In veel Info-Tec nummers zijn onderdelen besproken die worden gebruikt in stoom systemen, zoals afsluiters, regelaars, vallen, regelingen, etc. Deze Info-Tec zal gaan over stoom zelf. Inzicht in stoom, waarom en hoe het werkt, helpt bij het begrijpen van de apparatuur die wordt gebruikt om stoom te regelen.

Wat is stoom?

Stoom is water in gasvormige toestand. Er moet voldoende warmte aan het water worden toegevoegd om de temperatuur van vloeibaar water tot het kookpunt te doen stijgen, en vervolgens wordt er meer warmte toegevoegd om een verandering van toestand in stoom te veroorzaken zonder dat de temperatuur stijgt.

De hoeveelheid warmte die nodig is om het water tot de kooktemperatuur te doen stijgen, wordt voelbare warmte genoemd. De hoeveelheid warmte die nodig is om het water in stoom om te zetten, wordt latente verdampingswarmte genoemd. De latente verdampingswarmte is precies hetzelfde als de “latente condensatiewarmte”. Dit is het principe waarvan stoomsystemen gebruik maken. Zoals we zullen zien, is deze latente warmte de voornaamste reden waarom stoom wordt gebruikt als medium voor de overdracht van warmte-energie.

Om de voelbare en latente warmte te illustreren, moeten we ons de definitie van een BTU (British Thermal Unit) herinneren, een maat voor een hoeveelheid warmte. Een BTU wordt gedefinieerd als de hoeveelheid warmte die nodig is om een pond water één graad Fahrenheit te laten stijgen.

Zintuiglijke warmte is warmte die gemakkelijk kan worden waargenomen. Zij kan worden gevoeld, zelfs “gezien” met behulp van een thermometer. Latente warmte is warmte die “er wel is”, maar niet direct waarneembaar is.

Een eenvoudig experiment demonstreert voelbare en latente warmte.

Figuur 1 toont een glazen bekerglas met een pond water. Een thermometer kan in het water worden gestoken. De thermometer geeft aan dat het water een kamertemperatuur van 70°F heeft. Het bekerglas met water wordt boven een brander geplaatst en de brander wordt aangezet. De brander verhoogt de temperatuur van het pond water tot 212°F. Hiervoor zijn 142 BTU’s nodig. 212 – 70 = 142. (Denk aan de definitie van een BTU.)

Figuur 1.

Deze 142 BTU’s is voelbare warmte. We kunnen de warmte “zien” die door de brander aan het water wordt toegevoegd, zoals blijkt uit de thermometer. We kunnen onze hand in het water steken en de toegevoegde warmte “voelen”; “voelen”. (Niet aan te raden.)

De voortdurende toevoeging van warmte zal het water doen koken, maar de thermometer zal niet hoger gaan! Bij atmosferische druk blijft het 212°F! Hoe is dit mogelijk? De brander is nog aan. We kunnen zien dat er nog steeds warmte aan het water wordt toegevoegd. Waar gaat al die extra warmte heen?

Het veroorzaakt een verandering van toestand. Het water verandert in stoom. Deze verandering van toestand vereist een grote hoeveelheid warmte, veel meer warmte dan nodig is om de temperatuur van het water van 70°F op 212°F te brengen. Er is 970 BTU extra nodig om een pond water te veranderen in een pond stoom bij atmosferische druk! We kunnen deze warmte niet “zien”. We kunnen deze warmte niet “voelen”, maar hij is er wel. Het is “latente” warmte, verborgen warmte. De exacte term is “latente verdampingswarmte”.

Latente verdampingswarmte is precies hetzelfde als latente condensatiewarmte. Dat wil zeggen: als we een pond stoom van 212°F terug condenseren in een pond water van 212°F, moeten we 970 BTU’s aan de stoom onttrekken. Dit is de reden waarom stoom zo veel gebruikt wordt. Het pond stoom dat een grote hoeveelheid warmte-energie bevat, kan snel en gemakkelijk door een distributiesysteem worden vervoerd naar afgelegen plaatsen waar de energie kan worden teruggewonnen en nuttig kan worden gebruikt.

De kooktemperatuur van water is niet constant. Door de druk van het water te variëren, kan het kookpunt veranderen. Dit vereist een gesloten systeem, zodat de druk kan worden geregeld. Water kan dan bij 50°F net zo gemakkelijk worden gekookt tot bijvoorbeeld 500°F als bij 212°F. Het enige wat nodig is, is de druk boven het water te veranderen in een druk die overeenkomt met het gewenste kookpunt.

Als voorbeeld, als de druk in een boiler wordt verhoogd tot 52 psig. (67 psia.), zal het water koken bij 300°F. Omgekeerd, als de druk wordt verlaagd tot een vacuüm van 29,6 inch kwik, zal het water koken bij 40°F.

