Binäre Gemische Beispiel: Mischung von H2O (Komponente 1) und

Binäre Gemische
Beispiel:
Mischung von H2O (Komponente 1) und NH3 (Komponente 2)
Definition: Mischungsverhältnis:
w =
m2
m1 + m2
Unterhalb der Siedelinie ist die Mischung flüssig, oberhalb
der Taulinie dampfförmig. Zwischen Siede- und Taulinie liegt
das Gebiet des Naßdampfes.
Im Naßdampfgebiet unterscheiden sich die Mischungsverhältnisse
der flüssigen und der dampfförmigen Phase: Bei gegebener Temperatur hat für eine Mischung mit dem Gesamtmischungsverhältnis w der Flüssigkeitsanteil das Mischungsverhältnis w' und
der Dampfanteil das Mischungsverhältnis w".
Schema einer Absorptionskältemaschine
Zustandsänderungen in einer Absorptionskältemaschine
Aufgabe:
Eine NH3/H2O-Absorptions-Kältemaschine hat folgende Betriebsdaten:
Im Verdampfer wird bei einer Temperatur von -10°C eine Wärmeleistung von Q V = 14 kW aufgenommen (Verdampferaustrittstemperatur
ist also -10°C).
Absorber und Kondensator werden mit Kühlwasser von 20°C gekühlt
(20°C ist also die Austrittstemperatur am Absorber und Kondensator).
Die maximale Temperatur, die im Austreiber erreicht wird, ist 120°C
(Der Austreiber wird mit H2O-Sattdampf von 2 bar beheizt).
Im Absorber beträgt der Druck 2 bar, im Austreiber 10 bar.
Der aus dem Austreiber austretende Kältemitteldampf steht mit der
siedenden reichen Lösung im Gleichgewicht.
Die Pumparbeit ist zu vernachlässigen.
Fragen:
a) Wie hoch sind die Konzentrationen der armen und der reichen
Lösung, sowie diejenige des Kältemitteldampfes?
b) Wieviel Kältemitteldampf gewinnt man aus 1 kg reicher Lösung?
c) Wie hoch ist die Temperatur des Kältemitteldampfes am Austritt
des Austreibers?
d) Wie hoch die spezifischen Wärmen (bezogen auf den Kältemitteldampf), die im Austreiber, im Absorber, im Kondensator und im
Verdampfer ausgetauscht werden?
e) Wie hoch ist der Massendurchsatz an Kältemitteldampf?
f) Wie hoch ist das Wärmeverhältnis?
h,w-Diagramm von Ammoniak-Wasser-Mischungen bei verschiedenen Drücken
3000
2800
2600
10
bar
2
2400
2200
Taulinien
Hilfslinien
2000
10
h5
bar
2“/5
1800
2
1600
ar
8“
0b
h8
d1
8
ür
14
0°
un
1400
für 10°
und
2
10
un
d
pfi
h3 = h 4
h6 = h 7
140°
120°
400
3/4
Siedelinien
100°
10
80°
200
bar
6/7
2’
60°
2
h1 = h 2
Naß
600
Na
ßd
am
pf
dam
iso
pfis
th
er
m
othe
e
800
rme
ßd
fü
r7
0,
4°
am
1000
Na
h in kJ/kg
so
the
ba
r
rm
bar
ef
1200
-10°
40°
8’
20°
0
1/2
Isothermen
0°
-20°
-200
-400
-600
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
w
100% H 2 O
wA
wR
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
100% NH 3
wK
Schema eines Wärmetransformators
Wärmetransformatoren sind Anlagen, die Wärme von einem mittleren
Temperaturniveau aufteilen in Wärme von höherer Temperatur und in
Wärme von tieferer Temperatur. Auch sie eignen sich daher zur Nutzung von Abwärmeströmen, wenn diese bei Temperaturen oberhalb der
Umgebungstemperatur anfallen. Der Abwärmestrom wird dann aufgetrennt in einen Teil, der bei tiefer Temperatur (Umgebungstemperatur) ungenutzt abgeführt wird und in einen Teil, der bei höherer
als der ursprünglichen Temperatur genutzt wird.
Ersetzt man in einer Absorptionskältemaschine Pumpen durch Drosseln und umgekehrt, so wird aus der Kältemaschine ein Wärmetransformator.
