Stoomwerktuigen en ketels

v •

HANDLEIDINGEN BIJ HET ONDERWIJS AAN DE TECHNISCHE

HOGESCHOOL TE DELFT ONDf:R REDACTIE VAN DE

CENTRALE COMMISSIE VOOR STUD!EBELANGEN

StooITlwerktl1igen en Ketels

DOOR

Prof. Ir A.

J.

TER LINDEN

I

(' L.)

~

/

Inleiding .

Eigenschappen van de stoom Schema van een stoominstallatie Warmteov'erdracht

Brandstoffen.

Verliezen bij

h~t

stookproces Stookinrichtingen ,

Stoomketels .

Appendages voor stoomketels

Het warmteproces in een stoomwerktuig Stoomdiagramm. . Zuigerstoommachines . Regulateurs Stoomverdelingsorganen Stoomturbines , Condensatie

Belangrijke data uit 'de geschiedenis van de stoomwer~tuigen

blz. '7 I 9 12 14 17

22

25

30

39

44

50 58 70 77

89

102 115

Literatuur.

I.

Stoomketels.

door: Ir D.

J

. Boks en Ir

L. H. v. d. Dey!, (3e druk). Deventer 1945. 11. Zuigerstoommachines Deel I en II

door: Ir L. Th. H. Hesselfeld, Deventer 1946. 111. Zuiger~Stoomwerktuigen.

door: Prof. Ir

G.

Brouwer, Nygh & van Ditmar's Uitgevers My., Rotterdam.

IV.

Handboek voor Werktuigkundigen.

door: Prof. Ir F. Westen dorp e.a., Amsterdam 1927.

V.

"Stoom" Handleiding voor het Stoombedrijf.

8ste druk 1947, DeveIlJter 1947.

VI.

Stoomketels.

door:

a. J. P. P. Morré en v. d.Kloet, Deel I en

11

.

b. J. P. P. Morré (alléén ).

VII

.

Stoomturbines. ,door: W . Moree.

VIII.

Steam and Gas Engineering.

Butterfield, Jennings and Luce. Uitgave: D. van Nostrand Cy, New Vork.

Bij deze handleiding behoort een map met tekeningen, die op de bibliotheek v'an de afdeling voor W. S. en

V

.

é;lan studenten die de cursus "Stoomwerk~ tuigen en Ketels" volgen, op vertoon van hun inschrijvingskaart wordt uitge~ reikt.

Inleiding.

Stoomwerktuigen.

Het stoomwerktuig behoort tot de calorische machines, die ten doel hebben de scheikundige energie van brandstoffen om te zetten in mechanische of electrische energie.

Ie

2e

Bij het stoomwerktuig wordt hierbij het volgende proces toegepast: verbranding in een daartoe geschikte stookinrichting, waarbij de ver-brandingswarmte der brandstoffen nagenoeg volkomen vrijkomt en

over-gaat naar de gevormde hete rookgassen;

het voeren van deze rookgassen langs het verwarmd oppervlak (V.O.)

van een stoomketel, waardoor uit het voedingwater van de ketel

ver-zadigde stoom wordt gevormd. Deze verzadigde stoom wordt in de regel

in een z.g.oververhitter door de rookgassen nog verder verwarmd t'ot oververhitte stoom. De druk van de geproduceerde stoom ligt boven de

atmospherische druk (bij moderne installaties bijv. 80-100 kgfcm2_); 3e door stoomleidingen wordt de, in de stoomketel geproàuceerde, stoon:

naar het stoomwerktuig (zuigermachine of turbine) gevoerd, waarin de

stoom expandeert onder het verrichten van mechanische arbeid; ,

4e de door de machine afgewerkte stoom van lage druk stroomt in de

regel naar een condensor, waarin een onderdruk heerst en waarin deze

stoom met behulp van koelwater wordt neergeslagen;

Se het condensaat wordt door een condensaatpomp uit de condensor ge-pompt en vervolgens (eventueel na het passeren van één of meer voe-dingwater-voorwarmers) weer door de ketelvoedingpomp in de stoom-ketel teruggevoerd, waarmede het kringproces voor de stoom gesloten is.

In

sommige gevallen, waar men niet over voldoende hoeveeTheden

koel-water voor de condensor beschikt (bijv. bij locomotieven) vervalt de con-densatie-inrichting en wordt de afgewerkte stoom direct in de lucht uitge-blazen.

Verbrandingsmotoren.

Naast het stoomwerktuig heeft zich de verbrandingsmotor ontwikkeld, die de chemische energie op een andere en meer directe wijze in mechanische

8

omzetten kan. Hierbij wordt lucht samengeperst en verhit. door directe ver-branding van ingevoerde brandstof (inwendige verver-branding).

Dom expansie van de hete verbrandingsgassen wordt mechanische arbeiá verkregen.

De vellbrandingsmotoren zijn vrijwel geheel aangewezen op vloeibare or gasvormige brandstoffen. Pogingen om motoren met poederkool te drijven hebben tot dusver geen voldoende resultaten opgeleverd.

Hete~luchtmachines.

Bij de hete-luchtmachines wordt de samengeperste lucht verhit in een luchtverhitter (te vergelijken met de stoomketel), die uitwendig door hete verbrandingsgassen verhit wordt. De verbrandingsgassen worden dus hier niet met de samengeperste lucht vermengd zoals bij de vellbrandingsmotoren het geval was.

De verwarmde samengeperste lucht verricht arbeid door éxpansie.

Zuigermachines ,en Turbines.

De expansie van de stoom bij de stoomwerktuigen, van de hete gassen bij de verbrandingsmotoren en van de hete lucht bij hete-luchtmachies, kan in zuigermachines of in turbines plaats vinden.

Bij de stoomwerktuigen worden voor grote vermogens bijna uitsluitend turbines toegepast, en is de zuigermachine vrijwel beperkt tot de meer een-voudige en kleinere stoominstallaties met stoom van niet te hoge druk.

Bij de verbrandingsmotoren is daarentegen de zuigermachine nog regel en komen gasturbines nog slechts spor~disch voor.

In de oorlog is vooral in de Zwitserse machinefabrieken veel werk aan de ontwikkeling van de gasturbines besteed. Men mag verwachten, dat gelijk dit bij de stoomwerktuigen het geval is geweest, ook bij de verbrandingsmotoren, de gasturbines op de duur de zuigermachines bij grotere vermogens zulien verdringen.

Ook de hete luchtmachines bevinden zich nog grotendeels in -het proef

-stadium. Bekend zijn de hete luchtmotor van Philips en de hete luchttur'hine van Escher Wyss (Zwitserland).

Voor~ en nadelen van het Stoomwerktuig.

1. In de stoomketel kunnen zowel vaste als vloeibare en gasvormige brand-stoffen met een hoog rendement (80-90 %) verwerkt worden, zodat,

ook al is het totale rendement van de gehele stoominstallatie betrekkelijk laag (15-30 %), m;en door het stoken van goedkope vaste brandstoffen tot een lage kostprijs van de geproduceerde mechanische en~rgie kan komen.

9

2. Door de toepassing van turbines is het mogelijk een groot vermogen per eenheid voor de machines toe te passen (100.000 kW en meer).

3. De installatie is bedrijfszeker en vereist bij een goede uitvoering weinig onderhoud.

Hiertegenover staan de volgende bezwaren:

1. De installatie is in vergelijking tot de verbrandingsmotoren gecompli~

ceerd. het gewicht per geïnstalleerde pk of kW is groot en de vereiste plaatsruimte eveneens.

2. Het rendement is betrekkelijk laag.

Voor machines zonder condensatie: 5-10

%

(locomotieven). Voor eenvoudige installaties met condensatie: 15-20

%.

Voor zeer moderne stoom installaties, werkende. met zeer hoge stooin~

drukken en stoomtemperaturen: 25-;-30 %

.

, Indien men naast "kracht" ook warmte nodig heeft, zoals in vele chemi~

sche bedrijven, papierfabrieken, bierbrouwerijen enz., dan kan men de afge~

werkte stoom van de machine voor deze verwarmingsdoeleinde benutten en de condensor geheel of grotendeels laten vervallen. In dit geval kan een veel hoger percentage van de in de brandstof aanwezige energie benut worden (50-75 %), en is een stoominstallatie dus zeer economisch (warmte~kracht

bedrijven) .

Toepassingsgebied.

In verband met de bovenstaande eigenschappen heeft het stoomwerktuig een bepaald toepassingsgebied gekregen en wel:

1. electrische centrales (grote eenheden, goedkope brandstoffen);

2. warmte~kracht bedrijven (hoog thermisch rendement, goedkope brand~

stoffen) ;

3. zeer grote schepen, doch ook kleine schepen, die goedkope kolen kun~

nen verstoken.

