Speicherofen Wieviel Wärmeenergie (in kJ und kWh) sind
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TG 5 2 1 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Speicherofen Wieviel Wärmeenergie (in kJ und kWh) sind notwendig, um einen Elektroofen mit Magnesitsteinen von 106 kg auf die Btriebstemberatur von 600 °C zu brin-gen? Die Umgebungstemperatur sei 20°C. 68'858kJ 19,13 kWh Heizwiderstände Aus Konstantan Elektrospeicherofen mit Magnesitsteinen www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 2 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Warmwassererwärmer Wieviel Energie (in kJ und kWh) sind notwendig, um in einem Boiler von 300 Li-ter Inhalt mit 10°C Leitungswasser auf 65°C zu bringen? 19 ,16 kWh Heizwiderstände Aus Konstantan Warmwassererwärmer (Wand-Boiler) www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Stromsparen ohne Komforteinbusse Berechnungen und Massnahmenkatalog auf der Rückseite. Schweizer Familie 1/2007 Frage 1 Wie viele Warmwassererwärmer, mit einem Inhalt von 300 Liter, könnten mit der eingesparten Energie aufgeheitzt werden? Weitere Überlegungen sind erlaubt und können im Klassenverband diskutiert werden. Frage 2 Welche weiteren Massnahmen könnten in betracht gezogen werden, damit weniger elektrische Energie verbraucht würde. Jeder soll sich eine weitere Massnahme überlegen, bei welcher weniger Energie verbraucht werden könnte. www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 3 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Stromsparen ohne Komforteinbusse www.ibn.ch Beschreibung siehe Vorderseite 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 9 4 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN HEIZWERT Wasser erwärmen 30 Liter Wasser beziehungsweise 30 kg sind von 12°C auf 85°C zu erwärmen. Welche Wärmemenge Q in kJ und kWh ist dem Wasser zuzuführen? www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 5 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Tauchsieder Mit einem Tauchsieder P = 250W soll 1 Liter Wasser von 15°C erwärmt werden. Welche Temperatur hat das Wasser nach 4 Minuten, wenn die Verluste 30% betragen. c= www.ibn.ch ϑ = 25°C 4'190J kg ⋅ K 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 6 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Wassererwärmer Der Inhalt eines 30 Liter Heisswasserspeichers soll in 24 Minuten von 18°C auf 60°C erwärmt werden. Der Wirkungsgrad des Gerätes beträgt 90%. Berechnen Sie die Leistungsaufnahme des Heisswasserspeichers. c= P = 4 ,07 kW 4 ,19kJ kg ⋅ K Panzerheizkörper Rohrheizkörper www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 7 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Maschinenöl Welche Wärmemenge ist erforderlich, um 240 Liter Maschinenöl [c = 1,68 kJ/(kgK), γ = 0,93 kg/dm3] von 15 °C auf 32 °C zu erwärmen ? www.ibn.ch 6 ,375 MJ ∆ϑ =ˆ ∆T 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 8 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Reisetauchsieder Ein Reisetauchsieder 230 V / 300 W nimmt einen Strom von 1,304 A auf. Das Kaltwasser aus dem Leitungssystem beträgt 10°C a) Berechnen Sie den Widerstand der Heizspirale. b) Welche Leistung hat der Tauchsieder bei 230V? c) Wie lange dauert die Aufheizung von 3 dl Wasser auf 65°C, wenn die Verluste vernachlässigt werden? d) Derselbe Tauchsieder ist auch in einem Reiseland mit 110 V Spannung verwendbar. Welche Leistung ist bei dieser Nennspannung zu erwarten? e) Wie lange dauert die Aufheitung von 3 dl Wasser bei 110 V Spannung? f) Wer findet eine einfache Formel für die Berechnung der Zeitänderung bei Spannungsänderung (Relativ und in Prozent)? g) Wie würden sich die Werte verändern, wenn der Tauchsieder den doppelten Strom ziehen würde? R = 176 ,4 Ω P1 = 68 ,63 W t = 229 ,9 s P2 = 15 ,68 W 300W-Tauchsieder www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 9 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Friteuse Ein Elektrofriteuse 2,25 kW / 230 V hat 8 Liter Öl Füllvermögen. Wie lange dauert die Erhitzung des Ölinhaltes ( ρ Öl = 0 ,68 kg / dm 3 ) von 20°C auf 170°C ( c = 1,67 kJ / kg°C )? www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 10 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Elektrisches Hot-Dog-Gerät Ein Hot-Dog-Gerät soll auf 60°C gehalten werden – dabei sind die Wärmeverluste 90%. Welche Energie wird pro Stunde verbraucht, wenn der gesamte Zylinder als Luftvolumen ( c = 1,03 kJ / kg °C , ρ Luft = 1,204 kg / m 3 ) gerechnet wird und 100g Wasserdampf pro Stunde verbraucht werden? www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 11 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Aufheizen einer Kupferplatte Eine kupferne Platte von 320 g , c = 0 ,389 kJ / kg °C , ρ = 8 ,9kg / dm 3 wird mit einem Heizelement von 120 W Leistung während 18 Minuten Wärme zugeführt. Berechnen Sie die Endtemperatur der Platte, wenn die Anfangstemperatur 20°C ist. Es kann mit einem Wirkungsgrad von 80% gerechnet werden. www.ibn.ch 825 ,9 °C 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 12 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Kleinwassererwärmer 10 12 77 ,53 °C Für einen 75l - 1,8kW -Boiler ist die Aufheizzeit in einer Werkvorschrift mit 4 Stunden angegeben. 9 8 13 5 14 4 11 6 7 Kaltwasserhahn Druckreduzierventil Rückschlagklappe Sicherheitsventil 3 15 2 1 Welche Erwärmung liegt diesen Angaben zugrunde, wenn mit einem Wirkungsgrad von 94% gerechnet werden kann ( c = 4 ,19 kJ / kg °C )? H D R S Hauptschalter Thermostat Zweite thermische Sicherung www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 13 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Bad aufheizen Zum Aufheizen eines Bades braucht es 10,07 kWh Energie. RE 5.21 50 cm a) Welche Wärmemenge in kJ entspricht dies? b) Wieviel Liter Wasser von 36,7°C entspricht dies ( c = 4,18kJ / kg °C )? 0, 5 00 20 m 36 '288 kJ 325 l 157 ,8l 167 , 2 l m m c) Das heisse Wasser aus dem Boiler ist 65°C warm. Welche Menge kaltes Wasser (10°C) und warmes Wasser wird benötigt, um die Badewanne 65% zu füllen? d) Welche Energie steckt in 157,8 Liter Wasser? www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 14 RE 5.22 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Schmelztiegel für Altgoldumwandlung Der Wärmebedarf für das Aufheizen eines Schmelztiegels ist 12MJ . a) Geben Sie den Aufheizenergiebedarf in kWh an! b) Wie gross ist der Eenergiebedarf in kWh, wenn 10kg Gold (20°C) mit diesem Tiegel geschmolzen werden (Die Energieverluste werden vernachlässigt)? c) Wieviel wiegen 1 kg Gold? d) Was kosten aktuell ein Goldvreneli? 3, 3kWh Goldvreneli Die 20 Franken Münze hat einen Durchmesser von 21mm und wiegt 6.45g C Au = 0,130kJ / kg °C q Au = 63kJ / kg ϑS = 1063°C rAu = 1650kJ / kg ϑV = 2970°C www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 15 RE 5.23 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Kabelrolle 2 Auf einer Kabelrolle befinden sich 50m Kupferkabel 3x1,5 mm ( ρ = 0,0175Ωmm 2 / m ). a) b) c) d) e) 420 kJ Welche Wärmemenge wird in einer Stunde im Kabel als Folge der Stromwärmeverluste frei, wenn die Stromstärke 10 A ist? Wieviel Wasser ( ∆ϑ = 55°C , c = 4,18kJ / kg °C ) könnte man mit diese Energie erwärmen? Wie warm würde ein Kupferdraht ( ϑ L = 20°C ), wenn die gesamte elektrische Energie ohne Verluste in Wärme umgesetzt würde? Wie gross ist der Spannungsverbrauch auf der Hinleitung? Wie gross ist der Spannungsabfall auf der Kabelrolle in Volt und Prozent ( U N = 230V )? PUR-Kabel-Rolle Kabelrolle mit FI-Schutzschalter, für erschwerten Baustelleneinsatz, Personenschutz-Stecker 30 mA schützt vor gefährlichen Stromunfällen, Trommelkörper Stahlblech, rostgeschützt verzinkt, auf besonders stabilem Tragegestell, elektrische Anschlüsse im Kunststoffkörper gekapselt, ergonomischer Handgriff mit Achse für perfekte Kabelführung beim Auf- und