Stoom
De specifieke arbeid van de stoom, |
De hoeveelheid arbeid die 1 kg stoom kan verrichten
|
We spreken over twee soorten stoom, namelijk: |
|
| |
- Oververhitte stoom (onverzadigde stoom)
|
| |
. |
Soortelijke Warmte |
De hoeveelheid warmte in J die nodig is om 1 gram van een bepaald medium 1 K in temperatuur te doen stijgen. |
Bij water: |
De soortelijke warmte van water gelijk is aan 4,19 kJ/kg.K
|
Bij gassen en bij stoom: |
Wordt onderscheid gemaakt in soortelijke warmte bij constante druk, aangeduid met cp en soortelijke warmte bij constant volume, aangeduid met cv.
|
Bij de formule dH= c* dT, is voor gassen cp (s.w. bij constante druk) ong. 40 % groter dan cv (s.w. bij constant volume).
|
Wanneer je warmte toevoert aan een gas of stoom bij een constante druk (cp), zal met de temperatuurstijging ook gelijk het volume toenemen. Hier is extra warmte voor nodig.
|
Dit is omdat er bij cp arbeid verricht wordt, dus er is meer energie nodig om de T te doen stijgen
|
Hierom is cp ook altijd groter dan cv.
|
Verzadigde stoom
Bij het blijven toevoeren van warmte aan water op verzadigingstemperatuur, gaat de verdamping door tot al het water verdampt is. De gevormde stoom heeft tijdenshet verdampen dezelfde temperatuur en druk als het water. Ze zijn dus met elkaar in evenwicht. |
Kenmerken van verzadigde stoom, zijn: |
- Druk en temperatuur zijn gekoppeld.
|
| |
Natte Stoom |
Als er in verzadigde stoom kleine waterdruppeltjes aanwezig zijn. |
De stoom condenseert dan gedeeltelijk, waardoor er waterdruppels ontstaan. Dit kan gebeuren door warmteverlies in een verzadigde stoomleiding waar het medium met grote snelheid door heen stroomt. |
Oververhitte stoom
Indien al het water verdampt is en de warmtetoevoer gaat nog steeds door, zal deze warmte opgenomen worden door de verzadigde stoom. Hierdoor zal deze stoom in temperatuur gaan stijgen. |
Wanneer de temperatuur van de stoom hoger is dan de verzadigingstemperatuur, spreekt men van oververhitte stoom. Oververhitte stoom kan men ook verkrijgen wanneer men verzadigde stoom buiten aanwezigheid van water verwarmt, zoals gebeurt in een oververhitter van een stoomketel. |
Oververhitte stoom komt ook wel eens voor onder de naam onverzadigde stoom. |
Kenmerken van oververhitte stoom, zijn: |
- Druk en temperatuur niet gekoppeld |
- Gedraagt zich als gas i.p.v. damp |
- Gebruiken dit graag, omdat |
- De temp. toe neemt bij gelijkblijvende druk, daarmee stijgt de specifieke arbeid van de stoom.
|
| |
- De afgewerkte stoom (stoom nadat deze arbeid heeft verricht) minder vloeibaar water bevat
|
Een watergehalte boven de de 12 % geeft erosie op de (laatste) schoepen door botsingen met kleine waterdruppeltjes).
Stoom als warmtedrager
Voordelen: |
- Stoom heeft per kg meer condensatiewarmte beschikbaar dan welk ander middel ook. |
- Stoom is onbrandbaar, niet giftig, milieuvriendelijk. |
- Stoom en condensaat zijn niet onderhevig aan veroudering. |
Nadelen: |
- Het systeem staat onder druk en daar stoom sterk kan expanderen is er bij bezwijken van onderdelen explosiegevaar. Daarom worden er hoge sterkte-eisen aan de installatie gesteld en is deze onderworpen aan periodieke keuring. |
- Door de stoomdruk en de snijdende weking van de stoom hebben lekkages de neiging om snel groter te worden. |
- Het condensaaat en het ketelwater zijn van zichzelf corrosief en moeten daarom chemisch behandeld en regelmatig gecontroleerd worden. |
- Bij het noodzakelijk puien van de ketel gaat warmte verloren. |
- Het condensaat kan -bij stilstand- in leidingen bevriezen en deze laten stukspringen. |
- Voor een zuinig bedrijf zijn condenspotten nodig. |
Mede door deze nadelen heeft stoom veel terrein verloren aan thermische olie op het gebied van verwarmingssystemen.
