Principe
De werking van het gemaal is te vergelijken met die van de "nostalgische"
zwengelpompen die je nog wel op dorpspleinen en in tuincentra aantreft.
Zowel in de zuiger als in de voet zit een klep. Als de zuiger omlaag gaat
stroomt het water eronder door de zuigerklep naar de ruimte erboven.
De klep in de voet is dicht en voorkomt dat het water in de bodem terugzakt.
Als de zuiger omhoog gaat, dan gaat de voetklep open en wordt nieuw water
aangezogen; tegelijk wordt het water boven de zuiger opgeduwd en stroomt
het bovenaan uit de pomp. Bij de gemalen kwam het opgepompte water op de
stortvloer, en vandaar in de ringvaart en uiteindelijk in zee.
De drijvende kracht voor de pompen werd bij de gemalen geleverd door de centraal opgestelde stoommachine. Elke pompzuiger is via een balansarm met de machine verbonden. Alle balansarmen en daardoor ook de pompzuigers gaan tegelijk op en neer. Per slag bracht elk van de 8 pompen 8 m³ water omhoog, en dat ca. 5 maal per minuut, dus zo'n 320 m³ per minuut.
Voorlopers
De eerste stoommachine die daadwerkelijk nuttig werk deed is uitgevonden door Thomas Newcomen (1664-1729). De machine werd bekend als "vuurmachine". Het was een "atmosferische machine", waarbij de arbeid niet door de stoom werd verricht, maar door de druk van de atmosfeer. De stoom werd alleen maar gebruikt om - door condensatie ervan - een vacuüm te creëeren. De werking was in het kort:
In een van boven open cilinder zat een zuiger die via een ketting aan een balansarm hing, aan het andere eind waarvan een (mijn)pomp was gekoppeld. Het gewicht van de pomp trok de zuiger omhoog, waarbij stoom in de ruimte eronder werd aangevoerd. Vervolgens werd er in die ruimte water ingespoten, waardoor de stoom condenseerde en er een vacuüm onstond. Door de luchtdruk op de bovenkant van de zuiger werd deze nu met kracht omlaag geduwd. Hoeveel kracht dat kon zijn laat dit voorbeeld zien: op een zuiger van 10 cm diameter oefent de luchtdruk al een kracht uit van bijna 80 kilo!
Newcomens machines zijn in grote aantallen geproduceerd en in de Engelse mijnen gebruikt. Ze hadden alleen een heel laag rendement, wat een gevolg was van het ontwerp: door het inspuiten van water koelde de cilinder sterk af, waardoor de verse stoom eerst de cilinder weer moest opwarmen.
Ook in Nederland zijn "vuurmachines" in bedrijf geweest, o.a. bij Blijdorp (het Keezending") en bij de ingang van wandelbos Groenendaal in Heemstede.
65 jaar na Newcomens eerste machine bedacht James Watt (1736-1819) een groot aantal verbeteringen. Enkele van de belangrijkste zijn:
De condensor Door de stoom in een apart vat buiten de cilinder te laten condenseren, koelde het water de cilinder niet meer af.
Stoomdruk gebruiken Door met stoom onder druk te werken en de stoom te laten expanderen kon die zelf ook arbeid verrichten. Het ging bij Watt overigens om enkele tienden bar, omdat hij hogere drukken te gevaarlijk achtte. Hogere drukken werden pas mogelijk door het werk van Richard Trevithick (1771-1833).
Parallellogram van Watt Door de ketting te vervangen door een ingenieus stelsel van stangen kon de machine tweemaal arbeid verrichten, door de stoom beurtelings onder en boven de zuiger toe te laten.
De "Arkelse Dam" machine, die in het voormalige ketelhuis van De Cruquius staat opgesteld, is een fraai en typerend voorbeeld van een Watt machine. In dezelfde ruimte staan modellen van de oudste Newcomen en Watt machines.
Stoommachine
De stoommachine is ontwikkeld uit de Cornwall-machine zoals die in gebruik was voor het drooghouden van de mijnen in Cornwall. Het is een compoundmachine, wat wil zeggen dat de stoom twee keer wordt gebruikt: eerst verricht de verse stoom onder hoge druk arbeid, daarna verricht hij onder de resterende lage druk nogmaals arbeid. Dit verhoogt het rendement van de machine aanzienlijk.
Een compoundmachine heeft twee stoomcilinders met bijbehorende zuigers: een hogedruk- en een lagedrukcilinder. Bijzonder bij de Haarlemmermeergemalen is dat de twee cilinders in elkaar zijn geschoven: de lagedrukcilinder is ringvormig en ligt om de hogedrukcilinder heen.
