Dampfmaschinen

In den zwei Jahrhunderten nach der Entwicklung der Dampfmaschine kam es zu rascheren wirtschaftlichen und industriellen Umwälzungen als jemals zuvor. Die Dampfmaschine ist eine der wenigen Erfindungen, die sich in fast jedem Bereich günstig auswirkte, sie ist zweifellos der bedeutendste Beitrag der Technik zur Weiterentwicklung unserer Zivilisation. Die Bedeutung der Dampfkraft
Zunächst hatte die Dampfmaschine entscheidenden Einfluss auf den Bergbau. Vor 1712 konnte man keine tiefen Kohlengruben anlegen, da sie durch eindringendes Grundwasser »abgesoffen« wären. Dann aber erfand Thomas Newcomen (1663-1729) eine Dampfmaschine zum Wasserpumpen. Sie war so einfach konstruiert, dass sie mit Ausnahme weniger Teile von jedem geschickten Handwerker gebaut werden konnte. Allerdings verbrauchte sie sehr viel Brennstoff, weil der Zylinder nach jedem Arbeitstakt mit Wasser gekühlt werden musste, sie konnte daher nur dort eingesetzt werden, wo es genügend Brennstoff gab. Die von James Watt (1736-1819) im Jahre 1769 entwickelte Maschine hatte den Vorzug, dass die heißen und kalten Maschinenteile voneinander getrennt waren. Dadurch sank der spezifische Brennstoffverbrauch auf ein Drittel, und die Maschine könnte auch dort eingesetzt werden, wo Brennstoff teuer war. Watts Dampfmaschine förderte wesentlich das Wachstum der Stahlindustrie: Schmiedeeisen wurde billiger, und das wiederum führte zu einem durchgreifenden industriellen Aufschwung zunächst in England, später in ganz Europa sowie in Nordamerika. Mitte des 19. Jahrhunderts gab es bereits zahlreiche Bauarten von Dampfmaschinen, die in Fabriken zum Antrieb von Maschinen dienten. Auch das Transportwesen veränderte sich durch die Dampfkraft ganz entscheidend. Die von Richard Trevithick (1771-1833) erfundene Dampflokomotive ermöglichte den Aufbau von Eisenbahnnetzen, sodass man Güter billiger und schneller befördern konnte als mit Kanalkähnen. Dampfschiffe konnten in verhältnismäßig kurzer Zeit die Weltmeere überqueren – unabhängig vom Wind. 1884 erfand dann Sir Charles Parsons (1854-1931) die Dampfturbine, eine Maschine, die keinen Kolben und keinen Kurbeltrieb benötigt und ihre Leistung direkt über eine rotierende Welle abgibt. Bereits zwei Jahrzehnte später trieben Parsons-Turbinen mit 52 000 kW (70 000 PS) Leistung Schiffe mit Geschwindigkeiten bis zu 25 Knoten (45 km/h) über den Atlantik. Arbeitsweise der Dampfkraftmaschinen
Alle Dampfkraftmaschinen wandeln die im Dampf enthaltene Wärmeenergie in mechanische Arbeit um. Dampf entsteht, wenn man Wasser so stark erhitzt, dass es in den gasförmigen Zustand übergeht. Erfolgt die Verdampfung des Wassers in einem geschlossenen Kessel bei ständiger Wärmezufuhr, so steigt die Temperatur auf über 100 °C an, und es entsteht Dampf hohen Drucks. Zum Erhitzen des Wassers kann man prinzipiell jede Wärmequelle verwenden: alle Brennstoffe, aber auch Sonnenenergie oder Kernenergie. Bei der Dampfmaschine drückt der Dampf im Zylinder auf einen Kolben, der über einen Kurbeltrieb mit einem Schwungrad verbunden ist und es in Drehung versetzt. Bei der Dampfturbine strömt der Dampf durch Düsen gegen die Schaufeln eines Turbinenrades und bringt dieses zum Drehen – im Prinzip derselbe Vorgang wie beim Windrad. Wenn man Dampf in einem Kondensator abkühlt, bildet sich wieder Wasser. Da der Kondensator ein geschlossenes Gefäß ist und Wasser ein viel kleineres Volumen hat als Dampf, entsteht dabei ein Unterdruck, der zur Erhöhung der Maschinenleistung beiträgt. Fast ein Jahrhundert lang kannte man schon diese Druck- und Sogwirkung, bis dann Thomas Savery (1650-1715) im Jahre 1696 beide Prinzipien gemeinsam bei einer Dampf pumpe anwendete. Kondensation während eines Arbeitstaktes bedeutet aber Energieverlust. Die späteren Dampfmaschinen wurden daher so gebaut, dass der Dampf zunächst auf möglichst hohe Temperatur gebracht wurde, bei geringster Kondensation entspannt und dann bei möglichst niedriger Temperatur aus dem Zylinder gelassen wurde, dadurch konnte man ihm die höchstmögliche Energiemenge entziehen. Man erreichte dies, indem man den Dampf zunächst durch einen Überhitzer leitete, ein von den heißen Abgasen des Kessels umstrichenes Röhrensystem. In modernen Kraftwerken arbeitet man mit Heißdampf von 600 °C und erzielt noch höhere Wirkungsgrade, wenn man den Dampf nach der ersten Teilentspannung neu überhitzt. Brennstoffnutzung
Es gibt noch weitere Möglichkeiten, die Ausnutzung der Brennstoffenergie zu steigern: Ehe Wasser verdampft, muss es bis zum Kochen erhitzt werden. Vorwärmen des Kesselwassers spart deshalb Brennstoff. Beim Ekonomiser (Einrichtung zum Vorwärmen des Kesselspeisewassers) fließt das Speisewasser durch ein Röhrensystem, das von den heißen Abgasen umstrichen wird, es erhitzt sich dabei auf rund 90 °C. In modernen Wärmekraftwerken beträgt aber die Verdampfungstemperatur des Wassers rund 370 °C. Das Speisewasser wird deshalb mit Heißdampf vorgewärmt, der hinter den verschiedenen Turbinenstufen aus dem Hauptstrom abgezweigt wird, nachdem er bereits einen Großteil seiner Energie an die Turbinenschaufeln abgegeben hat. Dieses Verfahren ist wirtschaftlicher, als wenn man das Speisewasser unmittelbar mit Heißdampf aus dem Kessel vorwärmen würde.