Nostalgische Dampfmaschinen als Standmodelle für zu Hause

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Nostalgische Dampfmaschinen als Standmodelle für zu Hause

Nicht nur heiße Luft: Modelldampfmaschinen sind immer noch beliebt

Während die erste für die Arbeitswelt nutzbare Dampfmaschine 1712 von Thomas Newcomen entwickelt wurde, reicht die Geschichte dieser Technik zurück bis ins erste nachchristliche Jahrhundert. Die damaligen Apparate dienten in erster Linie zu Demonstrationszwecken, um das Prinzip der Dampfkraft zu erklären. Nach dem Siegeszug der Dampfmaschine während der Industrialisierung im 18. und 19. Jahrhundert wurden seit Beginn des 20. Jahrhunderts stationäre Modelldampfmaschinen als maßstabsgerechte Nachbildungen produziert. Diese dienen dem Spiel, der Unterhaltung und der Vermittlung physikalischer Prozesse. Im Vergleich mit den „richtigen“ Dampfmaschinen funktionieren die Modelle oft nach einem einfacheren, weniger effizienten Verfahren. Eine recht spezielle Mischung aus Nostalgie und Präzisionsarbeit begeistert Tüftler und Betrachter gleichermaßen am Spiel mit den Dampfmaschinen.

Die Geschichte der Dampfmaschinen

Die Modelldampfmaschinen beziehen einen großen Teil ihrer Faszination aus der Geschichte ihrer Vorbilder, der industriellen Dampfmaschinen. Die meisten Modelle werden nach dem Grundprinzip ihrer industriellen Ahnen hergestellt. Die atmosphärische Dampfmaschine von Thomas Newcomen zu Beginn des 18. Jahrhunderts schaffte einen Unterdruck gegenüber der Atmosphäre durch das Einspritzen von Wasser in einen mit Dampf gefüllten Zylinder. Mit dem auf diese Weise erzeugten Druckunterschied wurde der Kolben in einem vorgegebenen Takt vom atmosphärischen Luftdruck nach unten gedrückt. Durch das eigene Gewicht der Antriebsstange wurde der Kolben wieder in die Ausgangsstellung gezogen. Der Wirkungsgrad der Dampfmaschine von Newcomen betrug ca. 0,5 Prozent.

James Watt und seine Weiterentwicklungen

James Watt, der heutzutage als Erfinder der Dampfmaschine gilt, verbesserte 1769 mit seinem zum Patent angemeldeten Prinzip den Wirkungsgrad der Newcomenschen Dampfmaschine in erheblichem Maße. Zum einen verlegte Watt den Abkühlvorgang aus dem Zylinder in einen gesondert aufgestellten Kondensator, zum anderen beschickte er den Kolben abwechselnd von zwei Seiten mit Dampf. An der Maschine öffnete sich auf der jeweils gegenüberliegenden Seite die Auslassvorrichtung zum Kondensator. Auf diese Weise konnte Watt das mechanische Rücksetzen des Kolbens vermeiden und die Dampfmaschine bei beiden Kolbenbewegungen arbeiten lassen. Die Entwicklung der Dampfmaschine ermöglichte es zusammen mit dem sogenannten Wattschen Parallelogramms, ein Schwungrad in Bewegung zu versetzen. Der Erfinder selbst bezeichnete diese Systemanordnung als seine bedeutendste Entwicklung. Heutzutage wird sie von vielen Maschinenbauern als Musterbeispiel für die Lösung der Aufgabe betrachtet, eine geradlinige in eine kreisförmige Bewegung lediglich unter Zuhilfenahme von Drehgelenken zu verwandeln.

James Watt gilt ebenfalls als der Forscher, der den Nutzen der Expansion des Dampfes entdeckt hat. Dieser Effekt wird bei der Dampfmaschine durch ein vorzeitiges Schließen der Ventile erreicht. Indem die Zuleitung von Dampf in den Zylinder unterbrochen wird, während der darin eingeschlossene Dampf weiter Arbeit verrichtet. 1788 führte James Watt darüber hinaus den Fliehkraftregler zur Steuerung der Geschwindigkeit seiner Maschine ein. Dieses Maschinenelement war zuvor schon beim Bau und Betrieb von Mühlen verwendet worden.

James Watt definierte die Leistungseinheit Pferdestärke, um die Wirkung und Kraft seiner Dampfmaschine darzustellen. Durch die Verbesserungen der Maschinen sparte Watt im Vergleich mit den Vorgängern ein Vielfaches der Wärmeenergie, die zum Betrieb der Maschinen benötigt wurde. Der Wirkungsgrad der neu entwickelten Maschine erreichte um drei Prozent. Allerdings verkaufte Watt seine Maschinen nicht, sondern stellte sie lediglich seinen Kunden in einer Art Sharing zur Verfügung. Einen Teil der eingesparten Brennstoffkosten ließ er sich auszahlen. Mit den Wattschen Entwicklungen wurden Dampfmaschinen ab etwa den 50er Jahren des 18. Jahrhunderts ein wirtschaftlich sinnvolles Investment.

