Stoommachine Links 

(De wereld is veel groter dan Nederland, vandaar dat de animaties hieronder meestal in het Engels zijn. Voor de deelnemers aan het "Water en Vuur" project, kinderen uit groep 8, moet dat echter niet zo'n probleem zijn).

Download de tijdlijn "Stoom"

De atmosferische stoommachine van Thomas Newcomen

 


 

 

 

De stoommachine is eigenlijk belangrijk geworden door de koper- en tinmijnen in Engeland. Het erts moest uit steeds diepere lagen komen en op zeker moment begon met last te krijgen van water in de mijnen. Dat moest worden weggepompt. Natuurlijk had je de spierkracht van mensen, de kracht van ossen in de tredmolen of vier paarden in een rosmolen. Maar er was meer kracht nodig en liefst ook de hele dag achter elkaar. Tijd voor wat anders. En dat werd de stoommachine van Thomas Newcomen. En natuurlijk kon je er ook steenkolen mijnen mee leegpompen.

In 1712 werkte er een Newcomen machine in een steenkolenmijn. Natuurlijk bedacht hij de machine ook niet helemaal zelf. Dennis Papin vond vóór hem de hogedruk pan uit. Eigenlijk was dat de eerste stoomketel. Thomas Savery bedacht een manier om met stoom, vacuüm, potten en kranen water op te pompen zonder bewegende delen. Dat was het ook niet helemaal. Dat vacuüm kon Newcomen echter wel gebruiken. In het Stoommachinemuseum laten we die proef wel eens zien. Een colablikje wordt vol stoom geblazen en dan wordt het blikje snel afgekoeld in een bak koud water. De stoom "krimpt" heel erg snel en er ontstaat een vacuüm (of onderdruk) in het blikje. De luchtdruk om ons heen drukt dat blikje stevig in elkaar.

Thomas Newcomen bedacht de machine die je hierboven ziet staan. Je ziet een cilinder met een zuiger en van boven is deze cilinder open. Hij staat dus in verbinding met de buitenlucht
De bolle ketel maakt stoom onder een heel lage druk (± 0,1 bar overdruk). Die stoom wordt in de cilinder geblazen als de kraan open staat. Dan komt er een straal koud water in de cilinder (onder de zuiger). Ook hier condenseert de stoom en er ontstaat ook een vacuüm. De cilinder is veel steviger dan het colablikje, dus de cilinder wordt niet verkreukeld...
De buitenlucht drukt wel de zuiger naar beneden. Die zuiger van de stoommachine is door middel van een balk met de stang van de waterpomp  verbonden en hierdoor wordt de zuiger van de pomp omhooggetrokken en het water uit de mijn komt mee omhoog. Dus het is de luchtdruk om ons heen die de zuiger van de stoommachine naar beneden drukt. Vandaar die naam: "atmosferische stoommachine".

Er ontbreekt nog wel iets in de animatie. Het ingespoten koelwater en het condenswater van de stoom moeten nog weg. Dat is hier niet te zien. Daarvoor was een derde kraan nodig. De druk van de verse stoom perste het water weg.

In het begin stond er een jongetje bij de machine om steeds op het juiste moment de juiste kraan open te zetten, maar al heel snel kon men dit met wat stangetjes oplossen. 

(Link: https://www.youtube.com/watch?v=9GqVQPMCtY4)

 

 

Hierboven zie je een replica van de machine van Thomas Newcomen aan het werk. Het is een kleiner model dan de werkelijke machine. Daarom beweegt hij iets sneller.

(Link: https://www.youtube.com/watch?v=g889Po-ZUMc)

 

 

De verbeterde stoommachine van James Watt uit 1769

Deze stoommachine van James Watt leek veel op die van Thomas Newcomen. Dat is ook niet verwonderlijk. 

James Watt moest een model van de stoommachine van Thomas Newcomen repareren. Hij bekeek goed hoe Newcomen het had gedaan en het viel hem op dat de machine wel heel veel brandstof moest gebruiken.

Wat was het geval bij de machine van Newcomen? Elke keer vulde de cilinder zich met stoom en vervolgens koelde de straal water de stoom af en ook de cilinder zelf.
Elke keer moest de cilinder dus weer opgewarmd worden.

Dat kon anders, dacht Watt. Hij liet de gebruikte stoom niet in de cilinder zelf afkoelen, maar in een apart vat, de condensor. Dat vat stond in een tank met koud water.

