Met stoom en water Project voor MBO Techniek
Voor: Studenten van de MBO opleidingen op het gebied van Middenkader Engineering en Procestechniek / Operationele techniek en verwante opleidingen. Door: Wetterskip Fryslân, Stichting Ir. D.F. Woudagemaal en Centrum voor Innovatief Vakmanschap Water. Doel: In deze module leer je hoe machines door stoom aangedreven kunnen worden en welke ontwikkelingen dit heeft doorgemaakt. Van stoommachine tot moderne gasturbine. Inleiding In dit project ga je aan de slag met de techniek die bij het waterbeheer van Nederland hoort. Zoals je waarschijnlijk weet leven we voor een groot deel onder het waterniveau van de zee. Als we niet zeer regelmatig water lozen in de zee houden we de voeten niet droog. Gewoon de sluizen open zetten bij laag zeewater (eb). Soms echter is het zeeniveau te hoog en moeten we met een gemaal het water omhoog brengen. Daarom zijn er veel gemalen in bedrijf, bijvoorbeeld het J. L. Hoogland gemaal in Stavoren. In Nederland bestaan ook veel polders die apart bemalen worden en waar het water wordt geloosd op de zogenaamde boezem. Overal staan kleinere gemalen opgesteld, met pompen, meet- en regelsystemen, besturingen, enzovoorts.
Een heel bijzonder gemaal is het stoomgemaal in Lemmer: het Woudagemaal. Dit is een oud stoomgemaal uit 1920 dat nog steeds wordt ingezet als het Friese boezemwater te hoog komt, meestal bij veel regen en storm uit het Noordwesten. In dit project kijken we welke technieken er in de wereld van het waterbeheer te vinden zijn. We gaan een bezoek brengen aan het Woudagemaal om te kijken hoe het werkt en om te onderzoeken hoe effectief dat gemaal werkt. Vervolgens gaan we nieuwe technieken toepassen die we in de wereld van het waterbeheer vinden. De module eindigt met een presentatie waarbij een medewerker van het waterschap aanwezig is. Heb je de opdracht volbracht dan ontvang je een certificaat van het waterschap. Voor actuele informatie, uitwerkingen, materiaallijsten, nuttige links en andere bronnen ga je naar: www.civwater.nl/mboprojecten/bronnen.
J. L. Hoogland gemaal in Stavoren
1
Met stoom en water Project voor MBO Techniek
OPDRACHT 1
Vooronderzoek: Woudagemaal In de periode waarin je aan deze opdracht werkt kun je een georganiseerd bezoek brengen aan het gemaal. Er zijn mensen aanwezig die jouw technische vragen kunnen beantwoorden. In het Bezoekerscentrum kun je veel informatie halen en een boeiende 3D-film bekijken.
In deze opdracht voer je een onderzoek uit en maak je een aantal berekeningen over gemalen en de gebruikte technieken. Voer minimaal de onderstaande opdrachten uit en maak van de verzamelde informatie een reader in pdf-formaat. De reader mag natuurlijk ook veel uitgebreider worden.
A. Zoek informatie over het Woudagemaal. Lees welke functie het heeft, wanneer het in actie komt en in welke periode het is gebouwd, etc. B. Zoek uit hoe het werkt. Welke technieken zijn gebruikt? Hoe werkt een stoommachine eigenlijk op hoofdlijnen. Hoe wordt de stoom gemaakt en aan welke eisen moet het voldoen? Bekijk de video over het Woudagemaal die je vindt in het bronnencentrum op de site www.civwater.nl/mboprojecten/ bronnen. C. Welk principe pomp is toegepast? Om welke reden is voor dit type gekozen? D. Hoe hoog moet het water worden opgepompt en om hoeveel liter per minuut gaat het eigenlijk? Welk vermogen is daar voor nodig (in Watts)? Hoeveel brandstof wordt daarvoor gebruikt? E. Reken eens uit hoe lang het gemaal moet draaien om 4 mm water uit de Friese boezem weg te pompen.
2
Met stoom en water Project voor MBO Techniek
OPDRACHT 2
Rendementen en technieken Maak een berekening van het rendement van het Woudagemaal. Je weet al welke energie er nodig is om het water op te pompen. Bepaal hoeveel energie er in de brandstof zit (calorische waarde in MJ/m3 of MJ/kg) en welke energie er dus ingebracht wordt. Wat is het rendement van deze gehele installatie?
Als je het leuk vindt kun je ook onderzoeken welke onderdelen het rendement bepalen. Wat is het rendement van de stoomketel, en dat van de stoommachine? Welk rendement heeft de pomp? Werk dit uit op maximaal 1 A4’tje. De stoommachine zoals die in het Woudagemaal is te vinden, kan veel energie leveren bij een laag toerental. In een elektriciteitscentrale wordt energie uit stoom omgezet in mechanische energie door een turbine. Hierin wordt zeer hete stoom op turbinebladen geblazen die daardoor gaan draaien. Doordat de stoom veel heter kan zijn wordt het rendement hoger.
