Toegepaste energietechniek
Joop Ouwehand, Trynke Papa, Egbert Post EN Arie Taal
+ O N L I N EL A M AT E R I A VOOR EN STUDENT N TE N E C O EN D
Vijfde druk
Toegepaste energietechniek
Toegepaste energietechniek
5e druk
ir. J. Ouwehand ir. T. J. G. Papa ir. A. C. Taal ing. E. Post
Met behulp van onderstaande unieke activeringscode kun je een studentaccount aanmaken op www.toegepasteenergietechniek.nl, voor toegang tot extra materiaal bij dit boek. Deze code is persoonsgebonden en gekoppeld aan de vijfde druk. Na activering heb je twee jaar toegang tot de website. De code kan tot zes maanden na het verschijnen van een volgende druk worden geactiveerd.
Meer informatie over deze en andere uitgaven is te vinden op www.boomhogeronderwijs.nl. 1e druk 1998 (verschenen bij Academic Service) 2e druk 2001 (verschenen bij Academic Service) 3e druk 2005 (verschenen bij Sdu) 4e druk 2012 (verschenen bij Boom uitgevers Amsterdam) 5e druk 2018 (verschenen bij Boom uitgevers Amsterdam) Basisontwerp omslag: Studio Bassa, Culemborg Opmaak en illustratie omslag: Carlito’s Design, Amsterdam Opmaak binnenwerk: Holland Graphics, Amsterdam ISBN 9789024415687 NUR 173/961 © 2018, ir. J. Ouwehand, ir. T.J.G. Papa, ir. A.C. Taal, ing. E. Post & Boom uitgevers Amsterdam Alle rechten voorbehouden. Alle auteursrechten en databankrechten ten aanzien van deze uitgave worden uitdrukkelijk voor behouden. Deze rechten berusten bij Boom uitgevers Amsterdam. Behoudens de in of krachtens de Auteurswet gestelde uitzonderingen, mag niets uit deze uitgave worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of enige andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de uitgever. Voor zover het maken van reprografische verveelvoudigingen uit deze uitgave is toegestaan op grond van artikel 16 h Auteurswet, dient men de daarvoor wettelijk verschuldigde vergoedingen te voldoen aan de Stichting Reprorecht (postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp, www.reprorecht.nl). Voor het overnemen van gedeelte(n) uit deze uitgave in bloemlezingen, readers en andere compilatiewerken (artikel 16 Auteurswet) dient men zich te wenden tot de Stichting PRO (Stichting Publicatie- en Reproductierechten Organisatie, Postbus 3060, 2130 KB Hoofddorp, www.cedar.nl/pro). Voor het overnemen van een gedeelte van deze uitgave ten behoeve van commerciële doeleinden dient men zich te wenden tot de uitgever. Hoewel aan de totstandkoming van deze uitgave de uiterste zorg is besteed, kan voor de afwezigheid van eventuele (druk)fouten en onvolledigheden niet worden ingestaan en aanvaarden de auteur(s), redacteur(en) en uitgever deswege geen aansprakelijkheid voor de gevolgen van eventueel voorkomende fouten en onvolledigheden. All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise, without the publisher’s prior consent. While every effort has been made to ensure the reliability of the information presented in this publication, Sdu Uitgevers neither guarantees the accuracy of the data contained herein nor accepts responsibility for errors or omissions or their consequences.
Woord vooraf
Dit boek beschrijft de belangrijkste soorten energietechnische apparaten en systemen en is bestemd voor het eerste en tweede studiejaar van het hoger technisch onderwijs. In eerste instantie gaat het daarbij om de studierichting werktuigbouwkunde. Het is echter ook voor andere studierichtingen geschikt, doordat specifieke werktuigbouwkundige berekeningen (zoals sterkteberekeningen) niet aan de orde komen. Bovendien is de behandeling van de theorie nadrukkelijk afgestemd op studenten met havo als vooropleiding. Het is daarbij wel wenselijk dat er een basiskennis aanwezig is op het gebied van de technische warmteleer: de Eerste Hoofdwet, toestandsvergelijkingen van gassen en vloeistoffen, de continuïteitsvergelijking en de wet van Bernoulli. Een beknopte samenvatting van deze onderwerpen is daarom opgenomen in de bijlagen. Het boek heeft de volgende uitgangspunten: ● Een benadering van de diverse machines, apparaten en energiesystemen vanuit de optiek van de toepasser en de gebruiker. Daarbij wordt uitgegaan van een systeembenadering waarbij het systeem in eerste instantie wordt beschouwd als een black box die naderhand wordt ingevuld. ● Inzicht geven in de hoofdkenmerken van de machines, apparaten en energiesystemen. De nadruk ligt hierbij op de gebruikseigenschappen en kenmerken; daarnaast is er aandacht voor bijv. hoofdafmetingen en energietechnische berekeningen. ● Het leggen van de relaties tussen de algemene energietechnische principes en de kenmerken van de behandelde systemen. ● Het bieden van basiskennis over lastprocessen, verbrandingstechniek en stoomvorming. ● Het aanbrengen van een logische samenhang tussen de aandrijvende energiebron/ machine en het lastproces/de verbruiker. De overbrenging en het distributiesysteem blijven hierbij buiten beschouwing, omdat deze worden opgevat als typisch werktuigbouwkundige onderwerpen. ● Optimalisering van de rendementen is bij alle in dit boek behandelde soorten machines en apparaten en systemen de ‘rode draad’ met de doelstelling om deze systemen en apparaten zo optimaal mogelijk te laten werken. ● Regeltechnische aspecten komen alleen aan de orde voor zover deze van belang zijn voor het begrijpen van het functioneren van het behandelde systeem. Karakteristieke kenmerken worden zoveel mogelijk weergegeven in de vorm van prestatiediagrammen (koppel/toerenkromme, pompkarakteristiek, rendementsgrafiek enzovoort). ● Het geven van een breed overzicht van de vele soorten energiewerktuigen en de werkingsprincipes waarop deze zijn gebaseerd. ● De onderwerpen worden zodanig in afzonderlijke hoofdstukken uitgewerkt dat deze, op de eerste drie hoofdstukken na, in willekeurige volgorde kunnen worden behandeld of bestudeerd.
vi
Woord vooraf
●
●
In alle hoofdstukken is een groot aantal uitgewerkte berekeningsvoorbeelden opgenomen. Daarnaast worden alle hoofdstukken afgesloten met een aantal kennisvragen. Meer kennisvragen en berekeningsopgaven zijn te vinden op de website bij dit boek: www.toegepasteenergietechniek.nl. Hierdoor is het boek geschikt voor zelfstudie. Bij de bepaling van de vaststelling van de diepgang van de behandelde onderwerpen is ervan uitgegaan dat dit boek grotendeels kan worden doorgewerkt in het eerste en tweede studiejaar van het hoger technisch onderwijs, waarbij de studiebelasting telkens 1,5 à 2 studiepunten is. Daarbij is het boek geschikt als oriëntatie op het vakgebied én als naslagwerk.
