Stoommachine

Een stoommachine is een soort motor (of, in bredere zin een soort machine) die de energie van hete, onder druk staande stoom voor een deel omzet in mechanische arbeid. In het algemeen gebeurt dat door de stoom in een of meer cilinders te laten expanderen. De zich in de cilinder bevindende zuiger zal door de expanderende stoom worden weggedrukt. Via een kruk-drijfstangmechanisme wordt de expansieenergie op een vliegwiel overgebracht.

De uitvinding van de (industriële) stoommachine markeerde het begin van de industriële revolutie; voor het eerst was arbeidsvermogen overal realiseerbaar om machines aan te drijven, waar voor die tijd met handkracht, trekdieren, watermolens en windmolens moest worden gewerkt. De stoomlocomotief is een bekende toepassing van de stoommachine. Voor tijdelijk of licht werk kon een locomobiel worden ingezet.

Zuigerstoommachines worden, behalve in een aantal nog steeds in gebruik zijnde stoomschepen, tegenwoordig eigenlijk niet meer gebruikt. Waar behoefte is aan een onafhankelijke krachtbron is een stoomturbine, dieselmotor, benzinemotor of aggregaat vrijwel altijd efficiënter, goedkoper, minder vervuilend en/of lichter. Wel worden ze nog als modelspeelgoed verkocht en zijn er in veel industriemusea nog prachtige en werkende exemplaren te bewonderen.

’s Werelds grootste stoommachine, de Cruquius, had een zuigerdoorsnede van 3,66 meter en werd gebruikt om de Haarlemmermeer mee droog te leggen.

Ontwikkeling van de stoommachine

De ontwikkeling van de stoommachine was een empirisch proces. De theoretische achtergronden, de warmtetheorie zouden later worden geformuleerd. Hoewel velen hebben bijgedragen aan de ontwikkeling was algemene toepassing pas mogelijk na de innovaties van de Schot James Watt (1736-1819).

Heron van Alexandrië

Heron van Alexandrië (10 - 70) ontwikkelde als eerste een werkende stoommachine: de aeolipile. Dit apparaat berustte niet op het zuigerprincipe zoals de moderne stoommachine. Het bestond uit een holle metalen bol gemonteerd op een eveneens holle as. Deze as kwam aan beide zijden uit in een verhit waterreservoir. De holle bol had aan weerszijden twee openingen, waaraan een gebogen open pijp gemonteerd was. De stoom die uit het reservoir door de holle as naar de bol liep, kwam door de twee pijpeinden naar buiten, waardoor de bol ging draaien. Deze stoommachine werd in feite voortgedreven door het principe van een raketmotor. De machine was echter erg inefficiënt en Heron had er geen praktische toepassing voor.

Blasco de Garay

In 1543 voer Blasco de Garay door de haven van Barcelona met een schip dat werd voortgestuwd met een door hem ontworpen stoommachine. Hij hield zijn uitvinding echter geheim.

Denis Papin

Een volgende pionier bij de ontwikkeling van de moderne stoommachine was de Fransman Denis Papin (1647-1712). Papin vluchtte na de opheffing van het edict van Nantes in 1685 naar Hessen, waar hij aan de Philipps-Universiteit Marburg probeerde zijn ideeën te verwezenlijken. Als gevolg van onnauwkeurige bewerkingen van het materiaal door onbekwame werklieden mislukte dit faliekant. Hij had zijn plannen intussen medegedeeld aan de Royal Society in Engeland, waar hij Robert Boyle en Robert Hooke eerder had leren kennen. Hooke liet met dit ontwerp een bekwaam constructeur een machine maken.