Abrollen, Überhitzungsschutz, Kontroll-Leuchte bei Überhitzung und Überlastung, 4 Steckdosen mit selbstschliessenden Deckeln, inkl. 50 m Kabel aus Polyurethan. www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 16 RE 5.31 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Wassererwärmung Welche Wärmemenge braucht es, um 250 Liter Wasser von 5° auf 62° zu erwärmen ( c = 4.19 kJ / kg °C )? www.ibn.ch 59 ,71 MJ 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 17 RE 5.32 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Erwärmung eines Stahlkörpers Die stählerne Form des Innenraums von einem Backofen ist 16kg ( c = 0,482kJ / kg °C ) und soll von 20° auf 250° erwärmt werden. 1773 ,8 kJ 17 ,81 kJ 4 , 266 kW a) Bestimmen Sie die diesen Zahlen entsprechende Wärmemenge für die Erwärmung des Stahlkörpers! b) Wieviel Energie ist notwendig um die Luft ( c = 1,005kJ / kg °C , ρ = 1,204kg / m 3 ) des Innenraums auf dieselbe Temperatur zu bringen? c) Welche Leitung muss der Backofen haben, damit die Endtemperatur in 7 min erreicht wird. d) Wie dick ist das Stahlblech () des Backofen-Innenraum (inklusive Türe), wenn die vorgegeben Energie aufgenommen wird? Der Backofen-Innenraum (400x400x400) ist aus emailliertem Stahlblech oder vereinzelt aus Edelstahl gefertigt. Katalytische Reinigungshilfe Durch die katalytische Beschichtung der Innenwände und/oder der Backofendecke erfolgt der Abbau von fetthaltigen Schmutzrückständen. Die Reinigung erfolgt durch ein Spezialemail bzw. eine Spezialkeramik, wobei in beiden Fällen die Oberfläche besonders rau und porös ist. Die vergrößerte Oberfläche bewirkt, dass sich Fettspritzer und -dämpfe großflächig auf dem Spezialemail verteilen (Löschblatteffekt). In der Oberfläche eingelagerte Metalloxide (Katalysatoren) lassen in Verbindung mit Luftsauerstoff und Hitze Fett oxidieren und in Wasser und Kohlendioxid zerfallen. Je höher die Temperatur, um so schneller und besser ist die Reinigung. Die Reinigung geschieht während des Backens und Bratens, wenn Temperaturen von mehr als 200 °C erreicht werden. Pyrolytische Selbstreinigung Bei der pyrolytischen Reinigung werden automatisch sämtliche Verunreinigungen im Backofen bei hohen Temperaturen verschwelt. Dies geschieht in einem gesonderten Programm. Danach müssen lediglich die veraschten Rückstände vom Benutzer mit einem feuchten Tuch entfernt werden. www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 18 RE 5.33 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Maschinenöl Wieviele kJ Wärme sind nötig, um 240 Liter Maschinenöl ( c = 1,68kJ / kg °C , 6375 kJ ρ = 0,93kg / dm 3 ) von 15° auf 32° zu erwärmen? www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 19 RE 5.34 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Flüsigkeiten im Vergleich Wieviele l der folgenden Flüssigkeiten können mit 1 kWh Energie um 1° erwärmt werden? in c kJ / kg °C ρ in kg / dm 3 Wasser 4,18 1 Maschinenöl 1,67 0,93 Glyzerin 2,43 1,27 Quecksilber 0,138 13,6 www.ibn.ch 861 , 24 l 2318 l 1167 l 1918 l 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 20 RE 5.71 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Induktive Hochfequenzerwärmung Die Ausgangsleistung eines Generators für induktive Hochfequenzerwärmung von Metallen sei 4kW . Welcher Wärmeleistung in kJ / h entspricht dies? 14 '400 kJ / h Wirbelstrom Der Name wurde gewählt, weil die Induktionsstromlinien wie Wirbel in sich geschlossen sind und keine festen Bahnen haben. Erwärmung Induktives Erwärmen von Metall (z. B. in Schmelzöfen, Induktionskochfeldern, zum induktiven Härten) nutzt ein magnetisches Wechselfeld. Wirbelstrombremse Dieser Effekt wird für die Wirbelstrombremse in Induktionszählern und zur Wirbelstromdämpfung in Messgeräten sowie bei Achterbahnen verwendet. Trafo und Motor (Induktion der Ruhe) Bei niedrigen Frequenzen werden in der Energietechnik keine Eisenkerne, sondern dünne isolierte Blechteile gestapelt und zusätzlich zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes mit Silizium legiert. Der hohe elektrische Widerstand setzt sich dem Wirbelstromfluss entgegen. Hochfrequenztechnik In der Hochfrequenztechnik werden Massekerne verwendet. Diese bestehen aus Eisenpulver, das sich in einem Isoliermaterial befindet. Gerne werden auch Ferritkerne verwendet, deren Widerstand so groß ist, dass keine Wirbelströme entstehen können. www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 21 RE 5.35 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE 150 Liter-Boiler Ein 150 l -Boiler ( c = 4,19 kJ / kg °C ), der auf 85° aufgeheizt ist, kühlt sich in 24 Stunden um 12,3° ab. Welche Wärmemenge in kJ und kWh gibt er in diesem Zeitraum an seine Umgebung ab? 7 '731 kJ Temperaturen von Warmwassererwärmern Von Warmwasser spricht man im Temperaturbereich von etwa 30 °C bis 60 °C, darüber hingegen von Heißwasser. Eine Wassertemperatur von 35 °C empfindet der Durchschnitt als handwarm, während bei 55 °C für Kinder schon die Gefahr der Verbrühung beginnt. Deshalb werden die Thermostatventile in Wohnungen meist auf eine Normaltemperatur von 40 °C eingestellt. Wichtig! Durch Reduzierung der Temperatur von Warmwasserspeichern kann der Energieverbrauch deutlich gesenkt werden. Direkt ersichtbare Nachteile ergeben sich dadurch in der Regel nicht, da dem Warmwasser in der Regel ohnehin Kaltwasser zugemischt wird. Es ist jedoch streng darauf zu achten, 60 °C nicht zu unterschreiten, da sonst die Gefahr der Vermehrung gefährlicher Legionellen besteht. Diese Bakterien können Lungenentzündungen oder grippeähnliche Erkrankungen (Legionärskrankheit, Pontiacfieber) verursachen. www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 22 RE 5.72 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Zentralspeicher-Elektroofen Ein elektrischer Ofen gibt 90MJ pro Stunde Wärme ab. 25 kW Wie gross ist die Leistung dieses Ofens in kW ? Varianten von Elektroöfen Direktheizung Die Direktheizung ist eine Elektroheizung mit vielen Varianten. Der Unterschied zu einer Speicherheizung ist, dass sofort Wärme erzeugt wird, wenn der Hausbesitzer die Heizung andreht. Direktheizung sind: − Konvektor, − Schnellheizer, − Natursteinheizung, − Flächenspeicherheizung, − Deckenstrahlungsheizung, − Bodenheizungen − Flächenheizung und − Infrarotheizung. Elektro-Feststoff-Zentralspeicher www.ibn.ch Funktionswichtige Teile sind der Speicherkern, das Luftumwälzsystem, der Wasserkreislauf und die Mikroprozessorsteuerung, die das Zusammenwirken der Komponenten nutzbringend und wirtschaftlich regelt. Je nach Witterung heizen Elektroheizkörper den Speicherkern im Maximum bis zu 650° C (Volllaufladung) auf. Die Aufladung wird mit Vorteil in den kostengünstigen Niedertarifzeiten getätigt. Ein drehzahlgeregelter Ventilator bläst Luft durch die Kanäle des Speicherkerns und entzieht dabei den Speichersteinen (Schamotte) Wärme. In der Folge durchströmt die Heissluft einen Wärmetauscher, der gleichzeitig das Heizwasser erwärmt. Aufgabe der Heizungsumwälzpumpe ist es, die geregelte Wärme Ihrem Heizungssystem zuzuführen Speicherofen Bei einer Speicherheizung müssen Sie einen Tag vorher planen wie viel Wärmeenergie Sie wahrscheinlich am nächsten Tag benötigen. Die Planung wir heute mit Programmen unterstütrzt. Zentralspeicher 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 23 RE 5.36 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Verzinkungsbad Ein Verzinkungsbad misst 15,1 x 1,2 x 2 m und kann in vier Stufen mit maximal 1'030 kW Leistung geheizt werden. Das Zink ist 440°C heiss und wiegt 42 '476 MJ 259,75t ( c = 0,389kJ / kg °C , ρ = 7,14 kg / dm 3 ). Welche Nutzwärme braucht es zum Aufheizen des Bades, wenn mit 18°C Anfangstemperatur gerechnet werden kann? Stahl- und Metallbauteile werden in entsprechenden Bädern vorbehandelt. Nach dem Eintauchen des Verzinkungsgutes in das geschmolzene Zink verbleiben die Teile im so genannten Zinkbad, bis sie dessen Temperatur angenommen haben (zwischen 440 ºC und 460 ºC). www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 24 RE 5.73 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Sicherungspatrone Eine 160 A -Sicherungspatrone hat bei Nennstrom eine Verlustleistung von 9W . 32 , 4 kJ Welche Wärmemenge entsteht in der Patrone pro Stunde? Norm SNV 24482 NH-SEV Nennströme der Patronen [ A] G2 G4 G6 25 40 40 63 80 63 80 100 100 125 160 125 160 160 200 250 200 250 315 200 250 315 355 400 355 400 500 630 Norm CEI 269 VDE 0636 NH-DIN Nennströme der Patronen [ A] DIAZED Ab 63 A werden in der Regel NH-Sicherungen verwendet und dürfen von Laien nicht bedient werden (NIN 4.3.2.1.5). Kennmelder von D-Schmelzsicherungen 2 4 6 10 rosa braun grün rot 16 20 25 40 grau blau gelb schwarz DI 50 63 80 100 weiss Kupfer silber Rot DII NEOZED NH-SEV Passhülse Passring 2A PassSchraube NH-DIN NH00 NH1 NH2 NH3 16 20 25 25 32 40 32 40 50 63 50 63 63 80 100 80 100 80 100 125 125 125 160 160 200 224 160 200 224 250 315 315 355 400 355 400 500 630 NH = Niederspannungs-Hochleistngsscherung NIN 2.1.18.03 Laie Person, die weder eine Elektrofachkraft noch eine elektrotechnisch unterwiesene Person ist. www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 25 RE 5.37 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Kurzschluss an einem PE-Kabel Ein PE-Kabel 3x300 mm 2 soll einen Kurzschlussstrom von 27 kA mindestens 1,5 s aushalten. 191 , 4 MJ 81, 42 °C a) Welche Wärmemenge wird in dieser Zeit im Kabel pro km Länge entwickelt ( ρ = 0,0175 Ωmm 2 / m )? b) Welche Temperatur nimmt das Kabel an, wenn man annimmt, dass die ganze Wärmeenergie der Erwärmung des Kabels dient? Kupferkabel c = 0,389 kJ / kg °C ρ = 8,9 kg / dm 3 Zulässige Leitertemperaturen im Normalbetrieb (NIN 5.2.3.1.1.4) ϑ KurzForm Kabeltyp PUR Polyurethan 70 PVC Polyvinylchlorid 70 VPE PE vernetztes Polyethylen 90 EPR Ethylen-PropylenKautschuk 90 [°C ] Zulässige Leitertemperaturen im Kurzschlussfall (NIN Tabelle 5.2.1.2.3.4) ϑ KurzForm Kabeltyp [°C ] PUR Polyurethan 150 PVC Polyvinylchlorid 160 VPE PE vernetztes Polyethylen 250 EPR Ethylen-PropylenKautschuk 250 4.3.4.3.2 Kenngrössen der KurzschlussSchutzeinrichtungen Die Zeit bis zum Ausschalten des durch einen Kurzschluss in einem beliebigen Punkt des Stromkreises hervorgerufenen Stroms darf nicht länger sein als die Zeit, in der dieser Strom die Leiter auf die höchstzulässige Grenztemperatur erwärmt. Bei Kurzschlüssen, die 0 5 s anstehen, kann die Zeit, in der ein Kurzschlussstrom die Leiter von der höchstzulässigen Temperatur im Normalbetrieb bis zur Grenztemperatur erwärmt, in erster Näherung durch die nachstehende Formel errechnet werden: k ⋅ A t = IK 2 k-Faktoren 115 135 74 87 115 www.ibn.ch Für PVC-isolierte Leiter aus Kupfer Für Leiter aus Kupfer mit Isolierung aus Naturkautschuk, Butylkautschuk, vernetztem Polyäthylen und Äthylen-Propylen Für PVC-isolierte Leiter aus Aluminium Für Leiter aus Aluminium mit Isolierung aus Naturkautschuk, Butylkautschuk, vernetztem Polyäthylen und Äthylen-Propylen Für Weichlötverbindungen in Leitern aus Kupfer entsprechend einer Temperatur von 160 °C 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 26 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Kühlanlage Eine Kühlanlage hat eine Verdampferleistung von 1'000 MJ / h . 