Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele...

33
Vijfde druk Toegepaste energietechniek Joop Ouwehand, Trynke Papa, Egbert Post EN Arie Taal + ONLINE MATERIAAL VOOR STUDENTEN EN DOCENTEN

Transcript of Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele...

Page 1: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

Vijfde druk

Ou

weh

and, Papa, Po

st EN Taal

Toegepaste energietechniek

ToegepasteenergietechniekJoop Ouwehand, Trynke Papa, Egbert Post EN Arie Taal

+ O N L I N E

M AT E R I A A L

V O O R

S T U D E N T E N

E N D O C E N T E N

Page 2: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

Toegepaste energietechniek

Page 3: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

Toegepaste energietechniek

5e druk

ir. J. Ouwehandir. T. J. G. Papa

ir. A. C. Taaling. E. Post

Page 4: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

Meer informatie over deze en andere uitgaven is te vinden op www.boomhogeronderwijs.nl.

1e druk 1998 (verschenen bij Academic Service)2e druk 2001 (verschenen bij Academic Service)3e druk 2005 (verschenen bij Sdu)4e druk 2012 (verschenen bij Boom uitgevers Amsterdam)5e druk 2018 (verschenen bij Boom uitgevers Amsterdam)

Basisontwerp omslag: Studio Bassa, CulemborgOpmaak en illustratie omslag: Carlito’s Design, AmsterdamOpmaak binnenwerk: Holland Graphics, Amsterdam

ISBN 9789024415687NUR 173/961

© 2018, ir. J. Ouwehand, ir. T.J.G. Papa, ir. A.C. Taal, ing. E. Post & Boom uitgevers Amsterdam

Alle rechten voorbehouden. Alle auteursrechten en databankrechten ten aanzien van deze uitgave worden uitdrukkelijk voor behouden. Deze rechten berusten bij Boom uitgevers Amsterdam. Behoudens de in of krachtens de Auteurswet gestelde uitzonderingen, mag niets uit deze uitgave worden ver-veelvoudigd, 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 voor-afgaande schriftelijke toestemming van de uitgever.Voor zover het maken van reprografische verveelvoudigingen uit deze uitgave is toegestaan op grond van ar-tikel 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 even-tuele (druk)fouten en onvolledigheden niet worden ingestaan en aanvaarden de auteur(s), redacteur(en) en uit-gever 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 transmit-ted 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.

 

Met behulp van onderstaande unieke activeringscode kun je een studentaccount aanmaken op www.toegepasteenergietechniek.nl, voor toegang tot extra materiaal bij dit boek. Deze code is persoonsgebonden en gekoppeld aan de vijfde druk. Na activering heb je twee jaar toegang tot de website. De code kan tot zes maanden na het verschijnen van een volgende druk worden geactiveerd.

Page 5: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

Woord vooraf

Dit boek beschrijft de belangrijkste soorten energietechnische apparaten en sys-temen en is bestemd voor het eerste en tweede studiejaar van het hoger technisch onderwijs. In eerste instantie gaat het daarbij om de studierichting werktuigbouw-kunde. Het is echter ook voor andere studierichtingen geschikt, doordat specifieke werktuigbouwkundige berekeningen (zoals sterkteberekeningen) niet aan de orde komen. Bovendien is de behandeling van de theorie nadrukkelijk afgestemd op stu-denten met havo als vooropleiding. Het is daarbij wel wenselijk dat er een basisken-nis 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 sys-teembenadering 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 energiesyste-men. De nadruk ligt hierbij op de gebruikseigenschappen en kenmerken; daar-naast is er aandacht voor bijv. 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 energiebron/machine en het lastproces/de verbruiker. De overbrenging en het distributiesy-steem blijven hierbij buiten beschouwing, omdat deze worden opgevat als typisch werktuigbouwkundige onderwerpen.

● Optimalisering van de rendementen is bij alle in dit boek behandelde soorten ma-chines en apparaten en systemen de ‘rode draad’ met de doelstelling om deze sys-temen 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-fiek enzovoort).

● Het geven van een breed overzicht van de vele soorten energiewerktuigen en de werkingsprincipes waarop deze zijn gebaseerd.

● De onderwerpen worden zodanig in afzonderlijke hoofdstukken uitgewerkt dat deze, op de eerste drie hoofdstukken na, in willekeurige volgorde kunnen worden behandeld of bestudeerd.

Page 6: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

vi Woord vooraf

● In alle hoofdstukken is een groot aantal uitgewerkte berekeningsvoorbeelden op-genomen. Daarnaast worden alle hoofdstukken afgesloten met een aantal kennis-vragen. Meer kennisvragen en berekeningsopgaven zijn te vinden op de website bij dit boek: www.toegepasteenergietechniek.nl. Hierdoor is het boek geschikt voor zelfstudie.

● Bij de bepaling van de vaststelling van de diepgang van de behandelde onderwer-pen is ervan uitgegaan dat dit boek grotendeels kan worden doorgewerkt in het eerste en tweede studiejaar van het hoger technisch onderwijs, waarbij de studie-belasting telkens 1,5 à 2 studiepunten is. Daarbij is het boek geschikt als oriënta-tie 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 ont-wikkelingen.Daarnaast is er ook aandacht voor energie-efficiency en vermindering van de milieu-belasting bij energieprocessen en apparaten.

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

energie, windenergie, waterkracht, bio-energie, omgevingswarmte en aardwarm-te;

● Toegepaste energieleer, dat een inleiding biedt op Toegepaste energietechniek en Duurzame energietechniek. Het boek behandelt de theoretische basiskennis van de warmteleer (thermodynamica), stromingsleer en warmtetransport.

Bij de vijfde drukDeze vijfde druk van Toegepaste energietechniek is herzien en geheel geactualiseerd. De technische ontwikkelingen binnen het vakgebied maken het zeer dynamisch. Verbeteringen zijn vooral bereikt bij de efficiency van de apparaten en principes, maar de grondslagen van deze technieken zijn niet wezenlijk veranderd. In enke-le gevallen zijn illustraties vervangen en nieuwe aan de onderwerpen toegevoegd. Daarnaast is de online omgeving www.toegepasteenergietechniek.nl ontwikkeld, waarop meer studie- en oefenmateriaal is te vinden voor studenten en docenten.

