Forside Søgning Liste

Den første dampmaskine

1.Indledning

Indtil omkring år 1700 havde mennesker suppleret deres egne kræfter med vindmøller og vandmøller, og med kræfter fra dyr. Andre hjælpemidler havde folk ikke til at hjælpe med hårdt arbejde. Men netop omkring år 1700 var tiden moden til en af menneskehedens vigtigste opfindelser, nemlig dampmaskinen.

Princippet i en dampmaskine er, at den omdanner varmeenergi i vanddamp til mekanisk arbejde, dvs at den er en varmekraftmaskine.

Ja, tiden var moden til dampmaskinen, og det var der tre grunde til:

Den første grund var, at der var et påtrængende behov. Behovet var først og fremmest pumpning af vand fra oversvømningstruede mineskakter. Især i England, men også andre steder i Europa, havde man problemer med tilstrømning af vand til dybe mineskakter. I mange kulminer havde man måttet standse arbejdet, fordi man ikke kunne pumpe det tilstrømmende vand op hurtigt nok. Andre steder var den kostbare drift af hestetrukne pumper en stor økonomisk belastning for minens ejer. Der var også mange minearbejdere, der blev dræbt af det tilstrømmende vand.

Den anden grund var, at fysikernes kendskab til vanddamps tryk og til atmosfærens tryk var tilstrækkeligt udviklet. Atmosfærens tryk blev kendt gennem Torricellis arbejde (1644), hvor det blev kendt, at atmosfærens tryk svarer til vægten af en 76 cm høj kviksølvsøjle. Boyle iagttog i 1660 at lunkent vand kom i kog (uden at blive varmere), når det blev sat under luftpumpens glasklokke, og Papin viste ved forsøg, at en væskes kogepunkt er afhængigt af det tryk, der virker på væskens overflade. Papin offentliggjorde sin opdagelse af sikkerhedsventilen i 1681. Papin var også klar over, at hvis man havde kogende vand i en beholder, og så først lukkede beholderen lufttæt og endelig afkølede den, så faldt trykket i beholderen voldsomt. Man havde ikke nogen anskuelig forklaring på dette fænomen. Endelig udvikledes kvaliteten af termometre meget omkring år 1700, kulminerende med Rømers termometerkonstruktion i 1702.

Den tredie grund var, at den håndværksmæssige dygtighed til metalbehandling havde nået et niveau, der muliggjorde fremstillingen af de første dampmaskiner. Inden for dette område var der begrænsende faktorer. Rør til pumper og kanoner kunne udbores op til en diameter på ca 18 cm, men der gik grænsen. De store cylindre, der var nødvendige i atmosfæriske dampmaskiner, dvs. dampmaskiner, der ikke arbejdede med nævneværdigt overtryk, måtte derfor fremstilles på anden måde. Cylindrene i de første dampmaskiner var af messing. Fra omkring 1720 kunne Coalbrokedale Compagny støbe større og større jerncylindre. I 1760 op til 1,8 m i diameter. De første kedler til dampmaskiner var af kobber og uden sikkerhedsventil. Tidens loddeteknik satte snævre grænser, for hvor store tryk man kunne arbejde med. Denne begrænsning var medvirkende til, at dampmaskinerne i 1700-tallet vist alle var atmosfæriske.

2. Den første dampmaskine

I 1698 konstruerede Savery den første dampdrevne vandpumpe. Da den dygtige smed og jernhandler Thomas Newcomen (1663-1729) sammen med blikkenslager Calley startede arbejdet med en atmosfærisk dampmaskine, stødte de hurtigt på den forhindring, at Savery havde patent på ved hjælp af damp og afkøling at skabe et lufttomt rum. De måtte derfor gå i kompagniskab med Savery, og de tre fik da i fællesskab patent på den første dampmaskine i 1705. Man kunne nu forestille sig, at de startede med en mindre model, men såvidt vi kan forstå af kilderne, fyldte den første dampmaskine godt op i en ca. 12 m. høj bygning. Den blev færdig i 1712, og den blev bygget ved Dudley Castle, lige uden for Birmingham. Formålet var at pumpe vand op fra Conygree kulmine. Vi går nu over til at beskrive den første dampmaskine og den måde den virker på.

Newcomens 1712-dampmaskine bestod af et stempel forbundet til en kæmpemæssig vippebom med en kæde. I den anden ende af vippebommen er der en kæde, der løfter og sænker den tunge pumpestang længst til venstre. Lige til højre for vippebommens omdrejningspunkt bærer den en kort tredie kæde. Den løfter og sænker stemplet i enden af den sorte stang.

Lad os nu kigge på animationen. Vi starter på et tidspunkt, hvor stemplet bevæger sig opad. Bevægelsen skyldes, at den lange pumpestang til venstre er meget tung. Stangen ender i en pumpe langt nede. Pumpen er ikke vist på animationen. Der er åbent ned til kedlen med kogende vand. Rummet under stemplet bliver fyldt med vanddamp, trykket er 1 atmosfære og temperaturen er 100°. Det lille stempel bevæger sig opad og suger koldt vand op under sig fra den lille vandbeholder til venstre. Når stemplet når op i øverste stilling lukkes hanen ned til kedelen, og der lukkes kortvarigt op for den grønne hane, så det kolde vand fra den lille højtliggende vandbeholder kan sprøjte ind i cylinderen. Derved sker der en fortæting af dampen under stemplet. Det dannede vand samler sig på bunden af cylinderen. Trykket på undersiden af stemplet aftager meget, afhængigt bl.a. af temperaturen af det vand, der sprøjtes ind. Atmosfærens tryk på stemplets overside starter så en nedadgående bevægelse af stemplet. Den nedadgående bevægelse af det store stempel vedligeholdes af atmosfærens tryk på stemplet. Dermed bevæger pumpestangen til venstre sig opad, og betydelige mængder vand løftes op fra minen og løber ud til venstre fra den murede kanal. Den lille vandbeholder til venstre fyldes straks op. Når stemplet når ned i den nederste stilling lukkes der kortvarigt op for den brune hane til højre så vandet i bunden af cylinderen kan løbe ud. Straks derefter åbnes den røde hane ned til kedlen, så damp igen kan strømme op under stemplet, og hele processen starter forfra.

3. Kommentarer til dampmaskinens virkemåde

Da cylinderen ikke kunne fremstilles med tilfredsstillende nøjagtighed, var der små mellemrum mellem stemplet og cylinderens vægge. Betydningen af denne ulempe formindskedes ved at man fastgjorde en læderskive oven på stemplet. Den var en smule større end stemplet, så den pressede ud mod cylinderens vægge. Samtidig sørgede man for, at der var et tyndt lag vand oven på læderskiven. Så var det vand, der sivede gennem de uundgåelige mellemrum og det var ikke så skadeligt som luft. Faktisk var det gavnligt, fordi det gjorde fortætningen hurtigere. Newcomen havde et rør fra den højtliggende vandbeholder til en hane, der sad lige over cylinderen. Det er ikke vist på animationen. Det gjorde det let at sørge for, at der hele tiden var lidt vand på oversiden af stemplet.

Det var vigtigt for maskinens effektivitet, at hanerne blev åbnet og lukket på de rigtige tidspunkter. Det har LaCour en god historie om:

I de første dampmaskiner var hanerne håndbetjente. Det kunne en knægt jo gøre, og han var ikke dyr i drift. I 1713 var der en stor dreng ved navn Humphrey Potter, der passede hanerne. Det kedede ham, og da han opdagede, at en hane altid skulle åbnes og lukkes ved bestemte stillinger af den lodrette stang til den lille pumpe, fik han den idé, at det måtte kunne gøres automatisk. Ved hjælp af snoretræk og stænger fik han det arrangeret. Han kunne så slappe af, og maskinen kørte bedre.

Ifølge vores mest pålidelige kilde er historien desværre ikke sand, men der er ingen grund til at tvivle på, at hanerne blev betjent automatisk allerede i 1712-maskinen.

I den første version af dampmaskinen blev der ikke indsprøjtet vand i cylinderen for at opnå fortætning. I stedet sprøjtede man koldt vand uden på cylinderen. Hele cylinderen skulle altså så opvarmes og afkøles for hvert stempelslag. Det bevirkede et stort kulforbrug. Effektiviteten øgedes meget, da man fandt på at sprøjte koldt vand ind i cylinderen.

En samtidig kilde meddeler, at stemplet går op og ned 12 gange i minuttet og at hvert stempelslag hæver 45 liter vand op fra 50 meters dybde. I dag ville vi sige, at maskinen udførte et arbejde på 45·50 = 2250 kgm pr. stempelslag. Det svarer til en ydelse på 5½ hestekraft. Det meddeles også, at stemplets diameter var 75 cm. og at det bevæger sig 2,75 m. frem og tilbage. En diameter på 75 cm. giver et areal på 4500 cm², og da atmosfæren trykker 1 kg på hver kvadratcentimeter, skulle maskinen i princippet kunne løfte 4,5 tons 2,75 meter opad for hvert stempelslag. Teoretisk kunne maskinen derfor pr. stempelslag udføre et arbejde på 4500·2,75 = 12500 kgm. I praksis udførte den altså 18% af det teoretisk mulige.

På animationen kan man se, at når vandet tømmes ud af cylinderen, så kommer det ned i en lille beholder i stedet for straks at blive smidt ud. Grunden er, at dette vand er varmt. Man kunne derfor spare brændsel ved at bruge det, når der indimellem skulle fyldes mere vand på kedlen.

Newcomen lavede dampmaskiner, der var op til 18 meter høje, og hans maskintype blev brugt meget i England i resten af 1700 - tallet.

Udtømningen af vand fra bunden af cylinderen kan være problematisk på grund af undertrykket under stemplet. Dette kan ordnes på flere måder. La Cour meddeler at Newcomen og Calley prøvede på en snedig, men besværlig måde. De forlængede den brune hanes tud mere end 10 meter ned og lod røret ende under vand. Så vil der, når den brune hane er lukket, opstå vakuum over vandet i tudens forlængelse, og dette vakuum vil fortsat bestå, når den brune hane åbnes og vandet fra cylinderen løber ned i røret. Herved stiger vandstanden i røret ikke. Til højre viser vi LaCours tegning af Newcomens dampmaskine. Man kan se afløbsrøret for vandet i bunden af cylinderen. Opgave 8 LaCour har ikke tegnet nogen hane på røret. Vi opfordrer læseren til at tænke over, om en hane er nødvendig. På LaCours tegning er kedlen forsynet med sikkerhedsventil. Kedlen i Newcomens første dampmaskine havde ikke sikkerhedsventil. I princippet var det heller ikke nødvendigt, trykket i kedlen steg jo næppe over 1 atmosfære. Men der kan jo altid ske en fejl, og hvis den røde hane ikke bliver åbnet, ja, så er det jo godt med en sikkerhedsventil. Man gik derfor snart over til at forsyne kedlen med sikkerhedsventil. Bemærk stigen til højre på billedet. Det er LaCours måde at give højskoleeleverne en fornemmelse af størrelsen på maskinen.

Newcomens liv og virke er ikke dokumenteret i et omfang, der står mål med betydningen af hans arbejde.

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