Stoommachines

TERUGHome.html
Stoommachine

Stoommachine

(verbeterde versie)

De technische geschiedenis


Een stoommachine is soort motor óf machine die de energie van stoom onder druk omzet in mechanische energie, dus bewegingsenergie. Dat handig als je een boot / trein of ander voertuig aan de gang wilt krijgen. Verder kun je met die stoommachines ook weer andere machines in bijvoorbeeld fabrieken laten aandrijven.

Wat er precies gebeurt is dat de warmte-energie (óf thermische energie) van kolen of hout , water kookt. Dat water gaat dan koken en er ontstaat waterdamp. Deze waterdamp, die in een afgesloten vat zit komt dan onder druk te staan. Via een systeem van buizen en zuigers, waar we straks dieper op in gaan, wordt deze onder-druk-staande stoom omgezet in bewegingsenergie; een ander woord voor bewegingsenergie is kinetische energie.

Tegenwoordig is het veel effectiever om een motor (diesel of benzine) of een aggregaat te gebruiken, want de moderne middelen zijn goedkoper, lichter, minder vervuilend én belangrijk: ze hebben een veel hoger rendement dan stoommachines.

De enige stoommachines die nog te koop zijn, zijn die kleine speelgoed stoommachines. Verder kun je stoommachines bezichtigen in musea en er rijden nog stoomtreinen over een spoor om toeristen te verplaatsen, wat erg leuk is.

Op dit stoomtreintje rijden kinderen rond; voor de lol dus.

Het idee op met water een mechanische beweging op te wekken in al meer dan 2000 jaar oud. In het begin was het vermogen van zo´n eerste model zo laag en was zo´n model erg onbetrouwbaar, dus was het handiger om paarden of zo te gebruiken. De laatste 300 jaar (dus van ongeveer 1700 tot nu) werd het gebruik van stoom steeds belangrijker en de stoommachines betrouwbaarder.

Met de opkomst van stoom, werd ook het begin van de Industriële Revolutie ingeluid. Handkracht, trekdieren, windmolens werden ingeruild voor de kracht van het stoom. Het vermogen van stoomkracht ging snel omhoog en daardoor steeg de produktie dus ook.

De term “stoommachine” staat eigenlijk voor geheel aan onderdelen die samen de stoomkracht laten ontstaan. Een stoommachine bestaat uit twee hoofdonderdelen: het stoomgedeelte (de ketel, de zuigers en het buizen systeem) én het motorgedeelte. Dat zijn de turbines, die de bewegingsenergie van de hete stoom om in elektrische stroom.

Officieel is de stoommachine door James Watt tegen het einde van de achttiende eeuw  (rond 1763 - 1775) “uitgevonden”, maar wat er toen eigenlijk gebeurde was dat James Watt de laatste noodzakelijke toepassingen aanbracht zodat de stoommachine helemaal klaar was voor de toekomst, dus dat de stoommachine efficiënter en gewoon veel beter werd.

James Watt

De eerst werkende stoommachine werd echter al in de eerste eeuw gemaakt door Heron van Alexandrië (10 - 70): dat was de zgn. “aeolipile”. Dit apparaat had nog geen zuigers, maar was 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 weerzijden een gebogen pijpje gemonteerd. Als de stoom door die pijpjes ging/gaat dan gaat de bol draaien. De aeolipile was dus niet gebaseerd op het zuigerprincipe, maar op het raketmotorprincipe. Deze machine van Heron van Alexandrië had geen praktische functies en was eigenlijk niet efficiënt, maar deze machine was wel een stap verder tot de moderne techniek van nu.

Aeolipile

Uitleg bij de Aeolipile:


A = water wordt gekookt met een vuurtje

B = er ontstaat stoom

C = de stoom gaat via holle buisjes naar de bol

D = de stoom zit nu in de bol

E = de stoom ontstnapt uit de bol via gebogen buisjes


Gevolg is dat de bol gaat draaien.

Pas eeuwen later bouwde Blasco de Garay een schip dat voor werd voortgedreven door een door hem gebouwde stoommachine. In 1543 voer hij met zijn schip de haven van Barcelona binnen, maar voor één of andere reden hield hij zijn uitvinding geheim. De Fransman Denis Papin zette een eeuw later weer de volgende stap in de ontwikkeling van de stoomkracht. Zijn ontwerp was wel goed, maar door een onnauwkeurige uitvoering mislukten zijn ideeën compleet. Robert Boyle én Robert Hooke (die hij ontmoette in Engeland) was verteld Papin zelf wat hij van plan was. Deze twee Engelse heren bouwden de machine van Denis Papin wel goed af.

Later in 1698, namelijk op 2 juli, patenteerde ene Thomas Savery de eerste stoommachine uit de geschiedenis. Vier jaar later schreef hij er het boek “Miner´s Friend” over. Zijn stoommachine was ontworpen om water uit mijnen te kunnen pompen. Deze stoommachine gebruikte nog steeds geen zuigers, maar maakte gebruik van een combinatie van druk en onderdruk om water te verplaatsen, want deze machine was ontworpen om water te verplaatsen. Deze stoommachine liet hete stoom condenseren met koud water in een gesloten vat om een onderdruk te creëren. Deze onderdruk zorgde ervoor dat er water opgezogen kon worden. Er kon tot een diepte van 9 meter water opgepompt worden. Als je dan vervolgens weer druk (door hete stoom) in pompte werd door die druk het water nog 6 meter hoger opgepompt; dat is samen dus 15 meter. Nadeel was dat de ketels niet erg veilig waren in die tijd en een hoge overdruk dus gevaarlijk was. Deze machine werd dus niet gebruikt in mijnen maar in de watervoorziening in London, omdat waarschijnlijk het water er daar niet zo diep gepompt hoefde te worden.

Thomas Savery werkte samen met Thomas Newcomen bij de “Gezondheidscommissie voor Zeelieden”. Samen werkten ze (1712) aan een betere en veilige versie van de machine uit 1698. Deze machine was de eerste machine met een zuiger en maakte geen gebruik van overdruk, want dat was gewoon te gevaarlijk. Deze machine was wél instaat om mijnen leeg te pompen. Onafhankelijk van deze ontwikkeling had de Fransman Denis Papin ook zo´n machine gebouwd in Frankrijk. Denis Papin had trouwens in 1690 al het zuigerprincipe bedacht.

Jacob Leupold maakte in 1720 een twee-cilinder-hogedruk stoommachine. Deze machine leek op de machine van Papin, maar dan met twee cilinders.


De huidige stoommachines werken nog steeds niet als die machine van Savery, Newcomen en Papin. Er wordt in de laatste machines geen gebruik gemaakt van de druk van het stoom (stoomdruk of dampspanning), maar de onderdruk door de condensatie van de stoom. Deze machines worden ook wel: “atmosferisch” genoemd, omdat de luchtdruk (de atmosferische druk, 1 bar) eigenlijk het werk doet. De onderdruk van het condenseren van de stoom drukt een kolf naar beneden én een gewicht trok het weer omhoog. De grote nadeel van deze machine is dat ie handmatig was; dus elke slag moet iemand steeds weer de machine in de beginstand zetten.

Nu komen we pas terecht bij James Watt. Zonder al deze eerdere technische stappen had James Watt zijn werk niet kunnen doen. In 1763 kreeg Watt de opdracht om de stoommachine van Newcomen te verbeteren én in 1777 werd de eerste verbeterde machine gebouwd in Cornwall.


Wat paste Watt nu precies aan:

  1. de stoom werd niet meer gecondenseerd in de cilinder, maar in een aparte condensator;


  1. de cilinder, waar de zuiger in beweegt, werd verwarmd met stoom;


  1. een luchtpomp zorgde er voor dat er een onderdruk was in de cilinder;


  1. door afwisselend onder- en bovendruk toe te passen, werkte de machine nog economischer;


  1. nu kon het toerental, dus de snelheid, van de stoommachine worden geregeld;


  1. een krukas zorgde van een draaiende beweging.

Zonder andere mensen had James Watt deze machine natuurlijk nooit kunnen maken. Aan onderdelen komen was om twee redenen moeilijk, (i) ze moesten speciaal gemaakt worden met nu primitieve middelen zodat de nauwkeurigheid van de onderdelen soms wel eens te kort schoot. En (ii) het al oude probleem met de financiën van de bouw en de ontwikkeling. Door deze verbetering hoefden fabrieken niet meer aan een rivier gebouwd te worden (omdat er een watermolen nodig was voor draaiende aandrijving van machines), je kon nu je fabriek overal bouwen.

Aan het begin van de negentiende eeuw ontwikkelde Richard Trevithick (1800) en Oliver Evans (1801) onafhankelijk van elkaar krachtigere stoommachines met grotere cilinders, relatief meer vermogen, machines met een gelijke druk. Later werden de stoommachines steeds meer efficiënter door nog meer ontwikkelingen. Samen heeft iedereen die aan de ontwikkeling van stoomkracht heeft gewerkt gezorgd voor de economische groei en de technische ontwikkeling.

Hoe werkt een stoommachine?


Ten eerste gaan we het hebben over uit welke onderdelen een stoommachine bestaat. Zoals eerder aangegeven zijn er grofweg twee onderdelen: de generator van stoom én de motor-eenheid. Samen vormen deze twee onderdelen de “stoommachine”. Bij mobiele stoommachines, zoals bijvoorbeeld een stoomtrein, stoomauto, of stoomfiets, zijn de stoomgenerator en de motor-eenheid aan elkaar gebouwd. Bij stationaire stoommachines in bijvoorbeeld fabrieken kan het zelfs zijn dat de stoomgenerator zich in een ander (deel van het) gebouw bevindt. Dat wordt de stoom via buizen naar de motor-eenheid getransporteerd.

Onderdelen van een stoomachine


Standaard-onderdelen van stoommachines zijn een cilinder, waar een zuiger door heen beweegt. Verder kun je diversen verbindingsstangen vinden, net als een vliegwiel. Stoom wordt toegevoegd via ventielen. Met deze ventielen wordt ook de snelheid geregeld, automatische of met een handmatige afsluitklep (= ventiel) om zo meer of minder stoom door te laten naar de motor-eenheid. Op de cilinder zitten verbindingen voor de toevoer van stoom én voor de afvoer van de stoom die gebruikt is. Soms wordt de afgevoerde stoom ook wel eens gecondenseerd tot water, i.p.v. dat de stoom gewoon de fabriek verlaat. Dat water kun je weer gebruiken om de koken tot stoom. Natuurlijk moet je de ketel niet vergeten; de stoomgenerator dus. Daarin wordt het water gekookt, zodat het stoom (= waterdamp) wordt en naar de motor-eenheid kan worden geleid. Op de ketel zit vaak een drukventiel om te voorkomen dat bij extreme overdruk de ketel ontploft met alle negatieve gevolgen van dien. Een drukmeter om de druk te controleren en een kijkglas om de waterstand te controleren zijn noodzakelijk.

Andere onderdelen kunnen bijvoorbeeld pompen zijn om tijdens het draaien van een stoommachine water toe te kunnen voegen. Condensatoren kun je ook vinden; zoals eerder gezegd om het water te kunnen hergebruiken, maar ook om overgebleven hitte weer te hergebruiken. Verder kun je eventueel “superheaters” gebruiken om de stoom nog heter te krijgen, voor nog meer rendement. Er moet ook een installatie gebouwd worden voor de brandstof (kolen, hout, ...) om de ketel te kunnen verhitten, daarvoor heb je dan ook een aantal personen nodig om de brandstof toe te voegen met of zonder een lopende band of speciale installatie.

Brandstof


Er is warmte nodig om het water in de ketel te verhitten tot het kookpunt zodat het dan waterdamp, dus stoom, wordt. Daarvoor kun je in principe elke brandstof gebruiken, maar doorgaans wordt (of werd) er kolen of hout gebruikt. Onder de ketel moet dan een “brandkamer” zijn, waar de brandstof verbrand wordt.

(Stoom-)ketel


De stoomketel is eigenlijk een drukvat, waarin water gekookt wordt. Daaronder zit zoals eerder gezegd een constructie om warmte in de ketel te krijgen om het water ook werkelijk te kunnen koken. Door de technische ontwikkelingen konden de ketels ook hogere druk aan, wat tot gevolg heeft dat het rendement erg snel beter werd. Er was dus steeds minder stoom nodig om voor dezelfde snelheid en de snelheid werd ook steeds constanter. Het gevolg van meer rendement was dat het ketels dus ook kleiner én goedkoper konden worden.