Springen naar inhoud

Warmtegeleidingscoefficient staal


  • Log in om te kunnen reageren

#1

henkdelange

    henkdelange


  • 0 - 25 berichten
  • 7 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 15 december 2011 - 21:09

Hoi,

Ik heb een betonnen, geisoleerde bak waarin water zit wat opgepompt en teruggepompt wordt.
Het water in de bak is warmer dan de buitenlucht.
Het water wordt door een convector gepompt om af te koelen.

Nou vroeg ik me af of hetzelfde effect niet te bereiken is door het water in een stalen bak te doen.
Door de geleiding van het staal zou ik het water dan af willen koelen zonder gebruikt te maken van die convector.

Nu heb ik al heel wat gelezen over warmtegeleidings coefficienten en raak alleen maar meer verwardt.

Welke formule moet ik precies gebruiken om uit te rekenen hoeveel warmte die bak kan geleiden?
Ik wil ook spelen met de oppervlakte van de bak en de dikte van de wand, omdat meer oppervlakte uiteraard beter koelt en als ik het goed begrijp is de dikte van het materiaal (staal in dit geval) bepalend voor hoeveel warmte er doorheen kan.

(Leek mij dat staal van 1 cm dik net zogoed geleid als 10cm dik, alleen duurt het wat langer voordat de buitenkant is bereikt, maar dit schijnt niet zo te zijn?)

Even hoever ik ben gekomen:
Staal heeft een lambda waarde van 50, dus 50 joule per vierkante meter per graad verschil bij een dikte van 1 meter.
Pak ik een plaat van 1 vierkante meter, 1 cm dik, dan is het dus nog maar 0,5 joule.
Heb ik een bak met een oppervlakte van 10 vierkante meter, 1 cm dik staal, temperatuur verschil van 6 graden dan krijg ik dus 10 * (50/100) * 6 = 30 joule?
Ik had ook ergens iets gevonden dan een dunnere wand juist beter geleid dan een dikkere wand maar daar ga ik hier al de mist in want dat zit in deze formule niet verwerkt.

Welke formule moet ik gebruiken om de warmte geleiding in watt of joule per seconde uit te kunnen rekenen?

Dit forum kan gratis blijven vanwege banners als deze. Door te registeren zal de onderstaande banner overigens verdwijnen.

#2

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 15 december 2011 - 22:58

Begrijp ik dit goed: wil je de bestaande ge´soleerde betonbak vervangen door een onge´soleerde stalen bak?
Waarom is de bestaande betonbak eigenlijk ge´soleerd als je het water af wilt koelen? Hoe warm is dat water?

Als je warm water in een stalen bak in de open lucht laat staan dan heeft de dikte van het staal vrijwel geen invloed op de afkoeling. Het warmteverlies naar de omgeving wordt bepaald vrijwel alleen bepaald door de warmteoverdracht tussen het warme water en de stalen binnenwand, door de warmteoverdracht tussen de stalen buitenwand en de buitenlucht, door de warmte-uitstraling naar de omgeving, en door de verdamping (als er geen deksel op de bak zit).

Het is dus vele malen moeilijker te berekenen dan jij dacht.
Hydrogen economy is a Hype.

#3

henkdelange

    henkdelange


  • 0 - 25 berichten
  • 7 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 15 december 2011 - 23:19

Ja, waarom isoleren als het koel moet zijn... ik weet het ook niet maar er zal vast wel een slimmerik over nagedacht hebben.

Laat ik het hele verhaal maar vertellen:

Onder de grond hebben wij een betonnen bak van zo'n 15 kuub maar er zit niet meer dan 10 kuub water in.
Dat water is voor processkoeling, van een hardingsoven.
De bak is van beton, zal wel goedkoper geweest zijn dan staal.
De isolatie is gewoon de grond, hij zit ongeveer 30 cm onder de klinkerweg.
Er ligt dus een zware bewapende betonplaat boven op die bak, anders kun je er niet overheen rijden.
Ik weet dat het goed geisoleerd is want als ik het water niet verwarm of afkoel blijft het bijzonder lang dezelfde temperatuur.

Het process:
Het water mag niet warmer worden dan zo'n 40 graden, want door het koelprocess wordt het namelijk 50 graden opgewarmd en dan zit je een beetje tegen het koken/stoomvorming aan.
Normaal gesproken komt het dus met zo'n 70 tot 75 graden terug.

Uit die grote bak trekt 1 pomp het water, duwt het door de oven en dan loopt het in vrije val terug.
Tevens trekt een andere pomp water omhoog, pompt het ongeveer 8 meter omhoog naar het dak naar een open koeltoren, waarna het door een andere buis vrij in de bak terug stroomt.

