Dampmaskin

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til navigering Hopp til søk
Tre vertikale trippel ekspansjonsdampmaskiner under bygging hos Akers mekaniske verksted.
En damplokomotiv fra Øst-Tyskland. Denne typen lokomotiver ble bygget i 1942-1950 og var i drift frem til 1988.

En dampmaskin er en varmekraftmaskin som omformer varmeenergi til mekanisk arbeid med vann som arbeidsmedium. Virkemåten til en dampstempelmaskin er at damp under trykk fra en dampkjele virker med en kraftstemplene og setter disse i bevegelse. Bevegelsen overføres via veivstenger til en veivaksling som gir roterende bevegelse som i neste omgang kan drive propellen på et skip, hjulene på et lokomotiv eller en generator i en kraftstasjon.

Ofte er dampmaskinen utformet slik at vann i gass- og væskeform sirkulerer i en lukket krets. Den ideelle termodynamiske syklusen som brukes for å analysere denne prosessen kalles Clausius–Rankine-prosessen. I denne syklusen blir vann oppvarmet og forvandles til damp i en kjele som arbeider ved høyt trykk. Når dampens varmeenergi benyttes til å drive en stempelmaskin eller turbiner, skapes mekanisk arbeid. Dampen får redusert trykk og temperatur på veg gjennom dampmaskinen. Etter at dampen forlater dampmaskinen, strømmer den ut i kondensatoren, der den kondenseres til vann som pumpes tilbake i kjelen.

Bruk av kokende vann for å produsere mekanisk bevegelse har vært kjent siden oldtiden, men tidlige maskiner var ikke særlig praktiske. Den spanske oppfinneren Jerónimo de Ayanz y Beaumont (1553–1613) fikk i 1606 det første patent på en dampmaskin. I 1698 patenterte Thomas Savery (1650–1715) en damppumpe som virket etter et prinsipp der damp kom i direkte kontakt med vannet som skulle pumpes. Saverys damppumpe anvendte kondensering av damp for å skape et vakuum. Dette førte til at vann ble trukket inn i et kammer, hvoretter det ble påført trykksatt damp for å drive vannet ut. Thomas Newcomens (1664–1729) atmosfæriske dampmaskin var den første anvendbare dampmaskinen som brukte et stempel. Den ble tatt i bruk i 1712 for å pumpe opp vann fra en gruve.

I 1781 patenterte James Watt (1736–1819) en dampmaskin som ga kontinuerlig roterende bevegelse. Watts maskin på ti hestekrefter (hk) ble benyttet til å drive mange forskjellige arbeidsmaskiner. Dampmaskinen var selve drivkraften bak den industrielle revolusjon, blant annet ved at fabrikker som ikke hadde tilgang på vannkraft, kunne drives med dampmaskiner. De atmosfæriske maskinene som Newcomen konstruerte, var svært store i forhold til hvor mye effekt de kunne produsere; derimot var dampmaskiner som opererte med høyt trykk, lette nok til å kunne installeres på kjøretøy som lokomotiver.

Stempeldampmaskiner forble den dominerende kilden til drivkraft helt til begynnelsen av 1900-tallet, da store fremskritt i utformingen av elektriske motorer og forbrenningsmotorer gradvis resulterte i utskifting av stempeldampmaskiner for praktiske anvendelser. Dampmaskiner ble deretter praktisk talt bare å finne i kraftverker, i form av store dampturbiner.

Begrepsavklaring[rediger | rediger kilde]

Dampmaskiner er en type varmekraftmaskin, som innbefatter alle maskiner der varmeenergi omformes til mekanisk energi. Imidlertid er vanlig norsk språkbruk at begrepet «dampmaskin» refererer til selve den maskinen som omformer energien i damp til mekanisk energi.[1] Denne enheten kan også benevnes «dampmotor», spesielt om det er snakk om en stempelmaskin.[2] Begrepet refererer også til et integrert dampanlegg som typisk består av dampkjele, kondensator, pumper, varmevekslere et cetera, som for eksempel et damplokomotiv, et dampskip eller et kraftverk. Det kan også være snakk om et anlegg med dampturbin.

Dampmaskinen er en såkalt ekstern forbrenningsmotor,[3] hvor arbeidsmediet er atskilt fra forbrenningsproduktene. Maskiner basert på varmekilder som solenergi, kjernekraft eller geotermisk energi der forbrenningprosesser ikke skjer for å gi varme, kommer også inn under begrepet.

Historie[rediger | rediger kilde]

Animasjon som viser Eolipil, også kjent som Herons dampkule, som roterer på grunn av reaksjonskraften fra dampstrålene.

Vann i dampform som et middel for overføring av varmeenergi til mekanisk arbeid, har vært kjent i rundt to tusen år. Når vann koker til damp, oppstår en ekspansjon på 1800 ganger det opprinnelige volumet til vannet. Dette ble utnyttet allerede i oldtiden til å drive små maskiner. Disse tror en ble oppfattet som magiske og benyttet som innretninger i templer.[4]

Dampmaskinen utviklet seg mot en stempelmaskin, vanligvis bestående av en støpejernsylinder, stempel, stempelstang og veivstang, aksling og svinghjul, samt diverse stenger for styring. Stemples opp- og nedbevegelse overføres til veivakslingen via stempelstangen og gir rotasjonsbevegelse. Turtallsregulering var enten automatisk, ved hjelp av en regulator, eller ved hjelp av en manuell ventil. Sylinderen inneholder ventiler eller porter for vekselvis innløp og utløp av damp.

De aller første dampmaskinene[rediger | rediger kilde]

Tidlige eksperimenter[rediger | rediger kilde]

Eolipil (også kjent som Æolipil, Heronkule eller Heros dampkule) er beskrevet av forfatteren og tenkeren Heron av Alexandria i det første århundre etter Kristus, og er ansett for å være den første dokumenterte dampmaskin. Et dreiemoment ble produsert av dampstråler som kom ut av dyser montert på periferien av en hul kobberkule. Kulen var lagret opp slik at den kunne rotere, se animasjon. I dag ville en ha kalt dette for en reaksjonsdampturbin. Det er ikke kjent om denne innretningen ble brukt til noe nyttig arbeid.[5][6] I de påfølgende århundrer er de få dampdrevne innretninger som er kjent, i likhet med Eolipil,[7] i hovedsak eksperimentelle maskiner som ble brukt av oppfinnere for å demonstrere egenskapene til damp.

En rudimentær dampturbin ble beskrevet av Taqi al-Din[8] i 1551 og etter dette av Giovanni Branca[9] i 1629.[10] Brancas ide var å la en dampstråle virke med en kraft på et skovlhjul. Dette skulle i sin tur brukes til å drive knuseverket til apotekere og alkymister. For at knuseverket ikke skulle få for stor hastighet, gikk ideen videre ut på å lage et system av girutveklsinger. Hvorvidt denne ideen noen gang ble realisert er ikke kjent.[11] Jerónimo de Ayanz y Beaumont fikk i 1606 patent på femti oppfinnelser med dampdrevne maskiner, inkludert en vannpumpe for drenering av gruver. Han var den første til å få patent på en dampmaskin.[12][13]

Den franske vitenskapsmannen Denis Papin gjorde noen oppdagelser vedrørende en dampkoker i 1679, og fant på å utstyre denne med en sikkerhetsventil.[14] Papin fant også på å bruke konseptet med et stempel i en sylinder for en dampmaskin. Han oppdaget at om en først hadde damp i en sylinder og etterpå helte litt kaldt vann utenpå den, ville stemplet bli drevet ned med stor kraft. På grunn av den tyske fysikeren Otto von Guerickes eksperimenter visste en fra tidligere at det kunne være store krefter involvert i innretninger med vakuum eller luft under trykk.[15] Andre som på 1600-tallet bidro til å utvide forståelsen av sammenhenger mellom krefter, varme og trykk, var den italienske fysikeren Evangelista Torricelli (1608–1647), den irske fysikeren Robert Boyle (1627–1692) og den engelske oppfinneren og matematikeren Samuel Morland (1625–1695).[4] Morland skal også ha gjort noen eksperimenter med dampdrevne pumper.[9]

Pumpemaskiner[rediger | rediger kilde]

Thomas Saverys dampdrevne pumpe med de to kamrene som kunne suge opp vann når damp i dem ble kondensert. Når kammeret i neste omgang var fylt av vann, ble det brukt damp under trykk for å tømme vannet ut og løfte det videre oppover. Illustrasjon fra 1698.

Det er kjent at en adelsmann med navn Edward Somerset (1602/1603–1667) eksperimenterte med en «vannløfter» (engelsk: «water commanding machine») som skulle få vann opp av dype gruver. Vanligvis ble både hester og straffanger brukt til å drive pumper for å få opp vannet, men ofte var ikke dette godt nok og Somerseth eksperimenterte med en dampdrevet pumpe. I 1663 fikk han patent på en slik innretning som han bygde tre eksemplarer av. Én ble bygget på hans eget gods Raglan Castle, og rester av denne kan tyde på at prinsippet gikk ut på å presse vann opp et rør ved hjelp av damptrykket fra en kjele.[11]

Den første brukbare dampdrevne maskinen var også en vannpumpe, utviklet i 1698 av Thomas Savery (1650–1715).[16][4] Den fungerte ved at damp som kondenseres i en tank skapte et vakuum som ble brukt til å heve vann, i neste trinn ble dampens trykk brukt for å heve vannet opp til et enda noe høyere nivå. For å øke effekten ble to tanker brukt til å vekselvis suge og trykke vannet opp, se illustrasjon. Små maskiner av denne typen var effektive, men større modeller var mer problematiske. Maskinene hadde en begrenset løftehøyde, samt at de i tillegg var utsatt for kjeleeksplosjoner. Denne maskinen fikk en viss utbredelse i gruver og pumpestasjoner.[17][18]

Den spanske aristokraten Bento de Moura Portugal (1702–1766) introduserte en forbedring av Saverys konstruksjon «for å gjøre den i stand til å jobbe selv», som John Smeaton (1724–1792) beskrev den i Philosophical Transactions utgitt i 1751.[19] Maskinen ble produsert helt opp til slutten av 1700-tallet,[20] og én maskin var i drift helt til 1820.[21]

Stempeldampmaskiner[rediger | rediger kilde]

Thomas Newcomens dampmaskin fra rundt 1712. Vann (N) som ble sprøytet inn i den dampfylte sylinderen (D) fortettet dampen, slik at det ble skapt delvis vakuum. Dette drev stemplet (E) ned på grunn av atmosfærens trykk, noe som i sin tur drev ned armen (G) som hevet stemplet (H) i pumpen. Dermed ble vann pumpet opp av gruven. Når stemplet er trykket helt ned i sylinderen åpner kranen (C) for å slippe inn damp fra dampkjelen (B), og stemplet farer opp, slik at syklusen kan gjentas. Illustrasjon fra 1889.

