The compound-principle

The first high-pressure steam-engines operated with full steam-pressure during the entire stroke.voldrukgrafiekStoomdruk in een voldrukmachine So the steampressure at the end of the stroke is the same as at the beginning of the stroke. Werkt de machine op een druk van bijvoorbeeld 3 atmosfeer, dan wordt aan het eind van de slag stoom van 3 atmosfeer afgelaten. in de grafiek hiernaast wordt dat weergegeven. Het grijze oppervlak in het diagram is een maat voor de geleverde energie. De grafiek vertoont op de verticale as de stoomdruk en op de horizontale as de slag. Deze laatste is aangegeven in procenten van de totale cilinderinhoud.

 expansieStoomdruk in een expansiemachine

Bij een machine met gedeeltelijke vuling wordt ergens tijdens de inlaatslag de stoomtoevoer afgeknepen. Tijdens de rest van de slag expandeert de stoom. In de tabel wordt stoom ingelaten van 8 atmosfeer. Na de helft van de slag stopt de stoomtoevoer, gedurende de rest van de slag vindt expansie van de stoom plaaats tot 4 atmosfeer. De stoom die aan het eind van de slag wordt afgeblazen heeft dus een restdruk van 4 atmosfeer. Deze machine gebruikt maar de helft van de hoeveelheid stoom die de voldrukmachine gebruikt. Bij een grafiek zoals deze spreken we over een vullingsgraad van 50%, immers, er wordt alleen stoom toegelaten over de eerste helft van de slag.

Het is gemakkelijk te zien dat met deze gehalveerde stoominvoer maar weinig minder energie wordt afgeleverd. Immers, het oppervlak van het grijze vlak is maar weinig kleiner dan bij de voldrukmachine.  Deze methode van gedeeltelijke vulling levert dus een grote rendementsverbetering op. Deze manier van werken noemt men "expansie".

Bij de meeste machines wordt gewerkt met een zeer geringe vullingsgrahoogexpansieStoomdruk in een hoogexpansiemachinead, in de grafiek hiernaast ziet u een stoomdiagram bij een vullingsgraad van slechts 20%. Voordeel van deze machine is de grote benutting van de stoomdruk. Nadeel is dat de totaal geleverde energie flink afneemt ten opzichte van bijvoorbeeld de machine met 50% vulling. Vergelijk de grijze vlakken in de grafiek links en hierboven. De oppervlakte van de grafiek van de hoogexpansiemachine is duidelijk veel kleiner dan in de tabel van de expansiemachine. Wil men toch evenveel energie leveren met slechts beperkte vullingsgraad dan kan dat alleen gerealiseerd worden door de machine flink te vergroten. Het rendement wordt beter en levert dus geld op, maar de bouwkosten van zo'n hoogexpansiemachine zijn hoger. Het is van belang deze kosten en opbrengsten tegen elkaar af te wegen.

bakschuifWisselstroommachineBij deze hoogexpansiemachines doet zich echter een ernstig natuurkundig probleem voor.  Zoals al eerder opgemerkt is er een directe verhouding tussen stoomdruk en stoomtemperatuur (bij verzadigde stoom). Zie de stoomtabel voor de exacte relatie. Tijdens de expansie in de cilinder neemt de druk af en dus zal de temperatuur van de stoom afnemen.

In de animatie hiernaast kunnen we dat goed waarnemen. De stoom komt op hoge temperatuur binnen. In de animatie is dat weergegeven met een felrode kleur. Tijdens de expansie zakt de druk en dus de temperatuur. in de animatie is dat weergegeven door de kleur naar wit te laten verlopen.

 Zoals in de animatie goed te zien is gaan verse stoom en afgewerkte stoom beide via dezelfde opening de cillinder in of uit. De verse stoom is daarbij veel heter dan de afgewerkte stoom. De kop van de cilinder zal dus een temperatuur gaan aanhouden die ergens tussen de temperatuur van de verse stoom en de temperatuur van de afgewerke stoom in ligt. Als deze machine met verzadigde stoom werkt dan zal de verse stoom dus in aanraking komen met die cilinderkop die een veel lagere temperatuur heeft. Daardoor zal condensatie optreden. Deze condensatie zet stoom om in water en die stoom is daarmee dus niet meer beschikbaar om arbeid te leveren.

Tijdens de expansie neemt de druk af en daardoor de temperatuur. Ergens in de expansie zal de stoomtemperatuur onder de temperatuur van het gecondenseerde water dalen. Daardoor zal het aanwezige condenswater alsnog verdampen. Voor deze verdamping is veel warmte nodig, wat wederom tot een rendementsverlaging zal leiden.

Een een-cilinder hoog-expansiemachine heeft dus per definitie last van ernstige rendementsverliezen ten gevolge van condensatie en naverdamping.compound grafiekSchema compound machine

Al in een zeer vroeg stadium van de ontwikkeling van de stoommachines werd dit effect gekonstateerd en al vroeg heeft men geprobeerd dit probleem te verminderen door toepassing van compound-machines.

Een compoundmachine bestaat uit twee cilinders waarbij de expansie over deze cilinders verdeeld wordt, er is dan sprake van een hogedruk-cilinder en een lagedruk-cilinder. In dit voorbeeld is iedere cilinder met een aparte drijfstang aan de krukas verbonden.

De expansie zal nu in twee delen plaatsvinden, in de grafiek is het rode vlak de expansie in de hogedruk-cilinder en het oranje vlak in de lagedruk-cilinder. De temperatuur- verschillen tussen verse stoom en afgewerkte stoom worden daardoor veel kleiner en condensatie en naverdamping zullen afnemen.

Bijkomend voordeel is dat de krukas nu door twee ten opzichte van elkaar verschoven drijfstangen wordt aangedreven. Daaardoor wordt de loop van de machine veel rustiger dan bij een een-cilinder-machine. Ook kunnen vliegwiel en drijfstangen lichter worden uitgevoerd.Triple expansion engine animationAnimatie van een triple

Zoals te zien zijn de temperatuursverschillen toch nog groot. Dit kan verder verbeterd worden door nog meer cilinders toe te passen. Drie is een veel voorkomend aantal, de zgn. "triple", een machine die veel in schepen is toegepast. Bijgaande animatie laat het temperatuurverloop in een triple zien.

Zelfs vier-cilindermachines zijn gebouwd.

Het condensatieprobleem is op een totaal andere manier opgelost in de gelijkstroom-stoommachine waar de stoom niet in de cilinder heen en weer gaat maar in één richting door de cilinder stroomt. Daardoor blijft de kop op temperatuur en zal de verse stoom dus niet condenseren. Bij een gelijkstroom-stoommachine is één cilinder daarom voldoende.