Deel 2.

De eerste stoommachines

De atmosferische stoommachine van Newcomen; een stap vooruit?

Ook voor Thomas Newcomen (1663-1729), mijnbouwkundig ingenieur werkend als een eenvoudige smid-ijzerhandelaar, waren in 1710 de waterproblemen zeker bekend. Zijn klanten van de nabijgelegen tin- en kopermijnen in Cornwall hadden er voortdurend last van.

Hij wist ongetwijfeld van Savery’s patent op zijn “Vuurpomp”, maar van het enkele jaren eerder gepubliceerde ontwerp (gepub. in Philosophical Transactions of the Royal Society) van Papin wist hij waarschijnlijk niets.

De atmosferische stoommachine van Newcomen uit 1712 werkte nochtans volgens hetzelfde principe als deze van Papin, maar Newcomens versie had toch enkele verbeteringen.

Zo liet hij de stoom condenseren door koud water in de cilinder te spuiten i.p.v. de cilinderwand langs buiten af te koelen, wat iets efficiënter was, en gebruikte hij een aparte stoomketel.

Maar de belangrijkste wijziging was waarschijnlijk de hefboom, die de stoommachine praktisch bruikbaar maakte. Door het op- en neer bewegen van de hefboom kon er een waterpomp bediend worden.

De machine werkte als volgt:

Stap 1: De cilinder vult zich met stoom, en dankzij het tegengewicht van de stang die in de mijnkoker afdaalt en een stoomdruk die slechts iets hoger is dan de atmosferische druk, wordt de zuiger omhooggeduwd.

Stap 2: Vlak voor dat de zuiger zijn hoogste punt bereikt heeft, wordt de stoomkraan dichtgedraaid en spuit er een straal ijskoud water in de cilinder. De stoom condenseert en krimpt. De zuiger wordt daarna door de atmosferische druk omlaag geduwd.

(Bron: http://www.animatedengines.com/newcomen.shtml)

Echter, ook aan deze stoommachine waren nadelen.

Zo waren er drie personen nodig om al de kranen open en dicht te draaien en de ketel te stoken (later kreeg iemand het idee om de kranen met stangen automatisch te laten bedienen), en bovendien had de machine een debiet van slechts ca.36000 l water per uur met 15 slagen per minuut.

Ter vergelijking: een elektrische dompelpomp met een debiet van 10000 l per uur weegt 3,6 kg en kost bij de Gamma maar 45 euro.

En het vermogen was ook al niet bijster veel: 5,5pk, ongeveer evenveel als een huidige kleine benzine grasmachine.

Dit alles was eigenlijk niet zo verwonderlijk met een rendement van nog geen 1% ...

… toen is overigens, de tegenwoordig zeer problematische, CO2 uitstoot begonnen.

De pakking (het materiaal dat de spleet tussen zuiger en cilinder afdicht) bestond slechts uit touw en stof, dat nochtans werkte omdat de stoomdruk zo laag was. Om het ontsnappen van stoom te zien en te vermijden, stonden er altijd enkele centimeters water boven de zuiger.

Omdat men in begin 18^de eeuw nog geen goede aandrijving (later de stoommachine, nu elektriciteit) voor kolomboormachines had, had men het zeer moeilijk om de cilinders uit brons te boren. Het oppervlak van de cilinder was dan ook zeer ruw en moest nadien nog met de hand gepolijst worden, wat veel tijd in beslag nam.

 Later in 18^de eeuw werden de cilinders niet meer uitgeboord, maar gegoten in gietijzer, waardoor er een gladder en meer effen oppervlak ontstond. Het gieten in gietijzer was bovendien ook goedkoper, maar het had ook zijn nadelen: omdat gietijzer de warmte en koude beter vasthoudt dan brons, was er meer water en tijd nodig om deze af te koelen, en opnieuw nog eens meer tijd (en energie!) nodig om deze terug op te warmen. Later zou dit een voordeel worden.

Echter, tot grote uitbating is het nooit gekomen, want Savery had een algemeen patent op zijn “machine om water met vuur omhoog te brengen”, en de ambtenaren van de patentendienst in de 18^de eeuw schoten blijkbaar zoveel te kort in hun kennis over stoomkracht, dat ze het verschil niet zagen tussen Newcomens stoommachine en Savery’s vuurpomp. Uiteindelijk prijkte door zijn patenten ook Savery op het patent.

Toch boekte Newcomens machine heel wat succes: reeds in 1775 werden er al meer dan 60 van deze machines gebruikt, in Cornwall alleen al!

Maar niet alleen in Groot-Brittanië, maar ook in de rest van West-Europa, en zelfs tot in Noord-Amerika, had de machine succes: al in 1720 waren daar verscheidene exemplaren te vinden, één had zelfs een cilinderdiameter van 2 m!

Wat waarschijnlijk het succes een beetje geremd heeft is, is dat er net zoals bij Papin, veel energie nodig was voor het opwarmen van de cilinderwand, wat deze machine enkel rendabel maakte in steenkoolrijke gebieden…

Originele Newcomen stoommachine van 1860. Deze ontwikkelt 20pk.

(Bron: http://www.egr.msu.edu/~lira/supp/steam/newcomen.htm)

 

De stoommachine van Watt: de eerste niet-atmosferische stoommachine

In de winter van 1763-1764 kreeg James Watt (1736-1819), zoon van een scheepsbouwer, van de universiteit van Glasglow, een modelstoommachine gebouwd volgens het Newcomen-concept te repareren.

Omdat hij meestal voorwerpen zoals microscopen, scheepsinstrumenten, kompassen, … herstelde, was het voor Watt waarschijnlijk niet zo moeilijk om deze machine te maken, maar hij ging dieper in op de werking van deze stoommachine, en zocht een oplossing om niet zoveel stoom te verkwisten.

Zo kwam hij tot enkele ideeën om de stoommachine meer rendabel te maken:

1.     Hij liet de stoom condenseren in een aparte condensor, waardoor de cilinderwand niet steeds opnieuw afgekoeld en terug opgewarmd moest worden, waar veel energie voor nodig was.

Met enkel deze verbetering ging het rendement al direct tot 8% omhoog.

2.     Hij liet de machine werken op stoomdruk en niet op atmosferische druk, waardoor de machine krachtiger en sneller was. De bovenkant van de cilinder was dan ook gedicht met een plaat, waarin een gat voor de zuigerstang was

Enkel met deze twee verbeteringen had de machine een rendement van 19% gekregen, dat is dus 18% meer dan Newcomens machine.

De condensor in het algemeen vond hij in dat jaar uit, in 1765. Als pakking voor de zuigerstang (de pakkingbus) gebruikte hij dierlijk vet, hennep (een soort touw), en plantaardige oliën. Dit werkte met de lage stoomdruk zeer goed.

In 1769 werd het patent, genoemd “A New Method of Lessening the consumption of Steam and Fuel in Fire Engines”, op deze verbeteringen aanvaard.

Misschien vraag je je nu wel af waarom hij de stoom nog liet condenseren. Dit was omdat de keteldruk slechts enkele bars was. Moest er geen condensor zijn, dan zou de druk die de zuiger omlaag duwt “keteldruk – atmosferische druk” zijn, waardoor er bijna geen druk meer op de zuiger rest. Met de condensor is de druk op de zuiger gelijk aan “keteldruk – druk gecondenseerde afgewerkte stoom”. Omdat de gecondenseerde afgewerkte bijna vacuüm is, is de kracht die de zuiger omlaag duwt dus gelijk aan de keteldruk.

Werking v.d. machine:

Fase 1.: De stoomkraan wordt geopend en stoom wordt onder druk in de cilinder geperst. De zuiger wordt daardoor naar beneden geduwd, en onder de cilinder maakt de condensor onderdruk.

Fase 2.:De stoomkraan wordt gesloten, en door het tegengewicht aan de andere kant van de hefboom wordt de cilinder terug naar boven getrokken. De stoom die zich boven de zuiger in de cilinder bevond, wordt via een buis naar de onderkant van de cilinder geduwd.

