Beoordeling1112_50pct_Opdrachten_Energie en

DOE HIP, CHECK DE Q-STIP
Eindopdracht Energie en Warmteleer 2012 (192802200)
1-10
AANWIJZINGEN
Lees de volgende aanwijzingen goed voordat je aan de slag gaat!










Zorg dat ieder groepslid over elk onderdeel evenveel weet.
Let bij de uitwerking op alle aanwijzingen die eerder zijn gegeven bij het nagekeken werk en in het Uitwerkingencircus op Blackboard
(bv. toelichting, eenheden, notatie).
Lever voor de deadline twee handgeschreven of geprinte exemplaren in én een digitaal exemplaar via mail.
Als je alleen strikt het gevraagde van deze opdracht uitwerkt, kun je daarmee een (bescheiden) voldoende behalen. Door eigen
initiatief, uitbreiding en verfraaiing van de uitwerking kun je in aanmerking komen voor een hogere waardering. Zorg wel dat dan
eerst alle puntjes op de i (en de Q) van het strikt gevraagde staan.
Alle onderdelen van deze opdracht zijn in principe los van elkaar te maken.
De onderdelen hebben grofweg de volgende weging: A 30%, B 30%, C 15% en D 25%.
Zorg zelf voor een duidelijke indeling waarin de antwoorden snel terug te vinden zijn (bv. nummering).
Het kan zijn, dat je enkele gegevens zelf moet opzoeken. Vermeld in dat geval de bron.
Een richtlijn qua tijdsbesteding voor een gemiddeld uitgebreid gemaakte opdracht is 25 uur per persoon.
Als je vragen hebt, kijk dan eerst of je ze kunt oplossen door te zoeken naar overeenkomsten in de opgavenbundel en stel pas daarna
een eventuele vraag.
2-10
INTRODUCTIE
SITUATIESCHETS
Henk (figuur 1) is een derdejaars IO-student. Vorig jaar heeft hij Energie & Warmteleer gevolgd en
sindsdien is hij een echte E&W-freak. Voor zijn vrije opdracht heeft hij zelfs een verplaatsbare pizza-oven
met zitgelegenheid ontworpen en gemaakt. Het is de bedoeling dat IO’ers ’s avonds bij elkaar op bezoek
komen, de pizza-oven buiten zetten en rondom de oven gezellig pizza’s met elkaar gaan zitten eten.
Deze portable pizzeria (figuur 2) bestaat uit een groot bankstel in de vorm van een Q met in het midden, als
‘middenstip’, een cilindervormige oven waar meerdere pizza’s boven elkaar tegelijk in gebakken kunnen
worden. Als deksel op de oven kun je een koekenpan of frituurpan plaatsen, dus behalve pizza’s kunnen
ook pannenkoeken, bitterballen, kroketten en andere snackernijen worden bereid. Bij binnengebruik kan
de oven onder een afzuigkap worden geplaatst.
Inmiddels is de creatie van Henk bij alle IO’ers bekend onder de toepasselijke naam Q-stip. Een avondje
gezellig Q-stippen is al net zo gewoon als een bezoekje aan de StudIO. Er zijn zelfs studenten die zo vaak
aan komen stippen, dat zij lid zijn geworden van de Q-LUB, de vriendenclub van de Q-stip. Met hun QFiguur 1: Henk, een volbloed
stippenkaart krijgen zij een gratis verjaardagsfeest rondom de portable pizzeria.
IO’er met een zwak voor Energie
Dus ben je een IO’er: doe hip, check de Q-stip!
& Warmteleer.
Overigens, Henk komt uit een ‘warm nest’. Zijn ouders, Ans en Evert-Wim, hadden al veel belangstelling voor warmteleer. Henks
tweelingbroer, Hans (figuur 3), is vernoemd naar de warmteoverdrachtscoëfficiënt van zijn moeder: hans. Henk dankt zijn naam aan het
feit dat de warmtegeleidingscoëfficiënt k en de warmteoverdrachtscoëfficiënt h weliswaar twee heel verschillende begrippen zijn, maar
toch in één persoon verenigd kunnen zijn: h-en-k.
Tenslotte koestert Henk zelf zeer warme gevoelens voor zijn studiegenote Ingrid (figuur 4), maar zou de warmtestroom twee kanten op
gaan? Henk nodigt Ingrid uit op alle Q-stipfeestjes, om te proberen toenadering te vinden (de Δx te verkleinen). Ingrid trekt dan haar
stiplaarsjes (figuur 5) aan en besteedt van tevoren veel aandacht aan haar kapsel. Daardoor komt ze helaas wel vaak te laat, waardoor
haar pizza, kroketten en bitterballen koud worden…
3-10
INTRODUCTIE
Figuur 3: Hans, de tweelingbroer van Henk.