Bij de behandeling van de verschillende soorten energiesystemen ligt de nadruk op de algemene principes, die voortkomen uit de Eerste en de Tweede Hoofdwet. De vele varianten, met voortdurend technische vernieuwingen, komen alleen aan de orde voor zover deze trendsettend lijken voor toekomstige toepassingen en ontwikkelingen. Daarnaast is er ook aandacht voor energie-efficiency en vermindering van de milieubelasting bij energieprocessen en apparaten. Dit boek maakt deel uit van een driedelige reeks studieboeken. Afzonderlijk verkrijgbaar zijn: ● Duurzame energietechniek, dat in het teken staat van duurzame energie: zonneenergie, windenergie, waterkracht, bio-energie, omgevingswarmte en aardwarmte; ● Toegepaste energieleer, dat een inleiding biedt op Toegepaste energietechniek en Duurzame energietechniek. Het boek behandelt de theoretische basiskennis van de warmteleer (thermodynamica), stromingsleer en warmtetransport. Bij de vijfde druk Deze vijfde druk van Toegepaste energietechniek is herzien en geheel geactualiseerd. De technische ontwikkelingen binnen het vakgebied maken het zeer dynamisch. Verbeteringen zijn vooral bereikt bij de efficiency van de apparaten en principes, maar de grondslagen van deze technieken zijn niet wezenlijk veranderd. In enkele gevallen zijn illustraties vervangen en nieuwe aan de onderwerpen toegevoegd. Daarnaast is de online omgeving www.toegepasteenergietechniek.nl ontwikkeld, waarop meer studie- en oefenmateriaal is te vinden voor studenten en docenten. Amsterdam, voorjaar 2018 de uitgever
Inhoud
Woord vooraf
v
Symbolenlijst
xiv
1 Energietechniek 1.1 1.2 1.3 1.4
1.5
1.6
1.7
1.8 1.9
1
Energiebronnen 2 De energievoorraad is oneindig 4 Van brandstof naar energiedrager 7 Distributie van energiedragers 8 1.4.1 Distributie van mechanische energie 9 1.4.2 Distributie van elektrische energie 10 1.4.3 Distributie van warmte en koude 11 1.4.4 Transportverliezen 12 Lastprocessen 12 1.5.1 Lastkarakteristiek van een rijdende auto 13 1.5.2 Stromingsweerstanden 18 Energieketens en energiefuncties 19 1.6.1 Energieketens 19 1.6.2 Energiefuncties 21 Conversie van energiedragers 26 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 1.7.3 Thermische benutting van zonne-energie 32 1.7.4 Opwekking van elektriciteit met zonne-energie 37 1.7.5 Elektriciteit uit windenergie 40 1.7.6 Elektriciteit uit waterkracht 43 1.7.7 Elektriciteit en warmte uit biomassa 44 1.7.8 Elektriciteit en warmte uit aardwarmte 46 Samenvatting 48 Kennisvragen 51
2 Verbrandingstechniek 2.1
2.2
53
Basisreacties van de verbranding 55 2.1.1 Verbrandingschemie 55 2.1.2 Algemene verbrandingsvergelijkingen 56 Verbrandingsberekeningen 58 2.2.1 Theoretische zuurstofbehoefte 58 2.2.2 Theoretische luchthoeveelheid en rookgashoeveelheid 59 2.2.3 Het maximale koolstofdioxidepercentage, CO2max 62 2.2.4 Luchtfactor Îť, luchtovermaat en luchtondermaat 63
28
viii
Inhoud
2.3 2.4
2.5
2.6 2.7
Verbrandingswarmte 69 Onvolledige verbranding en verbrandingsemissies 71 2.4.1 Koolstofmono-oxide (CO) en rookgassamenstelling bij onvolledige verbranding 2.4.2 Stikstofoxiden NOx 75 2.4.3 Meting van de rookgassamenstelling 76 Verbrandingssystemen 79 2.5.1 Begrippen 81 2.5.2 Aardgasbranders 85 2.5.3 Oliebranders 90 2.5.4 Verbranding van steenkolen 97 2.5.5 Reductie van NOx-emissie 101 2.5.6 Rookgasontzwaveling 102 Samenvatting 103 Kennisvragen 106
3 Warmwaterketels 3.1
3.2
3.3
3.4 3.5
107
Toepassingen en kenmerken van warmwaterketels 109 3.1.1 Toepassingen 110 3.1.2 Constructiekenmerken 110 3.1.3 Ketelconstructie en toepassingen 111 3.1.4 Ketels voor de kleinschalige warmteopwekking 112 3.1.5 Ketels voor de utiliteitsbouw 115 Warmtebalans en ketelrendement 117 3.2.1 Warmtebalans van een ketel 117 3.2.2 Ketelrendement 121 Ketelgebruiksrendement 126 3.3.1 Bepaling van het ketelgebruiksrendement 126 3.3.2 Invloed van de ketelregeling op het ketelgebruiksrendement Samenvatting 133 Kennisvragen 136
4 Verbrandingsmotoren 4.1 4.2 4.3
4.4
4.5
137
Inleiding 137 Werking van de zuigermotor 139 Prestaties van de zuigermotor 142 4.3.1 Effectief vermogen 143 4.3.2 Effectief rendement 145 4.3.3 Uitlaatgasemissies 148 4.3.4 Geluidsproductie 148 4.3.5 Karakteristiek koppel-toerental 148 4.3.6 Brandstoffen 151 Processen in de zuigermotor 153 4.4.1 Wijze van ontsteking 155 4.4.2 Arbeidscyclus 156 4.4.3 Theoretisch thermisch rendement 163 Luchttoevoer naar de cilinders 167 4.5.1 Vierslagsysteem 167
131
72
I nhoud
4.6
4.7
4.8
4.9 4.10
4.11 4.12 4.13 4.14
4.5.2 Tweeslagsysteem 171 Brandstoftoevoer naar de cilinders 171 4.6.1 Ottomotor 171 4.6.2 Dieselmotor 173 Omzetting chemische energie in gasarbeid 175 4.7.1 GeĂŻndiceerd vermogen 175 4.7.2 Thermodynamisch rendement 176 Omzetting gasarbeid in krukasarbeid 179 4.8.1 Krukasarbeid 179 4.8.2 Mechanisch rendement 180 4.8.3 Uitvoering van het drijfwerk 181 Verbrandingsgassenafvoer 184 4.9.1 Samenstelling van de verbrandingsgassen Ontsteking en verbranding 188 4.10.1 Ontstekingstijdstip 188 4.10.2 Detonatie 191 Ladingwisseling 193 4.11.1 Vullingsgraad 195 Vermogensregeling 200 Samenvatting 201 Kennisvragen 208
5 Gasturbines 5.1 5.2
5.3
5.4
5.5
ix
185
209
Inleiding 209 Werking van de gasturbine 212 5.2.1 De kringloop 212 5.2.2 De industrieturbine 213 5.2.3 Straalmotoren en aero derivatives 214 5.2.4 Microturbines 217 5.2.5 Starten en regelen van een gasturbine 219 Hoofdcomponenten van de gasturbine 219 5.3.1 De compressor 219 5.3.2 De turbine 220 5.3.3 De verbrandingskamer 221 Prestaties van de gasturbine 223 5.4.1 Theoretisch rendement 223 5.4.2 Optredende verliezen in de gasturbine 225 5.4.3 Specifieke arbeid 227 5.4.4 Luchtbehoefte 229 5.4.5 Vermogen en totaalrendement 230 5.4.6 Invloed van de drukverhouding en temperaturen op het rendement en de specifieke arbeid 230 Verbetering van de prestaties 231 5.5.1 Recuperatie 232 5.5.2 Tussenkoeling en verdampingskoeling 233 5.5.3 Herverhitting 234 5.5.4 Stoominjectie 236 5.5.5 Variabele inlaatleidschoepen 237
x
Inhoud
5.6
5.7 5.8
Praktijkvoorbeelden 238 5.6.1 General Electric MS6 238 5.6.2 De Capstone 30 kW 241 Samenvatting 242 Kennisvragen 243
6 Stoominstallaties
245
Inleiding 245 Werking van een stoominstallatie 246 6.2.1 Effectief vermogen 247 6.2.2 Rendementen 249 6.3 Stoomprocessen 252 6.3.1 De stoomcyclus voor verwarmingsdoeleinden 252 6.3.2 De stoomcyclus voor opwekking van mechanische energie 6.3.3 De theoretische kringloop en het rendement 255 6.3.4 De kringloop van Rankine 257 6.4 Stoomvorming bij constante druk 260 6.4.1 Uitvoeringsvormen van stoomketels 263 6.5 Stoomwerktuigen 271 6.5.1 De stoomturbine 271 6.5.2 Absolute en relatieve snelheid 277 6.5.3 Typen stoomturbines 279 6.5.4 Verliezen bij stoomturbines 287 6.5.5 Praktische uitvoeringen 291 6.6 Warmteafvoer in het kringproces 293 6.6.1 De condensor 294 6.7 Toevoer van mechanische energie in het kringproces 296 6.7.1 De voedingspomp 296 6.8 De ontgasser 297 6.9 Regelgeving voor drukapparatuur 299 6.10 Samenvatting 301 6.11 Kennisvragen 303 6.1 6.2
