Tekst: dipl.-ing. christiane decker. Elektronische componenten, wikkelingen in elektrische apparatuur en kabels voor energieoverdracht

Transcriptie

1 Katern voor scholing, her- en bijscholing 42 inhoud 1 Elektriciteit en warmte 4 Cursussen Elektriciteit en warmte Een uitgave van Intech Elektro & ICT en otib juli/augustus 2010 Indien er elektrische stroom door een kabel loopt, wordt deze verwarmd. Deze opwarming kan wenselijk zijn voor verwarmingsdoeleinden, maar ook storend werken in de vorm van warmteverliezen. De opwarming kan dan de reden zijn dat er gepaste maatregelen moeten worden genomen voor het dimensioneren en koelen van een elektrische schakeling of installatie. 5 Otib-nieuws 5 Fotowedstrijd Tekst: dipl.-ing. christiane decker Elektronische componenten, wikkelingen in elektrische apparatuur en kabels voor energieoverdracht warmen op wanneer er een elektrische stroom doorheen loopt. Hierbij geldt: hoe groter de stroom en hoe kleiner de diameter van een kabel, des te groter is de warmteontwikkeling. Met enkele begrippen uit de warmteleer en bepaalde natuurkundige wetten zijn deze verbanden beter te begrijpen. Elektrische verwarmingstoestellen Elektrische verwarmingstoestellen gebruiken gericht de thermische (= warmteopwekkende) werking van stroom. Enkele voorbeelden hiervan zijn: dompelaars, kookplaten, 1. William Thomson (lord Kelvin). haardrogers, straalkachels, soldeerbouten, strijkijzers, warmwatergeneratoren en smeltovens. Het grote voordeel van elektrische warmteopwekking is de doorgaans stille werking zonder lokale verbrandingsgassen. Technisch gezien kan de warmte bovendien gemakkelijk via verwarmingsspiralen worden opgewekt. Vroeger werd vaak beweerd dat het rendement bij de energieomzetting van stroom in warmte bijna 100 procent was (de lokale warmteverliezen in de toevoerleidingen zijn inderdaad laag). Er moet echter wel rekening worden gehouden met het feit dat elektrische energie in eerste instantie in water- of warmtekrachtcentrales moet worden opgewekt. Warmtekrachtcentrales kunnen worden onderverdeeld in kerncentrales en conventionele thermische krachtcentrales (verbrandingskrachtcentrales, gestookt met olie, gas, kolen en afval). Afhankelijk van de aanwezigheid van de primaire grondstoffen voor de energie in een land varieert de samenstelling van het krachtcentralepark. In Noorwegen wordt bijvoorbeeld vrijwel uitsluitend gebruikgemaakt van waterkrachtcentrales om stroom op te wekken. Andere landen daarentegen wekken hun elektriciteit op met gemengde energie: er worden verschillende typen krachtcentrales gebruikt voor energieopwekking. Het rendement van verbrandingskrachtcentrales is in verhouding laag (30 50 procent, afhankelijk van leeftijd en principe). Wanneer bij doelgerichte warmteopwekking wordt gesproken over rendement, moet hier rekening mee worden gehouden. Het totale rendement is dus beduidend kleiner dan het lokale rendement. 42 1

2 Ongewenste warmteontwikkeling Behalve de opzettelijke warmteopwekking voor verwarmingsdoeleinden is er ook ongewenste warmteontwikkeling in kabels, componenten en wikkelingen van apparatuur. Aangezien materiaal bijvoorbeeld halfgeleiders, zoals silicium, of isolatiemateriaal, zoals kunststof niet warmer mag worden dan een bepaalde maximale temperatuur (anders verliezen ze hun gewenste eigenschappen), moet bij de ontwikkeling en het ontwerp van elektrotechnische apparatuur, installaties of systemen rekening worden gehouden met mogelijke thermodynamische problemen. Bij de ontwikkeling van grote generatoren nemen de gebieden mechanica, elektrotechniek en thermodynamica dan ook ongeveer evenveel tijd in beslag. Natuurkundige verbanden Warmte wordt, als één van de vormen van energie, veroorzaakt door relatieve bewegingen van de atomen en moleculen waaruit de materie is opgebouwd. Hoe hoger de temperatuur van een lichaam (vast of vloeibaar), des sneller de bewegingen van atomen en moleculen. Bij gassen bewegen atomen respectievelijk moleculen, met een bepaalde gemiddelde snelheid die afhankelijk is van de druk en van de temperatuur van het gas. Hoe sneller de atomen, respectievelijk moleculen, bewegen, des te hoger de temperatuur en des te groter de opgeslagen hoeveelheid warmte (= warmte-energie). Bij een temperatuur van 0 C gaat water over van een vloeibare naar een vaste aggregatietoestand en omgekeerd (de een- accu Celsius 100 C 0 C -100 C -200 C -273,15 C Kelvin 373,15 K 273,15 K 173,15 K 73,15 K 0 K heid Celsius is vernoemd naar de Zweedse natuurkundige Anders Celsius, ). Bij een temperatuur van -273 C zijn alle atomen of moleculen in ruststand. Dit absolute nulpunt is de laagste temperatuur die in het algemeen kan voorkomen. De hoogste temperatuur die voorkomt, ligt bij meer dan 100 miljoen C. Deze ontstaat bij de kernsynthese op de zon of bij kernfusie. Er is geen natuurkundige bovengrens voor temperatuur bekend. kookpunt van water smeltpunt van water het absolute nulpunt warmte-isolatie aluminium kern warmtespiraal 2. Temperatuurschaal in graden Celsius ( C) en Kelvin (K) met vaste punten. 3. Geïsoleerd aluminium blok met verwarmingsspiraal, schakelaar en accu. Andere eenheden Aangezien temperatuur is gekoppeld aan de beweging van atomen en moleculen, bestaat er geen temperatuur in het vacuüm. Naast Celsius zijn er ook nog andere eenheden voor temperatuur: - Fahrenheit, wordt bijvoorbeeld gebruikt in de Verenigde Staten. - Kelvin, de internationale natuurkundige eenheid (vernoemd naar de Britse fysicus Lord Kelvin, ). De eenheid Kelvin (afkorting: K) wordt Warmtehoeveelheid Een dompelaar van 600 W verwarmt 1 liter water met temperatuur j1a gedurende 5 min. In dezelfde tijd wordt eenzelfde hoeveelheid water (temperatuur j1b = j1a) met een dompelaar van 300 W verwarmd. Om het afkoelen van het water te minimaliseren zijn beide waterboilers volledig geïsoleerd. Na 5 min. wordt de eindtemperatuur (j2a en j2b) gemeten. Vervolgens kan het temperatuurverschil worden berekend: j = j2 j1. Uit deze berekeningen blijkt dat: dompelaar 600 W: j = 42 K dompelaar van 300 W: j = 21 K Om beide waterboilers dezelfde eindtemperatuur te geven, moet de dompelaar van 300 W dus tweemaal zo lang het water verwarmen als de dompelaar van 600 W. Experiment voor de analyse van het verband tussen aangevoerde energie en temperatuurverhoging bij geïsoleerde lichamen. 42 2

3 gebruikt voor de absolute temperatuur (afbeelding 2). Hierbij geldt: 0 K = -273 C en 0 C = 273 K. Verder wordt Kelvin gebruikt voor temperatuurverschillen. Als bijvoorbeeld de behuizing van een elektromotor een temperatuur heeft van 90 C en de omgevingstemperatuur is 20 C, dan is het temperatuurverschil 70 K. De afkorting van de temperatuur in Celsius gebeurt met de Griekse letter j (thèta); de absolute temperatuur (Kelvin-temperatuur) met T. Verschillen worden gekenmerkt door het voorvoegsel (delta). Warmte of warmtehoeveelheid Q is de warmte-energie die bij opwarmen wordt aangevoerd of bij afkoelen wordt onttrokken. Deze heeft dezelfde eenheid als alle vormen van energie, namelijk wattseconde (Ws) of joule (J). Voor een grote warmte-energie wordt ook kilowattuur (kwh) gebruikt. Als een lichaam wordt verwarmd, wordt warmte-energie naar het lichaam aangevoerd die daarin wordt opgeslagen. Elk lichaam, bijvoorbeeld een metalen kookplaat, heeft een bepaalde warmteopslagcapaciteit. Deze opslagcapaciteit is afhankelijk van het gebruikte materiaal en van de grootte. De warmtecapaciteit C (uitgedrukt in Ws/K) is de benodigde hoeveelheid warmte (Q) voor een temperatuursstijging van 1 K. Als formule: Q C = [1] j Omdat warmtecapaciteit C groter is als een lichaam meer massa heeft, wordt in de praktijk ook de zogenoemde specifieke warmtecapaciteit c (soortelijke warmte) gebruikt. Dat is het quotiënt van absolute warmtecapaciteit C en massa m: C c = [2] m Bij de soortelijke warmte c gaat het om een materiaalconstante (tabel 1). Elektrische energie en warmte Als via een verwarmingsspiraal warmte elektrisch wordt opgewekt (afbeelding 3), wordt de volledige (door de verwarmingsspiraal opgenomen) elektrische energie W in warmte omgezet. Door vergelijking 1 en 2 te combineren, volgt: materiaal c [kj/(kg. K)] lood 0,125 tin 0,222 zilver 0,32 koper 0,38 staal 0,46 glas circa 0,84 steen circa 0,84 aluminium 0,92 water 4,19 Tabel 1. De soortelijke warmte c van verschillende materialen. W = U I t = Q = c m j [3] p t = verwarmingsduur U = constante spanning I = constante stroom Als in vergelijking 3 stroom I wordt vervangen door het quotiënt uit spanning U en weerstand, is het resultaat: U 2 t = c m j [4] Vergelijking 4 kan naar wens worden om geschakeld. Als de verwarmingsduur moet worden berekend en de andere waarden zijn gegeven, dan is het resultaat: t = c m j U 2 Voorbeeld: stel dat spanning U = 12 V en de weerstand van de verwarmingsdraad is = 10 Ω. Voor het berekenen van de benodigde verwarmingsduur t om het volledig geïsoleerde aluminium blok met massa m = 1 kg met j = 50 K te verwarmen, geldt dan: t = c m j U 2 } 10 Ω t = 0,92 kj 1 kg 50 K (12 V) 2 kg K t = 3194 s = 53,24 min Vergelijking 4 kan ook worden opgelost aan de hand van temperatuurverschil j: U 2 t j = c m Let op: dit verband op basis van de formule is alleen van kracht, wanneer geen warmte aan de omgeving wordt afgegeven. Opwarming bij kortsluiting Stel: een eenaderige, geïsoleerde koperen kabel (geleiderdoorsnede 1 mm 2 ) is 20 m lang. Door een kortsluiting van 10 s loopt er een stroom ter grote van I k = 50 A. De vraag is nu welke temperatuur j de koperen geleider aan het einde van de kortsluiting zal hebben wanneer deze aan het begin 30 C was. Eerst wordt weerstand berekend (spe cifieke geleidbaarheid van koper: k = 56,18 m/(w mm ): I = k A = 20 m = 356 mw 56,18 m 1 mm 2 W mm 2 Vervolgens is het mogelijk de hoeveelheid warmte Q te bepalen die bij de kortsluiting is ontstaan: Q = W = I 2 t Q = (50 A) 2 0,356 W 10 s = J Daarna kan massa m worden berekend. Hiervoor geldt: massa = volume. dichtheid (dichtheid van koper: r = 8,9 g/cm 3 ): m = A I r g m = (0,1 cm) cm 8,9 cm 3 m = 178 g = 0,178 kg Temperatuurverschil j is vervolgens: Q j = c m 8,9 kj j = = 131,6 K kj 0,38 0,178 kg kg K De temperatuur van de koperen geleider aan het einde van de kortsluiting is dus: j = ( ,6) C = 161,6 C 42 3

4 cursussen otib-nieuws Warmteoverdracht Bij warmteoverdracht wordt een onderscheid gemaakt tussen warmtegeleiding, warmtestraling en warmtestroming. Warmtegeleiding is de verdere geleiding van de warmte naar lichamen: vooral in vaste lichamen. Goede warmtegeleiders zijn alle soorten metaal, in het bijzonder de soorten die ook elektrische stroom goed geleiden, zoals zilver, koper of aluminium (er bestaat een theoretisch verband tussen de elektrische en de warmtegeleidbaarheid). Slechte warmtegeleiders zijn vooral gassen (dus ook lucht) en poreuze stoffen, zoals hout, kurk, wol, neopreen (wordt gebruikt voor duikpakken). Slechte warmtegeleiders worden in de techniek doelgericht gebruikt voor warmte-isolatie (bijvoorbeeld glaswol in warmwaterboilers). Met warmtestraling (afbeelding 4) wordt een vorm van warmteoverdracht bedoeld, waarbij er geen stoffelijke warmtedrager is. De overdracht geschiedt dus in een luchtledige ruimte (in het vacuüm). Volgens natuurkundige wetten gaat het hier om elektromagnetische golven (infrarode straling) met een bepaalde frequentieband. Cursussen Technicus Industriële automatisering deel B Voor wie? projectleider, monteur, technicus. Waar? Industriële automatisering Voor wie? onderhoudstechnici, ontwerpers, operators. Automatiseringssystemen Voor wie? projectleider. Middenkaderfunctionaris. Automatiseringssystemen Voor wie? programmeurs, operators, monteurs, engineers. Waar? Gebouwautomatisering Voor wie? beheerder technische installatie, servicetechnicus, servicemonteur. Waar? 4. Warmtestraling bij warmtelampen. Een deel van de warmte-energie van de zon komt via straling terecht op de aarde. De warmtestroming, ook wel convectie genoemd (afbeelding 5), ontstaat, wanneer de verwarmde stof in beweging komt en op die manier de warmte verder vervoert. Alleen gassen en vloeistoffen zijn daartoe Servicetechnicus Voor wie? middenkaderfunctionaris, servicemonteur installatietechniek, servicemonteur verwarmingstechniek. Middenkader Automatiserings- en energietechniek (mk-aen 10235) Voor wie? middenkaderfunctionaris, technisch leidinggevende. Praktijktraining service lb-kast met gebouwautomatisering ce 402 Voor wie? servicetechnicus, servicemonteur. Informatie? www. mijnkenteq.nl. Industriële automatisering basis Voor wie? onderhoudsmonteur, tekenaar, assistent monteur. Waar? 5. Warmtestroming bij een olieradiator. in staat. Zo wordt bijvoorbeeld de lucht in een kamer verwarmd door de radiator. De verwarmde lucht stijgt omhoog, waardoor van onderaf koude lucht toestroomt. De koude lucht wordt verwarmd en stijgt op, waardoor van onderaf koude lucht toestroomt, enzovoort. Wel thuis Otib is samen met woningcorporaties Vestia en Vidomes, zorginstellingen Pieter van Foreest, Uneto-vni en de gemeente Delft, het project Wel thuis gestart. Met deze samenwerking wordt alle beschikbare kennis op het gebied van zorg, wonen en welzijn gecombineerd met de expertise uit de technische installatiebranche, en ingezet in een levensloopgeschikte voorbeeldwoning. In deze woning kunnen bezoekers ervaren welke toepassingen er zijn om langer comfortabel, duurzaam, veilig en zelfstandig te kunnen wonen. Het project laat zien welke oplossingen en antwoorden er zijn om de eigen woning levensloopgeschikt te maken. Meer informatie: of

5 otib-nieuws fotowedstrijd Innovatieve cursussen Om aan de scholingsbehoefte in de technische installatiebranche te voldoen, ontwikkelt Otib nieuwe cursussen en trainingen. Deze kraamkamercursussen worden uitgebreid getest door docenten en cursisten, en vervolgens overgedragen aan de markt. Deze zomer worden er nog cursussen gegeven op het gebied van domotica over vooral wooncomfort, gebruikskwaliteit van woningen, veiligheid en mobiliteit. Ook komt Spiegelbeeld.net productkennis van hulpmiddelen en technische toepassingen aan bod. Deelname aan de cursussen is kosteloos. - Domotica, comfort en zorg van installateur naar woonadviseur (F2759); - Domotica, comfort en zorg van installateur naar leidinggevenden (F3758). Meer informatie: of Otibservicedesk, tel Meisjes weten vaak te weinig van technische opleidingen en beroepen. Om een beter beeld van de mogelijkheden in de techniek te geven is er nu de website Spiegelbeeld is een online database met daarin vrouwen die werken in de techniek of ict. Meisjes enthousiast maken voor techniek staat al enige tijd op de agenda. Het ministerie van ocw investeert dit jaar bijna 2 miljoen euro om meer meisjes te interesseren voor de techniek. Vernieuwing van de profielen in het voortgezet onderwijs in 2007 heeft ervoor gezorgd dat veel meer meisjes een technisch profiel hebben gekozen. Spiegelbeeld zorgt voor goede rolmodellen in de techniek. Otib verstrekt een tegemoetkoming aan de werkgever als de werkneemster afwezig is voor activiteiten van Spiegelbeeld. Meer informatie: of Fotowedstrijd Zo moet het niet bop-online Een bedrijfsopleidingsplan (bop) is een overzicht van alle afspraken rond scholing en ontwikkeling van de medewerkers in een bedrijf. De bop helpt bij het in kaart brengen van toekomstplannen, kennis en vaardigheden in het bedrijf. Otib brengt al enige tijd een cd-rom uit met het programma Uw bop in zeven stappen. Nieuw is de $bop-online, toegespitst op de technische installatiebranche. Met deze website kunnen werkgevers eenvoudig en stapsgewijs een eigen bedrijfsopleidingsplan opstellen met analyse van kansen, bedreigingen, sterke en zwakke punten. Ook biedt de site werkgevers uit de technische installatiebranche de mogelijkheid de bop aan te bieden via Otib-online en direct een ontwikkelingsstimuleringsregeling (osr-regeling) aan te vragen. Meer informatie: of otib.nl. Onder het motto Zo moet het niet zoekt de redactie van Intech Elektro en ict naar duidelijke voorbeelden van slecht of foutief uitgevoerde installaties. Inzenders van wie de foto s worden geplaatst winnen een Isso-handboek ter waarde van 245 euro. De foto s (van goede kwaliteit), vergezeld van een korte beschrijving en naam en adres van de inzender, kunnen o.v.v. Zo moet het niet worden g d naar info@installmedia.nl, of per post naar Intech Elektro en ict, t.a.v. redactie, postbus 188, 2700 AD Zoetermeer. Prijswinnaar van deze maand Deze maand gaat het Isso-handboek naar Henk Custers van Henk Custers Elektro & Montage in Swolgen. Hij trof deze situatie (foto links) aan bij een klant als aansluiting van vier woonunits door vijf aardblokken gemonteerd in kast. Van hieruit werden de units van voeding voorzien, 3x32 A zonder aardlekschakelaar. Henk Custers heeft geadviseerd het toch maar aan te passen (foto rechts). In de units zaten wel een hoofdschakelaar en 16 A-zekeringen. Het Isso-handboek is inmiddels onderweg. Namens de redactie: van harte gefeliciteerd. Kijk voor meer foto s van slecht uitgevoerde installaties op Zo moet het niet. 42 5