Den første anvendbare og vellykkede dampmaskin, i den forstand at den kunne generere effekt og overføre den til en arbeidsmaskin, var en såkalt atmosfærisk maskin, oppfunnet av Thomas Newcomen (1664–1729) rundt 1712.[22][23][9] Newcomen fikk bygget sin dampmaskin ved Dudley Castle i Staffordshire.[4] Denne var en forbedring av Saverys damppumpe ved at den anvendte et stempel som beveget seg i en sylinder, slik som Papin tidligere hadde foreslått. Den arbeidet ved å skape et delvis vakuum ved kondensering av damp under et stempel inne i en sylinder, men den var nokså ineffektiv. Typisk bruksområde også for denne dampmaskinen var drenering av gruver med større dyp enn det som tidligere var mulig. Et annet bruksområde var å gi vanntilførsel til å drive vannhjul i fabrikker. Vann som hadde gått over vannhjulet ble pumpet tilbake til et reservoar ovenfor hjulet.[24]

Newcomens dampmaskin fikk stor utbredelse og denne typen maskiner ble satt opp i Frankrike, Tyskland, Østerrike, Spania, Sverige og USA. I Russland ble også en slik maskinen bygget for Peter den store, som skulle ha den til sitt parkanlegg i Sankt Petersburg. Det kom flere forbedringer av Newcomens dampmaskin slik at det ble mulig å pumpe vann opp fra stadig større dyp i gruvene.[25]

I 1720 beskrev Jacob Leupold (1674–1727) en to-sylindret høytrykksdampmaskin.[26] Oppfinnelsen ble publisert i hans hovedverk Theatri Machinarum Hydraulicarum, og skal være den første beskrivelsen av en fungerende dampmaskin som ikke baserer seg på stempelbevegelse drevet frem av atmosfærens trykk.[27][28] Maskinen brukte to tunge stempler til å drive en vannpumpe. Hvert av stemplene ble hevet av damptrykket og returnerte til sin opprinnelige stilling ved hjelp av tyngdekraften. De to stemplene delte en felles fireveis roterende ventil som var koblet direkte til en dampkjele.[29] Imidlertid hadde maskintypen lett for å eksplodere. Dermed tok det lang tid før den ble introdusert og videreutvikle i Storbritannia og USA. Blant dens største fordeler var overlegent bedre brennstofføkonomi, lavere friksjon og mer kompakt utførelse enn de atmosfæriske maskinene.[30][31] Leupolds dampmaskin hadde innflytelse på konstruksjonen av det dampdrevne kjøretøyet som Nicolas-Joseph Cugnot bygde i 1771. Dette holdes for å være verdens første bil.[28]

Tidlig utgave av Watts dampdrevne pumpemaskin. Denne ligner mye på Newcomens maskin, men kondenseringen av dampen skjer i et eget kammer adskilt fra arbeidssylinderen. Illustrasjon fra 1913.

Det neste stort skritt skjedde da James Watt (173–1819) i årene 1763–1775 utviklet en forbedret versjon av Newcomens maskin. Ideen gikk ut på at istedenfor å sprøyte kaldt vann inn i sylinderen, skulle dampmaskinen ha en separat kondensator der vanninnsprøytingen skulle skje. Denne skulle være i forbindelse med sylinderen og skape undertrykk. Hensikten med dette var å unngå at sylinderen og stemple skulle bli unødvendig mye nedkjølt. Firmaet Boulton & Watt, som Watt var medeier i, hadde utviklet en tidlig maskin som brukt halvparten så mye kull som John Smeatons forbedrede versjon av Newcomens dampmaskin.[32][33]

Newcomens og Watts tidlige maskiner var «atmosfæriske». De ble drevet av at atmosfærens trykk presset et stempel inn på grunn av det partielle vakuumet som kondenserende damp skaper. Maskinens sylindere måtte være store for å få stor nok kraft, da trykket fra atmosfæren ikke er særlig stort.[24][34] Senere fant Watt på å la damptrykket driver stemplet. Først laget han en maskin der trykket virker på bare den ene siden av stemplet, senere fant han på å la dampen vekselvis drive stemplet fra begge sider. På grunn av dette snakker en om enkeltvirkende eller dobbeltvirkende dampmaskiner.[32]

Watt fortsatte å utvikle sin maskin videre, og endre den slik at den ga roterende bevegelse egnet for drift av arbeidsmaskiner i fabrikker. I 1781 fikk han patent på denne nye maskinen. Dermed kunne fabrikker lokaliseres langt borte fra elver, fordi andre energikilder enn vannkraft kunne anvendes for fabrikkenes maskiner. Dette akselererte ytterligere tempoet i den industrielle revolusjon.[34][35][36][37] Denne maskinen var på ti hk og ble benyttet til å drive mange forskjellige arbeidsmaskiner. Maskinen kunne plasseres hvor som helst der vann og kull eller annet brensel kunne oppdrives.[38] Watt anvendte også kondensator for sine damptrykkmaskiner, denne skape et sterkere undertrykk og forsterket kraften på stemplet.[39] Av andre ideer Watt kom opp med, var å utstyre dampmaskinen med sentrifugalregulator og svinghjul for å få jevn hastighet, samt at dampkjelen ble utstyrt med sikkerhetsventil for å unngå kjeleeksplosjon og vannstandsglass for at fyrbøteren skulle vite når det var på tide å fylle på mer vann.[32]

Boulton & Watt raffinerte dampmaskinene videre og oppnådde etter hvert maskiner som brukte bare femtedelen så mye kull som de gamle atmosfæriske maskinene. En forretningsidé var at bedriftene som fikk installert dampmaskiner fra Boulton & Watt skulle betale dem tredjeparten av det de sparte i drivstoffutgifter i 25 år. Før 1800 var det blitt bygget hele 500 dampmaskiner fra Boulton & Watt, de fleste i England. Fabrikken som laget dampmaskiner i Soho i Smethwick, ble en stor attraksjon, der ingeniører, forretningsmenn, aristokrater og diktere som kom for å bivåne produksjonen. I 1848 ble den første dampmaskinen i Norge tatt i bruk av Marinens verksted i Horten. Denne kom fra Boulton & Watt.[40] Rundt Watts død ble de første skip med dampmaskin for fremdrift sjøsatt.[41]

Utviklingen av moderne dampmaskiner[rediger | rediger kilde]

Utvikling av den teoretisk forståelsen[rediger | rediger kilde]

De teoretiske aspektene til dampmaskinen var empiriske (erfaringsbasert) og ofte feilaktig forstått. Begreper om varmens natur relaterte effekt til damptrykk. Den franske matematikeren Nicolas Léonard Sadi Carnot (1796–1832) ga et bedre teoretiske grunnlag. Videre ble eksperimenter utført av fysikerne Benjamin Thompson (1753–1814) og James Prescott Joule (1818–1889) rundt 1843 som førte til utviklingen av nye begreper. Blant annet førte dette til forståelsen av at «varme og energi er gjensidig konvertible...» og at varmen tilført en dampmaskin er den egentlige drivkraften og at trykk bare er en sekundær størrelse.[4]

Arbeidet til den skotske fysikeren William John Macquorn Rankine (1820–1872) og den britisk fysikeren William Thomson Kelvin (Lord Kelvin) (1824–1907) videreutviklet den teoretiske forståelsen av varme og varmekraftmaskiner. Det ble påvist at dampmaskinen var ekstremt ineffektiv, altså at den hadde lav virkningsgrad. Thomson avledet matematisk effektiviteten til en perfekt varmekraftmaskin, kjent som Clausius–Rankine-prosessen. Den viste at jo større temperaturfall som oppstod i maskinen, desto større ville virkningsgraden være. Utviklingen fremover rettet seg mot forbedring av konstruksjonen av dampmaskinen, spesielt at en skulle få en større mengde nyttig arbeid fra en gitt mengde drivstoff. Det fulgte mange tekniske fremskritt, som Corlissventilen (ventiler for inn- og utslipp av damp til sylinderen) oppfunnet av den amerikanske ingeniøren George Henry Corliss (1817–1888), høyhastighets maskiner og forbedrede regulatorer. Andre oppfinnelser var overoppheting av dampen, forbedring av dampkjelene og bruken av drivstoffet.[4]

Regulering av hastigheten[rediger | rediger kilde]

Sentrifugalregulator for en dampmaskin av typen som James Watt utviklet. Regulatoren skal sørge for jevn hastighet, og er koblet til maskinens aksling slik at den alltid har en hastighet som er proporsjonal med dampmaskinen. Illustrasjonen viser et tilfelle der hastigheten øker, noe som fører til at de roterende kulene beveges utover, ved hjelp av armer og spaker fører dette til at dampventilen, vist nede til høyre, reduserer pådraget av damp. Dampmaskinen vil da redusere hastigheten.

Sentrifugalregulatoren ble tatt i bruk av James Watt i 1788, etter at Watts partner Boulton hadde sett en slik innretning i bruk på en mølle.[42]

Hensikten med regulatoren er at den skal holde konstant hastighet uavhengig av maskinens belastning. Altså at dampmaskinen holder noenlunde konstant hastighet både i tomgang og ved fullt pådrag. Dette vil igjen si at maskinen gir det dreiemoment og den effekt som arbeidsmaskinen krever.

Den enkle sentrifugalregulatoren kunne ikke holde en gitt fart, fordi den vil forutsette en ny hastighet som respons på belastningsendinger, noe som kalles stasjonært avvik. Regulatoren var i stand til å håndtere mindre tilstandsvariasjoner, som for eksempel varierende varmeutvikling i kjelen. Blant dens andre ulemper var en tendens til oscillasjoner som respons på hastighetsendring. Ofte vil lastavslaget bli litt for stort slik at hastigheten blir noe lavere enn ønsket, regulatoren vil dermed måtte øke pådraget, som i neste omgang blir litt for høyt. Dette gjentas flere ganger etter hverandre. Dermed fås et oscillerende forløp før ny stasjonær likevekt oppstår, noe som kalles et innsvingningsforløp. Samme forløp vil også oppstå ved et lastpåslag, altså at hastigheten i første omgang går ned. Regulatorene ble forbedret opp gjennom årene, slik at ved slutten av 1800-tallet eksisterte det regulatorer med gode egenskaper for konstant hastighetskontroll.[43] Store svinghjul kompenserte også for regulatorens treghet og svakhet med innsvingningsforløp.

Høytrykksmaskiner[rediger | rediger kilde]

Watts patent forhindret andre fra å utvikle høytrykksmaskiner. Kort tid etter at Watts patent utløp i 1800, introduserte Richard Trevithick (1771–1833) og, uavhengig av ham, Oliver Evans (1755–1819) i 1801[37][44] maskiner som baserte seg på damp med høyt trykk. Trevithick fikk sin dampmaskin patentert i 1802,[45] mens Evans hadde utarbeidet flere modeller tidligere.[46] Watt hadde benyttet et damptrykk på ikke mer enn 1,5 atm, samt utnyttet undertrykket som kondensatoren skapte. Trevithick gikk mye lengre og anvendte maskiner med et trykk på 8 atm.[39] Disse var mye kraftigere for en gitt sylinderstørrelse enn tidligere maskiner. De kunne i tillegg gjøres små nok til å være fremdriftsmaskineri for damplokomotiver. Deretter førte teknologiske nyvinninger og forbedringer av produksjonsteknikker til utformingen av mer effektive maskiner som kunne være mindre, raskere eller ha større ytelse, avhengig av bruksområde.[24] Watt på sin side mente at disse maskinene var livsfarlige.[39]

Den såkalte Cornish-maskinen ble utviklet av Trevithick og andre i 1810-årene.[47] Det var en såkalt copundmaskin som benyttet høytrykksdamp som ekspanderte i to trinn, det vil si at dampen først ble benyttet i én sylinder, før den ble ført videre og benyttet i enda en sylinder. Deretter ble lavtrykksdampen ledet ut av maskinen og kondensert, slik at maskinen fikk forholdsvis høy virkningsgrad. Cornish-maskinen hadde uregelmessig bevegelse og dreiemoment gjennom syklusen, noe som begrenset dens anvendelse hovedsakelig til pumping. Cornish-maskinen ble brukt i gruver og for vannforsyning, helt opp til slutten av 1800-tallet.[48]

Horisontale stasjonære maskiner[rediger | rediger kilde]

Dampmaskin med dobbeltvirkende sylinder for stasjonært bruk. Dette var en vanlig maskin på midten av 1800-tallet. Legg merke til sleiden som styrer damptilførselen inn (lyserød) og ut (lyseblå) på hver side av sylinderen. Legg også merke til regulatoren med de to kulene over sylinderen som skal sørge for jevnt turtall.

