Koud hè?

 

Dr Chill

spaanenvermeegen

Maart, Lente. Je zou lekker in de tuin of op een terrasje moeten zitten. Genietend van het voorjaarszonnetje met een glas wijn of iets anders, een graad of 20. Maar helaas, niets was minder waar de afgelopen weken. Het is in jaren niet zo koud en guur geweest. Ik kan me zelfs niet herinneren dat het in de wintermaanden zo koud was. Toch was het niet eens zoheel koud, qua temperatuur althans. Het was de laatste weken net iets boven of net iets onder nul. Ik heb de term ook dit jaar weer een paar keer voorbij horen komen: de gevoelstemperatuur. De gevoelstemperatuur is de temperatuur zoals wij die ervaren en wordt beïnvloed door wind. Hoe meer wind, hoe kouder het voor ons aanvoelt. Dit wordt ook wel de “chill-factor” genoemd. Niet alleen wij, maar ook levenloze dingen zoals tanks in de procesindustrie hebben last van diezelfde gevoelstemperatuur.

Hoe werkt dit dan precies?

De temperatuur die wij meten is eenvoudig gezegd een maat voor hoe koud of hoe warm iets is, weergeven op een schaal van 0 tot 100, Meneer Celcius heeft bedacht dat het 0 punt gelijk is aan de temperatuur van smeltend ijs en 100 graden van kokend water. Meneer Kelvin daarentegen heeft het punt waarbij alle moleculen min of meer stilstaan bepaald als het nulpunt. Dit absolute nulpunt ligt op -273,15 graden Celsius (˚C). We kunnen bijvoorbeeld de temperatuur van water met een thermometer meten omdat er op het moment van meten warmte (energie) vanuit het water naar de thermometer stroomt. Met die warmte wordt bijvoorbeeld alcohol, kwik (bestaat dat nog?) of een meetelement opgewarmd waardoor vervolgens op een schaal de temperatuur kan worden afgelezen. Er wordt dus warmte overgedragen vanuit het water naar de thermometer. Dit heet dan ook warmteoverdracht. Warmteoverdracht is de overdracht van thermische energie (warmte) door een verschil in temperatuur.

Warmteoverdracht kan op drie manieren plaatsvinden:

1 Geleiding: Moleculen trillen. Als er meer energie (warmte) wordt toegevoerd gaan ze harder trillen. Als de verwarming aan een kant plaatsvindt gaan de moleculen aan die kant harder trillen en botsen tegen hun buren aan die vervolgens ook weer harder gaan trillen. Als je wilt weten hoe geleiding voelt: houd een koperen pijp op kamertemperatuur met je hand vast en houd de andere kant in een vlam van het gasfornuis. Na enige tijd weet je wat geleiding inhoudt.

2 Convectie: de overdracht van warmte aan een bewegend medium (gas of vloeistof). Een convector doet dat bijvoorbeeld bewust om de lucht in huis op te warmen. Het hete water van de CV installatie stroom door de stalen convector en draagt een deel van zijn warmte af door het metaal (geleiding, zie hierboven) aan de lucht. Doordat de lucht opwarmt wordt deze lichter dan de koude lucht en gaat stijgen. Er komt een luchtstroom op gang, veroorzaakt door conventie.

3 Straling: Neem de zon of de open haard. Hoe hoger de temperatuur, hoe hoger de invloed van de stralingswarmte. Heb je weleens een blok hout in het vuur gegooid op het moment dat de open haard op volle kracht bijstond? Dit is bijna niet te doen, zo warm voelt dat aan. Dit is overdracht van warmte door middel van elektromagnetische straling, deels onzichtbaar licht eigenlijk: infrarood en ultraviolet.

De warmteoverdrachtscoëfficiënt

Scrabble warmteoverdrachtscoëfficient

De gevoelstemperatuur heeft te maken met warmteoverdracht door convectie. Tussen de vrije luchtstroom en het medium dat de warmte afgeeft zit een laagje waar de luchtstroom wordt afgeremd. Dit laagje geeft weerstand bij de overdracht van warmte uit het medium aan de stromende lucht en wordt berekend met de warmteoverdrachtscoëfficiënt. Je voelt hem al aankomen: hoe harder de lucht (wind) langs het medium stroomt, hoe dunner dit weerstandslaagje wordt. Anders gezegd: hoe hoger de warmteoverdrachtscoëfficiënt wordt en hoe makkelijker de warmte wordt afgedragen aan de omgeving. Het echte temperatuurverschil tussen bijvoorbeeld jouw lichaam (37 ˚C) en de omgeving (0 ˚C) wordt niet anders als het windkracht 6 Noordoostenwind waait. Je koelt alleen sneller af doordat je warmteoverdrachtscoëfficiënt met de omgeving hoger wordt.

Zoals gezegd, met een opslagtank of een leiding gebeurt precies hetzelfde. In onderstaand plaatje zie je het effect op het afkoelen van een tank bij verschillende buitenluchttemperaturen en windsnelheden. Op de verticale as staat het warmteverlies, op de horizontale as de buitenluchttemperatuur en de verschillende gekleurde lijnen geven dit weer bij verschillende windsnelheden. Je ziet dan bijvoorbeeld duidelijk dat het warmteverlies op een dag dat de buitenluchttemperatuur 0 ˚C is en er een stevige bries van windkracht 5 waait (de groene lijn met het driehoekje net onder de 40 kilowatt (kW)) , ongeveer 2 keer zo hoog is dan op een windstille dag met dezelfde buitentemperatuur (de blauwe lijn met het vierkantje net onder de 20 kilowatt (kW))

Afkoelen van een tank

Door dit goed in kaart te brengen kan je bepalen of en welke maatregelen je moet treffen om de tanks te beschermen.

Ik heb een spreadsheet ontwikkeld waarmee de afkoeling van verticale en horizontale opslagtanks berekend kan worden. De uitleg van de spreadsheet is beschreven in een bijbehorend document (in het Engels). Dit materiaal is opgenomen in de Hall of Fame van een Amerikaanse website van Chemical Engineers: Cheresources.com en wordt gratis ter beschikking gesteld: Pipe and Storage Tank Heat Loss Calculators. Hiermee kan je zelf een berekening maken van afkoelende tanks, of van jezelf…

0 antwoorden

Plaats een Reactie

Meepraten?
Draag gerust bij!

Geef een reactie

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *