Stoommachine

Van Wikipedia

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 zuigers te laten expanderen en de expansiearbeid op een vliegwiel over te brengen.

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 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 had een zuigerdoorsnede van 3,66 meter en werd gebruikt om de Haarlemmermeer mee droog te leggen.

[bewerk] Ontwikkeling van de stoommachine

De ontwikkeling van de stoommachine is in feite empirisch verlopen. Met de wetenschap van de achttiende eeuw kon men de theoretische achtergronden van de warmtetheorie die er aan ten grondslag liggen, nog niet verklaren.

Als 'uitvinder' van de stoommachine wordt (bijna) altijd de Schot James Watt (1736-1819) genoemd. Strikt genomen is dat niet geheel juist. Er waren eerder anderen met de ontwikkeling bezig geweest.

[bewerk] Heron van Alexandrië

Herons aeolipile

De allereerste die een werkende stoommachine ontwikkelde, was Heron van Alexandrië (10 - 70). Heron noemde zijn machine een aeolipile. Deze aeolipile berustte, anders dan de moderne stoommachines, niet op het zuigerprincipe. Hij bestond uit een holle metalen bol, die op een eveneens holle as was gemonteerd. Deze as kwam aan beide zijden uit in een reservoir met water dat verhit werd. De holle bol had twee openingen aan weerszijden, 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 aangedreven werd tot een ronddraaiende beweging. Hoewel werkend op stoom, gebruikte deze machine in feite al het principe van een raketmotor. De machine was echter niet erg efficiënt, en Heron had er ook geen praktische toepassing voor.

[bewerk] 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.

[bewerk] Denis Papin

Voor wat betreft de ontwikkeling van de moderne stoommachines moet in de eerste plaats de Fransman Denis Papin (1647-1712) genoemd worden. 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.

[bewerk] Thomas Newcomen

Deze constructeur was Thomas Newcomen (1663-1729). Behalve van de studies van Papin maakte hij ook gebruik van ervaringen van Thomas Savery. Deze was mijnbouwkundig ingenieur en had onafhankelijk van Papin op hetzelfde principe een patent op een werkende machine verworven.

Deze machines berustten op een geheel ander principe dan de moderne stoommachine. Hier werd geen gebruik gemaakt van stoomdruk (dampspanning), maar van de atmosferische druk. Door sterk afkoelen 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. De bediening diende handmatig, per arbeidsslag, te worden verricht. Mede daardoor werkte de machine uiterst langzaam. Het was dan ook nog een zeer onrendabele machine.

[bewerk] James Watt

De verdiensten van James Watt liggen erin dat hij, als mecanicien aan de universiteit van Glasgow, bij een reparatie van zo'n machine de gebreken heeft doorzien en ook heeft verholpen. Deze aanpassingen maakten ze tot een veelzijdig en economisch werkend apparaat. In 1777 werd een eerste machine van hem opgesteld in een mijngroeve in Cornwall.

De aanpassingen die Watt in de loop van de jaren 1765-1782 aanbracht waren:

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 regulateur door middel van middelpuntvliedende kracht, de zogenoemde regulateur van Watt.
Gebruiken van een krukas voor roterende beweging. (In samenwerking met anderen).

Ook James Watt had te kampen met moeilijkheden bij het nauwkeurig bewerken van de machineonderdelen. Voor roterende bewerkingen had hij nu juist zijn eigen aandrijfmechanisme nodig. De precisie ging het toenmaals bereikbare te boven. Tevens beschikte hij niet zelf over de nodige financiële middelen.