Redigerer Dampmaskin (avsnitt)

== Komponenter og deler til dampmaskiner ==
[[Fil:Rankine cycle layout.png|mini|Prinsipiell fremstilling av hoveddelene i den såkalte [[Clausius–Rankine-prosessen]], som er en betegnelse på den termodynamiske syklusen som skjer i et ideelt lukkede dampanlegg for energiproduksjon.  Matevann (1) føres til dampkjelen (2) ved hjelp av en pumpe, etter fordamping føres dampen til turbinen (3), hvor den brukte dampen føres til kondensatoren (4). Kondensatoren kjøles ned ved hjelp av et eksternt medium som kan motta spillvarmen. Turbinen (3) kan byttes ut med en dampmaskin med stempler.]]

Det finnes to grunnleggende komponenter i en dampmaskin: [[Dampkjele]]n og selve dampmaskinen eller en dampturbin. Stasjonære dampmaskiner settes vanligvis opp i egne bygninger der kjelen og maskinen står i hvert sitt rom med litt avstand fra hverandre. For mobil bruk, som for eksempel i damplokomotiver, er de to hovedenhetene montert sammen.<ref>{{Harvnb|Hunter|year-1985|pp=495–6|Description of the Colt portable engine}}</ref><ref>{{Harvnb|McNeil|1990|pp=|See description of steam locomotives}}</ref>

Andre komponenter som ofte finnes er: fødevannspumpe, eller en [[injektor]], som brukes for å pumpe vann, det som kalles ''fødevann,'' til kjelen under drift;  kondensator for å resirkulere vannet og gjenvinne restvarme etter fordampningen; videre den såkalte ''overheteren'' (engelsk ''superheater''), som egentlig er en [[varmeveksler]] for å heve temperaturen i dampen over det som kan oppnås ved mettet damp.<ref name=Jerome>{{cite book | last1 = Jerome | first1 = Harry | author1-link = | title = Mechanization in Industry, National Bureau of Economic Research | year = 1934 | url = http://www.nber.org/chapters/c5238.pdf |pages=166–7 | postscript = }}</ref>

Når kull er energikilde kan et kjede eller en skrue virke som påfyllingsmekanisme for å transportere kullet inn i brennkammeret.<ref name=Jerome/> Vekten av kjele og kondensator gjør vanligvis forholdet mellom vekt og effekt av et dampanlegg lavere enn for forbrenningsmotorer eller andre konkurrerende drivmaskiner.

=== Dampsyklusen ===
Clausius–Rankine-prosessen er det teoretiske grunnlaget for den termodynamiske prosessen for å beskrive en dampmaskin. Syklusen skapes av et system av komponenter som gjerne brukes for energikonvertering. Denne utnytter faseforandring av vann for å tilveiebringe en praktisk overgang fra varme til mekanisk energi, altså ved at kokende vann produserer damp, dampen driver dampmaskinen, utslippsdampen kondenseres og omformes deretter tilbake til vann.<ref name=Dah/>

Prosessen er det grunnleggende prinsipp for flere typer kraftverk, som for eksempel de fleste [[Solfanger|solvarme]]-, [[biomasse]]-, [[Kullkraft|kull]]- og [[Kjernekraftverk|atomkraftverk]]. Syklusen er oppkalt etter [[William John Macquorn Rankine]] (1820–1872)  og den tyske fysikeren [[Rudolf Clausius]] (1822–1888). Clausius–Rankine-syklusen er noen ganger referert til som en praktisk [[carnotprosess]]. Dette er fordi [[temperatur-entropi-diagram]]et ved bruk av en effektiv turbin vil begynne å likne carnotsyklusen. Den viktigste forskjellen er at varmetillegget (i kjelen) og avgivelsen (i kondensatoren) er [[Isobar prosess|isobar]]e (konstant trykk) prosesser i Clausius–Rankine-syklusen, mens dette er [[Isotermprosess|isotermiske]] (konstant [[temperatur]]) prosesser i den teoretiske carnotprosessen. I denne syklusen benyttes en pumpe for å trykksette arbeidsmediet som er mottatt fra kondensatoren som væske og få det tilbake til dampkjelen. Pumping av arbeidsmediet i væskeform under syklusen krever en brøkdel av energien for å transportere det i forhold til den energi som er nødvendig for å komprimere arbeidsmediet i gassform i en kompressor (som i [[carnotprosess]]en).<ref>{{Harvnb|Hunter|year-1985|pp=445}}</ref>

Normalt er vann det arbeidsmediet som velges for dampmaskiner på grunn av sine gunstige egenskaper, som for eksempel at det ikke er giftig og ikke spesielt reaktivt (kjemisk sett), det er tilgjengelig i store mengder, har lav pris og gunstige termodynamiske egenskaper. Av andre arbeidsmedier som har vært forsøkt, er blant annet [[kvikksølv]], [[ammoniakk]], luft, [[kalium]], [[karbonsyre]], [[eter (kjemi)|eter]], [[karbondisulfid]] og [[kalium]]. En ulempe med flere av disse stoffene er at de er giftige ved lekkasje.<ref>{{Kilde www | forfatter= | url= | tittel= Unusual Working Fluids | besøksdato= 6. november 2018 | utgiver= Douglas Self | arkiv_url= | dato = 31. mars 2018 }}</ref>

=== Varmekilde === 
Varmen som er nødvendig for å koke vann og produsere damp kan skaffes fra forskjellige [[energikilde]]r, som oftest fra [[forbrenning]] med en passende tilførsel av luft i et lukket rom kalt ''forbrenningsrom'' eller ''fyrgang''. I tilknytning til dette er det også røykkanaler.<ref name=Dah/><ref>[[#I|Imsland: ''Skipsmaskinlære'' side 28.]]</ref> I noen tilfeller er varmekilden en [[atomreaktor]] som i et [[kjernekraftverk]], geotermisk energi, solenergi eller spillvarme fra en forbrenningsmotor eller en industriell prosess.

=== Kjeler === 
[[Fil:Water tube boiler-en.svg|mini|Prinsippskisse for en vannrørskjele. Vann kommer inn i trommelen merket «Feedwater drum», og strømmer oppover i en rekke mindre rør til trommelen merket «Steem drum». Her vil vannet sirkulere tilbake til «Feedwater drum», mens damp fyller den øvre delen av trommelen. Fuktig damp «Saturated steem» føres videre til superheteren «Superheater» hvor dampen får overført ytterligere varmeenergi. Alle deler, unntatt «Feedwater drum», er innebygget i brennkammeret, for maksimalt opptak av varme.]]

Dampkjelen er en [[trykktank]] som inneholder kokende vann, og er dermed også en slags [[varmeveksler]] som overfører varme fra forbrenningsprosessen til vannet.<ref>[[#Hills|Hills: ''Power from Steam'', side 120-140.]]</ref> De to vanligste grunnprinsipper for dampkjeler er vannrørskjele og røykrørskjele, der den første er omtalt i den historiske delen. Vannrørskjelen består av en mengde vannfylte rør som befinner seg i og over brennkammeret slik at varme avgasser strømmer langs rørenes utsider. I en røykrørskjele går derimot rørene gjennom selve dampkjelen, der avgassene fra forbrenningen strømmer gjennom dem og avgir varme til vannet på utsiden av rørene.<ref name=TD>{{ Kilde bok | forfatter = Tegnélius, D. | utgivelsesår = 1982 | tittel = Dampkjeler | isbn = 8256210761 | utgivelsessted = [Rud] | forlag = NKI | url = http://urn.nb.no/URN:NBN:no-nb_digibok_2014052006061 | side = 87–111}} </ref>

Røykrørskjeler var hovedtypen som ble brukt for tidlige dampanlegg, spesielt i damplokomotiver. Utover på slutten av 1800-tallet ble typen fortrengt av den mer effektive vannrørskjellen, spesielt for fremdrift av skip og store stasjonære anlegg som kraftverk. Etter at vannet fordamper blir dampen ført videre til en ''overheter'' som øker temperaturen ytterligere, våt damp omformes dermed til overhetet damp. Dette både øker virkningsgraden og forhindrer kondens i dampmaskinen eller turbinen.<ref>[[#Hills|Hills: ''Power from Steam'', side 248.]]</ref>

