Radiator vullen met olie of water

Rob stelde deze vraag op 07 december 2024 om 20:14.

Stel ik wil een radiator vullen met een vloeistof en deze vloeistof elektrisch verwarmen. Nu weet ik dat olie meer voordelen heeft t.o.v. water maar het gaat mij er in dit geval om dat de radiator zo snel mogelijk opwarmt en afkoelt.

Olie heeft een lagere warmtecapaciteit dan water, dus ik zou zeggen de radiator sneller op temperstuur is als je hem vult met olie. Maar waar ik dan weer van in de war raak is de warmtegeleidingscoefficient van de 2 vloeistoffen: 0,60W/m.K voor water en 0,15W/m.K voor olie. Water geleidt dus een heel stuk beter warmte dan olie.

Nu heb ik hier wel vaker moeite mee om te begrijpen dat een stof met een lagere warmtecapaciteit ook een lagere warmte geleidingscoefficient kan hebben. Ik weet dat het twee hele verschillende dingen zijn, maar toch.

Heeft de warmtegeleidingscoefficient van de vloeistoffen invloed op de tijd dat de radiator op tenperatuur is in deze situatie? Wanneer het vermogen van het warmte element en het volume uiteraard hetzelfde is?

Hoe kan het dat een stof die meer warmtecapaciteit heeft, dus minder snel op temperatuur is dan een stof met een lagere warmtecapaciteit, toch beter zijn in het geleiden van warmte?

Alvast bedankt

Reacties

Theo de Klerk op 07 december 2024 om 21:11

Wat jij "warmtecapaciteit" noemt heet "soortelijke warmte". Capaciteit wordt gebruikt voor een compleet systeem (bijv. alle olie, olie plus radiatoren, olie plus vat of wat dan ook).

De geleidingscoefficient is van belang als energie van een hetere omgeving naar een koudere moet stromen.  

Dus bij een container met hete lucht die wordt omgeven door een olielaag zal de hete lucht zijn energie met de geleidingscoefficient voor olie vanuit de container via de olie naar buiten laten stromen.

Wat jij wilt is olie als warmtemedium gebruiken. De geleidingscoefficient van olie is dan niet erg van belang (wel tijdens het opwarmen ervan, omdat de olie de warmte aan andere olie-delen moet doorgeven tot uiteindelijk alles heet is) - je wilt die warmte door het metaal van de radiator doorgeven aan de lucht buiten de radiator. En in dat geval maakt het niet uit of je 90 graden heet water of 90 graden hete olie laat uitstralen.  Alleen zal een liter olie van 90 graden minder energie bevatten dan 1 liter van 90 graden water. Bij uitstraling door de radiator zal de olietemperatuur dus sneller dalen dan dat van water. Het moet (voor een gelijk effect) sneller rondgepompt worden. In de CV ketel zal het ook weer sneller op temperatuur zijn omdat de soortelijke warmte kleiner is (ca 2000 J/kgK) als dan van water (4186 J/kgK). 

Dus de snelheid om op temperatuur komen (geforceerd stoken) zal voor een (vloei)stof vooral van diens soortelijke warmte afhangen, niet van zijn geleidingscoefficient. 

Ik denk dat soortelijke warmte en geleidingscoefficient niet altijd gekoppeld zijn. Voor water en olie (volgens wikipedia):

De geleiding hangt wel van de dichtheid af (hoe dichter, hoe korter de afstand tot buur-atomen en dus meer kans om energie tussen atomen door te geven) maar ook van de vrije elektronen (vooral in metalen) die veel sneller energie kunnen doorgeven dan het trillen van atoomkernen (vergelijking maar beperkt geldig maar vergelijk een vliegreis met een treinreis naar dezelfde bestemming als geleiding van start- naar eindpunt). De soortelijke warmte is hoger naarmate atomen moeilijker tot meer trillen te brengen zijn (omdat ze sterk aan elkaar gebonden zijn).

Rob op 08 december 2024 om 09:56

Thnx, ik had me niet beseft dat er een verschil zat tussen soortelijk warmte en warmtecapaciteit. 

Mijn volgende vraag dan:

Als je een blok hout laat liggen in een sauna van 80°C. Je wacht tot hij op temperatuur is, uiteindelijk wordt hij ook 80°C. Nu kan ik het blok hout gewoon aanraken, terwijl je dit bij een blok metaal niet zou kunnen. Komt dit door de kleinere soortelijke warmte, of door de kleinere warmtegeleidingscoefficient van hout?

Ik vermoed zelf beide, maar ik ben benieuwd wat jij er van vind.

Rob op 08 december 2024 om 10:02

En toch nog even over de olie/water radiator.

Olie heeft dus ongeveer de helft aan soortelijke warmte als dat van water. Maar geleidt dus ook 4x zo slecht warmte?

Dus als ik de olie in een radiator met een x vermogen ga verwarmen, wordt de olie dan 2x sneller warm dan water, door zijn kleinere soortelijke warmte of juist langzamer omdat hij de warmte 4x zo slecht doorgeeft aan zichzelf?

Ik weet dat olie sneller op temperstuur is, maar ik snap nog steeds niet dat het toch sneller op temperstuur kan zijn terwijl het maar 25% van de warmte door kan geven als dat van water...

 

Jan van de Velde op 08 december 2024 om 10:13

dag Rob,

Dat punt van die geringere geleidingscoëfficiënt doet weinig terzake in vloeistoffen, mits die in niet al te kleine ruimtes zitten. Transport van warmte vindt in vloeistoffen vooral plaats via stroming.  

Opwarmende vloeistof zet uit, krijgt daarmee een geringere dichtheid, en zo drijft boven het verwarmingselement de hete vloeistof omhoog om langs de buitenkant, waar het afkoelt, krimpt en weer een grotere dichtheid krijgt, weer naar beneden te zakken. 

