Warmteverlies door opwarmen van buis zelf

[Nils89]

Ik heb de afgelopen dagen al meerdere topics op dit forum doorzocht, echter kom ik steeds niet tot een antwoord op mijn vraag.
 
Ik ben bezig met het herontwerpen van een testopstelling, waar warmtepompen aan zullen worden getest.
In de bijlage heb ik een schematische tekening geplaatst van de huidige situatie. Het herontwerp heeft vooral invloed op de regeling van de aanwezige mengkleppen en circulatiepompen. De opstelling is namelijk bedoeld om de efficiëntie van de warmtepomp te testen. Dit wordt gedaan door de ΔT over de uit-en ingang van de warmtepomp naar een bepaalde waarde te regelen met het debiet. Een mogelijke test is bijvoorbeeld 30 °C water aan de afgiftezijde de warmtepomp in, om vervolgens 35 °C water uit de warmtepomp te krijgen. De mengklep mengt vervolgens uit de retour van de warmtepomp en het aanwezige buffervat weer naar 30 °C.
 
Nu ben ik bezig met een rekenmodel om bepaalde aanpassingen aan de huidige situatie te kunnen beproeven. Daarnaast wil ik ook tot op zekere hoogte al waarden bepalen voor de PID-regelaars die uiteindelijk aan de mengklep-motoren komen te hangen.
 
In mijn rekenmodel zeg ik simpelweg dat de uitgaande temperatuur van de warmtepomp exact 5 °C hoger is dan de ingaande temperatuur. Verder weet ik van een bepaalde warmtepomp ook wel debiet hoort bij deze ΔT van 5 °C en weet ik ook wel het vermogen, echter waar ik op vast loop zijn de verliezen.
 
In de huidige situatie zijn de leidingen uitgevoerd in Koper en zijn deze niet geïsoleerd (uiteindelijk wil ik in het model kunnen bepalen wat het verschil is tussen zonder en met buisisolatie). Om het warmteverlies te bepalen heb ik de volgende formule gebruikt:
 
Q = 1/Rw * A * ΔT
met A het oppervlak van de buitenwand van de buis en ΔT het verschil in temperatuur van het medium en de omgevingstemperatuur. de Rw waarde is berekend met de lambda-waarde van koper.
 
Wat ik echter, naar mijn inziens, nog niet meeneem is het daadwerkelijke opwarmen van het koper zelf. Of zit dat ook al verwerkt in deze formule?
 
Voor mijn gevoel moet ik namelijk ook berekenen hoeveel energie verloren gaat aan het opwarmen van de buis zelf en vervolgens hoeveel energie er weer verloren gaat aan geleiding. Het opwarmen van de buis zelf zorgt namelijk voor vertraging in het systeem, iets wat ik graag op deze wijze wil simuleren.
 
Ik kom er dus maar niet uit wat juist is in mijn geval. Waar ik uiteindelijk naar toe wil:

Ik weet de omgevingstemperatuur, de temperatuur van de buis zelf en de temperatuur van het medium op T=0
Als vervolgens op T=1 het medium in temperatuur verandert, gaat hier over de lengte van de leiding natuurlijk warmte verloren. Nu wil ik een redelijke indicatie hebben over hoeveel energie totaal uit het medium verdwijnt, zowel aan het opwarmen van de buis als het warmteverlies aan de omgeving. 
 
Voor zover ik het zie, geeft die formule die ik hierboven heb gesteld namelijk alleen de hoeveelheid energie die door het materiaal heen gaat, maar (even in een extreem voorbeeld) als het medium ineens 5 °C hoger is dan de buis zelf, dan gaat er toch ook een deel energie in de buis zelf zitten?

[Nils89]

TL:DR-versie van mijn vraag:

Moet ik bij het berekenen van warmteverlies ook rekening houden met het daadwerkelijk opwarmen dan wel afkoelen van het materiaal van de buis zelf, of is het berekenen van het warmteverlies door de buis heen aan de buitenlucht voldoende?

[Pinokkio]

Het opwarmen van de buis zelf zorgt namelijk voor vertraging in het systeem, iets wat ik graag op deze wijze wil simuleren.

Als je het dynamisch gedrag van de opstelling zou willen simuleren moet je inderdaad rekening houden met het opwarmen of afkoelen van alle leidingen, vaten, pompen, et cetera, in het systeem, maar dan zul je jezelf compleet gek maken vrees ik. Ik zie ook niet in wat dat met de efficiëntie van de warmtepomp van doen zou hebben.
 

De opstelling is namelijk bedoeld om de efficiëntie van de warmtepomp te testen

Hoe definieer jij in dit geval efficiëntie?
 

Een mogelijke test is bijvoorbeeld 30 °C water aan de afgiftezijde de warmtepomp in, om vervolgens 35 °C water uit de warmtepomp te krijgen.

Afgiftezijde? Of bedoel je hier bronzijde?
 
Zijn er helemaal geen temperatuur- en druksensors aan de in- en uitlaat van de compressor?
 
Wat voor soort compresor is dit?

[Nils89]

Ik denk dat ik onduidelijk ben geweest in de twee verschillende zaken in mijn verhaal.
 
