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Die Dampfmaschine - 2.Version - Referat
Dampfmaschine
Inhaltsverzeichnis:
• Einleitung u. allg. Grundwissen
• Entwicklung bis zur Dampfmaschine
• Die ersten Dampfmaschinen
• Die Entwicklung der Dampfmaschine während James Watt
• Dampfturbinen
• Die großen Köpfe der Dampfmaschine
1. Einleitung u. allg. Grundwissen
Die Dampfmaschine ist eine Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie in mechanische Arbeit umwandelt Die Dampfmaschinen werden in Dampfmaschine (einschließlich Dampfmotor) und Dampfturbine eingeteilt.
Grundwissen:
Unter Hitze wird Wasser zu Dampf, der Wasserdampf hat mehr Volumen (aus 1Liter Wasser werden 1,7 m³Dampf). Wasserdampf ist eigentlich unsichtbar. Umgangssprachlich versteht man unter Wasserdampf die sichtbaren Nebelschwaden, allerdings sind sie bloß Sichtbar da kleine Wassertropfen im Dampf sind. Unter Wasserdampf versteht man in der Technik und in der Naturwissenschaft gasförmiges Wasser.
Den Übergang von Wasser zu Wasserdampf nennt man Verdampfen.
Den Übergang von Wasserdampf zu Wasser nennt man Kondensieren.
Wenn etwas mehr Volumen hat braucht es auch mehr Platz oder es baut sich ein Druck auf.
2. Entwicklung bis zur Dampfmaschine:
Die Anfänge der Dampfmaschine liegen in Griechenland. Archimedes baute 301v.Chr. wohl eine Dampfkanone.
Dampfkanone: Die Dampfkanone ist ein Artilleriegeschütz. Sie wurde aufgebaut aus einem Kupferrohr das auf einer Seite geschlossen war. In die Kanone wurde eine geringe Menge Wasser gegeben und dann eine passgenaue 8 kg schwere Kugel. Durch ein Feuer am geschlossenen Ende des Rohres wurde das Wasser Schlagartig zu Wasserdampf. Da dieser mehr Volumen hat baut sich ein Druck auf, der die Kugel sofort aus dem Rohr katapultiert. Nach Berechnungen von Leonardo da Vinci betrug die Reichweite dieser Kanone bis zu 1250m. Es ist nie erwiesen worden dass diese Kanone wirklich gebaut wurde. Vielleicht hat sie nur in der Theorie existiert.
Das erste von Dampf betriebene Gerät war die Aeolipile, auch Äolsball oder Heronsball genannt. Sie wurde von Heron von Alexandria erfunden.
Hereonsball: Der Hereonsball ist schlicht ein Gefäß mit einer Röhre, aus der durch Gasdruck Flüssigkeit Herhausgetrieben wird. Er wird
Heute noch verwendet in Spritzflaschen der
Chemiker, in Parfümzerstäubern und in
Schankgefäßen für Bier oder Mineralwasser.
In den nächsten Jahren wurden keine Bahnbrechenden Erfindungen im Bereich der Dampfmaschine.
3. Die ersten Dampfmaschinen
1690 berichtete Denis Papin von einer Dampfmaschine die er gebaut hatte. Hierbei handelte es sich um einen Zylinder mit einem Kolben, der durch abwechselnde Erhitzung und Abkühlung mechanische Arbeit produziert. Es war die erste Wärmekraftmaschine.
Zylinder: Eine röhrenförmige Kammer in der sich ein Kolben bewegt. Wie bei Pumpen ,Dampfmaschinen und Kolben-Verbrennungsmotoren. Ein solches Gerät kann
Einen oder mehrere Zylinder haben. Mit einem Pleuel (Stab der aus dem Kolben geht) kann die Hubbewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umgewandelt werden.
Kolben: Ein Kolben ist ein zylinderförmiges Maschinenbauteil, das sich in einem Zylinder hin und her bewegt. Die Aufgabe des
Kolbens ist es physikalische Energie in Bewegungsenergie Umzuwandeln oder Bewegungsenergie in physikalische Energie umzuwandeln
.
Der Kolben besteht aus:
• Kolbenboden
• Kolbenhemd
• Kolbenbolzen
In Shilston-Barton in Süd Devon wurde wohl die erste funktionierende Dampfmaschine von Thomas Savery (Heute: Savory) gebaut. Er lies sie sich 1698 patentieren (im Geburtsjahr von James Watts Vater).
Zu dieser Zeit gab es Probleme im Bergwerk, denn in dieser Gegend wurde der Bergbau schon seit der Zeit der Römer betrieben. Sie mussten von Jahr zu Jahr tiefer graben. Dabei liefen die Stollen immer voll mit Wasser. Es wurde versucht das Problem manuell oder mit Pferden zu lösen. Allerdings funktionierte das nicht so wie man es sich vorgestellt hatte.
So soll Thomas Savory eines Abends nach dem Essen über das Problem nachgedacht haben. Es fiel ihm nichts ein und er warf eine Flasche Wein ins Feuer. Er beobachtete wie der Rest Wein zu Dampf wurde und plötzlich wurde ihm klar wie er sein Problem lösen konnte. Savory hielt den Flaschenhals umgedreht in einen Wasserbehälter, das kalte Wasser nahm Wärme von Flasche und von dem Dampf ab. Der Dampf kondensierte und wurde zu Wasser.
Es entstand ein Unterdruck, da Wasser weniger Volumen hat also Dampf, und das Wasser aus dem Wasserbehälter wurde in die Flasche gezogen. Mit anderen Worten: Er erfand eine Dampfmaschine.
VERSUCH1:MAN NEHME EINEN DURSICHTIGEN BEHÄLTER UND GEBE * WENIG WASSER HINEIN. NUN DAS WASSER SOLANGE * ERWÄRMEN BIS ES VERDAMPFT. DEN DAMPF IM BEHÄLTER * HALTEN UND IHN UMGEKEHRT INS WASSER STÜLPEN.
Thomas Savory konstruierte nun die wohl erste und vielleicht einfachste Dampfmaschine:
Funktion: Im Dampfkessel(a) wird das Wasser von einer Wärmequelle(c) zum verdampfen gebracht. Nun füllt sich auch das so genannte Arbeitsgefäß (l). Der Wasserdampf breitete sich weiter aus und gelang in das letzte Rohr . Wenn der Dampf unten am Rohr ist, geht der Dampf aus dem Rohr und es ist ein Geräusch hörbar. Anschließend wird der Hahn zwischen Sieder und Arbeitsgefäß zugedreht, damit kein weiterer dampf entweichen kann. Und kühlte, wenn überhaupt nötig, das Arbeitsgefäß ab. Der Dampf kondensiert, es entsteht ein Unterdruck und das Wasser wird nach oben gezogen. Das Ventil (m) wird geschlossen und der Hahn zwischen Sieder und Arbeitsgefäß wird geöffnet. Es entsteht ein Druck der das Wasser aus dem Arbeitsgefäß an die Oberfläche presst.
Savory wollte allen klar machen wie stark seine Maschine war und brauchte eine Einheit, so
Entstand die Einheit „ Pferdestärke“. Allerdings machte er die „Pferdestärke“ stärker als die
Normalen Pferde, damit niemand enttäuscht war.
Allerdings hatte seine Erfindung noch 3 Probleme:
• Jedes mal wenn Savory den Dampf in das Arbeitsgefäß lies, kondensierte dieser schneller. Ein großer Teil der Hitze ging also verloren.
• Es wird ein hoher Dampfdruck benötigt, damit das Wasser hochgezogen werden kann. Dem hielten die Verbindungsstellen der damaligen Rohre oft nicht stand.
• Die Maschinen waren nur in der Lage Wasser 12m hoch zu transportieren, Bergwerke mit 90 m tiefe hätten also mehrere Dampfmaschinen hintereinander gebraucht.