7 Pompen, compressoren en ventilatoren 7.1 7.2
7.3
7.4
Inleiding 305 Prestaties van pompen 306 7.2.1 Opvoerdruk 306 7.2.2 Vermogen 309 7.2.3 Rendement 309 7.2.4 Zuighoogte 310 7.2.5 Karakteristieken en bedrijfspunt 314 Leidingsystemen 315 7.3.1 Weerstand in rechte leidingen 315 7.3.2 Het moodydiagram 317 7.3.3 De weerstand van appendages 318 7.3.4 Leidingkarakteristiek 319 Verdringerpompen 324
305
254
I nhoud
7.4.1 Overzicht van verdringerpompen 324 7.4.2 Werking van zuiger- en plunjerpomp 326 7.4.3 Het pV-diagram van een zuiger- of plunjerpomp 328 7.4.4 Windketels 330 7.5 Waaierpompen 332 7.5.1 Werking en typen 332 7.5.2 Snelheidsdriehoeken bij centrifugaalpompen met radiale uittrede 7.5.3 Eulerse opvoerdruk 339 7.5.4 Pompkarakteristiek 342 7.5.5 Het bedrijfspunt 345 7.5.6 Regelen van de opbrengst van waaierpompen 348 7.5.7 Serie- en parallelschakeling van pompen 349 7.5.8 Pompdiagram 351 7.5.9 Rendement 351 7.5.10 NPSH 353 7.5.11 Specifiek toerental 355 7.6 Prestaties van compressoren en ventilatoren 357 7.6.1 Compressiearbeid 358 7.6.2 Koeling 359 7.6.3 Vermogen 360 7.6.4 Rendement 361 7.7 Verdringercompressoren 361 7.7.1 Overzicht van verdringercompressoren 361 7.7.2 De zuigercompressor 362 7.8 Waaiercompressoren 368 7.8.1 Radiale compressoren 370 Axiale compressoren 373 7.9 Ventilatoren 374 7.9.1 Radiale ventilatoren 375 7.9.2 Axiale ventilatoren 377 7.10 Samenvatting 382 7.11 Kennisvragen 385
8 Warmtepompen en koelmachines 8.1 8.2 8.3
8.4
8.5
xi
338
387
Inleiding 387 Werking van de warmtepomp en koelmachine 391 Prestaties van de warmtepomp en de koelmachine 393 8.3.1 Effectief warmte- en koudevermogen 393 8.3.2 Effectieve warmtefactor (COP) en koudefactor (EER) 394 8.3.3 Koudemiddelen 396 Warmte- en koudeopwekking 400 8.4.1 Warmtepomp- en koelmachinecyclus 401 8.4.2 De warmtepomp en koelmachine met mechanisch aangedreven compressoren 8.4.3 De absorptiewarmtepomp en -koelmachine 406 8.4.4 Theoretische COP en EER 410 8.4.5 Carnotrendement 414 8.4.6 Verliezen bij aandrijving van de warmtepomp en koelmachine 416 Warmte- en koudedistributie 417
401
xii
Inhoud
8.6 8.7
8.8
8.9
8.10
8.11 8.12 8.13
Warmte-uitwisseling met de omgeving 420 Comprimeren van het koudemiddel 422 8.7.1 Uitvoeringen van de compressor 423 8.7.2 Verliezen bij de mechanische compressor 427 8.7.3 Verliezen bij de thermische compressor 431 Verdampen van het koudemiddel 434 8.8.1 Uitvoeringen van verdampers 435 8.8.2 Verliezen bij verdampen 436 Condenseren van het koudemiddel 438 8.9.1 Uitvoeringen van condensors 438 8.9.2 Verliezen bij condenseren 439 Expanderen van het koudemiddel 442 8.10.1 Werking van het expansieventiel 443 8.10.2 Verliezen bij expanderen 444 Capaciteitsregeling 445 Samenvatting 447 Kennisvragen 451
9 Gecombineerde technieken 9.1
9.2 9.3 9.4
9.5
9.6 9.7
453
Warmte-krachtkoppeling (wkk) 454 9.1.1 Wkk met gasturbine en afgassenketel 456 9.1.2 Wkk met motoren en warmteterugwinning 460 9.1.3 Wkk met een Organic Rankine Cycle (ORC) 463 Integratie van wkk in het energievoorzieningssysteem 465 Brandstofbesparing door wkk 467 STEG-installaties 471 9.4.1 Uitvoeringsvormen 471 9.4.2 Rendementen van STEG-installaties 473 Warmte- en krachtlevering in de toekomst 474 9.5.1 Grenzen aan de brandstofbesparing 475 9.5.2 Brandstofbesparing met kleinschalige warmte-krachtinstallaties en warmtepompen 475 Samenvatting 479 Kennisvragen 482
Appendix A Basisleer thermodynamica
483
Eerste Hoofdwet 483 Omkeerbare toestandsveranderingen 486 A.2.1 Omkeerbare toestandsveranderingen van een ideaal gas A.2.2 Kringprocessen 491 A.2.3 Toestandsveranderingen in open systemen 494 A.3 Onomkeerbare toestandsveranderingen en entropie 495 A.3.1 Tweede Hoofdwet 495 A.3.2 Entropie 496 A.1 A.2
487
TrefWoordenregIsTer
Appendix B Wet van Bernoulli Appendix C log p-h-diagram
503 507
Appendix D Warmteoverdracht Illustratieverantwoording Trefwoordenregister
517
515
511
xiii
Symbolenlijst
a
[-]
slag/diameterverhouding
d
[-]
arbeidsfactor
e e e eC eW
[-] [m] [-] [-] [-]
geometrische (ook wel: nominale) compressieverhouding wandruwheid koudefactor koudefactor van het carnotproces warmteproductiegetal, warmteopbrengstgetal
z
[-]
weerstandscoëfficiënt
h h hg hs h th h vul
[Pa ◊ s] [-] [-] [-] [-] [%]
dynamische viscositeit rendement gebruiksrendement spoeleffect thermisch rendement vullingsgraad
k
[-]
verhouding cp /cV , isentroop exponent
l l lexp
[-] [-] [Q]
luchtfactor wrijvingscoëfficiënt expansieverhouding
n
[m2/s]
kinematische viscositeit
r
[kg/m3]
dichtheid, soortelijke massa
Fm FV FW
[kg/s] [m3/s] [J/s]
massastroom volumestroom (werkelijk) warmtestroom
w
[1/s]
hoeksnelheid (krukas)
a A
[-] [m2]
drukverhouding bij Seiligerproces oppervlak
b b be
[m] [-] [kg/J]
breedte waaier (hoogte van de schoepen) volumeverhouding bij seiligerproces specifiek brandstofverbruik
c cm
[J/(kg ◊ K)] [m/s]
soortelijke warmte gemiddelde zuigersnelheid
symbolenlIjsT
cp cp cv cw cz Cp Cr
[J/(kg ◊ K)] [m/s] [J/(kg ◊ K)] [-] [m/s] [–] [-]
soortelijke warmte bij constante druk snelheid in de persleiding soortelijke warmte bij constant volume weerstandscoëfficiënt snelheid in de zuigleiding vermogenscoëfficiënt van de windturbine brandstofbesparingscoëfficiënt
D
[m]
diameter (waaier en leiding)
Ek Ep
[J] [J]
kinetische energie potentiële energie
g
[m/s2]
valversnelling
H H hb ho h Hgeo Hman Hp,geo Hz,geo
[J] enthalpie [m] hoogte [kJ/kg] bovenste verbrandingswaarde [kJ/kg] onderste verbrandingswaarde (of stookwaarde) [J/kg] of [J/m3] specifieke (soortelijke) enthalpie [m] geodetisch hoogteverschil [m] manometrische opvoerhoogte [m] geodetische pershoogte [m] geodetische zuighoogte
i
[-]
aantal cilinders
k
[-]
schoepfactor
l L Lo
[m] [m3] [m3n]
lengte (verbrandings)luchthoeveelheid theoretische luchthoeveelheid
m mbr mlucht M
[kg] [kg] [kg] [Nm]
massa toegevoerde brandstofmassa per arbeidscyclus toegevoerde luchtmassa per arbeidscyclus motorkoppel
n ns n
[1/min] [1/min] [-]
toerental specifiek toerental polytroopexponent (algemeen)
p p pcil,p pcil,z pdamp pE peff pind pman pzuig
[Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa] [Pa]
druk leidingweerstand druk in de cilinder tijdens de persslag druk in de cilinder tijdens de zuigslag dampspanning Eulerse opvoerdruk gemiddelde effectieve druk gemiddelde geïndiceerde druk manometrische opvoerdruk druk aan de zuigzijde van de pomp
xv
xvi
symbolenlIjsT
P Pas Pind q qvs Q Qaf Qcv Qtoe Qvs
[W] [W] [W] [J/kg] [%] [kJ] [J of W] [kJ] [J of W] [kJ]
vermogen asvermogen geïndiceerd vermogen specifieke warmte stilstandsverliespercentage van het ketelvermogen warmtehoeveelheid afgevoerde warmte(stroom) nuttige warmte toegevoerde warmte(stroom) warmteverlies in de stilstandstijd
r R
[J/kg] [J/(kg ◊ K)]
verdampingswarmte specifieke gasconstante
