Papins eksperimenter med dampmaskiner

1. Papins trykkoger. Sikkerhedsventilen.

Papin startede sine fysiske arbejder som assistent hos Huygens i Paris i prioden fra ca. 1670 til ca.1675. På Huygens anbefaling arbejdede han især med luftens og dampens tryk. Han skrev en artikel, "Expériences du Vuide", "Forsøg med det tomme rum", og skrev sammen med Huygens 5 artikler i "Philosophical Transactions" i 1675. Under disse arbejder konstruerede han i 1681 sin berømte trykkoger, "Papins Gryde", og opfandt samtidig sikkerhedsventilen.

Vi viser til venstre et samtidigt billede af trykkogeren. Trykkogeren er en solid jernbeholder B, der foroven har udadgående krave. Beholderen er tilpasset et ildsted nedenunder. Beholderens låg C er omhyggelig planslebet yderst på undersiden, så den slutter tæt til overkanten af gryden. En slags hank, FF griber forneden ind under beholderens krave. Foroven i hanken er der et lodret hul med gevind, så skruen E med håndtaget D kan presse låget så stærkt ned mod beholderen at forbindelsen er lufttæt, selv når damptrykket i beholderen er stort. Sikkerhedsventilen består af en vægtstang G, der med hængsler er fastgjort til to forhøjninger på grydelåget. Man kan ikke se det på figuren, men lidt til højre for hængslerne presser vægtstangen nedad på en jernprop, der er lidt tykkere foroven end forneden. Proppen passer ned i et tilsvarende formet hul i grydelåget. Hvor hårdt, der presses nedad, afhænger af hvor langt ude vægten W er placeret. Ideen er, at når man opvarmer vandet i gryden, så kan dampen ikke undslippe, før damptrykket er så stort, at det kan løfte proppen - og dermed vægten W - så der kan slippe noget damp ud.

Det praktiske formål, som Papin lavede sin gryde til, var "udkogning af ben", et foretagende der åbenbart bedst lykkedes ved temperaturer højere end det sædvanlige kogepunkt. Men det var ikke derfor, at Papins gryde blev berømt. Det, der vakte opmærksomhed var, at på grund af sikkerhedsventilen kunne man nu anvende langt højere damptryk end tidligere. Så det åbnede for eksperimenter med en højtryksdampmaskine, eksperimenter, som Papin selv startede på.

Fra et mere teoretisk synspunkt gav gryden ikke så meget information, som man måske ville vente. Papin kunne til hver en tid måle trykket i gryden. Han kunne nemlig flytte W frem og tilbage og finde den placering, der netop lukkede for dampen. Han kunne så finde trykket på proppen i sikkerhedsventilen ved at bruge vægtstangsreglen, og trykket i beholderen kunne dernæst bestemmes ved division med proppens tvæsnitsareal. Enheden for tryk ville så blive kg/cm², hvor dog kg og cm skal erstattes med den tids enheder for vægt og længde. Men den anden variable, temperaturen, kneb det mere med. Der fandtes endnu ikke et objektivt temperaturmål. F.eks. fremstillede Galilei termometre, og med sådan et termometer kunne man måle, hvor meget temperaturen midt på dagen er højere end om natten. Men hvis man brugte et andet termometer, ville man få et andet resultat. Der var heller ikke enighed om, hvilke standardtemperaturer, man skulle bruge som udgangspunkt. Overensstemmende termometre fremkom først i begyndelsen af 1700-tallet. Papin kunne derfor ikke finde damptrykket som funktion af temperaturen.

2. Papins atmosfæriske maskine

Huygens havde sagt til Papin, at hvis man kunne skaffe et lufttomt rum under et stempel i en cylinder, så var man godt på vej til at have en dampmaskine. Den ide fulgte Papin op på, mens han arbejdede i Marburg i 1690. Han konstruerede en maskine, som det er berettiget at se som en forløber til Newcomens dampmaskine fra 1712. Til højre viser vi, hvordan Papins maskine var konstrueret. Det består af en cylinder af jernblik, der er lukket forneden. Foroven skal der være adgang for atmosfærens luft gennem huller i låget. Et stempel B, ca. 6 cm i diameter med stempelstang D kan bevæge sig lufttæt op og ned. I stemplet er der et lille hul L, der kan åbnes og lukkes med den lodrette stang M. Der er et lille hak H i stempelstangen. Når stemplet er højest oppe er H umiddelbart over cylinderens låg. Den vandrette stang C presses af en fjeder ind i hakket, når stemplet er i sin øverste stilling, og den kan trækkes ud af hakket igen. Ja, sådan var maskinen indrettet. Nu skal vi fortælle, hvodan man brugte den: Først trykkes stemplet næsten helt ned til cylinderens bund, og rummet under stemplet blev fyldt med vand gennem hullet L. Dernæst lukkes L med stangen M og cylinderen varmes op, så vandet fordamper og driver stemplet op i øverste stilling, hvor stangen går i hak. Så standses opvarmningen og cylinderen oversprøjtes med koldt vand indtil dampen er fortættet. Der er så næsten lufttomt i cylinderen, og når stangen C trækkes ud af hakket trykkes stemplet af atmosfæren ned i bunden med voldsom kraft. Kraften er faktisk 1 kg pr kvadratcentimeter af stemplet, så det bliver i dette tilfælde ca 30 kg. Papin forestillede sig så, at stemplet kunne udføre et arbejde ved at man lod stangen d trække f.eks. i en pumpe eller en roterende aksel. I Papins maskine skulle cylinderen også virke som kedel og kondensator. Det var først da James Watt omkring 1780 adskildte disse tre funktioner at dampmaskinen blev virkelig effektiv. Selv om Papins maskine var et skridt i den rigtige retning, havde dem i sig selv ingen fremtid. For hvert stempelslag skulle cylinderen opvarmes så meget og så længe at vandet i den fordampede. Så skulle ilden tages væk og dernæst skulle hele cylinderen afkøles så stemplet igen kunne udføre sit arbejde. Papin nåede dog frem til at maskinen kunne udføre et stempelslag i minuttet. På grund af langsommeligheden og det store forbrug af brændstof modtog Papin ingen støtte til fortsat arbejde med dampmaskinen. Fra omkring år 1700 fortsatte Newcomen arbejdet med Papins ide, men først efter 10 års arbejde kunne Newcomen sætte den første dampmaskine i drift.

3. Papins højtryksmaskine

I 1705 sendte Leibniz en tegning af Saverys dampdrevne pumpe. Papin må på det tidspunkt også fra andre kilder have hørt om Saverys arbejde, der var omtalt i flere tidsskriftartikler. På den baggrund udgav Papin i 1707 en bog "om en ny måde at hæve vand med ild". Der beskriver Papin sin højtryksmaskine. Formålet med maskinen er at løfte vand opad. Vi forestiller os, at det vand, der skal løftes, løber ned i tragten L, således at der hele tiden er vand i tragten.

På tegningen til venstre viser vi Papins højtryksmaskine. Til højre er der en kedel med vand, der hele tiden opvarmes. Bemærk sikkerhedsventilen B for oven med kegleformet prop. Fra kedlen ledes dampen over i cylinderen C, der også har sikkerhedsventil. I C er der et isolerende stempel, men ingen stempelstang. Damptrykket driver stemplet nedad når hanen G er lukket. Stemplet presser så vandet i cylinderens nederste del over i beholderen K. Vandet kan ikke komme op i tragten L fordi der ved L er en ventil, der åbner nedad, og som derfor lukkes af vandtrykket nedenfra. Fra K presses vandet op i røret længst til venstre. Det kan løftes 10 meter op for hver atmosfæres overtryk, der er i kedel og cylinder. Når stemplet er nået til bunds i cylinderen åbnes hanen G og hanen D lukkes, så damptrykket i kedlen bevares, mens trykket i cylinderen falder til 1 atm. Vandtrykket ovenfra lukker nu ventilen K, mens ventilen i bunden af tragten åbner sig. Vandtrykket fra tragten løfter så stemplet i cylinderen, og vandet fra tragten fylder cylinderen under stemplet. Når stemplet i cylinderen er kommet helt op, starter processen forfra.

Papins højtryksmaskine har en stor fordel i forhold til den atmosfæriske maskine. Brændstofforbruget er nemlig meget mindre. Først og fremmest fordi kedlen og cylinderens overdel er varm hele tiden, og fordi dampen fra kedlen ikke på noget tidspunkt er i direkte kontakt med det kolde vand fra tragten. Maskinen kan ændres, så den i stedet for pumpning udfører en anden form for mekanisk arbejde. Man kan forsyne stemplet med en stempelstang, og lade stangen udføre arbejde under sin nedadgående bevægelse. Alt hvad der foregår efter tragten kan så udelades.

Ved afslutingen af perioden i Tyskland designede Papin en dampdreven hjulbåd, som han faktisk fik bygget. Den 24. september 1707 sejlede han med sin familie i dampbåden ned mod Wesers munding. De kom nu ikke langt fordi besætningen obstruerede sejladsen i protest med den nye opfindelse. Det var Papins sidste arbejde.

Hvis du støder på et ord, hvis betydning du ikke kender, så søg på ordet.