Deel 1.

De eerste stoomexperimenten


Heron en Aeolipila

De eerste stoommachine is in de eerste eeuw voor Christus uitgevonden door Heron, een Griekse wiskundige uit de School van Alexandrië. Hij noemde het de Aeolipila, naar Aeolus, de Griekse god van de wind, en pulê, wat deuropening betekent.
Het was een holle bal die rustte op twee holle buizen die uit een waterreservoir kwamen waarlangs stoom in de bal werd gespoten. Onder dit reservoir werd er een vuur gestookt. De stoom werd dan via twee gebogen spuitstukken uit de bal gespoten, en deze draaide dan rond volgens het raketmotorprincipe. Daardoor begon de bal langzaam te draaien.
Echter, omdat de kracht te gering was, kon het geen zinvolle toepassing aandrijven. En omdat Heron en de andere natuurkundigen van die tijd de echte kennis over stoomkracht ontbrak, was en bleef het een speeltje…



Heron ontwierp ook nog een originele tempeldeuropener: wanneer de priesters een vuurtje op de steen voor de tempel stookten, werd het ondergrondse reservoir verwarmd, zodat het water warmd werd. Hierdoor zette het uit zodat het water in de emmer werd overgeheveld. Deze werd dan zwaarder en zou dan door zijn gewicht de deur moeten openen. Als het vuur gedoofd werd, koelde het water af, condenseerde het en zoog het het water door de onderdruk terug uit de emmer in het reservoir, zodat de poort terug dichtging. Wegens te veel condensatie en warmteverlies in het ondergrondse reservoir heeft dit nooit gewerkt.


1600 jaar later in Italië…

Toen in de 16de eeuw Herons ideeën bekend raakten in Italië, volgde er bijna direct een stormloop aan nieuwe uitvindingen. Zo ontwierp de Italiaanse architect Giovanni Branca (1571-1640) een stoomturbine die de stampers van twee vijzels liet bewegen.
Door onder andere dit experiment begon men langzamerhand een idee van de kracht van stoom te krijgen.
In Engeland deed de Franse ingenieur Salomon de Caus (1576-1626) experimenten met een met water gevulde tank waaronder hij een vuur liet branden. Omdat het water warmd werd, zette het uit en spoot het er door de vulopening uit.
Hij had dus een kunstmatige fontein gemaakt, maar van echte stoom was geen sprake.
In Napels experimenteerde Giambatista della Porta (1533-1602), een Italiaanse renaissance-architect, met een verwarmde boiler waar water in een dunne buis omhooggestuwd werd, die volgens hetzelfde principe werkte.

De atmosferische stoommachine van Papin

Maar in de 17de eeuw pakte Sir Samuel Morland (1626-1695) het anders aan. Hij ontwierp een mechaniek waar stoom uit een boiler een beweegbare zuiger in een aparte cilinder voortstuwde.
Maar anderen zaten ook niet stil; Christiaan Huygens (1629-1695) had ondertussen de “buskruitmotor” bedacht, een idee dat overigens nooit in werkelijkheid is omgezet.
In een cilinder zou hij buskruit laten ontploffen, wat dan een cilinder zou omhoogduwen.
Leonardo Da Vinci (1452-1519) had in 1508 ook al iets in die aard bedacht.
Maar de slimme Denis Papin (1647- ca.1712), een assistent van Huygens, gebruikte in ca. 1690 in plaats van het explosieve en gevaarlijke buskruit, stoom.
Hij gebruikte slechts één cilinder, die dus ook als stoomketel gebruikt werd. Men noemt deze stoommachine atmosferisch omdat het niet de stoom is die de arbeid levert, maar de atmosferische druk. De atmosferische druk wordt gevormd door de lucht om ons heen en is ongeveer 1bar tegenover vacuüm.
We beginnen bij de fase dat de zuiger beneden in de cilinder is.
Fase 1: onder de cilinder wordt er een vuur gestookt, zodat het water in de cilinder opwarmt.
Fase 2: Er komt waterdamp in de cilinder, en Papin trekt de zuiger omhoog en vergrendelt deze (de zuiger wordt NIET door de stoomdruk omhooggeduwd!). Eventuele stoom wordt via de kraan afgelaten
Fase 3: Papin dooft het vuur en koelt de cilinderwand af met koud water. De damp condenseert, krimpt en wordt terug water. Nu is er een onderdruk of vacuüm in de cilinder. De atmosferische druk duwt dan met flinke kracht (Atmosferische druk – (onder)druk in de cilinder) de zuiger omlaag.
En nu kan men terug herbeginnen bij stap 1. Om water met deze machine te kunnen pompen, moest er een hefboom aan de zuiger bevestigd worden.


Maar men hoeft zich echter geen illusies te maken over de snelheid, laat staan de efficiëntie…
Bovendien had men toen nog niet de techniek en de precisie om zuigers luchtdicht af te dichten (de pakking), en vergde de machine dus ook nog eens veel onderhoud.
Maar in plaats van te zoeken naar oplossingen, zat hij te dromen, en ontwierp hij zelfs een stoomschip; maar tot daar is het nooit gekomen…


Berekenen van het aantal kilo op de zuiger
Om het aantal kilo dat op de zuiger duwt te berekenen, moet men twee dingen weten:
1.     De druk in bar (=kg/cm²)
2.     De oppervlakte van de zuiger
Dan vermenigvuldigt men het aantal kg/ cm² met de oppervlakte van de zuiger. Bekijken we nu de stoommachine van Papin, met een zuigerdiameter van 20 cm en dus een oppervlakte van 314cm², dan drukt er zo’n 314 kg de zuiger naar beneden. Maar door de vele lekkages van de pakking was de druk helemaal niet zo hoog.


De “vuurpomp” van Thomas Savery

De Engelse ingenieur Thomas Savery (ca. 1650-1717) besefte al heel vroeg dat een zuigermachine in die tijd nog niet goed lucht- en stoomdicht kon worden gemaakt; dus zocht hij een andere oplossing: een machine zonder bewegende delen. Om andere machines (weefgetouwen, …) aan te drijven was weliswaar een draaiende beweging nodig, maar water uit een (steenkool)mijn omhoog pompen zou wel gaan. Hij baseerde zich waarschijnlijk op de ontdekkingen van Salomon de Caus (eerder vernoemd), die een heetwaterfontein gemaakt had.
Savery’s ontwerp was eigenlijk heel simpel: een ketel, een reservoir, een T-stuk, twee terugslagkleppen en enkele kranen en buizen.
De hele machine bevond zich onder de grond. Eén pijp (Pijp 1) ging naar beneden, helemaal onderaan de schacht, waar het water opgepompt wordt. De tweede pijp (Pijp 2) ging helemaal naar boven, waar het water in een afvoergoot gepompt wordt.
De machine werkte als volgt:
Stap 1: Het grote reservoir is (op een of andere wijze) gevuld. Kraan A wordt opengedraaid en de stoom uit de ketel duwt het water uit het reservoir door de geopende terugslagklep door Pijp 2 naar boven, naar de afvoergoot boven.
Stap 2: Als het reservoir gevuld is met stoom wordt kraan A dichtgedraaid.
Dan wordt kraan B geopend, zodat het reservoir een koude douche krijgt. Nu gebeurt er hetzelfde als bij de atmosferische stoommachine van Papin: de stoom in het reservoir condenseert en krimpt. Zo ontstaat er een onderdruk, en daardoor kan de atmosferische druk het water door de pijp (Pijp1) omhoogduwen. Het reservoir wordt zo opnieuw met water gevuld.
En zo kan stap 1 herbegonnen worden.

Laten we voor deze “machine” eens het formuletje bekijken dat ik bij de machine van Papin besproken heb.
De druk die het water door Pijp 1 omhoogduwt, is in dit geval de atmosferische druk tegenover het vacuüm = 1bar of 1kg/cm². Stel dat de oppervlakte van de buis 1cm² is, dan wordt er 1kg water per cm² naar boven geduwd. Het volume van een waterkolom van 1m hoog in die pijp is 1cm² maal 100 cm = 100 cm³ (opp. basis maal hoogte is volume). Omdat 1 kg water = 1 l water = 1 dm³ = 1000 cm³ is, weegt de kolom 1/10 kg of 100 gram. Met druk van 1 kg/ cm² kunnen we dus een waterkolom van 10meter hoog maken.

Voor Pijp 2 geldt hetzelfde, maar dan met stoomdruk. Omdat vanwege ontploffingsgevaar de maximale creëerbare druk 1,5kg/cm was, kon hiermee slechts een waterkolom van 15meter gemaakt worden.
Besluit: voor een mijn van 200 meter diep was dit geen oplossing!

4 opmerkingen:

  1. zeg, wie was nou de ECHTE uitvinder.. en waar vind ik meer geschiedenis???

    MVG bedankt!

    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. De echte uitvinder ?

      De stoommachine is, zoals zoveel andere dingen, niet echt ‘uitgevonden’. De ontwikkeling van de auto is ook ooit een langzaam proces geweest! Dikwijls zegt men dat Thomas Newcomen of James Watt de uitvinders zijn van de stoommachine. Dit is niet juist, maar het is wel zo dat dankzij hen de stoommachine zo’n evolutie gekend heeft! Zonder hen had het waarschijnlijk langer geduurd. Maar ook na hen is de stoommachine nog veel veranderd.

      Voor meer geschiedenis kan het wellicht nuttig zijn om de bronnenpagina eens door te nemen, want deze omvat enkele sites met veel info.

      Verwijderen
  2. wat zijn de oorzaken van de stoommachine en wat zijn de gevolgen daarvan

    BeantwoordenVerwijderen
  3. Ja, dat vraag ik me nou ook af! Dat daar nou maar een duidelijkheid in mag komen!

    BeantwoordenVerwijderen