De ketel De ketel is de primaire warmtewisselaar, alle energie vrijgemaakt uit de brandstof passeert de ketel, 60% van die energie wordt naar de secundaire warmtewisselaar(s) getransporteerd door het drukverschil van het medium, stoom, tevens de transporteur. Uiteindelijk wordt het leeuwendeel van de aan de stoom afgegeven energie overboord gepompt en benut men in het optimale geval 8% van de vrijgemaakte energie der brandstoffen. Bovenstaande wil duidelijk maken dat de ketel het zwaar te verduren heeft en daarom de meeste aandacht verdient, het is het meest kwetsbare deel in de keten van warmtewisselaars, tezamen de voortstuwing genaamd. Door de unieke taak kan men de ketel ook maar niet zo sterk en zo groot maken als men zou willen, nee, het is een balans van uitersten, zo licht mogelijk, zo sterk mogelijk, zo economisch mogelijk etc. Een verzameling van concessies en eisen. Een balans van uitersten, dit uit zich vooral in de “tegenstelling” “vuur & water”, Terwijl er gestreefd wordt naar een zo groot mogelijk verwarmend oppervlak, vuurgangen, vlamkasten en vlampijpen, streeft men tevens naar een zo groot mogelijke stoomruimte, en een zo groot mogelijke wateroppervlakte. Een grote stoomruimte is een buffer tijdens het manoeuvreren, een groot wateroppervlak vergemakkelijkt de stoomvorming, en zal bij plotseling grotere stoomafname minder heftig reageren en drogere stoom blijven leveren. Even kijken, wat is stoom. Stoom ontstaat door verhitting van water, laat men het verdampen dan noemt men het damp, verzamelt men het onder druk dan noemt men het stoom. Stoomvorming kent drie trajecten, verhitting van water tot de verdampingstemperatuur, omzetting van water naar stoom, drukverhoging van de stoom. 1. Tijdens de verhitting tot maximum watertemperatuur, het eerste traject, zal er per graad stijging per kg water 1 kcal nodig zijn. 2. De omzetting van water naar stoom, tweede traject, entropie gebied, verbruikt het leeuwendeel van de calorieën.1 kg stoom van 100C bevat ruwweg 5 x zoveel calorieën dan water van 100 C. Dit is sterk afhankelijk van de druk in de ketel. Hoge drukstoom, 100 bar bv, vraagt minder calorieën voor de omzetting. 3. Het aantal calorieën nodig om stoom van hogere druk te vormen, derde traject, is afhankelijk van de druk van de stoom Dit alles ligt vast in de stoomtabel, en het stoomdiagram. Stoomvorming. Stoom nu wordt in het water gevormd en met geweld aan het water ontrukt. Deze chaotische toestand noemt men “ENTROPIE” ( zie MOLLIER DIAGRAM). Het is gunstig voor de ketel indien men de stoomvorming zo rustig mogelijk kan laten verlopen. Dat betekent dat men een zo groot mogelijk scheidingvlak tussen water en stoom wil hebben. Het betekent ook dat het wateroppervlak zo schoon mogelijk moet zijn. Wil men onrust voorkomen, en de stoomruimte zo rustig mogelijk houden dan is het zaak dat men tijdens het stoken het waterpeil zo dicht mogelijk bij het wettelijk voorgeschreven L.T.W. houdt, (laagst toegestane waterpeil). Tevens draagt men zorg dat het condensaat olie vrij is, zodat het voedingwater olievrij is, het ketelwater zuiver is en de chemische reinigingen geneutraliseerd zijn. Stoomloop Stoom moet in een verzadigde toestand, zo droog mogelijk, de ketel verlaten. Dit bevorderd een optimaal bedrijf en voorkomt waterschade in leidingen en werktuigen. De stoom is slechts de transporteur van de calorieën, in de tweede warmtewisselaar, in de machine tracht men zoveel mogelijk calorieën aan de stoom te onttrekken, door middel van
een lage uittredingtemperatuur, gekoppeld aan een lage druk, en door de stoom gedeeltelijk te laten condenseren. Natte stoom dus. De derde warmtewisselaar, de condensor zet de “uitgeputte stoom” om in water. Alle calorieën in de ketel toegevoegd om water in stoom om te zetten komen vrij in de condensor door het omzetten van stoom in water, verhitten verdwijnen in ons overboord. Zaak is om de stoom bij een zo laag mogelijke druk om te zetten in water met zo een hoog mogelijke temperatuur, 60 C, wordt als bijna ideaal beschouwd. Temperatuur hoort bij de dampspanning. Wat bedreigt de ketel: 1. Spanningen door temperatuur verschillen 2. Corrosie 3. Vervuiling 4. Verminderde warmte overdracht door aanslag Men moet goed beseffen dat de schade aan de romp aangebracht heel moeilijk te verhelpen is, ook heel moeilijk