Die Animation zeigt die Funktionsweise der atmosphärischen Dampfmaschine von Thomas Newcomen. Diese Maschine wandelte als erste thermische Energie in mechanische Arbeit um.
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Beschreibung der Animation
Die Animation zeigt die Baugruppen einer Newcomenmaschine in Bewegung. Zu sehen sind der Schwingbalken, das Pumpgestänge, der Kessel und der Zylinder mit Kolben.
Der Arbeitstakt gliedert sich in zwei Phasen:
- Füllhub und Rückhub (Aufwärtsbewegung): Der Dampf füllt den Zylinder und verdrängt die Luft. Ein Überdruck entsteht nicht. Der Schwingbalken hebt sich auf der Kolbenseite. Die Pumpenstange bringt das System durch ihr Gewicht in die Endlage.
- Kondensationshub und Arbeitshub (Abwärtsbewegung): Wasser wird in den Zylinder eingespritzt und der Dampf kondensiert. Es entsteht ein Unterdruck. Der Luftdruck der Atmosphäre drückt den Kolben nach unten. Der Schwingbalken überträgt die Bewegung auf das Pumpengestänge.
Die Kraft am Kolben ergibt sich aus der Druckdifferenz zwischen Atmosphäre und Zylinder:
\[ F = (p_0 – p_1) \cdot A \]
Mit:
- \( F \): Kolbenkraft beim Arbeitshub
- \( p_0 \): Atmosphärendruck oberhalb des Kolbens (≈ 1 bar)
- \( p_1 \): Restdruck im Zylinder nach der Kondensation
- \( A \): Kolbenfläche
Interaktive Steuerung
Die Animation läuft nach dem Start automatisch. Mit den Bedienelementen lassen sich die Phasen des Arbeitstakts beobachten.
Physikalischer Hintergrund
Die Newcomenmaschine nutzt nicht den Überdruck des Dampfes. Sie nutzt den Druck der Atmosphäre. Daher der Name „atmosphärische Dampfmaschine“.
Der Dampf füllt den Zylinder. Die Arbeit leistet der Luftdruck, sobald der Dampf durch Wasser kondensiert. Im Zylinder entsteht ein Unterdruck.
Der Nachteil dieses Prinzips ist die geringe Effizienz. Der Zylinder wird in jedem Takt durch Dampf aufgeheizt und durch Einspritzwasser abgekühlt. Ein Teil der Wärme geht so verloren.
James Watt setzte 60 Jahre später hier an. Sein separater Kondensator hielt den Arbeitszylinder heiß. Der Wirkungsgrad stieg.
Die Geschichte von Thomas Newcomen
Thomas Newcomen (1664 bis 1729) war Eisenhändler und Laienprediger aus Dartmouth in Devon. Durch seine Arbeit kannte er die Zinnminen Cornwalls und die Kohlebergwerke der Midlands. Die Überflutung der Schächte war dort ein Problem.
Vor Newcomen gab es Versuche, Dampfkraft zu nutzen. 1690 zeigte Denis Papin, dass Dampfkondensation einen Kolben bewegen kann. 1698 patentierte Thomas Savery die Pumpe „The Miner’s Friend“.
Diese Pumpe hatte keine beweglichen Teile. Sie arbeitete mit hohem Dampfdruck und förderte Wasser nur aus geringer Tiefe.
1712 baute Newcomen die erste atmosphärische Dampfmaschine bei Dudley Castle. Sein Entwurf verband Papins Kolbenzylinderkonzept mit einem Schwingbalken. Der Ansatz kam ohne Hochdruckdampf aus.
Die Maschine arbeitete mit den Mitteln der Handwerker jener Zeit. Sie blieb über 60 Jahre die Kraftmaschine der Wahl.
Die Ventilsteuerung und die Legende von Humphrey Potter
Bei den ersten Newcomenmaschinen wurden die Ventile von Hand bedient. Das Dampfventil und der Wasserhahn mussten im Takt geöffnet und geschlossen werden. Ein „Plug Boy“ stand neben der Maschine und übernahm diese Aufgabe.
Der Überlieferung nach hatte Humphrey Potter die Arbeit satt. Er band Schnüre und Hebel von den Ventilgriffen an den Schwingbalken. Die Bewegung des Balkens steuerte fortan die Ventile.
Ob die Geschichte stimmt, ist unklar. Newcomenmaschinen erhielten früh eine Ventilsteuerung (den „Plug Rod“). Eine Stange am Balken trug Nocken, die die Ventile an den Punkten des Hubs auslösten.
Dieser Mechanismus war ein Beispiel für Automatisierung in der Industrie. Die Maschine regelte ihren Arbeitstakt ohne Eingreifen von Menschen.
Thermodynamische Einordnung
Der Wirkungsgrad der Newcomenmaschine lag bei 0,5 bis 1 %. Von der Wärmeenergie der Kohle wurde nur ein Hundertstel in Arbeit umgewandelt. Der Rest ging durch das Aufheizen und Abkühlen des Zylinders verloren.