Op die manier bereikte hij hetzelfde als Newcomen, maar de cilinder bleef nu warmer. Het water werd uit die condensor door de vacuümpomp weggepompt in een bak met heet water en dat werd weer door een andere pomp teruggepompt naar de stoomketel.
De bak met koud water diende om de condensor koel te houden. Dat is eigenlijk hetzelfde idee als de straal koud water bij de machine van Newcomen.

Om de cilinder is nog een aparte mantel aangebracht waardoor stoom de cilinder extra kan verwarmen. De animatie rechts laat zien dat het echt om het vacuum gaat. De stoom boven de cilinder dient alleen om de zuiger en de bovenkant van de cilinder te verwarmen.

Al met al was deze machine van James Watt drie keer zo zuinig als die van Newcomen. Je kunt ook zeggen: hij deed driemaal zo lang met dezelfde voorraad kolen. 

Deze machine werd ook alleen maar voor het leegpompen van de mijnen gebruikt. Hij maakte zo'n 10 bewegingen per minuut, dat was nog veel te weinig om er machines mee te kunnen aandrijven.

Daarover moest James Watt nog even verder denken...

 

 

De eerste echte stoommachine van James Watt uit 1784

James Watt maakt nu de bovenkant van de cilinder dicht en door een mechanisme met kleppen kan hij de stoom beurtelings boven en onder de zuiger toevoeren. Hij moet ook een goede pakking bedenken voor de afdichting rond de zuigerstang bovenin de cilinder. 
De stoom uit de cilinder (C) komt weer in een condensor terecht (je ziet de sproeier getekend). Voor de rest lijkt deze machine veel op die van 1769, dus ook weer met een bak met koud water, een vacuümpomp om het water uit de condensor te pompen een pomp om het water naar de stoomketel terug te voeren, enz.

Maar er nu een belangrijk verschil!
De op- en neergaande drijfstang aan de linkerkant is nu niet verbonden met een pomp, maar een vliegwiel. Deze dubbelwerkende machine draait minstens tweemaal zo snel als die uit 1769 en samen met het vliegwiel bereikt hij een vloeiende beweging, waarmee je allerlei machines kunt aandrijven.
Dit is een heel belangrijke vernieuwing!

James Watt gebruikt ook voor de eerste keer in de stoomwereld een regulateur. Je ziet hem links in de tekening bij Q. Als de machine te snel draait wordt de stoomtoevoer afgeknepen en als hij weer te langzaam draait, komt er meer stoom. Zo kun je de snelheid constant houden.
Ook dit heeft Watt niet zelf uitgevonden. De regulateur was al bekend uit de meelmolens. Als de molen te snel draaide, drukte de regulateur de bovenste molensteen iets omhoog. Zodoende hoefde de molenaar daar niet om te denken. Maar Watt was de eerste die de regulateur in een stoommachine toepaste.

Fabrieksdirecteuren konden nu stoommachines bestellen bij James Watt. Maar hoe sterk moest die zijn? James Wat bedacht het begrip paardenkracht.

Voor de liefhebbers:

De paardenkracht werd ook gedefinieerd als het vermogen dat nodig is om een last van 75 kilogram stapvoets te hijsen (dat wil zeggen met een snelheid van 1 meter per seconde, oftewel 3,6 kilometer per uur) bron: Wikipedia.

Als een directeur eerst 10 paarden aan het werk had, bestelde hij nu dus een stoommachine van 10 pk. Er zijn tegenwoordig veel "soorten" paardenkracht.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 Het filmpje hierboven laat een animatie zien van de dubbelwerkende stoommachine van James Watt. Hij gebruikt twee aparte stoomschuiven in plaats van één schuif.

(Link: https://www.youtube.com/watch?v=KZqOaUuO1Jo)

 

 

 

 

De dubbelwerkende stoommachine van James Watt. Nu is het een replica die in het Deutsches Museum in München staat, uit 1913. Er zit ook een stukje animatie in van de zuiger en de cilinder. En ook de werking van de condensor en de vacuümpomp (of airpump - dat is de luchtpomp). Die pomp zorgt ervoor dat het gecondenseerde water weer in de stoomketel komt.
James Watt was niet rijk, dus om zijn machines te kunnen bouwen had hij iemand nodig die meer geld had dan hijzelf. Dat was de Engelse fabrikant Matthew Boulton. Vandaar de naam Boulton & Watt. Later werden beide heren heel rijk!

