Werken met stoom

• thermodynamica
• Beroepsopleiding
• MBO
• Studiejaar 1

Werken met stoom

In deze lesstof worden de belangrijkste thermodynamische beginselen welke een rol spelen bij energieopwekking kort

behandeld.

In deze les zal "stoom" als energie drager centraal staan.

Hierbij wordt ruim inzicht gegeven in de energieomzetting processen welke in stoomturbines plaats vinden.

Algemene begrippen

Energie kan in verschillende vormen voor komen onderandere als: chemische energie, mechanische energie, thermische energie of kinetische energie.

Potentiële energie van stoom (temperatuur en druk ) wordt in een stoomturbine omgezet in kinetische energie in de  straalbuizen, deze kinetische energie wordt weer omgezet in mechanische energie via de loopschoepen.

1e hoofdwet

Wet behoud van energie

Volgens de 1e hoofdwet behoud van energie kan er geen energie verloren gaan en kan er geen energie uit niets ontstaan.

Het is wel mogelijk om de ene vorm van energie in een andere vorm van energie te laten overgaan.

Zo kan chemische energie worden omgezet in thermische energie (verbranding van brandstof) en kan mechanische energie omgezet worden in electrische energie (generator).

Bij al deze omzettingen geldt de wet van behoud van energie.

Dit betekent niet dat elke elke vorm van energie volledig in elke gewenste eindvorm kan overgaan.

Meestal is de omzetting onvolledig en bestaat de rest uit energie vormen welke minder of niet gewenste zijn.

Sankey-diagram

2e hoofdwet

De 2e hoofdwet schrijft voor dat het niet mogelijk is een kringproces te beschrijven  waarbij met slechts met behulp van een warmte bron, warmte in arbeid omgezet kan worden.

(beginsel van Kelvin)

Warmte kan alleen van een voorwerpmet hoge temperatuur naar een voorwerp met een legere temperatuur stromen.

Er zal altijd een 2e (negatieve) warmtebron noodzakelijk zijn om warmte af te voeren.

Deze warmte dient dan als "verloren" te worden beschouwd.

In de praktijk is gebleken dat het niet mogelijk is een gegeven hoeveelheid thermische energie volledig in mechanische energie om te zetten is.

Steeds zal, zelfs bij de meest ideale procesvoering een gedeel;te van dewarmte ongebruikt moeten worden afgevoerd.

Energie omzettingen vinden gecontroleerd plaats in specifieke apparatuur, bijvoorbeeld de verbrandingsmotor, gasturbine of een stoomketel-stoomturbine combinatie.

In dergelijke apparatuur veranderderen het gedrag en de eigenschappen en de gedaante van een bepaalde  stof (in dit geval de brandstof).

Om de verandering welke een bepaalde stof ondergaat te kunnen onderzoeken wordt een zogenaamd systeem gedefineerd.

Onder een syseem verstaat men en ruimtelijk begrenst gebied waarbinnen zich een stof bevindt en waarvan het gedrag en de eigenschappen onderzocht zullen gaan worden.

Alles wat zich buiten het systeem bevindt, wordt de omgeving genoemd.

Tussen het systeem en de omgeving bevinden zich de systeemgrenzen.

Bij systemen maakt men onderscheid tussen:

Gesloten systemen: de zelfde hoeveelheid stof blijft binnen de gestelde grenzen, dus er passeerd geen materie de systeemgrenzen.

Open systemen: er is een transport van stof over de systeemgrenzen aanwezig, dit kan zijn het systeem in of uit.

een warmtewisselaar is een voorbeeld van een :

open systeem

Door koppeling van open systemen kan weer een open systeem onstaan

Door koppeling van een aantal systemen kan weer een gesloten systeem ontstaan.

Bij voorbeeld een stoomcyclus (Rankine cyclus).

Waneer aan een willekeurig systeem energie in de vorm van arbeid en/of warmte wordt over gedragen, zal de toestand van het systeem veranderen.

Onder toestand verstaat men de waarde die bepaalde karakteristieke grootheden op het beschouwde ogenblik hebben.

Deze grootheden worden daarom toestandgrootheden genoemd.

De meest gebruikelijke toestandgrootheden zijn druk (P), temperatuur (T )Kelvin of  (t)Celcius en volume (V).

Behalve de toestandgrootheden welke rechtstreeks meetbaar zijn, komen er ook andere toestandgrootheden voor die hieruit afgeleid kunnen worden.

Bijvoorbeeld: inwendige energie (U), enthalpie (H) en entropie (S).

Deze noemen ze de afgeleidetoestandgrootheden, het zijn vooral deze 3 grootheden welke een in deze leerstof een grote rol spelen.

Dit houd in dat bij een gegeven begin- eindtoestand       (gegeven door bijvoorbeeld: p1, T1 en p2, T2) de verandering welke toestandsgrootheid ondergaat 

(bijvoorbeeld ∆V, ∆U of ∆H), niet afhangt van de wijze waarop het systeem van de ene in de andere eind toestand is gekomen.

Overigens kan de waarde van een toestandgrootheid alleen bepaald worden als er geen veranderingen meer optreden en er een thermodynamisch evenwicht is ontstaan.

Er zal daarom steeds worden verondersteld dat bij de toestandsverandering van een systeem de begin- en eindtoestand evenwichtstoestanden zijn.

