Stoom, wat is dat eigenlijk en wat doet dat,

Transcriptie

1 Stoom, wat is dat eigenlijk en wat doet dat, Om het eenvoudig te houden, Stoom is de transporteur van Calorieën, tegenwoordig Joules, deze calorieën worden door verbranding van brandstof, in ons geval steenkolen, vrij gemaakt, en in de vorm van warmte, overgedragen aan het ketelwater. Eerste zal het ketelwater verhit worden tot de temperatuur welke bij de heersende dampspanning(keteldruk) behoort, hierna zal het verhitte ketelwater omgezet worden in stoom. Belangwekkend; 1.Stoom heeft altijd dezelfde temperatuur als het water, waarmee hij in aanraking is. 2. Bij een bepaalde spanning van stoom behoort steeds een bepaalde temperatuur. Deze is hoger, naarmate de spanning hoger is(kookpunt) 1 VRIJE WARMTE: indien men 1 kg water van 0 C in een open vat tot het kookpunt(100 C) brengt, dan zijn hiervoor 100 calorieën nodig. Dit noemt men de vrije warmte, Vrije warmte is dus het aantal calorieën nodig om water tot het kookpunt te brengen. 2 GEBONDEN OF LATENTE WARMTE: Warmte die men toevoert aan water op het kookpunt opdat het water in stoom verandert. Hierbij blijft de temperatuur dus gelijk. Latente warmte treedt alleen op bij verandering van aggregatietoestand en hierbij wordt omgezet in arbeid 1. inwendige arbeid, voor het overwinnen van de kracht van samenhang der moleculen (cohesie), De inwendig gebonden warmte hebben de aantrekkingskracht van de stoommoleculen onderling overwonnen.

2 2. uitwendige arbeid, voor het volumevergroting. De uitwendig gebonden warmte verzorgen de volume vergroting. Deze warmte wordt in de cilinder in arbeid omgezet. Stoomwarmte = Vrije warmte + Inwendig gebonden warmte Totale warmte = Vrije warmte + latente warmte REGNAULT heeft proefondervindelijk het verband vastgesteld tussen de totale warmte, en de vrije warmte. W = totale warmte L = latente warmte t = temperatuur of vrije warmte Geldt bij 1 atm.: t = 100, W = 606,5 + 0,305 X 100 = 637 cal L = W t = = 537 cal Geldt bij 10 atm. t =180, W = 606,5 + 0,305 X 180 = 661 cal L = W t = = 481 cal Deze formule geldt tot 20 atm. Het volgende schema telt nu, 10 atm. is links, 1 atm. rechts, t kunnen wij met een thermometer meten, W en L zijn door Regnault bepaald. Totale warmte W I I Vrije vloeistofwarmte Latente warmte I inwendig geb uitwendig geb

3 Stoomwarmte Waarom is dit van belang om even te bestuderen, eenvoudig en alleen omdat men de machine wel een stoommachine noemt, maar de stoom gevormd voert alleen de calorieën naar de cilinders en daar worden de calorieën omgezet in energie, en in werkelijkheid is het dus een calorisch werktuig waar een gedeelte van de aangevoerde calorieën omgezet worden in arbeid. Vooral de uitwendig gebonden calorieën worden in arbeid omgezet, tevens wordt er in de LD cilinder een klein percentage stoom omgezet in water, waarbij dus inwendige warmte, calorieën vrijkomen welke in energie kunnen worden omgezet. Reken maar ruwweg dat er 40 cal. per kg stoom in arbeid worden omgezet. De rest gaat verloren aan begin condensatie en verdamping, zeg uitstraling etc. Oververhitte stoom verbetert het geheel wel, vooral indien deze stoom verhit d.m.v. een z.g. eco.(nomiser) Het ENTROPIE diagram. Mollier had in 1906 het diagram klaar. Met zijn studenten had hij jarenlang gezwoegd om het verband tussen water/stoom parameters zoals, druk, volume, Temperatuur, en warmte inhoud vast teleggen. In 1923 kreeg het diagram als eerbetoon de naam Mollier diagram. Dit diagram is nog steeds actueel. Wat biedt het diagram ons.? Het diagram biedt ons vooral inzicht in de warmte verandering gedurende b.v. expansie, de calorische waarde per toestand v.d. stoom, of water of water-stoom mengsel te bepalen, dus ook de opgenomen of geconsumeerde calorieën te bepalen. Dit zonder steeds

