Redigerer Dampmaskin (avsnitt)

=== Utviklingen av moderne dampmaskiner ===
==== Utvikling av den teoretisk forståelsen ====
De teoretiske aspektene ved dampmaskinen var empiriske (erfaringsbasert) og ofte feilaktig forstått. Begreper om varmens natur relaterte effekt til damptrykk. Den franske matematikeren [[Sadi Carnot]] (1796–1832) ga et bedre teoretiske grunnlag. Videre ble eksperimenter utført av fysikerne [[Benjamin Thompson]] (1753–1814) og [[James Prescott Joule]] (1818–1889) rundt 1843 som førte til utviklingen av nye begreper. Blant annet førte dette til forståelsen av at «varme og energi er gjensidig konvertible...» og at varmen tilført en dampmaskin er den egentlige drivkraften og at trykk bare er en sekundær størrelse.<ref name=Gil/>

Arbeidet til den skotske fysikeren [[William John Macquorn Rankine]] (1820–1872) og den britisk fysikeren [[William Thomson Kelvin]] (Lord Kelvin) (1824–1907) videreutviklet den teoretiske forståelsen av varme og varmekraftmaskiner. Det ble påvist at dampmaskinen var ekstremt ineffektiv, altså at den hadde lav [[virkningsgrad]]. Thomson avledet matematisk effektiviteten til en perfekt varmekraftmaskin, kjent som [[Clausius–Rankine-prosessen]]. Den viste at jo større temperaturfall som oppstod i maskinen, desto større ville virkningsgraden være. Utviklingen fremover rettet seg mot forbedring av konstruksjonen av dampmaskinen, spesielt at en skulle få en større mengde nyttig arbeid fra en gitt mengde drivstoff. Det fulgte mange tekniske fremskritt, som Corlissventilen (ventiler for inn- og utslipp av damp til sylinderen) oppfunnet av den amerikanske ingeniøren [[George Henry Corliss]] (1817–1888), høyhastighets maskiner og forbedrede regulatorer. Andre oppfinnelser var overoppheting av dampen, forbedring av dampkjelene og bruken av drivstoffet.<ref name=Gil/>

==== Regulering av hastigheten ====
[[Fil:Fliehkrafregler.PNG|mini|Sentrifugalregulator for en dampmaskin av typen som [[James Watt]] utviklet. Regulatoren skal sørge for jevn hastighet, og er koblet til maskinens aksling slik at den alltid har en hastighet som er proporsjonal med dampmaskinen. Illustrasjonen viser et tilfelle der hastigheten øker, noe som fører til at de roterende kulene beveges utover, ved hjelp av armer og spaker fører dette til at dampventilen, vist nede til høyre, reduserer pådraget av damp. Dampmaskinen vil da redusere hastigheten.]]

Sentrifugalregulatoren ble tatt i bruk av James Watt i 1788, etter at Watts partner Boulton hadde sett en slik innretning i bruk på en mølle.<ref>{{cite book|title=A History of Control Engineering 1800-1930 |last1=Bennett |first1= S.|last2= |first2=|authorlink=|year=1979 |publisher =Peter Peregrinus Ltd.|location= London|isbn= 0-86341-047-2|pages=| postscript =}}</ref>

Hensikten med regulatoren er at den skal holde konstant hastighet uavhengig av maskinens belastning. Altså at dampmaskinen holder noenlunde konstant hastighet både i tomgang og ved fullt pådrag. Dette vil igjen si at maskinen gir det [[dreiemoment]] og den [[effekt]] som arbeidsmaskinen krever.

