Wärmetransport vom Wasserbad in ein Rohrbündel

V14
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Wärmetransport vom Wasserbad in ein Rohrbündel
Thema: Wärmetausch, Verfahrenstechnik, Energietechnik
1. Einleitung
In vielen Systemen in der Natur oder Technik ist es erforderlich, Wärme von einem
Kreislauf auf einen anderen zu übertragen
Nicht nur bei allen industriellen Prozessen, in denen gekühlt oder erwärmt
wird spielt der Wärmetausch eine zentrale Rolle. Beispielsweise wird im
Kühlschrank oder vom Motor Wärme über einen Kühlmittelkreislauf an die
Umgebung abgeführt. Hat man Sonnenkollektoren auf dem Dach, kann über
einen Wärmeträgerkreislauf Sonnenenergie auf den Heiz- oder
Trinkwasserkreislauf im Haus übertragen werden. Selbst Enten oder Pinguine
verfügen über ein ausgeklügeltes Wärmetauschsystem, durch das verhindert
werden kann, dass sie im Winter fest- oder erfrieren.
Über Sonnenkollektoren auf
dem
Dach
wird
in
einem
Kessel Wasser erwärmt. Mit
diesem
erwärmten
Wasser
wird dann geheizt.
2. Grundlagen
Wärme
Wärme ist eine Energieform, die zwischen zwei Systemen ausgetauscht wird,
weil zwischen den Systemen eine Temperaturdifferenz besteht. Wird einem
System Wärme zugeführt, so nimmt dessen innere Energie zu.
Wärmeübertragung
Hierbei dient oft heißes Wasser oder Dampf als Wärmeträger. Diese
Wärmeträger geben Wärme auf ein anderes Medium ab. Bei Kühlprozessen
werden den Systemen z.B. mittels Eiswasser, Glykol oder Ammoniak Wärme
entzogen.
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Volumen- und Massestrom
Der Volumenstrom gibt an, welches Volumen in einer bestimmten Zeit durch
einen bestimmten Querschnitt strömt.
ΔV: Volumen in ml, l, m3,..
Δt: Zeit in s, min, h,..
Beispiel 1:
Eine Pumpe pumpt in 20 s 500 ml Wasser durch einen Schlauch. Berechne den
Volumenstrom in cm3/s.
Der Massenstrom gibt an, welche Masse in einer bestimmten Zeit durch einen
bestimmten Querschnitt strömt.
Δm: Masse in kg, g, mg,..
Δt: Zeit in s, min, h,..
Beispiel 2:
Eine Pumpe pumpt in 20 s 500 g Wasser durch einen Schlauch. Berechne den
Massenstrom in kg/s.
Der Zusammenhang zwischen Volumenstrom und Massenstrom kann über die
Dichte hergestellt werden.
ρ=
→ ρ ·V = m
ρ: Dichte in
V und m verändern sich mit der Zeit t beim Durchströmen, die Dichte
konstant:
Dichte Öl
bleibt
DρÖl = 910
Beispiel 3:
500 ml Öl werden in 20 s durch einen Schlauch gepumpt. Berechne den
Massenstrom in g/s.
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Spezifische Wärmekapazität
Beispiel:
Verschiedene Stoffe können unterschiedlich viel Energie in Form von Wärme
aufnehmen oder abgeben.
Die spezifische
Die spezifische Wärmekapazität eines Stoffes gibt an, welche Energiemenge Q von
einem Kilogramm (1 kg) dieses Stoffes abgegeben oder aufgenommen wird, wenn
sich seine Temperatur um ein Kelvin (1 K) ändert.
Das physikalische Formelzeichen der spezifischen Wärmekapazität lautet c, die
Einheit wird in J/kgK angegeben. (J = Joule, Maßeinheit der Energie)
Spezifische Wärmekapazität: c [
Wärmekapazität von Wasser
beträgt 4,187 kJ/kgK. Um 1
kg Wasser von 20°C auf 21°C
(also um 1 K) zu erwärmen
benötigt man die Energie
4187 J = 4,187 kJ.
]
Wärmestrom
Der Wärmestrom gibt an, welche Wärmemenge in einer bestimmten Zeit
übertragen werden kann. Er ist abhängig von der strömenden Masse, der
spezifischen Wärmekapazität des strömenden Mediums und der
Temperaturdifferenz.
: Wärmestrom in J/s, kJ/s…
=
·c·ΔT
ṁ: Massenstrom in kg/s, kg/h, g/s,…
c:
spezifische Wärmekapazität in kJ/kgK
ΔT: Temperaturdifferenz in K
Beispiel 4:
Wasser fließt mit einem Massenstrom von 500 g pro 20 s durch einen
Wärmetauscher und erwärmt sich dabei von 20°C auf 24°C. Welche Wärmemenge
wurde auf das Wasser übertragen?
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3.
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Versuchsdurchführung
Material:
1 Wasserbad
1 Heizspirale mit Schlauchanschlüssen
2 Thermometer oder Thermoelemente
1 Pumpe mit veränderlichem Durchfluss (evtl. Netzteil dazu)
2 große Bechergläser oder Eimer als Wasservorlage- und Auffangbehälter
Schläuche und Schlauchverbindungen
1 Messzylinder (1l)
1 Stoppuhr
Aufgabenstellung:
Versuchsdurchführung:
Aus einem Wasservorlagebehälter (kaltes Wasser) wird das Wasser mittels einer
Pumpe über eine Rohrspirale, die als Wärmetauscher dient, in einen
Wasserauffangbehälter gepumpt.
Die Rohrspirale ist in ein Wasserbad eingetaucht, dessen Temperatur variiert
werden kann. Vor und nach der Heizspirale wird die Temperatur gemessen.
Abb. 1: Versuchsaufbau
1. Um festzustellen, welcher Volumenstrom durch die Rohrspirale gepumpt wird,
wird ermittelt, welche Zeit für 1 l Wasser benötigt wird. Aus dem
Wasservorlagebehälter wird dafür Wasser durch das System gepumpt und in
einem 1 l Messzylinder aufgefangen. Dabei wird mittels Stoppuhr die Zeit
gemessen.
2. Die Wasserbadtemperatur wird bei konstanter Pumpeneinstellung in 10 K Schritten erhöht, und die Temperatur des Wassers vor- und nach der Heizspirale
gemessen.
3. Die Pumpleistung wird bei konstanter Wasserbadtemperatur variiert und die
Temperatur des Wassers vor- und nach der Heizspirale gemessen.
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Aufgaben:
a) Ermittle den Volumenstrom in Abhängigkeit von der Pumpeneinstellung.
Trage den Volumenstrom in Abhängigkeit der Pumpeneinstellung in ein
Diagramm ein. Ermittle aus dem Volumenstrom und der Dichte des Wassers
den jeweiligen Massenstrom.
b) Ermittle die Temperaturen des Wassers vor dem Eintritt und nach dem
Austritt in die Heizspirale bei den verschiedenen Wasserbadtemperaturen.
Halte diese Werte in einer Tabelle fest. Wie groß ist jeweils der Wärmestrom
(in J/s)? Fertige ein Diagramm an.
c) Ermittle die Temperaturen des Wassers vor dem Eintritt und nach dem
Austritt in die Heizspirale in Abhängigkeit vom Volumenstrom. Wie groß ist
jeweils der Wärmestrom
(in J/s)? Fertige ein Diagramm an.
4. Weiterführende Literatur
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Wärmetausch
5.
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Kurzbeschreibung
Bei diesem Versuch soll ein Wärmetauscher aufgebaut und Volumen, Massenund Wärmeströme gemessen werden. Dabei werden die Wasserbadtemperatur
und die Pumpenleistung variiert.
6.