En zo kan Fase 1 herbeginnen.

Deze keer waren er ook problemen, maar niet met de stoommachine, maar met de uitvinder zelf, James Watt.

Om zijn stoomexperimenten te bekostigen was er een hoop geld nodig, en hij zat krap bij kas. Daarom kreeg hij financiële steun van de medicusindustrieel John Roebuck, die ook geïnteresseerd was in de zwavelzuurproductie en Carron ijzerwerken (scheepskanonnen) uit Glasglow.

Roebuck zag waarschijnlijk beter in dan Watt dat zijn stoommachine een groot succes ging zijn, en ze sloten de overeenkomst dat Roebuck 2/3 van de eventuele winst zou krijgen in ruil voor wat financiële steun aan Watt.

Maar ook Roebuck had problemen: in 1773 werd hij failliet verklaard!

De rijke industrieel Matthew Boulton (1728-1809) nam de rechten en het patent van Roebuck over. Er werd de fabriek “Boulton en Watt” opgericht en de machine werd gebouwd. De machine was meteen een groot succes.

De stoommachines van “Boulton en Watt” waren niet, wat ze nu noemen, “ready to go”.

De fabriek leverde enkel wat hout en ijzeren onderdelen, en de cilinder moest nog ergens anders besteld worden. Aan de klant werd aangeraden om de cilinder bij John Wilkinson te bestellen, iemand die normaal kannonen maakte. Hij was bekwaam in het gieten van deze en de ziel (de binnenkant van het kanon) uit te boren. De “kanonnen” kregen een iets andere vorm, en ziedaar, de eerste degelijke cilinder was geboren. Omdat hij indertijd ronduit de beste in zijn vak was, hoefde hij niet te vrezen voor concurrentie.

De ijzeren onderdelen werden in de Boulton fabriek in Soho (Birmingham) geproduceerd. De levering omvatte dus metalen onderdelen, enkele houten balken, de cilinder (bij iemand anders besteld), de plannen, en een meestergast.

De meestergast zorgde dat alles in goede banen liep, dat de ketel op de juiste manier gebouwd werd, dat de montage juist verliep,… Maar met één persoon was de klus nog niet geklaard. De klant moest op eigen kosten werklui (metselaars, loodgieters,…) inhuren om de stoommachine te bouwen.

Een van de eerste stoommachines gebouwd volgens deze wijze “pompte” geen water, maar lucht. Deze werd door Wilkinson bij het ijzergieten als blaasbalg gebruikt.

Als betaling vroeg de fabriek “Boulton en Watt” 1/3 van de uitgespaarde steenkool t.o.v. de stoommachine van Newcomen.

Maar er waren nadelen voor anderen: Watt had in 1769, vernieuwd in 1775, een patent op de machine genomen. Dit patent liep af in 1800. Vele ingenieurs moesten wachten tot dan om hun uitvinding te commercialiseren.

De stoommachine van Watt met ronddraaiende as

De stoommachines van Newcomen en van Watt die ik besproken heb, maakten geen ronddraaiende beweging, en waren dus niet geschikt om b.v. schepraderen van een schip aan te drijven. Het was opnieuw James Watt die daar verandering in bracht.

Met slechts enkele wijzigingen bracht de eerste stoommachine van Watt een ronddraaiende beweging voort, die voor alles en nog wat gebruikt kon worden. Er waren enkele problemen die hij heeft moeten ontwijken:

1.     Hij moest de op- en neergaande beweging omzetten in een draaiende beweging. Normaal is dat niet zo moeilijk om dit met een krukas op te lossen, maar deze was enkele jaren eerder al gepatenteerd. Dus ontwierp hij het zogenaamde “zon- en planeettandwiel” (Patent in 1781). Hier zagen de ambtenaren van de patentendienst dan blijkbaar wel een verschil. Vanaf dat het patent afgelopen was, gebruikte “Boulton en Watt”de krukas.

2.     De zuigerstang moest vertikaal blijven. Hiervoor bedacht hij de “Watt Beam” of het “Parallellogram van Watt”. In welke normale stand de hefboom ook staat, de zuigerstang blijft vertikaal.