Figuur 4: Ingrid, Henks
favoriete studiegenote.
Figuur 2: de Q-stip, de portable pizzeria die Henk in het kader van zijn vrije opdracht heeft ontworpen.
Figuur 5: de stiplaarsjes
van Ingrid.
4-10
A – HETE HANGIJZERS RONDOM DE STIP
Situatieschets
De pizza-oven, de eigenlijke stip, heeft als basis een cilindervorm die Henk geheel van klei (kklei = 0,26 W∙m-1∙K-1) heeft gemaakt. Deze
cilinder heeft een binnendiameter van 34 centimeter, een hoogte van 0,40 m en een dikte van 27,0 mm.
Rondom deze cilinder heeft Henk een 13,0 mm dikke laag steenwol (ksw = 0,035 W∙m-1∙K-1) aangebracht. Om de oven een strak uiterlijk te
geven, heeft Henk hier tenslotte een plaat geborsteld aluminium omheen gekromd. Deze plaat heeft een dikte van 1,0 mm en een
emissiviteit ε van 0,84.
Om een avondje pizza eten veilig te houden, is het van belang dat de temperatuur van de aluminium buitenkant niet boven de 50 °C komt.
Binnenin de oven zorgt een temperatuurregelaar ervoor dat de temperatuur op een constante waarde blijft (maximaal 220 °C). De
warmte van deze lucht wordt op de binnenwand overgedragen met een warmteoverdrachtscoëfficiënt hin van 28,0 W∙m-2∙K-1.
De bovenzijde van de oven kan worden gemodelleerd als een (onbekende) weerstand. De onderzijde van de oven is bij benadering
perfect geïsoleerd. Vanaf de cilindermantel wordt warmte afgegeven via zowel straling als natuurlijke convectie aan de omgeving, die op
20 °C is.
Opgaven
 Geef het weerstandsnetwerk van de volledige oven.
 Schets het temperatuurprofiel vanaf de lucht aan de binnenzijde tot buiten, door de meerdere lagen van de cilinderwand heen.
 Controleer met berekeningen of de oven voldoet aan de voorwaarde dat de aluminium buitenkant niet warmer wordt dan 50 °C.
Definieer alle parameters met duidelijke symbolen.
 Henk beweert: “om te zorgen dat de oven aan de buitenkant nog koeler blijft, kan ik het aluminium beschilderen met een laagje
radiatorverf. De oven kan zijn warmte dan nog gemakkelijker kwijt en blijft dus koeler.” Ingrid is het met Henk eens dat de emissiviteit
van radiatorverf hoger is dan van geborsteld aluminium, maar denkt dat de wand hier niet koeler van wordt. Wie van beiden heeft
gelijk?
5-10
B – GEBAKKEN LUCHT
Situatieschets
Ingrid maakt zich klaar voor een feestje rondom de Q-stip. Ze droogt haar haar met een föhn zoals afgebeeld in figuur 6. Deze föhn heeft
een knop voor hoge en lage snelheid, en een knop voor verschillende warmtestanden. In tabel 1 zijn de meetgegevens van Ingrid
weergegeven, waarbij opvalt dat elke combinatie van snelheid en warmtestand een eigen elektrisch vermogen Pel vraagt, hoewel deze
combinaties soms nauwelijks verschillen.
Warmte →
Snelheid ↓
U1 (8,5 m∙s-1)
U2 (13 m∙s-1)
Stand I
Pel (W)
Tuit (°C)
195
34
385
40
Stand II
Pel (W)
Tuit (°C)
478
50
953
66
Stand III
Pel (W)
Tuit (°C)
481
50
1622
98
Tabel 1: elektrisch vermogen Pel en uitlaattemperatuur Tuit gemeten bij verschillende standen van de föhn,
bij een omgevingstemperatuur van 20 °C.
Bij de stand met het hoogste vermogen staat de volledige netspanning (230 V) over de
gloeidraad. Voor de andere standen wordt met een elektronische schakeling de spanning over
de draad en dus het gedissipeerde vermogen teruggebracht, zonder dat daarvoor elders in het
Figuur 6: de föhn van Ingrid.
apparaat veel vermogen nodig is.
In de cilindrische uitlaatkoker van de föhn, met een inwendige doorsnede van 4,3 cm, zit een gloeidraad van nichroom met een lengte
van 5,8 m en een diameter van 0,50 mm. Bij benadering blaast de lucht overal dwars op de gloeidraad. Ook kan worden aangenomen dat
de lucht die een deel van de gloeidraad passeert niet al eerder is opgewarmd door een ander gedeelte van de gloeidraad.