De voor het droogmaken van het Haarlemmermeer noodzakelijke schaalvergroting ten opzichte van de Engelse mijnpompen heeft geleid tot de grootste stoommachine die ooit is gebouwd: de diameter van de lagedrukcilinder is maar liefst 3,66 meter (144 inch)! Overigens bevindt het grootste deel van de eigenlijke machine zich onder de vloer van de machinekamer: de hele machine, van bodem tot de bovenkant van het deksel, is meer dan 4 meter hoog! Vergelijk dat eens met een moderne dieselmotor met hetzelfde vermogen (ongeveer 350 pk).
Een geweldige blikvanger is de enorme gewichtsbak bovenin de machine. Het gewicht van die zware, vroeger ook nog helemaal met ijzer gevulde, bak had samen met het gewicht van de - ook met ijzer gevulde - zuigers, een cruciale rol bij de werking van de machine: hun gezamenlijke gewicht van zo'n 65 ton vormde het contragewicht voor de 64 ton water die door de 8 waterpompen buiten omhoog werd gebracht.
|
|
Werking
Een cyclus begint met het openen van de inlaatklep, waardoor verse stoom onder hoge druk onder de (centrale) hogedrukzuiger wordt toegelaten. De stoom drukt die zuiger omhoog en die drukt op zijn beurt het hiervoor genoemde gewicht van 65 ton omhoog; de zuigers van de waterpompen buiten gaan hierdoor omlaag. In deze "opgaande slag" van de machine wordt er door de pompen geen water verplaatst. Voordat de hogedrukzuiger zijn hoogste stand bereikt heeft wordt de inlaatklep gesloten. Door de expansie van de aanwezige stoom gaat de hogedrukzuiger nog verder naar boven, met steeds verder afnemende snelheid. In deze fase speelt de lagedrukzuiger geen rol.
In de hoogste stand van de machine wordt de evenwichtsklep geopend. Die zorgt ervoor dat de stoom met de nu resterende lage druk via een dikke buis (de evenwichtsbuis) in de ruimte boven de hogedruk- en lagedrukzuiger komt. De hogedrukzuiger speelt nu geen rol meer, maar de lagedrukzuiger wordt door de druk van de stoom erboven, geholpen door het vacuüm eronder (de ruimte onder de lagedrukzuiger staat in verbinding met de condensor), omlaag gedrukt. Via de balansarmen gaan de zuigers van de waterpompen buiten omhoog, en die brengen hun last van 64 ton polderwater omhoog. In deze "neergaande slag" van de machine expandeert de (lagedruk)stoom steeds verder, waardoor de daalsnelheid afneemt en de machine uiteindelijk weer tot stilstand komt.
Als laatste wordt in de volgende opgaande slag de nu afgewerkte stoom via de uitlaatklep naar de condensor gevoerd.
Om een indruk te krijgen van de werking van het geheel is hier een animatie:
bron: The Animated Software Company
Waterhydrauliek
Een bijzonder kenmerk van de Haarlemmermeermachines is de zogeheten "waterhydrauliek". Aan het eind van de opgaande slag van de machine zitten de zuigers onderin de pompen, maar met de kleppen nog open. Als de machine nu gelijk met de pompslag zou beginnen, dan zou de watermassa boven die kleppen ze met geweld doen dichtslaan, met als gevolg schade aan de kleppen, de pompkettingen, en mogelijk de hele machine. Om dit te voorkomen zijn aan beide kanten van de gewichtsbak plunjers bevestigd die in de opgaande slag water aanzuigen uit grote standpijpen. In de bovenste stand van de machine sluit een klep, waardoor het opgezogen water wordt opgesloten. Het hele gewicht van 65 ton rust dan op twee kolommen water. Na een paar seconden, als de kleppen van de waterpompen rustig zijn dichtgevallen, wordt het opgesloten water weer vrijgegeven en kan de machine dalen.
Besturingsmechaniek
Het op gang brengen van een stoommachine zoals in de Cruquius was een verre van eenvoudige klus. Maar zodra hij eenmaal op gang was liep hij verder volautomatisch, bestuurd door het zogeheten "kloswerk". Dat is het stelsel van stangen, hefbomen, pallen en nokken dat zich vlak voor de machinistenbank bevindt. In hedendaagse termen zou je kunnen spreken van een besturingscomputer, zij het een mechanische. De machinist hoefde de zaak alleen maar in de gaten houden en af en toe bijregelen, want de druk van de uit de ketels aangevoerde verse stoom was niet constant.
Het kloswerk bestuurde de inlaat-, evenwichts- en uitlaatklep, maar ook de hiervoor genoemde waterhydrauliek.
