De stoommachine

Men kan de stoommachine beschouwen als een van de grootste technische bijdragen aan de menselijke vooruitgang. In de twee eeuwen na de invoering ervan ontwikkelden handel en industrie zich sneller dan ooit tevoren.

De invloed van de stoomkracht

De stoommachine werd het eerste gebruikt in de mijnhouw. Vóór 1712 was het onmogelijk diepgelegen koollagen te exploiteren omdat deze onder water stonden. Toen ontwikkelde Thomas Newcomen (1663-1729) een stoommachine die kon worden gebruikt om een waterpomp aan te drijven. De machine was uiterst eenvoudig, maar verkwistte veel brandstof doordat de cilinder na elke slag moest worden gekoeld. Daarom werd de machine alleen in de mijnbouw gebruikt, waar volop brandstof aanwezig was. Bij de machine die in 1769 werd uitgevonden door James Watt (1736-1819), werd het verhitten en afkoelen in de warmtekringloop van elkaar gescheiden, waardoor de energieverliezen van de stoommachine van Newcomen beperkt werden. Dit betekende dat het brandstofverbruik met 2/3 werd verminderd. Watts machine kon daardoor ook worden gebruikt op plaatsen waar brandstof schaars en duur was. De machine van Watt werkte de ontwikkeling van staalfabrieken in de hand, waardoor gietijzer op grotere schaal beschikbaar kwam; dit luidde het begin in van een grote industriële ontwikkeling in Europa. In het midden van de 19e eeuw waren er al allerlei typen stoommachines in gebruik in fabrieken, vooral in textiel- en machinefabrieken.

De tweede grote invloed van de stoommachine was die op het vervoerswezen. De locomotief van Richard Trevithick (1771-1833) gaf de staat om de ontwikkeling van de spoorwegen, die vracht sneller en goedkoper konden vervoeren dan trekschuiten en pramen. Op zee begonnen de stoomschepen en zeilschepen geleidelijk te verdringen. De eerstvolgende grote doorbraak in het gebruik van stoom was de uitvinding van de stoomturbine door Charles Parsons (1854-19310 in 1884. Een voordeel hiervan was dat de stoomkracht direct in een draaiende beweging werd omgezet. Dit was een vooruitgang ten opzichte van de heen en weer gaande beweging van zuigers, die door een ingewikkelde stangenstelsel in een draaiende beweging moest worden omgezet. Binnen twintig jaar na de uitvinding ervan hadden oceaanschepen Parsons-turbines van 70.000 pk, die snelheden tot ca. 45 km/uur mogelijk maakten.

Werking van de stoommachine

Een stoommachine zet de energie van de onder hoge druk staande waterdamp om in arbeid. Stoom wordt verkregen door het verhitten van water tot het van vloeibare vorm in damp overgaat. Als men dit proces in een gesloten vat (ketel) laat plaatsvinden, kan men de temperatuur en daardoor de druk van de stoom verder verhogen. In een conventionele stoommachine brengt de stoomdruk een zuiger in beweging, die via stangen, krukassen en excentrieken een as doet draaien. Bij een turbine spuit de stoom uit straalpijpen op de schroepen van een turbinerad, waardoor dit gaat draaien. Het proces is ook omkeerbaar: als stoom (in een condensor) wordt afgekoeld, ontstaat weer water. Als dit in een gesloten vat gebeurt, doet de volumevermindering een onderdruk ontstaan; zo kan men ook een kracht uitoefenen. Deze principes waren al een eeuw bekend toen Thomas Savery (1650-1715) deze in 1696 combineerde in een machine voor het pompen van water.

Beter rendement

Het condenseren van stoom in de loop van het arbeidsproces betekent verlies van arbeidsvermogen. In stoommachines ging het erom stoom tot een zo hoog mogelijke temperatuur te verhitten, condensatie tijden de kringloop zo gering mogelijk te houden en de stoom te laten expanderen tot hij tot bij de laagst mogelijke temperatuur zijn energie had afgegeven. Om zoveel mogelijk energie aan de stoom toe te voegen, voerde men deze op zijn weg naar de zuiger of turbine door pijpen in de hete rookgassen van de ketel, een zgn. overhitter. In een moderne krachtcentrale bereikt de stoom temperaturen tot 600°C. Een nog beter rendement kan men verkrijgen door de stoom onderweg nog een te verwarmen in de pijpen die door de hete rookgassen lopen. Op deze wijze wordt de warmte van de brandstof driemaal gebruikt om energie in de stoom te brengen. Uitlaatstoom heeft de eigenschap de cilinderwanden te koelen; daarom wordt de cilinder omgeven door een dubbele wand, een stoommantel, met hete stoom erin.

Er zijn nog meer methoden van warmtebesparing. Het voedingswater moet in de ketel tot het kookpunt worden verhit doordat het tot stoom kan verdampen. Als men nu het voedingswater voorverwarmt kan met de energie economischer gebruiken. Hiervoor bestaan twee manieren. Men kan het voedingswater via pijpen door de hete rookgassen van de ketel voeren, waardoor het water tot 93°C wordt voorverwarmt. In de moderne krachtcentrale, met een verdampingstemperatuur van 370°C, is een veel sterkere voorverwarming nodig. Het voedingswater wordt dan verwarmd door stoom die op verschillende punten in de turbine wordt afgetapt, nadat reeds energie aan de hoofdturbine is afgegeven. Dit aftapsysteem werkt zuiniger dan bij voorbeeld direct voorverwarming met hete stoom uit de ketel.