Om ångmaschiner och deras användande/1

←  Subskribenter

Om ångmaschiner och deras användande, hufvudsakligen till sjös. En Historisk, Theoretisk och Praktisk Afhandling av Johan Henrik Kreüger Om ångan och dess expansionskraft, samt kondensering eller återgående till Vatten

Om uppfinningen af ångmaschiner, samt fortgången af de förändringar och förbättringar de undergått  →

1.
Om Ångan och dess Expansionskraft, samt Kondensering eller återgående till vatten.

För att göra beskrifningen om ångmaschinernas sammansättning så mycket åskådligare, torde en kort underrättelse om de deri verkande krafterna lämpligen böra föregå.

Dessa frambringas hufvudsakligen af vattenångor, genom deras egenskap att af hetta kunna utvidgas till en ofantlig volym, att derigenom erhålla en hög grad af spänstighet, samt att af kallare ämnen åter hastigt kondenseras eller återgå till vatten.

Detta sistnämde är flytande så länge dess temperatur är emellan 0° och 100° Celsii thermometer; men vid afkylningen under 0° öfvergår det till is. Under afkylningen förminskas dess volym, tills det vid 4° värme uppnår sin högsta täthet. Om det ytterligare afkyles, börjar det åter att utvidga sig, så att dess volym vid 0° är ungefär densamma som vid +7°. Men så snart som vattnet öfvergått till is, utvidgar det sig med en så stark kraft, att om det är väl inneslutet, det förmår spränga de starkaste käril. Isen är ungefärligen 1⁄9 lättare än vattnet; men den sammandrager sig likasom alla andra kroppar vid ytterligare tilltagande köld. En förökad värme utvidgar vattnet så, att dess volym vid 100° värme är 1⁄26 större än vid dess högsta täthet, det vill säga vid 4° värme. Vid lägre värmegrader öfvervinnes den af värmen meddelade expansions-kraften eller förmågan att utvidga sig, dels af vattenpartiklarnas inbördes kohæsionskraft, dels af den tryckning, som atmosferiska luften utöfvar på vattenytan. Denna sednare har man befunnit vid hafsytan utgöra vanligen 21,6 ℔ v. v. på hvarje qvadrat decimal tum.

Värmet frånskiljer vattnet oändligen små delar, hvilka af detsamma försättas uti gasform. Denna gasutveckling blir hastigare, ju mera värmen tilltager uti vattenmassan; och då expansionskraften är starkare än lufttryckningen, blir afdunstningen på alla ställen af vattenmassan starkare, små blåsor uppkomma deruti, som uppstiga till ytan och uppgå uti luften, eller formera ånga; hela den flytande massan försättes uti rörelse, och det uppkommer hvad man benämner kokning. Detta inträffar uti öppet kärl, och nära hafsytan vid 100° värme. På höga berg der lufttryckningen är mindre, kokar vattnet vid lägre temperaturer, och under klockan af en luftpump redan vid 20° à 30° värme.

Den utvecklade ångan är i början alldeles genomskinlig, således osynlig; men då den blifver beröfvad något af sin värme, derigenom att den kommer i beröring med kallare luft, afkyles den, och återgår till oändligt fina vattendroppar, blir synlig och utgör hvad man kallar imma.

Om hettan ökes uti ett öppet vattenkäril, tilltger likväl icke värmen i vattnet öfver 100° och icke heller i den ånga, som deraf uppkommer. En starkare hetta under vattenkärlet, verkar blott en hastigare vattnets förminskning, hvilket så mycket fortare blandar sig med och upplöses i atmosferiska luften.

Ett alldeles olika förhållande företer sig, då det upphettade vattnet är inneslutet uti ett tätt käril; ty der kan både vattnet och den deraf uppkommande ångan, uppdrifvas till de högsta värmegrader.

Expansionskraften hos gasformiga kroppar, eller förmågan att utvidga sig, är i mån af värmen, som dem meddelas, ganska betydlig.

Lika som den vanliga atmosferiska luftens tryckning, eller dess expansionskraft, först blifvit år 1644 af Torricelli i Florenz beräknad, och jemförd med höjden af den qvicksilfver-kolonn den förmår att bära, och hvarigenom är befunnit, att på ställen, hvilka icke ligga högt belägna öfver hafsytan, utgör luftens vanliga tryckning detsamma som 25,6 decimal tums qvicksilfver-pelare, eller tryckningen af en 34+1⁄2 sv. fot hög vattenkolonn; så har äfven vattenångans expansionskraft, i förhållande till dess större eller mindre värmegrad, blifvit jemförd med de högre eller lägre qvicksilfvers-pelare den förmår att bära. Watt i England, namnkunnig genom förbättringar vid ångmaschiner, var den första sakkunnige, som deröfver gjorde noggranna försök. Sedermera hafva Robinson, den lärde Spanioren Bettancourt, och år 1800 den namnkunnige Dalton i Manchester, samt Ure sysselsatt sig med vattenångans expansionskraft. Resultaterna af alla dessa försök hafva likväl blifvit något skiljaktiga; men som de noggrannaste, hvilka uti detta afseende blifvit gjorde äro de af Ure, har jag här bifogat endast hans tabell, tillökt med sednare Amerikanska observationer för de högre värmegraderna, reducerade efter Celsii thermometer, och vattenångans deremot svarande expansionskraft, eller förmågan att så väl bära qvicksilfver kolonnernas höjd, som dess tryckning 1 Svenskt ℔ på en viss yta, förvandlad till Svensk vigtualie-vigt och verk- samt decimal mått. Se Tabellen A.