Dit systeem heeft wel wat nadelen:
- inefficiente koeling want het warme water wordt gemengd met het koude water en dat moet dan afgekoeld worden. Het is makkelijker koelen als het warme water meteen eerst flink wordt afgekoeld.
- water omhoog pompen naar het dak kost nogal wat kracht/elektriciteit (3KW)
- Omdat het een open waterkoeler is moet er goed gecontroleerd chloor worden toegevoegd ivm legionelle risico
- Omdat een deel van het water op het dak wordt verdampt dient er water te worden toegevoegd
- Omdat het water indikt ivm de verdamping moet er ook water worden gespui'd (of hoe je dat ook schrijft) en ook worden aangevuld.
- de koeltoren heeft ook een redelijke ventilator (4KW/6KW (laag/hoog schakeling))

In eerste instantie wou ik laten kijken om de koeltoren te laten vervangen door een drycooler (convector) om zodoende een gesloten systeem te krijgen.
Dan hoef ik praktisch geen verdamping, dus geen indikking, dus hoef ik niet veel water te dumpen en aan te vullen, en chloor bij te vullen.
Dit alles zou nogal wat geld besparen, en het risico op legionella (ondanks dat dat er al bijna niet is want we hebben gewoon process apparatuur die dat in de gaten houd) wordt automatisch minder.

Nu gaat ook de warmte gewoon altijd verloren.
Ik zou dit in de winter graag in het pand laten blijven (dus water afkoelen binnen in het gebouw) en in de zomer buiten het gebouw.
Maar passief koelen is nog mooier, kost geen elektriciteit en ik heb toch wel even de tijd.
Het water heeft minimaal 24 uur om van b.v. 40 graden terug naar 30 graden te koelen (zomer situatie).

Dus, als ik het passief wil koelen, zou dat kunnen met een stalen bak?
En mijn vervolg vraag zou zijn, zou het helpen om die bak van extra oppervlak te voorzien, b.v. door koelribbels op te laten lassen.

Voordat ik e.e.a. door een bedrijf laat uitrekenen wil ik zelf altijd graag wat achtergrond informatie hebben over wat redelijk is en wat niet.

#4

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 16 december 2011 - 13:21

Het water heeft minimaal 24 uur om van b.v. 40 graden terug naar 30 graden te koelen (zomer situatie).

Om 10 m3 water 10 graden af te koelen moet 419000 kJ warmte verwijderd worden.

Stel dat die stalen bak op de grond staat en dat 25 m2 oppervlak (bodem niet meegerekend) in contact is met de buitenlucht, dan zal de warmteoverdrachtscoefficient van water naar lucht ruwweg in de orde van 5 - 25 W/m2.oC (Watt per m2 oppervlak en per graad temperatuursverschil water-lucht) zijn, sterk afhankelijk van de windsnelheid. Dat is aangenomen dat de bak overdag helemaal geen warmte opneemt door opvallend zonlicht (wit verven en in de schaduw plaatsen) want anders komt er van afkoelen niet veel terecht.

In theorie zullen er in de zomer dagen zijn dat het water in de bak inderdaad 10 graden in 24 uur afkoelt, maar ook dagen dat dat niet zo is. Koelribben op de bak lassen verbetert de afkoeling maar dan moet je er wel enorm veel op lassen om wezenlijk verschil te maken.
Kan het ovenwater nog vrij terugstromen in zo'n bovengrondese stalen bak of heb je dan een nieuwe pomp nodig?

De huidige koeltoren vervangen door een drycooler heeft als nadeel dat de koeling wel eens erg tegen kan vallen in de zomer, omdat een drycooler koelt tegen de luchttemperatuur met een vrij groot temperatuursverschil (wateruitlaat zeg 5 - 10 graden boven luchttemperatuur), maar een koeltoren tegen de natteboltemperatuur van de lucht en bovendien door intensief contact tussen lucht en water met een klein temperatuursverschil werkt (wateruitlaat zeg 3 graden boven natteboltemperatuur).

Het beste is om het hete water dat van de oven terug stroomt met 75 oC af te koelen in een drycooler, of radiators, naar 35 - 40 oC. Daarvoor heb je wellicht een nieuwe pomp nodig, maar dan kun je de bestaande betonnen bak gewoon blijven gebruiken.
Wat is het waterdebiet (m3/uur of liter/minuut) dat naar de oven gepompt wordt?
Hydrogen economy is a Hype.

