Uitvinding en ontwikkeling van de stoommachine

Stoommachines zijn mechanismen die warmte gebruiken om stoom te maken, die op zijn beurt mechanische processen uitvoert, algemeen bekend als werk. Terwijl verschillende uitvinders en vernieuwers aan verschillende aspecten van het gebruik van stoom voor kracht werkten, zijn bij de grote ontwikkeling van vroege stoommachines drie uitvinders en drie hoofdmotoren betrokken.

De eerste stoommachine die voor werk werd gebruikt, werd door de Engelsman gepatenteerd Thomas Savery in 1698 en werd gebruikt om water uit mijnschachten te pompen. Het basisproces was een cilinder die gevuld was met water. Vervolgens werd stoom aan de cilinder geleverd, waardoor het water werd verplaatst dat via een eenrichtingsklep naar buiten stroomde. Nadat al het water was uitgestoten, werd de cilinder besproeid met koud water om de temperatuur van de cilinder te verlagen en de stoom naar binnen te condenseren. Hierdoor ontstond er een vacuüm in de cilinder, die vervolgens extra water ophaalde om de cilinder opnieuw te vullen, waardoor de pompcyclus werd voltooid.

Een andere Engelsman, Thomas Newcomen, verbeterd op Slavery's pomp met een ontwerp dat hij rond 1712 ontwikkelde. De motor van Newcomen bevatte een zuiger in een cilinder. De bovenkant van de zuiger was verbonden met het ene uiteinde van een draaibare balk. Aan het andere uiteinde van de balk was een pompmechanisme aangesloten, zodat er water werd opgezogen wanneer de balk aan het pompuiteinde omhoog helde. Om de pomp voort te stuwen, werd stoom aan de zuigercilinder geleverd. Tegelijkertijd trok een contragewicht de balk naar beneden aan het pompuiteinde, waardoor de zuiger naar de bovenkant van de stoomcilinder steeg. Zodra de cilinder vol stoom was, werd koel water in de cilinder gespoten, waardoor de stoom snel werd gecondenseerd en een vacuüm in de cilinder werd gecreëerd. Dit zorgde ervoor dat de zuiger viel en de straal naar beneden op het zuigeruiteinde en omhoog aan het pompuiteinde bewoog. De cyclus herhaalde zich vervolgens automatisch zolang er stoom op de cilinder werd aangebracht.

Het zuigerontwerp van Newcomen creëerde effectief een scheiding tussen het weggepompte water en de cilinder die werd gebruikt om het pompvermogen te creëren. Dit verbeterde de efficiëntie van het oorspronkelijke ontwerp van Slavery aanzienlijk. Omdat Savery's echter een breed patent had op zijn eigen stoompomp, moest Newcomen samenwerken met Savery om de zuigerpomp te patenteren.

Schot James Watt aanzienlijk verbeterd en ontwikkeld de stoommachine tijdens de tweede helft van de 18de eeuw, waardoor het een echt levensvatbaar stuk machine is geworden dat heeft bijgedragen aan de start van de Industriële revolutie. De eerste grote innovatie van Watt's was om een ​​aparte condensor op te nemen, zodat de stoom niet gekoeld hoefde te worden in dezelfde cilinder die de zuiger bevatte. Dit betekende dat de zuigercilinder op een veel consistentere temperatuur bleef, wat het brandstofverbruik van de motor aanzienlijk verhoogde. Watt ontwikkelde ook een motor die een as kon roteren in plaats van een op en neer pompende actie, evenals een vliegwiel dat een soepele krachtoverdracht tussen de motor en de werklast mogelijk maakte. Met deze en andere innovaties werd de stoommachine toepasbaar op verschillende fabrieken processen, en Watt en zijn zakenpartner Matthew Boulton bouwden honderden motoren voor industrieel gebruik.

In het begin van de 19e eeuw was er een grote innovatie op het gebied van hogedrukstoommachines, die veel efficiënter waren dan de lagedrukontwerpen van Watt's en de andere stoommachinepioniers. Dit leidde tot de ontwikkeling van veel kleinere, krachtigere stoommachines die konden worden gebruikt om treinen en boten aan te drijven en om een ​​breder scala aan industriële taken uit te voeren, zoals draaiende zagen in fabrieken. Twee belangrijke vernieuwers van deze motoren waren de Amerikaan Oliver Evans en de Engelsman Richard Trevithick. In de loop van de tijd werden stoommachines vervangen door de verbrandingsmotor voor de meeste soorten voortbeweging en industrie werk, maar het gebruik van stoomgeneratoren om elektriciteit op te wekken, blijft een belangrijk onderdeel van de productie van elektrische energie vandaag.