Energi

Enheter

Ordet energi stammer fra gresk (energeia) og betyr styrke. Energi kan defineres som evnen til å utføre et arbeid, hvor arbeid er kraft anvendt over en strekning.

Jeg har valgt å ta for meg de tre enhetene jeg mener er viktigst:

Joule (J), som er den vitenskapelig "korrekte" enheten, er en Sl-enhet og defineres derfor ved hjelp av andre Sl-enheter:


Kalori (cal) som er mer brukt i dagligtalen, er den mengden energi som kreves for å varme opp ett gram vann 1 grad celcius (eller kelvin).

Er det snakk om elektrisk energi brukes måleenheten kilowattimer (kWh).  En joule kan også defineres som energien som avgis av 1 watt effekt i løpet av ett sekund. En kilowattime er energimengden som tilsvarer et effektforbruk på 1 kilowatt pr. time. Det vil da bli 1 kW·3600s, som er det samme som 3600 kJ.

Energiformer og overføring

Før man skal begynne å jobbe med energiformer og overføring kan det være greit å ha de mest essensielle begrepene på plass. Her er en liste over hvilke former energi kan komme som, samt eksempler på hvor de brukes:

Energiformer
Energitype	Trivialnavn	Eksempel
Potensiell energi	Stillingsenergi	Kraftverksdam på fjellet
Kinetisk energi	Bevegelsesenergi	Vann i bevegelse, massestrøm Fritt fall av gjenstand.
Indre kinetisk	Varmeenergi	Molekylvibrasjon, Vanndamp. Mikrobølgeovn. En varm gass under trykk inneholder energi både i form av sin temperatur og sitt trykk. (Entalpi og entropi)
Kjemisk bundet energi	Brennstoffer	Hydrokarboner og karbohydrater Fettsyrer og proteiner, sukker, stivelse. Olje og gass, kull. Må reagere med oksygen. Danner CO2 og H2O
Elektrisk energi (Metode for overføring av energi)	Strøm	Elektronvibrasjon, elektrisk spenning Lyn.
Kjernefysisk energi	Atomkraft	Kjernereaktorer, atombomber Radon fra kjellere Radioaktive isotoper

Når det kommer til energioverføring skiller vi i hovedsak mellom tre typer. Her er en oversikt over disse:

Energioverføring
Type	Beskrivelse	Eksempel
Stråling	Kortbølget lys	Sola stråler til jorda. Går gjennom lufttomt rom. Går nesten uhindret gjennom glass. Sola avgir 500W/m2
	Langbølget varmestråling	Ovnen avgir varme til lufta. Lufta stiger og fortrenger kaldere luft som igjen synker. Trenger luft eller en annen gass da den trenger en varmeleder.
Konveksjon	Omrøring i luft	Panelovn, luft stiger til værs og fordeler seg i hele rommet.
	Omrøring i vann	Røreverk i tank utjevner temperaturen i hele tanken (tvungen konveksjon)
Varmeledning	Molekylvibrasjon. Friksjon mellom molekylene gir varme.	Rørledning som blir oppvarmet av mediet. Trenger et fast stoff, væske eller gass. Både gasser, væsker og faste stoffer leder varme. Benevnelse: W/m * K Varmeledningsevne = Termisk konduktivitet

Vann i kjemiske prosesser
Høy spesifikk varmekapasitet	4,19 kJ/kg x K
Høy fordampningsenergi	2260 kJ/ kg ved 1 bara
Lav termisk konduktivitet (varmeledningsevne)	w/m*K
Billig
Ikke giftig
Frysepunkt	0 oC
Kokepunkt	100 oC
Meget godt løsemiddel
Salt-vann	løsning
Sprit - vann	væskeblanding
Pvc- vann	suspensjon
Fett-vann med zalo (blandet)	emulsjon

Vanndamp
Forekomst	Type	Spesifikk varmekapasitet
Is	Fast	332 kJ/ kg
Væske	Flytende	4.18 kJ/ kgxK
Vanndamp	Gass	2260 kJxkg
Vann er en svært stabil forbindelse mellom ett atom oksygen og to atomer hydrogen, H2O. Vannet kan løse store mengder faste stoffer, og det kan transportere store varmemengder. Det oppfører seg forskjellig fra nesten alle andre stoffer ved at det øker i volum ved avkjøling fra +40C til frysepunktet, 00C, hvor det skjer en momentan volumøkning på 9%. Dette gjør bl.a. at is på elver og vann flyter på overflaten og ikke synker til bunns. De elektriske ladningene i vannmolekylet er slik fordelt at vann lett løser opp salter, så effektivt at absolutt "rent" vann knapt forekommer i naturen. Havvann er en temmelig konsentrert løsning av mange salter. I alt er 3,5% av havvannet løste salter. Bindingen mellom vannmolekylene er sterk, og gir vannet en svært høy såkalt varmekapasitet, som betyr at mye energi må tilføres for å smelte is og få vann til å fordampe. Tilsvarende frigjøres mye energi når vanndamp kondenserer, og når vann fryser. Disse egenskapene gjør at vann bidrar sterkt til å jevne ut temperaturforskjellene på jorden. Vann har en uvanlig evne til å trenge inn i trange kapillæråpninger, noe som har stor betydning for vanntransporten i jord og planter. Der ligger en viktig årsak til vannets rolle i planteproduksjonen. Egenskaper: ·       Godt løsemiddel ·       Lukt og smakfritt ·       Fargeløst ·       Billig ·       Ikke giftig ·       Miljøvennlig ·       2/3- deler av jorda er dekket av vann ·       Brukes mye i næringsmiddelindustrien og prosessindustrien ·       2% av alt ferskvann er erklært som drikkevann iflg. WHO.