Specifiek Stoomverbruik
De term specifiek brandstofverbruik kennen juliie al van de dieselmotor, deze kun je ook gebruiken voor stoom.
Let wel; het brandstofverbruik van de ketel tbv stoom voor de stoomturbine geeft een vertekend beeld, omdat de ketel vaak ook stoom produceerd voor de productie tbv verwarmingsdoeleinden.
Analoog met de dieselmotor, kan voor de stoomturbine de term specifiek stoomverbruik worden geintroduceerd, hierin is natuurlijk de massastroom stoom enkel de stoom naar de turbine.
|
|
Enthalpie
De warmte inhoud van water of stoom van een bepaalde toestand, |
dit is de totale hoeveelheid warmte in J, die nodig geweest is om 1 g water vanaf 0 °C op te warmen, om het tot die toestand te brengen.
|
| |
Het wordt uitgedrukt in J/g of kJ/kg
|
| |
Het wordt aangeduid met h
|
De hoeveelheid warmte, die nodg is om een massa van 1 kg stoom met een bepaalde druk en temperatuur te vormen uit water met een temperatuur van 0 °C bij een druk van 1 bar.
|
-Is een afgeleide toestandsgrootheid van p, V, T en U
-Is een maat voor de inwendige energie
Enthalpie Formules
Voor natte of oververzadigde stoom, geld:
h = hv + x * r
Waarin:
h = enthalpie in kJ/kg
x = dampgehalte, onbenoemd
r = verdampingswarmte in kJ/kg
Enthalpie :
H= U+ p*V
p= druk, V=volume en U= inwendige energie
Voor gassen/vloeistoffen dat
geen faseovergang doorgaat geldt:
H= cT dH= c dT
per kg c= soortelijke warmte
Q= mdH = mcdT; (warmte)*
P= MsdH (vermogen)*
P=warmestroom (W) Ms= massastroom(kg/s) |
Enthalpie van water en stoom te vinden in stoomtabellen.
Of online: ERIKS Stoomcalculator.
Principe Enthalpie
- Inwendige energie kan niet als absolute waarde gekwantificeerd worden. |
Dus absolute waarde onbekend
|
- Het gaat om de enthalpie verschillen. |
dit is de hoeveelheid toe of af te voeren warmte tussen twee toestanden.
|
- Het ijkpunt 0 gr C, |
het beginpunt voor de berekeningen van enthalpie van waterdamp.
|
- Met stoom als warmte drager, enthalpie is: |
de hoeveelheid warmte die nodig is om stoom vanaf 0grC via een isobaarproces te vormen.
|
- Bij stoom met fase overgangen te maken, |
Dus enthalpie kan niet met de formules voor vaste fases, dus de c * dT, berekend worden.
|
- Tijdens faseovergang extra warmte toe of afgevoerd. |
De verdampingswarmte resp. Condensatiewarmte
|
Let altijd op bij werken in stoomtabellen of je met een overdruk of absolute druk te maken hebt.