Zo werd in 1782 de eerste machine volgens dit principe vervaardigd. Niet lang daarna bracht hij nog een kleine wijziging aan: hij maakte de machine dubbelwerkend. Al de vorige besproken machines waren enkelwerkend, m.a.w. dat er slecht één v.d. twee slagen op de zuiger geduwd werd. Men had dit ook niet nodig omdat de zuiger door het tegengewicht en de hefboom al vanzelf omhoogging. Maar nu dat de er geen tegengewicht, maar een wiel aan de hefboom hing, kon er ook van die slag gebruikt gemaakt worden. Het was dan ook vanzelfsprekend om ook hier nuttige energie in te steken en dus de beide slagen te benutten.

Daarvoor moest er op de cilinder bovenaan 1 kraan zijn om stoom in te laten, 1 kraan om stoom uit te laten, en onderaan hetzelfde. Door het open- en dichtdraaien van deze kranen kon de zuiger op en neer geduwd worden.

De werking:

Fase 1: De zuiger bevindt zich bovenaan in de cilinder. Met de inlaatkraan bovenaan de cilinder wordt er stoom in geduwd. Tegelijkertijd werd er onderaan met de uitlaatkraan de stoomdamp uitgelaten.

Fase 2: Nu is het omgekeerd: Onderaan wordt er met de inlaatkraan stoom in de cilinder geduwd. De zuiger is nu beneden en boven in wordt de stoomdamp door de uitlaatkraan uit de cilinder gelaten.

De kranen werden, zoals bij Newcomen, bediend door stangen.

Omdat deze stoommachine voor verschillende doeleinden gebruikt kon worden, werd deze de “universele stoommachine van Watt” genoemd.

Watt heeft ook geprobeerd om een stoombesparing uit het voortijdig afknijpen van stoom te halen, maar door de lage druk en het lage toerental had dit weinig zin. Ongeveer 30 jaar later zou Trevithick dit met succes proberen op hoogdruk machines.

Hier vind je een 3D animatie van die stoommachine in Google SketchUp Sketchy Physics.

De “Bollen van Watt”

Er was nog een probleem –dat zich pas voordeed wanneer de machine draaide en belast werd- dat de machine een te hoog toerental maakte als de belasting wegviel, en als er een kleine belasting opkwam zakte het toerental zienderogen. Om te zorgen dat er, ongeacht de belasting, er een stabiel toerental zou zijn, ontwierp hij in 1787 de “Bollen van Watt”. Zijn ontwerp was waarschijnlijk geïnspireerd op het indertijd toegepaste systeem om bij een windmolen de afstand tussen twee molenstenen te regelen.

De “Bollen van Watt” is een centrifugale regelaar. Door het uit elkaar gaan van de bollen werd een ring naar boven getrokken, die de stoomklep bedient. Als de snelheid van de machine verhoogde, gingen de twee bollen uit elkaar (je krijgt hetzelfde effect als je snel met je armen ronddraait), en werd de stoomklep meer dichtgedraaid (dit noemt men smoren). Werd de snelheid van de machine verlaagd, werden door de zwaartekracht de bollen naar elkaar toegetrokken, wat als resultaat dat de stoomklep meer open gedraaid werd.

Nu wordt de centrifugaal regulator nog steeds in moderne toepassingen gebruikt, als automatische koppeling in auto’s of quads bijvoorbeeld. Vanaf dat de motor snelheid maakt, worden de koppelingsplaten tegen elkaar gedrukt en gaan de wielen draaien.

De universele stoommachine van Watt was een overdonderend succes: ongeveer 60% van de 500 geproduceerde stoommachines voor 1800 waren gebouwd volgens dit concept. Het standaardmodel had een zuigerdiameter van 36 duim (ca. 96,5 cm) en een slag (de afstand tussen het hoogste en laagst mogelijke punt) van 7 voet (ca. 2,10 m).

De machine had voor die tijd een verbluffende kracht: meer dan 50 pk!