Het opgenomen elektrisch vermogen wordt verdeeld over de fan en de gloeidraad. Verwaarloos het vermogen van de fan ten opzichte
van de gloeidraad en ga ervan uit dat alle toegevoegde warmte de föhn verlaat via de uitlaat.
6-10
B – GEBAKKEN LUCHT
Opgaven
 Ingrid heeft in haar meterkast twee groepen: één met een groene zekering, de andere met een grijze. Maakt het uit bij welke groep
het stopcontact hoort waar ze de föhn in stopt?
 Bereken de soortelijke (elektrische) weerstand van nichroom.
 Wat is de maximum temperatuur van de gloeidraad? Zit dit onder de veiligheidsnorm van 1150 °C?
 Bereken de temperatuur van de uitstromende lucht voor alle combinaties van snelheid en warmtestand. Hint: bereken hoeveel lucht
per seconde de föhn verlaat en hoeveel energie de föhn per seconde afgeeft. Komen de antwoorden overeen met meetwaarden?
 Ingrid haast zich om op tijd te komen op Henks feest, maar is bang dat ze haar mooie haar verschroeit met hoge vermogens tijdens
het föhnen. Beschouw daarom alleen de combinatie “warmtestand II met U1” en “warmtestand I met U2”. Laat met berekeningen
zien welke van beide combinaties Ingrid moet kiezen om haar haar het snelste te drogen. Neem daarbij aan dat ze haar haar uitstrekt
tot een vlakke plaat op omgevingstemperatuur, waar ze vlak overheen blaast met de föhn.
 Als Ingrid haar energieverbruik zo laag mogelijk wil houden, zou ze dan dezelfde keuze maken uit deze twee combinaties?
7-10
C – BITTER BALEN
Situatieschets
Ondertussen heeft Henk de bitterballen al uit de frituurpan gehaald. Ingrid is nog niet gearriveerd. Misschien maar goed ook, want Ingrid
brandt haar mond altijd aan alles wat warmer is dan 60 °C. En dat zou toch bitter balen zijn…
Elke bitterbal heeft een massa van 30 gram, een diameter van 3,2 cm, een soortelijke warmte van 2,90 kJ∙kg-1∙K-1 en een warmtegeleidingscoëfficiënt van 0,58 W∙m-1∙K-1. De bitterballen worden uit het frituurvet gehaald op een uniforme temperatuur van 180 °C.
Direct daarna prikt Henk een bitterbal aan een cocktailprikker en houdt deze in de lucht (op 20 °C), om hem voor Ingrid af te laten koelen.
Neem aan dat de bitterbal afkoelt door straling en natuurlijke convectie, waarbij de totale warmteoverdrachtscoëfficiënt gedurende het
gehele proces 9,5 W∙m-2∙K-1 bedraagt.
Opgaven
 Hoeveel minuten kan Ingrid te laat komen, omdat de bitterbal zich dan toch nog boven haar maximaal toelaatbare mondtemperatuur
bevindt?
 Als de tijd die je hier vindt langer of korter is dan je had verwacht, wat zou daar dan een oorzaak van kunnen zijn?
8-10
D – VERHITTE DISCUSSIES OVER KOUKLEUMEN
Situatieschets
De Q-stip is bedoeld om ’s avonds binnen, maar ook buiten te gebruiken. In het laatste geval kunnen sommigen het nog wel eens koud
krijgen, ondanks de warmte van de oven in het midden.
Bedenk daarom een extra constructie, of een aanpassing aan de bestaande onderdelen van de Q-stip, om iedereen warm te houden. Je
kunt daarvoor een separate warmtebron gebruiken, maar eventueel ook warmte uit de oven betrekken. De oplossing moet enerzijds
haalbaar zijn vanuit het oogpunt van energie en warmteleer en zich anderzijds lenen voor een vormgeving die past bij de doelgroep.
Opgaven
 Presenteer je oplossing met een (eenvoudige) conceptschets en een toelichting over de werking.
 Benoem de optredende warmtetransportmechanismen en energieomzettingen in en om de constructie die je hebt bedacht.
 Reken aan in ieder geval één relevante stationaire of instationaire warmtestroom. In het ideale geval zoek je naar allerlei E&Wingrediënten die je nog kunt toevoegen aan deze eindopdracht.
 Wat verwacht je van het benodigde vermogen, het rendement en de haalbaarheid?
9-10
APPENDIX – GEGEVENS VAN LUCHT
Gegevens van lucht (Bron: Çengel, Y.A., Heat Transfer. A practical Approach. 3rd edition)
10-10

Download Report