Stoomdiagrammen
Het gaat hier over stoom als warmtedrager en zijn vermogen om arbeid te verrichten. |
Er zijn 3 soorten stoomdiagrammen die we gebruiken, namelijk: |
- P-T Diagram |
- P,T-h Diagram, |
- Log P,T-h Diagram, |
| |
P-T Diagram |
- De damp- of stoomdruk tegen de temperatuur uitgezet. |
- Is geen lineair verband. |
- Verzadigde stoom, dus damp. |
- Druk en temperatuur zijn gekoppeld, |
Temp. bepaald de dampspanning en de dampspanning neemt toe naarmate de temp. hoger wordt.
|
- Lijn loopt van 0 tot 374 gr C, |
het eindpunt, kritische temperatuur.
|
- Boven kritische temp. wordt het een gas, |
Dus geen onderscheid meer tussen vloeistof en damp
|
| |
P,T-h Diagram |
- De druk en temperatuur tegen de enthalpie van damp uitgezet. |
- H = absolute enthalpie |
- h = soortelijke enthalpie |
|
- X is het damp gehalte, |
bij x=0 loopt de vloeistoflijn, bij x=100 de verzadigde damplijn.
|
- Beide X lijnen komen in de top samen, |
bij het kritische punt (temp.). Voorbij lijn x=100 wordt de stoom oververhit.
|
- Isopsychre lijn, |
een lijn van constant dampgehalte, al deze lijnen lopen bij lage druk vrijwel samen.
|
- Het zog. Co-existentiegebied, |
opp. onder de parabool, is een mengsel van verzadigde damp/ stoom (natte stoomgenoemd) en vloeistof.
|
| |
Log P,T-h Diagram |
- De druk en temperatuur logaritmisch afgezet tegen de enthalpie. |
- Wordt gebruikt om het onderscheid tussen de dicht op elkaar lopende isopsychren beter te zien. |
- h = soortelijke enthalpie |
|
- Het zog. Co-existentiegebied, |
opp. onder de parabool, is een mengsel van verzadigde damp/ stoom (natte stoomgenoemd) en vloeistof.
|
- Isopsychre lijn, |
een lijn van constant dampgehalte
|
P,T-h Diagram
De druk en temperatuur worden beiden verticaal weergegeven tegen de enthalpie van damp, welk horizontaal is aangegeven
Log P,T-h Diagram
Verticaal zijn de druk (rechts) en de temp. (links) weergeven, ze zijn beiden Logaritmisch afgezet tegen de enthalpie, welk horizontaal wordt aangeduid.
Voorbij de vloeistoflijn rechts is oververhitte stoom (licht oververhitte stoom wordt droge stoom genoemd.
Enthalpie in het Coexistentiegebied
als je ergens op een horizontale lijn in het coexistentiegebied zit, dan heb je te maken met een deel vloeistof (1-x) en een deel damp (x).
De som van de enthalpie van dit deel damp en vloeistof samen = de enthalpie van de vloeistof plus het dampgehalte * de verdampingswarmte (r)
Hd= Hvl+x*r
|
|
Entropie
Dit is de verhouding tussen de totale toegevoerde warmte in kJ aan 1 kg water of stoom of water stoommengsel en de heersende temperatuur. Het wordt uitgedrukt in kJ/kg en aangeduid met s. |
- Absolute entropie kan niet berekend worden |
- Het gaat om het entropieverschil. |
- Een maat voor de stoomkwaliteit. |
De entropie geeft aan hoe goed de energie van de ene in de andere vorm in een werktuig wordt omgezet.
|
| |
Goed wil in dit geval zeggen: hoe kleiner het entropieverschil des te beter is de energieomzetting.
|
- Een lage entropie komt overeen met een hoge stoomkwaliteit |
- Een hoge entropie komt overeen met een lage stoomkwaliteit. |
Is het entropieverschil klein, dan vindt de energie omzetting plaats met weinig interne verliezen.
