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Jun 21, 2023

Kolumne: Erste Dampfmaschinenkonstruktionen für den Bergbau

13. Mai 2023 Als Thomas Savery ein britisches Patent für seine Dampfmaschine erhielt

13. Mai 2023

Als Thomas Savery 1689 ein britisches Patent für seine Dampfmaschine erhielt, war diese nicht ausschließlich seine Erfindung. Vielen Historikern zufolge basierte Savery bei seinem Entwurf auf einer früheren Idee von Edward Somerset, Second Marquee of Worcester. Nach Angaben des Royal Collection Trust war Somersets Idee, die er als „wasserbeherrschende Maschine“ bezeichnete, ein Vorläufer der Dampfmaschine. Der Trust gibt an, dass es sich um eine hydraulische Maschine handelte, die aus dem Lauf einer Kanone gebaut war, und Worcester hoffte, dass dies der Fall sein könnte Wird in der Landwirtschaft verwendet, um die Bewässerung zu beschleunigen.

Savery entwarf seinen Motor nicht zur Bewässerung, sondern zum Pumpen von Wasser aus einem Bergwerk in Cornwall.

Es liegt eine Ironie darin, dass Saverys Maschine, die er für Minen konstruierte, nicht zum Auspumpen von Minen verwendet wurde, seine Dampfpumpe jedoch für die Wasserversorgung von Landgütern und Landhäusern nützlich war und bei den Minenbesitzern kein Interesse fand, so das American Physical Society, in ihrem Juli 2018, Bd. 27, Ausgabe Nummer 7 von APS News. Der Artikel „2. Juli 1698: Thomas Savery patentiert eine frühe Dampfmaschine“

In dem Artikel „Steam Engine“ des Online-Wissenschaftsmagazins Economic Historian vom 31. Juli 2022 heißt es, dass Saverys Maschine dazu gedacht war, mit Feuer Wasser aus Minen zu pumpen. Es funktionierte, indem ein Tank mit Dampf gefüllt und anschließend der Tank von der Dampfquelle isoliert wurde. Als die Temperatur im dampfgefüllten Tank aufgrund der Isolierung sank, kondensierte der Dampf und es entstand ein Vakuum im Tank. Das Vakuum entstand durch den Volumenunterschied zwischen der flüssigen und der gasförmigen Phase von Wasser. Wasser aus den Minen strömte herein, um das Vakuum zu füllen, und obwohl das Vakuumsystem erfolgreich war, konnte es nur in geringen Tiefen effizient arbeiten. Das in den Tank gesaugte Wasser wurde dann mithilfe von Dampfdruck ausgestoßen oder in eine Höhe von bis zu 80 Fuß gedrückt.

Laut APS News hatte der Motor mehrere Mängel. Es war nicht effizient zum Heben von Wasser, teilweise weil es noch keine Technologie gab, um dicht dichte Verbindungen herzustellen. Alle Teile wurden aus Messing, Kupfer und Bronze hergestellt, aus Guss- oder Formteilen zusammengesetzt und dann zusammengelötet oder genietet. Die mangelhafte Abdichtung führte dazu, dass die Motoren explodieren konnten. Außerdem verbrauchte es zu viel Treibstoff, um es für Bergbauanwendungen wirtschaftlich zu machen.

Thomas Newcomen war ein Schmied (Eisenhändler), den Savery anheuerte, um seinen eigenen Motor zu schmieden. Laut NPS erlaubte Savery Newcomen, eine Kopie der Maschine für seine eigenen Hinterhofforschungen zu fälschen. Im Jahr 1712 baute Newcomen seine eigene Dampfmaschine nach Saverys Entwurf, aber Newcomens atmosphärische Dampfmaschine war der von Savery weit überlegen, sagt NPS. Der Motor von Newcomen zeigte eine erheblich verbesserte Leistung, erhebliche mechanische Unterschiede, benötigte keinen Dampfdruck und nutzte das Vakuum anders.

Der Newcomen-Motor nutzte einen Kolben, der in einem oben offenen Zylinder arbeitete, so das National Museums Scotland, das einen originalen Newcomen-Motor beherbergt. Der Kolben war über Ketten mit einem Schaukelbalken verbunden. Am anderen Ende war der Balken über eine Stange mit den Pumpen im Bergwerk verbunden. Beim Aufwärtshub wird der Zylinder mit Dampf aus dem Kessel gefüllt und dann wird kaltes Wasser in den Zylinder eingespritzt, um den Dampf wieder in Wasser umzuwandeln und ein Vakuum zu erzeugen (wenn sich Wasser in Dampf verwandelt, dehnt es sich um das 1.500-fache aus, also ein enthaltenes Volumen von Dampf erzeugt, wenn er wieder zu Wasser kondensiert, ein Vakuum. Das Vakuum zog dann den Kolben nach unten und hob über den Schaukelbalken den Kolben in der Wasserpumpe an.

Die Verwendung eines Kipphebels in Newcomens Triebwerk führte dazu, dass das Triebwerk später als Strahltriebwerk bezeichnet wurde.

Wie der Wirtschaftshistoriker betont, bestand der größte Fehler des Newcomen-Motors darin, dass er bei jedem Heiz- und Kühlhub übermäßig viel Dampf verbrauchte, um den Kolben wieder aufzuheizen. Für die damalige Zeit war es jedoch das beste verfügbare Design.

