Dampfmaschine von Watt: interaktives 3D-Modell

Was das Modell zeigt

Vor James Watt verbrauchte eine Dampfmaschine den größten Teil ihrer Kohle damit, denselben eisernen Zylinder aufzuheizen und wieder abzukühlen, zwölfmal in der Minute oder öfter. Dieses Modell zeigt die Maschine, die das änderte und danach nicht mehr nur Pumpen antrieb, sondern auch die Wellen von Fabriken drehte.

Es ist eine rotierende Balanciermaschine der Art, wie Boulton und Watt sie in den 1780er-Jahren bauten, im Maßstab ein Zehntel und in der Mitte aufgeschnitten. Rote Flächen sind Schnittflächen. Frischdampf aus dem Kessel ist orange, verbrauchter Dampf auf dem Weg zum Kondensator hellblau und Wasser dunkelblau. Die Proportionen folgen der Boulton-und-Watt-Maschine von 1785 im Powerhouse Museum in Sydney: 635 mm (25 Zoll) Bohrung, 1,83 m (6 Fuß) Hub und ein Schwungrad von 4,27 m (14 Fuß).

Die Anzeige in der Ecke zeigt die Schwungraddrehzahl, wie weit die Drossel offen ist, die Leistung, die der Dampf an den Kolben abgibt, die Kohle, die die Maschine verbrennt, und den Druck über dem Kolben. Eine kleine Kurve unter dem Diagramm hält die letzten 30 Sekunden Drehzahl (rot) und Drossel (blau) fest, damit Sie sehen, wie der Regler antwortet, wenn Sie die Last ändern. Das Diagramm darunter ist die Druck-Volumen-Schleife für die Oberseite des Zylinders, live gezeichnet, während die Maschine läuft. Der graue Umriss dahinter ist die Schleife bei Auslegungslast, so sehen Sie, wie sie sich ändert, wenn Sie den Lastregler verschieben.

Warum Newcomens Maschine so viel Kohle verbrannte

Thomas Newcomens atmosphärische Maschine von 1712 füllte ihren Zylinder mit Dampf und spritzte dann kaltes Wasser hinein. Der Dampf kondensierte, der Druck im Zylinder fiel, und die Außenluft drückte den Kolben hinab. Das funktionierte, aber jeder Hub kühlte die Zylinderwände ab, und die nächste Dampffüllung musste sie erst wieder aufheizen, bevor sie den Raum füllen konnte. Viel Dampf, und die Kohle, die ihn erzeugte, ging für das Anwärmen von Eisen drauf.

Watt stieß 1763 auf das Problem, als die Universität Glasgow ihn bat, ein Modell einer Newcomen-Maschine zu reparieren, das immer wieder aus Dampfmangel stehen blieb. Seine Antwort, die er 1765 schon an einem Modell zum Laufen brachte, war, den Dampf an einem anderen Ort zu kondensieren. Sein Patent wurde am 5. Januar 1769 erteilt, und sein erster Anspruch lautete, der Zylinder „muss während der ganzen Zeit, in der die Maschine arbeitet, so heiß gehalten werden wie der Dampf, der in ihn eintritt“.

Der getrennte Kondensator

Im Modell ist der Kondensator das eiserne Gefäß, das im hölzernen Kaltwasserbecken unter dem Boden des Maschinenhauses steht. Öffnet sich ein Zylinderende zum Auslass, strömt der Dampf durch das Rohr hinab in den Kondensator, wo ein kalter Wasserstrahl aus dem Einspritzhahn ihn wieder zu Wasser macht. Wasser braucht weit weniger Platz als Dampf, daher bleibt der Druck im Kondensator niedrig, im Modell etwa 0,2 bar. Der Zylinder berührt nie kaltes Wasser und bleibt deshalb heiß.

Beim Kondensieren entsteht Wasser, und etwas Luft kommt mit dem Dampf herein oder dringt durch die Fugen. Die Luftpumpe neben dem Kondensator entfernt beides. Ihr Eimer wird von einer Stange am Balancier bewegt, und das warme Wasser, das sie hebt, fließt in den Warmwasserbehälter, von wo es ein Speiserohr zum Kessel zurückführt. Das Science Museum fasst das Ergebnis einfach zusammen: Maschinen mit Watts Kondensator verbrannten zwei Drittel weniger Kohle.

