Ångmaskin
Från Rilpedia
Ångmaskinen är en motor där värmeenergi buren av vattenånga omvandlas till mekaniskt arbete. Denna definition innefattar ångturbinen, men normalt avser man kolvångmaskinen som beskrivs här som också benämns kolvmaskin med yttre förbränning av bränslet. Ångmaskinen drivs med vattenånga under högt tryck som produceras utanför själva maskinen i en ångpanna. Pannan som värms upp med någon typ av fast eller flytande bränsle. Kolvångmaskiner som idag är i drift av kulturhistoriska skäl, som exempelvis i ångbåtar, använder oftast olja som bränsle av praktiska skäl och för att få en rimlig bränslekostnad men ångpannan kan också eldas med kol eller ved. I ett ånglok utgör pannan och maskinen (cylinder, kolv och vevstake) en sammanbyggd enhet men i tekniska beskrivningar skiljer man på ångpannan (som producerar ånga) och ångmaskinen (som använder ångan). I kolvångmaskinen driver ångan en kolv som löper i en cylinder. Kolvens fram- och återgående rörelse överförs vanligen med hjälp av vev och vevstake till en roterande rörelse på ett drivhjul. Ångans expansion kan ske i en fas i en enda cylinder, eller i två eller flera faser (kompoundångmaskin).
Ångmaskinen började användas som kraftkälla på 1700-talet och blev en avgörande faktor i den industriella revolutionen. Utvecklingen av det moderna samhället hade inte varit möjlig utan uppfinningar som ångmaskinen. Den kom att bli en oerhört viktig kraftkälla för både industri och tunga transporter med fartyg och järnväg ända fram till början av 1900-talet. Ångmaskinsdrivna lok tillverkades i Sverige ända in på 1950-talet. Ångmaskinen var dock stor och tung och hade en mycket dålig verkningsgrad men passade bra som drivkälla inom industrin och för framdrivning av fartyg och för lokomotiv där maskinens höga vikt inte hade ett avgörande inflytande på användbarheten. För vissa maskintyper var den höga vikten snarare en fördel som för lokomotiv som måste byggas med hög vikt för att få tillräcklig friktion mellan drivhjul och järnvägsräls och för "ångvältar" som måste ha ett högt tryck mot marken vid ex. packning av vägmaterial och nylagd asfalt. För mindre fordon för person- och godstransport var ångmaskinen dock alldeles för klumpig. Behovet av ett stort utrymme för lagring av bränslet var en avgörande nackdel liksom behovet av tillgängligheten till ett stort antal bränsledepåer utefter vägarna.
De allra första ångmaskinerna var av atmosfärisk typ. Detta innebär att de endast hade atmosfärstrycket att tillgå som arbetstryck.
James Watt anges ofta felaktigt som uppfinnaren av ångmaskinen, utan anses främst vara den som på ett avgörande sätt förbättrade ångmaskinens verkningsgrad.
Innehåll |
Användning
Det första användningsområdet för ångmaskiner i större skala var för att pumpa vatten ur kolgruvor i England och en omfattande tillverkning av ångmaskiner kom tidigt att etableras i England som blev det ledande landet på området under många år. Andra tillämpningar av ångmaskinen som drivmotor följde i snabb takt på en rad områden inom industrin där man tidigare hade varit hänvisad till väderkvarnar, vattenhjul i strömmande vattendrag eller hästar som drev maskiners huvudaxlar. En mycket stor del av de tunga manuella arbetetsmomenten försvann också när ångmaskinen blev vanlig vilket drastiskt ändrade behovet av antalet anställda inom olika industriella verksamheter. Den ännu idag pågående mekaniseringen av många arbetsmoment inom industrin påbörjades samtidigt i och med ångmaskinens inträde. Snart kunde också fartyg byggas med ångmaskinsdrift som ersatte segelfartygen. Antalet besättningsmän på fartygen minskade därmed också dramatiskt. Några välkända typer av maskiner med ångmaskin som kraftkälla är ångloket och ångvälten.
Under 1900-talet förlorade ångmaskinen sin roll som primär kraftkälla när förbränningsmotorn och de elektriska motorerna för större avgivna effekter utvecklades. En modern variant av "ångmaskinen" är ångturbinen som fortfarande är under stark utveckling och som utgör en synnerligen betydelsefull kraftkälla i många sammanhang, inte minst för produktion av elkraft i kärnkraftverk där ångturbiner driver el-generatorer. I detta fall arbetar ångmaskinen/turbinen med mycket höga ingångstryck och temperaturer, upp mot 300 bar och ångtemperaturer på 600 grader C. Alla jämförelser med den gamla kolvångmaskinen saknar därför egentligen relevans även om energimediet vattenånga är densamma.
Uppfinning och utveckling
En föregångare till ångmaskinen är känd från antiken: Herons ångkula (eolipil) som beskrivs av filosofen Heron verksam under första århundradet e. Kr.
Newcomen
Den första ångmaskinen konstruerades av den franske fysikern Denis Papin omkring 1690, men den första tillräckligt robusta för att pumpa vatten ur gruvor konstruerades av engelsmannen Thomas Newcomen 1712. Denna atmosfäriska ångmaskin arbetade på så sätt, att den i ångpannan under föga mer än atmosfärtryck bildade ångan under kolvens uppåtrörelse inströmmade under denna och fyllde ångcylindern. Något egentligt arbete uträttades därvid ej, emedan kolven lyftes genom pumpstångsystemets tyngd. Vid kolvens högsta läge sprutades vatten in omkring cylindern, varigenom ångan där kondenserades, vakuum uppstod, och atmosfärtrycket pressade ned kolven samt lyfte upp stängerna och utförde pumparbetet.
Kondenseringen ändrades snart till insprutningskondensering, så att kylvattnet direkt insläpptes i ångcylindern. Därigenom erhölls snabbare kondensering, större slagantal och ökad effekt. Till en början reglerades ång- och vattenpådragen för hand, men automatisk reglering infördes efter några år. Fastän Newcomen inte lade fram några nya, epokgörande tankar, lyckades han genom sin stora praktiska begåvning framställa en pumpångmaskin, som visade sig utföra arbetet med god driftsäkerhet och därför installerades i den ena gruvan efter den andra under flera årtionden framåt. Nackdelen hos hans ångmaskin var dess låga verkningsgrad och därmed höga kolförbrukning, 10-20 kg kol per effektiv hk-timme, till mycket stor del beroende på den oerhört stora cylinderkondensation, som uppkommer genom ångcylinderns omväxlande uppvärmning med ånga och därpå följande avkylning genom vattnets insprutning. En mängd ånga måste därvid kondenseras och värmen går till spillo.
Efter Newcomens tid förbättrades hans ångmaskin, särskilt genom engelske ingenjören John Smeaton. Denne lade mycket stor vikt på tillverkningen av ångmaskinen, bland annat utborrades ångcylindern mycket noggrannare än förr. Han lyckades även nedbringa cylinderkondensationen genom att bekläda kolvens ångsida med trä. På grund av dessa olika förbättringar minskades kolförbrukningen till under 8 kg per effektiv hk-timme.
En Newcomen-maskin installerades i Dannemora gruvor 1728 av Mårten Triewald. Men framgångarna uteblev eftersom gruvarbetarna aldrig blev förtrogna med maskinen och dess skötsel. En svensk doktorsavhandling av Svante Lindqvist beskriver projektet: Technology on trial : the introduction of steam power technology into Sweden, 1715-1736 (1984), ISBN 91-86836-00-5, ISBN 91-22-00716-4. En kommenterad nyutgåva av Triewalds Kort beskrivning om Eld- och Luft-Maskin vid Dannemora Gruvor utkom 1985: ISBN 91-7284-197-4.
Watt
Genom skotten James Watts uppfinningar och konstruktioner skapades en nästan helt ny ångmaskin, som med ett slag reducerade kolförbrukningen till hälften mot Smeatons förbättrade Newcomenmaskin. Watts första förbättring var att kondensationen ägde rum utanför cylindern i den kondensor som han uppfann 1769. Han uppfann även den dubbelverkande ångmaskinen, och därigenom fördubblades effekten utan ökning av cylinderdimensionerna. Watt insåg även betydelsen av ångans expansion.
