Das Interesse an Wasserdampf als erschwingliche Energiequelle tauchte zusammen mit den ersten wissenschaftlichen Erkenntnissen der Antike auf. Seit drei Jahrtausenden versuchen Menschen, diese Energie zu zähmen. Was sind die Hauptetappen dieses Weges? Wessen Reflexionen und Projekte haben die Menschheit gelehrt, den größtmöglichen Nutzen daraus zu ziehen?
Voraussetzungen für die Entstehung von Dampfmaschinen
Der Bedarf an Mechanismen, die arbeitsintensive Prozesse vereinfachen können, bestand schon immer. Bis etwa Mitte des 18. Jahrhunderts wurden zu diesem Zweck Windmühlen und Wasserräder eingesetzt. Die Möglichkeit, Windenergie direkt zu nutzen, hängt von den Launen des Wetters ab. Und um Wasserräder zu nutzen, mussten Fabriken entlang von Flüssen gebaut werden, was nicht immer bequem und zweckdienlich ist. Und die Wirksamkeit von beiden war extrem gering. Ein grundlegend neuer Motor wurde benötigt, leicht zu handhaben und frei von diesen Mängeln.
Die Geschichte der Erfindung und Verbesserung von Dampfmaschinen
Die Schaffung einer Dampfmaschine ist das Ergebnis vieler Überlegungen, Erfolge und Misserfolge der Hoffnungen vieler Wissenschaftler.
Der Anfang des Weges
Die ersten Einzelprojekte waren nur interessante Kuriositäten. Zum Beispiel, Archimedes eine Dampfpistole gebaut Reiher von Alexandria nutzten die Energie des Dampfes, um die Türen antiker Tempel zu öffnen. Und Forscher finden Hinweise zur praktischen Anwendung von Dampfenergie, um andere Mechanismen in den Werken zu betätigen Leonardo da Vinci.
Betrachten Sie die wichtigsten Projekte zu diesem Thema.
Im 16. Jahrhundert entwickelte der arabische Ingenieur Tagi al Din einen Entwurf für eine primitive Dampfturbine. Aufgrund der starken Streuung des den Turbinenradschaufeln zugeführten Dampfstrahls fand es jedoch keine praktische Anwendung.
Schneller Vorlauf ins mittelalterliche Frankreich. Der Physiker und talentierte Erfinder Denis Papin bleibt nach vielen erfolglosen Projekten bei folgendem Design stehen: Ein vertikaler Zylinder wurde mit Wasser gefüllt, über dem ein Kolben installiert wurde.
Der Zylinder wurde erhitzt, das Wasser kochte und verdampfte. Der expandierende Dampf hob den Kolben an. Es wurde am höchsten Punkt des Anstiegs befestigt und es wurde erwartet, dass der Zylinder abkühlt und der Dampf kondensiert. Nachdem der Dampf kondensiert war, bildete sich im Zylinder ein Vakuum. Der von der Befestigung befreite Kolben stürzte unter Einwirkung des atmosphärischen Drucks ins Vakuum. Dieser Fall des Kolbens sollte als Arbeitshub verwendet werden.
Der Nutzhub des Kolbens wurde also durch die Bildung eines Vakuums aufgrund der Kondensation von Dampf und äußerem (atmosphärischem) Druck verursacht.
Denn die Dampfmaschine von Papin Wie die meisten nachfolgenden Projekte wurden sie Dampf-Atmosphären-Maschinen genannt.
Dieses Design hatte einen sehr bedeutenden Nachteil - die Wiederholbarkeit des Zyklus war nicht gegeben. Denis kommt auf die Idee, Dampf nicht in einem Zylinder, sondern separat in einem Dampfkessel zu bekommen.
Denis Papin trat als Erfinder eines sehr wichtigen Details - des Dampfkessels - in die Geschichte der Herstellung von Dampfmaschinen ein.
Und da sie begannen, außerhalb des Zylinders Dampf zu erhalten, ging der Motor selbst in die Kategorie der Motoren mit äußerer Verbrennung über. Aufgrund des Fehlens eines Verteilungsmechanismus, der einen unterbrechungsfreien Betrieb sicherstellt, haben diese Projekte jedoch kaum praktische Anwendung gefunden.
Eine neue Stufe in der Entwicklung von Dampfmaschinen
Seit etwa 50 Jahren wird es zum Pumpen von Wasser in Kohlebergwerken eingesetzt. Die Dampfpumpe von Thomas Newcomen. Er wiederholte weitgehend die vorherigen Konstruktionen, enthielt jedoch sehr wichtige Neuheiten - ein Rohr zum Abziehen von kondensiertem Dampf und ein Sicherheitsventil zum Ablassen von überschüssigem Dampf.
Sein wesentlicher Nachteil war, dass der Zylinder erhitzt werden musste, bevor Dampf eingespritzt wurde, und dann gekühlt werden musste, bevor er kondensierte. Der Bedarf an solchen Motoren war jedoch so groß, dass die letzten Exemplare dieser Maschinen trotz ihrer offensichtlichen Ineffizienz bis 1930 im Einsatz waren.
1765 Englischer Mechaniker James Watt, an der Verbesserung von Newcomens Maschine beteiligt, den Kondensator vom Dampfzylinder getrennt.
Es wurde möglich, den Zylinder konstant beheizt zu halten. Die Effizienz der Maschine stieg sofort. In den Folgejahren verbesserte Watt sein Modell erheblich und rüstete es mit einer Vorrichtung zur Dampfzufuhr von einer Seite zur anderen aus.
Es wurde möglich, diese Maschine nicht nur als Pumpe zu verwenden, sondern auch verschiedene Werkzeugmaschinen anzutreiben. Watt erhielt ein Patent für seine Erfindung - eine kontinuierliche Dampfmaschine. Die Massenproduktion dieser Maschinen beginnt.
Zu Beginn des 19. Jahrhunderts waren in England über 320-Watt-Dampfmaschinen in Betrieb. Auch andere europäische Länder begannen, sie zu kaufen. Dies trug zu einem deutlichen Anstieg der Industrieproduktion in vielen Branchen bei, sowohl in England selbst als auch in den Nachbarstaaten.
Zwanzig Jahre vor Watt arbeitete in Russland der Altai-Mechaniker Ivan Ivanovich Polzunov am Dampfmaschinenprojekt.
Die Fabrikbehörde schlug ihm vor, eine Einheit zu bauen, die das Gebläse des Schmelzofens antreibt.
Die von ihm gebaute Maschine war ein Zweizylinder und sicherte den Dauerbetrieb des daran angeschlossenen Gerätes.
Nachdem er mehr als anderthalb Monate erfolgreich gearbeitet hatte, fing der Kessel an zu lecken. Polzunov selbst lebte zu diesem Zeitpunkt nicht mehr. Das Auto wurde nicht repariert. Und die wunderbare Schöpfung eines einzigen russischen Erfinders wurde vergessen.
Aufgrund der damaligen Rückständigkeit Russlands Die Welt erfuhr mit großer Verzögerung von der Erfindung von I. I. Polzunov ....
Um eine Dampfmaschine anzutreiben, ist es also erforderlich, dass der vom Dampfkessel erzeugte Dampf sich ausdehnt und auf den Kolben oder auf die Turbinenschaufeln drückt. Und dann wurde ihre Bewegung auf andere mechanische Teile übertragen.
Der Einsatz von Dampfmaschinen im Transportwesen
Trotz der Tatsache, dass der Wirkungsgrad der damaligen Dampfmaschinen 5% nicht überstieg, wurden sie Ende des 18. Jahrhunderts aktiv in der Landwirtschaft und im Transportwesen eingesetzt:
- in Frankreich gibt es ein Auto mit Dampfmaschine;
- in den USA beginnt ein Dampfschiff zwischen den Städten Philadelphia und Burlington zu verkehren;
- in England wurde eine dampfbetriebene Eisenbahnlokomotive vorgeführt;
- Ein russischer Bauer aus der Provinz Saratow patentierte einen von ihm gebauten Raupentraktor mit einer Leistung von 20 PS. von.;
- Es wurde immer wieder versucht, ein Flugzeug mit Dampfmaschine zu bauen, aber leider machte die geringe Leistung dieser Einheiten bei dem großen Gewicht des Flugzeugs diese Versuche erfolglos.
Ende des 19. Jahrhunderts wichen die Dampfmaschinen, die ihren Anteil am technischen Fortschritt der Gesellschaft hatten, den Elektromotoren.
Dampfgeräte im 21. Jahrhundert
Mit dem Aufkommen neuer Energiequellen im 20. und 21. Jahrhundert taucht wieder die Notwendigkeit auf, Dampfenergie zu nutzen. Dampfturbinen werden zu einem festen Bestandteil von Kernkraftwerken. Der Dampf, der sie antreibt, wird aus Kernbrennstoff gewonnen.
Diese Turbinen werden auch häufig in Brennwertkraftwerken eingesetzt.
In einer Reihe von Ländern werden Versuche zur Gewinnung von Dampf durch Sonnenenergie durchgeführt.
Kolbendampfmaschinen werden ebenfalls nicht vergessen. In Berggebieten als Lokomotive Dampflokomotiven werden immer noch verwendet.
Diese zuverlässigen Arbeiter sind sowohl sicherer als auch billiger. Sie brauchen keine Stromleitungen, und Brennstoffe – Holz und billige Kohlesorten – sind immer zur Hand.
Moderne Technologien ermöglichen es, bis zu 95 % der Emissionen in die Atmosphäre einzufangen und die Effizienz um bis zu 21 % zu steigern, sodass man sich entschieden hat, sich noch nicht von ihnen zu trennen und an einer neuen Generation von Dampflokomotiven zu arbeiten.
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Ich überspringe die Besichtigung der Museumsausstellung und gehe direkt in den Maschinenraum. Interessierte finden die Vollversion des Beitrags in meinem LiveJournal. Der Maschinenraum befindet sich in diesem Gebäude:
29. Als ich hineinging, war ich vor Freude außer Atem – in der Halle war die schönste Dampfmaschine, die ich je gesehen habe. Es war ein echter Steampunk-Tempel - ein heiliger Ort für alle Anhänger der Ästhetik des Dampfzeitalters. Ich war erstaunt über das, was ich sah und erkannte, dass ich nicht umsonst in diese Stadt gefahren bin und dieses Museum besucht habe.
30. Neben der riesigen Dampfmaschine, die das Hauptobjekt des Museums ist, wurden hier auch verschiedene Muster kleinerer Dampfmaschinen ausgestellt und an zahlreichen Informationsständen die Geschichte der Dampftechnik erzählt. Auf diesem Bild sehen Sie eine voll funktionsfähige 12 PS Dampfmaschine.
31. Hand für Waage. Die Maschine wurde 1920 hergestellt.
32. Ein Kompressor aus dem Jahr 1940 ist neben dem Hauptmuseumsexemplar ausgestellt.
33. Dieser Kompressor wurde früher in den Bahnwerkstätten des Bahnhofs Werdau eingesetzt.
34. Schauen wir uns nun das zentrale Exponat der Museumsausstellung genauer an - eine 600-PS-Dampfmaschine aus dem Jahr 1899, der die zweite Hälfte dieses Beitrags gewidmet sein wird.
35. Die Dampfmaschine ist ein Symbol der industriellen Revolution, die Ende des 18. und Anfang des 19. Jahrhunderts in Europa stattfand. Obwohl die ersten Modelle von Dampfmaschinen Anfang des 18. Jahrhunderts von verschiedenen Erfindern geschaffen wurden, waren sie alle für den industriellen Einsatz ungeeignet, da sie eine Reihe von Nachteilen aufwiesen. Der Masseneinsatz von Dampfmaschinen in der Industrie wurde erst möglich, nachdem der schottische Erfinder James Watt den Mechanismus der Dampfmaschine verbessert hatte, sodass sie einfach zu bedienen, sicher und fünfmal stärker war als die Modelle, die es vorher gab.
36. James Watt patentierte seine Erfindung 1775 und bereits in den 1880er Jahren begannen seine Dampfmaschinen, Fabriken zu infiltrieren und wurden zum Katalysator für die industrielle Revolution. Dies geschah hauptsächlich, weil es James Watt gelang, einen Mechanismus zu schaffen, um die Translationsbewegung einer Dampfmaschine in Rotation umzuwandeln. Alle bisher existierenden Dampfmaschinen konnten nur translatorische Bewegungen erzeugen und nur als Pumpen eingesetzt werden. Und Watts Erfindung konnte bereits das Rad einer Mühle drehen oder Fabrikmaschinen antreiben.
37. Im Jahr 1800 produzierten die Firma Watt und sein Kompagnon Bolton 496 Dampfmaschinen, von denen nur 164 als Pumpen verwendet wurden. Und bereits 1810 gab es in England 5.000 Dampfmaschinen, und diese Zahl verdreifachte sich in den nächsten 15 Jahren. 1790 begann das erste Dampfschiff mit bis zu 30 Passagieren zwischen Philadelphia und Burlington in den Vereinigten Staaten zu verkehren, und 1804 baute Richard Trevintik die erste betriebsbereite Dampflokomotive. Die Ära der Dampfmaschinen begann, die das gesamte neunzehnte Jahrhundert dauerte, und auf der Eisenbahn und der ersten Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts.
38. Das war ein kurzer geschichtlicher Hintergrund, nun zurück zum Hauptgegenstand der Museumsausstellung. Die auf den Bildern zu sehende Dampfmaschine wurde 1899 von der Zwikauer Maschinenfabrik AG hergestellt und im Maschinenraum der Spinnerei "C.F.Schmelzer und Sohn" installiert. Die Dampfmaschine sollte Spinnmaschinen antreiben und wurde in dieser Funktion bis 1941 eingesetzt.
39. Schickes Namensschild. Damals wurden Industriemaschinen mit großem Augenmerk auf Ästhetik und Stil hergestellt, nicht nur Funktionalität war wichtig, sondern auch Schönheit, die sich in jedem Detail dieser Maschine widerspiegelt. Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts hätte einfach niemand hässliche Geräte gekauft.
40. Die Spinnerei „C.F.Schmelzer und Sohn“ wurde 1820 auf dem Gelände des heutigen Museums gegründet. Bereits 1841 wurde die erste Dampfmaschine mit einer Leistung von 8 PS im Werk installiert. zum Antrieb von Spinnmaschinen, die 1899 durch eine neue, leistungsfähigere und modernere ersetzt wurde.
41. Die Fabrik bestand bis 1941, dann wurde die Produktion wegen Kriegsausbruch eingestellt. Alle zweiundvierzig Jahre wurde die Maschine bestimmungsgemäß als Antrieb für Spinnmaschinen verwendet und diente nach Kriegsende 1945-1951 als Notstromquelle, wonach sie schließlich geschrieben wurde aus dem Gleichgewicht des Unternehmens.
42. Wie viele ihrer Brüder wäre das Auto gekürzt worden, wenn da nicht ein Faktor gewesen wäre. Diese Maschine war die erste Dampfmaschine in Deutschland, die den Dampf durch Rohre aus einem weit entfernten Kesselhaus erhielt. Außerdem hatte sie ein Achsverstellsystem von PROELL. Dank dieser Faktoren erhielt das Auto 1959 den Status eines historischen Denkmals und wurde zu einem Museum. Leider wurden 1992 alle Fabrikgebäude und das Kesselhaus abgerissen. Dieser Maschinenraum ist das Einzige, was von der ehemaligen Spinnerei übrig geblieben ist.
43. Magische Ästhetik des Dampfzeitalters!
44. Typenschild am Körper des Achsverstellsystems von PROELL. Das System regelt die Abschaltung – die Dampfmenge, die in den Zylinder gelassen wird. Mehr Cut-off - mehr Effizienz, aber weniger Leistung.
45. Instrumente.
46. Diese Maschine ist konstruktionsbedingt eine Mehrfachexpansionsdampfmaschine (oder wie sie auch Verbundmaschine genannt wird). Bei Maschinen dieses Typs expandiert der Dampf nacheinander in mehreren Zylindern mit zunehmendem Volumen und gelangt von Zylinder zu Zylinder, wodurch der Wirkungsgrad des Motors erheblich gesteigert werden kann. Diese Maschine hat drei Zylinder: In der Mitte des Rahmens befindet sich ein Hochdruckzylinder - darin wurde frischer Dampf aus dem Kesselraum zugeführt, und nach dem Expansionszyklus wurde der Dampf in den Mitteldruckzylinder geleitet, der befindet sich rechts neben dem Hochdruckzylinder.
47. Nach Abschluss der Arbeiten strömte der Dampf aus dem Mitteldruckzylinder in den Niederdruckzylinder, den Sie auf diesem Bild sehen, und wurde nach Abschluss der letzten Erweiterung durch ein separates Rohr nach außen entlassen. Somit wurde die vollständigste Nutzung der Dampfenergie erreicht.
48. Die stationäre Leistung dieser Anlage betrug 400-450 PS, maximal 600 PS.
49. Der Schraubenschlüssel für die Autoreparatur und -wartung hat eine beeindruckende Größe. Darunter befinden sich die Seile, mit deren Hilfe die Drehbewegungen vom Schwungrad der Maschine auf das mit den Spinnmaschinen verbundene Getriebe übertragen wurden.
