Af: Peter Larsen
Når man graver ned i jorden, vil man på et tidspunkt nå grundvandsspejlet. Det sker også når man graver miner for at udvinde kul eller metaller, og gennem tiden er der som vist i afsnittet om bogtrykkerkunsten udviklet mange sindrige mekanismer til at pumpe vandet væk fra miner. I 1698 fik englænderen Thomas Savery patent på en opfindelse, der ved ildens kraft kan løfte vand:
.. a new Invention for Raiseing of Water and occasioning Motion to all Sorts of Mill Work by the Impellent Force of Fire which will be of great vse and Advantage for Drayning Mines, serveing Towns with Water, and for the Working of all Sorts of Mills where they have not the benefitt of Water nor constant Windes..
Savery’s opfindelse blev dog aldrig brugbar til at pumpe vand fra miner, den anvendte damp ved højt tryk, og havde det med at eksplodere.
Thomas Newcomen
Samtidig med Savery arbejdede Thomas Newcomen med et andet apparat. Newcomen var fra Dartmouth i Devon, han var smed og handlede med jern.
I forbindelse med sin forretning besøgte han miner i Devon og Cornwall, så han var bekendt med problemet med indtrængende grundvand i de dybe mineskakter, og at det var omkostningstungt for minerne at pumpe vandet op med hestetrukne pumper.
Newcomen fik sandsynligvis ideen om en pumpe med cylinder og stempel fra den franske fysiker Denis Papin, der havde eksperimenteret med ideen.
Newcomen og hans assistent John Calley, der var blystøber, fik bygget en maskine med en kedel med en cylinder oven på, hvor stemplet havde forbindelse til en vippearm.
For at køle var der monteret en blykappe rundt om cylinderen. Når stemplet var i top blev der ledt vand ned mellem blykappen og cylinderen, så dampen i cylinderen kondenserede.
Men der var et problem – det tog lang tid at få cylinderen kølet ned, så dampen kondenserede. Maskinen kørte for langsomt. Newcomen og Calley udviklede på maskinen i flere år – og så skete der et gennembrud.
I 1717 byggede svenskeren Mårten Triewald ildmaskiner i England, hvor han hørte historien:
I ti efterfølgende år blev der arbejdet på modellen af denne ildmaskine, og havde aldrig vist den ønskede effekt, uden gennem et lykketræf ved den gode Gud, da ved det sidste forsøg de ville gøre med modellen, skete det at en utilsigtet hændelse kom til at ske, at det kolde vand, som de havde fyldt i en blykappe omkring cylinderen trængte ind gennem en støbefejl i cylinderen, der var repareret med en tinlodning, der smeltede ved dampens varme, så det kolde vand der trængte ind i cylinderen, kondenserede dampen øjeblikkeligt, og gav et sådant vacuum, at den påhængte vægt i den ene ende af deres lille bom, der skulle repræsentere vandets tyngde i pumpen, var så utilstrækkelig at luften trykkede med så mægtig en kraft på stemplet at kæden sprang og stemplet slog bunden ud af cylinderen og låget af deres lille kedel, så det varme vand fløj omkring, overbeviste deres forestilling, at de havde fundet en uforlignelig stor kraft der før i naturen har været fuldstændig ukendt, i det mindste at den kunne opnås på denne måde.
Her er b kedlen.
Damp bevæger sig gennem ventilen d og op i cylinderen a, og udligner atmosfærens tryk, så den tunge pumpestang k falder og vipper vippearmen i, der løfter stemplet s.
Stangen m bærer en modvægt, hvis nødvendigt.
Ventilen d lukkes, f åbnes og en vandstråle fra cisternen g sprøjtes ind i cylinderen og skaber vakuum da dampen kondenserer.
Atmosfærens tryk presser stemplet ned og løfter gennem vippearmen pumpestangen k – og processen starter forfra.
Røret h sørger for at oversiden af stemplet er dækket af vand for at undgå at luft slipper ind i cylinderen.
To måleventiler, c og c. og en sikkerhedsventil N er vist på figuren. Trykket i kedlen er kun lidt større end atmosfæretrykket, så ventilens vægt har holdt den lukket.
