Die Dampfmaschine: Prinzip, Wirkungsgrad und Kesselsicherheit

Wofür dieser Artikel gedacht ist

Der Artikel erklärt, wie eine Dampfmaschine funktioniert, was sie an Material und Können voraussetzt und welche Regeln heute für Dampfkessel gelten. Er nennt bewusst keine Maße, Wandstärken oder Drücke und beschreibt nicht, wie man einen Kessel baut.

Das Prinzip: aus Wärme wird Bewegung

Eine Dampfmaschine ist eine Wärmekraftmaschine: Sie wandelt die innere Energie von heißem Dampf in mechanische Energie um. So beschreibt es LEIFIphysik, das Physikportal des FWU Instituts für Film und Bild. Im Kessel erhitzt ein Feuer Wasser, bis es verdampft. Der Dampf strömt in einen Zylinder und schiebt dort einen dicht eingepassten Kolben vor sich her.

Die ersten Maschinen arbeiteten anders herum. Bei Denis Papin, der 1690 darüber berichtete, und später bei Thomas Newcomen hob der Dampf den Kolben nur an. Dann kondensierte der Dampf, im Zylinder entstand ein Unterdruck, und der äußere Luftdruck drückte den Kolben wieder hinunter – das war der Arbeitstakt. Man nennt diese Bauart atmosphärische Dampfmaschine.

Bei James Watt verrichtet dagegen der Druckunterschied zwischen dem Raum oberhalb und unterhalb des Kolbens die Arbeit. Hinter dem Zylinder wird der verbrauchte Dampf, der Abdampf, in einem Kondensator wieder zu Wasser. Watt ließ dieses warme Wasser absaugen und später dem Kessel wieder zuführen. So schließt sich der Kreislauf: Kessel, Zylinder, Kondensator, zurück in den Kessel.

Von Newcomen zu Watt: der getrennte Kondensator

Newcomens Maschine übernahm Anfang des 18. Jahrhunderts die Idee, den Dampferzeuger vom Zylinder zu trennen. Um den Dampf schnell zu kondensieren, spritzte sie kaltes Wasser direkt in den Zylinder. Ein Balancier, ein großer Querbalken, übertrug die Bewegung auf eine Wasserpumpe. Nach LEIFIphysik lief dieser Ablauf etwa zehnmal in der Minute ab, und die Maschinen entwässerten fast ein Jahrhundert lang Bergwerke.

Der Preis war hoch: Der Wirkungsgrad lag bei knapp 1 Prozent. Eine Newcomen-Maschine verbrauchte fast so viel Kohle, wie aus der Grube gefördert wurde. Der Grund war das Einspritzen: Das kalte Wasser kühlte bei jedem Takt den ganzen Zylinder ab, der dann wieder aufgeheizt werden musste.

Watt erkannte diese Schwäche bei der Reparatur einer Newcomen-Maschine. Seine wichtigste Neuerung, 1769 patentiert, war ein vom Zylinder getrenntes, stets gekühltes Gefäß: der Kondensator. Eine Pumpe saugte Luft und warmes Wasser daraus ab und erzeugte so einen Unterdruck, eine wärmedämmende Ummantelung hielt den Zylinder heiß. Schon seine einfach wirkende Maschine brauchte nur noch ein Viertel der Kohle einer Newcomen-Maschine.

Später baute Watt die doppelt wirkende Maschine: Der Raum über und unter dem Kolben wird abwechselnd mit dem Kondensator verbunden, sodass beide Kolbenbewegungen Arbeit leisten. Erst damit wurde die Dampfmaschine zu einer gleichmäßig laufenden Antriebsmaschine für alle möglichen Zwecke und nicht nur zum Pumpen.

Schieber, Kurbel und Schwungrad

Damit ein Kolben von beiden Seiten angetrieben werden kann, muss der Dampf im richtigen Moment auf die richtige Seite gelangen. Das erledigt die Steuerung. Das Deutsche Museum besitzt dafür ein gutes Beispiel: eine liegende, doppelt wirkende Dampfmaschine von Gotthilf Kuhn aus Stuttgart, gebaut 1863 und bis 1944 als Betriebsmaschine einer Augsburger Fabrik in Betrieb. Bei ihr regelt eine Doppelschiebersteuerung die Verteilung des Dampfes im Zylinder. Angetrieben werden die Schieber über Exzenter, die auf der Welle des Schwungrads sitzen – so bleibt ihre Bewegung immer im Takt mit dem Kolben.

Die Kolbenstange ist über einen Kreuzkopf geführt, der Kolben über Kolbenringe. Laut der Museumsbeschreibung verhindert diese exakte Führung, dass Zylinderwand und Kolben einseitig abgenutzt werden. Von der Kolbenstange geht die Bewegung über eine Pleuelstange auf die Kurbel, die aus dem Hin und Her eine Drehung macht. Die Kurbel ist im Grunde ein Hebel, der im Kreis läuft; wie Hebel Kraft und Weg tauschen, erklärt der Artikel über einfache Maschinen.

Das schwere Schwungrad speichert Drehbewegung und hilft der Kurbel über die beiden Punkte hinweg, an denen der Kolben umkehrt. Damit die Maschine nicht davonläuft, wenn die Last sinkt, wirkt bei der Kuhn-Maschine ein Fliehkraftregler auf eine Drosselklappe und steuert so den Dampfeinlass. Welche Drehzahl am Ende an einer Arbeitsmaschine ankommt, bestimmen Riemen und Zahnräder mit ihrer Übersetzung.

Wirkungsgrad: viel Wärme, wenig Arbeit

Keine Wärmekraftmaschine kann die zugeführte Wärme vollständig in Arbeit verwandeln; ein Teil geht immer als Abwärme verloren. Bei der Dampfmaschine ist dieser Teil besonders groß. Die Tabelle zeigt die Größenordnungen, die LEIFIphysik nennt.