De verbrandingsmotor wordt algemeen toegepast bij vliegtuigen en auto's. Verder heeft de verbrandingsmotor een groot toepassingsgebied bij schepen en spoorwegen (dieseltreinen), terwijl ook bij verschillende kleinere station~

naire installaties van verbrandingsmotoren gebruik gemaakt kan worden. Eigenschappen van de (Stoom.

Bij verzadigde stoom is er een vaste betrekking tussen druk en tempera~

tuur, welk verband bij benadering voorgesteld kan worden door de formule: p

= (

1~0

r

p in kgfcm2, t in oe.

10

De juiste waarden vindt men in de zogenaamde stoomtabellen van Moliier, Calendar enz., welke op nauwkeurige physische metingen berusten.

In

deze tabellen vindt men tevens verschillende andere grootheden, die op de phy~

sische toestand van de stoom betrekking hebben en van belang zijn voor de berekening van stoom~inst·allaties. (Zie bijgaand kort uittreksel. tabel I).

TABEL I.

Druk Soort. Vol. in m3_{/kg Soort. Gew. in kg/m}3 _{Enthalpie in kcal/kg}

Verdamp.-in Temp. _Verz. warmte in

kg/cM2 _in

_oe

Vloeistof

I

_Stoom Vloeistof

I

Stoom Vloeistof

I

Stoom _kcal/kg

V' )I' y" W' W" absol.

_I

_V" r 0.1 45.4 000101 1'1,94 990 0.06692 45.4 6166 571.2 0.2 59.7 0.001016 7.794 983 0.12R3 59.6 622.8 563,2 0.6 85.5 0.COI032 2.785 968 0.3591 85.5 6335 548.0 1.0 99.1 0.001043 1.727 959 0.5790 99.2 638.9 5397 2.0 1196 0.001061 0.903 943 1.107 119.8 646.6 526.8 5 151.1 0.001092 0.3822 916 2.616 152.0 656.9 504.9 10 179 0.001126 0.1984 888 5.039 181.0 663.9 482.9 15 197.4 0001152 0.1345 868 7.437 200.6 667.3 466.7 20 211.4 0.001175 0.1017 851 9.83 215.7 669.0 452.7 25 222.9 0.0011952 0.0816 837 12.26 228.5 669.4 440,9 30 232.8 0.001214 0.06810 824 14.68 239.4 670.0 430.6 ~O 2492 0.001250 005085 800 19.66 258.2 669.2 411.0 50 2637 0.001283 0.04029 779 24.82 274.1 667.4 393.3 80 293.6 0.001374 0.02400 725 41.66 312.8 658.8 346.0 100 3095 0.001445 001840 692 54.35 334.4 651.2 316.8 150 340.5 0.001641 0.01058 609 94.53 383.9 6259 242.0 200 364 0.001978 0.00594 505 168.4 4423 582.9 140.6 225 374 0.00310 0.00310 322.6 322.6 515.5 5155 0

Naast de druk en temperatuur zijn in de.ze tabel o.a. aangegeven: het soortelijk volume V en het soort. ge\\". ï' van verz. stoom, de verdampings~

warmte r van water bij een bepaalde temperatuur of druk. de enthalpie of vormingswarmte van water en stoom van een bepaalde druk en temperatuur enz.

De enthalpie of vormingswarmte W van stoom of water kan men definièren als de warmte, die nodig is om uit 1 kg water van 00 _{C en een druk p kgfcm}2

,

stoom te maken van een temperatuur t en dezelfde .druk p. Deze enthalpie kan gesplitst worden in:

1 e. de warmte nodig om 1 kg water van 0° C tot de, bij de druk p beho-rende, kookpunt-temperatuur te verhitten (vloeistofwarmte) ;

2e. de verdampingswarmte r bij de druk p;

3e. de oververhittingswarmte nodig om de gevormde verzadigde stoom oij een druk p te oververhitten tot de gegeven oververhitte:S-~oomtemperatuur.

...

tI = temp. overv.stoom, cpw en Cp>; = gemiddelde soort. warmte bij de druk p van water en stoom, tk

=

kookpunttemp. bij druk p.

Uit p

=

f (t) voor verzadigde stoom of kokend water volgt, dat in een stoomketel uit de aflezing van de manometer de temperatuur van de stoom en van het water afgeleid kunnen worden, omgekeerd zou men uit een meting van de stoomtemperatuur in de ketel de druk kunnen afleiden. Dit alles is slechts jui~t. indien zich in de ketel geen noemenswaardige hoeveelheden lucht of andere gassen bevinden, hetgeen practisch aangenomen mag worden.

-In de condensor daarentegen kan} men de invloed van de lucht niet ver~ waarlozen en zal de druk dus niet direct uit de in de condensor heersende temperatuur afgeleid.,kunnen worden. Hier zal de totale druk de: som zijn van de partiële drukken van de verzadigde stoom en de lucht (Wet van Dalton).

Bij oververhitte stoom is -e~ geen direct verband meer tussen druk en tem~ \

peratuur; slechts kan men met zekerheid zeggen, dat de druk p kleiner zal zijn, dan de druk, die bij verzadigde stopm van dezelfde temperatuur zou behoTen.

Ondergekoelde stoom, d.w.z. stoom met een hogere druk dan bij verzal""' digde stoom, van gelijke temperatuur behoort, is in het algemeen niet be~

staanbaar, evenmin als oververhit water.

tlij stijging van de kookpunttemperatuur (of druk) neemt de verdampings-warmte af, om bij een temperatuur van 374° C (bijbehorende druk 225.2 kgfcm2 ) tot nul te dalen (kritische temp.). Bij deze druk en temperatuur 'gaat het water dus zonder toevoeging 'van warmte in stoom over. Water met een '~eratuur tw

>

374 °C is niet bestaanbaar. - - ~

Indien de stoom in een goed geïsoleerd stoomwerktuig, waarbij geen warmte naar buiten wordt uitgestraald expandeert, en daarbij mechanische arbeid verrich.t, zal volgens de eerste hoofdwet der thermodynamic'á, de ver~

tichte arbeid A gelijk zijn aan de afneming van de enthalpie van de stoom

tn de machine.

A = W _ W ~ (W,

=

enthalpie vóór de expansie van de stoom

1

2

(

(W_z

=

enthalpie van de afgewerkte stoom.

A, W ₁ en W ₂ zijn dan uitgedrukt in kcal; wenst men de arbeid in kg.m u:t te drukken, dan moet men A met het mech. war~teaequivalent (427) ver~ menigvuldigen .

Uitgaande van een bepaalde begintoestand van de stoom (PI' t

_1,

w

1

)

zal een stoomwerktuig een hoger rendement krijgen, naarmate een groter ge~

deelte van W 1 in arbeid wordt omgezet, dus naarmate W 2 geringer wordt .

. De laagste waarde, die W:;; bij een gegeven eind druk p;? zal kunnen bereiken, wordt verkregen bij een omkeerbare adiabatische expansie van stoom, d.w.z.

12

ee!l expansie zonder wrijvingsverliezen en zond~r warmteafgifte naar buiten. De waarde van W ₂ is bij een gegeven einddruk P₂ (condensordruk) afhan~

kelijk van de begintoestand (PI' tI' w_l). Het verschil A

=

W I - W 2 bij gegeven P₂ wordt groter bij verhoging van de druk PI en de temperatuur tI van de stoom vóór de machine. In moderne installaties streeft men dan ook naar hoge drukken en stoomtemperaturen.

Zelfs bij deze hoge PI en tI is de waarde van W 2 nog aanzienlijk, zodat in de gunstigste omstandigheden slechts een gedeelte van de ent~alpie W _J in arbeid omgezet kan worden.

Het thermisch rendement van het stoomwerktuig kan, indien

Wo

de en~ thalpie van het voedingwater voorstelt, zodat

W

I -

Wo

de in de ketel door de stoom opgenomen warmte aangeeft, uitgedrukt worden door:

Schema van een Stoominstallatie.

In bijgaand schema (zie fig. 1) zijn aangegeven: 1 e. de ketel met rooster, economiser en oververhitter.

De economiser of voedingwatervoorwarmer dient om een gedeelte van de warmte van de rookgassen, die de ketel verlaten, nog op te vangen en via het voedingwater in de ketel te brengen. Hierdoor zal in de ketel minder vloeistofwarmte aan het water toegevoegd behoeven te woràen.

5TOOMMACHINE

r = - h + - - I T l - - - - -AFTAP5TOOM

L

I

5UPPLETIEWATER

Fig. 1. Schema van een stoominstallatie.

-13

De luchtvoorwarmer (luvo), die voorbij de economiser in de gasstroom is ingebouwd heeft een soortgelijk doel. De rookgassen worden hier ge~ bruikt om de lucht, nodig voor ~e verbranding van de kolen op het

rooster, voor te warmen, zodat meer warmte aan de vuurhaard en ten slotte aan het water in de ketel wordt toegevoegd.

De door de ketel geproduceerde verzadigde stoom wordt via een af~

sluiter naar de oververhitter gevoerd, .waardoor de temperatuur stijgt en de enthalpie toeneemt.

De ove~itte stoom gaat naar de machine, die in het schema in een h,ogedruk en een lage.druk gedeelte is gesplitst gedacht. Deze machines drijven b.v. een electrische generator, die mech .. energie in electrische energie omzet.

De afgewerkte stoom van de lagedruk machine wordt naar de condensor gevoerd, waar deze tenslotte door het koelwater, da.t de condensor door~

stroomt, wordt neergeslagen.

De condensor heeft voor het in stand houden van het vacuum enige pompen nodig.

2e. een condensaatpomp, die het condensaat uit de condensor zuigt en via een voorwarmer naar de '/oedingwatertank perst.

3e. een koelwaterpomp, die het water uit het koelwaterkanaal zuigt, door de condensor perst en tenslotte naar het kanaal afvoert.

ie. een luchtpomp, die de lucht uit de condensor wegzuigt.

In de voorwarmer wordt het condensaat verwarmd door middel van stoom, die uit de machine is afgetapt ("bleeding").

Deze afgetapte stoom is slechts gedeeltelijk geëxpandeerd en heeft dus slechts een gedeelte van de arbeid verricht, die hij bij volledige expansie zou hebben kunnen verrichten. Dat desalniettemin dit aftapproces het rendement van de gehele installatie verhoogt, ligt daaraan, dat alle warmte in deze 'af~

tapstoom weer aan de ketel ten goede komt, terwijl bij de volledige geëxpan~

deerde stoom een belangrijke hoeveelheid warmte in de condensor met het koelwater wordt af.gevoerd. Evenals bij de z.g. "warmtekrachtbedrijven"

heeft de aftap~stoom een hoog rendement bij het kringproces dat deze in de machine doorloopt. Indien

W

~/ de enthalpie is van

1

kg afltapstoom dan wordt:

A

=

W 1 - W 2' en:

daar de in. de ketel toegevoegde warmte eveneens W 1 -

w

~/ is.

Theoretisch dus 100 % rendement van het kringproces.

In werkelijkheid zijn er verliezen in de ketel, de stoomleidiuçren enz. waar~

Het is voordelig om zoveel mogelijk stoom af te tappen; helaas is de hoe-veelheid warmte, die het voedingwater op kan nemen echter beperkt, zodat slechts een betrekkelijk gering percentage van de stoom afgetapt kan wor-den. Wordt bij een druk p/ afgetapt, dan kan men het voedingwater hoog-stens met deze aftapstoom verwarmen, tot een temperatuur t

2' behorende bij

de druk p/ van verzadigde stoom. .

Heeft het bedrijf nog behoefte aan andere verwarming, dan kan meer stoom door de leiding afgetapt en naar de betreffende verwarmingsapparaten ge-voerd worden.

Uit de voorwarmer stroomt het verwarmde condensaat naar de \TÇleding-tank van waaruit de voedingpomp het water door de economiser in de ketel pompt. Daar de kringloop door de machine hier en daar door lekkages wat water en stoom verloren kan gaan, moet de hoeveelheid water in de voeding-tank steeds aangevuld worden.

Voor deze aanvulling wordt chemisch onthard water of gedestilleerd water gebruikt, aangevoerd door de z.g. ~letie-Ieiding.

De chemische behandeling is nodig om de ketelsteen vormende stoffen uit het water te verwijderen, voordat dit in de ketel komt. De hoeveelheid sup-pletiewater is bij installaties in goede staat gering (1-3

%

van het voeding-water) .

'l

r

t

Warmteoverdracht.

De overdracht van de warmte van het vuur op de wanden van de ketel 1 geschiedt~oor straling en1door direct contact van de stromende hete gassen

\ met de wandf>n van de ketel.

De aan het keteloppervlak afgegeven warmte moet bij een stationnaire toe-stand in haar geheel dool' de ketelplaten geleid worden en aan de waterzijde van de platen aan het kokende water afgegeven worden.

Uit het bovenstaande volgt, dat men drie soorten van warmtetransport kan onderscheiden:

1 e. warmtestraling (een werking op afstand)

2e. warmteovergang van stromende gassen of vloeistoffen o~ vaste opper-vlakken (warmteoverdracht door convectie genoemd)

3e. warmtegeleiding

c!:.9s2r

een vaste stof.

Warmtestraling.

Volgens de wet van Stefan Boltzmann straalt en oppervlak F (m2 ) met een absolute temperatuur T een hoeveelheid warmte per uur uit:

/ '

Hierin stelt een coëfficient (stralingscoëfficient) voor, die bepaald wordt door het 0 ervlak van het stralende lichaam en een maximale waarde

Cz = 4,96 voor een z.g. zwart oRpervlak aanneemt. _ _ _ _

Deop een oppervla~allëiîde stralingsene-;g!e zal in het algemeen voor een gedeelte geabsorbeerd, voor de rest teruggekaatst worden.

De absorptiecoëfficient A van het oppervlak ge:eft aan, welk gedeelte van de stralingsenergie die het oppervlak treft, geabsorbeerd wordt (A

<

1). Hel gedeelte dat teruggekaatst wordt zal dus bedragen: (1 - A).

Voor een volkomen zwart oppervlak wordt A

=

1 en wordt dus alle toege~

voerde stralingsenergie door het oppervlak geabsorbeerd, niets wordt terug~

gekaatst.

Wel

zal dit oppervlak eigen stralings~nergie uitzenden volgens de wet van ~ Boltzma.!!!l.

Volgens de wet van Kirchhoff bestaat er een direct verband tus~n~e

absorptiecoëfficient A van een oppervlak en het stralingsgetal C: ...

C

A

=

C.

of C - A

CZ.

Het stralingsgetal C van een oppervlak is dus evenredi.g met de absorptie~

coëfficient A.

Daar de uitgezonden stralingsenergie evenredig is met de vierde macht van de absolute temperatuur van het stralende oppervlak zal bij hoge temp'eraturen, gelijk deze in vuurhaarden voorkomen, de warmteoverdracht door straling aan~ zienlijk zijn·.

Bij lagere temperaturen vermindert de stralingswarmte snel en zal de warmte~

overdracht door convectie van primaire betekenis worden.

lndien een oppervlak

F

met een stralingscoëfficient

C

en een absolute tem~

peratuur T geheel omhuld wordt door een veel groter oppervlak F 1 met een

,abs. temperatuur

Tl

>

~ dan bedraagt de warmteoverdracht van

F

₁ op

F:

Q

=

F . C.

~

(

~~)4

-

(-ifrt)4~

kcal/ho

lndien F₁

> >

F heeft de stralingscoëfficient van

PI

practisch geen invloed op Q.

Warmteoverdracht door Convectie.

Bij benadering kan de warmteovergang van een stromend medium (temp. tI) op een oppervlak van een vast lichaam met een temp. t₂ voorg~teld worden

.,..-16

waarin al' de _{zogenaamde "warmteovergangscoëfficient" voorstelt: die van} verschillende grootheden, als _{de gassnelheid, het s.g., de soortelijke warmte,} de viscositeit en de _{warmtegeleidbaarheid van de gassen afhankelijk is.}

De warmteovergang van de ketelplaten op het kokende water heeft volgens een _{soortgelijke formule plaats, waarbij echter de warmteovergangscoëfficient} Uz _{een geheel andere (veel grotere) waarde aanneemt dan}

a l'

Warmtegeleidi1ng.

Indien een plaat met een dikte d, en een warmtegeleidingscoëfficient _{Ä een} oppervlaktetemperatuur t₂ ann de ene zijde en een oppervlaktetemperatuur _ra aan de andere zijde _{heeft, dan zal de hoeveelheid warmte die per m}2 _{en per uur}

door de plaat stroomt gelijk zijn aan:

Warmtedoorgang.

We nemen aan, _{dat een kètelplaat, dikte d, enerzijds in contact is met gassen} (temp. tI) ander,zijds met wa'Îer (temp. t₄) en kunnen dan de warmtehoev~ei~ heid q die per uur en per m2 _{oppervlak van}

de plaat van het gas door de pIaat naar het w?ter getransporteerd wordt op drie verschillende wijzen uitdrukken, al naar gelang we de overgang van de warmte van de gassen op de plaat 1), de doorgang door de plaat 2), en de overgang van de plaat op het water 3). beschouwen.

1)

2) 3) q

=

al _{• (tl -- t2)} À q

=

cl

.

(t

2 - - t3)

ct

=

a2 •

(t

3 - - t4).

Door uit deze 3 vgl. t_{2 en ta te elimineren krijgen we:}

1

q

=

---_

1

+_1

+~

al _{a 2} It Je grootheid:

k

noemt men de warmtedoorgangscoëfficient of transmissiecoëfficient, _{deze is}

d.w.z. toestanden waarbij het temperatuurverloop niet met de tijd verandert. De waarde van k kan zeer verschillend zijn. Bij een stoomketel kan ,( ... 200 kcal . d h d 20 kcal . d I h vaneren van -t- 2

o

e

In . e vuur aar tot ca. ----Z-h

oe

In e uc. t

m.h. m . .

verhitter.

Bij een condensor worden nog aanmerkelijk hogere waarden van k bereikt (b.v. k

=

1000 kcal/m2. h. 0C).

Brandstoffen.

Voor ketelbedrijven komen in aanmerking:

a. vaste brandstoffen

hout en houtafvaI, turf {in Indonesië ampas), bruinkool ~n bruinkoolbriketten, steenkolen. b. vloeibare brandstoffen stookolie, teerolie. c. gasvormige brandstoffen cokesoveng as, hoogovengas.

Deze brandstoffen worden in de eerste plaats gekenmerkt door hun verbran-dingswaarde HB uitgedrukt in kcal per kg voor vaste en vloeibare brandstoffen

en in kcal per m3 _{voor gasvormige brandstoffen.}

Onder verbrandingswaarde (of bovenwaarde) verstaat men alle warmte, die bij een volkomen verbranding vrij komt, waarbij de verbrandingsgassen weer tot kamertemperatuur worden afgekoeld. De verbrandingswaarde kan in een "bom" van 12~elot bepaald worden. Hierbij zal de gevormde waterdamp dus weer condenseren

In

de praktijk wordt veelal niet met de verbrandingswaarde of bovenwaarde

gerekend, doch met de stookwaarde of benedenwaarde.

Onder deze stookwaarde verstaat men de verbrandingswaarde verminderà

met de verdampingswarmte van de waterdamp die bij de verbranding van 1 kg (1 m3

) brandstof is gevormd. Hierbij wordt deze verdampingswarmte gerekend

op 600 kcal per kg water.

Aangezien bij een stoomketel de waterdamp met de rookgassen ontwijkt en

niet condenseert, is deze verdampingswarmte steeds als verloren voor het stoombedrijf te beschouwen en geeft de stookwaarde de waarde van de brand

-stof Voor het practische stookbedrijf beter weer dan de verbrandingsw.3élfde.

18

Samenstelling van de Brandstoffen.

De vaste brandstoffen bevatten reinkooI. as en water.

De reinkool noemt men het as~ en watervrije gedeelte van de brandstof. Deze

reinkool bevat' de elementen C, H, 0 , S en N in de vorm van gecompliceerde'

chemische verbindingen.

De koolsto'\ komt slechts gebonden in de brandstoffen voor, niet als vrije

koolstof.

Á

Vloeibare btàA'dstoffen bestaan bijna geheel uit koolwaterstofverbindingen (C, H en 0) en een geringe hoeveelheid zwavel.

Cokesovengas met een stookwaarde van -+- 4000 kcal/m3 _{bevat 7-10}

%

.s::;Q,

49-55

%

H2' 27-32

%

CH4, 2-4 % CnHm,

2-

~%

_N2 e;

î

"

3

%

co>:. -

. -

-

-

-Hoogovengas met een stookwaarde van ± 1000 kcal/m3 _{bevat ongeveer:} 8.=-12 ~ CO;:, 56-60 % ~2' ~31 % CO en 2-4 %.

!:h

o

Men noemt dit gas arm, omdat de stookwaarde laag is.

Steenkolen.

Van de vaste brandstoffen is de steenkool het belangrijkst. Tijdens de ver~

branding zijn belangrijke verschillen te constateren bij verschillende soorten steenkolen. Deze verschillen worden veroorzaakt door de verschillende che-mische samenstelling van de reinkool en de as.

Verhit men steenkool onder afsluiting van de lucht (droge ~stillatie, gas~ fabrieken en cokesovens) dan ontwijken de vluchtige koolwaterstoffen (gas en teer) en blijft cokes over. Enige ste'enkoolsoorten worden tijdens de verbran~

ding plastisch en vormen samenhangende koeken. Men noemt dit bakkende kolen en spreekt van bakkend vermogen der steenkolen. Een indelin\:i van d~

steenkolen in verband met het percentage vluchtige stoffen geeft onderstaand staatje:

f

Anthraciet Magere kool

/ Esskolen (halfvet) Vette kolen Gaskolen Gasvlamkolen Zandkolen

%

VI. Stoffen 4- 8% 8-12% 12-18% 12-26% 26-32% 46-40% 40%

Geaardheid van de cokes

les (zanderig) gesinterd licht samengebakken vast samengebakken licht samengebakken gesinterd zanderig.

De gasrijke kolen ontsteken gemakkelijk en branden met een lange licht~

gevende vlam, de anthraciet en de magere kool branden met korte vlammen,

waarin veel blauwachtige CO~vlammen voorkomen. De niet bakkende steen~

brand~tofdeeltjes door de verbrandingslucht van het rooster worden wegge~

blazen en meegevoerd worden met de rookgassen.

De bakkende kolensoorten, die grote koeken op het rooster vormen, mo~ten tijdens het stoken telkens opgepookt worden, teneinde de koeken te breken en de verbrandingslucht een doorgang te verschaffen.

Zowel de bakkende als de niet bakkende kolen hebben dus bezwaren bij het

•

stoken. Door menging van beide soorten kan men tot een brandstof komen, die niet teveel vliegas geeft en niet teveel aan elkaar koekt.

Het verkregen mengsel heeft dus betere "stookeigenschappen" dan elk der samenstellende delen afzonderlijk.

Berekening van de verbrandingswaarde.

Indien de elementaire analyse van een brandstof bekend is, kan men de verbrandingswaarde en de stookwaarde berekenen.

We noemen van een brandstof:

A

=

% as,

W

=

%

water, R

=

%

reinkool dus A

+

W

+

R

Verder:

C, H, 0, S en N

100

%

de percentages koolstof, waterstof. zuurstof enz. van de reinkool zodat ook:

C

+

H

+

0

+

S

+

N

=

100

%.

Het percentage koolstof van de brandstof zal dus zijn:

R

.

waterstof: 100' H

%

enz. R

100

De totale verbrandingswaarde kan bij benadering gelijk gesteld worden aan de som van de warmtehoeveelheden, die vrij komen bij de verbranding der samenstellende elementen van de brandstof.

Nu neemt men aan, dat de in de reinkool aanwezige zuurstof gebonden is aan de waterstof. zodat dit gedeelte van de waterstof in de reinkool niet meer aan de verbranding kan deelnemen. Daar 8 delen zuurstof 1 deel water~

stof binden, zal

1~0' ~

%

waterstof reeds aan de zuurstof gebonden zijn. De "totale waterstof'·

~

. H kan dus gesplitst worden in:

100

I~O

.

~

%

"gebonden waterstof' en

1~0

. (H -

~)

%

"vrije waterstof", die nog verbranden kan.

Bij verbranding van 1 kg C komen 8100 kcal vrij. bij de waterstof be~ draagt de verbrandingswarmte 34000 kcal/kg, bij c:\e zwavel 2500 kcal/kg.

20

Uit een en ander volgt, dat de verbrandingswaarde Hb van de brandstof zal bedragen:

of

Hb

=

1~0 ~81

C

+

~40

(H -

~)

+

25 S

~

kcal (formule van Bunte)

De stookwaarde SB kan uit H s afgeleid worden door aftrek van de ver-dampingswarmte r = 600 kcal van de gevormde waterdamp.

~\

R \ 0 9H

t

W

SB= !OO (8lC+340(H-

₈

)+25S-600 . lOO~ - 600. 100'

TABEL 11.

SORTERING VAN STEENKOLEN NAAR DE KOURELGROOTTE. Stukkolen d > 80 mm nootjes I 50-80 mm nootjes II nootjes

III

30-50 mm 20-30 mm nootjes IV 10-20 mm nootjes V 5-10 mm fijnkool 0 - 5 Plm

slik (bezinksel uit het water van de kolenwasserijen is nog fijner dan fijnkool) .

TABEL 111.

GEGEVENS VOOR BRANDSTOFFEN.

I

n m3 _{n m}3 kcal SB LB VB Anthraciet 78eO 8,48 8,72 Cokes 7000 7.66 7.77 Magere kolen /600 8,03 8,34 'Gasvlamkolen 7300 7,65 7,84 Bruinkolen 2000 2,36 3.24 Turf 3500 3,77 4,17 Hout 3500 3.54 4,25

•

SB

=

stookwaarde in kcal. per kg brandstof

LB

=

theoretische luchthoeveelheid per kg brandstof in n m3 .

