Scheikunde 001-036.indd

Transcription

Fonds voor Vakopleiding in de Bouwnijverheid
De sanitair installateur
Scheikunde en fysica voor
de sanitair installateur
D E
I N S
S A N I T A
T A L L A T E
I
U
R
R
SCHEIKUNDE EN FYSICA
VOOR DE SANITAIR INSTALLATEUR
FONDS VOOR
VAKOPLEIDING
IN DE
BOUWNIJVERHEID
Koningsstraat 45
1000 Brussel
Tel.: (02) 210 03 33
Fax: (02) 210 03 99
www.debouw.be
[email protected]
VOORWOORD
Toen het werkterrein van het Fonds voor Vakopleiding in de Bouwnijverheid werd uitgebreid tot de
Voltooiingssector, werden de verantwoordelijkheden per beroep verdeeld over werkgroepen: de
FVB-secties.
Binnen de FVB-sectie «Sanitaire Installaties, Kunststoffen en Gas» werd reeds van bij de aanvang
beslist om een leerboek te ontwikkelen. In de loop van de werkzaamheden kreeg het leerboek eerder
het karakter van een naslagwerk voor opleiding.
Met dit naslagwerk willen we een zo breed mogelijk publiek bereiken: de leerlingen, de volwassenen
in opleiding, de opleiders, en last but not least... de sanitair installateur zelf.
Ten behoeve van de lezer werd het naslagwerk opgedeeld in verschillende modules. Per afgeronde
eenheid werd er telkens een boekje van een 40-tal pagina’s opgemaakt.
Voor diegenen die zich meerdere boekjes, of de volledige reeks willen aanschaffen, werd een
bijbehorende map ontwikkeld, om de boekdelen in op te bergen. De volledige structuur van het
naslagwerk vindt u op de keerzijde van de cover.
We hopen met dit werk een bijdrage te leveren tot meer uniformiteit in de opleiding en zijn er van
overtuigd dat de leerlingen of cursisten met dit werk op een aangename wijze kunnen kennismaken
met het zo veelzijdige beroep van «Sanitair Installateur».
We willen hierbij al de leerkrachten danken die hun bijdrage hebben geleverd om dit omvangrijk
werk te realiseren, evenals de firma’s die ons hebben geholpen bij de keuze van de illustraties en
het corrigeren van sommige teksten.
Speciaal willen we de heren N. De Pue (†) (past-voorzitter L.B.I.S. - Beroepsfederatie Sanitair, Gas
en Dakbedekking) en G. Wouters (honorair voorzitter, Verenigde Lood- en Zinkbewerkers, Antwerpen)
vermelden, die mee aan de wieg stonden van dit project en de verdere realisatie mogelijk maakten.
Veel leesplezier.
Stefaan Vanthourenhout,
FVB-Voorzitter.
WERKGROEP
Opmaak en eindredactie:
De heer Boeynaems
De heer Ides
De heer Uten
De heer Verhoeven
Coördinatie:
De heer P. Becquevort
© Fonds voor Vakopleiding in de Bouwnijverheid, Brussel, 2003.
Alle rechten van reproductie, vertaling en aanpassing onder eender welke vorm, voorbehouden voor alle landen.
D/2003/1698/16
2
INHOUDSTAFEL
MODULE X: SCHEIKUNDE EN FYSICA
VOOR DE SANITAIR INSTALLATEUR
HOOFDSTUK I: SCHEIKUNDE ...........................................................................................
7
I.1. STRUCTUUR VAN DE MATERIE .....................................................................................
I.1.1. Oorsprong .............................................................................................................
I.1.2. Elementen, atomen, moleculen, verbindingen, mengsels ................................
I.1.3. Scheikundige reacties ..........................................................................................
I.1.4. Metalen, niet-metalen ...........................................................................................
I.1.5. Zuren, basen, zouten ............................................................................................
I.1.6. Edele en onedele metalen ....................................................................................
I.1.7. Elementen gerangschikt volgens hun atoommassa .........................................
7
7
8
11
12
12
14
15
I.2. STOFFEN IN DE LUCHT ...................................................................................................
I.2.1. Lucht (gassen) ......................................................................................................
I.2.2. Samenstelling van de atmosferische lucht ........................................................
I.2.3. Lucht als reactiemiddel ........................................................................................
16
16
16
16
I.3. STOFFEN IN DE AARDE ..................................................................................................
I.3.1. Metalen ...................................................................................................................
I.3.1.1. Inleiding ....................................................................................................
I.3.1.2. Goud ........................................................................................................
I.3.1.3. Koper ........................................................................................................
I.3.1.4. Zilver en lood ............................................................................................
I.3.1.5. Tin ............................................................................................................
I.3.1.6. Antimoon ..................................................................................................
I.3.1.7. Zink ..........................................................................................................
I.3.1.7.1. Thermisch verzinken (galvaniseren) ........................................
I.3.1.7.2. Vernikkelen, verchromen, verkoperen, verzilveren ..................
I.3.1.8. IJzer .........................................................................................................
I.3.1.8.1. Gietijzer ...................................................................................
I.3.1.8.2. Staal ........................................................................................
I.3.1.8.3. Roestvast staal ........................................................................
I.3.1.9. Aluminium ................................................................................................
I.3.2. Fossiele brandstoffen: aardgas ...........................................................................
I.3.2.1. Aardgas ....................................................................................................
I.3.2.1.1. Oorsprong ...............................................................................
I.3.2.1.2. Winning ...................................................................................
I.3.2.1.3. Vervoer ....................................................................................
I.3.2.1.4. Opslag van aardgas ................................................................
I.3.2.1.5. Distributie ................................................................................
I.3.2.2. Butaan en propaan .....................................................................................
I.3.2.2.1. Oorsprong ...............................................................................
I.3.2.2.2. Opslagmogelijkheden ..............................................................
17
17
17
19
20
24
26
27
28
29
31
31
32
32
34
35
36
37
37
38
39
41
42
42
42
43
3
I.3.2.3.
De verbranding van gas ...........................................................................
I.3.2.3.1. Enkele begrippen ....................................................................
I.3.2.3.2. Verbrandingsvoorwaarden ......................................................
I.3.2.3.3. Soorten verbranding ................................................................
I.3.2.3.4. Luchtovermaat, CO2-gehalte ...................................................
I.3.2.3.5. CO-vorming .............................................................................
I.3.2.3.6. Warmte-eenheden ...................................................................
I.3.2.3.7. Het dauwpunt ..........................................................................
I.3.2.3.8. Calorische waarde, condensatiewarmte ..................................
I.3.2.3.9. Calorisch debiet – nuttig vermogen – rendement ....................
I.3.2.3.10. Hoogrendementstoestellen .....................................................
I.3.2.3.11. Samenvatting ..........................................................................
46
46
48
51
53
55
57
58
59
61
62
66
I.4. Stoffen in water (vloeistoffen) .........................................................................................
I.4.1. Kringloop ...............................................................................................................
I.4.2. Chemische eigenschappen ..................................................................................
I.4.2.1. Heterogeen mengsel ................................................................................
I.4.2.2. Oplossing .................................................................................................
I.4.3. Verontreiniging van water ....................................................................................
I.4.4. Productie van drinkwater .....................................................................................
67
67
67
68
68
71
72
I.5. Galvanische koppels, elektrolyse, corrosie ..................................................................
I.5.1. Galvanische koppels ............................................................................................
I.5.2. Elektrolyse .............................................................................................................
I.5.3. Corrosie .................................................................................................................
I.5.3.1. Corrosie door watersnelheid ....................................................................
I.5.3.2. Temperatuurscorrosie ..............................................................................
I.5.3.3. Hardheid en zuurtegraad .........................................................................
I.5.3.4. Diagram van Hissel .................................................................................
I.5.3.5. Corrosie door galvanische koppels ..........................................................
74
74
77
79
79
80
80
82
83
I.6. Lijmen, kitten, siliconen ..................................................................................................
I.6.1. Lijmen ....................................................................................................................
I.6.1.1. Lijmproeven ..............................................................................................
I.6.1.2. Lijmsoorten ...............................................................................................
I.6.1.3. Tweecomponentenlijm .............................................................................
I.6.1.4. Veiligheidsvoorschriften ...........................................................................
I.6.2. Kitten ......................................................................................................................
I.6.3. Siliconen ................................................................................................................
I.6.3.1. Soorten siliconen ......................................................................................
I.6.3.2. PU-schuim ................................................................................................
I.6.3.3. Chemisch anker (2 componenten) ...........................................................
84
84
85
86
87
87
89
90
92
93
94
4
HOOFDSTUK II: FYSICA ......................................................................................................
95
II.1. MASSA, GEWICHT, VOLUME EN KRACHT ....................................................................
II.1.1. Massa ...................................................................................................................
II.1.2. Volume .................................................................................................................
II.1.3. Kracht ...................................................................................................................
II.1.4. Dichtheid ..............................................................................................................
II.1.5. Zwaartekracht ......................................................................................................
II.1.6. Gewicht ................................................................................................................
II.1.7. Opwaartse kracht ................................................................................................
II.1.8. Arbeid ...................................................................................................................
II.1.9. Energie .................................................................................................................
II.1.10. Vermogen .............................................................................................................
II.1.11. Rendement ...........................................................................................................
II.1.12. Communicerende vaten .....................................................................................
95
95
96
96
98
100
101
102
103
104
104
105
106
II.2. DRUK
II.2.1.
II.2.2.
II.2.3.
II.2.4.
II.2.5.
II.2.6.
.................................................................................................................................
Luchtdruk, overdruk, onderdruk .......................................................................
Statische en dynamische druk ..........................................................................
Drukverlies ...........................................................................................................
Druk in vloeistoffen .............................................................................................
Hevelwerking .......................................................................................................
Druk in gassen ....................................................................................................
II.2.6.1. De gaswet bij constante temperatuur ......................................................
II.2.6.2. De gaswet bij constant volume ...............................................................
II.2.6.3. De gaswet bij constante druk ..................................................................
II.2.6.4. De algemene gaswet ..............................................................................
II.2.7. Dampspanning ....................................................................................................
II.2.8. Relatieve vochtigheid .........................................................................................
II.2.9. Dauwpunt .............................................................................................................
II.2.10. Adhesie, cohesie, oppervlaktespanning ...........................................................
II.2.11. Capillariteit ...........................................................................................................
107
108
111
111
112
114
114
114
115
116
117
118
120
121
122
122
II.3. STROMING IN VLOEISTOFFEN EN GASSEN ...............................................................
II.3.1. Stromingssnelheid, volumestroom en massastroom .....................................
II.3.2. Wrijvingsweerstand en viscositeit ....................................................................
II.3.3. Laminaire en turbulente stroming .....................................................................
123
123
124
124
II.4. TEMPERATUUR ................................................................................................................
II.4.1. Wat is temperatuur? ...........................................................................................
II.4.2. De eenheden van temperatuur ...........................................................................
II.4.2.1. Celsius ....................................................................................................
II.4.2.2. Kelvin ......................................................................................................
II.4.2.3. Fahrenheit ...............................................................................................
II.4.3. Celsius of Kelvin .................................................................................................
II.4.4. Temperatuurverschil ...........................................................................................
II.4.5. Temperatuur ........................................................................................................
II.4.6. Het meten van temperatuur ................................................................................
125
125
126
126
126
127
128
128
128
128
5
II.5. WARMTE ...........................................................................................................................
II.5.1. Wat is warmte? ....................................................................................................
II.5.2. Eenheden .............................................................................................................
II.5.2.1. Warmte ....................................................................................................
II.5.2.2. Soortelijke warmte ...................................................................................
II.5.2.3. Vermogen ................................................................................................
II.5.3. Warmteoverdracht ..............................................................................................
II.5.3.1. Geleiding .................................................................................................
II.5.3.1.1. Warmtegeleidingscoëfficiënt lambda (λ) ................................
II.5.3.1.2. Warmtedoorgangscoëfficiënt .................................................
II.5.3.2. Straling ....................................................................................................
II.5.3.3. Convectie ................................................................................................
II.5.4. Aggregatietoestand van een stof ......................................................................
II.5.4.1. Veranderen van aggregatietoestand .......................................................
II.5.4.1.1. Smelten .................................................................................
II.5.4.1.2. Stollen ....................................................................................
II.5.4.1.3. Verdampen ............................................................................
II.5.4.1.3.1. Koken ................................................................
II.5.4.1.3.2. Condenseren .....................................................
II.5.4.1.3.3. Sublimeren en verrijpen .....................................
129
129
130
130
132
133
134
134
135
136
137
138
138
139
139
139
140
141
143
144
II.6. GELUID ..............................................................................................................................
II.6.1. Wat is geluid? ......................................................................................................
II.6.2. Wat maakt luchtgeluid? ......................................................................................
II.6.3. Wat is een decibel (dB)? .....................................................................................
II.6.4. Hoe wordt geluid gemeten? ...............................................................................
II.6.5. Hoe werkt het oor? ..............................................................................................
II.6.6. Richting van het geluid .......................................................................................
II.6.7. Veiligheidsnormen ..............................................................................................
II.6.8. Geluidssnelheid ..................................................................................................
II.6.9. Isolatie, absorptie ................................................................................................
II.6.10. Luchtgeluid, contactgeluid ...............................................................................
145
145
145
146
146
146
147
148
149
149
151
6
HOOFDSTUK I: SCHEIKUNDE
I.1. STRUCTUUR VAN DE MATERIE
I.1.1. OORSPRONG
De aardbol waar we op leven bestaat al miljarden jaren. Deze aardbol is slechts een klein stukje
van het onmetelijke heelal.
De oorsprong van al wat we rond ons waarnemen is bron van vele speculaties, waarvan de BigBang-theorie de tot hiertoe meest gangbare is.
Deze theorie zegt dat bij de oorsprong van het heelal al de materie samengebald was tot 1 kernpunt,
dat dan geëxplodeerd is en al deze materie verspreid heeft.
Van bij de oorsprong zou al de materie reeds aanwezig zijn geweest.
Sinds enkele honderden jaren heeft de mens geprobeerd om de hem omringende materie te benoemen, en hierin enige orde te brengen. We kunnen uiteraard enkel die stoffen proberen te detecteren die zich op onze aarde bevinden.
De meeste van de verder besproken stoffen zullen we zelden in pure vorm aantreffen in de natuur.
Pure zuurstof, zuiver ijzer of bijvoorbeeld aluminium zul je niet aantreffen.
Het merendeel van alle stoffen hebben allerlei verbindingen aangegaan met andere stoffen en zullen
in de meest complexe vormen voorkomen.
Door de eeuwen heen heeft de mens geprobeerd om inzicht te krijgen in deze chaos, met als eindresultaat een uitgebreide lijst van stoffen, of beter gezegd elementen waarvan we de juiste eigenschappen hebben kunnen achterhalen.
7
I.1.2. ELEMENTEN, ATOMEN, MOLECULEN, VERBINDINGEN, MENGSELS
Uiteindelijk kun je alle materie herleiden tot een mengsel van zuivere stoffen.
Zuivere stoffen kan je indelen in enkelvoudige en samengestelde stoffen.
Stoffen waarvan de moleculen opgebouwd zijn
uit één atoomsoort noemen we enkelvoudige
stoffen.
Stoffen waarvan de moleculen opgebouwd zijn
uit verschillende atoomsoorten noemen we
samengestelde stoffen.
Deze kunnen we op hun beurt indelen in:
Deze kunnen we op hun beurt indelen in:
• metalen (deze bestaan uit atomen)
Bv.:
IJzer Fe (1 atoom ijzer)
Koper Cu (1 atoom koper)
Zink Zn (1 atoom zink)
• zouten (deze bestaan uit positieve en
negatieve ionen).
Bv.:
Keukenzout
NaCl (1 ion natrium en
1 ion chloor)
• niet-metalen (deze bestaan uit moleculen)
Bv.:
– Waterstof H2 (2 atomen waterstof)
– Zuurstof O2 (2 atomen zuurstof)
• niet-zouten (deze bestaan uit moleculen)
Bv.:
– Zoutzuur
HCl
(1 atoom waterstof en
1 atoom chloor)
– Zwavelzuur H2SO4 (2 atomen waterstof,
1 atoom zwavel en 4 atomen zuurstof)
Een molecule bestaat uit een groepje atomen die aan elkaar gebonden zijn. Moleculen vormen dus
verbindingen.
Bv. zuurstofgas O2 (enkelvoudige stof)
Bv. water H2O (samengestelde stof)
1 molecule O2
1 molecule H2O
1 atoom H
1 atoom O
8
1 atoom O
1 atoom H
1 atoom O
Een atoom bestaat uit:
– een positief geladen kern, opgebouwd uit protonen (+ geladen) en neutronen (neutraal) en
– negatief geladen elektronen die rond de kern bewegen.
proton (+)
0
+
elektron (-)
–
neutron (0)
De positieve lading van een proton is even groot als de negatieve lading van een elektron.
Het aantal protonen (positieve deeltjes in de kern) = aantal elektronen (negatieve deeltjes rond de
kern).
Elk atoom heeft een bepaalde massa, atoommassa genoemd (onbenoemd getal).
Vermits men gevonden heeft dat waterstofatomen de lichtste atomen zijn, is het logisch de massa
van de andere atomen en van de moleculen hiermee te vergelijken.
De atoommassa is een getal dat uitdrukt hoeveel maal een atoom zwaarder is dan een waterstofatoom.
Bv: de atoommassa van natrium: Na = 23
d.w.z. het natriumatoom is 23 maal zwaarder dan het waterstofatoom.
De moleculemassa is de som van alle atomen die in de formule voorkomen.
Bv: – water H2O (2 atomen waterstof H en 1 atoom zuurstof O)
de moleculemassa van water = 2 x 1 + 16 = 18
– keukenzout NaCl
de moleculemassa van NaCl = 23 + 35,4 = 58,4
Noot: atoommassa’s kan je terugvinden in de tabel van Mendelejev.
In onze voorbeelden zijn de atoommassa’s voor H = 1
O = 16
Na = 23
Cl = 35,4
9
Er zijn een 100-tal natuurlijke atoomsoorten (= elementen) bekend.
De voor ons meest belangrijke elementen worden hieronder weergegeven met hun symbool.
Een symbool van een element bestaat uit 1 of 2 letters, nl. de eerste letter is altijd een hoofdletter
eventueel gevolgd door een geschreven kleine letter. De afkortingen zijn afkomstig van hun Latijnse
naam.
Element
Waterstof
Helium
Koolstof
Stikstof
Zuurstof
Fluor
Neon
Natrium
Magnesium
Aluminium
Silicium
Fosfor
Zwavel
Chloor
Argon
Kalium
Calcium
Mangaan
IJzer
Kobalt
Nikkel
Koper
Zink
Arseen
Zilver
Cadmium
Tin
Antimoon
Platina
Goud
Lood
10
Symbool
H
He
C
N
O
F
Ne
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
K
Ca
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
As
Ag
Cd
Sn
Sb
Pt
Au
Pb
Een ion wordt gevormd doordat een atoom één of meerdere elektronen opneemt of afstaat.
Als een atoom één of meerdere elektronen opneemt dan ontstaat er een negatief ion.
Als een atoom één of meerdere elektronen afstaat dan ontstaat er een positief ion.
Om van mengsels te spreken moet het minstens twee verschillende zuivere stoffen bevatten.
Als men de bestanddelen of componenten van een mengsel niet meer kan onderscheiden dan spreekt
men van een homogeen mengsel. Dikwijls spreekt men ook van een oplossing.
Bv.: suiker opgelost in koffie is een homogeen mengsel.
Als men minstens één bestanddeel van het mengsel kan onderscheiden spreekt men van een
heterogeen mengsel.
Bv.: zand in water vormt een heterogeen mengsel.
Sommige heterogene mengsels dragen een speciale naam door hun bijzondere eigenschappen:
– suspensie: vaste deeltjes die in een vloeistof zweven; bv. troebel water;
– rook: vaste deeltjes verspreid in een gas; bv. sigarettenrook;
– emulsie: kleine vloeistofdruppels in een andere vloeistof; bv. oliedruppels in water;
– aërosol: vloeistofdruppels verspreid in een gas; bv. inhoud van spuitbussen wordt verspreid als
aërosol.
I.1.3. SCHEIKUNDIGE REACTIES
Voorstelling scheikundige reacties
Zoals reeds gezegd vinden we op aarde de meeste stoffen niet in hun pure vorm. Meestal zijn de
stoffen verbonden met elkaar in allerlei ingewikkelde combinaties.
Dit verbinden met elkaar gebeurt door scheikundige reacties.
Deze scheikundige reacties worden voorgesteld d.m.v. een vergelijking.
Links
Rechts
De op elkaar inwerkende
moleculen
Naar rechts gericht
pijltje
De verkregen moleculen
(verbonden met een + teken)
(verbonden met een + teken)
2H2
O2
2H2O
1 molecule
zuurstof
2 moleculen water
+
2 moleculen
waterstof
11
I.1.4. METALEN, NIET-METALEN
Elementen (die voor ons belangrijk zijn) kan men verdelen in 2 hoofdgroepen:
Metalen (Fe, Cu)
+ zuurstof (O2) = metaaloxiden
FeO
Fe2O3
CuO
Cu2O
Na2O
Metaaloxiden + water → hydroxiden (basen)
Na2O
+ H2O → 2NaOH
(natriumhydroxide)
Niet-metalen (S)
+ zuurstof (O2) = niet-metaaloxide
(anhydride)
SO2
SO3
Niet-metaaloxide + water → zuur
SO2
+ H2O → H2SO3 (zwaveligzuur)
SO3
+ H2O → H2SO4 (zwavelzuur)
I.1.5. ZUREN, BASEN, ZOUTEN
ZUREN:
Niet-metaaloxide + water → zuur
SO2
+ H2 O
H2SO3
–
–
–
–
bevatten altijd water
hebben een zure smaak
werken in op metalen
pH onder 7 (een symbool voor de zuurtegraad; zie hoofdstuk I.5.3.3. Hardheid
en zuurtegraad)
– splitsen in water in H+ (positieve waterionen)
SO3- (negatieve zuurrestionen)
{
BASEN:
Metaaloxide + water → base
Na2O
–
–
–
–
ZOUTEN:
+
H2O
2NaOH
bevatten altijd een hydroxidegroep (OH)
in een wateroplossing hebben ze een zeepsmaak
pH tussen 7,1 en 14
splitsen in water in Na+ (positieve metaalionen)
OH- (negatieve hydroxide-ionen)
Metaal
{
+
zuurrest
→
Zout
Naamvorming: 1) naam van het metaal
2) sulfide (waterstofzuur)
3) sulfaat (oxozuren)
4) sulfiet (oxozuren met minder zuurstof)
NaCl Natriumchloride (keukenzout)
CuSO4 Kopersulfaat
K2SO3 Kaliumsulfiet
12
Belangrijke oxiden
Belangrijke zuren
Belangrijke basen
Belangrijke zouten
Al2O3
aluminiumoxide (beschermlaag op aluminium)
FeO
ijzer(II) oxide
(ferro-oxide)
Fe2O3
ijzer(III) oxide
(ferri-oxide)
CO2
koolstofdioxide
(koolzuurgas)
CO
koolstofmonoxide (dodelijk gas bij slechte
verbranding)
H2O
diwaterstofoxide (water)
H2SO4
zwavelzuur
HCl
zoutzuur
H3PO4
fosforzuur
HNO3
salpeterzuur
H2CO3
koolzuur
NaOH
natriumhydroxide
KOH
kaliumhydroxide
Fe(OH)2
ijzer(II)hydroxide
Zn(OH)2
zinkhydroxide
NH4Cl
ammoniumchloride (salmiak)
CuCl2
koper(II)chloride
ZnSO4
zinksulfaat
CuSO4
koper(II)sulfaat
Na2CO3
natriumcarbonaat (soda)
NaCl
natriumchloride (keukenzout)
SnCl2
tin(II)chloride
SnSO4
tin(II)sulfaat
FeCl2
ijzer(II)chloride
FeSO4
ijzer(II)sulfaat
13
I.1.6. EDELE EN ONEDELE METALEN
Tussen verschillende metalen kan er een elektrische spanning ontstaan. Reden hiervoor is dat het
ene metaal een grotere neiging heeft om elektronen op te nemen dan het andere metaal.
Het metaal dat moeilijker elektronen afstaat noemt men edeler.
Volgende metalen zijn gerangschikt volgens edel karakter (met potentiaalverschil)
Metalen
EDEL
ONEDEL
Potentiaalverschil
(in volt)
Au
+1.36
Ag
+0.80
Cu
+0.34
Waterstof (H)
0
Pb
-0.12
Sn
-0.14
Fe
-0.44
Zn
-0.76
Al
-1.70
Mg
-2.40
Voorbeeld: het verschil tussen Cu (+0.34 V) en Fe (-0.44 V) = 0.78 V
De metalen waarvan de elementsymbolen onderaan de tabel staan zullen gemakkelijker elektronen
afstaan.
We zeggen ook: ze worden gemakkelijker geoxideerd.
Zie verder hoofdstuk I.5.3.5. Corrosie.
14
I.1.7. ELEMENTEN GERANGSCHIKT VOLGENS HUN ATOOMMASSA
Element
Symbool
Atoommassa
Normaal
potentiaal
H+
Kookpunt
in °C
Smeltpunt
Soortelijke
massa
-252
-259
0.08
-268
-272
0.17
Waterstof
H
1.0
Helium
He
4.0
Koolstof
C
12.0
Stikstof
N
14.0
-195
-209
1.25
Zuurstof
O
15.9
-182
-218
1.42
Fluor
F
18.9
-188
-219
1.69
Neon
Ne
20.1
-246
-248
0.90
Natrium
Na
22.9
882
97
0.97
Magnesium
Mg
24.3
Mg2+
- 2.40
1107
648
1.74
Aluminium
Al
26.9
Al3+
- 1.70
2467
660
2.70
Silicium
Si
28.0
2355
1410
2.33
Fosfor
P
30.9
280
44
1.82
Zwavel
S
32.0
444
112
2.07
Chloor
Cl
35.4
-34
-100
3.21
Argon
Ar
39.9
-185
-189
1.78
Kalium
K
39.1
760
63
0.86
Calcium
Ca
40.0
1483
839
1.54
Mangaan
Mn
54.9
1962
1244
7.20
IJzer
Fe
55.8
2750
1535
7.86
Kobalt
Co
58.9
2870
1495
8.90
Nikkel
Ni
58.6
Ni2+
- 0.23
2730
1455
8.90
Koper
Cu
63.5
Cu2+
+ 0.34
2567
1083
8.92
Zink
Zn
65.3
Zn2+
- 0.76
907
419
7.14
Arseen
As
74.9
817
613
5.72
Zilver
Ag
107.8
2212
961
10.50
Cadmium
Cd
112.4
765
320
8.64
Tin
Sn
118.6
2260
231
7.28
Antimoon
Sb
121.7
1750
630
6.68
Platina
Pt
195.0
3827
1772
21.45
Goud
Au
196.9
Au3+
+ 1.36
2808
1064
19.31
Lood
Pb
207.2
Pb2+
- 0.12
1740
327
11.34
0
2.25
Fe2+
Ag+
Sn2+
- 0.44
+ 0.80
- 0.14
15
I.2. STOFFEN IN DE LUCHT
I.2.1. LUCHT (GASSEN)
Een gas is een stof die zich in één van de drie aggregatietoestanden bevindt.
Het heeft noch een eigen vorm, noch een bepaald volume. Het neemt het volume aan van het vat
waarin het opgeslagen is.
Een gas onderscheidt zich van een vloeistof op volgende punten:
– een gas vult heel de ruimte waarin het zich bevindt door zijn geringe cohesie;
– een afgesloten hoeveelheid gas oefent een druk uit op alle wanden van het vat waarin het is opgeslagen;
– een gas is samendrukbaar.
Opmerking: er bestaat een verschil tussen gassen en dampen. Beide zijn gasvormig, maar dampen
ontstaan uit lichamen die normaal vloeibaar of vast zijn (stoom, alcoholdamp).
Gassen daarentegen zijn in gewone toestand reeds gasvormig (lucht, waterstof, aardgas).
