De energiecrisis van de laatste decennia is niet de eerste. Al in de 18e eeuw ontstond er in de ontwikkelde landen in bepaalde takken van nijverheid - vooral de mijnbouw - een tekort aan energie.
De zich omstreeks 1700 voordoende vraag naar grotere vermogens in de mijnbouw was het logische gevolg van de ontwikkeling van deze nijverheid zelve. Al in de l3e eeuw was men - lokaal - steenkool gaan gebruiken als brandstof, naast hout. Omstreeks 1450 was de aan de oppervlakte voorkomende steenkool uitgeput en moest men overgaan op ondergrondse winning.
Tot omstreeks 1600 bleef hout een belangrijke brandstof naast de in toenemende mate gebruikte steenkool. Vanaf I600 veranderde dit. Omdat het verbruik aan hout al een hele tijd groter was dan de natuurlijke aanwas, ontstond een schaarste, met stijgende prijzen. In bepaalde gevallen kwam er een beschermende wetgeving, die het gebruik van hout als brandstof simpelweg verbood. Bovendien werd het gebruik van steenkool bevorderd door toenemende kennis van haar verbrandingstechniek, maar vooral ook door verbeteringen in de transportmogelijkheden: tramways - met paardentractie - (de voorgangers van het spoor) en kanalen. Daarbij komt de groeiende vraag naar brandstof van de uitdijende bevolking en haar stijgende productie.
Zo werd steenkool de belangrijke brandstof. Met het stijgend gebruik daarvan namen de winningsproblemen toe. Men moest de steenkoollagen steeds dieper volgen. Hierbij kreeg men in toenemende mate last van het grondwater. Voor het drooghouden van de mijnen gebruikte men toentertijd eenvoudige pompen, door mensen, paarden of waterkracht aangedreven.
Toen de steenkoolmijnen dieper moesten worden manifasteerde zich nog een ander belangrijk probleem: de voorraden steenkool boven de grondwaterspiegel gelegen raakten uitgeput. Onder de grondwaterspiegel kon men echt niet werken. In eerste instantie zocht men hier de oplossing in het drijven van draineringsgangen. Deze oplossing was beperkt, duur en tijdrovend.
Een verbetering van de pompmogelijkheden was de enige oplossing. Mens en dier schoten tekort; windkracht was te wisselvallig. In principe was het wel mogelijk om met waterraderen de gevraagde vermogens op te wekken, maar in verband met het grote watergebruik was men in zo'n geval gedwongen het rad in een grote waterloop op te stellen - en die was lang niet altijd aanwezig op de plaats waar men het vermogen wilde gebruiken. Natuurlijk had men transmissie-systemen, in de vorm van stangenkunsten, maar deze waren uiterst ondoelmatig, het verlies bedroeg soms wel 99%. Het transmissieprobleem leek schier onoplosbaar.
Drie in serie geschakelde mijnpompen in een schacht. De pompen worden aangedreven door een waterrad bij de schachtopening, zestiende eeuw.
Men zocht daarom naarstig naar mogelijkheden om drijfkracht daar op te wekken waar men haar nodig had. De oplossing werd gevonden in het gebruik van stoom.
Wanneer men water aan de kook brengt, gaat het geleidelijk over in stoom. Het volume hiervan is veel groter dan dat van de hoeveelheid water waaruit de stoom voortkomt. Condenseert men de stoom, dan neemt het volume weer sterk af. Gebeurt dit in een cilinder, onder een zuiger (die vrij kan bewegen in de cilinder) dan zal de zuiger onder invloed van de volume-afname gaan bewegen. De buitenlucht drukt als het ware de zuiger naar binnen. Met deze beweging kan arbeid worden verricht.
In feite vormt dit proces een omzettingsmechanisme. In de brandstof die wordt gebruikt om stoom op te wekken, is energie in gebonden vorm aanwezig. Bij verbranding komt deze vrij als warmte, die men echter - toen - nog niet kon gebruiken om een pomp aan te drijven. Door water/stoom als medium toe te passen lukte dit wel. Het nadeel van zo'n omzetting is dat er nogal wat energie verloren gaat.
Stoompompen hadden ten opzichte van waterraderen als voordeel, dat de installatie direct naast de mijnschacht kon worden opgesteld. De nieuwe krachtbron kon verder voorheen ongekende hoeveelheden water verpompen - en continu in bedrijf blijven. Vooral dit laatste is van belang wanneer men onder de grondwaterspiegel werkt. Stoppen van de pomp leidt onverbiddelijk tot onderlopen van (delen van) de mijn.