50. Makellose Belle-Époque-Ästhetik in jeder Schraube.
51. In diesem Bild können Sie die Vorrichtung der Maschine im Detail sehen. Der im Zylinder expandierende Dampf übertrug Energie auf den Kolben, der wiederum eine Translationsbewegung ausführte und sie auf den Kurbel-Schieber-Mechanismus übertrug, in dem sie in Rotation umgewandelt und auf das Schwungrad und weiter auf das Getriebe übertragen wurde.
52. An die Dampfmaschine war früher auch ein Stromgenerator angeschlossen, der ebenfalls in hervorragendem Originalzustand erhalten ist.
53. Früher stand an dieser Stelle der Generator.
54. Ein Mechanismus zur Übertragung des Drehmoments vom Schwungrad zum Generator.
55. Anstelle des Generators ist nun ein Elektromotor eingebaut, mit dessen Hilfe mehrere Tage im Jahr eine Dampfmaschine zur Belustigung des Publikums in Gang gesetzt wird. Jedes Jahr veranstaltet das Museum "Steam Days" - eine Veranstaltung, die Fans und Modellbauer von Dampfmaschinen zusammenbringt. Heutzutage wird auch die Dampfmaschine in Gang gesetzt.
56. Der ursprüngliche Gleichstromgenerator steht jetzt an der Seitenlinie. Früher wurde damit Strom für die Fabrikbeleuchtung erzeugt.
57. Produziert von der "Elektrotechnischen & Maschinenfabrik Ernst Walther" in Werdau 1899 laut Typenschild, aber auf dem originalen Typenschild steht die Jahreszahl 1901.
58. Da ich an diesem Tag der einzige Besucher des Museums war, hinderte mich niemand daran, die Ästhetik dieses Ortes eins zu eins mit einem Auto zu genießen. Außerdem trug die Abwesenheit von Menschen dazu bei, gute Fotos zu bekommen.
59. Nun noch ein paar Worte zur Übertragung. Wie Sie auf diesem Bild sehen können, hat die Oberfläche des Schwungrades 12 Seilrillen, mit deren Hilfe die Drehbewegung des Schwungrades weiter auf die Übertragungselemente übertragen wurde.
60. Ein Getriebe, bestehend aus durch Wellen verbundenen Rädern unterschiedlichen Durchmessers, verteilte die Drehbewegung auf mehrere Stockwerke eines Fabrikgebäudes, in dem sich Spinnmaschinen befanden, angetrieben durch Energie, die von einem Getriebe einer Dampfmaschine übertragen wurde.
61. Schwungrad mit Rillen für Seile Nahaufnahme.
62. Hier sind deutlich die Übertragungselemente zu sehen, mit deren Hilfe das Drehmoment auf eine unterirdisch verlaufende Welle übertragen wurde, die die Drehbewegung auf das Fabrikgebäude neben dem Maschinenraum, in dem sich die Maschinen befanden, übertrug.
63. Leider blieb das Fabrikgebäude nicht erhalten und hinter der Tür, die zum Nachbargebäude führte, ist jetzt nur noch Leere.
64. Unabhängig davon ist das elektrische Bedienfeld zu erwähnen, das an sich schon ein Kunstwerk ist.
65. Marmorplatte in schönem Holzrahmen, darauf Reihen von Hebeln und Sicherungen, eine luxuriöse Laterne, stilvolle Geräte - Belle Époque in seiner ganzen Pracht.
66. Beeindruckend sind die beiden riesigen Sicherungen, die sich zwischen der Laterne und den Instrumenten befinden.
67. Sicherungen, Hebel, Regler - alle Geräte sind ästhetisch ansprechend. Man sieht, dass bei der Erstellung dieses Schildes nicht zuletzt auf das Aussehen geachtet wurde.
68. Unter jedem Hebel und jeder Sicherung befindet sich ein "Knopf" mit der Aufschrift, dass dieser Hebel ein- / ausgeschaltet wird.
69. Die Pracht der Technik der Zeit der "schönen Zeit".
70. Kehren wir am Ende der Geschichte zum Auto zurück und genießen die reizvolle Harmonie und Ästhetik seiner Details.
71. Steuerventile für einzelne Maschinenkomponenten.
72. Tropföler zum Schmieren beweglicher Teile und Baugruppen der Maschine.
73. Dieses Gerät wird Schmiernippel genannt. Vom beweglichen Teil der Maschine werden Schnecken in Bewegung gesetzt, die den Ölerkolben bewegen und Öl zu den Reibflächen pumpen. Nachdem der Kolben den Totpunkt erreicht hat, wird er durch Drehen des Griffs zurückgehoben und der Zyklus wiederholt sich.
74. Wie schön! Genuss pur!
75. Maschinenzylinder mit Einlassventilsäulen.
76. Mehr Ölkannen.
77. Eine klassische Steampunk-Ästhetik.
78. Die Nockenwelle der Maschine, die die Dampfzufuhr zu den Zylindern regelt.
79.
80.
81. Das alles ist sehr, sehr schön! Beim Besuch dieses Maschinenraums erhielt ich eine riesige Ladung Inspiration und freudige Emotionen.
82. Wenn Sie das Schicksal plötzlich in die Region Zwickau führt, besuchen Sie unbedingt dieses Museum, Sie werden es nicht bereuen. Website und Koordinaten des Museums: 50°43"58"N 12°22"25"E
Ich bin im Internet auf einen interessanten Artikel gestoßen.
"Der amerikanische Erfinder Robert Green hat eine völlig neue Technologie entwickelt, die kinetische Energie durch Umwandlung von Restenergie (sowie anderer Brennstoffe) erzeugt. Die Dampfmaschinen von Green sind kolbenverstärkt und für eine Vielzahl praktischer Zwecke ausgelegt."
Das ist es, nicht mehr und nicht weniger: eine völlig neue Technologie. Nun, natürlich fing an zu schauen und versuchte einzudringen. Überall steht geschrieben Einer der einzigartigsten Vorteile dieses Motors ist die Fähigkeit, Strom aus der Restenergie der Motoren zu erzeugen. Genauer gesagt kann die restliche Abgasenergie des Motors in Energie umgewandelt werden, die zu den Pumpen und Kühlsystemen der Einheit fließt. Nun, wie ich es verstehe, verwenden Sie Abgase, um Wasser zum Kochen zu bringen und dann Dampf in Bewegung umzuwandeln. Wie notwendig und billig ist das, denn ... obwohl dieser Motor, wie man so schön sagt, aus wenigen Einzelteilen speziell konstruiert ist, kostet er trotzdem viel und macht es Sinn, einen Garten einzuzäunen, umso mehr grundlegend neu in dieser Erfindung sehe ich nicht. Und viele Mechanismen zum Umwandeln einer hin- und hergehenden Bewegung in eine Drehbewegung wurden bereits erfunden. Auf der Website des Autors steht ein Zweizylindermodell im Prinzip nicht teuer zum Verkauf 
nur 46 Dollar.
Auf der Website des Autors gibt es ein Video, das Solarenergie verwendet, und ein Foto, auf dem jemand auf einem Boot diesen Motor verwendet. 
Aber in beiden Fällen handelt es sich eindeutig nicht um Restwärme. Kurz gesagt, ich bezweifle die Zuverlässigkeit eines solchen Motors: „Die Kugellager sind gleichzeitig Hohlkanäle, durch die der Dampf den Zylindern zugeführt wird.“ Was ist Ihre Meinung, liebe Benutzer der Website?
Artikel auf Russisch
Dampfmaschinen wurden als Antriebsmaschine in Pumpstationen, Lokomotiven, auf Dampfschiffen, Traktoren, Dampfautos und anderen Fahrzeugen eingesetzt. Dampfmaschinen trugen zur weit verbreiteten kommerziellen Nutzung von Maschinen in Unternehmen bei und waren die Energiegrundlage der industriellen Revolution des 18. Jahrhunderts. Dampfmaschinen wurden später durch Verbrennungsmotoren, Dampfturbinen, Elektromotoren und Kernreaktoren ersetzt, die effizienter sind.
Dampfmaschine in Aktion
Erfindung und Entwicklung
Das erste bekannte dampfbetriebene Gerät wurde im ersten Jahrhundert von Heron von Alexandria beschrieben, das sogenannte "Reiherbad" oder "Aeolipil". Der tangential aus den an der Kugel befestigten Düsen austretende Dampf versetzte diese in Rotation. Es wird angenommen, dass die Umwandlung von Dampf in mechanische Bewegung bereits in der Zeit der Römerherrschaft in Ägypten bekannt war und in einfachen Geräten genutzt wurde.