s s S S
[J/(kg ◊ K)] [m] [J/K] [m]
specifieke entropie afgelegde weg entropie slaglengte
t tv tv,i T Tovo To
[uren/jaar] [uren/jaar] [uren/jaar] [∞C] of [K] [∞C] of [K] [K]
lengte van het stookseizoen vollastbedrijfstijd van de cv-installatie installatie vollastbedrijfstijd temperatuur temperatuur oververhitter omgevingstemperatuur
u U U
[m/s] [W/(m2 ◊ K)] [J]
omtreksnelheid warmtedoorgangscoëfficiënt inwendige energie
v vrookg vs V V0 VO Vod Vs Vs' Vs,tot
[m/s] [%] [%] [m3] [m3] [m3n] [m3n] [m3] [m3] [m3]
absolute snelheid schoorsteenverliespercentage stralings- en convectieverliespercentage vochtig rookgasvolume schadelijke ruimte theoretisch rookgasvolume theoretisch droge rookgasvolume slagvolume van een cilinder deel slagvolume bij sluiten inlaat slagvolume van de gehele motor
w w weff,comp W wnetto wt
[m/s] [kJ/kg] [kJ/kg] [kJ] [J/kg] [J/kg]
relatieve snelheid specifieke arbeid specifieke effectieve compressorarbeid arbeid (algemeen) theoretische specifieke technische arbeid specifieke technische arbeid of asarbeid
x
[-]
massamengverhouding
z
[-]
aantal trappen
Indices a aan abs af akm ax A
atmosfeer aangezogen absorber af(gevoerd) absorptiekoelmachine axiaal aanvoer
br
brandstof
c cil comp cond C
compressie cilindercondities bij sluiten inlaat compressor condensor Carnot
d dist
droog distributie
eff elek elm exp
effectief elektrisch elektromotor expansie
g gt gem gen geo gkw
gas gasturbine gemiddeld generator geodetisch gekoeld water
hydr
hydraulisch
i in instr inw is
indirect in(trede) instraling inwendig isentroop
k kd km kw
ketel koudedrager koudemiddel koelwater
l l
leiding lucht
m man mech
massa manometrisch mechanisch
max min
maximaal minimaal
n n.o.
normaal, nuttig niet omkeerbaar
o os
omgeving oververhitte stoom
pl pr prim pwk
persleiding persreservoir primair perswindketel
r rec rookg rot
radiaal recuperatie rookgas rotatie
st stat
stoomturbine statisch
tc td th theor toe tot turb
thermische compressor thermodynamisch thermisch theoretisch toe(gevoerd) totaal turbine
uit
uittrede
v v vac vent verb verd vol vw V
verdamping verlies vacuĂźm ventilator verbranding verdamper volumetrisch voedingswater volume
W wr wt
warmte wrijving waterturbine
z zl zr zwk
zuiger zuigleiding zuigreservoir zuigwindketel
1 Energietechniek
Overal is energie, of dit nu zonnestraling is, elektrische stroom, warmte voor verwarming, kernenergie, stromings- of bewegingsenergie, het valt onder het verzamelbegrip energie. Maar wat is energie nu eigenlijk? Biologisch leven en groei zijn zonder energie ondenkbaar; de zon levert hiertoe het licht en de warmte. Onze moderne, techniekgeoriënteerde maatschappij is ondenkbaar zonder het gebruik van energie. Ondanks de vele manieren waarop energie wordt gebruikt, zijn we niet in staat om er een precieze definitie van te geven. Energie kunnen we wel beschrijven aan de hand van twee wetten uit de thermodynamica, de vormen waarin zij zich manifesteert en de manier waarop we er gebruik van maken. Energie heeft te maken met het leveren van inspanning (arbeid), het leven en de groei van organismen (licht en warmte), de verandering van materie (chemische processen, productieprocessen) en het transport (arbeid). In het blokschema van figuur 1.1 is dit samengevat.
licht warmte
1.1 Energieomzetting figuur
arbeid
groei verandering verplaatsing
organismen producten transport
In figuur 1.1 is er een verband gelegd tussen energiestromen (licht, warmte en arbeid) en het uiteindelijke doel van het energiegebruik, namelijk de mens en zijn comfort dienen. De processen zijn noodzakelijke voorwaarden voor het menselijk bestaan en verhogen tevens het comfort daarvan. Leven en verandering is zonder energie ondenkbaar. Bij de praktische toepassingen maken we onderscheid tussen de energievormen: ● inwendige energie: thermodynamisch (U), chemisch (brandstof), fysisch (kernenergie); ● kinetische energie: translatie en rotatie van massa, trillingsenergie van een massa, golfenergie, stromingsenergie van wind en water; ● potentiële energie: valenergie, veerenergie, drukenergie van een gas; ● optische energie: licht, warmtestraling. In alle gevallen is materie de drager van de energie. Arbeid en warmte zijn vormen van energieoverdracht en zorgen voor de toestandsverandering van een systeem.
2
hoofdsTuk 1 energIeTechnIek
1.1 Energiebronnen We spreken over energiebronnen, energiedistributiesystemen, energieopslag en energiegebruikers. Als we de doelen van het energiegebruik als uitgangspunt nemen, zijn de energiedistributie en de energiebronnen noodzakelijke voorwaarden. De energiebronnen zijn de leveranciers van energie en de distributiesystemen zorgen voor het transport, de overbrenging van energie. In bepaalde gevallen is opslag van energie nodig. Denk bijvoorbeeld aan een autoaccu. In dit boek besteden we aandacht aan de principes en de werktuigen die de energie van de energiebronnen omzetten in een voor bepaalde doelen gewenste vorm van energie. De energievorm verandert. In een ketel wordt brandstof omgezet in warmte, in een boormachine wordt elektriciteit omgezet in rotatie-energie van de boor. Een pomp zet elektrische energie om in stromingsenergie en drukenergie. Deze werktuigen rekenen wij meestal tot de energiebronnen, omdat ze gekoppeld zijn aan een proces of energiegebruiker. Afhankelijk van de beschouwde systemen is een werktuig een energiebron, een energieoverbrenger of een energiegebruiker. (Voorbeeld: een radiator is een gebruiker in een cv-systeem en een bron voor ruimteverwarming. Een cv-pomp is weer te splitsen in bron (elektromotor), overbrenging (as) en gebruiker (waaier).) Werktuigen hebben echter een heel ander karakter dan de dragers van energie. De dragers van energie noemen we ook wel de primaire energiebronnen. De bekendste zijn: ● zonne-energie; ● wind- en waterkracht; ● fossiele brandstoffen (kolen, olie, bruinkool, aardgas, turf); ● biomassa (hout, biogas, raapolie); ● aardwarmte; ● kernenergie. Het verband tussen de zonne-energie en de overige primaire energiedragers is weergegeven in figuur 1.2. Kernenergie is niet direct een gevolg van de zonne-energie, maar wel een gevolg van het ontstaan van ons zonnestelsel. De zon zelf mogen we als een grote kerncentrale beschouwen, waarvan de optische energie voor vrijwel de gehele energievoorziening van de planeet aarde zorgt. Secundaire energiebronnen zijn de werktuigen die met behulp van een verbrandingsproces een primaire energiedrager omzetten in warmte en/of arbeid, elektriciteit genereren met wind- of waterkracht of direct warmte en elektriciteit maken uit het zonlicht. We noemen ze ook wel de energieomzetters; in deze werktuigen of apparaten verandert de energievorm. Voorbeelden hiervan zijn: ● zuigermotoren; ● gasturbines; ● stoomturbines; ● ketels; ● windturbines; ● waterturbines; ● zonnepanelen; ● zonnecollectoren.
