Oververhitter
(deze tekst is nog in bewerking)
Het oververhitten van de stoom wordt vanaf circa 1900 steeds vaker toegepast. Deze nieuwe stoomtechniek blijkt al spoedig een succes te zijn. In de voorafgaande decennia wordt er veel onderzoek verricht op dit terrein door Hirn, Sainte Clair Deville en anderen. Uit die experimenten blijk, dat het rendement van de stoommachine sterk kan worden verhoogd door de stoom extra te verhitten, tot boven de temperatuur van de bijbehorende spanning, dus tot boven die van het verzadigingspunt. Tot aan deze nieuwe toepassingen was het normaal om met verzadigde stoom te werken: het is de stoom die gevormd wordt in de stoomketel bij een bepaalde temperatuur en bijbehorende druk.
Wanneer de verzadigde stoom uit de ketel via de stoomleiding naar de stoommachine geleid wordt, zal onderweg door afkoeling van de pijpleiding een gedeelte van de stoom gaan condenseren en dus is het bijna niet te voorkomen dat natte stoom in de cilinder toestroomt. Maar zelfs al zou de stoom bij binnenkomst in de cilinder echt nog droog zijn, dan zal tijdens de expansie van de stoom toch nog een deel als water neerslaan en daardoor een negatieve invloed op het nuttig effect uitoefenen. Daar komt nog bij dat geen enkele stoomketel inderdaad volkomen droge stoom levert, dus de toelaat van droge stoom van verzadigingstemperatuur en -druk in de stoomcilinder is veeleer een theoretische hoop.
Daarom ontstaat geleidelijk het inzicht dat het een voordeel zal opleveren, als men de temperatuur van de stoom zoveel verhoogt, dat er in de cilinder geen enkele condensatie kan plaatsvinden. Het is zelfs zo, dat als als men daarboven nog doorgaat met verhitten, dat er daarbij een volumevergroting optreedt, dit alles bij gelijkblijvende spanning. De volumetoename bedraagt bij een oververhitting van 100 gr. C. al bijna 25%. Als voorbeeld noemt E.F. Scholl 1 kg stoom van van 6 atm., die in verzadigde toestand een volume heeft van 275 dm3 (liter), maar bij oververhitting met 100 gr. C al een volume heeft van 350 dm3 (liter)! De voordelen van een groter volume zijn duidelijk: de schadelijke ruimte van de cilinder (de inlaatruimte) heeft dan ook minder invloed, het stoomverbruik vermindert, het ketelvermogen kan kleiner blijven. Bovendien kan men die kleine ketels beter forceren, d.w.z. heftiger laten werken (koken), omdat er bij oververhitting van de stoom toch geen natte stoom naar de machine gaat.
In het begin staat de technische ontwikkeling van voldoende effectieve oververhitters (ook superheaters genoemd) de toepassing van oververhitte stoom nog in de weg. Er moet naar de juiste materialen worden gezocht. Opwelling van de te heet geworden stoompijpen, ondichtheid van pakkingbussen, zuigers en schuiven of kleppen vormen daarbij een probleem, want ook het bedrijf met oververhitte stoom moet in de praktijk natuurlijk beheersbaar, betrouwbaar en langdurig toepasbaar zijn. Daarbij komt ook nog een geheel ander probleem: de eerder gebruikelijke smeermiddelen, plantaardige of dierlijke oliën en vetten, ontleden bij de hogere temperaturen gemakkelijker en dus komt de goede werking van de machine hierdoor in gevaar.
Afbeelding van vroege oververhitter
Vanaf circa 1900 heeft men de oplossingen voor het overgrote deel al wel gevonden en slaagt men er vervolgens in om goede oververhitters te bouwen. Voor de pakkingbussen en zuigers worden nieuwe metallieke materialen toegepast en men heeft minerale smeeroliën gevonden die een ontvlammingstemperatuur hebben boven 350 gr. C. en die hun smerende werking bij zulke hoge temperaturen ook behouden.
Bij stoomwerktuigen, waarbij de stoom geen pakkingbussen of sluitende zuigers en schuiven of kleppen hoeft te passeren, zoals bij stoomturbines (De Laval) het geval is, vervalt het probleem van ondichtheid natuurlijk helemaal. Voor stoomturbines is oververhitting dus heel goed toepasbaar en de nieuwe ontwikkelingen vertonen daarbij ook nog eens een sterke toename van de stoomdruk.
