Stoomketels van het type Piedboeuf

Een stoombedrijf, dus ook een stoomgemaal, kan nu eenmaal niet zonder een op de stoommachines afgestemde en goed werkende stoomketelinstallatie. In het ontwerp van het stoomgemaal te Tacozijl (Teakesyl) bij Lemmer moet de stoomketelinstallatie weloverwogen worden gekozen. Het meest geschikte ketelsysteem wordt in de eerste plaats bepaald door de capaciteitseisen van het gemaal en de eisen van de speciaal daarvoor ontwikkelde stoommachines en hulpapparatuur, maar ook de te verwachten frequentie en duur van de inzet van het gemaal spelen daarbij vervolgens een grote rol.

Voor het stoomgemaal gelden als criteria:

Het gemaal is geen continubedrijf. Het zal weliswaar op gezette tijden in vol bedrijf zijn, maar het zal zeker ook gedurende lange perioden van het jaar stil staan.
Als het stoomgemaal in werking is, zal er een grote hoeveelheid arbeidsvermogen moeten worden geleverd op regelmatige en langdurige basis
Het gemaal wordt uitgerust met stoommachines die onder een regelmatige belasting en met een redelijk gelijkblijvend toerental hun werk moeten verrichten
Voor de bediening van het gemaal zal er naast de vaste kern van vakkundig beroepspersoneel, ook gebruik gemaakt worden van “los personeel”, d.w.z. voor korte tijd gecontracteerd en dus tijdelijk aangesteld personeel dat daarom meestal ook minder geschoold is
Er is een ketelsysteem nodig dat onder vrij constante omstandigheden grote hoeveelheden stoom kan leveren en voor de stokers en tremmers toch eenvoudig te bedienen is.
In de nadagen van het stoomtijdperk is effectiviteit en rendement van groot belang geworden voor de beheersing van de exploitatiekosten

Er wordt binnen het ontwerp van de totale stoominstallatie omstreeks 1914 gekozen voor het plaatsen van zes Piedboeufketels.

Dit ketelontwerp (Fig. 139) past in een ontwikkeling die na 1900 steeds meer wordt toegepast, met als uitgangspunt om in een betrekkelijk kleine ruimte, langdurig grote hoeveelheden stoom te kunnen ontwikkelen. Bij deze, voor die tijd nieuwe ketelsystemen, maakt men grootschalig gebruik van vlampijpen en/of waterbuizen: of de rookgassen gaan door de pijpen, omgeven door het ketelwater, of het water gaat door de pijpen, omgeven door de rookgassen. In beide gevallen moet er een intensieve warmte-uitwisseling plaatsvinden. Waar men daarvoor vaak de warmte-overdracht bij de destijds algemeen in gebruik zijnde Cornwall-ketels (één vuurgang) en Lancashire-ketels (twee vuurgangen) via gemetselde rookkanalen langs de zijkanten van de ketel laat plaatsvinden, gaat men bij de nieuwe systemen steeds meer de rookgassen door het ketelwater leiden via vlampijpen in het binnenste van de ketel. Andere nieuwe systemen werken net andersom: zo worden bijvoorbeeld in de Babcock en Wilcox-sytemen waterpijpen gebruikt buiten de werkelijke ketel, de zogenoemde “drum”.

Het Piedboeuf-systeem wordt voor het eerst geconstrueerd in 1848 door J. Piedboeuf te Aken, eerst als scheepsketel, maar daarna al snel ook toegepast als landketel. Sindsdien hebben veel fabrikanten dit idee nagevolgd, maar als type blijft het bekend onder de naam van de oorspronkelijke constructeur. Zijn systeem bestaat in principe uit een gecombineerde, onderling verbonden, onder- en bovenketel. Als uitgangspunt is de onderketel daarbij vaak van het type Lancashire en de bovenketel is dan van het nieuwere type: de vlampijpketel.

Ondertussen wordt het idee van gecombineerde ketels na 1848 voortdurend verder uitgewerkt en verbeterd.

In het aanvankelijke ontwerp bestaat er in de onderketel geen stoomruimte: de stoom, die in de onderketel wordt gevormd moet dan (in de vorm van dampbellen) een lange weg door het systeem afleggen om in de bovenketel in de daar wel aanwezige stoomruimte te komen. Hierdoor wordt het water in het totale ketelsysteem in heftige beroering en schommeling gebracht, zodat er aan het wateroppervlak veel water wordt “opgeworpen” en waardoor de stoom in de stoomruimte zeer “nat” wordt.

In 1879 verkrijgt fabrikant Piedboeuf een octrooi voor een inrichting, waarbij ook in de onderketel een stoomruimte wordt gevormd. Het doel hiervan is om “droge” stoom te kunnen produceren en het wateroppervlak in het ketelsysteem daarbij zo ongeveer te verdubbelen.

Volgens het octrooi van 1879 wordt het nadeel van “natte” stoom voorkomen door zowel in de onder- als ook in de bovenketel een afzonderlijke stoomruimte aan te brengen. De ketels worden onderling verbonden door een systeem van leidingen dat er voor zorgt dat de waterruimte van de beide ketels gemeenschappelijk blijft en daardoor slechts één waterspiegel hoeft te worden waargenomen. Deze inrichting is doelmatiger, omdat de stoom nu “droger” blijft.