I.2.2. SAMENSTELLING VAN DE ATMOSFERISCHE LUCHT
De atmosfeer of de dampkringlucht bestaat uit:
– 1/5 zuurstof,
– 4/5 stikstof + andere gassen waarvan:
– in geringe mate: edelgassen zoals argon, helium, neon;
– in een veranderlijke verhouding: waterdamp en koolzuurgas.
I.2.3. LUCHT ALS REACTIEMIDDEL
Elke stof die ontstaat uit de verbinding van een element met zuurstof noemen we een oxide.
Telkens wanneer een stof zich met zuurstof verbindt, spreken we van oxidatie van die stof.
Men noemt een oxiderende stof, elke stof die in staat is zuurstof op te nemen.
Omgekeerd, wanneer aan een stof zuurstof wordt onttrokken, spreken we van reductie van die stof.
Telkens wanneer een stof zuurstof afstaat, spreken we van reductie van die stof.
Men noemt een reducerende stof, elke stof die in staat is zuurstof af te staan.
Voorbeeld
Brengen wij enkele zinkkorreltjes in een proefbuisje dat een weinig zuiver water bevat.
Er gebeurt niets. Dit metaal is niet bij machte de waterstof uit het water te verdrijven, zoals natrium
of kalium dit wel kunnen.
Gieten we nu zwavelzuur bij dit water in het proefbuisje. Rondom de zinkkorreltjes ontstaan onmiddellijk menigvuldige gasbelletjes, die weldra opstijgen.
Het ontwijkende gas is waterstof.
Het zink is dus in staat de waterstof uit een zuur te verdrijven. Zink wordt geoxideerd. Andere metalen
hebben trouwens hetzelfde vermogen.
16
I.3. STOFFEN IN DE AARDE
I.3.1. METALEN
I.3.1.1. INLEIDING
Zoals in het hoofdstuk I.1. Structuur van de materie reeds werd uitgelegd, bestaat onze aarde uit een
hele reeks elementen die in allerlei verbindingen voorkomen.
Losse aarde, kiezelsteentjes, rotsen, water, zeezand, hout, alles wat we rondom ons zien is samengesteld uit deze elementen.
Een belangrijk deel van de elementen bestaat uit metalen. Deze komen bijna nooit in pure vorm voor,
omdat ze chemisch niet inert zijn.
Een stof is inert wanneer ze chemisch vrijwel in rusttoestand is, en deze stof zich niet meer verder
zal binden met andere stoffen.
De meeste metalen zijn niet inert, en binden zich steeds met omringende stoffen.
Hoe onedeler het metaal, hoe sneller deze binding zal plaatsgrijpen.
Zuivere metalen moeten steeds beschermd worden tegen aantasting door stoffen uit de omgeving.
Denk maar aan het roesten van ijzer, het dof worden van zilver, het groen worden van bronzen beelden, enz.
De atomen van metalen zijn op een ordentelijke manier opgebouwd in een metaalrooster.
Alle atomen zijn even groot en netjes gerangschikt.
De metaalatomen zijn positief, en zijn dus positieve metaalionen. Tussen deze metaalionen bewegen
zich de negatieve vrije elektronen, die bij een zuiver metaal gemeenschappelijk toebehoren aan alle
metaalionen.
Deze vrije elektronen noemt men ook valentie-elektronen. De metalen onderscheiden zich van andere
elementen doordat ze 1 of meerdere vrije elektronen bezitten in hun atomen.
Vandaar dat metalen goede geleiders zijn van warmte en elektriciteit door de grote beweeglijkheid
van deze elektronen.
Omdat de zuivere metalen een mooie gelijke rangschikking hebben, en de atomen even groot zijn,
zijn ze ook licht kneedbaar (de atomen rollen over elkaar).
Metaalrooster
Het metaalrooster is niet altijd perfect.
Soms kunnen ionen ontbreken, of zijn er andere onregelmatigheden. Bij metalen die zwaar belast
worden, kan dan metaalmoeheid optreden, met breuk tot gevolg.
Vandaar dat sommige delicate toestellen (motors, machines, vliegtuigen, enz.) regelmatig met röntgenstralen worden doorgelicht om beginnende metaalmoeheid tijdig op te sporen.
17
Legeringen
Om de sterkte en hardheid van metalen te vergroten, zal men in smelttoestand een ander metaal
bijvoegen, met een andere atoomgrootte.
Je kan immers maar metalen met elkaar gaan mengen wanneer ze allebei gesmolten zijn.
Dit noemt men dan een legering.
Dit homogene mengsel (of oplossing) met 2 of meerdere verschillende metalen, heeft nu atomen met
verschillende grootte die minder vlot kneedbaar zijn, en als resultaat een legering geven die harder
of zachter is.
Enkele voorbeelden van legeringen
Roestvrij staal
Brons
Messing
Goud (18 karaat)
Fe(74)
Cu(78)
Cu(70)
Au(75)
Cr(18) Ni(8) (74 = massa% = aantal g per 100 g oplossing)
Sn(22)
Zn(30)
Cu(25)
Enkele legeringen toegepast als soldering
Zachtsolderen
tin – lood
tin – zilver
tin – koper
Sn – Pb
Sn - Ag
Sn - Cu
smelttemp.: 200 °C
smelttemp.: 230 °C
smelttemp.: 240 °C
Hardsolderen
koper – zilver
koper – fosfor
Cu - Ag
Cu - P
smelttemp.: 700 °C
smelttemp.: 720 °C
BRON: COPPER BENELUX
In de geschiedenis van de mensheid heeft het overigens lang geduurd vooraleer deze metalen werden ontdekt.
In een kort overzicht zullen we systematisch de verschillende metalen behandelen en hun geschiedenis bespreken.
De aarde is waarschijnlijk 4 à 5 miljard jaar geleden ontstaan, samen met de andere delen van ons
zonnestelsel.
De oudste sporen van menselijke activiteit zijn enkele miljoenen jaren oud.
Gedurende heel de evolutie van de mens zien we dat hij zich bediende van allerlei handwerktuigen,
gemaakt van steen.
De mens vond door de eeuwen heen steeds geschiktere stenen om werktuigen en wapens van te
vervaardigen.
Onze recente voorouders, zoals de Cro-Magnonmens, waarvan de oudste sporen ongeveer 40.000
jaar oud zijn, bedienden zich van silexknollen, waar ze door klieven en afslaan allerlei scherpe messen en wapens van konden maken.
18
In België vinden we nog steeds overblijfselen van grote silexmijnen, waaruit de prehistorische mens stukken
losmaakte, om later werktuigen van te maken.
Het is zelfs waarschijnlijk dat hierin toen reeds handel werd gevoerd.
In Spiennes bij Mons bevindt zich een uitgestrekt mijnenveld met vele tientallen diepe schachten die enkele
kilometers lang zijn en waar silexknollen uit het krijt werden gekapt.
Ook in de krijtrotsen van Cap Gris Nez in Frankrijk kun je dergelijke silexknollen vinden, bijna glasachtige
zeer harde stukken steen, die je messcherp kunt afklieven.
Men heeft zeer lang stenen werktuigen gebruikt, en waarschijnlijk zeer langzaam en door toeval heeft de
mens de metalen ontdekt.
Pas in het Neolithicum, zowat 10.000 jaar geleden, ontdekte de mens vreemd gekleurde stenen, metalen in
gedegen toestand, zoals goud, zilver en koper.
Het werkelijk uitsmelten, of het ontstaan van de metallurgie gebeurt nog later, vermoedelijk pas een 7000
jaar geleden.
I.3.1.2. GOUD
Symbool: Au
Smeltpunt: 1064 °C
Soortelijke massa: 19,3 kg/dm³
Toepassing:
munten, sieraden, bankvoorraden,
elektronica, contactpunten.
BRON: UMICORE
Eigenschap:
Goud is een glanzend geel metaal, zeer
zwaar, en is samen met zilver en koper een
zeer goede warmte- en elektriciteitsgeleider.
Zuiver gegoten goud
Gouden sieraad
Dit edel metaal, dat nauwelijks verweert of corrodeert, vindt je ook in gedegen toestand in de natuur,
en valt snel op (gedegen: niet met andere stoffen gebonden; in zuivere toestand).
Het glanst, en is aldus erg aantrekkelijk.
Het eerst ontdekte metaal zal waarschijnlijk wel goud geweest zijn.
Goud bewaart zijn glans onbeperkt, oxideert nauwelijks door de zuurstof in de lucht, en werd dus
snel gebruikt voor het vervaardigen van siervoorwerpen.
Goud is bovendien vrij zacht, en dus makkelijk te bewerken door hameren.
Goud kan men door hameren in erg dunne vellen bewerken, tot dikten van slechts enkele micron
(bladgoud). Meestal wordt in koperertsen ook goud opgemerkt.
Het slib dat ontstaat bij de elektrolyse van koper (koperanodes worden ontbonden in zuivere koperkathodes en afval in de vorm van slib) bevat ook kleine hoeveelheden goud.
19
De primitieve mens, die, blijkt uit opgravingen, zich bij voorkeur vestigde langs grote rivieren, zal al vrij snel
stukjes goud vinden in rivierbeddingen.
Opgravingen van oude beschavingen zoals in Egypte en Mesopotamië (Irak) laten zien dat de eerste sieraden
in goud teruggaan tot bijna 10.000 jaar geleden.
De prehistorische mens ontdekt naast toevallig opgeraapt gedegen goud, waarschijnlijk al vlug dat er streken
zijn waar dit fijne glinsterende metaal meer voorkomt dan elders.
Goudaders, ofwel zandlagen die veel goudstof bevatten, werden dan vrij vlug geëxploiteerd.
In rivierbeddingen ontdekt men dan ook dat door wassen goud makkelijk kan gescheiden worden van andere
kiezeltjes in het water, omdat goud veel zwaarder is. Goudwassen kent men reeds duizenden jaren.
Het opvangen van dergelijke goudschilfertjes uit rivierbeddingen gebeurde blijkbaar vroeger door gebruik te
maken van schapen- en geitenvachten.
De met goudschilfers en goudstof beladen vachten werden dan te drogen gelegd in de zon en daarna uitgeschud. Zonder twijfel is daar door de eeuwen heen de mythe van het gulden vlies uit gegroeid. Het werd
ten tijde van Filips de Goede zelfs de naam van een belangrijke orde, die roem en eer weerspiegelde.
I.3.1.3. KOPER
Symbool: Cu
Smeltpunt: 1083 °C
Eigenschap:
rood metaal, na zilver het best geleidend voor de
elektrische stroom
Kopererts
Koperbuizen
20
BRON: CIVILIZATION AND COPPER - ICA
Toepassing: elektriciteit, elektronica, buizen, dakbladen, legeringen (brons, messing), warmtewisselaar, landbouw.
Buis op rol
Koper in een PC-driver
BRON: CICLA - PARIJS
BRON: NO LEAK - GROBBENDONK
Messing kranen
Messing in decoratie
Sommige bronnen beweren dat ook koper vermoedelijk in dezelfde periode en op dezelfde manier
als goud werd ontdekt.
In de prehistorie werd in ertsrijke gebieden veel gedegen koper gevonden.
Dit vrij zuivere erts kon direct geklopt worden, en gedreven tot voorwerpen voor huishoudelijk gebruik
en de jacht.
Ook in veel recentere tijden zien we hier toepassingen van; ook de indianen uit Noord-Amerika gebruikten veel gedegen koper dat ter plaatse veelvuldig werd gevonden in de vorm van grote brokken.
Hoewel het de vorm had van stenen, bleek dat dergelijk gedegen koper bij kloppen langzaam van
vorm veranderde, steeds harder werd, en dus goed te smeden was tot een gepast voorwerp.
Oude wapens uit brons
Over heel de wereld werden prehistorische voorwerpen gevonden uit koper, die teruggaan tot 7000 à
8000 jaar geleden, en die in feite kopieën waren van wat in de steentijd uit silex werd gemaakt: beitels,
messen, dolken, schrapers, naalden, enz. allemaal voorwerpen die het dagelijkse leven comfortabeler
maakten en de menselijke overleving en vooruitgang onmiskenbaar positief hebben beïnvloed.
Oude munten (in brons en messing)
Gebruikte men aanvankelijk gedegen koper, dan zal men waarschijnlijk in ertsrijke gebieden later ook gesmolten koper uit ertsstenen verkregen hebben.
Bij grote kampvuren zal men ongetwijfeld na jaren ervaring en toevallig opmerken, gezien hebben dat stenen
die dicht bij dergelijk vuur lagen, soms druppels vertoonden die erg hard waren: gesmolten erts dat direct
bruikbaar was.
Langzaam zal men ontdekken dat smelten van dit groene gesteente leidt tot uitzuivering en uitsmelting van
het metaal.
Ook zonder het vinden van gedegen koper wordt uiteindelijk toch het metaal uitgepuurd en gebruikt. De wieg
van de metallurgie is toen ontstaan.
Ertsrijke en tevens bosrijke gebieden die voor brandstof kunnen zorgen, zijn voorwaarden om de metallurgie
te doen opstarten.
21
De oorsprong van de benaming koper is te danken aan de Romeinen, die het merendeel van hun
koperproductie 2000 jaar geleden haalden van het eiland Cyprus. (Dat trouwens op zijn beurt zo
genoemd werd door de Romeinen omdat het eiland bedekt was met vele cipressen, een typische
boomsoort uit het Middellandse-Zeegebied.)
Aanvankelijk werd het metaal door de Romeinen ”Aes Cyprium” genoemd, later Cyprium, dat dan
vervormd werd tot Cuprum, en uiteindelijk zorgde voor de Franse benaming “cuivre” en het Nederlandse “koper”.
Hoewel de Romeinen wel degelijk een grote productie kenden van messing (Koper en Zink) was het
metaal zink als dusdanig niet gekend.
In vele Romeinse geschriften lezen we dat koper werd gesmolten met “calmia”, een aarde (nu “galmei”
genoemd) die veel zink bevatte (zinkcarbonaat).
Op die manier werd hun messing gegoten, zonder dat ze wisten dat zink een belangrijk onderdeel
was.
Het is pas eeuwen later dat een zinkuitzuiveringsprocédé werd
ontdekt.
In de Belgische Ardennen kende de koperindustrie en vooral
de messingproductie in de Middeleeuwen een grote bloei,
met name de messingbewerkers van Dinant waren befaamd,
wat hen de naam “dinandiers” opleverde, een ambacht dat tot
vandaag in Dinant wordt uitgeoefend.
Vele middeleeuwse siervoorwerpen voor de koninklijke hoven, voor de scheepvaartindustrie, voor de oorlogsindustrie,
enz. werden vanuit Dinant over gans Europa en verder uitgevoerd.
Sextant in messing
Vandaag kent koper en zijn legeringen vele toepassingen, o.a. als goede warmtewisselaar, (boilers,
zonnepanelen, wisselaars in doorstromers, enz.) en als elektriciteitsgeleider.
Als we koper een cijfer 100 geven voor warmte- en elektriciteitsgeleiding dan hebben andere metalen
volgende waarde:
Metaal
Elektrisch
geleidingsvermogen
Warmtegeleidingsvermogen
Zilver
106
108
Koper
100
100
Goud
72
76
Aluminium
62
56
Zink
29
29
IJzer
18
17
Lood
15
9
22
In de elektriciteitswereld komt koper op de eerste plaats (goedkoopst), behalve bij hoogspanningsleidingen in de lucht, waar aluminium door zijn lichter gewicht betere mogelijkheden heeft.
Koper in een mobiele telefoon
Koper in een beeldbuis
Koperen dakbedekking
BRON: SMI - ITALIË
BRON: SMI - ITALIË
Koperbuizen in de installatiesector, en koperdakbedekking zijn gemaakt van zeer zuiver koper.
Dank zij de volledige verwijdering van de zuurstof binnen in het koper kan men zonder dat het koper
bros wordt solderen en lassen. Men noemt dit CuP (koper gedesoxideerd met fosfor; dit koper bevat
tussen 0,01 % en 0,03 % fosfor).
Gevel in koperplaat
23
I.3.1.4. ZILVER EN LOOD
Zilver
Symbool: Ag
Smeltpunt: 961 °C
BRON: UMICORE
Eigenschap:
– typische zilverglans, harder dan goud
– beste geleider van elektrische stroom
Gegoten zuiver zilver
Toepassing:
– munten, sieraden
– fotografie, soldeerlegeringen
Zilveren juwelen
Lood
Symbool: Pb
Smeltpunt: 327 °C
BRON: UMICORE
Eigenschap:
– matblauw metaal, geen glans
– zeer zwaar, zacht
– gemakkelijk pletbaar en vervormbaar
Zuiver gegoten lood
Toepassing: kabels, containers, accu’s, dakafwerking (zuiver metaal), waterwering, keramiek, kristal,
stralingsbescherming
24
(*)
(*) BRON:
BLADLOOD
IN DE BOUW
(LEAD DEV. ASS. LONDON)
(*)
(*)
BRON: J. VERHOEVEN
(*)
(*)
De geschiedenis van zilver en lood loopt synchroon, omdat hun ertsen veelal dezelfde zijn.
Ook zilver komt in gedegen toestand voor, doch is veel zeldzamer dan gedegen goud en gedegen
koper (gedegen: niet met andere stoffen gebonden; in zuivere toestand).
Zilver werd ook later ontdekt omdat het in de natuur snel oxideerde en zijn glans verloor.
De oudste toepassingen van zilver dateren van omstreeks 4000 tot 5000 jaar voor Christus.
Bovendien komt zilver in de natuur vrij veel voor in de vorm van een zilvergoudlegering, in de oudheid “Electrum” genaamd.
(“Electrum” komt van het griekse “Elektron” wat amber of barnsteen betekent, een lichtgeel hars van
pijnbomen. Electrum bestaat grofweg uit 1 deel zilver en 3 delen goud.)
De vele gouden sieraden en voorwerpen uit de oudheid, tentoongesteld in musea, zijn vaak “electrum”-legeringen.
In zeer oude graven van rond de 10.000 jaar oud, werden ook wel stukken gevonden van het voornaamste
erts of mineraal waaruit de mens zilver heeft gewonnen: loodglans of “galeen”, (= loodsulfide PbS) het meest
verspreide looderts, dat ook zilver bevatte.
Dit mineraal had een natuurlijke glans en trok de mensen dus aan.
Zo vinden we in oude Egyptische graven vele ertsen en gekleurde stenen die mensen mooi vonden, naast
galeen, o.a. ook malachiet, een van de oudste koperertsen, en soms ook azuriet, een kopercarbonaat met
een mooie blauwe kleur.
25
Zilver wordt in de installatiewereld vooral gebruikt in allerlei soldeerlegeringen.
Gedegen lood is zeer zeldzaam.
Waarschijnlijk is door bosbranden in loodertsrijke gebieden ontdekt dat lood makkelijk te smelten is uit dit
erts, en tevens zal men ook het vrijgekomen zilver dat dan toevallig vrijkwam hebben benut.
Reeds zeer vroeg (rond 2500 voor Chr.) kende men reeds het procédé om zilverhoudend lood te smelten
om er het zilver uit te zuiveren (het zogenaamde cuppelleren in een cuppelleerschaal).
Daar galeen veel vlugger smelt dan kopererts (bijv. malachiet) is dit vermoedelijk ook het eerst ontdekt.
Lood onttrekken uit loodglans of galeen behoeft dus niet veel warmte.
Beendermerg toevoegen (ongetwijfeld door toeval ontdekt) vangt het loodoxide op en het restproduct is dan
zuiver zilver. Vrij snel zal dit zogenaamde “cuppelleren” algemeen verspreid worden.
In Zuid-Amerika werd door de plaatselijke indianenstammen vorige eeuwen gedegen zilver gevonden, en
verwerkt tot sieraden.
De Spanjaarden hebben later Zuid-Amerika doorkruist, om onder meer deze edele metalen te kunnen verhandelen.
Vermelden we nog dat het ook weer de Romeinen waren die systematisch lood begonnen te gieten,
en toepasten in hun waterleidingen (bladlood dat gerold werd tot buizen).
In de Middeleeuwen ontstond dan ook de naam van het beroep “de loodgieter”, een benaming die
vandaag zijn betekenis heeft verloren.
Ook toen was al bekend dat dit niet de meest geschikte stof was voor drinkwater, want loodvergiftigingen via de waterleiding waren toen reeds bekend.
Als vervanging werden ook toen al koperleidingen uitgeprobeerd die op dezelfde manier vervaardigd
werden als loden leidingen, namelijk door bladen op te rollen tot buizen.
Men heeft geschat dat tijdens de periode van de Romeinen in Rome ongeveer 8000 ton loden pijpleidingen werden aangelegd. Dit blijkt uit opgravingen in Pompeï en Herculaneum, Italië.
Ook werden grote hoeveelheden lood gebruikt als dakbedekking (o.a. de koepel van het Pantheon
te Rome was bedekt met lood).
In de bouw wordt lood vandaag gebruikt als dakbedekking, en voor slabben bij allerlei dakontmoetingen.
I.3.1.5. TIN
Symbool: Sn
Smeltpunt: 231 °C
BRON: UMICORE
Eigenschap:
zilverwit metaal, makkelijk plet- en smeedbaar.
Bij plooien van tin kraakt het.
Zuiver gegoten tin
26
Toepassing:
leent zich tot allerlei legeringen:
– bronssoorten
– tinsolderingen
– elektronica
– vertinnen van buizen
Tinzilverlegering
Het metaal tin komt in de natuur niet als dusdanig voor.
De metallurgie van tin is vrij jong (ongeveer 1000 à 1500 voor Chr.), vandaar dat tin nauwelijks is
teruggevonden in opgravingen van oude beschavingen.
Eertijds was het metaal enkel bekend in zijn met koper gelegeerde vorm, namelijk het brons.
Tinkoper en tin-zilverlegeringen kennen we als toepassingen voor het solderen van koper.
Voorwerpen kunnen ook van een tinlaag voorzien worden, als bescherming van het onderliggende
metaal.
I.3.1.6. ANTIMOON
Symbool: Sb
Smeltpunt: 121 °C
BRON: UMICORE
Eigenschap:
erg bros metaal, blauwachtig witte kleur
Zuiver antimoon
Toepassing:
– wordt veel in legeringen gebruikt
– verf, keramiek, glas, aardewerk, batterijen
Ook antimoon wordt zelden gevonden in gedegen toestand in de natuur. Meestal treft men het aan
in de vorm van antimoonglans (Sb2S3). Dit antimoonsulfide werd reeds door de oude Egyptenaren
gebruikt als oogmaquillage.
De Grieken en Romeinen gebruikten uitzonderlijk een antimoonverbinding voor geneeskundige zalven,
tegen bijv. oogaandoeningen.
Antimoon wordt voornamelijk gebruikt in batterijen, en in de verf- en keramiekindustrie.
27
I.3.1.7. ZINK
Symbool: Zn
Smeltpunt: 419 °C
Eigenschap:
– metaal met witte glans, die vlug verdwijnt bij luchtblootstelling
– gemakkelijk bewerkbaar
Toepassing:
– dakgoten, dakbedekking
– galvaniseren van stalen en
ijzeren voorwerpen
– legeringen: messingen (met
koper)
Zinkerts
Gegoten zinkbroodjes
BRON: SDV (STICHTING DUURZAAM VERZINKEN)
Sommige vulkanische basalten kunnen zink bevatten, verder komt zink niet voor in gedegen vorm
in de vrije natuur.
In de oudheid en de Middeleeuwen werd zink niet ontdekt, alhoewel men wel het verschil reeds vroeg
kende tussen bijv. brons (een koper/tin-legering), en messing (een koper/zink-legering), dat toen uit
zinkspaat werd gewonnen, nog steeds het belangrijkste zinkerts.
In de oudheid kende men brons en messing, dat ongetwijfeld werd vervaardigd door gelijktijdig koperen tinertsen te smelten, of gelijktijdig koperen zinkertsen te smelten.
Koepel in zink
Het is pas in de 19de eeuw (in 1802) dat een werkwijze werd
bedacht door een Belgische priester (Dony) om zink metallurgisch zuiver te bereiden, wat in ons land geleid heeft tot het
ontstaan een belangrijke zinknijverheid.
Voor het zuivere zink werd vervaardig met de Dony-ovens,
werd messing (koper/zink-legering) gemaakt uit zinkerts, het
zogenaamde “galmei” dat in de Middeleeuwen vooral werd
gevonden in een ertsader ten westen van Aken.
Deze vindplaats zou veel later “Altenberg” genoemd worden,
waaruit de naam “Vieille Montagne” werd afgeleid, wat
naam gaf aan de zinkindustrie die in Luik zou worden
opgestart.
Zinken dak
In de moderne maatschappij wordt zink massaal gebruikt in de galvanisatie-industrie (gegalvaniseerd staal,
bouwstaal, vangrails, straatmeubilair, gegalvaniseerde
buizen) en zuiver zink als dakbedekking (titaanzink;
lichtjes gelegeerd met titanium en koper en dus minder
uitspoelbaar).
BRON: VIEILLE MONTAGNE
28
I.3.1.7.1. Thermisch verzinken (galvaniseren)
Galvaniseren (denk aan galvanisch koppel) duidt in feite op de behandeling waarbij in een bad met
elektrolyt (zout- of zuuroplossing die de vloeistof elektrisch geleidend maakt), door middel van een
gelijkstroom een laagje metaal op een ander metaal wordt aangebracht; ook wel elektrolyse genoemd.
Op deze manier kan men bijvoorbeeld tin-, goud-, zinken chroomlaagjes aanbrengen.
Het meest toegepaste procédé om een zinklaag aan te brengen, is het zogenaamde thermisch verzinken. Ook deze werkwijze is men met de jaren “galvaniseren” gaan noemen, alhoewel er hier geen
echte elektrolyse wordt toegepast.
Brug in verzinkt staal
Toch is dit een correcte benaming, omdat vooral bij beschadigde zinklaagjes, waar naakt staal terug
bloot komt, het zink vrij snel op natuurlijke manier het beschadigde oppervlak terug zal gaan bedekken, en dit gebeurt dan door een natuurlijke galvanische stroom, waarbij het zink zich zal opofferen
ten voordele van het staal.
Verzinkerij
Thermisch verzinken is een techniek die ijzer en staal beschermt tegen roest.
Deze verzinkingslaag maakt gebruik van de elektrochemische eigenschappen van zink en staal, om
het staal te vrijwaren van corrosie.
In tegenstelling tot verf kan de deklaag, verkregen door thermisch verzinken, niet loskomen.
Alvorens tot verzinken over te gaan, wordt het staaloppervlak zeer grondig gereinigd, vervolgens
ontvet, en krijgt het een beitsbehandeling.
(Denk aan beitsproducten bij een soldering, die tijdens het soldeerproces de zuurstof weghouden.)
29
Vervolgens wordt het volledige metaalstuk ondergedompeld in een bad met vloeibaar zink, bij een
temperatuur tussen 445 °C en 460 °C.
Bij deze temperaturen reageren zink en staal snel.
Meestal bedraagt de dompeltijd slechts enkele minuten.
De stukken worden uit het zinkbad getild zodra de ijzer-zinkreactie beëindigd is.
Tijdens het onderdompelen gebeurt er een diffusie (vermengen van atomen) met legeringvorming
tot gevolg.
De legeringslagen blijven evolueren tot op het ogenblik dat het staal beneden 200 °C afgekoeld is.
Bij thermisch verzinken wordt tussen de 40 à 80 μm (80 μm = 80/1000 mm) zink aangebracht op het
staal.
Onder de microscoop zien we dat de zinklaag is onderverdeeld in verschillende lagen.
De onderste laag is het staal
THERMISCH VERZINKEN
Dan een laagje van 1μm (75 % Zn)
100% Zn
Dan een laag met ongeveer 90 % Zn
6% Fe 94% Zn
Dan een vrij dikke laag met 94 % Zn
10% Fe 90% Zn
25% Fe 75% Zn
De toplaag uit 100 % Zn
puur staal
Pas verzinkte metalen profielen hebben een glanzend uitzicht. Dit glanzen verdwijnt na verloop van
enkele maanden waarna de bekleding mat grijs wordt.
Dit is het gevolg van het oxideren van het zink, en heeft verder geen invloed op de eigenschappen
van de beschermlaag.
Verzinkt autochassis
Verzinkte oplegger
Gegalvaniseerd bouwprofiel
Er zijn nog andere metalen die staal en ijzer kunnen beschermen, zoals bijvoorbeeld magnesium
(offeranode in boilers), aluminium en cadmium. Deze zijn minder edel dan staal en ijzer en zullen zich
dus ook opofferen bij eventuele beschadiging van de deklaag. Om praktische en financiële redenen
en uit praktijkervaring komt enkel zink in aanmerking voor een bescherming door onderdompeling
in een bad gesmolten metaal.
30
I.3.1.7.2. Vernikkelen, verchromen, verkoperen, verzilveren
Andere metalen zoals nikkel, koper en messing worden eveneens gebruikt voor de bescherming van
staal. Zij worden meestal op elektrolytische wijze aangebracht.
Deze laatste metalen zijn echter edeler dan ijzer en staal, en zullen bij beschadiging van de deklaag,
zichzelf beschermen ten koste van het staal dat ze bedekken.
Deze methodes zijn eerder als binnendecoratie aangewezen, omdat daar de kans op beschadigingen
minder groot is.
Zo kan men allerlei producten vernikkelen, verchromen, verkoperen, vermessingen, vertinnen, verzilveren en vergulden.
Vergulden
BRON: GROHE
Verchromen
BRON: GROHE
Meestal worden verschillende lagen boven elkaar aangelegd, om een goede hechting te bekomen.
Zo kunnen nikkellagen en koperlagen bijvoorbeeld dienen als onderlaag voor het glanschroom bij
kraanwerk.
Sommige bedrijven zijn gespecialiseerd om al deze bewerkingen uit te voeren.
I.3.1.8. IJZER
Symbool: Fe
Smeltpunt: 1535 °C
Eigenschap:
– grijs glanzend metaal
– kan magnetisch gemaakt worden
Toepassing:
– legeringen: gietijzer, staal
IJzererts
Min of meer zuiver ijzer komt slechts uitsluitend voor in meteoren die gevonden werden.
Metallurgisch ijzer werd pas gewonnen omstreeks 1800 voor Chr.
Hoewel hematiet vrij veel voorkomt, was het technisch erg moeilijk om het ijzer te verwerken tot een
zuiver product.
Vooral de Hettieten (1700-1200 voor Chr.) zullen een belangrijke rol spelen bij de ijzerproductie.
31
Ook in België werden tussen Samber en Maas vele overblijfselen van smeltovens en slakken gevonden, uit de Keltische periode, die wijzen op een ijzerproductie.
Het geproduceerde ijzer was steeds gebonden met een hoeveelheid koolstof.
Als afgeleide van het zuivere metaal ijzer moeten we nog over 3 andere veel gebruikte ijzerlegeringen praten, die in dit hoofdstuk van zuivere metalen (elementen) niet echt thuishoren,
doch in de sanitaire wereld veel worden toegepast. Dit zijn gietijzer, staal en roestvast staal.
Hun smeltpunt en soortelijke massa liggen dicht bij deze van ijzer, en verschillen telkens
naargelang hun soort.
I.3.1.8.1. Gietijzer
Gietijzer is een verbinding van ijzer en koolstof. Door verfijnde technieken kan men verschillende
soorten gietijzer fabriceren, al naargelang de toepassing.
Naast grijs gietijzer, dat een lage mechanische weerstand heeft, bestaat de jonge generatie vooral
uit ductiel gietijzer, een veel soepelder materiaal.
(We verwijzen verder naar het boekdeel module III: Leidingen, Hoofdstuk 3 – Gietijzer.)
I.3.1.8.2. Staal
Staal is de verzamelnaam van ijzer-koolstofverbindingen die verder kunnen gelegeerd worden met
andere metalen.
Staal bevat dus naast ijzer en koolstof nog een aantal andere elementen. Wanneer het aandeel van
deze andere legeerelementen voldoende hoog is spreekt men van gelegeerd staal.
Gelegeerd staal is erg goed smeedbaar. Ongelegeerd staal (koolstofstaal) is goed smeedbaar tot
ongeveer 1,5 % C.
Boven 1,5 % neemt de smeedbaarheid af, doch de gietbaarheid neemt toe. Staal met meer dan 2 % C
(koolstof) noemen we dan ook gietijzer.
Staalwalserij
Het aantal staalsoorten is enorm groot door de vele combinaties die men kan maken met deze verschillende elementen.
Naar de toepassing onderscheidt men – constructiestaal,
– machinestaal,
– gereedschapsstaal.
32
Naar eigenschappen heeft men vele groepen: roestvast staal, hittevast staal, slijtvast
staal, enz.
Vooral het constructiestaal neemt een belangrijk deel in van de totale productie.
Dit staal is meestal niet of zeer zwak gelegeerd.
Betonstaal
Machinestaal, gereedschapsstaal, roestvaststaal en staal voor bijzondere doeleinden wordt vrijwel
steeds gelegeerd.
Waarom staal gelegeerd wordt heeft verschillende redenen:
1. ongelegeerd staal kan bij grote stukken niet tot in de kern worden gehard. Legeren maakt dit wel
mogelijk.
2. een grote sterkte en een grote taaiheid kan bij bij ongelegeerd koolstofstaal slechts worden bereikt door sterke koudvervorming (dit vraagt veel energie, die men bij gelegeerd staal niet nodig
heeft).
3. enkel door legeren kan corrosievast, hittevast en zeer hard staal worden verkregen:
– voor corrosievast staal gebruiken we vooral chroom;
– voor hittevastheid en weerstand tegen corrosie bij hoge temperaturen wordt vooral chroom,
aluminium en silicium gebruikt, in combinatie met nikkel en kobalt;
– speciale hardheden worden verkregen door combinaties van vele elementen zoals chroom,
wolfraam, molybdeen, nikkel en vanadium.
4. ook magnetisch gedrag, uitzettingscoëfficiënten, elektrische weerstand enz. kunnen door legeren
worden gewijzigd.
De productie van staal heeft in de loop der jaren vele verschillende technieken opgeleverd.
Het zou te ver leiden om deze te bespreken. Belangrijk is wel dat eerst na de oorlogsjaren (vanaf
1950) de research pas goed op gang kwam, en dat sindsdien verschillende methodes werden ontwikkeld om snel en efficiënt staal te produceren.
De buizen die we courant bij de groothandel vinden:
– gegalvaniseerde buis (warm verzinkt),
– blauwe gasbuis (of zwarte gasbuis) (voor verwarmingskringen en gasleidingen),
– dunwandige stalen buis (elektrolytisch verzinkt).
Het staal van deze buizen heeft volgende samenstelling:
C max 0,17 %
P max 0,05 %
S max 0,05 %
N max 0,009 %
Deze soorten zijn buizen met naad, d.w.z. gemaakt van stalen platen die nadien werden gerond en
dichtgelast.
Naadloze buizen worden zoals koperbuizen geëxtrudeerd uit een verhitte knuppel (billet). Deze buizen
worden enkel gebruikt voor heel speciale en delicate toepassingen, en zijn ook veel duurder.
33
I.3.1.8.3. Roestvast staal
Roestvast staal (minder correct “roestvrij staal”) is de verzamelnaam van ijzerlegeringen met
minstens 11 % chroom en een laag koolstofgehalte. Het chroom verdeelt zich gelijkmatig in het staal
en vormt aan de oppervlakte een zeer dunne beschermende laag chroomoxide. Het staal is dan
beschermd tegen verdere corrosie. Hoe hoger het chroomgehalte, hoe hoger de corrosieweerstand.
Met deze 11 % chroom als basis worden er nog andere legeringselementen aan toegevoegd die de
corrosieweerstand verhogen en typische eigenschappen gaan opwekken.
Rond 1912 werden de eerste nuttige industriële producten gemaakt uit een staal met 18 % chroom
en 8 % nikkel.
Dit staal werd 18/8 genoemd en werd reeds vlug gebruikt in de chemische en de voedingsindustrie.
Men bemerkte echter dat ook deze staalsoorten minder goede eigenschappen hadden, voornamelijk
bij het lassen. Er trad corrosie op bij de lasnaden door de vorming van chroomcarbiden. Tijdens het
lassen bij hoge temperaturen verbindt chroom zich met koolstof, en op deze plaatsen krijgen we delen
staal zonder chroom, en dus niet meer corrosievast.
Om dit te vermijden werden andere toevoegingen bedacht die dit probleem konden verhelpen.
Al deze verschillende legeringen gaven ook een verschillende kristalstructuur. Het is volgens deze
structuur dat de roestvaste staalsoorten werden ingedeeld.
Ferritisch roestvast staal
Bij deze soorten is chroom het enige legeerelement.
Het zijn chroomstaalsoorten met maximum 0,1 % koolstofgehalte.
De ferritische soorten bevatten 11 tot 17 % chroom en zijn magnetisch.
Martensitisch roestvast staal
Ook dit zijn chroomstaalsoorten maar met 0,2 tot 1,1 % koolstofgehalte.
De martensitische soorten bevatten 13 tot 17 % chroom.
Ze zijn vooral bekend voor hun hardheid.
Austenitisch roestvast staal
