mini|En av James Watts dampmaskiner, utstilt på Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la UPM i Madrid.. mini|Et damplokomotiv fra Øst-Tyskland. Denne typen lokomotiver ble bygget i 1942-1950 og var i drift frem til 1988. miniatyr|Sykkel med dampmotor på framhjulet.
En dampmaskin er en varmekraftmaskin som omformer varmeenergi til mekanisk arbeid med vann som arbeidsmedium. Virkemåten til en stempeldampmaskin er at damp under trykk fra en dampkjele virker med en kraft på stemplene og setter disse i bevegelse. Bevegelsen overføres via veivstenger til en veivaksling, det gir en roterende bevegelse som kan drive propellen på et skip, hjulene på et lokomotiv eller en generator i en kraftstasjon.
Ofte er dampmaskinen utformet slik at vann i gass- og væskeform sirkulerer i en lukket krets. Den ideelle termodynamiske syklusen som brukes for å analysere denne prosessen kalles Clausius–Rankine-prosessen. I denne syklusen blir vann oppvarmet og forvandles til damp i en kjele som arbeider ved høyt trykk. Når dampens varmeenergi benyttes til å drive en stempelmaskin eller turbiner, skapes mekanisk arbeid. Dampen får redusert trykk og temperatur på veg gjennom dampmaskinen. Etter at dampen forlater dampmaskinen, strømmer den ut i kondensatoren, der den kondenseres til vann som pumpes tilbake i kjelen.
Bruk av kokende vann for å produsere mekanisk bevegelse har vært kjent siden oldtiden, men tidlige maskiner var ikke særlig praktiske. Den spanske oppfinneren Jerónimo de Ayanz y Beaumont (1553–1613) fikk i 1606 det første patent på en dampmaskin. I 1698 patenterte Thomas Savery (1650–1715) en damppumpe som virket etter et prinsipp der damp kom i direkte kontakt med vannet som skulle pumpes. Saverys damppumpe anvendte kondensering av damp for å skape et vakuum. Dette førte til at vann ble trukket inn i et kammer, hvoretter det ble påført trykksatt damp for å drive vannet ut. Thomas Newcomens (1664–1729) atmosfæriske dampmaskin var den første anvendbare dampmaskinen som brukte et stempel. Den ble tatt i bruk i 1712 for å pumpe opp vann fra en gruve.
I 1781 patenterte James Watt (1736–1819) en dampmaskin som ga kontinuerlig roterende bevegelse. Watts maskin på ti hestekrefter (hk) ble benyttet til å drive mange forskjellige arbeidsmaskiner. Dampmaskinen var selve drivkraften bak den industrielle revolusjon, blant annet ved at fabrikker som ikke hadde tilgang på vannkraft, kunne drives med dampmaskiner. De atmosfæriske maskinene som Newcomen konstruerte, var svært store i forhold til hvor mye effekt de kunne produsere; derimot var dampmaskiner som opererte med høyt trykk, lette nok til å kunne installeres på kjøretøy som lokomotiver. Denne typen dampmaskiner der dampens trykk driver stemplene ble introduserte Richard Trevithick (1771–1833) og Oliver Evans (1755–1819), og ble etter en tid enerådende.
Stempeldampmaskiner forble den dominerende kilden til drivkraft helt til begynnelsen av 1900-tallet, da store fremskritt i utformingen av elektriske motorer og forbrenningsmotorer gradvis resulterte i utskifting av stempeldampmaskiner til fordel for disse nyere motorene. Dampmaskiner ble deretter praktisk talt bare å finne i varmekraftverker, men da i form av store dampturbiner. I form av dampturbiner er dampmaskiner fortsatt viktig for en stor del av verdens elektrisk energiproduksjon. Blant de viktigste energikilde for å drive dampturbinene er kull, naturgass og kjernekraft.
Begrepsavklaring Dampmaskiner er en type varmekraftmaskin som innbefatter alle maskiner der varmeenergi omformes til mekanisk energi. Dermed inngår også en dampturbin i begrepet. Imidlertid er vanlig norsk språkbruk at begrepet «dampmaskin» refererer til en stempeldampmaskin som omformer energien i damp til mekanisk energi. Denne enheten kan også benevnes «dampmotor». Begrepet refererer også til et integrert dampanlegg som typisk består av dampkjele, kondensator, pumper, varmevekslere et cetera, som for eksempel et damplokomotiv, et dampskip eller et kraftverk. Det kan også være snakk om et komplett anlegg med dampturbin.