Het veranderen van het kookpunt van water door het variëren van de druk resulteert in andere fysieke eigenschap veranderingen. Onder atmosferische druk is de latente verdampingswarmte 970 BTU per pond, maar bij 100 psig is dat 889 BTU per pond.

Steemtabellen met de eigenschappen van stoom zijn bijgevoegd. Tabel 1 en tabel 2 zijn in wezen gelijk, met dit verschil dat tabel 1 een temperatuurtabel is in kolom 1, en tabel 2 een druktabel in kolom 1. Ze werken goed samen, omdat horizontale ingangen in tabel 1 de gaten in de andere tabel opvullen.

Tabel 1.

Tabel 2.

Als de latente verdampingswarmte voor stoom bij 240°F bekend moest zijn, is in tabel 1 geen 240°F regel te vinden. De waarden zijn 212°F of 250°F. Met behulp van tabel 2, kolom 2, verschijnt de waarde 240,07°F. (Hieruit blijkt dat water bij 25 psia. kookt bij 240,07°F.) De latente warmte verschijnt als 952,1 BTU’s per pond, kolom 6.

Enthalpie

Een bespreking van stoom is niet compleet zonder de enthalpie te noemen. Enthalpie is de totale warmte. Enthalpie is een eigenschap van stoffen die een maat is voor hun warmte-inhoud. Het is handig om de hoeveelheid warmte te vinden die nodig is voor bepaalde processen. In tabel 1 wordt de totale warmte van stoom bij atmosferische druk (0 psig. of 14,696 psia) gegeven als 1150,4 BTU per Lb. Dit totaal bestaat uit twee delen, voelbare en latente warmte. De voelbare warmte doet de temperatuur van het water stijgen van 32°F tot 212°F, 180,07 BTU per liter. (kolom 6). De latente verdampingswarmte van water is bij 212°F, 970,3 BTU per liter. (kolom 7). De som is 1150,4 BTU per liter. (kolom 8). Deze informatie kan worden gebruikt om te bepalen hoeveel warmte nodig is om water in stoom te veranderen bij een willekeurige temperatuur en druk. Bijvoorbeeld, hoeveel warmte is er nodig om water van 70°F te veranderen in stoom bij 250°F? Uit tabel 1, regel 250°F, kolom 8, blijkt dat de enthalpie van stoom 1164 BTU per liter is. Uit kolom 6, regel 70°F, is de enthalpie van water 38,04 BTU per liter. 1164 is de totale warmte-inhoud van de stoom, en 38,04 de warmte-inhoud van het water bij 70°F. Het verschil, 1164 – 38,04, of 1125,96 BTU per pond, is de hoeveelheid warmte die aan het water van 70°F moet worden toegevoegd om het in stoom van 250°F te veranderen.

Superverhitte stoom

Het is onmogelijk om stoom in aanwezigheid van water te oververhitten, omdat alle toegevoerde warmte alleen het water zal verdampen. Zoals we in figuur 1 hebben gezien, zal de temperatuur van het water constant blijven totdat al het water is afgekoeld. Stoom met dezelfde temperatuur als het kokende water is “verzadigde” stoom. Oververhitte stoom is stoom met een hogere temperatuur dan kokend water onder dezelfde druk. Oververhitte stoom wordt vooral gebruikt bij de opwekking van energie. Turbines zijn efficiënter, hebben minder onderhoud nodig en gaan langer mee als ze op oververhitte stoom draaien. Gewoonlijk zullen we bij commerciële industriële verwarming en proceswerkzaamheden te maken hebben met verzadigde stoom.

(Een interessante terzijde met betrekking tot airconditioning is het feit dat alle vocht in atmosferische lucht bestaat als oververhitte stoom bij zeer lage druk. De latente warmtebelasting van het ontzwavelen van deze stoom kan meer dan 50% van de belasting van een airconditioner bedragen. Bij het koelen van een mengsel van lucht en oververhitte stoom wordt de stoom gede-superheat tot het een punt bereikt waarop het condenseert tot water. Dit punt wordt het “dauwpunt” genoemd. In feite is het de condensatietemperatuur van stoom onder lage druk.)

Stoom wordt op grote schaal gebruikt. In bijna elke fabriek zijn een of meer stoomeenheden in bedrijf. Figuur 2 illustreert enkele van de toepassingen in een typische installatie.

Figuur 2.

De stoom die in een ketel wordt gegenereerd, kan via leidingsystemen naar afgelegen plaatsen worden overgebracht om vele nuttige taken uit te voeren. De hogere druk in de ketel duwt de stoom naar de plaats waar hij nodig is, en terwijl er in elk distributiesysteem wat verliezen optreden, zal een zorgvuldig ontworpen en geïsoleerd systeem deze verspilling minimaliseren en stoom leveren waar hij bedoeld is om te verwarmen. Hier wordt dezelfde latente verdampingswarmte nu de latente condensatiewarmte, gebruikt om lucht, water, kookvaten, enz. te verwarmen

.