VB = gevormde gassen per kg brandstof in n m3 . CO2 max.

=

maximale CO2 percentage in 0/0' Yr

=

soort. gew. van de rookgassen VB iJ,J kg/m3•

CO2 max. % 19,25 20,25 18,75 18,7 20,6 1915 20.9 s. gew. rookgassen kg/mS Yr 1.37 1,39 1.33 1,37 1,23 1,38 1,31

.

21

Benodigde lucht voor de verbranding van 1 kg brandstof.

Uit de verbrandingsformule van koolstof

,

C

+

02

=

CO:.;

+

8100 kcal

volgt, dat 12 gewichtsdelen C: 32 gewichtsdelen

0

2

nodig hebben voor een volkomen verbranding; daa·r iucht 23 gewichtsprocenten (21 vol. proc.) zutlr~ .stof bevat is per kg

C

nodig: .

32 1 16k l ·h f 11,6

12 .

0,23

=

1, 9 uc t 0 1,29

(1 normaal m3 _(nm3_{) lucht weegt, 1,29 kg).}

~,9 nm3 luch~

Daar volgens de Wet van Avogadro een gram.mol. van verschillende gas-sen bij 0 °C en 760 mm druk een volume heeft van 22,4 dm3_{, zal bij de} ver~

branding van koolstof de gevormde CO₂ een even groot volume innemen als de oorspronkelijk aanwezige 0:;;. In de rookgassen zal inplaats van 21

%

°

~

nu 21

%

CO₂ aanwezig zijn. Deze 21

%

is tevens het maximale percentage CO:.;, dat in rookgassen, gevormd door de verbranding van C, aanwezig zal kunnen zijn:

CO_z max.

=

21

%.

\

Bij brandstoffen, die naast ~olstqLook waterstof bevatten, zal CO_z max.

<

21

%

moeten zijn, daar hier een gedeelte van de

0

-.:

uit de verbrandings~

lucht gebruikt zal moeten worden voor de verbranding van H, en er dus voor de

ç

minder dan 21 vol

%

02

overblijft. .. .

Voor gasrijke kolen wordt CO:.; max.

=

18-19

%,

voor stookolie in ver-band met het hoge H gehalte, slechts _t::--+- 15

%

.

I ..

Voor hoogovengas daarentegen met een hoog percentage CO, wç.ar bij ver~ branding uit één .mol. 0::;, 2 mol. CO~ ontstaan, kan CO_z max. +- 30

%

be-dragen.

Luchtovermaat.

In het practische stookbedrijf kéln geen volkomen ver'branding met de theo~

retisch benodigde luchthoeveelhe'id bereikt worden en is het r.oJdzakelijk een min of meer belangrijke luchtovermaat toe te voeren, teneinde een onvolkomen verbranding van C tot CO inplaats van tot CO~ te vermijden.

Bij n maal de theoretische luchthoeveelheid zal het percentage CO" in de rookgassen bedragen:

CO - CO2 _max

O

l

2 - n O·

Kent men van een bepaalde brandstof de waarde: CO~ max., en het CO2

percentage der rookgassen, dan volgt hieruit de luchtovermaat n en de hoe-veelheid verbrandingslucht en rookgassen per kg brandstof.

22 Voorbeeld:

Een brandstof (koolstof) wordt verstookt en geeft rookgassen met 12

o/

n

eo₂• Hoeveel lucht van 15 oe en 760 mm is per kg e nodig en hoeveel rook~

gassen van 1200 oe worden gevormd! .

Antw.: De theoretische luchthoeveelheid voor koolstof is 8,9 nma; UIt

e0₂

=

12

%

volgt daar e0₂ max.

=

21

%

21

n

=

12

=

1,75. De luchthoeveelheid bedraagt dus:

273

+

15

L

=

1,75 . 8,9 . 273

=

16,4 m3 _van

15 oe. De hoeveelheid rookgassen bij 1200 oe

v

=

1,75 . 8,9 . 273

t~

200

=

84 m3 _{van 1200 oe.}

Verliezen bij ,het 'Stookproces.

Bij het stookproces treden verschillende verliezen op die onderscheiden kun~

nen 'worden in verliezen door Q!lvolkomen verbranding, en in warmteverliezen

door l!.itstraling. v~n Yl1lJ(haard euejgl naar buiten en afvoer van .~armte met de hete rookgassen, die de ketel verlaten.

-1) verlies door onvolkomen verbranding van sintels, doorval en vliegas. De sintels, de door het rooster 'gevallen brandstofdeeltjes (doorval ) en

de vJiegas bevattende nog onverbrande kooldeeltjes (cokes) zodat niet

de volledige stookwaard~ van de brandstof vrij komt.

indien Ss de

stookwaar~e,

A het asgehalte van de brandstof voorstelt, en

As het asgehalte van de sintels enz., dan is: Hoeveelheid sintels per kg brandstof:

A

G

s

=

As kg.

Stookwaarde van deze sintels: (e~gehalte

=

100 - As) 100 - As

100 . 8100 kcal.

,

wordt dan:

W·

=L

(100 - As) 8100 100

=

81 . A(IOO - As}

.100°

/

0,

2) verlies door on verbrande gassen (CO).

Bij de verbranding van 1 kg C tot CO₂ komen 8100 kcal vrij. bij ver-branding tot CO slechts 2400 kcal.

Indien 1 kg C dus onvolkomen verbrandt. bedraagt het verlies 5700 kcaL Bedraagt het volume-percentage CO in de rookgassen CO %. het pre~ centage CO:; : CO)!

%

dan is het duidelijk dat CO mol. Convolkomen verbrand zijn tegen CO., mol.C volkomen.

Van alle

aanwe~ige

C

i~

het gedeelte: CO

CO + CO

2 onvolkomen verbrand.

Hieruit volgt per kg brandstof (C-gehalte

=

~

.

c

%

).

een verlies van: . 100

R C CO

100 . 100 .5700. CO + CO

2 kcal.

Dit verlies uitgedrukt in

%

van de stookwa~rde SB ~ordt:

_ R. C 5700 CO 100

₀

/

_

(

R.

C . 57 CO

0/

W2 _-

1002'~'

_{CO + CO}

2 • 0 -, SB . CO+C02

~

3) Schoorsteen verliezen.

Door de warme gassen. die de schoorsteen verlaten wordt veel warmte afgevoerd. Deze warmte is gedeeltelijk latente warmte. gedeeltelijk voel~ bare warmte.

De latente warmte hebben we reeds in rekening gebracht door van de

verbrandingswarmte de verdampingswarmte van de gevormde H.O af te

(rekken en met de stookwaarde te

r~kenen.

De voelbare warmte hangt af van de temperatuur en de hoeveelheid rookgassen per kg brandstof

en van de temperatuur der aangevoerde verbrandingslucht.

Zij t_s de temperatuur der rookgassen in de schoorsteen. t de temperatuur van de verbrandingslucht. dan' is bij het stoken van 1 "kg koolstof en na verwaarlozing van het verschil in soort warmte van CO_z en 0 Z' het ver~ lies als volgt te berekenen:

Hoeveelheid gássen per kg C: 8 9 3 CO2 max 8 9 nm3

n. , nm.J

=

CO

2

• •

temp. stijging: ts - t.

Soort. warmte per nm3 : Cp Afgevoerde warmte: CO₂ max

Ç

0

2 •

8,9 . (t

s - t) . Cp kbl per kg C. I

,

24 Verlies in' % van de stookwaarde SB:

tg - ~ CO2 max. 8.9 . Cp 100 0j

=

K tg - t 0j

CÜz

.

SB . 0 CO

2 0

waarin K

=

CO2 max. 8.9. Cp . 100

SB ,

Voor koolstof wordt K

=

21 . 8.9

81~61

.

100 0.71

K is een constante. die slechts afhangt van de samenstelling van de VQr~ stookte brandstof. Voor de verschillende steenkoolsoorten varieert de waarde van K van 0.65 - 0.75 zodat bij benadering het verlies wordt voor steenkolen:

W ₃

=

0.7 . t

C02

t

%

(formule van Siegert). Stralingsverliezen.

De verliezen door de warmteafgifte van het oppervlak van de ketel met bijbehorende vuurhaard varieren in de regel van

1-5

ra.

Bij grote. goed ge-isoleerde ketels worden de lage verliespercentages bereikt.

De som van de verliezen W t

=

W 1

+

W :?