vast te stellen is, eigenlijk alleen als de componenten verwijderd zijn of er op de naden lekkages vast gesteld worden. Schade aan de componenten, wij noemen, vuurgang, vlamkast, vlampijpen, binnenpijpen zijn makkelijker vast te stellen, soms melden zij zichzelf. Ten einde een duidelijk overzicht te krijgen van de mogelijke problemen, een duidelijk inzicht te krijgen van, hoe lossen wij dit op zonder het origineel aan te tasten, zijn er vier boeken bestudeerd, Lichtenbelt 1903, het dichtst bij het bouwjaar en is het eerste boek wat beschrijft wat water en lucht met de ketel kunnen doen. Daarna Lichtenbelt, 1926. De auteur was overleden, en nieuwe inzichten werden door de bewerkers op schrift gesteld. Kloet, 1940. Men wist toen wat lucht in de ketel deed. Ketelsteen enz werden intensiever bestreden en lucht geneutraliseerd waar nodig. 1. Spanningen. Spanningen kunnen zowel door water als door vuur & lucht veroorzaakt worden, allen zijn onvermijdelijk, en men kan ze slecht tot het minimum trachten te beperken. De belangrijkste nadelig factor vloeit voort uit de bedrijfsvoering. Daar kan men niet omheen. De historische functie van de Christiaan Brunings bepaalt de bedrijfsvoering, c.q. het is een schroef gedreven vaartuig met een stoom voortstuwing installatie en een met de hand kolengestookte ketel. Het draait grotendeels om het kolengestookte, in mindere mate ook om het historische. Kolen gestookte ketels, hand-kolengestookte ketels in het bijzonder, staan bloot aan meer spanningen dan b.v. oliegestookte ketels, kolen gestookte ketels zijn minder milieu vriendelijk dan oliegestookte ketels, kolengestookte ketels behoeven meer bemanning en meer zorg dan oliegestookte ketels. De installatie is historisch en kan daarom niet zomaar aangepast worden en zodoende de ontwikkelingen van de laatste honderd jaar op de voet te volgen. Er kunnen echter wel “historische aanpassingen” welke het geheel geen geweld aandoen overwogen worden. Grote spanningswisselingen in de romp, langs naden vooral, ondervindt de ketel door het regelmatig afkoelen en weer opstoken van de ketel, dit is niet te vermijden, het is niet aan de omgeving te verkopen om de ketel een heel vaarseizoen walmend onder stoom te houden, noch heeft men daar de mankracht voor.
Er wordt voor een middenweg gekozen, als middenweg het juiste woord is, een vlampijpketel, welke een grote massa water bergt en zelf een grote massa staal is, mag niet sneller dan in drie dagen op druk gebracht worden, langzamer mag, maar alleen van de machinist, de omgeving klaagt. Korter moet, onder druk van het milieu. Echter, hoe zorgvuldig men het ook doet, elke keer weer zal de ketel vervormen en de naden worden belast, normaal lag een ketel ook een jaar of meer onder stoom, alleen bij inspectie en schade liet men de ketel afkoelen. Als tweede nadeel van een hand-gestookte kolenketel ligt de nadruk op het actuele stoken. Er wordt niets ten nadele van het stoken en stoker gezegd, maar stoken is een kunst, en stoken, vindt men tegenwoordig, moet schoon zijn, weinig rook, dat laatste strookt niet altijd met goed stoken. Maar hoe men ook stookt, de deur naar de stookruimte moet open om kolen op het vuur te werpen, het vuur te onderhouden, de rook af en toe te temperen, en de baren te reinigen. Elke keer als de vuurdeuren geopend worden zal er “koude” lucht via de vuurgangen naar de schoorsteen stromen en op zijn weg krimpspanningen veroorzaken. Gelukkig dat de C.Br. tegenwoordig vlampijpen heeft welke in de vlamkast zijn gelast, vroeger was dit een bron van zorg en verschrikking, vlampijpen raakten los in de vlamkast en zo ontstond er lekkage, de reparatie werd uitgevoerd in hete ketel. Drie dagen afkoelen en drie dagen opstoken was er niet bij. Boodschap, snel stoken, bovenlucht vermijden, ten alle tijden, maar ja, bovenlucht bindt de CO2, reductie, tot CO, en dat rookt minder, maar verlaagt het rendement van de ketel, en koelt hete delen en zorgt zodoende voor spanningen. Voor bovenstaande bedreigingen zijn geen antwoorden voorhanden. Men kan slechts met goede wil de gevolgen beperken. Ernstiger is koud water, nu is alle water kouder dan 100 C, koud water! Deze veroorzaker van spanningen in de romp was bij de bouw van de Brunings niet onbekend, vandaar dat men een persvoorwarmer tussen de voedingspompen en de ketel in geplaatst heeft. Belangrijk zijn ook de binnenvoedingwater pijpen, tijdens het traject naar de stoomruimte wordt het “koude”voedingwater verwarmd tot 100 C, tevens, zeer belangrijk, vermijdt men op deze wijze het contact van het “koude voedingwater”met de hete vuurgang. 