(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).
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.
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.
De
verbeterde stoommachine van James Watt uit 1769
Deze
stoommachine van James Watt doet denken aan 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.
Maar
Watt gaat een stap verder. Zijn cilinder is van boven dicht en hij moet een
pakkingbus maken voor de zuigerstang. Bij deze animatie moeten we bedenken dat
het gewicht van de pomp en de bijbehorende stangen (links) zo groot is dat dit
gedeelte in rust altijd omlaag
staat. Wat gebeurt er dan? De stoom wordt in de bovenzijde van de cilinder
toegevoerd. Stoom die zich nog onder de zuiger bevindt wordt afgevoerd naar de
condensor. Als de zuiger onderaan staat, wordt via een klep de evenwichtsbuis
geopend waardoor de gebruikte stoom boven de zuiger in het gedeelte onder de
zuiger kan stromen. En dan begint het opnieuw.
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. Hij was ook sterker dan de Newcomen machine, omdat zowel de druk
van stoom als het vacuüm werd gebruikt.
Deze
machine werd ook alleen maar voor het leegpompen van de mijnen gebruikt. Hij
maakte zo'n 13 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.
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...)
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 tegenwoordiglandmachines 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Deze
stoommachine van James Watt doet denken aan die van Thomas Newcomen. Dat is ook
niet verwonderlijk. 
landmachines genoemd.
Staande machines zijn meestal zeemachines (dus voor gebruik in de
scheepvaart).
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. 