Die Zahlen des Modells zeigen, warum. Steht die Drossel auf ihrer Bezugsöffnung von 45 %, kommt der Dampf mit 1,14 bar absolut am Zylinder an, nur wenig über der Außenluft. Ist die andere Kolbenseite zum Kondensator mit 0,2 bar offen, leistet jeder Doppelhub etwa 80 kJ Arbeit. Würde dieselbe Maschine ins Freie bei 1,01 bar auspuffen, würde der Gegendruck den Schub nach vorn aufheben, und die Maschine bliebe stehen.

Dampf auf beiden Seiten des Kolbens

Watts erste Maschinen waren einfachwirkend wie die von Newcomen: Der Dampf drückte den Kolben hinab, und das Gewicht des Pumpengestänges zog ihn zurück. Um Maschinen gleichmäßig anzutreiben, ließ Watt im März 1782 die doppelte Wirkung patentieren. Der Dampf wirkt beim Abwärtsgang auf die Oberseite des Kolbens und beim Aufwärtsgang auf die Unterseite, und die Seite, die gerade nicht gedrückt wird, ist zum Kondensator offen.

Das Modell nutzt für die Umsteuerung einen Flachschieber. Er ist ein Messingblock mit hohler Unterseite, der über drei Kanäle im Schieberspiegel auf und ab gleitet. Der obere Kanal führt zur Oberseite des Zylinders, der untere zur Unterseite und der mittlere zum Auslass. Gibt der Schieber einen äußeren Kanal zum Dampfkasten frei, verbindet seine Höhlung den anderen äußeren Kanal mit dem Auslass.

Die Außenkanten des Schiebers sind um ein Maß breiter als die Kanäle, das man äußere Überdeckung nennt. Wegen dieser Überdeckung sperrt der Schieber den Frischdampf lange vor dem Hubende ab: im Modell bei 46 % des Abwärtshubs und 55 % des Aufwärtshubs. Die beiden Werte unterscheiden sich, weil das Balancierende auf einem Bogen schwingt und die Stangen nicht unendlich lang sind. Nach dem Absperren drückt der eingeschlossene Dampf beim Ausdehnen weiter, und das spart Dampf. Watt beschrieb diese Expansionsarbeit im selben Patent von 1782.

Aus dem schwingenden Balancier wird eine Drehung

Das obere Ende der Kolbenstange muss sich auf einer Geraden bewegen, sonst würde es die Stopfbuchse zerreißen. Das Balancierende bewegt sich jedoch auf einem Bogen. Watts Antwort von 1784 war die Parallelführung, eine Anordnung aus Stangen und einem Lenker, bei der ein Gelenk über den ganzen Hub eine nahezu gerade Linie beschreibt. Watt sagte, auf diese Erfindung sei er am stolzesten. Watts echtes Gestänge nähert eine Gerade nur an; das Modell hält den Kreuzkopf genau auf der Zylinderachse und berechnet von dort die Lage der Stangen.

Am anderen Ende des Balanciers geht eine Schubstange hinab zur Welle. Statt einer Kurbel trägt sie ein Zahnrad, das fest an der Stange sitzt und sich nicht auf ihr drehen kann. Dieses Planetenrad greift in ein gleich großes Sonnenrad auf der Schwungradwelle, und ein Bügel hält beide zusammen. Während das Planetenrad herumgeführt wird, dreht sich das Sonnenrad bei jedem Auf und Ab des Kolbens zweimal. Watt nahm es, weil, wie die Geschichte der ASME festhält, die naheliegende Kurbel bereits von jemand anderem patentiert war.

Das Schwungrad von 4,27 m trägt die Welle über die beiden Totpunkte jeder Umdrehung, an denen der Kolben am Hubende steht und die Welle nicht weiterdrehen kann.

