Een stoommachine is een warmtemachine die mechanisch werk uitvoert met stoom als werkvloeistof. De stoommachine gebruikt de kracht die wordt geproduceerd door stoomdruk om een zuiger heen en weer te duwen in een cilinder.
Deze duwkracht kan door middel van een drijfstang en vliegwiel worden omgezet in draaikracht voor arbeid. De term "stoommachine" wordt over het algemeen alleen toegepast op zuigermotoren zoals zojuist beschreven, niet op de stoomturbine.
Stoommachines zijn externe verbrandingsmotoren, waarbij de werkvloeistof wordt gescheiden van de verbrandingsproducten. De ideale thermodynamische cyclus die wordt gebruikt om dit proces te analyseren, wordt de Rankine-cyclus genoemd.
In het algemeen kan de term stoommachine verwijzen naar ofwel complete stoominstallaties (inclusief ketels, enz.), zoals stoomlocomotieven en draagbare motoren, of kan verwijzen naar alleen de zuiger- of turbinemachines, zoals in de straalmotor en stationaire stoommachine.
Hoewel door stoom aangedreven apparaten al in de eerste eeuw na Christus bekend waren, wordt Thomas Savery beschouwd als de uitvinder van het eerste commercieel gebruikte stoomaangedreven apparaat, een stoompomp. die stoomdruk gebruikte die direct op het water werkte.
De eerste commercieel succesvolle motor die continu vermogen naar een machine kon overbrengen, werd in 1712 ontwikkeld door Thomas Newcomen. James Watt heeft een cruciale verbetering aangebracht door verbruikte stoom naar een apart vat te verwijderen voor condensatie, waardoor de hoeveelheid werk die wordt verkregen per verbruikte eenheid brandstof aanzienlijk is verbeterd.
Tegen de 19e eeuw dreven stationaire stoommachines de fabrieken van de industriële revolutie aan. Stoommachines vervingen zeilen voor schepen op raderstoomboten en stoomlocomotieven die op de spoorwegen gebruikten.
Stoommachines van het type met heen en weer gaande zuigers waren de dominante krachtbron tot het begin van de 20e eeuw, toen vooruitgang in het ontwerp van elektrische motoren en verbrandingsmotoren resulteerde in de geleidelijke vervanging van stoommachines voor commercieel gebruik. Stoomturbines vervingen zuigermotoren bij de energieopwekking, vanwege lagere kosten, hogere werksnelheid en hogere efficiëntie.
In een stoommachine zet hete stoom, meestal geleverd door een ketel, onder druk uit en een deel van de warmte-energie wordt omgezet in arbeid. De rest van de warmte kan ontsnappen, of, voor een maximale efficiëntie van de motor, kan de stoom worden gecondenseerd in een afzonderlijk apparaat, een condensor, bij relatief lage temperatuur en druk.
Voor een hoog rendement moet de stoom door een groot temperatuurbereik vallen als gevolg van zijn expansie in de motor. De meest efficiënte prestatie, dat wil zeggen de grootste arbeidsopbrengst in relatie tot de geleverde warmte, wordt verzekerd door een lage condensortemperatuur en een hoge keteldruk te gebruiken.
De stoom kan verder worden verwarmd door hem op zijn weg van de ketel naar de motor door een oververhitter te leiden. Een gewone oververhitter is een groep parallelle pijpen waarvan het oppervlak is blootgesteld aan de hete gassen in de keteloven.
Door middel van oververhitters kan de stoom worden verwarmd tot boven de temperatuur waarop deze door kokend water wordt geproduceerd.
In een zuigermotor, het zuiger- en cilindertype stoommachine, wordt stoom onder druk door een klepmechanisme in de cilinder toegelaten. Terwijl de stoom uitzet, duwt deze de zuiger, die meestal is verbonden met een kruk op een vliegwiel om een roterende beweging te produceren. In de dubbelwerkende motor wordt stoom uit de ketel afwisselend naar elke kant van de zuiger toegelaten.
In een eenvoudige stoommachine vindt expansie van de stoom plaats in slechts één cilinder, terwijl in de samengestelde machine twee of meer cilinders van toenemende grootte zijn voor een grotere expansie van de stoom en een hoger rendement; de eerste en kleinste zuiger wordt bediend door de aanvankelijke hogedrukstoom en de tweede door de lageredrukstoom die uit de eerste wordt afgevoerd.
In de stoomturbine wordt stoom met hoge snelheid afgevoerd via mondstukken en stroomt vervolgens door een reeks stationaire en bewegende bladen, waardoor een rotor met hoge snelheden beweegt. Stoomturbines zijn compacter en laten gewoonlijk hogere temperaturen en grotere expansieverhoudingen toe dan zuigerstoommachines. De turbine is het universele middel om met stoom grote hoeveelheden elektriciteit op te wekken.
Stoommachines werden in allerlei toepassingen gebruikt, waaronder
