Voor elke stoommachine geldt, dat stoom een middel is om de bij verbranding uit de brandstof vrijkomende (thermische) energie om te zetten in mechanische energie. Parallel aan de evolutie van de stoommachine ziet men dan ook een explosieve ontwikkeling in de ketelbouw.
Newcomen gebruikte voor zijn atmosferische machine een eenvoudige ketel. De ui-vormige constructie was samengesteld uit geklonken koperen platen. De warmte van een uitwendig vuur werd zo goed mogelijk overgedragen aan het water in de ketel, door direct contact met de vlammen en door de rookgassen door gemetselde kanalen langs de ketel te leiden.
Trevithick streefde naar hogere drukken - vooral in verband met het geschikt maken van de stoommachine voor gebruik in voertuigen. Zijn kleinste ketels waren cilindrisch, uit smeedijzeren platen, met een gietijzeren inwendige U-vormige vuurgang. Het vuur lag in de vuurgang als het ware middenin het water en de warmteoverdracht was opvallend goed. De gemetselde rookkanalen konden vervallen - een fikse gewichtsbesparing. Voor de grotere (land) installaties bouwde Trevithick eerst lange cilinder-ketels, met ei-vormige einden en een buitenliggend vuur; later construeerde hij de Cornwall-ketel, een cilinder met vlakke eindplaten en een inwendige vuurgang tussen de eindplaten.
Extra warmteoverdracht werd weer verkregen door deze ketel in te bouwen, met rookkanalen in het metselwerk. Dit type ketel (en het nauw verwante Lancashire type, dat twee parallelle vuurgangen heeft) vindt men thans nog wel terug.
Cornwall ketels, brochure/prijslijst, Perran Foundry, Engeland, circa 1870.
Daarnaast kende men de bouilleur-ketels. Deze hadden een extern vuur, waarin zich een, twee of meer kookbuizen bevonden. Deze ketels werden eveneens ingemetseld.
In het Nederlandse fabrieksbedrijf werd in deze periode een zestal soorten stoomketels gebruikt. Elk type ketel had zijn specifieke voor- en nadelen. De keuze was belangrijk, omdat de economie van het stoombedrijf sterk benadeeld zou worden door een verkeerde keus.
Bij het kiezen van de meest geschikte ketel speelden tal van factoren een rol:
De meest eenvoudige ketels zijn de Cornwall-ketel en de Lancashire-ketel. In beide ligt het vuur in vuurgangen binnen de ketel. Daartoe is vooraan in de vuurgang een rooster gebouwd. Hierop onderhoudt de stoker zijn vuur. De rookgassen doorlopen de vuurgang van voor naar achter en worden dan aan de buitenzijde van de ketel nogmaals heen en terug langs de ketel geleid door kanalen in de bemetseling. Daarna gaan ze naar de schoorsteen.
Lancashire ketel met Gallowaybuizen in de vuurgang, Gebr. Stork & Co., 1904.
In veel gevallen verdient het de voorkeur stoom te drogen en een grotere warmte-inhoud te geven door hem heter te maken. Dit gebeurt in de oververhitter. Oververhitte stoom condenseert in de stoommachine minder snel dan verzadigde stoom en is in staat meer arbeid te verrichten. Bovendien is het brandstofverbruik kleiner.
Lancashire ketel met aangebouwde oververhitter. Gebr. Stork & Co., 1904.
De verticale ketel is qua opzet vergelijkbaar met de Cornwall-ketel. Hij wordt vooral in kleine ruimten toegepast. Zijn stoomproductie is relatief klein, zodat deze ketel alleen voor kleinere machines in te zetten is.
Verticale ketel met drie kookbuizen in de vuurhaard en demper in de schoorsteen. Gebr. Stork & Co., 1904.
De bouilleurketel, eventueel met vlampijpen, werkt met een extern vuur. Om voldoende warmteoverdracht te krijgen, zijn onder de eigenlijke ketelromp een of meer kookbuizen aangebracht.
Bouilleurketel met vlambuizen in de ketel en traprooster voor het stoken van gasrijke brandstof. Gebr. Stork & Co., 1904.
Latere modellen werden voorzien van vlampijpen in de bovenketel. Deze vormden een grote verbetering. De bouilleurketel heeft als voordeel een uitstekende watercirculatie in de ketel. Bovendien verzamelt slib en dergelijke zich in de kookbuizen, waaruit het makkelijk verwijderd kan worden. Een nadeel was de moeilijke constructie, die vaak aanleiding gaf tot lekkage. Er bestonden immers grote temperatuurverschillen tussen de bovenketel en de kookbuizen.
Een keteltype dat de voordelen van de Lancashire ketel met die van de bouilleurketel met vlampijpen combineert is de zogenaamde gecombineerde ketel. Een korte Lancashire ketel wordt voorzien van een bovenketel met vlampijpen. De rookgassen die uit de vuurgangen van de onderste ketel komen worden door de vlampijpen in de bovenketel naar voren geleid en dan langs de buitenzijde van beide ketels naar beneden naar de schoorsteen.
Gecombineerde ketel in dubbelopstelling. Gebr. Stork & Co., 1904.
Gecombineerde ketel in dubbelopstelling, met aangebouwde oververhitter. Gebr. Stork & Co., 1904.
Een werkelijk aanzienlijke vooruitgang werd geboekt door het introduceren van waterpijpketels. Een - niet te onderschatten - voordeel van dergelijke ketels is, dat ze bestand zijn tegen veel hogere stoomdrukken, zonder een navenant zwaardere constructie. In de eerste modellen, bijvoorbeeld die van Alban in 1855, fungeerden de waterpijpbundels nog voornamelijk als kookeenheden. Vanaf 1855 evolueren de waterpijpketels naar een geheel nieuwe vorm. De vuurhaard wordt geheel omgeven door schermen van pijpen. De grote water/stoom tanks worden vervangen door een of twee kleine collectoren. Een essentieel voordeel van dergelijke waterpijpketels is, dat ze geen uitgebreide bemetseling nodig hebben, dus snel opgestart kunnen worden. Anderzijds, omdat ze relatief weinig water bevatten, kunnen ze grote fluctuaties in het stoomgebruik niet volgen - hetgeen bij fabrieksgebruik soms problemen veroorzaakte. De waterpijpketel kan eenvoudig van een oververhitter worden voorzien.
Waterpijpketel met ingebouwde oververhitter en "wandelrooster" voor automatisch stoken. Gebr. Stork & Co., 1912.
Tot 1900 bleef steenkool verreweg de belangrijkste brandstof voor industriële stoomketels. Er konden wel brandwerken geleverd worden voor andere brandstoffen, zoals hout, turf en olie, maar deze vonden alleen daar toepassing waar (1) steenkool schaars en/of duur was en (2) waar goed brandbare afvalproducten van het normale prductieproces (zeer) ruim voorhanden waren - denk aan ampas in de rietsuikerindustrie.
Waar oorspronkelijk de vuren door een of meerdere stokers met de hand werden onderhouden, kwamen geleidelijk mechanische stookinrichtingen in gebruik. Gezien hun hoge kostprijs vond je dergelijke "wandelroosters" alleen in echt grote ketelhuizen.