#5

henkdelange

    henkdelange


  • 0 - 25 berichten
  • 7 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 19 december 2011 - 02:25

Tijdens de snelkoeling wordt er ongeveer 2 kuub per minuut doorheen gepompt.
Ietsje minder, maar niet veel, maar zeker meer dan 1,5 kuub per minuut.

Er zit zo'n 750 kilo staal in, ik neem even aan 500 joule per kg per K
Dus dat is zo'n van 1100 terug naar 200 = 900
900 graden * 500 joule * 750 kilo = 337500 kJ

De bak wordt door het koelprocess ongeveer 7 tot 8 graden warmer dan hij was, maar tijdens de koelcyclus van de oven word het water immers al gekoeld door de koeltoeren.
Deze warmte wil ik in de winter graag in de hal opvangen zodat ik minder hoef te stoken.
337,5 megajoule staat toch al snel voor 337,5/ / 31,65 (aardgas) = 10,6 kuub gas

Het lastige is echter om die warmte er supersnel uit te trekken, ivm het hoge debiet.
Dan moet ik wel een enorme radiator/convector hebben.
Verders wil ik het water ook niet teveel afremmen.
De uitgaande buis is vrij kort en die buizen komen samen in die afvloeibak zodat mocht er ooit stoomvorming optreden de kans toch weer kleiner is dat de boel ontploft omdat die stoom dan in die afvloeibak komt.
Je moet er niet naast staan maar het is beter dan stoom in de oven.
Als het ergens fout gaat terwijl de oven boven de wat was het, 800 graden? zit dan heb ik zo een paar honder bar op de behuizing en dat komt niet goed.

Het water komt op een hoogte van ongeveer 2 meter uit de oven, onder druk (ongeveer 2 tot 3 bar)
Het is in principe zo te maken dat het water nog steeds vrij terugstroomt naar een bak boven de grond.

Eigenlijk is er dus geen andere oplossing dan 10 kuub water voorhanden te hebben waarmee je gaat koelen.
Naderhand kan ik er dan de warmte uittrekken.
Desnoods zou ik het op kunnen vangen in een stalen bak, en langzaam weer terug laten stromen in de betonnen bak.

Heeft de dikte van het staal nog iets te maken met de geleidbaarheid?
Dus kan staal van 1cm dik beter warmte afvoeren dan staal van 10cm dik?

En op wikipedia staat dat staal 50 W/m*K is en aluminium 237 W/m*K.
Zou aluminium echt 4 tot 5 keer beter werken?
(Zit in de metaal wereld, een aluminium bak is voor mij wel te regelen...)

Ik zou het niet erg vinden om een dure bak te moeten laten maken, als ik dan maar passief kan koelen.
Anders heeft het geen zin, dan zou ik eerder laten kijken om een aardige drycooler neer te zetten zodat ik minder hoef te verversen.

#6

henkdelange

    henkdelange


  • 0 - 25 berichten
  • 7 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 19 december 2011 - 13:36

Nog even dit om te kijken of ik het wel goed snap:

1 watt is 1 joule per seconde.
1kWh staat gelijk aan 1000 * 60 * 60 = 3600000 joule oftewel 3600 kJ

In de oven zit een 419000 kJ aan warmte energie.
in kWh is dat dan 419000 / 3600 = 116,39 kW

Ik neem aan dat als het koelvermogen van een drycooler 100kW is, dat dat beteken dat hij 100kW per UUR kan koelen.
(In het boekje gaat men uit van 100kW als de omgevings temp 10 graden lager is dan het inkomende water).

Met een 100kW drycooleris dat dus af te koelen in 116,39 / 100 = 1,16 uur oftewel 1 uur 10 minuten.

Ongetwijfeld gaat dat nooit lukken omdat het geen continue temperatuur is, het warme water wordt immers continue vermengd met het terugkomende koude water.

Maar klopt het wel dat een 100kW drycooler in 1 uur tijd 100(kW) * 3600 kJ (watt per second) = 360.000 kJ aan energie zou moeten kunnen afgeven?

#7

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 19 december 2011 - 13:43

Heeft de dikte van het staal nog iets te maken met de geleidbaarheid?
Dus kan staal van 1cm dik beter warmte afvoeren dan staal van 10cm dik?

En op wikipedia staat dat staal 50 W/m*K is en aluminium 237 W/m*K.
Zou aluminium echt 4 tot 5 keer beter werken?
(Zit in de metaal wereld, een aluminium bak is voor mij wel te regelen...)

