Die Entstehungsgeschichte des separaten Kondensators

Vorgeschichte

Der erste industrielle Einsatz einer Dampfmaschine ist für das Jahr 1712 belegt. Dieser Maschinentyp, entweder nach seinem Erfinder Newcomen-Maschine oder nach der Wirkungsweise atmosphärische Dampfmaschine benannt, löste zwar das drängende Problem etlicher Kohleminen, indem die Schächte nun entwässert werden konnten, hatte allerdings den Nachteil eines sehr schlechten Wirkungsgrades (unter 1 %). Dort, wo Kohlen (oder gelegentlich auch Holz) verfügbar waren, wurde die Maschine dennoch zunehmend eingesetzt. Sie war im Aufbau vergleichsweise einfach und konnte von Maurern, Zimmerleuten und Schmieden unter Anleitung eines »Engineers« errichtet werden.

James Watt (1736-1819) hatte ab Mitte 1755 ein knappes Jahr eine Lehre bei einem Instrumentenmacher in London gemacht. Geldnot und gesundheitliche Probleme zwangen ihn zur Rückkehr ins Elternhaus nach Greenock. Er hatte dann die Möglichkeit, in Glasgow bei der Pflege und Aufarbeitung mathematischer Instrumente zu helfen, die der Universität vermacht worden waren ¹.

Nach eigener Aussage stellte er 1761 oder 1762 erstmals Versuche in Sachen Dampf an. Dabei benutzte er einen Papin’schen Topf (einen Vorläufer unseres heutigen Schnellkochtopfes), um die Kraft des Dampfes zu bestimmen. Watt schrieb später ^{2 3}:

Beruflich bedingt konnte ich mich erst im Winter 1763-4 wieder mit dem Thema befassen, als ich die Gelegenheit erhielt, das Modell einer Newcomen Maschine zu reparieren, welches der “Natural Philosophy class” der Universität von Glasgow gehörte. In dieser Zeit stammten meine Kenntnisse hauptsächlich von Desaguliers und zum Teil von Belidor. Ich reparierte das Modell mechanisch. Damit fertig, musste ich erstaunt feststellen, dass der Kessel, obwohl scheinbar durchaus groß genug, das Modell nicht mit genügend Dampf versorgen konnte. Die Maschine machte einige Hübe, benötigte dabei eine enorme Menge an Einspritzwasser, obwohl die Last durch die Wassersäule der Pumpe nur gering war …

{#fig:DetKon-1 height=10cm}

Das Modell (siehe Bild @fig:DetKon-1), lt. Law im Maßstab 1:24 ⁴, machte die Defizite der großen Vorbilder deutlich. Auf der Suche nach Erklärungen stellte Watt systematische Versuche an und bestimmte so z.B. das Volumen, welches eine gegebene Menge Wasser bei vollständiger Verdampfung einnahm. Er fand 1:1800, ein Wert, der vergleichsweise dicht beim heutigen Wert von 1:1673 liegt (Aus 1 l Wasser entstehen bei Normalbedingungen 1673 l Wasserdampf).

Letztlich stellte Watt fest ⁵:

Bei weiterem Überlegen erkannte ich, dass der Dampf dann am besten genutzt wird, wenn zum einen der Zylinder immer so heiss gehalten wird wie der einströmende Dampf und zum anderen, dass beim Kondensieren des Dampfes das entstehende Kondensat wie auch das Einspritzwasser selbst möglichst immer auf weniger als 100 °C abzukühlen seien.

Wie allerdings dies zu bewerkstelligen sei, erschloß sich mir zunächst nicht.

Der erste separate Kondensator

1765 kam Watt der entscheidende Einfall. Robert Hart, ein Ingenieur aus Glasgow, gab 1859 ein Gespräch mit James Watt wieder. 1813 oder 1814, so berichtete Hart, habe der ihm von einem Sonntagsspaziergang am Nordufer des Clyde berichtet ⁶:

Ich dachte über die Maschine nach … und war bis Herd’s Haus gekommen, als mich der Gedanke durchfuhr, dass Dampf als ein elastischer Körper in ein Vakuum eindringen würde und wenn man eine Verbindung zwischen dem Zylinder und einem leeren Gefäß schaffte, so würde der Dampf in das Gefäß eindringen und könnte dort kondensiert werden ohne den Zylinder abzukühlen.

Bei Law findet sich eine direkte Darstellung aus der Feder Watts. Diese klingt wie so oft in den Briefen Watt’s sehr sachlich ⁷:

In den ersten Monaten des Jahres 1765 kam mir die Idee, dass wenn man eine Verbindung herstellte zwischen einem dampfgefüllten Zylinder und einem weiteren Gefäß, welches luftleer und frei von anderen Flüssigkeiten wäre, der Dampf als elastischer Stoff sofort in das leere Gefäß eindringen würde und dies solange tun würde, bis es ein Gleichgewicht gäbe und wenn das Gefäß z.B. durch das Einspritzen von Wasser gekühlt würde, weiterer Dampf in das Gefäß strömen würde bis aller Dampf kondensiert worden wäre.

