thumb|Een monotube-stoomgenerator van de White Motor Company (begin 20e eeuw).
Een ’‘stoomgenerator’’ is een type stoomketel met een relatief lage waterinhoud, waarbij voedingswater onder druk door een buisvormige warmtewisselaar stroomt en tijdens één enkele doorgang (’‘once-through’’) wordt omgezet in stoom. In tegenstelling tot conventionele stoomketels met een grote waterinhoud beschikt een stoomgenerator doorgaans niet over een stoomdrum of groot waterreservoir. Hierdoor kan het systeem snel opstarten, nauwkeurig reageren op wisselende stoomvraag en wordt het risico op een ketelontploffing aanzienlijk beperkt.
Stoomgeneratoren worden toegepast in uiteenlopende industriële processen waarbij stoom nodig is voor warmteoverdracht, sterilisatie, aandrijving of elektriciteitsproductie. Ze worden onder meer gebruikt in de voedingsmiddelenindustrie, chemische industrie, farmaceutische industrie, scheepvaart en energieopwekking.
Werkingsprincipe
Een stoomgenerator is in essentie een warmtewisselaar waarin thermische energie wordt overgedragen van een warmtebron naar water. Afhankelijk van de uitvoering kan de warmte afkomstig zijn van de verbranding van aardgas, stookolie, waterstof of biomassa, van elektrische verwarmingselementen of van restwarmte uit industriële processen.
Bij de meeste moderne industriële stoomgeneratoren wordt voedingswater met behulp van een hogedrukpomp door een spiraalvormige waterbuis geleid. Tijdens de doorgang neemt het water geleidelijk warmte op totdat het volledig verdampt. Omdat het water slechts eenmaal door de verdamper stroomt, spreekt men van een ‘‘once-through’’-systeem.
De watercirculatie gebeurt onder druk via een geforceerde circulatie en is volledig afhankelijk van de voedingswaterpomp. Hierdoor kan het debiet nauwkeurig worden geregeld in functie van de actuele stoomvraag. De brander of andere warmtebron wordt gelijktijdig gemoduleerd zodat een constante bedrijfstemperatuur behouden blijft.
Bij veel ontwerpen wordt het mengsel van stoom en resterend water na de verdamper naar een stoomseparator geleid. Deze separator verwijdert de laatste waterdruppels uit de stoomstroom zodat droge stoom ontstaat, geschikt voor industriële toepassingen.
Kenmerken
Vergeleken met traditionele vlampijp- en waterpijpketels onderscheiden stoomgeneratoren zich door hun beperkte waterinhoud. Doordat slechts een kleine hoeveelheid water tegelijk aanwezig is in het systeem, kan de installatie zeer snel op bedrijfstemperatuur komen en reageert zij vrijwel onmiddellijk op veranderingen in de belasting.
De afwezigheid van grote drukvaten betekent bovendien dat de hoeveelheid opgeslagen thermische energie aanzienlijk kleiner is dan bij conventionele ketels. Hierdoor wordt het potentiële risico bij een defect of drukverlies sterk verminderd. Kleine buisdiameters zijn daarnaast mechanisch beter bestand tegen hoge drukken dan grote keteldrums.
Afhankelijk van het ontwerp kunnen stoomgeneratoren werken bij drukken die vergelijkbaar zijn met of hoger liggen dan die van conventionele industriële stoomketels.
Toepassingen
Stoomgeneratoren worden gebruikt in tal van sectoren waar processtoom vereist is.
In huishoudelijke toepassingen bevindt een eenvoudige vorm van stoomgenerator zich onder meer in stoomstrijkijzers en bepaalde reinigingsapparaten.
Binnen de industrie worden stoomgeneratoren ingezet voor:
verwarming van procesinstallaties; sterilisatie; pasteurisatie; droging; bevochtiging; chemische reacties; destillatieprocessen; voedingsmiddelenproductie; farmaceutische productie; papierproductie; textielindustrie.
Ook in de chemie worden stoomgeneratoren toegepast, onder meer bij stoomdestillatie en andere processen waarbij verzadigde of oververhitte stoom noodzakelijk is.