Det kondenserede vand og kondensationsvandet ledes væk gennem røret p.
Newcomens første maskiner foretog 6-8 slag pr. minut mens de senere og forbedrede foretog 10-12 slag pr. minut.
Newcomen og Calley byggede syv maskiner inden 1715.
Den første dampmaskine man har kendskab til blev bygget I 1712 ved en 51 yard dyb kulmine tæt på Dudley i England.
Cylinderen var 21 tommer i diameter, 7 fod og 10 tommer høj.
Kedlen var 5 fod og 6 tommer i diameter og 6 fod og 1 tomme høj.
Maskinen udførte 12 slag i minuttet, ved hvert slag blev der løftet 10 gallons vand.
homas Savery havde fået et bredt patent på anordninger, der løfter vand ved hjælp af ild, så i 1715 oprettede Newcomen og Savery et fælles firma, der solgte licenser til folk, der ønskede at bygge Newcomen-maskiner.
Da Savery’s patent udløb i 1733 var der bygget 110-115 maskiner, i 1775 var der omkring 600.
For at undersøge effektiviteten foretog den engelske ingeniør John Smeaton i 1770 målinger på 15 forskellige Newcomen-maskiner.
Smeaton sammenlignede kulforbrug og mængden af løftet vand, og så på stempelarealet.
Smeaton konkluderede at maskiner med stor stempeldiameter og kort slaglængde er de mest effektive – hvilket giver mening, da en maskine med et forhold mellem boring og slaglængde på 1 vil have det mindste overfladeareal i forhold til volumen – og dermed mindst overflade, der skal afkøles.
De bedste maskiner i undersøgelsen havde en virkningsgrad på 0,67%, men ved at eksperimentere med boring, slaglængde og tætning af stemplet fik Smeaton øget virkningsgraden til lidt over 1%.
Med Newcomens dampmaskine opstod en helt ny industri.
For at kunne lave en dampmaskine skal man kunne støbe, håndtere og bearbejde store cylindre med en boring (indre diameter) på i begyndelsen 20 tommer (ca. 50 cm), senere op til 50 tommer (ca. 125 cm).
Udviklingen af Newcomen-maskinen skubbede til grænserne for fremstillingsteknologien i begyndelsen af 1700-tallet.
Hvad var det for et problem, Newcomen ville løse med sin maskine?
Hvordan virkede Newcomens maskine?
James Watt
James Watt, der var instrument-mager, arbejdede i 1764 på at reparere en model af en Newcomen-maskine for universitetet i Glasgow.
Watt kunne se at der var et voldsomt spild af damp. Han gik videnskabeligt til værks, og identificerede tre problemer:
- Cylinderen afgiver varme til omgivelserne. Cylinderen var af messing, der er en god varmeleder.
- Cylinderen taber varme når den køles ned for hvert slag, for at kunne skabe vakuum.
- Der tabes kraft på grund af dampens tryk på undersiden af stemplet når kondensering foregår i cylinderen.
Efter flere eksperimenter med nye materialer til cylinderen og målinger på mængden af damp havde han en god forståelse for årsagerne til problemerne med maskinen, og at løsningen lå i at holde cylinderen lige så varm som dampen, der kom ind i den.
Efter at have tænkt længe over problemet fandt han på en løsning – en separat kondensator, hvor dampen kunne kondenseres uden for cylinderen i stedet for i cylinderen.
Watt gik i 1767 i kompagniskab med en formuende læge, John Roebuck, og fik i 1769 patent på
A New Invented Method of Lessening the Consumption of Steam and Fuel in Fire Engines
– en ny metode til at mindske forbruget af damp og kul i ildmaskiner.
Watt’s forbedringer af dampmaskinen øgede virkningsgraden til 2,5%.
Da Roebuck i 1772 fik økonomiske problemer overtog Matthew Boulton hans del af Watt’s patent, og i 1774 begyndte Watt og Boulton et samarbejde.
Boulton var en dygtig forretningsmand, og startede med at få Watt’s patent forlænget til 1800.
I 1776 blev der installeret to Boulton & Watt maskiner, en ved en mine i Staffordshire og en til at blæse luft ind i ovnene hos John Wilkinson.
I de følgende år arbejdede Watt med at installere flere maskiner ved miner – Boulton & Watt producerede ikke dampmaskiner selv, kunden købte dele til dampmaskinen fra forskellige leverandører, og Watt overvågede installeringen.
Firmaet tjente sine penge ved at få 1/3 af værdien af det sparede brændsel i de næste 25 år.
I 1781 besøgte Boulton en vandmølle i Wales, der valsede kobber. Møllen kørte ikke om sommeren på grund af mangel på vand – men det kunne løses med en dampmaskine.
Boulton kunne se et kommende marked i valse- korn- malt- og bomuldsmøller, så han foreslog Watt at udvikle en maskine med roterende bevægelse.
Det lykkedes Watt i 1781 med et planet-gear – en konkurrent havde patent på krumtappen i forbindelse med ildmaskiner – og der blev hurtigt solgt maskiner til industrielt brug.
Watt’s udviklling stoppede ikke her, i 1782 blev den dobbeltvirkende maskine patenteret, i 1786 kom centrifugalregulatoren til at regulere omdrejningshastigheden og i 1790 overtryksventilen.
Mellem 1775 og 1800 solgte Boulton & Watt omkring 450 maskiner – samtidig blev der opstillet omkring 1000 nye Newcomen-maskiner, der godt nok ikke var så effektive, men billigere og ikke underlagt Watt’s patenter.
Her ses et opslag fra Meyers Konversations-Lexikon 1885-1892, der viser funktionen af Boulton og Watt’s dobbeltvirkende maskine.
H er cylinderen, Z er stemplet.
Stemplet er gennem stempelstangen forbundet til vippearmen med leddet sa.
I den anden ende af vippearmen er plejlstangen ex forbundet med krumtappen O, der driver svinghjulet.
Dampen kommer fra kedlen gennem kanalen q, der fører til styrekassen I.
Den hule skyder AB styrer dampen ved skiftevis at lukke og åbne til den øvre dampkanal 1 og den nedre dampkanal 2.
Skyderen styres af en stang (der er skjult på figuren) mellem z og vinkelbeslaget po’, der har forbindelse til excentrikken S på svinghjulsakslen gennem gitterstangen Sp.
Dampen over stemplet strømmer gennem 1 og den hule skyder gennem røret q’ til kondensatoren K, hvor dampen kondenseres af det indsprøjtede vand.
Der dannes vakuum over stemplet som bevæger sig op.
Samtidig strømmer damp gennem 2 ind i cylinderen under stemplet.
Når stemplet er i top bevæger den hule skyder AB sig op og lukker damp ind overstemplet gennem 1, samtidig med at dampen lukkes ud under stemplet gennem 2 og gennem q’ til K.
Der dannes vakuum under stemplet som bevæger sig ned.
Processen gentages.
Stempelstangen u fører til luftpumpen, der sørger for at kondensatoren ikke bliver oversvømmet af kondensationsvandet. En pumpestang d går fra vippearmen til koldtvandspumpen, der pumper vand til kondensation.
Stangen sa, stykket ab på vippearmen, bu og us danner et parallelogram, der sammen med cb, btu og ur giver Watt’s parallelføring, så stempelstangen bevæger sig retlinet.
Remmen T forbinder svinghjulsakslen med R, der gennem akslen N driver centrifugalregulatoren, hvor kuglerne i slynges ud og gennem stangsystemet klmnoy styrer et spjæld, der regulerer dampmængden, og dermed omdrejningstallet, gennem kanalen q fra kedlen.
Efterspørgslen kom hurtigt fra papirmøller, melmøller, bomuldsmøller, jernmøller, destillerier – overgangen til industrialisering med kul- og dampkraft var i gang.
Hvilke problemer løste Watt og Boulton?
Hvordan virker Watt’s maskine?
Hvordan er Watt’s maskine automatiseret i forhold til Newcomen’s?