Für die Praxis heißt das: Eine Dampfmaschine braucht ständig Brennstoff, und zwar viel mehr, als die Arbeit vermuten lässt, die hinten herauskommt. Wer über eine solche Maschine nachdenkt, muss zuerst klären, woher dauerhaft Kohle oder Holz kommen – das Brennholz richtig einzuschätzen ist dabei der erste Schritt.

Warum sie so wichtig war – und was sie voraussetzt

Vor der Dampfmaschine liefen Fabriken mit Wasserkraft. Bei Wasserknappheit stockte die Produktion, und der Standort war an einen Fluss gebunden. In tiefen Kohlegruben drückte Grundwasser nach; LEIFIphysik berichtet, dass in manchen Bergwerken von 1000 Bergleuten 600 als Wasserknechte mit Eimern arbeiteten. Die Dampfmaschine ließ sich dagegen an jedem Ort aufstellen und brauchte nur Wasser und Brennstoff. Sie trieb Pumpen, Webereien, Lokomotiven und Schiffe an und ab 1866 auch Generatoren für Strom. Wo Wind und Wasser vorhanden sind, bleiben Wind- und Wassermühlen trotzdem die einfachere Kraftquelle.

Wie viel die Maschine voraussetzt, zeigen Papins Versuche. Nach LEIFIphysik schloss sein Kolben nicht dicht genug, die Ventile mussten von Hand bedient werden, die Leitungsverbindungen hielten nicht dicht, und die Kessel hielten dem Dampfdruck nicht stand. Daraus folgt, was eine funktionierende Dampfmaschine braucht:

• Metallbau: einen genau runden Zylinder, einen passenden Kolben mit Ringen, Wellen und Lager – also Gießen, Schmieden und spanende Bearbeitung. Woher Metall kommt, beschreibt der Artikel über Metalle und den Rennofen.
• Dichtungen: Kolben, Schieber und Leitungen müssen Dampf halten, sonst geht der Druck verloren.
• Brennstoff: dauerhaft große Mengen, siehe Wirkungsgrad.
• Wasser: Die Wasserqualität ist für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb eines Dampfkessels unerlässlich, schreibt der Armaturenhersteller Spirax Sarco. Wasser aufzubereiten ist deshalb Teil des Betriebs, nicht Nebensache.
• Wissen und Aufsicht: jemand, der den Kessel versteht und ständig beobachtet.

Der Kessel: warum Druck gefährlich ist

Im Kessel steht Dampf unter Druck, und darin steckt viel Energie. Gibt die Wand nach, wird sie auf einen Schlag frei. Spirax Sarco, ein Hersteller von Dampfarmaturen, schreibt in seinem Lehrmaterial, dass Dampfkesselexplosionen in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts alltäglich waren. In Manchester wurde daraufhin ein Unternehmen gegründet, das Kessel unabhängig prüfte. Von 11.000 geprüften Kesseln explodierten danach nur noch acht, bei ungeprüften Kesseln zählte man 260 Explosionen.

Zwei Einrichtungen gehören deshalb an jeden Dampfkessel. Das Sicherheitsventil schützt den Kessel vor zu hohem Druck und einer daraus folgenden Explosion. Der Wasserstandsanzeiger zeigt, wie viel Wasser im Kessel ist; seine niedrigste Anzeige soll über dem Punkt liegen, an dem der Kessel überhitzt. Liegt die beheizte Fläche trocken, überhitzt sie. Die Betriebssicherheitsverordnung spricht bei Dampfkesselanlagen von beheizten, überhitzungsgefährdeten Druckgeräten. Sie verlangt außerdem, dass einem Dampfkessel die zum sicheren Betrieb nötige Speisewassermenge zugeführt wird, solange er beheizt wird.

Auch ohne Explosion ist Dampf gefährlich: Austretender Dampf und heißes Wasser verbrühen die Haut, und Kesselteile sind noch lange nach dem Löschen heiß. Wer Dampfmaschinen erleben will, geht am sichersten in ein Technikmuseum, das Maschinen unter Dampf vorführt, oder beginnt mit einer fertigen Modelldampfmaschine.

Rechtslage und wer zuständig ist

In Deutschland regelt die Betriebssicherheitsverordnung (BetrSichV) den Betrieb von Druckanlagen. Sie richtet sich an Arbeitgeber und an alle, die eine überwachungsbedürftige Anlage zu gewerblichen oder wirtschaftlichen Zwecken verwenden. Als Dampfkesselanlagen gelten dort Anlagen mit beheizten, überhitzungsgefährdeten Druckgeräten, die Dampf oder Heißwasser von mehr als 110 Grad Celsius erzeugen.

Solche Anlagen müssen vor der ersten Inbetriebnahme, nach prüfpflichtigen Änderungen und wiederkehrend geprüft werden. Zuständig ist grundsätzlich eine zugelassene Überwachungsstelle; nur wo die Verordnung es in ihren Tabellen vorsieht, darf eine zur Prüfung befähigte Person prüfen. Für Dampfkessel, die eine Überwachungsstelle prüft, gelten Höchstfristen: die äußere Prüfung jedes Jahr, die innere alle drei und die Festigkeitsprüfung alle neun Jahre. War eine Dampfkesselanlage länger als zwei Jahre außer Betrieb, darf sie erst nach einer inneren Prüfung wieder laufen.

Große Dampfkesselanlagen, die nach der europäischen Druckgeräterichtlinie in die höchste Kategorie IV fallen, brauchen für Errichtung und Betrieb zusätzlich eine Erlaubnis der zuständigen Behörde (§ 18 BetrSichV).