Een essentieel onderdeel van het kloswerk vormden de "cataracten": met
water gevulde bakken met daarin een cilinder met een hele kleine
uitstroomopening en een zuiger met daaraan een gewicht. Dit gewicht
werd door de machine opgetrokken; door de kleine uitstroomopening zakte
de zuiger daarna heel langzaam: dit kon enkele seconden duren. Deze
beweging werd overgebracht op pallen in het kloswerk en op die manier
werd een nauwkeurige timing voor de hele machine verkregen. De cataracten
bevinden zich onder de vloer van de machinekamer; ze zijn niet van
bovenaf zichtbaar en niet voor het publiek toegankelijk.
Voor degenen die daarin geïnteresseerd zijn is er een diepgaander technische beschrijving van de werking van het kloswerk; terwijl op de Wederwaardigheden pagina onder meer uitgebreid wordt ingegaan op de herinbewegingstelling van het kloswerk, die het sluitstuk vormde van de herinbewegingstelling van de grote Cruquiusmachine.
Stoomketels
Bij de bouw van De Cruquius werden er in het ketelhuis - nu de ruimte waarin de watermaquette en de Arkelse Dam zijn opgesteld - 6 ketels van het Cornwall type*) geplaatst. Dit waren enkelvuurs ketels met een stoomdruk van 2,5 bar. In 1860 werden er nog 4 ketels van hetzelfde type bijgeplaatst; daartoe werden zijruimtes aan het ketelhuis aangebouwd, bovenop de doorstroomkokers; die zijruimtes zijn nu de Molenzaal en de Waterschapszaal.
Bij een stoommachine als van De Cruquius varieerde de hoeveelheid stoom naar de machine zeer sterk: tijdens de opgaande slag meer dan 10 m³ binnen enkele seconden, tijdens de neergaande slag niets. Om de grote hoeveelheid stoom voor de opgaande slag zo snel te kunnen leveren was een buffervoorraad noodzakelijk. Daarom was er boven de ketels een stoombuffer of stoomkamer aangebracht, in de vorm van een ijzeren vat met een inhoud van ongeveer 22 m³ dwars bovenop de ketels en over de volle breedte ervan.
De Cornwall ketels hadden een laag rendement. In 1888 werden alle 10 Cornwall ketels vervangen door 6 tweevuurs ketels van het Lancashire type*) (het ketelfront in het museum is van een Lancashire ketel), met een stoomdruk van 4,5 bar en een hoger rendement.
Naar hedendaagse maatstaven was het rendement van het hele systeem - machine en ketels - laag: zo'n 4%, maar voor die tijd was dat heel gebruikelijk. Het betekende wel dat er een enorme hoeveelheid kolen doorheen ging: maar liefst 800 kilo per uur!
| *) | Doorsnedes en een uitgebreide uitleg van de werking van stoomketels zijn te vinden op de website van het "Steamboat Museum" (USA). Specifiek verwijzen we hier naar de pagina's (in het Engels) over het Cornwall en het Lancashire type ketel. |
Historische rapporten
Wie daarin geïnteresseerd is kan in het Documenten gedeelte op deze site een aantal historische rapporten en documenten vinden over de bouw en het functioneren van de drie Haarlemmermeergemalen.
Voor wat recente technische ontwikkelingen (herstel, reconstructies, restauraties) betreft verwijzen wij tot slot nog naar de Wederwaardigheden pagina.
De Cruquius in cijfers
| Fundering | 1400 dennen- en 260 eikenhouten palen |
| Stoommachine | hoog 5 m, diameter 3,66 m (144 inch) |
| Stoomdruk | 3 bar (45 psi), later 4½ bar (65 psi) |
| Vermogen | 350 - 450 pk |
| Stoomketels | 6, later 10 (Cornwall), later 6 (Lancashire) |
| Slagen/minuut | 5 (max. 8); nu (hydraulisch) 2½ |
| Kolenverbruik | 800 kg/uur |
| Balansarmen | 12 m lang, 10 ton zwaar |
| Waterpompen | diameter 1,85 m, slag 3 m |
| Opvoerhoogte | 5 m |
| Wateropbrengst | 64 m³/slag, 320 m³/minuut |
Statistieken (alleen voor de droogmaking)
| Totaal aantal pompslagen alle 3 gemalen samen | 14.004.032 | |
| Totaal uitgeslagen hoeveelheid water alle 3 gemalen samen | 831.839.510 m³ | |
| Totale kosten droogmakingsoperatie | ƒ 11.620.000 | |
| (af: totale opbrengst uit verkoop gronden | ƒ 7.972.400) |
