Stoomenjin

'n Stoomenjin is 'n hitte-enjin wat meganiese werk doen deur stoom as 'n werkende vloeier te gebruik.

Konsep

Beginsel van Newcomen se stoomenjin

Die idee om kokende water te gebruik met die doel om meganiese beweging te produseer het 'n lang geskiedenis, wat omtrent 2 000 jaar terug dateer. Die vroeë toestelle was nie praktiese kragprodusente nie, maar in die laaste 300 jaar het meer gevorderde ontwerpe wat bruikbare krag kon produseer 'n hoofbron van meganiese krag geword. Dit het gelei tot die Industriële Revolusie, wat begin het met toepassings vir mynwaterverwydering deur vakuumenjins te gebruik.

Ontwikkelings wat daarop gevolg het, het die energie van stoom wat onder druk geplaas is gebruik deur dit om te skakel na roterende beweging. Dit het die aandrywing van vervaardigingsmasjinerie verbreed, en die bedryf daarvan in staat gestel om enige plek waar water en hout- of steenkoolbrandstowwe verkry kon word. Voorheen was dit beperk tot die ligging van waterwiele of windmeule. Hierdie kragbron sou later toegepas word in hoofaandryfmasjiene, beweegbare toestelle soos stoomtrekkers en spoorweg lokomotiewe. Moderne stoomturbines genereer omtrent 80% van die elektriese krag in die wêreld deur 'n verskeidenheid hittebronne te gebruik.

Stoomenjins is tipies buitebrandenjins, alhoewel ander eksterne hittebronne soos sonkrag, kernkrag of geotermiese krag ook gebruik kan word. Die hittesiklus is bekend as die Rankine-siklus.

'n Stoomenjin in werking.

In die algemene taalgebruik kan "stoomenjin" verwys na geïntegreerde stoomaanlegte soos spoorweg stoomlokomotiewe en draagbare enjins, of selfs die masjien alleen, soos in balkenjins en stasionêre stoomenjins. Gespesialiseerde toestelle soos stoomhammers en stoomheimasjiene is afhanklik van 'n stoomvoorraad vanaf 'n aparte stoomketel.

'n Stoomenjin is 'n kragwerktuig waarin die warmte-energie van stoom in bewegingsenergie omgesit word. In die suierstoomenjin oefen die stoom 'n krag op 'n suier uit en laat dit heen en weer beweeg. Die beweging van die suier word dan deur middel van 'n as met 'n vliegwiel in 'n draaibeweging omgesit. Die stoomenjin is in die 17de eeu ontwikkel en het spoedig water- en windmeulens verdring.

Voor die uitvinding van die binnebrandenjin was die stoomenjin die belangrikste meganiese kragbron. Reeds in die eerste eeu n.C. het Heron van Alexandrië in sy Pneumatica 'n primitiewe stoomenjin beskryf, waarby stoom in 'n hol sfeer ingelei is en dit deur geboë pypies langs die omtrek verlaat het. Die bol het gedraai as gevolg van die reaksiekrag van die stoom wat uitgeblaas is.

Stilstaande stoomenjins

Dieselfde reaksiebeginsel word byvoorbeeld in die hedendaagse roterende tuinsproeier toegepas. In 1601 het die Italiaanse natuurkundige Giovanni Battista della Porta (ca. 1538- 1615) 'n apparaat beskryf waarmee water deur stoom in 'n pyp omhoog gedruk kon word. Deur die kondensering van die stoom kon 'n onderdruk geskep word waardeur water uit 'n laer liggende vat opgesuig kon word.

Dit was ook die beginsel van die eerste bruikbare stoompomp, wat in 1698 deur die Britse werktuigkundige Thomas Savery (1650-1715) gepatenteer is. Die Franse natuurkundige Denis Papin (1647-1714) het in 1690 op die gedagte gekom dat die uitsetting van stoom 'n silinder heen en weer kon laat beweeg. Op grond van Papin se voorstelle het die Britse fisikus Thomas Newcomen (1663-1729) die eerste suksesvolle suierstoomenjin gebou.

In omstreeks 1711 is Newcomen se stoomenjin by myne in gebruik geneem en dit is oor die algemeen as waterpomp gebruik. James Watt (1736-1819) het die stoomenjin verbeter en in 1769 ʼn doeltreffender enjin gepatenteer. Hy het ook 'n reëlaar ('n baltoestel) ontwerp waarmee die enjin se toere outomaties konstant gehou is. In 1765 het Nicolas Joseph Cugnot (1725-1804) 'n stoomaangedrewe motor gebou en in 1798 het Richard Trevithick (1771 -1827) 'n stoomenjin bekend gestel waarin die stoom afwisselend na albei kante van die suier gevoer is. Die enjin is ook gebruik vir die aandrywing van voertuie.

• Stilstaande stoomenjins
• 
  Werkreplika van 'n Newcomen Beam Engine (1712) wat 'n pomp aangedryf het - die helfte binne die gebou en die helfte daarbuite.
• 
  Horisontale stoommasjien (1887) word gebruik om roterende krag vir 'n tekstielfabriek in Gronau (Duitsland) te lewer.