Den enkle sentrifugalregulatoren kunne ikke holde en gitt fart, fordi den vil forutsette en ny hastighet som respons på belastningsendinger, noe som kalles ''stasjonært avvik''. Regulatoren var i stand til å håndtere mindre tilstandsvariasjoner, som for eksempel varierende varmeutvikling i kjelen. Blant dens andre ulemper var en tendens til oscillasjoner som respons på hastighetsendring. Ofte vil lastavslaget bli litt for stort slik at hastigheten blir noe lavere enn ønsket, regulatoren vil dermed måtte øke pådraget, som i neste omgang blir litt for høyt. Dette gjentas flere ganger etter hverandre. Dermed fås et oscillerende forløp før ny stasjonær likevekt oppstår, noe som kalles et ''innsvingningsforløp''. Samme forløp vil også oppstå ved et lastpåslag, altså at hastigheten i første omgang går ned. Regulatorene ble forbedret opp gjennom årene, slik at ved slutten av 1800-tallet eksisterte det regulatorer med gode egenskaper for konstant hastighetskontroll.<ref>{{Harvnb|Bennett|1979|pp=}}</ref> Store [[svinghjul]] kompenserte også for regulatorens treghet og svakhet med innsvingningsforløp.

==== Høytrykksmaskiner ====
Watts patent forhindret andre fra å utvikle høytrykksmaskiner. Kort tid etter at Watts patent utløp i 1800, introduserte [[Richard Trevithick]] (1771–1833) og, uavhengig av ham, [[Oliver Evans]] (1755–1819) i 1801<ref name="Thomson 2009">{{cite book  |title=Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790–1865  |url=https://archive.org/details/structureschange00thom  |last=Thomson |first= Ross  |year=2009
  |publisher =The Johns Hopkins University Press |location= Baltimore, MD  |isbn= 978-0-8018-9141-0|page=[https://archive.org/details/structureschange00thom/page/n50 34]}}</ref><ref>{{Citation  |last=Cowan |first=Ruth Schwartz  |title=A Social History of American Technology  |publisher=Oxford University Press |place=New York  |year=1997
  |page=74  |isbn=0-19-504606-4}}</ref> maskiner som baserte seg på damp med høyt trykk. Trevithick fikk sin dampmaskin patentert i 1802,<ref>{{cite book|last1=Dickinson|first1=Henry W|last2=Titley|first2=Arthur|title=Richard Trevithick, the engineer and the man|year=1934|publisher=Cambridge University Press|location=Cambridge, England|page=xvi|chapter=Chronology|oclc=637669420}}</ref> mens Evans hadde utarbeidet flere modeller tidligere.<ref>The American Car since 1775, Pub. L. Scott. Baily, 1971, p. 18</ref> Watt hadde benyttet et damptrykk på ikke mer enn 1,5 [[Standardatmosfære|atm]], samt utnyttet undertrykket som kondensatoren skapte. Trevithick gikk mye lengre og anvendte maskiner med et trykk på 8 atm.<ref name="W38"/> Disse var mye kraftigere for en gitt sylinderstørrelse enn tidligere maskiner. De kunne i tillegg gjøres små nok til å være fremdriftsmaskineri for damplokomotiver. Deretter førte teknologiske nyvinninger og forbedringer av produksjonsteknikker til utformingen av mer effektive maskiner som kunne være mindre, raskere eller ha større ytelse, avhengig av bruksområde.<ref name="Hunter 1985" /> Watt på sin side mente at disse maskinene var livsfarlige.<ref name="W38"/>

Den såkalte ''Cornish-maskinen'' ble utviklet av Trevithick og andre i 1810-årene.<ref>{{Harvnb|Hunter|1985|pp=601–628}}</ref> Det var en såkalt ''[[compound]]maskin'' som benyttet høytrykksdamp som  ekspanderte i to trinn, det vil si at dampen først ble benyttet i én sylinder, før den ble ført videre og benyttet i enda en sylinder. Deretter ble lavtrykksdampen ledet ut av maskinen og kondensert, slik at maskinen fikk forholdsvis høy virkningsgrad. Cornish-maskinen hadde uregelmessig bevegelse og dreiemoment gjennom syklusen, noe som begrenset dens anvendelse hovedsakelig til pumping. Cornish-maskinen ble brukt i gruver og for vannforsyning, helt opp til slutten av 1800-tallet.<ref>{{Harvnb|Hunter|1985|pp=601}}</ref>

==== Horisontale stasjonære maskiner ====
[[Fil:Steam engine in action.gif|mini|Dampmaskin med dobbeltvirkende sylinder for stasjonært bruk. Dette var en vanlig maskin på midten av 1800-tallet. Legg merke til sleiden som styrer damptilførselen inn (lyserød) og ut (lyseblå) på hver side av sylinderen. Legg også merke til regulatoren med de to kulene over sylinderen som skal sørge for jevnt turtall.]]