Illustrasjonen viser en vannrørskjele med diagonale rør, den såkalte ''skrårørsskjelen'', der bunter av rør går mellom den nederste og øverste ''damptrommelen''. Dampen skilles ut av vannet i den øverste damptrommelen. Vanligvis er rørene nokså mye bøyd, slik at temperaturutvidelser ikke skal skade innfestingen til tromlene. I systemet sirkulerer vannet ved naturlig sirkulasjon, fordi vannet dras ned i de vannfylte rørene (''Downcommer tube''), mens rørene med både vann og damp («Water tubes») får mindre tyngde på grunn av lav tetthet.<ref name="ReferenceB"/>

En dampkjele er utstyrt med en rekke ventiler og instrumenter, noen av dem er: Sikkerhetsventiler, som det skal være to av. Disse skal forhindre dampkjelen i å eksplodere, og av den grunn er det ofte sertifiseringsselskaper som justerer og etterpå plomberer dem. De skal åpne litt over kjelens normale arbeidstrykk. ''Fødeventilen'' er ventilen som slipper inn fødevannet når dette pumpes inn i kjelen. Den er utstyrt med en ''tilbakeslagsventil'' som skal forhindre vannet i å strømme ut av kjelen. ''Hoveddampventilen'' er den som stenger og åpner for damptilførsel til dampmaskinen. Den skal kunne fjernbetjenes for hurtig lukking i tilfelle ulykker. ''Skumventilen'' er tilknyttet en ''innvendig skumskål'' slik at skum som samler seg på vannoverflaten i kjelen kan blåses ut. Oftest er det snakk om urenheter som olje, som flyter i vannets overflate. ''Avblåsningsventilen'' brukes for å tømme dampkjelen for vann. ''Vannprøveventilen'' benyttes for vannprøver. ''[[Vannstandsglass]]'' (seglass) skal det være to av og disse brukes for å avlese nivået av vann i kjelen.<ref>[[#I|Imsland: ''Skipsmaskinlære'' side 64–68.]]</ref> Videre er kjelen utstyrt med [[termometer]] og [[manometer]].<ref>[[#I|Imsland: ''Skipsmaskinlære'' side 32–33.]]</ref> 

Moderne vannrørskjeler kan ha trykk på 100&nbsp;bar, damptemperatur på 500&nbsp;°C og virkningsgrad på rundt 90 %. Dampkjeler konstrueres for forbrenning av kull, olje og forskjellige typer brennbart avfall fra for eksempel skogbruk og annen industri. Konstruksjonen avhenger mye av typen brensel.<ref name=TD/>

=== Kondensatoren ===
[[Fil:Steam condenser of marine steam engine in Deutsches Museum.jpg|mini|[[Kondensator (varmeoverføring)|Kondensatoren]] for en dampmaskin (rett bak kondensatoren) med kjølerørene vist åpne (nærmest). Dampen fra dampmaskinen kommer ut det store røret og forgrenes i to rør som kommer inn på kondensatorens topp. Typen kalles [[overflatekondensator]]. {{byline|Olivier Cleynen}}]]

Etter å ha gjort nytte i dampmaskinen ledes dampen inn i kondensatoren, hvor den kondenserer til vann. Som med alle varmekraftmaskiner vil mesteparten av den tilførte primærenergi avgis som [[spillvarme]] ved forholdsvis lav temperatur. Som et eksempel vil gjerne den varmeenergien som tas ut av kondensatoren til en dampturbin på et skip være det dobbelte av den mekaniske energien som omsettes i turbinen selv.<ref>[[#I|Imsland: ''Skipsmaskinlære'' side 265.]]</ref> Den enkleste måten å kvitte seg med den brukte dampen på, er å slippe den ut i luften. Dette er det vanligste for damplokomotiver, som slipper dampen opp gjennom skorsteinen, med stort energitap som konsekvens. Imidlertid har dette en spesiell hensikt, nemlig å lage et sug i skorsteinen, slik at røykgassen fra forbrenningen suges gjennom røykrørene gjennom dampkjelen. Slik skapes trekk i ildkassen, noe som igjen øker ytelsen, men altså reduserer virkningsgraden.<ref name=TD/>

