Dampfmaschine: Funktionsprinzipien, Selbstbau und häufige Verwendung

Dampfmaschinen trieben Industrie, Züge und Schiffe an und veränderten so die Welt über Jahrhunderte. Wir geben Einblicke in die Grundlagen der Dampfmaschine, ihre Geschichte und erklären Ihnen anhand interessanter, wissenschaftlich fundierter Fakten ihre Funktionsweise. Außerdem bieten wir eine Schritt-für-Schritt-Anleitung zum Zusammenbau eines Dampfmaschinenmodells mithilfe eines DIY-Modellbausatzes.

1) Was ist eine Dampfmaschine?

„Wie der Name schon sagt, wird in diesem Motor durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe (hauptsächlich Kohle und Gas) Wasser zum Kochen gebracht und Dampf erzeugt, der unter Druck gesetzt und in einen Zylinder geleitet wird, in dem er den Kolben bewegt und mechanische Energie erzeugt, die Lokomotiven, Züge usw. antreibt.“

Es ist erwähnenswert, dass sich bei Dampfmaschinen die Verbrennung von Kohle/Gas sowie der Wasserkessel (der Dampf erzeugt) außerhalb der Maschine befinden. Daher werden Dampfmaschinen auch als Motoren mit äußerer Verbrennung bezeichnet.

• Geschichte der Dampfmaschine

Vor der Entwicklung von Verbrennungsmotoren im Jahr 1860 (heute Motoren für Autos, Düsenflugzeuge, Schiffe und Züge) galten Dampfmaschinen (Motoren mit äußerer Verbrennung) als der letzte Schrei der Technik und wurden überall eingesetzt.

Die Geschichte der Dampfmaschine geht auf das 1. Jahrhundert n. Chr. zurück, als Heron von Alexandria die Aeolipile erfand, ein Antriebsgerät, das zwar Dampf nutzte, aber keinen praktischen Nutzen hatte. Später wurde die einfachste Form einer Dampfturbine im osmanischen Ägypten von Taqi al-Din im Jahr 1551 beschrieben .

Im Jahr 1606 ließ Jerónimo de Ayanz y Beaumont seine Erfindung patentieren: die erste dampfbetriebene Wasserpumpe für den Bergbau. Seine Erkenntnisse wurden jedoch weder dokumentiert noch der Welt zugänglich gemacht.

Später, im Jahr 1698, entwickelte Thomas Savery die erste kommerziell nutzbare Dampfpumpe zur Wasserförderung in Bergwerken. Thomas Newcomen verbesserte Saverys Konstruktion 1712 mit einer effizienteren atmosphärischen Dampfmaschine , die in der Bergbauindustrie an Popularität gewann.

Der eigentliche Wendepunkt kam, als James Watt ab 1765 Newcomens Maschine einen separaten Kondensator hinzufügte, wodurch ihre Leistung und Arbeitskapazität erheblich gesteigert wurden.

Und die Geschichte ist damit noch nicht zu Ende: Im 19. Jahrhundert hatte Richard Trevithick als Erster die Idee einer Hochdruckdampfmaschine und baute später die erste Dampflokomotive.

George Stephenson verbesserte 1814 den Lokomotivbau und 1829 wurde seine berühmte Dampflokomotive „Rocket“ zum Standard für alle zukünftigen Dampfzüge.

2) Wie funktioniert eine Dampfmaschine?

Bevor wir uns mit der Funktionsweise einer Dampfmaschine befassen, wollen wir zunächst ihre Einzelteile verstehen.

• Kessel: Dies ist ein zylindrischer Tank, der Wasser erhitzt, um Hochdruckdampf zu erzeugen.

• Dampfzylinder: Er ähnelt einer hohlen, röhrenförmigen Kammer, in der Dampf einen Kolben hin und her schiebt.

• Kolben: Er sieht aus wie eine massive zylindrische Stange, die sich durch Dampfdruck in den Zylinder hinein und aus ihm heraus bewegt.