Aber wie war es zu bewerkstelligen, aus dem weitgehend leeren Zylinder und dem ebenso leeren Gefäß das Einspritzwasser, die mit eindringende Luft und den kondensierten Dampf zu entfernen ? Mir schien, dass es dazu zwei Möglichkeiten gäbe. Zum einen, in dem man am zweiten Gefäß ein nach unten zeigendes Rohr mit mehr als 10 m Länge anbringt, durch das das Wasser entweicht (eine Wassersäule dieser Länge entspricht dem Atmosphärendruck) sowie ferner die Luft durch eine Pumpe absaugt.

Die zweite Möglichkeit bestand darin, eine oder mehrere Pumpen einzusetzen, mit denen sowohl Luft als auch Wasser abzusaugen wären. Dies schien mir immer möglich und dort, wo kein Brunnen oder Schacht zur Verfügung stand auch die einzig mögliche Lösung.

Letztere Methode zog ich vor und sie habe ich seitdem genutzt.

Damit ist das Prinzip des Kondensators erstmalig in der Technikgeschichte formuliert. Watt spricht hier noch von »Gefäß«, später dann immer von »condenser«, also dem Kondensator.

Nun musste Watt seine Idee durch einen Versuch überprüfen. Sofort wurde klar, dass der Zylinder einen Deckel erhalten musste und die Kolbenstange eine Stopfbuchse - beides neue Elemente an einer Dampfmaschine. Auch an eine Isolation des Zylinders dachte Watt. Den Zylinder fertigte er aus einer großen Spritze, wie sie von Anatomen benutzt wurde. Watt beschrieb dann den Aufbau, wie er in Bild @fig:DetKon-2 skizziert ist.

{#fig:DetKon-2 height=8cm}

Dieses Bild findet sich u.a. in dem 1886 erschienen Werk von Robert H. Thurston »A History of the Growth of the Steam-Engine«. Es zeigt den Kondensator G, die nasse Luftpumpe K, den Zylinder C, den Kolben D mit hohlgebohrter Kolbenstange, das Belastungsgewicht E und den Kessel A. Der Dampf aus dem Kessel wird über Rohrleitungen beiden Enden des Zylinders zugeführt, Hähne dienen zum Öffnen bzw. Schliessen. Ein dritter Hahn F stellt die Verbindung zum Kondensator her.

Für die Beschreibung des Ablaufes möchte ich James Watt zitieren ⁸:

Nach Anheizen des Kessels wurde der Dampf in den Zylinder geleitet. Sobald dieser aus der Bohrung der Kolbenstange sowie aus dem Hahn am Kondensator austrat, konnte man annehmen, das die Luft verdrängt war. Dann wurde der Dampfhahn geschlossen. Die Luftpumpe wurde nach oben gezogen, wodurch in den kleinen Rohren des Kondensators ein gewisser Unterdruck entstand und der Dampf einströmte und kondensierte. Der Kolben stieg unverzüglich hoch und hob dabei ein Gewicht von etwa 8 kg an. Der Abdampfhahn wurde geschlossen, erneut wurde dem Zylinder Dampf zugeführt und der Ablauf wiederholt.

Die verbrauchte Menge an Dampf und die gehobenen Gewichte wurden notiert. Abgesehen von der fehlenden … Zylinderisolation war die Erfindung bezüglich der Einsparungen im Verbrauch von Dampf und Brennstoff vollständig.

So sachlich Watt in diesem Zitat berichtet, so wird in einem anderen Bericht doch deutlich, dass er sich der Bedeutung seiner Erfindung wohl sehr bewußt war. Der Autor John Robison hatte in Glasgow studiert. Nur drei Jahre jünger als Watt trafen beide sich häufig. Robison berichtet ⁹:

Ich trat in Watt’s Stube und fand ihn vorm Feuer sitzend, mit einem kleinen Gefäß aus Zinn auf den Knien, welches er betrachtete. Ich begann über das Thema zu sprechen, über welches wir bei unserem letzten Treffen geplaudert hatten - es ging um Dampf. Watt starrte weiter ins Feuer und legte das Gefäß neben seinen Stuhl. Letztlich blickte er mich an an und sagte rasch: »Du mußt Dich damit nicht mehr aufhalten - ich habe nun eine Maschine gemacht, die kein bischen Dampf mehr verschwendet. Sie wird kochend heiß sein und warmes Einspritzwasser benutzen !« Bei diesen Worten schaute er das kleine Ding zu seinen Füssen zufrieden an und schob es unter einen Tisch, als er merkte, dass ich ihn beobachtete. Ich frug nach der Art seiner Maschine. Er antwortete nur sparsam.