Die circulatie zorgt voor een prima warmte-overdracht. 

Overigens, we noemen die dingen wel olieradiatoren, maar daar zit geen olie (die bruinzwarte smeerboel) in. Bijna altijd is dat een mengsel van hoofdzakelijk water en glycol. 

Groet, Jan

Theo de Klerk op 08 december 2024 om 14:09

Ter illustratie van Jans opmerking:

De pijpen tussen CV ketel en radiatoren worden in koude ruimtes juist geisoleerd door ommanteling om de geleiding van de pijp naar de koude (kelder)ruimte te voorkomen. Afstaan van warmte moet zoveel mogelijk tot de radiator beperkt blijven.  Daar staat het hete medium warmte af aan de lucht (die gaat circuleren - al dan niet door ventilatoren geholpen). De afgifte gaat door de (dunne) radiatorwand van metaal. Daar speelt geleiding door het metaal een rol. Bij de rest is het vooral convectie. En bij de opname (CV ketel)/afgifte (radiator) van warmte speelt de soortelijke warmte de grootste rol.

Rob op 10 december 2024 om 06:05

Bedankt voor de info. Toch is mij 1 ding nog steeds niet helemaal helder.

Als we niet kijken naar circulatie, als we bijvoorbeeld een dunne buis van een meter gevuld met olie aan een kant van de pijp gaan verwarmen. Wordt de andere kant van de pijp dan sneller warm met olie door zijn lagere soortelijke warmte, of door water omdat het de warmte beter geleid?

 Nu zit er in de pijp natuurlijk minder gewicht aan olie dan aan water, maar dit zal niet de helft schelen... de thermische geleidbaarheid van water was wel 4x hoger...?

Theo de Klerk op 10 december 2024 om 09:36

je blijft dezelfde fout maken: geleiding speelt geen rol. Convectie is het toverwoord. Dus dat negeren we niet. 80 graden water of 80  graden olie doen het even goed. Alleen zal olie sneller vervangen moeten worden omdat het eerder afkoelt.

Vergelijk het met goederentreinen die van CV naar radiator rijden. Twee treinen hebben evenveel wagons met kolen (energie) maar in de ene trein hebben de wagons maar de helft van het volume van de wagons van de andere trein. Welke trein moet vaker rijden om 50 000 kg bij station Radiator af te leveren? En als ze in dezelfde tijd klaar moeten zijn, wie moet dan harder rijden? (snellere convectie)

Rob op 10 december 2024 om 10:26

Ik snap je voorbeeld, maar wanneer speelt geleiding van een vloeistof dan wél een rol? Kun je daar dan een voorbeeld van geven?

Theo de Klerk op 10 december 2024 om 11:00

Dat is al eerder gezegd maar blijkbaar niet overgekomen. Het speelt alleen een rol in niet bewegende zaken. Een lepel in heet water die langzaam ook bij het handvat heet wordt. Een metalen of stenen wand die aan de ene kant warm is (of verhit wordt) en daardoor de andere kant ook warm wordt (zoals energieverlies door buitenmuren in huizen of opwarming van een braadpan vanaf de onderkant). Bij een buis geheel gevuld met water of olie, die aan het linker uiteinde wordt verhit, zal olie aan dit uiteinde eerder een hoge temperatuur krijgen dan water vanwege de kleinere soortelijke warmte. Vervolgens zal die temperatuur zich doorzetten naar het andere uiteinde (via geleiding) en daarmee energie (warmte) transporteren. De vloeistof in de buis zal toch convectie gaan vertonen binnen de buis. Maar met alleen geleiding zal het energietransport met P ∝ λ ΔT gaan. Olie warmt eerder op (grotere ΔT) maar geleidt slechter (kleinere λ). Wie van de twee, olie of water, gaat winnen zou ik moeten gaan narekenen (en is geen sinecure).

Een blok ijs van -100  graden celsius in een vat opwarmen onderop doet de warmte maar langzaam naar boven bewegen. Maar op moment dat de bodem gaat smelten ontstaat vloeistof onderop en wordt die door convectie snel overal even warm. Het nog niet gesmolten deel zal door geleiding van beneden naar boven temperaturen hebben tussen 0 en -100. Alle water (eerst 1mm, dan 1 cm en steeds grotere laag) is 0 graden. (totale volume neemt iets af omdat ijs meer ruimte inneemt dan dezelfde hoeveelheid water).

Vloeistofmoleculen bewegen en er zal naast geleiding ook stroming (convectie) optreden om warmte te verspreiden. Daardoor krijgt een vloeistof sneller overal dezelfde temperatuur dan een steen of een blok ijs.

De cv ketel warmt het water op. Vooral convectie doet dit efficient. Als het in de radiator gepompt wordt dan geleidt de warmte door de metalen wand ervan, warmt de lucht op die vooral door convectie de kamer opwarmt.

Geleiding speelt alleen een rol bij doorgifte door vaste stoffen. Het speelt een kleine rol bij vloeistof/gassen: hun bewegelijkheid door convectie is veel efficienter voor warmte transport.

Vergeet dus geleiding in vloeistoffen bij kachels. Geleiding is alleen belangrijk bij de radiatorwand: indien ideaal geisoleerd zou een radiator geen warmte afstaan en alle warmte weer terug bij de cv ketel komen. Die dan afslaat omdat niets opgewarmd hoeft te worden.

 

Plaats een reactie

+ Bijlage

Bevestig dat je geen robot bent door de volgende vraag te beantwoorden.

Clara heeft vierentwintig appels. Ze eet er eentje op. Hoeveel appels heeft Clara nu over?

Antwoord: (vul een getal in)