Sådan fungerer Steam-teknologi

For at være vidne til dampens utrolige kraft behøver du ikke se længere end til udbruddet af gejsere eller eksplosionen af ​​gasser, der opstår, når lava når havet. Det tidlige menneske var vidne til sådanne seværdigheder og har længe forsøgt at kontrollere dampens rå kraft gennem teknologi lige fra den grundlæggende te-kedel til damplokomotivet til det moderne atomkraftværk.

Uanset hvilket teknologiniveau, der er involveret, kommer dampkraft ned til ét grundlæggende princip:Når vandet opvarmes til fordampningspunktet, optager det fordampede vand mere plads, end det flydende vand gjorde. Dette skyldes, at faste stoffer, væsker og gasser hver især holdes sammen af ​​forskellige niveauer af molekylære kræfter. I faste stoffer er molekylerne kompakte. I væsker er de længere fra hinanden. Og i gasser som damp er de endnu længere fra hinanden.

Hvis du opvarmer en dåse suppe i en ild, vil det flydende indhold fordampe og til sidst udvide sig til det punkt, hvor dåsen vil eksplodere for at frigøre trykket indeni. Når dette tryk bruges til at udføre en bestemt opgave - som at dreje en turbine eller få en kedel til at fløjte - udnytter dampteknologien dampkraft. Metoderne til opvarmning, indeslutning, kanalisering og brug af damp har ændret sig, men det grundlæggende princip forbliver det samme.

At lære at udnytte kraften fra damp har været en lang proces. Den græske matematiker Hero teoretiserede brugen af ​​dampteknologi i anden halvdel af det første århundrede. Der skulle dog gå godt 1.600 år, før den første praktiske dampmaskine kom til, som førte an til opfindelsen af ​​damplokomotivet. Drevet af dampmaskiner udnyttede disse lokomotiver energien fra damp til at drive tog over store afstande.

1. Tidlig Steam-historik
2. De første dampmaskiner
3. Watt og dampmaskinen
4. The Cornish Engine
5. Damplokomotivet
6. Tidligste lokomotiver
7. Damplokomotivkomponenter og betjening
8. Damplokomotiver og Anden Verdenskrig
9. Teknologiske fremskridt

Tidlig Steam-historie

De tidligste kendte optegnelser om dampteknologi går tilbage til Alexandria i 75 e.Kr.. Mathematician Hero, også kendt som "Heros" eller "Heron", skrev tre bøger om mekanik og luftens egenskaber og præsenterede planer for en simpel dampmaskine.

Heros design krævede en hul kugle med bøjede rør, der dukkede op fra hver side af den. Denne mekanisme blev derefter fyldt med vand og monteret over et bål. Da varmen fik vandet inde i kuglen til at fordampe, blev damp tvunget til at ventilere gennem de to rør. Denne dampdrevne fremdrift fik kuglen til at rotere - som et hjul drejet af flaskeraketter.

Heros metode til at omdanne dampkraft til bevægelse var grundlaget for senere dampteknologi. Imidlertid var et stort antal videnskabelige fremskridt nødvendige, før koncepterne bag hans dampturbine kunne bruges i praksis. Selvom folk som Leonardo da Vinci legede med ideen om dampkraft (opfinderen foreslog i 1495, at dampkraft kunne affyre et projektil), var fremskridt inden for teknik og mere nøjagtige målinger af temperatur og tid med til at bane vejen for dampens kommende tidsalder.

I 1606 optog Giovanni Battista della Porta fra Napoli sine teorier om dampens rolle i at skabe et vakuum. Han teoretiserede, at hvis vand omdannet til damp inde i en lukket beholder resulterede i øget tryk, ville damp kondenseret til vand inde i et lukket kammer resultere i nedsat tryk. Denne nye forståelse af damp spillede en afgørende rolle i den fremtidige udvikling.

I 1679 lykkedes det den franske videnskabsmand og matematikprofessor Denis Papin at omsætte della Portas teori til virkelighed gennem et overraskende hjemligt projekt:"Digester or Engine for Softening Bones." Den forseglede kogegryde var i det væsentlige den første trykkoger. Papin udvidede sig på denne enhed ved at tilføje et glidende stempel til toppen af ​​en lukket cylinder fuld af vand. Ved opvarmning skubbede den ekspanderende damp stemplet op. Da dampen afkølede og blev flydende igen, trak det resulterende vakuum stemplet ned igen.