2. Corrosie. Corrosie wordt veroorzaakt door de gassen in het ketelwater. Dit echter is met oplettendheid en toevoeging van chemicaliën te voorkomen. Ernstiger is LUCHT. Corrosie en lucht, De lucht heeft een sterke corrosieve werking, wij laten in deze Lichtenbelt even rusten, Lichtenbelt zag al wel het gevaar van lucht, maar zijn verklaring is niet steekhoudend meer, Daarvoor gaan wij naar Kloet, pagina 594, gassen in het voedingwater, Verkort komt het erop neer dat er door koolzuur, aanwezig in water door ontleding van de gebruikte chemicaliën roestvorming veroorzaakt, Fe CO3, hetgeen op zich niet ernstig is, doch zuurstof doet de roest uiteenvallen in roest hetgeen bezinkt, en opnieuw koolzuur hetgeen het ketel materiaal weer aantast. Lichtenbelt zegt dat de luchtbellen de roestschilfers losrukt, nou ja, dat is ook een verklaring. Later gaan wij er verder op in, maar nu houden wij het erop dat de beschermende oxidatie laag, magnetiet, Fe 3 O4 wordt aangetast etc. Hoe verwijderen wij lucht, de beste manier is verwarming van het water en dan ontluchting, Oplosbaarheid van lucht in water is bij 20 c 7 ppm, bij 100 c 0,4 ppm en 104 c vrijwel nul.
Men kan door toevoeging van hydrazine lucht bestrijden.. Wij gaan terug naar Lichtenbelt in het jaar 1903. Men is erachter gekomen dat lucht een boosdoener is, dat koud water een boosdoener is dat wist men al langer, maar dat de uitkomst ter bestrijding van deze beide gevaren een gezamenlijk noemer had dat wist men nog niet, De voorwarmer zou in de toekomst een belangrijke rol gaan spelen, er kan niet genoeg benadrukt worden dat dit apparaat niet alleen het rendement van de installatie zou verhogen doch ook de duurzaamheid. Lichtenbelt 1903 Vertering. Hieronder verstaat men het in dikte, dus in sterkte verminderen der ketel delen en verbindingen, ten gevolge van fysische en chemische werkingen, tezamen of afzonderlijk. Chemische oorzaken Beginnende met de chemische werking merken wij op, dat deze hoofdzakelijk te wijten is aan lucht en de onreinheden, welke met het voedingwater in de ketel komen. Hierna volgt een hele verklaring welke echter hier niet op de plaats is, maar dan, pagina 336 laatste alinea; De intering van ketelwanden door met het water meegevoerde lucht, is sedert de invoering der zich automatisch regelende voedingpompen, grotendeels verdwenen. De door de machine gedreven pompen hebben een te grote inhoud en vullen zich bij elke slag gedeeltelijk met water doch voor het overige met lucht, welke laatste met het water naar de ketel gaat. Dit is niet het geval bij de afzonderlijke werkende stoomvoedingspompen, daar deze zich geheel met water vullen. De intering verdwijnt bijna geheel als bovendien een voorwarmer gebruikt wordt. Nu volgt dan aanwijzing hoe men deze noodlottige luchtstroom de baas kan blijven. 1903; pag. 337 Men moet bij gebruik van machinepompen trachten de lucht af te voeren, en wel door in de persleiding een reservoir aan te brengen, waarvoor bijv. de windketel kan dienen, en in de wand hiervan op 1/3 van de hoogte een ruime aftapkraan te schroeven, met pijp, leidende naar de warmwaterbak. Een peilglas van matige hoogte, waarvan het midden met de plaats van de aftapkraan overeenkomt, toont ons dan de waterstand, welke wij op constante hoogte houden, door met behulp van de aftapkraan de lucht, welke in het reservoir stijgt, af te voeren. Eventueel medestromend water komt in de WWB terecht en gaat niet verloren. Een nog eenvoudiger methode bestaat in het aanbrengen van een pijp met kraan tussen pers en zuig pijp en een peilglas aan de WBB. De kraan, welke desnoods alle voedingwater terug doet vloeien, wordt zo gesteld, dat juist zoveel water terugvloeit als de pomp meer neemt of bergen kan, dan voor voeding nodig is. Door nu het waterpeil in de WWB op constante hoogte te houden, kunnen de pompen geen lucht mede zuigen en is men bovendien bevrijd van de last dat zij telkens afslaan. De kleppen kunnen dan ook een goede lichthoogte krijgen. Geheel luchtvrij is het water nog niet als het de voedingpomp verlaat