Amsterdam, voorjaar 2018de uitgever

Page 7: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

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 energie 101.4.3 Distributie van warmte en koude 111.4.4 Transportverliezen 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 291.7.3 Thermische benutting van zonne-energie 321.7.4 Opwekking van elektriciteit met zonne-energie 371.7.5 Elektriciteit uit windenergie 401.7.6 Elektriciteit uit waterkracht 431.7.7 Elektriciteit en warmte uit biomassa 441.7.8 Elektriciteit en warmte uit aardwarmte 46

1.8 Samenvatting 481.9 Kennisvragen 51

2 Verbrandingstechniek 53

2.1 Basisreacties van de verbranding 552.1.1 Verbrandingschemie 552.1.2 Algemene verbrandingsvergelijkingen 56

2.2 Verbrandingsberekeningen 582.2.1 Theoretische zuurstofbehoefte 582.2.2 Theoretische luchthoeveelheid en rookgashoeveelheid 592.2.3 Het maximale koolstofdioxidepercentage, CO2max 622.2.4 Luchtfactor λ, luchtovermaat en luchtondermaat 63

Page 8: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

viii Inhoud

2.3 Verbrandingswarmte 692.4 Onvolledige verbranding en verbrandingsemissies 71

2.4.1 Koolstofmono-oxide (CO) en rookgassamenstelling bij onvolledige verbranding 722.4.2 Stikstofoxiden NOx 752.4.3 Meting van de rookgassamenstelling 76

2.5 Verbrandingssystemen 792.5.1 Begrippen 812.5.2 Aardgasbranders 852.5.3 Oliebranders 902.5.4 Verbranding van steenkolen 972.5.5 Reductie van NOx-emissie 1012.5.6 Rookgasontzwaveling 102

2.6 Samenvatting 1032.7 Kennisvragen 106

3 Warmwaterketels 107

3.1 Toepassingen en kenmerken van warmwaterketels 1093.1.1 Toepassingen 1103.1.2 Constructiekenmerken 1103.1.3 Ketelconstructie en toepassingen 1113.1.4 Ketels voor de kleinschalige warmteopwekking 1123.1.5 Ketels voor de utiliteitsbouw 115

3.2 Warmtebalans en ketelrendement 1173.2.1 Warmtebalans van een ketel 1173.2.2 Ketelrendement 121

3.3 Ketelgebruiksrendement 1263.3.1 Bepaling van het ketelgebruiksrendement 1263.3.2 Invloed van de ketelregeling op het ketelgebruiksrendement 131

3.4 Samenvatting 1333.5 Kennisvragen 136

4 Verbrandingsmotoren 137

4.1 Inleiding 1374.2 Werking van de zuigermotor 1394.3 Prestaties van de zuigermotor 142

4.3.1 Effectief vermogen 1434.3.2 Effectief rendement 1454.3.3 Uitlaatgasemissies 1484.3.4 Geluidsproductie 1484.3.5 Karakteristiek koppel-toerental 1484.3.6 Brandstoffen 151

4.4 Processen in de zuigermotor 1534.4.1 Wijze van ontsteking 1554.4.2 Arbeidscyclus 1564.4.3 Theoretisch thermisch rendement 163

4.5 Luchttoevoer naar de cilinders 1674.5.1 Vierslagsysteem 167

Page 9: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

Inhoud ix

4.5.2 Tweeslagsysteem 1714.6 Brandstoftoevoer naar de cilinders 171

4.6.1 Ottomotor 1714.6.2 Dieselmotor 173

4.7 Omzetting chemische energie in gasarbeid 1754.7.1 Geïndiceerd vermogen 1754.7.2 Thermodynamisch rendement 176

4.8 Omzetting gasarbeid in krukasarbeid 1794.8.1 Krukasarbeid 1794.8.2 Mechanisch rendement 1804.8.3 Uitvoering van het drijfwerk 181

4.9 Verbrandingsgassenafvoer 1844.9.1 Samenstelling van de verbrandingsgassen 185

4.10 Ontsteking en verbranding 1884.10.1 Ontstekingstijdstip 1884.10.2 Detonatie 191

4.11 Ladingwisseling 1934.11.1 Vullingsgraad 195

4.12 Vermogensregeling 2004.13 Samenvatting 2014.14 Kennisvragen 208

5 Gasturbines 209

5.1 Inleiding 2095.2 Werking van de gasturbine 212

5.2.1 De kringloop 2125.2.2 De industrieturbine 2135.2.3 Straalmotoren en aero derivatives 2145.2.4 Microturbines 2175.2.5 Starten en regelen van een gasturbine 219

5.3 Hoofdcomponenten van de gasturbine 2195.3.1 De compressor 2195.3.2 De turbine 2205.3.3 De verbrandingskamer 221

5.4 Prestaties van de gasturbine 2235.4.1 Theoretisch rendement 2235.4.2 Optredende verliezen in de gasturbine 2255.4.3 Specifieke arbeid 2275.4.4 Luchtbehoefte 2295.4.5 Vermogen en totaalrendement 2305.4.6 Invloed van de drukverhouding en temperaturen op het rendement en de specifieke

arbeid 2305.5 Verbetering van de prestaties 231

5.5.1 Recuperatie 2325.5.2 Tussenkoeling en verdampingskoeling 2335.5.3 Herverhitting 2345.5.4 Stoominjectie 2365.5.5 Variabele inlaatleidschoepen 237

Page 10: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

x Inhoud

5.6 Praktijkvoorbeelden 2385.6.1 General Electric MS6 2385.6.2 De Capstone 30 kW 241

5.7 Samenvatting 2425.8 Kennisvragen 243

6 Stoominstallaties 245

6.1 Inleiding 2456.2 Werking van een stoominstallatie 246

6.2.1 Effectief vermogen 2476.2.2 Rendementen 249

6.3 Stoomprocessen 2526.3.1 De stoomcyclus voor verwarmingsdoeleinden 2526.3.2 De stoomcyclus voor opwekking van mechanische energie 2546.3.3 De theoretische kringloop en het rendement 2556.3.4 De kringloop van Rankine 257

6.4 Stoomvorming bij constante druk 2606.4.1 Uitvoeringsvormen van stoomketels 263

6.5 Stoomwerktuigen 2716.5.1 De stoomturbine 2716.5.2 Absolute en relatieve snelheid 2776.5.3 Typen stoomturbines 2796.5.4 Verliezen bij stoomturbines 2876.5.5 Praktische uitvoeringen 291

6.6 Warmteafvoer in het kringproces 2936.6.1 De condensor 294

6.7 Toevoer van mechanische energie in het kringproces 2966.7.1 De voedingspomp 296

6.8 De ontgasser 2976.9 Regelgeving voor drukapparatuur 2996.10 Samenvatting 3016.11 Kennisvragen 303

7 Pompen, compressoren en ventilatoren 305

7.1 Inleiding 3057.2 Prestaties van pompen 306

7.2.1 Opvoerdruk 3067.2.2 Vermogen 3097.2.3 Rendement 3097.2.4 Zuighoogte 3107.2.5 Karakteristieken en bedrijfspunt 314

7.3 Leidingsystemen 3157.3.1 Weerstand in rechte leidingen 3157.3.2 Het moodydiagram 3177.3.3 De weerstand van appendages 3187.3.4 Leidingkarakteristiek 319

7.4 Verdringerpompen 324

Page 11: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

Inhoud xi

7.4.1 Overzicht van verdringerpompen 3247.4.2 Werking van zuiger- en plunjerpomp 3267.4.3 Het pV-diagram van een zuiger- of plunjerpomp 3287.4.4 Windketels 330

7.5 Waaierpompen 3327.5.1 Werking en typen 3327.5.2 Snelheidsdriehoeken bij centrifugaalpompen met radiale uittrede 3387.5.3 Eulerse opvoerdruk 3397.5.4 Pompkarakteristiek 3427.5.5 Het bedrijfspunt 3457.5.6 Regelen van de opbrengst van waaierpompen 3487.5.7 Serie- en parallelschakeling van pompen 3497.5.8 Pompdiagram 3517.5.9 Rendement 3517.5.10 NPSH 3537.5.11 Specifiek toerental 355

7.6 Prestaties van compressoren en ventilatoren 3577.6.1 Compressiearbeid 3587.6.2 Koeling 3597.6.3 Vermogen 3607.6.4 Rendement 361

7.7 Verdringercompressoren 3617.7.1 Overzicht van verdringercompressoren 3617.7.2 De zuigercompressor 362

7.8 Waaiercompressoren 3687.8.1 Radiale compressoren 370Axiale compressoren 373

7.9 Ventilatoren 3747.9.1 Radiale ventilatoren 3757.9.2 Axiale ventilatoren 377

7.10 Samenvatting 3827.11 Kennisvragen 385

8 Warmtepompen en koelmachines 387

8.1 Inleiding 3878.2 Werking van de warmtepomp en koelmachine 3918.3 Prestaties van de warmtepomp en de koelmachine 393

8.3.1 Effectief warmte- en koudevermogen 3938.3.2 Effectieve warmtefactor (COP) en koudefactor (EER) 3948.3.3 Koudemiddelen 396

8.4 Warmte- en koudeopwekking 4008.4.1 Warmtepomp- en koelmachinecyclus 4018.4.2 De warmtepomp en koelmachine met mechanisch aangedreven compressoren 4018.4.3 De absorptiewarmtepomp en -koelmachine 4068.4.4 Theoretische COP en EER 4108.4.5 Carnotrendement 4148.4.6 Verliezen bij aandrijving van de warmtepomp en koelmachine 416

8.5 Warmte- en koudedistributie 417

Page 12: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

xii Inhoud

8.6 Warmte-uitwisseling met de omgeving 4208.7 Comprimeren van het koudemiddel 422

8.7.1 Uitvoeringen van de compressor 4238.7.2 Verliezen bij de mechanische compressor 4278.7.3 Verliezen bij de thermische compressor 431

8.8 Verdampen van het koudemiddel 4348.8.1 Uitvoeringen van verdampers 4358.8.2 Verliezen bij verdampen 436

8.9 Condenseren van het koudemiddel 4388.9.1 Uitvoeringen van condensors 4388.9.2 Verliezen bij condenseren 439

8.10 Expanderen van het koudemiddel 4428.10.1 Werking van het expansieventiel 4438.10.2 Verliezen bij expanderen 444

8.11 Capaciteitsregeling 4458.12 Samenvatting 4478.13 Kennisvragen 451

9 Gecombineerde technieken 453

9.1 Warmte-krachtkoppeling (wkk) 4549.1.1 Wkk met gasturbine en afgassenketel 4569.1.2 Wkk met motoren en warmteterugwinning 4609.1.3 Wkk met een Organic Rankine Cycle (ORC) 463

9.2 Integratie van wkk in het energievoorzieningssysteem 4659.3 Brandstofbesparing door wkk 4679.4 STEG-installaties 471

9.4.1 Uitvoeringsvormen 4719.4.2 Rendementen van STEG-installaties 473

9.5 Warmte- en krachtlevering in de toekomst 4749.5.1 Grenzen aan de brandstofbesparing 4759.5.2 Brandstofbesparing met kleinschalige warmte-krachtinstallaties en

warmtepompen 4759.6 Samenvatting 4799.7 Kennisvragen 482

Appendix A Basisleer thermodynamica 483

A.1 Eerste Hoofdwet 483A.2 Omkeerbare toestandsveranderingen 486

A.2.1 Omkeerbare toestandsveranderingen van een ideaal gas 487A.2.2 Kringprocessen 491A.2.3 Toestandsveranderingen in open systemen 494

A.3 Onomkeerbare toestandsveranderingen en entropie 495A.3.1 Tweede Hoofdwet 495A.3.2 Entropie 496

Page 13: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

TrefWoordenregIsTer xiii

Appendix B Wet van Bernoulli 503

Appendix C log p-h-diagram 507

Appendix D Warmteoverdracht 511

Illustratieverantwoording 515

Trefwoordenregister 517

Page 14: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

Symbolenlijst

a [-] slag/diameterverhouding

d [-] arbeidsfactor

e [-] geometrische (ook wel: nominale) compressieverhoudinge [m] wandruwheide [-] koudefactoreC [-] koudefactor van het carnotproceseW [-] warmteproductiegetal, warmteopbrengstgetal

z [-] weerstandscoëfficiënt

h [Pa ◊ s] dynamische viscositeith [-] rendementhg [-] gebruiksrendemenths [-] spoeleffecthth [-] thermisch rendementhvul [%] vullingsgraad

k [-] verhouding cp/cV, isentroop exponent

l [-] luchtfactorl [-] wrijvingscoëfficiëntlexp [Q] expansieverhouding

n [m2/s] kinematische viscositeit

r [kg/m3] dichtheid, soortelijke massa

Fm [kg/s] massastroomFV [m3/s] volumestroom (werkelijk)FW [J/s] warmtestroom

w [1/s] hoeksnelheid (krukas)

a [-] drukverhouding bij SeiligerprocesA [m2] oppervlak

b [m] breedte waaier (hoogte van de schoepen)b [-] volumeverhouding bij seiligerprocesbe [kg/J] specifiek brandstofverbruik

c [J/(kg ◊ K)] soortelijke warmte cm [m/s] gemiddelde zuigersnelheid

Page 15: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

symbolenlIjsT xv

cp [J/(kg ◊ K)] soortelijke warmte bij constante drukcp [m/s] snelheid in de persleidingcv [J/(kg ◊ K)] soortelijke warmte bij constant volumecw [-] weerstandscoëfficiëntcz [m/s] snelheid in de zuigleidingCp [–] vermogenscoëfficiënt van de windturbineCr [-] brandstofbesparingscoëfficiënt

D [m] diameter (waaier en leiding)

Ek [J] kinetische energieEp [J] potentiële energie

g [m/s2] valversnelling

H [J] enthalpieH [m] hoogtehb [kJ/kg] bovenste verbrandingswaardeho [kJ/kg] onderste verbrandingswaarde (of stookwaarde)h [J/kg] of [J/m3] specifieke (soortelijke) enthalpieHgeo [m] geodetisch hoogteverschilHman [m] manometrische opvoerhoogteHp,geo [m] geodetische pershoogteHz,geo [m] geodetische zuighoogte

i [-] aantal cilinders

k [-] schoepfactor

l [m] lengteL [m3] (verbrandings)luchthoeveelheidLo [m3

n] theoretische luchthoeveelheid

m [kg] massambr [kg] toegevoerde brandstofmassa per arbeidscyclusmlucht [kg] toegevoerde luchtmassa per arbeidscyclusM [Nm] motorkoppel

n [1/min] toerentalns [1/min] specifiek toerentaln [-] polytroopexponent (algemeen)

p [Pa] drukp [Pa] leidingweerstandpcil,p [Pa] druk in de cilinder tijdens de persslagpcil,z [Pa] druk in de cilinder tijdens de zuigslagpdamp [Pa] dampspanningpE [Pa] Eulerse opvoerdrukpeff [Pa] gemiddelde effectieve drukpind [Pa] gemiddelde geïndiceerde drukpman [Pa] manometrische opvoerdrukpzuig [Pa] druk aan de zuigzijde van de pomp

Page 16: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

xvi symbolenlIjsT

P [W] vermogenPas [W] asvermogen Pind [W] geïndiceerd vermogenq [J/kg] specifieke warmteqvs [%] stilstandsverliespercentage van het ketelvermogenQ [kJ] warmtehoeveelheidQaf [J of W] afgevoerde warmte(stroom)Qcv [kJ] nuttige warmteQtoe [J of W] toegevoerde warmte(stroom)Qvs [kJ] warmteverlies in de stilstandstijd

r [J/kg] verdampingswarmteR [J/(kg ◊ K)] specifieke gasconstante

s [J/(kg ◊ K)] specifieke entropies [m] afgelegde wegS [J/K] entropieS [m] slaglengte

t [uren/jaar] lengte van het stookseizoentv [uren/jaar] vollastbedrijfstijd van de cv-installatietv,i [uren/jaar] installatie vollastbedrijfstijdT [∞C] of [K] temperatuurTovo [∞C] of [K] temperatuur oververhitterTo [K] omgevingstemperatuur

u [m/s] omtreksnelheidU [W/(m2 ◊K)] warmtedoorgangscoëfficiëntU [J] inwendige energie

v [m/s] absolute snelheidvrookg [%] schoorsteenverliespercentagevs [%] stralings- en convectieverliespercentageV [m3] vochtig rookgasvolumeV0 [m3] schadelijke ruimteVO [m3

n] theoretisch rookgasvolumeVod [m3

n] theoretisch droge rookgasvolumeVs [m3] slagvolume van een cilinderVs' [m3] deel slagvolume bij sluiten inlaatVs,tot [m3] slagvolume van de gehele motor

w [m/s] relatieve snelheidw [kJ/kg] specifieke arbeidweff,comp [kJ/kg] specifieke effectieve compressorarbeidW [kJ] arbeid (algemeen)wnetto [J/kg] theoretische specifieke technische arbeidwt [J/kg] specifieke technische arbeid of asarbeid

x [-] massamengverhouding

z [-] aantal trappen

Page 17: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

Indices

a atmosfeeraan aangezogenabs absorberaf af(gevoerd)akm absorptiekoelmachineax axiaalA aanvoer

br brandstof

c compressiecil cilindercondities bij

sluiten inlaatcomp compressorcond condensorC Carnot

d droogdist distributie

eff effectiefelek elektrischelm elektromotorexp expansie

g gasgt gasturbinegem gemiddeldgen generatorgeo geodetischgkw gekoeld water

hydr hydraulisch

i indirectin in(trede)instr instralinginw inwendigis isentroop

k ketelkd koudedragerkm koudemiddelkw koelwater

l leidingl lucht

m massaman manometrischmech mechanisch

max maximaalmin minimaal

n normaal, nuttign.o. niet omkeerbaar

o omgevingos oververhitte stoom

pl persleidingpr persreservoirprim primairpwk perswindketel

r radiaalrec recuperatierookg rookgasrot rotatie

st stoomturbinestat statisch

tc thermische compressortd thermodynamischth thermischtheor theoretischtoe toe(gevoerd)tot totaalturb turbine

uit uittrede

v verdampingv verliesvac vacuümvent ventilatorverb verbrandingverd verdampervol volumetrischvw voedingswaterV volume

W warmtewr wrijvingwt waterturbine

z zuigerzl zuigleidingzr zuigreservoirzwk zuigwindketel

Page 18: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

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, techniekgeoriënteerde 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 definitie van te geven. Ener-gie kunnen we wel beschrijven aan de hand van twee wetten uit de thermodynami-ca, de vormen waarin zij zich manifesteert en de manier waarop we er gebruik van maken. Energie heeft te maken met het leveren van inspanning (arbeid), het leven en de groei van organismen (licht en warmte), de verandering van materie (chemische processen, productieprocessen) en het transport (arbeid). In het blokschema van figuur 1.1 is dit samengevat.

figuur 1.1 Energieomzetting

groei

verandering

verplaatsing

licht

warmte

arbeid

producten

organismen

transport

In figuur 1.1 is er een verband gelegd tussen energiestromen (licht, warmte en arbeid) en het uiteindelijke doel van het energiegebruik, namelijk de mens en zijn comfort dienen. De processen zijn noodzakelijke voorwaarden voor het menselijk bestaan en verhogen tevens het comfort daarvan. Leven en verandering is zonder energie ondenkbaar. Bij de praktische toepassingen maken we onderscheid tussen de energievormen:● inwendige energie: thermodynamisch (U), chemisch (brandstof), fysisch (kern-

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

golfenergie, stromingsenergie van wind en water;● potentiële energie: valenergie, veerenergie, drukenergie van een gas; ● optische energie: licht, warmtestraling.

In alle gevallen is materie de drager van de energie. Arbeid en warmte zijn vormen van energieoverdracht en zorgen voor de toestandsverandering van een systeem.

Page 19: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

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, zijn de energiedistributie en de energiebronnen noodzakelijke voorwaarden. De energiebronnen zijn de leveranciers van energie en de distributiesystemen zorgen voor het transport, de overbrenging van energie. In bepaalde gevallen is opslag van energie nodig. Denk bijvoorbeeld aan een autoaccu.

In dit boek besteden we aandacht aan de principes en de werktuigen die de ener-gie van de energiebronnen omzetten in een voor bepaalde doelen gewenste vorm van energie. De energievorm verandert. In een ketel wordt brandstof omgezet in warmte, in een boormachine wordt elektriciteit omgezet in rotatie-energie van de boor. Een pomp zet elektrische energie om in stromingsenergie en drukenergie. Deze werktuigen rekenen wij meestal tot de energiebronnen, omdat ze gekoppeld zijn aan een proces of energiegebruiker. Afhankelijk van de beschouwde systemen is een werktuig een energiebron, een energieoverbrenger of een energiegebruiker. (Voorbeeld: een radiator is een gebruiker in een cv-systeem en een bron voor ruim-teverwarming. Een cv-pomp is weer te splitsen in bron (elektromotor), overbren-ging (as) en gebruiker (waaier).) Werktuigen hebben echter een heel ander karakter dan de dragers van energie. De dragers van energie noemen we ook wel de primaire energiebronnen. De bekendste zijn:● zonne-energie;● wind- en waterkracht;● fossiele brandstoffen (kolen, olie, bruinkool, aardgas, turf);● biomassa (hout, biogas, raapolie);● aardwarmte; ● kernenergie.

Het verband tussen de zonne-energie en de overige primaire energiedragers is weer-gegeven in figuur 1.2.Kernenergie is niet direct een gevolg van de zonne-energie, maar wel een gevolg van het ontstaan van ons zonnestelsel. De zon zelf mogen we als een grote kerncentrale beschouwen, waarvan de optische energie voor vrijwel de gehele energievoorziening van de planeet aarde zorgt.

Secundaire energiebronnen zijn de werktuigen die met behulp van een verbran-dingsproces een primaire energiedrager omzetten in warmte en/of arbeid, elektri-citeit genereren met wind- of waterkracht of direct warmte en elektriciteit maken uit het zonlicht. We noemen ze ook wel de energieomzetters; in deze werktuigen of apparaten verandert de energievorm. Voorbeelden hiervan zijn:● zuigermotoren;● gasturbines;● stoomturbines;● ketels;● windturbines;● waterturbines;● zonnepanelen; ● zonnecollectoren.

Page 20: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

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

elektriciteits-centrale

elektriciteits-centrale

elektriciteits-centrale

elektriciteits-centrale

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

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.

Page 21: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

4 hoofdsTuk 1 energIeTechnIek

Het verband tussen de energiebron en de gebruiker of het proces waar de energie-bron aan gekoppeld is, is weergegeven in figuur 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 aan te geven dat op die plaats het energie-eindgebruik plaatsvindt. Neem bijvoorbeeld het rijden van een auto als lastproces. De brandstof die een auto tijdens het rijden verbruikt, wordt uiteindelijk omgezet in wrijvingswarmte. Deze warmte gaat op in de inwendige energie van de atmosfeer. De fossiele brandstoffen raken uitgeput!

In Nederland wordt praktisch geen aardolie meer omhoog gepompt. De voorraad is te klein om deze economisch verantwoord te kunnen winnen. Steenkolen worden al sinds decennia niet meer uit de vaderlandse bodem gehaald.In de Derde Energienota stippelt de Nederlandse overheid het beleid uit met betrekking tot het beheer van de nationale gasvoorraden. In haar plan voor de gasafzet geeft de overheid aan dat de binnenlandse aardgasvraag, voor een periode van 25 jaar, tot het jaar 2019, gegaran-deerd moet zijn door de bekende gasvoorraden en nieuwe gasvelden op Nederlands grondge-bied. Daarnaast moet er aardgas worden geïmporteerd.

De overheid bevordert de duurzame omgang met energiebronnen. Zij wil daarmee de primaire energiebronnen zoveel mogelijk efficiënt gebruiken en het ontstaan van koolstofdioxide zoveel mogelijk beperken, omdat dit gas de belangrijkste veroorzaker van het broeikaseffect is. Dit wil zij realiseren door:• energiebesparing;• warmte/krachtkoppeling;• warmtepomptechnologie;• rendementsverhoging van energiewerktui-

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

1.2 De energievoorraad is oneindig

Bij alle energiebeschouwingen spelen de eerste en de tweede hoofdwet een belangrij-ke rol. De Eerste Hoofdwet brengt tot uitdrukking dat energie niet verloren gaat en warmte en arbeid in elkaar zijn om te zetten. Dat dit laatste niet volledig mogelijk is, laat de Tweede Hoofdwet zien. Nemen we het volgende voorbeeld.Om een verbrandingsmotor arbeid W te laten leveren, moet aan deze motor een hoeveelheid warmte Q worden toegevoerd. Deze warmte verkrijgen we door de verbranding van een brandstof-luchtmengsel in de motor. Hierbij levert de motor de asarbeid W. Een groot deel van de chemisch gebonden energie van dit mengsel wordt omgezet in warmte. Een deel van de warmte wordt door de motorkoeling uit de motor afgevoerd en afgegeven aan de lucht. Deze warmteafvoer is nodig om de motor op de gewenste bedrijfstemperatuur te houden en de olie te koelen. Een ander deel van de warmte verdwijnt in de vorm van warme rookgassen in de

Page 22: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

1.2 de energIevoorraad Is oneIndIg 5

atmosfeer en als uitstralingsverlies aan de buitenzijde van het motorblok. Als alle energiestromen van de motor bij elkaar worden opgeteld, is de som hiervan gelijk aan de totale toegevoerde chemisch gebonden energie van de brandstof. Dit is in overeenstemming met de Eerste Hoofdwet.Volgens dezelfde wet kunnen de vrijkomende warmtestromen omgezet worden in arbeid. We weten echter dat dat niet gebeurt. In het gunstigste geval wordt de warmte uit het koelwater en de rookgassen nog benut voor bijvoorbeeld ruimte-verwarming. Maar uiteindelijk blijft er altijd nog een hoeveelheid restwarmte over die niet kan worden benut. We mogen concluderen dat alle energie wordt gebruikt, omdat er geen energie verloren gaat. Maar door dat gebruik wordt deze energie minder bruikbaar, ofwel de energie wordt minder waard.Als we weer teruggaan naar het voorbeeld van de verbrandingsmotor, dan weten we dat de verbranding van het brandstof-luchtmengsel plaatsvindt bij een verbran-dingstemperatuur van circa 1600 ∞C. Als er nu 30% van de toegevoerde warmte wordt omgezet in asarbeid, resteert er nog 70% in de vorm van warmte. Bij de arbeidslevering expandeert het hete gas en daarbij daalt de temperatuur tot circa 550 ∞C. Het koelwater is ongeveer 90 ∞C en de rookgassen verlaten de verbran-dingsruimte 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 theore-tisch 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 volle-dig kan worden omgezet in arbeid. Dit beginsel is verwoord in de tweede hoofdwet van de thermodynamica. Warmte wordt niet volledig omgezet in arbeid. Arbeid kan echter wel volledig worden omgezet in warmte, want de geleverde asarbeid wordt gebruikt voor de aandrijving van een machine of een voertuig. Deze arbeid is nu juist nodig om de benodigde wrijvingsarbeid te leveren. Deze wrijvingsarbeid wordt als een verlies beschouwd en manifesteert zich als wrijvingswarmte.Toch is er een oneindige energievoorraad. De zon levert namelijk dagelijks ongeveer duizend keer zoveel energie als we op deze wereld gebruiken. Het probleem is ech-ter, dat deze energie niet op elk tijdstip van de dag op elke gewenste plek op aarde aanwezig is. Deze energie moet ook bruikbaar worden gemaakt. Het bruikbaar maken van deze grote hoeveelheid is een technologisch probleem en voor de technici is het de uitdaging om oplossingen aan te dragen. Er worden allerlei oplossingen bedacht en uitgewerkt. Zinnig of onzinnig? De tijd zal het leren.

Een voorbeeld van zo’n oplossing is een energietoren (zie figuur 1.4). Aan de 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 kilometer hoge toren die in zee wordt gebouwd en waaruit met behulp van turbines arbeid onttrokken wordt aan het kringloopmedium ammoniak. De toren heeft een diame-ter van 350 meter en zou een elektrisch vermogen van ~7000 MW kunnen leveren. Dit komt overeen met ~50% van het in Nederland opgestelde openbaar elektrisch productievermogen.

Page 23: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

6 hoofdsTuk 1 energIeTechnIek

figuur 1.4 Energietoren 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 energietoren

De kringloop werkt als volgt. Vloeibare ammoniak verdampt op zeeniveau, bij 4-18 °C, in een verdamper en stijgt tot een hoogte van circa 5 kilometer. Vervolgens condenseert de damp aan de top van de toren, bij temperaturen van –35 tot –10 °C, en stroomt terug naar het aardoppervlak. De vloeistof stroomt door turbines en levert hierbij arbeid aan de turbinewaaier. Het temperatuurverschil tussen de luchtlaag op grote hoogte en het zeewater bedraagt enkele tientallen graden. Dit zorgt

ervoor dat de ammoniak blijft circuleren.Volgens de berekeningen kan er circa 7000 MW elektrisch vermogen worden ontwikkeld. Het rendement van deze kringloop h is ongeveer 7-9%. Ter vergelijking moeten we bedenken, dat de openbare elektriciteitscentrales in Nederland een gezamenlijk vermogen van 15 000 MW hebben. De kosten voor deze toren worden geschat op 15 miljard euro. Dat is dan een investering van circa € 2200 per kW.

Een ander voorbeeld is de Archimedes Water Schommel (AWS), zie figuur 1.5. Bij deze machine wordt de energie van grote watergolven gebruikt voor de elek-triciteitsopwekking. Een proefinstallatie voor een vermogen van 6000 tot 8000 megawatt zal ongeveer 15 miljoen euro kosten, wat neerkomt op een bedrag van tussen de € 2500 en € 2000 per kW.

Page 24: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

1.3 van brandsTof naar energIedrager 7

figuur 1.5 Archimedes Water Schommel (AWS)

De werking van de AWS

Twee drijvers met een diameter van 20 meter zijn door middel van een luchtleiding met elkaar verbonden. De drijvers kunnen als een bromtol langs de verticale as naar boven en beneden schroeven. Onder de drijvers zit lucht ingeslo-ten. Deze lucht vult ook het verbindingskanaal tussen de beide drijvers. De afstand tussen de drijvers komt overeen met de halve lengte van een oppervlaktegolf. De waterkolom boven de drijvers varieert met de deining van het

wateroppervlak en veroorzaakt daardoor variaties in de luchtdruk onder de drijvers. Hierbij wordt de lucht in een oscillerende beweging door het verbindingskanaal ver-plaatst, zodat de drijvers op en neer worden geschroefd. De vrijkomende rotatie-energie van de drijvers wordt op deze manier omgezet in elektrische energie. In een proefopstelling werd 20% van de golfenergie omgezet in elektriciteit.

1.3 Van brandstof naar energiedrager

De fossiele brandstoffen zijn ooit gevormd onder invloed van zonlicht. In deze brandstoffen is de energie in chemisch gebonden toestand aanwezig en ze komt vrij tijdens de verbranding. De eindproducten zijn dan altijd koolstofdioxide, wa-terdamp en kleine hoeveelheden koolstofmono-oxide en stikstofdioxiden.Dit verbrandingsproces vindt plaats in een verbrandingskamer van een ketel, een verbrandingsmotor of een gasturbine. In deze verbrandingskamer wordt het brand-stof-luchtmengsel ontstoken en verbrand. De verbrandingskamer zorgt ervoor dat de verbranding optimaal verloopt. Er heerst de juiste verbrandingstemperatuur, de verblijfsduur van het brandstof-luchtmengsel is voldoende lang en de toevoer van de brandstof en de verbrandingslucht en de uitstroming van de verbrandingsgassen verlopen ongestoord. Vaak is het ook nodig dat de wand van de verbrandingskamer

Page 25: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

8 hoofdsTuk 1 energIeTechnIek

gekoeld wordt om het warmteoverschot af te voeren. Nucleaire brandstof is met dit soort brandstof niet te vergelijken.Bij de kernenergie komt energie vrij wanneer de kern van een zwaar atoom gesple-ten wordt of als lichte atoomkernen samensmelten. Het eerste heet kernsplijting en het tweede heet kernfusie. De winning van de energie van de atoomkern verloopt dus op twee manieren. Bij de kernsplijting wordt de atoomkern gehalveerd door een neutron en komen er neutronen vrij uit de gespleten kern. Een deel daarvan draagt haar snelheidsenergie af aan bijvoorbeeld water of een andere stof. Deze snelheidsenergie wordt bij deze overdracht omgezet in warmte. De overige neu-tronen zorgen voor de splitsing van zware atomen. Het proces dat hierbij afloopt noemen we kettingreactie. De omzetting verloopt gecontroleerd als er een constante hoeveelheid atomen wordt gesplitst. De kern van de reactor wordt op deze manier op een constante temperatuur gehouden.Kernsplijting is alleen mogelijk met speciaal geprepareerd uranium of plutonium. Dit materiaal wordt als brandstofstaven of -kogels ter grootte van een tennisbal in het reactorvat geplaatst, waarna het kernsplijtingsproces in gang wordt gezet. De warmte die hierbij vrijkomt, wordt door water, helium of vloeibaar natrium uit het reactorvat afgevoerd en uiteindelijk in een turbine in elektriciteit omgezet. De gebruikte brandstoffen zijn radioactieve materialen, waarvan de uitgezonden straling vanaf een bepaalde hoeveelheid schadelijk is voor de mens en elke andere vorm van leven.De kernfusie verloopt momenteel alleen op laboratoriumschaal. De verwachting is dat het nog enige decennia zal duren, voordat deze techniek op grote schaal toege-past kan worden in de energievoorziening.De hier kort besproken principes worden gerealiseerd door omzetting van een brandstof. Hierbij komt bij hoge temperatuur warmte vrij, die vervolgens weer wordt omgezet in asarbeid en warmte bij lagere temperatuur, zie figuur 1.6.

figuur 1.6 Omzetting van brandstof in warmte en arbeid

brandstof warmtewarmte

verbranding expansie arbeid

Dit is een heel gebruikelijke overgang van de brandstof naar een andere energie-drager. Deze overgang verloopt gefaseerd. Dat wil zeggen dat er eerst verbranding van een brandstof plaatsvindt en dat vervolgens de vrijkomende warmte gedeeltelijk in arbeid wordt omgezet. Dit hoeft echter niet altijd zo te zijn. In een brandstofcel wordt namelijk waterstofgas direct omgezet in elektriciteit en warmte. De techniek van de brandstofcel staat op beperkte schaal ter beschikking, maar het duurt ze-ker nog enkele decennia voordat brandstofcellen op grotere schaal zullen worden toegepast.

1.4 Distributie van energiedragers

Gas, elektriciteit en warmte worden vaak vanaf de energiebron naar de afnemers of gebruikers gedistribueerd. Hierbij overbrugt de energiedrager een zekere afstand.

Page 26: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

1.4 dIsTrIbuTIe van energIedragers 9

Vaak moet hij dan ook nog over een aantal afnemers worden verdeeld en eventueel geschikt worden gemaakt voor het gebruik. Het distributiesysteem, of de overbren-ging, koppelt dus de energiebron aan het proces dat de energie opneemt. Dit is dan vaak weer het apparaat of werktuig dat een lastproces aandrijft. Bij dit transport verandert de energievorm niet. Wel treden transportverliezen op. Om deze te beper-ken, kiezen we bij voorkeur een systeem dat de laagste distributieverliezen oplevert. Een juiste onderlinge afstemming van de drie systemen die in figuur 1.3 (pagina 4) staan weergegeven, is essentieel voor de goede werking van een werktuig of proces. Er wordt dan een optimaal resultaat geleverd.

1.4.1 Distributie van mechanische 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 automotor is de energiebron en tussen deze motor en de wielen zit het distributie-systeem, zie figuur 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 1.7 De aandrijving van een auto (vierwielaandrijving)

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/of achterwielen. De versnellingsbak of een automatische transmissie zorgt voor de aanpassing van het motortoerental, dus van de energiebron, aan het toerental van de wielen. De meeste moderne auto’s hebben ten minste vijf versnellingen vooruit en één versnelling achteruit. Bij een hoge constante snelheid is het motorvermogen nodig om de wrijving te overwin-nen. Als de som van alle weerstandskrachten gelijk is aan de aandrijfkracht kan de auto niet verder versnellen. Bij elektrische auto’s bestaat de aandrijving uit één centrale elektromotor gekoppeld aan een tandwieloverbrenging en differentieel of een elektromotor per wiel.

Page 27: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

10 hoofdsTuk 1 energIeTechnIek

1.4.2 Distributie van elektrische energieOm elektriciteit te distribueren, gebruiken we een zeer uitgebreid hoogspannings-net, zie figuur 1.8. Een dergelijk net is verspreid over het gehele land en verbindt de elektriciteitscentrales met de afnemers. Er zijn verschillende netten. Een 380kV-kop-pelnet (380 000 volt), een 220kV-net, een 150kV-net en een 110kV-net. Verder zijn er midden- en laagspanningsnetten.

figuur 1.8 Het hoog-spanningsnet van Nederland (bron: Tennet)

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 Neder-landse distributienet heeft een transportverlies dat lager is dan 5%. Het 380kV-kop-pelnet maakt deel uit van een internationaal net. Op die manier is er import en export van elektriciteit mogelijk, wat op redelijk grote schaal voorkomt. Naarmate de distributie dichter bij het afneempunt komt, wordt de spanning naar een lager

Page 28: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

1.4 dIsTrIbuTIe van energIedragers 11

niveau getransformeerd. De meeste afnemers zijn aangesloten op het laagspan-ningsdistributienet, dus wordt de spanning van hoogspanning naar laagspanning getransformeerd.

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.

5

6

41

2

3

2 2

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

figuur 1.9 Het leidingstelsel van een eenvoudig cv-systeem

Als we nu eens uitgaan van het systeem voor de centrale warmtevoorziening in een gebouw, dan levert de ketel of bijvoorbeeld een warmtepomp warm water voor de benodigde warmte. Dit warme water wordt via een leidingnet naar de te verwarmen ruimtes getransporteerd en staat daar zijn warmte af aan de radiatoren. Die geven deze warmte dan weer af aan de lucht van deze te verwarmen ruimte. Het leiding-

Page 29: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

12 hoofdsTuk 1 energIeTechnIek

net, zie figuur 1.9, bestaat dan bijvoorbeeld uit stalen pijpen. De aanvoerleiding transporteert het verwarmde ketelwater naar de radiatoren. In de radiatoren koelt dit water af en stroomt via de retourleiding terug naar de ketel. Het net heeft di-verse 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.

1.4.4 TransportverliezenIn alle distributiesystemen treden er verliezen op door wrijvingsarbeid, warmtever-lies en transformatie van energie. Deze verliezen noemt men vaak energieverliezen. Het is echter juister om te spreken over het verlies aan bruikbare energie, omdat er volgens de eerste hoofdwet geen energie verloren gaat. Wrijvingsverliezen zijn ook niet altijd als een volledig verlies aan bruikbare energie op te vatten. Als voorbeeld nemen we de wrijvingsverliezen in een verwarmingssysteem. De wrijvingsarbeid in het leidingnet treedt op bij de temperatuur van het verwarmingswater en wordt omgezet in warmte. Deze warmte wordt toegevoegd aan de warmte van dit water. Wrijvingsverliezen mogen dus worden opgeteld bij de verwarmingscapaciteit. In dit geval is dus het wrijvingsverlies geen verlies. De hoeveelheid energie die wordt toegevoegd, is echter zo gering dat dit effect verwaarloosbaar is.

Voor een cv-systeem van een woonhuis is het benodigde pompvermogen circa 100 watt. Het gevraagde installatievermogen is bijvoorbeeld

10 kW. De benodigde transportenergie bedraagt in dit geval dus 1% van het geleverde vermogen.

Bij uitgebreide energiedistributiesystemen worden de verliezen vaak groter dan 1% van het totaal getransporteerde vermogen. We moeten dan goed afwegen op welke wijze de energie wordt gedistribueerd. Bij de distributie van energiedragers kan dit bijvoorbeeld op grond van het transportverliespercentage van het gedistribueerde vermogen gebeuren. Bij transportwerktuigen is het gebruikelijk om de benodigde transportenergie per ton vervoerde massa goed te hanteren. Daarnaast speelt de afweging van de kosten van het transportsysteem een belangrijke rol.

1.5 Lastprocessen

De eindgebruiker van de energie noemen we het lastproces. Door deze functie wordt de gewenste behoefte gerealiseerd, bijvoorbeeld de verwarming van een vertrek of het vervoer van goederen. De energievormen die het lastproces kenmerken zijn in tabel 1.1 samengevat.Deze tabel kan nog met legio voorbeelden uit de dagelijkse praktijk worden uitge-breid. 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.

Page 30: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

1.5 lasTprocessen 13

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 apparaten, verlichting

1.5.1 Lastkarakteristiek van een rijdende autoEen auto ondervindt tijdens het rijden meerdere wrijvingskrachten. Zolang deze wrijvingskrachten kleiner zijn dan de kracht die door de motor via de overbrenging aan de wielen wordt geleverd, zal de auto versnellen. Als de auto zijn maximale snelheid bereikt, zijn de wrijvingskrachten en de aandrijfkracht op de wielen aan elkaar gelijk. Als deze auto tegen een helling oprijdt, komt er ook nog een kracht langs de helling bij. De maximale snelheid hangt af van de grootte en de massa van de auto en het motorkoppel. Als we uitgaan van een auto die met een constante snelheid een helling oprijdt, zie figuur 1.10, dan bepalen de volgende krachten de benodigde aandrijfkracht:● de zwaartekracht Fz;● de rolwrijving tussen de wielen en het wegdek Fwr;● de lagerwrijving van de overbrenging Fwl; en● de luchtweerstand, of aerodynamische wrijving Fwa.

De hier genoemde krachten lichten we hierna toe.

figuur 1.10 Krachtendiagram van een auto bij een constante rijsnelheid

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 is en hoe groot de normaalkracht FN loodrecht op de helling is. Deze krachten bepalen mede de benodigde trekkracht

Page 31: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

14 hoofdsTuk 1 energIeTechnIek

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:

FN = Fz ◊ cos a = m ◊ g ◊ cos a (1.2)

RolwrijvingDe rolwrijving ontstaat doordat de band en de ondergrond tijdens het rijden vervor-men. Naarmate de vervorming toeneemt, wordt de wrijvingscoëfficiënt fwr groter. De wrijvingscoëfficiënt tussen de autobanden en de ondergrond is afhankelijk van de juiste bandenspanning, het materiaal van de band, de constructie van de band en de ondergrond. Het volgende overzicht geeft een paar richtwaardes van deze wrijvingscoëfficiënt.

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

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

Verder is de rolwrijvingscoëfficiënt fwr van autobanden ook afhankelijk van de snelheid.

De wrijvingskracht volgt uit:

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

In figuur 1.11 staat de rolwrijvingscoëfficiënt voor radiaalbanden uitgezet tegen de rijsnelheid.

figuur 1.11 Rolwrijving afhankelijk van het type band en de rijsnelheid

0,010

0,015

0,020

0,025

0 50 100 [km/uur]

snelheid u

rolw

rijvi

ngsc

oëffi

ciën

t

radiaalbanden

Page 32: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

1.5 lasTprocessen 15

LagerwrijvingVoor de lagering van assen en de wiellagering worden wentellagers gebruikt. De wrijvingscoëfficiënt 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)

Luchtweerstand of aerodynamische wrijvingDe auto ondervindt bij het rijden een aerodynamische weerstandskracht Fwa. Deze kracht neemt toe als de rijsnelheid toeneemt. Het lijkt alsof de lucht met de snel-heid v om de auto stroomt. In werkelijkheid rijdt de auto met de snelheid v door de stilstaande lucht. Er zijn twee oorzaken aan te geven voor het ontstaan van deze weerstand. De eerste is dat de luchtmoleculen in botsing met de auto komen en daardoor van richting veranderen. De weerstand ontstaat door de energie-uit-wisseling tussen de rijdende auto en de lucht en is evenredig met v2. We noemen dit de vormweerstand. De tweede oorzaak is dat de lucht langs het oppervlak van de auto stroomt; luchtmoleculen kleven als het ware vast aan de carrosserie. Dit is de viskeuze wrijvingsweerstand. De grootte van deze weerstand hangt af van de viskeuze schuifspanningen tussen de lucht en de buitenkant van de carrosserie en is evenredig met de snelheid v. De totale wrijvingskracht wordt berekend door deze beide effecten in één vergelijking onder te brengen.

De aerodynamische wrijving is:

Fwa = 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 weerstandscoëfficiënt [-];v = de rijsnelheid [m/s].

Het frontale oppervlak A van de auto is het maximale doorsnijdingsoppervlak dat loodrecht op de rijrichting van de auto staat. Daarom ondervindt een grote auto meer weerstand dan een kleine auto. De waarde van cw bepaalt men experimenteel in een windtunnel. Hiertoe plaatst men een model van de auto in een windtunnel en laat er dan lucht met een bepaalde snelheid langs stromen. Men meet de 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 figuur 1.12.

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

Fw = Fwl + Fwr + Fwa (1.6)

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

(1.7)

Page 33: Toegepaste energietechniek - bua.nl · 1.7.1 Opwekking van elektriciteit en warmte met fossiele brandstoffen 28 1.7.2 Opwekking van elektriciteit met kernenergie 29 ... 2.4 Onvolledige

16 hoofdsTuk 1 energIeTechnIek

figuur 1.12 Weerstands-coëfficiënt 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

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:

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

(1.8)

In de grafiek van het lastproces volgens vergelijking (1.8), zie figuur 1.13, is de totale trekkracht F uitgezet tegen de rijsnelheid bij hellingshoeken tussen 0% en 100%. De lijn bij een hoek van 0% is een vlakke parabool. Deze geeft alleen de wrijvingscomponent van de lastkarakteristiek weer. Bij een groter wordende hel-lingshoek wordt de invloed van deze hellingshoek op de trekkracht steeds groter. De hyperbolen in de grafiek zijn lijnen van constant vermogen. De dikke grafieklijnen stellen de motorkarakteristiek voor bij de verschillende versnellingen. Het snijpunt van de lastkarakteristiek met de motorkarakteristiek in een bepaalde versnelling is het bedrijfspunt van de auto. De rijsnelheid kan niet meer verder toenemen, omdat