Icon up Overzicht

Zuigermotoren 4: de Stoommachine

Onderwerp: Gas en vloeistof, Thermische processen

De Industriële Revolutie, die aan het begin van de 19e eeuw plaatsvond, ging gepaard met het grootschalige gebruik van een machine die in staat was om arbeid te verrichten die eerder met spierkracht gedaan moest worden. Deze machine, die gebruik maakt van het feit dat water bij verhitting verdampt en daarbij een veel groter volume inneemt, was in staat om voertuigen aan te drijven, lasten op te tillen en andere apparaten te laten draaien. Stoommachines in de klassieke uitvoering vind je tegenwoordig voornamelijk in musea, aangezien verbrandings- of elektromotoren de toepassingen van de stoommachine veelal hebben overgenomen, maar het principe wordt nog steeds gebruikt.

Principe

Wanneer water verhit wordt tot boven het kookpunt, gaat het van de vloeibare fase over naar de gasfase (waterdamp). Het volume dat die waterdamp inneemt is vele malen groter dan het volume van het vloeibare water. Als water dus in een gesloten vat verdampt, stijgt de druk sterk. Die hoge druk kan goed gebruikt worden om arbeid te verrichten, bijvoorbeeld door een zuiger in beweging te zetten. Op die manier zet een stoommachine dus warmte om in arbeid.

De eerste stoommachines werkten dan ook precies op deze manier: in een ketel werd water verwarmd, en de daarbij vrijkomende stoom werd in een cilinder gepompt om de daarin geplaatste zuiger weg te duwen. Vervolgens moest gewacht worden tot de zuiger weer terug was in zijn oorspronkelijke positie, bijvoorbeeld door de zwaartekracht, voordat er weer stoom in de zuiger geblazen werd. Dit principe werd vooral gebruikt in waterpompen om steenkoolmijnen droog te houden, maar was natuurlijk niet erg efficiënt.

Figuur 1: Computermodel van de zuigers van een stoommachine. De stoomschuif, het onderdeel dat bovenin heen en weer beweegt, zorgt er voor dat de stoom afwisselend van links en van rechts tegen de zuiger drukt. Het pV-diagram voor dit model is meegegeven (waarbij de linker- en de rechterkant van de cilinder altijd een halve cyclus bij elkaar vandaan liggen). De stoomketel, waar de stoom vandaan komt, is niet weergegeven.

Het gebruik van de stoommachine werd pas efficiënt toen men er machines kwamen die de stoom gebruikten om de zuiger beide kanten op te bewegen, zoals het computermodel in figuur 1. Daarvoor is een mechanisme nodig dat de stoom de juiste kant van de zuiger op stuurt zodat de machine een constante heen- en weergaande beweging voortbrengt. Deze heen-en-weergaande beweging kan vervolgens gemakkelijk omgezet worden in een draaibeweging.

Opbouw

In onderstaand filmpje wordt schematisch weergegeven hoe een stoommachine (in dit geval een stoomlocomotief) is opgebouwd. Zoals in het filmpje te zien is, heeft een stoommachine een warmtebron nodig en een waterketel waarin de warmte zo goed mogelijk van de bron wordt overgedragen aan het water. In een stoomlocomotief gebeurt dit door middel van de buizen die van de vuurkist door de ketel heen lopen, aangezien de oppervlakte van deze buizen in totaal erg groot is. Het water verdampt vervolgens en de waterdamp wordt naar de cilinder geleid. De zogenaamde ‘stoomschuif’ zorgt er voor dat de waterdamp op elk moment de juiste kant van de cilinder bereikt. De zuiger, die heen en weer beweegt, kan via de zogenaamde ‘drijfstang’ een of meerdere wielen in beweging brengen. De rotatie van dat wiel kan vervolgens weer gebruikt worden om de stoomschuif heen en weer te bewegen, aangezien deze met dezelfde frequentie, maar met een andere fase dan de zuiger moet bewegen (zie ook figuur 1).

