FIWIHEX Fine Wire Heat Exchanger

Leren van de onverklaarbare praktijk
Over drijvende krachten en innovatiepioniers
Chris R. Kleijn
Kramers Laboratorium voor Fysische Technologie
Delft University of Technology
The Netherlands
[email protected]
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Gebruik fossiele energie in Nederland
• totaal energiegebruik ~ 3000x1015 J/jaar
•>95% uit fossiele brandstoffen ~ 140 Mton CO2
• Woningverwarming 290x1015 J/jaar ~ 10%
• Glastuinbouw 140x1015 J/jaar ~ 5%
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Conventionele woningverwarming
T1
T2
Q=h1A1(T1-T0)
T0
Q=h2A2(T2-T1)
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Stel dat we erin slagen om h2A2 zo te verhogen, dat
de drijvende kracht T2-T1 verlaagd kan worden van
500C naar 50C, hoeveel energie besparen we dan?
A) 0%
B) 10%
C) 50%
D) 90%
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Woningverwarming met zonneboiler
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Efficiency curve van een zonneboiler
1

0
0
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Tout
Chris R. Kleijn
Dr.ir. Noor van Andel
1956-1963
1964-1969
1969-1977
1977-1985
1985-1999
1999-nu
2001
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Studie TN aan TH Delft
Euratom Ispra (Italie)
directe energieconversie
Akzo engineering, energiebesparing zware chemie
Directeur Research
Akzo Zout Chemie
Directeur Corp. Research
Akzo Nobel
Directeur Fiwihex Almelo
Eredoctoraat UvA
Chris R. Kleijn
Dr.ir. Noor van Andel
“De toenmalige top van Akzo was
helemaal niet geïntereseerd in nieuwe
producten. Ze waren alleen bezig met
geld verdienen, ook voor zichzelf”.
“Voor het eerst van mijn leven doe ik
research zonder dat ik verantwoording
hoef af te leggen. Voorheen werd mij
altijd verteld wat ik moest doen door een
gesalarieerde stoethaspel (…), die wel
meer betaald kreeg dan ik maar er
minder verstand van had”.
“Ik ben blij dat ik nu weer kan doen
waarvoor ik opgeleid ben”.
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Warmteoverdracht aan een dunne draad
v
h=3.2(v/d)0.5
d
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Fine Wire Heat Exchanger
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Warmteoverdracht aan draadweefsel
v
h=10(v/d)0.5
(v=0.5m/s, D=100mm→h=700W/m2K)
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
FIWIHEX Fine Wire Heat Exchanger
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
FIWIHEX Fine Wire Heat Exchanger
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Specificaties Fiwihex
Max. warmteoverdracht 220 W/K (=1100W bij DT=50C)
(~n0.8)
Opwarmen ruimte 80m3 van 100C naar 200C in 10min
Electriciteitsverbruik 35W (~n3)
Prijs (bij kleine serie) 200 Euro
Maximaal benodigd verwarmingsvermogen voor rijtjeshuis
~2500W
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Solar boiler, Fiwihex & storage
Solar panel
Solar panel
Fiwihex
SUMMER
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Fiwihex
WINTER
Chris R. Kleijn
Numerieke simulaties van de
luchtstroming in een Fiwihex
Afstudeerproject van ir. Gerrit Tjallema (ST,
2001)
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Computational Fluid Dynamics (CFD)
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Simulatie luchtstroming door de fan
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Experimentele Validatie
Eck B., 1973, Fans
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Invloed van de hoek van de schoepen
-50
+
+100
-
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Modified Fan Designs
pressure number y
4.00
3.00
2.00
angle +10
current fan
angle-10
angle -20
angle -30
angle -40
+
1.00
0.00
0.00
0.10
-
0.20
0.30
flow number f
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
0.40
0.50
Chris R. Kleijn
pressure number y
Modified Fan Designs
3.00
60 blades
40 blades
30 blades
2.00
1.00
0.00
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
flow number f
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Warmteoverdracht
2.5
log ( F)
2.3
factor 2.2
experimenten
2.1
1.9
simulaties
1.7
1.5
1.6
1.8
2.0
log (n)
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
2.2
2.4
Chris R. Kleijn
verhoogde turbulentie door draadweefsel
Dunne draad weefsel
Vlakke plaat
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Experimentele bepaling van
warmteoverdracht en frictie in een
Fiwihex
Afstudeerproject van ir. Marian Vlot
(TN, 2003)
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Warmteoverdracht platen en
draadweefsels
6
Q (W/K)
5
4
draadweefsel
3
2 – 2.5 x
2
1
0
1.6
vlakke plaat
2
2.4
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
2.8
3.2
v (m/s)
Chris R. Kleijn
Wrijvingsweerstand platen en
draadweefsels
0.04
f
vlakke plaat (theorie)
0.03
0.3-0.6 x
0.02
0.01
draadweefsel
0
1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400
Re
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Verhouding warmteoverdracht en frictie
StPr2/3=½ f
StPr2/3
f
Re
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Introduction * Heat transfer * Friction * StPr2/3/f * Conclusions
Verhouding warmteoverdracht en
frictie in de Fiwihex
2
StPr
f
2/3
1.5
3-4x
1
0.5
0
1000
theoretical maximum
1500
2000
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
2500
Re
3000
Chris R. Kleijn
Energieverbruik tuinbouwkas
Jaargemiddelde ingevangen zonnestralingsenergie is 3x zo
groot als de energiebehoefte voor verwarming
In principe heeft een kas dus een energieoverschot
Desalniettemin: hoog verbruik fossiele brandstoffen
verwarming
CO2 productie
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Kas als energiebron
Idee ontwikkeld door Noor van Andel
“Ei van Columbus” prijs 2003 voor duurzaamheid en innovatie
•Gesloten kas
•Fiwihex warmtewisselaars
•Warmteopslag in de freatische laag van de bodem (10+250C)
•Besparing op fossiele energie 93%
•Energieoverschot in de vorm van water van 300C
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
IVM onderzoek (2003) maatschappelijke
reacties op concept Kas als energiebron
Brede instemming met pilotproject, ook onder sceptici
Vraagtekens bij:
• economische aspecten (terugverdientijd)
• Bijdrage aan Kyoto
• ruimtelijke inpassing
• ambitieniveau/haalbaarheid o.b.v. impliciete opvattingen
(teveel overheidsbemoeienis, te mooi om waar te zijn,
kan Nederland dit wel?)
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn
Pilotproject Kas als energiebron
Consortium van bedrijven + SIGN + Innovatienetwerk
5000 m2
3.25 MEuro
Financiele ondersteuning door EZ, VROM, LNV en
Productschap Tuinbouw
Lunchlezing Netwerk Duurzame Ontwikkeling, 12 mei 2004
Chris R. Kleijn