Voorjaar op De TuutVoorjaar op De Tuut

Het compound-principe

 De eerste stoommachines werkten volgens hetStoomdruk in een voldrukmachineStoomdruk in een voldrukmachine voldruksysteem. Gedurende de gehele slag van de zuiger werd stoom ingelaten. Dit heeft tot gevolg dat de stoomdruk aan het eind van de slag even hoog is als aan het begin van de slag. Werkt de machine op een druk van bijvoorbeeld 3 atmosfeer, dan wordt aan het eind van de slag stoom van 3 atmosfeer afgelaten. in de grafiek heirnaast wordt dat weergegeven. Het grijze oppervlak in het diagram is een maat voor de geleverde energie. De grafiek vertoont op de verticale as de stoomdruk en op de horizontale as de slag. Deze laatste is aangegeven in procenten van de totale cilinderinhoud.

 

 Stoomdruk in een expansiemachineStoomdruk in een expansiemachine

Bij een machine met gedeeltelijke vuling wordt ergens tijdens de inlaatslag de stoomtoevoer afgeknepen. Tijdens de rest van de slag expandeert de stoom. In de tabel wordt stoom ingelaten van 8 atmosfeer. Na de helft van de slag stopt de stoomtoevoer, gedurende de rest van de slag vindt expansie van de stoom plaaats tot 4 atmosfeer. De stoom die aan het eind van de slag wordt afgeblazen heeft dus een restdruk van 4 atmosfeer. Deze machine gebruikt maar de helft van de hoeveelheid stoom die de voldrukmachine gebruikt. Bij een grafiek zoals deze spreken we over een vullingsgraad van 50%, immers, er wordt alleen stoom toegelaten over de eerste helft van de slag.

Het is gemakkelijk te zien dat met deze gehalveerde stoominvoer maar weinig minder energie wordt afgeleverd. Immers, het oppervlak van het grijze vlak is maar weinig kleiner dan bij de voldrukmachine.  Deze methode van gedeeltelijke vulling levert dus een grote rendementsverbetering op. Deze manier van werken noemt men "expansie".

 

Bij de meeste machines wordt gewerkt met een zeer geringe vullingsgraStoomdruk in een hoogexpansiemachineStoomdruk in een hoogexpansiemachinead, in de grafiek hiernaast ziet u een stoomdiagram bij een vullingsgraad van slechts 20%. Voordeel van deze machine is de grote benutting van de stoomdruk. Nadeel is dat de totaal geleverde energie flink afneemt ten opzichte van bijvoorbeeld de machine met 50% vulling. Vergelijk de grijze vlakken in de grafiek links en hierboven. De oppervlakte van de grafiek van de hoogexpansiemachine is duidelijk veel kleiner dan in de tabel van de expansiemachine. Wil men toch evenveel energie leveren met slechts beperkte vullingsgraad dan kan dat alleen gerealiseerd worden door de machine flink te vergroten. Het rendement wordt beter en levert dus geld op, maar de bouwkosten van zo'n hoogexpansiemachine zijn hoger. Het is van belang deze kosten en opbrengsten tegen elkaar af te wegen.

 

WisselstroommachineWisselstroommachineBij deze hoogexpansiemachines doet zich echter een ernstig natuurkundig probleem voor.  Zoals al eerder opgemerkt is er een directe verhouding tussen stoomdruk en stoomtemperatuur (bij verzadigde stoom). Zie de stoomtabel voor de exacte relatie. Tijdens de expansie in de cilinder neemt de druk af en dus zal de temperatuur van de stoom afnemen.

In de animatie hiernaast kunnen we dat goed waarnemen. De stoom komt op hoge temperatuur binnen. In de animatie is dat weergegeven met een felrode kleur. Tijdens de expansie zakt de druk en dus de temperatuur. in de animatie is dat weergegeven door de kleur naar wit te laten verlopen.

 Zoals in de animatie goed te zien is gaan verse stoom en afgewerkte stoom beide via dezelfde opening de cillinder in of uit. De verse stoom is daarbij veel heter dan de afgewerkte stoom. De kop van de cilinder zal dus een temperatuur gaan aanhouden die ergens tussen de temperatuur van de verse stoom en de temperatuur van de afgewerke stoom in ligt. Als deze machine met verzadigde stoom werkt dan zal de verse stoom dus in aanraking komen met die cilinderkop die een veel lagere temperatuur heeft. Daardoor zal condensatie optreden. Deze condensatie zet stoom om in water en die stoom is daarmee dus niet meer beschikbaar om arbeid te leveren.