Ik ga een herontwerp maken voor de huidige testopstelling, waarmee de efficiëntie van warmtepompen kan worden bepaald (ruwweg gezien de verhouding tussen opgenomen elektrische energie en afgegeven thermische energie). Dit wordt gedaan met testomstandigheden die zijn vastgesteld in een norm, namelijk de NEN-EN 14511. De warmtepompen die wij verkopen zijn al getest volgens deze norm. Echter willen wij onze eigen testopstelling gebruiken voor ontwikkeling.
 
De nadruk van mijn herontwerp ligt op automatisering van het hele testproces, dus het regelen van de temperatuur ingaand van de warmtepomp (zowel bron- als afgiftezijde) alsmede de debieten.
 
Het regelen van de ingaande temperatuur wordt gedaan door de mengkleppen, hiervoor is momenteel geen goede regelaar aanwezig, deze zal ik moeten gaan programmeren, de waarden hiervan dien ik wel analytisch te bepalen en niet te gokken. Verder wil ik bijvoorbeeld achterhalen of het aanpassen van de lengtes van de leidingen positieve gevolgen heeft voor het regelen van de opstelling.
 
Het is dus zeker niet de bedoeling dat alles tot in detail klopt, de hele warmtepomp zelf in het rekenmodel is gewoon 1 ding, waarvan ik zeg dat bij een bepaald debiet er een temperatuurverschil zit tussen de in- en uitgaande temperatuur
 
Het rekenmodel is dus puur bedoeld om aanpassingen aan het systeem te kunnen beproeven, geen daadwerkelijke simulatie van het testen zelf. 
 
Waar ik nu dus op vastloop, ik bereken wel per leiding (en voor het vat) het warmteverlies met de omgeving, maar zou graag de warmteverliezen aan de leidingen zelf willen berekenen om traagheid in mijn simulatie toe te voegen, zodanig dat de simulatie een stuk realistischer is. Zonder de warmteverliezen stel ik namelijk dat de temperaturen direct veranderen naar de nieuwe temperaturen.

[Pinokkio]

waarmee de efficiëntie van warmtepompen kan worden bepaald (ruwweg gezien de verhouding tussen opgenomen elektrische energie en afgegeven thermische energie)

Dus met efficiëntie bedoel je eigenlijk de COP van de warmtepomp.
 
Ik ken NEN-EN 14511 niet en heb geen idee wat daar in staat.
 

zou graag de warmteverliezen aan de leidingen zelf willen berekenen om traagheid in mijn simulatie toe te voegen,

Ja, maar de leidingen zijn maar een deel van de traagheid. Het grootste deel zal, denk ik, de vloeistofinhoud van de buffervaten zijn.
En bovendien zit je daar met het probleem dat je helemaal niet weet hoe de binnenkomende vloeistof in elk buffervat mengt met de aanwezige en dus hoe warm de uitgaande vloeistof als functie van de tijd zal zijn als de binnenkomende vloeistof warmer of kouder wordt (om wat voor reden dan ook. En elk buffervat heeft ook nog eens twee inlaten en twee uitlaten.
Ik zie niet hoe je hieraan kunt rekenen zonder speciale dynamischesimulatiesoftware.

[Nils89]

Ja, de COP, alleen is dat voor mijn vraag niet geheel van belang, was meer de achtergrond.
 
Ik heb het nog met een andere collega besproken, die wel vakken over thermodynamica heeft gehad. Het buffervat zie ik als een complete massa met een homogene energie, mijn vraag ging voornamelijk over het verlies in niet geïsoleerde leidingen. Het model moet mij inzicht geven in het gedrag van de mengklep. 
 
Waar mijn vraag op neer kwam, wat ik nu in het rekenmodel bereken is het temperatuurverlies van de leiding naar de omgeving. Daarmee stel je dus dat de leiding zelf dezelfde temperatuur heeft als het medium zelf. In mijn situatie is de temperatuur die in de leidingen gaat niet per se stabiel en dus gaat er (althans, voor zover ik mij het kan bedenken) toch ook nog energie verloren in het opwarmen van het koper in de leidingen zelf?
 
Mijn collega vermoedde echter dat de energie die in het opwarmen van de leiding zelf gaat zitten zeer klein is t.o.v. de energie die verloren gaat naar de omgeving. Ik weet echter niet of dat zo is.

[ArcherBarry]

Mijn collega vermoedde echter dat de energie die in het opwarmen van de leiding zelf gaat zitten zeer klein is t.o.v. de energie die verloren gaat naar de omgeving. Ik weet echter niet of dat zo is.

 
In het algemeen klopt dit statement. Het verlies aan omgevingslucht is vele malen groter dan dat kleine beetje energie dat het opwarmen van een metaal kost.

[Pinokkio]

Het warmteverlies van een ongeisoleerde leiding naar de omgeving is bij een temperatuursverschil van 10 graden niet bijster groot. De warmteweerstand wordt volledig bepaald door de natuurlijke convectie van omgevingslucht aan de buitenzijde en straling. De metalen leidingwand is irrelevant. De U-waarde van de ongeisoleerde leiding zal in dit geval ruwweg 10 W/m².K zijn, oftewel de R-waarde is 0,1 m².K/W.
 
Het opwarmen van de leiding kost energie, maar dat is een bepaalde hoeveelheid Joules in een onbekende tijd.
 
Je kunt geen Joules met Watten vergelijken of bij elkaar optellen.