Papin paste in 1690 het beschreven principe voor de stoommachine als eerste toe, maar hij zag geen kans om het probleem van de afdichting van de bewegende zuiger in de cilinder bevredigend op te lossen. Savery bedacht een slimme constructie, welke in het geheel geen zuiger nodig had. Hij patenteerde deze in 1698. In zijn pomp was een gedeeltelijk met water gevuld vat via een kraan verbonden met een stoomketel. Men opende de kraan en liet stoom boven het water stromen. Na sluiten van de kraan werd water in de stoom geïnjecteerd, die daardoor condenseerde. Door deze condensatie werd in het vat een [partieel} vacuüm opgewekt. Zo was het mogelijk water op te zuigen in het vat. Wanneer daarna weer stoom werd toegelaten boven de nu gestegen waterspiegel, werd er water uit het vat geperst. Twee kleppen zorgden ervoor, dat de zuig- en persbuis op de juiste momenten in verbinding werden gesteld met het pompvat.
Titelpagina van de publicatie waarin Savery zijn uitvinding beschrijft: "Een machine voor het opvoeren van water door middel van vuur", 1702.
Technisch gezien was Savery's oplossing bruikbaar, maar het rendement, dat wil zeggen, het aantal eenheden geleverde arbeid per eenheid steenkool was zeer laag. Bij een steenkoolmijn is dit misschien geen onoverkomelijk probleem. Ertsmijnen kampten echter ook met grondwateroverlast en bij een niet in de buurt van een steenkoolmijn liggende ertsmijn was Savery's systeem niet echt bruikbaar. Bovendien kon het water maar ongeveer 15 meter omhoog gevoerd worden.
Thomas Newcomen construeerde een bruikbaarder pomp: een atmosferische machine. De eerste werd in 1712 opgericht. Newcomen bleef de al vanouds bekende mijnpompen gebruiken. Zijn machine verving enkel het oorspronkelijke waterrad. Hij plaatste een cilinder boven op de stoomketel. In de cilinder kan een zuiger vrij op en neer bewegen. Wanneer men stoom uit de ketel onder de zuiger laat stromen, beweegt deze naar boven. Men sluit de kraan tussen de ketel en de cilinder en spuit koud water op de zuiger. De stoom onder de zuiger condenseert. De luchtdruk boven de zuiger duwt deze nu naar beneden in de cilinder.
De atmosferische stoompomp van Newcomen, die in 1712 bij Dudley Castle, Staffordshire, Engeland werd opgericht.
De op-en-neer gaande beweging van de zuiger kon worden gebruikt voor het bedienen van de pompstangen in de mijnschacht. Hiertoe waren de zuiger en de pompstangen elk door kettingen verbonden met een balansarm. Bij elke slag van de zuiger schommelde deze rond een punt in het midden.
Ook voor deze constructie was het steenkoolverbruik nog zeer hoog, naar moderne maatstaven gemeten, maar het bleek mogelijk de investering rendabel te maken, zelfs bij niet in steenkoolgebieden liggende ertsmijnen. Dit was voornamelijk een gevolg van de grote, voordien onbereikbare, voorraden erts of steenkool, die nu voor winning ter beschikking kwamen.
Een atmosferische stoommachine heeft twee technische nadelen. De kracht op de zuiger (en daarmee het beschikbare vermogen) wordt bepaald door het drukverschil over de zuiger. Boven de zuiger heerst de buitenluchtdruk, 1 bar; aan de onderzijde het vacuüm, dat ontstaat bij het condenseren van de stoom, die men onder de zuiger toeliet. Grotere drukverschillen zouden mogelijk zijn, wanneer men aan de bovenzijde van de zuiger in plaats van lucht stoom met een druk hoger dan 1 bar zou toelaten, terwijl aan de onderzijde het vacuüm heerst. Hierdoor kan met dezelfde hoeveelheid stoom meer vermogen worden opgewekt.
Een tweede nadeel van een atmosferische machine is, dat de cilinder bij elke slag afgekoeld moet worden om het condenseren van de stoom onder de zuiger mogelijk te maken. Wanneer men voor de volgende slag weer stoom toelaat, moet de cilinder weer op temperatuur komen om een volledige vulling mogelijk te maken. Dit kost veel extra brandstof.
