te1 2012 rev 2 - businezz.nlDen Haag, najaar 2011 de uitgever te1_2012_rev_2.indd vi 08-02-12 12:40....

173 / 961

978 90 395 2654 5

Vierde druk

Deze vierde druk van Toegepaste energietechniek deel 1 is geheel herzien en geactualiseerd. Het boek biedt een inleiding in de wereld van de energietechnische systemen. Na twee algemene hoofdstukken over energietechniek en verbrandingstechniek wordt achtereenvolgens aandacht besteed aan de onderwerpen: warmwaterketels, zuigerverbrandingsmotoren, gasturbines, stoominstallaties, pompen, compressoren en ventilatoren, koude-installaties en aan geïntegreerde installaties zoals STEG.

Bij de bespreking van deze systemen wordt uitgegaan van een systeem-benadering, waarbij de nadruk ligt op de gebruikseigenschappen en -kenmerken van de werktuigen en energiesystemen.

Daarbij komen tevens de aspecten energie-efficiency en vermindering van de milieubelasting aan bod. Optimalisering van de rendementen is de ‘rode draad’ bij alle systemen.

Afzonderlijk verkrijgbaar is Toegepaste energietechniek deel 2, Duurzame energie, dat in het teken staat van duurzame energie: zonne-energie, windenergie, waterkracht, bio-energie, omgevingswarmte en aardwarmte. Daarnaast is er de uitgave Toegepaste energieleer – warmte- en stromingsleer, die een inleiding biedt op beide delen Toegepaste energietechniek. Het boek behandelt de theoretische basiskennis van de warmteleer (thermodynamica), stromingsleer en warmtetransport.

Ir. J. Ouwehand en ir. T.J.G. Papa zijn verbonden aan Saxion Hogescholen en ir. A.C. Taal aan de Haagse Hogeschool. Ing. E. Post was tot zijn pensionering in 2011 verbonden aan de Vrije Universiteit Amsterdam.

Ou

weh

and, Papa, Po

st, Taal Toegepaste Energietechniek D

eel 1

ToegepasteEnergietechniekDeel 1Joop Ouwehand, Trynke Papa, Egbert Post, Arie Taal

Toegepaste energietechniek

Deel I

4e druk

ir. J. Ouwehandir. T.J.G. Papair. A.C. Taaling. E. Post

te1_2012_rev_2.indd iii 08-02-12 12:40

Meer informatie over deze en andere uitgaven kunt u verkrijgen bij:Sdu KlantenservicePostbus 200142500 EA Den Haagtel.: 070 378 98 80www.sdu.nl/service

© 2012 Sdu Uitgevers bv, Den Haag1e druk 19982e druk 20013e druk 20054e druk 2012

Zetwerk: Holland Graphics, AmsterdamOmslag: Carlito’s Design, Amsterdam

ISBN 978 90 395 2654 5NUR 173/961

Alle rechten voorbehouden. Alle auteursrechten en databankrechten ten aanzien van deze uitgave worden uitdrukkelijk voor behouden. Deze rechten berusten bij Sdu Uitgevers bv.

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.

Voorzover het maken van reprografi sche 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.

te1_2012_rev_2.indd iv 08-02-12 12:40

Woord vooraf

Dit boek beschrijft de belangrijkste soorten energietechnische apparaten en sys-temen en is bestemd voor het eerste en tweede studiejaar van het HTO. In eerste instantie gaat het daarbij om de studierichting werktuigbouwkunde; het is echter ook voor andere studierichtingen geschikt, doordat specifi eke werktuigbouwkun-dige berekeningen (bv. 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 energiesy-stemen. De nadruk ligt hierbij op de gebruikseigenschappen en kenmerken; daar-naast is er aandacht voor bv. hoofdafmetingen en energietechnische berekenin-gen.

● 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 stoom-vorming.

● Het aanbrengen van een logische samenhang tussen de aandrijvende energie-bron/machine en het lastproces/verbruiker. De overbrenging en het distributie-systeem 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’ bij 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. Karak-teristieke kenmerken worden zoveel mogelijk weergegeven in de vorm van pres-tatiediagrammen (koppel/toerenkromme, pompkarakteristiek, rendementsgra-fi ek, enz.).

● 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 ze, op de eerste drie hoofdstukken na, in willekeurige volgorde kunnen worden behandeld of bestudeerd.

te1_2012_rev_2.indd v 08-02-12 12:40

vi WOORD VOORAF

● In alle hoofdstukken is een groot aantal uitgewerkte berekeningsvoorbeelden opgenomen. Daarnaast worden alle hoofdstukken afgesloten met kennisvragen en berekeningsopgaven. De antwoorden staan achter in het boek. Hierdoor is het boek geschikt voor zelfstudie.

● Bij de bepaling van de vaststelling van de diepgang van de behandelde onderwer-pen is ervan uitgegaan dat dit boek grotendeels kan worden doorgewerkt in het eerste en tweede studiejaar van het HTO, 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 ontwik-kelingen. Daarnaast is er ook aandacht voor ‘energie-effi ciency’ en ‘vermindering van de milieubelasting’ bij energieprocessen en apparaten.

Dit boek maakt deel uit van een driedelige reeks studieboeken. Afzonderlijk ver-krijgbaar zijn: ● Toegepaste energietechniek deel 2, Duurzame energie, dat in het teken staat van

duurzame energie: zonne-energie, windenergie, waterkracht, bio-energie, omge-vingswarmte en aardwarmte;

● Toegepaste energieleer – warmte- en stromingsleer, dat een inleiding biedt op beide delen Toegepaste energietechniek. Het boek behandelt de theoretische basiskennis van de warmteleer (thermodynamica), stromingsleer en warmte-transport.

Bij de vierde drukDeze vierde druk van Toegepaste energietechniek deel 1 is herzien en geheel ge-actualiseerd. De technische ontwikkelingen binnen het vakgebied maken het zeer dynamisch. Verbeteringen zijn vooral bereikt bij de effi ciency 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 toe-gevoegd.

Den Haag, najaar 2011

de uitgever

te1_2012_rev_2.indd vi 08-02-12 12:40

Inhoud

Woord vooraf v

Symbolenlijst xiv

1 Energietechniek 1

1.1 Energiebronnen 21.2 De energievoorraad is oneindig 41.3 Van brandstof naar energiedrager 71.4 Distributie van energiedragers 8

1.4.1 Distributie van mechanische energie 91.4.2 Distributie van elektrische ener gie 91.4.3 Distributie van warmte en koude 111.4.4 Transport verliezen 12

1.5 Lastprocessen 121.5.1 Lastkarakteristiek van een rijdende auto 131.5.2 Stromingsweerstanden 18

1.6 Energieketens en energiefuncties 191.6.1 Energieketens 191.6.2 Energiefuncties 21

1.7 Conversie van energiedragers 261.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 281.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 301.7.3 Thermische benutting van zonne-energie 321.7.4 Opwekking van elektriciteit met zonne-energie 371.7.5 Elektriciteit uit windenergie 411.7.6 Elektriciteit uit waterkracht 441.7.7 Elektriciteit en warmte uit biomassa 451.7.8 Elektriciteit en warmte uit aardwarmte 47

1.8 Samenvatting 501.9 Opgaven en opdrachten 53

2 Verbrandingstechniek 55

2.1 Basisreacties van de verbranding 572.1.1 Verbrandingschemie 572.1.2 Algemene verbrandings vergelijkingen 58

2.2 Verbrandingsberekeningen 602.2.1 Theoretische zuurstofbehoefte 602.2.2 Theoretische luchthoeveelheid en rookgashoeveelheid 61

te1_2012_rev_2.indd vii 08-02-12 12:40

viii INHOUD

2.2.3 Het maximale koolstofdioxidepercentage, CO2,max 642.2.4 Luchtfactor l, luchtovermaat en luchtondermaat 65

2.3 Verbrandingswarmte 702.4 Onvolledige verbranding en verbrandingsemissies 73

2.4.1 Koolstofmono-oxide (CO) en rookgassamenstelling bij onvolledige verbranding 742.4.2 Stikstofoxiden NOx 762.4.3 Meting van de rookgassamenstelling 78

2.5 Verbrandingssystemen 812.5.1 Begrippen 832.5.2 Aardgasbranders 872.5.3 Oliebranders 922.5.4 Verbranding van steenkolen 992.5.5 Reductie van NOx-emissie 1032.5.6 Rookgasontzwaveling 104


3 Warmwaterketels 111

3.1 Toepassingen en kenmerken van warmwaterketels 1133.1.1 Toepassingen 1143.1.2 Constructiekenmerken 1143.1.3 Ketelconstructie en toepassingen 1153.1.4 Ketels voor de kleinschalige warmteopwekking 1163.1.5 Ketels voor de utiliteitsbouw 119

3.2 Warmtebalans en ketelrendement 1223.2.1 Warmtebalans van een ketel 1223.2.2 Ketelrendement 126

3.3 Ketelgebruiksrendement 1293.3.1 Bepaling van het ketelgebruiksrendement 1293.3.2 Invloed van de ketelregeling op het ketelgebruiksrendement 135


4 Verbrandingsmotoren 145

4.1 Inleiding 1454.2 Werking van de zuigermotor 1474.3 Prestaties van de zuigermotor 150

4.3.1 Effectief vermogen 1514.3.2 Effectief rendement 1534.3.3 Uitlaatgasemissies 1564.3.4 Geluidsproductie 1564.3.5 Koppel–toerental karakteristiek 1564.3.6 Brandstoffen 159

4.4 Processen in de zuigermotor 1614.4.1 Wijze van ontsteking 163

te1_2012_rev_2.indd viii 08-02-12 12:40

INHOUD ix

4.4.2 Arbeidscyclus 1644.4.3 Theoretisch thermisch rendement 170

4.5 Luchttoevoer naar de cilinders 1754.5.1 Vierslagsysteem 1754.5.2 Tweeslagsysteem 179

4.6 Brandstoftoevoer naar de cilinders 1794.6.1 Ottomotor 1794.6.2 Dieselmotor 181

4.7 Omzetting chemische energie in gasarbeid 1834.7.1 Geïndiceerd vermogen 1834.7.2 Thermodynamisch rendement 184

4.8 Omzetting gasarbeid in krukasarbeid 1874.8.1 Krukasarbeid 1874.8.2 Mechanisch rendement 1884.8.3 Uitvoering van het drijfwerk 189

4.9 Verbrandingsgassenafvoer 1924.9.1 Samenstelling van de verbrandingsgassen 194

4.10 Ontsteking en verbranding 1964.10.1 Ontstekingstijdstip 1964.10.2 Detonatie 199

4.11 Ladingwisseling 2014.11.1 Vullingsgraad 203

4.12 Vermogensregeling 2084.13 Samenvatting 2094.14 Opgaven en opdrachten 215

5 Gasturbines 219

5.1 Inleiding 2195.2 Werking van de gasturbine 221

5.2.1 De kringloop 2215.2.2 De industrieturbine 2235.2.3 Straalmotoren en aero derivatives 2245.2.4 Starten en regelen van een gasturbine 226

5.3 Hoofdcomponenten van de gasturbine 2275.3.1 De compressor 2275.3.2 De turbine 2275.3.3 De verbrandingskamer 229

5.4 Prestaties van de gasturbine 2315.4.1 Theoretisch rendement 2315.4.2 Optredende verliezen in de gasturbine 2335.4.3 Specifi eke arbeid 2355.4.4 Luchtbehoefte 2365.4.5 Vermogen en totaal rendement 2385.4.6 Invloed van de drukverhouding en temperaturen op het rendement en de specifi eke

arbeid 2385.5 Verbetering van de prestaties 239

5.5.1 Recuperatie 240

te1_2012_rev_2.indd ix 08-02-12 12:40

x INHOUD

5.5.2 Tussenkoeling en verdampingskoeling 2415.5.3 Herverhitting 2425.5.4 Stoominjectie 2435.5.5 Variabele inlaatleidschoepen 244

5.6 Praktijkvoorbeelden 2455.6.1 General Electric MS6 2455.6.2 Microturbines 247


6 Stoominstallaties 257

6.1 Inleiding 2576.2 Werking van een stoominstallatie 258

6.2.1 Effectief vermogen 2596.2.2 Rendementen 261

6.3 Stoomprocessen 2646.3.1 De stoomcyclus voor verwarmingsdoeleinden 2646.3.2 De stoomcyclus voor opwekking van mechanische energie 2666.3.3 De theoretische kringloop en het rendement 2676.3.4 De kringloop van Rankine 269

6.4 Stoomvorming bij constante druk 2726.4.1 Uitvoeringsvormen van stoomketels 275

6.5 Stoomwerktuigen 2836.5.1 De stoomturbine 2836.5.2 Absolute en relatieve snelheid 2896.5.3 Typen stoomturbines 2906.5.4 Verliezen bij stoomturbines 2996.5.5 Praktische uitvoeringen 303

6.6 Warmteafvoer in het kringproces 3056.6.1 De condensor 306

6.7 Toevoer van mechanische energie in het kringproces 3076.7.1 De voedingspomp 308

6.8 De ontgasser 3086.9 Regelgeving voor drukapparatuur 3116.10 Samenvatting 3136.11 Opgaven en opdrachten 318

7 Pompen, compressoren en ventilatoren 325

7.1 Inleiding 3257.2 Prestaties van pompen 326

7.2.1 Opvoerdruk 3267.2.2 Vermogen 3297.2.3 Rendement 3297.2.4 Zuighoogte 3307.2.5 Karakteristieken en bedrijfspunt 334

te1_2012_rev_2.indd x 08-02-12 12:40

INHOUD xi

7.3 Leidingsystemen 3347.3.1 Weerstand in rechte leidingen 3357.3.2 Het Moody-diagram 3367.3.3 De weerstand van appendages 3387.3.4 Leidingkarakteristiek 339

7.4 Verdringerpompen 3437.4.1 Overzicht van verdringerpompen 3437.4.2 Werking van zuiger- en plunjerpomp 3457.4.3 Het indicateurdiagram van een zuiger- of plunjerpomp 3477.4.4 Windketels 349

7.5 Waaierpompen 3517.5.1 Werking en typen 3517.5.2 Snelheidsdriehoeken bij centrifugaalpompen met radiale uittrede 3577.5.3 Eulerse opvoerdruk 3587.5.4 Pompkarakteristiek 3617.5.5 Het bedrijfspunt 3647.5.6 Regelen van de opbrengst van waaierpompen 3677.5.7 Serie- en parallelschakeling van pompen 3687.5.8 Pompdiagram 3707.5.9 Rendement 3717.5.10 NPSH 3727.5.11 Specifi ek toerental 374

7.6 Prestaties van compressoren en ventilatoren 3767.6.1 Compressiearbeid 3767.6.2 Koeling 3777.6.3 Vermogen 3787.6.4 Rendement 379

7.7 Verdringercompressoren 3807.7.1 Overzicht van verdringercompressoren 3807.7.2 De zuigercompressor 381

7.8 Waaiercompressoren 3877.8.1 Radiale compressoren 3897.8.2 Axiale compressoren 392

7.9 Ventilatoren 3927.9.1 Radiale ventilatoren 3947.9.2 Axiale ventilatoren 396


8 Koude-installaties 413

8.1 Inleiding 4138.2 Werking van de koude-installatie 4168.3 Prestaties van de koude-installatie 418

8.3.1 Effectief koudevermogen 4188.3.2 Effectieve koudefactor 4198.3.3 Koudemiddelen 421

8.4 Koudeopwekking 425

te1_2012_rev_2.indd xi 08-02-12 12:40

xii INHOUD

8.4.1 Koelmachinecyclus 4258.4.2 De koelmachine met mechanisch aangedreven compressoren 4268.4.3 De absorptiekoelmachine 4318.4.4 Theoretische koudefactor 4358.4.5 Carnot-rendement 4388.4.6 Verliezen bij aandrijving van de koelmachine 440

8.5 Koudedistributie 4418.6 Warmteafgifte aan de omgeving 4438.7 Comprimeren van het koudemiddel 446

8.7.1 Uitvoeringen van de compressor 4478.7.2 Verliezen bij de mechanische compressor 4518.7.3 Verliezen bij de thermische compressor 455

8.8 Verdampen van het koudemiddel 4588.8.1 Uitvoeringen van verdampers 4588.8.2 Verliezen bij verdampen 460

8.9 Condenseren van het koudemiddel 4618.9.1 Uitvoeringen van condensors 4628.9.2 Verliezen bij condenseren 463

8.10 Expanderen van het koudemiddel 4668.10.1 Werking van het expansieventiel 4678.10.2 Verliezen bij expanderen 468

8.11 Capaciteitsregeling 4688.12 Samenvatting 470Opgaven en opdrachten 474

9 Gecombineerde technieken 477

9.1 Warmte/krachtkoppeling (WKK) 4789.1.1 WKK met gasturbine en afgassenketel 4809.1.2 WKK met motoren en warmteterugwinning 484

9.2 Integratie van WKK in het energievoorzienings systeem 4879.3 Brandstofbesparing door WKK 4889.4 STEG-installaties 492

9.4.1 Uitvoeringsvormen 4939.4.2 Rendementen van STEG-installaties 494

9.5 Warmte- en krachtlevering in de toekomst 4959.5.1 Grenzen aan de brandstofbesparing 4969.5.2 Brandstofbesparing met kleinschalige warmte/krachtinstallaties en warmtepom-

pen 4969.6 Samenvatting 5009.7 Opgaven en opdrachten 503

te1_2012_rev_2.indd xii 08-02-12 12:40

INHOUD xiii

Appendix A Basisleer thermodynamica 507

A.1 Eerste Hoofdwet 507A.2 Omkeerbare toestandsveranderingen 510

A.2.1 Omkeerbare toestandsveranderingen van een ideaal gas 511A.2.2 Kringprocessen 515A.2.3 Toestandsveranderingen in open systemen 518

A.3 Onomkeerbare toestandsveranderingen en entropie 519A.3.1 Tweede Hoofdwet 519A.3.2 Entropie 520

Appendix B Wet van Bernoulli 529

Appendix C log ph-diagram 533

Appendix D Warmteoverdracht 535

Antwoorden 539

Illustratieverantwoording 543

Trefwoordenregister 545

te1_2012_rev_2.indd xiii 08-02-12 12:40

1 Energietechniek

Overal is energie, of dit nu zonnestraling is, elektrische stroom, warmte voor ver-warming, kernenergie, stromings- of bewegingsenergie, het valt onder het verza-melbegrip 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, techniek georiënteerde maatschappij is ondenk-baar zonder het gebruik van energie. Ondanks de vele manieren waarop energie wordt gebruikt, zijn we niet in staat om er een precieze defi nitie van te geven. Energie kunnen we wel beschrijven aan de hand van twee wetten uit de thermody-namica, de vormen waarin zij zich manifesteert en de manier waarop we er gebruik van maken. Energie heeft te maken met het leveren van inspanning (ar beid), het leven en de groei van organismen (licht en warmte), de verandering van materie (chemische processen, productieprocessen) en het transport (arbeid). In het blok-schema van fi guur 1.1 is dit nog eens samengevat.

FIGUUR 1.1 Energie omzetting

groei

verandering

verplaatsing

licht

warmte

arbeid

producten

organismen

transport

In fi guur 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. De processen zijn noodzakelijke voorwaarden voor het menselijk bestaan en verhogen tevens het comfort daarvan. Leven en verandering is zon-der energie ondenkbaar. Bij de praktische toepassingen maken we onderscheid tussen de energievormen:● inwendige energie: thermodynamisch (U), chemisch (brandstof), fysisch (kern-

energie);● kinetische energie: translatie en rotatie van massa, trillingsenergie van een mas sa,

golfenergie, stromingsenergie van wind en water;● potentiële energie: valenergie, veerenergie, drukenergie van een gas; en● 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 sys teem.

te1_2012_rev_2.indd 1 08-02-12 12:40

2 HOOFDSTUK 1 ENERGIETECHNIEK

1.1 Energiebronnen

We spreken over energiebronnen, energiedistributiesystemen, energieopslag en energiegebruikers. Als we de doelen van het energiegebruik als uitgangspunt ne-men, dan zijn de energiedistributie en de energiebronnen noodzakelijke voorwaar-den. 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 ‘Toegepaste energietechniek’ besteden we aandacht aan de principes en 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, of in een boormachine wordt elektriciteit omgezet in rotatie-energie van de boor. Een pomp zet elektrische energie om in stromingsener-gie en drukenergie. Deze werktuigen rekenen wij meestal tot de energiebronnen, omdat ze gekoppeld zijn aan een proces of energiegebruiker. Afhankelijk van de beschouw de systemen is een werktuig een energiebron, -overbrenger of -gebruiker. (Voorbeeld: een radiator is een gebruiker in een cv-systeem en een bron voor ruimte-verwarming. 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; en● kernenergie.

Het verband tussen de zonne-energie en de overige primaire energiedragers is weer-gegeven in fi guur 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 ons bereikt en voor ca. 100% voor de energievoorziening van de planeet Aarde zorgt.

De werktuigen die met behulp van een verbrandingsproces een primaire energie-drager omzetten in warmte en/of arbeid, of elektriciteit genereren met wind- of water kracht, respectievelijk direct warmte en elektriciteit maken uit het zonlicht, zijn de secundaire energiebronnen. 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; en● zonnecollectoren.

te1_2012_rev_2.indd 2 08-02-12 12:40

1.1 ENERGIEBRONNEN 3

FIGUUR 1.2 Zonne- energie als oorsprong

geothermie

biomassa

zonlicht

getijden

verdampingen neerslag

fossielebrandstof

verwarmingaardoppervlaken atmosfeer

wind

getijden-centrale

waterkracht-centrale

warmte-centrale

verbrandings-motor

elektriciteits-centrale

warmtepomp

windturbine

kerncentrale

warmte-centrale

brandstof-conversie

zonne-collector





E

E

E

E

Q

E

W

E

E

E

E

Q

Q

Q

WA

RMTE

(),

ELEK

TRIC

ITEI

T (

),A

RBEI

D (

)Q

EW

te1_2012_rev_2.indd 3 08-02-12 12:40


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.Het verband tussen de energiebron en de gebruiker, of het proces waar de energie-bron aan gekoppeld is, is weergegeven in fi guur 1.3.

FIGUUR 1.3 Verband tussen de energiebron en de gebruiker

proces 1 proces 2 proces 3 proces 4energiebron overbrenging last

Voor de gebruiker of het proces gebruiken we vaak het begrip lastproces om daarmee aan te geven dat op die plaats het energie-eindgebruik plaatsvindt. Neem bijvoor-beeld 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 Neder-landse 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 effi ciënt 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 energiewerktui-

gen en processen;• zonne-energie;• stromingsenergie; en• biomassa.

1.2 De energievoorraad is oneindig

Bij alle energiebeschouwingen spelen de 1e en de 2e hoofdwet een belangrijke rol. De 1e 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 2e 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

te1_2012_rev_2.indd 4 08-02-12 12:40

1.2 DE ENERGIEVOORRAAD IS ONEINDIG 5

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 an der deel van de warmte verdwijnt in de vorm van warme rookgassen in de atmosfeer en als uitstralingsverlies aan de buitenzijde van het motorblok. Als alle energiestromen van de motor bij elkaar worden opgeteld, dan is de som hiervan ge lijk 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 tot slot blijft er altijd nog een hoeveelheid restwarmte over die niet kan wor-den 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 verbran-dingstemperatuur van circa 1600 ∞C. Als er nu 30% van de toegevoerde warmte wordt omgezet in asarbeid, dan 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 ver-brandingsruimte 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. Ar beid kan echter wel volledig worden omgezet in warmte, want de geleverde as-arbeid wordt gebruikt voor de aandrijving van een machine of een voertuig. Deze arbeid is nu juist nodig om de benodigde wrijvings arbeid te leveren. Deze wrijvings-arbeid wordt als een verlies beschouwd en manifesteert zich als wrijvingswarmte.Toch is er een oneindige energievoorraad. De zon levert namelijk dagelijks onge-veer 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. Voorts moet deze energie bruikbaar worden gemaakt. Het bruikbaar maken van deze grote hoeveelheid is een technologisch probleem en dus een uitda-ging voor de technici 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 fi guur 1.4). Aan de in-wendige 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 kilo-meter hoge toren die in zee wordt gebouwd en waaruit met behulp van turbines arbeid onttrokken wordt aan het kringloopmedium ammoniak. De toren heeft een dia meter van 350 meter en zou een elektrisch vermogen van ~7000 MW kunnen leveren. Dit komt dan overeen met ~50% van het in Nederland opgesteld openbaar elektrisch productievermogen.

te1_2012_rev_2.indd 5 08-02-12 12:40


FIGUUR 1.4 Energie toren van 7000 megawatt

verdamperwater 4–18 °C

lucht –35° tot –10 °C

Wturb

QH

Qlucht

QH

dam

p N

H3

dam

p N

H3

turbine

zeebodem

vloe

isto

f

condensor

5 to

t 7 k

m

Werking van de energietorenDe 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 –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 hiervan moeten we bedenken, dat de openbare elektriciteitscentra-les 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 fi guur 1.5. Bij deze machine wordt de energie van grote watergolven gebruikt voor de elektri-citeitsopwekking. Een proefi nstallatie voor een vermogen van zes- tot achtduizend megawatt zal ongeveer 15 miljard euro kosten, hetgeen neerkomt op een bedrag van tussen de € 2500,- en € 2000,- per kW.

te1_2012_rev_2.indd 6 08-02-12 12:40

1.3 VAN BRANDSTOF NAAR ENERGIEDRAGER 7

FIGUUR 1.5 Archimedes Water Schommel (AWS)

De werking van de AWSTwee 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 verbindings-kanaal 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 elektrici-teit.

1.3 V an brandstof naar energiedrager

De fossiele brandstoffen zijn ooit gevormd onder invloed van zonnelicht. Bij deze brandstoffen is de energie in chemisch gebonden toestand in de brandstof aanwezig en komt tijdens de verbranding vrij. De eindproducten zijn dan altijd koolstofdi-oxide, waterdamp en kleine hoeveel heden koolstofmono-oxide en stikstofdioxiden.Dit verbrandingsproces vindt plaats in een verbrandingskamer van een ketel, van 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 groot, 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 gekoeld wordt, om het warmteoverschot af te voeren. Nucleaire brandstof is met dit soort brandstof niet te vergelijken.

te1_2012_rev_2.indd 7 08-02-12 12:40


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 snelheids-energie wordt bij deze overdracht omgezet in warmte. De overige neutronen zorgen voor de splitsing van zware atomen. Het proces dat hierbij afl oopt noemen we kettingreactie. De omzetting verloopt gecontroleerd als er een constante hoeveel-heid 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 toe-gepast kan worden in de energievoorziening.De hier kort besproken principes worden gerealiseerd door omzetting van een brandstof. Hierbij komt warmte bij hoge temperatuur vrij, die vervolgens weer wordt omgezet in asarbeid en warmte bij lagere temperatuur, zie fi guur 1.6.

FIGUUR 1.6 Omzetting van brandstof in warmte en arbeid

brandstof warmtewarmte

verbranding expansie arbeid

Dit is een heel gebruikelijke overgang van de brandstof naar een andere energie-drager. Ze verloopt gefaseerd. Dat wil zeggen dat er eerst verbranding van een brandstof plaatsvindt en 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 enke le 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. Vaak moet hij dan ook nog over een aantal afnemers worden verdeeld en eventueel geschikt worden gemaakt voor het gebruik. Het distributiesysteem, of de overbren-ging, koppelt dus de energiebron met het proces dat de energie opneemt. Dit is dan

te1_2012_rev_2.indd 8 08-02-12 12:40

1.4 DISTRIBUTIE VAN ENERGIEDRAGERS 9

vaak weer het apparaat of werktuig dat een lastproces aandrijft. Bij dit transport verandert de energievorm niet. Wel treden er 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, zoals die in fi guur 1.3 (pagina 4) staan weer gegeven, is essentieel voor de goede werking van een werktuig of proces. Er wordt dan een optimaal resultaat geleverd.

1.4.1 Distributie van mechanische energieBij 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 auto motor is de energiebron en tussen deze motor en de wielen zit het distributie-systeem, zie fi guur 1.7. Het geheel van motor, distributie en wielen noemen we de aandrijving van de auto.

1 motor2 transmissie3 verdeelbak4 aandrijving vooras5 aandrijving achteras

FIGUUR 1.7De aa ndrijving van een auto (4-wielaandrijving)

1

4 2 3 5

Het systeem tussen de motor en de wielen bestaat uit de versnellingsbak, of trans-missie en de aandrijfassen op de voor- en achterwielen. De versnellingsbak zorgt voor de aanpassing van het motortoerental, dus van de energiebron, aan het toe-rental van de wielen. De meeste moder ne auto’s hebben tegenwoordig vijf versnel-lingen vooruit en één versnelling achteruit. Bij een hoge constante snelheid is het motorvermogen nodig om de wrijving te overwinnen. Als de som van alle weer-standskrachten gelijk is aan de aandrijfkracht kan de auto niet verder versnellen.

1.4.2 D istributie van elektrische ener gieOm elektriciteit te distribueren, gebruiken we een zeer uitgebreid hoog spanningsnet, zie fi guur 1.8. Een dergelijk net is over het gehele land aanwezig en verbindt de elektriciteitscentrales met de afnemers. Er zijn verschillende netten. Een 380 kV (380 000 volt) koppelnet, een 220 kV-net, een 150 kV-net en een 110 kV-net. Verder zijn er midden- en laagspanningsnetten.

te1_2012_rev_2.indd 9 08-02-12 12:40


FIGUUR 1.8 Het hoog-spanningsnet van Nederland (bron Tennet)

elektriciteitscentrale

koppelnet

distributienet

Het koppelnet verbindt de elektriciteitscentrales met elkaar zodat er altijd elektri-citeit 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 380 kV koppelnet maakt deel uit van een internationaal net. Op die manier is er import en export van elektriciteit mogelijk, hetgeen op redelijk grote schaal voorkomt. Naarmate de distributie steeds dichter bij het afneempunt komt, wordt de span-ning naar een lager niveau getransformeerd. De meeste afnemers zijn aangesloten op het laagspannings distributienet, dus wordt de spanning van hoogspanning naar laagspanning getransformeerd.

te1_2012_rev_2.indd 10 08-02-12 12:40

1.4 DISTRIBUTIE VAN ENERGIEDRAGERS 11

1.4.3 Distributie van warmte en koudeKantoorgebouwen, scholen, ziekenhuizen en ook woonhuizen zijn voorzien van een centraal verwarmingssysteem (cv-systeem) en sommige ook van een luchtbe-handelingssysteem, 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.

Als we nu eens uitgaan van het systeem voor de centrale warmtevoorziening in een gebouw, dan levert de ketel 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 leidingnet, zie fi guur 1.9, bestaat uit stalen pijpen. De aanvoerleiding transporteert het verwarmde ketelwater naar de radiatoren. In de radiatoren koelt dit water af en stroomt via de retourleiding te rug naar de ketel. Het net heeft diverse appendages en er zit ten minste één 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.

5

6

41

2

3

2 2

1 pomp 2 ontluchtingen 3 radiator 4 ketel 5 expansievat 6 drukbeveiliging

FIGUUR 1.9 Het leidingstelsel van een eenvoudig cv-systeem

te1_2012_rev_2.indd 11 08-02-12 12:40


1.4.4 Transport verliezenIn alle distributiesystemen treden er verliezen op ten gevolge van wrijvingsarbeid, warmteverlies en transformatie van energie. Deze verliezen noemt men vaak energie-verliezen. Het is echter juister om te spreken over het verlies aan bruikbare energie, omdat er volgens de 1e hoofdwet geen energie verloren gaat. Wrijvingsverliezen zijn ook niet altijd als een volledig verlies aan bruikbare energie op te vatten. Ne men we bijvoorbeeld 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 een goede afweging maken op welke wijze de energie wordt gedistribueerd. Bij de distributie van ener-giedragers 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. Daar-naast 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, bijvoorbeeld de verwarming van een vertrek of het vervoer van goederen gerealiseerd. De energievormen die het lastproces kenmerken zijn in tabel 1.1 samengevat.

TABEL 1.1 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 apparatuur, verlichting

te1_2012_rev_2.indd 12 08-02-12 12:40

1.5 LASTPROCESSEN 13

Deze tabel kan nog met legio voorbeelden uit de dagelijkse praktijk worden uit-gebreid. Elk proces of werktuig heeft zijn eigen kenmerken. Een belangrijk kenmerk van het werktuig of proces is de lastkarakteristiek. In de volgende paragrafen ana-lyseren we de lastkarakteristiek van een auto en een pomp.

1.5.1 Lastkarakteristiek van een rijdende autoEen auto ondervindt tijdens het rijden meerdere wrijvingskrachten. Zo lang deze wrijvingskrachten kleiner zijn dan de kracht die door de motor via de overbrenging aan de wielen wordt geleverd, kan de auto versnellen. Als de auto zijn maximale snelheid bereikt, dan zijn de wrijvingskrachten en de aandrijfkracht op de wielen aan elkaar gelijk. Als deze auto ook nog 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 motorvermogen. Als we uitgaan van een auto die met een constante snelheid een helling oprijdt, zie fi guur 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 aërodynamische wrijving Fwa.

De hier genoemde krachten lichten we hierna toe.

FIGUUR 1.10 Krachten diagram van een auto bij een constante rij snelheid

u

Fwa

Fz a

Fwl2

Fwl2

FN2

FN2

Fwr2

Fwr2

g

ZwaartekrachtDe 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 en hoe groot de normaalkracht FN loodrecht op de helling is. Deze krachten bepalen mede de benodigde trekkracht aan de wielen. Om deze krachten te bepalen, ontbinden we de zwaartekracht in een krachtvector langs de helling:

Fa = Fz ◊ sin a = m ◊ g ◊ sin a (1.1)

en een krachtvector, de normaalkracht FN, loodrecht op de helling:

F N = Fz ◊ cos a = m ◊ g ◊ cos a (1.2)

te1_2012_rev_2.indd 13 08-02-12 12:40


RolwrijvingDe rolwrijving ontstaat doordat de band en de ondergrond tijdens het rijden vervor-men. Naarmate de vervorming toeneemt, wordt de wrijvingscoëffi ciënt fwr groter. De wrijvingscoëffi ciënt 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 wrijvingscoëffi ciënt.

asfalt: fwr = 0,013 keienweg: fwr = 0,020

beton: fwr = 0,015 los zand: fwr > 0,150

Verder is de rolwrijvingscoëffi ciënt fwr van autobanden ook afhankelijk van de snelheid.

De wrijvingskracht volgt uit:

Fwr = fwr(v) ◊ FN = fwr(v) ◊ m ◊ g ◊ cos a (1.3)

In fi guur 1.11 staat de rolwrijvingscoëffi ciënt voor radiaalbanden uitgezet tegen de rijsnelheid.

FIGUUR 1.11 Rolwrijving afhankelijk van het type band en de rijsnelheid

0,010

0,015

0,020

0,025

0 50 100 [km/uur]

snelheid u

rolw

rijvi

ngsc

oëffi

ciën

t

radiaalbanden

LagerwrijvingVoor de lagering van assen en de wiellagering worden wentellagers gebruikt. De wrijvingscoëffi ciënt van deze lagers is zeer laag fwl ~ 0,001. De lagers zijn afge-schermd tegen stof- en vuilinwerking om de slijtage ervan te beperken. Ze hebben dan ook een lange levensduur. De wrijvingskracht volgt uit:

Fwl = fwl ◊ FN = fwl ◊ m ◊ g ◊ cos a (1.4)

te1_2012_rev_2.indd 14 08-02-12 12:40


Luchtweerstand of aërodynamische wrijvingDe auto ondervindt bij het rijden een aërodynamische weerstandskracht Fwa. Deze kracht neemt toe als de rijsnelheid toeneemt. Het lijkt erop 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. Ten eerste doordat de luchtmoleculen in botsing met de auto ko-men en daardoor van richting veranderen. De weerstand ontstaat door de energie-uitwisseling tussen de rijdende auto en de lucht en is evenredig met v2. We noemen dit de vormweerstand. Ten tweede doordat de lucht langs het oppervlak van de auto stroomt, luchtmoleculen kleven als het ware vast aan de carrosserie. Dit is de visceuze wrijvingsweerstand. De grootte van deze weerstand hangt af van de visceuze schuifspanningen tussen de lucht en de buitenkant van de carrosserie en is even-redig met de snelheid v. De totale wrijvingskracht wordt berekend door deze beide effecten in één vergelijking onder te brengen.

De aërodynamische wrijving is

Fwa = 12--- ◊ cw ◊ A ◊ rlucht ◊ v

2 (1.5)

waarin:rlucht = de dichtheid van lucht [kg/m3];A = het frontale oppervlak van de auto [m2];cw = de weerstandscoëffi ciënt [-];v = de rijsnelheid [m/s].

Het frontale oppervlak A van de auto is het maximale doorsnijdings opper vlak 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 stro-mingskracht 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 fi guur 1.12.

Krachten tijdens het rijdenDe auto ondervindt nu de totale weerstandskracht (zie ook fi guur 1.10):

Fw = Fwl + Fwr + Fwa (1.6)

Fw = + cw A lucht v2fwl fwr + v FN12---

(1.7)

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 FN:

Fw = m g cos + cw A lucht v2 + m g sin fwl fwr + v 12---

(1.8)

te1_2012_rev_2.indd 15 08-02-12 12:40


FIGUUR 1.12 Weerstands-coëffi ciënt van verschillende auto’s

Fiat 132 (1972)

Fiat 124/Lada 1200(1966-1994)

~0,45

~0,5

Citroën DS Break(1955-1958)

~0,34

Citroën Xantia (1991) 0,30

frontaal vlak 1,27

Type auto Weerstands-coëfficiënt cw

In de grafi ek van het lastproces volgens vergelijking (1.8), zie fi guur 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 wrijvings-component van de lastkarakteristiek weer. Bij een groter wordende hellingshoek wordt de invloed van deze hellingshoek op de trekkracht steeds groter. De hyper-bolen in de grafi ek zijn lijnen van constant vermogen. De dikke grafi eklijnen stellen de motorkarakteristiek voor bij de verschillende versnellingen. Het snijpunt van de lastkarakteristiek met de motorkarakteristiek in een bepaalde versnelling is het bedrijfs punt van de auto. De rijsnelheid kan niet meer verder toenemen, daar de auto geen extra trekkracht meer kan leveren. Er moet naar een hogere versnelling worden overgeschakeld.

De aandrijfas van een auto voert een roterende beweging uit. In het geval waarin roterende bewegingen met elkaar worden gekoppeld, is het gebruikelijk om de snel-heid v op de horizontale as te vervangen door de hoeksnelheid w of het toerental n.

te1_2012_rev_2.indd 16 08-02-12 12:40


FIGUUR 1.13 Lastkarakteristiek van een auto met vijf versnellingen

0

3

6

9

[kN]

0 30 90 150 210 [km/uur]snelheid u

trekk

rach

tF

1 versn.e

2 versn.e

3 versn.e

4 versn.e

5 versn.e

100% helling80%

64%

48%40%

32%24%

16%8%

0%

130905010

De kracht F op de verticale as vervangen we dan door koppel T. Bij de auto uit het voorgaande voorbeeld met een straal R van de wielen wordt dit dan:

= vR----

(1.9)

T = Fw ◊ R (1.10)

Voorbeeld 1.1

Een personenauto met een massa m = 1200 kg rijdt over een asfaltstraat met een hel-lingshoek a = 5∞. De rijsnelheid v = 108 km/uur, de wrijvingscoëffi ciënt voor de rol-weerstand fwr = 0,016, de wrijvingscoëffi ciënt voor de wiellagers fwl = 0,002. De auto is goed gestroomlijnd met een weerstandscoëffi ciënt cw = 0,32. Het frontale opper-vlak A = 2 m2 en de dichtheid van de lucht rlucht is op dat ogenblik 1,2 kg/m3. Er wordt nu gevraagd de benodigde trekkracht aan de wielen en het benodigde aandrijf-vermogen te berekenen als de auto de helling oprijdt.

Oplossing:We gebruiken als uitgangspunt voor de berekening de vergelijking (1.8) en de verge-lijking voor het vermogen P = Fw ◊ v. De totale trekkracht wordt in dit geval:

Fw = Fa + Fw + Fwa

= m ◊ g ◊ sin a + (fwl + fwr) ◊ m ◊ g ◊ cos a + 12---------- ◊ cw ◊ A ◊ r lucht ◊ v

2

Fa = 1200 ◊ 9,81 ◊ sin 5∞ = 1026 N

Fwl = 1200 ◊ 9,81 ◊ cos 5∞ ◊ 0,002 = 23,5 N

Fwr = 1200 ◊ 9,81 ◊ cos 5∞ ◊ 0,016 = 187,6 N

Fwa = 2---------- ◊ 1,2 ◊ 2 ◊ 0,32 ◊ 108

3,6

2

= 345,6 N

te1_2012_rev_2.indd 17 08-02-12 12:40


Ingevuld:

Fw = 1026 + 187,6 + 23,5 + 345,6 = 1582,7 N

De motor levert op dat moment:

P = 1582,7 ◊ 108

3,6 = 47 481 W

1.5.2 StromingsweerstandenDe weerstand die optreedt bij de stroming van een vloeistof of gas is evenredig met het kwadraat van de stroomsnelheid. Het doet er niet toe of de vloeistof of het gas door een leidingsysteem stroomt of langs een lichaam. Bij leidingsystemen noemen we de stromingsweerstand de drukval, of het drukverlies Dpwr. Het drukverlies bij de omstroming van lichamen uit zich als een druk- of wrijvingskracht die op het lichaam wordt uitgeoefend. De weerstand is afhankelijk van de vorm van het omstroomde lichaam, of van de diameter en de ruwheid van een leiding. Verder zitten er in een leiding ook nog bochten of andere plaatselijke weerstanden. Deze invloed geven we aan met de weerstandscoëffi ciënt z. De totale weerstand van het leidingsysteem, of de weerstand die een omstroomd lichaam ondervindt, drukken we uit in de volgende vergelijking:

Dpwr = 12--- ◊ z ◊ r ◊ v2 (1.11)

Bij snelheden v > 0 is dit de rechtse tak van een parabool. De waarde van z bepaalt uiteindelijk de steilheid van de parabool. De lastkarakteristiek van de stromings-weerstand staat uitgezet in het diagram van fi guur 1.14. Bij leidingsystemen noe men we dit de leidingkarakteristiek. Het is gebruikelijk om bij de weerstandsverliezen in leidingen en kanalen de grootheid druk of drukverlies Dpwr uit te zetten tegen de volumestroom FV in m3/s of m3/uur.

FIGUUR 1.14 Weerstands-karakteristiek van een leidingsysteem

B

FV

D wrp

pomp-karakteristiek

leiding-karakteristiek

B = bedrijfspunt

te1_2012_rev_2.indd 18 08-02-12 12:40

1.6 ENERGIEKETENS EN ENERGIEFUNCTIES 19

Om de stroming in een leidingsysteem in stand te houden, gebruiken we vaak een pomp, een compressor of een ventilator. Bij een omstroomd lichaam kunnen we denken aan een rijdend voertuig, bijvoorbeeld de rijdende auto van de vorige pa-ragraaf. Andere voorbeelden zijn gebouwen, reclameborden en ander voorwerpen, die blootgesteld staan aan de wind en dus een windkracht ondervinden. Laten we aannemen dat de weerstandskarakteristiek van fi guur 1.14 de leiding karakteristiek van de waterstroming in een cv-systeem is. Als we dan de pompkarakteristiek (energiebronkarakteristiek) in dezelfde fi guur tekenen, dan snijden deze karakteris-tiek en de lastkarakteristiek elkaar in het bedrijfspunt B. Dit is het punt waarbij er sprake is van een stabiele bedrijfstoestand. We kunnen nu het drukverlies Dpwr in het systeem en de volumestroom FV uit de grafi ek afl ezen.

1.6 Energieketens en energiefuncties

In voorgaande paragrafen hebben we inzicht gekregen in enkele wezenlijke functies van energieketens. Grofweg zijn dit de energiedragers, het transport en de distribu-tie van energiedragers en het eindgebruik waarin de energiedragers uiteindelijk hun eindbestemmingen krijgen. In paragraaf 1.6.1 gaan we nader in op de energieketen en in paragraaf 1.6.2 op het begrip energiefuncties.

1.6.1 EnergieketensTussen de primaire energiebron en de eindgebruiker liggen meestal meerdere scha-kels, waarin de energiedrager een bewerking ondergaat. Deze schakels vormen de energieketen. In deze keten onderscheiden we grofweg de winning, de opwerking, het transport, de opslag, de transformatie en het eindgebruik van de energiedrager. Het schema van fi guur 1.15 stelt de keten voor van de winning van aardgas tot het huishoudelijk eindverbruik van elektriciteit.

M

aardgas

com-pressor

transport elektriciteits-centrale

hoogspannings-distributie

trafo midden-/laag-spanning

ver-lichtingp1

FIGUUR 1.15 Energieketen van primaire energie drager aardgas tot aan het huishou delijk elektrisch eindverbruik

te1_2012_rev_2.indd 19 08-02-12 12:40


In tabel 1.2 staan enkele voorbeelden van energieketens vanaf de winning van de energiedrager tot aan het elektrische eindverbruik. Hieruit blijkt dat energieketens uit een verschillend aantal schakels bestaan en ook verschillend van lengte zijn.

TABEL 1.2 Vergelijking van energieketens van solaire, duurzame energiedragers en fossiele energiedragers

Primaire energie-drager

Winning Opwerking Transport Transfor-matie

Transport hoog-spanning

Transport midden-spanning

Transport laag-spanning

zonlicht – – – zonnecel-fotovol-taïsch

– – ✔

wind – – – wind-turbine

– ✔ ✔

bio-massa

verbouw, oogst

biobrand-stofberei-ding

✔ elektri-citeits-centrale

✔ ✔ ✔

aardgas winning-uit aard-gasveld

compressie ✔ elektri-citeits-centrale

✔ ✔ ✔

aardolie winning-uitolie-veld

zeetrans-porten raf-fi nage


✔ ✔ ✔

atoom-energie

uranium-winning

transport en raffi -nage, trans-port en brandstof-bereiding


✔ ✔ ✔

In de tabel is een vergelijking gemaakt tussen energiedragers die direct zijn te her-leiden tot de invloed van de zonne-energie, ook wel duurzame energiedragers ge-noemd en de fossiele energiedragers, dit is te zien in het overzicht van fi guur 1.2. Het is goed mogelijk dat er in enkele gevallen nog extra transportstappen optreden. Ook zal er bij grootschalige opwekking van windenergie in offshore windcentrales een extra transformatie naar het hoogspanningsniveau van het transportnet moeten plaatsvinden. Een ander aspect, dat uit deze tabel niet direct kan worden opgemaakt, is het feit dat enkele energieketens ook afvalstoffen produceren, die in het milieu terecht komen. Dit geldt voor het ontstaan van as uit verbrandingsprocessen en het nucleaire afval in de verschillende schakels van het proces van winning, opwerking en verbruik in de elektriciteitscentrale.

te1_2012_rev_2.indd 20 08-02-12 12:40


In elke schakel treden verliezen op aan bruikbare energie, ook wel exergie genoemd. Om aardgas te winnen moeten stromingsverliezen worden overwonnen, in de ketel treden grote exergieverliezen op en bij de omzetting van stoom in elektriciteit ook nog eens. In paragraaf 1.4.2 is ook nog aandacht besteed aan de distributieverlie-zen, deze moeten dus ook mee worden gerekend als verliezen in de keten.Bij de nadere analyse van de verschillende ketens krijgen we inzicht in het totale conversierendement, dat wil zeggen dat dit rendement de verhouding weergeeft tussen nuttige eindenergie en totale energie-inzet.

1.6.2 EnergiefunctiesIn de vorige paragraaf hebben we gezien dat aan het einde van de energieketen de elektrische energie gebruikt wordt voor bijvoorbeeld een huishoudelijke of industri-ele toepassing. Een aantal algemene voorbeelden van toepassingen zijn aandrijving en voeding van (huishoudelijke) apparaten, verlichting, verwarming, koken, drogen enzovoort. Het eindgebruik voor een bepaalde toepassing beschouwen we als een energiefunctie.In tabel 1.2 hebben we gezien, dat de energiefunctie ‘verlichting’ door verschillende ketens vanuit verschillende energiebronnen kan worden gerealiseerd. Er zijn ketens met veel schakels en ketens met weinig schakels. De lengte van de keten wordt niet bepaald door het aantal schakels, maar het aantal schakels en de lengte daarvan zijn wel bepalend voor het ketenrendement.Om te laten zien, dat energiefuncties op verschillende manieren gerealiseerd kunnen worden, gebruiken we als voorbeeld een woonhuis, waarin meerdere energiefunc-ties vervuld moeten worden.

Voorbeeld 1.2 Een vrijstaande nieuwbouwwoning, die gebouwd is volgens de bouwvoorschriften van het jaar 2000, voldoet aan de energieprestatie normering (EPN) volgens NEN 5128. (Vanaf 2012 geldt de berekeningsmethode volgens NEN 7120. Bij het verschij-nen van dit boek geldt nog de bestaande berekening volgens NEN 5128.) Deze wo-ning heeft een energieprestatie coëffi ciënt, EPC = 1. De bouwkundige en installatie-technische specifi caties van deze woning zijn:• geveloriëntatie noord–zuid, oriëntatie van woonkamer en slaapkamers op het

zuiden;• warmteweerstand vloeren gevelisolatie Rc= 3 m2◊ K/W;• warmteweerstand dak Rc= 3 m2◊ K/W;• warmteweerstand beglazing Rc= 0,6 m2◊ K/W;• tochtdichtheid en een goede natuurlijke lichtinval;• laagtemperatuur, centraal verwarmingssysteem(vloerverwarming);• HR-combiketel (HR-107);• zonneboiler (2,8 m2);• mechanische afzuiging; ventilator met gelijkstroommotor;• het gebruiksoppervlak bedraagt 194,4 m2 en het verliesoppervlak (muren, ramen,

deuren, dak en vloer) bedraagt 315,4 m2.

te1_2012_rev_2.indd 21 08-02-12 12:40


De belangrijkste energiefuncties zijn in tabel 1.3 opgenomen met daarbij de hoeveel-heid primair energiegebruik vermeld, uitgedrukt in megajoule per jaar ( 1 MJ = 106 joule). Het jaarverbruik van deze woning met een EPC = 1 bedraagt 85 564 MJ/jaar, te-ruggerekend naar primaire energiedragers. De berekening is uitgevoerd met een reken-programma van de Agentschap NL (voorheen SenterNovem).

TABEL 1.3

Energiefunctie Verbruik in[MJ/jaar]

Omvormer Energiedrager

verwarming

warm tapwater

verlichting

ventilatie (afzuiging)

hulpenergie

43 429

22 305

10 966

4 306

4 558

hr-combiketel

hr-combiketel

lampen

elektromotor

diverse apparaten

aardgas

aardgas

elektriciteit

elektriciteit

elektriciteit

totaal 85 564fossiele brandstof

Voorbeeld 1.3 We gaan nu uit van dezelfde woning. De energiefuncties blijven ook gelijk, want we willen geen verlies van comfort hebben. De energiefuncties centraal verwarmen en warm water worden nu met een elektrisch aangedreven compressie warmtepomp gerealiseerd, waarbij het warm water voor keukengebruik, douchen of bad in een voorraadvat (boiler) elektrisch wordt naverwarmd. Voor de werking van de warmte-pomp verwijzen we naar hoofdstuk 8 van dit boek. De warmtepomp benut de pri-maire energie veel beter dan een HR-combiketel. Het huis wordt ook nog beter geïso-leerd:• vloer en gevel Rc= 4 m2◊ K/W; • dak Rc= 4,5 m2◊ K/W; • beglazing Rc= 1,1 m2◊ K/W;• warmteweerstand buitendeuren Rc= 0,5 m2◊ K/W.

Ook wordt er nu warmte uit de ventilatielucht teruggewonnen. Met goede appara-tuur kan deze voor 90% weer worden toegevoerd aan de toegevoerde verse buiten-lucht. Deze verse buitenlucht wordt door een wtw-unit (wtw = warmteterugwinning) geleid en behoeft dan nauwelijks naverwarmd te worden. Er is wel een extra ventila-tor nodig. De toegepaste ventilatoren zijn uitgerust met energiezuinige elektrische gelijkstroommotoren. De uitkomsten voor het primaire energiegebruik van voor-

te1_2012_rev_2.indd 22 08-02-12 12:40


gaande tabel worden in deze situatie lager, zie tabel 1.4. Verder worden er op het dak nog 10 m2 zonnecellen geïnstalleerd, om een deel van de elektrische energie zelf op te wekken.

TABEL 1.4

Energiefunctie Verbruik in[MJ/jaar]

Omvormer Energiedrager

verwarming + ventilatie

warm tapwater

ventilatie(alleen aandrijving)

verlichtinghulpenergiepv-systeem

9 690

25 492

7 537

10 966 1 974− 8 265

warmtepompwtw-unit

warmtepomp + el-verwarming

elektromotoren

lampendiversenzonnecellen

elektriciteitelektriciteit

elektriciteit

elektriciteit

elektriciteitelektriciteitelektriciteit

totaal 47 393fossiele brandstof

Door de energiefuncties op een andere manier te realiseren wordt de EPC = 0,56. Wel moet er € 24.000,– meer worden geïnvesteerd in isolatie en installatie van de woning.

Voorbeeld 1.4De woonhuisinstallaties in de 21-ste eeuwOmdat de milieueisen strenger worden (reductie CO2- en NOx-uitstoot) zal de toe-passing van nu nog alternatieve installaties gemeengoed gaan worden. Een verdere individualisering van de maatschappij kan leiden tot de vraag naar installaties waar-mee men zelf energie kan opwekken. Tevens zal de vraag naar comfort toenemen waardoor ondermeer behoefte kan ontstaan aan koeling in woningen. In fi guur 1.16 is een installatie weergegeven die aan die eisen kan voldoen. Met deze installatie is het mogelijk om energie op te wekken; naast elektriciteit ook warmte en koude. De koeling zorgt voor een comfortabel thermisch binnenklimaat tijdens warme zomer-dagen

Uitgangspunt bij het ontwerpen van deze installatie is een geringe milieubelasting bij verwezenlijking van het gewenste binnenklimaat. De energiebehoeften liggen vast. Door het gebruik van duurzame energiebronnen en zo hoog mogelijke rendementen van de installaties is de milieubelasting te minimaliseren.

te1_2012_rev_2.indd 23 08-02-12 12:40


FIGUUR 1.16 Een mogelijke woning installatie in de 21ste eeuw

zonnecellenzonnecollector

mini-WKK

warmtepomp/koelmachine

pompen

voorraadvataccu

ondergrondsewarmte-/koudeopslag

vloerverwarming/koeling

ElektriciteitDe opwekking van elektriciteit vindt zoveel mogelijk met zonnecellen plaats. Als er meer aanbod is van dan vraag naar elektriciteit wordt het overschot opgeslagen in accu’s. Wanneer de accu’s vol zijn is het zelfs mogelijk om elektriciteit aan het elektri-citeitsnet te leveren. Als de accu’s leeg zijn en de zonnecellen geen elektriciteit kunnen leveren, kan een miniwarmtekrachtcentrale worden ingezet, zie hoofdstuk 9. In deze centrale wordt door verbranding van een brandstof elektriciteit opgewekt. In hoofd-stuk 2 wordt de verbranding behandeld. De brandstof kan waterstof zijn die door elektrolyse van water verkregen kan worden. De elektriciteit die nodig is voor de elektrolyse wordt opgewekt door de zonnecellen. De brandstof wordt verbrand in een verbrandingsmotor (hoofdstuk 4) of in een gasturbine (hoofdstuk 5).

WarmteDe miniwarmtekrachtcentrale levert behalve elektriciteit ook warmte. Daarnaast wordt warmte opgewekt met behulp van zonnecollectoren. Als het warmteaanbod hoger is dan de vraag naar warmte, wordt er warmte opgeslagen in de bodem. Warm water afkomstig van de miniwarmtekrachtcentrale en/of zonnecollectoren wordt via

te1_2012_rev_2.indd 24 08-02-12 12:40


een pomp (hoofdstuk 7) naar een warmtewisselaar gevoerd, die in de tuin van de woning geplaatst is. Een elektrisch aangedreven warmtepomp (hoofdstuk 8, §8.4.2) kan vervolgens deze warmte weer aan de grond onttrekken.Het verwarmen van de woning vindt plaats door middel van vloeren wandverwar-ming.

KoudeDe warmtepomp kan in de zomer functioneren als koelmachine (hoofdstuk 8). De vloeren en wanden worden dan gekoeld. De onttrokken warmte wordt vervolgens naar de warmteopslag in de grond gevoerd. Het transport van koude en warmte vindt plaats met behulp van de energiedrager water. Het water wordt door een lei-dingstelsel door middel van transportpompen naar de verschillende apparaten ge-voerd. Zie bijvoorbeeld hoofdstuk 8 (§8.5) voor het transport van gekoeld water van de koelmachine naar de ruimten van de woning. Naast het benutten van zonne-warmte kan in de zomer warmte onttrokken worden uit de ventilatielucht die daar-door gekoeld wordt. In de winter is gekoeld water te verkrijgen met de ventilatie-lucht. De warmte en koude kunnen weer opgeslagen worden. Het transport van de ventilatielucht gebeurt met ventilatoren (hoofdstuk 7, §7.9).

De bovenstaande installatie kan in haar eigen energiebehoefte voorzien door gebruik te maken van elektriciteit-, warmte- en koudeopslag. Maar ook de omzettingen in verschillende energiedragers speelt een belangrijke rol. Zo is het mogelijk om elektri-citeit, warmte en koude in elkaar om te zetten. In de installatie wordt zonnewarmte (de warmtebron) gebruikt om met behulp van zonnecellen en zonnecollectoren elek-triciteit en warmte te produceren, die voor een deel weer zijn om te zetten in koude.

Voorbeeld 1.5 Het duurzame bedrijventerrein aan de rand van de stadDe laatste jaren wordt veel aandacht besteed aan duurzaam bouwen. Veel bestaande bedrijfsterreinen worden gerenoveerd om ze aantrekkelijk te houden of te maken voor ondernemers. Vaak zijn deze terreinen gesitueerd in de stad waardoor er proble-men zijn met betrekking tot de toevoer van grondstoffen en de afvoer van afval. De overheid ziet in dat een duurzaam terrein ontwikkeld kan worden als de energievoor-ziening en energiebehoeften op elkaar worden afgestemd.

Een optie is een zodanige verwerking van afval dat er energie mee wordt opgewekt. Afval, bijvoorbeeld gft-afval, wordt in een stoominstallatie (hoofdstuk 5) verbrand, waarbij zowel elektriciteit als warmte wordt geproduceerd (hoofdstuk 10). De warmte kan benut worden voor warmtevragende bedrijfsprocessen, maar kan ook met behulp van een absorptiekoelmachine (hoofdstuk 8) gebruikt worden voor koe-ling. De verbranding vindt plaats in een stoomketel (hoofdstuk 3). Afhankelijk van de samenstelling van de brandstof is er meer of minder verbrandingslucht nodig (hoofdstuk 2). In fi guur 1.17 schema is een mogelijke opzet getekend.

Een verdere reductie van het primaire energiegebruik wordt bereikt, indien elektrici-teit en warmte in de woning zelf worden opgewekt, bijvoorbeeld met een mini warm-tekrachteenheid op basis van een brandstofcel. In hoofdstuk 9 wordt de werking van het warmtekrachtprincipe uiteengezet. Als deze warmtekrachteenheid ook nog de

te1_2012_rev_2.indd 25 08-02-12 12:40


FIGUUR 1.17 Het duurzame bedrijventerrein

gebouw metstoominstallatie

gebouw metkoudeabsorptie-koelmachine

koeltoren

bedrijfsgebouwkantoorgebouw

elektriciteit

warmtepomp van stroom voorziet, behoeft de woning alleen nog maar op het aard-gasnet te worden aangesloten. Uit voorgaande voorbeelden blijkt dat energiefuncties op verschillende manieren kunnen worden gerealiseerd en dat afhankelijk van de keuze tussen de opzet volgens voorbeeld 1.2, respectievelijk voorbeeld 1.3 dit tot een besparing op het primaire energiegebruik leidt.

1.7 Conversie van energiedragers

Paragraaf 1.1 gaat over de gangbare energiedragers en conversietechnieken waar-mee deze energiedragers om te zetten zijn in arbeid en warmte. Het gaat om de transformatie naar bruikbare vormen van energie. Andere conversietechnieken van energiedragers naar grondstoffen of halffabricaten voor de productie van kunst-stoffen, industriële gassen of kunstmest, blijven in de context van dit boek buiten beschouwing. De energiedragers in fi guur 1.2 worden onderverdeeld in fossiele energiebronnen, nucleaire energiebronnen en duurzame energiebronnen. Ze zijn namelijk totaal verschillend.Het eerste verschil heeft te maken met de oorsprong van de bron.● Fossiele energiedragers zijn de koolstof- of koolwaterstofhoudende brandstof-

fen, zoals: kolen, aardolie en aardgas. Het zijn delfstoffen die in mijnen door afgra ving of vanuit olie- en gasbronnen worden gewonnen.

te1_2012_rev_2.indd 26 08-02-12 12:40

1.7 CONVERSIE VAN ENERGIEDRAGERS 27

● Nucleaire energiedrager is uraan dat in de aardkorst voorkomt en als erts wordt afgegraven. Uraan-235, dat splijtbaar is, en uraan-238, dat niet splijtbaar is ko-men in hetzelfde erts voor.

De fossiele brandstofvoorraden zijn in aardperioden van enkele honderd miljoenen jaren gevormd en worden in een relatief korte periode van enkele eeuwen verbruikt. Het verbruik steeg sterk in de laatste decennia en zal in de toekomstige decennia nog sterker stijgen door een groeiende wereldbevolking en stijgende welvaart.

● Duurzame energiebronnen zijn: zonne-energie, windenergie, waterkracht, bio-massa en geothermische energie.

Deze energiebronnen zijn in principe permanent beschikbaar, of hernieuwbaar zo-als biomassa, en raken niet op. Vooralsnog worden deze bronnen op beperkte schaal gebruikt en is er nog veel ontwikkeling nodig om de energieconversie tegen een lagere kostprijs te laten plaatsvinden. Ook zoekt men naar effi ciënte methoden om de opgewekte elektriciteit of warmte voor langere perioden op te slaan.

Een tweede verschil heeft te maken met de milieubelastende afvalstoffen die een gevolg zijn van de conversie van de energiedrager. Bij de verbranding van koolstof-houdende en koolwaterstofhoudende brandstoffen ontstaat koolstofdioxide, een belangrijk broeikasgas. De hoeveelheid die hierbij ontstaat hangt af van de brand-stofsamenstelling. De koolstofdioxide, die is ontstaan door verbranding van fossiele brandstoffen, kan niet meer worden teruggevormd tot nieuwe fossiele brandstof. Hierdoor stijgt het gehalte van koolstofdioxide in de atmosfeer geleidelijk.Bij de verbranding van biomassa ontstaat ook koolstofdioxide, maar door het nieuw aanplanten van bomen of het verbouwen van energierijke landbouwgewas-sen kan deze vrijkomende emissie in relatief korte tijd, namelijk enkele jaren tot enkele decennia, weer als koolwaterstofverbinding gebonden worden in de vorm van biomassa. Er is sprake van een korte CO2-kringloop, omdat de koolstof in de biomassa gedurende enkele jaren via fotosynthese gevormd is. Daar de vorming van fossiele brandstoffen lang geleden plaatsvond, is er in dit geval geen sprake van een korte CO2-kringloop.

Energieconversie door kernsplijting in een kernreactor veroorzaakt geen koolstof-dioxide. Maar de opslag van de afvalstoffen, zoals het laag-, middel- en hoogactief radioactief afval, uit de brandstofcyclus is problematisch en tot nu toe niet voor de lange termijn op een bevredigende manier opgelost. Sommige nucleaire afvalstof-fen moeten voor honderden tot honderdduizenden jaren veilig worden opgeslagen.Als de gehele brandstofcyclus van dit conversieproces vanaf winning tot aan de eindopslag van het afvalmateriaal in beschouwing wordt genomen, draagt ook kernsplijting bij tot de wereldwijde emissie van koolstofdioxide.

Tijdens de conversie van zonne-energie in warmte of elektriciteit ontstaat geen koolstofdioxide. Dit geldt in dezelfde mate voor de windenergie, waterkracht en geothermische energie. Ook veroorzaken deze energiebronnen geen andere afval-stoffen tijdens het conversieproces. Ze zijn dus schoon.

te1_2012_rev_2.indd 27 08-02-12 12:40


Een derde verschil heeft te maken met de energiedichtheid per vierkante meter ruimtebeslag als gevolg van de soort energiebron en de conversietechniek. De ruimte die een conventionele elektriciteitscentrale voor fossiele brandstoffen in beslag neemt om een bepaalde hoeveelheid elektriciteit op te wekken is aanzien-lijk minder dan een windturbinepark of een veld met zonnepanelen. Men moet zich hierbij echter wel realiseren, dat als het ruimtebeslag voor de winning, ver-werking, de opslag en het transport van fossiele of nucleaire brandstoffen in de beschouwing wordt meegenomen, deze ruimte meegerekend moet worden. Dat dit onder omstandig heden veel kan zijn, is te zien bij de winning in dagbouw van bruinkolen in Duitsland.De volgende paragrafen gaan kort in op de conversie van primaire energiedragers uit fossiele en duurzame bronnen naar warmte en elektriciteit.

1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffenFossiele brandstoffen zijn ooit gevormd onder invloed van zonlicht. De energie is in chemisch gebonden toestand in de brandstof aanwezig en komt tijdens de verbran-ding bij hoge temperatuur vrij. Afhankelijk van het verbrandingsproces tussen de 800 en 1400 ∞C. De eindproducten zijn altijd koolstofdioxide, waterdamp, kleine hoeveelheden koolstofmono-oxide, stikstofoxiden en bij vaste brandstoffen ook nog stof, as en roet. Het verbrandingsproces vindt plaats in de verbrandingskamer van een ketel, een verbrandingsmotor of een gasturbine. In deze kamer ontvlamt het brandstof-luchtmengsel en verbrandt dan vrijwel volledig. De kamer is zo ge-construeerd dat de verbranding optimaal verloopt. Er heerst de juiste verbrandings-temperatuur, de verblijfsduur van het brandstof-luchtmengsel is voldoende groot, de toevoer van de brandstof en de verbrandingslucht en de uitstroming van de verbrandingsgassen verlopen ongestoord. Vaak is het ook nodig om de wand van de verbrandingskamer te koelen, om de temperatuur van de verbranding op een constant niveau te handhaven. De warmte van hoge temperatuur wordt vervolgens omgezet in arbeid en rest-warmte als het gaat om de opwekking van elektriciteit, of uitsluitend in warmte als dit de gewenste eindvorm van de energie moet zijn na de conversie. Het blokschema van fi guur 1.18 geeft de conversie van fossiele brandstof naar elektriciteit. Het blokschema van fi guur 1.19 is voor de situatie als alleen warmte de eindenergie is.

FIGUUR 1.18 Omzetting van brandstof in elektriciteit

brandstofelektriciteitscentrale

elektriciteit

FIGUUR 1.19 Omzetting van brandstof in warmte

brandstofwarmtecentrale

warmte

te1_2012_rev_2.indd 28 08-02-12 12:40


In fi guur 1.20 staat het schema van de elektriciteitsopwekking in een conventionele centrale verder uitgewerkt naar de belangrijkste stappen in het proces. In de cen-trale verloopt de omzetting van de verbrandingswarmte, via de productie van stoom als kringloopmedium van een Rankineproces (zie hoofdstuk 6), naar elektriciteit.

stoomketel transformatorwarmteafvoer hoogspanningsnet

1

8

910

11

12

3

2

4 4 5

6

7

1. Brandstoftoevoer 2. Stoom/waterdrum 3. Verdamper 4. Oververhitters

5. Herverhitter 6. Economizer 7. Luchtvoorverhitter 8. Ventilator

9. Hoge- en lagedrukturbine10. Generator11. Ontgasser12. Koelwater

FIGUUR 1.20 Productie van elektriciteit met aardgas in een conventionele elektriciteitscentrale

Tabel 1.5 geeft een overzicht van veeltoegepaste processen voor de opwekking van elektriciteit met fossiele brandstoffen en de maximale conversierendementen.

TABEL 1.5 In Nederland gebruikelijke elektriciteitscentrales

Type centrale Brandstof Maximale centrale rendement

kolencentrale steenkool ~ 45%

oliecentrale stookolie ~ 45%

aardgascentrale aardgas ~ 45%

gasturbinecentrale (aard)gas ~ 38%

gecombineerde gasturbine en stoomturbinecentrale (STEG)

(aard)gas ~ 60%

te1_2012_rev_2.indd 29 08-02-12 12:40


1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie Bij de splijting van uraan (U-235) of plutonium (P-239) atoomkernen en bij de fusie van de waterstofi sotopen deuterium en tritium komen grote hoeveelheden energie vrij. Bij de processen ontstaat veel warmte met een hoge temperatuur en bij een gecontroleerd verlopend proces in een kernreactor wordt deze warmte benut voor de productie van elektriciteit. Bij de kernsplijting wordt de te splijten atoomkern U-235 beschoten met een neu-tron, waardoor deze kern in twee nieuwe kernen uiteenvalt en er tevens twee of drie neutronen en een grote hoeveelheid energie vrijkomen. Doordat de vrijkomende neutronen weer andere atoomkernen splijten ontstaat er een kettingreactie. Bij een gecontroleerd verlopende kettingreactie in een kernreactor wordt de vrijkomende energie overgedragen aan water, een gas of een andere stof, de zogenoemde mode-rator . De moderator remt ook de neutronen af, zodat ze weer deel kunnen nemen aan het splijtingsproces. De kernreactie verloopt gecontroleerd als er een constante hoeveelheid atomen per tijdseenheid splijt, hierbij wordt de kern van de reactor op een constante temperatuur gehouden.

Kernsplijting gebeurt hoofdzakelijk met verrijkt uraan en op kleinere schaal met plutonium. Dit splijtbaar materiaal wordt als brandstofstaven of -kogels, ter grootte van een tennisbal, in het reactorvat geplaatst waarna het kernsplijtingsproces in gang wordt gezet. Het koelmedium voert de vrijgekomen warmte uit het reactorvat af en deze warmte wordt uiteindelijk in een turbine in asarbeid omgezet.

De meest toegepaste centrales zijn de watergekoelde kokendwater-reactor (Boi-ling Water Reactor ) en de drukwater-reactor (Pressurized Water Reactor ). Water is hierbij de moderator en zorgt voor de overdracht van de thermische energie. Zie de schema’s van fi guur 1.21. Deze reactortypen zijn relatief veilig in de bedrijfsvoering. Bij dreigende oververhitting van de brandstofstaven stijgt de warmteproductie en wordt er meer warmte afgevoerd. Deze verhoogde warmteafvoer zorgt ervoor dat de reactorkern voldoende wordt gekoeld.

In de BWR koelt water de reactorstaven in het reactorvat en gaat daarbij koken, dit in tegenstelling met de PWR, waar het water weliswaar wordt verhit maar niet in het reactorvat gaat koken.

De stoomcyclus is gebaseerd op een Rankine-cyclus en de centrale-effi ciency ligt voor beide typen op grond van de relatief lage kringlooptemperatuur omstreeks 30%.

In Rusland zijn nog reactoren in gebruik waarvan de brandstofstaven in een gra-fi etblok zijn opgenomen, dat dienst doet als moderator. Deze grafi etkern wordt wederom door water gekoeld, hetgeen bij het weglekken van het water kan leiden tot het droogvallen van de reactorkern. De reactie en dus warmteontwikkeling blijft doorgaan en heeft tot gevolg dat de kern kan smelten. Een dergelijke situatie deed zich voor in Tschernobyl in de Oekraïne in 1986. Dit type centrale is niet veilig.Andere typen reactoren zijn de HTR (Hoge Temperatuur Reactor), die gekoeld wordt met helium en de snelle kweekreactor. Deze laatste wordt met vloeibaar natrium gekoeld en produceert zelf meer kernbrandstof (Pu-239) dan hij verbruikt. Beide type centrales zijn in het verleden in bedrijf gesteld, maar nadat bleek dat hun werking niet aan de gestelde verwachtingen voldeed, zijn ze bijna allemaal weer buitenbedrijf gesteld.

te1_2012_rev_2.indd 30 08-02-12 12:40


1 Reactorvat met reactor2 Veiligheidsmantel3 Sproeisysteem reactorvat4 Sproeisysteem reactor5 Hoofdstoomleiding6 Hoofdkoelleiding

/voedingswater7 Regelstaven

1 Reactorvat2 Stoomgenerator3 Pomp reactorcircuit4 Reactorhuis5 Veiligheidsmantel6 Betonnen veiligheids-

omhulsel7 Voedingswaterpompen

FIGUUR 1.21a. Boiling Water Reactorb. Pressurized Water Reactor

(a)

1

23

4 5

6

7

(b)

5

6 4 1

2

3

7

te1_2012_rev_2.indd 31 08-02-12 12:40


De gebruikte brandstoffen zijn radioactieve materialen, waarvan de uitgezonden straling vanaf een bepaalde dosis schadelijk is voor de mens en elke andere vorm van organisch leven. De gehele nucleaire brandstofcyclus van de bereiding van brandstof tot en met de verwijdering en opslag van radioactief afval is omgeven met strenge veiligheidsmaatregelen.

Voor de opwekking van elektriciteit volgens het splijtingsproces zijn er dus verschil-lende reactortypen. Het spreekt voor zich, dat de veiligheid van het verloop van de gecontroleerde nucleaire reactie bij het splijtingsproces centraal staat. Daar de veilig-heidsvoorzieningen van kerncentrales in vergelijking met fossiele brandstofcentrales aanzienlijk omvangrijker zijn, zijn de bouwkosten van deze centrales twee tot drie keer zo hoog. Om de veiligheid te verhogen en tevens te vereenvoudigen werkt men al geruime tijd aan de ontwikkeling van inherent veilige centrales. Dat wil zeggen dat het proces van de kernsplijting bij een storing en dreigende onveilige situatie vanzelf stopt en daarmee een mogelijke beschadiging van de reactor en andere belangrijke componenten wordt voorkomen. Hiervan is echter nog geen prototype gebouwd.

De levensduur van een kerncentrale ligt tussen de 25 en 30 jaar, alhoewel er inmid-dels ook al centrales zijn die langer in bedrijf zijn. De oude centrales zijn radioactief vervuild en moeten, na vele jaren omgeven door uitgebreide veiligheidsmaatregelen, worden afgebroken en het afval slaat men zorgvuldig voor vele honderden tot zeker honderdduizend jaren op.

Kernfusie verloopt momenteel alleen kortstondig gecontroleerd in een kleine fusie-reactor. De verwachting is dat het nog enige decennia zal duren, omstreeks 2040-2050, voordat deze techniek op grote schaal toegepast kan worden in de energie-voorziening. Deuterium en tritium zijn van nature aanwezig in water, hetgeen be-tekent dat de brandstofvoorraad onbeperkt groot is. Op grond van het fusieproces is de technologie niet vrij van radioactieve vervuiling. Het overschot aan neutronen dat bij de fusie vrijkomt maakt de materialen van de reactor radioactief, waardoor ook dit type centrale na verloop van tijd radioactief vervuild geraakt.

1.7.3 Thermische benutting van zonne-energie De buitenzijde van de aardatmosfeer ontvangt gemiddeld 1370 watt aan zonstraling per m2. Dit komt neer op een jaarlijkse energiehoeveelheid van 5,6 ⋅ 1034 J/jaar. Hiervan refl ecteert 29% in de atmosfeer, 26% wordt geabsorbeerd en 45% bereikt het aardoppervlak, zie hiervoor het diagram van fi guur 1.22.

De energie-intensiteit op een vlak van 1 m2, waar de zonstraling loodrecht op valt, bedraagt bij helder weer op zeeniveau 1000 W/m2. Op het vaste land is dit door de atmosferische vervuiling wat minder. Jaarlijks komt er in Nederland op een hori-zontaal vlak van 1 m2 gemiddeld 3,6 ⋅ 109 J zonne-energie binnen, dit komt overeen met 1000 kWuur/(m2.jaar). Nederland heeft een oppervlak van 41500 km2, zodat er gemiddeld per jaar 149,4 ◊ 1018 J zonne-energie ingestraald wordt. Een deel daar-van kan worden benut voor energetische toepassingen. Het binnenlandsverbruik voor energetische toepassingen in het jaar 2002 bedroeg 3,14 ◊ 1018 J, dus ook in Nederland is er voldoende aanbod van zonne-energie om het binnenlandsverbruik te dekken.

te1_2012_rev_2.indd 32 08-02-12 12:40

Trefwoordenregister

Aaandrijving (van auto) 9aardgasbranders 87aardgas (LNG) 159aardwarmte 47aero derivatives 219, 225afgassenketel 279, 480appendages 338approach-temperatuur (A.P.) 481arbeid

as- 509effectieve 261technische 509, 518

arbeidscyclus 152, 164arbeidsmedium 518Archimedes Water Schommel (AWS) 6-7arm-mengsel-motor 180atmosferische brander 66autoclaaf 257autogas (LPG) 159

Bbedrijfspunt 158, 334

labiel 365stabiel 365van een pomp 364

bedrijfstoestand 158benuttingsgraad van de ketel 134benzine 159

inspuiting van 150benzine-injectiemotor 66Bernoulli

wet van 180, 326, 510, 529-530bestrijking

gedeeltelijke 302biobrandstof 159biomassa 45, 55Boiling Water Reactor (BPM) 30bougie 150bovenste dode punt (BDP) 148, 167bovenste verbrandingswaarde 126boxermotor 191Boyle/Gay-Lussac

Wet van 512brander

atmosferische 88keramische 88, 118metaalgaas- 118modulerende 136overdruk- 114ventilator- 114voorgemengde 88

branderkeel 101branderuitvoering 81brandstof 4, 159

klopvaste 160brandstofbesparing

relatieve 490brandstofbesparingscoëffi ciënt 490brandstofcel 56brandstofi nspuiting 180brandstofkeuze 194brandstofpomp dieselmotor 344brandstofverbruik

specifi ek 154broeikaseffect 56butaan 58bypassregeling 396

Ccarburateur 179Carnot-kringloop 267Carnot-proces 436, 515, 520Carnot-rendement 56, 439-441, 521cavitatie 330centrale warmtevoorziening 11centrifugaalpomp 351-352

voordelen 356centrifugaalschroefpomp 352centrifugaalwerking 98cetaangetal 160ceteengetal 160CFK’s 422cilinder 147cilinderboring 152cilinderinhoud 151

te1_2012_rev_2.indd 545 08-02-12 12:42

546 TREFWOORDENREGISTER

cilinderkoeling 155cilindervulling 153coëxistentiegebied 273cokes 101Common Rail 182common-rail-inspuittechnologie 182compressie 164, 173, 185

isentropische 268meertraps- 227, 385polytrope 376

compressie-ontsteking 150compressieslag 150, 165compressieverhouding 185, 200

effectieve 186geometrische 174

compressiewarmtepomp,elektrisch aangedreven (EWP) 500

compressor 177, 325-326, 376axiale 223, 227, 392centrifugaal- 385, 389drukverhouding bij 232koel- 380mechanisch aangedreven 177radiale 227, 389roterende verdringer- 380schotten- 381schroef- 385scroll- 381, 385thermische 415, 431verdringer- 326, 380vermogen van een 378waaier- 326zuiger- 380

compressoras 223compressorrendement 233comprex-drukvulling 178condensatietemperatuur

van de rookgassen 126condensatiewarmte 72condensor 306convectieketel 279, 480convectieverliezen

inwendige 131uitwendige stralings- 131

COP (coeffi cient of performance) 421cv-systeem 11

Ddauwpunt 72dauwpuntstemperatuur 72, 126detonatie 160, 186, 196, 199

diabolo-uitvoering 297dieselklop 201dieselmotor 66, 150, 162, 181, 221

snellopende 147tweeslag- 169vierslag- 165

dieselolie 159directe inspuiting 163distributienet

laagspannings- 10distributie van elektrische energie 9distributie van mechanische energie 9distributie van warmte en koude 11doorstroomketel 114-115doortochtoppervlak 176doseerpomp 344driewegkatalysator 195drijfstang 188drijfwerk 150druk

gemiddelde effectieve 152-153hydrostatische 530isentrope 378

drukluchtverstuiving 97druktrap 287drukverstuiving met olieretour 96drukverstuivingsbrander 93

regelbereik van een 94drukvulgroep 177drukvulling 165, 177drukwater-reactor 30dry-low-nox 230Dual-Fuel motor 484dwarsspoeling 206

Eeconomiser 279, 480Eems-centrale 221, 494eenassige wormpomp (vijzel) 344eentreks-ketel 276effectief vermogen 151-152, 157eilandbedrijf 487endotherme reacties 70energie 1

inwendige 1kinetische 1optische 1potentiële 1zonne- 3

energiebalans 155energiebron 2

te1_2012_rev_2.indd 546 08-02-12 12:42

TREFWOORDENREGISTER 547

energiefunctie 12energiegebruiker 2energieketen 19energieomzetting 1energiestromen 1energietoren 5energieverliezen 12energievoorraad, oneindige 5enthalpie 123, 266, 273, 508, 518

specifi eke 266enthalpieval 285enthalpiewaarde H 122entropie 266, 508, 520-522

temperatuur- 222entropietoename 524Eulerse opvoerdruk 358, 394Europese Richtlijn 311exotherme reacties 70expansie 164, 173

isentropische 268expansieslag 150, 165expansieverhouding 383

Ffossiele brandstoffen 28fotovoltaïsch effect 38

Ggasconstante, moleculaire RM 511gas, ideaal 511Gaskeurmerk 87gaskracht 148gas/luchtmenging 88gasmotor 484gassen 55, 101

technische 58gastoevoer 87gasturbine 56, 219, 226, 478-480

drukverlies bij 233General Electric 245gesloten 220mechanische verliezen bij 233milieu-eisen bij 230open 219-221, 231

gasturbinearbeidwerkelijke specifi eke 238

gaswetalgemene 511

Gavo-voorschriften 87gebruiksrendement 133

van de totale installatie 134

gecombineerd proces 172gelijkvolume-proces 172generator 262generatoras 223gescheiden opwekking 490gesloten persdruk 365G-lader 381Global Warming Potential (GWP) 423grootwaterruimketel 115

HHCFK’s 422herverhitting 242HFK’s 422Hoofdwet

Eerste 5, 122, 507Tweede 5, 519

hoogrendementsketel 113, 129Hot Dry Rock-principe 47hs-diagram 527hybridesystemen 158hydraulische klepbediening 176

Iindicateurarbeid 183indicateurdiagram 166, 347injecteurwerking 97injectie

stoom- 104water- 104

inlaatdoortocht 203inlaatdruk 200inlaatgeometrie 203inlaatklep 150inlaatslag 165inspuiting

directe 182indirecte 182

intercooler 485inwendige energie 508isentrope toestandsverandering 514isobare toestandsverandering 514isochore toestandsverandering 514isotherme toestandsverandering 514

KKaplanturbine 44keel 179keramische brander 66kernenergie 8, 30kernfusie 8

te1_2012_rev_2.indd 547 08-02-12 12:42


kernsplijting 8, 30ketel

atmosferische 117condenserende 124conventionele 116doorstroom- 114grootwaterruim- 114grotere warmwater- 120hoog rendements- (HR) 116massa- en energiebalans bij 122met voorzetbranders 131niet-condenserende 124verbeterd-rendements- (VR) 116warmwater 114XR- 116

ketelcascadeschakeling 134ketelconstructie 115ketelgebruiksrendement 116, 129ketelinstallatie

vollastbedrijfstijd van de 132ketelrendement 116, 129, 262

directe 126indirecte 126

ketelstilstandsverlies 131ketelvoedingspomp 344ketelvollasturen 132ketelwaterregeling

weersafhankelijke 135kettingrooster 66, 101klephefhoogtediagram 202kleptiming 202-203klepveer 176klop 160klopvast 200klopvastheid 160koelaggregaat 426koelcompressor 381koeling

inwendige 377motor- 485olie- 485rookgas- 485thermo-elektrische 416tussen- 377

koelkast 414koellast 413koelmachine 413

absorptie- 415, 424-425, 431-432compressie- 414energiebalans van 420expansie- 415

koudevermogen van de 418luchtgekoelde 417mechanische compressie- 425

koelwaterpomp 353kookpuntstraject 161koolstofdioxide 74koolstofdioxide-emissie 478koolstofdioxidepercentage

maximale 64koolstofmono-oxide 55, 73-74koppelnet 10koppel-toerental karakteristiek 156koudefactor

effectieve 419theoretische 436

koudemiddel 421halogeen 422

koudevermogen 418kringloop

theoretisch rendement 231kringproces 172, 231, 515

negatief 516omkeerbaar werkend positief 232positief 516

kringproces van Rankinemet herverhitting 271met voedingswatervoorverwarming 270

kritische punt 274kruishoofdmotor 169krukas 150krukasarbeid 187kruk/drijfstangmechanisme 150, 190kwaliteitsgraad 184

Llaagtemperatuursystemen 129labyrintafdichting 293ladingwisseling 167, 201lagerwrijving 14langsspoeling 206langsspoelsysteem 207lastkarakteristiek 17

van een rijdende auto 13lastproces 12latente warmte 72Laval 290leanburn-principe 66leidingkarakteristiek 334, 339-340, 364leidingsysteem 334leidingweerstand 339leidschoepen 283, 389

te1_2012_rev_2.indd 548 08-02-12 12:42


leiwiel 354, 389lekverliezen 301lijnmotor 191liner 229loopschoep 283luchtbehandelingsinstallatie 417luchtcompressor 177luchtfactor 64-66, 75, 237luchthoeveelheid, theoretische 61luchtondermaat 65luchtovermaat 65, 237luchttoevoer 87luchtverhitter 277luchtweerstand 15