Afbeelding De Laval
Toepassing van oververhitte stoom gebeurt aanvankelijk nog voorzichtig: oververhitting met temperaturen van 200-250 gr. C. wordt gebruikt om een rendementstoename van 15-20% te bewerkstelligen. Uitgangspunten bij de bouw van oververhitters (superheaters) zijn dan:
1. Hij moet zonder problemen aan de hogere temperaturen van 250-300 gr. C. weerstand kunnen bieden 2. Hij moet overal gemakkelijk kunnen worden ingebouwd, hij mag dus in het stoombedrijf weinig ruimte in beslag nemen, maar moet in die kleine ruimte wel een zo groot mogelijk verwarmd oppervlak hebben 3. De massa van het materiaal van de oververhitter moet groot genoeg zijn om de temperatuursschommelingen van het verbrandingsproces te kunnen opvangen.
Als er bijvoorbeeld door het openen van de vuurdeuren koude lucht in de ketel wordt toegelaten, dan daalt de verbrandingstemperatuur en die van de rookgassen tijdelijk sterk. De oververhitter wordt dan op dat moment plotseling te weinig verhit en daardoor zou de stoom spontaan afkoelen tot beneden de gewenste temperatuur. Maar als er bij voldoende massa van de oververhitter maar voldoende warmte is opgehoopt in het materiaal, dan kan die warmte tijdelijk aan de stoom worden afgegeven en wordt daarmee de temperatuurschommeling voldoende afgevlakt. De oververhitter is daarmee dus meteen een hitte-accumulator.
De eerste bruikbare oververhitters worden ontworpen door Schwörer en Hirn.
De oververhitte stoom heeft als bijzondere eigenschap, dat die buitengewoon slecht warmtegeleidend is. De oververhitter wordt daarom samengesteld uit dunne pijpen, om de toetreding van de warmte van de gassen ook tot de kern van de stoomstroom te laten doordringen. In zijn normale vorm bestaat de oververhitter uit pijpen in bundels van slangen van een gebogen vorm, waarvan het ene uiteinde uitkomt in een verzamelkast voor de stoomtoelaat (invoer) en het andere einde uit mondt in een dergelijke kast voor de stoomuitlaat (afvoer). De kasten zijn rechthoekig van doorsnede en gemaakt van naadloze pijp. De pijpen zijn "uitgerold"in de kastenwaarin tegenover elke pijp een gasprop of dekseltje met knevel is aangebracht.
foto 97 Stoom
Soms zijn de slangen liggend aangebracht, maar zij kunnen ook staand zijn opgesteld, zoals bij de Werkspoorketels van het ir. D.F. Woudagemaal
Bij de oververhitters past men vaak het principe van gelijk- en tegenstroom toe. Bij gelijkstroom is het gemiddeld temperatuurverschil tussen stoom en gas kleiner dan in het geval van zuivere tegenstroom. Daar waar de heetste verbrandingsgassen de zuivere tegenstroom-oververhitter bereiken, is dus de hoogste stoomtemperatuur. De pijpwand krijgt dan zulk een hoge temperatuur , dat de kans op gloeiend worden groot is, en een dergelijke oververhitter zal al gauw verbranden. Daarvoor wordt dus het gelijk- en tegenstroom-principe toegepast. De stoom gaat in de eerste slangen in tegenstroom. om daarna in gelijkstroom tot de vereiste temperatuur verhit te worden. De het eerst door de verbrandingsgassen bestreken pijpen worden daadoor voldoende afgekoeld.
afbeelding 99
Oververhitters hebben vaak de slangvorm, maar ook wel de U-vorm, b.v. voor toepassing in waterpijpketels (Babcock en Wilcox)
afbeelding oververhitter
Ook in het Woudagemaal wwordt oververhitting toegepast. De installatie van 1920 is geheel ontworpen met toepassing van de de laatste ontwikkelingen uit het stoomtijdperk en daar hoort uiteraard ook het principe van oververhitting bij. Zowel de oorspronkelijke Pied-Boeufketels als de latere Schtse Werkspoorketels zijn uitegerust met een oververhitter. De stoomtemperatuur uit de oververhitter is circa 320 gr. C. Deze oververhitte stoom wordt per ringleiding naar de machinekamer geleid. In een ringleiding is de stoom voortdurend in beweging en ook op deze wijze wordt afkoeling en condensatie weer voorkomen.