Wie der Regler die Drehzahl hält

Eine Fabrikmaschine muss fast gleich schnell laufen, ob die angetriebenen Maschinen gerade arbeiten oder stillstehen. Der Fliehkraftregler schafft das, ohne dass jemand aufpasst. Zwei Messingkugeln hängen an Armen an einer Spindel, die von der Schwungradwelle angetrieben wird. Dreht sich die Spindel schneller, schwingen die Kugeln nach außen und oben. Das hebt eine Muffe, die über einen Winkelhebel und eine lange Stange die Drosselklappe im Dampfrohr etwas schließt. Weniger Dampf erreicht den Zylinder, und die Maschine wird langsamer. Wird sie zu langsam, sinken die Kugeln, und die Drossel öffnet.

Probieren Sie es unter „Steuerung“ aus. Bei der Auslegungslast von 30 hp pendelt sich die Maschine bei 40,3 rpm ein. Senken Sie die Last auf 10 hp, beschleunigt das Schwungrad kurz auf 42,8 rpm, dann schließt die Drossel auf etwa 8 %, und die Drehzahl stellt sich bei 42,6 rpm ein. Schalten Sie den Regler ab und tun Sie dasselbe: Die Drossel bleibt, wo sie war, und die Maschine dreht innerhalb einer Minute über 110 rpm hoch. Erhöhen Sie die Last auf 40 hp, öffnet die Drossel ganz, doch die Maschine fällt trotzdem auf etwa 29 rpm. Oberhalb von etwa 37 hp bei 40 rpm kann der Zylinder einfach nicht genug Arbeit liefern.

Ein Regler wie dieser kehrt nie ganz zur ursprünglichen Drehzahl zurück. Er braucht eine kleine Drehzahlabweichung, um die Drossel in einer neuen Stellung zu halten, daher läuft die Maschine bei geringer Last etwas schneller als bei hoher. Ingenieure nennen das Proportionalabweichung oder Statik.

Die Zahlen, nachgerechnet

Die Höhenformel des Reglers stammt vom Kegelpendel: Eine Kugel, die um eine senkrechte Achse kreist, stellt sich dort ein, wo der Zug ihres Arms nach innen die Schwerkraft ausgleicht, in einer Höhe h = g/ω² unter dem Drehpunkt, gleich welche Masse sie hat. Schneller gedreht wird h kleiner, also steigen die Kugeln. Die American Society of Mechanical Engineers (ASME) schätzt die Whitbread-Maschine nach dem Umbau auf doppelte Wirkung auf etwa 35 indizierte Pferdestärken, bei einem mittleren Nutzdruck von 10 psi und 20 bis 21 Hüben je Minute. Das Modell kommt auf dieselben Werte.

Newcomen gegen Watt an derselben Maschine

Der Reiter „Steuerung“ hat einen Schalter namens „Getrennter Kondensator“. Schalten Sie ihn ab, arbeitet das Modell wie Newcomens Maschine: Der kalte Strahl wird am Ende jedes Hubs direkt in den Zylinder gespritzt, und das Kondensatorgefäß bleibt ungenutzt. Zwei Dinge ändern sich. Das Vakuum wird schlechter, weil der Strahl gegen eine warme Zylinderwand ankämpft, daher steigt der Gegendruck im Modell von 0,2 bar auf 0,55 bar. Und die Wände kühlen bei jedem Hub ab, also muss die nächste Dampffüllung sie wieder aufheizen, bevor sie schieben kann.

Die zweite Wirkung ist die, gegen die Watt anging, und sie ist es, die Kohle kostet. Das Modell erfasst sie, indem es den an den Wänden kondensierenden Dampf zum arbeitenden Dampf hinzurechnet. Mit getrenntem Kondensator schlägt es 0,6 kg auf jedes arbeitende Kilogramm auf, was einem ummantelten Zylinder entspricht, der noch etwas Wärme verliert. Mit Einspritzung im Zylinder sind es 2 kg, sodass zwei Drittel des gesamten Dampfs für das Wiederaufheizen von Eisen draufgehen. Beide Werte sind Modellwerte, so gewählt, dass das Ergebnis nahe bei den „zwei Dritteln weniger Kohle“ des Science Museum liegt.

Die Balken im Labor zeigen das Ergebnis für dieselbe Maschine bei 40 rpm mit voll geöffneter Drossel:

Das ist 3,1-mal so viel Kohle für dieselbe Arbeit. Im laufenden Modell zeigt sich der Unterschied noch auf eine zweite Weise. Bei der Auslegungslast von 30 hp hält die Newcomen-Einstellung nicht durch: Die Drossel öffnet ganz, die Drehzahl fällt, und die Maschine bleibt stehen. Senken Sie die Last auf 15 hp, hält sie 40,6 rpm, verbrennt aber 239 kg Kohle in der Stunde gegenüber 87 kg bei der Watt-Einstellung und gleicher Last.

Kohle je Pferdestärkenstunde, nachgerechnet

Ingenieure zu Watts Zeit verglichen Maschinen danach, wie viel Arbeit sie mit einer bestimmten Menge Kohle leisteten. Das Modell rechnet dasselbe Schritt für Schritt bei Auslegungslast mit arbeitendem Regler:

Zwei dieser Zahlen sind Annahmen und keine Ergebnisse: Der Kessel des Modells macht aus jedem Kilogramm Kohle 6 kg Dampf, und die Kohle enthält 29 MJ je Kilogramm. Beides sind Modellwerte. Ändert man einen davon, verschieben sich alle Zahlen darunter in der Tabelle mit.

Die letzte Zeile lohnt langsames Lesen. Von jeweils hundert Einheiten Wärme in der Kohle kommen weniger als drei als Arbeit am Kolben an. Der Rest geht durch den Schornstein, ins kalte Wasser des Beckens und in das warme Wasser, das die Luftpumpe in den Warmwasserbehälter gibt. Im Modell liefert ein Kilogramm Kohle 0,78 MJ Arbeit am Kolben. Das reicht, um eine Tonne Wasser 80 Meter hoch zu heben, genau die Art Arbeit, für die man diese Maschinen kaufte. Bei der Newcomen-Einstellung liefert dasselbe Kilogramm 0,27 MJ.

Was eine Pferdestärke ist

Die Leistungsanzeige nennt zuerst Pferdestärken, weil Watt seine Maschinen in dieser Einheit bewertete. Eine britische Pferdestärke (hp) sind 33.000 Fuß-Pfund Arbeit in der Minute: eine Kraft von 33.000 Pfund um einen Fuß bewegt oder 330 Pfund um 100 Fuß, jede Minute. Das US-amerikanische National Institute of Standards and Technology (NIST) gibt die Umrechnung als 550 Fuß-Pfund je Sekunde an, also 745,7 Watt. Das Modell teilt durch diese Zahl, um Watt in Pferdestärken umzurechnen, daher werden 26,1 kW als 35,0 hp angezeigt.

Der Kilowattwert steht daneben, weil heute fast alles in Watt angegeben wird. In Watts eigener Einheit waren die 10 bis 15 Pferdestärken der Maschine in Sydney nach dem Umbau die Arbeit von 10 bis 15 Pferden, ohne Pause geleistet.

Den Dampf früher absperren

Watt erkannte, dass der Dampf, der schon im Zylinder ist, nach dem Schließen des Schiebers weiterarbeiten kann, und mit dem Füllungsregler können Sie das ausprobieren. Er legt fest, bis zu welchem Teil des Hubs Frischdampf einströmt. Der Schieber im Modell ist ein echter Schieber, daher ändert eine neue Füllung seine Überdeckung und seinen Voreilwinkel, und auch der Auslass öffnet an einer anderen Stelle. Ohne lineares Voreilen sperrt ein Schieber, dessen Überdeckung einen Bruchteil L seines Wegs ausmacht, bei einer Kolbenstellung von etwa cos²δ ab, wobei sin δ = L. Die 45° des Modells ergeben eine Füllung nahe dem halben Hub.

