Tb151-00; - Deeltoets I;
Vrijdag 7 April, 2000, 13:45-15:45
Deze deeltoets bestaat uit 4 vraagstukken. De beschikbare tijd is 2 uur.
Je mag uitsluitend gebruiken: een rekenmachine, schrijfmateriaal.
Gegevens die je in een aantal vraagstukken nodig hebt (uit het Periodiek systeem):
Molgewichten [g/mol]: koolstof, C = 12; zuurstof, O=16; stikstof, N = 14; waterstof, H=1
Lees alle vraagstukken eerst snel door, en deel dan je tijd in per vraagstuk. Succes! NB: u start met een saldo van 10 punten; totaal aantal punten te behalen is 100.
Vraagstuk 1 (20 punten)
Wereldwijd wordt in hoofdzaak aardolie gebruikt voor de produktie van brandstoffen.
a) Wat zijn de belangrijkste brandstoffen bereid uit ruwe aardolie en waarvoor worden deze in hoofdzaak toegepast?
b) Welke energiedragers worden in Nederland gebruikt voor de grootschalige produktie van electriciteit (centrales > 1000 MW)
c) Hoeveel MJ is 1 PJ?
d) Hoe luidt de eerste hoofdwet van de thermodynamica
In Brazilie gebruikt men op grote schaal bio-alcohol als motorbrandstof. Dit bestaat uit 25 gew% methanol (CH3OH) en 75 gew.% ethanol (C2H5OH).
e) Bereken de verbrandingswarmte [MJ/kg] van bio-alcohol uit de volgende reacties:
CH3OH (l) + O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (g) ∆H = -677 kJ/mol methanol 2 CH3OH (l) → C2H5OH (l) + H2O (g) ∆H = -86 kJ/mol ethanol f) Hoe wordt de grootheid H in de thermodynamica genoemd?
g) Is de reactie endo- of exotherm ? Leg uit !
Vraagstuk 2 (20 punten)
Een Braziliaanse boer die vee weidt voor een bekende hamburgerketen heeft uitgerekend dat installatie van een zonneboiler op zijn bedrijf verantwoord is voor de produktie van warm water. De gemiddelde instraling ter plekke bedraagt 200 [W/m2], gedurende 12 uur per etmaal, en hij gebruikt 4800 liter warm water per dag. Het water moet opgewarmd worden van 10 naar 50 oC.
Om diverse redenen is de zonneboiler uitgevoerd als kringproces: er circuleert een speciale vloeistof, SolTherm-100, die de warmte in de collector opneemt. De opgearmde SolTherm-100 wordt verpompt naar een voorraadvat waarin zich (te verwarmen) water bevindt. Na afgifte van de opgenomen zonnewarmte wordt SolTherm-100 via een buffer-opslagvaatje teruggepompt naar de collector. 's nachts wordt de pomp uitgezet, en stroomt alle SolTherm-100 uit de collector naar het lager gelegen buffervat.
a) Teken het principe schema van de zonneboiler installatie; benoem alle massa- en energiestromen.
b) Hoe groot moet het geinstalleerde oppervlak aan collectors zijn om op onbewolkte dagen in de totale warmwater behoefte te voorzien? De warmtecapaciteit van water in Brazilie 4.2 [J/K/g]; Als u niet in staat bent het vermogen nodig voor het verwarmen van water te berekenen, kies daar dan voor 10 MJ.
c) Hoeveel CO2 uitstoot [kg] wordt met de zonneboiler installatie op zo’n dag vermeden vergeleken met een op zuiver methaan (gewonnen uit een lokaal aardgasveld) gestookte installatie?
(verbrandingswaarde zuiver methaan = 800 kJ/mol).
d) Hoeveel netto CO2 uitstoot wordt vermeden in vergelijking met een op bio-alcohol (geproduceerd uit afval van een suikerrietplantage) gestookte installatie? (voordat u iets gaat berekenen, denk even goed na!)
Vraagstuk 3 (25 punten)
Per dag verwerkt het Braziliaanse rundvlees bedrijf 100 runderen (1100 kg/rund) tot biefburgers. Aan bindmiddel (sojameel e.d.) wordt 100 ton per dag gebruikt, en er wordt 50 m3 drinkwater aan het biefburgerproces toegevoerd dat voor 100% in de biefburgers terechtkomt. De produktie is 1.600.000 biefburgers per dag van 125 g/stuk. Het bedrijf voldoet aan de modernste BSE richtlijnen, en voert daarom al het slachtafval elke dag af naar een ISO-9002 gecertificeerde verwerker.
a) Teken een principe schema van de het productieproces en stel een massabalans op. Benoem alle ingaande stromen en uitgaande stromen in uw schema. Hoeveel ton slachtafval wordt er per dag afgevoerd?
b) Wat is het gewichtspercentage rundvlees in de biefburgers? Hoeveel biefburgers worden er per rund geproduceerd?