Erste Industriemotoren
Keine der beschriebenen Vorrichtungen wurde tatsächlich als Mittel zur Lösung nützlicher Probleme verwendet. Die erste in der Produktion verwendete Dampfmaschine war die „Feuerwehrmaschine“, die 1698 vom englischen Militäringenieur Thomas Savery entworfen wurde. Savery erhielt 1698 ein Patent für sein Gerät. Es war eine hin- und hergehende Dampfpumpe und offensichtlich nicht sehr effizient, da die Wärme des Dampfes jedes Mal verloren ging, wenn der Behälter gekühlt wurde, und ziemlich gefährlich im Betrieb, da aufgrund des hohen Drucks des Dampfes manchmal die Tanks und Motorleitungen beschädigt wurden explodiert. Da dieses Gerät sowohl zum Drehen der Räder einer Wassermühle als auch zum Pumpen von Wasser aus Bergwerken verwendet werden konnte, nannte der Erfinder es einen "Freund des Bergmanns".
Dann demonstrierte der englische Schmied Thomas Newcomen 1712 seine „atmosphärische Maschine“, die erste Dampfmaschine, für die es eine kommerzielle Nachfrage geben konnte. Dies war eine Verbesserung gegenüber der Dampfmaschine von Savery, bei der Newcomen den Betriebsdruck des Dampfes erheblich reduzierte. Newcomen basiert möglicherweise auf einer Beschreibung von Papins Experimenten der Royal Society of London, zu der er möglicherweise durch ein Mitglied der Gesellschaft, Robert Hooke, der mit Papin zusammenarbeitete, Zugang hatte.
Diagramm der Newcomen-Dampfmaschine.
– Dampf wird lila dargestellt, Wasser blau.
– Offene Ventile werden grün, geschlossene Ventile rot dargestellt
Die erste Anwendung des Newcomen-Motors bestand darin, Wasser aus einer tiefen Mine zu pumpen. In der Minenpumpe war die Wippe mit einer Stange verbunden, die in die Mine zur Pumpenkammer hinabstieg. Die hin- und hergehenden Bewegungen des Schubs wurden auf den Kolben der Pumpe übertragen, die Wasser nach oben lieferte. Die Ventile der frühen Newcomen-Motoren wurden von Hand geöffnet und geschlossen. Die erste Verbesserung war die Automatisierung der Ventile, die von der Maschine selbst angetrieben wurden. Der Legende nach wurde diese Verbesserung 1713 von dem Jungen Humphrey Potter vorgenommen, der die Ventile öffnen und schließen musste; Als er es satt hatte, band er die Ventilgriffe mit Seilen fest und ging mit den Kindern spielen. Bis 1715 wurde bereits ein Hebelsteuerungssystem geschaffen, das vom Mechanismus des Motors selbst angetrieben wurde.
Die erste Zweizylinder-Vakuumdampfmaschine in Russland wurde 1763 von dem Mechaniker I. I. Polzunov entworfen und 1764 gebaut, um die Gebläsebälge in den Fabriken von Barnaul Kolyvano-Voskresensky anzutreiben.
Humphrey Gainsborough baute in den 1760er Jahren ein Modell einer Kondensatordampfmaschine. 1769 patentierte der schottische Mechaniker James Watt (vielleicht unter Verwendung von Gainsboroughs Ideen) die ersten bedeutenden Verbesserungen am Newcomen-Vakuummotor, die ihn viel sparsamer machten. Watts Beitrag bestand darin, die Kondensationsphase des Vakuummotors in einer separaten Kammer zu trennen, während Kolben und Zylinder auf Dampftemperatur waren. Watt fügte dem Newcomen-Motor noch einige wichtige Details hinzu: Er platzierte einen Kolben im Inneren des Zylinders, um Dampf auszustoßen, und wandelte die Hin- und Herbewegung des Kolbens in die Drehbewegung des Antriebsrads um.
Basierend auf diesen Patenten baute Watt in Birmingham eine Dampfmaschine. Bis 1782 war die Dampfmaschine von Watt mehr als dreimal so effizient wie die von Newcomen. Die Verbesserung des Wirkungsgrades des Wattmotors führte zur Nutzung der Dampfkraft in der Industrie. Darüber hinaus ermöglichte der Watt-Motor im Gegensatz zum Newcomen-Motor die Übertragung von Drehbewegungen, während bei frühen Modellen von Dampfmaschinen der Kolben mit dem Kipphebel und nicht direkt mit der Pleuelstange verbunden war. Diese Maschine hatte bereits die Hauptmerkmale moderner Dampfmaschinen.
Eine weitere Effizienzsteigerung war der Einsatz von Hochdruckdampf (Amerikaner Oliver Evans und Engländer Richard Trevithick). R. Trevithick baute erfolgreich industrielle Eintakt-Hochdruckmotoren, die als "Cornish-Motoren" bekannt sind. Sie arbeiteten bei 50 psi oder 345 kPa (3,405 Atmosphären). Mit zunehmendem Druck stieg jedoch auch die Gefahr von Explosionen in Maschinen und Kesseln, was zunächst zu zahlreichen Unfällen führte. Aus dieser Sicht war das wichtigste Element der Hochdruckmaschine das Sicherheitsventil, das den Überdruck abließ. Ein zuverlässiger und sicherer Betrieb begann erst mit dem Sammeln von Erfahrungen und der Standardisierung von Verfahren für den Bau, Betrieb und die Wartung von Geräten.
Der französische Erfinder Nicolas-Joseph Cugnot demonstrierte 1769 das erste funktionierende selbstfahrende Dampffahrzeug: den „fardier à vapeur“ (Dampfwagen). Vielleicht kann seine Erfindung als das erste Automobil angesehen werden. Der selbstfahrende Dampftraktor erwies sich als sehr nützlich als mobile Quelle mechanischer Energie, die andere landwirtschaftliche Maschinen in Bewegung setzte: Dreschmaschinen, Pressen usw. Bereits 1788 verkehrte ein von John Fitch gebautes Dampfschiff regelmäßig entlang der Delaware River zwischen Philadelphia (Pennsylvania) und Burlington (Bundesstaat New York). Er hob 30 Passagiere an Bord und fuhr mit einer Geschwindigkeit von 7-8 Meilen pro Stunde. Das Dampfschiff von J. Fitch war kommerziell nicht erfolgreich, da eine gute Überlandstraße mit seiner Route konkurrierte. 1802 baute der schottische Ingenieur William Symington ein konkurrenzfähiges Dampfschiff, und 1807 verwendete der amerikanische Ingenieur Robert Fulton eine Watt-Dampfmaschine, um das erste kommerziell erfolgreiche Dampfschiff anzutreiben. Am 21. Februar 1804 wurde die erste von Richard Trevithick gebaute Eisenbahndampflokomotive mit Eigenantrieb in der Penydarren-Eisenhütte in Merthyr Tydfil in Südwales ausgestellt.
Kolbendampfmaschinen
Hubkolbenmotoren verwenden Dampfkraft, um einen Kolben in einer abgedichteten Kammer oder einem Zylinder zu bewegen. Die Hin- und Herbewegung eines Kolbens kann mechanisch in eine lineare Bewegung für Kolbenpumpen oder in eine Drehbewegung umgewandelt werden, um rotierende Teile von Werkzeugmaschinen oder Fahrzeugrädern anzutreiben.
Vakuummaschinen
Frühe Dampfmaschinen hießen zunächst "Feuerwehrautos", aber auch "atmosphärische" oder "kondensierende" Wattmaschinen. Sie arbeiteten nach dem Vakuumprinzip und werden daher auch als „Vakuummaschinen“ bezeichnet. Solche Maschinen arbeiteten zum Antrieb von Kolbenpumpen, jedenfalls gibt es keine Hinweise darauf, dass sie für andere Zwecke verwendet wurden. Während des Betriebs einer Vakuum-Dampfmaschine wird zu Beginn des Zyklus Niederdruckdampf in die Arbeitskammer oder den Zylinder eingelassen. Anschließend schließt das Einlassventil und der Dampf kühlt ab und kondensiert. Bei einem Newcomen-Motor wird das Kühlwasser direkt in den Zylinder gespritzt und das Kondensat entweicht in einen Kondensatsammler. Dadurch entsteht im Zylinder ein Vakuum. Der atmosphärische Druck an der Oberseite des Zylinders drückt auf den Kolben und bewirkt, dass er sich nach unten bewegt, dh den Arbeitshub.
