Springen naar inhoud

[hydro- / thermodynamica] optimalisatie stooksysteem dutchtub


  • Log in om te kunnen reageren

#1

supern0va

    supern0va


  • 0 - 25 berichten
  • 14 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 05 februari 2008 - 12:12

Dag bovengemiddeld intelligent Nederland,

graag geniet ik jullie hulp bij het volgende.
Ik begeleid de jongerentak van de plaatselijke scoutinggroep. (Nee, daar hoef ik geen hulp mee ;))
Tijdens de halfjaarplanning zijn we op het idee gekomen om zelf een mobiel houtgestookt ligbad te maken, geinspireerd op de dutchtub. (www.dutchtub.com)
Met een paar deelnemers probeer ik nu te bepalen wat bepalend is voor het rendement van zo'n bad. Om de dutchtub warm te stoken mag gerust twee uur worden uitgetrokken, en dat vinden wij eigenlijk te lang. Daarom willen we eerst een theoretisch model maken van de factoren die invloed hebben op het rendement, en in welke mate. Het doel is om dit in een excel sheet te klussen. In die sheet willen we optimale settings bepalen voor de wanddikte van de buis, de spoed van de spiraal, materiaal, enz. Aan de hand daarvan laten we onze nieuwe en verbeterde spiraal maken bij het bedrijf van de vader van een van de deelnemers. Het is wel de bedoeling dat dit een blits, verzorgd geheel wordt omdat we er de show mee willen stelen op de aankomende districtwedstrijden.

De hoofdvraag waar we dus mee zitten komt op het volgende neer:

Hoe kan het stooksysteem van de dutchtub het best worden aangepast om tot een maximaal rendement te komen?

Om dit op te lossen moet een aantal vragen worden beantwoord:

  • Waarom werkt de spiraal van de dutchtub uberhaupt?
Ik heb al eens in zo'n tub gebadderd. Bij het verwarmen hoor je in eerste instantie het water ruisen, net als een waterkoker of een fluitketel net voordat het water gaat koken. (Waar komt dat kabaal eigenlijk vandaan?)
Als de spiraal en het water echt een beetje op temperatuur komen komt het hete water er bovenaan met horten en stoten uit. Zou dit door plotselinge (stoom)drukopbouw in de spiraal kunnen komen?


en verder:
  • Welke factoren zijn bepalend voor het rendement van de verwarmingsspiraal?
Een brainstormsessie van onze kant leverde de volgende factoren die door engineering van de spiraal aan te passen zijn:
-Wanddikte buis
-Materiaal buis
-Diameter buis
-Vorm van de doorsnede van de buis
-Aanwezigheid 'deksel' op de spiraal (de tub gebruikt hier een wok voor :D)
-Plaats van verhitting op de spiraal
-Oppervlakte / diameter verhouding van de buis (ribben?)
-Spoed van de buis
-Toename in spoed van de buis
-Weerstand van het water door de buis

Bovendien nog een aantal factoren die tijdens het stoken aan te passen zijn, maar deze zijn minder interessant.

Mocht iemand een kant-en-klaar rapport over dit principe hebben liggen, dan graag, natuurlijk. Maar gezien die mate van onwaarschijnlijkheid is alle ander hulp meer dan welkom. Ik ben niet lui en jullie hoeven me niet alles voor te kauwen, een duwtje in de goede richting is al meer dan welkom. (Naam van het werkingsprincipe? Formules?)
Als iemand de invloed van een van bovenstaande factoren wel compleet kan verklaren houd ik me aanbevolen.

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

#2

Jan van de Velde

    Jan van de Velde


  • >5k berichten
  • 44820 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 05 februari 2008 - 14:41

  • Waarom werkt de spiraal van de dutchtub uberhaupt?
Ik heb al eens in zo'n tub gebadderd. Bij het verwarmen hoor je in eerste instantie het water ruisen, net als een waterkoker of een fluitketel net voordat het water gaat koken. (Waar komt dat kabaal eigenlijk vandaan?)

belletjes stoom die ontstaan aan de buiswand en even verder in koeler water imploderen. dat gaat niet zonder lawaai

Als de spiraal en het water echt een beetje op temperatuur komen komt het hete water er bovenaan met horten en stoten uit. Zou dit door plotselinge (stoom)drukopbouw in de spiraal kunnen komen?

stoom wil omhoog (geringere dichtheid dan het omringende water) en gaat dan werken als een bellenpomp. Je koffiezetapparaat werkt op een vergelijkbaar principe. Verder zegt de site zelf:

This is a simple exercise in natural convection system … drawing cold water form the bottom and circulating it to the top.

wat dus vergelijkbaar is met de ouderwetse pomploze CV.