+

W 3

+

Wol bepalen het ketelrendement

=

Dit ketelrendement kan ook op directe wijze uit de meting van de toege-voerde brandstofcal. en de in de stoom opgenomen cal. door middel van een stookproef bepaald worden.

Indien B het verstookte brandstofgewicht per uur voorstelt.

G

s de gepro-duceerde stoom. dan is:

_ Gs (Ws - Wo) 100

'YJ -

B.

SB . .

W s

=

en!thalpie van de stoom. Wo van het. voedingwater.

Voor het onderzoek van een stoomketel is het gewenst om het rendement

zow~l

langs de indirecte weg (bepaling van W ₁•

W

~

enz.) als langs de di-recte weg te bepalen. Is er overeenstemming in de gevonden waarden van I].

dan kan men tamelijk zeker zijn. dat de metingen juist zijn geweest.

De gevonden resultaten kan men samenvatten in een z.g. "warmtebalans" van de ketel. waarvan hier een voorbeeld gegeven wordt:

W

₁ =

4

%-W<.;

=

'0.5

%-W:l = 7

%-W

₄

=

-

-25

17 dir.

=

86

%

.

Waarschijnlijk rendement 1)

De overeenstemming is hier goed. Stookinrichtingen.

86,5

%

.

Vaste brandstoffen kunnen zowel op roosters als (mits fijngemalen tot poederkool) in branders verstookt worden.

Vloeibare en' gasvormige brandstoffen uitsluitend in branders.

Roosters.

Het meest eenvoudige rooster is de handstookimichting, welke nog bij zeer vele kleine stoomketels in gebruik is.

Hierbij onderscheiden we: het rooster bestaande uit gietijzeren rooster~

staven, aan het achtereinde begrensd en afgesloten door de vuurbrug, aan de voorzijde door het doodbed en de vuurdeur.

Handstookimrichting voor een vuurgangketel (zie fig. 2).

De verbrandingslucht wordt zowel onder als boven het rooster aangevoerd. De lucht onder het rooster (primaire lucht) doorstroomt de gloeiende brand~

stoflaag en zorgt in de eerste plaats voor de verbranding.

26

De lucht die boven het rooster toegevoerd wordt via de regelschuif in de vuurdeur (secundaire lucht) zorgt voor de verbranding van de brandbare gassen CO, CH₄ enz., die uit de brandstoflaag op het rooster opstijgen.

Wordt onvoldoende sec. lucht toegevoerd, dan is de verbranding dezer gassen onvolkomen en krijgt men zwart-rokende schoorstenen. Vooral v luch-tige-kolensoorten vereisen een belangrijke hoeveelheid sec. lucht voor een z.g. "rookvrij en verbranding.

Het afvoeren van de verbrandingsgassen geschiedt door de zuigende wer-king van de schoorsteen, die de gassen tevens langs het verwarmd opp. (V.O.) van de ketel voert. Voor zwaar belaste ketels is de schoorsteentrek veelal onvoldoende; in dezè gevallen past men een ventilator toe (zuigtrekventila-tor ), en spreekt men van kunstmatige trek in tegenstelling tot de natuurlijke trek, die door de schoorsteen geleverd wordt onder de invloed van de zwaart e-kraoht.

De aanvoer van de lucht onder het rooster kan eveneens met een ventilator geschieden, waardoor de mogelijkheid bestaat een zeer krachtige luchtstroom door het brandstofbed te voeren en veel kolen per m2 _{roosteropp. (R.O.) per} uur te verstoken, dus met een hoge roosterbelasting te werken. Een tweede voordeel van een dergelijke onderwindinstallatie is de verhoging van de druk in de vuurruimte boven de brandstof en in de gehele verdere ketelruimte.

Bij toepassing van onderwind-ventilatOlen kan men er voor zorgen, dat de druk boven het vuur ongeveer gelijk is aan de atmospherische druk, zodat ~e

luchtlekken van buiten naar binnen tot een minimum beperkt worden. Men noemt dit gebalanceerde trek; de onderwind-ventilator voert de lucht door de kolenlaag, de schoorsteen of zuigtrekventilator zuigt de lucht verder langs het V.O. van de ketel, oververhitter, economiser en luchtverhitter.

Ook bij gebalanceerde trek is het nodig,' dat in de vuurhaard een kleine onderdruk heerst (1 à 2 mm waterkolom), daar bij overdruk de vlammen tij-dens het openen van de vuurdeur naar buiten zouden slaan en de stoker brandwonden zou kunnen oplopen.

De capaciteit van het rooster en dus ook de stoomproductie van de ketel wordt bepaald door de grootte van het roosteropp. (R.O.) en de roosterbe-lasting, welke weer afhangt van de brandstofsoort en de sterkte van de onderwind.

Gemiddelde cijfers zijn voor de roosterbelastill'g:

Steenkolen Cokesgruis

Natuurlijke trek Onderwind

80-100 60- 70

130-150 kgfh.m2 90-100 kgfh.m2

De handstookinrichting is een eenvoudige en goedkope stookin.richting, die weinig onderhoud vereist en waarop ook asrijke kolen nog behoorlijk verstookt kunnen worden.

Het bezwaar is de geringe capaciteit en de kostbare bediening.

De capaciteit is gering, omdat de lengte van het rooster beperkt is, (hoog-stens 2,25 m) in verband met de werpcapaciteiten van de stoker, die ook het achterste gedeelte van het rooster goed moet kunnen bedienen, terwijl ook de hoeveelheid kolen, die de stoker per uur kan verwerken betrekkelijk gering is (200 à 400 kgjh).

Voor een ketel met een capaciteit van 100 ton stoom per uur zouden -+- 30 stokers tegelijk nodig zijn; bij continubedrij f, gelijk in een electrische cen~

traie, wordt dit bij een vierploegen'dienst

±

120 man per ketel. Bij ee,n auto~

matische stookinrichting bedraagt dit aantal 4 stokers in totaal voor de vier~ ploegendienst.

Tenslotte heeft het handr~oster nog het bezwaar, dat de gevormde sintels en slakken door de 'stoker met een z.g. "riek" uit het vuur gehaald moeten worden, daar anders de as zich op het rooster zou blijven ophopen en de luchtdoorgang belemmeren. Dit vuren schoonmaken is niet alleen een uiterst Warm en vermoeiend werkje, doch veroorzaakt ook telkens een stagnatie in het stookbedrijf en een tijdelijke achteruitgang van de stoomproductie.

Ralf~Automatlische Stookinrichtingen.

Uitgaande van de handstookinrichting zijn verschillende stookinrichtingen geconstrueerd, waarbij de stoker door een automatische schop (werpstoker ) vervangen wordt of de kolen door een ram of stootijzer op het rooster worden gebracht (Doby~stoker) (zie autografiën).

Bij deze stookinrichtingen wordt het schoonmaken der vuren nog met de hand verricht, zodat we van half~automatische stookinrichtingen kunnen spreken.

Voor werpstoker: zie auto.gr. Lancashire ketel met werpstoker. Voor Dobystoker: zie auto.gr. Cornwall ketel met Zuid~Nim isolatie.

Automatische Stookinrichtingen.

Voor grote ketels komen slechts geheel automatische stookinrichtingen in aanmerking.

De belangrijkste zijn: a: het kettingrooster,

b: de automatische traproosters.

In Nederland wordt op enkele uitzonderingen na het kettingrooster alge~ meen toegepast.

Voor de constructie van het kettingrooster zie autografiën: Babcock en Wilcox~ketel en Schelde~ Yarrowketel.

Bij het ketting rooster worden de kolen vóór het rooster in een kolenbunker aangevoerd. Het rooster, dat door een electromotor met tandrad~overbrenging

28

aangedreven wordt, neemt de kolen bij zijn beweging mede. Door een kolen~

regelschuif kan men de dikte van de kolenlaag regelen. De snelheid van het rooster is door middel van een gangwissel eveneens te regelen.

Stel dat w de snelheid van het rooster in mfh is, en H de dikte van de kolenlaag eveneens in m, dan zal bij een roosterbreedte b per uur verstookt worden:

Gk v: . b . H . "I st ton kolen per uur

"I si stapelgewicht van de steenkolen, d.w.z. het gewicht van 1 m3 opge~ stapelde kolen.

Is het verdampingscijfer van deze kolen m dan wordt per uur geproduceerd: Gs

=

m . Gk

=

m . w . b . H . Yst ton stoom/ho

Door de roosterbreedte b· groot te maken en de roosterlengte Leveneens zodat een dikke brandstoflaag H nog volkomen uitbrandt, kan een grote capa-citeit verkregen worden, tot 100 à 120 ton stoom per uur.

