Wat is een turbomachine en wat is het doel van deze machine?

Turbomachines zijn machines waarin energie wordt gewisseld of omgezet. Er is hierbij sprake van een stroming of druk van een vloeistof of gas en een schoepensysteem. Dit schoepensysteem wordt in beweging gebracht door de druk van de vloeistof of gas. De kracht van de energieoverdracht is afhankelijk van de krachten die door de stroming op de het roterend schoepensysteem worden uitgeoefend. De energiewisseling kan in een turbomachine in twee richtingen verlopen.

Turbine
De eerste richting is het in beweging brengen van schoepen door druk vanuit een stroming van gas of vloeistof. In dit geval wordt bijvoorbeeld een as aangedreven en spreekt men van een aandrijvend mechanisme. Deze systemen worden ook wel turbines genoemd, een voorbeeld hiervan is stoomturbine die op stoomdruk (verdampt water= gas) werkt.

Een omgekeerde werking is ook mogelijk. Hierbij zorgt een schoepenrad in de vorm van een rotor juist energie a en zorgt deze voor een stroming. Ook hierbij is een machine aangedreven maar de benamingen zijn verschillend. De benaming die men voor dit type machine gebruikt is afhankelijk van het gebruikte fluïdum.

Turbopompen
Een turbopomp wordt bijvoorbeeld gebruikt voor het verplaatsen van vloeibare stoffen zoals water en olie. Hierbij wordt gebruik gemaakt van drukverhoging van deze vloeistoffen om ze in een bepaalde richting te transporteren.

Turbocompressoren
Een turbocompressor wordt gebruikt voor het realiseren van drukverhoging voor samendrukbarre gassen zoals dampen en lucht. Deze turbocompressors worden onder andere toegepast in auto’s en andere voertuigen.

Ventilatoren
Ventilatoren worden gebruikt voor het realiseren van een snelheidsverhoging van samendrukbare fluïda. Meestal worden ventilatoren gebruikt voor het verplaatsen van lucht om bijvoorbeeld een machine of ruimte te verkoelen.

Propeller
Als men een schroef met propeller in beweging brengt dan kan er een snelheidsverhoging optreden met betrekking tot propulsie.

Wat is een stoomturbine en wat is de werking daarvan?

Stoomturbines zijn apparaten die worden gebruikt om stoomdruk om te zetten in beweging van een as. Een stoomturbine kan dus dienen als aandrijving voor een as. In 1883 is de eerste stoomturbine uitgevonden door de Zweedse ingenieur Gustav de Laval. Deze eerste stoomturbine werd ook wel de lavalturbine genoemd en bestond uit een groot aantal emmervormige schoepen. Deze schoepen kwam in beweging door de druk van stoom. Hierdoor ontstond een rotatie die hij gebruikte als aandrijving voor een melkcentrifuge. De opkomst van stoommachines was echter al eerder (1750 in Engeland) dan de ontwikkeling van de stoomturbine en zorgde voor een nieuw tijdperk in de industrie. De industriële revolutie ontstond.  Tegenwoordig wordt een stoomturbine onder andere toegepast in elektriciteitscentrales. Daarnaast worden ze ook toegepast in grote zeeschepen.

Hoe werkt een stoomturbine?
Voor de werking van een stoomturbine heeft men stoomdruk nodig. Deze stoomdruk ontstaat door het verhitten van water. Om water te kunnen verhitten zal men echter een brandstof moeten verbranden. Deze brandstof kan bijvoorbeeld steenkool zijn. Als men steenkool verbrand en daar boven een ketel heeft met water dan zal het water verdampen en in volume toenemen. Bovendien zal deze damp naar boven gedrukt worden omdat warme lucht opstijgt. Als men de stoom vervolgens gaat geleiden naar een rij rotorschoenpen dan zullen deze schoepen de stoom maximaal van richting laten veranderen. De druk van de stoom zorgt er dan voor dat de schoepen in beweging komen.

Door gebruik te maken van een rij statorschoepen wordt de stoom weer in de richting van de volgende rij rotorschoepen gebracht. Dit proces verloopt net zo lang tot de stoom maximaal is geëxpandeerd. Als de stoom is afgewerkt en dus haar totale energie heeft afgegeven zal de stoom weer waterdruppeltjes beginnen te vormen. Deze waterdruppeltjes kunnen voor erosie zorgen op de turbinebladen en daarom worden ze uit de turbine geleid. Men doet dit wanneer 20% van de watermoleculen gecondenseerd is in de stoom. Men kan dit water vervolgens weer teruggeleiden richting de stoomketel om zodoende het proces te gaan herhalen met een minimaal verlies aan water.

Wat is warmte-krachtkoppeling WKK en waarvoor wordt deze techniek gebruikt?

Warmte-krachtkoppeling is het benutten van de restwarmte die vrijkomt in de stoomkringloop wanneer stoomdruk wordt gebruikt voor het opwekken van elektriciteit. Deze restwarmte kan worden gebruikt voor verschillende doeleinden. Hieronder is in een aantal alinea’s uitgelegd hoe de stoomkringloop werkt voor het opwekken van elektriciteit. Daarna is aangegeven wat een warmte-krachtkoppeling is en waarom deze zo belangrijk is.

De stoomkringloop voor het opwekken van elektriciteit
In stoomketels wordt water verwarmt zodat stoom ontstaat. Deze stoom bevat een bepaalde druk die er voor zorgt dat  de stoom arbeid kan verrichten. Voor het opwekken van elektriciteit wordt de stoomdruk gebruikt om een aantal loopwielen die van schoepen zijn voorzien in beweging te brengen. De stoom drukt tegen de schoepen van de loopwielen aan zodat deze snel beginnen te draaien. Deze loopwielen met schoepen bevinden zich in de stoomturbine.

Deze stoomturbine is gekoppeld aan een generator. De generator wekt elektrische stroom op met een hoge spanning. De stoom die de schoepen in beweging heeft gebracht heeft in feite arbeid verricht. Nadat de stoom arbeid heeft verricht wordt ook wel gesproken over afgewerkte stoom. Deze afgewerkte stoom wordt weer afgekoeld. Hierdoor veranderd de stoom weer in water. Dit proces gebeurd doormiddel van condensors in een condensatieturbine. Deze bevat een aantal bundels met condensorpijpen. Koelwaterpompen zorgen er voor dat er koelwater door deze condensorpijpen wordt geperst. De afgewerkte stoom veranderd in water oftewel in condensaat wanneer deze in contact komt met de condensorpijpen. Dit condensaat wordt weer naar de ketel teruggebracht, die het vervolgens doormiddel van hitte weer in stoom verandert. De stoomkringloop is nu rond. Het koelwater dat door de condensorpijpen stroomt wordt echter warm door de afgewerkte stoom en wordt naar buiten getransporteerd.

Warmte-krachtkoppeling
In een stoomkringloop wordt slechts een deel van de opgewekte warmte gebruikt voor het opwekken van elektriciteit. Het elektrisch rendement van moderne elektriciteitscentrales is ongeveer zestig procent. De overige energie die in de stoomkringloop van deze centrales ontstaat komt vrij als warmte. Deze warmte wordt afgevoerd met het koelwater zoals in de vorige alinea is beschreven. Doormiddel van een warmte-krachtkoppeling kan deze warmte nuttig worden gebruikt. De warmte-krachtkoppeling wordt vaak afgekort met WKK en wordt gebruikt om de warmte uit de afgewerkte stoom te benutten voor verwarming en droging. Door de WKK kunnen woningen, fabrieken en utiliteit worden verwarmd. Een warmte-krachtkoppeling is een gecombineerde opwekking en productie van elektriciteit en warmte die nuttig wordt gebruikt. Doordat de warmte die vrijkomt uit de afgewerkte stoom wordt hergebruikt voor de verwarming van gebouwen hoeft men minder brandstoffen te verbranden om de gewenste temperatuur te bereiken. Hierdoor wordt brandstof bespaard. Dit is gunstig voor het milieu omdat minder brandstoffen worden verbrand en daarmee de CO2 uitstoot wordt beperkt. Daarnaast is het ook nog financieel aantrekkelijk.

Samenvatting: hoe werkt een warmte-krachtkoppeling?
Het gebruik van een warmte-krachtkoppeling zorgt er voor dat de afgewerkte stoom die de stoomturbine verlaat niet wordt gecondenseerd in een condensor. Het warme water dat de afgewerkte stoom bevat wordt hergebruikt voor bijvoorbeeld een centrale verwarming.