3
elektriciteitscentrale
E
warmtecentrale
Q
getijden
getijdencentrale
E
verdamping en neerslag
waterkrachtcentrale
E
elektriciteitscentrale
E
brandstofconversie
Q
elektriciteitscentrale
E
warmtecentrale
Q
verbrandingsmotor
W
windturbine
E
elektriciteitscentrale
E
zonnecollector
Q
warmtepomp
E
kerncentrale
E
geothermie
biomassa
fossiele brandstof
wind
zonlicht
verwarming aardoppervlak en atmosfeer figuur 1.2 Zonne-energie als oorsprong
WARMTE (Q), ELEKTRICITEIT (E), ARBEID (W)
1.1 e nergIebronnen
Een elektromotor is meestal onderdeel van een huishoudelijk apparaat, zoals een keukenmachine, ventilator, wasmachine, boormachine enzovoort. De motor is de energiebron ten behoeve van de aandrijving van het apparaat. We beschouwen deze motor als een tertiaire energiebron.
4
hoofdsTuk 1 energIeTechnIek
Het verband tussen de energiebron en de gebruiker of het proces waar de energiebron aan gekoppeld is, is weergegeven in figuur 1.3. figuur 1.3 Verband tussen de energiebron en de gebruiker
proces 1
energiebron
proces 2
overbrenging
proces 3
last
proces 4
Voor de gebruiker of het proces gebruiken we vaak het begrip lastproces, om aan te geven dat op die plaats het energie-eindgebruik plaatsvindt. Neem bijvoorbeeld het rijden van een auto als lastproces. De brandstof die een auto tijdens het rijden verbruikt, wordt uiteindelijk omgezet in wrijvingswarmte. Deze warmte gaat op in de inwendige energie van de atmosfeer. De fossiele brandstoffen raken uitgeput!
In Nederland wordt praktisch geen aardolie meer omhoog gepompt. De voorraad is te klein om deze economisch verantwoord te kunnen winnen. Steenkolen worden al sinds decennia niet meer uit de vaderlandse bodem gehaald. In de Derde Energienota stippelt de Nederlandse overheid het beleid uit met betrekking tot het beheer van de nationale gasvoorraden. In haar plan voor de gasafzet geeft de overheid aan dat de binnenlandse aardgasvraag, voor een periode van 25 jaar, tot het jaar 2019, gegarandeerd moet zijn door de bekende gasvoorraden en nieuwe gasvelden op Nederlands grondgebied. Daarnaast moet er aardgas worden geïmporteerd.
De overheid bevordert de duurzame omgang met energiebronnen. Zij wil daarmee de primaire energiebronnen zoveel mogelijk efficiënt gebruiken en het ontstaan van koolstofdioxide zoveel mogelijk beperken, omdat dit gas de belangrijkste veroorzaker van het broeikaseffect is. Dit wil zij realiseren door: • energiebesparing; • warmte/krachtkoppeling; • warmtepomptechnologie; • rendementsverhoging van energiewerktuigen en processen; • zonne-energie; • stromingsenergie; en • biomassa.
1.2 De energievoorraad is oneindig Bij alle energiebeschouwingen spelen de eerste en de tweede hoofdwet een belangrijke rol. De Eerste Hoofdwet brengt tot uitdrukking dat energie niet verloren gaat en warmte en arbeid in elkaar zijn om te zetten. Dat dit laatste niet volledig mogelijk is, laat de Tweede Hoofdwet zien. Nemen we het volgende voorbeeld. Om een verbrandingsmotor arbeid W te laten leveren, moet aan deze motor een hoeveelheid warmte Q worden toegevoerd. Deze warmte verkrijgen we door de verbranding van een brandstof-luchtmengsel in de motor. Hierbij levert de motor de asarbeid W. Een groot deel van de chemisch gebonden energie van dit mengsel wordt omgezet in warmte. Een deel van de warmte wordt door de motorkoeling uit de motor afgevoerd en afgegeven aan de lucht. Deze warmteafvoer is nodig om de motor op de gewenste bedrijfstemperatuur te houden en de olie te koelen. Een ander deel van de warmte verdwijnt in de vorm van warme rookgassen in de
1.2 de energIevoorraad Is oneIndIg
5
atmosfeer en als uitstralingsverlies aan de buitenzijde van het motorblok. Als alle energiestromen van de motor bij elkaar worden opgeteld, is de som hiervan gelijk aan de totale toegevoerde chemisch gebonden energie van de brandstof. Dit is in overeenstemming met de Eerste Hoofdwet. Volgens dezelfde wet kunnen de vrijkomende warmtestromen omgezet worden in arbeid. We weten echter dat dat niet gebeurt. In het gunstigste geval wordt de warmte uit het koelwater en de rookgassen nog benut voor bijvoorbeeld ruimteverwarming. Maar uiteindelijk blijft er altijd nog een hoeveelheid restwarmte over die niet kan worden benut. We mogen concluderen dat alle energie wordt gebruikt, omdat er geen energie verloren gaat. Maar door dat gebruik wordt deze energie minder bruikbaar, ofwel de energie wordt minder waard. Als we weer teruggaan naar het voorbeeld van de verbrandingsmotor, dan weten we dat de verbranding van het brandstof-luchtmengsel plaatsvindt bij een verbrandingstemperatuur van circa 1600 ∞C. Als er nu 30% van de toegevoerde warmte wordt omgezet in asarbeid, resteert er nog 70% in de vorm van warmte. Bij de arbeidslevering expandeert het hete gas en daarbij daalt de temperatuur tot circa 550 ∞C. Het koelwater is ongeveer 90 ∞C en de rookgassen verlaten de verbrandingsruimte met een temperatuur van ongeveer 550 ∞C. De warmte die uit de motor komt, heeft een lagere temperatuur. Uit de warmte van het koelwater kan theoretisch nog ongeveer 5-10% arbeid worden gehaald. Voor de rookgassen is dit niet veel anders. De hier geschetste situatie laat zien dat de (brandstof)warmte niet volledig kan worden omgezet in arbeid. Dit beginsel is verwoord in de tweede hoofdwet van de thermodynamica. Warmte wordt niet volledig omgezet in arbeid. Arbeid kan echter wel volledig worden omgezet in warmte, want de geleverde asarbeid wordt gebruikt voor de aandrijving van een machine of een voertuig. Deze arbeid is nu juist nodig om de benodigde wrijvingsarbeid te leveren. Deze wrijvingsarbeid wordt als een verlies beschouwd en manifesteert zich als wrijvingswarmte. Toch is er een oneindige energievoorraad. De zon levert namelijk dagelijks ongeveer duizend keer zoveel energie als we op deze wereld gebruiken. Het probleem is echter, dat deze energie niet op elk tijdstip van de dag op elke gewenste plek op aarde aanwezig is. Deze energie moet ook bruikbaar worden gemaakt. Het bruikbaar maken van deze grote hoeveelheid is een technologisch probleem en voor de technici is het de uitdaging om oplossingen aan te dragen. Er worden allerlei oplossingen bedacht en uitgewerkt. Zinnig of onzinnig? De tijd zal het leren. Een voorbeeld van zo’n oplossing is een energietoren (zie figuur 1.4). Aan de inwendige energie van de aarde kan in theorie arbeid worden onttrokken door het temperatuurverschil tussen het aardoppervlak en de hogere luchtlagen te benutten. Of dit praktisch te realiseren is, zou moeten blijken. Het gaat om een 5-7 kilometer hoge toren die in zee wordt gebouwd en waaruit met behulp van turbines arbeid onttrokken wordt aan het kringloopmedium ammoniak. De toren heeft een diameter van 350 meter en zou een elektrisch vermogen van ~7000 MW kunnen leveren. Dit komt overeen met ~50% van het in Nederland opgestelde openbaar elektrisch productievermogen.