Tidlige konstruktører av stasjonære dampmaskiner anså horisontale sylindere til å bli utsatt for stor slitasje. Derfor ble maskinene konstruert med vertikale sylindre og stempler. Med tiden ble den horisontale ordningen mer populær. Dermed ble mer kompakte, men kraftige dampmaskiner for montasje der plassen er begrenset, utviklet.

Den mest vellykkede av de horisontale maskinene ble kjent som Corliss-dampmaskin, etter Corliss som patenterte denne i 1849. Dette var en dobbeltvirkende maskin med fire ventiler for å styre dampen inn og ut på vekselvis hver sin side av stemplet. Den hadde sogar en automatisk dampventil for variabel avstenging av dampen. Da Corliss ble gitt Rumfordmedaljen sa komiteen at «ingen oppfinnelse siden Watts tid har gitt så store forbedringer av effektiviteten av en dampmaskinen».[49] I tillegg til å bruke 30 % mindre damp, utviklet den jevn hastighet på grunn av finessen med variabel dampstenging, noe som gjorde den godt egnet til å drive produksjonprosesser, spesielt spinning av bomull.[24][37] Corliss fikk i anledning av en utstilling i Philadelphia i 1876 bygget til da verdens største dampmaskin med en ytelse på 2400 hk. Denne var 12 meter høy.[50]

Stadig bedre dampkjeler[rediger | rediger kilde]

En såkalt Lancashire boiler fra 1911. En stor del av volumet vist med rødt er fylt med vann. Innkast av kull skjer gjennom de to ovnsdørene vist i bildet øverst til venstre. Ild og røyk føres gjennom to store kanaler gjennom kjelen, deretter følger røykgassene i en kanal først under kjelen, så på sidene av den, se pilene i det oransje området.
Illustrasjon av Schmidts superheater fra boken Heat Engines utgitt 1913.

De tidlige dampkjeler var store beholdere som lignet kjeler; de hadde plan bunn og hvelvet overdel. Typisk lå trykket bare så vidt over atmosfærens trykk, men da en gikk over til noe større trykk på slutten av 1700-tallet, begynte en å anvende sylindriske dampkjeler. Ellers var det vanlig at kjelene ble innmurt og at fyringen skjedde fra undersiden.[51]

Både Newcomen og Savery bygde dampkjeler basert på erfaring fra bryggeriene som på denne tiden som utviklet store bryggepanner. Et stort problem på 1700-tallet var å finne konstruksjonsmetoder for å holde kjelene tette. Ofte ble tjære og drev (hamp), talg (innvollsfett) og bek brukt i skjøtene mellom platene som kjelen ble satt sammen av, men det beste viste seg ofte å være å ha litt hestemøkk i dampkjelen. Stråfibrene i møkk ville nemlig presse seg inn mellom lekke fuger, slik at disse etter hvert ble tettet igjen.[52]

Watt mente at trykket måtte holdes lavt for å unngå kjeleeksplosjoner, mens konkurrenten Trevithick dristet seg til å øke trykket. Da en av hans kjeler eksploderte i 1803 og drepte to personer, henvendte Watt seg til parlamentet med beskyldning om at Trevithick var en farlig morder som måtte stoppes.[53] Dampkjeler som eksploderte var ikke uvanlig utover 1800-tallet. Tinius Olsen (1845–1932) var en ingeniør fra Kongsberg som slo seg ned i USA. I Philadelphia bygget han et verksted for prøving av dampkjeler for å gjøre grundige tester før de settes i bruk.[54] Dette virksomheten eksisterer fremdeles og er spesialisert på materialtesting.

Dampkjelene ble bygget som komplekse systemer for å få best mulig varmeovergang fra ild og røykgass til vannet i kjelen. Illustrasjonen (Lancashire boiler) viser en dampkjele der selve forbrenningen skjer i to runde kanaler inne i selve kjelen, såkalte flammerør, videre føres røyken via kanaler på utsiden av kjelen. I hovedsak ble forskjellige typer av røykrørskjeler benyttet gjennom 1800-tallet og utover begynnelsen av 1900-tallet. Disse hadde en mengde gjennomgående rør gjennom kjelen der røykgassen ble ført.[51] Senere ble vannrørskjeler mer og mer vanlige, der vannet førers inn i en mengde rør omgitt av ild og røykgasser. Dampen dannes i disse rørene, og i de såkalte tromlene utskilles dampen fra vannet. En stor fordel med disse kjelene er at damptrykket ikke virker på store flater, dermed kunne en øke trykket, temperaturen og størrelsen omtrent så mye en måtte ønske. For øvrig ble de første kjeler av vannrørstypen foreslått rundt midten av 1800-tallet, men først på slutten av århundret fikk de noen større anvendelse.[55]

Det er det store trykket i dampkjelen som gjør at vannet, og dermed også damptrykket, kan heves til temperaturer godt over 100 °C. (Kokepunktet til vann er 100 °C ved atmosfæretrykk). Ved å operere med høye temperaturer økes effektiviteten til dampkjelen, slik at høyt trykk og temperatur ble et viktig mål for å redusere energiforbruket.

Senere ble dampmaskinene bygget med kjeler som skapte damp med svært høy temperatur, såkalt overopphetet damp. Den tyske ingeniøren Wilhelm Schmidt (1858–1924) regnes for å stå bak gjennombruddet innenfor teknologien som kalles overhetet damp.[a] Schmidt konstruerte dampkjeler med ett trinn etter selve kjelen der vannet koker, der han lot dampen gå gjennom et sinnrikt system av rør, se illustrasjon (Schmidts superheater). Disse rørene var anbrakt der ild og røykgasser passerte, slik at dampen fikk temperaturer helt opp mot 350 °C. Med denne videreutviklingen ble effektiviteten, eller virkningsgraden, forbedret ytterligere. Forbruket av drivstoff per utviklet hestekrafttime (energi) er et mål for dette. Newcomens dampmaskin brukte 18 kg kull, Watts maskin 4 kg kull, Corliss' maskin 600 g kull og i moderne tid bare rundt 200 g kull, der alle tall er masseenhet kull per hestakrafttime.[50]

Utvikling innenfor anvendelsesområder for dampmaskiner[rediger | rediger kilde]

Damplokomotiv[rediger | rediger kilde]

Trevithick's Coalbrookdale-lokomotiv fra 1802. Dette var bygget for jernverket i Coalbrookdale i Storbritannia.

Ettersom utviklingen av dampmaskiner gjorde store fremskritt utover 1700-tallet, ble det gjort flere forsøk på å bruke dem til transport.[56] I 1784 bygget den skotske oppfinneren William Murdoch (1754–1839) en prototype på et dampdrevet kjøretøy.[57] En tidlig arbeidsmodell av et dampdrevet lokomotiv ble konstruert av Fitch i USA, trolig i løpet av 1780- eller 1790-årene.[58] Hans damplokomotiv brukte hjul som ble ledet av skinner.

Det første fullskala jernbanedamplokomotiv som fungerte, ble bygget av Trevithick i Storbritannia. Den 21. februar 1804 ble verdens første jernbanereise foretatt, da Trevithicks navnløse damplokomotiv kjørte av gårde med et tog langs jernbanelinjen fra Pen-y-darren jernverk, i nærheten av Merthyr Tydfil til Abercynon i den sørlige delen av Wales.[56][59][60] Konstruksjonen av lokomotivet innebar en rekke viktige innovasjoner, blant annet å bruke høytrykksdamp, som reduserte vekten av maskinen og ga økt effektivitet. Trevithick besøkte Newcastle senere i 1804, og Colliery-banen i Nordøst-England ble et ledende senter for eksperimentering og utvikling av damplokomotiver.[61]

Trevithick fortsatte sine egne eksperimenter med lokomotiver, blant annet utviklet han lokomotivet Catch Me Who Can («Fang meg den som kan») i 1808. Fire år senere ble det vellykkede lokomotivet Salamanca, med to sylindre, konstruert av maskinbyggeren Matthew Murrayble (1765–1826). Han satte dette i drift på gruvebanen Middleton Railway.[62] I 1825 bygde George Stephenson (1781–1848) Locomotion for Stockton and Darlington Railway. Dette var den første offentlige jernbanen i verden, senere i 1829 bygde han det kjente lokomotivet The Rocket. Det ble på denne tiden avholdt en konkurranse om hvem som kunne bygge det beste lokomotivet, kjent som Rainhillkonkurransen. The Rocket var påmeldt og vant konkurransen.[63]

Da Liverpool and Manchester Railway åpnet i 1830, var dette den første banen som kun brukte damplokomotiver både for person- og godstogene. Damplokomotiver fortsatte å bli produsert fram til slutten av 1900-tallet i land som Kina og det tidligere Øst-Tyskland.[64]

Kjøretøyer[rediger | rediger kilde]

En dampdrevet bil fra 1950-årene kalt Paxton Phoenix produsert av McCulloch Motors Corporation. Bilen har en ytelse 89 kW.

De første ideer om dampdrevne kjøretøyer oppstod på slutten av 1600-tallet,[65] og Ferdinand Verbiest (1623–1688) er muligens den som bygde det første dampdrevne kjøretøyet allerede i 1672.[66] Imidlertid er det mer sikker dokumentasjon for at det første dampdrevne kjøretøyet ble bygget av Nicolas-Joseph Cugnot.[65]

I den første halvdelen av 1800-tallet ble det gjort store fremskritt med bruk av damp for å drive kjøreinnretninger. Forbedringer innenfor kjøretøyteknologi fortsatte fra 1860-årene til ut på 1920-årene. Dampdrevne kjøretøyer ble brukt til mange formål, men den raske utviklingen av forbrenningsmotoren på begynnelsen av 1900-tallet førte til at en mistet troen på dampmaskinen som en kilde til fremdrift av motorkjøretøyer på kommersiell basis. Dette til tross for at dampdrevne biler hadde fordeler som at de ikke trengte gir, de var relativt stillegående og forurenset lite, samt at de kunne bruke mange typer drivstoff.[65][67][68]

Forskjellige dampdrevne stasjonære og mobile enheter ble konstruert for anvendelse på større gårdsbruk. Med anvendelse i jordbruket ble det en økning i areal tilgjengelig for dyrking. Det har blant annet vært benyttet dampdrevne traktorer.[69]

På slutten av 1960-årene ga luftforurensningsproblemer i California opphav til en kort periode hvor det ble satset på å utvikle dampdrevne biler. På grunn av renere forbrenning og mulig høyere virkningsgrad med ekstern forbrenning, håpet en at dette skulle føre til mindre forurensning. Forskningen ble finansiert både av delstaten og privat, men forsøkene strandet på midten av 1970-årene.[70]

Skipsmaskiner[rediger | rediger kilde]

Dobbeltvirkende trippelekspansjonsdampmaskin gjennomskåret. Høytrykkssylinderen til venstre, mellomtrykk i midten og lavtrykkssylinderen til høyre. Sleidene som styrer dampen på hver sin side av stemplene sees til venstre for hver av sylindrene de tilhører. Denne har stått i en Østerriksk torpedobåt fra 1888. Ytelsen var 660 kW og rotasjonshastighet 280-370 rpm.

