Energie en Energiebalans

Energie en Energiebalans

• Dictaat hoofdstuk 5

Inleiding

Energiebalansen

=

boekhouden met energie

elementaire warmteleer; energieberekeningen rond

eenvoudige systemen en chemische reacties

Overzicht college

• Energie en systemen (5.1)

• Wat is energie? Interne Energie (5.2)

• Enthalpie, warmte, warmtecapaciteit (5.3)

• Enthalpieverandering chemische reacties (5.3)

• Standaard-Enthalpieën (5.3)

• Gebruik in energie-vraagstukken;

• energiebalans

• systeembenadering

Wat is energie?

Wat is energie?

Energie is gedefinieerd als de mogelijkheid om arbeid te verrichten of warmte te produceren

Tweede hoofdwet: het aandeel van energie waarmee arbeid kan worden verricht is beperkt!

Gevolg:

je kunt arbeid (elektriciteit) wel 100% omzetten in warmte.

maar warmte niet voor 100% in arbeid(elektriciteit).

Concreet: meest ideale omzetting is volgens Carnotcyclus;

maximum rendement warmte  arbeid is het Carnotrendement

Wat is energie?

Energie is gedefinieerd als de mogelijkheid om arbeid te verrichten of warmte te produceren

Tweede hoofdwet: het aandeel van energie waarmee arbeid kan worden verricht is beperkt!

Wat is energie?

• Potentiële energie:

• energie door plaats

• of samenstelling (energie-inhoud)

• Kinetische energie:

• energie door beweging

• Vergelijk: voorraadbronnen (energie-inhoud)

• en stromingsbronnen (beweging))

Energie is gedefinieerd als de mogelijkheid om arbeid te verrichten of warmte te produceren

Tweede hoofdwet: het aandeel van energie waarmee arbeid kan worden verricht is beperkt!

Conventionele

Energievoorziening

Energie en systemen (5.1) voorbeeld:

Systeem voor Centrale Verwarming

• (1) Welke energie-transformaties treden op in dit systeem?

Energie en systemen (5.1) voorbeeld:

Systeem voor Centrale Verwarming

• (stap 1): opstellen Systeemdiagram!

Energie en systemen (5.1) voorbeeld: Centrale Verwarming

(1) Systeemdiagram - Wat ontbreekt?

CV-ketel

Air supply Air

Koud Water

Fuel Heet

water Exhaust

T

Energie en systemen (6.1) voorbeeld: Centrale Verwarming

• (2) Welke energie- transformaties?

Pomp Radiatoren

CV-ketel

Air supply Air

Koud Water

Fuel Heet

water Exhaust

T

Energie en systemen (6.1) voorbeeld: Centrale Verwarming

• (2) Energie-transformaties:

• Chemische energie > warmte

• Elektrische energie >

kinetische energie & warmte

• Kinetische energie > warmte

• Warmte (Thoog) > (Tlaag)

CV-ketel

Air supply Air

Koud Water

Fuel Heet

water Exhaust

T

Proces en bijbehorende Energietransformatie

Proces Energietransformatie Verbranding (brander/CV-

ketel) Chemische energie --> warmte

Warmte-overdracht

(1. Ketel: rookgas-->water;

2. Radiator: water--> ruimte)

Omzetting van energie (als warmte)

van

hoge

lage

(circulatiepomp) Omzetting van arbeid in potentiële en kinetische energie water

Pompen van water Omzetting van arbeid in warmte

Energie en systemen (6.1) - voorbeeld: CV-ketel

• Het typisch vermogen van een huis- CV is 24 [kW] (thermisch).

• De pomp neemt 250 [W] op.

• De “natuurlijke trek” zorgt voor het aanzuigen van verbrandingslucht.

• A) Hoeveel [Nm³] aardgas verbruikt het systeem bij vollast?

• De verbrandingsenthalpie van methaan = 50 MJ/kg

• De samenstelling van aardgas is 84 [mol%] methaan, 16 [mol%] N2

• 1 mol ideaal gas = 22,4 [liter]

(standaard condities)

CV-ketel

Air supply Air

Koud Water

Fuel Heet

water Exhaust

T

Oplossings-procedure

(1) Kies systeemgrens & control volume;

• gebruik daarvoor kennis van het systeem (2) Kies de te gebruiken grootheid

(3) Ga boekhouden met Behouds wet som(ingaande stromen) som(uitgaande stromen) - netto accumulatie

• dus inventariseer alle stromen (4) Maak aanvullende aannamen

• bij een continu werkend systeem is bij stationaire operatie de accumulatie gelijk aan nul!