Das ständige Kühlen und Wiedererhitzen des Arbeitszylinders der Maschine war sehr verschwenderisch und ineffizient, aber diese Dampfmaschinen ermöglichten es, Wasser aus einer größeren Tiefe zu pumpen, als dies vor ihrem Erscheinen möglich war. In diesem Jahr erschien eine Version der Dampfmaschine, die von Watt in Zusammenarbeit mit Matthew Boulton entwickelt wurde und deren Hauptinnovation die Entfernung des Kondensationsprozesses in einer speziellen separaten Kammer (Kondensator) war. Diese Kammer wurde in ein kaltes Wasserbad gestellt und durch ein durch ein Ventil verschlossenes Rohr mit dem Zylinder verbunden. An der Kondensationskammer wurde eine spezielle kleine Vakuumpumpe (ein Prototyp einer Kondensatpumpe) angebracht, die von einem Kipphebel angetrieben und zum Entfernen von Kondensat aus dem Kondensator verwendet wurde. Das dabei entstehende heiße Wasser wurde durch eine spezielle Pumpe (ein Prototyp der Speisepumpe) wieder dem Kessel zugeführt. Eine weitere radikale Neuerung war der Verschluss des oberen Endes des Arbeitszylinders, an dessen Spitze sich nun Niederdruckdampf befand. Derselbe Dampf war im Doppelmantel des Zylinders vorhanden und hielt seine konstante Temperatur aufrecht. Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens wurde dieser Dampf durch spezielle Rohre in den unteren Teil des Zylinders geleitet, um beim nächsten Hub zu kondensieren. Die Maschine war tatsächlich nicht mehr "atmosphärisch", und ihre Leistung hing jetzt von der Druckdifferenz zwischen Niederdruckdampf und dem erreichbaren Vakuum ab. Bei der Newcomen-Dampfmaschine wurde der Kolben mit einer kleinen Menge Wasser darüber geschmiert, bei der Watt-Maschine wurde dies unmöglich, da nun Dampf im oberen Teil des Zylinders war, musste auf Schmierung mit umgestellt werden eine Mischung aus Fett und Öl. Das gleiche Fett wurde in der Zylinderstangen-Stopfbuchse verwendet.
Vakuumdampfmaschinen waren trotz der offensichtlichen Einschränkungen ihrer Effizienz relativ sicher, da sie Niederdruckdampf verwendeten, was durchaus mit dem allgemein niedrigen Niveau der Kesseltechnologie des 18. Jahrhunderts übereinstimmte. Die Leistung der Maschine wurde durch den niedrigen Dampfdruck, die Zylindergröße, die Verbrennungsrate des Kraftstoffs und die Wasserverdampfung im Kessel sowie die Größe des Kondensators begrenzt. Der maximale theoretische Wirkungsgrad wurde durch die relativ kleine Temperaturdifferenz auf beiden Seiten des Kolbens begrenzt; Dies machte Vakuummaschinen für den industriellen Einsatz zu groß und teuer.
Kompression
Die Auslassöffnung eines Dampfmaschinenzylinders schließt etwas, bevor der Kolben seine Endposition erreicht, und es verbleibt etwas Abdampf im Zylinder. Das bedeutet, dass es im Arbeitszyklus eine Kompressionsphase gibt, die das sogenannte „Dampfpolster“ bildet, das die Bewegung des Kolbens in seinen Endlagen bremst. Außerdem entfällt der plötzliche Druckabfall ganz am Anfang der Ansaugphase, wenn Frischdampf in den Zylinder eintritt.
Vorauszahlung
Der beschriebene „Dampfkissen“-Effekt wird noch dadurch verstärkt, dass das Ansaugen von Frischdampf in den Zylinder etwas früher beginnt, als der Kolben seine Endstellung erreicht, also etwas vorgezogen wird. Dieser Vorlauf ist notwendig, damit der Dampf, bevor der Kolben seinen Arbeitshub unter Einwirkung von Frischdampf beginnt, Zeit hätte, den Totraum zu füllen, der durch die vorherige Phase entstanden ist, dh die Einlass- und Auslasskanäle und die Volumen des Zylinders, das nicht für die Kolbenbewegung verwendet wird.
einfache Erweiterung
Eine einfache Expansion geht davon aus, dass der Dampf nur funktioniert, wenn er im Zylinder expandiert, und der Abdampf direkt in die Atmosphäre abgegeben wird oder in einen speziellen Kondensator eintritt. Die Restwärme des Dampfes kann dann beispielsweise zum Beheizen eines Raumes oder eines Fahrzeugs sowie zum Vorwärmen des in den Kessel eintretenden Wassers genutzt werden.
Verbindung
Beim Expansionsvorgang im Zylinder einer Hochdruckmaschine sinkt die Temperatur des Dampfes proportional zu seiner Expansion. Da kein Wärmeaustausch stattfindet (adiabatischer Prozess), stellt sich heraus, dass der Dampf mit einer höheren Temperatur in den Zylinder eintritt als er ihn verlässt. Solche Temperaturschwankungen im Zylinder führen zu einer Verringerung der Effizienz des Prozesses.
Eine der Methoden zum Umgang mit diesem Temperaturunterschied wurde 1804 von dem englischen Ingenieur Arthur Wolfe vorgeschlagen, der sich patentieren ließ Wulff-Hochdruck-Verbunddampfmaschine. In dieser Maschine trat Hochtemperaturdampf aus dem Dampfkessel in den Hochdruckzylinder ein, und dann trat der darin bei einer niedrigeren Temperatur und einem niedrigeren Druck ausgestoßene Dampf in den Niederdruckzylinder (oder die Niederdruckzylinder) ein. Dies reduzierte die Temperaturdifferenz in jedem Zylinder, was im Allgemeinen Temperaturverluste reduzierte und den Gesamtwirkungsgrad der Dampfmaschine verbesserte. Der Niederdruckdampf hatte ein größeres Volumen und erforderte daher ein größeres Volumen des Zylinders. Daher hatten die Niederdruckzylinder in Verbundmaschinen einen größeren Durchmesser (und manchmal länger) als die Hochdruckzylinder.
Diese Anordnung wird auch als "Doppelexpansion" bezeichnet, da die Expansion des Dampfes in zwei Stufen erfolgt. Manchmal wurde ein Hochdruckzylinder mit zwei Niederdruckzylindern verbunden, was zu drei ungefähr gleich großen Zylindern führte. Ein solches Schema war leichter auszugleichen.
Zweizylinder-Compoundiermaschinen können klassifiziert werden als:
- Kreuzverbindung- Zylinder sind nebeneinander angeordnet, ihre dampfführenden Kanäle sind gekreuzt.
- Tandem-Verbindung- Zylinder sind in Reihe angeordnet und verwenden eine Stange.
- Winkelverbindung- Die Zylinder stehen in einem Winkel zueinander, normalerweise 90 Grad, und arbeiten an einer Kurbel.
Nach den 1880er Jahren verbreiteten sich Verbunddampfmaschinen in der Herstellung und im Transportwesen und wurden praktisch zum einzigen Typ, der auf Dampfschiffen verwendet wurde. Ihr Einsatz bei Dampflokomotiven war nicht so weit verbreitet, da sie sich unter anderem aufgrund der schwierigen Einsatzbedingungen von Dampfmaschinen im Schienenverkehr als zu aufwendig erwiesen. Obwohl Verbundlokomotiven nie zu einem Mainstream-Phänomen wurden (insbesondere in Großbritannien, wo sie sehr selten waren und nach den 1930er Jahren überhaupt nicht mehr verwendet wurden), erlangten sie in mehreren Ländern eine gewisse Popularität.
Mehrfache Erweiterung
Vereinfachtes Diagramm einer dreifachen Expansionsdampfmaschine.
Hochdruckdampf (rot) aus dem Kessel strömt durch die Maschine und verlässt den Kondensator mit niedrigem Druck (blau).
Die logische Weiterentwicklung des Verbundschemas war die Hinzufügung zusätzlicher Ausbaustufen, die die Arbeitseffizienz erhöhten. Das Ergebnis war ein mehrfaches Expansionsschema, das als dreifache oder sogar vierfache Expansionsmaschinen bekannt ist. Solche Dampfmaschinen verwendeten eine Reihe von doppeltwirkenden Zylindern, deren Volumen mit jeder Stufe zunahm. Manchmal wurde, anstatt das Volumen der Niederdruckzylinder zu erhöhen, eine Erhöhung ihrer Anzahl verwendet, genau wie bei einigen Verbundmaschinen.
Das Bild rechts zeigt eine Dreifachexpansionsdampfmaschine im Betrieb. Dampf durchströmt die Maschine von links nach rechts. Der Ventilblock jedes Zylinders befindet sich links vom entsprechenden Zylinder.
Das Erscheinungsbild dieser Art von Dampfmaschinen wurde für die Flotte besonders relevant, da die Größen- und Gewichtsanforderungen für Schiffsmotoren nicht sehr streng waren und vor allem dieses Schema die Verwendung eines Kondensators erleichterte, der den Abdampf in Form zurückführt Frischwasser zurück zum Boiler (die Verwendung von salzigem Meerwasser zum Betreiben der Boiler war nicht möglich). Bodendampfmaschinen hatten normalerweise keine Probleme mit der Wasserversorgung und konnten daher Abdampf in die Atmosphäre abgeben. Daher war ein solches System für sie weniger relevant, insbesondere angesichts seiner Komplexität, Größe und seines Gewichts. Die Dominanz von Mehrfachexpansionsdampfmaschinen endete erst mit dem Aufkommen und der weiten Verbreitung von Dampfturbinen. Moderne Dampfturbinen verwenden jedoch das gleiche Prinzip der Aufteilung der Strömung in Hoch-, Mittel- und Niederdruckzylinder.
Direktstrom-Dampfmaschinen
Durchlaufdampfmaschinen entstanden als Ergebnis eines Versuchs, einen Nachteil zu überwinden, der Dampfmaschinen mit traditioneller Dampfverteilung innewohnt. Tatsache ist, dass der Dampf in einer gewöhnlichen Dampfmaschine ständig seine Bewegungsrichtung ändert, da dasselbe Fenster auf jeder Seite des Zylinders sowohl für den Dampfeinlass als auch für den Dampfauslass verwendet wird. Wenn der Abdampf den Zylinder verlässt, kühlt er dessen Wände und Dampfverteilungskanäle. Frischdampf verbraucht dementsprechend einen gewissen Teil der Energie, um sie zu erhitzen, was zu einem Abfall des Wirkungsgrads führt. Durchlaufdampfmaschinen haben eine zusätzliche Öffnung, die am Ende jeder Phase von einem Kolben geöffnet wird und durch die der Dampf den Zylinder verlässt. Dadurch verbessert sich der Wirkungsgrad der Maschine, da sich der Dampf in eine Richtung bewegt und der Temperaturgradient der Zylinderwände mehr oder weniger konstant bleibt. Durchlaufmaschinen mit Einfachausdehnung weisen in etwa den gleichen Wirkungsgrad wie Verbundmaschinen mit konventioneller Dampfverteilung auf. Darüber hinaus können sie mit höheren Drehzahlen betrieben werden und wurden daher vor dem Aufkommen von Dampfturbinen häufig zum Antrieb von Stromgeneratoren verwendet, die hohe Drehzahlen erforderten.
Durchlaufdampfmaschinen sind entweder einfach- oder doppeltwirkend.
Dampfturbine
Eine Dampfturbine besteht aus einer Reihe rotierender Scheiben, die auf einer einzigen Achse befestigt sind, dem so genannten Turbinenrotor, und einer Reihe von feststehenden Scheiben, die abwechselnd mit ihnen auf einer Basis befestigt sind, dem so genannten Stator. Die Rotorscheiben haben auf der Außenseite Schaufeln, Dampf wird diesen Schaufeln zugeführt und dreht die Scheiben. Die Statorscheiben haben ähnliche Schaufeln, die in entgegengesetzten Winkeln angeordnet sind und dazu dienen, den Dampfstrom auf die folgenden Rotorscheiben umzulenken. Jede Rotorscheibe und ihre entsprechende Statorscheibe wird als Turbinenstufe bezeichnet. Anzahl und Größe der Stufen jeder Turbine werden so gewählt, dass die nutzbare Energie des zugeführten Dampfes mit der Geschwindigkeit und dem Druck maximiert wird. Der die Turbine verlassende Abdampf tritt in den Kondensator ein. Turbinen drehen sich mit sehr hohen Drehzahlen, und daher werden häufig spezielle Untersetzungsgetriebe verwendet, wenn Energie auf andere Geräte übertragen wird. Darüber hinaus können Turbinen ihre Drehrichtung nicht ändern und erfordern häufig zusätzliche Umkehrmechanismen (manchmal werden zusätzliche Umkehrdrehungsstufen verwendet).
Turbinen wandeln Dampfenergie direkt in Rotation um und benötigen keine zusätzlichen Mechanismen zum Umwandeln der hin- und hergehenden Bewegung in Rotation. Außerdem sind Turbinen kompakter als Hubkolbenmaschinen und haben eine konstante Kraft auf der Abtriebswelle. Da Turbinen einfacher aufgebaut sind, erfordern sie tendenziell weniger Wartung.
Andere Arten von Dampfmaschinen
Anwendung
Dampfmaschinen können nach ihrer Anwendung wie folgt eingeteilt werden:
Stationäre Maschinen
Dampfhammer
Dampfmaschine in einer alten Zuckerfabrik, Kuba
Stationäre Dampfmaschinen können je nach Einsatzart in zwei Typen eingeteilt werden:
- Maschinen mit variabler Beanspruchung, zu denen Walzwerksmaschinen, Dampfwinden und ähnliche Geräte gehören, die häufig anhalten und die Richtung ändern müssen.
- Kraftmaschinen, die selten stoppen und die Drehrichtung nicht ändern müssen. Dazu gehören Leistungsmotoren in Kraftwerken sowie Industriemotoren, die in Fabriken, Fabriken und Seilbahnen vor dem weit verbreiteten Einsatz der elektrischen Traktion eingesetzt wurden. Motoren mit geringer Leistung werden in Schiffsmodellen und in Spezialgeräten eingesetzt.
Die Dampfwinde ist im Wesentlichen ein stationärer Motor, jedoch fahrbar auf einem Grundrahmen montiert. Es kann durch ein Seil am Anker befestigt und durch seinen eigenen Schub an einen neuen Ort bewegt werden.
Transportfahrzeuge
Dampfmaschinen wurden verwendet, um verschiedene Arten von Fahrzeugen anzutreiben, darunter:
- Landfahrzeuge:
- Dampfwagen
- Dampftraktor
- Dampfbagger und sogar
- Dampfflugzeug.
In Russland wurde 1834 von E. A. und M. E. Cherepanov im Werk Nischni Tagil die erste betriebsbereite Dampflokomotive zum Transport von Erz gebaut. Er entwickelte eine Geschwindigkeit von 13 Meilen pro Stunde und beförderte mehr als 200 Pfund (3,2 Tonnen) Fracht. Die Länge der ersten Eisenbahn betrug 850 m.
Vorteile von Dampfmaschinen
Der Hauptvorteil von Dampfmaschinen besteht darin, dass sie fast jede Wärmequelle nutzen können, um sie in mechanische Arbeit umzuwandeln. Dies unterscheidet sie von Verbrennungsmotoren, von denen jeder Typ die Verwendung einer bestimmten Art von Kraftstoff erfordert. Dieser Vorteil macht sich am deutlichsten bei der Nutzung von Kernenergie bemerkbar, da ein Kernreaktor keine mechanische Energie erzeugen kann, sondern nur Wärme erzeugt, die zur Erzeugung von Dampf verwendet wird, der Dampfmaschinen (meist Dampfturbinen) antreibt. Darüber hinaus gibt es andere Wärmequellen, die in Verbrennungsmotoren nicht genutzt werden können, wie z. B. Sonnenenergie. Eine interessante Richtung ist die Nutzung der Energie der Temperaturdifferenz des Weltozeans in verschiedenen Tiefen.
Auch andere Arten von Verbrennungsmotoren haben ähnliche Eigenschaften, wie zum Beispiel der Stirlingmotor, der einen sehr hohen Wirkungsgrad bieten kann, aber deutlich größer und schwerer als moderne Dampfmaschinentypen ist.
Dampflokomotiven funktionieren gut in großen Höhen, da ihre Effizienz nicht aufgrund des niedrigen atmosphärischen Drucks abfällt. Dampflokomotiven sind in den Bergregionen Lateinamerikas noch im Einsatz, obwohl sie im Flachland längst durch modernere Lokomotivtypen ersetzt wurden.
In der Schweiz (Brienz Rothhorn) und Österreich (Schafberg Bahn) haben sich neue Dampflokomotiven mit Trockendampf bewährt. Dieser Dampfloktyp wurde auf der Basis von Modellen der Schweizerischen Lokomotiv- und Maschinenfabrik (SLM) entwickelt, mit vielen modernen Verbesserungen wie der Verwendung von Wälzlagern, moderner Wärmedämmung, Verbrennung von Leichtölfraktionen als Brennstoff, verbesserten Dampfleitungen usw. . Dadurch haben diese Lokomotiven einen um 60 % geringeren Kraftstoffverbrauch und einen deutlich geringeren Wartungsaufwand. Die wirtschaftlichen Qualitäten solcher Lokomotiven sind mit modernen Diesel- und Elektrolokomotiven vergleichbar.
Außerdem sind Dampflokomotiven deutlich leichter als Diesel- und Elektrolokomotiven, was insbesondere für Bergbahnen gilt. Ein Merkmal von Dampfmaschinen ist, dass sie kein Getriebe benötigen und die Kraft direkt auf die Räder übertragen.
Effizienz
Der Leistungskoeffizient (COP) einer Wärmekraftmaschine kann als das Verhältnis der nutzbaren mechanischen Arbeit zur im Kraftstoff verbrauchten Wärmemenge definiert werden. Der Rest der Energie wird in Form von Wärme an die Umgebung abgegeben. Der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine ist
Ich lebe von Kohle und Wasser und habe immer noch genug Energie, um 100 Meilen pro Stunde zu fahren! Genau das kann eine Dampflok. Obwohl diese riesigen mechanischen Dinosaurier heute auf den meisten Eisenbahnen der Welt ausgestorben sind, lebt die Dampftechnologie in den Herzen der Menschen weiter, und Lokomotiven wie diese dienen immer noch als Touristenattraktionen auf vielen historischen Eisenbahnen.
Die ersten modernen Dampfmaschinen wurden im frühen 18. Jahrhundert in England erfunden und markierten den Beginn der industriellen Revolution.
Heute kehren wir wieder zur Dampfenergie zurück. Aufgrund der Konstruktionsmerkmale verursacht eine Dampfmaschine während des Verbrennungsprozesses weniger Schadstoffe als ein Verbrennungsmotor. Sehen Sie sich dieses Video an, um zu sehen, wie es funktioniert.
Was trieb die alte Dampfmaschine an?
Es braucht Energie, um absolut alles zu tun, was man sich vorstellen kann: Skateboard fahren, ein Flugzeug fliegen, einkaufen oder die Straße hinunterfahren. Der größte Teil der Energie, die wir heute für den Transport verbrauchen, stammt aus Öl, aber das war nicht immer so. Bis Anfang des 20. Jahrhunderts war Kohle der weltweit beliebteste Brennstoff und trieb alles an, von Zügen und Schiffen bis hin zu den unglückseligen Dampfflugzeugen, die der amerikanische Wissenschaftler Samuel P. Langley, ein früher Konkurrent der Gebrüder Wright, erfunden hatte. Was ist das Besondere an Kohle? Es gibt viel davon in der Erde, also war es relativ billig und weit verbreitet.
Kohle ist eine organische Chemikalie, das heißt, sie basiert auf dem Element Kohlenstoff. Kohle entsteht über Millionen von Jahren, wenn die Überreste abgestorbener Pflanzen unter Felsen begraben, unter Druck gepresst und durch die innere Hitze der Erde gekocht werden. Deshalb wird es als fossiler Brennstoff bezeichnet. Kohleklumpen sind wirklich Energieklumpen. Der Kohlenstoff in ihnen ist durch Verbindungen, die als chemische Bindungen bezeichnet werden, an Wasserstoff- und Sauerstoffatome gebunden. Wenn wir Kohle verbrennen, lösen sich die Bindungen und es wird Energie in Form von Wärme freigesetzt.
Kohle enthält etwa halb so viel Energie pro Kilogramm wie sauberere fossile Brennstoffe wie Benzin, Diesel und Kerosin – und das ist einer der Gründe, warum Dampfmaschinen so viel verbrennen müssen.
Sind Dampfmaschinen bereit für ein episches Comeback?
Einst dominierte die Dampfmaschine – zuerst in Zügen und schweren Traktoren, wie Sie wissen, aber schließlich in Autos. Es ist heute schwer zu verstehen, aber um die Wende zum 20. Jahrhundert wurden mehr als die Hälfte der Autos in den USA mit Dampf angetrieben. Die Dampfmaschine wurde so verbessert, dass 1906 eine Dampfmaschine namens Stanley Rocket sogar den Landgeschwindigkeitsrekord hielt – eine rücksichtslose Geschwindigkeit von 127 Meilen pro Stunde!
Nun könnte man meinen, dass die Dampfmaschine nur deshalb so erfolgreich war, weil es noch keine Verbrennungsmotoren (ICE) gab, aber tatsächlich wurden Dampfmaschinen und ICE-Wagen gleichzeitig entwickelt. Da die Ingenieure bereits 100 Jahre Erfahrung mit Dampfmaschinen hatten, hatte die Dampfmaschine einen ziemlich großen Vorsprung. Während manuelle Kurbelmotoren unglücklichen Bedienern die Hände brachen, waren Dampfmaschinen um 1900 bereits vollautomatisiert – und ohne Kupplung oder Getriebe (Dampf sorgt für konstanten Druck, im Gegensatz zum Hub eines Verbrennungsmotors) sehr einfach zu bedienen. Der einzige Nachteil ist, dass Sie einige Minuten warten mussten, bis der Kessel aufgeheizt war.
Doch in wenigen Jahren wird Henry Ford kommen und alles verändern. Obwohl die Dampfmaschine dem Verbrennungsmotor technisch überlegen war, konnte sie preislich nicht mit Serien-Fords mithalten. Die Hersteller von Dampfautos versuchten, die Gänge zu wechseln und ihre Autos als Premium-Luxusprodukte zu verkaufen, aber 1918 war das Ford Model T sechsmal billiger als der Steanley Steamer (das damals beliebteste Dampfauto). Mit dem Aufkommen des Elektrostarters im Jahr 1912 und der stetigen Verbesserung des Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors dauerte es nicht lange, bis die Dampfmaschine von unseren Straßen verschwand.
Unter Druck
In den letzten 90 Jahren waren Dampfmaschinen vom Aussterben bedroht, und riesige Bestien sind zu Oldtimer-Shows gerollt, aber nicht viel. Im Hintergrund hat sich die Forschung jedoch leise weiterentwickelt, teilweise aufgrund unserer Abhängigkeit von Dampfturbinen zur Stromerzeugung und auch, weil einige Leute glauben, dass Dampfmaschinen Verbrennungsmotoren sogar übertreffen können.
ICEs haben intrinsische Nachteile: Sie benötigen fossile Brennstoffe, sie verursachen viel Umweltverschmutzung und sie sind laut. Dampfmaschinen hingegen sind sehr leise, sehr sauber und können fast jeden Brennstoff verwenden. Dampfmaschinen benötigen dank des konstanten Drucks kein Getriebe - Sie erhalten im Ruhezustand sofort maximales Drehmoment und maximale Beschleunigung. Für den Stadtverkehr, wo das Anhalten und Anfahren riesige Mengen an fossilen Brennstoffen verbraucht, kann die Dauerleistung von Dampfmaschinen sehr interessant sein.
Die Technologie hat einen langen Weg zurückgelegt und seit den 1920er Jahren sind wir es vor allem jetzt materielle Meister. Die ursprünglichen Dampfmaschinen erforderten riesige, schwere Kessel, um der Hitze und dem Druck standzuhalten, und infolgedessen wogen selbst kleine Dampfmaschinen einige Tonnen. Mit modernen Materialien können Dampfmaschinen so leicht sein wie ihre Verwandten. Fügen Sie einen modernen Kondensator und eine Art Verdampfungskessel hinzu, und Sie können eine Dampfmaschine mit anständiger Effizienz und Aufwärmzeiten bauen, die in Sekunden statt in Minuten gemessen werden.
In den letzten Jahren haben sich diese Errungenschaften zu einigen spannenden Entwicklungen zusammengeschlossen. Im Jahr 2009 stellte ein britisches Team einen neuen dampfbetriebenen Windgeschwindigkeitsrekord von 148 mph auf und brach damit endlich den Stanley-Raketenrekord, der über 100 Jahre bestanden hatte. In den 1990er Jahren behauptete eine Forschungs- und Entwicklungsabteilung von Volkswagen namens Enginion, sie habe eine Dampfmaschine gebaut, die im Wirkungsgrad mit einem Verbrennungsmotor vergleichbar sei, aber weniger Emissionen habe. In den letzten Jahren behauptet Cyclone Technologies, eine Dampfmaschine entwickelt zu haben, die doppelt so effizient ist wie ein Verbrennungsmotor. Bisher hat jedoch noch kein Motor den Weg in ein Nutzfahrzeug gefunden.
In Zukunft ist es unwahrscheinlich, dass Dampfmaschinen jemals vom Verbrennungsmotor absteigen werden, und sei es nur wegen der enormen Dynamik von Big Oil. Doch eines Tages, wenn wir uns endlich dazu entschließen, uns ernsthaft mit der Zukunft des Personentransports zu befassen, bekommt die leise, grüne, gleitende Anmut der Dampfenergie vielleicht eine zweite Chance.
Dampfmaschinen unserer Zeit
Technologie.
innovative Energie. NanoFlowcell® ist das derzeit innovativste und leistungsstärkste Energiespeichersystem für mobile und stationäre Anwendungen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Batterien wird die nanoFlowcell® mit flüssigen Elektrolyten (bi-ION) betrieben, die außerhalb der Zelle selbst gespeichert werden können. Der Auspuff eines Autos mit dieser Technologie ist Wasserdampf.
