De stoommachine: Newcomen en Watt

Met James Watts afzonderlijke condensor, gepatenteerd op 5 januari 1769, kon een stoommachine hetzelfde werk doen met ongeveer twee derde minder steenkool.

Water in de mijnen

Rond 1700 verbrandde Groot-Brittannië steeds meer steenkool en raakten de gemakkelijk bereikbare lagen bij het oppervlak op. Diepere mijnen liepen vol water. Dat met paarden wegpompen was langzaam en duur. In 1698 patenteerde Thomas Savery een stoompomp die hij de Miner's Friend noemde. Maar die kon water niet erg hoog opvoeren en de ketels waren gevaarlijk. Thomas Newcomen, een ijzerhandelaar uit Dartmouth in Devon, vond een betere manier. In 1712 bouwde hij met zijn compagnon John Calley een machine om water uit de kolenmijnen van Coneygree bij Dudley in de West Midlands te pompen. Deze geldt algemeen als de eerste succesvolle stoommachine van dit type. Een werkende replica op ware grootte draait nu in het Black Country Living Museum op hetzelfde landgoed.

Hoe Newcomens machine werkte

Newcomens machine gebruikte het gewicht van lucht in plaats van de stuwkracht van stoom. Lagedrukstoom uit een ketel vulde een grote cilinder onder een zuiger. Daarna werd koud water in de cilinder gespoten. De stoom condenseerde tot enkele druppels water, waardoor een gedeeltelijk vacuüm ontstond. De buitenlucht drukte de zuiger omlaag. De zuiger zat met een ketting vast aan één uiteinde van een enorme houten balans. Als hij daalde, ging het andere uiteinde omhoog en tilde een pompstang in de mijnschacht op. Er werd weer stoom binnengelaten, het gewicht van de pompstang trok de balans terug en de cyclus herhaalde zich ongeveer twaalf keer per minuut. Omdat de stoomdruk zo laag was, bestond er weinig gevaar dat de ketel zou barsten. Toen Newcomen stierf, stonden er meer dan honderd van zijn machines in Engeland en andere exemplaren in Europa.

Het probleem dat Watt zag

James Watt was maker van wiskundige instrumenten en had een werkplaats aan de Universiteit van Glasgow. De scheikundige Joseph Black werd er zijn vriend en mentor. In de winter van 1763 op 1764 werd hem gevraagd het kleine model van een Newcomenmachine van de universiteit te repareren, dat steeds uitviel. Watt ontdekte dat ongeveer 80 procent van de warmte in de stoom alleen nodig was om de cilinder weer op te warmen nadat het koude water hem had afgekoeld. De oplossing, die hij uiterlijk in 1765 had bedacht, was de stoom ergens anders te laten condenseren. Een afzonderlijke condensor, die steeds koud bleef en door een buis met de cilinder was verbonden, trok de stoom weg en maakte er water van, terwijl de cilinder warm bleef. Op 5 januari 1769 kreeg Watt een patent voor ‘een nieuwe methode om het verbruik van stoom en brandstof in vuurmachines te verminderen’. Het Science Museum noemt dit de grootste enkele verbetering die ooit aan de stoommachine is aangebracht.

Boulton en Watt

Van een model een werkende machine maken kostte jaren en geld. In 1774 verhuisde Watt naar Birmingham. In 1775 ging hij samenwerken met fabrikant Matthew Boulton, wiens Soho-fabriek de bekwame ijzerbewerkers had die Watt nodig had. De eerste machines van Boulton en Watt gingen in 1776 aan het werk: één pompte water uit een kolenmijn bij Tipton, een andere blies lucht in voor John Wilkinsons ijzerfabriek in Broseley. Vanaf 1777 werden er veel verkocht aan de koper- en tinmijnen van Cornwall, waar steenkool duur was en brandstofbesparing het zwaarst woog. Machines met Watts condensor verbruikten ongeveer twee derde minder steenkool dan die van Newcomen. Watt ontwierp vervolgens manieren om de op-en-neergaande beweging van de balans in een draaiende beweging om te zetten. Zo konden machines niet alleen pompen aandrijven, maar ook werktuigen in fabrieken, brouwerijen en ijzerfabrieken. Watts patent liep tot 1800. Na het verstrijken ervan gingen andere makers snel de afzonderlijke condensor gebruiken. Tegenwoordig is de eenheid van vermogen, de watt, naar hem genoemd.