Die Dampfmaschine in Deutschland

Schon 1759 wurden preußische Behörden auf die Dampfmaschinen aus Großbritannien aufmerksam. Aber erst 1785 wurde die erste, in Preußen nach dem Wattschen Prinzip konstruierte Dampfmaschine in Betrieb genommen. Die preußische Bergbauverwaltung hatte bereits 1778 von James Watt die Zusicherung erhalten, eine verbesserte Dampfmaschine zur Entwässerung unter fachmännischer Anleitung zu erhalten. Allerdings bestand die Firma Boulton & Watt auf einem mehrjährigen Liefermonopol. Auf diese Bedingung wollten die damaligen preußischen Ämter nicht eingehen. Dagegen entsandte ein preußisches Ministerium unter dem Vorwand, Maschinen kaufen zu wollen, mehrmals Ingenieure nach England, wo diese sich mit dem Funktionsprinzip der Maschinen vertraut machen und entsprechende Baupläne anfertigen sollten. 1779 wurde nur eine englische Dampfmaschine erworben und auf einer Braunkohlengrube in Dienst gestellt. Bald lagen die von den wohl ersten „Industriespionen“ exakte Baupläne für eine eigene Dampfmaschine nach dem Vorbild von James Watt vor. Die Bauteile wurden in Originalgröße produziert und zusammengesetzt. 1785 wurde die auf diese Weise entwickelte erste deutsche Dampfmaschine in einem Bergwerk bei Hettstedt offiziell in Betrieb genommen. Die Maschine erntete wegen ihrer Störanfälligkeit reichlich Spott.

Eine weitere frühe Dampfmaschine Deutschlands und wurde 1793 in Eschweiler eingesetzt und dort ebenfalls für die Entwässerung im Bergbau eingesetzt. 1803 folgte die erste Dampfmaschine im Ruhrgebiet. Weitere Anwendungen der Dampfmaschinen fanden sich in der Textilindustrie zum Antrieb von Textilmaschinen. Es folgten Dampfschiffe, Dampflokomotiven, Dampfwagen und Lkws. Auch das erste Luftschiff 1852 besaß als Antrieb eine Dampfmaschine. Der Einsatz der Dampfmaschine in der Landwirtschaft wurde mit der Erfindung der Dreschmaschine ermöglicht. Für ihren Betrieb wie etwa der Beschickung der Dreschmaschine mit Garben, der Weiterleitung des Getreides sowie dem Verladen des ausgedroschenen Strohs waren etwa zehn Landarbeiter eingesetzt. Die Dampfmaschine war ein bedeutender Faktor der industriellen Revolution.

Bedeutung der Dampfmaschine im 21. Jahrhundert

Dampfmaschinen sind als Antrieb von Fahrzeugen weitgehend durch die Verbrennungsmotoren abgelöst worden. Diese haben die Vorteile, dass sie ohne Aufwärmzeit ihren Dienst aufnehmen, eine höhere Leistung bei niedrigerem Gewicht bieten, einen höheren Wirkungsgrad aufweisen und komfortabler zu handhaben sind. Die Dampfmaschine hat darüber hinaus wegen der flächendeckenden Versorgung durch elektrischen Strom ihre Stellung als zentrale Energiequelle eines Industrieunternehmens verloren, die lange Zeit eine ihrer wichtigsten Funktionen war. Die Dampfmaschine wurde im Steinkohlenbergbau in Förderanlagen verwendet, da diese sowohl als Fördermaschine zum Heben des Rohstoffs als auch als Bremse zum Herunterlassen von Füllstoffen diente. Beim Bremsen wird die hierdurch gewonnene Energie zur Erhitzung des Dampfes weiter verwendet.

Obschon viele meinen, dass die Zeit der Kolbendampfmaschine schon lange vorbei ist, kann eine Wiederaufnahme der Technik in der Industrie nicht ausgeschlossen werden. Das Prinzip der Dampfmaschine besitzt gegenüber dem Verbrennungsmotor den Vorzug, nach einem kontinuierlichen Verbrennungsvorgang zu funktionieren. Dieser lässt sich emissionsärmer gestalten. Der geschlossene Kreislauf von Dampf und Speisewasser gestattet eine emissionsarme Schmierung von Zylinder und Kolben des Aggregats. Die große Robustheit der Dampfmaschine wird auch in der heutigen Zeit als großer Vorteil angesehen. Wohl aus diesen Überlegungen heraus wurde der Dampfmotor als Neuauflage der Dampfmaschine entwickelt.