Doktor Ure har vid sina försök begagnat sig af nedanstående method och apparater; Pl. I, Fig. 1, 2 och 3. — Fig. 1 föreställer den apparat, som blifvit använd för temperaturer under kokpunkten, och Fig. 2, 3 för högre värmegraden.

Dessa försök bero hufvudsakligen på den enkla grundsats, att ångans utaf hettan tilltagande expansionskraft, som verkar på qvicksilfvret vid $1,1',1''$ mätes genom längden af den qvicksilfver-kolonn, som måste tilläggas öfver L, eller qvicksilfvrets första ståndpunkt, på det att sedermera, oaktadt genom ökad värme åstadkommen, starkare ångtryckning vid 1, denna likväl icke måtte kunna sänka qvicksilfvret under sistnämde punkt.

De 2:ne punkterne L och l eller qvicksilfvrets första ståndpunkt uti glasröret, äro utmärkte med en platina ring vriden omkring röret.

Vid försökens verkställande, och sedan det uti kulan A, B eller C inneslutna vattnet blifvit väl befriadt ifrån luft, ingjutes småningom, genom öppningen vid D, qvicksilfver uti röret, så att det kommer att vidröra platina ringen vid l, hvarefter dess lika höjd vid L äfven utmärkes.

Om det då antages, att, vattnet uti A genom smältning af is är bragt till 0° värme, och att qvicksilfvrets höjder då äro vid L och l, samt att värme bringas till cylindern A, medelst tvenne Argandska lampor, hvars lågor svepa däromkring, så utvecklas småningom vattengas, hvilket trycker på qvicksilfvret vid l, så att detsamma sänker sig under märket. Nu bibehålles samma temperatur för en kort tid, och mera qvicksilfver ingjutes småningom vid D, så att qvicksilfvret åter tvingas till att stiga till l. Då kolonnens höjd öfver L mätes, utmärker den alltid den tilltagande tryckningen, jemförd med den värmegrad, som den med sin kula vid l hvilande thermometern utvisar.

Emellertid har ångans expansionskraft icke kunnat, på ofvanbeskrifne sätt, undersökas till högre värmegrader än till 150 à 160 Celsii, förr än Oliver Ewans i Philadelphia, och den för sina försök namnkunnige Amerikanaren Jacob Perkins, föllo på den tanken, att man skulle kunna draga mycken fördel af ångan, uppdrifven till de högsta värmegrader. Perkins säger uti en berättelse om sina försök: "att då han betraktade den nästan oändliga kraft, som finnes uti eldsprutande berg, hvilka ända till molnen uppkasta ofantliga massor af sten och lava, föll han på den tanken att orsaken dertill måste finnas i vattnet, som varit så länge inneslutet, tills det blifvit så öfverlastadt af stark värme, att det slutligen genom sin expansionskraft söndersprängde alla hinder, och uppkastade allt som var i dess väg." Han säger sig hafva först funnit ångans utomordentliga expansionskraft vid jerngjuterterna, hvarest litet instängdt vatten uti formarne, icke sällan ur dem med den våldsamhet utkastade flytande jernmassor, att de söndersprängt gjuteri-taken, under det att 1000 gångor så mycket vatten, om det skulle blifvit kastadt på en glödgad yta, icke skulle hafva förorsakat någon betydlig skada.

Dessa iakttagelser ledde Perkins till att göra en mängd försök, öfver ångans expansionskraft vid mycket höga värmegrader, för att derefter kunna förbättra ångmaschiner med hög tryckning. Han har härvid begagnat sådana apparater, hvarigenom han meddelat det inneslutna vattnet en värmegrad, lika med glödgadt jern, eller +580° Celsii. Vid dessa försök har han funnit, utan att likväl kunna uppgifva någon noggrann tabell öfver ångkraften vid så höga värmegrader, att under det temperaturen tilltager uti arithmetiskt förhållande, ökas expansionskraften uti ett mycket högre, och åtgången af bränsle blifver uti ett aftagande förhållande emot värmegraderna. Perkins har uppdrifvit värmegraden hos instängd ånga så högt, att dess expansionskraft blifvit ända till 110 gångor atmosferiska luftens tryckning, således ända till 2375 ℔ v. v. på hvarje Svensk decimal qvadrattum.