Im Austreiber wird die leichter flüchtige Komponente durch Wärmezufuhr bei der mittleren Temperatur Tm ausgetrieben. Der Dampf
strömt zum Kondensator wo er bei, oder nahe bei Umgebungstemperatur Tt kondensiert wird. Das Kondensat wird durch eine Pumpe auf
höheren Druck gebracht und im Verdampfer wieder bei der mittleren
Temperatur Tm verdampft. Durch Absorption des Dampfes im Absorber
wird Wärme frei, die bei der hohen Temperatur Th als Nutzwärme zur
Verfügung steht. Die reiche Lösung fließt schließlich über eine
Drossel dem Austreiber zu.
Adsorptionstechnik mit Wasser/Zeolith
Zeolithe ("Siedesteine") kommen in verschiedenen Modifikationen in
großen Mengen natürlich vor. Es sind Metall-Alumo-Silikate der
allgemeinen Formel:
x ⋅ [(M I, M II½ ) ⋅ AlO 2] ⋅ y SiO 2 ⋅ z H2O
mit MI = Alkalimetall-Kation (z.B.: Li+, Na+, K+, Rb+, Cs+, Fr+)
MII = Erdalkalimetall-Kation (z.B.: Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+)
Die primären Baugruppen
aller Zeolithe sind
(Si4+O-4)- und (Al3+O-4)-Tetraeder. Letztere weisen
jeweils eine negative Ladung im Gitter auf, die
durch Metall-Kationen, z.
B. Natrium, ausgeglichen
werden muß. Durch Verknüpfen der primären Baugruppen ergeben sich sekundäre Baugruppen. Mehrere sekundäre Baugruppen
ordnen sich zu tertiären
Baugruppen zusammen. In
der Abbildung handelt es
sich dabei um einen KuboOktaeder. Wiederum mehrere tertiäre Baugruppen
bilden, verbunden durch
quaderförmig dargestellte
Sauerstoffbrücken, einen
Kristallkörper, in dessen
Innerem ein Hohlraum mit
definiertem Porendurchmesser und großem Volumen
entsteht.
Zeolithe weisen große innere Oberflächen (ca. 1000 m2/g) und starke
innere elektrostatische Felder im Kristallgitter auf. Der Porendurchmesser beträgt etwa 0,4 nm, das spezifische Porenvolumen ungefähr 0,5 cm3/cm3. Sie sind ungiftig und unbrennbar. Synthetische
Zeolithe sind in Pulverform, als körniges Material oder als Presslinge in verschiedenen Formen im Handel.
Sorptionseigenschaften von Zeolith
Isosterenfeld für Zeolith Typ Na-A:
Na12⋅[(AlO2)12⋅(SiO2)12]⋅27H2O
Isosteren sind Linien gleicher Wasserbeladung. Die maximale Beladung
für Zeolith Typ Na-A beträgt 22 %.
Die Maximalbeladung ist z. B. bei einem Wasserdampfpartialdruck von
6,11 mbar und einer Temperatur von ca. 20°C, aber auch bei 300 mbar
und 100°C möglich. Zur Sättigung des Zeoliths bei höheren Temperaturen
ist daher ein höherer Wasserdampfpartialdruck erforderlich.
Um einen Kühleffekt zu erreichen, muß das Wasser im
Verdampfer bei tiefen Temperaturen verdampfen. Aus
der in der Grafik ersichtlichen Dampfdruckkurve des
Wassers stellt sich bei einem Wasserdampfpartialdruck
von 6,11 mbar eine Verdampfungstemperatur von 0°C
ein. Daraus ergibt sich die
Forderung, dass der Zeolith
bei der Adsorption gekühlt
werden muß, um die maximale
Beladung erreichen zu können. Würde sich der Zeolith
ohne Kühlung bei der Adsorption z. B. auf 80°C
erwärmen, wäre dann nur
noch ein maximale Beladung
von ca. 16 Massenprozent
Wasser bei 6,11 hPa Wasserdampfpartialdruck möglich.
Zentrales Sorptionssystem mit Wasser/Zeolith (ZeoTech GmbH)
Das System stellt für Haushalt und
Gewerbe Wärme und Kälte (Brauchwassererwärmung und Heizung sowie Kühlung und Klimatisierung) bereit.