4 weer elk punt opnieuw te moeten berekenen, hetgeen nogal gecompliceerd en tijdrovend is en een goede kennis van wiskunde vereist. Hiervoor gebruikt men een segment uit het Enthalpie- Entropie diagram, dus een segment van het totale diagram. Het diagram zelf, is groot, en wordt verkocht in het formaat en materiaal van een zeekaart, waarvoor dus een tekentafel nodig is, maar per doelgroep zijn segmenten beschikbaar. Populair bij expansie machines is, detail Mollier diagram 1

5 Dit detail dekt het gebruik voor de zuigerstoom machines, de laatste machines, tijdens de 2 de wereldoorlog, en masse geproduceerd om de LIBERTY schepen voort te stuwen hadden een maximale werkdruk van 15 bar. Turbines werken bij een hogere druk, op schepen maximaal 34 bar, centrales gaan veel hoger, soms wel tot 220 bar. Thermodynamisch rendement, Is de verhouding tussen het geïndiceerde vermogen, en het ideale vermogen, dus met een tegendruk gelijk aan de einddruk, en geen schadelijke ruimten. Thermisch rendement, Is de verhouding tussen de totaal aangevoerde calorieën en de totaal benutte calorieën. Voorbeeld; Stoomverbruik verzadigde stoom 5kg per IPK van 12 bar, 5x663,7 Kcal.. Een IPK komt overeen met 632 KCAL. Hieruit volgt dan dat het Thermisch rendement 19 %. Dit zegt eigenlijk weinig over de het proces in de cilinder, de situatie in de cilinder. Daarvoor is het indicateur diagram geschikter, hierin kan men eventuele mechanische afwijkingen, afstellingen etc. uitlezen. En hieruit kan men ook het Thermodynamische Rendement uit berekenen. En hier komt het Mollier diagram in beeld, in plaats van berekeningen per situatie kan met het Rendement makkelijk aflezen. En, als men het Boulvin diagram gebruikt kan men het indicateur diagram omzetten in een Mollier diagram, dan worden alle functies zichtbaar, en ziet men eventuele mankementen. Nu eerst het dagelijks gebruik van het Mollier diagram,

6 Men gaat hieruit van punt A, verzadigde stoom van 12 bar, en laat deze expanderen tot 0,1 bar, punt B, nagemeten leest men dan een energie verbruik van 175 KCAL. Tevens leest men het damppercentage af, 88%, watergehalte 22%, per IPK wordt 5 KG stoom gebruikt,

7 Thermisch Dynamisch Rendement in dan 632/5x175=72% Nu zet men 72% van 175= AC af, trekt een horizontale lijn tot snijpunt 0,1 bar. Punt D. Hieruit volgt dat tgv. Allerlei verliezen, smoring, uittrede stoom etc. de entropie is toegenomen en het proces niet via A-B is verlopen doch via A-C, en het watergehalte slechts 13 % is, en geen 22%. Hoe nu deze verliezen zichtbaar te maken, daar komt het diagram van Boulvin aan te pas. Om de invloed van druken volumeveranderingen in het entropie diagram te kunnen aflezen is het eenvoudiger het TS diagram uit te breiden met PT diagram en een PV diagram. Deze diagrammen worden ieder in een kwadrant op een gewenste schaal getekend, de gegevens betrekken wij uit de tabel van Mollier. De twee loodrechte assen verdelen het vlak van tekening in 4 kwadranten. Het rechter boven kwadrant is het TS kwadrant. Het linker boven kwadrant is het PT kwadrant, het linker onder kwadrant het PV kwadrant. Door middel van de zo zichtbare kromme wordt aangegeven; 1. De water entropie 2. De verzadigde stoom entropie 3. De absolute druk 4. Het volume In het onderstaande, blanco, entropiediagram kunnen wij door projecteren van punten, lijnen en vlakken uit het PV kwadrant overbrengen in het TS kwadrant

