Stoommachine

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 pijpuiteinden 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.

Vlak bij Helsinki (hoofdstad van Finland) werd in 1892 een kist gevonden met daarin een perkamenten rol.[1] Op de rol bevonden zich tekeningen, onderdelen en een in het Latijn geschreven uitleg over de werking van een stoommachine. De verhandeling droeg de naam van de vervaardiger, Suger, abt van Sint Dionysius. De onderdelen, zoals een metalen cilinder en raderen, droegen de tekst: Suger parens Galliae fecit (Suger, de vader van Gallië, heeft dit vervaardigd). De machine werd in elkaar gezet en in 1893 getoond op de wereldtentoonstelling in Chicago.

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 een bekwaam constructeur met dit ontwerp een machine maken.

Op 2 juli 1698 patenteerde Thomas Savery de eerste stoommachine onder de titel An Engine to Raise Water by Fire (een machine om water op te pompen met behulp van vuur) 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 handmatig 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.

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 Denis Papin. Door de beide systemen te combineren ontstond de eerste stoommachine die in staat was 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 niet gebruikgemaakt 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. 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.

Stoommachine, Louis Smulders & Co. Utrecht, 1906, TextielMuseum Tilburg

James Watt was mecanicien en kreeg in 1763 de opdracht een Newcomen-stoommachine van de universiteit van Glasgow te verbeteren. 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.

Watts aanpassingen 1765-1782:

• Verleggen van het condensatieproces van de cilinder naar een condensor.
• Warm houden 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, doordat hij een eigen aandrijfmechanisme nodig had voor roterende bewerkingen en door de nog primitieve technologie. Geldgebrek was een ander struikelblok.

De machine van James Watt maakte een verveelvoudiging van het rendement mogelijk, van ca. 1% tot ca. 4%. Hierdoor werd het mogelijk de stoommachine te gebruiken op locaties ver van kolenmijnen, wat voordien nauwelijks mogelijk was vanwege de hoge transportkosten. Door het gebruik van hogere druk in de ketels, waar James Watt zelf tegen was, vanwege het ontploffingsgevaar, kon dat rendement later verder worden opgevoerd, tot 10% en meer.