Stoommachine

Een stoommachine is een motor (of in bredere zin een machine), die door middel van onder druk staande stoom mechanische arbeid levert. Vaak ontstaat die druk als gevolg van verhitting door verbranding van steenkool. De stoommachine wordt echter niet tot de verbrandingsmotoren gerekend.

In de gebruikelijke stoommachines expandeert de stoom in een of meer cilinders en drukt het de zuiger(s) die zich in de cilinder(s) bevinden weg. Via een kruk-drijfstangmechanisme wordt de expansie-energie, op een vliegwiel overgebracht. Een stoommachine heeft een relatief laag rendement, dat wil zeggen dat het deel van de energie van de stoom dat in arbeid wordt omgezet, niet zo groot is.

De ontwikkeling van de (industriële) stoommachine door Savery, Papin, Newcomen en Watt, 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, behalve in een aantal nog steeds in gebruik zijnde stoomschepen, tegenwoordig 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 zuigerstoommachientjes nog als modelspeelgoed verkocht en zijn er in veel industrie- en techniekmusea nog werkende exemplaren te bezichtigen.

Vooral gedurende de 20e eeuw, en in het bijzonder in de 2e helft van deze eeuw, verloor de stoommachine steeds meer terrein. In de nijverheid leidde de toepassing van deze krachtbron tot gevaarlijke situaties daar de kracht via een as met riemschijven en lederen drijfriemen naar de diverse machines moest worden overgebracht. De toepassing van verbrandingsmotoren en vooral van de elektromotor bracht hier verandering in, daar deze op decentrale wijze voor bewegingsenergie kon zorgen.

Ontwikkeling van de stoommachine 
De ontwikkeling van de stoommachine is een empirisch proces. De theoretische achtergrond, de thermodynamica, zou later worden geformuleerd. De machine was in 1705 al uitgevonden door Thomas Newcomen en Thomas Savery, maar er was pas in 1764 algemene toepassing mogelijk na de innovaties van de Schot James Watt (1736-1819).

De eerste stoommachine (atmosferische of vuurmachine) in Nederland werd op 9 maart 1776 in de oude kruittoren bij de Oostpoort van Rotterdam in gebruik genomen. Deze regelde het waterniveau in de grachten.

Heron van Alexandrië

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.

Denis Papin
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.

Thomas Savery

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.

Thomas Newcomen
Savery werkte voor de Gezondheidscommissie voor Zeelieden en hierdoor kwam hij in contact met Thomas Newcomen (1663 - 1729), afkomstig uit Dartmouth in Devon. 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 aanvankelijk handmatig: per arbeidsslag moesten de nodige kranen worden bediend. Mede daardoor werkte de machine uiterst langzaam en was relatief onrendabel. Later werd het openen en sluiten van de ventielen geautomatiseerd.

James Watt

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 vanaf 1765:
 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 (1788).
 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.

Grappen
De grote belangstelling voor de geschiedenis van de stoommachine is ook aanleiding tot grappen. Finse studenten verstopten in 1892 een middeleeuws aandoende kist met onderdelen en handleiding in een sloophuis in Helsinki. De stoommachine zou al in de middeleeuwen zijn uitgevonden.  Ze haalden er de Franse en Hongaarse pers mee. Ook het Nederlandse blad Recht voor Allen nam het bericht over.

Fotogalerij

Stoommachines in Nederland 
In Nederland begon het stoomtijdperk in 1774, toen het Bataafsch Genootschap der Proefondervindelijke Wijsbegeerte de toestemming kreeg om een vuurmachine te installeren. Deze in Engeland bestelde machine werd in 1776 in bedrijf genomen met als doel om een gemaal bij de Rotterdamse Oostpoort aan te drijven. Het experiment mislukte en uiteindelijk werd de machine gesloopt. In de eerste helft van de negentiende eeuw werd sporadisch van stoom als aandrijfkracht gebruik gemaakt. Daarbij moet gedacht worden aan krachtbronnen voor gemalen, de nijverheid en transport. In de textielnijverheid vond de introductie pas geleidelijk plaats. Zo plaatste in 1820 de spinnerij van Smits te Eindhoven als een van de eerste een stoominstallatie die, naast waterkracht, in gebruik werd genomen maar slecht voldeed. In 1827 nam een eerste textielbedrijf te Tilburg een stoominstallatie in bedrijf voor het spinnen en voor het vollen van wollen weefsels. Vollen geschiedde eerder met wind- of watermolens en, indien deze krachtbronnen niet voorhanden waren, met rosmolens. In 1836 nam de Koninklijke Nederlandsche Grofsmederij een stoommachine in gebruik van Pruisisch fabricaat. In 1839 werd de eerste stoomlocomotief, de Arend, in gebruik genomen. Commerciële toepassing van stoomraderboten bestond al sinds 1819, en vanaf 1836 kwamen ook stoomschroefschepen in zwang. In de tweede helft van de negentiende eeuw kwam de stoommachine algemeen in zwang, mede door grotere betrouwbaarheid en de afnemende exploitatiekosten.

De eerste stoommachines die in Nederland in gebruik werden genomen, waren vervaardigd in Engeland. In Nederland kwamen allereerst reparatiewerkplaatsen voor stoomschepen tot stand, zoals het bedrijf van Van Vlissingen en Dudok van Heel, de voorloper van Werkspoor. Dit bedrijf en andere gingen uiteindelijk ook zelf stoommachines en stoomketels produceren.

Musea
Het Ir. D.F. Woudagemaal is het grootste stoomgemaal ter wereld ooit gebouwd, en dat zo nu en dan ook nog in werking is. Het gemaal bevindt zich in Lemmer nabij Tacozijl in Friesland. Het wordt gemiddeld eens per jaar gebruikt, tijdens perioden met veel regen en wind, om het Friese boezemwater op het vereiste peil te houden als het J.L. Hooglandgemaal bij Stavoren door omstandigheden onvoldoende capaciteit kan leveren. Sinds 1998 staat het gemaal op de UNESCO-Werelderfgoedlijst.

In Stoomgemaal Vier Noorder Koggen te Medemblik in Noord-Holland is het Nederlands Stoommachinemuseum gevestigd met een grote verzameling stoommachines.

Het gemaal De Cruquius, dat werd gebruikt om de Haarlemmermeer droog te malen, heeft een zuigerdiameter van 3,66 m, het is daarmee 's werelds grootste stoommachine. In Appeltern en Halfweg staan werkende stoomgemalen. Te  Nijkerk bevindt zich het werkende Stoomgemaal Arkemheen. 

In Oisterwijk wordt een stoommachine uit 1924 bewaard van de firma Carels uit Gent in  België. Het is een tweelingstoommachine die gebruikt werd om de looierij van een leerfabriek te voorzien van elektriciteit. De stoommachine heeft tot 1972 gewerkt. Vrijwilligers hebben de machine opgeknapt en laten de zuigers van 70 centimeter doorsnee regelmatig heen en weer bewegen.

Zie ook 
 Stoomgemaal
 Stoomlocomotief

Machine
Stoomtechniek
Scheepsvoortstuwing