De første dampmaskiner

I slutningen af ​​det 17. århundrede stod England over for en trækrise, da skibsbygning og brænde tærede skove. Skibene var nødvendige for handel og forsvar, men kul var en passende erstatning for brænde. At producere mere kul betød dog at grave dybere kulminer, hvilket øger sandsynligheden for, at vand siver ind i minerne. Der var pludselig et akut behov for nye metoder til at pumpe vand ud af miner.

I 1698 opnåede Thomas Savery, en militæringeniør, patent på en damppumpe og begyndte at pitche sin "Miner's Friend" til alle, der ville lytte. Enheden bestod af et kogekammer, der ledte damp ind i en anden beholder, hvor et rør med en kontraventil faldt ned i vandet, der skulle fjernes. Koldt vand blev hældt over beholderen med damp, og da vanddampen indeni afkøledes til en flydende tilstand, trak det resulterende vakuum vand op nedefra. Det opsugede vand var ikke i stand til at strømme tilbage forbi kontraventilen og blev derefter drænet gennem et andet rør.

Desværre for Savery havde damppumpen ikke været så vellykket, som han håbede i mineindustrien. Det meste af hans salg foregik til private ejendomme, der ønskede at dræne overskydende vand og genbruge det til hus- og havebehov. Fordi dampkammerets opvarmning og afkøling skulle styres manuelt, var motoren noget upraktisk. Motoren kunne også kun suge vand fra en begrænset dybde - en dyb mine krævede en række motorer installeret på forskellige niveauer.

Men i 1712 skabte smeden Thomas Newcomen og assistent John Calley, en glaspuster og blikkenslager, et mere effektivt dampdrevet pumpesystem. Newcomen Engine kombinerede Saverys adskillelse af kedlen og dampcylinderen med Papins dampdrevne stempel.

Mens Savery søgte at erstatte konventionelle hestedrevne pumper med sin motor, søgte Newcomen at bruge en dampdrevet pumpe til at udføre arbejdet med heste. Newcomens motor lignede Saverys. Det omfattede et dampfyldt kammer, der blev afkølet ved en hurtig injektion af koldt vand for at skabe en vakuum-inducerende ændring i atmosfærisk tryk.

Denne gang trak vakuumets kraft imidlertid et stempel ned og trak en kæde, der aktiverede en pumpe i den anden ende af en ophængt bjælke. Da vandet i stempelcylinderen igen blev til damp, skubbede det stemplet op, og en vægt på den anden side af strålen nulstillede pumpen.

Watt og dampmaskinen

Mens Newcomen Engine og Saverys "Miner's Friend" bestemt brugte dampteknologi, tilskrives dampmaskinen generelt én mands arbejde:James Watt.

Uddannet som instrumentmager i London, fandt Watt til sidst arbejde nær Glasgow University i Skotland. Da en af ​​universitetets Newcomen Engines havde brug for reparationer, befandt Watt sig albuedybt i dampteknologiens indre. Watt erkendte hurtigt en grundlæggende designfejl:Tid, damp og brændstof blev spildt ved at lade både opvarmning og afkøling finde sted inde i stempelcylinderen.

Watt løste problemet ved at lave en separat kondensator. Han tilføjede et kammer adskilt fra cylinderen (som han også isolerede), hvor damp ville blive afkølet for at skabe det nødvendige vakuum. Denne adskillelse gjorde det muligt for stempelcylinderen at forblive ved samme temperatur som den indgående damp, uden energispild ved at opvarme den og vandet indeni. Derudover kunne den separate kondensator holdes ved en meget lavere temperatur og krævede mindre afkøling.

Efter et samarbejde med Matthew Boulton producerede Watt en hurtigere, mere brændstofeffektiv motor ved hjælp af den separate kondensator. Parrets forsøg på at finde nye anvendelser for deres succesfulde motor førte til yderligere to afgørende opfindelser - den dobbeltvirkende motor og flyball-guvernøren.