CV-ketel: oplossing A)

• Teken het systeem, analyseer de vraag;

• inventariseer de beschikbare informatie.

• wat is de gevraagde grootheid?

• kies het “control-volume”

• stel boekhouding op

• kies methode om het gevraagde te berekenen

CV-ketel: oplossing A)

• Vraag A) gaat slechts over de brandstof-voorziening van de ketel.

• D

e gevraagde grootheid is de hoeveelheid aardgas

•

Uitgedrukt in Normaal kubieke meter [Nm

]

• het te gebruiken “control-volume” is dus de vuurhaard, met brandstoftoevoer en warmteafvoer (van 24 kW).

• in de vuurhaard vindt de verbrandingsreactie plaats.

• Schrijf de chemische reactie uit.

• Bereken de

verbrandingsenthalpie

• schrijf de eenheden uit, en stel een formule op om het

gewenste antwoord te berekenen (o.a. onder gebruikmaking stof Dictaat hfst. 4 en 5).

Energie en systemen (6.1) - voorbeeld: CV-ketel

• Het typisch vermogen van een huis- CV is 24 [kW] (thermisch).

• De pomp neemt 250 [W] op.

• De “natuurlijke trek” zorgt voor het aanzuigen van verbrandingslucht.

• A) Hoeveel [Nm³] aardgas verbruikt het systeem bij vollast?

• De verbrandingsenthalpie van methaan = 50 MJ/kg

• De samenstelling van aardgas is 84 [mol%] methaan, 16 [mol%] N2

• 1 mol ideaal gas = 22,4 [liter]

(standaard condities)

CV-ketel

Air supply Air

Koud Water

Fuel Heet

water Exhaust

T

Interne Energie (5.2 en 5.3)

• Definitie:

•

De interne energie is de som van de kinetische en potentiële energie van alle “delen” van een systeem

• De interne energie (6.1) van een systeem kan veranderen als er warmte q of arbeid w wordt uitgewisseld met de omgeving:

• E = q + w

• q of w

verlaat

Enthalpie (5.3)

• Verandering Interne energie (5.3.2) van een systeem

• E = q + w

• Definitie: Enthalpie H = E + PV; toestandsgrootheid!

• Stel een systeem werkt bij constante druk, dan:

• E = qp + w ; w = - P V;  qp = E + PV (1)

• H = E + (PV) = E + PV + VP; P = 0 (2)

• dus: uit (1) en (2) volgt H = E + PV = q_p

Enthalpie (5.3)

• H = E + PV = q_p

• Beschouw een systeem dat bestaat uit een aantal reactanten (bijvoorbeeld methaan en zuurstof)

• Er treedt een (verbrandings)reactie op

• De enthalpie verandering H_r van deze reactie is nu gelijk aan de reactiewarmte q_p als de reactie bij constante druk wordt

uitgevoerd.

• q_p kunnen we meten met calorimetrie

• opwarmen van een hoeveelheid massa:

• q_p = m C_p (T)

Calorimetrie (5.3)

• Calorimetrie - opwarmen van een hoeveelheid massa

• q_p = m C_p (T)

• Of een massastroom:

• Q = φ_m C_p (T);

• Bijvoorbeeld: water: C_p = 4.18 [J/g/K];

• 1 liter theewater aan de kook brengen kost

• Q = φ_m C_p (T);

• Q = 1 [kg] * 1000 [g/kg] * 4.18 [J/g/K] * 90 [K]

• Q = 372 [kJ/kg] = 0,37 [MJ/kg] = 0,1 [kWh]

• Energie is een toestandsgrootheid

• De waarde van een toestandsgrootheid van een systeem hangt alleen af van de condities van de huidige toestand van dat

systeem, en niet van zijn verleden of toekomst.

• Dit betekent dat we zelf een pad kunnen construeren om van toestand A naar toestand B te komen, en om de

energieverandering van het systeem te berekenen (>Wet van Hess, 5.3.4).

• NB bij de verandering van A naar B verandert de energie van het systeem, de omgeving; de totale energie (systeem + omgeving) blijft constant.

Energie

• Energie is een toestandsgrootheid

• Bijvoorbeeld:

• de potentiële energie die omgezet wordt in elektriciteit in een

waterkrachtcentrale is onafhankelijk van de weg die het water aflegt (behoudens wrijvingsverliezen in de waterloop cq. waterleiding).

