Namen- und Sachverzeichnis.

Vom Beginn des 17. Jahrhunderts ab, also zu einer Zeit, die ohnehin schon der Dampfmaschine eine kräftige Förderung brachte, vollzog sich auch ein großer Fortschritt auf dem Gebiete der Kenntnis der luftförmigen Körper: Johann Baptist van Helmont (geb. 1577, gest. 1644) unterschied zwei Arten von Luft, nämlich eine solche, die ihre luftförmige Beschaffenheit auch dann beibehält, wenn sie abgekühltwird, und eine solche, welche, um luftförmig zu bleiben, der Zufuhr von Wärme bedarf, anderenfalls aber sich verdichtet, kondensiert. Die erste Art von Luft bezeichnet van Helmont alsGas.

Halley(geb. 1656, gest. 1742) erklärte das Wesen des Wasserdampfes dahin, daß dieser aus kleinen hohlen Wasserbläschen bestehe, die mit verdünnter Luft gefüllt seien. Infolgedessen steige der Dampf, da er leichter als die atmosphärische Luft sei, in dieser in die Höhe.Derhemwollte diese Wasserbläschen unter dem Vergrößerungsglase erkannt haben. Der Kanzler der Universität Halle,Chr. Wolf(geb. 1679, gest. 1754), versuchte den Grad der Verdünnung der Luft in den Wasserbläschen festzustellen.Christian Gottlieb Kratzenstein(geb. 1723, gest. 1795) befaßte sich ebenfalls mit der Erforschung der Wasserbläschen und gab ihren Durchmesser zu1/50000Zoll an.

Das Streben der Physiker, sich mit dem Wesen des Wasserdampfes zu befassen, erfuhr eine erfreuliche Anregung durch ein Preisausschreiben, das die Akademie der Wissenschaften zu Bordeaux im Jahre 1743 ausschrieb für die Erklärung des Umstandes, daß der Wasserdampf nach aufwärts steigt. Aus der Zahl der eingegangenen Preisbewerbungen wurden zwei mit einem Preise bedacht. Den einen Preis erhieltKratzenstein, der bereits den Durchmesser der Wasserbläschen berechnet hatte und sich auf den Boden der Bläschentheorie Halleys stellte.

Einen hiervon völlig abweichenden Standpunkt nahm die andere Preisarbeit ein, deren VerfasserGeorg E. Hambergerwar. Nach Hambergers Auffassung löst sich das Wasser in der Luft in derselben Weise wie das Salz im Wasser. Auf dieser Lösungstheorie weiter bauend, wies dannCharles le Roy(geb. 1726, gest. 1779) darauf hin, daß in derselben Weise, wie man in Wasser nur eine beschränkte Menge Salz zu lösen vermöge, auch die Luft nur eine beschränkte Menge Wasser aufnehmen könne. Er erkannte also bereits das Wesen derSättigungund bezeichnete Luft, die Wasser nicht mehr aufzunehmen vermag, als gesättigt, wie man eine Salzlösung, die weiteres Salz nicht mehr aufnehmen kann, als gesättigt benennt.

Das einer gesättigten Lösung zugeführte Salz löst sichnicht auf, sondern setzt sich auf dem Grunde der Lösung ab. Die gleichartige Erscheinung tritt ein, wenn man in den gesättigten Wasserdampf weitere Dampfmengen einführt; alsdann schlägt sich dieser Dampf zu Tropfen nieder. Entsprechend der Tatsache, daß warmes Wasser mehr Salz auflöst als kaltes Wasser, kam le Roy zu der Erkenntnis, daß warme Luft mehr Wasser löst als kalte Luft, also mehr Dampf enthält als diese. Sinkt die Temperatur der Luft, so scheidet sich der in dieser enthaltene Wasserdampf als Tau ab.

Wird gesättigter Dampf weiter erhitzt, so entsteht der sogenannte überhitzte Dampf. In der neuesten Zeit hat dieser Dampf insbesondere zum Antrieb von Lokomotiven eine große Bedeutung erlangt. Die ihm innewohnenden Vorzüge, die sich in einer großen Ersparnis an Brennstoff geltend machen, haben ihm, nebenbei gesagt, den Namen „Edeldampf“ eingetragen. Dieser überhitzte Wasserdampf kann abgekühlt werden, ohne daß er sofort zu Wasser kondensiert.

Die Theorie Hambergers gab eine gute Erklärung der Tatsache, daß das Wasser schneller verdampft, wenn es von einem Luftstrom überfahren wird, als wenn die auf dem Wasser lastende Luft in Ruhe ist. Diese Erklärung läuft darauf hinaus, daß die auf dem Wasser lastende Luft sich alsbald mit Wasserdampf sättigt, infolgedessen hier eine weitere Verdunstung des Wassers nicht mehr möglich ist. Wird dagegen die über dem Wasser befindliche Luft in Bewegung versetzt, so kommt mit der Oberfläche des Wassers immer von neuem frische ungesättigte Luft in Berührung, die imstande ist, Wasserdampf in sich aufzunehmen.

Eine für die Verwendung des Wasserdampfes, insbesondere für Kochzwecke, überaus wichtige Beobachtung, der bereits Papin, als er zur Erfindung des nach ihm benannten Kochtopfes gelangte, sehr nahe gekommen war, machte der Professor der Chemie zu Upsala,Wallerius Ericson(geb. 1709, gest. 1785). Dieser stellte fest, daß Flüssigkeiten schneller im luftleeren Raume als unter dem Druck der Atmosphäre verdampften. Da nun bei dem Verdampfen unter Luftleere von einem Lösen des Wassers in Luft nicht mehr die Rede sein konnte, versagte jetzt die Hambergersche Lösungstheorie.

Hier nun setzte die Tätigkeit des mit James Watt befreundetenJoseph Blackein, der sich mit der Erforschung jener Erscheinungen beschäftigte und Watt veranlaßte, ebenfalls Versuche anzustellen.

Bei dem Erwärmen von Wasser in einem Gefäß ist die erste Folge, daß die in dem Wasser enthaltene Luft in Form von Luftbläschen nach oben hin entweicht. Nunmehr bildet sich Dampf auf dem der Wärmequelle zunächst liegenden Boden des Gefäßes. Dampfblasen steigen in dem Wasser empor, können aber nicht die Oberfläche des Wassers erreichen, da die oberen Wasserschichten noch nicht genügend erwärmt sind. Die Folge hiervon ist das sogenannte Singen des Wassers, das aus der zitternden Bewegung sich ergibt, in welche das Wasser und das Gefäß durch die bei ihrem Aufwärtssteigen auf Widerstand stoßenden Dampfbläschen versetzt werden. Hört das „Singen“ auf, so ist dies ein Zeichen dafür, daß nunmehr die sämtlichen Wasserschichten zum Sieden gebracht sind, und die Dampfbläschen ungehindert nach oben steigen können. Das „Singen“ geht also dem Beginn des Kochens unmittelbar vorher. Während des Kochens oder Siedens tritt eine Zunahme der Temperatur trotz fortgesetzter Wärmezufuhr nicht ein.

Um diese überraschende Erscheinung zu erklären, nahm man an, daß die Verwandlung des Wassers in Dampf sich nur auf dem Boden des Gefäßes vollziehe, und daß die Wasserschichten die zu ihrer Verdampfung nötige Temperatur erst dann erreichen, nachdem sie den Gefäßboden berührten. Würde die ganze Wassersäule zugleich auf die Siedetemperatur gebracht, so genügte die geringste Wärmezufuhr, um augenblicklich die gesamte Wassermenge in Dampf zu verwandeln.

Black, dem diese Erklärung nicht genügte, stellte zunächst fest, daß, wenn Wasser zum Sieden gebracht und auf gleichmäßiges Feuer gebracht wird, in gleichen Zeitabschnitten gleiche Mengen Dampf erzeugt werden. Des weiteren stellte er fest, wieviel Zeit vergeht, bis eine gewisse Wassermenge von einer gleichförmigen Flamme zum Sieden gebracht und vollkommen verdampft wird.

James Watt, der, wie wir bereits berichteten, mit Black befreundet war, machte in derselben Richtung folgende Versuche: Er brachte in einem offenen Papinschen Topf Wasserzum Sieden, und zwar so, daß in einer halben Stunde die Oberfläche des Wassers um einen Zoll sank. Hierauf unterbrach er das Sieden, fügte so viel Wasser hinzu, wie verdampft war, und brachte den Topf wiederum auf die in gleicher Stärke unterhaltene Flamme. Als das Sieden begann, schloß er den Dampfhahn und ließ nun eine halbe Stunde vergehen. Als er dann den Dampfhahn öffnete, strömte der Dampf innerhalb zwei Minuten aus und die Oberfläche des Wassers sank wieder um einen Zoll. Hieraus ergab sich, daß die Wärme, die von dem Wasser innerhalb einer halben Stunde aufgenommen wurde, entweder langsam innerhalb einer halben Stunde oder schnell innerhalb zwei Minuten dieselbe Wassermenge verdampfen konnte. Black zeigte auch, daß der Dampf bei seiner Bildung Wärme „bindet“ und bei der Verdichtung wieder dieselbe Wärmemenge frei gibt.

James Watts Verdienste bestehen darin, daß er den Wärmeverbrauch bei der Verdampfung und die Abhängigkeit des Dampfdruckes von der Temperatur untersuchte und die Gesetze, die für die Verdichtung des Dampfes maßgeblich sind, ermittelte. Er erkannte hierbei als hauptsächlichsten Grund des hohen Dampfverbrauchs der Newcomenmaschine, daß bei jedem Kolbenhub kaltes Wasser in den Dampfzylinder gespritzt wurde. Dieses hatte zur Folge, daß der von neuem in den Zylinder eingeführte Dampf zur Erwärmung des Zylinders notwendig war. Aus dieser Erkenntnis leitete Watt die Forderung ab, daß die Kondensation des Dampfes tunlichst schnell bewirkt werden müsse, ohne daß der Zylinder sich abkühlte. Zu diesem Zweck führte er zunächst den Zylinder aus Holz aus. Da aber in einem hölzernen Zylinder eine dampfdichte Führung des Kolbens infolge Verwerfens der Holzwandungen nicht zu erreichen war, wandte er sich alsbald wiederum dem eisernen Zylinder zu, den er durch ein Rohr mit einem besonderen Behälter in Verbindung brachte, der kaltes Wasser enthielt. Diesen Behälter nannte Watt „Kondensator“. Die bahnbrechende Folge dieser Neuerung des von dem Zylinder getrennten selbständigen Kondensiergefäßes bestand darin, daß der Dampf niedergeschlagen wurde, ohne daß der Dampfzylinder abgekühlt wurde. Den Kondensator erhielt Watt dadurch andauernd auf der erforderlichen niedrigen Temperatur, daß er durch eine von derMaschine angetriebene Pumpe in denselben stets kaltes Wasser einspritzte, während eine zweite Pumpe, die sogenannte Warmwasserpumpe oder Luftpumpe, das kondensierte Wasser aus dem Kondensator hinaussaugte. Die Bezeichnung Luftpumpe trifft um deswillen zu, weil diese Pumpe neben dem Wasser auch die in dem kalten Wasser und in dem Dampf enthaltene Luft abführt. Das aus dem Kondensator ausgepumpte warme Wasser führte Watt dem Dampfkessel zu, wodurch eine weitgehende Ersparnis an Brennstoffen erzielt wurde.

Die mit diesen Wattschen Verbesserungen ausgestattete Dampfmaschine hat folgenden Arbeitsgang: Wenn der Kolben sich in seiner tiefsten Stellung befindet, wird unterhalb desselben Dampf eingeführt, infolgedessen sich der Kolben aufwärts bewegt; währenddessen ist die Verbindung zwischen Zylinder und Kondensator abgeschlossen. Hat der Kolben die höchste Stellung erreicht, so wird die Dampfzufuhr geschlossen, zugleich aber die Verbindung zwischen dem Zylinder und dem Kondensator geöffnet. Infolgedessen wird der unterhalb des Kolbens befindliche Dampf kondensiert und der Kolben geht unter Einwirkung des Druckes der Atmosphäre abwärts.

Auf diese die Dampfmaschine erst lebensfähig machende Neuerungen erhielt James Watt, nachdem er am 5. Januar 1769 den vorläufigen Schutz eines Königlichen Privilegs bekommen hatte, das Patent Nr. 913. Dasselbe hat folgenden Wortlaut:

A. D.1769 Nr. 913.Dampfmaschinen etc.Watts Patentbeschreibung.

Allen denjenigen, welchen dieses Schriftstück zu Gesicht gelangt, sende ich, James Watt, aus Glasgow in Schottland, Kaufmann, meinen Gruß.

SintemalSeine Allerhöchste Majestät, König Georg der Dritte, durch seinen Patentbrief unter beigedrucktem Großsiegel von Großbritannien vom 5. Januar des neunten Regierungsjahres Seiner Majestät mir, dem genannten James Watt, seine besondere Erlaubnis, Vollmacht, Privilegium und Befugnis gab, daß ich, der genannte James Watt, meine Vollstrecker, Verwalter und Bevollmächtigten während einerbestimmten Reihe von Jahren meine „Neu erfundene Methode der Verminderung des Verbrauchs von Dampf und Brennstoff in Feuermaschinen“ zu benutzen, auszuüben und zu verkaufen befugt bin, und zwar überall in demjenigen Teile des Königreiches Groß-Britannien, welcher England genannt wird, in der Herrschaft Wales, in der Stadt Berwick am Tweed und ferner in Seiner Majestät Kolonien und Ansiedlungen, und ich, der erwähnte James Watt, in dem erwähnten Patentbriefe verpflichtet werde, unter Unterschrift und Siegel eine eingehende Beschreibung des Wesens meiner Erfindung zu geben, welche in Seiner Majestät Hoher Hofkanzlei eingetragen werden soll, innerhalb vier Monate nach dem Datum des erwähnten Patentbriefes:

So wisset nun, daß in Erfüllung der genannten Verpflichtung und Festsetzung ich, der erwähnte James Watt, erkläre, daß das Folgende eine eingehende Beschreibung meiner in Rede stehenden Erfindung und der Art und Weise, in welcher dieselbe zur Ausführung gelangt, ist,

(das will sagen): —

Mein Verfahren der Verminderung des Verbrauches an Dampf und, hierdurch bedingt, des Brennstoffes in Feuermaschinen setzt sich aus folgenden Prinzipien zusammen:

Erstens, das Gefäß, in welchem die Kräfte des Dampfes zum Antrieb der Maschine Anwendung finden sollen, welches bei gewöhnlichen Feuermaschinen Dampfcylinder genannt wird und welches ich Dampfgefäß nenne, muß während der ganzen Zeit, wo die Maschine arbeitet, so heiß erhalten werden, als der Dampf bei seinem Eintritte ist, und zwar erstens dadurch, daß man das Gefäß mit einem Mantel aus Holz oder einem anderen die Wärme schlecht leitenden Material umgibt, daß man dasselbe zweitens mit Dampf oder anderweitigen erhitzten Körpern umgibt, und daß man drittens darauf achtet, daß weder Wasser noch ein anderer Körper von niedrigerer Wärme als der Dampf in das Gefäß eintritt oder dasselbe berührt.

Zweitens muß der Dampf bei solchen Maschinen, welche ganz oder teilweise mit Kondensation arbeiten, in Gefäßen zur Kondensation gebracht werden, welche von den Dampfgefäßen oder -Cylindern getrennt sind und nur von Zeit zu Zeit mit diesen in Verbindung stehen. Diese Gefäße nenneich Kondensatoren und sollen dieselben, während die Maschinen arbeiten, durch Anwendung von Wasser oder anderer kalter Körper mindestens so kühl erhalten werden als die die Maschine umgebende Luft.

Drittens, sobald Luft oder andere durch die Kälte des Kondensators nicht kondensierte elastische Dämpfe den Gang der Maschine stören, so sind dieselben mittels Pumpen, welche durch die Maschine selbst betrieben werden, oder auf andere Weise aus den Dampfgefäßen oder Kondensatoren zu entfernen.

Viertens beabsichtige ich in vielen Fällen die Expansionskraft des Dampfes zum Antrieb der Kolben oder was an deren Stelle angewendet wird, zu gebrauchen, in derselben Weise, wie der Druck der Atmosphäre jetzt bei gewöhnlichen Feuermaschinen benutzt wird. In Fällen, wo kaltes Wasser nicht in Fülle vorhanden ist, können die Maschinen durch diese Dampfkraft allein betrieben werden, indem man den Dampf, nachdem er seine Arbeit getan hat (after it has done its office) in die freie Luft austreten läßt.

Fünftens, wo Bewegungen um eine Achse verlangt werden, stelle ich die Dampfgefäße in Form von hohlen Ringen oder kreisförmigen Kanälen her, mit besonderen Ein- und Auslässen für den Dampf, und montiere dieselben auf horizontalen Achsen wie die Räder der Wassermühlen. In denselben ist eine Anzahl von Ventilen angebracht, welche einem Körper nur in einer Richtung durch den Kanal umzulaufen gestatten. In diesen Dampfgefäßen sind Gewichte angebracht, welche die Kanäle zum Teil ausfüllen und durch die noch anzugebenden Mittel in denselben bewegt werden. Wenn der Dampf in diese Maschinen zwischen jene Gewichte und die Ventile eingelassen wird, so drückt er gegen beide gleichmäßig, so zwar, daß er das Gewicht nach der einen Seite des Rades hebt und infolge der gegen die Ventile wirkenden Reaktion das Rad in Drehung versetzt, wobei die Ventile sich in derjenigen Richtung öffnen, in welcher die Gewichte Druck empfangen, aber nicht in der entgegengesetzten. Währenddem, daß das Dampfgefäß sich dreht, wird es mit Dampf vom Kessel aus gespeist, und derjenige Dampf, welcher seine Arbeit geleistet hat, kann entweder durch Kondensation niedergeschlagen oder in die freie Luft entlassen werden.

Sechstens will ich in einigen Fällen einen gewissen Grad von Kälte anwenden, welcher den Dampf allerdings nicht in Wasser zu verwandeln, wohl aber beträchtlich zu verdichten vermag, so daß die Maschinen abwechselnd mit Expansion und Kontraktion des Dampfes arbeiten.

Endlich wende ich zur dampf- und luftdichten Dichtung des Kolbens oder anderer Maschinenteile an Stelle von Wasser Oele, harzige Körper, Tierfett, Quecksilber und andere Metalle in flüssigem Zustande an.

Zur Bezeugung dessen habe ich am heutigen Tage, am fünfundzwanzigsten April im Jahre unseres Herrn Ein Tausend Sieben Hundert und neunundsechzig meinen Namenszug und mein Siegel hierunter gesetzt.

James Watt.(L. S.)

Gesiegelt und ausgehändigt in Gegenwart von

Coll. Wilkie.Geo. Jardine.John. Roebuck.

Es sei noch bemerkt, daß besagter James Watt erklärt, daß sich nichts von dem im vierten Absatz Enthaltenen auf Maschinen bezieht, bei denen das zu hebende Wasser in das Dampfgefäß selbst eintritt oder in ein Gefäß, welches mit jenem in offener Verbindung steht.

James Watt.

Zeugen: Coll. Wilkie.

Zeugen:Geo. Jardine.

Und es sei bekannt gegeben, daß der vorgenannte James Watt am fünfundzwanzigsten Tage des April, im Jahre unseres Herrn 1769, sich in der Kanzlei unseres Königlichen Herrn einfand und die vorstehende Beschreibung nebst allem dem in derselben Enthaltenen und Beschriebenen, in der oben niedergeschriebenen Weise anerkannte. Und so wird die vorstehende Beschreibung gemäß der Verordnung aus dem sechsten Jahre der Regierung des verstorbenen Königs und der Königin William und Mary von England usw. gestempelt.

Eingetragen am neunundzwanzigsten April im Jahre unseres Herrn Ein Tausend Sieben Hundert neunundsechzig.

Watt war an der Ausführung seines Patents durch den Umstand beschränkt, daß die seit alters her bekannte und gebräuchliche Kurbel einem gewissen Wasborough unter Patentschutz gestellt war. Um die Benutzung der Kurbel zu umgehen, ersann Watt nicht weniger als fünf verschiedene Einrichtungen und erhielt hierauf unter dem 25. Oktober 1781 das Patent Nr. 1306.

Abbildung 29.Das Planeten- oder Sonnenrad.Aus: Muirhead. James WattsMechanical Inventions. Plate 7, Fig. 1 und 2.

Als Gegenstand dieses Patents wird angegeben:

„Gewisse neue Verfahren, um die hin und her gehende Bewegung von Dampf- oder Feuermaschinen zur Erzeugung ständiger Drehbewegung um eine Achse oder um einen Mittelpunkt zubenutzen, um Räder, Mühlen oder andere Maschinen anzutreiben.“

Von den sämtlichen fünf Einrichtungen bildet das sogenannte Planeten- oder Sonnenrad die wichtigste. Sie ist in Abb.29dargestellt.

Der entsprechende Teil der Patentschrift Nr. 1306 hat folgenden Wortlaut:

„Mein fünftes Verfahren, Drehbewegung zu erzeugen, wird mit Hilfe eines ZahnradesEausgeführt, das auf dem Ende derjenigen AchseFangebracht ist, die die Drehbewegung erhalten soll. Dieses RadEkann durch ein zweites ZahnradDvon gleichem, größerem oder geringerem Durchmesser in Drehung versetzt werden, das an der StangeABbefestigt ist. Das andere Ende der StangeABhängt an dem TriebbalkenBC(Balancier) der Dampfmaschine oder ist in beliebiger anderer Weise mit dem Kolben der Dampfmaschine verbunden. Das RadDkann sich um seine eigene Achse nicht drehen. Mit Hilfe eines ZapfensA, der in dem Mittelpunkte des RadesDbefestigt ist und in einen kreisförmigen Einschnitt des großen RadesGGeingreift (hier können auch andere Mittel Platz greifen), wird das RadDzwangläufig derart geführt, daß es sich nicht von dem RadeEentfernen, jedoch das RadEin Drehung versetzen kann, ohne daß es sich selbst um seine Achse oder seinen Mittelpunkt dreht.

Die Bewegung vollzieht sich nun folgendermaßen: Ist das Rad nahezu in diejenige Stellung gelangt, die durch den punktierten KreisHHgekennzeichnet ist, und dann mit seinem Mittelpunkt um ein weniges jenseits der senkrechten durch den MittelpunktFgezogenen Linie gelangt, zieht die Dampfmaschine mit Hilfe der TreibstangeBAdas RadDaufwärts. Da nun dessen Zähne in die des RadesEeingreifen, und da es sich nicht um seinen eigenen Mittelpunkt drehen kann, kann es sich nicht anders nach aufwärts hin bewegen, ohne daß es zugleich das RadEin Drehung um seinen MittelpunktFversetzt. Ist das RadDsoweit aufwärts gelangt, daß sein unterer Teil mit dem oberen Teile des RadesEim Eingriff ist, hat die Dampfmaschine ihren Hub nach aufwärts ausgeführt und der Kolben ist im Begriff, sich abwärts zu bewegen. Unter dem Einfluß der ihm zuteil gewordenen Bewegung führt das RadEseinen Rundgangweiter aus und führt das RadDüber seine Höchstlage hinweg, wobei die Schwere des RadesDoder der StangeABoder ein anderes an ihm angebrachtes Gewicht das RadDveranlaßt, an der anderen Seite sich wieder nach abwärts zu begeben. Das RadDvollendet also seinen Rundgang umE.Haben nun die beiden RäderDundEdieselben Zähnezahlen, so macht das RadEbei jedem Hub der Maschine zwei Umdrehungen um seinen Mittelpunkt. Um nun die Bewegung besser zu regeln, bringe ich auf der AchseFein Schwungrad an.“

Abbildung 30.Anwendung eines Planetenrades zum Antrieb eines Walzwerks. Aus: Muirhead, James WattsMechanical Inventions. Plate 25.

Abbildung30stellt das Planetenrad in Anwendung auf den Antrieb eines Walzwerkes dar.

Bei einer anderen Ausführungsform dieses Planeten- oder Sonnenrades bewegen sich die beiden Zahnräder nicht auf- und umeinander, sondern ineinander.

Von weitestgehender Bedeutung ist das am 12. März 1782 erteilte Patent Watts Nr. 1321.

Der wesentliche Inhalt der Patenturkunde lautet:

„Gewisse neue Verbesserungen an Dampf- oder Feuer-Maschinen zum Heben von Wasser und zu anderen mechanischen Zwecken, und gewisse auf dieselben anwendbare Einrichtungen.“

„Ich,James Watt, erkläre hiermit: Nachstehendes ist eine Beschreibung meiner neuen Verbesserungen an Dampf- und Feuer-Maschinen und der Einrichtungen, die bei denselben Anwendung finden können.

Um aber etwaige Mißverständnisse und Umschweife zu vermeiden, werde ich zunächst einige gewisse in dieser Beschreibung benutzte Ausdrücke näher erläutern.

Erstens: DerZylinderoder das Dampfgefäß ist dasjenige Gefäß, in welchem die Kräfte des Dampfes oder der Luft benutzt werden, um die Maschine anzutreiben; er kann von beliebiger Gestalt sein, ist aber meist von zylindrischer Form.

Zweitens: DerKolbenist eine bewegliche Trennungswand, die in dem Zylinder entweder auf und ab, oder hin- und hergleitet und diesem genau angepaßt ist. Auf diesen Kolben wirken die Kräfte des Dampfes und der Luft unmittelbar ein.

Drittens: DieKondensatorensind gewisse von mir erfundene Gefäße, in welchen der Dampf niedergeschlagen wird, und zwar entweder indem er mit hinreichend kaltem Wasser unmittelbar vermischt wird oder indem er mit kalten Körpern in Berührung gebracht wird. Diese Kondensatoren liegen entweder in demjenigen Teile des Zylinders selbst, in den der Dampf niemals gelangt, ausgenommen dann, wenn er niedergeschlagen und zu Wasser verwandelt wird, oder diese Kondensatoren stehen mit dem Zylinder mittels Röhren in Verbindung, welche rechtzeitig geöffnet und geschlossen werden. Diese Röhren können auch so angeordnet sein, daß sie zu den Luftpumpen oder zu anderen Einrichtungen führen, um den niedergeschlagenen Dampf und das Einspritzwasser fortzuleiten.

Viertens: DieLuft- und die Heißwasserpumpensind Pumpen oder andere Einrichtungen, die dazu dienen,die Luft und das heiße Wasser aus den Zylindern und aus den Kondensatoren hinauszubefördern.

Fünftens: DerWerkbalken(Triebbalken, Balancier) ist ein doppelarmiger Hebel, wobei ein oder mehrere Räder oder andere maschinelle Vorrichtungen dazu dienen, die von dem Kolben geäußerte Kraft auf das Pumpwerk oder auf andere von der Dampfmaschine anzutreibende Vorrichtungen zu übertragen.

Meine erste neue Verbesserungbesteht nun darin, daß ich den Dampf in die Zylinder oder Gefäße der Maschine nur während eines gewissen Teiles des Auf- oder Niederganges des Kolbens eintreten lasse, und daß ich die federnden Kräfte, mit denen der Dampf in dem Bestreben, größere Räume einzunehmen, sich ausdehnt, dazu benutze, während der übrigen Teile des Hubes des Kolbens als Triebkraft zu dienen. Außerdem benutze ich Hebelzusammenstellungen oder andere Vorkehrungen, um zu bewirken, daß die ungleichmäßigen Kräfte, mit denen der Dampf auf den Kolben einwirkt, gleichmäßige Arbeit leisten bei dem Antrieb der Pumpen oder der anderen Maschinen, die durch die Dampfmaschine betrieben werden sollen. Hierbei sind gewisse Verhältnisse zu beachten.

Abbildung 31.James Watts Ausnutzung der Expansion des Dampfes.Aus: Muirhead, James WattsMechanical Inventions. Plate 8.

Um die hierbei maßgeblichen Verbesserungen und Grundsätze zu erläutern, habe ich in der beigefügten Zeichnung (Abb.31) einen Hohlzylinder im Schnitt dargestellt.