Dampmaskinen er en såkalt ekstern forbrenningsmotor, hvor arbeidsmediet er atskilt fra forbrenningsproduktene. Maskiner basert på varmekilder som solenergi, kjernekraft eller geotermisk energi der forbrenningprosesser ikke skjer for å gi varme, kommer også inn under begrepet.
Historie mini|Animasjon som viser eolipil, også kjent som «Herons dampkule», som roterer på grunn av reaksjonskraften fra dampstrålene. Vanndamp som drivkraft i mekanisk arbeid har vært kjent i rundt to tusen år. Når vann fordamper, oppstår en utvidelse på 1 800 ganger vannets opprinnelige volum. Dette ble utnyttet allerede i oldtiden til å drive små maskiner. Disse kan ha vært oppfattet som magiske og benyttet som innretninger i templer.
Dampmaskinen utviklet seg mot en stempelmaskin, vanligvis bestående av en støpejernsylinder, stempel, stempelstang og veivstang, aksling og svinghjul, samt diverse stenger for styring. Stempelets opp- og nedbevegelse overføres til veivakslingen via stempelstangen og gir rotasjonsbevegelse. Turtallsregulering er enten automatisk, ved hjelp av en regulator, eller ved hjelp av en manuell ventil. Sylinderen inneholder ventiler eller porter for vekselvis innløp og utløp av damp.
De aller første dampmaskinene Tidlige eksperimenter Eolipilen (også kjent som «æolipil», «Heronkule» eller «Herons dampkule») nevnes av Vitruvius (omtrent 80–15 før Kristus) og senere av matematikeren og fysikeren Heron av Alexandria, trolig 1. århundre etter Kristus, som beskrev den som en hul kobberkule satt på to tapper så den kunne rotere, og fylt med vann som ble oppvarmet av ild under kulen, slik at det strømmet damp ut av to dyser på hver sin side av kulen, så den virvlet rundt. Dette var faktisk en reaksjonsdampturbin og ansett som den første dokumenterte dampmaskin; i sin samtid en ren kuriositet uten noen nytteverdi.Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 24-25.-45691 turbin Encyclopædia Britannica. 2007. Encyclopædia Britannica Online. 18 juli 2007 I de påfølgende århundrer er de få dampdrevne innretninger som er kjent, i likhet med eolipilen,De Architectura: Chapter VI (paragraph 2) from Ten Books on Architecture av Vitruvius (1. århundre før Kristus), 17. juni 2008 accessed 2009-07-07 i hovedsak eksperimentelle maskiner brukt for å demonstrere egenskapene til damp.
En rudimentær dampturbin ble beskrevet av Taqi al-DinAhmad Y Hassan (1976). Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering, p. 34–35. Institute for the History of Arabic Science, University of Aleppo. i 1551 og etter dette av Giovanni Branca i 1629.Power plant engineering. P. K. Nag (2002). Tata McGraw-Hill. p.432. ISBN 0-07-043599-5 Brancas idé var å la en dampstråle virke med en kraft på et skovlhjul. Dette skulle i sin tur brukes til å drive knuseverket til apotekere og alkymister. For at knuseverket ikke skulle få for stor hastighet, tenkte han seg et system med girveksling. Om ideen noen gang ble realisert, er ikke kjent.Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 25. Jerónimo de Ayanz y Beaumont fikk i 1606 patent på femti oppfinnelser med dampdrevne maskiner, inkludert en vannpumpe for drenering av gruver. Han var den første til å få patent på en dampmaskin., s. 207
Den franske vitenskapsmannen Denis Papin gjorde noen oppdagelser vedrørende en dampkoker i 1679, og fant på å utstyre denne med en sikkerhetsventil.Hills: Power from Steam, side 15, 16 og 33. Papin fant også på å bruke konseptet med et stempel i en sylinder for en dampmaskin. Han oppdaget at om en først hadde damp i en sylinder og etterpå helte litt kaldt vann utenpå den, ville stempelet bli drevet ned med stor kraft. På grunn av den tyske fysikeren Otto von Guerickes eksperimenter visste en fra tidligere at det kunne være store krefter involvert i innretninger med vakuum eller luft under trykk.Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 26. Andre som på 1600-tallet bidro til å utvide forståelsen av sammenhenger mellom krefter, varme og trykk, var den italienske fysikeren Evangelista Torricelli (1608–1647), den irske fysikeren Robert Boyle (1627–1692) og den engelske oppfinneren og matematikeren Samuel Morland (1625–1695). Morland skal også ha gjort noen eksperimenter med dampdrevne pumper.