Allerede Watt var inne på tanken om å drive et skip med dampmaskin. Blant annet snakket han om en «spiralformet åre» drevet av en dampmaskin, altså en idé til en propell. Imidlertid var det briten Jonathan Hulls (1699–1758) som først gjorde forsøk med en dampdrevet båt, der skovlhjul på siden ble brukt for fremdrift. Hans forsøk skal ha skjedd rundt 1736, men var ikke spesielt velykket.[71] Senere greide amerikaneren John Fitch (1743–1798) å lage en vellykket båt som ble demonstrert i Philadelphia i august 1787. Denne ble brukt i forsøk med post- og passasjerbefordring.[72]

Det første dampskip for passasjerer ble bygget av Henry Bell (1767–1830) i 1812 og fikk navnet «Comet». Dette gikk mellom Greenock og Glasgow, før det ble ødelagt i 1820. I løpet av dens levetid var det blitt bygget flere dampskip både i Europa og USA, de fleste for transport på elver.[73] Det første dampskip over Atlanteren var «Savannah», dette hadde både seil og dampmaskin. På sin jomfrutur i 1819 brukte det 29 dager fra New York til England. På seilasen var dampmaskinen i drift bare rundt 80 timer. Skipet fortsatte inn Nordsjøen, helt til Sankt Petersburg. På tilbaketuren var skipet innom Norskekysten. Sjøfolk som så skipet mente at ting ikke gikk riktig for seg, for som det ble sagt, kan en ikke «koke seg over Atlanterhavet».[74] Frem til 1838 var det bare noen få seilskip med dampmaskin ombord som dro over Atlanteren, men dette året krysset britiske D/S «Sirius» Atlanteren kun med dampmaskin som fremdriftsmiddel. Det store gjennombruddet for dampskip kom i 1880-årene, da denne teknologien ble så godt utviklet at seilskip gradvis ble fortrengt.[75]

Mot slutten av 1800-tallet kom flertrinns dampmaskiner i utbredt bruk. Disse virker ved at damp fra en sylinder føres ut og utnyttes videre i neste trinn der sylinderen har større volum. Etter som dampen fortsatt har trykk, kan den utnyttes slik at neste sylinders større volum kompensere for det lavere trykket. Dermed oppnås økt virkningsgrad. Spesielt på skip ble slike maskiner benyttet hvor høy virkningsgrad var viktig for å redusere vekten av kullbeholdningen.[24] I 1883 hadde en oppnådd å konstruere maskiner med en ytelse på opptil 10 000 hk.[38]

Før og under Første verdenskrig var dampstempelmaskiner dominerende for skip. Imidlertid ble ofte stempelmaskiner erstattet av dampturbiner der stor hastighet var nødvendig, for eksempel i krigsskip og cruiseskip. HMS «Dreadnought», bygget i 1905, var det første store krigsskip som erstattet den velprøvde teknologien med stempelmotor med den da nye dampturbinen.[76][77] Fremskritt i utformingen av forbrenningsmotorer førte til en gradvis overgang til disse maskinene i handelsskip.[78] Dampturbiner har imidlertid vært anvendt en del på store skip utover på 1900-tallet.[79]

Oppfinnelsen av dampturbinen[rediger | rediger kilde]

Parsons' dampturbin med dekslet løftet av slik at en kan se skovelhjulet. Illustrasjon fra 1911.
Turbinia var verdens første båt med dampturbin.

Den siste store utviklingen innenfor dampteknologi var utviklingen av dampturbiner som startet på slutten av 1800-tallet. Dampturbiner er generelt mer effektive enn stempelmaskiner, spesielt for ytelser over flere hundre hestekrefter. De har færre bevegelige deler, og gir en roterende bevegelse direkte, i motsetning til stempelmaskiner som krever et ofte komplisert system av akslinger og stenger for å omforme stempelbevegelsen til rotasjon.[80] Pionerene innenfor utviklingen av dampturbiner var den svenske ingeniøren Gustaf de Laval (1845-1913) og den britiske ingeniøren Charles Algernon Parsons (1854-1931). Disse bygget hver sine dampturbiner uavhengig av hverandre og etter helt forskjellige prinsipp, i 1880-årene. De Laval lot dampen strømme ut av dyser med stor fart mot et skovlhjul. Hjulet fikk da en fart på oppimot 30 000 rpm, noe som i seg selv skapte store utfordringer, blant annet med å unngå at akslingen gikk i stykker. Parsons laget skovler på turbinhjulet som lot dampens hastigheten bli stadig mindre, samtidig som volumet økte på sin vei gjennom dem, se illustrasjon.[81]

Dampturbiner hadde nesten fullstendig erstattet stempelmaskiner i kraftverkene allerede tidlig på 1900-tallet. Deres høyere virkningsgrad, større og jevnere hastighet passer bedre til å drive generatorer enn stempelmaskiner.[78] Moderne dampmaskiner kan ha tilsammen flere tusen skovler, der damptemperaturer på 500 °C med et trykk på 100 atm ikke er uvanlig.[81]

Oppsett og virkemåte for dampmaskiner[rediger | rediger kilde]

Animasjon som viser hvorledes en enkel dampmaskin fungerer, her på et damplokomotiv. Rød farge viser dampen som kommer inn i sylinderen (7) på vekselvis den ene eller andre siden av stempelet. Når det strømmer inn damp på den ene siden, støtes dampen ut på den andre siden av stemplet. Sleiden (6) sørger for at damp inn og ut skjer til riktig tidspunkt/posisjon. Kraften og bevegelsen fra stemplet overføres til lokomotivets hjul via stenger (5) slik at alle de tre store hjulene drives rundt. I tillegg er det stenger for sleidstyringen, som blant annet kan reverseres, samt at en kan regulere hvor stor del av slaglengden stemplet skal få trykksatt damp fra kjelen. Alt dette kan reguleres av lokomotivføreren via stengene (1, 2, 3, 4 og 8).

Enkel dampmaskin[rediger | rediger kilde]

På sitt aller enkleste fungerer en dampmaskin ved at dampen passerer gjennom bare én sylinder.[82] Den brukte dampen går så direkte ut i luften, eller inn i en kondensator. Etter som dampen ekspanderer når den trykker stempelet i sylinderen ut, synker dens temperatur, siden det ikke er noen tilførsel av varme når dette skjer. En slik prosess, der ingen varme blir tilført et systemet med ekspanderende damp, er kjent som en adiabatisk ekspansjon. Prosessen er karakterisert ved at damp kommer inn i sylinderen med høy temperatur og forlate den med lavere temperatur. Dette fører til en syklus av oppvarming og avkjøling av sylinderen for hvert slag, noe som betyr tapt virkningsgrad. For å få mer energi ut av dampen for hver stempelbevegelse, kan sylinderens slaglengde økes, men dette gir ulempen med at sylinderveggen får større overflater, noe som gir økte varmetap.[83]

Sammensatte maskiner[rediger | rediger kilde]

En metode for å redusere omfanget av energitapet i en lang sylinder ble oppfunnet i 1804 av den britiske ingeniøren Arthur Woolf (1766-1837), som patenterte det han kalte Woolfs høyttrykk compound dampmaskin i 1805. Maskinen virket ved at høytrykksdamp fra kjelen ekspanderte i en høytrykkssylinder, deretter ble dampen ledet inn i én eller flere etterfølgende mellom- og lavtrykkssylindere. Hele ekspansjonen av damp ble dermed oppnådd gjennom flere sylindre, noe som reduserte arealet av sylindervegger som ble eksponert for damp. Ved at en oppnådde mindre areal per volumenhet av damp i hver sylinder, gikk mindre varme tapt i hver av dem, noe som økte maskinens virkningsgrad. Da en arrangere dampmaskinene slik at ekspansjonen skjer i flere sylindere, kunne også problemet med varierende dreiemoment reduseres. For at det skulle bli utvikle likt arbeid i sylinderne med lavere trykk, måtte de ha et større sylindervolum ettersom denne dampen opptar større volum. Derfor ble sylinderdiameteren, og gjerne også slaglengden, økt i lavtrykkssylinderne.[24] Typisk vil lavtrykkssylinderens areal bli to til tre ganger høytrykkssylinderens areal.[84]

Dobbel ekspansjonsmaskin (ofte omtalt som compoundmaskiner) lot dampen ekspandert i to trinn. En kunne la disse dupliseres, eller istedenfor én stor lavtrykkssylinder kunne det være to enheter. Dermed kunne høytrykkssylinderen mate ut damp til vekselvis den ene og den andre lavtrykkssylinderen. Dette ga et oppsett med tre sylindre med stempeldiameter som var omtrent den samme, slik at de frem- og tilbakegående massene lettere kunne balanseres.[24]

compoundmaskiner med to sylindere kunne arrangeres som: Rekkemaskin der sylindrene stod side ved side i en rekke, Tandemmaskin der sylindrene stod ende mot ende og hadde en felles veivstang mellom seg, eller V-maskin der sylinderne ble arrangert i en V (vanligvis i 90° vinkel) med felles veivaksel.

En annen måte en kunne sette sammen maskiner på var den såkalte tandemmaskinen, som bestod av to compoundmaskiner i rekke med felles aksling.[85]

Bruk av compoundmaskiner ble vanlig for dampmaskiner i industri, damplokomotiver og nesten enerådende i skipsmaskiner etter 1880. Imidlertid var bruken av compoundmaskiner ikke alltid like utbredt for damplokomotiver, der dette ofte ble ansett som komplisert. Delvis på grunn av det vanskelige driftsmiljøet på et lokomotiv, delvis på grunn av begrenset plass gitt av lasteprofilet for tunnelene, som spesielt i Storbritannia var lite.[86]

Multiple ekspansjonsmaskiner[rediger | rediger kilde]

En animasjon av en forenklet trippeleksmangsjonsmaskin.
Høytrykksdamp, rød farge, kommer fra kjelen og passerer gjennom maskinen hvor både trykk og temperatur faller, mens volumet øker, markert med at fargen skifter mot blått.

Det er en logisk utvidelse av compoundmaskinen å øke ekspansjon i enda flere trinn for å øke effektiviteten. Resultatet er en multippel ekspansjonsmaskin. Slike dampmaskiner bruker enten tre eller fire ekspansjontrinn og er kjent som henholdsvis trippel- og kvadrupeleksanksjonsmaskiner.[87] Disse maskinene bruker en rekke av sylindre med progressivt økende diameter. Disse trinnene er utformet for å dele arbeidet inn i like deler for hvert av ekspansjonstrinnene, for å få jevnest mulig gange.[84]

Illustrasjonen viser en animasjon av en trippel ekspansjonsmaskin. Dampen går gjennom maskinen fra venstre til høyre. Kontrollen av hvor dampen skal føres inn og ut av hver av sylinderne skjer av ventilstyringen til venstre for hver av sylinderne. Dette kalles for sleidstyring, der den bevegelige enheten kalles for sleiden. To hovedtyper er rund- og flatsleider, der den første brukes for høytrykkssylindre og den sistnevnte for lavtrykkssylindre. Sleidene arbeider inne i et kammer kalt sleidskap, som står i direkte tilknytning til sylinderene.[88]

Dampmaskinens arbeidssyklus[rediger | rediger kilde]

Skjematisk indikatordiagram med stempelposisjonen langs x-aksen og damptrykket langs y-aksen. Det er påført tekster som viser noen av trinnene i et dobbelt stempelslag: Fylling, (steam admission), ekspansjon (expansion), utstrømning (return stroke) og komprimering (compression).
Animasjon som viser hvordan et damplokomotiv skifter til kjøring i revers (omkast[89]). Lokomotivføreren beveger den lange stangen som sees over hjulene, dermed endres sleidstyringens rekkefølge på fylling og utslipp.
Rundsleid med såkalte dekninger. Når sleiden er i midtstilling som i den øverste figuren dekker den både litt innenfor og utenfor hver av dampkanalene, disse styrende kantene er ikke like store og gir derfor ulik tid for dampinnløp («Exhaust lap») og damputløp («Steam lap»). Den nederste figuren viser Lineært forsprang (eller lead) som sørger for at dampen begynner å strømme inn i sylinderen litt før stemplet når sin endestilling, kalt førinnstrøming (stemplet skal altså fortsatt bevege seg litt mer mot venstre før det snur).[90] Mottrykket som da oppstår er et tap i dampens arbeid, men det gir maskinen en roligere gange.[91]

