Om getuige te zijn van de ongelooflijke kracht van stoom hoef je niet verder te kijken dan de uitbarsting van geisers of de explosie van gassen die optreedt wanneer lava de oceaan bereikt. De vroege mens was getuige van dergelijke bezienswaardigheden en heeft lang geprobeerd de brute kracht van stoom te beheersen door middel van technologie variërend van de eenvoudige theeketel tot de stoomlocomotief naar de moderne kerncentrale.

Ongeacht het technologische niveau komt stoomkracht neer op één basisprincipe:wanneer water opwarmt tot het punt van verdamping, neemt het verdampte water meer ruimte in beslag dan het vloeibare water. Dit komt omdat vaste stoffen, vloeistoffen en gassen elk bij elkaar worden gehouden door verschillende niveaus van moleculaire krachten. In vaste stoffen zijn de moleculen compact. In vloeistoffen liggen ze verder uit elkaar. En bij gassen als stoom liggen ze nog verder uit elkaar.

Als je een blik soep in vuur verwarmt, zal de vloeibare inhoud verdampen en uiteindelijk uitzetten tot het punt waarop het blik zal ontploffen en de druk binnenin vrijkomt. Wanneer deze druk wordt gebruikt om een ​​bepaalde taak uit te voeren – zoals het laten draaien van een turbine of het laten fluiten van een ketel – maakt stoomtechnologie gebruik van stoomkracht. De methoden voor het verwarmen, bevatten, kanaliseren en gebruiken van stoom zijn veranderd, maar het basisprincipe blijft hetzelfde.

Het leren benutten van de kracht van stoom is een lang proces geweest. De Griekse wiskundige Hero theoretiseerde het gebruik van stoomtechnologie in de tweede helft van de eerste eeuw. Het zou echter ruim 1600 jaar duren voordat de eerste praktische stoommachine tot stand kwam, die de weg vrijmaakte voor de uitvinding van de stoomlocomotief. Deze locomotieven, aangedreven door stoommachines, maakten gebruik van de energie van stoom om treinen over grote afstanden voort te stuwen.

1. Vroege Steam-geschiedenis
2. De eerste stoommachines
3. Watt en de stoommachine
4. De Cornish-engine
5. De stoomlocomotief
6. Vroegste locomotieven
7. Onderdelen en werking van de stoomlocomotief
8. Stoomlocomotieven en de Tweede Wereldoorlog
9. Technologische vooruitgang

Vroege Steam-geschiedenis

De vroegst bekende gegevens over stoomtechnologie dateren uit Alexandrië in het jaar 75 na Christus. Wiskundige Hero, ook bekend als 'Heros' of 'Heron', schreef drie boeken over mechanica en de eigenschappen van lucht en presenteerde plannen voor een eenvoudige stoommachine. P>

Hero's ontwerp vereiste een holle bol met aan weerszijden gebogen buizen die eruit kwamen. Dit mechanisme werd vervolgens gevuld met water en boven een vuur gemonteerd. Omdat de hitte ervoor zorgde dat het water in de bol verdampte, werd stoom gedwongen door de twee buizen te ontsnappen. Deze door stoom aangedreven voortstuwing zorgde ervoor dat de bol ronddraaide – als een wiel dat door flessenraketten wordt aangedreven.

Hero's methode om stoomkracht in beweging om te zetten vormde de basis voor de latere stoomtechnologie. Er was echter een groot aantal wetenschappelijke vooruitgang nodig voordat de concepten achter zijn stoomturbine in de praktijk konden worden gebracht. Hoewel mensen als Leonardo da Vinci met het idee van stoomkracht speelden (de uitvinder suggereerde in 1495 dat stoomkracht een projectiel kon afvuren), hielpen vooruitgang in de techniek en nauwkeurigere metingen van temperatuur en tijd de weg vrijmaken voor het komende stoomtijdperk.

In 1606 legde Giovanni Battista della Porta uit Napels zijn theorieën vast over de rol van stoom bij het creëren van een vacuüm. Hij theoretiseerde dat als water dat in een gesloten container in stoom wordt omgezet, tot een verhoogde druk zou leiden, stoom die in een gesloten kamer tot water wordt gecondenseerd, tot een verlaagde druk zou leiden. Dit nieuwe begrip van stoom speelde een cruciale rol in toekomstige ontwikkelingen.