277 ,8 kW RE 5.74 Welcher Leistung in kW entspricht dies? Eine Kältemaschine ist ein Gerät, das der Kälteerzeugung dient. An jeder Kältemaschine ist deswegen immer eine Stelle zu finden, die kälter als die Umgebungstemperatur ist (z. B. Verdampfer bei Kompressionskältemaschinen oder Kaltfinger bei Gaskältemaschinen). Wird ein zu kühlendes Objekt mit dieser kalten Stelle in Kontakt gebracht, wird dieses Objekt gekühlt. Da die Betriebskosten von Kühl- und Kälteanlagen über deren Lebensdauer ein Vielfaches der Investitionskosten ausmachen, hat für uns das Thema Energieoptimierung höchste Priorität. So wird beispielsweise die Winterentlastung für Kältemaschinen, über glykolfreie Trockenkühler, eingesetzt Kühlkreislauf im Kompressorkühlschrank 1 2 3 4 www.ibn.ch Kondensator (Verflüssiger, warme Seite, hoher Druck) Drossel (Kältemittel flüssig) Verdampfer (kalte Seite, geringer Druck) Kompressor (Kältemittel gasförmig) 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 27 RE 5.38 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Einzelspeicherofen Von einem Speicherofen ist bekannt, dass der Speichermaterial pro m 3 eine Energie von 2'169MJ bei 700°C speichert (Zimmertempeeratur 20°C ). a) b) 1,1kJ / kg °C Berechnen Sie die spezifische Wärmekapazität ( ρ = 2,9kg / dm 3 )! Um welchen Materialtyp handelt es sich hier? Schamottstein Feuerfester Stein bis 1400°C. Als Schamotte werden im allgemeinen Sprachgebrauch häufig alle feuerfesten Steine und Ausmauerungen bezeichnet. Meist wird als Speichersteine Magnesit (MgCO3), Forsterit (Mg2SiO4), Eisenerz oder Basalt verwendet. Statischer Speicher 1 Konsole 2 Magnesitsteine 3 Heizelement 4 Isolation 5 Steinwolleisolation 6 Keramikplatte Dynamischer Speicher 1 Isolation 2 Magnesitstein 3 Heizelemente 4 Luftkanäle 5 Regulierklappe für die Luft 6 Lüfter 7 Zusatzheizung Wärmekapazitäten der verschiedenen keramischen Materialien c Material der [kJ / kg °C ] Schamotte Magnesit 1,1 Aluminium 0,921 Silicium 0,703 Eisen 0,461 Verwndung Funktion: Mit Niedertarifenergie werden die Magnesitsteine aufgeheizt, durch Strahlung und Konvektion wird die Wärme am Tag abgegeben! Vorteile: Funktion: Aufbau wie statischer Speicher, jedoch mit stärkerer Isolation. Durch einen Ventilator wird Raumluft durch die Speichersteine geblasen, dort wird sie aufgeheizt und dann an die Umgebung abgegeben. Niedertarif, günstig Vorteile: Nachteile: Nicht regulierbar, gespeicherte Wärme wird auch bei äusserem Wärmeeinbruch abgegeben www.ibn.ch Sehr gut regulierbar, schnelle Erwärmung der Räume möglich Nachteile: Staubverbrennung, Ventilationsgeräusche, Anschaffungskosten − − − − Kachelöfen Kamine Pizzasteine Wärmespeichermasse in Elektrogebäudeheizungen Schamotte ist im Prinzip nichts anderes als gebrannter Ton/Kaolin (Porzellanerde). Achtung! Vorsicht bei der Entsorgung. 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 28 RE 5.75 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Wärmeaustauscher Einem Wärmeaustauscher Öl – Luft sollen durch einen Ventilator pro Stunde 2,16 MJ Wärme bei einem Ventilatorwirkungsgrad von 80% entzogen werden. a) Wie gross ist die Kühlleistung in W , kW und kJ / s ? b) Wie gross ist die Leistung des Ventilatormotors? 600 W 0 ,6 kW 0 ,6 kJ / s 750 W Wärmeübertrager Der Wärmeübertrager (auch Wärmetauscher oder Wärmeaustauscher) ist ein Apparat, der thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen überträgt Vollständige Öl-LuftKühler mit Axial- oder Radiallüfter für industrielle und mobile Anwendungen. Wärmetauscher und Kühler werden in einem breiten Anwendungsspektrum eingesetzt: − Stationären Industriehydrauliken − Werkzeugmaschinen − Hydrostatischen Antrieben − Getrieben Mobilhydrauliken − Kunststoffspritzmaschinen − Aufzügen − Schienen- und Fahrzeugtechnik www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 29 RE 5.39 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Heisswasserspeicher Der Inhalt eines 100l -Heisswasserspeichers ist 80°C heiss und kühlt sich in 24 Stunden um 17°C ab. Welche Wärmemenge gibt der Boiler in diesen 24 Stunden an die Umgebung ab ( c = 4,19kJ / kg °C )? 7123 kJ Sicherheitsabstände bei Heisswasserspeicher NIN 4.2.2.1.12 Boiler bis 65°C Wassertemperatur 4 cm. Boiler über 65°C Wassertemperatur 8 cm. Bei nichtbrennbaren Seiten 1 cm. Es muss für genügende Luftzirkulation gesorgt werden. Für Ein- und Ausbauten muss genügend Platz vorhanden sein. www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 30 RE 5.76 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Tauchsieder Mit einem Tauchsieder will man ½ l Wasser in 8 Minuten von 15°C auf 70°C erwärmen. 0 , 24 kJ / s a) Welche Wärmeleistung in kJ / s ist nötig ( c = 4,19kJ / kg °C )? b) Welche elektrische Leistung des Tauchsieders muss bei einem Wirkungsgrad von 90% aufgewendet werden? Tauchsieder 0 , 26 6W Elektrisches Gerät zum schnellen Erhitzen von Wasser, dessen spiralförmiger Teil in das zu erhitzende Wasser getaucht wird. www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 31 RE 5.40 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Mischen von Wasser 10l Heisswasser von 86°C werden mit 6l Kaltwasser von 18°C vermischt. 1068 kJ 60 ,5 °C a) Wie gross ist die Wärmemenge, die vom Heisswasser auf das Kaltwasser übergeht? b) Welche Temperatur hat das Mischwasser ( c = 4,19kJ / kg °C )? Modernes Mischwasser Ob in der Küche oder im Bad – berührungslose Armaturen machen hygienische Sicherheit (EHEC) komfortabel und praktisch. Batterie (6 Volt Lithium DL 233 A) Batterie Elektronik Magnetventil Mischventil IR-Sensor Berührungslose Armaturen arbeiten in der Regel über einen Infrarot-Sensor, der Hände erkennt und dann den Wasserfluss über ein Magnetventil freischaltet. Diese elektronische Steuerung muss mit Spannung versorgt werden, wofür die Armatur normalerweise entweder an das Stromnetz angeschlossen oder über eine Batterie versorgt wird. Es gibt aber auch Alternativen, die z.B. mit Solartechnik arbeiten. Wie lange das Wasser nach dem Einschalten läuft, ist unterschiedlich. Die Nachlaufzeit ist bei fast allen Fabrikaten über die Elektronik (Digitaltechnik) einstellbar, meistens über eine Fernbedienung, mit der auch andere Features (Eigenschaften, Merkmale, Charakteristiken) abgerufen werden können. Eine vorübergehende Abschaltung für die Reinigung und eine Begrenzung der Durchflussmenge (Mischventil) gehören fast schon zum Standard. Manche Fabrikate ermöglichen eine manuelle Einstellung der Temperatur direkt an der Armatur, bei anderen kann sie nur voreingestellt werden (Anwendung in öffentlichen Räumen) und bleibt dann immer konstant. Das Produktspektrum reicht von robusten Standardvarianten für den öffentlichen Bereich bis hin zu ausgefallenen Designs mit vielen Komfortfunktionen. Damit sind berührungslose Armaturen mittlerweile etwas für jeden. www.ibn.ch IR Sensor Waschtischarmatur Komfort - Automatische Einstellung - Nachlaufzeit einstellbar - Sicherheitsabstellung nach 2 min - Dauerbetrieb Dauer-Ein - Kurz-Aus - Langzeit-Aus Funktion - Integriertes funktionssicheres Magnetventil EHEC Enterohämorrhagische Escherichia coli 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 32 RE 5.77 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Lötkolben Wie lange dauert es bis ein 40W -Lötkolben von 16°C auf 360°C erwärmt ist, wnn der Lötstift (Cu, c = 0,389kJ / kg °C ) 80 g schwer ist? Die Verluste bzw. der Wirkungsgrad werden in dieser Rechnung vernachlässigt. 268 s Lötkolben Der Lötkolben ist ein Gerät zum Aufschmelzen von Metallen, um Bauteile durch Weichlöten zu verbinden. www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 33 RE 5.78 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Saunaofen Bestimmen Sie die von einem auf 10 kW - pro Tag erzeugte Wärmemenge in MJ und kWh , wenn dieser 6 Stunden pro Tag im Betrieb ist! Was kostet die Energie für den Monat Januar, wenn die kWh - 24 Rp kostet? 216 MJ 60 kWh 446 , 4 Fr . SaunaElektroheizung Saunaheizungen in Bodenmontage, die ein separates Kontrollgerät erfordern. 10 kW Leistung für Saunaräume von 10 – 17 Kubikmeter. Installationsanforderungen in Saunas 3 1 c 2 Bereich 1 Der Bereich 1 ist das Volumen um das Sauna-Heizgerät, begrenzt durch den Fussboden und der kalten Seite der Wärmeisolierung der Decke und einer senkrechten Fläche um das Sauna-Heizgerät im Abstand von 0,5 m um die Oberfläche des SaunaHeizgerätes. Wenn das Sauna-Heizgerät näher an der Wand errichtet ist, wird der Bereich 1 durch die kalte Seite der Wärmeisolierung der Wand begrenzt. Es dürfen nur Betriebsmittel für die Saunaheizung installiert werden. Betriebsmittel 125 °C und Leitungen 170 °C keine Metallteile. 0,5m 1,0m b 5m 0, Bereich 2 Der Bereich 2 ist das Volumen ausserhalb von Bereich 1, begrenzt durch den Fussboden, der kalten Seite der Wärmeisolierung der Wände und durch eine waagerechte Fläche 1 m über dem Fussboden. Montage Steuergeräte für die Sauna und Saunaheizung nach Angaben Hersteller erlaubt.. NIN 7.03 Betriebsmittel IP25 genügen für Saunainstallationen in jedem Fall. Alle Stromkreise mit FI 30 mA, ausser SaunaHeizgeräte. Rohrinstallationen nach Möglichkeit ausserhalb Saunarum hinter Wärmedämmung. Schaltgeräte für Beleuchtung ausserhalb Saunaraum. Steckdosen dürfen nicht im Saunaraum installiert sein. www.ibn.ch Bereich 3 Der Bereich 3 ist das Volumen ausserhalb von Bereich 1, begrenzt durch die kalte Seite der Wärmeisolierung der Decke und der Wände und durch eine waagerechte Fläche 1 m über dem Fussboden. Betriebsmittel 125 °C und Leitungen 170 °C keine Metallteile. c b Saunaheizgerät Geräteanschlussdose 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 34 RE 5.79 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Schwimmbecken Der Inhalt eines 30m 3 Wasser fassen Schwimmbassins soll in 24 Stunden von 15°C auf 22°C erwärmt werden ( c = 4,19 kJ / kg °C ). a) Welche Wärmeenergie wird benütigt? b) Welche Leistung besitzt der Heizkörper, wenn die Verluste vernachlässigt werden? c) Wie gross ist die Wärmeleistung in J / s , kJ / h und in kW ? 879 ,9 MJ 10 ,18 kW 1018 J / s 36 '663 kJ / h 10 ,18 kW Schwimmbad NIN 7.02 Bereich 0 Dieser Bereich ist das Innere von Becken. Normale Schalt- und Steuergerät sowie Steckdosen nicht erlaubt. Betriebsmittel besonders hergestellt für die Verwendung in Schwimmbädern Bereich 1 Dieser Bereich ist begrenzt durch die Grenzen des Bereiches 0, eine senkrechte Fläche in 2 m Abstand vom Rand des Beckens, die waagerechte Fläche 2,5 m über dem Fussboden. Normale Schalt- und Steuergerät sowie Steckdosen nicht erlaubt.. Leuchten nicht erlaugt. Bereich 2 Dieser Bereich ist begrenzt durch die den Bereich 1 im Abstand von 1,5 m und die waagrechte Fläche 2,5 m über dem Fussboden. Installationsanforderungen Schwimmbecken Schalt- und Steuergerät sowie Steckdosen mit FI 30mA erlaubt.. 2 2,5m 2,5m 1 2 1,25m 1,25m 0 1 1,5m www.ibn.ch 0m 2, 2 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 35 RE 5.80 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Transformator Ein luftgekühlter Transformator hat 120kW Verluste. Wie gross muss der Volumenstrom der Ventilatoren sein, wenn die Kühlluft von 40°C auf 52°C erwärmt wird und 10% der Verlustwärme anderweitig an die Umgebung abgegeben werden ( c = 10 3 kJ / kg °C , ρ = 1,293 kg / m 3 )? 6 ,968 l / s 25 ,08 m 3 / h Trafokühung mit Luftzirkulation Diese Art der Kühlung ist für Trocken-Transformatoren zur Verfügung gestellt. The air is forced on to the tank surface to increase the rate of heat dissipation. Die Luft wird auf der TankOberfläche mit Ventilatoren gezwungen, die Rate der Wärmeabgabe zu erhöhen. The fans are switched on when the temperature of the winding increases above permissible level. Die Lüfter werden eingeschaltet, wenn die Temperatur der Wicklung über das zulässigen Niveau steigt. www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5 TG 5 2 TG 5.2 101 TG 5.2 102 (8-12) (ET02-A) TG 5.2 103 TG 5.2 104 TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN WÄRMELEHRE REPETITIONEN WÄRMEENERGIE Frage Wie lautet die Definition der Wärmekapazität (spez. Wärme) c? Frage Welche Zusammenhänge bestehen zwischen den Einheiten der aufgewendeten elektrischen Arbeit und den Einheiten der daraus sich ergebenden Wärmemenge? Frage Wie verändert sich die Leistung beim aufheizen von Wasser, wenn die Aufheizzeit halbiert wird? Frage www.ibn.ch 1. Januar 2012 Version 5