Kondensatoren for en dampmaskin opererer typisk med et trykk på 0,1 [[atm]], altså et trykk under atmosfærens trykk. Til sammenligning vil en dampmaskin uten kondensator ha et trykk i sylinderen under utstrømningen på rundt 1,2 atm. Med kondensatoren vil med andre ord dampen suges ut av sylinderen.<ref>{{ Kilde bok | forfatter = Waack, Erling | utgivelsesår = 1947 | tittel = Dampmaskinlære: til bruk ved Oslo tekniske skole | utgivelsessted = Oslo | forlag = Comercio | url = http://urn.nb.no/URN:NBN:no-nb_digibok_2012050908237 | side = 24}}</ref>

Den mest brukte kondensatoren for dampmaskiner (og turbiner) er den såkalte ''[[overflatekondensator]]en''. Denne bruker store vannmengder for å kondensere dampen. Kjølevannet tas fra hav, elver eller innsjøer. Det kondenserte varmtvannet fra kondensatoren blir pumpet tilbake til kjelen under høyt trykk.<ref>{{Kilde bok | forfatter= P K Nag | tittel= Power Plant Engineering | artikkel=  | utgave= 3 | utgivelsesår= 2008 | forlag= Tata McGraw-Hill | isbn= 978-0-07-064815-9 | url= https://ppecaddmark.files.wordpress.com/2016/02/power-plant-engineering-pk-nag.pdf | side= 562 – 574 | besøksdato= 2021-02-01 | arkiv-dato= 2018-10-07 | arkiv-url= https://web.archive.org/web/20181007223553/https://ppecaddmark.files.wordpress.com/2016/02/power-plant-engineering-pk-nag.pdf | url-status=død }}</ref><ref name=I125134>[[#I|Imsland: ''Skipsmaskinlære'' side 125–134.]]</ref>

I overflatekondensatoren blir ønsket undertrykk ved oppstart av anlegget skapt av en ekstern vakuumpumpe. [[Vakuum]] vil oppstå av seg selv når driften kommer i gang, på grunn av den store forskjellen i spesifikt volum mellom damp og kondensatet (den kondenserte dampen kalles kondensat). Når anlegget kommer i drift, er vakuumpumpens oppgave å fjerne luft og eventuelt andre gasser som ikke vil kondensere. Som vakuumpumpe anvendes gjerne en ''[[Ejektor (pumpe)|ejektor]]''. Tidligere var det vanlig at en anvendte en såkalt ''våtluftpumpe'', en type stempelpumpe som suger ut luft og kondensatvann samtidig. Senere ble det vanligste at vann og luft suges ut av egne pumper for hver av oppgavene, altså at det anvendes en separat vannpumpe og vakuumpumpe.<ref>{{ Kilde bok | forfatter = Ranøyen, Hermann | utgivelsesår = 1967 | tittel = Inndampningsteknikk | utgivelsessted = Oslo | forlag = Universitetsforl. | url = http://urn.nb.no/URN:NBN:no-nb_digibok_2007053104018 | side = 33 – 35}} </ref><ref name=I125134/>

=== Forvarmere ===
Det anvendes forskjellige typer forvarmere for å utnytte spillvarme i røykgassen fra kjelen for å tilbakeføre varme der det er mulig. Blant annet brukes en forvarmer som varmer opp luften som brukes til forbrenningen i dampkjelens brennkammer. En type er en [[Varmeveksler|rørvarmeveksler]] der røykgassen fra kjelen ledes gjennom en rekke rør før den slippes ut gjennom skorsteinen. Friskluft ledes på utsiden av rørene og varmen fra røyken overføres gjennom rørene. En annen type varmeveksler brukes for å utnytte røykgassen til å forvarme fødevannet før det pumpes inn i dampkjelen. Den kan bestå av en mengde rør som overfører røykens varme til vannet, slik at det får en temperatur over 100&nbsp;°C før det ledes inn i dampkjelen.<ref>[[#I|Imsland: ''Skipsmaskinlære'' side 70–75.]]</ref>