Energioverføring

Forhold som påvirker varmeovergangen

·       Hva slags medie, væske eller gass

·       Spesifikk varmekapasitet/ fordampningsvarme på væske/ gass

·       Trykk (Gasser)

·       Veggens tykkelse

·       Veggens materialtype

·

·       Turbulens (omrøring) i væsken/ gassen

·       Groing på vegger

Varmeveksling

En varmeveksler er et apparat som brukes til å overføre varme/energi mellom to væske- eller gasstrømmer. Vi skiller i grove trekk mellom fire typer varmevekslere. Her er en kort forklaring av en av disse typene:

Platevarmeveksler

En platevarmeveksler fungerer slik at to medier (væske eller gass) ledes inn gjennom to hull. Det ene mediet vil bli entre det øverste kammeret hvor det vil bli ledet diagonalt over platen og ned i et hull i motsatt hjørne. Det andre mediet vil på sin side entre kammer nr. 2 og bli ledet diagonalt over denne platen (altså i motsatt retning av det første mediet). Deretter vil det første mediet entre kammer nr. 3, og det andre mediet kammer nr. 4. Slik fortsetter det før det blir ledet ut på motsatt side av inngangen.

Bildet er hentet fra http://ansatte.hin.no/brs/fag/emner/tdyn/docs/vv/varmevekslere.html

Rørvarmeveksler

Prinsippet for en rørvarmeveksler er veldig likt prinsippet til en platevarmeveksler: du har to separerte strømningsmedier som overfører energi mellom seg. I en rørvarmeveksler har du en rørside og en skallside, og det er her mediene strømmer. En ulempe med mange rørvarmevekslere er at rørene strekker seg som et resultat av raske endringer i temperatur. Dette er grunnen til at andre rørvarmevekslere har buede rør. Tur og retur er da på samme side.

Bildet er hentet fra

http://ndla.no/sites/default/files/images/straight-tube_heat_exchanger_1-pass.png

Med- og motstrøms Varmeveksling

I prosessindustrien finnes det i hovedsak to prinsipper for varmeveksling; med- og motstrøms. Disse har forskjellige egenskaper og blir brukt med tanke på effektivitet, energiforbruk og hvor robuste de er. Her er en oversikt over disse to typene:

Medstrøms

Medstrøms varmeveksling går ut på at to medier entrer på samme side og strømmer i samme retning gjennom varmeveksleren. Overføringen vil da starte brått, ettersom differansen på de to mediene vil være høy, men jevne seg ut etter hvert som mediene får mindre differansetemperatur. Differansen ut vil som et resultat av dette være svært lav, og temperaturen vil legge seg på en median midt mellom inngangstemperaturene.

Her vil T2 og T4 være enden på henholdsvis T1 og T3.

Motstrøms

Grunnprinsippet for motstrøms varmeveksling er at mediene entrer på hver sin side av varmeveksleren og strømmer mot hverandre. Det vil føre til en «mykere» energioverføring ettersom mediet som treffer inngangsmediet på motsatt side, allerede vil være påvirket av det andre mediet som har strømmet gjennom. Linjene i varmeoverføringsdiagrammet vil da starte fra hver sin side, og følge hverandre proporsjonalt nedover/oppover.

Her ser vi også en viktig egenskap ved motstrøms varmeveksling; nemlig at utgangstemperaturen på det kalde mediet er høyere enn utgangstemperaturen på det varme mediet. Differansetemperaturen (∆t) vil også alltid være konstant.

Vann og Vanndamp

Vann spiller en sentral rolle når det kommer til varmeveksling, og for å skjønne hvor mye energi som blir tilført, kan det være lurt å kunne regne på hvor mye energi det trengs for å varme opp vann. Her finnes det to formler som sier noe om energien i henholdsvis oppvarming og fordamping (overgang mellom aggregatfaser) av vann. Her er et temperaturdiagram for vann (starter på 0 °C):

Diagrammet gjelder også for temperaturer opp til 0 °C (altså fra is til vann).

Hvis vi sier at Q = energi, har vi altså to typer; Q_o og Q_f som står for oppvarmingsenergi og fordampingsenergi. Formlene for å finne disse verdiene ser slik ut:

Q(o) = m*c*temperaturdifferanse (delta t)

og

Q(f) = m*r

Der

Q = energi (kJ)

m = masse (kg)

c = spesifikk varmekapasitet (kJ/kg*K)

r = spesifikk fordampningsenergi (kJ/kg)

  

Energiforbruk

Når man skal regne ut energiforbruk i effekt (watt) har man en generell formel som ser slik ut:

kJ/kg * kg/s = kJ/s (kW)

Her er kJ/kg et uttrykk for varmekapasiteten til stoffet som blir tilført, mens kg/s  er et uttrykk for kilogram per sekund. For å regne fra tonn i timen (som er benevnelsen for de fleste verdier på Norcem) til kg per sekund, kan man bruke følgende formel:

x kg / 3600s = x kg/s, der x er vekten som strømmer gjennom på én time, og 3600 er antall sekunder per time.