In 1679 slaagde de Franse wetenschapper en wiskundeprofessor Denis Papin erin de theorie van Della Porta in werkelijkheid om te zetten door middel van een verrassend binnenlands project:de 'vergister of motor voor het verzachten van botten'. De afgesloten kookpot was in wezen de eerste snelkookpan. Papin breidde dit apparaat uit door een glijdende zuiger toe te voegen aan de bovenkant van een gesloten cilinder vol water. Bij verhitting duwde de uitzettende stoom de zuiger omhoog. Terwijl de stoom afkoelde en weer vloeibaar werd, trok het resulterende vacuüm de zuiger weer naar beneden.

De eerste stoommachines

Aan het einde van de 17e eeuw werd Engeland geconfronteerd met een houtcrisis, omdat de scheepsbouw en brandhout bossen opslokten. De schepen waren nodig voor handel en defensie, maar steenkool was een geschikt alternatief voor brandhout. Het produceren van meer steenkool betekende echter dat er diepere kolenmijnen moesten worden gegraven, waardoor de kans groter werd dat er water in de mijnen sijpelde. Er was plotseling dringend behoefte aan nieuwe methoden om water uit mijnen te pompen.

In 1698 verkreeg Thomas Savery, een militair ingenieur, een patent voor een stoompomp en begon zijn "Miner's Friend" voor te leggen aan iedereen die maar wilde luisteren. Het apparaat bestond uit een kookkamer die stoom naar een tweede container leidde, waar een pijp met een terugslagklep in het water afdaalde dat moest worden verwijderd. Koud water werd over de stoomcontainer gegoten en terwijl de waterdamp binnenin afkoelde tot een vloeibare toestand, trok het resulterende vacuüm water van onderaf aan. Het opgezogen water kon niet langs de terugslagklep terugstromen en werd vervolgens via een andere leiding afgevoerd.

Helaas voor Savery was de stoompomp in de mijnbouw niet zo succesvol geweest als hij had gehoopt. Het grootste deel van zijn verkopen vond plaats aan particuliere landgoederen die overtollig water wilden afvoeren en het opnieuw wilden gebruiken voor huis- en tuinbehoeften. Omdat de verwarming en koeling van de stoomkamer handmatig moesten worden geregeld, was de motor enigszins onpraktisch. Bovendien kon de motor slechts water van een beperkte diepte opzuigen; voor een diepe mijn waren een reeks motoren nodig die op verschillende niveaus waren geïnstalleerd.

In 1712 creëerden de smid Thomas Newcomen en assistent John Calley, een glasblazer en loodgieter, echter een effectiever door stoom aangedreven pompsysteem. De Newcomen Engine combineerde Savery's scheiding van de ketel en de stoomcilinder met de door stoom aangedreven zuiger van Papin.

Terwijl Savery conventionele door paarden aangedreven pompen probeerde te vervangen door zijn motor, probeerde Newcomen een door stoom aangedreven pomp te gebruiken om het werk van paarden te doen. De motor van Newcomen was vergelijkbaar met die van Savery. Het omvatte een met stoom gevulde kamer die werd gekoeld door een snelle injectie van koud water om een ​​vacuüm-inducerende verandering in de atmosferische druk te creëren.

Deze keer trok de kracht van het vacuüm echter een zuiger naar beneden en trok aan een ketting die een pomp aan het andere uiteinde van een hangende balk activeerde. Toen het water in de zuigercilinder weer in stoom veranderde, duwde het de zuiger omhoog en een gewicht aan de andere kant van de balk reset de pomp.

Watt en de stoommachine

Hoewel de Newcomen Engine en Savery's "Miner's Friend" zeker gebruik maakten van stoomtechnologie, wordt de stoommachine over het algemeen toegeschreven aan het werk van één man:James Watt.

Watt werd opgeleid als instrumentmaker in Londen en vond uiteindelijk werk in de buurt van de Glasgow University in Schotland. Toen een van de Newcomen-motoren van de universiteit gerepareerd moest worden, raakte Watt diep verwikkeld in de werking van de stoomtechnologie. Watt onderkende al snel een fundamentele ontwerpfout:tijd, stoom en brandstof werden verspild doordat zowel verwarming als koeling in de zuigercilinder plaatsvonden.

Watt loste het probleem op door een aparte condensor te maken. Hij voegde een kamer toe die gescheiden was van de cilinder (die hij ook isoleerde), waar stoom zou worden gekoeld om het noodzakelijke vacuüm te creëren. Door deze scheiding kon de zuigercilinder op dezelfde temperatuur blijven als de binnenkomende stoom, zonder dat er energie werd verspild aan het verwarmen ervan en het water erin. Bovendien kon de afzonderlijke condensor op een veel lagere temperatuur worden gehouden en was er minder koeling nodig.

Na samen te werken met Matthew Boulton produceerde Watt een snellere, zuinigere motor met behulp van de afzonderlijke condensor. De poging van het tweetal om nieuwe toepassingen te vinden voor hun succesvolle motor leidde tot nog twee cruciale uitvindingen:de dubbelwerkende motor en de fly-ball-regelaar.

De flyball-regelaar creëerde een geautomatiseerde methode voor het openen en sluiten van stoomkleppen naar een zuiger. Het zonne- en planeetwiel waren bevestigd aan een door een wiel aangedreven as. Terwijl stoomkracht ervoor zorgde dat de staaf ronddraaide, draaiden de twee ballen vanaf de schacht naar buiten. Toen ze hun hoogste punt bereikten, lieten ze de stoomklep sluiten. Terwijl hun draaien langzamer ging, draaiden ze terug naar de staaf en zorgden ervoor dat de klep weer openging. Dit transformeerde de beweging in de stoommachine van heen en weer – heen en weer gaande beweging – in de cirkelvormige beweging die nodig is om een ​​wiel te laten werken.

De dubbelwerkende motor hielp de stoommachine efficiënter te maken door de kracht van voorheen stationaire stoom te benutten om zuigers naar beneden te duwen.

De Cornish-motor

De stoommachine van James Watt en andere innovaties vormden het toneel voor de industriële revolutie, te beginnen met de textielindustrie aan het einde van de 18e eeuw. Wol verwerkte men lange tijd met de hand en later met behulp van watermolens. Maar door een aantal nieuwe uitvindingen ontstonden al snel fabrieken die door stoom werden aangedreven.

De Boulton en Watt-motor was ongelooflijk succesvol, maar andere uitvinders waren nog steeds van plan de technologie te verbeteren. Boulton en Watt hadden echter het monopolie op de stoommachinebranche, omdat hun motoren door strikte patenten werden beschermd.

Patentrechten kosten mijnbouwbedrijven veel geld. Uitvinder Richard Trevithick merkte het lot van de mijnen in zijn geboorteland Cornwall op en wilde een motor creëren die de gepatenteerde technologieën van Boulton en Watt vermeed. Trevithick geloofde dat hij een motor kon maken die de aparte condensor van Watt afschafte door gebruik te maken van hogedrukstoom.

Hoewel er theorieën waren over het gebruik van hogedrukstoom, was dit niet met succes uitgevoerd. Ketels uit de achttiende eeuw konden lange tijd geen hoge druk weerstaan. Maar aan het begin van de 19e eeuw – ironisch genoeg, net toen de patenten van Watt afliepen – ontdekte Trevithick dat moderne ketels nu hogere drukken konden weerstaan. Tegelijkertijd ervoer de Amerikaanse uitvinder Oliver Evans soortgelijke prestaties.

Trevithick's nieuwe Cornish Engine was goedkoper, lichter en kleiner dan de Boulton- en Watt-motor. Arthur Woolf verbeterde het gebruik van hogedrukstoom verder in 1804. De Londense brouwerijingenieur realiseerde het idee van compounding – een methode waarbij overtollige stoom uit de ene zuiger een tweede en vervolgens een derde zuiger afvuurt. Deze methode resulteert in minder warmteverlies.

De stoomlocomotief

Uitvinders werkten aan ontwerpen voor door stoom aangedreven auto's, zelfs toen de eerste stoompompen eind 17e eeuw werden verfijnd. Terwijl sommigen geloven dat Ferdinand Verbiest in 1672 een werkende stoomwagen creëerde, wijst meer bewijs erop dat de Franse uitvinder Nicolas-Joseph Cugnot in 1769 het eerste door stoom aangedreven voertuig maakte. Maar terwijl het onderzoek en de ontwikkeling van door stoom aangedreven auto's enige tijd doorgingen, ontstond het idee was het meest succesvol in de vorm van de stoomlocomotief op rails.

De man achter de Cornish Engine, Richard Trevithick, was ook een sleutelpersoon in de ontwikkeling van de stoomlocomotief. Het is belangrijk op te merken dat er in de jaren 1770 al treinsporen bestonden in verschillende industriële gebieden van Engeland. Met ijzer versterkte houten rails, trams genaamd, waren gebouwd zodat paarden karren met kolen konden trekken. In 1804 onthulde Trevithick een door stoom aangedreven machine die 10 ton ijzer over 16 kilometer kon vervoeren. In 1808 werd de draagbare stoommachine van Trevithick tentoongesteld op een cirkelvormige baan in het centrum van Londen.

Vroegste locomotieven

Een andere Britse ingenieur, George Stephenson, ging twintig jaar later verder waar Trevithick was gebleven. Stephensons werk bij het ontwikkelen van steeds efficiëntere stoommachines voor het transport van steenkool leidde tot de beslissing om een ​​spoorverbinding tot stand te brengen tussen Durham Coalfields en een scheepvaarthaven in Stockton. Stephenson suggereerde dat het plan het ook mogelijk maakt dat de motoren passagiers vervoeren. In 1825 voerde Stephenson Locomotion nr. 1 uit op zijn eerste reis, met vracht en naar schatting 600 passagiers.

Robert Stephenson speelde ook een cruciale rol in dit tijdperk. Hij hielp bij de bouw van de Rocket-locomotief, die in 1829 de Rainhill Trials won, waarmee hij de haalbaarheid van stoomlocomotieven voor het openbaar vervoer bewees.

De Tom Thumb is een andere opmerkelijke vroege locomotief. In de Verenigde Staten werd deze trein, gebouwd door Peter Cooper in 1830, de eerste succesvolle stoomlocomotief. De Tom Thumb, zo genoemd vanwege zijn compacte formaat, had een kleine verticale ketel en een eencilindermotor en maakte zijn debuut op de Baltimore and Ohio Railroad.

Kort daarna ontstond de Baldwin Locomotive Works, opgericht door Matthias Baldwin in Philadelphia, als een dominante kracht in de productie van Amerikaanse locomotieven. Baldwin Locomotive werd synoniem voor de spoorwegontwikkeling in de Verenigde Staten en speelde een cruciale rol bij de uitbreiding van spoorwegnetwerken in het hele land.

Onderdelen en werking van de stoomlocomotief

Stoomlocomotieven creëren stoom in de ketel door de verbranding van brandstof, meestal steenkool of hout. Vroege locomotieven gebruikten een vlampijpketel, die bestond uit een netwerk van buizen die hete gassen vervoerden om het water te verwarmen. Het klepmechanisme regelt de toevoer en afgifte van stoom in de cilinders.

Wanneer deze hogedrukstoom in de cilinders wordt geleid, drukt deze tegen de zuigers om mechanische beweging te creëren. Terwijl de stoom uitzet en zijn werk doet, verliest hij druk en energie. De keteldruk heeft rechtstreeks invloed op de prestaties en efficiëntie van de stoomlocomotief.

Nadat de stoom zijn werk in de cilinders heeft gedaan, wordt deze als uitlaatstoom uit de cilinders afgevoerd of in de schoorsteen van de locomotief afgegeven. De uitlaatstoom voert de energie en afvalwarmte van de stoommachine af en laat deze vrij in de atmosfeer.

De uitdrijving van uitlaatstoom helpt het drukevenwicht in de cilinders van de locomotief te handhaven en maakt de continue cyclus van stoomopwekking, expansie en uitlaatgassen mogelijk.

Stoomlocomotieven en de Tweede Wereldoorlog

Stoomlocomotieven speelden een cruciale rol tijdens de Tweede Wereldoorlog. Ze werden gebruikt om troepen en militair materieel naar verschillende locaties te vervoeren, maar ook om de belangrijkste aanvoerlijnen te bereiken door voedsel, munitie, brandstof en grondstoffen naar soldaten te brengen. Ze waren een reddingslijn tijdens de oorlog, maar ze vertraagden ook de ombouw van stoom- naar diesellocomotieven.

Technologische vooruitgang

Terwijl de ontwikkeling van stoomwagens de komende honderd jaar slechts een wetenschappelijke curiositeit bleef, ging de door stoom aangedreven locomotief van start. De motor werkte op een systeem van wielen die werden geroteerd door een door stoom aangedreven zuiger. Ingenieurs werkten voortdurend aan het verbeteren van het systeem door de stoomdruk te verhogen, compounding toe te passen en extra wielen toe te voegen.

De spoorlijn bleek een essentieel onderdeel van de Industriële Revolutie, waardoor de manier veranderde waarop vracht over land werd vervoerd en verre bevolkingsgroepen met elkaar werden verbonden. Stoom dreef de spoorwegen aan totdat dieselmotoren en elektrische energie in de 20e eeuw op de voorgrond kwamen.

De gevaren van stoomkracht

Gezien de hoge drukken en temperaturen van stoommachines is het niet verrassend dat explosieve ongelukken de ontwikkeling van de technologie hebben beïnvloed. Om deze reden zijn ketels – variërend van eenvoudige snelkookpannen tot energiecentrales – uitgerust met een soort veiligheidsklep.

Wanneer de druk in de ketel te groot wordt, wordt overtollige stoom via de klep vrijgegeven om een ​​explosie te voorkomen. Deze apparaten worden doorgaans door gewicht of veer aangedreven en vereisen een vast drukniveau om de klep te openen. Er gebeuren echter nog steeds ongelukken.

Explosies als gevolg van het opzettelijk of per ongeluk uitschakelen van veiligheidskleppen kwamen in de 19e eeuw vrij vaak voor. De slechte pers als gevolg van dergelijke incidenten vormde een hindernis voor stoompioniers en uitvinders van die tijd.

Een van de meest opmerkelijke stoomgerelateerde ongelukken van de 20e eeuw vond plaats bij het Three Mile Island Nuclear Generating Station. Het ongeval begon toen de pompen die koel water naar de stoomgeneratoren voerden, stopten met draaien, wat resulteerde in een verhoogde stoomdruk. Hierdoor werd de ontlastklep van de centrale geactiveerd, maar toen de klep niet sloot, raakte de reactorkern zelf oververhit.

Veel meer informatie

Artikelen over hoe dingen werken

• Hoe Steampunk werkt
• Hoe stoommachines werken
• Hoe gasturbinemotoren werken
• Hoe elektriciteit werkt
• Hoe kernenergie werkt
• Hoe luchtaangedreven auto's zullen werken
• Hoe patenten werken

Bronnen

• Alf, Martin en John Kern. "Primer over superkritische stoom." Elektrisch licht en stroom. Januari 2003. http://uaelp.pennnet.com/display_article/165839/34/ARTCL/none/none/1/Primer-on-supercritical-steam/
• "Vliegdekschepen" Federatie van Amerikaanse Wetenschappers Militair Analysenetwerk. 11 maart 2000 http://www.fas.org/man/dod-101/sys/ship/cv.htm
• "Het stoomkanon van Archimedes." Massachusetts Institute of Technology 2.009 Productengineeringprocessen. 2007. http://web.mit.edu/2.009/www/experiments/steamCannon/ArchimedesSteamCannon.html
• Burris, Joe. "Discovery Channel onderzoekt Winans Steam Gun." Baltimore zon. 4 december 2007. http://www.baltimoresun.com/entertainment/tv/bal-to.mythbusters05dec05,0,2900119,full.story
• Clark, Ronald W. "Werken van de mens:een geschiedenis van uitvindingen en techniek, van de piramides tot de Space Shuttle." Viking Penguin Inc. 1985.
• "Factsheet over het Three Mile Island Incident" Nuclear Regulatory Commission van de Verenigde Staten. 20 februari 2007. http://www.nrc.gov/reading-rm/doc-collections/fact-sheets/3mile-isle.html
• Fuller, Kelly. "Boiler ontploft in huis." Het Zonnieuws. 2 februari 2008. http://www.myrtlebeachonline.com/news/local/story/335886.html
• Gascoigne, Bamper. "Geschiedenis van stoom." Historyworld.net. http://www.historyworld.net/wrldhis/PlainTextHistories.asp?groupid=819&HistoryID=aa81
• Goldman, Adam. "Vrouw gewond geraakt bij rechtszaak tegen ontploffing stoompijp in New York." De geassocieerde pers. 14 februari 2008. http://ap.google.com/article/ALeqM5gF7SJot_B1DSfjdRZf8lf-Uc9oawD8UQBOH07
• Ingo, Paulus. "Superkritische kolencentrales:een nieuwe technologie die met succes wordt ingezet in ontwikkelingslanden." De Wereldbank.
• Lind, LJ "De Holeman-projector." De maritieme historische vereniging. http://www.lateralscience.co.uk/perkgun/index.html
• Malhotra, Ashok. "Thermodynamische eigenschappen van superkritische stoom." Steamcenter.com. 2006 http://www.lulu.com/items/volume_13/254000/254766/1/preview/preview-thpb.doc.
• Marsden, Ben. "Watt's perfecte motor:stoom en het tijdperk van de uitvinding." Columbia Universiteitspers. 2002.
• "Veiligheidsklep." Encyclopedie Britannica Online. http://www.britannica.com/eb/topic-516113/safety-valve
• "Superkritische energiecentrales." Power4Georgiërs. 2008. http://power4georgians.com/supercritical.aspx
• Woutman, Richard. "De geschiedenis van het schip:het uitgebreide verhaal van de zeevaart vanaf de vroegste tijden tot heden. 1997.
• Wilson, Jim. "Nieuwe stoomtechnologie." Populaire mechanica. Juni 2001. http://www.popularmechanics.com/science/research/1282106.html?page=2

Dit artikel is gemaakt in combinatie met AI-technologie, vervolgens op feiten gecontroleerd en bewerkt door een HowStuffWorks-editor.