In drukwaterreactoren van kerncentrales vervult de stoomgenerator een andere functie. Daar wordt warmte uit het primaire koelcircuit overgedragen aan een secundair watercircuit. Het primaire water staat onder een voldoende hoge druk zodat het niet kookt. In de stoomgenerator wordt deze warmte via warmtewisselaars overgedragen aan het secundaire circuit, waarin stoom ontstaat. Omdat beide circuits volledig van elkaar gescheiden blijven, komt de geproduceerde stoom niet in contact met radioactieve stoffen. De opgewekte stoom drijft vervolgens een stoomturbine en turbogenerator aan voor de productie van elektriciteit.
Ook in de scheepvaart worden compacte stoomgeneratoren gebruikt als hulpketel, bijvoorbeeld voor verwarming, brandstofconditionering en andere boordinstallaties wanneer de hoofdaandrijving geen stoom levert.
Typen
Hoewel alle stoomgeneratoren volgens hetzelfde basisprincipe werken, bestaan er verschillende constructievormen. De bekendste zijn de Stone-Vapor-stoomgenerator, de Clayton-stoomgenerator en moderne elektrische of hybride stoomgeneratoren.
Stone-Vapor
De Stone-Vapor behoort tot de bekendste historische ontwerpen van monotube-stoomgeneratoren en werd onder meer toegepast in de scheepvaart.
De binnenmantel van de ketel vormt een verticale klokvormige constructie die wordt omgeven door een luchtdichte cilindrische buitenmantel. De olie- of gasbrander bevindt zich bovenaan en is naar beneden gericht.
Het verwarmingsoppervlak bestaat uit één enkele waterbuis die spiraalvormig is gewikkeld in meerdere concentrische lagen. De eerste windingen bestaan uit buizen met een kleinere diameter die in relatief grote spiralen zijn aangebracht. Naarmate het water verder door de verdamper stroomt en geleidelijk in stoom overgaat, neemt de buisdiameter toe. Hierdoor blijft de stroomsnelheid ondanks de volumetoename van het stoom-watermengsel vrijwel constant.
De stoom verlaat de laatste winding onderaan de binnenste spiraal. Op dat moment bestaat het mengsel uit ongeveer 90 massaprocent stoom. Het resterende water wordt afgescheiden in een stoomseparator, waarna droge stoom beschikbaar is voor gebruik.
De rookgassen veranderen vervolgens van richting en stromen langs de buitenzijde van de ketel omhoog. Daarbij passeren zij vaak bijkomende spiralen die dienen als voedingswatervoorverwarmer, waardoor het totale thermische rendement toeneemt.
Clayton
De Clayton-stoomgenerator is een type geforceerde-circulatie-stoomgenerator waarbij voedingswater onder druk door een spiraalvormige buis wordt gepompt. Tijdens deze doorstroming verwarmen de verbrandingsgassen de buis van buitenaf, waardoor het water geleidelijk verdampt.
Na de verdamper stroomt het stoom-watermengsel naar een centrifugale stoomseparator. Hier worden de resterende waterdruppels van de stoom gescheiden zodat droge stoom ontstaat.
In tegenstelling tot veel andere monotube-ontwerpen bestaat het verwarmingsoppervlak niet uit cilindrische helices, maar uit een reeks vlakke spiraalsecties die boven elkaar zijn geplaatst in een cilindrische mantel.
Het voedingswater komt bovenaan de verdamper binnen en stroomt vervolgens neerwaarts door opeenvolgende buissecties met een steeds grotere diameter. De laatste windingen vormen een vrijwel gesloten cilindrische waterwand rond de brander. In deze zone speelt naast convectie ook warmtestraling een belangrijke rol bij de warmteoverdracht.
Volgens de fabrikant kan de afgescheiden stoom een droogheidsgraad van ongeveer 99,5% bereiken en beschikken ze over een volledig modulerende regeling, waardoor de stoomproductie continu kan worden aangepast aan wisselende procesbelastingen zonder frequente start- en stopcycli.
Elektrische stoomgeneratoren
Elektrische stoomgeneratoren gebruiken elektriciteit als energiebron in plaats van een verbrandingsproces. De warmte wordt rechtstreeks opgewekt door elektrische verwarmingselementen die hun energie overdragen aan het voedingswater.
Omdat geen verbranding plaatsvindt, ontstaan tijdens de stoomproductie geen rookgassen of directe emissies van koolstofdioxide, stikstofoxiden of andere verbrandingsproducten. De uiteindelijke klimaatimpact hangt echter af van de wijze waarop de gebruikte elektriciteit wordt opgewekt.