Mit diesem Prinzip wurde 1899 in Ägypten noch eine Pumpe gebaut. Es wurde Feuer entfacht, die Luftzufuhr abgeschnitten, es entstand ein Vakuum und Wasser strömte in einen zweiten Behälter ein. Es wurde ein eigenes Patent darauf angemeldet.
Es war noch keine, für die Industrie brauchbare, Dampfmaschine entwickelt worden. So hatte sich der Schmiedemeister und Eisenhändler Newcomen aus Dartmouth in England, mit den Erfindungen von Papin und Savory befasst. Er wollte damit Wasser aus dem Bergwerk pumpen, so wie Savory.
1712 stellte er diese Maschine fertig:
Diese Dampfmaschine funktionierte ganz einfach. Das Wasser wurde im Kessel (KE) erhitzt. Der Dampf steigt in den Zylinder (Z). Die Leitung zwischen Kessel und Zylinder wird unterbrochen. Der Kolben wurde durch die Last des Pumpengestänges(P) und durch den einströmenden Dampf nach oben gebracht. Durch die Kühlwasserzuleitungen(KIII+KIV) wird der Zylinder Abgekühlt, der Dampf kondensiert und wird zu Wasser. Die Kühlwasserableitungen (KI+KII) nimmt das alte Kühl Kondensat- und Abwasser und es wird und den Kondensat- und Abwasserbehälter (WBII). Es entsteht ein Vakuum im Zylinder und zusammen mit dem Luftdruck außerhalb des Zylinders wurde der Kolben deswegen nach unten gezogen. Die Leitung zwischen Kessel und Zylinder wird wieder freigegeben, der Dampf steigt wieder in den Zylinder und alles wiederholt sich.
Die Neuheiten bei dieser Dampfmaschine war die Eingebaute Kühlung und hierbei besonders die Kühlwasserzuleitung IV. Sie kühlte nicht nur den Kolben, sie dichtete den Kolben dabei auch ab, da sie damals durch noch nicht so gute Maschinen nicht immer 100%ig dicht waren. Wenn sie nicht dicht waren zog es keine Luft sondern Wasser in das Vakuum und die Kühlte dann auch den Dampf und wurde nachdem durch die Kühlwasserableitung wieder weggespült.
Allerdings gab es schon bald eine Verbesserung dieser Maschine:
Die bedeutendsten Verbesserungen bei dieser Maschine lagen an der Kühlung, die jetzt nicht mehr von außen sondern von innen durchgeführt wurde. Indem das Kühlwasserventil(KI) geöffnet wurde und Kühlwasser eingespritzt wurde. Deshalb brauchte man auch nur noch eine Kondensatableitung (KII). Das öffnen und schließen wurde dieses mal durch einen Steuerbaum gemacht. Er öffnete und schloss die Ventile und Ableitungen automatisch, dadurch das er mit der Schwinge verbunden war.
Ventil: Das Ventil ist ein technisches Bauteil das dazu dient den Ein- bzw.
Auslass von Gasen und Flüssigkeiten zu kontrollieren oder die
Fliesrichtung zu steuern und zu regeln.
4. Die Entwicklung der Dampfmaschine während James Watt
Als Prof. Anderson 1763, einem jungen Mann, den Auftrag zur Reparatur einer Dampfmaschine vermittelte, wusste er wahrscheinlich gar nicht was er damit ins Rollen brachte. Der junge Mann hieß James Watt und dieser Auftrag war der Anstoß zu seinen großartigen Erfindungen.
Watt erhielt ein Model einer Newcomen-Maschine, die aus mechanischer Sicht völlig Intakt war. Er erkannte dass die Dampfmaschine viel Dampf und Kohle brauchte. Also fing er an Bücher über die Dampfmaschinen zu lesen und zu studieren. Watt machte viele Versuche zum Druck und zur Temperatur vom Dampf. Während den Forschungen über Wasser und Dampf entdeckte er bereits eine Menge Naturgesetze. Hier entdeckte er viele Wege Dampf einzusparen wusste allerdings noch nicht wie er diese Umsetzen sollte.