Die nächste Entwicklung – und sie war bedeutend – kam von einem Instrumentenbauer aus Schottland namens James Watt. Watt hat keine Dampfmaschine erfunden; er hatte einen Dampfkondensator erfunden. Er untersuchte einen von Newcomens Motoren, den er reparieren sollte, erkannte dessen Mängel und verbesserte sie mithilfe seiner eigenen Erfindung. Es revolutionierte die Dampfanwendung.

Als der Dampf in Newcomens Motor wieder zu Wasser kondensierte, kühlte es auch den Zylinder. Da der Zylinder ständig nachgeheizt werden musste, verbrauchte er übermäßig viel Kohle.

Während er seine frisch reparierte Dampfmaschine testete, stellte der Autor Nicholas Hatch in seinem wissenschaftlichen Artikel „James Watt's Steam Engine and the Start of the Industrial Revolution“ (veröffentlicht auf der Website von StMU Research Scholars) fest, dass mehr als ein Viertel der Der vom Motor erzeugte Dampf wurde freigesetzt und verschwendet, was dazu führte, dass er beim Einsatz im Arbeitsfeld ineffizient war.

Eine von Watts patentierten Erfindungen, der Kondensator, würde diese Ineffizienz schließlich beseitigen.

Ben Russell erklärte in seinem Artikel „James Watt und der separate Kondensator“ im Science Museum vom Januar 2019: „Der separate Kondensator löste das grundlegende Problem des Motors, dass der Dampfzylinder für maximale Kraftstoffeffizienz so heiß wie möglich bleiben musste, während für …“ Um eine maximale thermische Effizienz zu erreichen, sollte einmal pro Arbeitszyklus gekühlt werden.

Durch die Kondensation des Dampfes in einem separaten, permanent gekühlten Kondensator wurden sowohl der Kraftstoffverbrauch als auch die effiziente Wärmenutzung maximiert, erklärt Russell. Dampfmaschinen mit Watt-Kondensator verbrannten zwei Drittel weniger Kohle, sodass sie nicht nur in Bergwerken, sondern auch in Fabriken, Mühlen, Werkstätten und überall dort, wo Strom benötigt wurde, eingesetzt werden konnten. Russell gibt an, dass das Kondensatorpatent von Watts aus dem Jahr 1769 heute als eines der bedeutendsten Patente gilt, die jemals im Vereinigten Königreich erteilt wurden.

Der Motor erfreute sich nicht nur im Bergbau großer Beliebtheit, man erkannte auch schnell, dass er auch für andere Zwecke eingesetzt werden konnte. Um 1800 gab es in Fabriken und Bergwerken in ganz Großbritannien, einschließlich Cornwall, über 500-Watt-Motoren.

Ab Mitte des 19. Jahrhunderts importierten eingewanderte Bergleute und Ingenieure aus Cornwall kornische und britische Technologie in die Kupferregion Lake Superior. Das Mining Magazine schrieb 1853 in einer Diskussion über die Cliff Mine in der Nähe von Keweenaw Point:

„Die Arbeit des Pumpens der Mine und des Hebens von Erz und Gestein wird von einer Dampfmaschine ausgeführt, während eine andere große Hebelbalkenmaschine von aufrechter Form und großer Leistung die Stempelarbeit übernimmt. Die Stempel in dieser Mine tragen Vierundzwanzig Köpfe, und sie sind die vollkommensten und effizientesten am Lake Superior.

In derselben Veröffentlichung wurde 1856 der Jahresbericht des Vertreters der National Mining Company veröffentlicht, in dem vorgeschlagen wurde, den Betrieb einer Strahlmaschine in Cornwall zu ändern:

„Es steht fast außer Zweifel, dass es sich bei einem 40-Zoll-Zylinder und einem Hub von 12 Fuß um einen einfach umgedrehten Cornish-Motor handelt, bei dem der Zylinder auf einer starken Sohlenplatte über der Mündung der Welle ruht und die Kolbenstange direkt befestigt ist Die Luftpumpe hat einen kleinen Durchmesser und die gleiche Hublänge wie der Motor, wodurch der schwerfällige Balken, die parallele Bewegung und das schwere Mauerwerk des Zylindersockels, der Hebelwand und des Motors entfallen Haus und die Erzielung jeder gewünschten Hublänge durch bloße Verlängerung des Zylinders und der Kolbenstange, wodurch die Effizienz der Pumpen erhöht wird und kleinere Pumpen die gleiche Arbeit leisten können.

Der Bericht beschrieb weiterhin in sehr technischen Begriffen das Vakuumsystem, das beim Betrieb des Motors eingesetzt wird. Vereinfacht auf „Laien“-Begriffe beschrieb der Agent die Anwendung von Schieberventilen.

In Cornwall war man ständig bestrebt, die Effizienz der Dampfmaschinen zu verbessern, da die Motoren notwendig waren, um Wasser aus den Tiefen der Minen fernzuhalten. Aufgrund der hohen Kosten für Kohle, die in Zechen in Wales gekauft und auf dem Seeweg verschifft wurde, musste die Effizienz der Motoren verbessert werden, um wirtschaftlich zu sein.

Die Minen im Lake Superior-Distrikt standen vor dem gleichen Problem, da die Kupferminen von Michigan ihre Kohle hauptsächlich aus Pennsylvania bezogen, was auch eine Fernschifffahrt erforderte.

Nächste Woche werden wir unseren Vortrag über die Auswirkungen der Dampfkraft auf die Minen am Lake Superior und ihre ähnlichen Herausforderungen mit den Minen in Cornwall fortsetzen.

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