Flyball-guvernøren skabte en automatiseret metode til at åbne og lukke dampventiler til et stempel. Sol- og planetgear var fastgjort til en hjuldrevet aksel. Da dampkraft fik stangen til at snurre, snurrede de to kugler udad fra skaftet. Da de nåede deres højeste punkt, fik de dampventilen til at lukke. Da deres spinding aftog, snurrede de tilbage mod stangen og fik ventilen til at åbne igen. Dette forvandlede bevægelsen i dampmaskinen fra frem og tilbage - frem- og tilbagegående bevægelse - til den cirkulære bevægelse, der kræves for at betjene et hjul.

Den dobbeltvirkende motor hjalp med at gøre dampmaskinen mere effektiv ved at udnytte kraften fra tidligere tomgangsdamp til at skubbe stemplerne ned.

Den korniske motor

James Watts dampmaskine og andre innovationer satte scenen for den industrielle revolution - begyndende med tekstilindustrien i slutningen af ​​det 18. århundrede. Folk havde længe forarbejdet uld i hånden og senere ved hjælp af vandmøller. Men en række nye opfindelser så snart fabrikker drevet af damp.

Boulton og Watt-motoren var utrolig vellykket, men andre opfindere var stadig opsatte på at forbedre teknologien. Boulton og Watt havde dog monopol på dampmaskinebranchen, da deres motor var beskyttet af strenge patenter.

Patenteryalties koster mineselskaber mange penge. Opfinderen Richard Trevithick bemærkede minernes situation i hans hjemland Cornwall og satte sig for at skabe en motor, der undgik Boulton og Watts patenterede teknologier. Trevithick mente, at han kunne skabe en motor, der gjorde op med Watts separate kondensator ved at bruge højtryksdamp.

Mens brugen af ​​højtryksdamp var blevet teoretiseret, var den ikke blevet udført med succes. Kedler fra det attende århundrede var ude af stand til at modstå højtryk i lange perioder. Men i begyndelsen af ​​det 19. århundrede - ironisk nok, netop som Watts patenter var ved at udløbe - opdagede Trevithick, at moderne kedler nu kunne modstå højere tryk. Samtidig oplevede den amerikanske opfinder Oliver Evans lignende præstationer.

Trevithicks nye Cornish Engine var billigere, lettere og mindre end Boulton og Watt-motoren. Arthur Woolf forbedrede yderligere brugen af ​​højtryksdamp i 1804. London-bryggeriets ingeniør realiserede ideen om blanding - en metode, hvor overskydende damp fra et stempel affyrer et andet stempel og derefter et tredje. Denne metode resulterer i mindre varmetab.

Damplokomotivet

Opfindere arbejdede på design til dampdrevne biler, selv da de første damppumper blev finjusteret i slutningen af ​​1600-tallet. Mens nogle mener, at Ferdinand Verbiest skabte en fungerende dampbil i 1672, tyder flere beviser på, at den franske opfinder Nicolas-Joseph Cugnot lavede det første dampdrevne køretøj i 1769. Men mens forskningen og udviklingen af ​​dampdrevne biler fortsatte i nogen tid, var ideen havde størst succes i form af det skinnemonterede damplokomotiv.

Manden bag Cornish Engine, Richard Trevithick, var også en nøgleperson i udviklingen af ​​damplokomotivet. Det er vigtigt at bemærke, at togspor allerede eksisterede i 1770'erne i forskellige industriområder i England. Jern-forstærkede træskinner kaldet sporvogne var blevet bygget til heste til at trække vogne med kul. I 1804 afslørede Trevithick en dampdrevet motor, der var i stand til at trække 10 tons jern i 10 miles. I 1808 blev Trevithicks bærbare dampmaskine vist på en cirkulær bane i det centrale London.

Tidligste lokomotiver

En anden britisk ingeniør, George Stephenson, fortsatte to årtier senere, hvor Trevithick slap. Stephensons arbejde med at udvikle stadig mere effektive dampmaskiner til transport af kul førte til beslutningen om at skabe en jernbaneforbindelse mellem Durham Coalfields og en udskibningshavn i Stockton. Stephenson foreslog, at planen også tillader motorerne at transportere passagerer. I 1825 gennemførte Stephenson Locomotion nr. 1 på sin første rejse - med gods og anslået 600 passagerer.

Robert Stephenson spillede også en central rolle i denne æra. Han hjalp med at konstruere Rocket-lokomotivet, som vandt Rainhill Trials i 1829, hvilket beviste gennemførligheden af ​​damplokomotiver til offentlig transport.

Tom Thumb er et andet bemærkelsesværdigt tidligt lokomotiv. I USA blev dette tog, bygget af Peter Cooper i 1830, det første succesrige damplokomotiv. Tom Thumb, opkaldt som sådan på grund af sin kompakte størrelse, havde en lille lodret kedel og en encylindret motor og fik sin debut på Baltimore og Ohio Railroad.

Kort efter opstod Baldwin Locomotive Works, grundlagt af Matthias Baldwin i Philadelphia, som en dominerende kraft i fremstillingen af ​​amerikanske lokomotiver. Baldwin Locomotive blev synonymt med USA's jernbaneudvikling og spillede en afgørende rolle i udvidelsen af ​​jernbanenetværk i hele nationen.

Damplokomotivkomponenter og drift

Damplokomotiver skaber damp i kedlen gennem forbrænding af brændstof, typisk kul eller træ. Tidlige lokomotiver brugte en ildrørskedel, som indeholdt et netværk af rør, der transporterede varme gasser til at opvarme vandet. Ventilgearet styrer tilførsel og frigivelse af damp ind i cylindrene.

Når denne højtryksdamp ledes ind i cylindrene, skubber den mod stemplerne for at skabe mekanisk bevægelse. Når dampen udvider sig og gør sit arbejde, mister den tryk og energi. Kedeltrykket påvirker direkte damplokomotivets ydeevne og effektivitet.

Efter at dampen har udført sit arbejde i cylindrene, udtømmes eller frigives den fra cylindrene ind i lokomotivets skorsten eller skorsten som udstødningsdamp. Udstødningsdampen transporterer energien og spildvarmen fra dampmaskinen og frigiver den til atmosfæren.

Udstødningen af ​​udstødningsdamp hjælper med at opretholde trykbalancen i lokomotivets cylindre og muliggør den kontinuerlige cyklus af dampgenerering, udvidelse og udstødning.

Damplokomotiver og Anden Verdenskrig

Damplokomotiver spillede en afgørende rolle under Anden Verdenskrig. De blev brugt til at transportere tropper og militært udstyr til forskellige steder, samt til hovedforsyningslinjer ved at skaffe mad, ammunition, brændstof og råmaterialer til soldater. De var en livline under krigen, men de forsinkede også omstillingen fra damp- til diesellokomotiver.

Fremskridt inden for teknologi

Mens udviklingen af ​​dampvogne forblev en ren videnskabelig kuriosum i de næste 100 år, tog det dampdrevne lokomotiv fart. Motoren fungerede på et system af hjul, der blev roteret af et dampdrevet stempel. Ingeniører arbejdede kontinuerligt på at forbedre systemet ved at øge damptrykket, anvende blanding og tilføje yderligere hjul.

Jernbanen viste sig at være en vital del af den industrielle revolution, og ændrede måden, hvorpå gods blev transporteret over land og bandt fjerne befolkninger sammen. Damp drev jernbanerne, indtil dieselmotorer og elektrisk kraft kom i forgrunden i det 20. århundrede.

Farerne ved dampkraft

I betragtning af dampmaskinernes høje tryk og temperaturer er det ikke overraskende, at eksplosionsulykker har præget teknologiens udvikling. Af denne grund er kedler - lige fra simple trykkogere til kraftværker - udstyret med en form for sikkerhedsventil.

Når trykket inde i kedlen bliver for stort, frigives overskydende damp gennem ventilen for at forhindre en eksplosion. Disse enheder er typisk vægt- eller fjederdrevne og kræver et indstillet tryk for at åbne ventilen. Der sker dog stadig ulykker.

