Ketels is houers waarin vloeistowwe verhit word totdat dit 'n damp vorm. Dit wissel van huishoudelike ketels waarin water vir alledaagse gebruik gekook word, tot industriële ketels met ontsaglike afmetings en ingewikkelde konstruksies. Die belangrikste ketels is stoomketels, waarin die hitte-energie van die stoom aangewend word vir verwarming, of vir die verrigting van meganiese arbeid waar masjiene aangedryf en elektrisiteit opgewek word. In omstreeks die helfte van die 18e eeu is begin met die ontwikkeling van stoomketels en is geweldige vooruitgang gemaak.
Hoewel daar tallose variasies bestaan, word ketels hoofsaaklik in drie groepe verdeel: vlampypketels, waterpypketels en vuurgangketels. 'n Ketel word gewoonlik gebruik om 'n vloeistof in te verhit totdat dit die kookpunt bereik en 'n damp afgee. Dikwels word die damp verder verhit totdat dit oorverhitte stoom vorm. In die huishouding word die ketel in sy eenvoudigste vorm gebruik om water tot hoogstens 100°C te verhit, gewoonlik met die sogenaamde fluitketel, wat met 'n toestelletjie toegerus is wat 'n waarskuwing gee as die water kook. In 'n aangepaste vorm word 'n ketel gebruik as 'n drukkoker waarin voedsel gaargemaak word. Deur die druk in die ketel te verhoog, word die water se kookpunt en dus ook die temperatuur verhoog.
Voorbeeld van 'n moderne ketel
Sodoende word die kook proses versnel. Die drukkoker is verwant aan 'n ketel wat in 1690 deur die Fransman Denis Papin (1647-1712) gebou is. Die sogenaamde papiniaanse pot was van koper gemaak en voorsien van 'n veiligheidsklep wat met 'n gewiggie gewerk het. Daar is ook ander eenvoudige ketels wat gebruik word vir sentrale verwarming en warmwatervoorsiening, waar die water slegs verhit en geen stoom gevorm word nie. Die water word in die meeste gevalle tot hoogstens 80°C verwarm, maar in sekere hoëdrukverwarmingsinstallasies word dit tot 140°C verhit. In die nywerheid word die meeste gebruik gemaak van stoomketels wat stoom uit water vrystel. Die stoom kan in een van drie stadiums verkeer: onversadigde stoom (met klein druppeltjies water daarin), versadigde stoom (met al die water omgesit in stoom) of oorverhitte stoom (versadigde stoom wat bo 100 °C verhit is). Die stoom se energie-inhoud word deur die druk en die temperatuur in die ketel bepaal, wat ook 'n aanduiding van die ketel se vermoë is. Die energie word onder meer aangewend vir arbeidsverrigting in suierstoommasjiene en stoomturbines, vir die verwarming van apparaat in die tekstiel-, chemiese en voedselbedryf, asook vir die verwarming van werk- en leefruimtes. Vir die aandrywing van turbines word sterk oorverhitte stoom gebruik, terwyl versadigde stoom vir verwarming voldoende is. Ketels word in drie hoofgroepe verdeel, naamlik:
- Vuurgangketels, wat uit 'n hol silinder met 'n dubbele wand bestaan. Die brandstof word in die binneste ruimte gestook terwyl die water tussen die twee wande rondom die ruimte is.
- Waterpypketels, waar 'n aantal pype vol water binne-in die vuurherd geleë is. Die pype se buiteoppervlak word verhit en die hitte word deur geleiding na die water binne-in oorgedra.
- Vlampypketels, wat soos die vuurgangketels uit 'n hol silinder met dubbele wande bestaan, maar 'n aantal pype in die waterruimte tussen die dubbele wande het. Die warm rookgasse word hierdeur gelei sodat die verwarmde water se temperatuur verder verhoog kan word en oorverhitte stoom verkry word.