Dieser erwähnte Zylinder ist an seinem unteren Ende durch seinen BodenCDvollständig abgeschlossen und auch an seinem oberen Ende durch seinen DeckelABverschlossen. Der kräftige KolbenEFist dem Zylinder genau angepaßt, so daß er mit Leichtigkeit auf und ab gleiten kann, ohne irgendwelchen Dampf neben sich hindurchgehen zu lassen.Der Kolben hängt an einer oder an mehreren StangenGH, welche in einer im DeckelABangebrachten Öffnung hin- und hergleiten können, wobei ihre Umfläche luft- und dampfdicht durch einen Strang von Werg oder anderem geeigneten Stoff abgedichtet ist, der in der BüchseOliegt. Und nahe dem oberen Ende des Zylinders ist eine ÖffnungJvorgesehen, um Dampf vom Dampfkessel eintreten zu lassen.

Der ganze Dampfzylinder ist soweit als möglich mit einem HohlraumMMumgeben, der Dampf enthält, oder dem auf irgendeine andere Weise dieselbe Hitze bewahrt bleibt, wie sie das Wasser im Dampfkessel oder der aus dem Kessel kommende Dampf besitzt.

Wir wollen nun annehmen, der Kolben sei so nahe als möglich an den oberen Rand des Zylinders emporgehoben, und der Raum unterhalb desselben sei von Luft, Dampf und anderen Flüssigkeiten entleert. Wir wollen des weiteren annehmen, daß der vom Dampfkessel her oberhalb des Kolbens eintretende Dampf die selbige Dichtigkeit oder Federkraft besitze wie der Luftdruck der Atmosphäre, oder die Fähigkeit besitze, eine Quecksilbersäule von 30 Zoll Höhe im Barometer zu tragen. Dann, so behaupte ich, wird der Druck oder die Federkraft auf jedem Quadratzoll der oberen Fläche des Kolbens ungefähr 14 Pfund betragen, und diese Kraft wird, wenn sie während eines ganzen Maschinenhubes auf den Kolben zur Einwirkung gelangt und zum Antrieb einer oder mehrerer Pumpen, sei es mittelbar oder unmittelbar, benutzt wird, während des ganzen Hubes eine Wassersäule fördern, deren Gewicht zehn Pfund auf den Quadratzoll des Kolbens beträgt, außer der Reibung und der dem Wasser und den Maschinenteilen innewohnenden Trägheit. Unter der Annahme aber, daß die gesamte Entfernung von der Unterseite des Kolbens bis zum Grunde des Zylinders acht Fuß beträgt, und daß die Dampfzufuhr vom Kessel vollständig abgeschnitten ist, wenn der Kolben bis zum PunktKzwei Fuß oder ein Viertel des Hubes des Kolbens abwärts gegangen ist, behaupte ich, daß, wenn der Kolben die Hälfte seines Hubes zurückgelegt hat, die Federkraft des Dampfes die Hälfte der ursprünglichen Kraft betragen wird. Des weiteren wird, wenn der Kolben beiPangelangt ist, die Kraft des Dampfes ein Drittel der ursprünglichen Kraft betragen oder 4⅔ Pfundauf jeden Quadratzoll der Kolbenfläche. Ferner wird, wenn der Kolben am Ende seines Hubes angelangt ist, die Federkraft des Dampfes ein Viertel seiner ursprünglichen Kraft betragen oder 3½ Pfund auf den Quadratzoll der Kolbenfläche.

Des weiteren behaupte ich, daß die Federkräfte des Dampfes in den übrigen Abschnitten der Zylinderlänge, die durch die Horizontallinien oder Ordinaten der KurveKLdargestellt und in dem Zylinder aufgetragen sind, durch die in Dezimalbrüchen der ursprünglichen Kraft ausgedrückten Zahlen dargestellt werden.

Und des weiteren behaupte ich, daß die Summe aller dieser Kräfte größer ist als 57 Hundertstel der ursprünglichen Kraft, multipliziert mit der Länge des Zylinders.

Demnach leuchtet ein, daß nur ein Viertel des zur Füllung des ganzen Zylinders erforderlichen Dampfes zur Anwendung gelangt, und daß der erzielte Effekt mehr als die Hälfte des Effekts beträgt, der durch einen ganz mit Dampf gefüllten Zylinder erreicht wird, wenn der Dampf während des ganzen Niederganges des Kolbens frei über dem Kolben zum Eintritt gelangt wäre.

Hieraus folgt, daß die sogenannte neue oder Expansionsmaschine imstande ist, Wassersäulen zu heben, deren Gewichte entsprechen einem Gewicht von fünf Pfund auf jeden Quadratzoll der Kolbenfläche, und zwar mit Dampf von einem Viertel Inhalt des Zylinders.

