Oppfinnelsen av dampmaskinen på 1700-tallet la grunnlaget for den industrielle revolusjonen som startet først i England. Thomas Newcomen oppfant den første primitive dampmaskinen i 1712. James Watt videreutviklet denne dramatisk i 1769 med sleidestyring og separat kondensator. Resultatet ble en stempelmaskin drevet av damp satt under trykk mens kondensatoren lagde vakuum. Sleidestyringen styrte damp og vakuum vekselvis foran og bak stempelet som ga en jevn gange og effektiv bruk av brensel idet kondensasjon av vanndampen skjedde utenfor maskinen. Dampmaskinen ble således den viktigste fremdriftsinnretning og energikilde gjennom mer enn 150 år. Fredrikstad Mek Verksted utviklet så sent som på 1930-tallet en 4-sylindret dampmaskin, kalt dampmotor, som lignet dieselmotorens gange. Denne ble produsert til langt ut på 50-tallet og var ansett som en svært driftsøkonomisk motor.
Det er derfor naturlig at effekten i slike system er avhengig av tette forbindelser vha. pakninger, stempelringer etc. og ikke minst at sleiden som styrte damptilførsel og vakuum opererte nøyaktig. Det ble derfor stort behov for et verktøy for å måle dampmaskinens virkningsgrad og fintunes for å finne den mest effektive prosess-syklusen. Utover 1800-tallet ble det derfor på begge sider av «Atlanteren» utviklet en innretning som koblet til sylinderen angir grafisk damptrykkets variasjon ved stempelets forskjellige stillinger; se avbildet instrument «H.Maihak, Fabr.techn. Messinstrumente Apparatbauer HAMBURG 39», samt grafen som viser en lukket prosessløyfe. Arealet av den lukkede sløyfen i diagrammet er proposjonal med arbeidsytelsen i et stempelslag. Kurveforløpet er derfor velegnet til kontroll av trykkvariasjoner i sylinderen og påvisning av feil i ventilinnstilling, lekkasjer over stempelet etc.
Indikatoren ble utviklet for bruk i dampmaskinen, men kan i prinsippet anvendes på alle trykkbaserte innretninger ved å sammenligne trykkøkning og trykkfall over et prosesstrinn (operating cycle).
Men hva gjør egentlig i indikatoren ? Jeg henter derfor en beskrivelse som følger en amerikansk produsent (Crosby, Boston) «Practical instructions for using the Steam Engine Indicator» 1897; se grafen av sløyfen CDEFGH.
Diagrammet tegnes i et XY koordinatsystem hvor Y-aksen angir trykk mens X-aksen angir stempelbevegelsen. Linjene AB og JK er referanselinjer og tegnes ikke av indikatoren.
Damptilførsel CD viser trykkøkningen når dampventilen åpnes. Skjer dette hurtig når stempelet er på absolutt toppunkt, vil linjen være tilnærmet vertikal.
Damplinjen DE viser trykkforløpet mens dampen går inn i sylinderen.
Cut-off E damptilførsel lukkes.
Ekspansjonskurve EF viser trykkfall mens dampen ekspanderer.
Åpningspunkt F viser åpning «eksosventil».
Tilbakeslagtrykk GH viser trykket mens stemplet beveger seg tilbake. (Atmosfæretrykk, men dersom dampen kondenseres oppstår det gjerne et undertrykk).
Lukking av eksosventil H
Kompresjonslinjen HC viser trykkøkning som oppstår ved kompresjon av «restdampen» i sylinderen etter eksosventil lukkes.
Måling av indikerte hestekrefter
Indikatoren er altså et egnet instrument til å kontrollere hvor «sunn» motoren er, men siden dampmaskinens arbeidsytelse er proporsjonal med arealet av den lukkede trykksløyfen i diagrammet, kan vi også måle «indikerte» hestekrefter for maskinen. Da må vi bestemme midlere effektivt trykk som fremkommer indirekte av diagrammet. Dette kan gjøres grafisk ved koordinatmetoden (y-aksen angir trykkforløpet). Vi må også ta hensyn til indikatorens skalering (dvs. slaglengden i diagrammet mot den virkelige slaglengde, gjerne 100). Arealet kan også beregnes direkte med planimeter som gjerne var en del av indikatorutstyret.
Følgende faktorer går inn i beregningen:
- PE = M.E.P midlere effektivt trykk på stempelet (lbs/sq.inch)
- L = stempelets slaglengde (feet)
- A = areal stempel (sq.inch)
- N = antall omdreininger pr. min
Produktet pEA er da effektivt trykk på stempelet (lbs). Siden stempelet gjør 2 slag pr. omdreining, så er produktet 2LN lik stempelhastigheten (feet/min). Formelen for indikert hestekrefter blir da slik :
- I.H.P = 2 pE LAN / 33000
Vi må også korrigere for arealet av stempelstaget. Kaller vi dette arealet a, så blir stempelets nettoareal (A+ (A – a))/2 = A – a/2.
Kun pE og N er variable. For en kjent motor vil 2LN/33000 være konstant. Da forenkles formelen for indikerte hestekrefter slik :
- I.H.P = C pEN
Referanse: Wikipedia, Open source ecology
Svein Gustav Olsen