8 Blanco Entropiediagram Boulvin

9 Volume A B geeft door projectie de verzadigde damp entropie A B Volume D-E de verzadigde damp entropie D E Volume H-I geeft door projectie de verzadigde damp entropie H-I Wordt het volume van 1 K.G.droge verzadigde damp isothermisch, dus op constante temperatuur door samendrukking tot b.v. het halve volume teruggebracht dan zal de damp-entropie ook de helft zijn van de droge verzadigde-damp-entropie. Dus: Punt C in de volume lijn A B geeft punt C in damp-entropie-lijn A B. zo ook voor punten F G H I. Ter toelichting, wij gaan uit van het PV diagram C-D-H-L-G-D trek nu vanuit punt A, dus ook van B en H verticale lijnen naar de P T kromme, en naar de P V kromme, B-E-I. Vanuit snijpunten met de P T kromme trekt men vervolgens horizontale lijnen naar het T S diagram hetgeen snijpunten A-B D-E H-I oplevert. Vanuit deze snijpunten trekt men dan lijnen verticaal naar beneden tot deze de horizontale lijnen vanaf de P V kromme, van b.v.de punten H I snijden, dit levert dus een rechthoeken b.v. H-H-H-H en I-I-I-I op. (Dit voorbeeld is duidelijk, hetzelfde geldt natuurlijk voor A-B D-E H-I). Men verbindt nu van de rechthoek de rechter beneden hoek I met de rechter benedenhoek H, dan snijdt men de horizontale lijn vanaf het P V diagram, eerst de lijn vanaf L basis PV diagram, dan de lijn van punt K, ook van het PV diagram. Vanuit deze snijpunten verticaal omhoog tot de temperatuurlijn H-L, en men vindt dan K-L. Zelfde geldt voor D en voor A. zodoende verkrijgt men een TS diagram, C-B-G-L-K-F-C, met een planometer kan nu de warmte inhoud berekend worden. Dit schept de mogelijkheid om aan de hand van b.v. een indicateur diagram de thermische verbruiken van de belangrijkste functies van de stoomverdeling te bepalen.

10 Bovenstaand diagram geeft een goed inzicht in het verlies veroorzaakt door de schadelijke ruimte, welke aardig overeenkomt met de rechthoek. De functies van de stoomverdeling zijn: toelaat, expansie, vooruitlaat, uitlaat, compressie en voor toelaat. Van elk dezer functies is een PV diagram te maken, evenals van de schadelijke ruimte en de VS toevoer leiding. indicateur diagram volgens Boulvin fig. 14 theoretisch

11 In het PV kwadrant van fig. 14 is een theoretisch volume drukdiagram aangegeven, zie 1, 2, 3, 4, 5 en 6. In het TS kwadrant wordt nu aangegeven door: Opp. A 1 A 3 2 B 1 de warmte voor arbeid beschikbaar gedurende de expansie: Opp. A 1 A de warmte gedurende de compressie in arbeid omgezet. Deze arbeid is echter tegenarbeid: Opp. A 2 A 1 2 B de warmte voor de arbeid beschikbaar, geleverd door de stoomketel gedurende de voor toelaat en de toelaat: Opp. 1, 2, 3, 4, 5en 6 warmte theoretisch in cilinderarbeid omgezet: Opp. 3 B 1 4 Het punt verlies n.l. de warmte welke nog in de afgewerkte stoomturbine benut zou kunnen worden. Overbrenging van het indicateur diagram in het PV kwadrant. zoals wij weten, worden de werkelijke drukveranderingen van de stoom in de cilinder en de werkelijke arbeid door de stoom in de cilinder verricht, aangegeven, aangegeven door het indicateur diagram. De oppervlakte van het indicateur diagram geeft de werkelijke arbeid van de stoom per as omwenteling, aan een zijde van de zuiger en per eenheid van zuigeroppervlak. Daarentegen moet het diagram in het PV kwadrant de arbeid per k.g. expanderende stoom geven. Hoe moeten we nu het indicateur diagram in het PV kwadrant overbrengen.? De lengte van het indicateur diagram stelt op zekere schaal voor, het cilindervolume per slag. In het PV kwadrant moet echter het cilindervolume per K.G. stoom worden opgetekend. Diameter D. Zuigerslag L in meters As omwenteling n per minuut Dan is: Cilindervolume in m 3 per uur=1/4 3,14 D 2x 2xLxnx60 Het aantal K.G. expanderende stoom per I.P.K./uur = x+ y, dus aantal K.G. expanderende stoom per uur = (x+y) I.P.K. Noem : Cilindervolume per K.G. expanderende stoom V 1, dan is V L =1/4x 3,14xD 2 x2xlxnx60/(x+y)i.p.k.

12 1. Zet af in het V P kwadrant, % schadelijke ruimte in als % van V L en vervolgens V L. Alles op de volume schaal van het P V kwadrant. 2. Trek in het indicateur diagram op gewone wijze deellijnen, Evenzo op het volume V L in het P V kwadrant. Teken vervolgens bij het indicateur diagram als absolute nullijn. 3. Teken zoals fig. 15 aangeeft, een rechthoekige driehoek, waarvan de rechthoekzijden zich respectievelijk verhouden als schaal indicateur diagram en drukschaal P V kwadrant. 4. Zet met punaises het indicateur zo vast als fig. 15 aangeeft en projecteer de drukken door de deellijnen van het indicateur

13 diagram aangegeven, eerst op de schuine lijn en vervolgens op de overeenkomstige deellijnen in het P V kwadrant. 5. Strook door de verkregen punten in het P V kwadrant een lijn, dan heeft men hierin het indicateur diagram verkregen voor 1 kg, expanderende stoom. Het indicateur-entropie-diagram. Heeft men het indicateur diagram in het P V kwadrant overgebracht, dan kan men de punten van dit diagram, op de reeds bij fig. 11 besproken wijze, overbrengen in het T S kwadrant. Hierdoor verkrijgt men het entropie diagram van het indicateur diagram. Steeds moet men de punten overbrengen, die de functies van de stoomverdeling aangeven. Ook moet men de tekening zeer correct uitvoeren. Fig. 16 geeft dit alles duidelijk aan.

14 Het analyseren van het entropie diagram van de warmte balans. Om nu de grote waarde van het entropie diagram voor de beoordeling van warmtewerktuigen te leren kennen is in fig. 17 vergroot weergegeven het gedeelte van het T S kwadrant, dat het entropie diagram bevat. Zie diagram hieronder,

15 dit diagram is dus van dezelfde enkelvoudige expansiemachine zonder condensor, waarvan de overbrenging bij fig. 15 en 16 is besproken. Dit entropiediagram is geheel geanalyseerd, waardoor de onderstaande uitgewerkte warmtebalans is verkregen. De warmteval door invloed

16 stoomtoevoerpijp wordt aangegeven door opp. I verminderd met opp. II n.l. de vrijgekomen warmte door invloed der werking. Opp. A B C D geeft dus aan de voor arbeid beschikbare warmte van de expanderende stoom (dus van x+y). deze warmte is dus 100%. Opp. III/ABCDx100 =% warmteverlies gedurende de toelaat (Stoom toevoerpoort en cilinder wand) Opp. II+IV/ABCDx100=% warmteverlies door begincondensatie. Opp. V/.ABCD x 100 =% warmte opgenomen door de cilinderwand. ( Eerste gedeelte van de expansie) Opp. VI/ABCD x 100 =% warmte afgegeven door cilinderwand. Na verdamping gedurende het verdere Gedeelte van de expansie, negatief verlies Opp. VII/ABCD x 100 =% warmte verlies gedurende de vooruitlaat. Opp. VIII/ABCDx 100 =% warmte verlies door invloed stoomafvoer Pijp Opp. IX/ ABCD x 100 =% warmte van de compressiestoom. (tegenarbeid) Opp. X/ ABCD x 100 =% warmte van de voor toelaat stoom. (tegenarbeid) Opp. XI/ ABCD x 100 =% warmte omgezet in cilinder arbeid. Totaal 100% Oppervlak H K M E S F B G geeft aan de warmte geleverd door de ketelstoom. Noem deze W, dan is Thermodynamisch nuttig effect = opp. XI/ Opp. W x 100. Helaas geldt dit alleen voor enkel werkende machines, of voor horizontale machines, indicateur diagrammen van verticale, dubbelwerkende machines worden zwaar vertekend door het gewicht van de bewegende delen, opp. verkleining t.g.v. drijfstang, versnelling door eindigheid van de drijfstang..

17