Tijdens de expansie neemt de druk af en daardoor de temperatuur. Ergens in de expansie zal de stoomtemperatuur onder de temperatuur van het gecondenseerde water dalen. Daardoor zal het aanwezige condenswater alsnog verdampen. Voor deze verdamping is veel warmte nodig, wat wederom tot een rendementsverlaging zal leiden.

Een een-cilinder hoog-expansiemachine heeft dus per definitie last van ernstige rendementsverliezen ten gevolge van condensatie en naverdamping.Schema compound machineSchema compound machine

 

Al in een zeer vroeg stadium van de ontwikkeling van de stoommachines werd dit effect gekonstateerd en al vroeg heeft men geprobeerd dit probleem te verminderen door toepassing van compound-machines.

Een compoundmachine bestaat uit twee cilinders waarbij de expansie over deze cilinders verdeeld wordt, er is dan sprake van een hogedruk-cilinder en een lagedruk-cilinder. In dit voorbeeld is iedere cilinder met een aparte drijfstang aan de krukas verbonden.

De expansie zal nu in twee delen plaatsvinden, in de grafiek is het rode vlak de expansie in de hogedruk-cilinder en het oranje vlak in de lagedruk-cilinder. De temperatuur- verschillen tussen verse stoom en afgewerkte stoom worden daardoor veel kleiner en condensatie en naverdamping zullen afnemen.

Bijkomend voordeel is dat de krukas nu door twee ten opzichte van elkaar verschoven drijfstangen wordt aangedreven. Daaardoor wordt de loop van de machine veel rustiger dan bij een een-cilinder-machine. Ook kunnen vliegwiel en drijfstangen lichter worden uitgevoerd.Animatie van een tripleAnimatie van een triple

 

 

Zoals te zien zijn de temperatuursverschillen toch nog groot. Dit kan verder verbeterd worden door nog meer cilinders toe te passen. Drie is een veel voorkomend aantal, de zgn. "triple", een machine die veel in schepen is toegepast. Bijgaande animatie laat het temperatuurverloop in een triple zien.

Zelfs vier-cilindermachines zijn gebouwd.

Het condensatieprobleem is op een totaal andere manier opgelost in de gelijkstroom-stoommachine waar de stoom niet in de cilinder heen en weer gaat maar in één richting door de cilinder stroomt. Daardoor blijft de kop op temperatuur en zal de verse stoom dus niet condenseren. Bij een gelijkstroom-stoommachine is één cilinder daarom voldoende.

De zuigerstoommachine

 Na de Cornish-balansstoommachines werden alleen nog maar zuigerstoommachines gebouwd. Deze zijn niet alleen geschikt voor het pompen van water, maar ook voor het aandrijven van complete fabrieken. Deze machines werden vaak uitgevoerd als compound of als triple. 

 

Verticale machineVerticale machineAan het begin van de 19e eeuw werden deze machines geïntroduceerd, ze werkten zonder balans, de stoomzuiger werd rechtstreeks aangesloten op het vliegwiel door middel van een krukas. Dit type machine werd mede ontwikkeld vanuit de basis die Trevithick had gelegd bij de stoomlocomotieven.

zuigerstoommachinezuigerstoommachine

 

 

 

 

 

Er zijn vele varianten van dit type machine bedacht, horizontale, verticale, enkelwerkend, dubbelwerkend, gelijkstroom, wisselstroom, eencilinder, twee- drie- en zelfs viercilinder-machines, met een enkel vliegwiel of dubbel vliegwiel en in vele opstellingen.

 animatie bakschuifanimatie bakschuif

 

 

 

 

Doordat de ketels steeds beter werden en de machines steeds kleiner werd de stoommachine steeds beter inzetbaar.
Bij deze machines wordt verse stoom in de cilinder toegelaten via de stoomschuif boven op de cilinder. Deze schuif wordt door het vliegwiel heen en weer bewogen en opent om en om de toegangspoorten voor de verse stoom en de afvoerpoorten voor de afgewerkte stoom.

 


De triple in KemptonDe triple in KemptonEen van de grootste stoommachine voor het verpompen van water vinden we in Kempton, een reusachtige triple die tot de dag van vandaag nog af en toe werkt. Op de site van Kempton vindt u een animatie van deze machine.


De machines van de Tuut behoren tot de allerlaatste ontwikkeling op het gebied van de zuiger-stoommachines. Deze gelijkstroommachines benutten de stoomenergie maximaal en hebben slechts weinig bewegende onderdelen.

Alhoewel men zou denken dat de zuigerstoommachine volledig verouderd is ontstaat er op dit moment een geheel nieuw type zuigerstoommachine, de zgn. green-engine. Met behulp van ultramoderne materialen worden zeer snel lopende machines gebouwd waarbij de krukas vervangen is door hoog-elastische kunststoffen. 

De volgende generatie stoommachines is de turbine. Maar in de gemalen is de zuigerstoommachine vervangen door de dieselmotor of de electrische motor.

Het bijzondere gas met de naam "Stoom"Aeolopile van HeronAeolopile van Heron

Rond het begin van de jaartelling leefde in Alexandrië een wetenschapper genaamd Hero of Heron.

Deze Hero realiseerde zich als waarschijnlijk de eerste mens, dat er zoiets was als gas en dat gas onder druk gebracht kon worden. Hij ontwierp een apparaat, de zgn. Aeolopile, waarin water verhit werd. De gevormde stoom ontsnapte dan via een aantal pijpjes waardoor een draaiende beweging ontstond. Doordat de techniek voor metaalbewerking in zijn tijd nog niet voldoende ontwikkeld was is het bij een idee gebleven. Pas in de 17e eeuw is men voor het eerst in staat geweest zijn ontwerp te verwezenlijken, en zie, het werkte! Tot de dag van vandaag worden er vele varianten van zijn ontwerp nagebouwd, alle berustend op het zelfde principe maar in velerlei vormen. Zoek Google  er maar eens op na.

In 1643 ging de ontdekking van stoom verder doordat Torricelli in Italie ontdekte dat de atmosfeer gewicht had. Dat kon alleen als de atmosfeer uit gas bestond en als dat gas gewicht had. Op dit principe is de allereerste generatie stoommachines gebaseerd. De naam van Torricelli leeft voort in de zgn. buis van Torricelli, een primitieve barometer.

maagdenburger halve bollenmaagdenburger halve bollenDe kracht van deze atmosferische druk werd in 1650 nog eens opnieuw bevestigd door de proef met de Maagdenburger halve bollen. Twee halve bollen werden tegen elkaar gedrukt en de ruimte binnenin werd daarna vacuüm gepompt. Vier paarden bleken daarna niet in staat deze bollen weer uit elkaar te trekken, de atmosferische druk hield de bollen bij elkaar. Otto von Guericke, de uitvoerder van dit experiment, heeft met dit resultaat eeuwige roem vergaard.

De Nederlander Christiaan Huygens en de Fransman Denis Papin komen de eer toe als eerste een experiment te hebben gedaan met condensatie van stoom onder een zuiger in een cilinder. Helaas is er van hun proeven niet meer over dan aantal vage dokumenten, tot werkelijke uitvoering is het nooit gekomen. Maar hun resultaten zijn zeker de basis geweest voor de ontwikkeling van de eerste echte stoommachine door Newcomen in Engeland.

Weet U hoeveel Italianen ooit belangrijk zijn geweest?

O, uw ogen zullen tranen als u de namen leest

Toon-, bouw-, dichtkunst, schilderwerken.. veel talent en dadendrang

Maar we willen ons beperken, anders wordt dit veel te lang

 

Slechts de rijmenden op -elli worden door ons opgevoerd

Als bijvoorbeeld Locatelli, wiens muziek ons zo heeft ontroerd

Dus de componist Puccini komt niet op ons lijstje voor

Evenmin als Mussolini (toch wel tamelijk notoir)

 

Neen, wij denken aan Agnelli, baas van de Fiatfabriek

En de banden van Pirelli, zeer reçu bij het publiek

Ook de filmmagnaat Minnelli komt in deze tekst te staan

En dan had men nog Gene Kelly, maar dat was geen Italiaan

 

Hier geen architect Bramante, ook al was hij zeer bekwaam

Noch de veelgeprezen Dante (jammer ja - verkeerde naam)

Iemand roept: 'Maria Corelli!' Fout. die kwam uit Engeland

Daarentegen - Machiavelli past heel goed in dit verband

 

En de buis van Torricelli, staande in een bak met kwik

Was bepaald geen casus belli, en geen bron van angst of schrik

Als de luchtdruk varieerde, ging het kwik omhoog of -laag

Wat men algemeen waardeerde, want die kennis had men graag

 

Thans bestaat de barometer die voor ons de luchtdruk meet

Minder primitief, dus beter. En er zijn er bij de vleet

Zeker, in dit ondermaanse lukt iets niet meteen perfect

Maar de Torricelliaanse buis verdient toch ons respect

 

 

 

(Drs. P. & Marjolein Kool)

 

De geschiedenis van de stoommachine

In de volgende pagina's vindt u een gedetailleerde beschrijving van de diverse stoommachines. Op deze pagina vindt u een tijdlijn waarin de diverse types nog eens genoemd worden.

 

Voorlopers van de stoommachine

  • Het jaar 0 - uitvinding van de Aeolopile door Heron van Alexandrië
  • 1120 - In Reims zou een orgel bestaan die werd aangeblazen door stoom
  • Aan het eind van de 15e eeuw beschrijft Leonardo da Vinci de zgn Architonnerre, een kanon op stoomdruk
  • 1643 - Torricelli ontdekt dat gassen onder druk kunnen staan
  • 1650 - Proef met Maagdenburger halve bollen
  • 1663 - Edward Somerset, tweede markies van Worcester schrijft een wonderlijk boek vol uitvindingen, waarvan meerdere met stoom aangedreven
  • 1665 - Edward Somerset bouwt een stoompomp die grote overeenkomsten vertoond met de latere pomp van Savery
  • 1692 - Denis Papin beschrijft een zuigerstoommachine. Enige bewijzen van de bouw van zo'n machine zijn onbekend
  • 1698 - Savery presenteert zijn stoompomp

 Balans stoommachines

  • 1712 - Newcomen presenteert de eerste echte zuigerstoommachine
  • 1768 - Watt verbetert de Newcomen-machine. Watt wordt vaak gezien als uitvinder van de stoommachine, maar dat is dus onjuist
  • 1769 - Start van de samenwerking van uitvinder Watt met de industrieel Boulton
  • 1775 - Eerste dubbelwerkende machine, ontwikkeld door Watt
  • 1777 - Eerste Newcomen-machine in Nederland, in een polder bij Rotterdam
  • 1781 - Hornblower ontwikkelt een compound machine. Hij schendt daarmee het patent van Watt en belandt in de gevangenis
  • 1785 - Watt ontwikkelt de eerste roterende balansmachine
  • 1800 - Het patent van Watt verloopt wat leidt tot een stortvloed aan nieuwe machines
  • 1801 - Eerste stoommachine volgens het Cornish-principe
  • 1849 - Bouw van het Cruquius-gemaal met de grootste Cornish-machine ter wereld

 Zuigerstoommachines

  • 1802 - Trevithick ontwikkelt zijn stoomlocomotief, eerste toepassing van stoom onder druk en eerste balans-loze stoommachine
  • 1814 - Stephenson bouwt zijn eerste stoomlocomotief. Hij wordt ten onrechte vaak beschouwd als de uitvinder van de locomotief
  • In de 19e eeuw wordt de zuigerstoommachine door ontelbare ingenieurs steeds verder ontwikkeld
  • 1909 - Uitvinding van de gelijkstroom-stoommachine door ingenieur Stumpf. Twee machines van dit type staan op De Tuut

 Turbines

  • 1884 - Sir Charles Parsons ontwikkelt de eerste stoomturbine
  • 1889 - Westinghouse perfectioneert de turbine tot een vorm die ook vandaag de dag nog gebruikt wordt

 


Hier vindt u een apart hoofdstuk over het compound-systeem. Al vanaf de eerste machines werd van dit principe gebruik gemaakt.

Een verhandeling over stoom vindt u hier.

TPL_tuut2_ADDITIONAL_INFORMATION