• Pleuelstange: Dies ist eine lange, gerade Metallstange, die den Kolben mit der Kurbelwelle verbindet und die Hin- und Herbewegung in eine Drehbewegung umwandelt.

• Kurbelwelle/Schwungrad: Es handelt sich um ein rotierendes Rad mit einem Kurbelarm, das die Drehkraft des Motors speichert und gleichmäßig überträgt.
  

• Schieberventil/Ventilgetriebe: Es sieht aus wie ein flaches oder zylindrisches Schiebestück, das den Zeitpunkt und die Richtung des in den Zylinder ein- und austretenden Dampfes steuert.
  

• Kondensator: Kasten- oder röhrenförmige Struktur, die den verbrauchten Dampf zurück in Wasser abkühlt, um ihn zu recyceln und die Effizienz zu verbessern.
  

• Regler: Rotierender Kugelmechanismus mit Armen, die den Dampfstrom regulieren, um eine konstante Motordrehzahl aufrechtzuerhalten.
  

Funktionsweise der Dampfmaschine

Die Funktionsweise von Dampfmaschinen basiert auf dem Rankine-Zyklus. Es handelt sich um einen grundlegenden thermodynamischen Zyklus, der die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit mithilfe von Wasser und Dampf in einem kontinuierlichen und geschlossenen Kreislauf erklärt. Der Zyklus besteht im Allgemeinen aus vier Phasen. Lassen Sie uns diese Schritt für Schritt besprechen.

Schritt 1) Isentrope Kompression (Pumpstufe)

Dieser Zyklus beginnt eigentlich mit kaltem Wasser. Das Problem ist jedoch, dass der Druck niedrig ist. Daher steigt in dieser Phase der Wasserdruck, sodass im Kessel mehr Wärme zur Dampferzeugung benötigt wird und der Motor somit effizient arbeitet. Eine Pumpe übernimmt diese Funktion durch isentrope Kompression (Komprimieren von Wasser ohne Wärmeübertragung). Es ist wie das Aufpumpen eines Fahrradreifens, nur dass hier Wasser verwendet wird. Klar!

Schritt 2) Isobare Wärmezufuhr (Kessel-Unterphase)

Dieses unter hohem Druck stehende Wasser wird in einen stabilen Metallbehälter, den sogenannten Kessel, gepumpt. Dort wird es mit Brennstoffen wie Kohle, Holz oder Öl bei konstantem Druck (isobare Wärmezufuhr) erhitzt. Sobald die Wassertemperatur über 100 °C (212 °F) steigt, verwandelt es sich in Dampf.

Interessant ist hierbei, dass Dampf im Vergleich zu Wasser mehr Platz einnimmt (16.000-mal so viel wie flüssiges Wasser). Dies liegt daran, dass die Wassermoleküle im Dampf stärker voneinander getrennt sind als in flüssigem Wasser, wo sie dicht gepackt sind. Dadurch erhöht sich der Druck im Kessel.

Schritt 3) Isentropische Expansion (Turbinen- oder Motorstufe)

Wenn der Druck hoch genug ist, wird Dampf in einen Zylinder abgegeben. Bedenken Sie dabei, dass ein Zylinder einen Kolben enthält (ein massives Metallstück, das hin und her gleiten kann). Der Dampf treibt den Kolben an, sodass er sich vorwärts bewegt. Dies ist die Umwandlung von Dampfenergie in Bewegung, die durch Newtons zweites Gesetz (F = ma) beschrieben wird.

Die Bewegung des Kolbens ist noch nicht abgeschlossen. Denn dieser Kolben ist zusätzlich mit einer Kurbelwelle verbunden, die die Hin- und Herbewegung in eine Drehbewegung umwandelt, um Räder oder Maschinen anzutreiben. Dies ist der Abschnitt, der mechanisch etwas Nützliches bewirkt.

Schritt 4）Isobare Wärmeabgabe (Kondensatorstufe)

Nach der Kolbenbewegung gelangt der verbrauchte Dampf in den Kondensator, wo er abkühlt und bei konstantem Druck verflüssigt wird. Durch diesen Kühlschritt wird das Arbeitsmedium wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt, sodass es erneut gepumpt werden kann, was die Effizienz verbessert.

