Toepaste energieleer

Woord vooraf v
Symbolenlijsten kengetallen en indices xii

1 Inleiding 1
1.1 Doel van het studieboek 1
1.2 Energieleer 2
1.3 Ontwerpen en onderzoeken energetische processen 3
1.4 Systeemkundige benadering 6
1.4.1 Systeem 6
1.4.2 Gesloten en open systemen 7
1.4.3 Stationaire en instationaire systemen 8
1.4.4 Processchema’s 8
1.4.5 Aspect en subsystemen 9
1.4.6 Systeemgrenzen 9
1.4.7 Modelleren 10

Deel 1 Energie: algemeen
2 Energievormen 13
2.1 Inleiding 13
2.2 Materiegebonden energievormen 14
2.2.1 Kinetische energie 15
2.2.2 Potentiële energie 15
2.2.3 Inwendige energie 16
2.2.4 Kernenergie 18
2.2.5 Chemische energie 18
2.3 Arbeid 19
2.3.1 Wrijving 20
2.3.2 Arbeid bij vloeistoffen en gassen 21
2.3.3 Arbeid bij roterende bewegingen 22
2.3.4 Arbeid bij elektriciteit 23
2.3.5 Vermogen bij arbeidsleverende of -vragende processen 23
2.4 Warmte 25
2.4.1 Warmtestromen 26
2.4.2 Warmtestroomdichtheid 26
2.4.3 Warmtetransport door geleiding 28
2.4.4 Warmtetransport door convectie 30
2.4.5 Warmtetransport door straling 31
2.4.6 Gecombineerde warmtetransport 34
2.5 Specifieke energie 35
2.6 Samenvatting 36
2.7 Oefenvraagstukken 39

3 Toestandsgrootheden en stofeigenschappen 41
3.1 Toestandsgrootheden 41
3.2 Stofeigenschappen 42
3.2.1 Dichtheid 43
3.2.2 Soortelijke warmte 43
3.2.3 Warmtegeleidingcoëfficiënt 45
3.2.4 Viscositeit 45
3.3 Afgeleide toestandsgrootheden 47
3.3.1 Volume 47
3.3.2 Enthalpie 47
3.3.3 Entropie S 48
3.4 Specifieke toestandsgrootheden 48
3.5 Aggregatietoestanden 49
3.6 Ideale gassen 50
3.7 Reële gassen 53
3.8 Mengsels 54
3.8.1 Ideale gasmengsels 58
3.9 Technische media 61
3.9.1 Water 61
3.9.2 Vochtige lucht 64
3.10 Samenvatting 72
3.11 Oefenvraagstukken 73

4 Energieomzetting 77
4.1 Omkeerbare en niet-omkeerbare processen 78
4.2 Balansvergelijkingen 79
4.2.1 Integrale balansen 79
4.2.2 Differentiële balansen 80
4.2.3 Differentiebalansen 81
4.3 De behoudswetten 82
4.3.1 Massabalans 82
4.3.2 Impulsbalans 84
4.3.3 Impulsmomentbalans 86
4.3.4 Energiebalans 87
4.4 Efficiency van energetische systemen 88
4.4.1 Mechanisch rendement 89
4.4.2 Thermisch rendement 90
4.4.3 Coëfficiënt of Performance 91
4.4.4 Primary Energy Ratio 93
4.5 Samenvatting 95
4.6 Oefenvraagstukken 96

Deel 2 Thermodynamica
5 Gesloten systemen 99
5.1 Inleiding 99
5.2 Eerste hoofdwet van de thermodynamica voor gesloten systemen 100
5.3 Toestandsveranderingen 106
5.3.1 Polytrope toestandsverandering 107
5.3.2 Toestandsverandering waarbij de druk constant blijft 112
5.3.3 Toestandsverandering waarbij het volume constant blijft 114
5.3.4 Toestandsverandering waarbij geen warmte-uitwisseling met de omgeving is 115
5.3.5 Toestandsverandering waarbij de temperatuur constant blijft 117
5.3.6 Kringprocessen 120
5.4 Samenvatting 126
5.5 Oefenvraagstukken 127

6 Theoretische kringprocessen 131
6.1 Inleiding 131
6.2 Arbeidsleverende processen 132
6.2.1 De specifieke arbeid 133
6.2.2 Het thermisch rendement 136
6.2.3 Het Carnotproces 137
6.2.4 Het Ottoproces 142
6.2.5 Het Joule- en Braytonproces 148
6.3 Koude- en warmteleverende kringprocessen 155
6.3.1 Koudefactor en warmteproductiegetal 156
6.3.2 Het Carnotproces 156
6.3.3 Het Jouleproces 160
6.4 Samenvatting 163
6.5 Oefenvraagstukken 164

7 Open systemen 167
7.1 Inleiding 167
7.2 Eerste hoofdwet voor een open systeem 168
7.3 Werktuigen en apparaten 172
7.3.1 Pomp 172
7.3.2 Straalbuis 174
7.3.3 Smoorvoorziening 175
7.3.4 Warmtewisselaar 177
7.3.5 Ketel 179
7.3.6 Waterturbine 180
7.3.7 Compressor 181
7.3.8 Turbine 195
7.4 Kringprocessen 197
7.5 Samenvatting 199
7.6 Oefenvraagstukken 200

8 Niet-omkeerbaarheden 203
8.1 Inleiding 203
8.2 Isentropisch rendement 204
8.3 Entropie 206
8.3.1 Entropieverandering bij omkeerbare toestandsveranderingen 209
8.3.2 Entropieverandering bij niet-omkeerbare toestandsveranderingen 212
8.3.3 TS-diagram 216
8.4 Thermisch rendement 217
8.5 Exergie en anergie 222
8.6 Samenvatting 224
8.7 Oefenvraagstukken 225