Tidlige konstruktører av stasjonære dampmaskiner anså horisontale sylindere til å bli utsatt for stor slitasje. Derfor ble maskinene konstruert med vertikale sylindre og stempler. Med tiden ble den horisontale ordningen mer populær. Dermed ble mer kompakte, men kraftige dampmaskiner for montasje der plassen er begrenset, utviklet.

Den mest vellykkede av de horisontale maskinene ble kjent som Corliss-dampmaskin, etter Corliss som patenterte denne i 1849. Dette var en dobbeltvirkende maskin med fire ventiler for å styre dampen inn og ut på vekselvis hver sin side av stempelet. Den hadde sogar en automatisk dampventil for variabel avstenging av dampen. Da Corliss ble gitt [[Rumfordmedaljen]] sa komiteen at ''«ingen oppfinnelse siden Watts tid har gitt så store forbedringer av effektiviteten av en dampmaskinen»''.<ref name="NE Manufacturers 1879">{{cite book  |title=New England Manufacturers and Manufactories  |author=Van Slyck, J.D.  |others=volume 1  |series=New England Manufacturers and Manufactories  |url=  |year=1879  |publisher=Van Slyck | page=198}}</ref> I tillegg til å bruke 30 % mindre damp, utviklet den jevn hastighet på grunn av finessen med variabel dampstenging, noe som gjorde den godt egnet til å drive produksjonprosesser, spesielt spinning av bomull.<ref name="Hunter 1985">{{cite book |title=A History of Industrial Power in the United States, 1730–1930 |others=Vol. 2: ''Steam Power'' |last1=Hunter |first1= Louis C.
|year=1985 |publisher =University Press of Virginia|location= Charolttesville|isbn= |page =}}</ref><ref name="Thomson 2009" /> Corliss fikk i anledning av en utstilling i Philadelphia i 1876 bygget til da verdens største dampmaskin med en ytelse på 2400 hk. Denne var 12 meter høy.<ref name="W39">[[#W|Wetting: ''Ilden, hjulet og mennesket'' side 39.]]</ref>

==== Stadig bedre dampkjeler ====
[[Fil:Lancashire boiler (Jamieson, Elementary Manual on Heat Engines).jpg|mini|En såkalt ''Lancashire boiler'' fra 1911. En stor del av volumet vist med rødt er fylt med vann. Innkast av [[kull]] skjer gjennom de to ovnsdørene vist i bildet øverst til venstre. Ild og røyk føres gjennom to store kanaler gjennom kjelen, deretter følger røykgassene i en kanal først under kjelen, så på sidene av den, se pilene i det oransje området. ]]

[[Fil:Schmidt superheater (Heat Engines, 1913).jpg|mini|Illustrasjon av ''Schmidts superheater'' fra boken ''Heat Engines'' utgitt 1913.]]

De tidlige dampkjeler var store beholdere som lignet kjeler; de hadde plan bunn og hvelvet overdel. Typisk lå trykket bare så vidt over atmosfærens trykk, men da en gikk over til noe større trykk på slutten av 1700-tallet, begynte en å anvende sylindriske dampkjeler. Ellers var det vanlig at kjelene ble innmurt og at fyringen skjedde fra undersiden.<ref name="WA4">[[#WA|Watzinger: ''Dampkjeler'' side 4.]]</ref>

Både Newcomen og Savery bygde dampkjeler basert på erfaring fra bryggeriene som på denne tiden utviklet store bryggepanner. Et stort problem på 1700-tallet var å finne konstruksjonsmetoder for å holde kjelene tette. Ofte ble tjære og drev (hamp), talg (innvollsfett) og bek brukt i skjøtene mellom platene som kjelen ble satt sammen av, men det beste viste seg ofte å ha litt hestemøkk i dampkjelen. Stråfibrene i møkk ville nemlig presse seg inn mellom lekke fuger, slik at disse etter hvert ble tettet igjen.<ref>[[#W|Wetting: ''Ilden, hjulet og mennesket'' side 42.]]</ref>

