James Watts dampmaskine

1. Udgangspunktet

I begyndelsen af 1700 - tallet konstruerede Newcomen nogle dampmaskiner. De var store, 10 meter høje, og de var designede til at pumpe vand op fra mineskakter. Maskinerne havde et stort forbrug af kul, og de var derfor mest attraktive i kulminer, hvor man havde let og billig adgang til kul. Pumperne bevægede sig op og ned, der var ikke brug for rotationer.

Langt henne i 1700 - tallet satte James Watt sig for at konstruere dampmaskiner, der skabte en roterende bevægelse. Sådan nogle maskiner kunne nemlig bruges til andet end pumpning, f.eks. i tekstilfabrikker og maskinværksteder. Watts dampmaskiner havde også et meget mindre forbrug af kul end Newcomens. Watts succes skyldtes for en stor del samarbejdet med Matthew Boulton, en dygtig ingeniør og forretningsmand.

I 1784 tegnede Watt den figur, som vi viser nedenfor. Der var, desværre for Watt, en anden, der havde patent på krumtappen, så Watt kunne ikke fremstille en dampmaskine, som den på billedet. Watt opfandt et alternativ til krumtappen, det såkaldte "sun and planet gear". Det virkede, men ikke så tilfredsstillende som krumtappen. Det blev formodentlig ikke brugt efter at krumtapspatentet udløb. Med nutidens sprog kan vi opfatte tegningen som Watts drøm om en dampmaskine. Derfor har vi valgt den som udgangspunkt for vores beskrivelse af princippet i Watts dampmaskine, men vi benytter dog ikke alle detaljer på tegningen

Allernederst på tegningen er der noget, der minder om et brusebad, dog med bruseren opad. Det har vi valgt at sløjfe. Det ser nemlig ud, som om det betjenes med håndtaget E, og det indgår ikke i maskinens konstruktion at betjene dette håndtag. Så er der to vigtige detaljer, som vi beskriver under 1785 James Watt og hans videnskabelige arbejder: Det er de to skråt ophængte kugler mærkt Q, øverst til venstre. Og så den lille gruppe af tynde næsten vandrette stænger øverst til højre.

2. Animationen

Vi beskriver mange detaljer nedenfor, men vi vil allerede her opfordre læseren til at være opmærksom på maskinens lukkede kredsløb af vand og vanddamp. På animationen har vi tegnet vanddamp, der er ca 110° varm, med gråt, selv om vanddamp i virkeligheden er lige så usynlig som luft. Skyer er ikke vanddamp, de består af små vanddråber, dannet ved afkøling af vanddamp. Prøv at følge vanddampen fra kedlen til højre. Den strømmer op i det tykke damprør foroven, løber vandret hen over cylinderen og fortsætter nedad. Noget af dampen løber ind i cylinderen, og noget løber i det lodrette damprør til venstre for cylinderen. Men al dampen ender nede i det hvide rum i den blå vandtank. Her er der koldt, så det meste af dampen bliver til vand, og i det hvide rum er der vanddamp ved måske 30°. Det dannede varme vand bliver så løftet op af det lille stempel, og sendt tilbage til kedlen gennem det lange tynde rør. Dette kredsløb er lukket, der slipper hverken vand eller vanddamp ud, og der kommer heller ikke nyt vand eller ny luft ind.

3. Nedadgående stempel

I det følgende forudsætter vi, at du har læst det første afsnit i 1785 James Watts videnskabelige arbejder.

Med udgangspunkt i billedet ovenfor beskriver vi nu, hvad der sker, mens stemplet S bevæger sig nedad. Rummet under stemplet er nu forbundet til beholderen K, som kaldes en kondensator. Kondensatoren er Watts opfindelse. Den er af afgørende betydning for effektiviteten af hans dampmaskine. Kondensatoren er omgivet af koldt vand, så i den kondenseres dampen til vand. Derfor er trykket under stemplet ret lille, det svarer faktisk ved en temperatur på 10° til ca. 15 g/cm² = 0,015 kg/cm². Det er Watt, der har målt dette tal. Se nærmere under 1785 Watts videnskabelige arbejde. Oven over stemplet er temperaturen godt 100°, så her er trykket godt 1 atmosfære, hvilket svarer til 1 kg/cm². På en af de omhyggelige tegninger af en af Watts dampmaskiner er der angivet en stempeldiameter på 1 meter, hvilket giver et areal på 8000 cm². Oven på stemplet svarer det til, at der ligger en vægt på 8 tons, mens luften under stemplet kun trykker opad med en kraft svarende til 0,015×8000 = 120 kg. Resultatet er, at hjulets rotation understøttes, selv om hjulakslen bag computerskærmen trækker maskiner, der kræver en betydelig energi. Ved kondenseringen udvikles der meget varme, så vandet i K bliver lunkent. Det afhænger af lokale forhold hvor lav temperatur man kan opnå i kondensatoren. Hvis der f.eks. er et vandløb tæt ved, kan man måske opnå en temperatur i nærheden af 10°C. Det lave tryk i kondensatoren er meget mindre end trykket i rummet L med det lille stempel. Denne trykforskel bevirker, at ventilen mellem K og L automatisk lukker. Stemplet i L bevæger sig nedad, og vandet under stemplet tvinger så ventilen i stemplet til at være åben. Der er altså lavt tryk i hele L, og det atmosfæriske tryk i kedlen D tvinger altså ventilen i M til at lukke. Når stemplet i L er i bund, er vandet over stemplet altså lunkent.

Stemplet inde i den sorte pumpe P bevæger sig opad. Pumpen ender nedadtil i en brønd med koldt vand, og derfor kommer der koldt vand ud af pumpetuden T. I praksis ville man nok sørge for, at det kolde vand kom ud i nærheden af K, så det rum holdes koldt. Til højre for K er der et afløbsrør. Gennem det løber vandet ud i samme tempo, som det løber ind gennem T. Man har nok sørget for, at vandet, der løber ud, er så varmt som muligt.

3. Det øjeblik, hvor stemplet er nederst

På det tidspunkt skifter de to røde ventiler, så dampen ikke længere ledes ned i kondensatoren. I stedet ledes den ind under stemplet, som nu begynder at gå opad. På Watts tegning øverst antydes det, hvordan maskinen selv skifter ventilerne.

4. Opadgående stempel

Mens stemplet S bevæger sig opad, er der damp ved godt 1 atmosfæres tryk både over og under S. Dampen over stemplet bevæger sig som pilene viser, og det ender under stemplet. Der virker altså ingen nævneværdig kraft fra dampen på stemplet, og det, der får stemplet til at bevæge sig, er hjulets rotationsenergi. Hjulet kaldes et svinghjul og vi kommenterer det nedenfor i afsnit 6. Det lille stempel i L bevæger sig opad, og det bevirker, at ventilen i i stemplet lukker sig, og det bevirker yderligere, dels at ventilen mellem L og K åbner sig, og også at ventilen i M åbner sig. Under den opadgående bevægelse af stemplet i L er der langt større tryk over stemplet end under det og det modvirker bevægelsen af vippen V. På grund af den langsomme bevægelse af stemplet i L og på grund af det lille areal af dette stempel har dette dog kun en lille indflydelse på hjulets rotation. Igen henviser vi til afsnit 6. Under bevægelsen af stemplet skubbes det lunkne vand i L via rummet M og det tynde afløbsrør A over i kedlen D. I K er der vanddamp med meget lavt tryk.

5. Det øjeblik, hvor stemplet er øverst

På det tidspunkt skifter de to røde ventiler, så dampen under stemplet S ledes ned i kondensatoren K. Samtidig lukkes der for tilførslen af damp til rummet under stemplet S. På Watts tegning foroven antydes det, hvordan maskinen selv skifter ventilerne. K er kold, så dampen kondenseres til vand, og derved udvikles der varme.

Herefter begynder processen forfra.

6. Om svinghjulets varierende vinkelhastighed

Billedet viser en af Watts dampmaskiner,
som er bevaret af Lough Borough University

Det er kun under den nedadgående bevægelse af det store stempel, at der bliver givet øget omdrejningshastighed til hjulet, resten af tiden er det hjulet, der driver stemplerne. Da man ikke er interesseret i, at hjulet drejer sig med nævneværdig varierende vinkelhastighed, sørger man for, at det har et stort inertimoment. Som vist på billedet ovenfor opnår man det ved at vælge et hjul med stor diameter og tung omkreds. Det får man et godt indtryk af på billedet ovenfor. Her ser man hjulet i forgrunden, og i baggrunden kan man øverst se vippen, og til højre bag hjulet ses cylinderen til det store stempel.

7. Om Watts dobbeltvirkende dampmaskine

8. Om brugen af Watts dampmaskine i praksis

Watts dampmaskiner var så store, at en enkelt lille virksomhed ikke havde resourser nok til at investere i en dampmaskine. På billedet til højre viser vi, hvordan Watts dampmaskine blev brugt i en tekstilfabrik.

I baggrunden ser man svinghjulet til en dampmaskine. Med et krydsende bånd driver dampmaskinen en aksel, der er ophængt under loftet. Derfra kan der gå remtræk til mange mindre maskiner

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