I de fleste dampstempelmaskiner reverseres dampens strømning på hver side av sylinderen, slik at dampen kommer inn og føres ut av den samme porten (åpningen). Under en hel syklus oppstår det to stempelslag der veivakselen beveges en hel runde. I denne syklusen skjer det flere perioder (eller hendelser): nemlig fylling der damp (friskdamp) med fullt trykk fyller sylinderen og skyver stempelet innover, ekspansjon der stemplet fortsetter å bevege seg, men sleiden stenger slik at volumet i sylinderen øker mens trykket faller, forutstrømmning som betyr at sleiden åpner før stemplet når enden av sylinderen. Så snur stemplet og en får utstrømning der stemplet trykker dampen ut, deretter komprimering fordi sleiden stenger litt før endestilling, noe som gir mottrykk. Til sist inntreffer forinnstrømming fordi sleiden åpner for damp litt før stemplet når endepunktet. Hensikten med forinnstrømningen er at det skal være fullt trykk i sylinderen når stemplet når endestilling og nytt drivslag starter.[92] Ventilene eller sleidene fordele dampen ved å åpne og lukke for damp gjennom portene som står i forbindelse med sylinderens topp og bunn. Det har blitt utviklet mange forskjellige typer av systemer for denne styringen. Hvorledes trykket i en typisk dampmaskins sylinder endres som funksjon av stempelposisjon er vist i det skjematiske indikatordiagrammet, se illustrasjon.[93]

De viktigste periodene er fylling, forutstrømning og kompresjon. Av stemplets slaglengde utgjør disse tre periodene i deler av stempelslaget; fylling cirka 50–70 %, forutstrømning cirka 8 % og kompresjon cirka 10 %. Selve forinnstrømmingen er meget kort og knapt merkbar.[92]

De enkleste ventilstyringene sørger for at trinnene skjer ved gitte faste posisjoner av stempelslaget, samt at de muliggjør at maskinen bare roterer i én retning. De fleste systemene har imidlertid en mekanisme for reversering av dreieretningen, se illustrasjon. I tillegg er det gjerne muligheter for å spare damp når maskinen utvikler ønsket effekt, ved at damptilførselen til stempelet opphører etter en gitt lengde av slaget, altså ekspansjon, vanligvis mellom 50–70 % av slaglengden.[94][95] Ved hjelp av justering kan dette skje gradvis, og spesielt på damplokomotiver er dette en viktig funksjon. For eksempel vil et tungt tog som kjører opp en fjellside (stor stigning) ha behov for stor fylling, altså damptilførsel en stor del av stempelslaget.[96] Et annet tilfelle er et damplokomotiv som skal starte fra stillestående der det trengs tilførsel av damp over hele slaglengden for å få stor trekkraft.[97]

En og samme ventil kontrollerer vanligvis begge dampstrømmer inn og ut av sylinderen. En rask avslutning (stenging) av fyllingen vil motsvarende påvirke utstrømning og komprimering, som ideelt sett bør holdes ganske like. Hvis utstrømningen er for kort kan en for stor del av dampen bli igjen i sylinderen, og mottrykket blir unødig stort. Altså for stor kompresjon med en kraft mot rotasjonsretningen.[98]

I 1840- og 50-årene var det forsøk på å løse dette problemet ved hjelp av ulike ventilstyringer. En egen, variabel ekspansjonsventil ble plassert på baksiden av hovedsleiden. Selve hovedsleiden hadde en fast eller begrenset damptilførsel. Den kombinasjonen av ventiler ga en god tilnærming til den ideelle styringen, men ga på den annen side økt friksjon og slitasje, samt at mekanismen ble komplisert. Det vanlige kompromissløsning ble å la det være en forlenging av glideflatene på sleidene, såkalte dekninger slik at den overlapper porten på innslipssiden. Dermed forblir utstrømningssiden åpen i en lengre periode enn innslippsperioden. Denne metoden ble siden ansett som tilfredsstillende for de fleste formål og muliggjør bruk av de lettere sleidstyringene kjent som Stephenson- Joy- og Walschaerts-sleider. Corlissventil og den senere poppetventilen (som i en forbrenningsmotor) hadde separate ventiler for innslipp og utslipp drevet av styrestenger eller kamakslinger profilert for å gi ideelle forhold. Imidlertid lyktes det aldri for disse fabrikantene å få fotfeste utenfor markedet for stasjonære dampmaskiner. Dette på grunn av ulike problemer som lekkasje og komplekse mekanismer.[86][99]

Av andre spesielle utforminger i nyere tid stod Fredrikstad Mekaniske Verksted bak en dampmaskin som ble kalt F.M.V.s dampmotor. Dette var en multipel totrinns dampmaskin (tandemmaskin), som hadde dobbelt sett med høytrykks- og lavtrykkssylinder. Denne var enkeltvirkende maskin med lavtrykkssylinder med porter som slapp dampen ut rundt hele sylinderomfanget.[95] Hensikten med dette var at dampen skulle gå bare en vei i sylinderen, en såkalt likestrømsmaskin, med fordeler som mindre sylinderkondensasjon[95] og stort gjennomstrømningsareal.[95]

I spesielle tilfeller benyttes såkalte fulltrykksmaskiner, disse lar dampen fra kjelen strømme inn i sylinderen gjennom hele slaget. Disse brukes gjerne på hjelpemaskiner, for eksempel pumper og annet utstyr på skip. For slike maskiner anvendes en fulltrykkssleide.[95] Fordelen er stort dreiemoment.

Typer av dampmaskiner[rediger | rediger kilde]

Dampmaskin med oscillerende sylinder[rediger | rediger kilde]

Animasjon som viser en enkeltvirkende dampmaskin med oscillerende syliner.

En dampmaskin med oscillerende sylinder er en variant av den enkle ekspansjonsdampmaskinen som ikke krever egen ventiler eller sleider for å lede damp inn i og ut av sylinderen. I stedet for ventiler, beveger eller oscillerer hele sylinderen, slik at ett eller flere hull i sylinderens ende henholdsvis dekker over eller avdekker hull i en fast plate med hull som står rett ovenfor sylinderen. Disse hullene vil da sørge for enten innslipp eller utstrømning av damp, se animasjon som viser virkemåten.[100]

Disse maskinene har hovedsakelig vært anvendt i leketøy og modeller, siden de er enkle og billige. Men de har også blitt brukt som arbeidsmotorer i full størrelse, hovedsakelig på skip. Fordelen med disse maskinene er at de kan gjøres kompakte.[101]

Roterende dampmaskiner[rediger | rediger kilde]

Det er mulig å benytte mekanismer basert på stempelfrie rotasjonsmotorer, som for eksempel prinsippet for wankelmotoren. Dette istedenfor stempler og sleidventiler i en dampmaskin. Mange slike maskiner har blitt utformet fra Watts tid og frem til i dag. Imidlertid har få slike maskiner blitt bygget og enda færre har kommet videre til masseproduksjon. En av utfordringene er å få de bevegelige delene damptett, spesielt under slitasje og termisk utvidelse. Dermed resulterte ofte lekkasje til å gjøre slike maskiner ineffektive. Kontroll og mulighet for å regulere avstengningen av damptilførselen i en del av stempelets bevegelse er også et problem.

Dampturbin[rediger | rediger kilde]

Rotoren til en moderne dampturbin, til bruk i et Varmekraftverk.

En dampturbin består av en eller flere rotorer (roterende skiver med skovler) montert på en drivaksel som roterer, mens en rekke ledeskovler er fastmonterte til selve turbinhuset. Rotorene har et propellignende arrangement av blader på den ytre delen av periferien. Dampen virker på disse bladene, noe som gir en jevn roterende bevegelse. Ledeskovlene består av lignende enheter, men er altså en fastmontert serie av blader som omdirigere dampstrømmen til neste rotortrinn. En dampturbin slipper vanligvis ut dampen til en kondensator som gir et sug (undertrykk). Trinnene i en dampturbin er typisk anordnet for å trekke ut det maksimale potensielle arbeidet for en gitt hastighet og trykk av dampen. Konstruksjonen består av en serie med stadig økende størrelser av turbinens skovler fra de minste i høytrykkstrinnet til de største i trinnet med lavest trykk. Turbiner er bare effektive hvis de roterer med relativt store hastighet. Derfor er de vanligvis koblet til et reduksjonsgir for å få lavere turtall, for eksempel til propellen i et skip.[102][103]

En dampturbin gir direkte dreiemoment, og krever derfor ikke veivstenger eller andre mekanismer for å omdanne en frem og tilbakegående bevegelse til rotasjon. Således fremstiller turbiner jevnere rotasjonsmoment på den utgående akselen. Dette bidrar til et lavere krav til vedlikehold og mindre slitasje enn for en stempelmotor av samme størrelse.

Den viktigste bruk for dampturbiner er i kraftproduksjon, i 1990 skjedde cirka 90 % av verdens elektrisitetsproduksjon ved bruk av dampturbiner.[78] I elektrisitetsproduksjon samsvarer den høye hastigheten til turbinen godt med ønsket hastighet for elektriske generatorer, som vanligvis er direkte koblet til akslingen til turbinen.

Komponenter og deler til dampmaskiner[rediger | rediger kilde]

Prinsipiell fremstilling av hoveddelene i den såkalte Clausius–Rankine-prosessen, som er en betegnelse på den termodynamiske syklusen som skjer i et ideelt lukede dampanlegg for energiproduksjon. Matevann (1) føres til dampkjellen (2) ved hjelp av en pumpe, etter fordamping føres dampen til turbinen (3), hvor den brukte dampen føres til kondensatoren (4). Kondensatoren kjøles ned ved hjelp av et eksternt medium som kan mota spillvarmen. Turbinen (3) kan byttes ut med en dampmaskin med stempler.

Det finnes to grunnleggende komponenter i en dampmaskin: Dampkjelen og selve dampmaskinen eller en dampturbin. Stasjonære dampmaskiner settes vanligvis opp i egne bygninger der kjelen og maskinen står i hvert sitt rom med litt avstand fra hverandre. For mobil bruk, som for eksempel i damplokomotiver, er de to hovedenhetene montert sammen.[104][105]

Andre komponenter som ofte finnes er: fødevannspumpe, eller en injektor, som brukes for å pumpe vann til kjelen under drift det som kalles fødevann, kondensator for å resirkulere vannet og gjenvinne restvarme etter fordampningen. Videre den såkalte overheteren (engelsk superheater), som egentlig er en varmeveksler for å heve temperaturen i dampen over det som kan oppnås ved mettet damp.[106]

Når kull er energikilde kan et kjede eller skrue virke som påfyllingsmekanisme for å transportere kullet inn i brennkammeret.[106] Vekten av kjele og kondensator gjør vanligvis forholdet mellom vekt og effekt av et dampanlegg lavere enn for forbrenningsmotorer eller andre konkurrerende drivmaskiner.

