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Die Dampferzeugung

Wir haben gelernt, was für Brennstoffe bei Dampflokomotiven verwendet werden. Danach erfuhren wir, dass man auf der Lokomotive in einem Raum, den man Feuerbüchse nannte, ein wahres Höllenfeuer entfachte. Diese Feuer konnte so heiss werden, dass die Metalle schmelzen konnten. Daher lasen wir dort, dass diese Metalle mit Wasser gekühlt werden mussten. Alles Unsinn, denn wir wollten mit dem Feuer doch Dampf erzeugen?
Es ist ganz einfach, Dampf wird durch Erhitzen von Wasser erzeugt. Dieses Wasser wiederum kühlt die Wände der Feuerbüchse und wird so erwärmt, dass es verdampfen kann. Genau das machen Sie auch, wenn Sie in der Feuerstelle einen Topf mit Wasser erwärmen. Zwar wollen Sie das heisse Wasser nutzen, aber Sie kühlen auch den Topf mit dem Wasser und es verdampft zum Teil. Auf der Dampflokomotive machte man das jedoch in einem geschlossenen Behälter.
Ihre Mutter oder Ihre Frau, hat schon vielleicht einmal etwas im Dampfkochtopf gekocht. Oh, Entschuldigung, ich wollte Sie nicht blossstellen, auch die Herren benutzen ab und zu in der Küche den Dampfkochtopf. Wenn Sie den Deckel ab so einem Dampfkochtopf nehmen wollen, müssen Sie zuerst einmal Druck aus dem Gefäss abbauen. Machen Sie das nicht, dann können Sie den Deckel nicht bewegen. Der Topf steht unter einem gewissen Druck.
Was hat uns nun der Ausflug in die Küche gebracht? Wenn es Ihnen gelingt, den Dampf unter Druck zu setzen, baut er viel mehr Kraft auf, als normal. Darum konnten Sie den Dampfkochtopf nicht öffnen. Diesen Effekt nutze man nun bei den Dampflokomotiven. Das heisst, das Wasser, das zur Kühlung diente, wurde in einem geschlossenen Raum erhitzt, dadurch entstand Dampf, der nicht entweichen konnte. Nur nannte man das bei der Dampflokomotive nicht Dampfkochtopf, sondern schlicht und einfach, Kessel.
Der Kessel ist ein geschlossener Behälter, der mit einer Flüssigkeit gefüllt wird. So einfach kann man das erklären. Daher ist eigentlich auch der Dampfkochtopf nichts anderes als ein Kessel. Solche Kessel werden sehr oft bei der Erzeugung von Dampf genutzt. Erinnerungen daran gibt es überall, so gibt es in Firmen das Kesselhaus. Das heisst so, weil dort der Kessel stand. Der Kessel bei Dampflokomotiven teilte sich in Steh- und Langkessel auf. Die sehen wir uns nun genauer an.
Der Stehkessel: Ich kann es einfach machen, denn der Stehkessel ist der Kühler für die Feuerbüchse. Damit hätten wir eigentlich den Stehkessel schon beschrieben. Nur geben wir uns mit so banalen Sachen nicht zufrieden. Daher lohnt es sich, wenn wir den Stehkessel etwas genauer ansehen, denn er hat mehr zu bieten, als etwas so banales, wie als Kühler für eine Feuerbüchse bezeichnet zu werden.
Im Stehkessel eingebaut ist die Feuerbüchse. Damit haben wir hier den Ort, wo die grösste Wärme erzeugt wird. Das Feuer erwärmt die Wände diese Feuerbüchse direkt, so dass sie sehr heiss werden. Daher muss das Wasser im Stehkessel tatsächlich dazu genutzt werden, um die Wände der Feuerbüchse zu kühlen. Es ist daher nicht unbedingt falsch, wenn man den Stehkessel als Kühler abtut, denn das ist ein Teil seiner Aufgabe.
Das Wasser im Stehkessel, das die Metalle kühlt, wird dabei stark erhitzt und verdampft. Das ist letztlich das Ergebnis, das man erreichen wollte. Man spricht bei Dampflokomotiven gerne von der Erhitzung des Wassers, aber der Stehkessel hatte zusätzlich noch die Aufgabe das Metall der Feuerbüchse zu kühlen. Daher denke ich, ist es wichtig, dass man auch diesem Aspekt Rechnung trägt, denn in der Feuerbüchse lodert wirklich ein Höllenfeuer.
Der Stehkessel bildet zudem den tiefsten Punkt in einem Kessel. Das ist nötig, damit die Feuerbüchse auch im unteren Bereich optimal gekühlt wird. Die Stehbolzen, oder die Deckenankerschrauben halten den Stehkessel zudem in seiner Form. Zudem besitzt der Stehkessel auch Sicherheitseinrichtungen, die gegen die Feuerbüchse gerichtet sind und sich Sicherheitsbolzen nennen. Der Druck, der im Stehkessel entsteht, wird jedoch auch dem Langkessel abgegeben.