Der Motor wiederholt den Vorgang also ständig: Dampf wird eingeführt, der Kolben wird geschoben, Bewegung erzeugt und Dampf wird ausgestoßen. Dies ist ein vollständiger und konstanter Prozess der Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie, der die Motoren von Zügen, Schiffen und älteren Maschinen antreibt.

3) Gängige Verwendungszwecke der Dampfmaschine

Die Dampfmaschine war eine außergewöhnlich wirkungsvolle Erfindung der Wissenschaft und Technik. Sie ermöglichte es den Menschen, schneller zu arbeiten, weiter zu reisen und mehr zu bauen als früher. Werfen wir einen genaueren Blick auf ihre Anwendung im Alltag!

i) Züge und Eisenbahnen

Vor der Erfindung der Dampfmaschine war Reisen unglaublich langsam, mühsam und beschwerlich. Man reiste auf Pferden oder in Planwagen. Mit der Erfindung der Dampfmaschine konnten Züge nun Passagiere und Güter in relativ kurzer Zeit über weite Strecken transportieren. Diese dampfbetriebene Eisenbahn verband Städte und verbesserte die Wirtschaft, indem sie den schnellen Transport von Massengütern ermöglichte.

ii) Schiffe und Boote

Früher waren Segelschiffe auf den Wind angewiesen, der recht unbeständig sein konnte. Schiffe mit Dampfmaschinen hingegen konnten sich auch bei Windstille fortbewegen. Dadurch konnten Dampfschiffe ihren Fahrplan unabhängig von den Wetterbedingungen einhalten. Darüber hinaus erlebte der grenzüberschreitende Handel einen Aufschwung, da Güter zuverlässig und sicher über Flüsse und Meere transportiert werden konnten. Auch Reisen in neue Länder wurden schneller denn je.

iii) Fabriken und Maschinen

Das Herzstück der Industriellen Revolution war die Dampfmaschine. Sie trieb Maschinen zum Spinnen von Garn sowie zum Holz- und Metallschneiden in Fabriken an. Diese Arbeiten wurden zuvor entweder von Hand, mit Hilfe von Tieren oder gar nicht ausgeführt. Dank Dampfmaschinen ging die Arbeit schneller. Maschinen konnten die Arbeit erledigen, die zuvor viele Arbeiter erledigen mussten. Dies führte zu einer breiten Verfügbarkeit günstiger Produkte.

iv) Bergbauarbeiten

Auch der Bergbau, wie das Fördern von Kohle oder schweren Lasten an die Oberfläche sowie das Fluten von Tunneln, war langsam und gefährlich. Mit der Erfindung der Dampfmaschine wurde dieses Problem jedoch gelöst. Diese Maschinen treiben die Pumpen zum Abpumpen von Wasser an und unterstützen Winden zum Kohletransport. Diese Technologien halfen den Bergleuten, mehr Ressourcen zu gewinnen, die die von Kohle und Mineralien abhängigen Industrien mit Energie versorgten.

v) Landwirtschaftliche Werkzeuge

In der Landwirtschaft ersetzten Dampfmaschinen Tiere beim Ziehen großer, schwerer Geräte. Sie trieben außerdem Geräte an, mit denen sich Feldfrüchte viel schneller ernten und zerkleinern ließen als Menschen. Dadurch konnten die Bauern größere Flächen bewirtschaften und mit weniger Arbeitskräften deutlich mehr Nahrungsmittel produzieren. Dank der effizienteren Landwirtschaft verbesserte sich die Nahrungsmittelversorgung wachsender Städte, insbesondere während der Industrialisierung, deutlich.

4) Wie baut man eine Dampfmaschine?