Definitie Entropie S
Is een toestandsgrootheid, |
gedefinieerd als de gereduceerde warmte, die nodig is om water van 0 gr C langs de weg van omkeerbare processen in de betreffende toestand te brengen.
|
| |
|
Soortelijke entropie s |
per massa eenheid (kg), uitgedrukt in kJ/kgK
|
| |
Isentrope proces |
De toestandsveranderingis omkeerbaar adiabatisch (geen warmte-uitwisseling met de omgeving)
|
| |
Dan is: dQ=0 en S1=S2 en delta S=0.
|
De gereduceerde warmte |
dQ/T (dit is een hoeveelheid af- of toegevoerde warmte bij een bepaalde temperatuur)
|
Definitie Entropie S
Wann. van toestand 1 naar 2 gaan in willekeurige, maar omkeerbare weg, dan blijkt de uitkomst van de gereduceerde warmte onafhankelijk van de gevolgde weg te zijn.
Dit is de eigenschap die karakteristiek is voor een toestandsgrootheid. Er bestaat dus een toestandsgrootheid, waarvan het verschil, genomen tussen twee toestanden 1 en 2, gelijk is aan integraal van 2 naar 1 over dQ/T. Deze toestandsgrootheid heet entropie, aangegeven met letter S
Stoomdiagrammen
Bij entropie zijn er een aantal stoomdiagrammen, namelijk: |
- |
H-S Diagram |
- |
Mollier Diagram |
- |
T-S Diagram |
H-S Diagram
Een volledig H-S diagram van water en stoom en het co-existentiegebied.
De entropie afzetten tegen de enthalpie.
Het gearceerde gebied is waar we berekeningen doen voor stoomturbines, dit uitvergroot is het Mollierdiagram.
Je ziet ook de isopsychren, en voor stoomturbines is een expansie van damp voorbij x=0,82, dus een watergehalte van meer dan 12% niet geschikt i.v.m. erosie van de schoepen door waterdruppels.
Je ziet dus ook dat het Mollierdiagram niet dit gebied bestrijkt.
Mollier Diagram
Het gebied waar we met natte en droge stoom in werken.
Links de enthalpie in kJ/kg, Rechts de entropie in kJ/kgK.
In het Mollierdiagram kan eenvoudig de begin en eindtoestand ingetekend worden aan de hand van druk, temperatuur en dampgehalte en dan verticaal de enthalpieval delta H aflezen.
Je kan al deze nuttige waarden ook terugvinden in de stoomtabel. Stoomtabellen kunnen onderling enigszins verschillen, benoem altijd welke stoomtabel je gebruikt hebt.
Mollier Diagram
De isentropen |
Verticaal van links naar rechts
|
De isothalpen |
Horizontaal van beneden naar boven
|
De verzadigde damplijn |
|
| |
- natte-stoomgebied er onder
|
| |
- oververhittingsgebied er boven
|
De isopsychren |
Aangeduid met x=0,80 , x= 0,85 enz.
|
De isobaren |
In het natte-stoomgebied
|
De isothermen |
In het oververhittingsgebied
|
T-S Diagram
Isenthalp = blauw
Isobaar = rood
Isochoor = groen
Isopsychren = zwart
Top = kritisch punt
|
|
Theoretisch kringproces
Het theoretisch kringproces in de volgende diagrammen: |
- |
P-V Diagram |
- |
T-S Diagram |
- |
H-S Diagram |
Kringproces van de stoomturbine
|
1-2 = Op druk brengen van water door de ketelvoedingswaterpomp tot aan de keteldruk.
|
|
2-3 = Verwarming ketelwater onder constandte druk tot verdampingstemp is bereikt.
|
|
3-4 = Verdamping van water onder constante druk en temp tot stoom.
|
|
4-5 = Oververhitting van natte stoom.
|
|
5-6 = Isentrope expansie van oververhitte stoom tot aan de condensordruk (theoretische warmteval, in het echt is niet isentropisch!!). In deze stap wordt arbeid door stoom op de turbine verricht.
|
|
6-1 = Condensatie van afgewerkte stoom bij constante druk en temperatuur in de condensor.
|
In de eerste twee diagrammen is de oppervlakte ingesloten door het proces (links en midden) een maat voor de verrichtte arbeid, in het H-S diagram is dit de lengte van lijnstuk 5-6 ,en dus eenvoudig af te lezen.
|