• Het totaal aan chemische energie dat vrijkomt bij de verbranding van methaan (aardgas) is gelijk, of we nu

• CH₄ + 2O₂  CO₂ + 2H₂O in één keer uitvoeren

• of in twee stappen:

(1) CH₄ + 1½O₂  CO + 2H₂O (2) CO + ½O₂  CO₂

Energie

Reacties; stoichiometrie (4.3):

• reactie: CH₄ + 2O₂



• geen kernreacties: in gesloten volume waar een chemische reactie plaatsvindt is de netto accumulatie per element = 0

• per element is het totaal (aantal in reactanten) gelijk aan het totaal (aantal in producten)

• stoichiometrie = verhouding reactanten en producten

• geldt voor enkele atomen, maar ook voor molen, dus omrekening naar massa is mogelijk

Standaard-enthalpieën (5.3)

• Energie universum = constant (1^e hoofdwet)

• Interne energie en enthalpie zijn gedefinieerd als toestandsgrootheden

• Dat betekent dat we ze alleen betekenisvol kunnen definiëren t.o.v.

een (arbitraire) referentietoestand

• een stof is te zien als een systeem.

• Dat systeem bezit een “enthalpie” ten op zichte van een referentie toestand.

• In de calorimetrie, thermodynamica, chemie zijn afspraken gemaakt over deze referentie toestand

Vormingsenthalpie

Afspraak referentietoestand

• Definitie:

• Vormingsenthalpie = de enthalpieverandering H₀ die optreedt als een stof wordt opgebouwd uit de elementen

• Voorbeeld: 2H₂ + C  CH₄

• Referentietoestand: elementen zoals ze voorkomen in de natuur

• Afspraak: de vormingsenthalpie van individuele elementen zoals ze in de natuur voorkomen (Fe, H₂, O₂, C enz.) is gelijk aan 0

Standaard-enthalpieën (6.4) Afspraak

• een mengsel van reactanten of producten is ook een systeem.

• Dat systeem bezit een “standaard vormingsenthalpie” ten op zichte van een referentie toestand.

• De vormingsenthalpie H₀ is gelijk aan de enthalpieverandering als het mengsel door een combinatie van reacties overgaat in de

referentietoestand

• Toestandsgrootheid!: dit geldt voor elke combinatie van reactanten of producten!

Wet van Hess & Standaard- vormingsenthalpieën (6.3)

• Enthalpie = Toestandsgrootheid

• Berekening van H:

• elke combinatie van reacties is geoorloofd!;

• Dit is de

Wet van Hess

• De enthalpieverandering van een mengsel dat reactie ondergaat is altijd hetzelfde, of de reactie nu in één keer plaatsvindt, of wordt opgebouwd uit veel stappen (deelreacties).

• O.a. te gebruiken bij berekenen vormingsenthalpie H₀, reactieenthalpie H_r, verbrandingsenthalpie H_v

• Inventariseer beschikbare gegevens

& onbekend(en);

• stel vast of je met een

toestandsgrootheid te maken hebt.

• Deel ‘transformatie’ of bewerking op

• …. in zodanige deelstappen

• …. dat onbekende cq.

ontbrekende gegevens kunnen worden afgeleid cq. berekend

TOTAAL PROCES Set

Condities 1

(Deel)proces-stap A

Set Condities 2

(Deel)proces-stap B

Set

Toestands-grootheid X1 = F(condities1)

Toestands-grootheid X2 = F(condities2)

Toestands-grootheid

Gebruik Toestandsgrootheid om

onbekende gegevens te bepalen:

Reactieenthalpie H _r

• H_r is een Toestandsgrootheid

!

• Definitie: De enthalpie van een reactie waarbij een mengsel van reactanten wordt omgezet in een mengsel van producten.

• voorbeeld: ethyleen + water  ethyl-alcohol C₂H₄ + H₂O



• de reactieenthalpie is gelijk aan:

vormingsenthalpie

vormingsenthalpie

Verbrandingsenthalpie

• H_v een Toestandsgrootheid!

• Definitie: De enthalpie van de reactie waarbij een stof met zuurstof (O₂)

volledig

• Voor koolwaterstoffen zijn dit koolstofdioxide CO₂ en water H₂O.

• voorbeeld: CH₄ + 2O₂



• de verbrandingsenthalpie is gelijk aan:

vormingsenthalpie

vormingsenthalpie

Wet van Hess & Standaard- enthalpieën / voorbeeld

• Jij bent met spoed overgevlogen naar een uithoek van Saoedi-Arabië om een probleem met een ethyleenkraker te analyseren:

• het product van de kraker bevat nog erg veel niet omgezette voeding (10 gew.%), terwijl de conversie normaal 99.99% is.

• Je vraagt je af of er misschien iets mis is met de energievoorziening aan de kraker (middels verbranding van aardgas).