Dampsyklusen[rediger | rediger kilde]

Clausius–Rankine-prosessen er det teoretiske grunnlaget for den termodynamiske prosessen for å beskrive en dampmaskin. Syklusen skapes av et arrangement av komponenter som typisk brukes for energikonvertering, denne utnytter faseforandring av vann for å tilveiebringe en praktisk overgang fra varme til mekanisk energi. Altså ved at kokende vann produsere damp, dampen driver dampmaskinen, utslippsdampen kondenseres og omformes deretter tilbake til vann.[107]

Prosessen er det grunnlegende prinsipp for flere typer kraftverk, som for eksempel de fleste solvarme-, biomasse-, kull- og atomkraftverk. Syklusen er oppkalt etter Rankine og den tyske fysikeren Rudolf Clausius (1822–1888). Clausius–Rankine-syklusen er noen ganger referert til som en praktisk carnotprosess. Dette fordi temperatur-entropi-diagramet ved bruk av en effektiv turbin vil begynne å likne carnotsyklusen. Den viktigste forskjellen er at varmetillegget (i kjelen) og avgivelsen (i kondensatoren) er isobare (konstant trykk) prosesser i Clausius–Rankine-syklusen, mens dette er isotermisk (konstant temperatur) prosesser i den teoretiske carnotprosessen. I denne syklusen benyttes en pumpe for å trykksette arbeidsmediet som er mottatt fra kondensatoren som væske og få det tilbake til dampkjelen. Pumping av arbeidsmediet i væskeform under syklusen krever en liten brøkdel av energien for å transportere det i forhold til den energi som er nødvendig for å komprimere arbeidsmediet i gassform i en kompressor (som i carnotprosessen).[108]

Normalt er vann det arbeidsmediet som velges for dampmaskineri på grunn av sine gunstige egenskaper, som for eksempel at det ikke er giftig og ikke spesielt reaktivt (kjemisk sett), det er tilgjengelig i store mengder, har lav pris og gunstige termodynamiske egenskaper. Av andre arbeidsmedier som har vært forsøk er blant annet kvikksølv, ammoniakk, luft, kalium, karbonsyre, eter, karbondisulfid og kalium. En ulempe med flere av disse stoffene er at de er giftige ved lekkasje.[109]

Varmekilde[rediger | rediger kilde]

Varmen som er nødvendig for å koke vann og produsere damp kan skaffes fra forskjellige energikilder, som oftest fra forbrenning med en passende tilførsel av luft i et lukket rom kalt forbrenningsrom eller fyrgang. I tilknytning til dette er det også røykkanaler.[107][110] I noen tilfeller er varmekilden en atomreaktor som i et kjernekraftverk, geotermisk energi, solenergi eller spillvarme fra en forbrenningsmotor eller en industriell prosess.

Kjeler[rediger | rediger kilde]

Prinsippskisse for en vannrørskjele. Vann kommer inn i trommelen merket «Feedwater drum», og strømmer oppover i en rekke mindre rør til trommelen merket «Steem drum». Her vil vannet sirkulere tilbake til «Feedwater drum», mens damp fyller den øvre delen av trommelen. Fuktig damp «Saturated steem» føres videre til superheteren «Superheater» hvor dampen får overført ytterligere varmeenergi. Legg merke til alle deler, unntatt «Feedwater drum», er innebygget i brennkammeret for maksimalt opptak av varme.

Dampkjelen er en trykktank som inneholder kokende vann, og er dermed også en slags varmeveksler som overfører varme fra forbrenningsprosessen til vannet.[111] De to vanligste grunnprinsipper for dampkjeler er vannrørskjele og røykrørskjele, der den første er omtalt i den historiske delen. Vannrørskjelen består av en mengde vannfylte rør som befinner seg i og over brennkammeret slik at varme avgasser strømmer langs rørenes utsider. I en røykrørskjelle går derimot rørene gjennom selve dampkjelen, der avgassene fra forbrenningen strømmer gjennom dem og avgir varme til vannet på utsiden av rørene.[112]

Røykrørskjeler var hovedtypen som ble brukt for tidlige dampanlegg, spesielt i damplokomotiver. Utover på slutten av 1800-tallet ble typen fortrengt av den mer effektive vannrørskjellen, spesielt for fremdrift av skip og store stasjonære anlegg som kraftverk. Etter at vannet fordamper blir dampen ført videre til en overheter som øker temperaturen ytterligere, våt damp omformes dermed til overhetet damp. Dette både øker virkningsgraden og forhindrer kondens i dampmaskinen eller turbinen.[113]

Illustrasjonen viser en vannrørskjele med diagonale rør, den såkalte skrårårskjelen, der bunter av rør går mellom den nederste vanntrommelen og den øverste damptrommelen. Dampen skilles ut av vannet i damptrommelen. Vanligvis er rørene nokså mye bøyd, slik at temperaturutvidelser ikke skal skade innfestingen til tromlene. I systemet sirkulerer vannet ved naturlig sirkulasjon, fordi vannet dras ned i de vannfylte rørene (Downcommer tube), mens rørene med både vann og damp («Water tubes») får mindre tyngde på grunn av lav tetthet.[55]

En dampkjele er utstyrt med en rekke ventiler og instrumenter, noen av dem er: Sikkerhetsventil som det skal være to av. Disse skal forhindre dampkjelen i å eksplodere, og av den grunn er det ofte sertifiseringsselskaper som justerer og etterpå plomberer dem. De skal åpne litt over kjelens normale arbeidstrykk. Fødeventilen er ventilen som slipper inn fødevannet når dette pumpes inn i kjelen. Den er utstyrt med en tilbakeslagsventil som skal forhindre vannet i å strømme ut av kjelen. Hoveddampventilen er den som stenger og åpner for damptilførsel til dampmaskinen. Den skal kunne fjernbetjenes for hurtig lukking i tilfelle ulykker. Skumventilen er tilknyttet en innvendig skumskål slik at skum som samler seg på vannoverflaten i kjelen kan blåses ut. Oftest er det snakk om urenheter som olje som flyter i vannets overflate. Avblåsningsventilen brukes for å tømme dampkjelen for vann. Vannprøveventilen benyttes for vannprøver. Vannstandsglass (seglass) skal det være to av og disse brukes for å avlese nivået av vann i kjelen.[114] Videre er kjelen utstyrt med termometer og manometer.[115]

Moderne vannrørskjeler kan ha trykk på 100 bar, damptemperatur på 500 °C og virkningsgrad på rundt 90 %. Dampkjeller konstrueres for forbrenning av kull, olje og forskjellige typer brennbart avfall fra for eksempel skogbruk og annen industri. Konstruksjonen avhenger mye av typen brensel.[112]

Kondensatoren[rediger | rediger kilde]

Kondensatoren for en dampmaskin (rett bak kondensatoren) med kjølerørene vist åpne (nærmest). Dampen fra dampmaskinen kommer ut det store røret og forgrenes i to rør som kommer inn på kondensatorens topp. Typen kalles overflatekondensator.

Dampen ledes inn i kondensatoren etter å ha gjort nytte i dampmaskinen hvor den kondenserer til vann. Som med alle varmekraftmaskiner vil mesteparten av den tilførte primærenergi avgis som spillvarme ved forholdsvis lav temperatur. Som et eksempel vil gjerne den varmeenergien som tas ut av kondensatoren til en dampturbin på et skip være det dobbelte av den mekaniske energien som omsettes i turbinen selv.[116] Den enkleste måten å kvitte seg med den brukte dampen er imidlertid å slippe den ut i luften. Dette er det vanligste for damplokomotiver, som slipper dampen opp gjennom skorsteinen, med stort energitap som konsekvens. Imidlertid har dette en spesiell hensikt, nemlig å lage et sug i skorsteinen slik at røykgassen fra forbrenningen suges gjennom røykrørene gjennom dampkjelen. Slik skapes trekk i ildkassen, noe som igjen øker ytelsen, men altså reduserer virkningsgraden.[112]

Kondensatoren for en dampmaskin opererer typisk med et trykk på 0,1 atm, altså et trykk under atmosfærens trykk. Til sammenligning vil en dampmaskin uten kondensator ha et trykk i sylinderen under utstrømningen på rundt 1,2 atm. Med kondensatoren vil med andre ord dampen suges ut av sylinderen.[117]

Den mest brukte kondensatoren for dampmaskiner (og turbiner) er den såkalte overflatekondensatoren. Disse bruker store vannmengder for å kondensere dampen. Kjølevannet tas fra hav, elver eller innsjøer. Det kondenserte varmtvannet fra kondensatoren blir pumpet tilbake til kjelen under høyt trykk.[118][119]

I overflatekondensatoren blir ønsket undertrykk ved oppstart av anlegget skapt av en ekstern vakuumpumpe. Vakuum vil imidlertid oppstå av seg selv når driften kommer i gang på grunn av den store forskjellen i spesifikt volum mellom damp og kondensatet (den kondenserte dampen kalles kondensat). Når anlegget kommer i drift er vakuumpumpens oppgave å fjerne luft og eventuelt andre gasser som ikke vil kondensere. Som vakuumpumpe anvendes typisk en ejektor. Tidligere var det vanlig at en anvende en såkalt våtluftpumpe, en type stempelpumpe som suger ut både luft og kondensatvann samtidig. Senere ble det vanligste at vann og luft suges ut av egne pumper for hver av oppgavene. Altså at det anvendes en separat vannpumpe og vakuumpumpe.[120][119]

Forvarmere[rediger | rediger kilde]

Det anvendes forskjellige typer forvarmere for å utnytte spillvarme i røykgassen fra kjelen for å tilbakeføre varme der det er mulig. Blant annet brukes en forvarmer som varmer opp luften som brukes til forbrenningen i dampkjelens brennkammer. En type er en rørvarmeveksler der røykgassen fra kjelen ledes gjennom en rekke rør før den slippes ut gjennom skorsteinen. Friskluft ledes på utsiden av rørene og varmen fra røyken overføres gjennom rørene. En annen type varmeveksler brukes for å utnytte røykgassen til å formvarme fødevannet før det pumpes inn i dampkjelen. Den kan bestå av en mengde rør som overfører røykens varme til vannet, slik at det får en temperatur over 100 °C før det ledes inn i dampkjelen.[121]

Eksosturbin[rediger | rediger kilde]

Restenergi i dampen ut fra dampmaskinen har det vært gjort forsøk på å utnytte mekanisk, med blant annet via eksosturbinen også kalt avdampturbin. Dette er en flertrinns reaksjonsturbin som plasseres mellom dampmaskinene og kondensatoren. Via blant annet et gear driver turbinen rundt samme aksling som dampmaskinen selv. En fabrikant av denne eksosturbinen var Bauer-Wach.[122] Med denne kan det spares 20 % damp for en gitt effekt, eller for et gitt dampforbruk vinnes 30 % større effekt.[123]

Vannpumpe[rediger | rediger kilde]

En injektor benytter en stråle av damp for å tvinge vann inn i dampkjelen. Prinsippet er ineffektivt, men enkel nok til å være egnet for bruk på lokomotiver.

Det finnes en vannpumpe for å fylle nytt vann på kjelen, kalt fødevann. Vanligvis anvendes en flertrinns sentrifugalpumpe, men andre typer forekommer også, som for eksempel en stempelpumpe.[124]

Et annen metode for å fylle vann på kjeller med lavere trykk er med ejektor. I denne benytter en dampstråle som både skaper et sug som drar med seg vannet, samt trykk som er stort nok til å presse vannet inn i kjelen, se figur. For å skape dampstrålen tappes det damp fra dampkjelen. Ejektoren fikk stor utbredelse i 1850-årene og utover, men er ikke lenger mye brukt i nyere tid, bortsett fra i damplokomotiver.[125]

Måling og kontroll[rediger | rediger kilde]

Instrument for å avlese en stempelmaskins forhold mellom stempelposisjon og trykk, et såkalt indikatordiagram.