Die Expansion lohnt sich, weil der eingeschlossene Dampf umsonst weiterschiebt. Dehnt sich Dampf bei gleichbleibender Temperatur auf das doppelte Volumen aus, leistet er das 1 + ln 2 = 1,69-Fache der Arbeit, die er beim Einströmen geleistet hat. Bei vierfacher Ausdehnung ist es das 2,39-Fache. Eine kleine Füllung holt also aus jedem Kilogramm Dampf mehr Arbeit heraus.

Der Haken ist, dass eine kleine Füllung auch weniger Dampf je Hub bedeutet und damit weniger Leistung. Stellen Sie bei Watts 1,45 bar eine Füllung von 25 % ein, kann die Maschine 30 hp nicht tragen: Sie wird langsamer und bleibt stehen. Erhöhen Sie den Kesseldruck auf 2,5 bar, hält sie wieder 41,4 rpm bei nur zu 24 % offener Drossel und braucht 2,4 kg Kohle je hp·h statt 3,4. Diesen Weg gingen spätere Ingenieure. Cornwall-Pumpmaschinen der 1800er-Jahre arbeiteten mit Hochdruckdampf und sperrten ihn früh ab; stellen Sie das Modell auf 20 % Füllung bei 3,5 bar, einfachwirkend, und die Balken zeigen 1,8 kg je hp·h.

Einfachwirkend und doppeltwirkend

Der Schalter „Doppeltwirkend“ lässt Dampf unter den Kolben oder nicht. Ist er aus, bleibt die Unterseite des Kolbens immer zum Kondensator offen, wie bei Watts ersten Pumpmaschinen. Die Arbeit je Doppelhub halbiert sich, und bei voller Drossel liefert das Modell 20 hp statt 42. Bei der Auslegungslast von 30 hp läuft die einfachwirkende Maschine aus und bleibt stehen. Bei 15 hp hält sie etwa 38 rpm bei zu 84 % offener Drossel.

Den Unterschied sehen Sie auch auf der Bühne. In der einfachwirkenden Einstellung bleibt die Unterseite des Zylinders ständig hellblau, und der p-V-Punkt im Diagramm verbringt die Hälfte jedes Zyklus auf der Kondensatorlinie.

Maschinen der Geschichte

Das Verzeichnis „Maschinen der Geschichte“ umfasst 76 Maschinen, von Saverys Pumpe von 1698 bis zum heutigen Kohlekraftwerk. Du kannst nach Name, Jahr oder Ort suchen und nach Land und Verwendung filtern: Bergwerks- und Wasserpumpen, Fabriken und Mühlen, Lokomotiven und Straßenfahrzeuge, Schiffe, Stromerzeugung sowie Modelle oder Patente. Eine Auswahl bewirkt zweierlei. Sie zeigt den passenden Maschinentyp auf der Bühne, einen der sechs unten beschriebenen, und stellt die vier Werte des Watt-Modells als Stellvertreter dafür ein: den Weg des Abdampfs (Einspritzung im Zylinder, getrennter Kondensator oder Außenluft), einfach- oder doppeltwirkenden Betrieb, Füllung und Kesseldruck. Diese Einstellungen beschreiben den Maschinentyp, nicht Messwerte der einzelnen Maschine.

Die Hinweise unter dem Menü geben wieder, was Museen und Einrichtungen über jede Maschine sagen. Einige nennen eine Leistung, und die erscheint als Wert der echten Maschine: 1000 hp für die Maschine der SS Great Britain von 1843, 1400 hp für die Corliss-Maschine, die 1876 die Machinery Hall der Centennial Exhibition antrieb, und 700 hp für die Mühlenmaschine aus Burnley von 1903. Der letzte Eintrag ist gar keine Kolbenmaschine. US-Kohlekraftwerke brauchten 2024 im Mittel 10.777 Btu Brennstoff für jede erzeugte Kilowattstunde, und da eine Kilowattstunde 3412 Btu entspricht, ist das ein Wirkungsgrad von 31,7 %. Sie kochen immer noch Wasser, lassen den Dampf expandieren und kondensieren ihn, aber in Turbinen und bei weit höherem Druck und höherer Temperatur.

Die Lokomotiv-Einträge zeigen, warum Eisenbahnen ohne Kondensator auskamen. Eine Einstellung nach Art der Rocket bläst den Abdampf bei 1,01 bar ins Freie, was bei Watts Druck fast nichts übrig ließe. Bei 4,4 bar reicht der Druck, um gegen die Atmosphäre zu schieben und trotzdem Arbeit zu leisten, auf Kosten von mehr Kohle je Pferdestärke.

Sechs Maschinen auf einer Bühne

Die Tasten am unteren Bühnenrand tauschen Watts Maschine gegen fünf andere aus. Jede bewegt sich, und die Anzeige wechselt zu ihrem Druck, Wirkungsgrad, Kohleverbrauch und ihrer Drehzahl. Eine kleine Markierung hinter jeder Zahl nennt ihre Herkunft: „Quelle“ verlinkt auf die Museums- oder Denkmalbeschreibung, „Modell“ bedeutet, dass der Wert vom Modell dieser Seite für diesen Maschinentyp berechnet wurde.

Newcomen, 1712. Der oben offene Zylinder steht auf einem heuhaufenförmigen Kessel. Dampf von etwa Atmosphärendruck füllt ihn unter dem Kolben. Ein kalter Wasserstrahl aus dem Behälter an der Wand kondensiert den Dampf, und die Luft darüber drückt den Kolben hinab. Ketten an den Bogenköpfen des Balanciers halten Kolbenstange und Pumpengestänge in geradliniger Auf-und-ab-Bewegung. John Lienhard von der University of Houston beziffert den Wirkungsgrad der ersten Newcomen-Maschinen auf etwa ein Drittelprozent. Mit 1 kg Kohle zu 29 MJ leisteten sie also etwa 0.1 MJ Arbeit. Die Old Sarah des Science Museum, eine atmosphärische Maschine nahe Wakefield, pumpte noch 1917 aus 330 ft Tiefe mit etwa 5 Hüben pro Minute.

Watt, 1785. Die Maschine, um die es auf dem Rest dieser Seite geht. Ihre Modellwerte mit getrenntem Kondensator bei 1.45 bar sind 2.8% Wirkungsgrad und 3.3 kg Kohle je Pferdestärkenstunde.

Trevithick, 1805. Die Maschine von Hazledine and Co. im Science Museum arbeitete bei etwa 50 psi über Atmosphärendruck (4.46 bar absolut) und leistete 3 hp. Der Zylinder ist in den Kessel eingelassen, damit der Dampf heiß ankommt. Der Abdampf strömt durch den Schornstein aus; Kondensator und Balancier entfallen. Das Modell ergibt 2.3% Wirkungsgrad: Der hohe Druck gleicht den größten Teil der Verluste durch das Ausblasen bei Atmosphärendruck aus, bei einer wesentlich kleineren Maschine.

Rocket, 1829. Stephensons Lokomotive verband laut Science Museum Group den Vielrohrkessel mit dem Blasrohr. Der Abdampf der beiden geneigten Zylinder schießt durch den Schornstein und zieht die heißen Feuergase durch die Rohre. Je stärker die Maschine arbeitet, desto heißer brennt das Feuer. Bei demselben hohen Druck ohne Kondensator ergibt das Modell 2.2%.

Dreifachexpansion, 1894. Der Dampf durchströmt drei immer größere Zylinder. Jeder arbeitet mit dem Dampf, den der vorherige bereits expandiert hat. Die Leavitt-Pumpmaschine in Chestnut Hill in Boston, ein von der ASME anerkanntes Technikdenkmal, lief im Versuch bei 175.7 psi (13.1 bar absolut) und 50.6 rpm. Sie verbrauchte 1.146 lb Kohle je Pferdestärkenstunde. Das sind 0.52 kg und bei 29 MJ je kg ein Wirkungsgrad von 17.8%, sechsmal so viel wie Watts Modellmaschine. Die ASME-Broschüre gibt für die Maschine allein, am Dampf gemessen, 20.8% an. Liberty-Schiffe des Zweiten Weltkriegs wie die SS Jeremiah O’Brien nutzten noch Dreifachexpansionsmaschinen mit 2,500 hp.