Deze groep bevat naast chroom ook nikkel en is niet magnetisch.
Door toevoeging van nikkel verhoogt de corrosiebestendigheid.
Het meest klassieke chroomnikkelstaal dat na de eerste wereldoorlog ontwikkeld werd is de
kwaliteit 18/8 (18 % chroom en 8 % nikkel).
Een andere veel gebruikte kwaliteit was de AISI 316 (18/10/2,5) met 18 % chroom, 8 % nikkel
en 2,5 % molybdeen. Deze soort heeft een hoge putcorrosiebestendigheid en wordt dan ook
gebruikt voor de productie van buizen.
De austenitische soorten zijn de klassieke goed lasbare roestvaste staalsoorten.
Ferritisch-austenitisch (duplex) roestvast staal
Het gehalte chroom ligt tussen 24 en 27 %.
Het nikkelgehalte ligt tussen 4,5 en 7 %, en het molybdeengehalte tussen 2 en 6 %.
RVS keukenspoelbak
34
RVS keukenpot
Een overzicht:
C
Ferritisch roestvast staal
X 2 Cr Ti 12
X 6 Cr Ni Ti 12
X 6 Cr 17
X 3 Cr Ti 17
X 6 Cr Ni 17-1
X 2 Cr Mo Ti 18-2
Si
Samenstelling legering
Mn
Cr
Mo
Ni
0.02
0.06
0.05
0.02
0.02
0.02
0.50
0.30
0.35
0.35
0.15
0.40
0.30
0.80
0.40
0.40
0.40
0.40
11.50
11.00
16.50
16.50
16.80
17.70
Martensitisch roestvast staal
X 20 Cr 13
0.21
X 30 Cr 13
0.33
X 46 Cr 13
0.46
0.35
0.20
0.35
0.35
0.30
0.30
13.30
13.70
13.80
Austenitisch roestvast staal
X 10 Cr Ni 18-8
0.10
X 2 Cr Ni N 18-7
0.025
X 5 Cr Ni 18-10
0.04
X 2 Cr Ni 18- 9
0.025
X 2 Cr Ni 19-11
<0.025
X 6 Cr Ni Ti 18-10
0.03
1.00
0.50
0.50
0.50
0.60
0.50
1.20
1.50
1.50
1.50
1.50
1.30
16.80
17.50
18.20
18.20
18.50
17.50
0.70
Ferritisch-austenitisch roestvast staal
X 5 Cr Ni Mo 17-12-2
0.05
0.50
X 2 Cr Ni Mo 17-12-2
<0.03
0.50
X 2 Cr Ni Mo 18-14-3
<0.03
0.50
X 6 Cr Ni Mo 17-12-2
0.04
0.50
X1Ni Cr Mo Cu 25-20-5 0.015
0.20
1.50
1.50
1.50
1.50
1.50
17.00
17.50
17.80
17.00
20.20
2.10
2.25
2.60
2.10
4.35
0.80
andere
Ti = 0.180
Ti = 0.150
Ti = 0.400
1.40
2.00
Ti+Nb(nobium)
= 0.450
toepassing
Uitlaatsystemen auto’s
Keukenkommen, industrie
Decoratie
Electro, aanrecht, buizen
Kettingen
Boilers, warmtewisselaars
Snijwerktuigen, bouw
Hoge slijtvastheid, messen
Messen, chirurgie
6.80
7.00
8.70
9.20
10.20
9.20
10.60
11.20
12.70
10.70
25.20
Ti = 0.30
Veren
Mechanische stukken
Buizen,vaten
Slagwerk, plooibare stukken
Nucleaire sector
Buizen, luchtvaart
Ti = 0.35
Cu = 1.50
Wijnopslagtanks
Buizen, boilers
Zeewezen, voeding, chemie
Chemie, brandstoffen
Wisselaars, chemie
N = 0.15
I.3.1.9. ALUMINIUM
Symbool: AL
Smeltpunt: 660 °C
BRON: UMICORE
Eigenschap:
– zilverwit metaal,
– goed rek- en pletbaar
– chemisch bestendig (oxidelaag)
– redelijk goed geleider van warmte
en elektriciteit
Gegoten aluminium
Toepassing:
– warmtewisselaar, hoogspanningsleidingen, autoindustrie,
– dunne folies, ramen en deuren,
allerhande profielen, meerlagenbuizen
Al folie
Al ladder
Pas in 1889 werd door dhr. Bayer het procédé uitgevonden om aluminiumoxide te onttrekken uit
bauxiet, de belangrijkste delfstof voor aluminium.
35
Bauxiet dankt zijn naam aan het Zuid-Franse dorpje Les Baux, waar voor het eerst deze delfstof
werd ontgonnen.
Walsen van Al-cake
Autochassis in Al
Gevel in Al
BRON: EAA - BRUSSEL
Het aluminiumoxide (Al2O3), ofwel aluinaarde, afkomstig van bauxiet, wordt vervolgens in gesmolten
toestand elektrolytisch ontbonden tot het metaal aluminium.
Aluminium kan gegoten, geperst en gewalst worden, evenals geëxtrudeerd.
Vandaar dat het zich leent tot ingewikkelde vormen.
In de bouw worden aluminiumprofielen meestal geanodiseerd. Dit doet men door het metaal onder
elektrische spanning in een gepast elektrolyt onder te dompelen, waardoor een beschermend laagje
aluminiumoxide gevormd wordt. De anodisatielaag is slechts 10 à 20 μm dik, en veel harder dan het
metaal zelf, waardoor een goede bescherming verzekerd is.
I.3.2. FOSSIELE BRANDSTOFFEN
De brandstoffen die de sanitair installateur in zijn praktijk bezigt zijn vrij beperkt.
Het steenkooltijdperk ligt achter ons.
Stookolie (mazout), een destillaat van aardolie wordt verder besproken in de toekomstige FVB-module
“De Centrale-Verwarmingsinstallateur”.
Rest ons in dit hoofdstuk te praten over aardgas, butaan en propaan.
Deze materie is overgenomen uit de modules:
* VI.1.: “GAS: VAN OORSPRONG TOT DISTRIBUTIE”
* VI.3.: “DE VERBRANDING VAN GAS”
36
I.3.2.1. AARDGAS
I.3.2.1.1. Oorsprong
Het aardgas dat wij gebruiken is ongeveer 600 miljoen jaar geleden uit plantaardige en dierlijke resten
ontstaan.
Men deelt het aardgas in twee soorten in, naargelang de manier waarop het ontstaan is:
– het natte aardgas,
– het droge aardgas.
Het natte aardgas
Het natte aardgas komt steeds voor in combinatie met aardolie, terwijl het droge aardgas in afzonderlijke vindplaatsen voorkomt als gas.
Het natte aardgas is ontstaan uit overblijfselen van zeewier en plankton (kleine eencellige diertjes)
die na enkele duizenden jaren in een organisch materiaal omgezet werden.
Onder invloed van de hoge druk en de inwerking van bacteriën heeft dit materiaal zich ontwikkeld
tot wat men «bitumen» noemt.
Naarmate dit bitumen bedekt werd met andere materialen en de druk en de temperatuur erin bleven
oplopen, begon zich stilaan aardolie te vormen.
Slechts op de plaatsen waar de druk en de temperatuur zeer hoog konden oplopen, werd uiteindelijk
aardgas gevormd. Dit aardgas noemt men, om voor de hand liggende redenen, het natte aardgas.
Plankton
(fel vergroot)
BRON: ATLAS DE FITOPLANCTON DEL MAR MEDITERRANEO (M. DELGADO & J.M. FORTUNO)
Het aardgas uit de Noordzee is van het natte type.
37
Het droge aardgas
Het droge aardgas daarentegen is op het land, uit plantenresten, ontstaan. Vooral tijdens het
Carboon, toen de aarde met immense oerwouden bedekt was, werden zeer grote hoeveelheden
plantaardig afval (bladeren, takken, hout...) op de grond opgestapeld. Naarmate deze plantaardige
lagen bedekt werden (met zand, stenen en organische stoffen) liep de druk en de temperatuur
dermate op dat zij begonnen te verkolen. Op deze manier werden turf, bruinkool en steenkool gevormd.
Bij deze verkoling kwamen ook gassen, vooral methaan, vrij. Dit methaangas, het belangrijkste bestanddeel van aardgas, stapelde zich in de omringende lagen poreus gesteente op (ook «gasbellen»
genoemd).
Het Nederlandse aardgas uit Slochteren is van het droge type.
BRON: DIE STEINKOHLEN - FLOREN
FOTO: KLAUS POLLMEIER
Voortgaande op wat in het verleden gebeurd is, kunnen we besluiten dat de vorming van aardgas
niet gebonden is aan een bepaald tijdperk. Ook vandaag nog wordt aardgas gevormd.
I.3.2.1.2. Winning
Door middel van geologisch onderzoek en door analyse van de ondergrondstructuur tracht men de
posities te bepalen van de lagen die aardolie of aardgas zouden kunnen bevatten. Wanneer uit deze
studie blijkt dat er een grote mogelijkheid bestaat van de aanwezigheid van gas of olie zal men overgaan tot proefboringen. Deze worden gedaan met een metalen boortoren, ongeveer 40 meter hoog,
welke kan opgesteld worden op het land of op een boorplatform in de zee.
Wanneer een oliehoudende laag bereikt wordt, kan de put in productie gebracht worden. Hierna volgen nog enkele evaluatieboringen om vast te stellen hoever het reservoir zich uit strekt en welke de
omvang van de reserves is. Aan de hand van deze laatste boringen bepaalt men welke productiemethode de beste is om de aardolie en het aardgas boven te halen. Het aldus gewonnen ruwe aardgas
wordt indien nodig naar een behandelingsfabriek gevoerd via een grote buisleiding. Na behandeling
wordt het in het net gestuurd om te worden verkocht.
38
I.3.2.1.3. Vervoer
Wanneer het aardgas opgehaald en gezuiverd is, moet het vervoerd worden naar de verbruikszones
die soms honderden, of zelfs duizenden kilometers verder gelegen zijn. Het transport gebeurt op
2 manieren.
Transport via pijpleidingen
Over het algemeen bestaat een pijpleiding uit stalen buizen welke door lasverbindingen aan elkaar
verbonden worden. De buisdiameters schommelen tussen 20 cm en 1,40 m. Deze buizen worden
zeer zwaar gecontroleerd en na het aanbrengen van een uitwendige bekleding ingegraven zodat ze
niet meer zichtbaar zijn. Er zijn 2 soorten leidingen:
• Pijpleiding over het land
Deze buizen, uitgevoerd en ingegraven zoals hierboven beschreven, vervoeren het gas met een
druk van ongeveer 70 bar, waardoor aanzienlijke hoeveelheden gas kunnen getransporteerd worden
op korte tijd. Om de druk in de leidingen op peil te houden (de druk daalt in de leidingen door de
wrijvingsverliezen van het gas tegen de wanden) moeten om de 80 km krachtige compressiestations
gebouwen worden om de gasdruk opnieuw te verhogen.
NATURAL GAS TRANSPORTATION NETWORK
ZEEPIPE
R
TO
EC
NN
O
RC
TE
IN
NETHERLANDS
NORWAY
GERMANY
NETHERLANDS
Poppel
Weelde
Zandvliet
Wuustwezel
Zeebrugge
Dudzele
Zelzate
from Emden
Antwerpen
Brugge
Genk
Gent
ALGERIA
Obbicht
Winksele
Brakel
Brussels
Kortrijk
L
DA
WE
Aachen
's-Gravenvoeren
's-Gravenvoeren
Berneau
Eynatten
RUSSIA
GERMANY
NP
TE
D i s t r i g a s
NORWAY
GREAT
BRITAIN
Tournai
Charleroi
Namur
Anderlues
Pipelines
Sinsin
Blaregnies
Rich gas
Slochteren gas
Bastogne
LNG Terminal
Compressor stations
Storage
G.-D.
LUXEMBOURG
FRANCE
SPAIN
ITALY
Arlon
Pétange
07/2000
BRON: DISTRIGAS
• Onderzeese pijpleidingen
Deze pijpleidingen maken het mogelijk het gas uit velden die in zee ontdekt werden aan land te
brengen. Op dit ogenblik zijn meer dan 3000 km onderzeese leidingen operationeel, in hoofdzaak tussen de boorplatforms voor de Noorse kust, naar de Duitse kust en de Belgische kust (Zeebrugge).
D i s t r i g a s
NOORSE GASAANVOER NAAR BELGIE
Statpipe
Norpipe
Zeepipe
Gullfaks
Troll
Statfjord
Kollsnes
Karsto/
Sleipner
Draupner
St. Fergus
Tor
Ekofisk
Teesside
Bacton
Eldfisk
Valhall
Etzel
Emden
Zeebrugge
Dunkerque
03/2000
BRON: DISTRIGAS
39
D i s t r i g a s
pipelines/
LNG receiving terminals
existing
planned
or under
construction
Statfjord
Troll
Frigg
Heimdal
Oseberg
Kollsnes
Oslo
K rsto
Stavanger
Sleipner
Helsinki
St. Petersburg
Stockholm
Ekofisk
Belfast
Tyra
W'
haven
Dublin
Emden
London
Zeebrugge
Copenhagen
Minsk
Berlin
Warsaw
Essen
Brussels
Prague
Paris
Bratislava
Montoir
Vienna
Bern
Budapest
Ljubljana
Bilbao
Lyon
Zagreb
Bucharest
Krk
Belgrade
Sofia
La
Spezia
Fos - sursur -Mer
Lisbon
Madrid
Istanbul
Rome
Barcelona
Cordoba
Sines
Cartagena
Huelva
Athens
Skikda
Arzew
Algiers
Tunis
2000
BRON: DISTRIGAS
Voordelen van het gebruik van leidingen als transportmiddel
De leiding is ingegraven waardoor de planten opnieuw kunnen groeien en de natuur zichzelf herstelt.
Het transport gebeurt zonder enige hinder voor de mens.
De brandstof moet niet over de weg vervoerd worden. Het huidig aardgasverbruik van België per jaar
zou een transport vergen van meer dan duizend vrachtauto’s van 30 ton per dag.
Het is technisch mogelijk leidingen aan te leggen in de moeilijkste omstandigheden, op de bodem
van een rivier of over of door een berg.
Transport per schip
Een andere manier om aardgas te vervoeren is gebruik te maken van speciale schepen, nl. methaantankers.
Hiervoor is volgende infrastructuur nodig:
– in de inscheephaven: een vloeibaarmakingsfabriek en opslagtanks. Het gas wordt door middel
van compressoren zo hard samengedrukt dat het vloeibaar wordt. Het ingenomen volume is dan
600 x kleiner dan in gasvorm.
– een methaantanker voorzien van kuipen die vaak in de romp van het schip geïntegreerd zijn
en waarin het gas vloeibaar gehouden wordt onder atmosferische druk bij een temperatuur van
–162 °C;
– een ontvangsthaven waar het vloeibaar gas ontvangen wordt en opnieuw in gasvorm omgezet,
opgeslagen wordt in grote gastanks;
– vanaf deze ontvangsthaven vertrekt een pijpleiding ondergronds voor transport naar de verbruikszones.
De vloeibaarmakingsfabriek bevindt zich steeds aan de kust van het land waarvan het gas afkomstig
is. In ons land komt er gas toe uit Algerije, waar het vloeibaar gemaakt wordt.
De ontvangsthaven van België bevindt zich in Zeebrugge, het omzetten in gasvorm en het stockeren
gebeurt in de LNG-terminal aldaar (LNG = Liquefied Natural Gas).
40
De methaantankers variëren van capaciteit tussen de 25 000 en de 130 000 m3 LNG (capaciteit van
de «Methania»).
België is zowat de draaischijf voor het transport en de verkoop van aardgas voor het Europese continent. Op dit ogenblik ontvangen we aardgas uit Nederland (Slochteren), Noorwegen (Ekofisk) en
Engeland (Bacton) via hogedrukpijpleidingen, en uit Algerije (Hassi R’Mel) in vloeibare vorm aangevoerd door methaantankers.
BRON: DISTRIGAS
BRON: DISTRIGAS
I.3.2.1.4. Opslag van aardgas
Om ervoor te zorgen dat er steeds voldoende aardgas in ons land voorradig is, moeten we grote
hoeveelheden kunnen opslaan. Dit is nodig omdat tijdens een periode van groot verbruik of bij een
vertraging in de aanvoer, te wijten aan een ongeval, een kleine voorraad in enkele dagen zou opgebruikt zijn.
Het gebruik van traditionele gashouders (gastanks) is dan ook maar een kleine oplossing. Voor de
overbrugging van seizoensgebonden verbruikspieken (winter) zijn veel grotere voorraden nodig.
België beschikt daarom over 3 grote aardgasopslagcentra nl. in Zeebrugge en Dudzele in vloeibare
vorm in tanks, in Loenhout in diepe waterhoudende lagen in gasvorm en in Anderlues en Péronnes
in afgedankte steenkoolmijnen, eveneens in gasvorm.
BRON: DISTRIGAS
BRON: DISTRIGAS
41
I.3.2.1.5. Distributie
De ontvangst en het transport van aardgas op Belgisch grondgebied gebeurt door Distrigas, dat
hiervoor over een uitgebreide infrastructuur beschikt.
Een belangrijk deel van het aardgas dat in ons land toekomt wordt doorgevoerd naar onze buurlanden:
Frankrijk, Groot-Hertogdom Luxemburg en Duitsland.
De houders van een concessie voor de verkoop van aardgas zorgen voor de distributie van het
aardgas tot bij de bedrijven en de huishoudelijke verbruikers.
Wanneer het aardgas door pijpleidingen stroomt neemt, door de wrijving tegen de binnenwand, de
druk geleidelijk aan af. Hoe groter de overbrugde afstand, hoe sterker het drukverlies.
Bij de opbouw van het aardgasnet – transport zowel als distributie – vertrekt men daarom van relatief
hoge drukken om, na trapsgewijze verlaging, uiteindelijk bij elke verbruiker de juiste druk te kunnen
leveren voor zijn verbruikstoestellen.
I.3.2.2. BUTAAN EN PROPAAN
I.3.2.2.1. Oorsprong
Tot voor enkele jaren werden butaan en propaan bijna uitsluitend gewonnen uit ruwe aardolie bij raffinage door distillering en door cracking.
Vandaag worden ze eveneens gewonnen uit aardgas door middel van een behandeling die tot doel
heeft de condenseerbare producten af te zonderen.
Wat ook de herkomst, in beide gevallen dienen butaan en propaan van de andere producten gescheiden te worden en vloeibaar gemaakt om hun transport en verdeling te vergemakkelijken.
Ruwe aardolie, zoals deze toekomt uit alle petroleumbronnen van de ganse wereld, ondergaat een
serie distillaties in belangrijke industriële installaties die men raffinaderijen noemt.
Het distillatieproces bestaat uit het opwarmen van de vloeistof tot zijn kookpunt om dan, in volgorde
van dichtheid, de dampen van de verschillende componenten af te scheiden.
Deze laatste worden daarna gecondenseerd door afkoeling. De distillatie van ruwe petroleum gebeurt in hoge torens, met aan de binnenzijde horizontale platformen waarop de vloeistoffen van de
verschillende gecondenseerde gassen worden opgevangen.
De meest vluchtige componenten, zoals butaan en propaan, komen zo bovenaan de kolom, waar
ze opgenomen worden.
Men noemt deze «VLOEIBAAR GEMAAKTE PETROLEUMGASSEN».
Propaan
Vloeibaar gemaakte
petroleumgassen
Algemene benaming:
Butaan
Distillatietoren
Benzines
LPG – PROPAAN
LPG – BUTAAN
LPG – AUTOGAS
LPG = LIQUEFIED
PETROLEUM GAS
Gasoliën
Fuels
Oliën
Asfalt
BRON: FEBUPRO
42
I.3.2.2.2. Opslagmogelijkheden
Butaan en propaan worden opgeslagen en vervoerd in vloeibare toestand bij middelbare drukken in
recipiënten (flessen, tanks):
– butaan: ± 1,7 bar bij 15 °C,
– propaan: ± 6,5 bar bij 15 °C.
Flessen
Butaan en propaan worden geleverd in stalen flessen van hoge kwaliteit (wanddikte ± 3 mm).
Dit is nodig om bestand te zijn tegen de verschillende behandelingen die zij ondergaan: vervoer,
stockage, gebruik, terugvoer naar de vullingscentra, en dit gedurende vele jaren.
Hun kleur, inhoud en aansluitschroefdraad (linkse) verschillen naargelang het systeem van de verdelingsfirma’s (gasfirma’s).
De inhoud van de flessen is verschillend:
– propaan: vanaf 10,5 kg,
– butaan: vanaf 12,5 kg (zie KB. 7/12/99; Staatsblad van 29/12/99).
Deze flessen mogen enkel in erkende vulcentra nagevuld worden.
Opgelet: er zijn speciale propaanflessen van 10,5 kg en 18 kg die voldoen voor motoren van voertuigen met lage snelheden, heftrucks, reinigers, enz.
Ze zijn voorzien van een fleskraan met dompelbuis. Zij mogen nooit voor gewoon huishoudelijk gebruik worden aangesloten.
BRON: FEBUPRO
BRON: FEBUPRO
43
Tips voor plaatsing en aansluiten van gasflessen voor huishoudelijk gebruik
Gas in flessen is brandbaar
en zwaarder dan lucht. De
flessen dus NOOIT lager
plaatsen dan de begane
grond, d.w.z. in de kelder
of in de nabijheid van een
keldergat, een rioolput of
eender welke warmtebron.
Plaats elke gasfles, gevuld
of leeg, rechtopstaand en
stabiel op een verluchte
plaats.
Elke installatie met
gasflessen moet voorzien
zijn van minimum EEN
GASDRUKREGELAAR.
Deze wordt zo dicht
mogelijk bij de gasfles
geplaatst en heeft een
aangepaste koppeling.
Gebruik in geval van
soepele verbindingen
uitsluitend gasslangen
gekeurd voor butaan en
propaan. De uiteinden
moeten voorzien zijn van
klemringen.
Een fles BUTAANGAS moet
gebruikt worden op een
plaats waar de temperatuur
hoger is dan 5 °C; gebruik
in andere gevallen
PROPAANGAS, bij voorkeur
buiten.
Wanneer een fles, gevuld
of leeg, niet gebruikt wordt,
moet de kraan altijd gesloten
zijn.
De kraanverzegeling is uw garantie voor een
correcte vulling, kijk ze na bij aankoop.
Bij aansluiten van gasfles(sen):
• NOOIT roken.
• Geen open vuur maken of
een warmtebron plaatsen in
de nabije omgeving.
• De kraan van de fles openen
met de hand en NOOIT
werktuigen gebruiken.
• Eventuele lekken opsporen
door middel van een
zeepoplossing of een andere
schuimende lekdetector,
NOOIT met een vlam.
• In geval van lekkage,
onmiddellijk de kraan van de
fles(sen) sluiten.
BRON: FEBUPRO
44
Tanks
Hierbij bestaan bovengrondse en ondergrondse tanks geconstrueerd en uitgerust volgens KB van
21 oktober 1968 en aanpassingen (zie Addendum 7 – Pijpleidingen Attest).
De inhoud van de tanks is als volgt:
– bovengrondse: 500, 1.000, 1.600, 2.500, 4.800... liter;
– ondergrondse: 1.600, 3.000... liter.
BOVENGRONDS
BRON: FEBUPRO
ONDERGRONDS
BRON: FEBUPRO
De tank en zijn uitrusting:
1. Beschermkap bedekt:
– de vulklep
– de kraan
– de voorontspanner
– Fill Stop
(alleen voor GrootHertogdom Luxemburg)
2. Externe veiligheidsklep
3. Afsluitkraan of gasafnamekraan,
max. peilmeter 85 %
4. Peilmeter
5. Vulklep
6. Voorontspanner of eerste
ontspanner
7. Check-lock of vloeistofafname
8. Aarding
9. Klephouder
BRON: FEBUPRO
Opmerking
Voor het plaatsen en stockeren in tanks moeten bepaalde restricties en veiligheidsafstanden gerespecteerd worden, afhankelijk van de gezamenlijke inhoud van de flessen of het type van de tanks.
Deze regels zijn verschillend per Gewest.
45
I.3.2.3. DE VERBRANDING VAN GAS
Aangezien zowel aardgas als de vloeibare petroleumgassen in gasfase uit koolwaterstoffen zijn
samengesteld (behoudens inerte materialen die niet deelnemen aan de verbranding), verlopen de
verbrandingsprocessen analoog. We behandelen de verbranding dan ook “algemeen” en geven waar
nodig karakteristieken voor aardgas en butaan/propaan.
I.3.2.3.1. Enkele begrippen
De verbranding is een snelle scheikundige reactie van een brandstof met zuurstof, die uit de omgevingslucht onttrokken wordt.
Deze reactie gaat gepaard met een belangrijke warmteafgifte (exotherme reactie of warmte afgevend).
Chemische opbouw van een stof
Indien men een gasvormige of vloeibare brandstof verbrandt, dan blijven er enkel verbrandingsgassen
over. Bij het verbranden van vaste brandstof blijft er tevens nog vast afval (assen) over.
Er heeft zich een chemisch of scheikundig verschijnsel voltrokken met een blijvende verandering
van de stof tot gevolg.
Met andere woorden is er een chemische reactie voltrokken die van de oorspronkelijke componenten
een nieuwe stof heeft gemaakt.
BRANDSTOF + ZUURSTOF ➞ VERBRANDINGSGASSEN + WARMTE
Om de samenstelling van de rookgassen te kennen moeten we de opbouw ervan kennen.
Even herhalen wat in het hoofdstuk “Structuur van de materie” (blz. 8 en 9) werd uitgelegd:
Molecule
Een molecule bestaat uit een groepje atomen die aan elkaar gebonden zijn. Moleculen vormen dus
verbindingen.
Atoom
Indien we een molecule chemisch nog verder ontbinden bekomen we uiteindelijk een aantal onontbindbare deeltjes.
Een atoom is het allerkleinste deeltje van een molecule dat verder chemisch niet meer te delen is.
46
Scheikundige symbolen en formules
Zoals reeds gezegd gebruiken we Internationaal erkende tekens om atomen en moleculen aan te
duiden.
De meest belangrijke atoomtekens om de verbranding beter te begrijpen zijn:
• koolstof C
• waterstof H
• zuurstof O
• stikstof N
• zwavel S
Met behulp van deze atoomtekens kunnen we op een eenvoudige wijze de samenstelling van een
bepaalde stof aangeven, als we weten uit welke en hoeveel atomen van iedere soort, een molecule
van een bepaalde stof samengesteld is.
De voorstelling van een molecule noemt men een scheikundige formule.
Voorbeeld
H2O is de scheikundige formule van water.
Dit wil zeggen dat een molecule water is samengesteld uit twee atomen waterstof en één atoom
zuurstof.
Scheikundige reacties
We spreken van een scheikundige reactie als twee stoffen bij elkaar worden gevoegd en met elkaar
gaan reageren tot een nieuwe stof.
Noot
Vermits de moleculen waterstof, zuurstof en stikstof telkens uit twee atomen bestaan worden ze door
volgende symbolen aangeduid: H2 O2 N2.
Voorbeeld
2 moleculen waterstof + 1 molecule zuurstof geeft 2 moleculen water
2H2 + O2 ➞ 2H2O
47
I.3.2.3.2. Verbrandingsvoorwaarden
Om tot een verbranding te komen moet er aan twee voorwaarden voldaan worden:
• er moet een goed brandstof/zuurstof-mengsel aanwezig zijn;
• het mengsel moet op ontstekingstemperatuur gebracht worden.
De brandstof
De brandbare elementen van een brandstof zijn hoofdzakelijk:
KOOLSTOF (C ) en WATERSTOF (H)
We noemen ze daarom
KOOLWATERSTOFFEN
De zuurstof
De zuurstof nodig om tot een verbranding te komen wordt onttrokken uit de omgevingslucht.
De lucht bestaat hoofdzakelijk uit:
21 % ZUURSTOF (O2) en 79 % stikstof (N2)
IN 4,76 m3 LUCHT IS 1 m3 ZUURSTOF AANWEZIG.
Het is enkel de zuurstof die we nodig hebben om tot een verbranding te komen.
De stikstof uit de lucht neemt geen deel aan de verbranding.
Noot
Niet alle brandstoffen kunnen in hun normale vorm direct aangewend worden om verbrand te worden
maar moeten bijvoorbeeld verstoven of verdampt worden om een goede mengeling met de zuurstof
mogelijk te maken (bv. stookolie).
48
Het GAS/LUCHT-mengsel
Aangezien in deze cursus zowel de brandstof als de lucht gasvormig zijn, is het eenvoudig een goede
mengeling van deze twee elementen en een goed contact tussen de gasmoleculen en de zuurstof
op de plaats van de verbranding te bekomen – namelijk aan de branderpoorten.
Niet elk gas/lucht-mengsel zal echter branden. De verbranding kan slechts plaatshebben en onderhouden worden als de volumeconcentratie van het gas in het mengsel tussen twee welbepaalde
grenzen ligt. Deze grenzen worden de ontstekingsgrenzen genoemd:
• de onderste ontstekingsgrens karakteriseert een arm mengsel, met een lage gasconcentratie
– internationaal aangeduid met LEL (Low Explosion Limit/Level);
• de bovenste ontstekingsgrens karakteriseert een rijk mengsel, met een hogere gasconcentratie.
De ontstekingsgrenzen zijn afhankelijk van de aard van het gas, de temperatuur van het
gas/lucht-mengsel, de aanwezigheid van inerte gassen in het mengsel (N2 en CO2 vernauwen
de ontstekingsgrenzen) en de verhoogde aanwezigheid van O2 (verbreedt de grenzen).
Buiten deze grenzen (te arm of te rijk mengsel) kan het mengsel niet ontstoken worden.
Boven een bepaalde temperatuur ontsteekt het mengsel automatisch onafhankelijk van de gasconcentratie; men spreekt dan van zelfontbranding.
Karakteristieken
In de hierna volgende tabel vindt u de ontstekingsgrenzen – bij een omgevingstemperatuur van 20 °C
– en de zelfontbrandingstemperatuur voor aardgas en B/P.
ONDERSTE
BOVENSTE
ZELFONTBRANDINGSONTSTEKINGSGRENS ONTSTEKINGSGRENS
TEMPERATUUR
% GAS
% GAS
°C
AARDGAS
5
15
800
BUTAAN
1,8
8,8
480
PROPAAN
2,4
9,3
495
LET OP
Wanneer we ons in een lokaal bevinden kunnen de gas/lucht-concentraties, zonder dat we ons daar
bewust van zijn, snel wijzigen – bv. er kan een extra hoeveelheid lucht toestromen door een deur
die opengaat. Indien er voordien een gasconcentratie aanwezig was die hoger lag dan de bovenste
ontstekingsgrens, kunnen we ons daardoor plots binnen de ontstekingsgrenzen bevinden met ontbranding of explosie tot gevolg.
49
De ontstekingstemperatuur
De ontstekingstemperatuur is niet voor alle brandstoffen gelijk.
Voor Slochteren-aardgas is die 670 °C, voor Rijk Gas 650 °C, voor stookolie 350 °C, voor propaan
450 °C en voor butaan 405 °C.
De verbranding wordt op gang gebracht door de verhoging van de temperatuur tot de ontstekingstemperatuur in één bepaald punt van het gas/lucht-mengsel.
Dit kan gebeuren door middel van ontstekingspennen of een waakvlam.
Na ontvlamming zal door de verbrandingstemperatuur de verbranding zichzelf in stand houden
– kettingreactie.
DE VERBRANDING
Wanneer aan alle voorwaarden is voldaan, kan het gas/luchtmengsel verbranden.
Tijdens de verbranding ontstaat er:
• WARMTE
• ROOKGASSEN
–
–
–
–
H2O
CO2
N2
NOx
Water(damp)
Koolstofdioxide
Stikstof
Stikstofoxides
MILIEUONVRIENDELIJKE STOFFEN
Tijdens de verbranding ontstaan er in de rookgassen een aantal milieuonvriendelijke stoffen.
Koolstofdioxide
CO2 ontstaat als een niet te vermijden product tijdens de verbranding en is mede verantwoordelijk
voor het broeikaseffect.
Hoe groter het koolstofgehalte in de energiebron, des te hoger de CO2-emissie. Wegens zijn geringe koolstofgehalte is de CO2-emissie bij de verbranding van aardgas lager dan bij andere fossiele
brandstoffen.
Stikstofoxides
Stikstofoxides (NOx) is een verzamelbegrip dat voornamelijk de bestanddelen stikstofmonoxide (NO)
en stikstofdioxide (NO2) omvat. NOx ontstaat bij de verbranding tijdens een endotherme reactie en
is een verzurend gas dat bijdraagt tot het ontstaan van zure regen. De vlamtemperatuur oefent de
grootste invloed uit op de vorming van NOx.
De NOx-uitstoot kan verminderd worden door verschillende nieuwe brandertechnieken toe te
passen (bv. het verlagen van de verbrandingstemperatuur door vlamkoeling). Deze technieken verschillen van brandermerk tot brandermerk.
De NOx-waarden worden uitgedrukt in mg/kWh alsook in ppm (parts per million) (per miljoen deeltjes,
x-aantal deeltjes NOx).
Het milieulabel “Blauwe Engel” (Duitsland) stelt als grenswaarde voor NOx 100 mg/kWh of 57 ppm.
50
I.3.2.3.3. Soorten verbranding
Er wordt hoofdzakelijk een onderscheid gemaakt tussen twee soorten, namelijk:
• een volledige verbranding,
• een onvolledige verbranding.
Volledige verbranding
Wanneer er na de verbranding in de rookgassen geen brandbare bestanddelen meer aanwezig zijn
spreken we over een volledige verbranding.
Onvolledige verbranding
Wanneer er na de verbranding in de rookgassen nog brandbare bestanddelen terug te vinden zijn
spreken we over een onvolledige verbranding.
Verbrandingstypes
De hoeveelheid lucht is een belangrijke factor die de verbranding al dan niet volledig laat plaatsvinden.
We spreken over:
• stoechiometrische verbranding (theoretisch),
• volledige verbranding met luchtovermaat,
• onvolledige verbranding met luchttekort,
• onvolledige verbranding met luchtovermaat.
THEORETISCHE OF STOECHIOMETRISCHE VERBRANDING
We werken in dit geval met een brandbaar mengsel dat juist voldoende zuurstof bevat om de brandstof volledig te verbranden.
Alle koolstof en waterstof bindt zich volledig met de zuurstof zodat de samenstelling van de rookgassen bestaat uit:
CO2
H2O
N2
STOECHIOMETRISCHE VERBRANDING
Rookgassen: koolstofdioxide CO2
waterdamp H2O
stikstof N2
Omgevingslucht
21 % zuurstof O2
79 % stikstof N2
Aardgas
CnH2n+2
51
VOLLEDIGE VERBRANDING MET LUCHTOVERMAAT
De samenstelling van de rookgassen is hetzelfde als bij de stoechiometrische verbranding, maar
vermits er een hoeveelheid lucht te veel werd toegevoerd zal deze lucht ook terug te vinden zijn in
de rookgassen zodat er nog een extra hoeveelheid stikstof en zuurstof zal aanwezig zijn.
De samenstelling van de rookgassen bestaat uit:
CO2
H2O + O2 + N2
N2
NOx
VERBRANDING MET LUCHTOVERMAAT
Rookgassen: koolstofdioxide CO2
waterdamp H2O
stikstof N2
zuurstof O2
stikstofoxides NOx
Omgevingslucht
21 % zuurstof O2
79 % stikstof N2
Aardgas
CnH2n+2
ONVOLLEDIGE VERBRANDING MET LUCHTTEKORT
Vermits er in dit geval te weinig zuurstof tot de verbranding kan toetreden zullen er onverbrande
delen in de rookgassen aanwezig zijn. Het belangrijkste onverbrande element is de koolstof die niet
volledig met de zuurstof is verbonden.
HET ZEER GIFTIGE KOOLSTOFMONOXIDE (CO) WORDT GEVORMD !
CO2
H2O + CO
N2
NOx
ONVOLLEDIGE VERBRANDING MET LUCHTTEKORT
Rookgassen: koolstofdioxide CO2 + koolstofmonoxide CO
waterdamp H2O
stikstof N2
stikstofoxides NOx
Omgevingslucht
21 % zuurstof O2
79 % stikstof N2
52
Aardgas
CnH2n+2
ONVOLLEDIGE VERBRANDING MET LUCHTOVERMAAT
Vermits er een luchtovermaat is zal er in de rookgassen nog een hoeveelheid zuurstof aanwezig zijn
zodat de oorzaak van de slechte verbranding elders te zoeken is.
Deze wordt meestal veroorzaakt door een slechte werking van de brander. De vlam kan bijvoorbeeld
plaatselijk tegen een koud oppervlak strijken waardoor de temperatuur van de vlam daalt tot beneden
de ontstekingstemperatuur.
CO2
H2O + CO + O2
N2
NOx
ONVOLLEDIGE VERBRANDING MET LUCHTOVERMAAT
Rookgassen: koolstofdioxide CO2 + koolstofmonoxide CO
waterdamp H2O
stikstof N2
zuurstof O2
stikstofoxides NOx
Omgevingslucht
21 % zuurstof O2
79 % stikstof N2
Aardgas
CnH2n+2
I.3.2.3.4. Luchtovermaat, CO2-gehalte
In de praktijk is een theoretische verbranding niet mogelijk.
Om er zeker van te zijn dat we een volledige verbranding verkrijgen zal men steeds meer zuurstof
(lucht) toevoeren dan theoretisch nodig is.
We noemen dit de luchtovermaat of de luchtfactor.
De luchtfactor (n) is de verhouding tussen de werkelijk gebruikte hoeveelheid lucht en de theoretisch
noodzakelijke of stoechiometrische luchthoeveelheid.
De stoechiometrische luchthoeveelheid is verschillend volgens de brandstof.
AANTAL m3 LUCHT
PER m3 GAS
AARDGAS
TYPE L
AARDGAS
TYPE H
BUTAAN
PROPAAN
8,8
9,7
29,5
23
Formule:
werkelijk toegevoegde luchthoeveelheid
n = ––––––––––––––––––––––––––––––––
stoechiometrische luchthoeveelheid
53
Voorbeeld
Voor aardgas kunnen we een gemiddelde van 10 m3 lucht nemen per kubieke meter gas.
Praktisch gaat men echter bv. 13 m3 lucht toevoeren.
Men werkt hier dus met een luchtfactor van:
13 m3
n = –––––3
10 m
n = 1,3 of 30 % luchtovermaat.
De totale hoeveelheid af te voeren rookgassen bedraagt dan ongeveer 14 m3 op omgevingstemperatuur.
• Op temperatuur van de rookgassen is dit bijvoorbeeld bij 200° rookgastemperatuur:
273° + 200°
–––––––––– x 14 m3 = 1,614 x 14 m3 = 22,596 m3 rookgassen.
273° + 20°
De luchtovermaat mag niet te groot zijn vermits hierdoor het rookgasvolume groter wordt.
Het overschot aan verbrandingslucht (O2 en N2) neemt geen deel aan de verbranding maar verlaat
opgewarmd de schoorsteen. Hierdoor gaat er een belangrijke hoeveelheid warmte verloren.
Het komt er in de praktijk dus op aan een volledige verbranding met een zo klein mogelijke luchtovermaat te bekomen.
Zowel een te kleine als een te grote luchtovermaat zijn nadelig en vergroten het rookgasverlies.
Luchtfactor n = 1 stoechiometrische verbranding
