Inleiding
De industriële revolutie (ca. 1760-1820) werd misschien wel aangedreven door kolen, maar het was stoom die de kracht leverde. Mensen maken al duizenden jaren gebruik van de kracht van stoom, maar pas in de afgelopen 200 jaar zijn we er in talloze industriële toepassingen op gaan vertrouwen. Deze cursus kijkt naar de oorsprong van stoom, de theorie ervan (thermodynamica), de opwekking en toepassingen.
Geschiedenis
Het eerste gebruik van stoom werd enkele duizenden jaren geleden geregistreerd. Hero van Alexandrië creëerde een van de eerste stoomturbines in de 1e eeuw, maar het concept vond pas veel later in de 1800s toepassing.
Aeolipile (Hero Motor)
Bij het begin van de industriële revolutie ontwierp James Watt een zuigermotor die werd aangedreven door stoom; het ontwerp werd een stoommachine genoemd. De stoommachine werd op grote schaal toegepast en werd een van de meest iconische aandrijvingen van die tijd.
Boulton en Watt Stoommachine Tekening
Maar James Watt was niet de enige die de kracht van stoom gebruikte om nuttig werk te verrichten. Andere ingenieurs realiseerden zich al snel dat stoommachines voor een breed scala aan toepassingen konden worden gebruikt. Enkele toepassingen waren het aandrijven van spoorweglocomotieven, tractoren en schepen.
Stoomaangedreven Automobiel
Rond dezelfde tijd dat de toepassingen van stoom toenamen, leidden snelle vooruitgangen in elektrotechniek tot een sterke vraag naar aandrijvingen die konden worden gebruikt om de nieuwste wonder van de tijd te genereren... elektriciteit!
Stoomturbines bleken ideale aandrijvingen voor de nieuwe energieopwekkingsindustrie. Tegenwoordig wordt meer dan 80% van de elektriciteit in de wereld geleverd door stoomturbine-aandrijvingen.
Bijna alle aandrijvingen van de industriële revolutie werden aangedreven door stoom, en het waren ketels die die stoom leverden. Naarmate de toepassingen van stoom zijn gegroeid, zijn ook de hoeveelheid en ontwerpvariaties van stoomketels toegenomen. Vooruitgang in technologie en materialen heeft geleid tot steeds grotere aandrijvingen, wat heeft geleid tot een overeenkomstige toename in de grootte en kracht van stoomketels.
Stoom wordt in bijna alle moderne industriële processen gebruikt, hetzij direct in het proces, hetzij voor secundaire diensten zoals waterverwarming of ruimteverwarming. De volgende les bespreekt de belangrijkste toepassingen van stoom.
Toepassingen van Stoom
Stoom wordt voor vier hoofddoelen gebruikt:
- Verwarming – gesloten kringloop. Eenvoudig ontwerp. Lage drukken en temperaturen.
- Energieopwekking – systeemontwerpen variëren van eenvoudig tot geavanceerd. Breed scala aan drukken en temperaturen. Kan middelgrote tot zeer grote hoeveelheden stoom produceren.
- Industriële Processen – vergelijkbaar met stoomsystemen voor energieopwekking, hoewel er veel strakkere toleranties kunnen bestaan met betrekking tot de stoomkwaliteit. Stoomsystemen zijn vaak cruciaal voor het productieproces van de fabriek, d.w.z. geen stoom = geen productie.
- Mechanisch Werk – stoom kan -en wordt- gebruikt om pompen, compressoren en andere machinerie aan te drijven die mogelijk niet goed geschikt zijn voor een elektrische aandrijving of een ander type aandrijving.
Het is zeldzaam om een industriële fabriek te bezoeken die geen ketel ter plaatse heeft. Hoewel de toepassingen van stoom talrijk zijn, behoren ze over het algemeen tot een van de vier bovengenoemde categorieën.
Waarom Stoom?
De menselijke beschaving heeft energie nodig om te functioneren, veel ervan. Zonder energie zou het niet mogelijk zijn om water naar steden te pompen, elektriciteit naar huizen te leveren, auto's aan te drijven of gebouwen te verwarmen. Voordat energie door eindgebruikers wordt gebruikt, moet alle energie eerst worden opgewekt en naar het gebruikspunt worden overgebracht.
Elektriciteit is een voorbeeld van overgebrachte energie. Energiecentrales genereren elektriciteit door warmte, druk en/of kinetische energie om te zetten in elektrische stroom. Het omzetten van de oorspronkelijke energiebron in elektrische energie maakt het mogelijk deze gemakkelijk over grote afstanden naar het gebruikspunt over te brengen.
Stoom kan -en wordt- ook gebruikt om energie over te brengen, maar in tegenstelling tot elektriciteit brengt stoom warmte-energie over, en is het een vloeistof. Omdat stoom een vloeistof is en wordt gebruikt om energie over te brengen, wordt het een energievloeistof genoemd.