De kolen worden bij hun gang door de vuurhaard eerst verhit en ontstoken door de stralende warmte van de hete vlammen en door de hete wanden van de vuurhaard. De ontsteking plant zich voort van boven naar beneden in de kolenlaag. Is de gehele laag aangestoken dan heeft midden op het rooster een felle verbranding plaats. Tijdens de ontsteking vóór op het rooster ontwijken reeds de vluchtige stoffen in belangrijke mate. Voor de verbranding van deze koolwaterstoffen dient de secundaire lucht, die boven het ,rooster wordt inge~ .blazen (zie B. en W., ketel).

De snelheid w van het rooster moet in overeenstemming met de ontste~

kingssnelheid van de brandstof gekozen worden. De kolen behoren reeds direct na het passeren van de kolenregelschuif te ontsteken, geschiedt dE> ontsteking te laat, dan vormt zich vóóraan het rooster een niet-brandend ge-deelte, de temperatuur zal dan vóór aan het rooster nog verder dalen, de kolen ontsteken weer later .en tenslotte loopt het vuur weg en zou zelfs uit-gaan, indien men het rooster niet tijdig zou stoppen.

Nadat in het felbrandende middengedeelte van het rooster de kolen groten-deels uitgebrand zijn tot een asrijke cokes, brandt deze cokes op het achterste gedeelte van het rooster nog verder ·uit, totdat sintels met 85-95

%

as ver-kregen worden, die door middel van een gietijzeren afstrijkijzer van het rooster afgestreken worden en in de asbunker terecht komen.

De kooIdeeItjes, die door het rooster vallen, de zgn. doorval, bevatten in den regel nog een vrij hoog percentage brandbare bestanddelen (vóór meer dan achter) en worden in de meeste bedrijven afzonderlijk verzameld en weer verstookt.

De brandbare gassen, die van het voorste en middelste roostergedeelte opstijgen bevatten nog veel CO en andere brandbare gassen. Voor de naver~

branding van deze gassen is een hoge vuurhaard boven het rooster gebouwd,

waarin ook voor een goede gasmenging door de ingeblazen sec. lucht gezorgd moet worden (voor de verbranding zijn de zgn. 3 (s nodig, tijd, temperatuur en turbulentie).

Bij hoogbelaste roosters is de ruimte boven het rooster feitelijk belangrijker VOor een volkomen verbranding dan het rooster zelf.

De aanvoer van de primaire verbrandingslucht of onderwind geschiedt door onderwindventilatoren. Daar het middengedeelte van het Tooster méér lucht per m2 _{R.O. nodig heeft dan de begin- en eindgedeelten, is deze luchttoevoer. over}

de lengte van het rooster regelbaar en is het rooster in zgn. "zones" ingedeeld. Het kettingrooster kan 200-300. kg kolen per uur en per m2 _{R.O. maximaai}

verwerken. Bij de hoge roosterbelastingen treedt echter een sterke vliegasvor

-ming op, tengevolge van de krachtige luchtstroom door het rooster en het brandstofbed. Het moderne kettingrooster is bedrijfszeker, het .onderhoud is matig en het rendement is hoog.

Poederkoolstookinrichtingen.

Voor zeer grote ketels boven 100 ton stoomcapaciteit per uur wordt het roos':

teroppervlak te groot en past men bij voorkeur poederkoolbranders toe. Het poederkoolstoken is' omstreeks 1920 voor het eerst bij een grote ketel-installatie in Amerika toegepast en heeft al spoedig zij'n weg naar Europa gevonden.

Het p.k. stoken berust op een sterke verhoging van de verbrandingssnelheid

door het fijnmalen van de kolen. .

Stel, dat een kooldeeltje (nootje) met een middellijn van gemiddeld 10 mm gemalen wordt tot een fijn poeder met een diameter van 0,1 mm of 100 micron, dan ontstaan 1003 _{deeltjes'lieder met}

1~0

2

_{gedeelte van het oppervlak vàn het} oorspronkelijke kool deelt je. De totale oppervlakte van het poeder is nu door het malen 100 keer zo groot geworden. Daar de verbranding een oppervlaktE:

-verschijnsel is. kan men bij ruwe benadering aannemen, dat door het malen de verbrandingssnelheid 100 keer groter is geworden. Had het nootje op het rooster bv. 10 min. nodig voor verbranding, dan is deze tijd door fijnmalen tot 6 sec. terugge<bracht, waardoor de mogelijkheid geschapen wordt om het deeltje zwevend in de vuurhaard te verbranden. Behalve de mogelijkheid zeer grote ketels (500 tonjh) te gebruiken, zijn er aan het poederkoolstoken nog enige

voordelen verbonden:

1 e. geen bewegeri"de delen in het vuur, hetgeen het onderhoud ten goede komt. 2e. de mogelijkheid zeer warme verbrandingslucht te gebruiken;

30 Bezwaren zijn:

1 e. de grote hoeveelheid vliegstof, die bij het stoken gevormd wordt en moei~ lijkheden in de omgeving veroorzaakt.

2e. de maalkosten; het malen van de kolen vereist een aanzienlijk electrici~ teitsverbruik (10-20 kwh per ton kolen) en een kostbare installatie.

3e. Het rendement van de ketel is tengevolge van de vliegasverliezen iets

-lager dan bij kettingroosters.

Er zijn twee systemen voor poederkoolstoken.

a. het centrale maalsysteem. Hierbij wordt de steenkool, nadat deze ont~ ijzerd is, in drogers gedroogd en daarna in speciale molens gemalen.

De gehele installatie is in een speciale fabriek ondergebracht buiten het

ketelhuis. De gemalen kool wordt in bunkers verzameld en kan door een zg.

stofkoolpomp (systeem Ful1er~Kinyon) naar de bunkers in het ketelhuis

gevoerd worden. Vanuit deze bunkers wordt de poederkool naar de branders

gevoerd.

Bij dit systeem ,dat duur is in aanschaffing, kunnen zowel de molens als de

branders steeds op de meest gunstige wijze belast worden, daar in de bunkers steeds mogelijkheid bestaat om poederkool op te slaan; dit in tegenstelling met

het, hierna te noemen eenheidssysteem.

b. het eenheidssysteem. Bij het eenheidssysteem wordt in één molen, die steenkolen en warme lucht gelijktijdig toegevoerd krijgt, de kool ontijzerd,

gedroogd' en gemalen en daarna direct naar de branders gevoerd. De belas~ ting van de molen moet zich dus steeds geheel aan ~e belasting van de ketei

aanpassen. Het systeem is eenvoudiger dan het centrale maal systeem oE

bunkersysteem, doch minder bedrijfszeker, daar bij een defect van de molen

de kolentoevoer naar de bunkers direct stop staat. Teneinde de bedrijfs~

zekerheid te verhogen past men meerdere molens per ketel toe hetgeen echter

weer extra kapitaalslasten meebrengt.

Stoomketels.

Afhankelijk van de costructie kunnen we onderscheiden: a. vuurgang~ketels (Lancashire en Cornwall~ketels); b. vlampijp~ketels, ook gecombineerd met vuurgangketels; c. waterpijp~ketels.

De twee eerste keteltypen zijn de oudste en worden voor lagere drukken ·nog

veel toegepast. Ze hebben een grote wateririhoud, waardoor ze minder gevoelig

zijn voor schommelingen in de stoom productie, doch tevens veel warmte CiCCU~ muleren, waardoor het opstoken veel tijd en brandstof kOost.

Lancashire~ en Cornwal1~ketels.

Oe Lancashire- en Cornwall-ketels bestaan uit een cilindrische ketel, waari.n bij de Cornwall-ketel één vuurgang bij de Lancashire~ketels twee vuurgangen zijn aangebracht (zie autografiën). De gassen, die op het rooster in de vuur~ gang ontwikkeld worden, doorlopen deze vuurgang en strijken vervolgens langs één zijde van de ingemetselde k-etel naar voren om dan weer langs de andere zijde teruggevoerd te worden naar de schoorsteen.

De ketels zijn eenvoudig, goedkoop in aanschaffing en onderhoud, inwendig goed toegankelijk en gemakkelijk van ketelsteen te reinigen.

Bezwaren 'zijn:

1 e. de zeer grote plaatsruimte in verhouding tot de stoomcapaciteit;

2e. de gebrekkige koeling van de rookgassen doordat de dikke, langzaam stromende gaslagen het keteloppervlak onvoldoende raken en hun warmte slecht afgeven.

3e. de betrekkelijke lage druk (+ 18 kgJcm2 _{max.) waarvoor de ketels ge~}

bouwd kunnen worden;

4e. het roosteroppervlak, dat in de vuurgangen ondergebracht kan worden, is betrekkelijk gering, zodat ook de capaciteit van de ketel beperkt is. De ketels worden tot ca. 120 m2 _{V.O. gebouwd, waarbij een maximale} stoomproductie van 3-4 ton/h verkregen wordt.