Elektrische stoomgeneratoren worden vooral toegepast in sectoren waar hoge eisen gelden op het vlak van emissies, veiligheid of regelbaarheid, zoals de voedingsmiddelenindustrie, farmaceutische industrie, halfgeleiderindustrie en laboratoria.
Door het ontbreken van een brander, rookgasafvoer en brandstofvoorziening zijn elektrische installaties doorgaans eenvoudiger te installeren en vergen zij minder onderhoud dan gas- of oliegestookte systemen.
Hybride stoomgeneratoren
Een ‘‘hybride stoomgenerator’’ combineert twee of meer energiebronnen voor de productie van stoom. Meestal gaat het om een combinatie van een conventionele brander met elektrische verwarming.
Afhankelijk van de beschikbaarheid en prijs van elektriciteit of brandstof kan automatisch worden geschakeld tussen beide energiebronnen of kunnen zij gelijktijdig functioneren. Hierdoor kunnen bedrijven hun energieverbruik optimaliseren, piekbelastingen beperken en beter inspelen op wisselende energieprijzen.
Hybride systemen worden steeds vaker toegepast binnen industriële decarbonisatiestrategieën, waarbij bedrijven hun gebruik van fossiele brandstoffen geleidelijk verminderen zonder de betrouwbaarheid van hun stoomvoorziening in gevaar te brengen.
Ook de integratie met restwarmte, warmtepompen of duurzame elektriciteitsproductie behoort tot de mogelijkheden.
Voordelen
Door hun beperkte waterinhoud beschikken stoomgeneratoren over verschillende technische voordelen ten opzichte van conventionele stoomketels.
De opstarttijd vanuit koude toestand is doorgaans aanzienlijk korter doordat slechts een beperkte hoeveelheid water moet worden verwarmd. Ook reageert de installatie sneller op veranderingen in de stoomvraag, waardoor een stabielere procesregeling mogelijk wordt.
De geringe waterinhoud beperkt bovendien de hoeveelheid opgeslagen thermische energie. Hierdoor is het potentiële risico bij een drukvatdefect kleiner dan bij ketels met grote waterreservoirs.
Daarnaast kunnen moderne stoomgeneratoren over een breed vermogensbereik moduleren. Hierdoor worden start- en stopcycli beperkt, wat het rendement kan verbeteren en slijtage vermindert.
Beperkingen
Ondanks hun voordelen zijn stoomgeneratoren niet in alle toepassingen de meest geschikte oplossing.
Door de geringe waterinhoud beschikken zij nauwelijks over een stoombuffer. Daardoor zijn een nauwkeurige regeling van de voedingswaterpomp, de brander en de procesbesturing noodzakelijk om een stabiele stoomproductie te waarborgen.
Ook worden hogere eisen gesteld aan de kwaliteit van het voedingswater. Afzettingen of corrosie in de relatief smalle waterbuizen kunnen de warmteoverdracht verminderen en de levensduur van de installatie negatief beïnvloeden. Om die reden worden industriële stoomgeneratoren vrijwel altijd gecombineerd met een installatie voor waterbehandeling, zoals ontharding, ontgassing of omgekeerde osmose.
Bij veel uitvoeringen is bovendien een stoomseparator noodzakelijk om droge stoom te produceren. Zonder deze afscheiding kunnen waterdruppels in de stoomstroom terechtkomen, wat nadelige gevolgen kan hebben voor het rendement van processen of schade kan veroorzaken aan afsluiters, warmtewisselaars of turbines.
Vergelijking met conventionele stoomketels
Hoewel stoomgeneratoren en conventionele stoomketels hetzelfde eindproduct produceren, namelijk stoom, verschillen beide systemen aanzienlijk in constructie, werkingsprincipe en toepassingsgebied. Conventionele stoomketels bevatten doorgaans een relatief grote hoeveelheid water en maken gebruik van een stoomdrum waarin water en stoom van elkaar worden gescheiden. Stoomgeneratoren met een lage waterinhoud werken daarentegen volgens het ‘‘once-through’’-principe, waarbij het voedingswater tijdens één enkele doorgang door de verdamper in stoom wordt omgezet.