en op weg gaat naar de ketel, maar, in de open systemen van die tijd plaatste men al wel een persvoorwarmer, zo ook op de Brunings. Wij lezen op pagina 262, Lichtenbelt 1903, Bij vele land- en scheepsmachines vindt men tegenwoordig een voorwarmer toegepast (feedheater) met de bedoeling om het voedingwater voor het in de ketel komt te verwarmen en te ontluchten. Wij springen naar pagina 399: tussen de regels 2 en 3 van boven is verzuimd te plaatsen: De voordelen van de voorwarmer zijn A. De brandstofbesparing B. De keteldelen hebben minder van vertering te leiden C. Ongelijke uitzetting van de ketel houdt grotendeels op D. Laat het voedingwater van 30 tot 90 C verwarmd worden dan bespaart u 9,5 % E. De vertering is minder omdat gedurende verwarming de lucht ontwijkt
F. De temperatuurverschillen van het water worden tot een minimum teruggebracht Wie kan hier tegenop. Alleen er zal een retourleiding naar de WWB op moeten komen, anders hoopt de lucht zich op. 3. Vervuiling. Vervuiling kan in vele vormen voor komen. Olie, zout, zwevende deeltjes alles heeft een nadelige invloed op de ketel en het systeem. Elke soort vervuiling heeft zo een eigen invloed, maar waar de Christiaan Brunings vooral mee te maken heeft is olie. Het water aldus verkregen is destillaat. Puur water met olie, helaas. De olie wordt in de Warmwaterbak afgeroomd door middel van sponzen, nu kunststof sponzen, vroeger LUWA sponzen, nog in de reform winkels te verkrijgen. Helaas verliezen wij echter tijdens de rondloop water door lekkages, dit wordt gesuppleerd vanuit de achterpiek tank. Dit water bevat chemische verontreinigen. Als het goed zuiver water is dan volstaan wij met het noemen van, natrium, calcium, magnesium. De hardheid noemen wij dat. Die hardheid kunnen wij meten, graden Engler en PH waarde. Toevoeging van chemicalien neutraliseren deze stoffen Op deze wijze voorkomen wij ketelsteen en zwevende kalkdeeltjes in de ketel, ketelsteen vormt een laag steen op de romp, niet zo ernstig, maar ook op de verhitte delen, hierdoor neemt de warmte overdracht sterk af en kan zo oververhitting veroorzaken. De zwevende delen idem dit, het nestelt zich op ongewenste plaatsen en de ketel is er de dupe van. Er is al over verteld. Olie zat zich af op de wand van de ketel b.v. Nu, daar doet het weinig kwaad, maar het zet zich tijdens spuien ook af op de vlamkast, op de pijpen op de vuurgang, en daar zal het met het opvullen van de ketel blijven zitten en de overdracht van warmte zeer nadelig beïnvloeden. De olie welke op de waterspiegel drijft zal stoomvorming bemoeilijken en opkoken is een naar gevolg hiervan. Opkoken komt later aan de beurt. De enige manier dat olie gescheiden kan worden van het destillaat is het water te filtreren in de WWB, het geschiedt heden ten dage met polyester drijflichamen welke olie absorberen. Het resultaat is bemoedigend. 4. Verminderde warmte overdracht Overal waar water met gietijzer, staal, of andere metalen in aanraking komt bestaat de kans op corrosie. Wordt het water bovendien nog verwarmd, dan komt daar een grote kans op ketelsteenafzetting bij. Corrosie verzwakt het materiaal en ketelsteen verhinderd de warmte doorgang, zodat het materiaal sterker verhit wordt en in sterkte terugloopt. Voor de hand liggend zou ketelwater volkomen zuiver moeten zijn, maar zo eenvoudig is het niet: volkomen zuiver water is corrosief en biedt geen enkele bescherming tegen de vorming van ketelsteen, als er door lekkage ketelsteenvormers in het water terechtkomen. Daarom dient ketelwater nauwkeurig onderzocht en voorzien van chemicaliën, die ketelsteenvorming en corrosie tegengaan. Uit een stoomsysteem verdwijnt ook regelmatig water door onvermijdelijke kleine lekkages, door spuien van de ketels en doorblazen van peilglazen. Om dit bij te vullen wordt er gesuppleerd, en in ons geval met gebunkerd drinkwater van de wal dat zout, hardheidvormers en andere stoffen bevat. Bij gebruik als drinkwater geven deze smaak aan het water, maar in de stoomketel zijn zij funest. De ketelsteenvormers zijn zouten van calcium en magnesium, die in water slecht oplosbaar zijn en waarvan de oplosbaarheid bij stijgende temperatuur afneemt. Zij worden hardheidvormers genoemd. Zout is in water heel goed oplosbaar maar bevorderd de oppervlakte spanning van het water en veroorzaakt opkokers.