1765 kam ihm die Bahnbrechende Idee den Dampf in einem Extra-Raum kondensieren zu lassen. So entstand der Kondensator.
Die größte Neuerung bei Watts neuer Maschine war der Kondensator. Durch seine Trennung vom Zylinder wurden auch Ausgleich und Einlassventil gebraucht.
Funktion:
Das Wasser wird im Kessel warm gemacht, es entsteht Wasserdampf. Der Wasserdampf geht in den Zylinder, Der Kolben ist ganz oben. Das Einlassventil(VII) wird geöffnet, durch den geringen druck im Kondensator zieht der Dampf aus dem Zylinder und Kondensiert im Kondensator. Es entsteht ein Vakuum und der Kolben wird nach unten gezogen. Das Ausgleich Ventil(VI) wird geöffnet und der Druck unter und über dem Kolben wird ausgeglichen. Jetzt wirkt das Gegengewicht und zieht den Kolben wieder nach oben.
Die erste Dampfmaschine von James Watt die in betrieb genommen wurde.
John Wilkinson musste 10 Jahre auf diese Maschine warten.
Die Dampfmaschine, war noch nicht so ausgereift das sie das Wasserrad komplett verdrängen konnte. Denn dass Wasserrad hat eine kontinuierliche Bewegung.
Zuerst versuchte Watt die Hub-Bewegung in eine Drehbewegung umzuwandeln, indem er eine Kurbel einbaute. Allerdings musste er diese Versuche abbrechen da dafür bereits James Purhard da Patent hatte.
James Watt baute ein Fliehkraftregulator ein, mit dem der Dampf abwechselnd von oben und von unten an den Kolben kam. Somit bewegte sich der Kolben gleichmäßig. Außerdem baute er ein Schwungrad ein mit dem er die Hubbewegung in eine Drehbewegung umwandelte.
Fliehkraftregulator:
Zwei schwere Metallkugeln sitzen am Ende von zwei gegenüberliegenden Stangen die ihrerseits mit einer Achse verbunden sind, die direkt mit dem Lauf des Schwungrades verbunden ist. Bei zunehmender Geschwindigkeit des Rades steigen die Kugeln in die Höhe und drosseln automatisch die Dampfzufuhr. Sinkt der Dampfdruck zu tief, sinken auch die Kugeln und erhöhen die Zufuhr wieder.
James Watt meldete 6 Patente auf die Umwandlung von Hub-Bewegung zu der Drehbewegung an, außerdem ein Patent auf die Beförderung von Menschen mit Hilfe von Dampfmaschinen. Die Zeichnung für das Patent für das Dampfschiff beinhaltete sogar schon eine Schiffsschraube.
Die Dampfmaschine wurde vor allem in Dampflokomotiven eingesetzt. Es gab aber auch Dampfschiffe. Welche allem nach dem gleichen Prinzip funktionierten.
5. Dampfturbinen
Ende des 19.Jhd. Und während dem 20.Jhd. wurde die Dampfmaschine nach und nach verdrängt, allerdings hat im 20.Jhd. Die Dampfmaschine einen „Nachfolger“ bekommen. Die Dampfturbine .
Die Idee der Dampfturbine hatte bereits Giovanni Branca im Jahre 1629. Die ersten einsetzbaren Dampfturbinen entwickelten der Schwede Carl Gustav Patrik de Laval 1883
und der Engländer Charles Parsons.
Dampfturbine: Die Turbine funktioniert indem man Wasser heiß macht und das Wasser zu Dampf wird. Der Dampf wird überhitzt um mehr Druck zu erziehlen.Der Dampf kommt durch die Turbine und bringt den Turbinenläufer zum drehen. Mit angeschlossenem Generator wird aus der Drehbewegung Strom. Anschließend wird der Dampf im Kondensator wieder zu Wasser.
Die Dampfturbine wird in Dampfkraftwerken eingesetzt. Oft werden die Dampfturbinen hintereinandergeschalten zuerst eine Hochdruckdampfturbine, dann Mitteldruckdampfturbine und manchmal mehreren Niederdruckdampfturbine.
Überhitzer: Der Dampf wird durch Abermaligen Kontakt mit Hitze überhitzt. So können heute in großen Maschinen bis zu 600C° erreicht. Der Überhitzer wurde erstmals von Wilhelm Schmidt im Jahre 1890 ausgefühurt.
Durch den Überhitzer braucht der Dampf länger bis er Kondensiert.
Hochdruckdampfturbine: Sie läuft mit sehr Überhitztem Dampf. Deswegen hat der Dampf mehr Druck.
Mitteldruckdampfturbine: Sie läuft mit leicht Überhitztem Dampf.
Niederdruckdampfturbine: Sie läuft mit normalem Dampf. Der Dampf kann schnell kondensieren.
Es gibt auch Überhitzer bei Kolbendampfmaschinen.
6. Die großen Köpfe der Dampfmaschine
Archimedes von Syrakus:
(* um 287 v. Chr. Vermutlich Syrakus auf Sizilien - † 212 v. Chr. vermutlich Syrakus auf Sizilien) war ein antiker griechischer Mathematiker, Physiker und Ingenieur. Er ist der Erfinder der Archimedischen Schraube und des Archimedischen Prinzips.
Archimedes bewies, dass sich der Umfang eines Kreises zu seinem Durchmesser genauso verhält wie die Fläche des Kreises zum Quadrat des Radius. Er kam auf Ideen der Integralberechnungen und und und....
Heron von Alexandria:
Seine Lebensdaten lassen sich nur ungenau angeben; er muss nach Archimedes, aber vor Pappos gelebt haben, d.h. etwa zwischen 200 v. Chr. und 300 n. Chr. Zu seinen Entdeckungen gehören das Heron-Verfahren zum Berechnen der Quadratwurzel sowie die Heronsche Formel bekannt, die es erlaubt, den Flächeninhalt eines Dreiecks nur mit Kenntnis der drei Seiten zu berechnen, ohne Winkel oder andere Teile des Dreiecks zu kennen.
Thomas Savery:
Thomas Savery wurde 1650 geboren und verstarb 1715 er wurde also 65 Jahre alt.
Thomas Newcomen:
Thomas Newcomen (* 26.Februar 1663 in Dartmouth; † 5. August 1729 in London) war ein englischer Erfinder. Thomas Newcomen war Eisenwarenhändler und hatte einige große Bergwerksgesellschaften als Kunden. Durch das Vorstoßen dieser Bergwerke in immer größer werdenden Tiefe zum Abbau der Bodenschätze ergab sich die Notwendigkeit, effiziente Maschinen zum Abpumpen des eindringenden Grundwassers zu konstruieren. In 10-jähriger Arbeit erfand er die atmosphärische Dampfmaschine zur Wasserhaltung in Bergwerken, die der Dampfmaschine von Thomas Savery deutlich überlegen war
James Watt:
James Watt war ein Instrumentenmacher, der an der Universität von Glasgow ab 1757 mathematische Instrumente (Kompasse, Quadranten unter anderem) herstellte. Er war mit dem Ökonomen Adam Smith befreundet. Der Schotte Watt verbesserte die Dampfmaschine.
Im Jahre 1773 ging sein Finanzier der Eisenfabrikant John Roebuck Konkurs. Er wurde von Matthew Bolton weiter finanziert. Er musste privat oft Rückschläge wegstecken da alle seine Freunde, seine Familie, seine erste Frau vor ihm gestorben sind. James zwei Kinder Gregory und Jessy starben in jungen Jahren. Obwohl sie eigentlich seine Firma übernehmen sollten. Am 19. August 1819 schlief James Watt ohne großes Leiden Im Alter von 83 Jahren ein.
Referat von Filip Haase
Quellen: die freie Enzyklopädie
Internet
Technik klasse 9
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