Parsons-Turbine, 1884. Hier gibt es keinen Kolben. Im Modell tritt der Dampf in der Gehäusemitte ein und expandiert durch Reihen von Laufschaufeln am Rotor und Leitschaufeln am Gehäuse. So dreht er die Welle direkt. Die Science Museum Group nennt für Parsons’ erste Turbine eine für Dynamos passende Drehzahl von 18,000 rpm, aber keinen Wirkungsgrad; die Anzeige weist darauf hin. 1892 erreichten drei 100-kW-Parsons-Turbinen mit Kondensatoren in Cambridge im Versuch den Wirkungsgrad der besten gleich großen Kolbenmaschinen. Zum Vergleich zeigt die Anzeige ein heutiges Kohlekraftwerk mit 31.7%.

Ein Kilogramm Kohle, Maschine für Maschine

Im Wirkungsgradvergleich unter den Bedienfeldern verbrennt jede Maschine 1 kg Kohle und hebt Wasser 10 m hoch. Ein Kilogramm um 10 m zu heben braucht 9.81 × 10 = 98.1 J. Da 1 kg Kohle 29 MJ enthält, beträgt die gehobene Wassermasse 29,000,000 × Wirkungsgrad ÷ 98.1 kg.

Zwei Zeilen sind aus Kohleverbrauchswerten berechnet. Die Balanciermaschine von Peel, Williams and Peel aus dem Jahr 1846 verbrannte etwa 6 lb Kohle je Pferdestärkenstunde. Das entspricht 2.72 kg und 3.4%. Die 1.146 lb der Leavitt-Maschine sind 0.52 kg und 17.8%. Die 11% der Cornischen Maschine sind der von der ASME genannte Gesamtwirkungsgrad einer 80-inch-Maschine in Cornwall von 1835. Dieselbe Broschüre sagt, dass Cornische Maschinen der 1830er-Jahre je Tonne Kohle vier- bis fünfmal so viel Wasser förderten wie die besten Watt-Maschinen. Für Smeatons Maschine von Long Benton errechnet der ASEE-Beitrag aus einer Förderarbeit von 9.45 Millionen Fuß-Pfund je Bushel Kohle etwa 1.4% Wirkungsgrad. Von der ersten Newcomen-Maschine bis zum heutigen Kraftwerk hebt dieselbe Kohlemenge 96-mal so viel Wasser.

Die Balken verwenden eine logarithmische Skala, bei der jeder Achsenschritt das Zehnfache des vorigen bedeutet. Auf einer linearen Skala wäre Newcomens Balken kaum zu sehen. Das Diagramm unter dem Vergleich ordnet dieselben neun Maschinen auf einer Zeitachse an.

Aufgaben und Sicherheitsventil

Sieben Aufgaben unter den Bedienfeldern lassen dich jeweils eine Eigenschaft der Maschinen erproben. Drei brauchen das Watt-Modell: dreimal Newcomens Arbeit bei gleicher Kohlemenge, 40 rpm unter 60 hp Last und über 4% Wirkungsgrad durch frühere Absperrung und höheren Kesseldruck. Bei 1.45 bar fällt das Modell bei etwa 37 hp unter 38 rpm und steht spätestens bei 50 hp still. Für die Lastaufgabe muss der Kesseldruck also zuerst auf mindestens 2.5 bar steigen. Die vierte Aufgabe nutzt das Sicherheitsventil, einen gewichtsbelasteten Hebel oben auf dem Kessel. Der Wagenkessel des Modells ist auf 3.5 bar begrenzt, einen von uns gewählten Wert für einen Niederdruckkessel dieser Form. Stellst du bei eingeschaltetem Ventil einen höheren Druck ein, hebt sich der Hebel und lässt Dampf ab. Die Maschine arbeitet so bei 3.5 bar weiter. Schaltest du das Ventil aus, warnt die Anzeige vor der Gefahr für den Kessel.

