Oorzaken kwaliteitsverlies

Drijvende krachten

Bij elk proces dat verloopt of apparaat dat in werking is, gaat kwaliteit van energie verloren. Voor een deel is dit kwaliteitsverlies onvermijdelijk, maar vaak kan het beperkt worden. Kwaliteitsverlies wordt niet zichtbaar gemaakt met energie-analyses. Om kwaliteitsverliezen zoveel mogelijk te beperken, en daarmee veelal te besparen op grondstoffen en energie, is het belangrijk inzicht te krijgen in de oorzaken van dit kwaliteitsverlies.

Temperatuur-, druk-, concentratie-, hoogte-, ...verschil

Het verlies van kwaliteit van energie wordt veroorzaakt door drijvende krachten, maar wat zijn dat? Een voorbeeld van een drijvende kracht is het verschil in luchtdruk tussen de lucht in een opgepompt rubberbootje en de buitenlucht. Of het verschil in temperatuur tussen het binnenklimaat van een vrieskist en de ruimte waarin die vrieskist staat. Een ander voorbeeld van een drijvende kracht is het verschil in concentratie tussen zuivere zuurstof en zuurstof aanwezig in lucht. Deze drijvende krachten zorgen ervoor dat verschillen vereffend worden (wanneer ze daarvoor de kans krijgen): lucht stroomt uit het rubberbootje, warme lucht (warmte) stroomt naar de vrieskist, zuivere zuurstof en lucht mengen. Maar drijvende krachten zorgen er ook voor dat een chemische reactie verloopt, bijvoorbeeld de verbranding van benzine en lucht in een automotor, en dat water naar beneden stroomt (het hoogteverschil is de drijvende kracht in een waterkrachtcentrale).

In het algemeen geldt: hoe groter de drijvende kracht, hoe sneller het proces verloopt en hoe meer kwaliteit van energie verloren gaat. Een nadeel van het verminderen van drijvende krachten is dat hierdoor de optredende processen langzamer verlopen en dat daarvoor vaak grotere apparatuur met de daarbij gepaard gaande hogere investeringen noodzakelijk is. In de praktijk zal de behaalde besparing op energie en/of grondstoffen vergeleken worden met de hogere investeringskosten.

Voorbeeld: warmtewisselaar

Een warmwaterstroom met een grootte van 1 liter per seconde moet opgewarmd worden van 40 naar 50 °C. Hiervoor kan gebruik worden gemaakt van een heetwaterstroom van 95 °C of een van 70 °C, beide zijn 1 liter per seconde groot. Er wordt aangenomen dat de afgegeven warmte volledig wordt opgenomen door de op te warmen stroom en dat de warmtewisselaar zich in een ruimte van 25 °C bevindt. Welke heetwaterstroom heeft de voorkeur wanneer men het kwaliteitsverlies zo klein mogelijk wil houden?

Antwoord:

In zijn algemeenheid geldt: hoe kleiner de drijvende kracht, hoe geringer het exergieverlies. De drijvende kracht voor de warmtewisseling in de warmtewisselaar is het temperatuurverschil tussen de op te warmen en af te koelen stroom. Het temperatuurverschil is het kleinst wanneer gekozen wordt voor de heetwaterstroom van 70 °C. Enkele eenvoudige berekeningen bevestigen dat wanneer voor deze stroom gekozen wordt, het kwaliteitsverlies het geringst is. Wanneer de heetwaterstroom van 70 °C gebruikt wordt, komt het kwaliteitsverlies voor de warmtewisselaar uit op 2,3 kJ per seconde. Voor de heetwaterstroom van 95 °C wordt een kwaliteitsverlies berekend van 4,7 kJ per seconde, dus iets meer dan tweemaal zoveel.

/* */