Pumpemaskiner mini|Thomas Saverys dampdrevne pumpe med de to kamrene som kunne suge opp vann når damp i dem ble kondensert. Når kammeret i neste omgang var fylt av vann, ble det brukt damp under trykk for å tømme vannet ut og løfte det videre oppover. Illustrasjon fra 1698.
Det er kjent at en adelsmann med navn Edward Somerset (1602/1603–1667) eksperimenterte med en «vannløfter» (engelsk: «water commanding machine») som skulle få vann opp av dype gruver. Vanligvis ble både hester og straffanger brukt til å drive pumper for å få opp vannet, men ofte var ikke dette godt nok og Somerseth eksperimenterte med en dampdrevet pumpe. I 1663 fikk han patent på en slik innretning som han bygde tre eksemplarer av. Én ble bygget på hans gods Raglan Castle, og rester av denne kan tyde på at prinsippet gikk ut på å presse vann opp et rør ved hjelp av damptrykket fra en kjele.
Den første brukbare dampdrevne maskinen var også en vannpumpe, utviklet i 1698 av Thomas Savery (1650–1715). Den fungerte ved at damp som kondenseres i en tank skapte et vakuum som ble brukt til å heve vann, i neste trinn ble dampens trykk brukt for å heve vannet opp til et enda høyere nivå. For å øke effekten ble to tanker brukt til å vekselvis suge og trykke vannet opp. Små maskiner av denne typen var effektive, men større modeller var mer problematiske. Maskinene hadde en begrenset løftehøyde, samt at de i tillegg var utsatt for kjeleeksplosjoner. Denne maskinen fikk en viss utbredelse i gruver og pumpestasjoner.Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 26.
Den spanske aristokraten Bento de Moura Portugal (1702–1766) introduserte en forbedring av Saverys konstruksjon «for å gjøre den i stand til å jobbe selv», som John Smeaton (1724–1792) beskrev den i Philosophical Transactions utgitt i 1751. Maskinen ble produsert helt opp til slutten av 1700-tallet, og én maskin var i drift helt til 1820.
Stempeldampmaskiner mini|Thomas Newcomens dampmaskin fra rundt 1712. Vann (N) som ble sprøytet inn i den dampfylte sylinderen (D) fortettet dampen, slik at det ble skapt delvis vakuum. Dette drev stempelet (E) ned på grunn av atmosfærens trykk, noe som i sin tur drev ned armen (G) som hevet stempelet (H) i pumpen. Dermed ble vann pumpet opp av gruven. Når stempelet er trykket helt ned i sylinderen åpner kranen (C) for å slippe inn damp fra dampkjelen (B), og stempelet farer opp, slik at syklusen kan gjentas. Illustrasjon fra 1889.
Den første anvendbare og vellykkede dampmaskin, i den forstand at den kunne generere effekt og overføre den til en arbeidsmaskin, var en såkalt atmosfærisk maskin, oppfunnet av Thomas Newcomen (1664–1729) rundt 1712. Newcomen fikk bygget sin dampmaskin ved Dudley Castle i Staffordshire. Denne var en forbedring av Saverys damppumpe ved at den anvendte et stempel som beveget seg i en sylinder, slik som Papin tidligere hadde foreslått. Den arbeidet ved å skape et delvis vakuum ved kondensering av damp under et stempel inne i en sylinder, men den var nokså ineffektiv. Typisk bruksområde også for denne dampmaskinen var drenering av gruver med større dyp enn det som tidligere var mulig. Et annet bruksområde var å gi vanntilførsel til å drive vannhjul i fabrikker. Vann som hadde gått over vannhjulet ble pumpet tilbake til et reservoar ovenfor hjulet.
Newcomens dampmaskin fikk stor utbredelse og denne typen maskiner ble satt opp i Frankrike, Tyskland, Østerrike, Spania, Sverige og USA. I Russland ble også en slik maskinen bygget for Peter den store, som skulle ha den til sitt parkanlegg i Sankt Petersburg. Det kom flere forbedringer av Newcomens dampmaskin slik at det ble mulig å pumpe vann opp fra stadig større dyp i gruvene.Wetting: Ilden, hjulet og mennesket side 29.