Obgleich ich nun dieViertelfüllunghier anführe, so muß ich dennoch bemerken, daß ein anderes Füllungsverhältnis oder andere Abmessungen des Zylinders ähnliche Erfolge herbeiführen können, und daß ich in der Praxis diese Verhältnisse je nach der Eigenart des vorliegenden Falles ändere.“

Diese Ausnutzung der Expansion des Dampfes führte Watt dann später auf die Erfindung des Indikators, eines Instrumentes, das selbsttätig die Expansionskurven des Dampfes aufzeichnet.

Der weitere Inhalt der Patenturkunde beschäftigt sich sodann mit den Mitteln zur Erzielung eines gleichmäßigen Ganges der Maschine. Dieser wird stark durch den Umstand beeinträchtigt, daß die vom Dampf ausgeübte Kraft ungleichmäßig ausfällt, während das Gewicht des zu hebenden Wassersund die sonst von der Maschine zu leistende Arbeit als gleichmäßig anzunehmen ist.

Alsdann wendet sich Watt derzweitenvon ihm erfundenen Verbesserung der Dampfmaschine zu, nämlich derendoppelt wirkender Anordnung.

„Meine zweite Verbesserung der Dampf- oder Feuermaschine besteht darin, daß ich die Federkraft des Dampfes dazu benutze, den Kolben aufwärts und auch abwärts zu bewegen, indem ich eine Luftleere ober- oder unterhalb des Kolbens herbeiführe und den Dampf zu derselben Zeit zur Einwirkung auf den Kolben in demjenigen Teile des Zylinders bringe, der nicht ausgepumpt (exhausted) ist. Demnach kann eine derartig eingerichtete Maschine in derselben Zeit das Zweifache derjenigen Arbeit verrichten, die bisher von einer einfach wirkenden Maschine geleistet ist.“

Die dritte Verbesserung, die Watt vorschlug, bestand darin, daß er die Dampfzylinder und -Gefäße von zwei oder mehreren Dampfmaschinen miteinander vereinigte.

Die vierte Verbesserung bezog sich auf gewisse mechanische Einrichtungen, um die Gestänge und Kolben der Pumpen mit dem Triebbalken, dem Balancier, zu verbinden.

Die fünfte Verbesserung bezog sich auf die Ausgestaltung der Dampfgefäße, indem diese entweder als hohle Zylinder oder als andere regelmäßig runde Hohlkörper oder in Gestalt größerer oder kleinerer Segmente oder Sektoren derartiger Körper ausgebildet wurden.

Am 28. April 1784 erhielt Watt das Patent Nr. 1432 auf „gewisse neue Verbesserungen der Feuer- oder Dampfmaschine und auf Maschinen, die durch dieselbe betätigt und bewegt werden.“

Dieses Patent betrifft neben anderen Einrichtungen das sogenannteWattsche Parallelogramm, d. i. diejenige Vorrichtung, die Watt in mehreren Ausführungsformen erfand, um die geradlinige auf und ab gehende Kolbenstange mit der nach einem Kreisbogen schwingenden Bewegung des Balanciers in Einklang zu bringen, ohne hierzu der bis dahin gebräuchlichen Ketten zu bedürfen.

Der auf diese bahnbrechende Erfindung, für welche Watt mehrere Ausführungsformen vorschlug, bezügliche Teil der Patenturkunde hat folgenden Wortlaut:

„AA(Abb.32) ist der Triebbalken oder Balancier der Maschine;B Dist die Kolben- oder Pumpenstange.CDEsind zwei hölzerne oder eiserne Stangen, die beiEundDmit dem Balancier bzw. mit dem oberen Ende der Kolbenstange verbunden sind und beiCan den SchwingarmCFangelenkt sind, dessen anderes EndeFan der Wand des Maschinenhauses oder an einem sonstigen festen Punkte liegt. Wenn der Balancier in Drehung um seine AchseGversetzt ist, so beschreibt der Punkt E den BogenHEIund der PunktCbeschreibt den BogenKCLum den PunktFals Mittelpunkt, und die Konvexitäten dieser Bogen, die nach verschiedenen Richtungen hin liegen, heben gegenseitig ihre von der geraden Linie sich vollziehenden Abweichungen auf. Die Längen der RadienGEundCFund ihre Verhältnisse zueinander können verändert werden, aber wenn der RadiusCFim Verhältnis mehr verlängert wird alsGE, so muß der PunktDdementsprechend weiter vonEund näher anCgebracht werden, und umgekehrt, wie es sich nach den Regeln der Geometrie ergibt. Der regulierende Radius oder StabCFkann auch oberhalb des Balanciers angeordnet werden, und der letztere kann bezüglich seiner Achse eine andere Anordnung erhalten, wo sich dieses empfiehlt.“

Abbildung 32.Wattsches Parallelogramm.Aus: Muirhead, James WattsMechanical Inventions. Plate 22.Fig. 9–11.

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