=== Eksosturbin ===
Restenergi i dampen ut fra dampmaskinen har det vært laget systemer for å utnytte til mekanisk arbeid. Blant annet via ''eksosturbinen'', også kalt ''avdampturbin''. Dette er en ''flertrinns reaksjonsturbin'' som plasseres mellom dampmaskinen og kondensatoren. Via et gir driver turbinen rundt samme aksling som dampmaskinen selv. En fabrikant av denne eksosturbinen var Bauer-Wach.<ref>[[#I|Imsland: ''Skipsmaskinlære'' side 265.]]</ref> Med denne kan det spares 20 % damp for en gitt effekt, eller for et gitt dampforbruk vinnes 30 % større effekt.<ref>[[#I|Imsland: ''Skipsmaskinlære'' side 266.]]</ref>

=== Vannpumpe === 
[[Fil:Boiler Feed Injector Diagram.svg|mini|En [[injektor]] benytter en stråle av damp for å tvinge vann inn i dampkjelen. Prinsippet er ineffektivt, men enkelt nok til å være egnet for bruk på lokomotiver.]]

I dampsystemet er det en vannpumpe for å fylle nytt vann, kalt ''fødevann,'' på kjelen. Vanligvis anvendes en flertrinns [[sentrifugalpumpe]], men andre typer forekommer også, som for eksempel en stempelpumpe.<ref>[[#I|Imsland: ''Skipsmaskinlære'' side 253.]]</ref>

Et annen metode for å fylle vann på kjeler med lavere trykk, er med ejektor. I denne benyttes en dampstråle som både skaper et sug som drar med seg vannet, samt trykk som er stort nok til å presse vannet inn i kjelen, se figur. For å skape dampstrålen tappes det damp fra dampkjelen. Ejektoren fikk stor utbredelse i 1850-årene og utover, men er ikke mye brukt i nyere tid, bortsett fra i damplokomotiver.<ref>{{Harvnb|Hunter|1985|pp=341–343}}</ref>

=== Måling og kontroll === 
[[Fil:Indikator Dampfmaschine.jpg|mini|Instrument for å avlese en stempelmaskins forhold mellom stempelposisjon og trykk, et såkalt ''indikatordiagram''.]]

Et mye brukt instrument for å analysere ytelsen til dampmaskiner, er ''dampmaskin-indikatoren''. Tidlige versjoner var i bruk rundt 1851,<ref name="Hunter 1991">{{cite book|title=A History of Industrial Power in the United States, 1730–1930, Vol. 3: The Transmission of Power |last=Hunter |first= Louis C.|authorlink=|author2=Bryant, Lynwood |year=1991 |publisher =MIT Press|location= Cambridge, Massachusetts, London
|isbn=0-262-08198-9 |page=123|postscript = <'The Steam Engine Indicator' Stillman, Paul (1851)>}}</ref> men den mest vellykkede indikatoren ble utviklet av oppfinneren Charles Richard og utstilt på [[Verdensutstillingen i London (1862)|verdensutstillingen i London]] i 1862.<ref name="Thomson 2009" /> Dampmaskinindikatoren avsetter en strek på et papir som viser trykket i sylinderen gjennom hele syklusen. Dette kan så brukes til å oppdage ulike problemer og beregne ytelsen, se bilde som viser dette.<ref>{{cite web | last1 = Walter | first1 = John | authorlink1 =  | title = The Engine Indicator | year = 2008 | url = http://www.archivingindustry.com/Indicator/chapterzero.pdf | pages = xxv-xxvi | postscript = <!--None--> | url-status = dead | archiveurl = https://web.archive.org/web/20120310071206/http://www.archivingindustry.com/Indicator/chapterzero.pdf | archivedate = 2012-03-10 | tittel = Arkivert kopi | besøksdato = 2011-10-20 | arkivurl = https://web.archive.org/web/20120310071206/http://www.archivingindustry.com/Indicator/chapterzero.pdf | arkivdato = 2012-03-10 | url-status=død }} {{Kilde www |url=http://www.archivingindustry.com/Indicator/chapterzero.pdf |tittel=Arkivert kopi |besøksdato=2017-02-19 |arkiv-dato=2012-03-10 |arkiv-url=https://web.archive.org/web/20120310071206/http://www.archivingindustry.com/Indicator/chapterzero.pdf |url-status=yes }}</ref>