Als ik het ontwerp zo bekijk zit de mogelijk grootste winst in een verlenging van je spiraal, en het "inpakken" hiervan. Als ik de foto's goed begrijp brandt er hout in een open mandje dat in de spiraal hangt. De spiraal wordt zo, lijkt me, hoofdzakelijk opgewarmd door straling van het vuur, maar ook weer afgekoeld door (koude) lucht die door de schoorsteenwerking boven het vuur door de spiraal naar binnen wordt gezogen.

ze beweren dat (onder naar ik aanneem gemiddelde omstandigheden) 5 cft ofwel ca 135 L ofwel ca 100 kg hout nodig is om het bad op te warmen naar 38°C.

Hout heeft een stookwaarde van ca. 16·106 J/kg, dat hout zou dus ca 1,6·109 J kunnen leveren.
Ik lees ergens iets over een inhoud van 800 L water. Stel nou dat dat er in gaat op 13°C, dan moet het nog 25°C opgewarmd worden.

Q=m·c·ΔT = 800 x 4186 x 25 = 8,4·107 J.

rendement η = (Enut/Ein ) x 100%= (8,4·107 / 1,6·109) x 100 % = 5%


Lees ik de specificaties verkeerd, en zijn die twee zakken hout sámen 2,5 cft ipv elk 2,5 cft, dan is het rendement nog steeds maar 10%.

Hier lijkt me dus een enorme winst haalbaar.

Veranderd door Jan van de Velde, 05 februari 2008 - 14:53

ALS WIJ JE GEHOLPEN HEBBEN....
help ons dan eiwitten vouwen, en help mee ziekten als kanker en zo te bestrijden in de vrije tijd van je chip...
http://www.wetenscha...showtopic=59270

#3

supern0va

    supern0va


  • 0 - 25 berichten
  • 14 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 06 februari 2008 - 12:21

Hallo Jan,

hartelijk bedankt voor de reactie. Logisch verhaal van die imploderende bellen, maarja, kom er maar eens op :D
Momenteel ben ik bezig om het rendement van de dutchtub nauwkeuriger te benaderen. In een klad berekeningetje was ik al eens uitgekomen op een rendement van 9% ofzo, volgens dezelfde methode als hierboven. Nu wil ik ook het energieverlies van het water tijdens het opwarmen meenemen. Ik loop alleen vast bij de berekening.

Ik neem aan dat de 800 l water in de tub in 2.5 uur 18 graden warmer wordt gestookt. (20 tot 38 graden)
Dit bij een buitentemperatuur van 20 graden.
Nu wil ik het warmteverlies in die tijd bepalen. Ik neem aan dat het verwarmen van het water lineair verloopt. Het gemiddelde temperatuurverschil met de buitenlucht is dus 9 graden. Hoeveel energie 'verliest' het water in deze situatie?

Ik ga ervan uit dat deze warmtegeleiding plaatsvindt door een combinatie van convectie en straling. In onderstaande afbeelding heb ik een situatieschets gemaakt:
http://img529.images...ubschetsza9.jpg
Echter hier loop ik vast. Ik ga ervan uit dat ik de samengestelde weerstand moet bepalen van de 'isolerende' lagen (dus lucht en polyester). Ongeveer zoals hier
http://www.recticeli...eoverdracht.htm
wordt uitgelegd. Maar ik heb het gevoel dat ik iets mis. Waar laat ik de oppervlakte, waar laat ik het temperatuurverschil?

Als iemand me aan de juiste formule / benaderingsmethode kan helpen is dat genoeg, ik doe het rekenwerk zelf graag.
Bedankt!

Veranderd door supern0va, 06 februari 2008 - 12:22


#4

supern0va

    supern0va


  • 0 - 25 berichten
  • 14 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 07 februari 2008 - 17:28

Na de nodige uurtjes research ben ik nog niet zo gek veel verder. Ik heb geprobeerd om te bepalen hoeveel energie er per seconde wordt afgegeven door het water. Ik heb me tot nu toe alleen gericht op de deksel. Ik neem voor het gemak even aan dat de luchtlaag tussen het wateroppervlak en de deksel bestaat uit stilstaande lucht. Het water geeft energie af aan deze lucht, waardoor deze opwarmt. Deze lucht geeft op zijn beurt energie af aan het polyester deksel. Het deksel verliest zijn energie aan de buitenlucht. Ik neem aan dat alle warmte die het buitenoppervlakte van het polyester 'bereikt' meteen door de stromende buitenlucht wordt weggevoerd.