Zoals ik al in berichten #2 en #4 heb proberen duidelijk te maken: de dikte of soort metaal maakt niets uit op het warmteverlies van de bak. Dat 'verlies wordt vrijwel volledig bepaald door de overdracht naar lucht aan de buitenzijde van de bak. Als er geen wind is dan gebeurt dat slechts door natuurlijke convectie en wat straling, samen in de orde van ruwweg 5 W/m2.K bij een bak met water van 40 oC. De waterbeweging in de bak maakt een klein beetje uit: met roeren zou het warmteverlies een ietsje toenemen maar dat is zo weinig dat het echt niet de moeite zou lonen een roerder te installeren. Het effect van metaal wanddikte of materiaal is minder dan 0,1 % op het totale warmteverlies, volkˇˇˇˇˇˇmen verwaarloosbaar dus.

Tijdens de snelkoeling wordt er ongeveer 2 kuub per minuut doorheen gepompt.
Ietsje minder, maar niet veel, maar zeker meer dan 1,5 kuub per minuut.

Het is inderdaad niet erg praktisch zo'n groot debiet te koelen voordat het de bak inloopt.
Ik begrijp alleen de eerder genoemde temperaturen niet meer. Je schreef eerst:

Het water mag niet warmer worden dan zo'n 40 graden, want door het koelproces wordt het namelijk 50 graden opgewarmd en dan zit je een beetje tegen het koken/stoomvorming aan.
Normaal gesproken komt het dus met zo'n 70 tot 75 graden terug.

Daarna:

Het water heeft minimaal 24 uur om van b.v. 40 graden terug naar 30 graden te koelen (zomer situatie).

En nu:

De bak wordt door het koelprocess ongeveer 7 tot 8 graden warmer dan hij was, maar tijdens de koelcyclus van de oven word het water immers al gekoeld door de koeltoren.

De laatste twee uitspraken zijn min of meer gelijk: er is ruwweg 400.000 kJ warmte door het water opgenomen. De eerste uitspraak suggereert veel meer opgenomen warmte, tenzij de koeling maar 1 minuut zou duren, dus slechts 2 m3 heet water op zou leveren.....
Kun je dit nog eens verduidelijken?

Ik stop hier even, want ik zie nu dat je terwijl ik dit schrijf een nieuwe reactie geplaatst hebt.
Hydrogen economy is a Hype.

#8

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 19 december 2011 - 13:58

1 watt is 1 joule per seconde.
1kWh staat gelijk aan 1000 * 60 * 60 = 3600000 joule oftewel 3600 kJ

Correct.

In de oven zit een 419000 kJ aan warmte energie.
in kWh is dat dan 419000 / 3600 = 116,39 kW

Niet 116 kW maar 116 kWh.

Ik neem aan dat als het koelvermogen van een drycooler 100kW is, dat dat beteken dat hij 100kW per UUR kan koelen.
(In het boekje gaat men uit van 100kW als de omgevings temp 10 graden lager is dan het inkomende water).

Niet 100 kW per uur, maar 100 kWh per uur, oftewel gewoon 100 kJ/s. Overigens is de gewenste temperatuur van het uitgaande water van zeer grote invloed op het werkelijke vermogen. Als je 10 m3 water af wilt koelen van 40 naar 30 graden met lucht van 30 graden (10 graden kouder dan inkomende water) gaat dat echt niet lukken en doet de drycooler beslist geen 100 kW. Maar misschien maak je een typefout en staat in het boekje: 100 kW als de omgevingstemperatuur 10 graden lager is dan het uitgaande water.

Maar klopt het wel dat een 100kW drycooler in 1 uur tijd 100(kW) * 3600 kJ (watt per second) = 360.000 kJ aan energie zou moeten kunnen afgeven?

Ja, als de drycooler onder jouw procescondities werkelijk 100 kW afvoert: 100 kJ/s * 3600 s = 360.000 kJ

Wat is de fabrikant en typenummer van die drycooler?
Hydrogen economy is a Hype.

#9

henkdelange

    henkdelange


  • 0 - 25 berichten
  • 7 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 19 december 2011 - 14:03

Over de temperaturen: inderdaad erg onduidelijk opgeschreven door mij.

De totale temperatuur in de bak zelf zal niet meer dan 10 graden stijgen.
Met die "50 graden hoger" bedoelde ik het water dat uit de snelkoelleiding komt.
Het water gaat er vanuit de bak met b.v. 20 graden de koelleiding in, waar het vervolgens met zo'n 70 graden weer uitkomt en terug in de bak loopt.