6
hoofdsTuk 1 energIeTechnIek condensor
5 tot 7 km
vloeistof
lucht –35° tot –10 °C Qlucht
Wturb
damp NH3
damp NH3
turbine
QH water 4–18 °C
figuur 1.4 Energietoren van 7000 megawatt
verdamper
QH
zeebodem
Werking van de energietoren De kringloop werkt als volgt. Vloeibare ammoniak verdampt op zeeniveau, bij 4-18 °C, in een verdamper en stijgt tot een hoogte van circa 5 kilometer. Vervolgens condenseert de damp aan de top van de toren, bij temperaturen van –35 tot –10 °C, en stroomt terug naar het aardoppervlak. De vloeistof stroomt door turbines en levert hierbij arbeid aan de turbinewaaier. Het temperatuurverschil tussen de luchtlaag op grote hoogte en het zeewater bedraagt enkele tientallen graden. Dit zorgt
ervoor dat de ammoniak blijft circuleren. Volgens de berekeningen kan er circa 7000 MW elektrisch vermogen worden ontwikkeld. Het rendement van deze kringloop h is ongeveer 7-9%. Ter vergelijking moeten we bedenken, dat de openbare elektriciteitscentrales in Nederland een gezamenlijk vermogen van 15 000 MW hebben. De kosten voor deze toren worden geschat op 15 miljard euro. Dat is dan een investering van circa € 2200 per kW.
Een ander voorbeeld is de Archimedes Water Schommel (AWS), zie figuur 1.5. Bij deze machine wordt de energie van grote watergolven gebruikt voor de elektriciteitsopwekking. Een proefinstallatie voor een vermogen van 6000 tot 8000 megawatt zal ongeveer 15 miljoen euro kosten, wat neerkomt op een bedrag van tussen de € 2500 en € 2000 per kW.
1.3 van brandsTof naar energIedrager
7
figuur 1.5 Archimedes Water Schommel (AWS)
De werking van de AWS Twee drijvers met een diameter van 20 meter zijn door middel van een luchtleiding met elkaar verbonden. De drijvers kunnen als een bromtol langs de verticale as naar boven en beneden schroeven. Onder de drijvers zit lucht ingesloten. Deze lucht vult ook het verbindingskanaal tussen de beide drijvers. De afstand tussen de drijvers komt overeen met de halve lengte van een oppervlaktegolf. De waterkolom boven de drijvers varieert met de deining van het
wateroppervlak en veroorzaakt daardoor variaties in de luchtdruk onder de drijvers. Hierbij wordt de lucht in een oscillerende beweging door het verbindingskanaal verplaatst, zodat de drijvers op en neer worden geschroefd. De vrijkomende rotatie-energie van de drijvers wordt op deze manier omgezet in elektrische energie. In een proefopstelling werd 20% van de golfenergie omgezet in elektriciteit.
1.3 Van brandstof naar energiedrager De fossiele brandstoffen zijn ooit gevormd onder invloed van zonlicht. In deze brandstoffen is de energie in chemisch gebonden toestand aanwezig en ze komt vrij tijdens de verbranding. De eindproducten zijn dan altijd koolstofdioxide, waterdamp en kleine hoeveelheden koolstofmono-oxide en stikstofdioxiden. Dit verbrandingsproces vindt plaats in een verbrandingskamer van een ketel, een verbrandingsmotor of een gasturbine. In deze verbrandingskamer wordt het brandstof-luchtmengsel ontstoken en verbrand. De verbrandingskamer zorgt ervoor dat de verbranding optimaal verloopt. Er heerst de juiste verbrandingstemperatuur, de verblijfsduur van het brandstof-luchtmengsel is voldoende lang en de toevoer van de brandstof en de verbrandingslucht en de uitstroming van de verbrandingsgassen verlopen ongestoord. Vaak is het ook nodig dat de wand van de verbrandingskamer
8
hoofdsTuk 1 energIeTechnIek
gekoeld wordt om het warmteoverschot af te voeren. Nucleaire brandstof is met dit soort brandstof niet te vergelijken. Bij de kernenergie komt energie vrij wanneer de kern van een zwaar atoom gespleten wordt of als lichte atoomkernen samensmelten. Het eerste heet kernsplijting en het tweede heet kernfusie. De winning van de energie van de atoomkern verloopt dus op twee manieren. Bij de kernsplijting wordt de atoomkern gehalveerd door een neutron en komen er neutronen vrij uit de gespleten kern. Een deel daarvan draagt haar snelheidsenergie af aan bijvoorbeeld water of een andere stof. Deze snelheidsenergie wordt bij deze overdracht omgezet in warmte. De overige neutronen zorgen voor de splitsing van zware atomen. Het proces dat hierbij afloopt noemen we kettingreactie. De omzetting verloopt gecontroleerd als er een constante hoeveelheid atomen wordt gesplitst. De kern van de reactor wordt op deze manier op een constante temperatuur gehouden. Kernsplijting is alleen mogelijk met speciaal geprepareerd uranium of plutonium. Dit materiaal wordt als brandstofstaven of -kogels ter grootte van een tennisbal in het reactorvat geplaatst, waarna het kernsplijtingsproces in gang wordt gezet. De warmte die hierbij vrijkomt, wordt door water, helium of vloeibaar natrium uit het reactorvat afgevoerd en uiteindelijk in een turbine in elektriciteit omgezet. De gebruikte brandstoffen zijn radioactieve materialen, waarvan de uitgezonden straling vanaf een bepaalde hoeveelheid schadelijk is voor de mens en elke andere vorm van leven. De kernfusie verloopt momenteel alleen op laboratoriumschaal. De verwachting is dat het nog enige decennia zal duren, voordat deze techniek op grote schaal toegepast kan worden in de energievoorziening. De hier kort besproken principes worden gerealiseerd door omzetting van een brandstof. Hierbij komt bij hoge temperatuur warmte vrij, die vervolgens weer wordt omgezet in asarbeid en warmte bij lagere temperatuur, zie figuur 1.6. figuur 1.6 Omzetting van brandstof in warmte en arbeid
brandstof
verbranding
warmte
expansie
warmte arbeid
Dit is een heel gebruikelijke overgang van de brandstof naar een andere energiedrager. Deze overgang verloopt gefaseerd. Dat wil zeggen dat er eerst verbranding van een brandstof plaatsvindt en dat vervolgens de vrijkomende warmte gedeeltelijk in arbeid wordt omgezet. Dit hoeft echter niet altijd zo te zijn. In een brandstofcel wordt namelijk waterstofgas direct omgezet in elektriciteit en warmte. De techniek van de brandstofcel staat op beperkte schaal ter beschikking, maar het duurt zeker nog enkele decennia voordat brandstofcellen op grotere schaal zullen worden toegepast.
1.4 Distributie van energiedragers Gas, elektriciteit en warmte worden vaak vanaf de energiebron naar de afnemers of gebruikers gedistribueerd. Hierbij overbrugt de energiedrager een zekere afstand.
