt, da er gegen das Patentrecht verstoßen haben soll.^[26]

James Watt hat mit der Zeit seiner Niederdruckdampf­maschine weitere kleine Verbesserungen hinzugefügt.

Wegweisend für den industriellen Einsatz der Watt'schen Dampfmaschine war dabei die Erfindung des Fliehkraftreglers 1788, welcher es erlaubt die Dampfzufuhr zu regulieren. Bei einer großen Belastung in einer Fabrik mit Webstühlen kommt es grundsätzlich vor, dass die Drehzahl der Dampfmaschine nicht kon­stant bleibt. Damit die Dampfzufuhr nicht manuell ge­steuert werden muss, wird ein Fliehkraftregler mit einer Drosselklappe gekoppelt, was eine auto­matische Anpassung der Drehzahl je nach Belastung ermöglicht.

[...]

^[1] Mattner, Dörich, Schaffer-Hartmann: Dampfmaschinen, Motor der Industriellen Revolution. Beton-Verlag, Düs­seldorf 1994, zitiert nach: Brinkmann, 2001

^[2] Vgl. Wikimedia Foundation Inc., Dampfmaschine

^[3] Anhand dieses Prozesses lässt sich der Wirkungsgrad von Dampfmaschinen ermitteln. Vgl. Wiley Information Services GmbH

^[4] In der Modellvorstellung wird davon ausgegangen, dass dieser Vorgang eine adiabatische Zustandsänderung dar­stellt, d.h. keine thermische Energie mit der Umgebung ausgetauscht wird. Vgl. Spektrum Akademischer Verlag

^[5] räumliche Ausdehnung

^[6] Eine isobare Zustandsänderung beschreibt in der Thermodynamik eine Zustandsänderung unter konstantem Druck. Vgl. Kampert

^[7] Vgl. Brinkmann, 2001

^[8] auch Heronsball oder Äolsball genannt

^[9] Der Unterschied im Aufbau dieser beiden Maschinen besteht in der Art und Weise wie die mechanische Arbeit verrichtet wird: Bei der Dampfmaschine bewegt der Dampf einen Kolben hin und her, während bei der Dampftur­bine der Dampf ein Flügelrad dreht. Die Dampfturbine wurde erst später aus der Dampfmaschine heraus entwickelt. (vgl. Deutsches Museum München)

^[10] Basierend auf dem 3. Newtonschen Axiom wird ein angetriebenes Objekt durch einen Rückstoß mit der gleichen Kraft beschleunigt, mit der das Antriebsmedium nach hinten ausgestoßen wird. (vgl. uniprotokolle.de)

^[11] Vgl. Wikimedia Foundation Inc., Aeolipile

^[12] Vgl. T&S Modelldampfmaschinen

^[13] Saralegui y Medina, 1913, zitiert nach: Wikimedia Foundation Inc., Blasco de Garay

^[14] Menschen jener Zeit berichteten, dass „die Maschine kompliziert und teuer war und dass die Gefahr bestand, dass der Kessel explodieren könnte“ (vgl. a.a.O. „Dampfantrieb Kontroverse“)

^[15] Ebd.

^[16] Siehe dazu Kapitel 4.1 - Technische Anwendungsgebiete - Bergbau

^[17] Vgl. Bellis, sowie Thurston, 1878

^[18] Vgl. Horst Müller Verlag (Hrsg.)

^[19] Vgl. Kramer

^[20] Denis Papin nahm keine aktive Abkühlung des Wasserdampfs vor, wodurch die damaligen Dampfmaschinenkon­struktionen eine niedrigere Taktrate besaßen. (vgl. LEIFIphysik, Papins atmosphärische Dampfmaschine)

^[21] Vgl. Deutsches Museum München

^[22] Vgl. ARD, 2005

^[23] Deutsches Museum München, Die Watt'sche Niederdruckdampfmaschine

^[24] Siehe dazu Kapitel 4 - Technische Einsatzgebiete

^[25] Vgl. ARD, 2005

^[26] Vgl. Marsden, 2004