De hoge uittrede temperatuur is enkel in de eerste minuten.
Daarna is het product in de oven al onder de 800 graden.
Tevens zal het uitgaande water warm blijven, omdat het er daarna ook warmer ingaat.
Dus na de eerste minuten gaat er ook geen 20 graden water in maar zo'n 25 graden, dus komt het er nog steeds met zo'n 40 tot 50 graden uit.

Ik heb een plaatje toegevoegd van een meting van 1 van de 3 koelleidingen.
Het debiet per leiding is iets meer dan een halve kuub per minuut, dandaar die 1,5 tot 2 kuub per minuut.

Ik ben wel blij dat de dikte van de wand niets uitmaakt, sorry dat ik dat nog niet helemaal doorhad.

Bijgevoegde miniaturen

  • uittredendetemp.JPG

#10

henkdelange

    henkdelange


  • 0 - 25 berichten
  • 7 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 19 december 2011 - 14:31

De dry cooler is van windex (vaag italiaans merk).

Buiten temp specificatie is inderdaad fout, moet zijn 10 graden onder de uittrede temp.
Dus bij 25 graden buitentemp, water inkomend met 40 graden dan komt het eruit met 35 graden, ervan uitgaande dat het water voor 35% uit glycol bestaat wat bij mij niet het geval is.

Maar volgens mij puur water zonder glycol gaat alleen maar beter omdat het dan meer energie bevat (glycol lagere calorische waarde als water, toch?)

Is overigens natuurlijk ook weer afhankelijk van het debiet, als ik het langzamer laat stromen komt het er kouder uit.
Maar de uittredende temp is voor mij niet zo belangrijk, eerder de temp van de hele bak.

Stel dat hij in mijn situatie maar 50kW afvoert dan kan hij nog de hele bak in 3 uur tijd 10 graden afkoelen (mits ik 10 graden boven de buiten temp blijft).

#11

Fred F.

    Fred F.


  • >1k berichten
  • 4168 berichten
  • Pluimdrager

Geplaatst op 19 december 2011 - 17:52

De totale temperatuur in de bak zelf zal niet meer dan 10 graden stijgen.
Met die "50 graden hoger" bedoelde ik het water dat uit de snelkoelleiding komt.
Het water gaat er vanuit de bak met b.v. 20 graden de koelleiding in, waar het vervolgens met zo'n 70 graden weer uitkomt en terug in de bak loopt.

Dat was me al duidelijk. Maar wat ik niet wist is hoe lang de koeling doorloopt, en eigenlijk is me dat nog niet duidelijk. De figuur lijkt aan te geven: minstens 15 minuten?
Als ik voorlopig uit ga van 15 minuten lang koelen met een waterdebiet van 30 kg/s (1,8 m3/minuut) wat naar de oven stroomt met een temperatuur van 20 oC (begin) tot 28 oC (na 15 minuten) dan is de wateropwarming in het begin 70 - 20 = 50 graden en op het eind nog 42 - 28 = 14 graden. De totale door het water opgenomen warmte is dus ongeveer:
30 kg/s * 4,19 kJ/kg.oC * (50 + 14)/2 oC * 900 s = 3.600.000 kJ
(als de koeling van de oven langer dan 15 minuten loopt is het zelfs nog hoger).

Dat is ongeveer 10 keer zoveel als de opwarming van het water in de bak suggereert.
Het water koelt niet alleen die 750 kg staal af maar ook (een deel van) de oven.
Dat zou betekenen dat de koeltoren tijdens de ovenkoeling al 90 % van de totale warmte afvoert met een gemiddeld vermogen van maar liefst 3600 kW, zodat het water in de bak tijdens de ovenkoeling maar 8 graden opwarmt i.p.v. 80 graden.

Als dat werkelijk zo is, en je de koeltoren door een drycooler vervangt, moet die drycooler dus vÚÚl meer vermogen hebben dan jij nu denkt.

Maar wellicht is het waterdebiet naar de oven veel minder dan de 1,5 - 2 m3/minuut die jij denkt.

Kijk dus nog eens heel goed naar het waterdebiet, de totale tijd dat de oven gekoeld wordt, en de temperaturen van het water naar en vanaf de oven gedurende de hele ovenkoeltijd (langere grafiek).

Indien mogelijk: meet ook eens het waterdebiet, en de temperaturen van het water naar en vanaf de koeltoren gedurende de hele ovenkoeltijd zodat we nauwkeuriger kunnen berekenen wat het werkelijke vermogen van die koeltoren is.
Hydrogen economy is a Hype.





0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures