Winkler Prins Encyclopedie

Winkler Prins 1947

Gepubliceerd op 06-08-2022

Stoommachine

betekenis & definitie

is een krachtwerktuig, dat de energie, verkregen door het verbranden van brandstof, door middel van het stoomproces omzet in mechanisch arbeidsvermogen.

Het stoomproces verloopt in het algemeen in vier afzonderlijke werktuigen, de stoomketel, de stoommachine, de condensor en de voedingpomp, die tezamen door pijpleidingen zijn verenigd tot een gesloten geheel, waarin een bepaalde hoeveelheid water op de volgende wijze circuleert:

Het water wordt door de voedingpomp uit de condensor aangezogen en in de ketel geperst; het heeft aanvankelijk de temperatuur, die in de condensor heerst, d.i. de laagste temperatuur in het proces, het wordt echter vóór het in de ketel komt in voorwarmers, door middel van afgewerkte stoom en rookgassen, voorgewarmd tot ca de temperatuur in de ketel. In de ketel wordt, door verbranding van vaste, vloeibare of gasvormïge brandstof, warmte ontwikkeld, die door straling en convectie aan het water wordt overgedragen, waardoor dit overgaat in stoom van hoge druk en hoge temperatuur. Het eerste deel van het proces — de stoomvorming — is hiermede afgelopen. Als de stoom in de machine wordt geleid begint het omzetten van warmte in arbeid: de stoom expandeert onder het verrichten van arbeid, daar de uitwendige belasting van de machine weerstand biedt tegen de volumevermeerdering van de stoom. De druk en de temperatuur van de stoom dalen en er wordt een hoeveelheid warmte aan de stoom onttrokken, die aequivalent is aan de geleverde arbeid. Het warmte-omzettingsproces eindigt als de nog steeds droog verzadigde stoom de druk en temperatuur heeft bereikt, die in de condensor heersen; de expansie kan dan niet verder voortgaan omdat de stoom dan condenseert. Dit geschiedt in de bij de machine aansluitende condensor, waar de stoom het grote, nog resterende deel van de in de ketel opgenomen warmte, dat nu bij het condenseren van de stoom vrij komt, afstaat aan het koelwater, dat de condensor koelt. Deze warmte vloeit met het koelwater weg en gaat voor het stoomproces verloren. Het water, dat bij de condensatie van de stoom ontstaat, het zgn. condensaat, verzamelt zich onder in de condensor en wordt van daar opnieuw naar de ketel geperst om een volgende kringloop te ondergaan. Het beginsel van dit proces is in 1769 door James Watt uitgevonden en toegepast op een atmosferische machine van Newcomen. Uit dit eenvoudige pompwerktuig heeft Watt de dubbelwerkende zuigerstoommachine ontwikkeld, die een roterende as met constante snelheid in beweging kan houden. Deze machine, die in 1788 gereed is gekomen, was voorzien van een regulateur en vliegwiel; eenmaal op gang gebracht kon de machine aan zich zelf worden overgelaten, daar zij de grootte van de af te geven drijfkracht automatisch aan de belastingsveranderingen aanpaste.

De machine kon gebruikt worden voor het aandrijven van de werktuigen in textielfabrieken en machinefabrieken, en kon overal worden opgesteld waar water beschikbaar was en kolen konden worden aangevoerd. Zij bracht voor het eerst de vrije beschikking over grote hoeveelheden „onbezielde” energie. Een natuurkracht was dienstbaar gemaakt aan de mens.

De komst van de stoommachine heeft destijds een scheiding gelegd tussen het verleden en de komende duizenden jaren, waarin machinale hulpkrachten beschikbaar zullen blijven voor het grote, opbouwende werk, dat naar nieuwe, onbekende levensvormen blijft voeren.

De eerste machines van Watt werkten met een stoomdruk van 2 à 3 kg/cm3. Het kol en verbruik bedroeg 3,41 kg steenkool per paardekracht-uur. De stoomdruk is al spoedig opgevoerd tot 10 à 12 kg/cm3, veiligheidshalve is dit maximum gehandhaafd tot omstreeks het jaar 1910. Men heeft in de 19de eeuw voortdurend gewerkt aan de verbetering van de zuigerstoommachine. Door toepassing van compoundwerking, oververhitting van de stoom, verbetering van de stoomverdeling en van de condensatie en door aanpassing van de machines aan de eisen van de verschillende bedrijven, zijn de velerlei soorten zuigerstoommachines ontstaan, die tot in het begin van de 20ste eeuw de beweegkracht hebben geleverd voor alle fabrieken, mijnen, stoomgemalen, stoomschepen en treinen. Het brandstofverbruik was gedaald tot 0,58 kg/pkh; de machines liepen rustig en vrijwel geruisloos, in vele opzichten was een hoge graad van volmaking bereikt, echter kon de rotatiesnelheid van de as, met het oog op de heen- en weergaande delen in het drijfstang-krukmechanisme, niet hoger worden opgevoerd dan tot ca 350 omwentelingen per minuut.

De verdere ontwikkeling van de stoommachine is bepaald door de electrotechniek, die ca het jaar 1890 de centralisatie van de electriciteitsopwekking aan de orde stelde. De langzaam lopende zuigerstoommachine zou nooit kunnen voldoen aan de eisen, die de stoomcentrales moesten stellen: een stoommachine, die direct gekoppeld kan worden aan de as van de generator en bij een constant te houden snelheid, van ten minste 750 tot 3000 omw./min. toe, een groot vermogen kan leveren.

Vrijwel terzelfder tijd, dat dit perspectief zich opende, is het gelukt een stoommachine zonder heen- en weergaande delen te maken. In Zweden construeerde de La val in 1883 een stoomturbine, bestaande uit een schijf, aan de omtrek bezet met schoepen, waar een of meer vrije stoomstralen op werden gericht, die de schijf met de zeer hoge snelheid van 26 000 omw./min. en een omtreksnelheid van 400 m/sec. deden draaien en gelijktijdig werkte in Engeland Ch. A. Parson een stoomturbine uit, waarmede een geringere omtreksnelheid werd verkregen doordat de beschikbare drukval in een aantal trappen werd gesplitst. Nog andere bouwwijzen van stoomturbines zijn gevonden door Rateau, Zoelly, Curtis en Ljungström.

De in de stoom aanwezige energie wordt aan de stoomturbine op andere wijze overgedragen dan aan de zuigerstoommachine, waar de potentiële energie van de stoom direct in mechanisch arbeidsvermogen wordt omgezet als de in de cylinder heen en weregaande zuiger door de stoom wordt voortgedreven. De stoomturbine heeft geen heen en weergaande zuiger, het arbeidsproces speelt zich daar af in straalbuizen of in leidschoepen, die in het turbinehuis zijn bevestigd, in samenwerking met loopschoepen, die op een roterend loopwiel, of op een roterende trommel zijn aangebracht. De straalbuizen en leidschoepen zijn zodanig gevormd, dat de druk van de doorstromende stoom afneemt, doordat de stoom expandeert, terwijl de snelheid toeneemt. De met hoge snelheid uittredende stoomstralen komen nu in de loopschoepkanalen en moeten daar op bepaalde wijze van richting veranderen; de druk van de stoom blijft daarbij dezelfde, maar de snelheid neemt af en het verlies aan kinetische energie wordt aan de loopschoepen afgestaan. Ten gevolge van de straalbuiging ontstaat een omtrekskracht, die de rotatie van de turbine-as veroorzaakt en onderhoudt.

De turbines, waarin het arbeidsproces op deze wijze verloopt, worden gelijkdruk-turbines genoemd. De schoepen kunnen echter ook zodanig zijn gevormd, dat de stoom niet alleen in de straalbuizen expandeert, maar ook in de loopschoepkanalen en daar een reactiedruk op de schoepen uitoefent, die als omtrekskracht optreedt. De aldus gebouwde turbines worden overdruk-turbines genoemd, of ook wel reactie-turbines.

Een der platen geeft een turbine in geopende toestand weer; de kap is afgenomen en men ziet de rotor met het daaraan gekoppelde anker van de generator in de onderste helft van de turbo-generator rusten. Op de as van de turbine zijn tien loopwielen bevestigd, die in afzonderlijke kamers lopen, in elke volgende kamer heerst een lagere druk dan in de voorafgaande. De stoom stroomt in de richting van de as door de turbine, gaande van de kleine wielen met de korte schoepen naar de grote wielen met de lange schoepen. De doortocht door de opvolgende loopschoepkanalen wordt trapsgewijs groter, daar het volume van de stoom toeneemt tot bijv. het 400-voud van het beginvolume.

De turbine kan zowel stoom van hoge druk en hoge temperatuur verwerken alsook laaggespannen stoom. Gebruik makende van deze eigenschap zijn de grenzen, waartussen het arbeidsproces in de turbine verloopt, in de loop der jaren bij de achtereenvolgende uitvoeringen hoe langer hoe verder uiteen gelegd. In de moderne turbines begint het proces met stoom van (ten hoogste) 130 kg/cm en 560 gr. G en eindigt het bij een temperatuur van 15 gr. C in de condensor; het aantal trappen, waarin de drukval moet worden verdeeld, is dan zo groot, dat de turbine verdeeld wordt over twee of meer huizen, die in eikaars verlengde liggen en waarvan de assen aan elkaar worden gekoppeld. Op deze wijze kunnen machineeenheden worden gebouwd met vermogens van 50 000 tot 150 000 kW.

Kleine uitvoeringen van turbines worden in bedrijven toegepast waar veel stoom nodig is voor verwarming en de electrische stroom in eigen beheer wordt opgewekt. Naar de aard van het bedrijf, waar de turbine voor bestemd is, wordt zij geconstrueerd als condensatie-, tegendruk-, aftap-, mengdruk- en laagdruk-turbine. De scheepsturbines vormen een aizonderlijke groep.

Hoewel de voor een turbine benodigde stoom door een aantal ketels kan worden geleverd wordt er met het oog op de plaatsruimte, die de ketels innemen, naar gestreefd dit aantal te beperken en slechts één ketel per turbine op te stellen, zodat onafhankelijke eenheden ontstaan, bestaande uit een turbine-installatie met ketel. De ketel moet dan een grote capaciteit bezitten, nauwkeurig regelbaar zijn en verschillende soorten brandstof kunnen verstoken. In de loop der jaren zijn de ketelconstructie, de stooktechniek en de automatisering van het ketelhuis-bedrijf aangepast aan de hoge eisen, die de industrie, de scheepsbouw en vooral de electriciteitsfabrieken aan de kwaliteit en de economische productie van de benodigde stoom stellen.

De ontwikkelingsgang van de stoomketel laat een voortdurende toeneming zien van de capaciteit van de ketel; aanvangende met een productiecapaciteit van ca 20 ton stoom per uur, van 12 kg/cm en 310 gr. C, druk en temp., ca 1915, tot resp. 25 ton/h, 22 kg/cm en 350 gr. G in 1925; snel toenemend tot 120 ton/h, 40-100 kg/cm en 450 gr. G in 1935 en daarna nog stijgend tot 230 ton/h, 110 kg/cm en 510 gr. G in 1952, terwijl de grootste Amerikaanse ketels thans 600 ton/h leveren bij een druk van 135 kg/cm en een temp. van 570 gr. G.

De grotere capaciteit is ten dele verkregen door het vergroten van het roosteroppervlak en van de vuurhaard, belangrijker is geweest het verbeteren van de verbranding en van de warmte-overdracht in de ketel. De grote ketels worden met poederkool gestookt. Hierbij wordt de steenkool eerst tot een fijn poeder vermalen en daarna, met een luchtstroom, door een aantal pijpen in de hete vuurhaard geblazen, waar het poeder onmiddellijk ontbrandt en met een hete vlam verbrandt. Op deze wijze kunnen ook minderwaardige brandstoffen worden verstookt; er moeten echter uitgebreide inrichtingen worden aangebracht voor het vangen van de vliegas en het schoonhouden van de pijpen met roetblazers. De warmte-overdracht geschiedt gedeeltelijk door straling, gedeeltelijk door geleiding; door goede vormgeving van de vuurhaard is bereikt, dat een aanzienlijk gedeelte van het verwarmd oppervlak aan de straling wordt blootgesteld. In het bijzonder is dit het geval bij de stralingsketels.

In het ketelhuis speelt zich een belangrijk deel van het stoomproces af, tal van hulpwerktuigen zijn nodig voor de regeling van en de contrôle op het verbrandingsproces, het voorwarmen van het voedingwater, en van de verbrandingslucht, de verzorging van het ketelwater, het herverhitten en de regeling van de temperatuur van de stoom. Bij vele ketelinstallaties wordt het stoken automatisch geregeld. Het ketelhuisbedrijf is in zijn geheel hoe langer hoe meer verfijnd en op wetenschappelijke basis geschoeid.

Een moderne stoomketel met poederkool-stookinrichting is weergegeven op één der platen.

Nu de zuigerstoommachine slechts weinig meer wordt toegepast en de stoomlocomotief, althans in Nederland, tot de geschiedenis gaat behoren, zou men kunnen denken, dat de stoommachine heeft afgedaan en zijn plaats heeft geruimd voor de electromotor. Men moet echter niet uit het oog verliezen, dat in Nederland alle electrische energie voor de verlichting van onze steden en woonhuizen, zowel als voor de electromotoren, die de werktuigen aandrijven en de treinen voortbewegen, éérst door middel van het stoomproces uit brandstof moet worden opgewekt.

Blijkens een nota, die de minister van Economische Zaken in Nov. 1951 aan de Staten-Generaal heeft overgelegd, wordt het electriciteitsverbruik in 1956 geschat op 9 milliard kWh, waarvoor rond 10 milliard kWh geproduceerd zullen moeten worden.

De stoomturbines, die de electrische generatoren in de Nederlandse centrales aandrijven, zullen dan een vermogen moeten bezitten van 3,6 millioen kW en in dat jaar zal ca 4,5 millioen ton steenkolen door deze centrales moeten worden verstookt.

Aangezien tot dusver geen ander middel is gevonden om vermogens van deze grootte gecentraliseerd op te wekken uit brandstof, zal het stoomproces, zoals het zich in de grote turbogeneratoren voltrekt, waarschijnlijk nog lange tijd zijn betekenis behouden.

PROF. DR IR F. WESTENDORP

Lit.: Stoom, Handleiding voor het stoombedrijf, 9de druk, Uitgave van Krachtwerktuigen (Deventer, 1952); J. Muysken, Het voortbrengen van energie (Den Haag, 1946).