Voertuie

Trevithick het in 1803 begin met die ontwikkeling van 'n stoomwa vir spoorvervoer. In 1829 het George Stephenson (1781-1848) sy Rocket gedemonstreer en daarmee die plek van die stoomenjin in spoorverkeer verseker. Intussen het die Amerikaner John Fitch (1743-1798) die eerste stoomboot gebou. Dit was toegerus met 2 skepwiele waarmee Fitch in 1790 oor die Delaware gevaar het. Robert Fulton (1765- 1815) het in 1807 met sy stoomskip van 100 ton, die SS North River (ook die Clermont genoem), in 36 uur ʼn afstand van 200 km op die Hudsonrivier afgelê. In 1819 het die SS Savannah, ʼn seilskip wat met 'n stoomenjin toegerus was, die Atlantiese Oseaan oorgesteek.

Die vaart het 29 dae geduur. Dit sou nog 'n ruk duur voordat die stoomskip die seilskip heeltemal sou verdring. In die 19e eeu is die stoomenjin heelwat verbeter. Daar is byvoorbeeld van steeds hoër stoomdrukke en suiersnelhede gebruik gemaak, waardeur die doeltreffendheid verhoog en die werkverrigting verbeter is. In die sewentigerjare van die vorige eeu is 'n enjin met 3 silinders ontwikkel, wat veral in stoomskepe gebruik is. Selfs viersilinderenjins is gebou, maar intussen het die stoomturbine sy verskyning gemaak en meer aftrek begin kry.

• Stoomvoertuie
• 
  Aveling & Porter tipe R10 stoomroller (1901)
• 
  Stoomplesierboot op Consistonmeer (1859)
• 
  RMS Titanic (1912), destyds die grootse skip in die wêreld
• 
  Suid-Afrikaanse Klas GMA (4-8-2+2-8-4) stoomlokomotief (1953)

Teoretiese Doeltreffendheid

Die teoretiese doeltreffendheid van 'n stoomenjin (verhouding van uitsetenergie tot insetenergie) kan van die Termodinamiese siklus afgelei word. Die vergelyking is

$\eta =1-{\frac {T_{C}}{T_{H}}}$

waar

• $\eta$ is die teoretiese doeltreffendheid
• $T_{C}$ is die omgewingstemperatuur in absolute eenhede
• $T_{H}$ is die temperatuur van stoom in absolute eenhede

Byvoorbeeld, as die omgewingstemperatuur 20 °C (293 K) is en die temperatuur van die stoom is 180 °C (453 K) is (teen 'n druk van 1 MPa), dan is die maksimum teoretiese doeltreffendheid

$\eta =\left(1-{\frac {293}{453}}\right)=35\%$.

In die praktyk kan hierdie warde nie bereik word nie.

Die suierstoomenjin

Die meeste suierstoomenjins is dubbelwerkend, dit wil sê die stoom word afwisselend aan weerskante van die suier ingelaat. Die toevoer en afvoer van die stoom word met behulp van 'n dubbelwerkende stoomklep beheer. Die heen-en-weer-beweging van die suier word deur middel van ʼn krukstang oorgedra op 'n vliegwiel, wat die enjin se omwentelings gelykmatig hou, Die toevoer van die stoom vind plaas deur middel van 'n reëlklep wat in 'n vaste tempo oop- en toemaak.

Die stoom word dikwels na 'n tweede of 'n derde silinder gevoer, waardeur 'n hoër wringkrag verkry kan word. Die stoomenjin het 'n lae toeretal (tussen 100 en 500 omwentelings per minuut) en is nie baie doeltreffend nie. Nietemin word dit nog dikwels as kragbron in walse, skepe, myne en lokomotiewe gebruik. Die doeltreffendheid van die stoomenjin is 15 tot 20 %, in vergelyking met die ongeveer 40 % van die binnebrandenjin. 'n Moderne hoësnelheidstoomenjin kan tot 6 silinders hê, en by 'n druk van tot 4 000 kPa werk. Omdat die kleppe hidroulies gekoppel is, kan toeretalle van tot 1 000 r/ min verkry word terwyl die enjin byna vibrasievry werk. Die kraglewering per silinder is ongeveer 70 kW.

Die stoomturbine

In 'n stoomturbine word die potensiële energie (druk) van die stoom omgesit in die kinetiese energie (rotasie) van 'n turbinewiel. Die stoom word ingelaat deur staalpype wat so gevorm is dat die stoomdruk afneem terwyl die vloeisnelheid toeneem. Die stoom word dan via toevoerkanale op die vinne van die turbinewiel gerig, waardeur die turbinewiel roteer. By die gelykdrukturbine verander die snelheid van die lug nie tussen die vinne nie en die druk bly heeltemal konstant.

By die oordrukturbine sit die stoom uit en word die snelheid verhoog. In moderne stoomturbines word die stoom dikwels na agtereenvolgende turbinewiele gelei (meertrapturbine) om die turbine se vermoë te verhoog. Die verskillende wiele kan of in een turbinehuls, of in verskillende hulse geplaas word. Die stoomturbine is vroeg in die 19de eeu ontwikkel en was 'n uitvloeisel van die waterturbine.

Die eerste industriële stoomturbine is in 1831 deur die Amerikaner William Avery gebou en is veral in houtsaagmeulens en houtbewerkingsmasjinerie gebruik. Die prototipe van die moderne stoomturbine is in die tagtigerjare van die vorige eeu ontwikkel deur die Brit Charles A. Parsons (1854- 1931) en die Sweed Carl Gustav de Laval (1845-1913). Vroeg in die 20ste eeu het die stoomturbine die suierstoomenjin begin verdring. Vandag is die stoomturbine een van die belangrikste kragbronne, onder meer vir elektrisiteitsontwikkeling. Die toeretal is gewoonlik in die omgewing van 3000 r/min en die doeltreffendheid is ongeveer 30 %.

Bronnelys

• Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409672, volume 26, bl. 213 - 217