Der Langkessel: Kommen wir nun zum Langkessel. Der Langkessel ist üblicherweise eine zylinderförmige Konstruktion. Das vermeintliche Rohr, das sich vor dem Stehkessel aufbaut, nennt man üblicherweise Langkessel. Hier erfolgt die Erwärmung des Wassers nicht mehr direkt durch das Feuer und die aufsteigende Hitze. Daher wird ab und zu beim Langkessel vom sekundären Kessel gesprochen. Trotzdem wollen wir auch diesen Teil genauer betrachten.
Da der Langkessel keine direkte Wärmeerzeugung mehr hat, muss man um das Wasser zu erwärmen, die Oberfläche deutlich erhöhen. Das soll jedoch nicht bedeuten, dass es kalt gewesen wäre, denn die Abgase des Feuers sind ebenfalls sehr heiss und erwärmen das Metall, das mit dem Wasser gekühlt wird. Die Wärme wird hier jedoch mit Rohren abgegeben. Diese Rohre bilden den Hauptbestandteil des Langkessels.
Der Schnitt durch den Langkessel zeigt es deutlich. Hier findet sich nicht die grosse Menge Wasser, wie man meinen könnte. Vielmehr ist der Raum mit den Rohren sehr gut ausgefüllt worden. Die Rohre werden daher nur von wenig Wasser umgeben. Das ist wichtig, denn man will das Wasser schnell erwärmen und da kann man keine zu grossen Volumen brauchen. Doch kommen wir nun zu den Rohren, die man in zwei unterschiedliche Varianten unterteilt.
Im untersten Teil des Langkessels finden wir die dünnen Siederohre. Es handelt sich dabei um sehr dünne Rohre, die jedoch wegen der durchströmenden heissen Luft sehr heiss werden können. Diese Rohre sind in einer Vielzahl vorhanden und die Anzahl der Siederohre unterschieden sich von Kessel zu Kessel. Mit der Erhöhung der Anzahl Rohre wurden die Kessel immer besser, weil die Verdampfungsfläche gesteigert werden konnte.
Durch diese Siederohre zieht hauptsächlich heisse Luft und bringt das Wasser ausserhalb an den Rohren zum sieden. Daher auch der Name für diese Rohre. Die Siederohre stellten in einem Kessel den grössten Anteil der Heizfläche. Im Langkessel gibt es aber neben diesen Siederohren weitere Rohre, die klar von den Siederohren unterscheiden werden können, denn sie haben einen grösseren Durchmesser.
Die grösseren Rauchrohre werden durch die heissen Abgase erwärmt und geben ihre Wärme ebenfalls an das Wasser im Kessel ab. Die Rauchgase bei einem Feuer sind im Verhältnis zur Luft etwas fester, weil es durchaus auch Schwebeteile darin haben kann. Daher wurden die Rauchgase durch die grösseren Rohre geleitet. Da der Rauch eher im oberen Teil des Kessels entsteht, sind diese Rohre nur im oberen Teil vorhanden.
Damit eine optimale Wärmeausnutzung auch bei den Rauchrohren erreicht werden konnte, wurden auch hier mehrere Rohre eingebaut. Da auch der Rauch heiss ist, konnte er so noch einen grossen Teil seiner Wärme an das Wasser abgeben. Zusammen mit den Siederohren und der Feuerbüchse ergab sich die Heizfläche eines Kessels. Dank diesen Flächen konnte jedoch das Wasser im Kessel optimal verdampft werden.
Der Dampfdom: Das im Kessel durch die Feuerbüchse, sowie durch die Siede- und Rauchrohre, erhitzte Wasser verdampft. So gewinnt man den Zustand, den man will. Da Dampf nun wegen der grösseren Oberfläche und dem im Vergleich kleineren Gewicht, im Kessel ansteigt, strebt er dem höchsten Punkt zu. Diesen Punkt findet er im Dampfdom. Der Dampfdom ist daher eine erhöhte Stelle im Kessel. Hier kann der Dampf letztlich auch abgenommen werden.
Da nun der Dampf nicht entweichen kann steigt der Druck im Kessel an. Dieser Anstieg des Druckes erfolgt, weil der Dampf einen grösseren Raum beansprucht, als das Wasser, aus dem er entstanden ist. Dieser Druckanstieg erfolgt so lange, bis beim Dampfdom Dampf bezogen wird. Erfolgt das nicht, steigt der Druck im Kessel immer höher. Wird der Druck jedoch zu hoch, kann der Kessel bersten und zu schweren Unfällen führen.
Um den Kessel vor einem zu grossen Druck zu schützen, ist meistens auf dem Dampfdom ein Sicherheitsventil montiert worden. Dieses Sicherheitsventil verhindert, dass der Druck im Kessel zu hoch werden kann. Übersteigt der Druck des Dampfes den im Ventil eingestellten Druck, beginnt dieses automatisch abzublasen. Das heisst, der erzeugte Dampf wird unter lautem Getöse an die Umwelt abgegeben. Die Lokomotive wirkt nun sehr laut und wirtschaftlich ist das auch nicht.