Luchtfactor n > 1 verbranding met luchtovermaat
Luchtfactor n < 1 verbranding met luchttekort
Theoretische verbranding van 1mn3 aardgas uit Algerije (type H)
WARMTEAFGIFTE 43,75 MJ/mn3
8,15 mn3 STIKSTOF
2,10 mn3 WATERDAMP
1,11 mn3 CO2
54
VERBRANDING
1 mn3 AARDGAS
+
10,31 mn3 DROGE
LUCHT
VERBAND TUSSEN LUCHTOVERMAAT EN CO2-GEHALTE
Bij de volledige verbranding met de theoretisch benodigde lucht vindt men het theoretisch
maximaal bereikbare CO2 - gehalte (stoechiometrische verbranding n = 1).
De maximaal bereikbare CO2-waarden zijn voor elke brandstof verschillend.
Om vergelijking tussen de verschillende brandstoffen mogelijk te maken, geeft men steeds het maximaal procent CO2 aan in de droge verbrandingsproducten.
“De droge verbrandingsproducten” is het totaal volume verbrandingsproducten bij volledige theoretische verbranding, waaruit alle geproduceerde waterdamp onttrokken is.
Slochteren- Noordzeeaardgas
aardgas
% CO2 max.
11,9
Algerijns
aardgas
Lichte
stookolie
Butaan
Propaan
12,0
15,4
14
13,7
12,1
Bij volledige verbranding met luchtovermaat kan men het maximale CO2-gehalte niet bereiken vermits
het totale rookgasvolume is toegenomen.
Het teveel aan zuurstof- en stikstofvolume treedt op als verdunner zodat de CO2-concentratie vermindert.
In de praktijk kunnen de maximale CO2-waarden dus nooit bereikt worden vermits we altijd met
luchtovermaat werken.
I.3.2.3.5. CO-vorming
CO2
Tekort aan lucht
CO2 vermindering door
grotere luchtovermaat
Nominale werking
CO
Stoechiometrische luchthoeveelheid
CO2 vermindering door
onvolledige verbranding
O2
Uit nevenstaande grafiek is af te leiden dat
bij twee verschillende metingen een zelfde
CO2-waarde kan bekomen worden en
dit enerzijds met een tekort aan lucht en
anderzijds met een luchtovermaat.
Hieruit leiden we af dat een bijkomende
meting nodig is, namelijk van het COen/of O2-gehalte.
Het CO-gehalte mag volgens de toestel-norm in geen geval meer dan 0,1 %
bedragen.
CO2
Luchtovermaat
Een andere eenheid om het CO-gehalte
te meten is ppm (parts per million = deeltjes per miljoen).
CO VERHOGING DOOR ONVOLLEDIGE VERBRANDING
55
Algemeen kan men aannemen dat onvolledige verbranding en dus CO-vorming, bij open toestellen
veroorzaakt wordt door onder meer:
– onvoldoende verse lucht in het lokaal van opstelling – AANVOEROPENING VOOR VERBRANDINGSLUCHT VOORZIEN;
– onvoldoende verse lucht ter hoogte van de aanzuigopeningen van de primaire lucht – AANZUIGOPENINGEN EN BRANDER REINIGEN;
– slechte werking of constructie van de brander – PLAATSING EN WERKING VAN BRANDER
CONTROLEREN;
– onzuivere warmtewisselaar – WARMTEWISSELAAR REINIGEN OF VERVANGEN;
– slecht werkende afvoerschouw voor de verbrandingsproducten – AFVOERSCHOUW CONTROLEREN / REINIGEN EN EVENTUEEL AANPASSEN;
– “oneigenlijk” gebruik (bv. keukengeiser type A gebruiken om een bad te vullen) – AANGEPAST
TOESTEL INSTALLEREN;
– aanwezigheid van mechanische ventilatie (dampkap, droogkast met afvoer…) die onderdruk
doet ontstaan – ZORGEN VOOR BIJKOMENDE AANVOER VAN VERSE LUCHT.
KOOLSTOFMONOXIDE IS EEN ZEER GEVAARLIJK GAS.
INADEMING VAN CO KAN DE DOOD TOT GEVOLG HEBBEN.
VERMITS CO EEN REUK-, SMAAK- EN KLEURLOOS GAS IS KAN HET ENKEL OPGESPOORD WORDEN DOOR EEN CO-METING UIT TE VOEREN.
INVLOED VAN KOOLMONOXIDE OP DE GEZONDHEID
CONCENTRATIE
BLOOTGESTELDE TIJD EN SYMPTOMEN
ppm
56
%
9
0,0009
TOEGELATEN MAXIMUM AANWEZIG IN DE LUCHT
35
0,0035
MAXIMUMWAARDE BIJ BLOOTSTELLING GEDURENDE 8 UUR
200
0,02
HOOFDPIJN BINNEN DE 2 TOT 3 UUR
400
0,04
STERVENSGEVAAR NA 3 UUR
800
0,08
DUIZELIGHEID, MISSELIJKHEID, DOOD BINNEN 2 TOT 3 UUR
1 600
0,16
HOOFDPIJN, DUIZELIGHEID BINNEN DE 20 MIN. – DOOD BINNEN
HET UUR
3 200
0,32
HET HALFUUR
6 400
0,64
DE 10 TOT 15 MIN.
12 800
1,28
DOOD BINNEN DE 1 TOT 3 MIN.
I.3.2.3.6. Warmte-eenheden
– De internationaal gebruikte eenheid (SI-eenheid) voor alle energiesoorten en dus ook voor
“warmtehoeveelheid” is de JOULE.
Symbool: J
Afgeleide eenheid: Megajoule of 1.000.000 J – symbool: MJ
Vroeger gebruikte eenheid: de calorie (symbool: cal).
– De eenheid voor de calorische waarde is:
MJ per mn3 of MJ/mn3 (mn3 = normaal m3 bij 0 °C en 1013 mbar, omdat we bij vergelijking steeds de
brandstoffen onder dezelfde omstandigheden van druk en temperatuur moeten beschouwen).
– Wil men nu uitdrukken hoeveel warmte of energie een brander of een toestel kan produceren dan
spreekt men over de warmtehoeveelheid per tijdseenheid of het VERMOGEN.
Eenheid: Joule per seconde (symbool: J/s) of WATT (symbool: W) ➞ 1 W = 1 J/s
Afgeleide eenheid: kW = 1000 W
Het vermogen van de gastoestellen wordt uitgedrukt in kW.
Vuistregel voor de omrekening van kW naar kcal/h (de vroeger gebruikte eenheid):
1 kW = 860 kcal/h
kW
kcal/h
HUISHOUDELIJKE TOEPASSING
0,5
430
kleine brander van keukenfornuis
3,5
3 010
grote brander van keukenforrnuis
8,7
7 500
keukengeiser 5 l/min. - voorraadtoestel 115 liter
9,7
8 350
voorraadtoestel 155 liter
11,7
10 100
voorraadtoestel 200 liter
17,4
15 000
badgeiser 10 l/min.
22,7
19 500
badgeiser 13 l/min.
24
20 640
CV-generator
28
24 000
badgeiser 16 l/min.
35
30 000
badgeiser 20 l/min. - CV-ketel
57
I.3.2.3.7. Het dauwpunt
Het tijdens de verbranding chemisch gevormde water wordt door de hoge temperatuur direct omgezet
in waterdamp.
Deze waterdamp, opgenomen in de vochtige verbrandingsproducten, verlaat mee de schoorsteen.
Als de rookgassen afkoelen door bijvoorbeeld contact met een koude wand van de schoorsteen, zal
er condensatie optreden.
De waterdamp condenseert terug naar water.
De temperatuur waarbij dit verschijnsel optreedt noemen we de condensatietemperatuur of het
DAUWPUNT.
Het dauwpunt van de rookgassen is verschillend in functie van:
– de soort brandstof:
bij stoechiometrische verbranding is dit voor
•
aardgas ongeveer 59 °C,
•
petroleumgas ongeveer 54 °C.
– de luchtovermaat:
het dauwpunt is afhankelijk van de luchtovermaat van het gas/lucht-mengsel zoals aangegeven
in onderstaande grafiek.
Het dauwpunt
Dauwpunt
60
53
50
40
30
1
1,3 1,5
2
Luchtovermaat
3
BRON: ELECTRABEL
58
I.3.2.3.8. Calorische waarde, condensatiewarmte
De warmte die vrijkomt bij de volledige verbranding van 1 m3 aardgas of 1 kg vaste brandstof, onder
welbepaalde omstandigheden, noemt men de CALORISCHE WAARDE van die brandstof.
Tijdens de verbranding wordt er water gevormd dat door de grote hitte onmiddellijk wordt omgezet
in waterdamp.
Deze waterdamp heeft een hoeveelheid warmte in zich opgenomen die gewoonlijk via de schoorsteen
verloren gaat in de buitenlucht. We noemen dit de latente of verborgen warmte.
Enkel bij condenserende toestellen wordt deze latente verdampings- of condensatiewarmte teruggewonnen door haar via een extra warmtewisselaar uit de rookgassen te onttrekken. De waterdamp
wordt alsdan gecondenseerd tot water.
Zo kunnen we voor aardgas, butaan en propaan twee calorische waarden onderscheiden:
• de calorische bovenwaarde (of verbrandingswaarde) – symbool Hs
Dit is de totale warmte die vrijkomt bij de verbranding van 1 mn3 gas.
De tijdens de verbranding gevormde waterdamp is hierbij gecondenseerd en de verdampingswarmte gerecupereerd.
• de calorische onderwaarde (of stookwaarde) – symbool Hi
Dit is de totale warmte die vrijkomt bij de verbranding van 1 mn3 gas verminderd met de warmte
die gebruikt is om het gevormde water om te zetten in waterdamp.
Internationaal worden voor de brandstof en de verbrandingslucht, de volgende beginvoorwaarden
aangenomen om praktische metingen uit te voeren:
– absolute druk van 1013 mbar (normale atmosferische druk),
– temperatuur van 273,15 K (0 °C).
De verbrandingsproducten worden afgekoeld tot 0 °C.
Voor een gas worden de waarden uitgedrukt in MJ/mn3.
De calorische waarden van een gas zijn niet constant maar schommelen lichtjes (afhankelijk van
hun juiste samenstelling).
GAS
CALORISCHE
BOVENWAARDE (Hs)
MJ/mn3
CALORISCHE
ONDERWAARDE (Hi)
MJ/mn3
Zuiver methaan (G20)
39,86
35,89
Verrijkt Slochteren
(Poppel)
37,74
33,90
Noordzee
(’s Gravenvoeren)
40,77
36,70
Algerije (Zeebrugge)
43,75
39,40
Butaan
Propaan
120,72 (*)
111,19 (*)
94,19 (*)
86,74 (*)
(*) afwijkend van de overige calorische waarden zijn die voor butaan en propaan bij 15 °C.
59
CONDENSATIEWARMTE
• Uit het voorgaande kunnen we af leiden:
Hs = Hi + condensatiewarmte
Bij 0 °C bedraagt de condensatiewarmte 2 501,6 kJ/kg.
Alleen brandstoffen waarin vrije of gebonden waterstof voorkomt, vertonen dit verschil tussen de
calorische boven- en onderwaarde.
Voorbeeld
Bij de verbranding van 1 mn3 Algerijns aardgas hebben we vastgesteld dat er 2,10 m3 waterdamp
vrijkomt.
2,10 m3 waterdamp bevat 1,6797 kg water.
De condensatiewarmte is 2501,6 kJ/kg water.
➞ 1,6797 kg x 2501,6 kJ/kg = 4202 kJ = 4,202 MJ
of
de calorische onderwaarde of “stookwaarde” bedraagt dus: 43,75 MJ – 4,202 MJ = 39,53 MJ
of
DE CONDENSATIEWARMTE = 11 % VAN DE STOOKWAARDE (CALORISCHE ONDERWAARDE).
• Het bij de condensatie geproduceerde water is licht zurig en dient dusdanig behandeld.
ZUURTEGRAAD CONDENSWATER
pH
Alkalisch
Ammoniak
Wasmachine
Zeewater
Leidingwater
Gedistilleerd water
Vlarem
Zuur
Zuiver regenwater
Gewoon regenwater
Azijn
Condens
Fruitsap
Maagzuur
Condensatietechniek
60
BRON: KVGB
I.3.2.3.9. Calorisch debiet – nuttig vermogen – rendement
• De hoeveelheid energie die door het gas per tijdseenheid toegevoerd wordt naar de brander
van de verbruikstoestellen – de WARMTEBELASTING of het CALORISCH DEBIET - moet zo
constant mogelijk zijn.
AARDGAS
De in België verkochte aardgassen hebben, door het feit dat zij een natuurlijk product zijn, elk
hun eigen samenstelling, dichtheid en calorische waarde. Deze waarden veranderen voor elk gas
daarenboven nog in de tijd.
Daarom wordt voor aardgas het begrip “WOBBE-INDEX” ingevoerd.
De Wobbe-index is de maat voor de hoeveelheid energie die aan de brander van een toestel
toegevoerd wordt.
Men streeft ernaar deze hoeveelheid energie zo constant mogelijk te houden. Bij gelijke gasdruk
blijft het calorisch debiet naar een toestel constant indien de Wobbe-index constant gehouden
wordt.
Eenheid: MJ/mn3
Symbool: W
BUTAAN / PROPAAN
Vermits we hier te maken hebben met een quasi constante samenstelling is de warmtebelasting
of het calorisch debiet constant.
• Het NUTTIG VERMOGEN van een toestel is de hoeveelheid energie die per tijdseenheid door de
brander wordt afgegeven aan het te verwarmen water of de te verwarmen lucht van het verwarmingssysteem.
• Het RENDEMENT is de verhouding tussen de INPUT in een systeem en de OUTPUT uit dat
systeem.
Symbool: η
Eenheid: onbenoemd getal - meestal uitgedrukt in %
OUTPUT
η = ––––––––
INPUT
• Voor verwarmingstoepassingen beschouwt men de door de brandstof toegevoerde energie – het
calorisch debiet - als INPUT en het nuttig vermogen als OUTPUT.
• STEEDS HET CALORISCH DEBIET OP BASIS VAN DE CALORISCHE ONDERWAARDE.
Op die wijze bekomt men voor traditionele toestellen steeds waarden voor het rendement die
kleiner dan 1 of kleiner dan 100 % zijn.
OPGELET
Indien men bij de rendementsbepaling van een condensatietoestel de bovenstaande werkwijze
volgt, kan men een rendement bekomen van meer dan 100 %; men vergelijkt immers met de
calorische onderwaarde.
61
I.3.2.3.10. Hoogrendementstoestellen
Voor aardgas heeft men de labels HR+ en HR-TOP ingevoerd die de klant een aanduiding geven
voor respectievelijk een “HOOGRENDEMENTSTOESTEL” en een “CONDENSATIETOESTEL”.
HR+ label
VERDAMPINGSVERLIEZEN
11 %
11 %
5%
KETELRENDEMENT
(op calorische
onderwaarde)
88 %
92 %
104 %
VLOEIBARE
VERLIEZEN
12 %
HR+
8%
HR+
2%
HR-TOP
Het HR+ label is het kwaliteitslabel dat alle voordelen
in één oogopslag bundelt.
Dit gemakkelijk herkenbaar teken biedt:
• VEILIGHEIDSGARANTIES
BRON: KVGB
– CE-markering: het toestel voldoet aan de strengste Belgische en Europese norm in verband
met veiligheid,
– I2E+ : het toestel is geschikt voor alle in Belgie gedistribueerde aardgassen zonder enige aanpassing op het toestel.
• GARANTIES OP HET VLAK VAN ZUINIGHEID EN MILIEU
– Het toestel voldoet aan de rendementseisen van de Europese richtlijn 94/92/CEE: gewaarborgd
minimumrendement:
– voor wanden vloerketels:
bij vollast: (84 + 2 log Pn) % (gemiddelde temperatuur 70 °C),
bij deellast: (80 + 3 log Pn) % (gemiddelde temperatuur ≥ 50 °C),
Pn zijnde het nominaal geïnstalleerd vermogen; deellast = 0,3 x Pn.
– voor aardgaskachels:
bij vollast: 85 %,
bij deellast: 80 %; waarbij deellast = 0,4 x vollast,
verplicht voorzien van een thermostatische temperatuurregeling.
–
62
Minimaal energieverbruik wat minimale uitstoot van CO2 inhoudt en goed is voor het milieu.
• COMMERCIELE GARANTIES
Voor wandketels:
– 1 jaar volledige garantie zowel op materiaal als op arbeidsloon en verplaatsingskosten,
– naverkoopdienst gedurende 10 jaar na stopzetting van de productie van het model; de levering
van onderdelen inbegrepen,
– technische bijstand van het merk in België,
– permanente technische vorming van de installateurs van het betrokken toestel.
Voor vloerketels:
– 5 jaar garantie op het ketellichaam, materiaal, arbeidsloon en verplaatsingskosten inbegrepen,
– levering van onderdelen gedurende 10 jaar na stopzetting van de productie van het model,
– permanente technische vorming van de installateurs van het betrokken toestel.
Voor aardgaskachels:
– 5 jaar garantie op de goede werking van het hele verwarmingslichaam,
– naverkoopdienst gedurende 10 jaar na stopzetting van de productie van het model; levering van
onderdelen inbegrepen,
– permanente technische informatie van de installateurs van het betrokken toestel.
VOORBEELD
KOUD WATER
AANVOER
NTC 4
NTC 1
WARM WATER
NTC 3
SPIRAAL
ALU-WARMTEWISSELAAR
BRANDER
KIJKGLAS
ONTSTEEKPEN
VENTILATOR
GASBLOK
MCBA 1403
POMP
NTC 2
ROOKGASAFVOER
RETOUR
GAS
De unieke gas-luchtregeling zorgt
voor de optimale afstemming van de
gas-luchtverhouding voor het verbrandingsproces. Door het variëren van het
toerental van de luchtzijdig gemonteerde ventilator kan de branderbelasting traploos gemoduleerd worden
tussen 30 en 100 %. Het geheel zorgt
voor een hoog rendement en een lage
milieubelasting.
BRANDER
ONTSTEEKELEKTRODE
RESTRICTIE
GASTOEVOER
GASBLOK
LUCHTTOEVOER
VENTILATOR
BRON: RADSON
63
HR-TOP label
HOGER KAN NIET!
De condenserende aardgasketels met het kwaliteitslabel HR-TOP, garanderen de hoogst mogelijke besparingen in het kader van het rationeel energieverbruik (REG).
Het kwaliteitslabel HR+ garandeert reeds dat de ketel beantwoordt aan de strengste eisen van de
Europese Richtlijn voor het rendement. Dat is het optimum voor een traditionele CV-ketel op lage
temperatuur.
Maar met aardgas kan het nòg beter: omdat aardgas geen zwavel bevat kan de waterdamp die zich
in de verbrandingsproducten bevindt, in de ketel zelf gecondenseerd worden. Op deze manier wordt
praktisch alle warmte uit de verbrandingsproducten gerecupereerd.
Resultaat: een rendement van méér dan 100 % (op calorische onderwaarde Hi).
– TECHNISCHE GARANTIES
Naast de verplichte CE-markering en de I2E+-keuring, zoals voor alle aardgastoestellen, is er ook
nog de garantie omtrent:
• rendement:
(volgens de Europese Richtlijn 92/42/CEE)
Bij nominaal vermogen (vollast, Pn in kW): minstens (91 + log Pn) % (gemiddelde ketelwatertemperatuur 70 °C); Pn = nominaal geïnstalleerd vermogen.
Bij deellast (deellast = 0,3 x Pn in kW): minstens (97 + log Pn) % (ketelwatertemperatuur aan
de ingang van de ketel = retourtemperatuur: 30 °C).
• emissies:
De CO en NOx in de lucht- en watervrije verbrandingsproducten (0 % O2) mag niet meer bedragen dan:
– CO : max. 100 mg/kWh,
– NOx : max. 150 mg/kWh (klasse 3 volgens de Europese norm EN 297-A3/1996).
– COMMERCIELE GARANTIES
• Een totale waarborg (omniumwaarborg) voor het materiaal, het arbeidsloon en de verplaatsingskosten gedurende één jaar en een waarborg van vijf jaar op het verwarmingslichaam
voor fabricagefouten, indien de ketel geïnstalleerd werd volgens de installatievoorschriften van
de fabrikant.
• De levering van onderdelen waarborgen gedurende een periode van 10 jaar na stopzetting
van de productie van het model.
• De permanente technische vorming en informatie van de installateurs in België waarborgen.
• De commercialisering van de condenserende ketel enkel via verdelers die voorafgaand een
specifieke vorming voor condenserende ketels gekregen hebben.
64
TIP
Om tijdens het ganse stookseizoen het hoogste rendement uit een condenserende aardgasketel
met het label HR-TOP te halen, moet de installatie ontworpen worden om permanent op heel lage
ketelwatertemperatuur te kunnen draaien.
Voor een nieuwe installatie kan dit eenvoudig gerealiseerd worden
door ofwel te kiezen voor vloerverwarming ofwel voor de traditionele
warmwaterradiatoren, overbemeten zodat ze permanent op een stookregime van 40/60 °C kunnen werken.
VOORBEELD
Luchttoevoer
Rookgasafvoer
Ventilator
Stromingkap
+ brander
Ontluchter
Ionisatiepen
Mengpijp
Ontsteekpen
Aluminium
warmtewisselaar
Kijkglas
Waterschakelaar
Platenwisselaar
Luchtkast
Condenswaterslot
Gasblok
Backpanel
Automatische
ontluchter
Driewegklep
Pomp
Manometer
Overstortventiel
Service instellingen
Ontgrendelknop
Eco bedrijf warmwater
Service programma
Netspanning
Display
Netschakelaar
Brander in bedrijf
Tapwatertemperatuur
Manometer
CV watertemperatuur
BRON: RADSON
65
I.3.2.3.11. Samenvatting
VERBRANDINGSVOORWAARDEN
• Om de verbrandingsreactie te starten en te onderhouden, dienen tegelijkertijd volgende
voorwaarden voldaan te zijn:
– brandstof en verbrandingslucht moeten degelijk vermengd zijn;
– brandstof en verbrandingslucht moeten in de juiste verhoudingen aanwezig zijn voor de ontsteking;
– het mengsel moet plaatselijk op een hogere temperatuur gebracht worden dan de ontstekingstemperatuur (waakvlam, elektrische vonk...).
• Om de verbranding te onderhouden, dienen daarbij en tegelijkertijd:
– de verbrandingsproducten afgevoerd te worden;
– de aanvoer van brandstof en verbrandingslucht te gebeuren volgens de drie bovenvermelde
voorwaarden.
VEILIGHEID
Een mengsel gas/lucht is bij kamertemperatuur brandbaar indien het de juiste gasconcentratie heeft
en de vereiste ontstekingstemperatuur bereikt wordt.
Het voorgaande doet zich o.a. voor bij de gecontroleerde verbranding in toestellen.
Wanneer deze omstandigheden zich echter voordoen bij een ophoping van een gas/luchtmengsel in
een afgesloten ruimte dan hebben we de verbranding niet meer onder controle. Vermits het om een
ophoping gaat wordt in zeer korte tijd een grote hoeveelheid warmte gevormd die geen uitweg vindt
in de gesloten ruimte ➞ EXPLOSIE.
66
I.4. STOFFEN IN WATER (VLOEISTOFFEN)
Spreken over stoffen in water, is spreken over de kwaliteit van het water.
Kwaliteit is zeer betrekkelijk want wat voor een bepaald gebruik totaal ongeschikt is, kan voor een
andere toepassing voldoende zijn.
De kwaliteit van drinkwater bijvoorbeeld, is afhankelijk van de stoffen die in het water opgelost
zijn.
De factoren die de bruikbaarheid van water bepalen zijn onder andere:
– het zoutgehalte,
– de hardheid,
– de geur,
– de smaak,
– de temperatuur,
– de zuurtegraad,
– de helderheid.
I.4.1. KRINGLOOP
70 % van het aardoppervlak bestaat uit water.
Het meeste daarvan is totaal ongeschikt als drinkwater omdat het zout bevat (zeewater) of verontreinigd is.
Naast dat oppervlaktewater bevinden zich ook enorme hoeveelheden water in de bodem. We noemen
het grondwater.
Eens aan de oppervlakte wordt het water door verdamping opgenomen in de luchtlagen rond de
aarde.
Deze luchtlagen zijn voortdurend in beweging door de grote temperatuurverschillen.
In de hoogste luchtlagen verdicht de waterdamp zich tot wolken en slaat hij neer in de vorm van nevel,
hemelwater, hagel of sneeuw.
Het grootste gedeelte van het hemelwater stroomt als oppervlaktewater terug naar de zee, een gedeelte dringt in de bodem en vult het grondwater aan.
Al het zoete water op aarde is afkomstig van neerslag.
I.4.2. CHEMISCHE EIGENSCHAPPEN
Hoewel ongeveer 5/7 van de aarde uit water bestaat, blijft water een bijzonder boeiende vloeistof.
Drinkwater onderscheidt zich van water wanneer het voldoet aan een aantal voorwaarden. Een greep
uit de voornaamste eigenschappen:
– het moet helder, smaak-, geuren kleurloos zijn;
– het mag in lichte mate koolzuurhoudend zijn (H2CO3);
– het mag een weinig calciumcarbonaat bevatten (CaCO3);
– chloriden en sulfaten mogen in geringe mate aanwezig zijn;
– ammoniak- en nitraatverbindingen mogen onder geen beding voorkomen.
67
De nieuwe Europese Richtlijnen geven hierover meer duidelijkheid: enkele uittreksels uit de Richtlijn
98/83/EG VAN DE RAAD van 3 nov. 1998.
Parameter
Antimoon
Arseen
Benzeen
Chroom
Lood
Kwik
Nikkel
Nitriet
Pesticiden
IJzer
Chloride
Koper
Fluoride
Nitraat
pH
Eenheid
Europese richtlijn
μg / l
μg / l
μg / l
μg / l
μg / l
μg / l
μg / l
μg / l
μg / l
μg / l
mg / l
mg / l
mg / l
mg / l
5,0
10
1,0
50
10
1,0
20
0,5
0,5
200
250
2
1,5
50
≥ 6,5 en ≤ 9,5
Verder heeft water een bizar uitzettingspatroon. Het kan niet alleen in een aantal aggregatietoestanden voorkomen, het doorstaat ook alle wijzigingen.
Je kan water opwarmen zelfs koken en laten verdampen; na afkoeling vormt zich opnieuw water
alsof er niets was gebeurd.
Water is ook een perfecte drager. Water kan bijvoorbeeld worden gebruikt om warmte van de cv-ketel
naar de radiatoren te brengen, of om koude te leiden naar koelwanden.
Water is ook een elektrische geleider.
Valt de koude, de warmte of de stroom weg, dan blijft nadien opnieuw water over. Het laat geen enkel
spoor na. De oorspronkelijke kwaliteit en de samenstelling blijven ongewijzigd.
Je kunt ook meer concrete stoffen oplossen in water waarbij water als drager gaat fungeren. Zodra
je aan water vreemde stoffen gaat toevoegen spreken we, afhankelijk van het resultaat van een
mengsel of van een oplossing.
I.4.2.1. HETEROGEEN MENGSEL
We spreken van een heterogeen mengsel wanneer we aan water een stof toevoegen die zich niet blijvend met water mengt (Zie hoofdstuk I.1.2. Elementen, atomen, moleculen, verbindingen, mengsels).
Wanneer we water mengen met olie of kwik bijvoorbeeld, dan zien we na korte tijd dat het kwik zich
onderaan bevindt, het water in het midden en de olie drijft op het water. Niet mengbare vloeistoffen
vormen lagen volgens hun soortelijke dichtheid. De scheidingsvlakken zijn steeds horizontaal.
I.4.2.2. OPLOSSING
We spreken van een oplossing of een homogeen mengsel als de stoffen volledig mengen.
Wanneer we water gaan kleuren of extracten gaan toevoegen die smaken en geuren bevatten hebben we te maken met een oplossing.
68
Koffie is zo een oplossing. Behoudt de oplossing haar kleur of smaak zoals in dit voorbeeld, dan
zeggen we dat de oplossing stabiel is.
In het andere geval zullen bepaalde stoffen toch gaan bezinken onder invloed van het verschil in hun
soortelijke dichtheid.
Zien we toch bezinking of sedimentatie, dan was de oplossing niet volledig stabiel en dient het
moleculair patroon af en toe opnieuw geordend te worden. We lezen dan op de verpakking : schudden voor gebruik.
Er zijn toepassingen waarbij bezinking niet mag optreden, inkten en lijmen bijvoorbeeld. In dat geval
gaat men de drager helpen door een stabilisator toe te voegen. De stabilisator, die kan voorkomen
als een vloeistof of als vaste stof, waakt erover dat de oplossing stabiel blijft.
Vaste stoffen, opgelost in water, vormen soms zo een stabiele oplossing dat we van soorten water
gaan spreken. We kunnen deze stoffen verdelen in 3 soorten:
– vaste stoffen
Zeewater is zout, men spreekt zelfs van brak. De concentraties zout kunnen verschillen afhankelijk
van externe omstandigheden. Metingen van zeewater wijzen uit dat de concentratie zout in warme
gebieden hoger ligt dan in koude streken waar veelvuldige neerslag valt en de oplossing verdunt.
Zeezout bezinkt niet in de oceaan. De stromingen en het voortdurend wisselend getij houden de
oplossing stabiel. In stilstaande bekkens zal het zout wel bezinken. Men wint daar zout in de zogenaamde salines (zoutpannen).
• Kalk is ook zo’n vaste stof die oplosbaar is in water. Soms spontaan aanwezig in water afkomstig
uit bergriviertjes of bronnen, soms toegevoegd, speelt kalk een belangrijke rol in ons vak.
De hoeveelheid kalk is bepalend voor een gezonde installatie. De Europese norm voor drinkwater
voorziet een minimumhardheid (totale hardheid) van 15 °F (Franse graden).
Wanneer men water gaat ontharden met een waterverzachter, moet men met deze minima rekening
houden.
Er heerst vaak verwarring over de gebruikte graden om de hardheid van water aan te duiden.
Voor alle duidelijkheid:
Hardheid
Heel zacht
Zacht
Halfhard
Nogal hard
Hard
Heel hard
Franse graden
Duitse graden
0–7°
7 – 15 °
15 – 22 °
22 – 32 °
32 – 55 °
meer dan 55 °
0–4°
4–8°
8 – 12 °
12 – 18 °
18 – 30 °
meer dan 30 °
69
BRON: BWT
Kalkaanslag in sanitaire leidingen
1 Franse graad = 1 °F staat voor 10 ppm CaCO3
15 °F = 150 ppm
1 ppm (parts per million) = 1 mg/l
Zie ook module “WATER, bereiden van drinkwater: Waterbehandeling en drukverhoging”.
• IJzer komt vooral voor in water dat door veengebieden stroomt en op grotere diepten wordt
gewonnen. Ofschoon onschadelijk, meer zelfs: onontbeerlijk voor ons gestel, veroorzaakt de aanwezigheid van ijzer in drinkwater vervelende bijverschijnselen. Voornaamste probleem met ijzer is
de geelrode kleur van het water. Geen enkele was is echt wit met ijzerhoudend water. Steeds blijven
gele zwemen waarneembaar. Badkuipen verkleuren ook en tonen na verloop van tijd het gebruikelijke
waterniveau. Lekkende kranen veroorzaken gele vlekken. IJzerhoudend water wordt troebel bij het
koken.
Ontijzeren kan maar is vooral kleinschalig een duur en ingewikkeld proces.
• Slib mengt zich ook graag met water in beweging. Mensen die zelf met een hydrofoorgroep hun
water oppompen ervaren slib als een taai residu dat zich graag onderaan in de pompketel afzet.
Waterleverende maatschappijen die vooral op grote diepten water winnen, zitten vaak met een
ernstig slibgehalte in het water opgescheept. Niet alleen moet het slib worden verwijderd, meestal
is de hoeveelheid zo groot dat een tweede probleem ontstaat : de afvalberg. Sinds enige tijd droogt
PIDPA het slib, comprimeert het nadien en voert het vervolgens naar bedrijven die het afvalproduct
in de wegenbouw aanwenden.
Besluit: vaste stoffen kunnen met water een min of meer stabiel mengsel of oplossing vormen. Aangezien het om vaste stoffen gaat, berust het verwijderen ervan op filtreren, zeven zeg maar.
– vloeibare stoffen
Uiteraard is water het medium bij uitstek om een andere vloeistof in op te lossen. Men spreekt niet
zomaar van water bij de wijn. In elke mengkraan mengen we koud en warm water tot een gewenste
temperatuur is bereikt. In feite mengen we koud water (= drinkwater) met warm water (= vreemde
vloeistof). Om te verhinderen dat mogelijk bezoedeld water van een warmwaterbereider zou terugstromen in het waterleidingnet moeten we hier een terugslagklep plaatsen.
Sommige waterleverende maatschappijen lossen chloor op in het water om infecties te voorkomen.
Besluit: filtreren biedt hier geen uitweg omdat we met een perfecte oplossing opgezadeld zitten.
Voorkomen is beter dan genezen. Destillatie is meestal de enige mogelijkheid om de fusie ongedaan
te maken.
70
• Levende organismen
Drinkwater is van goede kwaliteit. Tijdens de behandeling ervan doorloopt het water diverse stadia
alvorens dat we van drinkwater mogen spreken. Een uitstekende biotoop dus voor levende organismen
die zich wat graag tegoed doen aan zuiver, zuurstofrijk water. De groei van biofilm in de buisleiding
wakkert de groei aan van kolonies legionella, salmonella en andere bacteriën.
Legionellabacterie
Besluit: ook hier is voorkomen beter dan helen. De aanleg van de installatie en een permanente
controle van de watertemperatuur moet de groei van de ongewenste indringers ontmoedigen.
• Gassen
Ook gassen zijn oplosbaar in water. Wie kent er geen water met prik?
Sommige gassen hebben de vervelende eigenschap om geuren af te geven aan het water en er
dus in op te lossen. Waterleverende maatschappijen gaan dus eerst het gewonnen water in oxidatiebedden laten bezinken en tegelijkertijd een zuurstofkuur toedienen.
Besluit: gassen zijn eveneens oplosbaar in water. Verwijderen kan door beluchten. Soms is filtratie
met actieve kool een oplossing. In uiterste nood kan bestraling met ozonopwekkende lampen voor
de nodige zuurstof zorgen om ongewenste geuren te verdrijven.
• Radioactief materiaal
Het is mogelijk om water radioactief te maken door bestraling. Meestal gebeurt dit bewust voor
medische doeleinden. Soms gebeurt het accidenteel. Lekken in koelkringen van kerncentrales bijvoorbeeld.
Hetzelfde gebeurt in de nucleaire geneeskunde. In een waterige oplossing wordt een radioactief
bestanddeel opgelost. Afhankelijk van de aard, de dosis en de samenstelling ervan weet men op
voorhand waar de ingespoten vloeistof zal belanden. Men spreekt van markers. Eens ter plaatse
is de rol van het water als drager uitgespeeld en kan het nucleaire materiaal zijn werk doen. Deze
methode wordt ook vaak toegepast als contrastvloeistof bij scanners.
Besluit: water kan door bestraling radioactief worden gemaakt. Filtreren of behandelen is niet afdoende
om het werkzame bestanddelen te verwijderen. Enkel de natuur en heel veel tijd zijn bij machte om
de straling geleidelijk af te breken.
I.4.3. VERONTREINIGING VAN WATER
Er zijn gevallen waarin water zich spontaan gaat verontreinigen. Het mechanisme is steeds hetzelfde
maar hier mengen we niet zelf. Scheikundige processen liggen aan de basis dat vreemde vaak ongewenste stoffen in water gaan gedijen of voorkomen. Er ontstaat een mengsel of een oplossing.
Houdt dit risico’s in dan spreken we van waterverontreiniging.
71
Pesticiden, insecticiden en nitrieten afkomstig van grootschalige landbouw dringen in de bodem
en verontreinigen de waterlagen. Zware metalen, slib en niet recupereerbare materialen worden
onzorgvuldig opgeslagen. Bij regen lossen ze op in het hemelwater en dringen op hun beurt mee in
de bodem.
BRON: PIDPA
I.4.4. PRODUCTIE VAN DRINKWATER
Waterproductieproces PIDPA Oud-Turnhout
Ofschoon de drinkwaterbedrijven hun bronnen met de grootste zorg kiezen blijkt het schier onmogelijk
om het water zonder extra behandeling te verbruiken. We onderscheiden 2 soorten, naargelang hun
winningsplaats:
– grondwater
Vanaf een bepaalde diepte heeft grondwater, afkomstig uit diepe lagen bijna steeds dezelfde samenstelling.
Het is vrij van chemische en bacteriologische vervuiling en is van uitmuntende kwaliteit. Water, gewonnen op geringere diepten is meestal van een mindere kwaliteit omdat scheikundige stoffen, nitrieten
van overbemesting en pesticiden tot die diepten kunnen doordringen.
Meestal bevat grondwater geen opgeloste zuurstof. Het is wel mogelijk dat er andere stoffen aangetroffen worden die niet welkom zijn, zoals koolzuurgas, mangaan, ammonium of ijzer.
Verder wordt grondwater belucht om zuurstof in te brengen en koolzuurgas te verdrijven.
Met zandfiltratie en een koolstoffilter verwijdert men ijzer, mangaan en eventueel ammonium.
Onlangs werkte PIDPA een procédé uit om op een milieuvriendelijke manier ijzer uit het grondwater
te verwijderen. Er wordt gebruik gemaakt van de ijzervretende bacterie Gallionella ferruginea. Zij
put haar energie uit de verbranding van ijzer en scheidt nadien onoplosbaar ijzer uit dat bezinkt en
wordt verwijderd.
Om de bacteriologische kwaliteit van het water op weg naar de klant te beschermen wordt het drinkwater ontsmet.
72
1. WATERVANGPUTTEN
2. BELUCHTING
3. DECANTATIE
Grondwater wordt opgepompt
uit putten van 60 tot 100 meter
diep.
Omdat grondwater geen zuurstof bevat, wordt door sproeiers
zuurstof toegevoegd.
Hier wordt kalkmelk toegevoegd. Dit bevordert o.a.
ijzer-vlokvorming. Deze ijzervlokken kunnen hier gescheiden
worden.
BRON: PIDPA
4. FILTRATIE
Deze filters zijn gevuld met
verschillende diktes van zand,
en dit functioneert als een
natuurlijke zeef.
5. REINWATERKELDERS