Eksplosioner på grund af bevidst eller utilsigtet deaktivering af sikkerhedsventiler var ret almindelige i det 19. århundrede. Den dårlige presse fra sådanne hændelser viste sig at være en hindring for datidens pionerer og opfindere.

En af de mere bemærkelsesværdige damprelaterede ulykker i det 20. århundrede fandt sted ved Three Mile Island Nuclear Generating Station. Ulykken begyndte, da pumper, der tilførte koldt vand til dampgeneratorerne, holdt op med at køre, hvilket resulterede i øget damptryk. Dette udløste anlæggets udløsningsventil, men da ventilen ikke lukkede, blev selve reaktorkernen overophedet.

Mange flere oplysninger

Relaterede artikler om, hvordan ting fungerer

• Sådan virker Steampunk
• Sådan fungerer dampmaskiner
• Sådan fungerer gasturbinemotorer
• Sådan fungerer elektricitet
• Sådan fungerer atomkraft
• Sådan fungerer luftdrevne biler
• Sådan fungerer patenter

Kilder

• Alf, Martin og John Kern. "Primer på Supercritical Steam." Elektrisk lys og strøm. Januar 2003. http://uaelp.pennnet.com/display_article/165839/34/ARTCL/none/none/1/Primer-on-supercritical-steam/
• "Harcraft Carriers" Federation of American Scientists Military Analysis Network. 11. marts 2000 http://www.fas.org/man/dod-101/sys/ship/cv.htm
• "Archimedes' dampkanon." Massachusetts Institute of Technology 2.009 Produktingeniørprocesser. 2007. http://web.mit.edu/2.009/www/experiments/steamCannon/ArchimedesSteamCannon.html
• Burris, Joe. "Discovery Channel undersøger Winans Steam Gun." Baltimore Sun. 4. december 2007. http://www.baltimoresun.com/entertainment/tv/bal-to.mythbusters05dec05,0,2900119,full.story
• Clark, Ronald W. "Works of Man:A History of Invention and Engineering, from the Pyramid to the Space Shuttle." Viking Penguin Inc. 1985.
• "Faktaark om Three Mile Island-hændelsen" United States Nuclear Regulatory Commission. 20. februar 2007. http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/fact-sheets/3mile-isle.html
• Fuldstændig, Kelly. "Vandvarmeren eksploderer i hjemmet." The Sun News. 2. februar 2008. http://www.myrtlebeachonline.com/news/local/story/335886.html
• Gascoigne, Bamper. "Steams historie." Historyworld.net. http://www.historyworld.net/wrldhis/PlainTextHistories.asp?groupid=819&HistoryID=aa81
• Goldman, Adam. "Kvinde såret i NYC damprør eksplosion sager." Associated Press. 14. februar 2008. http://ap.google.com/article/ALeqM5gF7SJot_B1DSfjdRZf8lf-Uc9oawD8UQBOH07
• Ingo, Paul. "Superkritiske kulfyrede kraftværker:En ny teknologi, der med succes er implementeret i udviklingslande." Verdensbanken.
• Lind, L.J. "The Holeman Projector." Søhistorisk Selskab. http://www.lateralscience.co.uk/perkgun/index.html
• Malhotra, Ashok. "Termodynamiske egenskaber ved superkritisk damp." Steamcenter.com. 2006 http://www.lulu.com/items/volume_13/254000/254766/1/preview/preview-thpb.doc.
• Marsden, Ben. "Watt's Perfect Engine:Steam and the Age of Invention." Columbia University Press. 2002.
• "Sikkerhedsventil." Encyclopedia Britannica Online. http://www.britannica.com/eb/topic-516113/safety-valve
• "Superkritiske kraftværker." Power4Georgians. 2008. http://power4georgians.com/supercritical.aspx
• Woodman, Richard. "The History of the Ship:Den omfattende historie om søfart fra de tidligste tider til i dag. 1997.
• Wilson, Jim. "Ny Steam-teknologi." Populær mekanik. juni 2001. http://www.popularmechanics.com/science/research/1282106.html?page=2

Denne artikel blev oprettet i forbindelse med AI-teknologi, og derefter faktatjekket og redigeret af en HowStuffWorks-redaktør.