2 Algemene konstruksie
'n Ondergrondse hidroliese sisteem
Die Engelsman Richard Trevithick (1771-1833) het in 1756 van die eerste vuurgangketels vir die stoommasjiene van Thomas Newcomen (1663-1729) gebou. Die masjiene was in daardie stadium van groot en lomp ketels voorsien wat ook nie baie doeltreffend was nie. James Watt het in 1785 op aandrang van Trevithick se vennoot Matthew Boulton (1728- 1809) 'n verbeterde ketel, 'n vlampypketel, gebou. Vuurgangketels het egter in gebruik gebly en word selfs nou nog as 'n klein ketel by wasserye en suiwelfabrieke gebruik.
In 1812 het Trevithick 'n verbeterde weergawe van sy eerste ketel gebou: die bekende Cornwall-ketel. Daarna het allerhande soorte ketels hul verskyning gemaak. In 1844 het William Fairbarn (1789-1874) byvoorbeeld die Lancashire-ketel volgens dieselfde beginsel as die van die Cornwall-ketel gebou, maar dit het twee vuurgange pleks van een gehad. In 1829 het Marc Seguin (1786-1.875) die sogenaamde vertikale waterpypketel gebou. Die pype het 'n klein deursnee gehad sodat die water vinnig verhit kon word en 'n kragtige sirkulasie kon ontstaan.
Die firma Babcock en Wilcox, bekende ketelbouers, het 'n verbetering aangebring deur die ketels waarin die pype uitgeloop het, van geriffelde materiaal te bou. Die uitsetting is sodoende deur die hele konstruksie in plaas van net deur die vashegtingsplekke teengewerk. Ketels met skerp hellende pype het ook in gebruik gekom en was veral geskik vir skeepsketels vanweë die groot kapasiteit van die betreklik klein konstruksie. In 1898 is skepe die eerste keer met die ketels, waarvan die Yarrow-ketel een was, toegerus. In die jare twintig van hierdie eeu het waterpypketels soos die Benson-, Löffler-, Atmos- en Sulzer-ketels in gebruik gekom; elk met 'n eie samestelling en plasing van pype, houers en geleiding van rookgasse.
Teen ongeveer 1925 kon die ketels 'n druk van nagenoeg 30 atmosfere opbou. Die probleme wat ondervind is om 'n steeds hoër stoomdruk by 'n hoër temperatuur te verkry, het tot besondere ketelkonstruksies aanleiding gegee. Die La Mont-ketel is 'n voorbeeld hiervan.
Die water is met behulp van pompe in die ketel in sirkulasie gebring (gedwonge sirkulasie) en nie net hoër temperature kon sodoende gouer bereik word nie, maar die hele proses kon beter beheer word. Ketels is tot in die jare dertig hoofsaaklik met steenkool gestook, hoewel sekere skepe reeds in 1829 al met behulp van olie aangedryf is. Van 1945 af het olieketels 'n al hoe groter rol begin speel, terwyl gas ook inslag gevind het. Kernenergie word van 1956 af vir skeepsaandrywing gebruik. Namate die vraag na groter kapasiteite toegeneem het, het die temperature en drukke ook steeds hoër geword.
Die ketels van 1950 het 'n kapasiteit van sowat 400 ton stoom per uur teen 'n druk van 140 at (atmosfeer) en 'n temperatuur van 530°C gehad. In 1957 was kapasiteite al sowat 700 ton per uur by 'n druk van 420 at en 'n temperatuur van 630°C. Hoewel die volume verder verhoog kan word, is dit nie die geval met druk en temperature nie, aangesien die sterkte van materiale 'n beperking daarop plaas.
Die Cornwall-ketel bestaan uit 'n silindriese romp met 'n gegolfde vuurgang waardeur uitsetting opgeneem word. Op 'n halwe hoogte voor in die vuurgang is die brandstofrooster waarop die vaste brandstof geplaas word. Die brandstof word dikwels op 'n band in die'vuurgang ingevoer (kettingrooster), wat langsaam in die rondte draai en die brandstof bestendig toevoer. Die vaste verbrandingsreste word aan die einde van die band outomaties afgevoer. So 'n vuurgang is heeltemal deur water omring en sirkulasie word deur die eksentriese plasing van die brandstofrooster aangehelp.