Sie fragen sich vielleicht, ob es überhaupt möglich ist, zu Hause ein Dampfmaschinenmodell zu bauen. Egal, ob Sie Bastler oder Schüler sind – wir wissen, dass Ihre Neugier groß ist. Deshalb haben wir von engineDIY einen DIY-Motorenmodellbausatz entwickelt, der alle Werkzeuge und Geräte enthält, die Sie benötigen, um zu Hause ein funktionierendes Dampfmaschinenmodell zu bauen.

Folgen Sie einfach der Anleitung und schon können Sie mit dem Zusammenbau beginnen. Für alle, die mehr Anleitung wünschen, bieten wir Ihnen zusätzlich eine detaillierte Schritt-für-Schritt-Anleitung. Diese garantiert Ihnen, dass Sie mit der vorgegebenen Struktur Ihre Probleme so gut wie aus der Welt schaffen und Ihrer Fantasie freien Lauf lassen können!

Im DIY-Dampfmaschinen-Modellbausatz enthaltene Teile

• Grundplatte

• Zylinder

• Kolben

• Schwungrad

• Kessel

• Gouverneur

• Dichtungen/O- Ringe

• Brenner oder Alkohollampe

• Dampfleitungen oder -rohre

• Kurbelwelle und Pleuel

• Schrauben, Bolzen und Muttern für die Montage

Andere Tools, die Sie möglicherweise benötigen

• Schraubendreher (kleiner Kreuzschlitz und Schlitz)
  

• Inbusschlüssel
  

• Zange oder Pinzette
  

• Mini-Feilen-Set (zum Glätten von Kanten)
  

• Schmiermittel oder leichtes Maschinenöl (für bewegliche Teile)
  

• Destilliertes Wasser (für den Boiler, um Mineralablagerungen vorzubeugen)
  

• Schutzhandschuhe und Schutzbrille (zur Sicherheit beim Erhitzen)
  

Schritt-für-Schritt-Montageanleitung

Schritt 1) Zuerst müssen Sie den DIY-Modellbausatz auspacken. In der Verpackung finden Sie eine Anleitung mit allen Anweisungen zum Zusammenbau des Modells. Vergleichen Sie alle im Bausatz enthaltenen Teile mit der Anleitung, um zu prüfen, ob Teile fehlen.

Schritt 2) Setzen Sie nun den Zylinder auf die Edelstahl-Grundplatte des Motors. Setzen Sie den Kolben in den Zylinder ein. Da sich der Kolben hin und her bewegt, ist es ratsam, Öl einzutragen, um die Bewegung des Kolbens zu erleichtern und ihn ohne Widerstand frei beweglich zu machen.

Schritt 3) Im nächsten Schritt befestigen Sie die Kurbelwelle mit der Kolbenstange. Anschließend befestigen Sie das Schwungrad am Ende der Kurbelwelle. Stellen Sie dabei sicher, dass sich das Schwungrad dreht. Sie können dies testen, indem Sie es mit der Hand drehen. Sie können es auch leicht ölen.

Schritt 4) Stellen Sie den Kessel anschließend sicher auf den Sockel. Verwenden Sie dazu die mitgelieferten Halterungen oder Klemmen. Stellen Sie sicher, dass der Kessel stabil und leicht erhöht steht, sodass der Brenner direkt darunter platziert werden kann.

Schritt 5) Als Nächstes müssen Sie die Ausgangsdüse des Kessels mit dem Dampfeinlass des Zylinders verbinden. Glücklicherweise ist dieses Rohr transparent, sodass Sie den Dampfaustritt in den Zylinder beobachten können. Außerdem müssen Sie das Sporenventil anschließen, um den Durchfluss manuell zu steuern.

Schritt 6) Platzieren Sie nun den Brenner unter der Heizkammer des Kessels. Er dient als Wärmequelle für die Dampferzeugung. Beachten Sie, dass in Heimwerker-Sets meist eine Spirituslampe oder ein Festbrennstoffbrenner verwendet wird. Zünden Sie ihn vorerst nicht an, sondern führen Sie zunächst gründliche Tests durch.

Schritt 7) Wir haben gerade alle Teile der Dampfmaschine zusammengebaut. Bevor Sie den Dampf in Betrieb nehmen, überprüfen Sie jedoch zunächst die mechanische Bewegung. Drehen Sie beispielsweise das Schwungrad manuell und beobachten Sie die Hin- und Herbewegung des Kolbens im Zylinder. Überprüfen Sie außerdem, ob die Drehbewegung von Kurbelwelle und Kolbenstange gleichmäßig und nicht ruckartig oder störrisch ist.

Schritt 8) Jetzt können Sie Dampf erzeugen. Füllen Sie Wasser in den Kessel. Verwenden Sie einen Trichter, um Verschütten zu vermeiden. Vermeiden Sie außerdem zu viel Wasser und beachten Sie die maximale Fülllinie in der Bedienungsanleitung Ihres Kits.

Schritt 9) Jetzt ist es an der Zeit, Dampf und Motor voll auszunutzen! Zünden Sie den Brenner vorsichtig mit einem langen Streichholz oder Feuerzeug an. Warten Sie einige Minuten, bis sich Dampfdruck im Kessel aufgebaut hat. Sobald der Dampf den Kolben antreibt, das Schwungrad dreht und den Motor startet.

Empfohlene Tipps für einen reibungslosen und sicheren Betrieb

• Beobachten Sie den Brenner immer, wenn der Motor läuft.

• Während des Betriebs müssen beim Hantieren mit dem Kessel bzw. Brenner Schutzhandschuhe getragen werden.

• Vor dem Nachfüllen oder Zerlegen des Motors sicherstellen, dass dieser abgekühlt ist.

• Um Korrosion zu vermeiden, vermeiden Sie das Einfüllen von zu viel Wasser.

• Kühl und trocken lagern.

5) Fazit

Die Dampfmaschine ist eine unglaubliche Erfindung, die die Bedeutung der modernen Industrie und des Transportwesens begründete. Das Verständnis ihrer Konstruktion und Funktionsweise ermöglicht es, Maschinenbau und Thermodynamik praktisch zu verstehen.

Wenn Sie dieses historische Wunderwerk zum Leben erwecken möchten, ist ein Dampfmaschinen-Bausatz von engineDIY genau das Richtige für Sie! Wir bieten eine große Auswahl an hochwertigen Bausätzen für Anfänger und erfahrene Dampfmaschinen-Enthusiasten, die das Lernen und Bauen zum Vergnügen machen. Kontaktieren Sie uns noch heute!

6) FAQs zur Dampfmaschine

F1: Wie funktioniert eine Dampfmaschine?

Die Dampfmaschine nutzt sowohl Wärme als auch Bewegung, um zu funktionieren. Sobald der Kessel Wasser erhitzt und es in Dampf verwandelt, baut sich Druck auf. Dieser Dampf drückt dann gegen einen rotierenden Kolben und sorgt so für Bewegung, die wiederum die mechanischen Teile der Dampfmaschine antreibt.

F2: Gibt es Sicherheitsbedenken für Anfänger, die eine Dampfmaschine selbst bauen?

Die meisten Bausätze sind für Anfänger geeignet, daher sind Sicherheitsbedenken minimal. Der Bau einer Dampfmaschine kann sicher und unterhaltsam sein, wenn Sie die angegebenen Schritte befolgen, Schutzkleidung tragen und den Brenner vorsichtig bedienen. Mit diesen einfachen Richtlinien können Sie Ihre Dampfmaschine mit Freude bedienen.

F3: Welche Brennstoffe stehen für die Verwendung in Dampfmaschinenbausätzen zur Verfügung?

Für Dampfmaschinen sind alkoholbasierte Brennstoffe und Festbrennstofftabletten am beliebtesten und werden in den meisten Bausätzen verwendet. Aufgrund ihrer breiten Verfügbarkeit und einfachen Handhabung sind diese Brennstoffe eine gute Wahl und erzeugen genau die richtige Wärmemenge für eine sichere Dampferzeugung.

Wenn Sie mehr über den Motor erfahren möchten, klicken Sie auf den Link unten, um weitere Details zu erhalten.

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