James Watt heeft de stoommachine een heel eind vooruit geholpen. Om hem daarvoor te bedanken is de eenheid van vermogen naar hem genoemd, de watt. Je koopt een spaarlamp van 12 watt. Je buurman heeft een auto met een motor van 66 kilowatt. (En ja, dan maakt hij daar toch weer 90 pk van...)

(Link: https://www.youtube.com/watch?v=M2LsvSQ--wc)

Zo maar een stoommachine

 

 

 

De stoommachine animatie hierboven laat een stoommachine zien die eigenlijk niet anders werkt dan die van James Watt uit 1784. Alleen is de machine nu liggend gebouwd. Liggende machines worden tegenwoordig landmachines genoemd. Staande machines zijn meestal zeemachines (dus voor gebruik in de scheepvaart).

Het model in het Stoommachinemuseum heeft een bakschuif, maar de twee zuigertjes in deze animatie (een bosschuif) doen hetzelfde. De ruimte tussen de twee zuigertjes wordt in dit geval gebruikt om de gebruikte stoom af te voeren. De buitenkanten van die zuigertjes voeren de verse stoom beurtelings aan de ene en de andere zijde van de grote zuiger in de cilinder toe. Je ziet dat dit systeem veel minder onderdelen nodig heeft dan de machine van James Watt uit 1784. Dankzij het excentriek (zie rechts).

Je kunt in deze animatie ook zien hoe het excentriek de stoomschuif bedient en het lijkt alsof de schuif iets voorloopt op de zuiger. En dat is ook zo.

 

(Link: https://www.youtube.com/watch?v=OgP4oPVPjCg)

De slingerende stoommachine 

Eenvoudige speelgoed stoommachientjes hebben een ander "schuif". In dit geval  kan de cilinder om een as draaien en die beweging voert de stoom toe en laat de gebruikte stoom weer weglopen.
Dit type werd in de 19e eeuw wel gebruikt voor landmachines en scheepsmachines.

Deze animatie ( https://www.youtube.com/watch?v=Bk9_tEPQRvo ) op YouTube laat het duidelijk zien. De opening in de cilinder komt afwisselend voor de aanvoer van de stoom (grijs) en de afvoer (de koperen pijp). Het is dus een enkelwerkende machine.

 

De compound stoommachine

 

 

 

 

 

De stoommachine hierboven is een compound machine. Als de stoomdruk hoog genoeg is, kun je de stoom tweemaal gebruiken. In het filmpje komt de stoom eerst in de kleine cilinder (rood). De gebruikte stoom uit die kleine cilinder is koeler en heeft minder druk. Die gebruikte stoom komt daarna in de grotere cilinder (blauw). Waarom is die cilinder groter? Wel, het is belangrijk dat de kracht op beide drijfstangen even groot is. Bij de hoge druk in de rode cilinder is het aantal kilo's per vierkante centimeter groot, bijvoorbeeld 8 kilo per vierkante centimeter.
Bij de lagere druk in de blauwe cilinder is het aantal kilo's per vierkante centimeter lager, bijvoorbeeld 2 kilo per vierkante centimeter. Om toch dezelfde kracht op de drijfstang te krijgen moet het oppervlak van die zuiger tweemaal zo groot zijn.
Het mooie van de compound machine is, dat hij de stoom tweemaal gebruikt en daardoor is hij zuiniger. Er zijn ook machines met drie cilinders, zoals de "Vlaanderen" in het Stoommachinemuseum. Dat heet: triple compound. Die gebruikt de stoom dus driemaal.

De hogedruk cilinder krijgt zijn stoom via twee zuigertjes, dat is een bosschuif. De lagedruk cilinder gebruikt de roosterschuif. Dat heeft met de stoomdruk te maken.
Alle blauwe stangen aan de excentrieken zijn onderdelen van o.a. de omkeerinrichting. Dat lijkt ingewikkeld, maar in het Stoommachinemuseum kunnen we het eenvoudig uitleggen.

(Link: https://www.youtube.com/watch?v=6p4vcvBUgXM)

 

De stoomlocomotief

 

 

 

 

Een stoomlocomotief is gewoon een stoommachine op wielen. De gebruikte stoom wordt niet in een condensor teruggebracht naar water, maar verdwijnt in de schoorsteen. Hier maakt de stoom een geweldige trek in de schoorsteen, die het vuur goed laat branden. Het betekent wel dat de locomotief veel water gebruikt. Vaak is de wagon achter de locomotief een tender met een watertank en een kolenvoorraad. 
Op de stations zag je vroeger altijd een grote draaibare buis waarmee de watertanks gevuld kon worden. Op het station van Beekbergen is zo'n installatie nog te zien.

In de stoomketel stromen de hete gassen van het vuur door vlampijpen. Op die manier ontstaat er een groot oppervlak, zodat het water in de stoomketel snel opwarmt.

Vaak wordt de stoom uit de ketel nog eens extra verhit. Zo krijg je hetere stoom en dus meer energie. In de animatie zie je dat de "Sand Dome" wordt aangewezen. Dat is een houder met zand. Dat zand kon via pijpen voor de wielen stromen. Als de rails glad waren kon men ze hiermee stroef maken, voor meer grip van de wielen. En waarom staat die bak zand bovenop de stoomketel? Dan blijft het zand lekker droog!

De stoomlocomotief stond model voor de locomobielen. Dat zijn eigenlijk landlocomotieven. Ze dreven landbouwmachines aan, maar ook zaagmachines en draaimolens op de kermis. Rechts zie je zo'n kermis locomobiel. Om de elektrische verlichting van de draaimolen te laten branden zit er voorop de machine een dynamo.

(Link: https://www.youtube.com/watch?v=d1OpJzWTk8g)

 

 

De stoomturbine

Als wij in het Stoommachinemuseum vragen "Is stoom ouderwets of modern?", dan kregen we meestal als antwoord dat stoom echt ouderwets is. Toch is dat niet zo. Dagelijks komt onze "stroom"  het huis binnen door stoomturbines. Die laten generatoren draaien waarmee elektriciteit wordt opgewekt. Dus stoom is supermodern!

De stoomturbine stamt al uit het jaar 1883. Deze machine heeft weinig bewegende delen en de turbine maakt veel toeren. Voor de opwekking van elektriciteit bijvoorbeeld 3000 toeren per minuut. Ze leveren heel veel werk voor de gebruikte energie. Al aan het einde van de negentiende eeuw al dreef een stoomturbine de boot "Turbinia" van Charles Parsons aan. En dat ging ongekend snel. Op een feest van de Britse marine voer Parsons  snel tussen de marineschepen door. De patrouilleboten kregen Charles niet te pakken. De Engelse marine wist niet wat ze zag. Ze wilden meteen ook die stoomturbine hebben.

Er zijn hieronder twee animaties te zien. Eerst een eenvoudige en daarna een wat ingewikkelde.

 

 

 

Hierboven zie je de eenvoudige animatie. De turbine is eigenlijk niets anders dan een schijf met schoepjes of vaantjes. De stoomstraal buigt af op die schoepen of vaantjes en daardoor gaat het turbine wiel bewegen. Je ziet dat de opgewekte elektriciteit het lampje laat branden. De dynamo die hier de gelijkstroom opwekt is niets anders dan een klein gelijkstroom speelgoedmotortje.

(Link: https://www.youtube.com/watch?v=YCnU0dOF5RI)

 

 

 

 

En hierboven zie je de wat ingewikkelder animatie. Deze stoomturbine heeft heel veel bewegende en stilstaande vaantjes. De stilstaande vaantjes (wit in de animatie) zitten vast aan het turbinehuis en buigen de stoom af en richten die daardoor op de draaiende vaantjes (donkergrijs in de animatie). Die gerichte stoomstralen op de  vaantjes laten de as draaien. Een schijf met vaantjes is eigenlijk al een turbine. In de animatie zie je dat de turbine schijven (en ook de vaantjes) van rechts naar links steeds groter worden. De kleine schijven krijgen de stoom met de grootste druk en de hoogste temperatuur. Na elke turbine schijf zijn de druk en de temperatuur lager geworden. Vandaar dat de turbine schijven en vaantjes steeds groter worden om per schijf toch dezelfde kracht uit de stoom te halen. Dat doet aan de compound stoommachine denken.

(Link: https://www.youtube.com/watch?v=AyAd-gLO9CE)

Geheimtaal

Zo, je weet nu heel wat meer over stoommachines!

Met behulp van de tekening hieronder word je haast een expert...

 

Stoommachines zoals hierboven waren bijna 250 jaar heel belangrijk. Zeker ook voor de industrie. Als je wilt weten wat de stoommachine betekende voor de opkomst van de industrie, kijk dan bij Massaproductie.

 

Hans Walrecht
zie ook www.hansonline.eu