1.4 dIsTrIbuTIe van energIedragers
9
Vaak moet hij dan ook nog over een aantal afnemers worden verdeeld en eventueel geschikt worden gemaakt voor het gebruik. Het distributiesysteem, of de overbrenging, koppelt dus de energiebron aan het proces dat de energie opneemt. Dit is dan vaak weer het apparaat of werktuig dat een lastproces aandrijft. Bij dit transport verandert de energievorm niet. Wel treden transportverliezen op. Om deze te beperken, kiezen we bij voorkeur een systeem dat de laagste distributieverliezen oplevert. Een juiste onderlinge afstemming van de drie systemen die in figuur 1.3 (pagina 4) staan weergegeven, is essentieel voor de goede werking van een werktuig of proces. Er wordt dan een optimaal resultaat geleverd. 1.4.1 Distributie van mechanische energie
Bij een auto wordt de mechanische energie van de motorkrukas via de overbrenging naar de wielaandrijfassen gedistribueerd. De auto draagt zijn eigen energiebron, de motor, maar dient als voertuig voor de realisatie van een lastproces. Hij zorgt voor transport van personen en goederen en is dan een eindgebruiker van energie. De automotor is de energiebron en tussen deze motor en de wielen zit het distributiesysteem, zie figuur 1.7. Het geheel van motor, distributie en wielen noemen we de aandrijving van de auto. 4
1 2 3 4 5
2
3
5
motor transmissie verdeelbak aandrijving vooras aandrijving achteras 1
figuur 1.7 De aandrijving van een auto (vierwielaandrijving)
Het systeem tussen de motor en de wielen bestaat uit de versnellingsbak of transmissie en de aandrijfassen op de voor- en/of achterwielen. De versnellingsbak of een automatische transmissie zorgt voor de aanpassing van het motortoerental, dus van de energiebron, aan het toerental van de wielen. De meeste moderne auto’s hebben ten minste vijf versnellingen vooruit en één versnelling achteruit. Bij een hoge constante snelheid is het motorvermogen nodig om de wrijving te overwinnen. Als de som van alle weerstandskrachten gelijk is aan de aandrijfkracht kan de auto niet verder versnellen. Bij elektrische auto’s bestaat de aandrijving uit één centrale elektromotor gekoppeld aan een tandwieloverbrenging en differentieel of een elektromotor per wiel.
10
hoofdsTuk 1 energIeTechnIek 1.4.2 Distributie van elektrische energie
Om elektriciteit te distribueren, gebruiken we een zeer uitgebreid hoogspanningsnet, zie figuur 1.8. Een dergelijk net is verspreid over het gehele land en verbindt de elektriciteitscentrales met de afnemers. Er zijn verschillende netten. Een 380kV-koppelnet (380Â 000 volt), een 220kV-net, een 150kV-net en een 110kV-net. Verder zijn er midden- en laagspanningsnetten.
figuur 1.8 Het hoogspanningsnet van Nederland (bron: Tennet)
Het koppelnet verbindt de elektriciteitscentrales met elkaar zodat er altijd elektriciteit geleverd kan worden, ook als er een centrale buiten bedrijf is. Het doel van de distributie is bekend, maar waarom moet dat nu met verschillende spanningen gebeuren? Als elektrische energie over een afstand getransporteerd wordt, zijn de verliezen door de elektrische weerstand evenredig met de lengte van de leiding. Juist over grote afstanden, vaak afstanden van vele honderden kilometers, worden grote hoeveelheden elektrische energie getransporteerd. De verliezen die hierbij optreden worden groter naarmate de transportspanning lager is. Om dit transportverlies niet te groot te laten worden, wordt een hoge transportspanning gekozen. Het Nederlandse distributienet heeft een transportverlies dat lager is dan 5%. Het 380kV-koppelnet maakt deel uit van een internationaal net. Op die manier is er import en export van elektriciteit mogelijk, wat op redelijk grote schaal voorkomt. Naarmate de distributie dichter bij het afneempunt komt, wordt de spanning naar een lager
1.4 dIsTrIbuTIe van energIedragers
11
niveau getransformeerd. De meeste afnemers zijn aangesloten op het laagspanningsdistributienet, dus wordt de spanning van hoogspanning naar laagspanning getransformeerd. 1.4.3 Distributie van warmte en koude
Kantoorgebouwen, scholen, ziekenhuizen en ook woonhuizen zijn voorzien van een centraal verwarmingssysteem (cv-systeem) en sommige ook van een luchtbehandelingssysteem, vaak airconditioning genoemd, en van een koelsysteem. Als het buiten koud is, wil de gebruiker van het gebouw graag een zo aangenaam mogelijke temperatuur in het gebouw hebben. In de zomer, als het buiten warm is, wil hij het juist graag enkele graden koeler hebben dan buiten.
2
2
2
3
6 5
1 2 3 4 5 6
4
1
pomp ontluchtingen radiator warmtebron expansievat drukbeveiliging
figuur 1.9 Het leidingstelsel van een eenvoudig cv-systeem
Als we nu eens uitgaan van het systeem voor de centrale warmtevoorziening in een gebouw, dan levert de ketel of bijvoorbeeld een warmtepomp warm water voor de benodigde warmte. Dit warme water wordt via een leidingnet naar de te verwarmen ruimtes getransporteerd en staat daar zijn warmte af aan de radiatoren. Die geven deze warmte dan weer af aan de lucht van deze te verwarmen ruimte. Het leiding-
12
hoofdsTuk 1 energIeTechnIek
net, zie figuur 1.9, bestaat dan bijvoorbeeld uit stalen pijpen. De aanvoerleiding transporteert het verwarmde ketelwater naar de radiatoren. In de radiatoren koelt dit water af en stroomt via de retourleiding terug naar de ketel. Het net heeft diverse appendages en er zit ten minste ĂŠĂŠn pomp in. Verder vangt een expansievat de uitzetting van het water op, omdat dit water uitzet bij stijging van de temperatuur. De pomp zorgt voor de watercirculatie in het totale systeem. 1.4.4 Transportverliezen
In alle distributiesystemen treden er verliezen op door wrijvingsarbeid, warmteverlies en transformatie van energie. Deze verliezen noemt men vaak energieverliezen. Het is echter juister om te spreken over het verlies aan bruikbare energie, omdat er volgens de eerste hoofdwet geen energie verloren gaat. Wrijvingsverliezen zijn ook niet altijd als een volledig verlies aan bruikbare energie op te vatten. Als voorbeeld nemen we de wrijvingsverliezen in een verwarmingssysteem. De wrijvingsarbeid in het leidingnet treedt op bij de temperatuur van het verwarmingswater en wordt omgezet in warmte. Deze warmte wordt toegevoegd aan de warmte van dit water. Wrijvingsverliezen mogen dus worden opgeteld bij de verwarmingscapaciteit. In dit geval is dus het wrijvingsverlies geen verlies. De hoeveelheid energie die wordt toegevoegd, is echter zo gering dat dit effect verwaarloosbaar is.
Voor een cv-systeem van een woonhuis is het benodigde pompvermogen circa 100 watt. Het gevraagde installatievermogen is bijvoorbeeld
10 kW. De benodigde transportenergie bedraagt in dit geval dus 1% van het geleverde vermogen.
Bij uitgebreide energiedistributiesystemen worden de verliezen vaak groter dan 1% van het totaal getransporteerde vermogen. We moeten dan goed afwegen op welke wijze de energie wordt gedistribueerd. Bij de distributie van energiedragers kan dit bijvoorbeeld op grond van het transportverliespercentage van het gedistribueerde vermogen gebeuren. Bij transportwerktuigen is het gebruikelijk om de benodigde transportenergie per ton vervoerde massa goed te hanteren. Daarnaast speelt de afweging van de kosten van het transportsysteem een belangrijke rol.
1.5 Lastprocessen De eindgebruiker van de energie noemen we het lastproces. Door deze functie wordt de gewenste behoefte gerealiseerd, bijvoorbeeld de verwarming van een vertrek of het vervoer van goederen. De energievormen die het lastproces kenmerken zijn in tabel 1.1 samengevat. Deze tabel kan nog met legio voorbeelden uit de dagelijkse praktijk worden uitgebreid. Elk proces of werktuig heeft zijn eigen kenmerken. Een belangrijk kenmerk van het werktuig of proces is de lastkarakteristiek. In de volgende paragrafen analyseren we de lastkarakteristiek van een auto en een pomp.