Laten we zeggen dat alle warmtetransport geschiedt door vrije convectie. Hier is de wet van Newton van toepassing:

Geplaatste afbeelding

De waardes voor de convectiecoëfficiënt heb ik gevonden op een site over isolatie van gebouwen. Ik kan de link zo snel even niet meer vinden maar ik heb de volgende waarden uit een tabel geplukt:

warmteoverdrachtscoefficient (alpha) naar vast medium (in W/m.m.K)
Stilstaande lucht - 2 tot 8 (gemiddeld 5)
stromende lucht - 10 tot 100
condenserende waterdamp - 5000 tot 15000 (gemiddeld 10000)

De tabel gaat over de overdracht van energie naar een vast medium. Ik begrijp hieruit dat de lucht zijn energie afgeeft aan een vast medium. Ik neem bij gebrek aan meer informatie aan dat ik dit kan omdraaien en dat een vast medium zijn energie ook af kan geven aan lucht, volgens dezelfde coefficient. Tenslotte (ook bij gebrek aan beter) neem ik aan dat het wateroppervlak als een vast medium beschouwd kan worden. (Dat klinkt helemaal krom natuurlijk, maar ik ga ervan uit dat de snelheid waarmee iets afkoelt afhangt van de snelheid waarmee de warmte wordt opgenomen, en deze constante is al verwerkt voor de luchtlaag.)

Als ik hiermee bereken hoeveel energie er per seconde uit het wateroppervlakte overgedragen wordt aan de lucht kom ik volgens

Q = h . (delta)T . A

en de gegevens uit mijn situatieschets van de vorige post, uit op

Q = 5 . 9 . 2 = 90W (bij stilstaande lucht) (lijkt me erg weinig)
Q = 10000 . 9 . 2 = 180 kW (bij condenserende waterdamp... er zit in feite stoom onder de deksel dus ik denk ik vul het ff in. Maar dit is juist weer belachelijk veel.)

En wat ik hierna met deze informatie moet is me nog helemaal een raadsel. Weer een warmteoverdracht van de verwarmde lucht naar het polyester? En dan...
Wie wijst mij in de goede richting?

#5

Jan van de Velde

    Jan van de Velde


  • >5k berichten
  • 44820 berichten
  • Moderator

Geplaatst op 07 februari 2008 - 17:49

Ik zou niet te moeilijk doen en gewoon heel die bak gevuld met water veronderstellen. Condensatie van waterdamp tegen een koud deksel kan inderdaad voor behoorlijk energieverlies zorgen, maar direct contact met water van 38°C doet dat ook.

Dan hoef je alleen te reken van een polyester binnenwand van 38°C naar buitenlucht van bijv 20°C.
ALS WIJ JE GEHOLPEN HEBBEN....
help ons dan eiwitten vouwen, en help mee ziekten als kanker en zo te bestrijden in de vrije tijd van je chip...
http://www.wetenscha...showtopic=59270

#6

supern0va

    supern0va


  • 0 - 25 berichten
  • 14 berichten
  • Gebruiker

Geplaatst op 07 februari 2008 - 20:03

Condensatie van waterdamp tegen een koud deksel kan inderdaad voor behoorlijk energieverlies zorgen, maar direct contact met water van 38°C doet dat ook.

Hoi Jan,

bedankt voor je reactie. Ik had inderdaad al nagedacht over jouw voorstel, maar puur op boerenverstand leek de luchtlaag me wel van wezenlijk belang. Immers, stilstaande lucht is een isolator en houdt op die manier misschien warmte 'binnen'? Bovendien zal in eerste instantie geen sprake zijn van vorming van waterdamp omdat het verschil in water- en buitentemperatuur nog heel klein is. Hm, misschien toch geen gemiddeld temperatuurverschil aannemen maar een lineair verloop van 20 naar 38 graden over 2.5 uur, en vanaf een temperatuurverschil van x graden een extra factor meerekenen voor warmteverlies door condensatie? Als je daar de integraal van uitrekent zou je een redelijke benadering moeten krijgen.

Of zoals jij zegt gewoon niet moeilijk doen... Ach, ik ben een perfectionist :D

Bedankt in elk geval, ik ben weer een stukje wijzer.





0 gebruiker(s) lezen dit onderwerp

0 leden, 0 bezoekers, 0 anonieme gebruikers

Ook adverteren op onze website? Lees hier meer!

Gesponsorde vacatures

Vacatures