De stoompomp werd sterk verbeterd door James Watt, in de jaren 1760. Hij zag kans, het steenkoolverbruik tot een derde terug te brengen. Deze bezuiniging werd bereikt door het toepassen van een afzonderlijke condensor. Wanneer de stoom niet in de cilinder zelf wordt gecondenseerd (zoals bij Newcomen's machine), maar in een apart vat, de condensor, kan de cilinder op temperatuur blijven.
Het stoomverbruik wordt hierdoor flink gedrukt. Ook kan nu de cilinder geïsoleerd worden om het energieverlies nog verder te verminderen. Daarnaast introduceerde Watt het expanderen van stoom. Hij vulde de cilinder niet voor 100% met verse stoom. Na ongeveer 3O-4O% van de slag werd de stoomtoevoer al afgesloten. De stoom die zich dan in de cilinder bevindt zet uit tijdens de rest van de slag. Natuurlijk daalde daarbij de druk, waardoor de door de machine te verrichten arbeid kleiner wordt. Maar de op deze wijze te realiseren stoom- en dus brandstofbesparing was zeer aantrekkelijk.
De stoompompen, welke inmiddels in de mijnbouw bewezen hadden dat ze daar goed voldeden, hadden alle een simpele op-en-neer gaande beweging. Ze waren daarom niet geschikt voor het gebruik in een fabriek.
In de jaren 1780 verbeterde Watt zijn stoompomp aanzienlijk. Door deze verbeteringen werd stoom voor het eerst OOK bruikbaar voor het aandrijven van fabrieken. En daar was, met de opkomst van de gemechaniseerde textielindustrie in Engeland, grote behoefte aan.
Watts belangrijkste verbeteringen hielden in:
Een roterende, dubbelwerkende balansmachine van Watt, nog met zon- en planeetwiel, en met regulateur (tussen 1787 en 1794).
Een roterende, dubbelwerkende balansmachine van Watt met ketel. De machine heeft een kruk-drijfstang mechanische (1789).
De belangrijkste ontwikkelingstendenzen uit de periode 1800 tot 1850 zijn de volgende:
Wanneer stoom door verdere verhitting in de ketel onder hogere druk wordt gebracht, kan hij in de machine meer arbeid leveren. Het bleek echter een groot probleem stoomketels voor hogere drukken te maken. Rond 1803 experimenteerde Trevithick met hoge druk (tot 4 bar). De ketels die hij bouwde waren klein en licht en zeer geschikt voor locomotieven .... precies waarnaar hij zocht. In de jaren 1820 bouwde Perkins ketels voor 12 bar en de bijbehorende machines. Twintig jaar later slaagde Alban erin betrouwbare en bruikbare (waterpijp) ketels en machines voor 20 tot 140 bar te maken.
De hoge druk stoommachine van Alban, met oscillerende verticale cylinder, 1840.
De hogere stoomdruk vormde, zoals gezegd, in eerste instantie voor de ketelconstructie een probleem. Later stond vooral het probleem van de moeilijke afdichting en de hoge werktemperatuur centraal. Met de hier besproken zuigermachines bleef het altijd onmogelijk werkelijk hoge-druk stoom te gebruiken - dat bleef voorbehouden aan de turbines.
Bij de oorspronkelijk lage stoomdrukken was expansie niet zo belangrijk geweest. Hoge-druk stoom maakte het echter mogelijk het al door Watt geopperde idee van expansie van de stoom praktisch te gaan toepassen. In de mijnen in Cornwall was men, wegens schaarste aan steenkool in die streek, zeer geïnteresseerd in het verfijnen van deze techniek. Men kwam hier tot de zogenaamde Cornish cycle, met vullingen van slechts 20%.
Een balansstoommachine, werkend volgens de Cornish cycle, met gietijzeren balans. De machine bedient houten pompstangen in de schacht ter rechterzijde. Gebouwd in 1870.
Deze trend werd na 1840 geleidelijk weer verlaten: men stelde hogere eisen aan het op te wekken vermogen - het gebruik van sterkere constructiematerialen stond dit ook toe - en dat kon gerealiseerd worden door met wat minder expansie genoegen te nemen.
Wanneer men stoom expandeert in de cilinder, koelt deze bij elke slag opnieuw af. Wanneer men zeer sterk expandeert (zoals dat gebeurde in de Cornish cycle) vergroot dit het relatieve stoomverbruik. Het is dan beter, de expansie opvolgend in twee, drie of zelfs vier cilinders te doen plaatsvinden. Dit noemt men compounding.
