Die Zeichnung der Dreifach-Expansionsmaschine zeigt auf der Rückseite der Maschine Zusatzeinrichtungen, wie den Kondensator, der hier in die rückwärtigen Zylinderstützen eingegossenen ist, sowie eine Anzahl von Pumpen, so genannte Maschinenpumpen.
Zur Verdeutlichung des Prozessablaufes in einer Dampfmaschinenanlage und damit auch zum Verständnis der Funktion des Kondensators und der Maschinenpumpen unternehmen wir wieder einen der allseits beliebten, kleinen Ausflüge in die Physik. Wir betrachten hierzu das
Wärmediagramm einer Dreifach-Expansionsmaschine. Es zeigt uns die Zustandsänderungen des Wassers (Dampfes) im Prozesskreislauf.
Wir beginnen auf der Linie der Flüssigkeitswärme, auch untere Grenzlinie genannt, links unten beim Punkt a mit dem Kessel-Speisewasser von 54 Grad (x = 0 bedeutet: Dampfanteil null!). Durch die Zuführung von Wärme im Kessel steigt die Wassertemperatur und am Punkt b dieser Grenzlinie beginnt bei 12 ata und 187 Grad die Verdampfung. Durch weitere Wärmezufuhr, der Verdampfungswärme, erreichen wir bei konstantem Druck und konstanter Temperatur den Punkt c auf der Sättigungslinie (obere Grenzlinie genannt). Hier ist die gesamte Flüssigkeit verdampft und die Wärmezufuhr beendet. Wir sprechen von gesättigten Dampf oder Sattdampf (x = 1). Der Expansion des Dampfes zwischen den Punkten c und d, dem eigentlichen Arbeitsprozess in den Zylindern der Maschine, folgt bei konstantem Druck und konstanter Temperatur (… als Speisewassertemperatur angenommen!) zwischen den Punkten d und a der Wärmeentzug im Kondensator durch Kühlung mit Wasser.
Über die physikalischen Vorgänge im Kondensator wurde bereits berichtet
# 14 (
http://forum-marinearchiv...ex.php/topic,12568.0.html ).
Der Kondensator stellt ein geschlossenes Gefäß dar, in das der Dampf aus dem ND-Zylinder einströmt. Durch die Zufuhr einer hinreichenden Menge Kühlwasser, sei es durch direkte Einspritzung in den Dampf (Einspritzkondensation) oder durch Zirkulation in Rohrbündeln die vom Dampf umströmt sind (Oberflächenkondensation), wird eine möglichst niedrige, konstante Temperatur gehalten. Dieser Temperatur entspricht ein Sättigungsdruck des Dampfes, welcher erheblich unter dem atmosphärischen Druck von 1 bar liegt. Das heißt, im Kondensator entsteht ein Vakuum. Dieses Vakuum ermöglicht die Nutzung eines nicht unwesentlichen Anteils der Dampfexpansion im ND-Zylinder. Das Wärme-Diagramm zeigt, dass ohne Kondensator die nutzbare Dampf-Expansion vermutlich am Punkt 6 (Ausströmen) des MD-Zylinders beendet wäre (Dampftemperatur 100 Grad Celsius = 1 bar). Die weitere Arbeitsfähigkeit des Dampfes würde nicht genutzt (so gen. Auspuff-Verlust). Die schraffierte Fläche zeigt das theoretische Arbeitsvermögen des Dampfes und die weißen Flächen die tatsächlich in den Zylindern erbrachte Arbeit.
Die Kondensatortemperatur liegt in der Regel höher als die Temperatur des zur Verfügung stehenden Kühlwassers. Bei der Temperatur im Kondensator verflüssigt sich bekanntlich der Wasserdampf zu Kondensat. Das Kondensat wird durch Pumpen aus dem Kondensator entfernt und bei Seeschiffen mit ausschließlicher Oberflächenkondensation, in geeigneter Weise zur Speisung der Kessel wieder verwendet, denn salzhaltiges Seewasser ist zur Kesselspeisung ungeeignet. Einspritzkondensation findet man deshalb nur auf Flussschiffen oder Schiffen in Süßwasserrevieren.
Die Aufrechterhaltung des Vakuums im Kondensator wird aber dadurch gestört, dass außer Wasserdampf auch Luft in ihn gelangt. Diese Luft ist teils bereits im Kesselspeisewasser enthalten, teils dringt sie von außen durch ungenügende Dichtungen oder Lecks in den Kondensator bzw. in die unter Vakuum stehenden Teile der Dampfmaschine und Rohrleitungen ein. Darüber hinaus wird durch Luft die Wärmeübertragung im Kondensator und damit seine Wirksamkeit erheblich herabsetzt. Die Luft musste deshalb dauernd durch Luftpumpen entfernt werden
Der zu kondensierende Dampf wurde meistens von oben zwischen die Kühlrohre im Kondensatorgehäuse geleitet. Durch gelochte Prall- oder Leitbleche, sowie durch Gassen zwischen den Rohren, wurde erreicht, dass sich der Dampf mit Sicherheit in ganzer Länge und über alle Rohre verbreitet. Die Kühlrohre sind an den Seiten des Kondensators mit kleinen Stopfbüchsen oder durch Einwalzen in Rohrplatten eingesetzt und bestanden allgemein aus nahtlos gezogenem Messing mit Außendurchmessern von 16 bis 20 mm und Wandstärken von 1 mm bis 2 mm. Je nach Rohr-Durchmesser und Rohranordnung hatte 1 m2 Rohrplatte etwa 1000 bis annähernd 2000 Rohre, das ergab Kühlflächen von 70 bis 90 m2 je Kubikmeter Rohrsystem. Die, in der Zeichnung dargestellte 650 PS-Dreifach-Expansionsmaschine eines kleineren Frachters benötigte vergleichsweise eine Kondensator-Kühlfläche von ca. 85 m2.
Die Kondensatoren von Maschinen bis etwa 1000 PSi sind häufig in die Maschinenständer eingebaut. Sie bestehen dann wie die Ständer selbst, aus Gusseisen und haben eine etwa rechteckige Form. Getrennt von der Maschine aufgestellte Kondensatoren waren meistens rund und aus Gusseisen oder Eisenblech hergestellt. Nicht selten sieht man bei Kriegsschiffen ovale und runde Kondensatoren aus Kupfer- oder Messingblech. Das Kondensatorgehäuse war durch eine Anzahl von Versteifungsrippen gegen Zusammendrücken gesichert. Die Kühlwasser-Vorlagen schlossen beiderseits die Rohrplatten ab. Das Kühlwasser wurde zwei- oder mehrfach durch die Kühlrohre geleitet, das heißt durch einen Teil der Rohre hin und durch den anderen Teil zurück. Dabei ist es in Bezug auf das Vakuum gleichgültig, ob das Kühlwasser oben ein- und unten ausströmt oder umgekehrt. Im letzteren Falle wird die Kondensat-Temperatur allerdings niedriger sein, da das herabtropfende Kondensat über die kältesten Rohre zuletzt rieseln muss. Aber nicht nur das Kondensat wird kälter sondern auch die abzusaugende Luft, das kommt der Wirksamkeit der Luftpumpe entgegen.
Das wirtschaftlichste Vakuum für Kolben-Dampfmaschinen lag bei etwa 0,15 ata (85 Prozent Vakuum) und 45 Grad Celsius Kondensattemperatur. Das vorhandene Luft-Volumen konnte bei diesem Kondensatordruck noch durch übliche Kolbenluftpumpen mit geringer Hubzahl abgesaugt werden. Das Abpumpen von Kondensat und Luft erfolgte in der Regel an der tiefsten Stelle des Kondensatorgehäuses durch so genannte Nass-Luftpumpen. Wegen ihrer einfachen und doch wirkungsvollen Bauweise ist die Edwards-Nass-Luftpumpe häufig anzutreffen. Die Luftpumpe war, wie auch die Kühlwasserpumpe, sowie eine oder zwei Speisepumpen und ggf. eine Lenzpumpe an die Hauptmaschine angehängt. Diese Maschinenpumpen waren über das so genannte Pumpenquerhaupt miteinander verbunden und wurden von einem der Zylinder-Kreuzköpfe über einen Schwinghebel (Balancier) mit Lenkstangen angetrieben.
Die Nass-Luftpumpe ist einfachwirkend und verdichtet einerseits die abgesaugte Luft auf etwas mehr als 1 ata, um diese im Maschinenraum oder über Deck an die Umgebungsluft abzuführen, andererseits pumpte sie das Kondensat vom Kondensator in einen Sammeltank, aus dem es die Speisepumpen wieder in den Kessel förderten. Zur Vermeidung von Wasserschlag beim Wiederanlauf der Maschine nach längeren Betriebspausen ist am Luftpumpengehäuse stets ein Überdruckventilventil oder eine federbelastete Wasserschlagklappe vorhanden. Bei Maschinen bis etwa 100 PSi war gewöhnlich eine, bei größeren Maschinen waren zwei Maschinen-Speisepumpen angeordnet. Die angehängten Speisepumpen waren immer als Tauchkolbenpumpen ausgeführt und daher einfachwirkend. Unmittelbar an den Druckventilkästen befanden sich deshalb zur Minderung der Druckstöße kugelförmige oder zylindrische Windkessel mit einem Inhalt von etwa den 2,5 Fachen des Pumpen-Hubvolumens. Ihre Teller- oder Kegelventile waren bei einem Speisewasser-Druck von 15 bis 20 at mehrheitlich aus Bronze. In den Saug- und Druckleitungen sind meist Absperrventile vorhanden um jede Pumpe ausschalten und während der Fahrt überholen zu können. Um Brüche zu vermeiden, sind die Pumpenzylinder mit Sicherheitsventilen versehen.
Wurde eine Maschinen-Lenzpumpe angehangen, war sie meistens von gleicher Größe und Bauart wie die Maschinen-Speisepumpen und saugte unmittelbar aus der Bilge des Maschinenraums. Häufig finden wir aber auch eine oder zwei Maschinen-Lenzpumpen etwas anderer Bauart, die über einen Excenter am freien Kurbelwellen-Ende angetrieben werden. Hier saugte ebenfalls eine Pumpe ständig aus der Maschinenraumbilge und die ggf. zweite Pumpe saugte entweder ständig aus der Kesselraumbilge oder sie war an die Haupt-Lenzleitung des Schiffes angeschlossen.
Angehängte Kühlwasser-Pumpen arbeiteten mit Drücken um die 1000 mmWS (≈ 0,1 at); wir finden sie bei Maschinen bis ca. 2000 PSi. Um eine gleichmäßigere Wasserströmung zu erzielen waren sie bei Maschinen oberhalb von etwa 200 PSi doppelt wirkend. Zur Vermeidung von Wasserstößen in den Kühlwasser-Leitungen und den Kühlwasser-Rohren des Kondensators wurde hinter den Druckventilen der Kühlwasserpumpe ein Windkessel mit einem Inhalt von etwa dem des Pumpenzylinders angebracht und der Pumpen-Zylinder erhielt ein Schnüffelventil. Die Saug- und Druckventile, häufig als Gummiklappen oder Gummiteller auch mehrfach ausgeführt, waren durch ausreichend große, durch Deckel verschlossene Öffnungen zugänglich und konnten bei Störungen schnell ausgetauscht werden.
Die für den Betrieb der Hauptmaschine nötigen Pumpen wurden aber nicht in jedem Fall an sie angehängt; wir finden die verschiedenen Pumpen gelegentlich auch mit einem von der Hauptmaschine unabhängigen Antrieb. Ausschlaggebend hierfür war vielfach der Typ des Schiffes. Schiffe, deren Fahrt unter Maschine häufig von längeren Liegezeiten unterbrochen wurde, z.B. Schlepper, oder Schiffe mit besonderen Aufgabenstellungen wie etwa Fischerei- oder Arbeitsfahrzeuge, hatten mitunter eigenständig arbeitende Kühlwasser-, Luft- und Speisepumpen, um den Betrieb des Kondensators für den Abdampf einer Anzahl von Hilfsmaschinen auch bei Stillstand der Hauptmaschine aufrecht erhalten zu können.