• In de haast heb je echter de verkeerde files op je laptop gedownload, en ze hebben daar geen GSM, noch Internet.

• Je weet dat in een ethyleenkraker etheen en propeen worden gemaakt uit resp. ethaan en propaan, onder afsplitsing van waterstof

Wet van Hess & Standaard- enthalpieën / voorbeeld

• Je weet dat de reactor etheen en propeen produceert uit een mengsel van ethaan en propaan. Op je laptopje staan de gegevens van de

volgende reacties:

• Vormingsenthalpie ethaan (-84.7 [kJ/mol])

• Vormingsenthalpie propaan (-104 [kJ/mol])

• Reactie-enthalpie hydrogenering propeen (-135 [kJ/mol])

• Hoe kun je nu een eerste schatting maken van de netto reactie- enthalpie in de kraker cq. de energiebehoefte van de kraker?

• Welke gegevens heb je nodig om de verbrandingsenthalpieen van deze stoffen te berekenen?

Energie en systemen (6.1) - voorbeeld

• Een Verbeterd Rendement (VR)- ketel heeft een typisch rendement van 80% (thermisch). De ketel is zo afgesteld dat het zuurstof-

percentage in het rookgas 2 vol.%

bedraagt bij vollast.

• B) Wat is de temperatuur van het rookgas?

• 1 mol ideaal gas = 22,4 liter (standaard condities)

• warmtecapaciteiten:

• N₂, O₂: 6.9 [J/mol/K]

• CO₂: 8.9; H₂O: 7.9

Pomp Radiatoren

CV-ketel

Air supply Air

Koud Water

Fuel Heet

water Exhaust

T

Overmaat en ondermaat (3.9)

• 2 vol.% zuurstof in het rookgas: overmaat

• Als een de verhouding reactanten niet overeenkomt met de reactiestoichiometrie spreken we van

overmaat, resp. ondermaat.

• In verbrandingsapparatuur wordt vanwege de

veiligheid ALTIJD met overmaat zuurstof gewerkt.

• anders: onvolledige verbranding: CO, roet

• anders: explosief mengsel in rookgaskanaal

CV-ketel: oplossing B)

• Kies (sub) systeem en control-volume

• Stel (energie / enthalpie) balans op; hoeveel energie komt er terecht in het rookgas?

• Energie (enthalpie) is een toestands grootheid.

• Wat is ‘de weg’ om de gevraagde T-verhoging te

berekenen; heb je een materiaalbalans nodig?

CV-ketel: oplossing B)

• Systeem/control volume = de ketel

• Rendement is 80%;

• Deze 80% betreft de omzetting/overdracht van energie in brandstof naar energie in het verwarmde water

• dus 20% van enthalpie in de brandstof komt terecht in het rookgas.

(aanname: de ketel is perfect geïsoleerd).

• De weg is

• 1. Vorming van het rookgas: verbranding met overmaat lucht; T constant, bijvoorbeeld 15 ^oC

• “De ketel is zo afgesteld dat het zuurstof-percentage in het rookgas 2 vol.%

bedraagt bij vollast”

• 2. Opwarming van het rookgas (met Q = de 20% verlies)

CV-ketel: oplossing B)

• De bereikte temperatuur van het rookgas

• is te berekenen met de formule die de relatie van warmtestroom Q aan een systeem en zijn temperatuursverandering geeft

• Voor dit proces geldt H = Q (Zumdahl, p.249)

• Enthalpie is een toestandsgrootheid;

• je kunt eerst de stoffen “ontmengen”, opwarmen, en daarna weer mengen, dat alles bij gelijke druk.

• Q = φ_m * C_p * (T_eind - T_begin)

• Cp=warmtecapaciteit van het rookgas bij constante druk

• (Zumdahl p.250)

• de Cp van een mengsel wordt gegeven door  x_i C_pi

• voor de berekening is samenstelling van het rookgas nodig

• flow of stroom φ_m van het rookgas: kies geschikte eenheden!

Energie en systemen (6.1) - voorbeeld

• C) hoeveel warmte kunnen de bewoners maximaal verwachten van deze CV-ketel?

• Stel energiebalans op:

• In?

• Uit?

• Accumulatie?

• Onbekende?

CV-ketel

Air supply Air

Koud Water

Fuel Heet

water Exhaust

T

Afronding

• Bestudeer de stof van dictaat hfst 5, hfst. 7 collegemateriaal

• Oefen zelf met de opgaven (huiswerk!)

• Maak opgaven uit dictaat en/of oude tentamens.