Stoom – Signux

Inleiding

Stoom is een vaak gebruikt medium in processen waar warmte-overdracht van belang is. Van de eerste stoommachines tot pasteurisatie, doorheen de industrialisatie heeft stoom altijd een belangrijke rol gespeeld.

Met stoom kan energie getransporteerd worden vanuit de centrale stoomketel, waar het efficiënt en economisch opgewekt wordt, tot de eind gebruikers.

Verzadigde stoom

Stoom is niet anders dan water waaraan energie wordt toegevoegd onder de vorm van warmte. Wanneer de moleculen voldoende kinetische energie krijgen zullen deze ontsnappen van de vloeibare vorm en zich in de dampfase begeven tot een moment waarin het water vrij zal verdampen en het zijn kookpunt heeft bereikt.

Het verder toevoegen van energie, onder constante druk, zorgt voor de vorming van verzadigde stoom. Op dit moment is de temperatuur van water en de dampfase hetzelfde, maar per eenheid massa zal stoom meer energie bevatten.

Wanneer er meer energie wordt toegevoegd aan de verzadigde stoom dan zal zijn temperatuur verder toenemen zodanig dat het boven de saturatie curve zal liggen, men spreekt dan van “superheated steam”. Het aantal graden dat deze boven de saturatietemperatuur ligt is het aantal graten oververwarming.

Superheated steam wordt niet vaak gebruikt in procestechnologie omdat in verhouding van extra warmte ten opzichte van verzadigde stoom veel beperkter is.

Stoomkwaliteit

Stoom dat bij een bepaalde druk een temperatuur gelijk heeft aan zijn kookpunt zal droge verzadigde stoom zijn. In realiteit zal stoom echter nooit 100% droog zijn en zal deze waterdruppels bevatten.

Natte stoom zal typisch een lagere warmte energie hebben dan 100% droge stoom, dit volgt uit de vaststelling dat water een lagere specifieke enthalpie heeft dan stoom. Hoe meer water er in de stoom aanwezig is hoe lager de bruikbare energie zal zijn.

$X = \frac{m_{s t o o m}}{m_{s t o o m} + m_{w a t e r}} * 100 %$

Met

X : Fractie stoom (%)
m, stoom: Massa stoom (kg)
m, water: Massa water (kg)

Stoomberekeningen

Notes on Log Mean Temperature Difference (LMTD)

Een vaak gebruikte toepassing van stoom is in een warmtewisselaar, in dit voorbeeld een tegenstroom warmtewisselaar.

Het temperatuurprofiel voor de producten zal er dan als volgt uit zien:

De condensatie temperatuur blijft blijft constant doorheen de warmtewisselaar terwijl de secundaire vloeistof opgewarmd wordt van een temperatuur T1 naar uitgangstemperatuur T2.

Indien we de opstart van de warmte-uitwisseling buiten beschouwing laten en enkel de steady-state beschouwen dan volgt dat de benodigde warmte voor de secundaire vloeistof gegeven wordt door:

$\overset{\cdot}{Q = \frac{m C_{p} ∆ T}{t}}$

Met

m/t: Massa debiet secundair vloeistof (kg/s)
Cp: Specifieke warmtecapaciteit (J/kg K)
Q’: Warmte (J/s)
ΔT: Temperatuursverschil (K)

Voor de stoom wordt dit:

$m ‘_{s} L_{v} = Q ‘ = m ‘ C_{p} ∆ T$

$m ‘_{s} = \frac{m ‘ C_{p} ∆ T}{L_{v}}$

Met

m’s: Massa debiet stoom (kg/s)
Lv: Specifieke verdampingsenthalpie van stoom (kJ/kg)

De specifieke verdampingsenthalpie van stoom kan afgeleid worden uit zogenaamde stoomtabellen. Zo is bij stoom van 1 bar(g) met kooktemperatuur van 120,23°C de latente verdampingswarmte gelijk aan 2201,59 kJ/kg.