Hauptkomponenten der Anlage sind:
• ein 120-l-Boiler und ein 20-lVerdampfer/Eisbehälter sowie
• ein elektrisch beheizter, mit
Zeolith gefüllter Sorber, der
über Wärmetauscher mit dem Boiler
und über einen Dampfströmungskanal mit dem Verdampfer/
Eisbehälter verbunden ist.
Die Prozesse in dem evakuierten
System laufen wie folgt ab: Der
Sorber wird bei geschlossener
Kaltdampfklappe elektrisch beheizt
(QAT > 0). Der dabei aus dem Zeolith
ausgetriebene Wasserdampf strömt in
den innerhalb des Boilers gelegenen
Verflüssiger, kondensiert dort unter Abgabe der Verflüssigungswärme
bei etwa 70°C (QK < 0), wodurch das
Boilerwasser erwärmt wird, und gelangt als flüssiges Wasser über den
Kondensatrücklauf in den Verdampfer (QV > 0). Die nach Abschluß des Desorptionsprozesses im Zeolith enthaltene Wärme (QAS < 0) wird über einen Kreislauf mit Pumpe und Rückschlagventil ebenfalls an das Boilerwasser übertragen, dessen Temperatur dadurch weiter steigt.
Ist die Zeolithschüttung ausreichend abgekühlt, öffnet sich die Kaltdampfklappe, und Wasserdampf wird adsorbiert. Dadurch gefriert das
Wasser im Verdampfer zu Eis. Der Eisbehälter stellt einen Speicher
dar, dessen "Kälte" über einen Entnahmekreislauf ausgekoppelt und zum
Kühlen bzw. Klimatisieren verwendet werden kann. Betrachtet man das
System als Wärmepumpe, so wird Wärme auf niedrigem Temperaturniveau
vom Verdampfer/Eisbehälter aufgenommen und über den Sorptionsprozeß
auf hohem Temperaturniveau an das Boilerwasser abgegeben. Die bei der
Adsorption in der Zeolithschüttung freiwerdende Adsorptionswärme wird
ebenfalls über den Kühlkreislauf an das Boilerwasser übertragen.
Energiebilanz unter Vernachlässigung der Arbeit der Zirkulationspumpe:
QAT + QV = - QK - QAS → QAT + QKühlung = - QHeizung → QAT = QHeizung - QKühlung
Der Sorber des Prototyps ist mit ca. 25 kg Zeolith gefüllt. Bei einer
Gesamtzyklendauer von 2 h werden zum Antrieb 6 kWh Energie aufgewandt,
wodurch Wärme in Höhe von ca. 8 kWh bei Temperaturen oberhalb von 60°C
und Kälte in Höhe von ca. 2 kWh bei 0°C bereit-gestellt werden. Damit
können ca. 125 l Wasser von 15°C auf 70°C erhitzt und ca. 20 kg Eis
pro Zyklus erzeugt werden.
Solar-Kühlschrank (ZeoTech GmbH)
Das solar angetriebene
Sorptions-Kühlschranksystem
ist für den Einsatz in Entwicklungsländern bzw. in Gebieten mit hoher Sonneneinstrahlung entwickelt worden.
Das Kernstück des Systems ist
ein Parabolkollektor, mit dem
Sonnenenergie gebündelt und so
zur Regeneration einer Zeolithpatrone verwendet wird.
Nach erfolgter Regeneration
wird diese Patrone mit einem
Kuhlschrank verbunden, in den
ein geeigneter Wasserverdampfer eingebaut ist.
Zur Desorption wird der Behälter mit gesättigtem Zeolith
für ca. 3 h in den Solarkollektor gehängt und dort auf
Temperaturen von über 200°C
aufgeheizt. Nach einer anschließenden Abkühlzeit kann er wieder für einen Kühlvorgang eingesetzt werden. Damit auch Perioden mit geringer Sonnenstrahlung
überbrückt werden können, sind mehrere Zeolithbehälter vorgesehen,
die im desorbierten Zustand aufbewahrt werden und so als Kältespeicher dienen.