Sinkt der Druck im Kessel wieder unter den maximal erlaubten Druck, wird das Sicherheitsventil wieder geschlossen. Das Feuer kann den Druck im Kessel anschliessend wieder erhöhen. Das Sicherheitsventil ist eine der wichtigsten Sicherheitseinrichtungen der Dampflokomotive. Ist das Ventil defekt oder manipuliert, kann der Druck im Kessel so gross werden, dass das Material nicht mehr hält und der Kessel explosionsartig bersten kann.
Deshalb werden die Sicherheitsventile durch staatliche Beamte geprüft und die korrekte Funktion kontrolliert. Nach erfolgter Prüfung darf am Sicherheitsventil nichts geändert werden. Zur Kontrolle wird das Sicherheitsventil daher versiegelt, beziehungsweise plombiert. So kann man allfällige Manipulationen schnell erkennen. Diese Prüfung muss jährlich nachgeholt werden, so dass jede Dampflokomotive regelmässig dem Prüfer gestellt werden muss. Letztlich ist es aber die eigene Sicherheit, die geprüft wird.
Dank dem Dampfdom war gesichert, dass möglichst wenig Wasser in die Leitung zur Dampfmaschine gelangen konnte. Dort sollte wirklich nur Dampf verwendet werden. Je besser diese Trennung vom heissen Wasser funktionierte, desto besser arbeitete die Lokomotive. Es war deshalb auch nicht gut, wenn im Kessel zu viel Wasser war. Das Personal musste deshalb wissen, in welchen Bereich das Wasser optimal ist. Trotzdem konnte man mit geeigneten Massnahmen das Wasser in der Leitung verdampfen.
Der Überhitzer: Der Dampf, der im Kessel erzeugt wird und sich dann im Dampfdom sammelt, kann zum Betrieb einer Dampfmaschine genutzt werden. Jedoch war damit noch keine optimale Leistung möglich geworden. Diese erreichte man erst mit dem Überhitzer. Doch schauen wir uns den Überhitzer anhand der Dampfsorten genauer an. So kennen wir dessen Funktion besser kennen und wissen, was dabei genau passiert.
Aus dem Dampfdom strömt Nassdampf zum Überhitzer. Dieser aus dem Kessel stammende Dampf, enthält sehr viel Feuchtigkeit. Deshalb wird er auch Nassdampf genannt. Der Grund liegt beim heissen Wasser im Kessel, da der entströmende Dampf Wasser mitzieht, das verdampft, aber so den Dampf kühlt, er wird so nass. Sie würden das insofern merken, denn Ihre Brille würde bei diesem Dampf beschlagen und Sie hätten das Gefühl nasse Kleider zu tragen.
Die Rohrleitungen des Überhitzers führen nun den Dampf erneut in den Kessel. Dort wird der Dampf durch die heissen Rauchgase und das Wasser erneut erwärmt und somit überhitzt. Dadurch sinkt der Anteil feuchten Dampfes in der Leitung und der Dampf wird getrocknet. Man bezeichnet in anderen Ländern diese zusätzliche Erwärmung des Dampfes auch Dampftrocknung. Man verwendet aber auch spezielle Dampftrockner, die etwas anders funktionieren, als die Überhitzer.
Durch die Überhitzerrohre wird zwar im Kessel etwas Heizfläche verloren, denn der Platz dieser Rohre kann man nicht in dünnen Rauchrohren bereitstellen, man gewinnt aber beim Dampf. Die Überhitzer erzeugen trotz dieser Einbusse viel höhere Leistungen, als bisher gebaute Dampflokomotiven, die mit Nassdampf betrieben wurden. Jetzt haben wir endlich das, was der Lokomotive den Namen gab. Es entstand Heissdampf, der die Dampfmaschine optimal antrieb.
Der im Überhitzer entstehende Heissdampf, enthält kaum mehr Feuchtigkeit. Der Dampf ist nun so heiss, dass er trocken wirkt. In Wäschereien wird solcher Dampf zum Glätten der Kleider verwendet. Bei den Dampflokomotiven nutzte man diesen heissen Dampf um die Lokomotive anzutreiben. Wir haben damit die optimale Dampferzeugung abgeschlossen und haben nun Heissdampf, den man nutzen kann.
Lokomotiven mit Heissdampf, der mit der Hilfe von Überhitzern erzeugt wurde, wurden spezielle gekennzeichnet. Diese Lokomotiven mit Überhitzer hatten einen Messingring am Kamin erhalten. Dadurch waren diese Lokomotiven wegen dem heisseren Dampf schnell erkennbar, denn durch diesen Dampf konnten beim Menschen schwere Verbrennungen entstehen. Doch kommen wir nun zum Träger dieses goldenen Ringes, zum Kamin und dort genauer zur Rauchkammer.
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