Et mye brukt instrument for å analysere ytelsen til dampmaskiner er dampmaskin-indikatoren. Tidlige versjoner var i bruk rundt 1851,[126] men den mest vellykkede indikatoren ble utviklet av oppfinneren Charles Richard og utstilt på London-utstillingen i 1862.[37] Dampmaskinindikatoren avsetter en strek på et papir som viser trykket i sylinderen gjennom hele syklusen. Dette kan så brukes til oppdage ulike problemer og beregne ytelsen, se bilde som viser dette.[127]

Virkningsgrad[rediger | rediger kilde]

Virkningsgrad til en varmekraftmaskin kan beregnes ved å dividere energiproduksjonen i form av mekanisk arbeid som den produserer med energitilførselen i form av drivstoffet.[128]

Ingen varmekraftmaskin kan være mer effektiv enn det carnoprosessen beskriver: Altså at varme blir beveget fra et nivå med høy temperatur til et nivå med en lavere temperatur, og virkningsgraden er avhengig av denne temperaturforskjellen. For størst mulig virkningsgrad bør dampmaskiner drives ved høyeste mulig damptemperatur, noe som kan oppnås med overhetet damp, samt at overskuddsvarme frigjøres ved lavest mulig temperatur.[107][129]

En av de viktigste fordelene som Clausius–Rankine-syklusen i forhold til andre sykluser, er at ved tilbakeføringen av vannet til dampkjelen kreves forholdsvis lite energi for å drive pumpen til dampkjelen, siden arbeidsmediet er i flytende form ved dette trinnet.[130] Ved kondensering av fluidet er arbeidet som kreves av pumpen meget liten sammenlignet med turbinens effekt.[131]

Historisk har dampmaskin hatt en virkningsgrad i området 1–10 %, som for eksempel damplokomotiver.[132] Imidlertid kan et system med kondensator, flere ekspansjonsstrinn, høyt damptrykk og temperatur, få virkningsgraden sterkt forbedret, historisk sett opp mot 20 %, men test av nye konsepter etter 2000 har demonstrert virknignsgrad rundt 30 %.[133][134]

Til sammenligning kan moderne store varmekraftverk ha en virkningsgrad på rundt 45 %.[135] Noen ganger kan den brukte dampen fra turbinen, altså spillvarmen, være nyttig i seg selv, og i slike tilfeller kan det oppnås meget høy total virkningsgrad. For eksempel i såkalte kogenerasjonsystemer der overskuddsvarme benyttes til fjernvarme til oppvarmingsformål. Dette får den totale energiutnyttelsen til å overstige 90 %.[136] Denne typen kraftverk kalles kraftvarmeverk.

Fornyet interesse for dampmaskiner[rediger | rediger kilde]

Utviklingen av elektrisitetsforsyningen har siden begynnelsen av 1900-tallet gått i retning av sentraliserte og store kraftverk.[137] Dampturbinen tok over etter dampstempelmaskinen som den «moderne dampmaskin». Årsaker til dette er at den bruker lite damp, krever liten plass, er billigere og at teknologiske fremskritt generelt har vært til dens fordel.[138] I samband med store kraftstasjoner har et omfattende kraftsystem for transmisjon av elektrisk energi over store avstander blitt bygget ut slik at storskalafordeler kan utnyttes. Siden slutten av 1900-tallet har en stilt spørsmål om dette er den optimale utviklingen, når det gjelder utnyttelse av mindre og lokale energikilder. Et konsept kjent som distribuert kraftproduksjon, skal bøte på dette ved at små kraftprodusenter legges nært sluttbrukeren.[137]

Etter 2000 har det vært en viss interesse for å utvikle små og store dampmaskiner for flere bruksområder.[139] Bruk av dampmaskiner kan ha fordeler innenfor småskala lokal kraftproduksjon der avfall fra skogbruk som ved, sagflis, avkapp, eller papir, ugress, strå, nøtteskal og lignende brukes som energikilde. Fordeler med dette er at forbrenning i en dampkjel, altså ekstern forbrenning, gir kontrollerte forhold og at kravene til kvaliteten på drivstoffet (avfall) er små.[140] Andre bruksområder kan være biler og andre mobile enheter, og noen kommersielle bedrifter har utviklet systemer for dette.[139][141]

Animasjon som viser en aksial stempelmaskin. Fordeler med dette konseptet sammenlignet med tradisjonelle stempelmaskiner er blant annet kompakt utforming og høyt moment ved lave hastigheter.

Årsaker til at en ekstern forbrenning, som i den dampkjel, har fordeler fremfor en forbrenningsmotor er at problemer med motorbanking og smøring kan elimineres. En annen fordel er at forbrenning kan skje ved relativt lave temperaturer. Dette gir igjen fordelen av at lite av luftens nitrogen blir oksidert i forbrenningsprosessen.[142] Dermed kan en redusere eller eliminere giftige gasser som nitrogenoksid (NOx), samt at det blir små partikkelutslipp.[143][139] Bruk av varmeenergi ved lave temperaturer gjør at slike maskiner kan egne seg til å bruke damp fra solvarmeanlegg.[142]

Dampturbiner konstrueres for å gi meget stor rotasjonshastighet for å få optimal virkningsgrad. Om en slik maskin skal konstrueres for lav ytelse vil det bety svært høy rotasjonshastighet, og om bruken krever lavere hastighet er det nødvendig med gir, noe som ikke trengs for en dampmaskin.[143] Dermed kan dampstempelmaskiner ha fordeler der en liten maskin trengs. Stempelmaskiner har på den annen side generelt større mekaniske tap enn turbiner. Dette skyldes friksjon i stempelringene, veivakslingens lagre, kamakslingene og ventilene, samt andre deler. Imidlertid har en dampmaskin betydelig lavere relative mekaniske tap enn en sammenlignbar stempeldrevet forbrenningsmotor. Dette takket være høyre utnyttelse av det mekaniske arbeidet på grunn av høyere gjennomsnittlig sylindertrykk ved fullast. Dessuten avgir dampmaskinen lite støy.[139]

Et forskningsprosjekt ved KTH har sett på mulighetene for å utvikle det som kalles for en «moderne dampmaskin». Prosjektet har sitt opphav i et prosjekt som SAAB satte i gang på slutten av 1960-årene. I forhold til en tradisjonell stempelmotor gir en dampmaskin (stempelmaskin) muligheter for høy virkningsgrad ved varierende belastning av maskinen. Prosjektet har fokusert på å konstruere en aksial stempelmaskin som skal være uten oljesmøring, se animasjon.[143]

Se også[rediger | rediger kilde]

Noter[rediger | rediger kilde]

Type numrering
  1. ^ Engelsk: «superheated steam»

Referanser[rediger | rediger kilde]