9 Werkelijke kringprocessen 227
9.1 Inleiding 227
9.2 De stoomturbine-installatie 228
9.2.1 Het Carnotproces in het coëxistentiegebied 228
9.2.2 Rankineproces met oververhitting 234
9.2.3 Het niet-omkeerbare stoomproces met oververhitting 238
9.2.4 Stoomproces met heroververhitting 241
9.2.5 Rankineproces met voedingswatervoorverwarming 246
9.3 Gasturbine 250
9.3.1 Het Braytonproces 250
9.3.2 Gasturbine met niet-omkeerbare compressor en turbine 252
9.3.3 Gasturbine met voorverwarming van de gecomprimeerde lucht 255
9.3.4 Gasturbine met meertrapscompressie 258
9.3.5 Gasturbine met herverhitting 262
9.3.6 Reële gassen 266
9.4 Compressiekoelmachine en -warmtepomp 267
9.4.1 Compressiekoelmachine en -warmtepomp met oververhitte damp 267
9.4.2 Compressiekoelmachine met meertrapscompressie 274
9.5 Samenvatting 278
9.6 Oefenvraagstukken 281

Deel 3 Stromingsleer
10 Wrijvingsloze onsamendrukbare stroming 285
10.1 Inleiding 285
10.2 Massa- en energiebalans in een stationaire situatie 285
10.3 De massabalans voor een stationaire, onsamendrukbare stroming 286
10.4 De energiebalans voor een stationaire onsamendrukbare stroming 288
10.5 De impulsbalans 299
10.6 De impulsmomentbalans 308
10.6.1 De centrifugaalpomp 308
10.7 Instationaire wrijvingsloze vloeistofstroming 313
10.8 Samenvatting 315
10.9 Oefenvraagstukken 316

11 Wrijvingsloze gasstroming 319
11.1 Inleiding 319
11.2 Energiebalans voor stationaire isentropische gasstroming 319
11.2.1 Geluidssnelheid 323
11.3 Massastroom bij isentropische gasstroming 324
11.3.1 Maximale massastroom 327
11.4 Supersonische stroming 330
11.5 Samenvatting 337
11.6 Oefenvraagstukken 339

12 Stroming met weerstand 341
12.1 Stationaire onsamendrukbare buisstroming met weerstand 341
12.1.1 Bepaling van de weerstandscoëfficiënt 344
12.1.2 Pompkarakteristiek 356
12.1.3 Systeemkarakteristiek 357
12.1.4 Bedrijfspunt 358
12.2 Stationaire onsamendrukbare stroming langs lichamen 359
12.3 Samenvatting 365
12.4 Oefenvraagstukken 366

Deel 4 Warmtetransport en -opslag
13 Stationair warmtetransport 369
13.1 Inleiding 369
13.2 Differentiële warmtebalansen voor warmteoverdracht 370
13.3 Warmtebalansen voor vlakke platen en wanden 375
13.4 Warmtebalansen voor cilinders en staven 387
13.4.1 Randvoorwaarde 1: Leiding met opgelegde wandoppervlaktetemperaturen 387
13.4.2 Randvoorwaarde 2: Leiding met gegeven fluïdumtemperaturen 388
13.5 Warmtewisselaars 396
13.5.1 Het gemiddelde temperatuurverschil 397
13.5.2 Uitgaande temperaturen bij een warmtewisselaar 400
13.6 Numerieke oplosmethode 404
13.6.1 Eendimensionale modellen 404
13.7 Samenvatting 418
13.8 Oefenvraagstukken 421

14 Instationair warmtetransport 423
14.1 Inleiding 423
14.2 De methode van de uniforme temperatuur 423
14.3 Halfoneindig medium 429
14.4 Numerieke oplosmethoden 432
14.4.1 Stappenplan 432
14.4.2 Expliciete methode 435
14.4.3 Impliciete methode 447
14.5 Samenvatting 452
14.6 Oefenvraagstukken 453

15 Warmteoverdracht door convectie 455
15.1 Inleiding 455
15.2 Gedwongen convectie 456
15.2.1 Gedwongen convectie langs een vlak oppervlak 458
15.2.2 Gedwongen convectie in een rechte, cilindervormige buis 460
15.2.3 Gedwongen convectie dwars op een rechte cilinder 462
15.2.4 Gedwongen convectie langs een bol 465
15.2.5 Gedwongen convectie bij een pijpbundel 465
15.3 Natuurlijke convectie 471
15.3.1 Natuurlijke convectie langs een verticaal, vlak oppervlak 472
15.3.2 Natuurlijke convectie langs een horizontaal, vlak oppervlak 474
15.3.3 Natuurlijke convectie langs een horizontale cilinder 478
15.3.4 Natuurlijke convectie langs een verticale cilinder 481
15.3.5 Natuurlijke convectie langs een bol 483
15.4 Vergroting warmte-uitwisselend oppervlak 484
15.4.1 Het vinrendement 491
15.4.2 Vineffect 496
15.5 Samenvatting 497
15.6 Oefenvraagstukken 499

16 Warmteoverdracht door straling 501
16.1 Inleiding 501
16.2 Intensiteit 502
16.3 Zichtfactoren 511
16.4 Straling tussen twee of meer oppervlakken 522
16.5 Samenvatting 529
16.6 Oefenvraagstukken 530

Bijlage 1: Wiskunde 533
1 Differentiëren 533
1.1 Differenties 533
1.2 Differentialen 534
1.3 Partiële afgeleiden 536
2 Integreren 536
3 Vectoren 518
3.1 Inwendig product 538
3.2 Uitwendig product 538

Bijlage 2: Mediumeigenschappen 539

Bijlage 3: Log ph-diagrammen 553

Antwoorden 557
Trefwoordenregister 561