Damit war (vermutlich im Mai des Jahre 1765) die Idee durch ein Experiment abgesichert. Watt beließ es nicht bei diesem ersten Versuchsaufbau, sondern experimentierte weiter. Schnell kam es auch zu ersten Rückschlägen.

Das erste Patent Watts

Watt muß ab 1765 unter einem sehr hohen Druck gestanden haben. Er dürfte rasch erkannt haben, dass trotz des so erfolgreichen ersten Versuchsaufbaus der Weg zu einer selbsttätig arbeitenden Maschine noch weit war. Erst nachdem er den Unternehmer Doctor John Roebuck (1718-1794) mit einem Anteil von 2/3 an den zu erwartenden Gewinnen beteiligt hatte und dieser Watt’s Schulden beglich sowie weitere Experimente finanzierte, gelang es am 5. Januar 1769, ein erstes Patent zu erhalten. Dieses galt für nur 14 Jahre und nicht für Schottland.

Unter der Überschrift »Watt’s Method of Lessening the Consumption of Steam & Fuel in Fire Engines« beschreibt Watt seine Ideen in 6 Punkten. Die ersten drei davon gebe ich hier in meiner Übersetzung wieder:

1. Der Zylinder muß beim Betrieb der Maschine immer so heiß wie möglich sein. Wörtlich heißt es: »… so heiß wie der eintretende Dampf …«. Dies soll durch Isolation z.B. mit Holz oder durch einen Mantel z.B. aus Dampf erreicht werden. Der Zylinder soll mit nichts in Kontakt kommen, was kälter als der Dampf ist.

2. Bei Maschinen, die ganz oder zum Teil mittels Kondensation des Dampfes betrieben werden, muß die Kondensation in Gefäßen, welche vom Zylinder getrennt sind, erfolgen. »Diese Gefäße nenne ich Kondensatoren«. Ein Kondensator steht zeitweilig mit dem Zylinder in Verbindung und sollte so kalt als irgendmöglich gehalten werden, z.B. durch Kühlung mit Wasser.

3. Luft oder Kondenswasser müssen mit Hilfe von Pumpen aus Zylinder und Kondensator entfernt werden. Diese können durch die Maschine selbst angetrieben werden.

Die erste Watt’sche Maschine für einen Kunden

Als Dr. Roebuck mit anderen Unternehmungen scheiterte und in finanzielle Schwierigkeiten geriet, kam auch die Arbeit Watt’s zum Erliegen. Er musste als Landvermesser arbeiten, um den Lebensunterhalt seiner Familie zu verdienen. 1773 starb seine Frau. Dickinson schreibt ¹⁰:

In den ganzen neun Jahren von der Erfindung des separaten Kondensators bis zu seiner Ankunft in Birmingham gab es nur drei Jahre von 1765-6 und 1768-70, in denen Watt seine Erfindung weiterverfolgen konnte, wobei es allerdings auch in dieser Zeit Unterbrechungen gab. Letztlich wurde die Konstruktion radikal geändert und nahm die Gestalt der frühen Balanciermaschinen an, war aber kein wirklicher Erfolg.

Die Dinge wandten sich erst zum Guten, als Matthew Boulton John Roebuck als Partner Watt’s ablöste. Boulton war ein erfolgreicher Unternehmer aus Birmingham, der lt. Jennifer Tann 1 Mio. GBP nach heutigem Wert einbrachte. Auch menschlich scheinen Boulton und Watt gut harmoniert zu haben. Watt zog 1774 nach Birmingham und arbeitete nun ungestört und intensiv an seiner Maschine.

Die ersten Maschinen Watt’s wurden für interne Zwecke in Boulton’s Fabrik genutzt. Im März 1776 wurde dann eine erste Pumpmaschine für einen Kunden in Betrieb genommen. Die Zeche lag nicht weit von Birmingham entfernt. Es gibt einen Zeitungsbericht über das Ereignis. Dort heisst es u.a. ¹¹:

Die Maschine betreibt eine Pumpe von 37 cm Durchmesser, die bis zu einer Tiefe von 90 oder sogar 110 m arbeiten kann. Sie braucht dabei nur ein Viertel des Brennstoffes, der für eine »Common Engine« [also eine Newcomen-Maschine] nötig wäre, um die gleiche Leistung zu erzielen. Der Zylinder hat einen Durchmesser von 1,27 m, der Hub beträgt 2,13 m.

Watt’s erster separater Kondensator - wiedergefunden auf der Werkbank

Man stelle sich vor, die Werkbank eines Mechanikers würde heute abgeschlossen und in 100 Jahren wieder zugänglich. Ziemlich genau das ist mit Watt’s Werkstatt geschehen. Nachdem er sich ab ca. 1793 zunehmend aus dem aktuellen Geschäftsbetrieb zurück gezogen hatte, richtete Watt auf seinem Landsitz eine Werkstatt ein. Diese blieb nach seinem Tode 1819 verschlossen. Letztlich wurde die Werkstatt 1924 in das Science Museum in London überführt. Dort entdeckte Rodney Law, ein Kurator des Museums, in den 1960er Jahren ein Objekt auf einer Werkbank, welches er als den ersten separaten Kondensator erkannte.

Der Kondensator und der Kesselbau im 18. Jahrhundert

In schriftlichen Anweisungen zur Aufstellung und zum Betrieb ihrer Maschinen, die die Firma Boulton & Watt herausgab, findet sich zum Kesseldruck ¹²:

Das Dampf-Manometer ist ein ähnliches Instrument, in dem der Dampf entsprechend seinem Druck eine Quecksilbersäule hochdrückt. Wenn eine Maschine wenig belastet ist, sollte der Dampf das Quecksilber 25 mm hochdrücken, unter Vollast jedoch nicht mehr als 50 mm.

25 Millimeter-Quecksilbersäule entspricht einem Überdruck von 0,0333 bar, 50 mmHg 0,0666 bar (kleine temperaturabhängige Abweichungen lasse ich unberücksichtigt). Diese Werte machen überdeutlich, dass die eigentliche Leistung dieser frühen Maschinen durch das Teilvakuum des Kondensators entstand.

Boulton & Watt warnen dann noch einmal ausdrücklich:

Es ist nie ratsam mit starkem Dampf zu arbeiten, wenn sich dies vermeiden läßt, weil dadurch die Leckagen des Kessels und aller Verbindungen vermehrt werden, und dies nicht gut enden wird.

Mit vielen kleinen Verbesserungen im Kesselbau (homogenere und größere Kesselbleche, gebohrten statt durchgeschlagenen Nietlöchern um nur zwei zu nennen) stieg die Leistungsfähigkeit der Kessel allmählich. Für die heute ehrenamtlich betriebenen Maschinen in Crofton geben die Betreiber einige Zahlenwerte an. Das Vakuum des Kondensators wird mit -0,85 bar beziffert, der Kesseldruck mit 1,38 bar, wobei sie davon ausgehen, dass letztlich nur 0,62 bar auf den Zylinder einwirken. Wörtlich heisst es dann weiter ¹³:

Wenn diese Maschinen angefahren werden, dann merkt der Maschinist sehr deutlich, wenn sich das Vakuum ausbildet, da die Maschinen dann erst »lebendig« werden.

Weitere Entwicklung

Die Dampfmaschine ist immer wieder als zentrales Element der industriellen Revolution bezeichnet worden. In meinem Buch »Synopsis der Dampfmaschine« habe ich die wichtigsten Entwicklungsschritte der Dampfmaschine zusammen mit denen der Stahlherstellung und der Werkzeugmaschinen zeitlich geordnet dargestellt (siehe Maschinen im Modellbau 3/19 oder http://balancier.eu/Synopsis).

Nach dem Watt’schen Mischkondensator war es Samuel Hall, der sich 1838 den geschlossenen Wasserkreislauf eines Oberflächenkondensators patentieren ließ. Erste praktische Versuche auf einem Flußdampfer mussten aber 1841 abgebrochen werden, weil die Rohre verschlammten. Erst ab 1860 setzte sich der Oberflächenkondensator durch.

Ein Modell des separaten Kondensators

Als mir vor einigen Jahren klar wurde, welche Bedeutung der separate Kondensator für die Weiterentwicklung der Dampfmaschine gehabt hat, habe ich ein Modell der ersten Watt’schen Versuchsanordnung gebaut, etwa in 1/3 der Originalgröße. Bild @fig:DetKon-3 zeigt den Kondensator im Rohbau, in Bild @fig:DetKon-4 sieht man auch die Luftpumpe, das fertige Modell ist in Bild @fig:DetKon-5 zu sehen.

{#fig:DetKon-3 height=9cm}

{#fig:DetKon-4 height=9cm}

{#fig:DetKon-5 height=10cm}

Schon seit geraumer Zeit nehme ich das Modell nicht mehr mit zu Ausstellungen. Nichts dreht sich, nichts bewegt sich, mit ganz wenigen Ausnahmen schlendern auch ansonsten erfahrene Modellbaukollegen vorbei. Vielleicht konnte ich mit diesem Artikel dem ein oder anderen Leser der Maschinen im Modellbau nahebringen, welch fundamentale Idee James Watt 1765 gehabt hat.

Stand: 2.5.2019

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Auf meinem YouTube-Kanal balancier.eu gibt es ein Video, welches das Modell in Betrieb zeigt (Model Steam: Condenser Experimental Apparatus James Watt 1765).