Thomas Savery

Een machine om water op te pompen aangedreven door vuur. An Engine to Raise Water by Fire. Op 2 juli 1698 patenteerde Thomas Savery de eerste stoommachine en in 1702 publiceerde hij details over deze machine in het boek Miner’s Friend. Savery’s "stoompomp" had geen zuiger maar gebruikte een combinatie van onderdruk en stoomdruk om het water te verplaatsen. Door het condenseren van stoom met koud water in een gesloten pompketel, ontstond onderdruk en drukte de buitenatmosfeer (1 bar = 10 meter waterkolom) het op te pompen water in de ketel. De werking was gelimiteerd tot het opstuwen van een kolom water met ongeveer dertig voet (9 meter). Deze kon worden verhoogd tot ongeveer vijftig voet (15 meter) door daarna stoomdruk op het wateroppervlak van de pompketel te plaatsen om het water zo weg te drukken, maar de toen hoge stoomdruk op de boiler maakte de installatie onveilig en onbetrouwbaar. De bediening was manueel en daardoor zeer traag en dus onrendabel. Er werden vervolgens nog pogingen gedaan om water te verwijderen uit de Broadwaters mijn in Wednesbury en vervolgens in Staffordshire maar zonder succes. Deze machine was niet geschikt om water uit een mijn op te pompen en de enige bekende werkende versies werden gebruikt voor de watervoorziening in Londen.

Thomas Newcomen

Savery werkte voor de ‘Gezondheidscommissie voor Zeelieden’ en hierdoor kwam hij in contact met Thomas Newcomen. Omstreeks 1712 werden regelingen getroffen met Newcomen om zijn, meer geavanceerde ontwerp van de stoommachine die in de handel werd gebracht vallend onder het patent van Savery, verder te ontwikkelen. De machine van Newcomen werkte alleen onder atmosferische druk, waarbij de gevaren van stoom onder hoge druk werden vermeden, en gebruikte het zuigerconcept, in 1690 uitgevonden door de Fransman Denis Papin. Door de beide systemen te combineren ontstond de eerste stoommachine die in staat was om water uit de mijnen op te pompen. Thomas Newcomen was mijnbouwkundig ingenieur en had onafhankelijk van Denis Papin op hetzelfde principe een patent op een werkende machine verworven.

Deze machines berustten op een geheel ander werkingsprincipe dan de moderne stoommachines. Hier werd geen gebruik gemaakt van de stoomdruk (dampspanning), maar van de onderdruk door de condensatie van de stoom. Men noemt deze machines ‘atmosferisch’ omdat de atmosferische druk al het werk doet. Door condenseren van stoom onder een kolfvormige afsluiting van een open cilinder met koud water, drukte de atmosfeer deze kolf naar beneden. Een contragewicht trok daarna de kolf weer omhoog. Bovenaan de kolf zat een hefboomsysteem, die telkens op-en-neer gaat. De bediening was handmatig, per arbeidsslag moesten de nodige kranen worden bediend. Mede daardoor werkte de machine uiterst langzaam. Het was dan ook nog een zeer onrendabele machine.

James Watt

James Watt was mecanicien en kreeg in 1763 de opdracht een Newcomen-stoommachine van de universiteit van Glasgow te repareren. Hij verhielp de structurele gebreken en transformeerde het tot een veelzijdig en economisch rendabel apparaat. In 1777 werd, in een mijngroeve in Cornwall, een eerste machine van hem opgesteld.

Watt’s aanpassingen 1765-1782:

• Verleggen van het condensatieproces van de cilinder naar een condensor.
• Warmhouden van de cilinder door het aanbrengen van een stoommantel.
• Onderdruk in de condensor bewerkstelligen door een luchtpomp.
• Afwisselend onder- en bovendruk op de zuiger toepassen, waardoor een meer economische werking ontstond.
• Toerentalregeling met regulator door middel van middelpuntvliedende kracht, de zogenoemde regulator van Watt.
• Gebruiken van een krukas voor roterende beweging. (In samenwerking met anderen).

Ook James Watt ondervond moeilijkheden bij de nauwkeurige bewerking van machineonderdelen omdat hij een eigen aandrijfmechanisme nodig had voor roterende bewerkingen en door de nog primitieve technologie. Geldgebrek was een ander struikelblok.

  Zie ook de categorie met mediabestanden in verband met Steam engine videos op Wikimedia Commons.

Zie ook

• Thermodynamica

  Zie ook de categorie met mediabestanden in verband met Steam engines op Wikimedia Commons.