In een gegeven evenwichtstoestand hebben de toestandsgrootheden altijd de zelfde waarde.

Enkele toestandsgrootheden kunnen we noteren met een hoofdletter (V, H, U, S).

Soms worden deze genoteerd met een kleine letter       (v, h, u, s).

Hierbij zijn de toestandsgrootheden gedeeld door massa (m), deze worden speciefieketoestandsgrootheden genoemd ;

Tot slot moet nog worden vermeld dat arbeid (W) en warmte (Q) geen toestandsgrootheden zijn. 

Om toestandsveranderingen n beeld te brengen maakt men gebruik van diagrammen waarop op beide assen toestandgropotheden worden uitgezet.

De toestand van een systeem dat in evenwicht verkeert,

kan hierin door een punt worden weergegeven.

Veel gebruikte diagrammen zijn het: p-V diagram, het  T-s diagram het h-s diagram en het p-h diagram.

Omzetten van energie

Het onttrekken van de in brandstof opgeslagen chemische energie geschiedt in de meeste gevallen door verbranding van brandstof ,waardoor warmte vrij komt.

Deze warmte die bij de verbranding ontstaat kan vervolgens direct of indirect voor een gedeelte worden omgezet in mechanische energie.

Er blijft altijd een hoeveelheid niet nuttige warmte over.

In de meeste gevallen is deze hoeveelheid zelfs groter dan de nuttige hoeveelheid warmte.

Uiteraard tracht men machines en installaties te ontwerpen  waarbij de warmte omzetting in mechanische energie zo gunstig mogelijk verloopt.

Als criterium hiervoor hanteerd men het zo genaamde 

Thermisch rendement :  

nth=​Q​​W​​=​toegevoerdeenergie​​nuttigeenergie​​

nth

Dit is per defenitie de verhouding tussen de verkregen arbeid (nuttige energie) en de hiervoor benodigde warmte (toegevoerde energie).

Om de verschillende verliezen die op treden nader te onderzoeken, kan men dit rendement splitsen en van onderdelen van het totale proces het rendement bepalen.

Bijvoorbeeld: verbrandings rendement (       ) en mechanisch rendement (        ) .

nth

nm

De directe omzetting van warmte in mechanische energie vindt plaats in verbrandingsmotoren zoals de benzine, gas en dieselmotor maar ook in gasturbines.

De chemische energie van de brandstof wordt in deze werktuigen direct omgezet in warmte.

Met een rendement van 20% tot 45%.

Deze manier van energie omzetting heeft veel voordelen onderandere, een gunstig rendement, dus een laag brandstofverbruik per geleverde eenheid van mechanische energie.

De gasturbine profiteert  niet van dit voordeel omdat de verbrandingtemperatuur door bijmenging van een overmaat lucht terug gebracht moet worden tot 1200˚C met een rendement tussen de 30% a 34%.

Onder bepalde omstandigheden is het mogelijk om dat krachtwerktuigen met indirecte energie omzetting een beter totaal rendement opleveren, in vergelijking met werktuigen met directe energie omzetting.

Bij indirecte energie omzetting wordt de chemische energie eerst omgezet in thermische energie in de vorm van stoom met een bepaalde druk en temperatuur.

Vervolgens kan deze energie worden omgezet in mechanische energie.

In dit soort gevallen  is een toomturbine smet zijn compacte bouw, eenvoudige bediening, weinig onderhoud, grote betrouwbaarheid en weinig brand /explosiegevaar het aangewezen werktuig om grote vermogens op te wekken.

De chemische omzetting

vindt plaats in de stoomketel

De turbine zet de potentiële

energie via kinetische energie

om in mechanische energie.

Eigenschappen van stoom

Voor we verder in gaan op de eigenschappen van stoom gaan we eerst de belangrijkste stoom begrippen behandellen:

Basis grootheid: Druk, Temperatuur, Massa,Warmtehoeveelheid.

Afgeleide grootheid: Soortelijke massa, Soortelijk volume,  Soortelijke warmte, Warmte inhoud, Enthalpie, Entropie.

Toestand van het medium: Water, Verzadigde stoom, Oververhitte stroom, Kookpunt, Natte stoom.

De grootheden waar deze begrippen in worden uitgedrukt zijn afgeleiden van het S.I. stelsel en worden uit gedrukt in:

Newton (N), meter (m), Joule (J) en Kelvin (K).

S.I. betekent: Systéme Internationale

d'Unités.

(Internationaal systeem voor eenheden)

           

Druk

De eenheid van druk is de kracht van 1 Newton (N) uitgeoefend op 1 vierkante meter en wordt Pascal (Pa) genoemd.

1 Pa = 1N/m2  

Omdat deze eenheid erg klein is voor praktische toepassing in de stoomtechniek, wordt gewoonlijk de bar als eenheid gebruikt

1 bar = 100000 Pa      10bar = 1000000 MPa

Bij drukken maakt men verschil tussen overdruk en absolute druk.

Als een druk wordt aangegeven in bar is altijd absolute druk bedoeld.

Overdruk is de druk ten opzichte van de atmosfeer of buiten druk.

Dit is de druk welke je gewoonlijk bij stoomketels afleest.

Is de ketel drukloos dan staat de meter op 0.