Ångmaskin

__TOC__

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. Ångan är vatten som hettats upp i en ångpanna. 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 roterande rörelse.

Ångmaskinen började användas som kraftkälla på 1700-talet och blev en avgörande faktor i den industriella revolutionen. Utvecklingen av det moderna samhället är otänkbar utan ångmaskinen, den var den primära kraftkällan för både industri och tunga transporter med fartyg och järnväg fram till början av 1900-talet. Ångmaskinen var stor och tung, hade mycket dålig verkningsgrad men passade bra som drivkälla inom industrin och för framdrivning av fartyg och lokomotiv där maskinens höga vikt inte hade ett avgörande inflytande på användbarheten. För mindre fordon var ångmaskinen dock alldeles för klumpig. Behovet av ett stort utrymme för lagring av bränslet var också en avgörande nackdel liksom behovet av tillgängligheten på ett stort antal bränsledepåer i detta fall.

De första ångmaskinerna var av atmosfärisk typ. Detta innebär att de endast hade atmosfärstrycket att tillgå som arbetstryck.

James Watt anges ofta felaktigt som uppfinnaren, men anses främst vara den som på ett avgörande sätt förbättrade verkningsgraden.

[[Image:Steam engine in action.gif|center|thumb|500px|Animation av en kolvångmaskin i drift. Reglagestången mellan varvtalsregulatorn (i form av en centrifugalregulator med vikter, en uppfinning som också tillskrivs James Watt) och ventilen för regleringen av tillförd ångvolym visas i olika lägen i figuren enbart för att bättre illustrera funktionen. I praktiken rör sig denna länk enbart när ångmaskinens varvtal tenderar att öka eller minska för att bibehålla inställt varvtal. 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, med den skillnaden att bränslet via antändning omvandlas till nyttig energi direkt i kolvutrymmet vid gasens expansion. En mycket stor del av de mekaniska uppfinningarna, maskinelementen och mekanismerna som utvecklades med ångmaskinen var en förutsättning för den snabba utvecklingen av förbränningsmotorn.]]

Användning

Det första användningsområdet var att pumpa vatten ur gruvor. Sedan i andra områden vid gruvorna och de tidiga industrierna. Fartyget byggdes också snart för ångdrift. En välkänd typ av ångmaskin är ånglok. Under 1900-talet förlorade ångmaskinen i denna form sin avgörande roll och ersattes av förbränningsmotorerer och elmotor. Men en modern variant av ångmaskinen kan sägas vara ångturbinen som är under stadig utveckling och synnerligen betydelsefull i många sammanhang, inte minst för produktion av elkraft.

Herons ångkula

Newcomens ångmaskin, principschema

]]

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 franska 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 J. Smeaton. Denne lade mycket stor vikt på tillverkningen av ångmaskinen, så att bl. a. ångcylindern urborrades mycket noggrannare än förr. Han lyckades även nedbringa cylinderkondensationen genom att bekläda kolvens ångsidan 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.

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.

1800-talet