Ondergrondse betonnen
kelders stockeren het zuivere
water.
6. HOGEDRUKPOMPEN
Met deze pompen wordt het
water omhooggestuwd tot in de
watertorens.
BRON: PIDPA
– oppervlaktewater
In oppervlaktewater zit altijd opgeloste zuurstof maar de samenstelling van dat water verandert voortdurend. Het is vervuild door slib en algen, door organische stoffen die reuk- en smaakproblemen
veroorzaken door bacteriën. Drinkwaterbedrijven die oppervlaktewater winnen hebben dus veel meer
werk om er drinkwater van te maken.
73
De behandeling bestaat uit volgende stappen:
1. Men stockeert het water in spaarbekkens en stuwmeren en laat de natuur een tijdje haar zelfzuiverend werk doen.
2. In het water worden door toedoen van vlokmiddelen de kleine vaste deeltjes die in het water zweven gevangen en omgezet tot vlokken. Nadien worden deze vlokken in filters tegengehouden.
Door regelmatige terugspoeling wordt het vuil uit de filters verwijderd. Vervolgens wordt het in een
slibbehandeling verwerkt.
Filterspoeling
Filterspoeling
BRON: PIDPA
BRON: PIDPA
3. In de dubbellaagsfiltratie worden de overblijvende vlokken en eventueel ammonium door filters
met hydroantraciet en rijnzand verwijderd.
4. De algen en organische stoffen worden door luchtbelletjes naar de oppervlakte gebracht en vervolgens afgevoerd.
5. Het water vloeit vervolgens naar een bed van actieve kool. Sporen van organische vervuiling, zoals
pesticiden, hechten zich aan de actieve kool vast. Tegelijk wordt ook een belangrijk zuiveringseffect
bereikt op het vlak van hinderlijke stoffen die de smaak en de reuk van het water beïnvloeden.
6. Ten slotte kan men het water nogmaals ontsmetten om de groei van resterende bacteriën in het
verdeelnet zoveel mogelijk te beperken. Een nabehandeling met ozonopwekkende lampen of met
chloor werkt desinfecterend.
I.5. GALVANISCHE KOPPELS, ELEKTROLYSE, CORROSIE
I.5.1. GALVANISCHE KOPPELS
We hebben reeds gezien dat een elementair bouwdeeltje van een stof “atoom” wordt genoemd.
Een atoom bestaat uit een positieve kern (+) met daar rond een aantal elektronen die negatief (–)
geladen zijn.
In normale toestand is een atoom elektrisch neutraal: de kern heeft een positieve lading die gelijk is
aan het aantal negatieve elektronen die rond de kern draaien.
In bepaalde omstandigheden kan men aan een atoom elektronen toevoegen of afnemen.
Het gevolg is dat het atoom niet meer elektrisch neutraal is. Een dergelijk geladen atoom noemen
we een ion.
O.a. bij het oplossen van bepaalde stoffen in water worden ionen gevormd:
wanneer we bijv. keukenzout (NaCl) oplossen in water dan zal de molecule
Na Cl uiteenvallen in 2 geladen atomen (ionen):
– een éénmaal positief geladen natrium-ion
Na+
– een éénmaal negatief geladen chloor-ion
Cl74
Het zijn de ionen (geladen atomen) van in water opgeloste stoffen die het water omvormen tot een
elektrolyt (elektrisch geleidende vloeistof).
Enkele voorbeelden van chemische stoffen, in water opgelost, en hun elektrische waarde:
Natrium
Na+
1-waardig positief geladen ion
Calcium
Ca2+
2+
Magnesium
Mg
Koper
Cu2+
Zink
Zn2+
2–
Carbonaat
CO3
2-waardig negatief geladen ion
Hydroxidegroep
OH–
1-waardig negatief geladen ion
Bij de wisselwerking tussen metalen onderling, en tussen metalen en vloeistoffen, zal er steeds een
ionentransport optreden, waar we rekening mee moeten houden.
Nu is het zo dat metalen zelden in zuivere vorm in de natuur te vinden zijn.
Doorheen de eeuwen heeft de mens, dank zij de wetenschap van de metallurgie, de metalen kunnen
onttrekken uit zijn ertsen. Ertsen zijn gesteenten en allerlei stoffen in de aarde waarin de metalen
door allerlei scheikundige verbindingen ingesloten zitten.
Hoe vaster deze metaalverbindingen in de natuur zijn (denk bijv. aan ijzer, een onedel metaal, dat
nooit in zuivere toestand te vinden is), hoe moeilijker om de metalen zuiver te maken, en omgekeerd,
eenmaal zuiver ijzer bekomen, hoe intenser later dezelfde metalen de neiging zullen hebben zich
terug om te vormen naar hun natuurlijke erts.
Hoe heviger een metaal deze neiging vertoont, door bijvoorbeeld oxidatie (wat in feite een elektrisch
proces is), hoe negatiever zijn potentiaalverschil is.
Bij onderdompelen in water zien we dat elk metaal wil oxideren (zich verbinden met de zuurstof van
het water). Hoe groter deze wil, des te grotere elektrische spanning we meten. Elk metaal heeft zo
zijn eigen spanningsverschil (vergeleken t.o.v. waterstof).
Edele en onedele metalen (met het potentiaalverschil)
Metalen
EDEL
ONEDEL
Potentiaalverschil (in volt)
Goud
Zilver
Koper
Au
Ag
Cu
+1.36
+0.80
+0.34
Waterstof
Lood
Tin
Nikkel
IJzer
Zink
Aluminium
Magnesium
H
Pb
Sn
Ni
Fe
Zn
Al
Mg
0
-0.12
-0.14
-0.23
-0.44
-0.76
-1.70
-2.40
(Bij erg warm water kunnen deze spanningspotentialen veranderen; zo zal bijvoorbeeld ijzer en zink
met elkaar wisselen boven 65 °C, wat aantasting van gegalvaniseerde buizen tot gevolg heeft wanneer men er heet water doorvoert).
Hoe negatiever deze spanning is, hoe meer dit metaal de neiging heeft terug te willen naar zijn oorspronkelijke toestand, hoe onedeler we het noemen.
75
BRON: TIJDSCHRIFT SANILEC
Roestvorming door corrosie
Aldus kunnen we een reeks opbouwen van onedele naar edele metalen, met telkens een lichtjes
veranderend potentiaalverschil.
Nu gaan deze metalen, wanneer we ze bijv. onderdompelen in een zuurstofrijke geleidende vloeistof,
met elkaar ook spanningen opbouwen.
We zullen dan zien dat door wisselwerking met de elektrolyt (massale uitwisseling van ionen), het
minst edele metaal langzaam zal oplossen, ten voordele van het meest edele metaal.
Dit kan desastreuze gevolgen hebben mochten we deze wetenschap in de sanitaire branche negeren:
ernstige corrosie van onderdelen of zelfs van volledige installaties.
Anderzijds kunnen we deze wisselwerking ook positief benutten. Dit bespreken we later in het hoofdstuk I.5.2. Elektrolyse.
Enkele voorbeelden uit het installatievak waar men moet oppassen voor metalenmengeling:
• Een koperdak en zinken dakgoten: verboden:
de afstromende koperionen (Cu2+) zullen tijdens een regenbui achterblijven in de dakgoot, het
soms slecht afvloeiende regenwater dat achterblijft in de dakgoot vormt hier de elektrolyt, en het
zink zal zich als anode gedragen (het minst edele metaal) en zal zich opofferen.
Op geconcentreerde plaatsen waar het koperrijke water het langst blijft staan, lost het zink op en
ontstaan zelfs vrij snel gaten.
Omgekeerd, zal bij een zinken dak dit geen schade berokkenen bij onderliggende koperen dakgoten. Water met zinkionen tast het edeler koper niet aan.
• In een sanitaire installatie mag men wel eerst gegalvaniseerde buizen gebruiken en daarna koperbuizen, doch nooit omgekeerd: indien stroomopwaarts koper is gebruikt (in een stijgleiding van een
appartementsgebouw bijvoorbeeld), en men gaat op de verdieping verder met gegalvaniseerde
buis, zal het koperhoudende water (koperionen) door de verzinkte buis lopen, en bij stagnatie zal
ook hier het meest edele metaal (de koperionen) het mindere edele metaal (de dunne zinkbeschermlaag van de gegalvaniseerde buis) aantasten.
Eenmaal deze zinklaag aangetast, gaat het onderliggende staal (ijzer) hetzelfde lot ondergaan.
Noot: Bij c.v.-installaties krijg je dezelfde corrosieverschijnselen (bijv. de koperbuis, die geladen
koperionen afgeeft zal het staal (ijzer) van de radiatoren aantasten), doch omdat een c.v.-installatie
een gesloten kring is, en alle zuurstof in de elektrolyt na enige tijd is opgebruikt, zal de corrosie na
enkele weken stilvallen. (Het water verbindt zich met het staal van de radiator en wordt donkerbruin
tot zwart: magnetietvorming.)
Ook bij stalen buizen en stalen radiatoren treedt aantasting op, omdat het zuurstofrijke water
ijzerionen gaat onttrekken aan het staal; deze zullen zich binden met de zuurstof en magnetiet
vormen (3Fe + 2O2 → Fe3O4). Deze aantasting gaat door tot alle zuurstof opgebruikt is. Dit kan
bij het in gebruik stellen van de installatie, en dus bij de eerste vulling, enkele weken duren.
76
Vandaar dat corrosie in een c.v.-installatie meestal te zoeken is in een niet-zuurstofdichte verbinding. Ook bij lichte lekkages, zal men soms moeten water bijvullen wat zuurstof bevat en dit
zal opnieuw de corrosie in gang zetten.
• Wanneer je in een sanitaire installatie een koperboiler plaatst, zullen ook de leidingen in koper
moeten aangelegd worden.
• Bij stalen boilers is de binnenwand geëmailleerd (verglaasd).Veelal wordt in de boiler een offeranode geplaatst van het meest onedele metaal, magnesium. Bij kleine beschadigingen van het
email zal het zich opofferend onedele magnesium (Mg2+) zich gedragen als een anode (positieve
pool) en aangetrokken worden door het meer edele staal (kathode) en de barst opvullen en verder
beschermen.
I.5.2. ELEKTROLYSE
De spanningsverschillen die we net besproken hebben kunnen we ook positief benutten.
Net zoals een offeranode in een boiler positief werk levert, kunnen we op dezelfde manier metalen
uitwisselen via een elektrolyt, met als enig doel om deze metalen verder te kunnen zuiver maken.
Via een voorbeeld kunnen we dit duidelijk maken. We nemen de elektrolyse van koper, omdat dit
metaal zich erg gemakkelijk laat uitzuiveren.
De elektrolyse van koper
Wanneer we koper ontginnen uit de mijn, bestaat de kunst erin om het metaalerts in verschillende
stappen steeds zuiverder te maken.
Reeds in de productiehallen van de mijn wordt het ruwe erts, door smelten en allerlei scheikundige
en fysische bewerkingen, gezuiverd tot ± 90 %.
Om nu 99,8 % zuiver koper te verkrijgen moeten we een elektrolysebehandeling toepassen.
(Het is enkel met dit bijna 100 % zuiver koper dat men allerlei koperproducten maakt zoals draad,
buizen en koperbladen.)
(Echt 100 % zuiver bestaat niet, maar men kan dit wel zeer dicht benaderen.)
Anode
Het onzuivere koper wordt in vierkante platen gegoten (met 2 ophangoren) van ongeveer 5 cm dikte,
met een gewicht van ongeveer 200 kg.
Dit zullen we verder de anodes noemen. Dankzij deze 2 oren kunnen we deze platen later ophangen
in een betonnen bak.
77
BRON: UMICORE
Anodes, wachtend
op het elektrolysebad
BRON: UMICORE
De betonnen bakken waarin we deze anodes onderdompelen vullen we met een elektrolyt: een oplossing van zwavelzuur, water en kopersulfaat.
Die elektrolyt wordt verwarmd tot 60 °C om het op te starten elektrolyseproces nog te versnellen.
Nu hangen we in deze bak tussen elke 2 anodes, telkens een zeer dun plaatje zuiver koper, dat
straks als kathode dienst zal doen.
Elektrolysezaal
We hebben nu een edel metaal (een kathode van zuiver koper) naast een minder edel metaal (anode
van onzuiver koper) geplaatst, in een elektrolytoplossing.
Het minst edele metaal (anode) zal nu oplossen, en de koperionen (Cu2+) zullen zich via omwisseling
met het elektrolyt in de bak neerzetten op het zuiverder (edeler) kathode-koper (Cu).
Dit proces gaan we nu versnellen door een gelijkstroom op deze platen te zetten (tussen de 200 à
250 Ampère/m²).
De anodes worden met de positieve (+) pool verbonden en de kathodes met de negatieve (-) pool.
Tijdens de elektrolyse gaan langzaam, door ionenverplaatsingen, de positieve koperdeeltjes neerslaan
op de kathodes, die dus aangroeien.
De anodes lossen aldus op en de onzuiverheden lossen op in de elektrolyt en bezinken in het elektrolysevat.
Uit het bezinksel worden later opnieuw de belangrijkste metalen gezuiverd.
De kathodes groeien op deze manier aan van ± 5 kg naar méér dan 120 kg. Dit is zeer zuiver koper
(méér dan 99,9 %) en kan verder verwerkt worden tot een eindproduct: draad, buis, platen, enz.
78
BRON: UMICORE
Hier hebben we op een nuttige manier gebruikt gemaakt van de galvanische koppels en het ionentransport tussen de metalen.
Kathoden bestaande
uit zuiver koper
I.5.3. CORROSIE
Omdat corrosieverschijnselen in installaties zeer uiteenlopende oorzaken kunnen hebben, en dikwijls
een verkeerde interpretering uitlokken, en dus ook verkeerd handelen, is het zaak schadegevallen
te laten analyseren door specialisten.
Te snelle beslissingen kunnen later soms nog grotere schade toebrengen.
Toch is het nuttig enkele aspecten van corrosie nader te bekijken om een beter inzicht te krijgen in
de complexe wereld van vloeistoftransporten.
Enkele punten die corrosie kunnen beïnvloeden:
I.5.3.1. CORROSIE DOOR WATERSNELHEID
Elk leidingmateriaal heeft zijn eigen beperkingen. Men moet dus rekening houden met maximumbelastingen die materialen kunnen verdragen.
De vloeistof die door de leiding stroomt zal langzaam maar zeker de buiswand aantasten, en dan
vooral op die plaatsen waar de stroming het grootst is.
Dit is vooral het geval in bochten en bij diameterovergangen, waar sterkere stromingen te noteren
zijn. Elke onregelmatige passage geeft aan het water extra turbulenties, die extra erosie (uitschuring)
kunnen veroorzaken.
Vandaar het belang van een goede berekening van de diameters van de buis, om stroomsnelheden
binnen de perken te houden.
Algemeen wordt aangenomen dat indien watersnelheden beperkt blijven tot 1 à 1,5 m per seconde,
er geen erosieverschijnselen zullen optreden.
Erg belangrijk is het om kleine turbulenties te beperken:
– bij elke stuk nieuwe buis is het erg belangrijk de binnenkant van de buizen te ontbramen; door de
hoge werkdruk wordt dit soms over het hoofd gezien, doch dit kan achteraf mede oorzaak zijn van
stroomwervelingen, en dus erosie.
– overvloedig gebruik van soldeer, die ook aan de binnenkant van de buis druppels kan vormen, en
aldus vernauwing veroorzaakt;
– draadstukken of soldeerstukken die niet tot het einde in fittingen zijn aangebracht, geven korte
oneffenheden en veroorzaken wervelingen;
– lichtjes beschadigde buizen (indeukingen) kunnen soms inwendig verregaande gevolgen hebben.
79
I.5.3.2. TEMPERATUURSCORROSIE
In de scheikunde leren we dat verhoging van de temperatuur een scheikundige reactie zal versnellen. Een corrosie, die in vele gevallen een scheikundige reactie, ofwel een verbranding of oxidatie
betekent, zal sneller verlopen in warm water.
Een galvanisch koppel, hoe klein ook, heeft meer kans tot ontwikkeling in warmwaterinstallaties dan
in koud water.
Anderzijds kan te warm water eveneens een sterke kalkaangroei veroorzaken (calciumcarbonaatafzetting CaCO3), die dichtslibbing van de buis veroorzaakt.
Plaatselijke kleine dichtslibbingen veroorzaken venturi met stroomversnellingen tot gevolg.
Let op: te warm water (65 °C) kan kalkvorming veroorzaken, doch warm water van bv. 50 °C is dan
weer gevaarlijk voor eventuele legionellaontwikkeling, vandaar dat warmwater aan het tappunt dat
60 °C benadert de ideale temperatuur is.
Bij kunststofleidingen zien we ook dat deze niet echt zuurstofdicht zijn. Hoe hoger de temperatuur,
hoe meer diffuus deze leidingen worden, wat in c.v.-installaties zorgt voor lichtjes zuurstofbevattend
water, en dus corrosie (zie galvanische koppels).
Kunst is de temperatuur van het warme water zo exact mogelijk te houden.
I.5.3.3. HARDHEID EN ZUURTEGRAAD
Bij vele corrosiegevallen spelen deze 2 parameters een erg belangrijke rol.
We hebben reeds gezien dat stoffen kunnen uiteenvallen in atomen die geladen zijn (ionen).
Ook water kan op deze manier ontbinden:
Een ion:
Een ion is een elektrisch geladen atoom of molecule.
Bv.:
H+ = waterstof ion
Ca2 = calcium ion
(1 positieve lading)
(2 positieve ladingen)
Als we bijvoorbeeld keukenzout (NaCl) oplossen in water geeft dit: water en Na+ ionen en Cl- ionen
Nemen we nu de samengestelde stof water: Water = 2 atomen waterstof H en 1 atoom zuurstof O.
Nu kunnen sommige moleculen water uiteenvallen in elektrische deeltjes of ionen:
nl.:
een positief waterstof-ion
H+
een negatief hydroxide-ion
OH-
H2O
H+ + OH-
Nu is het zo dat op 10 miljoen (10.000.000) watermoleculen (bij 25 °C) er 1 ontbonden is.
80
Dus op 10 miljoen moleculen is er 1 H+
1
ofwel ––––––––––
10.000.000
ofwel
1
–––7
10
ofwel
pH 7
Voegt men nu zure stoffen toe dan zal de concentratie waterstofionen toenemen:
bv.: 1 per 100.000
1
ofwel –––––––
100.000
ofwel
1
–––5
10
ofwel
pH 5
Dus hoe kleiner het getal hoe zuurder de vloeistof wordt.
Wat bedoelt men met de pH-waarde:
Hoe meer de waarde daalt beneden 7, hoe zuurder de vloeistof wordt.
Hoe meer de waarde stijgt boven 7, hoe minder zuur de vloeistof wordt dus hoe meer
basisch.
0
ZUUR
7
BASE
14
OHH
+
meer ionen
dan OH- ionen
H+ ionen
=
OH- ionen
meer OH- ionen
dan H+ ionen
Bij pH 0 is de vloeistof verzadigd van H+ ionen
Bij pH 7 zijn er evenveel H+ ionen als OH- ionen
Bij pH 14 is de vloeistof verzadigd van OH- ionen
De Europese norm voorziet voor drinkwater een pH tussen 6,5 en 9,5
6,5 ≤ pH ≤ 9,5
Nu weten we dat naargelang de herkomst van het drinkwater (opgepompt grondwater, rivieren,
wachtbekkens, vijvers, enz.) dit meer of minder koolzuur (CO2) kan bevatten.
Water met veel koolzuur maakt het water dus ook zuurder, en geeft een lagere pH.
Uit de scheikunde weten we dat zuren makkelijk zouten oplossen. Ook calciumcarbonaat (CaCO3),
ofwel de kalk in het water, is een zout.
Wanneer koolzuur zouten oplost, veroorzaakt dit meer calcium- en magnesiumzouten (kalk) in het
water. Dit geeft dus meer kalk of meer hardheid.
Hard water = veel opgeloste zouten.
Zacht water = weinig zouten.
De hardheid wordt gemeten door de elektrische geleidbaarheid van het water te meten; hoe harder
het water, hoe meer zouten, hoe meer geleidbaar het water, en dus hoe sneller galvanische koppels,
ofwel elektrolyse hun werk kunnen doen.
81
Vandaar dat de hardheid van het water ook aan normen moet voldoen.
In de Europese norm voor drinkwater wordt een minimumhardheid (totale hardheid) voor water voorzien van 15 °F (Franse graden).
(1 °F (Franse graad) = 0,56 D° (Duitse graad) = 10 mg CaCO3 per liter.)
Deze hardheid kan erg verschillend zijn naargelang de streek:
– in Brussel: 35 °F,
– in Doornik: 50 °F,
– in Mechelen: 28 °F.
Hardheid: men hanteert verschillende parameters:
– totale hardheid
TH
= calcium + magnesiumionen;
– calciumhardheid
TH Ca = calciumionen;
– totale alkalimetrische TAC
= bicarbonaationen + carbonaationen + hydroxide-ionen.
I.5.3.4. DIAGRAM VAN HISSEL
De complexe verhouding tussen hardheid en zuurtegraad wordt een stuk duidelijker in het diagram
van Hissel:
Diagram van Hissel
50
pH 6,5
40
TH CA
(°F)
A
30
pH 6,75
20
C
pH 7,00
10
pH 7,25
pH 7,50
pH 7,75
pH 8,00
B
0
10
20
30
TAC (°F)
40
50
Stel dat we een water hebben met de samenstelling van punt A, terwijl de pH = 7,25.
Dergelijk water is ketelsteenvormend. Indien we in dit water alle calcium door natrium vervangen
(wat in een waterverzachter gebeurt), dan hebben we een water met de samenstelling van punt B.
Dit is zeer agressief water.
In feite mag de verzachting maar uitgevoerd worden tot in punt C.
82
I.5.3.5. CORROSIE DOOR GALVANISCHE KOPPELS
A
anode
staalplaat
kathode
staalplaat
zuurstof
poreuze wand
In een bak gevuld met een elektrolyt dompelen we 2 identieke staalplaatjes.
Wanneer we het ene plaatje bestoken met zuurstof en het andere niet, zien we dat er een stroom
gaat lopen tussen de 2 plaatjes.
De 2 plaatjes van hetzelfde metaal gaan met elkaar toch een galvanisch koppel vormen.
Het plaatje in aanraking met een zuurstofrijker milieu gaat zich kathodisch gedragen, het plaatje in
het normale milieu (minder zuurstof) wordt dan minder edel t.o.v. het andere, en dus anodisch.
Deze wetmatigheid heeft verregaande gevolgen.
In een installatie kunnen, naast de klassieke galvanische koppels die kunnen optreden tussen verschillende metalen, nu ook koppels ontstaan tussen dezelfde metalen.
Voorbeeld
Stel je eens voor dat een stukje staalwolgruis in een koperbuis valt (bij het oppoetsen) en zich aan
de wand vastkleeft.
Omdat koper méér edel is dan staal zal het staalstofje oplossen.
Doch bij de verkleving zal de plaats onder het stofje minder in aanraking komen met het zuurstofrijke
water van de sanitaire installatie. Het gaat dus een anode vormen. De plaatsen direct naast het stofje
gedragen zich kathodisch.
Dit zou een putcorrosie kunnen veroorzaken.
In elke metalen buis, zij het inox, koper, staal, gegalvaniseerde buis enz., kan vervuiling op deze
manier toch een elektrisch koppel doen ontstaan.
Voorbeeld
Concentratieverschillen van zuurstof kunnen zich ook voordoen bij turbulenties, of bij spleetopvulling.
Vandaar het belang van goed ontbramen, het vermijden van kleine spleten en hoekjes in installaties.
Op deze manier kunnen ook sommige ronddraaiende delen in installaties zorgen voor verschillende
zuurstofconcentraties, met soms corrosie tot gevolg.
83
Uit voorgaande onthouden we vooral het volgende:
De pH en de hardheid van het water moeten gekend zijn vooraleer men met de opbouw van
een installatie begint.
Zorgvuldige bewerking van buizen is een noodzaak.
Goed ontbramen en goede aansluitingen bij het gebruik van fittings (geen spleten) zijn voorwaarden voor een gezonde installatie.
Een juiste dimensionering garandeert een juiste watersnelheid.
Verschillende beschermingen tegen corrosie worden aangeboden op de installatiemarkt:
– iedereen kent natuurlijk de gegalvaniseerde buizen: stalen buizen die door een zeer dun laagje
zink worden beschermd (zie hoofdstuk “galvaniseren”);
– buizen worden soms bekleed aan de buitenkant met een kunststoflaagje (bijv. beklede koperbuizen);
– koperbuizen hebben soms een anticorrosielaag aan de binnenkant (een opgedrongen oxidelaag;
Sanco-principe);
– soms worden koperbuizen aan de binnenkant geëtameerd (vertind), wanneer zeer agressief water
wordt verwacht.
I.6. LIJMEN, KITTEN, SILICONEN
Deze benamingen zijn verwarrend, en worden regelmatig verkeerd gebruikt.
Sommige producten kunnen zelfs moeilijk onder 1 noemer gecatalogeerd worden.
Een omschrijving van elk product kan hopelijk de lezer meer duidelijkheid verschaffen.
BRON: SOUDAL
I.6.1. LIJMEN
In een streven naar een fijnere afwerking, en omdat men verbindingstechnieken verlangt die brandveiliger zijn dan solderingen met een open vlam, winnen lijmen aan belang.
Nochtans is lijmen een ingewikkelder proces dan op het eerste gezicht zou lijken.
Drie punten zijn van belang:
1. Volgens de aard en de opbouw van een stof worden moleculen als polair of niet-polair herkend.
Twee vloeistoffen van gelijke polariteit kunnen een stabiel mengsel vormen; water en alcohol
bijvoorbeeld.
Twee vloeistoffen met een ongelijke polariteit kunnen geen stabiel mengsel vormen, water en
petroleum onder andere.
Hetzelfde doet zich voor tussen materie en bepaalde lijmen.
Dit verklaart voor een stuk het enorme aanbod van soorten lijmen.
84
2. De kleefkracht wordt bepaald door de primaire en secundaire krachten.
De primaire krachten verbinden de atomen onderling, ze bouwen de atomen op.
De secundaire zijn de krachten die de moleculen gaan binden.
3. Vroeger steunde de lijmtheorie op de indringing van de vloeibare lijm in de poriën van de te verbinden materialen.
Men nam aan dat de trekvastheid van een verbinding groter werd naarmate de lijm dieper indrong
in zoveel mogelijk zo groot mogelijke poriën.
Men kon dus eigenlijk alleen poreuze stoffen lijmen.
Moderne lijmen kunnen in veel dunnere lagen aangebracht worden en ook op veel gladdere oppervlakken.
Iedereen kent wel een toepassing van secondenlijm.
We onthouden dat de polariteit van de te lijmen stukken dezelfde moet zijn. Tijdens het instrijken bindt
de lijm zich met de atomen (primaire krachten), later tijdens het samenvoegen worden de moleculen
gebonden (secundaire krachten). Hier wordt de lijmvoeg gevormd.
I.6.1.1. LIJMPROEVEN
Bij proeven op lijmverbindingen wordt de lijmvoeg erg op de proef gesteld. Experimenteel worden
vier proeven uitgevoerd.
trekkracht
drukkracht
lijmvoeg
afschuifbelasting
scheurbelasting
Bij trekkracht wordt de voeg zwaar belast.
Bij drukkracht zijn er geen problemen
Een belasting evenwijdig aan het lijmvlak ondervindt veel weerstand van de lijmvoeg.
De scheurbelasting werkt zeer zwaar op de lijmvoeg. Deze belasting komt veel voor in de bouw; hoge
windsnelheden tarten op hoge daken de langsnaden van bitumen en EPDM-dakbanen.
85
I.6.1.2. LIJMSOORTEN
Er bestaan dus enorm veel lijmsoorten die allemaal voor een specifieke toepassing zijn ontwikkeld.
We kunnen de lijmen in wezen verdelen in twee soorten: oplossende en vullende lijmen.
Verwachten we dat deze verbinding blijvend is en moet de verlijming ook nog waterdicht, UV-bestendig
(bestand tegen ultraviolette stralen), onoplosbaar zijn dan moeten we een specifieke lijm kiezen die
voor een welbepaalde toepassing een welbepaalde oplossing biedt.
Wij werken vaak met PVC-lijmen.
In feite maken we een koudlas omdat in de “lijm” oplosmiddelen werkzaam zijn die het PVC gaan
oplossen.
Eens het oppervlak opgelost is gaan deze vluchtige stoffen verdampen en zal het gesmolten PVC
weer gaan stollen waardoor een homogene verbinding tot stand komt.
Om de kwaliteit van de las te verbeteren zal het weggesmolten materiaal vervangen worden door de
vulstoffen die ook in de lijm voorkomen.
De koudlijm om bitumeuze dakbanen te lijmen in plaats van ze te
branden werkt op hetzelfde principe.
BRON: IMPERBEL
Lijmen, in de breedste zin van het woord kunnen verpakt en geleverd worden in potten, flesjes, uitknijpbare tubes maar ook in
kokers.
Meestal betreft het de zogenaamde montagelijmen, die precies de
doseerbaarheid, de controle op debiet en de voegbreedte van een
koker in een spuitpistool prefereren ten opzichte van de spatels in
potten en tubes.
BRON: IMPERBEL
Watergedragen of wateroplosbare lijmen zijn niet geschikt voor toepassingen buitenshuis of in vochtige omgevingen, acrylaatlijmen evenmin.
Neopreenlijmen zijn een pak sterker en kunnen gebruikt worden als contact- en montagelijm.
86
Lijmen op basis van polyurethaan geven watervaste en weerbestendige verbindingen. Hun volume
vergroot bij het uitharden waardoor de lijmnaad verdere afwerking vereist.
I.6.1.3. TWEECOMPONENTENLIJM
Tegenwoordig zijn 2-componentenlijmen in opmars. Dit zijn 2 busjes of flacons, ieder gevuld met een
ander product.
Zolang ze apart worden bewaard gebeurt er niet veel spectaculairs. Maar als ze gemengd worden
ontstaat een scheikundige reactie die meestal gepaard gaat met een warmteontwikkeling.
Hierdoor hardt de lijm snel uit, de oplosmiddelen verdampen en men bereikt op korte tijd een bijzonder
sterke verbinding. Deze producten boeken zeer goede resultaten op gladde ondergronden.
I.6.1.4. VEILIGHEIDSVOORSCHRIFTEN
Wees op je hoede met lijmen!
Lijmen bevatten zoals reeds gezegd oplosmiddelen die vluchtig, ontvlambaar en soms zeer schadelijk
zijn. Deze oplosmiddelen, vermengd met de omgevingslucht, vormen een brandbaar mengsel dat
enkel nog op een ontsteking wacht om te ontbranden.
De waarschuwingen en de gegevens vermeld op het etiket van een product verdienen dan ook al
onze aandacht:
TOLUEEN
LICHT ONTVLAMBAAR
SCHADELIJK BIJ INADEMING
LICHT
ONTVLAMBAAR
SCHADELIJK
VERWIJDERD HOUDEN VAN ONTSTEKINGSBRONNEN.
NIET ROKEN. AFVAL NIET IN DE GOOTSTEEN WERPEN.
MAATREGELEN TREFFEN TEGEN ONTLADINGEN VAN
STATISCHE ELEKTRICITEIT.
NAAM EN ADRES VAN FABRIKANT, VERDELER OF INVOERDER
Een etiket vermeldt 6 gegevens:
– de naam van het product,
– de gevaaraanduiding en het gepaste symbool of de symbolen,
– de R-zinnen met de R van Risc, die op een risico wijzen en de risico’s helpen te beperken,
– de S-zinnen met de S van Safety, de veiligheidszinnen die de veiligheid bij gebruik van het product
verhogen,
– de naam en het adres van de fabrikant, de invoerder of de verdeler,
– de nominale inhoud.
87
Enkele pictogrammen die ons op de bouwplaats waarschuwen
Concentratie
Wanneer de concentratie vluchtige stoffen (we zouden hier van gassen kunnen spreken) groter is
dan de O.O.G. de onderste ontstekingsgrens, en lager dan de B.O.G., de bovenste ontstekingsgrens,
zitten we opgescheept met een brandbaar mengsel in het explosiegebied.
We herinneren ons dat deze waarden voor aardgas tussen 7 % en 14 % liggen. Deze waarden lijken
vrij laag, en dat zijn ze ook.
Wie echter een telefoonboek zou willen verbranden zal snel merken dat een dik boek nauwelijks
vuur vat. Dezelfde proef, blad voor blad, lukt wel. De concentratie papier is hier lager. Zelfs in een
verluchte ruimte kan plaatselijk een “wolk” explosief mengsel hangen, meer bepaald boven het lijmoppervlak.
Grenswaarden
Problemen doen zich voor als bepaalde grenswaarden, eigen aan een bepaalde stof, worden bereikt
en overschreden. Zij verschillen van stof tot stof en worden wettelijk vastgelegd.
Toelaatbare grenswaarden
TLV Treshold Limit Values
Werknemers mogen in atmosferen onder deze grenswaarden gedurende een normale werkdag van
8 werkuren blootgesteld worden.
88
Maximaal aanvaardbare concentratie
MAC (Maximal Acceptable Concentration)
Deze waarde is de limiet waarin werknemers gedurende 8 werkuren per dag, 5 dagen per week en
dit gedurende gans de loopbaan mogen werken zonder de gezondheid schade te berokkenen.
Plafondwaarden
TCV (Treshold Ceiling Values)
Plafondwaarden mogen in geen geval overschreden worden.
Inademen
Inademen van deze vluchtige stoffen kan reacties veroorzaken gaande van prikkels, hoesten, flauwvallen tot ernstige longschade, ja zelfs vergiftiging en verstikking.
Besef ook dat de nadelige invloeden en de gevolgen ervan acuut of chronisch kunnen zijn.
Dit wil zoveel zeggen als: je hebt onmiddellijk na het inademen een probleem, je wordt duizelig misschien misselijk, dit is een acuut gevolg.
Erger, alleszins moeilijker opspoorbaar, wordt het als de gevolgen ervan zich pas veel later gaan
manifesteren. We spreken hier van een chronisch gevolg dat kan ontaarden in een slepende
ziekte.
Contact met de huid en de ogen
Oplosmiddelen kunnen niet alleen ingeademd worden.
Soms vermeldt het etiket “contact met de huid vermijden” om het indringen langs onze poriën te
vermijden.
Oogcontact kan ook hier verstrekkende gevolgen hebben.
Naast de opname van giftige stoffen in de bloedbanen kan een schadelijke stof ook plaatselijk voor
problemen zorgen.
Sommige producten veroorzaken jeuk, irritatie zelfs brandwonden op de huid. Voorzichtigheid is dus
in alle omstandigheden geboden.
Opname via de mond of de neus
Het is eenieder duidelijk dat wanneer we omgaan met schadelijke producten we extra aandacht zullen schenken aan onze persoonlijke hygiëne. De handen overvloedig wassen, nooit voedingswaren
aanraken of naar de mond brengen met besmeurde handen, niet roken, nooit een vod als neusdoek
gebruiken. Het lijkt allemaal zo vanzelfsprekend, het is het ook, maar men let er zo weinig op.
I.6.2. KITTEN
Kitten, meervoudsvorm van kit, kunnen bestaan uit organische of anorganische stoffen.
Ze onderscheiden zich van lijmen op volgende punten:
1. Ze blijven meestal elastisch. Ze drogen enkel aan de oppervlakte, men spreekt van velvorming. Ze
verharden dus niet, waardoor ze trillingen allerhande en de continue lengteverandering veroorzaakt
door uitzetting en krimp blijvend kunnen opvangen.
89
2. Kitten zijn dichtingsmiddelen, geen verbindingen. Ze zijn bijvoorbeeld niet bestand tegen de
proeven die lijmen moeten doorstaan. Maar ze hebben andere kwaliteiten. Hittebestendigheid is
zo’n kwaliteit. De afdichting tussen de leden van een stookketel wordt bereikt door een gepaste
kit te gebruiken. De montage van een afvoerplug in een wastafel vergt een ander soort kit.
3. Kitten vergen hulp. Ze kunnen slechts dichtheid of afsluiting garanderen op voorwaarde dat ze worden opgespannen of aangespannen. Een kit is een zelfsluitende substantie die haar taak verricht
ondersteunend aan een mechanische invloed : aanspannen, ineenschroeven, tussen flenzen...
4. Kitten zijn demonteerbaar of losmaakbaar. Lijmen niet!
Ook bij kitten staat de verpakking niet garant voor de inhoud. Net als bij
diverse lijmsoorten kiest de fabrikant meer en meer voor kokers in spuitpistolen omdat de netjes neergestreken kit en de betere doseerbaarheid
een fraaier eindresultaat oplevert.
De koker verhindert ook het spontaan uitharden omdat het product niet in
verbinding komt met de omgevingslucht.
BRON: BISON
Mastiek, zoals we die gebruiken om schroefdraad te dichten, hoort ook in deze groep thuis.
Het gaat weer om een verzamelnaam waar iedereen graag zijn eigen interpretatie invult.
Taalkundig is mastiek de letterlijke vertaling van het Franse mastic wat staat voor stopverf, een product
door glazenmakers gebruikt om ruiten in houten kozijnen te plaatsen. Oplosmiddel voor stopverf was
en is lijnolie die onder invloed van de tijd uithardt.
Mastieken en kitten zijn in wezen hetzelfde : ze dichten af onder spanning.
In ons vak kennen we vooral het sanitair mastiek, de producten om schroefdraad te dichten, montagekitten op bitumenbasis.
I.6.3. SILICONEN
De kokers kleverige, gelachtige, haast taaivloeibare brij die wij gemeenzaam siliconen noemen verbergen meer knowhow dan we op het eerste gezicht zouden vermoeden. Vergrote boezems door
dames trots gedragen onder strakke satijnen jurken verbergen dan weer meer siliconen dan sommigen zouden vermoeden, maar dit geheel ter zijde.
Siliconen zijn in hoofdzaak polymeren waarvan de hoofdketens uit silicium- en zuurstofatomen zijn
opgebouwd.
90
Afhankelijk van de stoffen die er aan toegevoegd worden of waarmee ze worden vermengd, men
spreekt graag van cross-linking, kunnen siliconen voorkomen als oliën, vetten, synthetische rubbers
of als een kunststof.
Men vergeet wel eens dat silicone-olie aan de basis ligt van de welbekende koker. Meestal verkocht
als een spray in een spuitbusje onder druk is silicone-olie een van de zachtste smeermiddelen die
er bestaan. Vooral zijn penetratievermogen in een korstige corrosierijke omgeving maakt de spray
overbekend als kruipolie.
Steeds, in welke vorm ook, behoudt deze olie haar waterafstotende, smerende, elektrisch isolerende
en hittestabiele eigenschappen.
Het grootste verschil met thermoplasten en thermoharders is dat ze bij verhitting niet langer vervormbaar zijn maar wel elastisch blijven.
Deze eigenschap wordt bereikt door toevoeging van styreen-butadieen; een moeilijke naam die we
echter al kennen als component in een hedendaagse rol roofing.
De elasticiteit en bewerkbaarheid van een SBS (styreen-butadieen-styreen) dakrol is aan hetzelfde
product te danken.
Door het rubberachtig aanvoelen en verwerken hebben deze rollen meestal het suffix “GUM” in hun
merknaam.
Siliconen worden gebruikt bij onderdelen die op zich bevestigd of geïmobiliseerd zijn, maar door hun
structuur onderling niet te lijmen zijn.
Soms moeten ze ten opzichte van mekaar kunnen blijven bewegen, trillingen opvangen. Siliconen
zijn evenwel geen wondermiddelen.
Ze moeten gepast, discreet en met kennis van zaken worden gebruikt.
Wie bij de minste onraad naar de spuit grijpt, vergist zich.
Vooraleer een keuze te maken uit het bijzonder rijke aanbod dat de markt ons biedt, mogen we het
volgende nooit vergeten:
1. Siliconen “pakken” of plakken niet op een stoffige of een natte ondergrond. Wie op een dak de
voegen uitslijpt om zinken slabben aan te brengen creëert zo’n omgeving. Het zeer fijne steenstof
zal wel in de siliconen kleven, maar van hechting zal geen sprake zijn. Een zuivere, droge, vetvrije
ondergrond is dus een must.
2. Soms is de ondergrond poreus. Als die dan nog een tijdlang werd blootgesteld aan water is van
hechting geen sprake. Het is dan verstandig om een primer aan te brengen die de ondergrond
voorbereidt op het product.
3. Het leegknijpen van een spuitpistool is voor de meesten geen probleem. Het wordt wel een probleem
als de naad met de kleverige stof moet afgewerkt worden. Spuit dus vooral niet te breed. Strijk
de naad onmiddellijk af met een zeepoplossing. De silicone kleeft niet op zeep en de bewerking
versnelt de huidvorming.
4. Een ondergrond kan ook te glad zijn om hechting en afdichting te bekomen. Opruwen kan een
betere hechting opleveren.
5. Niet elke spuitkoker bevat siliconen.
6. Siliconen kunnen ook voorkomen als een bijna vloeibare substantie in een knijptube.
91
I.6.3.1. SOORTEN SILICONEN
Een greep uit het aanbod levert ons meteen een aantal producten op dat voor ons vak is ontwikkeld.
Vergewis je of de gekozen koker voor dat bepaalde doel geschikt is. In grote lijnen onderscheiden
we volgende soorten.
1. Azijnzuurhoudende silicone : Afdichtingen in vochtige, vaak warme ruimtes, leiden vaak tot
schimmelvorming op de elastische voeg. Het is pas als de schimmellaag vuil zwart verkleurt dat de
klant het in de gaten krijgt. Een product op basis van Polysiloxaan is hier aangewezen. Gelukkig
verraadt de typische azijngeur de aanwezigheid van polysiloxaan. Dit voegmiddel is in een aantal
kleuren leverbaar, is verwerkbaar bij kamertemperatuur, schimmelwerend en blijvend elastisch.
Let echter op, want de aanwezigheid van azijnzuur tast loden maar ook koperen leidingen aan.
BRON: SOUDAL
2. Neutrale silicone: Na de kunststofrevolutie gaan we weer een tijdje back to the roots. Natuursteen
is de grote mode. Aanrechten, werkbladen in keukens maar ook draagtafels van wasbekkens
enzomeer worden in blauwe hardsteen of marmer uitgevoerd. Prachtig om te zien. Het is echter
opletten geblazen want als we een waskom in een tablet plaatsen en opspuiten met de gebruikelijke tube ontstaan er bijzonder vervelende vetvlekken in de hardsteen die niet meer te verwijderen
zijn. Gelukkig bestaat er een oplossing. We kiezen voor een neutrale één-component versie. De
tube bevat silicone-olie, maar hij gaat uitharden door omgevingsvocht, waardoor de vervelende
vetvlekken niet ontstaan. Soms lees je neutrale alcoxy-silicone.
BRON: SOUDAL
92
3. Neutrale oxime-silicone is aangewezen bij de afdichting van acrylbaden en tegelwanden.
4. Een buitenbeentje vormen de rode en de blauwe siliconen. Ze ontstaan op basis van siliconeolie en zijn zowel leverbaar in tubes als in kokers. Zij worden gebruikt om waterdichte verbindingen
te realiseren bij hoge temperaturen. Soms spreekt men wel eens van vloeibare pakking.
Verder bestaan een aantal spuitkokers die er ongeveer hetzelfde uitzien, maar die technisch gesproken eerder bij de kitten aanleunen. Het zijn onder andere producten om tijdelijke herstellingen uit te
voeren aan een dak.
Veel toegepast zijn de spuitkokers op basis van acrylaat op waterbasis. Leverbaar in tal van kleuren
is dit product bestemd om scheuren in naden in pleisterwerk te herstellen en om aansluitingen af te
werken tussen vensterbladen en wanden en droge voegen allerhande.
Let op: sommige merken verkopen een acrylaatproduct op siliconebasis. Dit product kan wel gebruikt
worden in een vochtige omgeving.
Interessant is de acrylaatkoker op solventbasis. Qua toepassing is het vergelijkbaar met de reeds
genoemde acrylaat op waterbasis, maar deze versie kan gebruikt worden op een vochtige ondergrond.
Daarenboven kan je hem spuiten bij vriesweer.
I.6.3.2. PU-SCHUIM
Verwar nooit PU-schuim met siliconen.
Geëvolueerd van thermische isolatie naar montageschuim is dit product een merkwaardige mengeling.
Men levert afhankelijk van de toepassing en ééncomponent en een 2-componentenversie.
Beide harden snel uit en dichten niet alleen kieren of openingen maar hebben als het ware een
lijmfunctie.
Ze zijn in staat om binnendeuren in metselwerk te verankeren zonder dat er nog hoeft geboord of
geschroefd te worden.
Wie dit product af en toe ter hand neemt zal dankbaar de PU-schuimreiniger kopen. Een spray die
onmiddellijk dient aangebracht te worden om de overvloed aan pas neergespoten schuim vlekkeloos
te verwijderen.
Nieuw op de markt is een versie met beperkte uitzetting, de low expansion.
Je kunt het vergelijken met zepen voor de wasmachine met beperkte schuimvorming. Door hun
geringere volume-uitzetting is het resultaat beter in te schatten en bereik je weer een keuriger eindresultaat.
93
Bij gebouwen die brandveilig
dienen gemaakt, zijn meestal
de buizenschachten de zwakke
schakel. Ook hier bestaat brandwerend schuim, om de afdichting
brandvrij te verzekeren.
BRON: HILTI
I.6.3.3. CHEMISCH ANKER (2 COMPONENTEN)
Tot slot nog een woordje over een siliconenspuit die er op zijn zachtst gezegd erg eigenaardig uitziet.
De spuitopening bestaat uit een vrij lang buisje en in plaats van één koker zijn er twee voorzien.
Wat gebeurt er? Bij knijpen op de greep stroomt uit elke koker een stof die op zich niet verandert, maar
eens samen gaan ze reageren, zetten uit zoals PU-schuim, warmen op en verharden ten slotte.
Dit product gebruiken we als we bijvoorbeeld een
toestel of een zwaar voorwerp moeten bevestigen
tegen een wand, opgetrokken in snelbouwsteen.
Zoals je weet heeft de muur grote holten. Na het
boren spuiten we die holten vol met 2-componenten
montagekit en schroeven er meteen de schroefbout
in. Even wachten en na verharding zit de schroefbout als gegoten in de muur vast.
Afhankelijk van de toepassing en het gewenste resultaat kan de reactievloeistof in een glazen buisje
zitten dat mechanisch wordt gebroken en eenzelfde
resulaat oplevert. Ook hier geldt: het aanbod is
enorm en een verantwoorde keuze stoelt op een
degelijke kennis van het product en een welomschreven toepassingsgebied.
BRON: HILTI
94
HOOFDSTUK II: FYSICA
II.1. MASSA’S, GEWICHTEN, VOLUMES EN KRACHTEN
II.1.1. MASSA
In het dagelijkse leven gebruiken we het woord gewicht als we eigenlijk massa bedoelen. Massa is
een maat voor de zwaarte van een lichaam.
Als we willen vergelijken of een gietijzeren ligbad een grotere massa heeft dan een kunststof ligbad
is er een eenheid vastgesteld.
De eenheid van massa wordt kilogram (kg) genoemd, het symbool voor massa is m.
Het kg als eenheid van massa is opgenomen in het SI-stelsel (Système International d’Unités).
Het SI-stelsel is opgesteld om in diverse landen dezelfde eenheden te gebruiken.
Het voordeel hiervan is dat men op internationaal niveau berekeningen kan vergelijken zonder dat
men omrekeningen hoeft uit te voeren.
Hoofdeenheid: het standaardkilogram:
dit is de massa van een platinablokje bewaard in Sèvres, nabij Parijs
(oorspronkelijk de massa van 1 dm³ zuiver water bij 4 °C en de normale
atmosferische druk).
Hieronder vind je een aantal omzettingen:
Notatie
Omzettingen
1.103 kg
Veelvoud
Megagram (ton)
Mg
1 000 kg
Eenheid
Kilogram
kg
1 kg
Delen
hectogram
hg
0,1 kg
1.10–1 kg
100 g
decagram
dag
0,01 kg
1.10–2 kg
10 g
gram
g
0,001 kg
1.10–3 kg
1g
decigram
dc
0,000 1 kg
1.10–4 kg
0,1 g
centigram
cg
0,000 01 kg
1.10–5 kg
0,01 g
milligram
mg
0,000 001 kg
1.10–6 kg
0,001 g
microgram
μg
0,000 000 1 kg
1.10–9 kg
0,000 1 g
1 000 000 g
1 000 g
95
II.1.2. VOLUME
Volume zegt iets over de ruimte die een vaste stof, een vloeistof of een gas inneemt. Het volume van
een rechthoekig voorwerp kan je bepalen door lengte, breedte en hoogte te meten.
In formules wordt volume aangegeven door V.
De eenheid van volume is m³ (kubieke meter).
Kleinere eenheden zijn dm³ (= 1 liter) en cm³ (ook cc afgekort).
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1 m³ bevat 1000 dm³ (= 1000 l)
Notatie
Veelvouden
Toegelaten eenheid
Omzettingen
km³
1 000 000 000 m³
1.109 m³
hm³
1 000 000 m³
1.106 m³
dam³
1 000 m³
1.103 m³
Eenheid
m³
m³
1 m³
Delen
dm³
1 liter
0,001 m³
1.10-3 m³
cm³
1 milliliter
0,000 001 m³
1.10-6 m³
0,000 000 001 m³
1.10-9 m³
mm³
II.1.3. KRACHT
Er bestaan verschillende soorten krachten:
• kracht kan een beweging veroorzaken;
• kracht kan een vervorming veroorzaken;
• twee krachten kunnen in evenwicht zijn.
Kracht heeft altijd een richting en een zin: bijvoorbeeld als je een deur openduwt dan verandert de
snelheid. Dit noemt men de dynamische uitwerking van kracht.
96
Kracht en de dynamische uitwerking
Werkt er constant een kracht op een lichaam, dan neemt de snelheid toe of af (de spieren van de
dino leveren kracht, en doen hem versnellen of bij het uitbollen van een auto neemt de snelheid af
door de wrijvingskracht van de baan op de wielen).
In het SI-stelsel wordt als eenheid van kracht de Newton (N) benoemd, het symbool is F.
F = kracht in N
m = massa in kg
a = versnelling in m/s²
Formule: F = m . a
De Newton is als volgt gedefinieerd:
wanneer een lichaam met een massa van 1 kg per seconde 1 m in snelheid toeneemt, is
de uitgeoefende kracht hierop 1 N (1kg.m/s²).
Omzetting naar een oude maateenheid:
9,81 N = 1 kgf (kilogramforce).
• Hefboom
Een hefboom is een hulpmiddel om een kracht te vergroten. De hefboomwerking heeft te maken met
de afstand tot het draaipunt. Als een arm van een hefboom twee keer zo lang zou zijn, hoeft men nog
maar de halve kracht uit te oefenen.
Enkele voorbeelden van hefboomwerking:
• buigtang,
• kruiwagen,
• steeksleutel.
Om een gewicht op te heffen moeten we arbeid leveren (zie ook hoofdstuk II.1.8).
De geleverde arbeid = kracht . de verplaatsing.
S2
L2
K1
L1
S1
L2
K2
L1
A1
A2
Hoe groter de afstand L2 tot het steunpunt,
hoe kleiner de kracht K2 om in balans te blijven.
97
De afstand van kracht 1 (K1) tot het steunpunt is L1
De afstand van kracht 2 (K2) tot het steunpunt is L2
Arbeid A1 = K1 . S1
Arbeid A2 = K2 . S2
De hefboom is in evenwicht wanneer de arbeid links en rechts dezelfde is.
Dus A1 = A2 ofwel: K1 . S1 = K2 . S2.
We zien dat S2 veel groter is dan S1 → dus is K2 veel kleiner dan K1.
Dus hoe groter L2 wordt, hoe groter de verplaatsing S2, hoe kleiner de te leveren kracht K2.
K1
S2
L2
––– = ––– = –––
K2
S1
L1
II.1.4. DICHTHEID
De dichtheid van een stof is de massa van die stof per volume-eenheid.
Een andere naam voor dichtheid is soortelijke massa of massadichtheid (absolute dichtheid).
Eenheden volgens SI: kg/m³, kg/dm³, g/dm³ of g/cm³, symbool is ρ (spreek uit als rhô).
Het soortelijk gewicht van een stof is het gewicht van die stof in Newton (N) per volume-eenheid.
Symbool = γ (spreek uit: gamma).
“Het blokje lood en de grote kubus
piepschuim hebben dezelfde
massa.”
Het schaakstukje in messing heeft een grotere massa
dan dit in aluminium
Eenheden volgens SI: N/m³, N/cm³ …
Het getal van het soortelijk gewicht (in N/dm³) is 9,81 maal zo groot als het getal van de soortelijke
massa (in kg/dm³), zie ook hoofdstuk II.1.5. Zwaartekracht.
98
Soort stof
Soortelijke massa
kg/dm³
Vaste stoffen
Koper
Soortelijk gewicht
N/dm³
8,9
87
Lood
11,4
112
Staal
7,9
77,42
Kurk
IJs
0,24
2,35
0,9
8,8
1
9,8
Vloeistoffen
Water
Zeewater
Huisbrandolie
1,03
10,1
0,85
8,3
Voorbeeld
De soortelijke massa van staal is 7,9 kg/dm³ (= 7900 kg/m³).
Dat wil zeggen dat een massief blok staal van 1 m³ een massa heeft van 7900 kg,
maar een gewicht van: 7900 kg . 9,81 N/ kg = 77 420 N.
Om een vergelijking tussen verschillende gassen mogelijk te maken moet de dichtheid in dezelfde
omstandigheden worden gedefinieerd.
In normale omstandigheden is de druk 1013 hPa (= 1013 mbar) op zeeniveau (de atmosferische
druk) en de temperatuur 273 K (= 0 °C).
Het volume wordt in die voorwaarden aangeduid met n, bijvoorbeeld m³n.
De standaardvoorwaarden in de gasindustrie zijn een druk van 1013 hPa (= 1013 mbar) en een
temperatuur van 288 K (= 15 °C).
In de standaardvoorwaarden wordt een volume aangeduid met s, bijvoorbeeld m³s.
Normale omstandigheden:
0 °C kg/m³n
Standaard omstandigheden:
15 °C kg/m³s
Droge lucht
1,2931
1,2258
Methaan
0,7175
0,6801
Propaan (gasvormig)
2,0108
1,9061
Butaan (gasvormig)
2,7008
2,5601
Gas
Gesloten omgeving
kg/dm³
Propaan (vloeibaar)
1,54
Butaan (vloeibaar)
2,44
99
Relatieve dichtheid
De relatieve dichtheid van een gas is de verhouding tussen de massa van een volume gas en dat
van een volume droge lucht, in dezelfde omstandigheden. Hiermee kan je vergelijken of het gas zal
stijgen of dalen indien het verspreid wordt in een lokaal.
RELATIEVE DICHTHEID VAN GASSEN
propaan 1,560
butaan 2,070
Plaats butaanflessen niet in de nabijheid van kelders
De relatieve dichtheid d is een onbenoemde grootheid.
Relatieve dichtheid van gas
Soort gas
d
Methaan
0,554
Aardgas type H
0,625
Aardgas type L
0,640
Lucht
1,000
Propaan
1,560
Butaan
2,070
II.1.5. ZWAARTEKRACHT
Een lichaam wordt door de aarde aangetrokken.
Deze aantrekkingskracht noemt men zwaartekracht. Die zwaartekracht is niet rechtstreeks te
meten, maar via een omweg.
Zwaartekracht is een aantrekkingskracht die bestaat tussen elke twee voorwerpen.
Hoe groter de afstand tussen die twee voorwerpen,
hoe kleiner de aantrekkingskracht. De zwaartekracht is op aarde echter niet overal dezelfde:
Daarvoor moeten we een massa ophangen aan
een dynamometer (“hangweegschaal”).
De gemeten waarde noemen we het gewicht.
g1
g2
De verhouding van de zwaartekracht tot de massa
noemen we de valversnelling.
De eenheid is N/ kg en het symbool voor valversnelling is g.
g3
g3<g2<g1
Hetzelfde voorwerp weegt meer aan de polen
dan aan de evenaar.
100
Daarvoor zijn twee oorzaken aan te wijzen:
1. de draaiing van de aarde om zijn as. Lichamen aan de evenaar zullen sneller draaien dan aan de
polen (middelpuntvliedende kracht). Hierdoor werkt er aan de evenaar een kracht, die tegen de
aantrekkingskracht van de aarde in, de lichamen van de aarde wil afslingeren.
2. De afplatting van de aarde aan de polen (ofwel de uitdijing aan de evenaar, door de middelpuntvliedende kracht). De aantrekkingskracht van de aarde op een lichaam is namelijk afhankelijk
van de afstand van het massamiddelpunt van de aarde tot dit lichaam.
Hoe groter deze afstand, hoe kleiner de aantrekkingskracht.
Aan de polen is deze afstand het kleinst, (22 km minder dan aan de evenaar), dus daar is de
aantrekkingskracht het grootst.
Aan de evenaar is deze afstand het grootst, (22 km meer dan aan de polen), dus daar is de aantrekkingskracht het kleinst.
Plaats
g (in N/kg)
Vergelijking
In onze streken
9,81
1
Aan de polen
9,83
1,002
Aan de evenaar
9,78
0,996
Op de maan
1,66
0,169
Mars
1,078
0,109
Venus
8,04
0,819
Jupiter
3117,62
317,800
II.1.6. GEWICHT
Omdat de aantrekkingskracht overal op aarde (bijna) gelijk is, staat je gewicht altijd in dezelfde
constante verhouding tot je massa, en kan het dus eigenlijk geen kwaad als je zegt: “Ik weeg
55 kilogram.”
Weegschalen meten kracht. Wat we eigenlijk willen weten als we op de weegschaal gaan staan, is
onze massa, maar het meten van ons gewicht (een kracht) is de eenvoudigste manier om onze
massa te weten te komen. Op aarde staan onze massa en ons gewicht toch altijd in een vaste verhouding. Als je het ene hebt, weet je het andere.
Het platinablokje uit Sèvres heeft een massa van 1 kg, maar weegt 9,81 N.
Een persoon heeft een massa van 70 kg, maar heeft een gewicht van 686,7 N.
Op andere planeten maakt het wel verschil. De astronauten die op de maan liepen, bijvoorbeeld,
wogen veel minder dan ze hier op aarde deden. Wie op de maan rondloopt, weegt slechts één
zesde van hetgeen hij hier op aarde zou wegen.
Een persoon van 55 kilogram zal op een weegschaal op de maan slechts 9 kilogram laten optekenen.
Die weegschaal meet nog steeds een kracht, en als je die op de aardse manier omrekent naar een
massa, zit je er natuurlijk naast. Je bent dus inderdaad niet vermagerd: je massa blijft nog steeds
gelijk.
101
Of, om het correct uit te drukken: een persoon die op aarde 540 Newton weegt, weegt op de maan
slechts 90 Newton, maar zijn massa is nog steeds 55 kilogram.
Het gewicht van een lichaam wordt meestal bepaald met een weegschaal (balans).
Weegschalen uit de oudheid
Moderne digitale weegschaal
Om het gewicht van een voorwerp te berekenen, bereken je de zwaartekracht op dat voorwerp.
Het “gewicht” van een voorwerp is dus: massa x valversnelling.
Om dit “gewicht” te kunnen verplaatsen, moeten we een kracht uitoefenen. Dit blijkt dan uit de formule:
F = kracht in N;
m = massa in kg;
g = valversnelling in N/kg.
Formule: F = m . g
II.1.7. OPWAARTSE KRACHT
De wet van Archimedes luidt: een lichaam geheel of gedeeltelijk in een vloeistof gedompeld, ondervindt een opwaartse kracht die gelijk is aan de massa van de verplaatste vloeistof. Deze kracht is
altijd loodrecht naar boven gericht.
Als het voorwerp minder weegt dan het water dat het verplaatst, is de kracht van de opwaartse druk
voldoende om het voorwerp te laten drijven.
Vanwege zijn vorm drukt een boot veel water opzij en daarom kan de opwaartse druk zowel de boot
als een zware last dragen.
stalen boot
stalen blok
verplaatste water
verplaatste water
ARCHIMEDES
102
De opwaartse kracht van een lichaam kan berekend worden met de formules:
(1) F = m.g
(2) m = V.ρ
• m = massa van het verplaatste water in kg
• V = volume in m³
• ρ = (rhô) dichtheid van water in kg/m³
• F = kracht in N
• g = versnelling van de zwaartekracht in m/s
Invullen van formule (1) in (2) levert op:
• F = V.ρ.g
II.1.8. ARBEID
is een kracht die een voorwerp over een bepaalde afstand verplaatst.
Er wordt arbeid verricht als er aan 3 voorwaarden voldaan is:
– er moet een kracht zijn;
– er moet een verplaatsing zijn;
– de verplaatsing moet gebeuren in de richting van de kracht.
ARBEID
kracht
10 meter
verplaatsing
W = arbeid in Joule
F = kracht in Newton (= m.a)
Δx = verplaatsing in meter
Formule: W = F . Δx
In het S.I.-stelsel wordt als eenheid van arbeid de Joule (J) benoemd. De Joule is de arbeid van een
kracht van 1 N die haar aangrijpingspunt 1 m in haar richting verplaatst.
Voorbeeld
Verricht je arbeid door met je gewicht een kracht uit te oefenen op een stoel?
Neen, omdat er geen verplaatsing is.
Verricht de auto in het voorbeeld arbeid? Ja, er is een kracht, een verplaatsing over 10 meter en
kracht en verplaatsing gebeuren in dezelfde richting.
Veronderstel dat de massa van de auto 1200 kg is en haar versnelling gelijk is aan 1,8 m/s².
Bereken de arbeid die de motor van de auto verricht.
F = m . a = 1200 kg . 1,8 m/s² = 2160 N
W = F . Δx = 2160 N . 10 m = 21600 J
103
II.1.9. ENERGIE
Energie betekent datgene wat nodig is om arbeid te kunnen verrichten.
Belangrijke energiebronnen zijn de zon, voedsel, benzine en aardgas.
Energie komt voor in verschillende vormen nl.
– kinetische energie: dit is de energie van bewegende voorwerpen;
– potentiële energie: dit is de energie van een voorwerp dat zich in een krachtveld bevindt (voorwerpen onder invloed van de zwaartekracht, elektrische kracht, magnetische kracht, enz.);
– trillingsenergie: voorwerpen die aan een veer hangen;
– warmte.
Bij het verrichten van arbeid kan energie omgezet worden van de ene vorm in de andere vorm.
Voorbeeld: bij het vallen van een voorwerp wordt potentiële energie omgezet in kinetische energie.
Bij het verrichten van arbeid kan energie overgedragen worden op een ander voorwerp.
Voorbeeld: de kinetische energie van de arm van een basketbalspeler wordt overgedragen op de
bal.
We kunnen dus zeggen dat:
ΔE = energieverschil in Joule;
W = arbeid in Joule.
ΔE = W
Bij het verrichten van arbeid wordt er geen energie gemaakt of gaat er geen energie verloren. Energie kan alleen maar omgezet worden in een andere vorm of overgedragen worden op een ander
voorwerp. Dit noemen we behoud van energie.
Het is natuurlijk wel zo dat er veel energievormen worden omgezet naar een niet-bruikbare energievorm. Bij een auto wordt het grootste gedeelte van de chemische energie, aanwezig in de brandstof,
in thermische energie (warmte van de motor) omgezet. Enkel een klein gedeelte wordt in bewegingsenergie omgezet.
chemische energie (brandstof)
thermische energie
bewegingsenergie
bewegingsenergie
II.1.10. VERMOGEN
is de arbeid die je verricht wanneer je een werktuig bedient per eenheid van tijdsduur.
Twee auto’s met eenzelfde massa beklimmen een berg. Dit betekent dat ze dezelfde arbeid zullen
verrichten. De auto die het vlugst boven is levert dus een grotere prestatie. Hij heeft dezelfde arbeid
geleverd in een kortere tijdsduur, dus levert hij een groter vermogen.
104
VERMOGEN
ARBEID
AANKOMST
(korte tijdsduur)
ARBEID
(lange tijdsduur)
Hoe sneller, hoe groter vermogen
Ditzelfde geldt dus ook voor een waterverwarmer.
Voorbeeld
We nemen twee boilers met dezelfde waterinhoud. De boiler met het grootste vermogen zal dezelfde
hoeveelheid water sneller opwarmen.
Hoe korter de tijd bij dezelfde arbeid, hoe groter het vermogen.
We leveren een vermogen van 1 W als we in één seconde een arbeid van 1 J verrichten.
P = vermogen in Watt
W = arbeid in Joule
Δt = tijdverschil in seconden
W
ΔE
Formule: P = ––– = –––
Δt
Δt
Voorbeeld
Een lift van 600 kg stijgt in 50 seconden vijf verdiepingen hoog. Bepaal het vermogen van de motor.
Elke verdieping is 5 meter.
W = F . Δx = m . g . Δx = 600 kg . 9,81 N/kg . 25 m = 147150 J
W
147150 J
P = ––– = –––––––– = 2943 W
Δt
50 s
Het vermogen van de motor is 2943 Watt.
II.1.11. RENDEMENT
Voorbeeld: Bij het branden van een lamp is het de bedoeling zoveel mogelijk licht te produceren. In
een lamp gebeurt de volgende energieomzetting:
Elektrische energie
lichtenergie + warmte
De ontstane lichtenergie is de nuttige energie. De warmte is onnuttig.
de hoeveelheid lichtenergie
Het rendement van de lamp = –––––––––––––––––––––––––––––
de hoeveelheid elektrische energie
105
Het rendement bij het omzetten van energie, het verrichten van arbeid of het ontwikkelen van vermogen is de verhouding:
– η = rendement,
– ΔE = energieverschil in Joule,
Wnuttig
Pnuttig
ΔEnuttig
Formule: η = ––––––
of η = –––––
of η = –––––
– W = arbeid in Joule,
Wtotaal
Ptotaal
ΔEtotaal
– P = vermogen in Watt.
Het rendement is een onbenoemd getal waar steeds geldt 0 ≤ η ≤ 1.
Om het rendement procentueel uit te drukken moet je η vermenigvuldigen met 100 %.
Voorbeeld
Op een zonnecel valt 20 kJ lichtenergie. De cel levert hiermee 3 kJ elektrische energie. Wat is het
rendement van de zonnecel?
3 kJ
ΔEnuttig
η = ––––––
= ––––– = 0,15 of het rendement is 15 %
20 kJ
ΔEtotaal
II.1.12. COMMUNICERENDE VATEN
Twee of meer met elkaar verbonden vaten (vloeistofreservoirs) worden communicerende vaten genoemd. De vloeistofniveaus staan op hetzelfde peil.
Voorwaarden voor toepassing van de wet zijn:
– het systeem is in rust;
– het systeem staat in open verbinding met de buitenlucht.
Hoogte aftekenen met een “pasdarm”,
een slangwaterpas
106
Bij het gebruik van een slangwaterpas werken we ook op het
principe van communicerende vaten.
Ook bij een sifon zien we dit effect: zie afbeelding.
II.2. DRUK
De druk van een kracht die loodrecht op een oppervlak wordt uitgeoefend is de verhouding van de
grootte van de kracht tot de grootte van het oppervlak.
Het symbool voor druk is “p”, voor kracht is “F” en voor oppervlakte is “A”. Met deze symbolen kan
men de druk definiëren:
– p = druk in Pascal,
– F = kracht in Newton,
– A = oppervlakte in m².
F
Formule: p = ––
A
De eenheid van druk is Pascal (Pa). Het is de druk die door een kracht van 1 N (newton) wordt uitgeoefend op een oppervlakte van 1 m².
1 Pa = 1 N/m²
Andere (verouderde) eenheden voor druk zijn:
• bar:
1 bar = 100.000 Pa = 100 kPa,
• millibar:
1 mbar = 100 Pa of 1 hPa,
• atmosfeer:
1 atm = 1013,25 mbar,
• mm waterkolom: 1 mm WK = 9,81 Pa.
107
Voorbeeld
Het water in een bak heeft een gewicht van 300 N en oefent een druk uit op de bodem van 3000 Pa.
Welke oppervlakte heeft de bodem?
F
p = ––
A
F
300 N
Indien we de formule aanpassen: A = –– = ––––––– = 0,1 m2
p 3000 Pa
De oppervlakte van de bodem bedraagt 0,1 m².
II.2.1. LUCHTDRUK, OVERDRUK, ONDERDRUK
Rondom de aarde bevindt zich een luchtlaag, die atmosfeer of dampkring wordt genoemd. De lucht
uit die laag drukt op ons en op alle voorwerpen om ons heen. Deze luchtdruk wordt atmosferische
druk genoemd.
Hetzelfde gebeurt met de druk van het water onder aan een waterkolom.
We spreken over:
– de atmosferische druk: de omgevings(lucht)druk.
Deze bedraagt ongeveer 1013 hPa absolute druk en verandert naargelang het weertype. In
onderstaande tabel nemen we hiervoor 100 kPa (of 1 bar).
– de overdruk: de druk hoger dan de atmosferische druk;
– de onderdruk: de druk lager dan de atmosferische druk;
– de absolute druk: dit is de druk ten opzichte van het luchtledige met een druk 0:
• absolute druk = de atmosferische druk + de overdruk;
• absolute druk = de atmosferische druk - de onderdruk.
absolute druk
300 kPa
200 kPa
200 kPa
100 kPa
100 kPa
atmosferische druk
D
0 kPa
C
0 kPa
A =
=
B =
=
C =
D =
=
108
A
onderdruk
B
25 kPa absolute druk
- 75 kPa onderdruk
- 50 kPa onderdruk
100 kPa absolute druk (= atm. druk)
100 kPa overdruk
overdruk
-100 kPa
Soorten drukmeters
ATMOSFERISCHE DRUK
MICROMANOMETER
ATMOSFERISCHE DRUK
GASDRUK
Voor een zelfde druk, is de
afstand AB groter dan A’B’,
waardoor een nauwkeuriger
aflezing mogelijk is.
150
150
100
100
50
50
0
0
50
50
100
100
150
150
U-BUISMANOMETER
109
P
P
P
slurp
P
PP+
P+
Onderdruk
in onverluchte
afvoerleidingen
Een watertoren garandeert
een stabiele druk.
BRON: PIDPA
BRON: PIDPA
BRON: DAB - GROOT-BIJGAARDEN
Indien de waterdruk onvoldoende is om het water op
hoogte te brengen, gebruikt men een drukverhogingsysteem in het gebouw.
110
II.2.2. STATISCHE EN DYNAMISCHE DRUK
Meet men de druk met behulp van een meetbuis en een vloeistofmanometer, dan constateert men,
bij een gas of een vloeistof in rust, dat de gemeten druk dezelfde blijft bij gelijk welke oriëntering van
de meetbuis.
h = statische druk h1 = lokale druk h2 = dynamische druk
h
h1
h2
Bij debiet = 0 (stilstaand gas) is de dynamische druk ook gelijk aan 0,
en is de statische druk gelijk aan de lokale druk.
Dit is niet zo als het gas of de vloeistof in beweging is.
Plaatst men het vlak van de opening van de meetbuis evenwijdig met de stroomrichting, dan meet
men dezelfde druk als bij het fluïdum in rust. We meten statische druk.
Verandert men de oriëntatie van het openingsvlak, dan lezen we een andere waarde af.
We meten de maximumdruk als de opening loodrecht op de stromingsrichting staat en de opening
bovendien naar de aanvoerzijde van de gasstroom in de leiding wordt gericht.
Nu meten we de dynamische druk.
Bij verminderde snelheid vermindert eveneens de dynamische druk.
Bij stilstand wordt de dynamische druk nul.
Onder totale druk verstaan we de resultante van de druk veroorzaakt door stroming (de dynamische
druk) en deze uitgeoefend op de wand van de buis (de statische druk).
II.2.3. DRUKVERLIES
Drukverlies is meetbaar, drukverlies betekent dat de resterende druk aan het tappunt kleiner is dan
de voorradige druk aan het begin van de leiding.
Vooral bij diameterberekeningen houden we hiermee terdege rekening. We kennen drie oorzaken
van drukverlies:
• lineaire drukverliezen, te wijten aan de wandruwheid, de lengte en de diameter van de leiding;
111
• de plaatselijke drukverliezen. Fittingen zoals bochten, reducties en T-stukken veroorzaken bijkomende drukverliezen. Ook inwendige bramen en overtollig dichtingsmateriaal zijn nadelig.
Ellebogen veroorzaken meer weerstand dan bochten. Geplooide bochten met grote buigstraal
beperken deze verliezen.
• drukval te wijten aan hoogteverschillen. Betreft het een waterleiding, dan verliezen we per 10 m
stijgleiding 100 kPa (1 bar) druk.
Opgelet: voor aardgasleidingen betekenen stijgleidingen een drukwinst, want aardgas is lichter dan
lucht. Voor aardgasleidingen die van de begane grond naar beneden gaan verliezen we druk omdat
het gas in de dalende leiding zijn stijgkracht behoudt.
II.2.4. DRUK IN VLOEISTOFFEN
Wet van Pascal
De wet van Pascal luidt:
als er op een vloeistof een druk wordt uitgeoefend, dan plant die druk zich in alle richtingen
met dezelfde grootte voort.
De druk op een ingesloten vloeistof
plant zich in alle richtingen voort
Afperspomp
112
BRON: VIRAX
BRON: VIRAX
Toepassingen
Hydraulische plooimachine
Voorbeeld
Op zuiger 1 wordt een kracht uitgeoefend van 50 Newton. Hoe groot moet de kracht op zuiger 2 zijn
om deze op zijn plaats te houden?
F2 = ?
F1 = 50 N
olie
opp. zuiger 2 = 2 cm2
opp. zuiger 1 = 25 cm2
kracht
Druk = ––––––––––
oppervlakte
of
F1
50 N
p = ––– = ––––––2 = 2 N/cm2 = 2 Pa
A1
25 cm
Volgens Pascal plant de druk zich in alle richtingen onveranderd voort. Dus ook tegen de zuiger 2 is
de druk 2 N/cm2.
F2
p = –––
A2
Indien we de formule aanpassen:
F2 = p . A2
= 2 N/cm² . 2 cm² = 4 N
Er is dus een kracht van 4 Newton nodig om de zuiger 2 op zijn plaats te houden.
Een andere toepassing
113
II.2.5. HEVELWERKING
In de afbeelding is een zogenaamde hevel getekend. Dit is een bak met een vloeistof, waarin een
U-vormige gebogen buis is geplaatst.
HEVELWERKING
B
C
D
A
Op het water in de bak en in de buis drukt de buitenluchtdruk.
Wanneer de druk bij A verkleind wordt, door er bijvoorbeeld aan te zuigen, zal het vloeistofniveau in
de U-buis stijgen, omdat de druk bij B lager is dan de buitenluchtdruk.
De buitenluchtdruk drukt het water bij B omhoog. Komt het water voorbij punt C, dan zal het water
uit de U-buis gaan stromen.
Het uitstromen van het water zal doorgaan tot het water in de bak het niveau heeft bereikt van het
einde van de U-buis bij punt D.
Voorwaarde is wel dat punt A lager ligt dan punt D.
II.2.6. DRUK IN GASSEN
II.2.6.1. DE GASWET BIJ CONSTANTE TEMPERATUUR
(DE WET VAN BOYLE-MARIOTTE)
De moleculen van een gas zijn voortdurend in beweging. Zij botsen tegen elkaar en tegen de wanden van het vat waarin zij zijn opgesloten. De druk van het gas is een gevolg van het botsen van
moleculen.
Hoe groter het aantal botsingen, des te groter zal de druk van het gas zijn. Als wij een met gas gevulde ruimte kleiner maken, zullen de gasmoleculen vaker tegen elkaar en tegen de wand botsen.
De druk wordt dus groter.
114
Het volume van het gas wordt de helft van het beginvolume in de afbeelding; wij zien de druk in de
cilinder oplopen tot 6 bar.
Met andere woorden: het volume is de helft geworden en de druk is verdubbeld.
Dit verband tussen druk en volume van een gas, dat overigens alleen geldt als de temperatuur van
het gas niet verandert, is het eerst gevonden door Boyle.
Het staat bekend als de Wet van Boyle.
Voor een bepaalde hoeveelheid gas is het product van druk en volume steeds even groot, als de
temperatuur maar niet verandert.
In formule:
Formule: p1 . V1 = p2 . V2
(begindruk x beginvolume = einddruk x eindvolume)
De druk moet in absolute waarde en het volume in cm3, dm³ of m³ ingevuld worden.
Voorbeeld
Een cilinder heeft een volume van 1,5 dm³ (= liter) bij een druk van 90 kPa (0,9 bar).
Bereken het volume als we tot een druk van 150 kPa samenpersen.
De druk eerst omzetten naar absolute druk:
• 90 kPa + 100 kPa = 190 kPa absoluut
• 150 kPa + 100 kPa = 250 kPa absoluut
p1 . V1 = p2 . V2
• 190 kPa . 1,5 dm³ = 250 kPa . V2
190 kPa . 1,5 dm³
–––––––––––––– = V2
250 kPa
V2 = 1,14 dm³ of 1,14 liter
II.2.6.2. DE GASWET BIJ CONSTANT VOLUME
(DE WET VAN REGNAULT)
Als een gas zich in een afgesloten vat (recipiënt) bevindt, en de temperatuur verhoogt, zal de druk
toenemen.
In formule:
p
p
Formule: ––1 = ––2
T1 T2
Voorbeeld van berekening
In een leidingstuk bevindt zich aardgas op een druk van 20 hPa (= 20 mbar) aan een begintemperatuur van 7 °C (= 280 K).
115
De gasleiding loopt door een verwarmde kamer van 20 °C (= 293 K), en er wordt geen gas afgenomen; wat zal de druk in deze gasleiding uiteindelijk zijn, indien er geen gasverbruik is?
p
p
––1 = ––2
T1 T2
– Omzetten naar absolute druk:
20 hPa + 1000 hPa = 1020 hPa
– Omzetten naar absolute temperatuur (Kelvin): zie hoofdstuk II.4.2.2.
7 °C + 273 = 280 K
20 °C + 273 = 293 K
1020 hPa
p2
–––––––– = –––––
280 K
293 K
– Aanpassen van de breuk:
1020 hPa . 293 K
298860
p2 = ––––––––––––––– = ––––––– hPa = 1067,357 hPa
280 K
280
De druk in de buis zal
p2 = 1067,357 hPa absoluut of 67,357 hPa zijn.
II.2.6.3. DE GASWET BIJ CONSTANTE DRUK
(DE WET VAN GAY-LUSSAC)
Als we een gas in een recipiënt met zuiger verwarmen gaan de moleculen meer bewegen zodat de
zuiger naar boven beweegt. De druk blijft dan constant maar het volume neemt toe.
In formule:
V
V
Formule: ––1 = ––2
T1 T2
Voorbeeld
Van 2 liter zuurstofgas is de temperatuur 20 °C. De druk wordt constant gehouden. Welk volume
neemt het gas in als het verwarmd wordt tot 100 °C?
V1 V2
–– = ––
T1 T2
– Omzetten naar absolute temperatuur (Kelvin): zie hoofdstuk II.4.2.2.
20 °C + 273 = 293 K
100 °C + 273 = 373 K
21
V2
––––– = –––––
293 K 373 K
– Aanpassen van de breuk:
21.373 K
V2 = –––––––– = 2,551
293 K
Het gas neemt nu een volume in van 2,55 liter.
116
II.2.6.4. DE ALGEMENE GASWET
Er bestaat een verband tussen het volume, de druk en de temperatuur van een gas.
p.V
Gevonden werd dat –––– een constante is
T
p 1 . V1 p 2 . V2
Formule: –––––
= –––––
T2
T1
waarin:
p = de absolute druk in Pa (Pascal);
V = het volume (m³);
T = de absolute temperatuur in K (Kelvin).
Dit betekent dat wanneer p tweemaal groter wordt, het volume 2 maal kleiner wordt,
2p . V/2
––––––– = constante
T
ofwel
wanneer p tweemaal groter wordt, de temperatuur 2 maal hoger wordt.
2p . V
–––––– = constante
2T
Uiteraard is het mogelijk dat volume én temperatuur veranderen. De uitkomst van de deling blijft
echter constant.
Het is van groot belang altijd de absolute druk en absolute temperatuur in de formule te gebruiken.
Voorbeeld
Een expansievat kan gebruikt worden om de uitzetting van het water op te vangen. Onder het membraan bevindt zich 25 dm³ (= 25 l) droge lucht bij een temperatuur van 20 °C en 150 kPa (1,5 bar)
voordruk onder het membraan. Hoeveel water is er in het expansievat gedrongen als de temperatuur
stijgt tot 50 °C en de druk stijgt tot 200 kPa (2 bar)?
0,5 bar
2 bar
3 bar
niet aangesloten
expansievat
met tegendruk
van koud water
met tegendruk
van warm water
Voordruk = 150 kPa
Temperatuur = 20 °C of 293 K, stijgt tot 50 °C (323 K)
We zoeken dus volume 2 (= V2)
117
Omzetten naar absolute druk:
150 kPa + 100 = 250 kPa
200 kPa + 100 = 300 kPa
p1 . V1 p2 . V2
––––– = –––––
T2
T1
250 kPa . 25 dm3
300 kPa . V2
––––––––––––––– = –––––––––––
293 K
323 K
Aanpassen van de breuken:
250 kPa . 25 dm3 . 323 K
V2 = ––––––––––––––––––––
293 K . 300 kPa
2018750
V2 = –––––––
87900
V2 = 22,966 dm3
M.a.w.: 25 dm³ - 22,966 dm³ = 2,034 dm³ dat in het vat gedrukt werd.
II.2.7. DAMPSPANNING
Als water na een regenbui op een dak of in een goot achterblijft, en nadien opdroogt, wordt gezegd
dat het water “verdampt”.
Natuurkundig valt dit verschijnsel als volgt te verklaren:
In vloeistoffen kunnen de moleculen vrij bewegen, de cohesie (aantrekkingskracht) tussen de moleculen is erg laag.
Door voortdurende botsingen veranderen de moleculen steeds van richting. Aan de oppervlakte
zullen daardoor moleculen ontsnappen.
Verdamping
Watermoleculen die ontsnappen, worden opgenomen tussen de luchtmoleculen.
Zolang er nog ruimte tussen de luchtmoleculen is om watermoleculen op te nemen, zal de hoeveelheid water steeds minder worden. Het proces stopt als alle ruimte tussen de luchtmoleculen is opgevuld of als al het water verdwenen is.
118
Op deze manier zal boven wateroppervlakken als zeeën, meren en rivieren voortdurend water verdampen.
Door de wind wordt deze waterdamp verspreid. De lucht bestaat daardoor altijd uit een mengsel van
lucht- en watermoleculen.
De atmosferische druk (luchtdruk) bestaat uit druk van waterdamp en druk van lucht.
Het deel van de luchtdruk dat wordt veroorzaakt door de waterdampdruk heet de dampspanning.
Maximale dampspanning
Diagram van Mollier
Hoeveel waterdamp de lucht kan bevatten is afhankelijk van de temperatuur.
Immers als de temperatuur stijgt, zet de lucht uit en
komt er meer ruimte tussen de luchtmoleculen.
Bij hogere temperatuur kan lucht meer waterdamp
bevatten.
Bij temperatuurdaling krimpt lucht en komen de
luchtmoleculen dichter bij elkaar.
Bij lage temperatuur kan lucht minder waterdamp
bevatten.
In de tabel is de maximale dampspanning af te
lezen bij verschillende temperaturen en een luchtdruk van 101,3 kPa.
Ook de hoeveelheid vocht in gram per m³ is te
zien.
Verklaring Mollier diagram:
4 parameters bepalen de toestand van de lucht:
– temperatuur van de lucht θ (thêta) in °C (zie ook II.4.6. Meten van temperatuur – Grieks alfabet)
– waterdampdruk
p in Pa
– waterdampgehalte
x in g/kg
– relatieve vochtigheid
ϕ (psi) in %
Een voorbeeld: nemen we punt A:
– de temperatuur bedraagt hier 20 °C
– de waterdampdruk p = 1 170 Pa
– punt A ligt op de relatieve vochtigheidslijn van ϕ = 50 %
Hoe komt men aan deze 50 %:
de verzadigingsdruk (bij 100 % relatieve vochtigheid in punt B) is bij 20 °C gelijk aan 2340 Pa
pd
werkelijke dampconcentratie
de relatieve vochtigheid ϕ = ––– = –––––––––––––––––––––––– . 100 (in %)
p’d
maximale dampconcentratie
1170
ϕ = ––––– . 100 = 50 %
2340
119
Wanneer we nu punt A verder afkoelen en de waterdampdruk blijft dezelfde (vochtgehalte blijft hetzelfde) dan moeten we naar links opschuiven (horizontale lijn door A).
We zien dat de relatieve vochtigheid ϕ stijgt tot in punt A’ 100 % bereikt wordt.
Hier is de lucht verzadigd van vocht (dit is hier bij θd = 9 °C = dauwpunt).
Vanaf punt θd (punt A’, ofwel het dauwpunt) en verder links ervan wordt dus een hoeveelheid waterdamp omgezet in water: er treedt condensvorming op.
Wet van Dalton
Lucht is een mengsel van gassen: 21 % zuurstof en 79 % stikstof en voor mengsels van gassen
geldt de wet van Dalton.
Die wet zegt:
de druk van een mengsel van gassen is gelijk aan de som van de afzonderlijke drukken (partiële drukken) van elk van deze gassen.
Anders gezegd: de partiële druk van elk gas is dezelfde als de druk van dat gas indien enkel dat gas
de volledige ruimte (volume) zou innemen.
Passen we nu deze wet toe op gewone lucht:
100 kPa (1 bar) lucht = 21 kPa zuurstof + 79 kPa stikstof.
Wanneer we de druk verhogen tot
400 kPa = 84 kPa zuurstof + 316 kPa stikstof.
De verhoudingen 21 % zuurstof en 79 % stikstof blijven steeds gelijk.
mengsel bij 400 kPa
mengsel bij 100 kPa
21 % zuurstof
79 % stikstof
21 % zuurstof
79 % stikstof
zuurstof
21 kPa
stikstof
79 kPa
zuurstof
84 kPa
II.2.8. RELATIEVE VOCHTIGHEID
Lucht hoeft niet altijd de maximale hoeveelheid waterdamp te bevatten.
Door invloed van de zon kan de luchttemperatuur erg snel stijgen.
Het waterdampgehalte in de lucht neemt slechts langzaam toe.
120
stikstof
316 kPa
Er ontstaat dan een toestand waarin de lucht minder waterdamp bevat dan bij die temperatuur
mogelijk is.
Voorbeeld
In een kopje warme koffie kan men tot 3 suikerklontjes oplossen; is deze koffie echter koud, zal men
met moeite slechts één suikerklontje kunnen oplossen.
De verhouding tussen de werkelijke dampspanning en de maximale dampspanning noemen we de
relatieve vochtigheid.
In formulevorm:
werkelijke dampspanning
Formule: relatieve vochtigheid –––––––––––––––––––––––
max. dampspanning
II.2.9. DAUWPUNT
Relatieve vochtigheidscurve
In het voorgaande is uitgelegd dat, als de lucht warmer wordt, de relatieve vochtigheid afneemt.
Als de luchttemperatuur afneemt, krimpt de lucht en
wordt de ruimte tussen de moleculen kleiner.
Er ontstaat dan al snel de situatie dat de maximale
dampspanning wordt bereikt.
De temperatuur waarbij de maximale dampspanning
is bereikt, heet het dauwpunt.
Bij verdere afkoeling klonteren de waterdampmoleculen samen en worden ze als nevel zichtbaar.
Binnenshuis ontstaat geen nevel omdat de waterdampmoleculen op een koude plaats zullen condenseren.
We kunnen daarom ook zeggen: het dauwpunt is die
temperatuur waarbij de waterdamp begint te condenseren.
Verklaring relatieve vochtigheidscurve
In dit diagram wordt de relatieve vochtigheid (in %) uitgetekend in functie van de luchttemperatuur
(θ in °C) en het absolute vochtgehalte χ in g/kg van de lucht.
Nemen we punt A: de temp. θ = 20 °C
de R.V. is 60 %
de hoeveelheid waterdamp die de lucht bevat: 8,8 g/kg (helemaal links af te lezen).
Wanneer deze lucht via een koud raam passeert van bijv. 10 °C dan zie je in de grafiek een verschuiving naar links tot in punt B (ongeveer 12 °C): daar is het dauwpunt bereikt.
Nu moet je van B tot C (tot 10 °C), via de gebogen lijn van ϕ 100 %.
De maximale hoeveelheid waterdamp die de lucht kan bevatten bij 10 °C is 7,6 g/kg.
De hoeveelheid gecondenseerde waterdamp lees je af op de verticale aslijn:
B min C = 8,8 g/kg – 7,6 g/kg = 1,2 g/kg.
121
II.2.10. ADHESIE, COHESIE, OPPERVLAKTESPANNING
Cohesie (of samenhang) noemt men de kracht die deeltjes (atomen of moleculen) van dezelfde
soort op elkaar uitoefenen.
De cohesie van bijvoorbeeld koperatomen is erg groot. Koper is daarom een vaste stof.
De cohesie van watermoleculen is onderling niet erg groot. Water is daarom vloeibaar.
Luchtmoleculen oefenen nauwelijks kracht op elkaar uit. Lucht is daarom gasvormig.
Adhesie noemt men de kracht die deeltjes van verschillende soort op elkaar uitoefenen.
We vullen een glas met water en een ander glas met kwik en we bekijken de vloeistofspiegels in
beide glazen. We kunnen dan waarnemen dat in het waterglas het water tegen het glas optrekt en
bij het kwik aan het glas neerbuigt.
Een ander woord voor vloeistofspiegel is meniscus.
Bij een holle meniscus, is de adhesie groter dan de cohesie. Als we een bolle meniscus hebben dan
is de cohesie groter dan de adhesie.
kwik
water
Oppervlaktespanning
Cohesie maakt dat moleculen in een vloeistof elkaar aantrekken. De vloeistofmoleculen aan de
oppervlakte van de vloeistof zullen dus als het ware naar binnen getrokken worden. Naarmate de
cohesie groter wordt is de kracht waarmee de vloeistofmoleculen aangetrokken worden groter. Door
deze cohesiekracht ontstaat op de grens van vloeistof en lucht een ‘harde’ laag. We noemen dit de
oppervlaktespanning van een vloeistof.
II.2.11. CAPILLARITEIT
Capillaire werking noemen we het verschijnsel dat vloeistoffen in nauwe openingen omhoog kruipen.
Bij capillaire werking komen we de begrippen cohesie en adhesie tegen.
Als het glas smaller wordt zal de invloed van adhesiekracht op de vloeistofspiegel steeds groter
worden. Als de opening zo nauw wordt dat de vloeistofspiegel niet meer bestaat dan spreekt men
van een capillair vat.
De vloeistof zal nu vanzelf omhoog kruipen. In het geval dat de cohesie groter is dan de adhesie doet
zich het hetzelfde verschijnsel voor maar dan in de omgekeerde richting.
Van capillaire werking maken we in ons vak gebruik bij het solderen.
122
Het maakt het mogelijk dat we kunnen solderen van onder naar boven. Ook het doorvloeien van een
soldeernaad is het gevolg van de capillaire werking.
Voorbeelden van capillariteit: suikerklontje, baksteen, solderingen, dakaansluitingen.
CAPILLARITEIT
II.3. STROMING IN VLOEISTOFFEN EN GASSEN
II.3.1. STROMINGSSNELHEID, VOLUMESTROOM EN MASSASTROOM
De stroomsnelheid wordt uitgedrukt in meter per seconde (m/s).
Een volumestroom wordt uitgedrukt in l/h of m³/h.
Een massastroom in kilogram per m² (kg/m²) = soortelijke massa.
Wie in catalogi van kranen naar debieten zoekt om het vermogen van een warmwaterbereider te
bepalen zal de volumestroom of het debiet voorgesteld zien door Q in liter per minuut (l/min).
TECHNISCHE INFORMATIE
Werkdruk
50-1000 kPa
Debiet (bij 1/3 bar)
0.3/0,52 l/sec
Batterij
Lithium 2CR5 6V
Beschermklasse
IP 45
Sensorbereik
5-80 cm standaard 50 cm.
Voorspoeling
0-30 sec. standaard 2 sec.
Naspoeling
0-30 sec. standaard 6 sec.
Automatische spoeling 0-250 uur standaard 24 uur
(EMC-richtlijn, 89/336/eec)
BRON: ORAS
123
II.3.2. WRIJVINGSWEERSTAND EN VISCOSITEIT
“Een massa in beweging, zal in beweging blijven zolang er geen tegengestelde kracht op inwerkt.”
Aldus Newton.
Nu weten we dat ieder lichaam dat in beweging is, vroeg of laat tot stilstand komt. De tegenwerkende kracht die op elk bewegend lichaam inwerkt noemen we wrijving. Fietsers houden niet van
wind op kop of hellingen, hoe gering ook.
Ook bij vloeistoffen en gassen treden wrijvingskrachten op die de stroming vertragen. Wij onderscheiden:
– door wrijving
Bij doorstroming wrijven de vloeistof- of gasdeeltjes tegen de buiswand. De deeltjes die zich het
dichtst bij de wand bevinden zullen langzamer stromen dan deze in het midden van de buis. Een
hoge wandruwheid van de buis zal de wrijving nog versterken. Het is van het grootste belang om
met de specifieke wandruwheid van een materiaal rekening te houden bij het bepalen van de ∅.
Wie er “Aanleg van waterleidingen” op naslaat zal op blz. 7 merken dat voor eenzelfde gewenst
debiet verschillende diameters kunnen gebruikt worden afhankelijk van het gekozen materiaal,
meer bepaald afhankelijk van hun wandruwheid.
Dezelfde opmerking geldt voor gasleidingen. Bij het bepalen van de drukverliezen volgens
Renouard bestaat er een wezenlijk verschil tussen de gevonden diameters uitgevoerd in stalen
of in koperen buizen.
– door cohesie
Daar de vloeistofdeeltjes niet allemaal dezelfde snelheid hebben kunnen ze mekaar gaan afremmen door de onderlinge aantrekkingskracht, de cohesie.
We zouden kunnen spreken van de inwendige wrijving. Hoe stroperiger een vloeistof is, hoe hoger
de viscositeit, hoe sterker de inwendige wrijving zal zijn.
II.3.3. LAMINAIRE EN TURBULENTE STROMING
We kunnen de stroming van een vloeistof in een buis zichtbaar voorstellen door stroomlijnen te
tekenen. Op de tekening is de stroomlijn van één deeltje zichtbaar.
Tekenen we nu de stroomlijnen van alle deeltjes dan ontstaat een beeld met allemaal horizontale
lijnen. Als dit patroon geordend is, spreken we van laminaire stroming.
Is het stromingsbeeld niet geordend dan spreken we van turbulente stroming. Turbulentie ontstaat
door lokale ophoping van vloeistofdeeltjes die even later weer verdwijnt.
Ze ontstaat als de stroomsnelheid te groot en als de vloeistof langs een hindernis moet stromen.
Hindernissen zijn ondermeer: inwendige bramen, deuken in de buis, bolletjes doorgevloeid soldeer
en te bruuske richtingsveranderingen.
124
Turbulenties vergroten de weerstand die de vloeistof ondervindt.
Laminaire stroming
Turbulente stroming
II.4. TEMPERATUUR
II.4.1. WAT IS TEMPERATUUR?
Om het begrip temperatuur te verklaren kan men het best eerst een eenvoudige proef doen.
We nemen een ijzeren staaf in de hand. Het ijzer voelt koud aan.
De koude gewaarwording verdwijnt na enige tijd. Als we de ijzeren staaf in de andere hand nemen
lijkt de staaf niet meer zo koud.
Een verklaring hiervoor is te vinden in het feit dat de warmte van onze hand werd overgedragen aan
de staaf. We kunnen hieruit besluiten dat de warmte steeds overgaat van een lichaam met hoge
temperatuur naar een lichaam met een lagere temperatuur.
Bij een lichaam dat afkoelt wordt dus geen koude toegevoegd, maar wordt warmte afgestaan.
Andere proeven
Leg één hand op een verwarmde radiator.
Na enige tijd brengt u beide handen in contact met een koude ruit.
Gevolg: met de hand die werd verwarmd door de radiator voelt de ruit kouder aan dan met de andere
hand. Men heeft dus een verschillende warmtegewaarwording. Nochtans heeft het glas overal dezelfde temperatuur. Dit komt doordat de warme hand meer warmte afstaat aan de ruit dan de andere
hand.
125
Zet drie badjes water naast elkaar. Vul het linkse met koud water, het middelste met lauw water en
het rechtse met warm water.
Plaats de linkerhand in het koude water en de rechterhand in het warme water.
Na enkele minuten duw je plots beide handen in het middelste badje met lauw water.
Dit lauwe water voelt bij de linkse hand (die uit het koude water komt) erg warm aan,
en bij de rechtse hand (die uit het warme water komt) erg koud aan.
Besluit
De temperatuursindruk die we langs onze gevoelszintuigen krijgen kan misleidend zijn daar het
lichaam zich kan aanpassen aan de omgeving.
Een bekend voorbeeld is het in de winter betreden van een verwarmd lokaal. In het begin heeft men
de indruk dat het warm is maar na verloop van tijd vinden we het eerder fris.
De warmte gaat over van een lichaam met een hoge temperatuur naar een lichaam met een lagere
temperatuur.
Als men een houten en een metalen voorwerp buiten legt zal na verloop van tijd de temperatuur van
beide voorwerpen dezelfde zijn.
De temperatuur van het metalen voorwerp lijkt kouder dan het houten voorwerp.
Dit komt doordat het metaal de warmte beter geleidt dan het hout en alzo dus ook vlugger de warmte
van onze hand onttrekt.
Hier is er alweer sprake van een misleidende gevoelsindruk.
We kunnen uit voorgaande voorbeelden duidelijk opmaken dat onze tastzin niet bruikbaar is om over
de temperaturen van de voorwerpen een juist oordeel te vormen.
Tevens kan men kleine temperatuurverschillen niet waarnemen en is het ons onmogelijk een bepaalde waarde te formuleren over onze gewaarwording.
We hebben dus iets nodig dat de temperatuur of warmtegraad nauwkeurig kan meten.
II.4.2. DE EENHEDEN VAN TEMPERATUUR
We onderscheiden:
– de graad Celsius (°C),
– de Kelvin (K) (let op: zonder °),
– de graad Fahrenheit (°F).
II.4.2.1. CELSIUS
Dit is een temperatuursschaal genoemd naar de uitvinder ervan.
Bij deze schaal is 0 °C de temperatuur van smeltend ijs en 100 °C de temperatuur van damp van
kokend water bij een druk van 1013 hPa (hectopascal).
II.4.2.2. KELVIN
Deze schaal wordt ook genoemd naar de uitvinder.
De tot nu toe laagste temperatuur die voorkomt en gemeten kan worden is – 273,16 °C.
Dit is dus niet het afgesproken nulpunt maar het absolute nulpunt.
Kelvin heeft besloten dit absolute nulpunt 0 te noemen en zo vanaf daar met de Celsiusverdeling
verder te tellen.
126
Omzetting van graden Celsius naar graden Kelvin:
temperatuur in °C + 273 → temperatuur in graden Kelvin
100 °C:
100 °C + 273 → 373 K
Omzetting van graden Kelvin naar graden Celsius:
temperatuur in K – 273 → temperatuur in graden Celsius
373 K:
373K – 273 → 100 °C
II.4.2.3. FAHRENHEIT
Bij deze schaal is het vriespunt van water +32 °F en het kookpunt 212 °F .
Omzetting van graden Celsius naar Fahrenheit:
9
temperatuur in °C = (temp (in °C) . –) + 32
5
9
100 °C = (100 . –) + 32
5
100 °C = 212 °F
Omzetting van graden Fahrenheit naar graden Celsius:
5
temperatuur in °F = (temp (in °F) – 32) . –
9
5
212 °F = (212 – 32) . –
9
5
212 °F = 180 . –
9
212 °F = 100 °C
Vergelijking van de verschillende temperatuurseenheden
Als we de drie temperatuursverdelingen met elkaar vergelijken geeft dit:
Kelvin
373,16 K
Celsius
100 °C
273,16 K
0 °C
0K
absolute
nulpunt
– 273,16 °C
Fahrenheit
kookpunt water
212 °F
smeltend ijs
32 °F
– 459,69 °F
127
II.4.3. CELSIUS OF KELVIN
Enkele afspraken:
Spreken we over de absolute temperatuur dan wordt deze uitgedrukt in Kelvin (K).
Hiervoor gebruiken we het symbool T.
bv.: T = 373 K
Als de temperatuur in °C wordt gegeven, hetgeen is toegestaan voor het aanduiden van een temperatuurniveau, dan wordt het symbool θ (thêta) gebruikt.
bv.: θ = 100 °C
II.4.4. TEMPERATUURVERSCHIL
We noemen dit DELTA T.
Het symbool wordt weergegeven door een klein driehoekje Δ (de Griekse letter delta).
Men kan dit temperatuurverschil aanduiden met een kleine letter θ indien men werkt in graden
Celsius en met een grote letter T indien de temperatuur wordt uitgedrukt in Kelvin.
Δθ = temperatuursverschil in °C
ΔT = temperatuursverschil in K
Verschillen tussen 2 temperaturen zijn uiteraard dezelfde ongeacht of ze zijn uitgedrukt in graden
Celsius of in Kelvin.
II.4.5. TEMPERATUUR
Temperatuur is de gemeten waarde van een bepaald lichaam. Om de temperatuur aan te duiden
gebruikt met het symbool θ.
Voorbeeld a
Temperatuur voorwerp 1
Δθ = θ1 – θ2
Δθ = 10 °C – 2 °C
Δθ = 8 °C
Voorbeeld b
θ1 = 10 °C
θ2 = 2 °C
Δθ = θ1 – θ2
Δθ = 10 °C – (-2 °C)
Δθ = 10 °C + 2 °C
Δθ = 12 °C
θ1 = 10 °C
θ2 = - 2 °C
II.4.6. HET METEN VAN TEMPERATUUR
Een alcoholthermometer en een bimetaalthermometer werken op het principe dat lichamen uitzetten
onder invloed van warmte.
Bij de alcoholthermometer zet de vloeistof uit bij temperatuursverhoging.
Bij de bimetaalthermometer vervormt het metaal doordat dit metaal uitzet bij temperatuurverhoging.
128
Met een digitale thermometer kan er nog nauwkeuriger gemeten worden.
Thermometers
Omdat vele symbolen uit het Griekse alfabet komen, even een overzicht:
Griekse
hoofdletter
A
B
Δ
E
Φ
Γ
I
H
K
Λ
M
N
O
Griekse
kleine letter
α
β
δ
ε
φ
γ
ι
η
κ
λ
μ
ν
o
Π
Ρ
Σ
T
Υ
Ξ
Χ
Ζ
Ω
π
ρ
σ
τ
υ
ξ
χ
ζ
ω
ϑ
Θ
ϕ
θ
Uitspraak
alfa
bêta
delta
epsilon
fi
gamma
iota
êta
kappa
lambda
mu
nu
omicron
(kleine o)
pi
rhô
sigma
tau
upsilon
xi of ksi
khi
zêta
omega
(grote o)
psi
thêta
Ons alfabet
a
b
d
e
f
g
i
ij
k
l
m
n
o
p
r
s
t
u
x
ch
dz
oo
ps
th
II.5. WARMTE
II.5.1. WAT IS WARMTE?
We mogen warmte en temperatuur niet met elkaar verwarren. Beide begrippen zijn totaal verschillend van elkaar.
De temperatuur van een lichaam geeft een bepaalde warmtegraad aan, ook wel warmteniveau
genoemd.
129
Met warmte bedoelen we de hoeveelheid thermische energie die in een lichaam kan opgehoopt
worden en ook van een lichaam of een stof kan overgaan naar een ander lichaam of een stof met
een lagere temperatuur.
Het principe van warmte uitwisselen wordt in sanitaire installaties veelvuldig toegepast. Denk hierbij
aan een warmtewisselaar in een waterverwarmer.
Men kan het begrip warmte verduidelijken aan de hand van een eenvoudig voorbeeld.
1 liter
10 liter
Men vult twee kolven met water.
Een kolf met 1 liter water en de andere met 10 liter water.
De begintemperatuur van het water is in beide kolven gelijk bv. 20 °C (293 K).
Beide kolven worden op een verwarmingsplaat gezet.
In de eerste kolf met één liter water stijgt de temperatuur vlugger dan bij de tweede kolf met 2 liter
water.
Het water in de eerste kolf zal vlugger beginnen koken maar na verloop van tijd zal ook het water van
de tweede kolf koken zodat de temperatuur in beide kolven terug gelijk is.
Dit blijft zo zolang men blijft opwarmen.
We moeten nochtans meer verwarmen of warmte aanvoeren om de grotere hoeveelheid water aan
de kook te brengen.
We kunnen dus stellen dat de kolf met 10 liter water 10 maal zoveel warmte opslorpt dan de kolf met
1 liter water.
II.5.2. EENHEDEN
II.5.2.1. WARMTE
De eenheid van warmte is de Joule.
Uit voorgaande proef blijkt dat we een hoeveelheid warmte aan het water moeten toevoegen om dit
aan de kook te brengen. We verhogen hierdoor de temperatuur.
Om de juiste hoeveelheid warmte te bepalen gebruiken we de formule:
Q = m . c . ΔT
130
waarin:
Q
m
c
ΔT
= de hoeveelheid warmte uitgedrukt in kJ;
= de massa uitgedrukt in kg;
= soortelijke warmte uitgedrukt in kJ/(kg . K);
= temperatuurverschil uitgedrukt in K.
JOULE:
om 1 gram water met 1 K in temperatuur te verhogen hebben we een hoeveelheid warmte nodig van
4,185 joule.
Met andere woorden hebben we 4,185 J per gram water nodig om de temperatuur met 1 Kelvin
(of 1 °C) te doen stijgen.
In formulevorm wordt dit weergegeven: 4,185 J/(g . K).
Voorbeeld
Hoeveel warmte is er nodig om 1 liter water van 281 K (8 °C) tot 286 K (13 °C) op te warmen?
Oplossing
1 liter water = 1000 gram
ΔT = 286 K – 281 K = 5 K
Q = m . c . ΔT = 1000 g . 4,185 J/(g . K) . 5 K = 20925 J
1000 Joule (J) = 1 kiloJoule (kJ)
20925 J = 20,925 kJ
Noot: de vroeger gebruikte eenheid voor warmte is de cal (calorie).
Vuistregel: 1 cal = 4,185 J
Temperatuur en warmte zijn twee goed te onderscheiden grootheden.
We kunnen dit kort samenvatten als:
Celsiustemperatuur: symbool θ; eenheid graad Celsius (°C) = gemeten waarde warmtetoestand.
Warmte: symbool Q; eenheid Joule (J) = energietransport
Voorvoegsel
Giga
Mega
Kilo
Hecto
Deca
Deci
Centi
Milli
Micro
Nano
Pico
Symbool
Factor
G
M
k
h
da
d
c
m
μ
n
p
1 000 000 000 = 10 9
1 000 000 = 10 6
1 000 = 10 3
100 = 10 2
10 = 10 1
0,1 =10 -1
0,01 =10 -2
0,001 =10 -3
0,000 001 =10 -6
0,000 000 001 =10 -9
0,000 000 000 001 =10 -12
131
II.5.2.2. SOORTELIJKE WARMTE
De hoeveelheid warmte die nodig is om 1 kg van een bepaalde stof met 1 Kelvin in temperatuur te
doen stijgen hangt af van de soort stof.
Het aantal Joule dat nodig is om 1 kg van een stof 1 Kelvin temperatuurstijging te geven
noemen we de soortelijke warmte van een stof.
De soortelijke warmte wordt aangeduid met de letter c en wordt uitgedrukt in:
J/(g . K) of kJ/(kg . K).
Elke vloeistof of vaste stof heeft zijn eigen soortelijke warmte: m.a.w. de éné stof zal minder warmte
nodig hebben om in temperatuur te stijgen dan een andere stof.
Enkele materialen
Materiaal
C (soortelijke warmte) in KJ (kg . K)
STAAL
ALUMINIUM
KOPER
LOOD
WATER
0,46
0,88
0,39
0,12
4,18
Enkele oefeningen
Hoeveel warmte (Q) is er nodig om 3 liter water (3 kg) van 20 °C tot 100 °C te verwarmen?
Oplossing:
m = 3 kg
Δθ = 80 °C ofwel ΔT = 80 K
c = 4,185 kJ/(kg . K)
Q = m . c . ΔT
kJ
Q= 3 kg . 80 K . 4,185 ––––––
kg . K
Let op: Na vereenvoudiging van de formule schrapt men kg en K zodat enkel kJ overblijft.
Q = 1 004,40 kJ
Q = 1,004 4 MJ (Megajoule)
Er is 1,004 4 MJ nodig.
Bereken de warmtehoeveelheid die nodig is om
a: een vat gevuld met 10 liter water te verwarmen van 5 °C tot 10 °C
b: een vat gevuld met 1 liter water te verwarmen van 5 °C tot 50°C
De begintemperatuur is voor beide 5 °C.
132
Gegeven:
m = de massa uitgedrukt in kg
voor a = 10 kg
voor b = 1 kg
ΔT = temperatuurverschil uitgedrukt in K
voor a = 5 K
voor b = 50 K
5K
50 K
10 liter
1 liter
c = soortelijke warmte uitgedrukt
in kJ/(kg . K)
in beide gevallen 4,185 kJ/(kg . K)
Gevraagd: Q = de hoeveelheid warmte uitgedrukt in kJ
Oplossing
Oplossing a:
Oplossing b:
10 kg x 4,185 kJ/(kg . K) x 5 K = 209,25 kJ
1 kg x 4,185 kJ/(kg . K) x 50 K = 209,25 kJ
IN BEIDE VATEN IS DE HOEVEELHEID WARMTE GELIJK.
II.5.2.3. VERMOGEN
Om 10 liter water 50 °C te verwarmen hebben we een hoeveelheid warmte nodig van:
10 kg . 4,185 kJ/(kg . K) . 50 K = 2092,5 kJ.
Dit wil zeggen dat de benodigde energie 2092,5 kJ is.
Een belangrijke factor is de tijd waarop deze temperatuursverhoging kan plaatsvinden.
10 liter water in temperatuur verhogen met 50 °C op 1 minuut of op 1 uur vereist een totaal ander
vermogen.
Het vermogen is dus de verhouding tussen de hoeveelheid warmte en de tijd.
Met andere woorden de hoeveelheid energie geleverd per tijdseenheid.
De warmtehoeveelheid wordt uitgedrukt in joule.
De tijdseenheid is de seconde.
Het vermogen wordt uitgedrukt in joule per seconde (J/s).
Het vermogen is de geleverde of benodigde energie per tijdseenheid.
1 joule/seconde = 1 Watt
1 J/s = 1 W
133
Zo kan men de tijd berekenen die nodig is om een bepaalde hoeveelheid materie in temperatuur te
doen stijgen mits we weten wat het vermogen van het verwarmingsapparaat is.
Voorbeeld
We hebben bijvoorbeeld berekend dat er 20000 J energie nodig is om een hoeveelheid water te
verwarmen.
Het vermogen van het toestel is 1000 Watt (1000 J/s).
Hoelang duurt het vooraleer het water verwarmd is?
Oplossing
In één seconde levert het toestel 1000 J/s.
Benodigde energie = 20000 J.
20000 J
Tijd = ––––––– = 20 s.
1000 J/s
II.5.3. WARMTEOVERDRACHT
De warmte plant zich voort van vaste stoffen, vloeistoffen of gassen met een hoge temperatuur naar
vaste stoffen, vloeistoffen of gassen met een lage temperatuur.
Twee stoffen met een verschillende temperatuur kunnen aan elkaar warmte overdragen door:
– geleiding,
– stroming/convectie,
– straling.
II.5.3.1. GELEIDING
De warmteoverdracht gebeurt door onmiddellijk contact tussen twee stoffen met een verschillende
temperatuur.
Het geleidingsvermogen voor warmte is niet voor alle materialen gelijk.
Zo zijn metalen een goede warmtegeleider. Een plaatstalen radiator zal de warmte van het warme
water dat er door stroomt zeer goed geleiden. Er is rechtstreeks contact tussen het metaal en het
warm water.
Een soldeerbout uit koper transporteert zeer snel de warmte. Koper warmt snel op.
134
Hout bijvoorbeeld zal de warmte minder vlug geleiden.
Denk bijvoorbeeld aan een pannetje met een metalen handvat en
eenzelfde pannetje maar met een houten handvat.
Indien je beide pannetjes op het vuur plaatst om water aan de
kook te brengen kan je na enige tijd het metalen handvat niet meer
vastgrijpen zonder je te verbranden terwijl dit bij de houten handgreep
geen enkel probleem is.
Vloeistoffen zijn slechte warmtegeleiders.
Je kan dit duidelijk merken indien je in een proefbuisje gevuld met
water, enkel aan het wateroppervlak verwarmt.
Op deze plaats zal het water al vlug koken maar je kan het
proefbuisje aan de onderzijde rustig blijven vasthouden.
Gassen zijn eveneens slechte warmtegeleiders. Vandaar dat het principe van isolatiemateriaal gebaseerd is op het insluiten van kleine luchtbelletjes.
Dit vindt men terug bij bijvoorbeeld cellenglas, cellenbeton, polystyreen, rotswol, enz.
Denk hierbij eveneens aan dubbele beglazing waar er tussen de beide glasoppervlakken lucht of
een speciaal gas ingesloten zit dat de warmte doorheen het raam minder “geleidt”.
Lucht geleidt warmte slecht, vandaar dat het principe van isolatiematerialen gebaseerd is op het insluiten van lucht.
II.5.3.1.1. Warmtegeleidingscoëfficiënt lambda (λ)
Indien één voorwerp twee delen heeft op een verschillende temperatuur ontstaat er eveneens warmtegeleiding.
Doorheen een buitenmuur die in de winter langs één zijde blootgesteld wordt aan buitentemperaturen van – 8 °C terwijl het binnen 20 °C is, ontstaat er warmtegeleiding van binnen naar buiten.
Door het aanbrengen van isolatie zal er minder warmte doorheen de muur getransporteerd worden.
De geleidbaarheid voor warmte is voor alle stoffen verschillend.
135
De warmtegeleidingscoëfficiënt van een stof is de hoeveelheid warmte die per uur stroomt door een
lichaam van 1 meter dikte en een oppervlakte van 1m2, wanneer het verschil van temperatuur tussen
de grensvlakken 1 K bedraagt. De eenheid van de warmtegeleidingscoëfficiënt = Watt/m.K.
Stoffen met een kleine λ (Lambda) -waarde zijn goede isolatiematerialen.
Bijvoorbeeld
Materiaal
Geëxtrudeerd polystyreen
Glaswol
Hout
Cellenbeton
Gevelbaksteen
Enkel glas
Kalkzandsteen
Gewapend beton
Staal
Zink
Aluminium
Koper
λ
0.02
0.04
0.17
0.50
0.80
0.81
1
1.90
41
110
240
400
Warmtegeleidbaarheid
λ
tot 0.23
Warmtestroming
tot 52
II.5.3.1.2. Warmtedoorgangscoëfficiënt
De warmtedoorgangscoëfficiënt, ook wel warmtetransmissiecoëfficiënt genoemd, is de hoeveelheid
warmte in watt die per uur stroomt door een stof van een bepaalde dikte met een oppervlakte van
1m2 wanneer het verschil in temperatuur van de grensvlakken 1 K bedraagt.
Symbool k (kleine k)
d = dikte van de stof in meter
λ
k = ––
d
Eenheid k = Watt/m².K
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
136
Muurisolatie
Binnenmuur
Binnenbepleistering
Loodslabbe
Chape
Vloerisolatie
Vloerplaat in gewapend beton
Buitenmuur
Open stootvoeg
Bevestigingsplaatje
Spouwanker
Ventilatieruimte
Uitzettingsvoeg vloer
Verband tussen λ-waarde, k-waarde en R-waarde
In de verschillende brochures i.v.m. bouwmaterialen vinden men dikwijls een k-waarde of een
R-waarde terug.
• De k-waarde is de warmtedoorgangscoëfficiënt.
Deze k-waarde wordt uitgedrukt in W/m2.K.
• De R-waarde is de thermische weerstand van een materiaal en is gelijk aan het omgekeerde van
de k-waarde.
1
dikte
R = – of R = ––––––
k
lambda
De R-waarde wordt uitgedrukt in m2.K/W.
We kunnen dus afleiden dat: hoe kleiner de k-waarde, hoe minder warmte de stof doorlaat,
dus hoe beter de isolatie.
k is kleiner naarmate de lambdawaarde daalt (bij eenzelfde dikte).
Hoe kleiner de lambdawaarde hoe beter de isolatiewaarde. Hoe groter de R-waarde hoe beter de
isolatiewaarde.
II.5.3.2. STRALING
Hier gebeurt de warmteoverdracht door warmtestralen uitgezonden door een warmtebron zonder
enig contact tussen beide lichamen.
Om eenvoudiger te begrijpen dat er geen materie nodig is om stralingswarmte over te dragen denk
je aan de zonnewarmte.
Tussen de zon en de aarde bestaat er een enorme afstand die voor het grootste gedeelte luchtledig
is. Toch bereikt de stralingswarmte de aarde.
Collector
Terugloopvat
Naverwarming
Een zonneboilerinstallatie maakt gebruik van de stralingswarmte van de zon.
De zonneboiler bestaat uit een vlakke plaatcollector
ook wel absorber genoemd.
Deze absorber wordt in een matzwarte kleur geschilderd. De zwarte kleur is hierbij belangrijk omdat donkere, mat gekleurde materialen beter de stralingswarmte absorberen dan licht gekleurde en blinkende
materialen. In zuiderse landen worden de huizen wit
geschilderd om de warmte niet te absorberen.
(Zie ook module “Aanverwante technologieën”)
Opslagvat
Pomp
137
II.5.3.3. CONVECTIE
Bij het verwarmen van gassen of vloeistoffen wordt de warmte overgedragen door stroming.
Deze stroming ontstaat doordat er een verschil in dichtheid is tussen warme en koude lagen.
Convectie bij vloeistoffen
CONVECTIE
Indien je een met water gevuld proefbuisje onderaan verwarmt zal het warme water
naar boven stijgen zodat na enige tijd heel het proefbuisje opgewarmd is.
Hetzelfde gebeurt in een boiler, waar het warme water eveneens naar boven stijgt.
Daarom wordt het warme water steeds bovenaan de boiler afgetapt terwijl de koudwatertoevoer onderaan zit.
Convectie bij gassen
Indien je een licht velletje papier boven een radiator houdt, merk je dat dit papiertje beweegt.
Dit komt omdat de radiator de lucht opwarmt en deze warme lucht opstijgt.
Een bekende toepassing vindt men terug bij een warmeluchtballon.
De lucht in de ballon wordt met grote branders opgewarmd. De stijgkracht van de warme lucht zal
de ballon doen opstijgen.
II.5.4. AGGREGATIETOESTAND VAN EEN STOF
Een stof kan in drie aggregatietoestanden voorkomen.
Deze drie zijn: vloeibaar, vaste en gasvormige toestand.
De toestand waarin een stof zich normaal bevindt, verschilt van het soort stof.
Zo is water onder normale omstandigheden in vloeibare vorm terwijl de meeste metalen zoals staal,
koper, zink, enz. in normale toestand een vaste vorm hebben.
Vaste stoffen hebben een eigen vorm en een eigen volume.
Dit wil zeggen dat wanneer er geen al te grote kracht wordt uitgeoefend op de stof ze haar zelfde
vorm en volume blijft behouden.
Een stof in vloeibare toestand wordt gekenmerkt doordat ze een eigen volume heeft maar geen
eigen vorm.
Dit kan men duidelijk aantonen door een fles te vullen met water. Als men de fles schuin houdt dan
blijft het volume in de fles gelijk maar de vorm van de vloeistof verandert.
138
Een gas heeft geen eigen volume en geen eigen vorm. Dit is duidelijk aan te tonen door een gaskraan even te openen.
Het gas gaat zich onmiddellijk in het ganse lokaal verspreiden.
Gas heeft de eigenschap steeds te trachten om een zo groot mogelijk volume in te nemen, waaruit
volgt dat het volume en de vorm niet constant zijn.
II.5.4.1. VERANDEREN VAN AGGREGATIETOESTAND
Een stof kan in de drie aggregatietoestanden voorkomen:
– vast,
– vloeibaar,
– gas.
De aggregatietoestand waarin een stof zich bevindt is afhankelijk van de temperatuur en de druk.
Het meest bekende voorbeeld is dat van water.
N
RE
SE
N
DE
N
N
PE
O
Ook metalen die meestal in normale omstandigheden een vaste vorm hebben (uitzondering kwik) kunnen in vloeibare en
gasvormige toestand gebracht worden.
M
C
DA
R
VE
Water dat in normale toestand vloeibaar is
kennen we ook in vaste vorm als ijs en in
gasvormige toestand als waterdamp.
SUBLIMEREN
VERRIJPEN
DESUBLIMEREN
GAS
EL
TE
N
VLOEIBAAR
ST
O
LL
EN
SM
c°
VAST
II.5.4.1.1. Smelten
De overgang van vaste toestand naar vloeibare toestand noemen we smelten. Het smelten van ijs
is hiervan een bekend voorbeeld.
II.5.4.1.2. Stollen
De overgang van vloeibaar naar vaste toestand noemen we stollen.
Meestal gaat het stollen gepaard met een volumevermindering.
Het voor ons belangrijk element WATER vormt hierop echter een uitzondering.
Water zet uit bij het stollen.
139
water 50 °C
4 °C
vriespunt
– 30 °C
Zo bestaat er in de winter het gevaar dat het leidingwater zal bevriezen.
Met andere woorden de aggregatietoestand van het water verandert van vloeibaar naar vaste toestand waardoor het volume vermeerdert en de waterleiding kan barsten of scheuren.
De stollingstemperatuur kan door toevoeging van een andere stof gewijzigd worden.
Bekende voorbeelden zijn:
– het toevoegen van een antivriesmiddel aan het water in een zonneboiler;
– zeewater zal doordat het zout bevat minder vlug bevriezen dan zoet water;
– dieselolie zal bij vriestemperatuur stollen waardoor de brandstofleidingen kunnen verstoppen.
Daarom wordt er in de winterperiode een additief toegevoegd zodat de dieselolie zonder problemen
kan gebruikt worden tot – 20 °C.
II.5.4.1.3. Verdampen
De overgang van een vloeibare stof naar een gasvormige toestand noemen we verdampen.
Het verdampingsproces verloopt niet voor elke stof volgens hetzelfde patroon.
Ook voor eenzelfde stof in een bepaalde vloeibare vorm verloopt het verdampingsproces trager of
vlugger.
Ter verduidelijking enkele eenvoudige voorbeelden:
We vullen een schoteltje met een hoeveelheid water.
Dezelfde hoeveelheid water wordt ook in een proefbuisje gedaan.
Na verloop van tijd, bijvoorbeeld na een week, kunnen we vaststellen dat het water van het schoteltje volledig verdampt is terwijl in het proefbuisje nog steeds een hoeveelheid water aanwezig is.
Als we dit schoteltje opnieuw vullen met water en met behulp van een brander het water verwarmen
kunnen we vaststellen dat na enige tijd, bijvoorbeeld 5 minuten, het water verdampt is.
140
Met andere vloeistof zoals ether kunnen we vaststellen dat wanneer we een weinig van deze vloeistof op onze hand gieten de ether vrijwel onmiddellijk verdampt (koude gevoel aan de hand).
Butaan- en propaanflessen worden verkocht in diverse formaten: lage en hoge flessen.
Het spreekt vanzelf dat de hogere modellen een grotere inhoud hebben en dus een grotere hoeveelheid gas kunnen produceren = verdampen.
Nu bestaan er ook dikkere flessen die in tegenstelling met het normale formaat ∅ 300 mm een diameter hebben van 375 mm.
Onderstaande tabel maakt het verschil in debiet duidelijk.
Voorbeeld fles butaan van 300 mm
Omgevingstemp.
Gemiddeld haalbaar debiet in gram/uur in functie van de gebruiksduur
15 min
30 min
1 uur
2 uren
doorlopend
+ 5 °C
1.600
1.100
600
400
200
+ 15 °C
1.900
1.250
800
650
400
Voorbeeld fles butaan van 375 mm
Omgevingstemp.
Gemiddeld haalbaar debiet in gram/uur in functie van de gebruiksduur
15 min
30 min
1 uur
2 uren
doorlopend
+ 5 °C
2.200
1.500
840
560
280
+ 15 °C
2.700
1.750
1.100
900
560
BRON: FEBUPRO
Uit voorgaande voorbeelden onthouden we dat:
– een vloeistof kan verdampen bij kamertemperatuur;
– de verdamping gebeurt vlugger bij hogere temperatuur;
– de verdamping verloopt sneller naarmate het oppervlak van de vloeistof groter is;
– de éne vloeistof verdampt sneller dan de andere;
– de verdamping gebeurt nog sneller als de lucht boven de vloeistof door blazen ververst wordt.
II.5.4.1.3.1. Koken
Het verdampingsproces verloopt sneller indien de temperatuur verhoogt.
Een snelle verdamping noemen we koken. De verdamping gebeurt in de vloeistof zelf.
Bij het koken van water ontstaan er waterdampbellen.
Bij het bereiken van het kookpunt van het water stijgen deze dampbellen tot aan het wateroppervlak
en barsten open.
Tijdens het koken blijft de temperatuur constant. Deze maximumtemperatuur noemen we het kookpunt.
Het kookpunt is de temperatuur waarbij een vloeistof begint te koken en overgaat in gasvormige fase (damp).
Dit kookpunt is voor elke stof verschillend.
141
Voor water is het kookpunt bij atmosferische druk 100 °C.
Indien de druk op het vloeistofoppervlak hoger of lager is dan de atmosferische druk zal ook het
kookpunt hoger of lager zijn.
kooktemperatuur
95 °C
kooktemperatuur
100 °C
We spreken over een overdruk of een onderdruk. Zo kan men eenzelfde vloeistof bij hogere of
lagere temperaturen laten koken.
De normale kooktemperatuur van een vloeistof is de temperatuur waarbij deze begint te koken gemeten bij een druk van 1013 hPa (hectopascal).
Indien je in de bergen op grote hoogte bent waar de luchtdruk lager is dan de luchtdruk op zeeniveau
zal het kookpunt van water ook lager zijn.
Druk (hPa)
933
947
960
973
987
1000
1013
1027
1040
1053
1067
Kooktemperatuur °C
97,7
98,1
98,5
98,8
99,3
99,6
100,0
100,4
100,7
101,1
101,4
Kooktemperatuur van water bij veranderende druk
Enkele toepassingen
– De snelkookpan
Doordat deze pan hermetisch afgesloten wordt en er pas waterdamp kan uit ontsnappen bij een
hogere druk via een veiligheidsventiel zal tijdens het verwarmen van het water de druk in de pan
toenemen zodat er een overdruk ontstaat. Hierdoor zal het water pas koken bij bijvoorbeeld 110 °C.
Hierdoor kunnen dus hogere temperaturen bereikt worden.
– Verwarmingsinstallatie
Indien men een onderdruk creëert zal het water koken bij een lagere temperatuur.
Dit komt soms voor in een verwarmingsinstallatie die hydraulisch slecht ontworpen is zodat aan de
zuigzijde van de circulatiepomp een lagere druk ontstaat. Hierdoor kan het water bijvoorbeeld bij
90 °C zijn kookpunt reeds bereiken en zullen er dampbellen met een grote kracht uiteenspatten. Dit
geeft aanleiding tot beschadiging van de circulatiepomp.
We noemen dit verschijnsel cavitatie.
142
– Propaangas
Propaan is onder normale atmosferische druk in gasvormige toestand. Propaan wordt vloeibaar bij
een zeer lage temperatuur of onder hoge druk.
De kooktemperatuur van propaan bij 1013 hPa bedraagt – 42 °C. Vanaf een temperatuur hoger dan
– 42 °C zal het vloeibare propaan overgaan naar gasvormige toestand.
Propaan wordt in een stalen gasfles onder druk in vloeibare vorm opgeslagen.
Bij het openen van de gaskraan ontspant het gas en begint het vloeibare propaan te koken en ontstaat damp.
Om het vloeibare propaan om te zetten in gas is warmte nodig.
Gas
Warmte
Vloeibaar
propaan
Wanneer de vloeistof kookt, onttrekt ze warmte-energie aan de omgeving. Daarom zal de propaanfles koud aanvoelen en kan er zich ijs afzetten op de wand indien een grote hoeveelheid gas verbruikt wordt.
De druk in de propaanfles neemt toe met de temperatuur. Wanneer de temperatuur stijgt, neemt ook
de druk in de gasfles toe. Het vloeibare propaan zet uit waardoor het volume toeneemt.
Om te hoge druk in een gastank te voorkomen wordt er een veiligheidsklep voorzien om een eventuele overdruk veilig te laten ontsnappen.
II.5.4.1.3.2. Condenseren
De gasvormige toestand kan terug overgaan in een vloeibare toestand hetgeen men condenseren
noemt.
Tijdens het condenseren wordt warmte afgestaan aan de omgeving. Dit principe wordt bijvoorbeeld
toegepast bij een condensatieketel.
De warme rookgassen worden verder afgekoeld tot onder het dauwpunt zodat de waterdamp zal
condenseren en zijn warmte afgeven.
143
VOORBEELD
KOUD WATER
AANVOER
NTC 4
NTC 1
WARM WATER
NTC 3
SPIRAAL
ALU-WARMTEWISSELAAR
BRANDER
KIJKGLAS
ONTSTEEKPEN
VENTILATOR
GASBLOK
MCBA 1403
POMP
NTC 2
ROOKGASAFVOER
RETOUR
GAS
De unieke gas-luchtregeling zorgt
voor de optimale afstemming van de
gas-luchtverhouding voor het verbrandingsproces. Door het variëren van het
toerental van de luchtzijdig gemonteerde ventilator kan de branderbelasting traploos gemoduleerd worden
tussen 30 en 100 %. Het geheel zorgt
voor een hoog rendement en een lage
milieubelasting.
BRANDER
ONTSTEEKELEKTRODE
RESTRICTIE
GASTOEVOER
GASBLOK
LUCHTTOEVOER
VENTILATOR
BRON: RADSON
II.5.4.1.3.3. Sublimeren en verrijpen (desublimeren)
Om volledig te zijn moet er nog vermeld worden dat in sommige gevallen een stof direct van vaste
toestand kan overgaan in damp en omgekeerd.
Dit verschijnsel noemt men sublimeren en verrijpen (desublimeren).
Een voorbeeld hiervan is het ophangen van een vochtige doek in zeer koude buitenlucht.
Het gevolg hiervan is dat deze doek na enige tijd stijf bevroren is. Als men hem enkele dagen laat
hangen stellen we vast dat hij zacht en droog is.
Vermits door de aanhoudende vorst er geen water (vloeibare toestand) kon ontstaan is de enige
mogelijkheid het sublimeren.
144
II.6. GELUID
II.6.1. WAT IS GELUID?
Geluid is een snel wisselende drukgolf in een medium (lucht of water).
Het is de ervaring (gevoeld door het oor) van zeer kleine en snelle veranderingen van de luchtdruk.
Een stemvork wordt aangeslagen en produceert geluid.
Dit komt omdat door de trilling van de stemvork over- en onderdruk gecreëerd wordt in het omgevend medium lucht. De gecreëerde over- en onderdrukken zijn erg klein t.o.v. de atmosferische
druk.
De “constante” waarde is de luchtdruk van de atmosfeer (ongeveer 101.300 Pascal op zeeniveau,
ofwel 1013 hPa (hectopascal).
De luchtdruk van de atmosfeer veranderd langzaam, zoals te zien is op een barometer. Bij geluid
verandert de luchtdruk snel. De geluidsgolf neemt ook energie met zich mee, maar die energie is
heel gering.
Ruimtelijk bekeken gelijkt het verschijnsel op een golf. Je kan het vergelijken met een steen die in
een waterplas valt.
Hoe klein en snel zijn de wisselingen van de luchtdruk die geluid veroorzaken?
Als de snelle veranderingen van de druk tussen 20 en 20 000 keer per seconde voorkomen dan is
geluid hoorbaar (d.w.z. bij een frequentie tussen 20 Hz en 20 000 Hz, (Hz = Hertz is de eenheid van
frequentie).
De drukschommelingen bij geluid zijn zeer klein. Deze zijn soms maar een paar miljoenste van een
Pascal. Om die kleine drukverschillen te horen is het oor heel gevoelig.
Luider geluid wordt veroorzaakt door grotere wisselingen in de druk.
Een geluidsgolf van 1 Pascal zal bijvoorbeeld heel hard klinken, mits de meeste geluidsenergie in de
middenfrequenties zit (1 kHz – 4 kHz).
In dit frequentiegebied is het menselijke oor het gevoeligst.
Het zachtste geluid dat iemand kan horen van een 1 kHz geluidsgolf is ongeveer 20 micropascal.
Dat heet de geluidsdrempel.
II.6.2. WAT MAAKT LUCHTGELUID?
Geluid wordt gemaakt als de lucht op één of andere manier wordt verstoord, bijvoorbeeld door een
trillend object; door de luidsprekerconus van een gewone hifi installatie bijvoorbeeld.
Het is mogelijk om de beweging van een basluidspreker met het blote oog te zien, mits er zeer laagfrequent geluid uit komt. De conus beweegt heen en weer. Als de conus naar voren beweegt, dan
wordt de lucht ervoor samengedrukt. De luchtdruk wordt dan vlak voor de conus iets hoger. Als
daarna de conus weer naar achter beweegt, dan wordt de luchtdruk iets lager.
De pakketjes met dikkere en dunnere lucht bewegen zich van de luidspreker af. Ondertussen blijft
de conus heen en weer bewegen. Zo ontstaat een geluidsgolf met om en om een hoge en een lage
druk, die van de conus af beweegt. De snelheid van deze golf is de geluidssnelheid.
145
II.6.3. WAT IS DECIBEL (dB)?
De decibel is een logaritmische eenheid die bij meerdere disciplines van de natuurkunde wordt gebruikt, dus niet alleen bij geluid.
Voorbeelden zijn de Richter-schaal voor aardbevingen, en de zuurtegraad (pH) van vloeistoffen.
Een logaritmische schaal wordt gebruikt om de grootheid te vergelijken met een referentie waarde,
vaak met de kleinste mogelijke waarde die kan voorkomen.
Door de logaritmische schaal te gebruiken, worden de grafieken redelijk klein en zodoende gemakkelijker leesbaar. Bijvoorbeeld geluidsniveau in lucht varieert 0 dB (de gehoordrempel) tot 120 dB
(de pijngrens).
In de akoestiek wordt de decibel meestal gebruikt om geluidsdruk in lucht te vergelijken met een
referentie druk.
Als referentiedruk wordt de gehoordrempel gebruikt. Dat is internationaal afgesproken zodat iedereen er zich aan houdt.
Voor geluid wordt om de volgende redenen de decibelschaal gebruikt:
Geluid heeft een enorme bandbreedte, van 10-5 (0,000 01) Pascal tot 10+5 (100 000) Pascal of nog
meer.
Ook in water is dat het zo. De geluidsdruk van een onderzeeër kan acht ordes van grootte variëren,
afhankelijk van de richting.
II.6.4. HOE WORDT GELUID GEMETEN?
Voor geluidsmetingen wordt een geluidsniveaumeter gebruikt.
Deze bestaat uit een gevoelige microfoon, een versterker en een wijzer (tegenwoordig meestal een
LCD scherm).
Hiermee wordt direct de decibelwaarde van de geluidsdruk afgelezen, de “Sound Pressure Level”.
II.6.5. HOE WERKT HET OOR?
Vanuit de buitenlucht komt het geluid op het trommelvlies terecht. Dat gaat hierdoor een beetje trillen. Het trommelvlies zit tussen het gehoorkanaal en het middenoor.
In het middenoor liggen 3 kleine botjes (hamer, aambeeld, stijgbeugel) tussen het trommelvlies en
het ovale venster van het binnenoor. Deze botjes brengen de bewegingen van het trommelvlies over
naar het ovale venster.
binnenoor
middenoor
evenwichtsorgaan
slakkenhuis
buis van
Eustachius
146
trommelvlies
oorschelp
stijgbeugel
hamer
aambeeld
Het binnenoor wordt slakkenhuis genoemd vanwege zijn spiraalvorm. Het slakkenhuis is gevuld met
vloeistof en is ongeveer 4 cm lang. In het slakkenhuis zit het basilair membraan, waarop meer dan
10.000 haarcellen zitten. De haren van deze cellen gaan door de geluidsgolven in de vloeistof van
het slakkenhuis bewegen en vertalen deze beweging in elektrische zenuwsignalen. De zenuwsignalen worden door de gehoorzenuw naar het gehoorcentrum in de hersenen doorgegeven.
De haarcellen kunnen door te hoge geluidsdoses onherstelbaar beschadigd geraken, met blijvende
gehoorstoornis of doofheid tot gevolg.
Slakkenhuis
Onbeschadigde haarcellen
Beschadigde haarcellen
II.6.6. RICHTING VAN HET GELUID
De twee oren waarover de mens beschikt zijn voldoende om te bepalen waar een geluidsbron zich
bevindt.
Als een geluidsbron zich bijvoorbeeld aan de rechterkant bevindt, komt het geluid eerder in het
rechteroor aan dan in het linkeroor. De mens gebruikt dat verschil in aankomsttijden om de geluidsbron te lokaliseren.
Daarnaast speelt het verschil in geluidssterkte een rol. Geluid van rechts komt zwakker door in het
linkeroor, omdat het hoofd in deze situatie als een soort geluidsscherm fungeert. Meestal kan door
deze verschillen in waarneming tussen het linker- en rechteroor worden vastgesteld hoever links of
rechts een geluidsbron zich bevindt.
Het onderscheid tussen voor, achter, boven en onder is lastiger. Zo komt bijvoorbeeld het geluid dat
recht van voor komt gelijktijdig en even luid aan in beide oren. Voor een geluidsbron recht achter
geldt precies hetzelfde. Toch kan de mens ook deze richtingen waarnemen voor veel soorten geluid,
bijvoorbeeld spraak. Het geheim schuilt in de grillige asymmetrische vorm van de oorschelp.
De manier waarop het geluid in de oorschelp wordt gereflecteerd is door de onregelmatige vorm
sterk afhankelijk van de richting van het geluid. Bij geluid dat recht van voor komt, kunnen daardoor
bepaalde hoge tonen versterkt worden, en andere juist verzwakt.
Bij geluid uit een iets andere richting kan dat precies andersom zijn.
Elke richting heeft zo zijn eigen karakteristieke reflecties in de oorschelp.
Vooral bij hoge tonen is dit richtingseffect sterk. Bij de verwerking van het geluid in de hersenen
worden de karakteristieke versterkingen en verzwakkingen gebruikt om de richting vast te stellen.
147
II.6.7. VEILIGHEIDSNORMEN
Het wordt sterk aanbevolen geluidsniveaus boven 100 dB te vermijden. In een disco kan het geluid
makkelijk boven de 100 dB uitkomen!
Gebruik gehoorbeschermers bij geluidsniveaus boven 85 dB, vooral als u langere tijd (meer dan een
uur) aan lawaai wordt blootgesteld. Schade door lawaai wordt steeds erger en is niet omkeerbaar of
te genezen. Ook kunnen door hoge geluidsniveaus oorsuizingen ontstaan, die zeer hinderlijk zijn.
Er zijn sterke aanwijzingen dat hoge geluidsniveaus over lange tijd ondergaan, tot een stijging in het
aantal hart- en vaatziekten kunnen leiden.
Vanwege het enorme aantal personen, blootgesteld aan geluidsniveaus boven de 65 dB, is het risico
voor de volksgezondheid niet te verwaarlozen.
Enkele voorbeelden
Decibel (dB)
0
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
180
148
Beleving
Voorbeelden
Hoordrempel
Net hoorbaar
Ademhaling, vallend blad
Erg stil
Rustig
Indringend
Hinderlijk
Zeer hinderlijk, gehoorsbeschadiging na 8 u.
Zeer luid
Radiostudio, boomblaadjes in de wind
Zacht gefluister
Huiskamer, rustig kantoor
Regen, koelkast, in het bos
Airco, vaatwasser, wasdroger
Scheerapparaat, stofzuiger
Haardroger, zwaar verkeer, deurbel, telefoon
Bulldozer op 15 m, tractor, gillend kind, vrachtwagen
Extreem luid
Vuurwerk, metro, machine in fabriek, dancing, straaljager
op 300 m
Rockconcert, disco, straaljager op 90 m
Startend vliegtuig op 70 m, kettingzaag,
Donderslag, luchtalarm
Pijngrens
Permanente
gehoorschade
Rockconcert vlakbij luidsprekers
Vuurwerk vlakbij, geweerschot
Onherstelbare
gehoorschade
II.6.8. GELUIDSSNELHEID
Lucht
De geluidssnelheid in lucht bij een temperatuur van 0 °C en 50 % relatieve vochtigheid is
331,6 m/s. Dat is gelijk aan 1194 km/uur.
Omdat de snelheid toeneemt als de temperatuur hoger wordt, is de geluidssnelheid ongeveer
12 m/s groter bij 20 °C.
De geluidssnelheid kan beïnvloed worden door de snelheid van de wind.
Water
De geluidssnelheid in water is ongeveer 1450 m/s (5166 km/uur), veel hoger dan in lucht dus.
Het geluid beweegt zich voort in een golfbeweging.
De tussenstof waarin het geluid zich voortplant neemt zelf deel aan deze golfbeweging. Daarom is
de snelheid van het geluid afhankelijk van de tussenstof.
Snelheid van het geluid
Drager
Lucht
Water
Snelheid
331,6 m/s
1 450 m/s
II.6.9. ISOLATIE, ABSORPTIE
Geluidsoverdracht wordt veroorzaakt doordat lucht of een constructie in trilling wordt gebracht.
Luchtgeluid
Als lucht in trilling wordt gebracht, bijvoorbeeld door een radio of een instrument,
hebben we het over luchtgeluid.
Contactgeluid
Wanneer een constructie in trilling wordt gebracht, bijvoorbeeld door het lopen op
een harde vloer of door leidingen stromend water, spreken we over contactgeluid.
Een veel voorkomend probleem is dat luchtgeluid via kieren en spleten makkelijk kan worden overgedragen naar een naastliggende ruimte.
Soms kan het probleem worden verholpen door de openingen dicht te maken. In de meeste gevallen
komt er echter nog een minder directe overdracht van geluid voor, waardoor afdichten niet voldoende is.
Als het luchtgeluid namelijk tegen de bestaande bouwdelen komt, kunnen deze de trillingen opnemen en aan de andere kant weer in de vorm van geluid afgegeven.
De termen “geluidsisolatie” en “geluidsabsorptie” werken vaak verwarrend.
Geluidsisolatie zorgt ervoor dat geluid niet van de ene plek naar de andere plek kan komen. Er is
bijvoorbeeld geluidsisolatie tussen twee appartementen in een flatgebouw.
Ook is er geluidsisolatie tussen buiten en binnen een woning. Zware materialen zoals beton of
metselwerk zijn het meest effectief om geluid te isoleren.
Een verdubbeling van de oppervlaktemassa zal de geluidsisolatie met ongeveer 6 dB verbeteren.
Een nog betere geluidsisolatie kan men bereiken met een dubbele wandconstructie.
Deze twee wanden moeten dan wel los van elkaar staan en mogen geen contact met elkaar
maken.
149
Door een goede geluidsisolatie wordt het geluid teruggestuurd naar waar het vandaan kwam. Geluidsisolerende materialen zijn dus zwaar, en zijn helemaal luchtdicht.
Dubbele wandconstructie
Zwevende vloer
randisolatie
vloerisolatie
lege ruimte
Voor contactgeluid geldt eigenlijk hetzelfde. Ook hier geeft het in trilling gebrachte bouwdeel aan de
andere kant weer geluid af.
We spreken van een flankerende geluidsoverdracht als het lucht- of contactgeluid door de in trilling
gebrachte bouwdelen via aansluitende constructies op verder gelegen locaties wordt overgedragen.
Wanneer trillingen eenmaal door een vaste constructie zijn opgenomen, kunnen ze een langere weg
afleggen dan door de lucht. Zo kan de komst van een trein lang van te voren worden voorspeld door
simpelweg een oor op de spoorrails te leggen.
Het is dus altijd belangrijk te voorkomen dat bestaande constructies trillingen opnemen!
Een aantal natuurkundige factoren helpt bij de reducering van geluidsoverdracht. Zo is een constructie met een grote massa moeilijker in beweging te krijgen, terwijl een flexibele constructie trillingen
dempt. Met dergelijke zaken moet men rekening houden bij het verbeteren van de geluidsisolatie.
De geluidsisolatie van een constructie is te verbeteren met een goed uitgevoerde ‘buigslappe’ voorzetwand, een ‘zwevende’ vloer, een ‘vrij hangend’ plafond of een ‘zwevend’ dak.
Geluidsabsorptie treedt op als geluid een materiaal tegenkomt dat de beweging van de luchtdeeltjes omzet in warmte.
Hierdoor verdwijnt het geluid gedeeltelijk.
Geluidsabsorberende materialen zijn over het algemeen licht van gewicht en hebben een open constructie (je kan er doorheen blazen).
Een geluidsabsorberend materiaal kan op twee manieren gebruikt worden:
1. Om het geluid in een ruimte te verminderen. Bijvoorbeeld gordijnen en tapijt in een kamer verlagen
de galm en het holle geluid.
2. Om de isolatie van een dubbele wandconstructie te verbeteren. Bijvoorbeeld steenwol tussen twee
aanpalende woningen.
Voorbeelden van geluidsisolerende materialen: beton, dubbel glas (enkel glas is minder effectief), metselwerk, hout (zonder kieren).
Dit zijn harde materialen.
Voorbeelden van geluidsabsorberende materialen: gordijnen, tapijt, steenwol, stoffen stoelzittingen (leer niet!), gaatjesplafonds.
Dit zijn zachte materialen.
150
II.6.10. LUCHTGELUID, CONTACTGELUID
In hydraulische leidingen onderscheiden we in principe twee verschillende geluidsbronnen:
– slaggeluid,
– stromingsgeluid.
• Slaggeluid: Slaggeluid ontstaat door stromend water dat tegen de buiswand botst in richtingsveranderingen. De toename van het geluidsniveau bij grotere bouwhoogten kan verwaarloosd
worden.
• Stromingsgeluid: ontstaat door stromend water in een leiding. Vandaar dat de watersnelheid in
een waterleiding niet groter mag zijn dan 1m/s in een woonruimte en 1,5 m/s in een niet bewoonde
ruimte (bv. magazijn).
We weten nu hoe hinderlijk geluid kan zijn en hoe het wordt overgedragen op de omgeving. Hoe
kunnen we nu in een sanitaire installatie bij het ontwerp en de uitvoering rekening houden met deze
kennis?
BRON: GEBERIT
1. Door een doordachte materiaalkeuze
Buismateriaal met een dikke wanddikte zal het geluid minder doorlaten.
(Bijv. Geberit Silent PE afvoersysteem)
Geluidsisolerende beugels
en bevestigingsmateriaal
Luchtgeluidsisolatiemateriaal en contactgeluidsisolatiemateriaal
151
2. Door een doordachte en vakkundige plaatsing
Zo weinig mogelijk richtingsveranderingen aanbrengen en uiteraard de juiste diameter voorzien,
d.w.z. niet te klein maar ook niet te groot. Beide hebben een nadelige invloed op het geluid
(watersnelheid en turbulentie).
Buizen ontbramen om waterturbulenties in de leidingen te vermijden.
Doorvloeiingen van soldeer in de buis vermijden (vorming van soldeertranen binnen in de buis).
Beugeling met contactisolerende eigenschappen gebruiken.
Geen rechtstreekse verbinding of aanraking met de bouwconstructie maken
152
handboeken
De sanitair installateur
•• Overzicht beschikbare handboeken
•• Tekenen: conventies, normen, symbolen en
definities
•• Aanleg van waterleidingen
•• Tekenen: planlezen voor de sanitair installateur
•• De sanitair warmwaterbereiding
•• Leidingen in lood
•• Leidingen in koper
•• Leidingen in gietijzer
•• Sanitair kraanwerk
•• Brandweerleidingen en sprinklers
•• Waterafvoer
•• Leidingen in staal
•• Gas : Van oorsprong tot distributie - De
binneninstallatie
•• Kunststoffen: algemeen
•• De verbranding van gas
•• Leidingen in PVC-U, PVC-C
•• Gas : De huishoudelijke toestellen - Ventilatie en
schoorstenen
•• Leidingen in PE, VPE, sandwichbuis
•• Leidingen in PPR, sandwichbuis
•• Leidingen in ABS, PB
•• De sanitaire toestellen
•• Aanverwante technologieën
•• Leidingen in gresbuis
•• Elektriciteit voor de sanitair installateur
•• Het bereiden van drinkwater - Waterbehandeling
en drukverhoging
•• De sanitair installateur - Lege klasseermap
•• Scheikunde en fysica voor de sanitair installateur
Fonds voor Vakopleiding in de Bouwnijverheid

Scheikunde 001-036.indd

Transcription

Similar documents

Onze nieuwe kracht- patsers

turkey as an energy corrıdor between the east and

VARIOTEC 480 EX - EURO

T 0 /T

1 - Vrije Universiteit Brussel

29/08 PACT Environmental hazards

Fumex Algemeen

Selectie PSD - Carrier Airconditioning

Net van de toekomst - Netbeheer Nederland

Energietrends 2014 - Netbeheer Nederland

Colofon: - Varkensloket

Colorcoat HPS200 Ultra - SAB

Rapport Energie in Nederland 2011

Flat Carbon Europe - ArcelorMittal Europe

Bronnen eindronde - Aardrijkskunde Olympiade

aarding, overspannings

Renoveren met Sandwichpanelen

DecoNova catalogus 2014

De wetenschappelijke handleiding voor “global

Warmtepompen voor woningverwarming

Umicore en u! - Umicore Precious Metals Refining

OV 3 2016.indd - Offshore Visie