Op de weidegronden van deze boer is de aanwas van gras 275 g/m2/jaar. Een rund zet 10% van dit gras dat het eet om in lichaamsmassa. De runderen worden geslacht als ze precies 2 jaar oud zijn, terwijl ze 30 dagen als kalf gezoogd worden. In die periode eten ze geen gras.
c) Hoeveel runderen heeft het bedrijf op elk moment tenminste op haar weides rondlopen? Hoeveel hectare land heeft deze boer nodig om continu biefburgers te kunnen produceren, per rund en in totaal?
1 hectare = 100 bij 100 m. Controleer uw antwoorden met dimensie-analyse!
Onder ander voor de verlichting en hamburger produktie is ook electrische stroom nodig, respectievelijk 10 kW verlichting en 0.1 W/biefburger. De Braziliaanse boer overweegt daarom tevens de installatie van een kleine warmte-kracht installatie gestookt op aardgas (WKK). Het electrisch rendement van deze WKK bedraagt 20% (kracht uit brandstof), het totaal rendement (kracht + warmte uit brandstof) 70%., beide betrokken op de onderste verbrandingswaarde van het aardgas.
d) Welke hernieuwbare bronnen kan deze Braziliaanse boer aanspreken om op duurzame wijze in zijn electriciteitsbehoefte te voorzien
e) Teken een principeschema waar u de energiebalans van de WKK laat zien. Benoem alle in- en uitgaande energiestromen.
f) Wat is het electrisch vermogen (kW) van de WKK installatie die de boer overweegt? Hoeveel aardgas (kW) wordt dan gebruikt, en hoeveel warmte (kW) geproduceerd?
Vraagstuk 4 (25 punten)
In grotere woningen en bedrijfspanden wordt vaak naast een Centrale Verwarmingsinstallatie een aparte warmwatervoorziening (wwv) geinstalleerd. Een principeschema van zo’n wwv is hieronder weergegeven.
Ketel
Air supply Air
Koud Water
Fuel warm
water Rookgas
T
Op een afgelegen boerderij in Zuid-Frankrijk gebruikt men een dagelijkse hoeveelheid van 2400 liter warmwater, dat bij een maximaal debiet van 12 liter per minuut getapt kan worden. De temperatuur van het warme water is 45 oC. Als stookgas wordt een mengsel van propaan (32 vol.%) en butaan (68vol.%) gebruikt. Dit gas wordt betrokken van een eigen opslagtank, waarin zich propaan/butaan mengsel (vloeistof en gas onder druk) bevindt. Het rendement van deze wwv bedraagt 60% (betrokken op de onderste
verbrandingswaarde van het stookgas). De onderste verbrandingswaarde van propaan (C3H8)= 43.8 [MJ/kg], die van butaan (C4H10) 41.5 [MJ/kg]
a) Wat is het belangrijkste bestanddeel van Nederlands aardgas. Welke kwaliteiten aardgas worden in Nederland geleverd aan grootverbruikers, respectievelijk kleinverbruikers. Wat is het belangrijkste verschil tussen deze twee soorten aardgas?
b) Welke energietransformatie(s) treedt / treden op in dit wwv systeem.
c) Hoe groot is de onderste verbrandingswaarde van het stookgas, in [MJ/kg], respectievelijk [MJ/Nm3].
Welke eenheid zou gebruikt worden op de brandstofafrekening? Motiveer uw antwoord!
Het volume van 1 mol (ideaal) gas = 22,4 liter;
d) Hoeveel mol lucht wordt gebruikt per mol stookgas als de verbranding wordt uitgevoerd met 5vol%
overmaat luchttoevoer? Neem aan dat lucht bestaat uit uitsluitend Stikstof en Zuurstof (20vol%) en een temperatuur heeft van 10 oC . Als de warmtecapaciteit van alle stoffen in zowel verbrandingslucht als rookgas 50 J/mol/K bedraagt, wat is dan de temperatuur van het rookgas bij adiabatische verbranding?
(adiabatisch: alle vrijkomende verbrandingswarmte komt terecht in het rookgas)
e) Hoeveel arbeid had maximaal uit het stookgas gehaald kunnen worden, dat wil zeggen als er een ideale Carnot-machine zou zijn om warmte in arbeid (kracht) om te zetten? Wat is de formule voor het Carnot-rendement; wat is de waarde van Thoog, en Tlaag? Als u het antwoord in d) niet heeft kunnen berekenen, kies dan 800 oC als rookgastemperatuur.
f) Welke hoeveelheid stookgas [kg/uur] gebruikt de installatie als ze op vollast in bedrijf is?
NB als u het antwoord onder c) niet heeft kunnen berekenen, gebruik dan als stookwaarde 40 [MJ/kg]
De warmtecapaciteit van water is 4.2 [J/K/g]; temperatuur koud drinkwater = 10 oC g) Om direct warm water te kunnen leveren wordt de wwv uitgebreid met een goed geisoleerd
voorraadvat. Om elk risico op Legionella besmetting te voorkomen, moet nu de temperatuur van het afgeleverde water en tijdelijk opgeslagen warme water worden verhoogd naar 80 oC.
Bereken de maximale hoeveelheid warmwater [kg/uur] die nu continue bij vollast kan worden afgeleverd. Notabene, het thermisch vermogen van de installatie blijft gelijk, i.e. er kan niet meer stookgas worden verbrand.