Wie bei einer herkömmlichen Durchflusszelle werden die positiv und negativ geladenen Elektrolytflüssigkeiten getrennt in zwei Reservoirs gespeichert und wie bei einer herkömmlichen Durchflusszelle oder Brennstoffzelle in getrennten Kreisläufen durch den Transducer (das eigentliche Element des nanoFlowcell-Systems) gepumpt.
Hier sind die beiden Elektrolytkreisläufe nur durch eine durchlässige Membran getrennt. Der Ionenaustausch findet statt, sobald die positive und die negative Elektrolytlösung auf beiden Seiten der Konvertermembran einander passieren. Dieser wandelt die im Bi-Ion gebundene chemische Energie in Strom um, der dann den Stromverbrauchern direkt zur Verfügung steht.
Wie bei Wasserstofffahrzeugen ist der von nanoFlowcell-Elektrofahrzeugen produzierte „Abgasstrom“ Wasserdampf. Aber sind die Wasserdampfemissionen zukünftiger Elektrofahrzeuge umweltfreundlich?
Kritiker der Elektromobilität stellen zunehmend die Umweltverträglichkeit und Nachhaltigkeit alternativer Energiequellen in Frage. Elektrofahrzeuge sind für viele ein mittelmäßiger Kompromiss zwischen emissionsfreiem Fahren und umweltschädlicher Technik. Herkömmliche Lithium-Ionen- oder Metallhydrid-Akkus sind weder nachhaltig noch umweltverträglich – nicht herzustellen, zu verwenden oder zu recyceln, auch wenn die Werbung reine „E-Mobilität“ suggeriert.
Auch zur Nachhaltigkeit und Umweltverträglichkeit der nanoFlowcell-Technologie und bioionischer Elektrolyte wird die nanoFlowcell Holdings häufig befragt. Sowohl die nanoFlowcell selbst als auch die zu ihrer Energieversorgung benötigten bi-ION-Elektrolytlösungen werden umweltschonend aus umweltfreundlichen Rohstoffen hergestellt. Während des Betriebs ist die nanoFlowcell-Technologie völlig ungiftig und gesundheitlich unbedenklich. Bi-ION, das aus einer salzarmen wässrigen Lösung (in Wasser gelöste organische und mineralische Salze) und eigentlichen Energieträgern (Elektrolyten) besteht, ist zudem umweltfreundlich in der Anwendung und im Recycling.
Wie funktioniert der nanoFlowcell-Antrieb in einem Elektroauto? Ähnlich wie bei einem Benziner wird bei einem Elektrofahrzeug mit Nanoflowcell die Elektrolytlösung verbraucht. Innerhalb des Nanoarms (eigentliche Durchflusszelle) wird eine positiv und eine negativ geladene Elektrolytlösung über die Zellmembran gepumpt. Die Reaktion – Ionenaustausch – findet zwischen positiv und negativ geladenen Elektrolytlösungen statt. So wird die in den Bio-Ionen enthaltene chemische Energie in Form von Strom freigesetzt, der dann zum Antrieb von Elektromotoren verwendet wird. Dies geschieht, solange die Elektrolyte über die Membran gepumpt werden und reagieren. Bei einem QUANTiNO-Antrieb mit Nanoflowcell reicht ein Vorrat an Elektrolytflüssigkeit für mehr als 1000 Kilometer. Nach dem Entleeren muss der Tank neu befüllt werden.
Welche Art von „Müll“ entsteht bei einem Elektrofahrzeug mit Nanoflowcell? In einem herkömmlichen Fahrzeug mit Verbrennungsmotor entstehen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe (Benzin oder Diesel) gefährliche Abgase – hauptsächlich Kohlendioxid, Stickoxide und Schwefeldioxid – deren Ansammlung von vielen Forschern als Ursache des Klimawandels identifiziert wurde. Veränderung. Die einzigen Emissionen, die das nanoFlowcell-Fahrzeug während der Fahrt ausstößt, sind jedoch – fast wie bei einem wasserstoffbetriebenen Fahrzeug – fast ausschließlich Wasser.
Nachdem der Ionenaustausch in der Nanozelle stattgefunden hatte, blieb die chemische Zusammensetzung der bi-ION-Elektrolytlösung praktisch unverändert. Es ist nicht mehr reaktiv und gilt daher als „verbraucht“, da es nicht wieder aufgeladen werden kann. Daher wurde für mobile Anwendungen der nanoFlowcell-Technologie, wie z. B. Elektrofahrzeuge, die Entscheidung getroffen, den gelösten Elektrolyten während der Fahrt mikroskopisch zu verdampfen und freizusetzen. Bei Geschwindigkeiten über 80 km/h wird der Altelektrolytflüssigkeitsbehälter durch feinste Sprühdüsen mittels eines durch Antriebsenergie angetriebenen Generators entleert. Elektrolyte und Salze werden mechanisch vorgefiltert. Die Freisetzung von aktuell gereinigtem Wasser in Form von kaltem Wasserdampf (mikrofeiner Nebel) ist vollumfänglich umweltverträglich. Bei ca. 10 g wird der Filter gewechselt.
Vorteil dieser technischen Lösung ist, dass der Tank des Fahrzeugs während der normalen Fahrt geleert wird und ohne Pumpen einfach und schnell wieder aufgefüllt werden kann.
Eine etwas aufwändigere Alternativlösung besteht darin, die verbrauchte Elektrolytlösung in einem separaten Tank zu sammeln und dem Recycling zuzuführen. Diese Lösung ist für ähnliche stationäre nanoFlowcell-Anwendungen vorgesehen.
Viele Kritiker meinen jedoch, dass die Art von Wasserdampf, die bei der Wasserstoffumwandlung in Brennstoffzellen oder beim Verdampfen von Elektrolytflüssigkeit im Fall eines Nanotubings freigesetzt wird, theoretisch ein Treibhausgas ist, das einen Einfluss auf den Klimawandel haben könnte. Wie entstehen solche Gerüchte?
Wir betrachten die Wasserdampfemissionen hinsichtlich ihrer ökologischen Bedeutung und fragen, wie viel mehr Wasserdampf durch den flächendeckenden Einsatz von Nanoflowcell-Fahrzeugen im Vergleich zu herkömmlichen Antriebstechnologien zu erwarten ist und ob diese H 2 O-Emissionen negative Auswirkungen auf die Umwelt haben könnten.
Die neben CH 4 , O 3 und N 2 O wichtigsten natürlichen Treibhausgase Wasserdampf und CO 2 , Kohlendioxid und Wasserdampf sind für die Aufrechterhaltung des Weltklimas von enormer Bedeutung. Sonnenstrahlung, die die Erde erreicht, wird absorbiert und erwärmt die Erde, die wiederum Wärme an die Atmosphäre abstrahlt. Der größte Teil dieser Strahlungswärme entweicht jedoch aus der Erdatmosphäre zurück ins All. Kohlendioxid und Wasserdampf haben die Eigenschaften von Treibhausgasen und bilden eine „Schutzschicht“, die verhindert, dass sämtliche Strahlungswärme wieder in den Weltraum entweicht. In der Natur ist dieser Treibhauseffekt überlebenswichtig für unser Leben auf der Erde – ohne Kohlendioxid und Wasserdampf wäre die Erdatmosphäre lebensfeindlich.
Problematisch wird der Treibhauseffekt erst, wenn unvorhersehbare menschliche Eingriffe den natürlichen Kreislauf stören. Wenn der Mensch zusätzlich zu den natürlichen Treibhausgasen durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe eine höhere Konzentration an Treibhausgasen in der Atmosphäre verursacht, erhöht dies die Erwärmung der Erdatmosphäre.
Als Teil der Biosphäre beeinflusst der Mensch durch seine bloße Existenz zwangsläufig die Umwelt und damit das Klimasystem. Das stetige Wachstum der Erdbevölkerung nach der Steinzeit und die Siedlungsgründungen vor mehreren tausend Jahren, verbunden mit dem Übergang vom Nomadenleben zur Acker- und Viehwirtschaft, haben bereits Auswirkungen auf das Klima. Fast die Hälfte der ursprünglichen Wälder und Wälder der Welt wurden für landwirtschaftliche Zwecke gerodet. Wälder sind – zusammen mit Ozeanen – die Hauptproduzenten von Wasserdampf.
Wasserdampf ist der Hauptabsorber von Wärmestrahlung in der Atmosphäre. Wasserdampf macht durchschnittlich 0,3 Masse-% der Atmosphäre aus, Kohlendioxid nur 0,038 %, was bedeutet, dass Wasserdampf 80 % der Masse der Treibhausgase in der Atmosphäre ausmacht (etwa 90 Volumen-%) und unter Berücksichtigung von 36 to 66% ist das wichtigste Treibhausgas, das unsere Existenz auf der Erde sichert.
Tabelle 3: Atmosphärischer Anteil der wichtigsten Treibhausgase und absoluter und relativer Anteil am Temperaturanstieg (Zittel)