Boven- en onderketel zijn door een verbindingshals van 60-70 cm doorsnede aan elkaar verbonden. Voor deze hals is in het bovenste deel van de onderketel aan de binnenzijde van de romp een dwarsschot stoomdicht vastgeklonken, waarvan de onderkant minstens 20 cm van het hoogste punt van de vuurgangen verwijderd blijft. Bij stoomvorming wordt de ruimte voor het dwarsschot met stoom gevuld, totdat het wateroppervlak zover omlaag gedrukt is, dat de stoom onder de wand langs dreigt te gaan ontsnappen. Voordat dat gebeuren kan, wordt de stoom echter door een vlotter-inrichting met een buisleiding en een klep automatisch afgevoerd naar de stoomruimte van de bovenketel. Immers, zodra het waterniveau in de onderketel tot een vastgesteld punt is gedaald, opent de vlotter (met drijver en hefboom) de klep en door het drukverschil in onder- en bovenketel (0,2 atm. bij een niveauverschil van 2 m) stroomt de overmaat van stoom naar de bovenruimte. Deze inrichting is in fig. 135 te zien aan de linkerkant van onder- en bovenketel.

Bij het ontstaan van de beneden-stoomruimte (door het opstoken en het begin van stoomvorming) stijgt het water in de bovenketel van het peil “laagste waterstand” naar “normale waterstand” (het water wordt iets omhooggedrukt). Dit waterniveau daalt weer, zodra de stoomvorming wordt stopgezet, doordat de ketel buiten gebruik wordt gesteld. De stoker hoeft er dus alleen maar voor te zorgen, dat bij het opstoken het waterpeil op “laagste stand” staat en bij afsluiten van de stoom op het normale bedrijfspeil staat.

Dit waterpeilverschil in de bovenketel is genoeg om de beneden-stoomruimte in stand te houden, terwijl boven het hoogste punt dat door de rookgassen in de vuurgangen wordt bestreken altijd minstens 10 cm water blijft staan.

Slechts één van beide ketels hoeft te worden gevoed, men kan kiezen voor of de boven- of de onderketel. In de praktijk kiest men bijna altijd voor voeding via de onderketel, omdat de meeste slik en ketelsteen dan in de onderketel gevormd wordt en daar dan gemakkelijk kunnen worden afgespuid of schoongemaakt. In de bovenketel komt dus vooral het water dat deze stoffen al kwijt is. Deze ketel blijft dan dus schoner. Dat betekent ook dat de vlampijpen in de bovenketel minder snel schoongemaakt hoeven te worden.

De vlampijpen in de bovenketel zijn meestal geordend in twee groepen. Ze kunnen zo gemakkelijker schoongemaakt en onderhouden worden, omdat er in het midden tussen de pijpen en ook onder de pijpen “werkruimte” overblijft.

Het gedeelte achter het dwarsschot in de onderketel blijft steeds met water gevuld en daardoor kan het achterfront van de ketel nooit gloeiend heet worden. De hoge waterstand achterin de onderketel garandeert ook dat de vuurgangen bij handhaving van het eerdergenoemde waterpeil tijdens normaal gebruik steeds met water omgeven blijven.

De rookgassen worden via de gemetselde rookkanalen en door de vlampijpen intensief langs de verwarmde oppervlakken van het ketelsysteem geleid om uiteindelijk via de schoorsteen in de atmosfeer te verdwijnen.

Het is gebleken dat het Piedboeuf-systeem zeer veilig is, er zijn geen stoomexplosies bekend bij dit systeem.

Latere ontwikkelingen hebben de uitwisseling van water en stoom in de onder- en bovenketel nog aanmerkelijk vereenvoudigd. Nu zijn er twee verbindingshalzen tussen de ketels aangebracht, die geheel afgesloten zijn, maar waardoor bij beide wel stoomdicht een verticale buis loopt. De rechterbuis reikt tot in de waterruimte van de onderketel, de linkerbuis vormt een verbinding tussen de onder- en bovenstoomruimte. Beide ketels worden afzonderlijk gevoed, maar al het water dat in de bovenketel tot boven het vastgesteld laagste waterniveau stijgt, stroomt door de rechter overlooppijp naar de onderketel, terwijl de stoom die in de onderketel ontstaat door de linker stijgbuis naar de bovenstoomruimte wordt geleid. Hetzelfde resultaat zou natuurlijk ook kunnen worden bereikt met één verbindingshals, waarin dan beide verticale verbindingspijpen naast elkaar of in elkaar zouden zijn aangebracht.

De nauwe vlampijpen van dergelijke ketels worden van smeedijzer of staal (vroeger ook wel messing) gemaakt en hebben vaak een uitwendige middellijn van 6 tot 8 cm. De vlampijpen worden meestal in de vlakke ketelplaten (pijpplaten) bevestigd (vastgerold) met behulp van een apart toestel (tube-expander) bijv. van Dugeon. Een dergelijke expander bestaat uit drie kleine walsen, die om een conische doorn aangebracht zijn. Draait men de doorn, dan worden de drie walsen meegenomen en in de pijp rondgedraaid. De pijp wordt dan blijvend iets verwijd en met grote kracht tegen de rand van het gat in de pijpplaat geperst. Dit geeft al meteen een sterke verbinding, maar doordat men de gaten voor het inschuiven van de pijpen ook nog eens conisch uitboort en de pijpuiteinden omklinkt, wordt de sterkte verdubbeld. Later worden in de stoomtechniek ook speciale lasverbindingen toegepast, die beantwoorden aan de eisen die door uitzetting, krimp en werking van het ketelmateriaal daaraan worden gesteld.

(informatie en afbeeldingen uit: “De Gids voor Machinisten” door E.F. Scholl, Leiden 1903)

De zes Piedboeuf-ketels van het ir. D.F. Woudagemaal bij Tacozijl (Teakesyl) hebben 35 jaar dienst gedaan, in 1955 werden ze vervangen.