Watt mente at trykket måtte holdes lavt for å unngå kjeleeksplosjoner, mens konkurrenten  Trevithick dristet seg til å øke trykket. Da en av hans kjeler eksploderte i 1803 og drepte to personer, henvendte Watt seg til parlamentet med beskyldning om at Trevithick var en farlig morder som måtte stoppes.<ref>[[#W|Wetting: ''Ilden, hjulet og mennesket'' side 43.]]</ref> Dampkjeler som eksploderte var ikke uvanlig utover 1800-tallet. [[Tinius Olsen]] (1845–1932) var en  ingeniør fra Kongsberg som slo seg ned i USA. I Philadelphia bygget han et verksted for prøving av dampkjeler for å gjøre grundige tester før de ble satt i bruk.<ref>[[#W|Wetting: ''Ilden, hjulet og mennesket'' side 44.]]</ref> Dette virksomheten eksisterer fremdeles og er spesialisert på materialtesting.

Dampkjelene ble bygget som komplekse systemer for å få best mulig varmeovergang fra ild og røykgass til vannet i kjelen. Illustrasjonen (Lancashire boiler) viser en dampkjele der selve forbrenningen skjer i to runde kanaler inne i selve kjelen, såkalte ''flammerør'', videre føres røyken via kanaler på utsiden av kjelen. I hovedsak ble forskjellige typer av ''røykrørskjeler'' benyttet gjennom 1800-tallet og utover begynnelsen av 1900-tallet. Disse hadde en mengde gjennomgående rør gjennom kjelen der røykgassen ble ført.<ref name="WA4"/> Senere ble ''vannrørskjeler'' mer og mer vanlige, der vannet føres inn i en mengde rør omgitt av ild og røykgasser. Dampen dannes i disse rørene, og i de såkalte ''tromlene'' utskilles dampen fra vannet. En stor fordel med disse kjelene er at damptrykket ikke virker på store flater, dermed kunne en øke trykket, temperaturen og størrelsen omtrent så mye en måtte ønske. For øvrig ble de første kjeler av vannrørstypen foreslått  rundt midten av 1800-tallet, men først på slutten av århundret fikk de noen større anvendelse.<ref name="ReferenceB">[[#WA|Watzinger: ''Dampkjeler'' side 6.]]</ref>

Det er det store trykket i dampkjelen som gjør at vannet, og dermed også damptrykket, kan heves til temperaturer godt over 100&nbsp;°C. (Kokepunktet til vann er 100&nbsp;°C ved  atmosfæretrykk). Ved å operere med høye temperaturer økes effektiviteten til dampkjelen, slik at høyt trykk og høy temperatur ble et viktig mål for å redusere energiforbruket.

Senere ble dampmaskinene bygget med kjeler som skapte damp med svært høy temperatur, såkalt  overopphetet damp. Den tyske ingeniøren [[Wilhelm Schmidt]] (1858–1924) regnes for å stå bak gjennombruddet innenfor teknologien som kalles ''overhetet damp''.{{efn|Engelsk: «superheated steam»}} Schmidt konstruerte dampkjeler med ett trinn etter selve kjelen der vannet koker, der han lot dampen gå gjennom et sinnrikt system av rør, se illustrasjon (Schmidts superheater). Disse rørene var anbrakt der ild og røykgasser passerte, slik at dampen fikk temperaturer helt opp mot 350&nbsp;°C. Med denne videreutviklingen ble effektiviteten, eller virkningsgraden, forbedret ytterligere. Forbruket av drivstoff per utviklet hestekrafttime (energi) er et mål for dette. Newcomens dampmaskin brukte 18&nbsp;kg kull, Watts maskin 4&nbsp;kg kull, Corliss' maskin 600&nbsp;g kull og i moderne tid bare rundt 200&nbsp;g kull, der alle tall er masseenhet kull per hestekrafttime.<ref name="W39" />
Beskrivelse	Hva du skriver	Hva du får
Kursiv	''Kursiv tekst''	Kursiv tekst
Fet	'''Fet tekst'''	Fet tekst
Fet & kursiv	'''''Fet & kursiv tekst'''''	*Fet & kursiv tekst*