Zoek uit welke rendementen gelden voor een stoommachine en een turbine van het vermogen dat nodig is voor het Woudagemaal. Onderzoek ook hoe een turbine werkt. Wat is een meertrapsturbine, en welk resultaat heeft dat voor het rendement? Werk dit uit op een A4’tje.
3
Met stoom en water Project voor MBO Techniek
In feite bestaat een straalmotor (met propeller) uit een vliegtuig of helikopter ook uit een turbine. De kerosine wordt verbrand en zet zeer snel sterk uit. De gassen drijven de turbinebladen aan. De lucht wordt eerst verdicht door een compressor.
De kern van de motor: compressor, verbrandingskamer en turbine wordt ook in energiecentrales ingezet. We noemen dat dan een gasturbine. Er zijn gasturbines in vermogens tot wel 300 MW. Door het hoge toerental van een gasturbine is er wel een tandwieloverbrenging nodig, die ook weer energie verloren doet gaan. Zoek voorbeelden van de toepassing van gasturbines. Waarvoor is in die situatie gekozen voor dit type? Werk dit uit op een A4’tje.
4
Met stoom en water Project voor MBO Techniek
Opdracht 3: de uitdagingen
3.1. Bouw je eigen turbine De vorm van het schoepenblad is voor een groot deel bepalend voor het rendement van de turbine. Oftewel hoeveel energie kan er uit de bewegende luchtstroom worden gehaald?
Je gaat een eigen turbine bouwen in een projectgroep. Welke projectgroep bouwt de turbine met het hoogste rendement? De eindpresentatie bestaat uit het presenteren van de turbine en een verslag van de totstandkoming en de onderzoeksresultaten die jullie hebben gevonden.
Bouw volgens de specificatie de basisconstructie van PMMA (plexiglas) en staal. Het turbineblad wordt van aluminium gemaakt en experimenteel bepaald. Wil je meer verdiepende theorie kijk dan bij de bronnen op de website.
De afgebeelde turbine kun je bouwen volgens de bouwtekeningen en beschrijvingen die je op de site www.civwater.nl/ mboprojecten/bronnen kunt vinden. Daar is ook een lijst van gebruikte materialen te vinden.
Waarschuwing Waarschuwing
Het toerental van deze turbine kan hoog HetDraag toerental van deze turbine kanen hoog zijn. altijd een veiligheidsbril zijn. Draag altijd een veiligheidsbril en zorg voor een gedegen constructie. Voor zorg voor wordt een gedegen constructie. de veiligheid deze turbine niet Voor de veiligheid wordt deze turbine niet aangedreven met stoom of verbrandingsaangedreven met stoom of verbrandingsgassen, maar met perslucht. gassen, maar met perslucht.
A.
Meet met behulp van een flowmeter de hoeveelheid lucht die per tijdseenheid wordt gebruikt.
B
Neem bij verschillende vormen van de turbinebladen op: • De opgewekte spanning. Tip: De spanningsvorm en frequentie maken dat je niet met een normale universeelmeter kunt meten. • Het toerental. Onderzoek hoe je dat kunt doen. • De gebruikte hoeveelheid lucht per tijdseenheid.
C
Bij welke stand van de bladen is het toerental en de opgewekte spanning maximaal bij een bepaalde hoeveeheid lucht?
Maak een presentatie van de bevindingen. Welke hoek, aantal bladen en constructie levert de hoogste opbrengsten? Verklaar je bevindingen.
5
Met stoom en water Project voor MBO Techniek
Opdracht 3: de uitdagingen
3.2. Ontwerp het …….gemaal (eigen naam invullen) Ontwerp je eigen gemaal. Inclusief toelichting, onderbouwing en tekening.
Het Woudagemaal stamt uit 1920. Met de modernste techniek van dat moment en nog steeds sterk, een soort Rolls Royce van opa. Maar er waren nagenoeg nog geen milieueisen en ook had het begrip duurzaamheid nog niet de betekenis zoals we die nu kennen.
Stel dat we nu een gemaal met dezelfde functie en capaciteit zouden moeten bouwen, dat moet voldoen aan de huidige eisen voor CO2-uitstoot, natuurbelasting, rendement, duurzaamheid, etc. Hoe zou dat er uit zien?
Onderzoek welke milieueisen een rol spelen en welke invloed dat heeft op de keuzes van aandrijvingen en constructies. Maak een ontwerp, met tekening en een presentatie van de keuzes en de onderbouwing.
Natuurlijk ligt de aandrijving via elektromotoren voor de hand. Onderzoek ook welke andere aandrijving nu gebruikt zou kunnen worden. Zijn de huidige pomptypen nog hetzelfde?
Projectafronding Het project wordt afgesloten met een presentatie van de resultaten. Studenten die het project hebben uitgevoerd met voldoende inzet en resultaten waaruit blijkt dat er goed is nagedacht en dat er voldoende is geleerd, ontvangen een certificaat van het waterschap.
6