Häraf kan slutas, hvilken styrka erfordras för ångrummens väggar, vid så kallad högtryckningsmaschiner efter Perkins modell.

Vid vattnets öfvergång till ånga förökes dess volym i den grad vid luftens vanliga tryckning, att en kubik verktum vatten förvandladt i ånga, upptager ungefär en cubikfot, eller, att vattnet föröker sin volym då det öfvergår till ånga 1728 gångor. Men om ångan är instängd, så att dess volym icke får utvidga sig till denna grad, då tilltager ångans expansionskraft i mån af värmen, och blifver större än luftens vanliga tryckning.

Då ångan åter råkar en kallare kropp, upptager denne en del af det värme, som uti ångan varit bundet, hvilket förenar sig med det kallare ämnet Expansionskraften hos ångan upphör, och den återgår till sitt förra liqvida tillstånd, till vatten, eller kondenseras. Häraf följer således, i fall kondenseringen är fullkomlig, att det slutna rum, som ångan förut upptagit, blifver alldeles tomt, med undantag af det vatten, som bildas af ångan. Detta toma rums tillvaro, utgör vid de så kallade kondenserings-ångmaschinerna, ett högst betydligt biträde till ångmaschinens drifkraft, emedan all mottryckning på pistonens baksida derigenom upphör.

Då man nu antager, att hvarje kubikfot ånga utgör ungefär en kubiktum vatten, sedan den blifvit kondenserad, och att denna ånga, enligt hvad försök visat, innehåller så mycket bundet värme, att det förmår höja 533 kubiktum vatten en värmegrad, så kan man finna den qvantitet af kallt vatten, som bör uti ett särskildt af ånga fyldt rum insprutas, för att kondensera ångan till vatten af en viss värmegrad.

För att jemföra detta med vanliga kondenserings-ångmaschiner, låt C föreställa den qvantiteten ånga, bestämd uti kubikfot, som skall kondenseras, eller, som är detsamma, låt C föreställa kubik-innehållet af ångcylindern, eller pistonens area multiplicerad med längden af pistonens rörelse uti ett slag, + 1⁄10 deraf, hvilket tillägges för det rum uti botten och öfverkanten af cylindern, hvarigenom pistonen icke kan passera; a = det kalla vattnets temperaturgrader, b = den erforderliga värmegraden, hvartill ångan skall kondenseras, eller det utflytande varma vattnets temperatur; 633 den verkliga och bundna värme, som finnes hos en kubikfot ånga, och x = kubik-innehållet i kubiktum af kalla vattnet, som erfordras för att kondensera C.

Antag vidare, att ingen värme går förlorad genom afledning till kondenserings-rummets väggar, &c.

så blir $C\cdot (633-b)=x\cdot (b-a)$ således ${\frac {C\cdot (633-b)}{b-a}}=x$.

Om nu den uppgifna temperaturen af varmbrunnen, eller den grad hvartill man vill att vattnet skall kondenseras, antages som vanligt till 38° Celsii, och hvaröfver det icke bör få stiga, i fall rigtig kondensering skall äga rum, och att det insprutade kalla vattnet vore af 10° värme, så blir

${\frac {633-38}{38-10}}=21,25=x$.

Det är: att för hvarje kubikfot af slagets rymd uti cylindern + 1⁄10 deraf, eller, hvilket blifver detsamma för hvarje kubiktum vatten, som uti ånga uppgått ifrån kitteln, erfordras 21+1⁄4 kubiktum vatten af 10° värme, för att kondensera ångan till vatten af 38° temperatur.

Watt, hvars snillrika uppfinningar vid ångmaschinernas förbättrande framdeles skola vidare afhandlas, har funnit, att ofvanstående beräkning instämmer med dess sednare förbättrade maschiner; men som det kalla vattnet, hvilket till insprutning uti kondensatorn vanligen begagnas, är något varmare än 10°, så erfordras ännu någon större qvantitet vatten, ända till 23 kubik verktum, för hvarje kubikfot ånga, eller, hvilket är detsamma, 23 kubik v. t. för hvarje kubik tum vatten, som uti ånga uppgått ifrån kitteln, för att åstadkomma en god kondensering, och på det att den så kallade varma brunnens vatten icke skall blifva för varmt.

Ett ℔ goda stenkol erfordras, för att genom de vanliga ångpannorna förvandla 7 ℔ kokapde vatten till ånga; och den värme som erfordras att förvandla en gifven qvantitet kokande vatten till ånga, är sex gångor så stor som den, hvilken behöfves att upphetta vattnet ifrån fryskallt till kokhetta.

---