Zur Adsorption wird eine Patrone, die mit 2,5 kg Zeolith gefüllt
ist, mit dem im Kühlschrank befindlichen Verdampfer verbunden. Mit
einer Hand-Vakuumpumpe wird die Luft aus dem System entfernt. Wenige Sekunden danach beginnt die Kälteerzeugung. Über einen Zeitraum von 24 Stunden werden anschließend Lufttemperaturen innerhalb des Kühlschranks von -10...0°C und für weitere 12 Stunden
unterhalb von +5°C erreicht.
Die Anschaffüngskosten für das Kälteaggregat sind mit weniger als
€ 200,-- verhältnismäßig gering (die Kosten für einen vergleichbaren Kompressor-Kühlschrank, der mit elektrischen Solarzellen betrieben wird, belaufen sich auf über € 1500,--).
Das Kälteaggregat ist so konzipiert, dass es ohne großen Werkzeugaufwand in den betreffenden Ländern hergestellt werden kann.
Wartungsarbeiten und Reparaturen können aufgrund des einfachen
Aufbaus des Kälteaggregates vor Ort durchgeführt werden.
Defekte Kompressor-Kühlschränke, die in Entwicklungsländern als
Zivilisationsabfall anfallen, können mit dieser Technologie wieder
nutzbar gemacht werden.
Nutzungsgrade der konventionellen Stromerzeugung sowie der gekoppelten Strom/WärmeErzeugung in Heizkraftwerken und in Blockheizkraftwerken
Schema eines
Blockheizkraftwerkes
Energiebilanz eines
Blockheizkraftwerkes
bezogen auf 100 %
Brennstoffenergieeinsatz
Kraftstoffe und Motoren in Blockheizkraftwerken
„Zündstrahlmotoren“ sind Diesel-Gas-Motoren. Die Einspritzanlage ist so ausgelegt, dass
sowohl gasförmige als auch flüssige Kraftstoffe eingespritzt werden können.
Messdaten einer BHKW-Anlage mit 20 kW elektrischer Leistung,
angetrieben durch einen 2,0-l-Dieselmotor
Abhängigkeit der
Wirkungsgrade von der
elektrischen Leistung:
ηelektrisch =
Pelektrisch
Pchemisch
ηthermisch =
Pthermisch
Pchemisch
ηgesamt = ηelektrisch + ηthermisch
Abhängigkeit von der
Stromkennzahl von der
elektrischen Leistung:
σ=
Pelektrisch
Pthermisch
Primärenergieeinsparung
als Funktion der
elektrischen Leistung:
∆Pprimär = Pprimär, konv. − Pprimär, BHKW
Prinzip des MHD-Generators
Ein Plasma strömt mit der
K
Geschwindigkeit v durch das
K
homogene Magnetfeld B . Wegen
K
der Lorentz-Kraft F bewegen
sich die positiven Ionen zur
positiven Elektrode, die
Elektronen zur negativen.
Wenn der Stromkreis nicht
geschlossen ist ( R → ∞ ),
dann bildet sich zwischen
den Elektroden wegen der
Ladungsansammlung ein elekK
trisches Feld E , das der
Lorentz-Kraft entgegen
wirkt. Es entsteht die
Leerlaufspannung U0:
K
U
F = e0 vB = e 0 E = e0 0
d
→ U 0 = dvB
Bei geschlossenem Stromkreis fließt der Strom I. Dann ist
U 0 = I ( R + R i ), wobei der Innenwiderstand der Ionenstrecke
d
ist (σ ist die begrenzte Leitfähigkeit des Plasmas).
Ri ≈
σA
Am Verbraucher R entsteht der Spannungsabfall:
U = RI = U 0 −
Id
I
= d ( vB −
)
σA
σA
Die im Verbraucher umgesetzte Nutzleistung ist:
P = UI = U 0I −
I2 d
I
= dI ( vB −
)
σA
σA
Auf die senkrecht zu den Elektrodenplatten bewegten
Ladungsträger wirkt wieder die Lorentzkraft entgegengesetzt zu
K
v , d.h. es muß Leistung aufgewendet werden, um die Strömung
aufrecht zu erhalten. Diese Leistung beträgt P0 = U0I.
Wirkungsgrad: η =
P
Id
I
= 1 −
= 1 −
P0
σ AU 0
σ AvB
Die maximale Nutzleistung folgt aus:
Damit wird POpt. =
dP
1
= 0 → IOpt. =
σ AvB
dI
2
1
d σ Av 2 B 2 und η Opt. = 0,5 .
4