1.5 l asTprocessen
tabel
1.1
13
Energiefuncties van lastprocessen
Energiefunctie
Lastproces (werktuig of installatie)
ruimteverwarming
cv-installatie of kachel
ruimtekoeling
koude-installatie, koelkast
bewegingsenergie
transportmiddel
potentiële energie
transportmiddel (hefwerktuig)
elektrische energie
elektromotor, elektrische apparaten, verlichting
1.5.1 Lastkarakteristiek van een rijdende auto
Een auto ondervindt tijdens het rijden meerdere wrijvingskrachten. Zolang deze wrijvingskrachten kleiner zijn dan de kracht die door de motor via de overbrenging aan de wielen wordt geleverd, zal de auto versnellen. Als de auto zijn maximale snelheid bereikt, zijn de wrijvingskrachten en de aandrijfkracht op de wielen aan elkaar gelijk. Als deze auto tegen een helling oprijdt, komt er ook nog een kracht langs de helling bij. De maximale snelheid hangt af van de grootte en de massa van de auto en het motorkoppel. Als we uitgaan van een auto die met een constante snelheid een helling oprijdt, zie figuur 1.10, dan bepalen de volgende krachten de benodigde aandrijfkracht: ● de zwaartekracht Fz ; ● de rolwrijving tussen de wielen en het wegdek Fwr ; ● de lagerwrijving van de overbrenging Fwl ; en ● de luchtweerstand, of aerodynamische wrijving Fwa .
De hier genoemde krachten lichten we hierna toe. u Fwa
FN 2
FN 2
Fwl 2 1.10 Krachtendiagram van een auto bij een constante rijsnelheid figuur
g Fwl 2
Fwr 2 Fz
Fwr 2
a
Zwaartekracht De zwaartekracht Fz werkt op elk voorwerp op aarde en is verticaal naar beneden gericht. Als een auto met een massa m een helling oprijdt, willen we weten hoe groot de sleepkracht langs de helling naar boven is en hoe groot de normaalkracht F N loodrecht op de helling is. Deze krachten bepalen mede de benodigde trekkracht
14
hoofdsTuk 1 energIeTechnIek
aan de wielen. Om deze krachten te bepalen, ontbinden we de zwaartekracht in een krachtvector langs de helling: F a = Fz ◊ sin a = m ◊ g ◊ sin a
(1.1)
en een krachtvector, de normaalkracht F N, loodrecht op de helling: F N = Fz ◊ cos a = m ◊ g ◊ cos a
(1.2)
Rolwrijving De rolwrijving ontstaat doordat de band en de ondergrond tijdens het rijden vervormen. Naarmate de vervorming toeneemt, wordt de wrijvingscoëfficiënt fwr groter. De wrijvingscoëfficiënt tussen de autobanden en de ondergrond is afhankelijk van de juiste bandenspanning, het materiaal van de band, de constructie van de band en de ondergrond. Het volgende overzicht geeft een paar richtwaardes van deze wrijvingscoëfficiënt. asfalt:
fwr = 0,013
keienweg:
fwr = 0,020
beton:
fwr = 0,015
los zand:
fwr > 0,150
Verder is de rolwrijvingscoëfficiënt fwr van autobanden ook afhankelijk van de snelheid. De wrijvingskracht volgt uit: Fwr = fwr (v) ◊ F N = fwr (v) ◊ m ◊ g ◊ cos a
(1.3)
In figuur 1.11 staat de rolwrijvingscoëfficiënt voor radiaalbanden uitgezet tegen de rijsnelheid.
figuur 1.11 Rolwrijving afhankelijk van het type band en de rijsnelheid
rolwrijvingscoëfficiënt
0,025
0,020
radiaalbanden
0,015
0,010
0
50
100 snelheid u
[km/uur]
1.5 l asTprocessen
15
Lagerwrijving Voor de lagering van assen en de wiellagering worden wentellagers gebruikt. De wrijvingscoëfficiënt van deze lagers is zeer laag: fwl ~0,001. De lagers zijn afgeschermd tegen stof- en vuilinwerking om de slijtage ervan te beperken. Ze hebben dan ook een lange levensduur. De wrijvingskracht volgt uit: Fwl = fwl ◊ F N = fwl ◊ m ◊ g ◊ cos a
(1.4)
Luchtweerstand of aerodynamische wrijving De auto ondervindt bij het rijden een aerodynamische weerstandskracht Fwa. Deze kracht neemt toe als de rijsnelheid toeneemt. Het lijkt alsof de lucht met de snelheid v om de auto stroomt. In werkelijkheid rijdt de auto met de snelheid v door de stilstaande lucht. Er zijn twee oorzaken aan te geven voor het ontstaan van deze weerstand. De eerste is dat de luchtmoleculen in botsing met de auto komen en daardoor van richting veranderen. De weerstand ontstaat door de energie-uitwisseling tussen de rijdende auto en de lucht en is evenredig met v 2 . We noemen dit de vormweerstand. De tweede oorzaak is dat de lucht langs het oppervlak van de auto stroomt; luchtmoleculen kleven als het ware vast aan de carrosserie. Dit is de viskeuze wrijvingsweerstand. De grootte van deze weerstand hangt af van de viskeuze schuifspanningen tussen de lucht en de buitenkant van de carrosserie en is evenredig met de snelheid v. De totale wrijvingskracht wordt berekend door deze beide effecten in één vergelijking onder te brengen. De aerodynamische wrijving is: Fwa = 1--2- ◊ cw ◊ A ◊ rlucht ◊ v 2 waarin: rlucht = A = = cw v =
(1.5)
de dichtheid van lucht [kg/m3]; het frontale oppervlak van de auto [m 2]; de weerstandscoëfficiënt [-]; de rijsnelheid [m/s].
Het frontale oppervlak A van de auto is het maximale doorsnijdingsoppervlak dat loodrecht op de rijrichting van de auto staat. Daarom ondervindt een grote auto meer weerstand dan een kleine auto. De waarde van cw bepaalt men experimenteel in een windtunnel. Hiertoe plaatst men een model van de auto in een windtunnel en laat er dan lucht met een bepaalde snelheid langs stromen. Men meet de stromingskracht Fwa die het model ondervindt en berekent vervolgens de waarde van cw. Moderne personenauto’s hebben cw-waardes tussen 0,3 en 0,35, zie figuur 1.12. Krachten tijdens het rijden De auto ondervindt nu de totale weerstandskracht (zie ook figuur 1.10): Fw = Fwl + Fwr + Fwa Fw = f wl + f wr v
(1.6) FN +
1 --2
cw A
lucht
v2
(1.7)
16
hoofdsTuk 1 energIeTechnIek Type auto
Weerstandscoëfficiënt cw
Fiat 124/Lada 1200 (1966-1994)
figuur 1.12 Weerstandscoëfficiënt van verschillende auto’s
~0,5
Fiat 132 (1972)
~0,45
Citroën DS Break (1955-1958)
~0,34
Citroën Xantia (1991)
0,30
frontaal vlak
1,27
Verder is er nog de ontbondene van de zwaartekracht Fz langs de helling volgens vergelijking (1.1). De totale trekkracht aan de wielen wordt nu, na substitutie van vergelijking (1.2) in F N: F = f wl + f wr v
m g cos
+
1 --2
cw A
lucht
v 2 + m g sin
(1.8)
In de grafiek van het lastproces volgens vergelijking (1.8), zie figuur 1.13, is de totale trekkracht F uitgezet tegen de rijsnelheid bij hellingshoeken tussen 0% en 100%. De lijn bij een hoek van 0% is een vlakke parabool. Deze geeft alleen de wrijvingscomponent van de lastkarakteristiek weer. Bij een groter wordende hellingshoek wordt de invloed van deze hellingshoek op de trekkracht steeds groter. De hyperbolen in de grafiek zijn lijnen van constant vermogen. De dikke grafieklijnen stellen de motorkarakteristiek voor bij de verschillende versnellingen. Het snijpunt van de lastkarakteristiek met de motorkarakteristiek in een bepaalde versnelling is het bedrijfspunt van de auto. De rijsnelheid kan niet meer verder toenemen, omdat