Eine Newcomenmaschine verbrauchte 25 bis 30 kg Kohle pro Pferdestärke und Stunde. Dampfmaschinen des 19. Jahrhunderts kamen mit 2 bis 3 kg/PS·h aus. Eine Anlage konnte 10 Tonnen Kohle am Tag verbrennen.
In Kohlebergwerken war die Maschine wirtschaftlich. Der Brennstoff lag am Förderschacht und verursachte keine Transportkosten.
In Zinnminen musste Kohle herantransportiert werden. Die Betriebskosten waren dort eine Belastung. Die Bergbauindustrie in Cornwall übernahm daher zuerst Watts Entwurf.
Vergleich: Newcomen vs. Watt
James Watt patentierte 1769 den separaten Kondensator. Der Dampf wird nicht im Arbeitszylinder kondensiert, sondern in einem Gefäß, das kalt bleibt. Der Zylinder bleibt heiß und die Wärmeverluste sinken. Die Tabelle fasst die Unterschiede zusammen:
| Merkmal | Newcomen (ab 1712) | Watt (ab 1776) |
| Kondensation | Im Arbeitszylinder (Wassereinspritzung) | In einem separaten, gekühlten Kondensator |
| Zylindertemperatur | Aufgeheizt und abgekühlt in jedem Takt | Heiß gehalten (Dampfmantel) |
| Wirkprinzip | Arbeitshub nur abwärts | Arbeit in beide Richtungen |
| Antriebskraft | Nur Atmosphärendruck | Dampfdruck über Atmosphärendruck möglich |
| Wirkungsgrad | ≈ 0,5 bis 1 % | ≈ 2 bis 4 % (später bis 5 %) |
| Kohleverbrauch | ≈ 25 bis 30 kg pro PS·h | ≈ 8 bis 10 kg pro PS·h |
| Bewegungsausgabe | Hubbewegung (Balkenpumpe) | Drehbewegung möglich (Planetengetriebe) |
| Einsatzbereiche | Nur Pumpbetrieb | Pumpen, Mühlen, Fabriken, Fortbewegung |
Die Animation Watts Dampfmaschine zeigt diese Verbesserungen.
Praktische Anwendungen
- Bergwerksentwässerung: Auspumpen der Schächte im Kohlebergbau und Zinnbergbau
- Wasserversorgung: Förderung von Wasser für Städte, Kanäle und Anlagen
- Antrieb von Wasserrädern: Rückförderung von Wasser in Reservoire zum Betrieb von Maschinen
- Technikgeschichte: Erster Schritt zur Nutzung der Dampfkraft und Wegbereiter der Industriellen Revolution
Zeitstrahl: Der Weg zur Industriellen Revolution
| Jahr | Meilenstein |
| 1690 | Denis Papin demonstriert, wie Dampfkondensation einen Kolben im Zylinder bewegt |
| 1698 | Thomas Savery patentiert „The Miner’s Friend“, eine Dampfpumpe ohne bewegliche Teile |
| 1712 | Thomas Newcomen errichtet die erste atmosphärische Dampfmaschine bei Dudley Castle |
| 1720er bis 1760er | Newcomenmaschinen verbreiten sich in Bergwerken; John Smeaton optimiert ihre Abmessungen |
| 1769 | James Watt patentiert den separaten Kondensator |
| 1776 | Erste Maschine von Boulton & Watt in einem Kohlebergwerk installiert |
| 1782 | Watt patentiert die Maschine mit Arbeit in beide Richtungen und das Planetengetriebe |
| 1801 | Richard Trevithick baut eine Hochdruckdampfmaschine und den ersten Dampfwagen |
| 1804 | Trevithicks Lokomotive befördert eine Last auf Schienen im Eisenwerk Penydarren |
| 1825 | George Stephensons Stockton & Darlington Eisenbahn beginnt das Eisenbahnzeitalter |
Weiterführende Ressourcen
- Science Museum, London – sciencemuseum.org.uk – Dampfmaschinenmodelle und Watts Werkstatt
- Deutsches Museum, München – deutsches-museum.de – Exponate zur Dampfkraft und Energietechnik
- Black Country Living Museum – bclm.com – Nahe dem Standort von Newcomens erster Maschine bei Dudley
- Atmosphärische Dampfmaschine – Wikipedia – Artikel zur Geschichte und Technik
Verwandte Animationen
Web Animationen
Überblick
| Titel | Newcomens Dampfmaschine |
| Zielgruppe | Lehrer/innen und Vortragende |
| Features | Vollbildmodus verlustfreie Vergrößerung Großbildschirme und Leinwände unterstützt |
| Lizenz | MIT |
Quellen
- Technische Zeichnung: http://www.deutschefotothek.de/documents/obj/70007631
- Hintergrund: https://www.photoshopsupply.com/patterns-textures/vintage-paper-textures
Anmerkung
Die Zeichnung wirkt im Vergleich zu Darstellungen von heute weniger präzise. Sie ist jedoch geometrisch stimmig. Anordnung und Abstände wurden mit Sorgfalt festgelegt.