  1. ^ dampmaskin i Store norske leksikon
  2. ^ dampmotor i Store norske leksikon
  3. ^ American Heritage Dictionary of the English Language (Fourth utg.). Houghton Mifflin Company. 2000. 
  4. ^ a b c d e f Gilkes, M.J. (2. februar 2011). «STEAM ENGINES». thermopedia. Besøkt 28. oktober 2018. 
  5. ^ Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 24-25.
  6. ^ -45691 turbin Encyclopædia Britannica. 2007. Encyclopædia Britannica Online. 18 juli 2007
  7. ^ De Architectura: Chapter VI (paragraph 2) from "Ten Books on Architecture" by Vitruvius (1st century BC), published 17, June, 08 [1] accessed 2009-07-07
  8. ^ Ahmad Y Hassan (1976). Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering, p. 34–35. Institute for the History of Arabic Science, University of Aleppo.
  9. ^ a b c THURSTON, ROBERT H. «University of Rochester, NY, THE GROWTH OF THE STEAM-ENGINE. kapittel 1». History.rochester.edu. Besøkt 28. oktober 2018. 
  10. ^ Power plant engineering. P. K. Nag (2002). Tata McGraw-Hill. p.432. ISBN 0-07-043599-5
  11. ^ a b Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 25.
  12. ^ Davids, Karel & Davids, Carolus A. (2012). Religion, Technology, and the Great and Little Divergences: China and Europe Compared, C. 700-1800. Brill. ISBN 9789004233881. , s. 207
  13. ^ Garcia, Nicholas (2007). Mas alla de la Leyenda Negra. Valencia: Universidad de Valencia. s. 443–454. ISBN 9788437067919. 
  14. ^ Hills: Power from Steam, side 15, 16 og 33.
  15. ^ Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 26.
  16. ^ Lira, Carl T. (21. mai 2013). «The Savery Pump». Introductory Chemical Engineering Thermodynamics. Michigan State University. Besøkt 11. april 2014. 
  17. ^ Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 26.
  18. ^ Hills & 1989 pp16–20
  19. ^ «Phil. Trans. 1751–1752 47, 436-438, published 1 January 1751». 
  20. ^ Landes, David. S. (1969). The Unbound Prometheus: Technological Change and Industrial Development in Western Europe from 1750 to the Present. Cambridge, New York: Press Syndicate of the University of Cambridge. ISBN 0-521-09418-6. 
  21. ^ Jenkins, Ryhs (1971) [First published 1936]. Links in the History of Engineering and Technology from Tudor Times. Cambridge (1st) , Books for Libraries Press (2nd): The Newcomen Society at the Cambridge University Press. ISBN 0-8369-2167-4Collected Papers of Rhys Jenkins, Former Senior Examiner in the British Patent Office 
  22. ^ Landes year-1969, s. 101 Lands refers to Thurston's definition of an engine and Thurston's calling Newcomen's the "first true engine."
  23. ^ Brown, Richard (1991). Society and economy in modern Britain, 1700–1850 (Repr. utg.). London: Routledge. s. 60. ISBN 0-415-01121-3. 
  24. ^ a b c d e f g Hunter, Louis C. (1985). A History of Industrial Power in the United States, 1730–1930. Vol. 2: Steam Power. Charolttesville: University Press of Virginia. 
  25. ^ Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 29.
  26. ^ Galloway, Elajah (1828). History of the Steam Engine. London: B. Steill, Paternoster-Row. 
  27. ^ Leupold, Jacob (1725). Theatri Machinarum Hydraulicarum. Leipzig: Christoph Zunkel. 
  28. ^ a b «Theatrum machinarum. [Bd. 1-9].». Deutsches Museum. Besøkt 8. september 2018. 
  29. ^ Leupold, Jacob (1725). Theatri Machinarum Hydraulicarum. Leipzig: Christoph Zunkel. 
  30. ^ Galloway, Elijah (1826). History of the Steam Engine: From Its First Invention to the Present Time. Cowi & Co. 
  31. ^ «Jacob Leupold». encyclopedia.com. 8. september 2018. Besøkt 8. september 2018. 
  32. ^ a b c Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 30.
  33. ^ Hunter & Bryant 1991 Sammenligning av ytelsen var basert på en nøye gjennomført test i 1778.
  34. ^ a b Rosen, William (2012). The Most Powerful Idea in the World: A Story of Steam, Industry and Invention. University Of Chicago Press. s. 185. ISBN 978-0-226-72634-2. 
  35. ^ Hills: Power from Steam, side 63.
  36. ^ Hunter 1985
  37. ^ a b c d Thomson, Ross (2009). Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790–1865. Baltimore, MD: The Johns Hopkins University Press. s. 34. ISBN 978-0-8018-9141-0. 
  38. ^ a b Hills: Power from Steam, side 223.
  39. ^ a b c Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 38.
  40. ^ Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 32.
  41. ^ Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 33.
  42. ^ Bennett, S. (1979). A History of Control Engineering 1800-1930. London: Peter Peregrinus Ltd. ISBN 0-86341-047-2. 
  43. ^ Bennett 1979
  44. ^ Cowan, Ruth Schwartz (1997), A Social History of American Technology, New York: Oxford University Press, s. 74, ISBN 0-19-504606-4 
  45. ^ Dickinson, Henry W; Titley, Arthur (1934). «Chronology». Richard Trevithick, the engineer and the man. Cambridge, England: Cambridge University Press. s. xvi. OCLC 637669420. 
  46. ^ The American Car since 1775, Pub. L. Scott. Baily, 1971, p. 18
  47. ^ Hunter 1985, s. 601–628
  48. ^ Hunter 1985, s. 601
  49. ^ Van Slyck, J.D. (1879). New England Manufacturers and Manufactories. New England Manufacturers and Manufactories. volume 1. Van Slyck. s. 198. 
  50. ^ a b Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 39.
  51. ^ a b Watzinger: Dampkjeler side 4.
  52. ^ Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 42.
  53. ^ Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 43.
  54. ^ Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 44.
  55. ^ a b Watzinger: Dampkjeler side 6.
  56. ^ a b Payton, Philip (2004). Oxford Dictionary of National Biography. Oxford University Press. 
  57. ^ Gordon, W.J. (1910). Our Home Railways, volume one. London: Frederick Warne and Co. s. 7–9. 
  58. ^ «Nation Park Service Steam Locomotive article with photo of Fitch Steam model and dates of construction as 1780–1790». Nps.gov. 14. februar 2002. Besøkt 3. november 2009. 
  59. ^ «Richard Trevithick's steam locomotive | Rhagor». Museumwales.ac.uk. Arkivert fra originalen 15. april 2011. Besøkt 3. november 2009. 
  60. ^ «Steam train anniversary begins». BBC. 21. februar 2004. Besøkt 13. juni 2009. «A south Wales town has begun months of celebrations to mark the 200th anniversary of the invention of the steam locomotive. Merthyr Tydfil was the location where, on 21 February 1804, Richard Trevithick took the world into the railway age when he set one of his high-pressure steam engines on a local iron master's tram rails» 
  61. ^ Garnett, A.F. (2005). Steel Wheels. Cannwood Press. s. 18–19. 
  62. ^ Young, Robert (2000). Timothy Hackworth and the Locomotive ((=reprint of 1923 ed.) utg.). Lewes, UK: the Book Guild Ltd. 
  63. ^ Hamilton Ellis (1968). The Pictorial Encyclopedia of Railways. The Hamlyn Publishing Group. s. 24–30. 
  64. ^ Michael Reimer, Dirk Endisch: Baureihe 52.80 – Die rekonstruierte Kriegslokomotive, GeraMond, ISBN 3-7654-7101-1
  65. ^ a b c Smith, Meghan E. «Is there a future for steam-powered, super-efficient cars?». HowStuffWorks. Besøkt 5. november 2018. 
  66. ^ Setright, L. J. K. (2004). Drive On!: A Social History of the Motor Car. Granta Books. ISBN 1-86207-698-7. 
  67. ^ Anthony, Sebastian (18. februar 2013). «Are steam cars poised for an epic comeback?». ExtremeTech. Besøkt 5. november 2018. 
  68. ^ Bellows, Alan (24. oktober 2006). «The Last Great Steam Car». Damn Interesting. Besøkt 5. november 2018. 
  69. ^ Kristensen, Søren B. P. (2009), Geografisk Tidssckrift -Danish Journal of Geography, s. 50, arkivert fra originalen on 2010-01-08, https://web.archive.org/web/20100108062530/http://rdgs.dk/djg/pdfs/109/1/GEO_109_1_4.pdf 
  70. ^ Matt Novak. «Steam-Powered Cars: California’s 1970s Smog Solution». Pacific Standard. Besøkt 7. februar 2017. 
  71. ^ Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 49.
  72. ^ Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 50.
  73. ^ Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 51.
  74. ^ Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 53.
  75. ^ Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 54.
  76. ^ Burt, R. A. (1986). British Battleships of World War One. Annapolis, Maryland: Naval Institute Press. s. 31. ISBN 0-87021-863-8. 
  77. ^ Brooks, John. Dreadnought Gunnery at the Battle of Jutland. [Pg. 14]
  78. ^ a b c Wiser, Wendell H. (2000). Energy resources: occurrence, production, conversion, use. Birkhäuser. s. 190. ISBN 978-0-387-98744-6. 
  79. ^ Imsland: Skipsmaskinlære side 8 og 252.
  80. ^ Vaclav Smil (2005), Creating the Twentieth Century: Technical Innovations of 1867–1914 and Their Lasting Impact, Oxford University Press, s. 62, ISBN 0-19-516874-7, https://books.google.com/?id=w3Mh7qQRM-IC&pg=PA71&lpg=PA71&dq=Transformer+coltman+1988, besøkt 2009-01-03 
  81. ^ a b Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 4.
  82. ^ Basic Mechanical Engineering av Mohan Sen, side 266
  83. ^ Hunter 1985, s. 445
  84. ^ a b NSB: Damplokomotiver side 104.
  85. ^ Waack, Erling (1947). Dampmaskinlære: til bruk ved Oslo tekniske skole. Oslo: Comercio. s. 13. 
  86. ^ a b van Riemsdijk, John (1994). Compound Locomotives. Penrhyn, UK: Atlantic Transport Publishers. s. 2–3. ISBN 0-906899-61-3. 
  87. ^ Waack, Erling (1947). Dampmaskinlære: til bruk ved Oslo tekniske skole. Oslo: Comercio. s. 12. 
  88. ^ Imsland: Skipsmaskinlære side 255.
  89. ^ Imsland: Skipsmaskinlære side 259.
  90. ^ NSB: Damplokomotiver side 112–113.
  91. ^ NSB: Damplokomotiver side 102.
  92. ^ a b Imsland: Skipsmaskinlære side 256.
  93. ^ NSB: Damplokomotiver side 112–117.
  94. ^ Dølpher, Richard (1967). Dampkraft. [Oslo]: Universitetsforl. s. 188. 
  95. ^ a b c d e Imsland: Skipsmaskinlære side 254.
  96. ^ NSB: Damplokomotiver side 266.
  97. ^ NSB: Damplokomotiver side 100.
  98. ^ NSB: Damplokomotiver side 101–102, samt 113
  99. ^ Carpenter, George W. & contributors (2000): La locomotive à vapeur, English translation of André Chapelon's seminal work (1938): pp. 56-72; 120 et seq; Camden Miniature Steam Services, UK. ISBN 0-9536523-0-0
  100. ^ «Steam Engine - Single Cylinder, Oscillating, England, 1830s». Museums Victoria. Besøkt 1. november 2018. 
  101. ^ Griffiths, Denis (1997). Steam at Sea. Conway Maritime Press. ISBN 0 85177 666 3. 
  102. ^ Ulvås: Maskinlære side 189–201.
  103. ^ Imsland: Skipsmaskinlære side 171.
  104. ^ Hunter & year-1985 Description of the Colt portable engine, s. 495–6
  105. ^ McNeil & 1990 See description of steam locomotives
  106. ^ a b Jerome, Harry (1934). Mechanization in Industry, National Bureau of Economic Research (PDF). s. 166–7. 
  107. ^ a b c Dahlvig, Gunnar (1979). Kraftteknikk. [Oslo]: Universitetsforl. s. 115–119. ISBN 8200262596. 
  108. ^ Hunter year-1985, s. 445
  109. ^ «Unusual Working Fluids». Douglas Self. 31. mars 2018. 
  110. ^ Imsland: Skipsmaskinlære side 28.
  111. ^ Hills: Power from Steam, side 120-140.
  112. ^ a b c Tegnélius, D. (1982). Dampkjeler. [Rud]: NKI. s. 87–111. ISBN 8256210761. 
  113. ^ Hills: Power from Steam, side 248.
  114. ^ Imsland: Skipsmaskinlære side 64–68.
  115. ^ Imsland: Skipsmaskinlære side 32–33.
  116. ^ Imsland: Skipsmaskinlære side 265.
  117. ^ Waack, Erling (1947). Dampmaskinlære: til bruk ved Oslo tekniske skole. Oslo: Comercio. s. 24. 
  118. ^ P K Nag (2008). Power Plant Engineering (PDF) (3 utg.). Tata McGraw-Hill. s. 562 – 574. ISBN 978-0-07-064815-9. 
  119. ^ a b Imsland: Skipsmaskinlære side 125–134.
  120. ^ Ranøyen, Hermann (1967). Inndampningsteknikk. Oslo: Universitetsforl. s. 33 – 35. 
  121. ^ Imsland: Skipsmaskinlære side 70–75.
  122. ^ Imsland: Skipsmaskinlære side 265.
  123. ^ Imsland: Skipsmaskinlære side 266.
  124. ^ Imsland: Skipsmaskinlære side 253.
  125. ^ Hunter 1985, s. 341–343
  126. ^ Hunter, Louis C. (1991). A History of Industrial Power in the United States, 1730–1930, Vol. 3: The Transmission of Power. Cambridge, Massachusetts, London: MIT Press. s. 123. ISBN 0-262-08198-9<'The Steam Engine Indicator' Stillman, Paul (1851)> 
  127. ^ Walter, John (2008). «The Engine Indicator» (PDF). s. xxv-xxvi. Arkivert fra originalen (PDF) 10. mars 2012. 
  128. ^ Virkningsgrad i Store norske leksikon
  129. ^ Carnots kretsprosess i Store norske leksikon
  130. ^ Borgnakke, Claus og Sonntag, Richard E. (2009). Fundamentals Of Thermodynamics 7th Edition. Willey. s. 425. ISBN 978-0-470-04192-5. 
  131. ^ Moran, Michael j., Sapiro, Howard N., Boettner, Howard N. og Bailey, Margaret B. (2011). Fundamentals of engineering thermodynamics, Seventh edition. Wiley. ISBN 978-0470-49590-2.  | side = 473
  132. ^ Lovland, Jorgen. «A history of steam power» (PDF). NTNU - Department of Chemical Engineering. Besøkt 1. november 2018. 
  133. ^ Crank, James D. (2011). «THE MODERN STEAM ENGINE» (PDF). Cyclone Technologies. Besøkt 1. november 2018. 
  134. ^ Platell, Peter (17. februar 2005). «Novel high performance steam engines - a better solution than FC and ICE?». Energy Central. Besøkt 1. november 2018. 
  135. ^ «What is the efficiency of different types of power plants?». eia. 23. mai 2018. Besøkt 1. november 2018. 
  136. ^ «Cogeneration of heat and power». European Commission. Besøkt 28. oktober 2018. 
  137. ^ a b «Generating Electrons». National Museum of American History. Besøkt 29. oktober 2018. 
  138. ^ Ulvås: Maskinlære side 186.
  139. ^ a b c d Grip, Rasmus Löfstrand (2009). Licentiate thesis: A mechanical model of an axial piston machine (PDF). Department of Machine Design Royal Institute of Technology. s. 1–14. ISBN 978-91-7415-408-5. 
  140. ^ «Why a steam engine?». Uniflow Power Ltd. 2016. Besøkt 29. oktober 2018. 
  141. ^ Smith, Meghan E. «Is there a future for steam-powered, super-efficient cars?». HowStuffWorks. Besøkt 1. november 2018. 
  142. ^ a b Peter Platell. «1st European Conference on Polygeneration – Novel steam engine for multi primary energy resources». RENATOR. Besøkt 29. oktober 2018. 
  143. ^ a b c Rasmus Löfstrand Grip (15. mars 2018). «Modern steam engines». Institutionen för Maskinkonstruktion, Skolan för industriell teknik och management, KTH. Besøkt 29. oktober 2018. 

Litteratur[rediger | rediger kilde]

Eksterne lenker[rediger | rediger kilde]

(en) Kategori:Steam engines – bilder, video eller lyd på Wikimedia Commons

Wikiquote Wikiquote: Dampmaskin – sitater
Wiktionary-logo-en.png Wiktionary: Dampmaskin – ordbokoppføring