Manometer und Rauch

Zwei Zifferblätter am Modell zeigen die Drücke, auf die der Maschinist achtete. Das Dampfmanometer am Rohr neben dem Zylinder misst den Schieberkasten hinter der Drossel, deshalb fällt sein Zeiger, wenn der Regler die Drossel schließt. Das Vakuummeter am Kondensator zeigt 0,2 bar mit Watts Kondensator und 0,55 bar bei der Newcomen-Einstellung. Der Rauch aus dem Schornstein folgt der Kohle, die das Modell verbrennt: Er wird dichter, wenn Sie die Last erhöhen oder eine verschwenderische Einstellung wählen.

Die Druck-Volumen-Schleife lesen

Folgen Sie dem roten Punkt im Uhrzeigersinn. Die flache Oberkante ist der Einlass, wenn die Zylinderoberseite zum Dampfkasten offen ist. Die Kurve, die davon abfällt, ist die Expansion nach dem Absperren, bei der der Druck sinkt, während das Volumen wächst. Bei 84 % des Hubs öffnet der Schieber die Oberseite zum Auslass, und der Druck fällt auf die Kondensatorlinie. Beim Rückhub schließt der Schieber den Auslass, bevor der Kolben oben ankommt, sodass der letzte Dampf in den schädlichen Raum gedrückt wird und den Kolben abfedert. Die Fläche innerhalb der Schleife ist die Arbeit, die auf dieser Kolbenseite in einem Zyklus geleistet wird.

Senken Sie die Last und sehen Sie zu, wie die Schleife schrumpft. Der Regler schließt die Drossel, der Druck im Dampfkasten fällt, und die flache Oberkante der Schleife rutscht nach unten. Das nennt man Drosselregelung: Die Maschine sperrt immer an derselben Stelle ab, arbeitet aber mit dünnerem Dampf.

Wo das Modell von den echten Maschinen abweicht

Die Maschine von 1785 lässt den Dampf durch Ventile ein, nicht durch einen Schieber. Wir haben einen Schieber verwendet, weil ein einziges bewegtes Teil alle Steuervorgänge zeigt. Die echte Schubstange ist 5,5 m lang, länger als die 4 m des Modells, und der Balancier der Whitbread-Maschine wurde Jahre nach dem Bau durch einen gusseisernen ersetzt, während unserer aus Eiche ist. Der Kesseldruck ist unsere eigene Wahl: 1,45 bar absolut, damit der Schieberkasten nach Rohr und Drossel knapp über dem Atmosphärendruck liegt, nahe an den 3 psi über Atmosphärendruck, die die ASME annimmt. Auch das Schwungrad ist leichter als ein echtes, damit sich eine Laständerung in Sekunden statt Minuten einpendelt.

Vom Kondensatormodell zur Lap-Maschine

Watt baute sein Kondensatormodell 1765 und erhielt das Patent 1769. Nachdem er sich mit Matthew Boulton zusammengetan hatte, wurde das Patent 1776 umgesetzt, in einer Grubenpumpmaschine und einer Gebläsemaschine für ein Eisenwerk. Die ASME schreibt, sie hätten ein Drittel des damals üblichen Brennstoffs verbraucht. Danach kam die Drehbewegung: Watts Patent für die „Kreisbewegung um eine Achse“, zu dem das Planetengetriebe gehörte, ist auf den 25. Oktober 1781 datiert. Doppelte Wirkung und Expansionsarbeit folgten im März 1782, die Parallelführung im August 1784.

Die Maschine der Whitbread-Brauerei in Sydney wurde 1785 aufgestellt, vielleicht die sechste rotierende Maschine der Firma, und arbeitete 102 Jahre lang bis 1887. Das Powerhouse Museum schreibt, sie sei umgebaut worden, um ihre Leistung von 10 auf 15 Pferdestärken zu heben, und ihr Regler sei in den 1790er-Jahren hinzugekommen. Die Lap-Maschine von 1788, heute im Science Museum in London, trieb 70 Jahre lang die Polierscheiben in Boultons Soho Manufactory an. Die ASME führt sie als erste Maschine mit Fliehkraftregler. Watt bewertete sie mit 10 Pferdestärken, und eine Prüfung im Jahr 1858 maß 13,75. Insgesamt bauten Boulton und Watt etwa 500 Maschinen, rund 60 % davon rotierende.