Sie funktionieren wie die Großen - Modelldampfmaschinen

Wie bereits ausgeführt werden stationäre Modelldampfmaschinen seit etwa hundert Jahren hergestellt. Modelldampfmaschinen zählen zu den Spielgeräten und dienen der Unterhaltung und der Vermittlung physikalischer Lehrinhalte. Verglichen mit den realen Vorbildern funktionieren die Modelle meist nach einem simpleren Verfahren. Die heute im Handel befindlichen Modelle besitzen einen Sockel, der meist aus geprägtem Blech besteht und Ziegelmauerwerk darstellen soll. Auf diesem ist in aller Regel ein einfacher, zylinderförmiger Dampfkessel montiert. Der Kessel ist mit einer Rohrleitung und einem Ventil mit der Kolbendampfmaschine verbunden, die wiederum aus einem Zylinder, einem Schwungrad, einem Kolben, Schiebern und Stangen besteht. Ferner ragt aus dem Gemäuer eine Schornsteinattrappe heraus. Die gesamte Apparatur, Kessel und Dampfmaschine, sind auf einer Metallplatte befestigt.

Die Funktionsweise der Modelldampfmaschinen

Je nach dem Modell der Dampfmaschine wird destilliertes Wasser in einem Kessel durch Spiritus, Esbit, Feuerzeuggas oder durch elektrischen Strom erhitzt, um den zum Betrieb notwendigen Wasserdampf zu erzeugen. Das Auseinanderbersten des Kessels wird durch ein Überdruckventil verhindert. Mithilfe eines Schauglases wird der Wasserstand kontrolliert, um das Überhitzen des Kessels zu vermeiden. Durch ein Rohrsystem wird der Wasserdampf zur eigentlichen Maschine, dem System bestehend aus Zylinder, Schwungrad, Kolben und Pleuelstangen, geleitet. In einfacheren Ausführungen arbeiten die Dampfmaschinen oszillierend, aufwendigere Modelle besitzen eine Schiebersteuerung wie ihre realen Vorbilder. Bei den größeren Modellen wird der Dampf durch den Schornstein abgeleitet.

Zubehör für die gängigsten Modelldampfmaschinen wird in Form von verschiedenen Werkzeugmaschinen angeboten, die allerdings aufgrund der schwachen Leistung der Dampfmaschinen keine nutzbare Tätigkeit ausüben können, sondern lediglich zu Demonstrationszwecken dienen. Daneben sind auch Karussells und Generatoren erhältlich. Der Antrieb erfolgt normalerweise über endlose Schraubenfedern. Von einer einzigen Dampfmaschine können über Transmissionsriemen mehrere Anschlussmaschinen angetrieben werden. Die Dampfmaschine bei den kompakten stationären Lokomobilen auf dem Kessel verbaut. Ihre Vorbilder waren wegen des niedrigen Platzbedarfs und der geringen Wärmeverluste weit verbreitet.

Die aufrechte Anordnung von Kessel und Aggregat kennzeichnet die sogenannten stehenden stationären Modelldampfmaschinen. Derartige Modelle wurden in der Realität meist als Schiffsantriebe eingesetzt. Durch das in dem vertikal verbauten Kessel integrierte Flammrohr wird der Brennstoff effektiver verbraucht.

Beispiele für die heute erhältlichen Modelldampfmaschinen und ihr Zubehör:

  • Jensen Model 15 A/C Generator Power Plant Dampfmaschine
  • Hielscher Mini-Dampfmaschine BS
  • WILESCO D 5 BAUSATZ DAMPFMASCHINE, Bausatz des Fertigmodells D 6 in vorgefertigten Baugruppen mit leicht verständlicher Anleitung. Beim Aufbau ist kein Löten erforderlich. Technische Daten D 6: Sockelmaß: 220 x 140 mm.
  • Kondensator/Wasserabscheider - für große Dampfmaschinen - der Behälter und der Kamin sind aus Kupfer, der Durchmesser des Behälters beträgt 54 mm, alles andere ist aus Messing, das Abdampfrohr weist einen Durchmesser von 10 mm auf, der darüber liegende Kamin hat einen Durchmesser von 15 mm
  • Märklin Dampfpfeife und Sicherheitsventil als Ersatzteil
  • Materialbausatz Balanciermaschine "Sophie" Dampfmaschine; das Modell ist mit dem Watschen Parallelogramm ausgestattet, das dafür sorgt, dass die Kolbenstange gerade geführt wird.

Modelldampfmaschinen werden auch heute noch von vielen Liebhabern gepflegt und mit Begeisterung in Betrieb genommen.

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