Die Lancashire-ketel werk volgens dieselfde beginsel, maar het twee vuurgange en die kapasiteit daarvan is twee keer so groot as die van die Cornwall-ketel. 'n Voorbeeld van 'n vlampypketel is die sogenaamde 8kotse ketel. Dit is korter as die Cornwall- en Lancashire-ketels, maar het 'n baie groter deursnee. In sy silindriese romp is daar dikwels twee vuurgange. Die ketel is veral as skeepsketel geskik. Waterpypketels bestaan uit hellende of vertikaal geplaasde bundels pype rondom 'n vuurherd. Die pype loop gesamentlik in water of stoomhouers uit, en al die dele wat onder 'n hoë druk is, het 'n klein deursnee. Die konstruksie is veral vir hoë druk en goeie watersirkulasie geskik, en word van relatief groot vuurherde voorsien. Die kapasiteit van 'n waterpypketel is ongeveer 1 000 ton stoom per uur en die ketels kan met steenkool, olie of gas gestook word.
Om water te verhit totdat dit stoom vorm, is daar veral twee faktore van belang, naamlik die warmtekapasiteit van die vloeistof wat verhit moet word, en die warmtewaarde van die brandstof waarmee dit gedoen word. Heelwat energie gaan daarmee gepaard en die eenheid waarin dit uitgedruk word, is joule. Die warmtekapasiteit van 'n vloeistof het betrekking op die hoeveelheid energie wat benodig word om 'n sekere massa van daardie vloeistof tot by 'n sekere temperatuur te verhit.
Om 1 kg water se temperatuur met 1 °C te verhoog. word 4185J (4,2 kJ by benadering) energie vereis. Die warmtewaarde van 'n brandstof is die hoeveelheid warmte wat ontwikkel word wanneer 'n sekere massa daarvan heeltemal uitbrand. So is die warmtewaarde van steenkool ongeveer 30 000 kJ/ kg, die van olie 42 000 kJ / kg en die van gas 19000 kJ/ kg. Om die temperatuur van byvoorbeeld 10 000 liter water in 'n ketel met 100 °C te verhoog, word ongeveer 100 liter olie vereis, en om die temperatuur te verhoog am versadigde stoom te verkry, is die verbranding van ongeveer 150 liter olie nodig.
Die vlamme en gasse in 'n vuurherd kan 'n temperatuur van tot 1 400 °C bereik, en die hitte word dan deur middel van straling, geleiding en stroming oorgedra. Tydens verhitting word die water warm en sit dit uit, met die gevolg dat die digtheid daarvan afneem. Dit veroorsaak dat die water in die houer begin styg en daar 'n natuurlike sirkulasie ontstaan. Die sirkulasie word dikwels met pompe aangehelp (gedwonge sirkulasie), veral by groter ketels. Die versadigde stoom wat tydens verhitting ontstaan, word in die ketel met behulp van oorverhitters, waardeur verwarmde gasse stroom, verder tot 'n temperatuur van 200 °C of hoër verwarm. By groot ketels word die water dikwels verwarm voordat dit na die ketel gevoer word.
Dit geskied met behulp van bespaarders; dit is terugvoerpype waardeur die gasse stroom en die water daaromheen verwarm voordat dit in die ketel invloei. Die lug wat vir ontbranding benodig word, word dikwels ook vooraf verwarm. Die lug bevat ongeveer 23 % suurstof, waarmee verbranding onderhou word, en ongeveer 66 % stikstof. Die voorverwarmers, die oorverhitters en die lugverwarmers word gewoonlik in so 'n volgorde geplaas dat maksimale warmteoordrag tydens voorverhitting plaasvind.
Dit word bereik deur die warm rookgasse eerstens deur die voorverwarmers, dan deur die oorverhitters en laastens deur die lugverwarmers te voer. Ketels word verder ook van bykomstighede soos meet-, reël- en veiligheidstoestelle voorsien. Volgens wet moet elke ketel minstens twee veiligheidskleppe, twee peiltoestelle, twee voedingswaterhouers, 'n manometer en 'n hoorbare waarskuwingstoestel hê. Die waarskuwingstoestel tree in werking wanneer die watervlak te laag daal, waardeur oorverhitting van die installasie kan plaasvind. By ketels met gedwonge sirkulasie word ook reserwepompe geïnstalleer ingeval die normale pomp gaan staan.