 

Verder vind je in onderstaand filmpje een aantal opnamen van echte stoommachines, waarbij vooral het aandrijfmechanisme van verschillende machines in beeld gebracht wordt. Let op hoe de beweging van de wielen of de aandrijfas de stoomschuif in beweging brengt!

 

Energiecentrale

Waterdamp kan echter ook op een andere manier gebruikt worden om een (draaiende) beweging te produceren. In plaats van cilinders en zuigers kan men ook gebruik maken van turbines. Een turbine bestaat in principe uit een reeks schoepenraderen die worden aangedreven door de waterdamp. Net zoals bewegende lucht een windmolen in beweging zet, maar met een veel hogere druk en dus ook een hogere snelheid.

In energiecentrales wordt dit systeem toegepast. Water (of een andere vloeistof) wordt tot boven het kookpunt verwarmd met warmte die vrijkomt bij de verbranding van fossiele brandstoffen (zoals steenkool of aardgas), bij een nucleaire reactie (kerncentrale) of zelfs uit aardwarmte. De waterdamp wordt naar een turbine geleid die vervolgens een generator aandrijft om stroom te produceren. De waterdamp koelt hierbij af en wordt vervolgens weer volledig gecondenseerd tot water, dat opnieuw langs de warmtebron geleid wordt met behulp van een pomp. Op deze manier wordt er dus een gesloten cyclus gevormd. Zo'n 90% van de elektriciteitsproductie op de wereld gaat via dit systeem!

In figuur 2 zijn de belangrijkste componenten van dit systeem schematisch weergegeven.

Figuur 2: Schematisch overzicht van de standaardcomponenten gebruikt bij energie-opwekking. Een pomp pompt een werkvloeistof (zoals water) door het systeem. Hierbij wordt een zekere arbeid Wpomp verricht, die dus aan het systeem toegevoerd wordt. In een stoomketel wordt het water verwarmd, waarbij een zekere warmte Qin wordt toegevoerd. Hierbij verdampt het water. De hierbij ontstane waterdamp drijft een turbine aan en levert daarmee een arbeid Wturbine. Vervolgens wordt de stoom in een warmtewisselaar weer gecondenseerd tot water, waarbij de afvalwarmte Quit wordt afgevoerd. (Bron: Wikipedia)

Rankine-cyclus

De thermodynamische cyclus die plaatsvindt in dit systeem staat bekend als de Rankine-cyclus en bestaat uit vier processen, die in het druk-volume-diagram in figuur 3 zijn weergegeven:

  • 1. De werkvloeistof passeert een pomp. Hierbij stijgt de druk van de vloeistof, maar aangezien vloeistoffen niet comprimeerbaar zijn, verandert het volume niet. Dit proces is dus isochoor. Tijdens dit proces voegt de pomp energie in de vorm van arbeid toe aan het systeem.
  • 2. De vloeistof wordt in de stoomketel verhit bij constante druk (dit is dus een isobaar proces). Uiteindelijk verdampt de vloeistof (overgang naar de gasfase). Hierbij wordt energie in de vorm van warmte toegevoegd aan het systeem.
  • 3. De ontstane damp drijft bij het uitzetten een turbine aan. Hierbij geeft de damp energie af aan de turbine in de vorm van arbeid, die de turbine als output levert. Doordat de damp energie verliest, dalen ook de temperatuur en de druk, waarbij de damp alweer gedeeltelijk overgaat naar de vloeibare fase. Dit proces is in principe adiabatisch.
  • 4. De overgebleven damp wordt in een warmtewisselaar gecondenseerd, om vervolgens weer door de pomp naar de stoomketel geleid te worden. Hierbij gaat de overgebleven afvalwarmte verloren.

In het (p,V)-diagram zijn de verschillende faseovergangen aangegeven, net als de toegevoegde en afgegeven warmte en arbeid.

Figuur 3: De Rankine-cyclus in het druk-volume-diagram. Arbeid en warmte zijn aangegeven, net als de verschillende fases. In het overgangsgebied in het midden bestaan vloeistof en damp tegelijk (met andere woorden: de vloeistof is bezig met verdampen of condenseren).