De stijging van het relatieve stoomverbruik is het gevolg van begincondensatie van de intredende stoom; maar ook van naverdamping aan het einde van de slag: de cilinder is dan (gemiddeld) warmer dan de stoom. Naverdamping verhoogt de tegendruk en verlaagt het vermogen van de machine. Het totale rendement van een compound machine is hoger.
Tussen omstreeks 1790 en 1820 was Arthur Woolf - een ingenieur uit Cornwall - de grote pionier op dit gebied. Zijn werk werd elders voortgezet. Ook in de scheepsmachinebouw speelde compounding een belangrijke rol. Tussen 1825 en 1835 bouwde Roentgen, in Rotterdam, verschillende geavanceerde compound scheepsmachines. Hier was doorslaggevend dat ze door hun kleinere en lichtere zuigers sneller konden lopen. Dit was belangrijk voor de invoering van de schroef-voortstuwing. De keteldrukken waren echter in die tijd, om praktische (veiligheids) redenen, niet erg hoog. In ieder geval niet hoog genoeg om compounding voor 1850 een werkelijk belangrijke techniek te maken.
De hoge druk en lage druk cylinders (links, respectievelijk rechts) van Woolfs compound balansmachine, 1820.
De eerste stoommachines werkten alle via een balans, die aan de ene zijde gekoppeld was aan de zuigerstang en aan de andere zijde met de kruk op de hoofdas. De overgang op balansloze (direct gekoppelde) horizontale of verticale machines, leidde tot een eenvoudiger constructie. Zo konden stoommachines sneller lopen. Zowel bij de scheeps- als bij de landmachines werd rond 1850 nog overwegend een balans toegepast, met andere woorden, de zuiger en de kruk waren indirect gekoppeld.
Er werd wel geëxperimenteerd met directe koppeling. Men ging dan uit van verticale cilinders, net als bij de balansmachines. Een speciaal (stangen) mechanisme zette de op-en-neer gaande beweging om in een roterende. Een andere oplossing was om de cilinder oscillerend op te stellen. De zuigerstang werd daarbij direct als drijfstang aan de kruk gekoppeld.
Cartwrights mechanisme voor een balansloze stoommachine met verticale cylinder, circa 1810.
Murdocks balansloze stoommachine met oscillerende verticale cylinder, circa 1810.
Omstreeks 1850 waren er door de genoemde technische evoluties een drietal standaard-typen van stoommachines uitgekristalliseerd: voor stationair fabrieksbedrijf; voor scheepsvoortstuwing; en voor locomotieven.
Een gravure uit een technisch handboek, omstreeks 1850. De drie meest voorkomende soorten stoommachines in deze periode: de stationaire machine, de scheepsmachine en de locomotief.
Na 1850 werd de stoommachine geperfectioneerd tot een in de fabriek universeel inzetbare, grote, betrouwbare krachtbron met een - naar omstandigheden - maximaal rendement.
Men ziet in deze periode een duidelijke tendens naar de horizontale machine - althans, in het fabrieksbedrijf. In de scheepsmachinebouw komt juist de verticale meercilinder machine tot ontwikkeling.
Compounding werd na 1850 - tot circa 1910 - bijna universeel toegepast op de grotere machines, vanaf ongeveer 500 pk, zowel voor horizontale machines als voor verticale. Voor vermogens tot 500 pk werd meestal maar één cilinder gebruikt, natuurlijk wel met expansie.
Verticale triple expansie scheepsmachine, met (van links naar rechts) lage druk, midden druk en hoge druk cylinders. De machine is voorzien van een schaar-omkeermechanisme en een oppervlakte-condensor, 1900.
Voor de middenklasse machines, tot zo'n 1000 pk, werd de stoom in twee opvolgende cilinders geëxpandeerd. Deze konden in lijn (tandem-opstelling) of naast elkaar worden gebouwd. Voor de grote installaties gebruikte men een drietal cilinders na elkaar. Incidenteel kwamen deze in tandem-opstelling voor (de bouwlengte was dan enorm), maar meestal trof men kruis-compounds aan. In dit geval werden de twee eerste cilinders (HD en MD) in tandem naast de derde (LD) gebouwd. Voor werkelijk grote machines kwamen wel vier cilinders voor, waarin in drie of vier stappen werd geëxpandeerd.
Het ontwerp van de inlaat- en uitlaatkleppen voor de stoom maakte - vooral als gevolg van het streven naar de grootst mogelijke economie en maximale draaisnelheid van de machines - een ware revolutie door. Steeds nieuwe constructies verhoogden de toelaatbare snelheid van de machine, en verbeterden het rendement.
Van simpele vlinderkleppen ging het via enkelvoudige, later ook samengestelde schuiven, via roterende kleppen en zuigerventielen tot zeer precieze doch extreem complexe hydraulische kleppen. Een gespecialiseerd onderwerp, waaraan ik in dit kader geen verdere aandacht kan schenken.
Met de ontwikkeling van een meer verfijnde regeltechniek ging men er overigens steeds vaker toe over met behulp van verbeterde regulateurs de expansie van de stoom automatisch af te stemmen op het gevraagde vermogen. Op deze wijze werd een aan de omstandigheden aangepast minimaal stoomverbruik gerealiseerd, terwijl het toerental beter constant gehouden kon worden.
Eenvoudige horizontale ééncylinder stoommachine, met dubbele schuif voor de verdeling van stoom en automatische expansie-regeling door de regulateur, 1900.
Omstreeks 1900 werd uitgebreid geëxperimenteerd met oververhitte stoom voor de machines. Deze heeft als voordeel dat er minder condensatieverlies in de stoomleidingen naar de machine optreedt; terwijl er meer vermogen kan worden afgegeven. Het grote voordeel, door Schmidt gedemonstreerd, was wel dat het totale relatieve brandstofgebruik van een tweecilinder compound machine op oververhitte stoom lager bleek te zijn dan dat van een - veel ingewikkelder - driecilinder triple expansie machine, die op verzadigde stoom werkte.
In 1908 kreeg Johann Stumpf patent op het gelijkstroom-systeem. Machines met dit systeem hadden ongeveer het zelfde rendement als compound-machines. Door het ontbreken van uitlaatkleppen waren ze constructief veel eenvoudiger. Dit kwam de bedrijfszekerheid ten goede en verlaagde de kostprijs. Veel machinebouwers - ook Nederlandse - namen dit type machine in hun catalogus op.
Bij een gelijkstroom-stoommachine heeft men in het midden van de cilinder een aantal uitstroompoorten aangebracht. Deze worden gedurende vrijwel de hele slag door de zuiger bedekt. Pas op het laatst worden ze vrijgegeven. Omdat de inlaat van de stoom nu altijd aan de uiteinden van de cilinder gebeurt en de uitlaat altijd in het midden, heeft men minder last van begincondensatie en naverdamping. Wel zijn er nogal wat technische problemen aan deze constructie verbonden. De cilinder is ruim tweemaal zo lang als gebruikelijk, en moet bovendien ietwat tonvormig uitgeboord worden. Deze praktische problemen stonden een vroegere toepassing in de weg.
p>Horizontale compound stoommachine met naast elkaar liggende hoge druk en lage druk cylinders (rechts, respectievelijk links) en Corliss roterende kleppen voor inlaat en uitlaat, 1900.Langsdoorsnede van de hoge druk en lage druk cylinders (links, respectievelijk rechts) van een horizontale tandem compound stoommachine met veerbelaste kleppen voor de inlaat en uitlaat, 1900.
Resultaten van proeven ter bepaling van het relatief stoomverbruik van drie soorten horizontale Sulzer stoommachines, gepubliceerd in 1892. Deze machines werden in licentie gebouwd door de "Nederlandsche Fabriek van Werktuigen en Spoorweg-Materieel" te Amsterdam.
In de ijzer- en staalindustrie nam de stoommachine een bijzonder belangrijke plaats in. Wegens het tekort aan hout, dat we eerder schetsten, dreigde een groot probleem te ontstaan in de ijzerproductie. Steenkool was niet zonder meer als brandstof te gebruiken, wegens kwaliteitsproblemen met het ijzer (teveel zwavel). Pas toen men stoommachines in de ijzerproductie inzette: lukte het om dergelijke problemen bevredigend op te lossen. Ook bij de verwerking van ijzer tot technische producten werd de stoommachine van groot belang.
Omgekeerd beïnvloedde de ijzerindustrie en vanaf 1855 vooral ook de staalnijverheid de machinebouw en -industrie. Steeds betere materialen, steeds verfijnder bewerkingsmethoden, voortdurend toenemende accuratesse in constructie en assemblage leidden tot voortdurende verbeteringen van zowel productie- als aandrijfmachines. Op analoge wijze groeide de technische kennis en de theoretische ingenieurswetenschap. Constructieleer en thermodynamica werden niet langer gebaseerd op inzicht, maar op rekenmethodes en proefnemingen. De technische ontwikkelingen in de constructie van stoommachines hebben geleid tot een aanzienlijke schaalvergroting.