Mmanometer 327massamengverhouding

theoretische 160werkelijke 160

massaverhoudingstoïchiometrische 237

matrixbrander 88meertrapscompressie 377membraanpomp 344mengbuis 88menging van brandstofmoleculen met

luchtmoleculen 66mengkamer 88mengsel

arm 194rijk 194

mengselmotor 150mengsmering 168mengverhouding 194methaan 58methaangetal 160microturbine 247microturbines 220moderator 30modulerende bedrijfsvoering 118Mollier-diagram 267, 527monopomp 344Moody-diagram 336motor

dual-fuel 160met drukvulling 175zelfaanzuigende 175

motorkoppel 151, 157, 187, 209motormanagementsysteem 180multispudbrander 91

Nna-inlaat 202na-uitlaat 202naverbranding 102Net Positive Suction Head

NPSH 332Nijhuis Pompen 363nokkenas

bovenliggende 176onderliggende 176

NOx-emissie 230reductie van 103

NOx-uitstoot 230nozzle

inspuit- 114nozzle mix 87NPSH 372NPSHA 372NPSHR 370-372

Ooctaangetal 160oliebrander 92olienozzle 94omkeerspoeling 206onderste dode punt (ODP) 148, 167onderste verbrandingswaarde 126onderste verbrandingswaarde (brandstof) 72ontgasser 308ontsteking 150, 162-164

compressie- 162elektrische 180vonk- 162

ontstekingsgrens 83, 161ontstekingstemperatuur 83ontstekingstijdstip 196-198ontstekingsuitstel 196ontwerppunt 365

van de pomp 362onverzadigde damp 274openingsweerstand 348opvoerdruk 326

Eulerse 362geodetische 328manometrische 326, 362statische 328theoretische 328, 362

opvoerhoogte 328, 363ottomotor 66, 150, 162Ottoproces 172-173overdrukbrander 90

te1_2012_rev_2.indd 549 08-02-12 12:42


Ppakkingbus 347parallelschakeling van pompen 368perslucht 385persslag 345perswindketel 349pijpenbundel 113pijpenwand 113pinch point 481, 493pingelen 160, 199plunjerpomp 344-345

axiale 345radiale 345

poederkool 100poederkoolbrander 66, 100-101pomp 325, 376

axiale 352centrifugaal- 326debiet- 326diagonaal- 352half-axiale 352levering van 326propeller- 352verdringer- 325vermogen van 329waaier- 325werkelijke aandrijfvermogen van 348

pompdiagram 370pompgrens 392pompkarakteristiek 334, 361, 364pomprendement, totale 329pompweerstand 328pq-diagram 202premixbrander 88premixvlam 87Pressurised Water Reactor (PWR) 30proefstand 363propaan 58pV-diagram 166pyrolyse 101

Rraamconditioners 430Rankine, kringloop van 259, 269Rateau 292reactiegraad 294recuperator 233referentiesysteem 488referentietemperatuur 123rendement

effectief 153, 440

inwendig 286, 300isentroop 379isentropen- 285mechanisch 188, 440theoretisch thermisch 170, 173, 269thermodynamisch 184, 285totaal- 303, 363totale compressor- 379van de pomp 363

rendementsmeting, indirecte 126Reynolds, kengetal van (Re) 335roetuitstoot 195rolwrijving 14rolwrijvingscoëffi ciënt 14rookgas 55rookgascirculatie 103rookgashoeveelheid 61rookgasklep 136rookgasontzwaveling 104rookgasrecirculatie 103rookgassamenstelling 78rookgasventilator 100rookgasverlies 124-125rooster 66, 100

trapvormig 101vast 101

roosterschalm 101roots blower 381rotatieverstuiving 98

Sschakeling

ketelvolgorde- 134scheepsmotor 146schijfwrijving 371schoeprendement 300schottenpomp 344schroefcentrifugaalwaaier 353schroefcompressor 380Seiligerproces 172-174serieschakeling van pompen 368serieschakeling van waaiers 354Siegert, vergelijking van 125silicium 38silo 229slag/boringverhouding 189slag/diameterverhouding 189slaglengte 152slagvolume 151

totale 151slangenpomp 345

te1_2012_rev_2.indd 550 08-02-12 12:42


smeeroliekoeling 155smeeroliepomp 344smog 56snelheidstrap 283specifi eke arbeid 235splitsystemen 429spoeleffect 205spoelpomp 167spoelproces 167, 173-174spoeltijd 164stadsverwarming 478startpulsatie 99steenkolen, verbranding van 99STEG-installatie 279, 477, 480STEG (SToom En Gas) 221stermotor 191steunvlam 85stikstofdioxide 55, 76stikstofdioxidemeting 79stikstofmono-oxide 55, 76stikstofmono-oxidemeting 79stilstandstijd 132stilstandsverliezen 129Stirlingmotor 56, 145-147stonewall 391-392stookolie, zware 159stookseizoen 131stookwaarde 72stoom 257

expansie van 283oververhitte 274

stoomcyclus voor verwarmingsdoeleinden 264stoomdrukverstuiving 96stoomejecteurs 283stoomfl uit 283stoominjectie 243stoominstallatie 257

effectief rendement van 264stoomketel 113stoomkringloop

‘gesloten’ 259stoommachine 257

zuiger 257stoommotor 145stoomturbine 221, 259

aftap- 478gelijkdruk- 290tegendruk- 478

stoomturbinekringloop 526straalbuis 283straalmotor 224

stralingsketel 281stroming

laminaire 335turbulente 335

stromingsleer 509stromingsweerstand 18, 206stroombuis 529surge 391systeem 508

gesloten 231, 508open 508tweeslag- 164vierslag- 164

systeemgrens 509

Ttandradpomp 94tandwielpomp

met inwendige vertanding 344met uitwendige vertanding 344

thermische ontharding 310toerental 152toerentalregulateur 209toestandsgrootheid 508toestandsverandering 508-510

polytrope 512tong 352totaalrendement 151transmissie 158transportverliezen 9, 12trommel 277Ts-diagram 525turbine

axiale 289condensator- 304Curtis- 293drietraps Zoelly- 293gelijkdruk- 288-289gesloten 219Laval- 293meerassige 224open 219overdruk- 288-289Parson- 294, 304radiale 289tegendruk- 304verliezen bij 234Zoelly- 292, 303

turbine-inlaattemperatuur 228turbinerendement 234turbinewaaier 223

te1_2012_rev_2.indd 551 08-02-12 12:42


turbocompressor 177turbofan 224turbolader 485tussenkoeling 241tweeslagmotor 150tweeslagsysteem 167

Uuitlaatdoortocht 202uitlaatgasemissie 156uitlaatgasrecirculatie 195uitlaatgassenketel 233, 279uitlaatklep 150uitlaatslag 150, 165uitstroomsnelheid 85underfeedstoker 101

Vvacuümmeter 327variabele kleptiming 157, 176ventilatieverliezen 302ventilator 325, 392

bureau- 396radiale 394

ventilatorarbeid 126ventilatorbrander 66venturi 179verbranding 55, 164

getrapte 102-104onvolledige 73optimale 65

verbrandingscaloriemeter 71verbrandingschemie 57verbrandingsdriehoek van Oswold 75verbrandingsfront 198-200verbrandingsgasturbine 145verbrandingskamer 81, 111, 198, 229

ringvormige 229-230vorm van 153, 197

verbrandingsluchtprimaire 87secundaire 87tertiare 87

verbrandingsmotor 145langzaam lopende 153middelsnel lopende 153snel lopende 153

verbrandingsonderzoek 81verbrandingsproces 7, 59, 81, 150, 162verbrandingssnelheid 85verbrandingswaarde 72

verbrandingswarmte 70op bovenwaarde van de brandstof 71

verdampingskoeling 241verdampingssysteem

directe 418verdampingswarmte 273verdringercompressor 388verdringerpomp 343, 388

roterende 343totale rendement van 371

verliespercentageschoorsteen- 125stilstands- 136

verliezenconvectie- 124stralings- 124

vermogeneffectief 261theoretisch 348thermische 60

vermogensverlies 186verneveling van de brandstof 92verstuiver 169verwarmd oppervlak (VO) 113verzadigde damplijn 274verzadigde waterlijn 274vierslagmotor 150vierslagsysteem 165Visa-voorschriften 87viscositeit 161

dynamische 335kinematische 335

vlambeveiliging 92vlamlengte 86vlamontsteking 91, 99vlamstabiliteit 85vlamtemperatuur 83

adiabatische 83vlamterugslag 99vlam, voorgemengde 87vliegwiel 187V-motor 191voedingspomp 308voedingswatervoorverwarmer 480voetklep 346vollastbedrijfstijd 129

installatie- 132ketel- 132

volume droge rookgassen 61voorgemengde vlam

gedeeltelijk 87

te1_2012_rev_2.indd 552 08-02-12 12:42


voorinlaat 202voorinspuiting 197voorontsteking 197vooruitlaat 202vormingswarmte 277vrijstroomwaaiers 354VTEC-motor 176vullingsgraad 203vuurgangvlampijpketel 275

Wwaaiercompressoren 388waaierpomp 351

specifi ek toerental van 374waaiers

parallelschakeling van 356Wankelmotor 145-147warmteafstraling 124warmtebalans 122warmteconvectie 124warmte-inhoud 266

specifi eke 266Warmte/Krachtkoppeling (WKK) 477warmte/krachtverhouding

(W/K-verhouding) 487warmtelevering, nuttige 133warmtepomp 420, 498warmteproductiegetal 420warmteterugwinning 420, 485warmtetransformator 413warmtewisselaar 306watergekoelde kokendwater-reactor 30waterkoelaggregaat 426waterkracht 44waterpijpketel 275-277Watt, James 257weerstandscoëffi ciënt 15wervelbed 66wet van behoud van massa 57windenergie 41windketel 346, 349W-motor 191wormpomp 344wrijving, aërodynamische 15

ZZeuner

formule van 286zonnecel 38zonnecollectoren 34zonne-energie 32

zuiger 150zuigerarbeid 148zuigercompressor

enkelwerkende 381rendement van een 382vullingsgraad van een 382

zuigermotor 145kruiskop- 190trunk- 190

zuigerpomp 344dubbelwerkende 347

zuigersnelheidgemiddelde 189

zuigerverbrandingsmotor 221zuighoogte 330zuigkorf 346zuigwindketel 349zure neerslag 56zuurstofbehoefte

theoretische 60zuurstofgehalte

maximale 69zuurstofmeting 79zwartheidsgraad 199zwaveldioxide 55zwaveltrioxide 55

te1_2012_rev_2.indd 553 08-02-12 12:42

173 / 961

978 90 395 2654 5

Vierde druk

Deze vierde druk van Toegepaste energietechniek deel 1 is geheel herzien en geactualiseerd. Het boek biedt een inleiding in de wereld van de energietechnische systemen. Na twee algemene hoofdstukken over energietechniek en verbrandingstechniek wordt achtereenvolgens aandacht besteed aan de onderwerpen: warmwaterketels, zuigerverbrandingsmotoren, gasturbines, stoominstallaties, pompen, compressoren en ventilatoren, koude-installaties en aan geïntegreerde installaties zoals STEG.

Bij de bespreking van deze systemen wordt uitgegaan van een systeem-benadering, waarbij de nadruk ligt op de gebruikseigenschappen en -kenmerken van de werktuigen en energiesystemen.

Daarbij komen tevens de aspecten energie-efficiency en vermindering van de milieubelasting aan bod. Optimalisering van de rendementen is de ‘rode draad’ bij alle systemen.

Afzonderlijk verkrijgbaar is Toegepaste energietechniek deel 2, Duurzame energie, dat in het teken staat van duurzame energie: zonne-energie, windenergie, waterkracht, bio-energie, omgevingswarmte en aardwarmte. Daarnaast is er de uitgave Toegepaste energieleer – warmte- en stromingsleer, die een inleiding biedt op beide delen Toegepaste energietechniek. Het boek behandelt de theoretische basiskennis van de warmteleer (thermodynamica), stromingsleer en warmtetransport.

Ir. J. Ouwehand en ir. T.J.G. Papa zijn verbonden aan Saxion Hogescholen en ir. A.C. Taal aan de Haagse Hogeschool. Ing. E. Post was tot zijn pensionering in 2011 verbonden aan de Vrije Universiteit Amsterdam.

Ou

weh

and, Papa, Po

st, Taal Toegepaste Energietechniek D

eel 1

ToegepasteEnergietechniekDeel 1Joop Ouwehand, Trynke Papa, Egbert Post, Arie Taal

te1 2012 rev 2 - businezz.nlDen Haag, najaar 2011 de uitgever te1_2012_rev_2.indd vi 08-02-12 12:40....

Documents

Transcript of te1 2012 rev 2 - businezz.nlDen Haag, najaar 2011 de uitgever te1_2012_rev_2.indd vi 08-02-12 12:40....