Stoom

 Om een machine in beweging te krijgen is warmte nodig. In het geval van De Tuut is die beweging het draaien der pompen, en die warmte komt voort uit het verbranden van steenkool. Nu kan die warmte niet rechtstreeks ingezet worden, op De Tuut wordt daarvoor een tussenmedium gebruikt, te weten water c.q. stoom.

De chemische stof water kennen we in drie aggregatietoestanden, te weten ijs (vast), water (vloeibaar) en stoom (gas). Het overgaan van water naar stoom heet verdampen, het overgaan van stoom naar water heet condenseren.

Onder normale omstandigheden, atmosferische druk, of te wel 1 kg/cm2 (in moderne termen 1060 millibar) gaat ijs in water over bij 0o Celsius en gaat water in stoom over bij 100o Celsius. Bij dezefluitketelfluitketel zgn. kooktemperatuur zal het water verdampen en tot stoom overgaan. Bij dit verdampen worden de watermoleculen door de toegevoerde warmte zo actief dat ze zich, tegen de atmosferische druk in, uit het water vrij kunnen maken en in gasvorm aan het wateroppervlak kunnen ontwijken.

In geval echter dat het koken niet in de open lucht plaatsvindt, maar in een gesloten vat, zal er boven het wateroppervlak al gauw geen plaats meer over zijn voor nieuwe stoom. De ruimte boven het water is verzadigd. Wordt er dan toch meer warmte toegevoerd dan zal deze energie ergens moeten blijven. Uiteindelijk worden de watermoleculen dan zo actief dat ze toch tegen de bovenliggende verzadiging in uit het water kunnen ontwijken en extra stoom vormen. De nieuwe stoom wringt zich met geweld tussen de al aanwezige stoom. Dit heeft tot gevolg dat de druk in de stoom toeneemt. Daardoor wordt het vormen van nieuwe stoom wederom bemoeilijkt. Door nog meer warmte toe te voegen gaan er zich opnieuw moleculen vrij maken waardoor de stoomdruk nog verder oploopt. Daarbij loopt ook de kooktemperatuur steeds verder op.

Er blijkt een wetmatig verband te zijn tussen kooktemperatuur en stoomdruk. Door water in een gesloten vat te verhitten wordt de stoomdruk steeds hoger en neemt de kooktemperatuur steeds verder toe. Een tabel van druk en temperatuur van verzadigde stoom vindt u hier.

In het geval van De Tuut kunnen de ketels een maximale druk van 12,4 kg/cm2 aan en de kooktemperatuur is dan stempelplaatstempelplaatopgelopen tot bijna 190o Celsius. De stoom met een zo hoge druk is krachtig genoeg om een machine aan te drijven. Zoals wind een zeilboot kan wegdrukken, zo kan stoom een zuiger in een stoommachine wegdrukken.

De stoom in dit gesloten vat heet “verzadigde” stoom. Dat wil zeggen, de ruimte boven het water is precies passend gevuld met gasvormige moleculen. Zo gauw de druk in de stoom afneemt is er direct weer ruimte om nieuwe stoom een plekje te geven en treedt er direct weer verdamping op, zo gauw de temperatuur afneemt blijft er te weinig plaats voor alle aanwezige gasmoleculen over en treedt er direct condensatie op.

Op De Tuut wordt deze verzadigde stoom nog een keer naverwarmd. De stoom wordt vanuit de ketel in een extra verwarmingselement gebracht, de zgn. oververhitter, en daar wordt de stoomtemperatuur verder opgevoerd. In deze oververhitter is geen water aanwezig zodat er geen verdere verdamping kan plaatsvonden, de stoomtemperatuur wordt alleen verhoogd. Daarbij treedt geen drukverhoging op. Door deze oververhitteroververhittertemperatuursverhoging wordt extra energie aan de stoom toegevoegd die in de machine omgezet kan worden als extra beweging. Immers, zoals in het begin al gesteld, beweging komt voort uit warmte. Deze naverwarmde stoom heet “oververhitte” stoom.

De stoom die vanuit de ketel op weg gaat naar de stoommachine moet een lange weg afleggen door allerlei buizen. Daarbij treedt onvermijdelijk afkoeling op. In het geval van verzadigde stoom zal deze afkoeling direct tot condensatie leiden. De gecondenseerde stoom is weer water geworden en kan dan niet meer in de stoommachine gebruikt worden. Deze condensatie is dus verlies.

De oververhitte stoom heeft echter een temperatuurbuffer, deze stoom heeft een temperatuur die ver boven de condensatietemperatuur ligt. Bij een geringe afkoeling treedt dus niet direct condensatie op.

In de oververhitters van De Tuut kan een maximale temperatuur van 300o Celsius worden bereikt.