Een vloeistof heeft geen vaste vorm en geeft mee wanneer externe druk wordt uitgeoefend, d.w.z. vloeistoffen stromen gemakkelijk. Vloeistoffen kunnen een vloeistof of een gas zijn.
Een energievloeistof is een vloeistof die wordt gebruikt om energie over te brengen, meestal in de vorm van warmte (thermische energie), druk (drukenergie) en/of snelheid (kinetische energie).
Hoewel er andere energievloeistoffen beschikbaar zijn, wordt stoom beschouwd als 'de energievloeistof' en is het verreweg de meest gebruikte energievloeistof van vandaag. De redenen voor de populariteit van stoom zijn nauw verbonden met de eigenschappen van het water waaruit het is gemaakt. Water is:
- Overvloedig.
- Makkelijk toegankelijk (afhankelijk van geografische locatie).
- Goedkoop vergeleken met andere energievloeistoffen.
- Niet-toxisch.
- Makkelijk te transporteren, d.w.z. kan worden gepompt.
- Makkelijk te regelen, d.w.z. met kleppen enz.
Nadat water is omgezet in stoom, wordt het een energievloeistof met veel voordelige eigenschappen:
- Een bepaalde massa stoom kan vijf tot zes keer meer energie bevatten dan een equivalente massa water.
- Het kan efficiënt worden gegenereerd; veel ketels werken met >80% thermische efficiëntie.
- Het kan gemakkelijk worden gedistribueerd door een drukverschil in het stoomsysteem te creëren.
- Het is niet-toxisch en beschadigt het milieu niet.
- Het zal niet vonken, ontbranden of ontploffen (intrinsiek veilig).
- De hoeveelheid energie binnen het systeem kan gemakkelijk worden geregeld door de stoomdruk te regelen.
- De warmteoverdrachtseigenschappen van stoom zijn hoog.
Andere energievloeistoffen worden meestal alleen gebruikt als bepaalde variabelen het gebruik van stoom ongewenst maken. Bijvoorbeeld, thermische oliën (minerale olie) worden gebruikt om grote hoeveelheden warmte over te brengen bij zeer hoge temperaturen waarvoor stoom mogelijk niet geschikt is. Om veiligheidsredenen worden gebouwen vaak verwarmd met heet water ruim onder het kookpunt; de lagere drukken en temperaturen leggen ook minder druk op de leidingen en componenten van het systeem, wat hen een langere levensduur geeft.
Het Stoomsysteem
Het doel van stoom is om energie te transporteren van waar het wordt gegenereerd naar waar het nodig is, terwijl de energieverliezen die gepaard gaan met het transporteren worden geminimaliseerd. Om dit te doen, bestaan stoomsystemen uit vier hoofdonderdelen.
- Brandstofsysteem – levert chemische energie aan de ketel (of verbrandingsturbine als een warmteterugwinning stoomgenerator (HRSG) wordt gebruikt).
- Ketel – zet de chemische energie van de brandstof om in thermische energie.
- Distributie – transporteert stoom naar het gebruikspunt.
- Verzameling/Terugwinning – recupereert condensaat (water) uit het stoomsysteem en brengt het terug naar de ketel.
De bovengenoemde systemen vormen één basisprocescyclus:
- Generatie
- Distributie
- Terugwinning
- Herhaal
Energie wordt overgedragen aan de stoom tijdens de generatie. De stoom wordt vervolgens gedistribueerd naar het gebruikspunt waar een deel van de energie wordt overgedragen van de stoom. Het verlies van energie zorgt ervoor dat een deel van de stoom condenseert en condensaat vormt, dat vervolgens wordt teruggewonnen, behandeld en teruggebracht naar de ketel. Het hele proces is ontworpen op basis van energieoverdracht.
- Generatie – chemische energie van de brandstof overgedragen aan het water. Ketelwater kookt en verdampt vervolgens om stoom te vormen.
- Distributie – energie getransporteerd naar het gebruikspunt.
- Terugwinning – een deel van de stoom geeft energie af bij het gebruikspunt en condenseert om water te vormen.
- Herhaal – resterende energie binnen het condensaat teruggebracht naar de ketel.
Merk op dat in energiecentrales, een condensor kan worden gebruikt om de uitlaatstoom van een stoomturbine te veranderen in condensaat voordat het wordt teruggebracht naar de ketel.
Gerelateerde Online Technische Cursussen
Introductie tot Stoom, Ketels en Thermodynamica
Subkritische, Superkritische en Ultra-Superkritische Ketels
Warmteterugwinning Stoomgeneratoren Uitgelegd
Hoe Stoomturbine Condensors Werken
Hoe Kolen Gestookte Energiecentrales Werken
Aanvullende Bronnen
https://en.wikipedia.org/wiki/Steam
https://www.tlv.com/global/ME/steam-theory/principal-applications-for-steam.html
https://www.spiraxsarco.com/learn-about-steam/introduction/steam---the-energy-fluid
https://energyeducation.ca/encyclopedia/Steam