In

de laatste jaren hebben sommige ketelfabrikanten het laatste gedeelte Van de vuurgang voorzien van waterpijpen, waardoor de gassen <beter gekoeld kunnen worden en de ketel bij gelijke capaciteit korter getbouwd kan worden. Het metselwerk is een bron van verliezen, doordat steeds scheuren optreden, waardoor koude lucht naar binnen gezogen wordt. Velen zijn van mening, dat men beter dit metselwerk achterwege kan laten en de gassen na het ver~ laten van de vuurgangen direct via een economiser naar de schoorsteen kan afvoeren.

De hoofdafmetingen van een Lancashire~ketel volgen uit enige praktijk formules:

ketelmiddellijn 0

=

0,24

V

V.O. m.

V.O. = "Î' L.O. mS _{L = lengte van de ketel in m.}

V.O.

=

(30-40) R.O. middellijn van de vuurgang d d

=

0,5 0-0,25 m.

V.O. := verwarmd oppervlak in m2

, R.O. Roosteroppervlak in m2•

Vlampijpketels.

Vlampijpketels worden toegepast bij schepen (Schotsche ketel), locomo~

tieven en locomobielen. Ze nemen voor eenzelfde capaciteit veel minder plaats~

32

gassen, die bij het stromen door de vlampijpen in dunne lagen verdeeld

worden en dus meer gelegenheid hebben om hun warmte aan het ketel V.O.

af te geven. Het gewicht per kg geproduceerde stoom is eveneens veel geringer,

dan van de vuurgangketels, waardoor mogelijkheid van toepassing op schepen en locomotieven geschapen wordt.

De Schotsche ketel is lange tijd de meest toegepaste stoomketel voor schepen geweest en wordt nu nog algemeen voor kleine stoomschepen toegepast.

Zoals uit fig. 3 blijkt, bestaat de ketel uit een grote cilindrische ketel

(mid-dellijn

4-55

m) waarin in de regel 2 of 3 vuurgangen van geringer lengte zijn ondergebracht.

, VEILIGHEIDSTOEST L

ANGAT

t

LANGSST,,"-UNEN

Fig 3. Schotse Ketel.

+

-

,

-VLAMKAST

-

,- +

+

-

,

.

De gassen, die de vuurgangen verlaten; komen in een z.g. vl?mkast (één

afzonderlijke vlamkast voor elke vuurgang ) en strijken vervolgens door een

bundel vlampijpen, waarin zij hun warmte behoorlijk kunnen afstaan.

Na het verlaten van de vlampijpen worden de gassen door een schoorsteen

afgevoerd; bij meer economische installaties worden deze gassen echter nog

door een luchtverhitter gevoerd en benut voor het verwarmen van de onder-wind.

Economisers worden op schepen in het algemeen niet toegepast.

De Schotse ketel is compact en heeft een vrij goed rendement (

±

70

%).

De

vlampijpen vereisen. nógal veel onderhoud door het lekken van di ~verbin­

reizen de pijpen na gewalst moeten worden of soms geheel vernieuwd. De ketel is niet geschikt voor hoge àruk, in verband met de grote middellijn van de kete.lromp, die dan zeer zwaar (grote plaatdikte ) zou moeten worden.

Ook het gehele binnenwerk, dat tengevolge van de uitwendige druk de

neiging vertoont om samengedrukt te worden is ongeschikt voor hoge stoom~

drukken. Reeds thans kost het bij stoomdrukken van -+-

fs

kgJcm2 _overdruk

moeite om de vlakke wanden van de vlamkasten en de vlakke vóór~ en achter~

tronten van de ketel voldoende te ondersteunen.

De vlakke wanden van de vlamkasten enz. worden gesteund door z.g. steunbouten, brugsteunen op de topplaten yan de vlamkasten; steunpijpen (dat zijn vlampijpen met een grotere materiaaldikte, die niet slechts ingewalst doch ook in de platen geschroefd zijn) en ten slotte steunstangen boven in de ketel

tussen voor~ en achterfrontplaat.

Het aanbrengen van een oververhitter is bij de Schotse ketel minder een~

voudig, daar de vlamkast, de meest geschikte plaats hiervoor, weinig toe~

gankelijk is. Men past hier evenals bij locomotieven een vlampijpoververhitter

tOl! (Schmidt), welke bestaat uit oververhitter~pijpen van geringe diameter ge~

plaatst in de vlampijpen.

Op deze wijze is echter slechts een geringe oververhitting te bereiken. De Schotse ketel heeft een V.O. (capaciteit) dat practisch evenredig is met de inhoud (plaatsruimte van de ketel).

V.O. = 3,3.02 • L

terwijl bij de Lancashire~ketel het V.O. evenredig is met het grondvlal~

V.O. = 4. L . D.

Toch is ook bij de Schotse ketel het ge\vicbt per m2 _{V.O. nog aanzienlijk}

en bedraagt dit

±

200 kgJm2 _{V.O.; terwijl dit bij moderne waterpijpketels}

niet meer dan

±

SO kgjm2 _bedraagt.

In de laatste tijd is door enige fabrikanten de Schotse~ketel verbeterd en

heeft men de ingebouwde vlamkast vervàngen door een stelsel waterpijpen. Waterpijpketels.

Bij deze ketels wordt de stoom vrijwel geheel geproduceerd in bundels

waterpijpen, waaromheen de

verbrandingsg~ssen str~men.

'

Daar de pijpen een betrekkelijk geringe diameter hebben (40-10Ó mm)

kunnen ze gemakkelijk voor hoge stoomdrukken ingericht worden. de mate~

riaaldikte ; t

=

d

2·P., Ot

~

toe te laten trekspanning (= 800 kgJcm

2_{) blijft}

Ot

beperkt ook bij zeer hoge drukken p. Waterpijpketels zijn ook bij hoge drt1k~

ken als veilig te beschouwen, daar bij het openspringen van een waterpijp

de stoom slechts door openingen van betrekkelijk geringe afmetingen kan Ult~

etromen en geen grote explosies kan veroorzaken. Dit in tegenstelling met

34

vuurgang~ en vlampijpketels, waar door het openscheuren van een wand alle in de ketel opgezamelde energie plotseling vrij komt en grote verwoestingen kan aanrichten.

Het mengsel van stoom en water, dat bij een waterpijpketel in de pijpen gevormd wordt, moet naar een ruimte (verzamelketel of drum) gevoerd worden, waar de gevormde stoom zich van het water kan scheiden. De stoom wordt dan via een oververhitter naar de machine gevoerd, het water gaat weer terug naar de ketelpijpen voor verdere stoomproductie.

Deze circulatie van het water door de ketel is van groot belang voor d~ goede werking. Bij een gebrekkige circulatie zullen sommige ketelpijpeu te weinig water kunnen krijgen, waardoor oververhitting van het materiaal en lekspringen van de pijpen op kan treden.

Een ander gevolg van onvoldoende watertoevoer door gebrekkige circuiatie is het z.g. "opkoken" van de ketel, waarbij het waterniveau in de verzamel~ ketel verdwijnt en met de stoom grote hoeveelheden water door de over~

verhitter in de stoomleidingen en machines kunnen stromen en deze kunnen beschadigen (waterslag).

Naar de wijze waarop de circulatie plaats heeft onderscheidt men:

a: ketels met natuurlijke circulatie.;

b: ketels met pompcirculatie;

De ketels met natuurlijke circulatie zijn de oudste en worden het mees\. toegepast.

De ketels met pompcirculatie dateren uit de laatste jaren en komen nog betrekkelijk weinig voor, al neemt hun aantal toe.

Van de ketels met natuurlijke circulatie zijn de meest bekende:

1. de Babcock en Wilcox~ketel; (B en W ketel) 2. de Y arrow~ketel;

3. de Stirling~keteI.

De B en W ketel is geschikt voor grote capaciteiten en hoge stoom drukken en wordt zowel op schepen als bij landinstallaties (electrische centrales) veel~

vuldig toegepast.

De ketel is in verschillende uitvoeringsvormen, die vooral de laatste jaren vóór de oorlog ontwikkeld zijn, bekend. Bij al deze uitvoeringsvormen is echter het stoomvormende gedeelte (pijpenbundel) samengesteld uit een aan~ tal parallelgeschakelde secties, {vandaar de naam sectie~ketel) elk bestaande uit enige rechte' waterpijpen, die in slangvormige verzamelkasten (headers ) uitmonden. Tegenover ieder pijpuiteinde zijn in deze kasten handgaten, afge~

sloten met handgatdeksels, uitgespaard, zodat de pijpen goed toegankelijk zijn en inwendig gereinigd kunnen worden. Deze inwendige reinigingsmogelijk~ heid was vroeger van meer belang dan tegenwoordig, daar door een betere