Ångmaskinens introduktion i Sverige
Ångmaskinen som drivmotor började dyka upp i Sverige på mitten av 1700-talet, till en början liksom i England, som drivmotorer för länspumpning av vatten ur gruvor men ganska snart för alla typer av drivningar inom industri, sjöfart och senare en bit in på 1850-talet som drivmotor för järnvägens lokomotiv. Som ett exempel på framstående personer som verkade för en introduktionen av ångmaskinen kan nämnas Mårten Triewald (1691-1747), Abraham Niclas Edelcrantz (1754-1821) och den engelske konstruktören och ångmaskinsexperten Samuel Owen (1774-1854) som flyttade till Sverige 1806. De första ångmaskinerna som installerades i Sverige för industriellt bruk, bortsett från tidigare gruvinstallationer, lär vara de fyra maskiner av fabrikat Boulton & Watt som importerades från England 1804 av Abraham Niclas Edelcrantz med Samuel Owen som assisterande ingenjör för hopmontering och uppstartning. En av dessa fyra maskiner installerades på hösten 1804 i Lars Fresks textilfabrik på Elfviks gård på Lidingö och ersatte de hästar som svarat för drivkraften i fabriken.
Det stora problemet med de tidiga maskinerna var att de var ofantligt klumpiga och utrymmeskrävande med dålig verkningsgrad, drog massor av ved och därför passade bäst som stationära drivmotorer. Utvecklingen gick dock snabbt, maskinernas verkningsgrad ökade och den mekaniska uppbyggnaden ändrades till mer kompakta konstruktioner. Man övergick också till att elda med det energirika kolet och snart kunde man också använda maskinerna även i mindre fartyg vilket kom att bli enormt betydelsefullt för alla slag av sjötransporter där man tidigare varit tvungen att förlita sig till segel. Ångmaskinen lade grunden till den industriella revolutionen som i Sverige tog ordentlig fart först från mitten av 1800-talet och som för alltid skulle förändra människans levnadsvillkor på en genomgripande sätt.
Ångmaskinens betydelse för utveckling av förbränningsmotorn
Grundprincipen att låta en arbetskolv med en fram och återgående linjär rörelse omvandla denna till en roterande rörelse via en vevsläng, som utvecklades genom ångmaskinen, utgör i grunden samma princip som används i den moderna förbränningsmotorn av kolvtyp som tydligt illustreras i artikeln fyrtaktsmotor. Den stora skillnaden är att bränslet via antändning omvandlas till nyttig energi direkt i kolvutrymmet vid gasens expansion. Man tog helt enkelt bort mellansteget med förångning av vatten till ett högt ångtryck som bärande energimedium, utan lät lättantändligt bränsle verka direkt i kolvutrymmet. En mycket stor del av de mekaniska uppfinningarna, maskinelementen, mekaniska mekanismerna, de olika stål- och bronsmaterialen och lagertekniken som utvecklades med ångmaskinen var en förutsättning för den snabba utvecklingen av förbränningsmotorn som kom att bli en överlägsen motorprincip i många tillämpningar och som i allt väsentligt idag ser ut som den gjorde för över 100 år sen. Förbränningsmotorn höjde verkningsgraden dramatiskt jämfört med ångmaskinen, som hade en verkningsgrad beräknat som avgiven mekanisk energi dividerat med teoretisk värmeenergi i bränslet på max. c:a 20%. Förbränningsmotorn ligger idag på maximalt c:a 40-45 % verkningsgrad vilket är anledningen till behovet av stora kylare på alla fordon. 60% av bränslets teoretiska energinnehåll omvandlas således till i huvudsak till värme som försvinner ut i uppvärmning av atmosfären utan att ge någon nyttig mekanisk energi. En del av bränslet passerar också motorn oförbränt.
Referenser
Källor
Se även
- Wikimedia Commons har media som rör Ångmaskin