Lernziel
Messung und Berechnung von Volumen-, Massen- und Wärmeströmen,
Funktionsweise eines Wärmetauschers.
7.
Versuchsdauer
90 min incl. Aufbau
8.
Beispiellösungen
Beispiel 1:
Eine Pumpe pumpt in 20 s 500 ml Wasser durch einen Schlauch. Berechne den
Volumenstrom in cm3/s.
Beispiel 2:
Eine Pumpe pumpt in 20 s 500 g Wasser durch einen Schlauch. Berechne den
Massenstrom in kg/s.
Beispiel 3:
500 ml Öl werden in 20 s durch einen Schlauch gepumpt. Berechne den
Massenstrom in g/s.
Es strömen 22,75 g Öl pro Sekunde durch einen Schlauchquerschnitt.
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Beispiel 4:
Wasser fließt mit einem Massenstrom von 500 g pro 20 s durch einen
Wärmetauscher und erwärmt sich dabei von 20°C auf 24°C. Welche Wärmemenge
wurde auf das Wasser übertragen?
Es wurden eine Wärmemenge von 418,7 J/s auf das Wasser übertragen
Versuchsdurchführung:
Abb. 2: Beispiele Versuchsaufbau
Aufgaben
a) Ermittle den Volumenstrom in Abhängigkeit von der Pumpeneinstellung. Trage
den Volumenstrom in Abhängigkeit der Pumpeneinstellung in ein Diagramm
ein. Ermittle aus dem Volumenstrom und der Dichte des Wassers den
jeweiligen Massenstrom.
Pumpeneinstellung
Volumenstrom
[ml/s]
Massenstrom
[kg/s]
0
0,00
0,0000
25
5,46
0,0055
30
6,17
0,0062
40
8,21
0,0082
50
10,75
0,0108
60
11,66
0,0117
70
13,55
0,0136
Tab. 1: Volumen- und Massenströme bei unterschiedlichen
Pumpeneinstellungen
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Volumenstrom
ml/s
20,00
15,00
10,00
5,00
0,00
0
20
40
60
80
Einstellung Pumpe
Abb. 3: Volumenströme in Abhängigkeit der Pumpeneinstellung
b) Ermittle die Temperaturen des Wassers vor dem Eintritt und nach dem Austritt
in die Heizspirale bei den verschiedenen Wasserbadtemperaturen. Halte diese
Werte in einer Tabelle fest. Wie groß ist jeweils der Wärmestrom
(in J/s)?
Fertige ein Diagramm an.
TWB
[°C]
30
Tein
[°C]
21,3
Taus
[°C]
27,70
V
[l/s]
8,21
δ
[kg/l]
1
ṁ
[kg/s]
8,21
c
[KJ/kgK]
4,187
ΔT
[K]
6,40
Q = ṁcΔT
[KJ/s]
220,00
40
21,4
34,80
8,21
1
8,21
4,187
13,40
460,63
50
21,5
42,50
8,21
1
8,21
4,187
21,00
721,88
60
21,6
50,30
8,21
1
8,21
4,187
28,70
986,57
70
21,7
57,90
8,21
1
8,21
4,187
36,20
1244,38
80
21,7
65,50
8,21
1
8,21
4,187
43,80
1505,64
90
21,8
72,60
8,21
1
8,21
4,187
50,80
1746,26
Tab. 2: Ermittelte Werte in Abhängigkeit der Wasserbadtemperatur
Wärmestrom
[kJ/s]
2.000
1.500
1.000
500
0
0
50
Wasserbadtemperatur /°C
100
Abb. 4: Ermittelter Wärmestrom in Abhängigkeit der Wasserbadtemperatur
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c) Ermittle die Temperaturen des Wassers vor dem Eintritt und nach dem Austritt
in die Heizspirale in Abhängigkeit vom Volumenstrom. Wie groß ist jeweils der
Wärmestrom
(in J/s)? Fertige ein Diagramm an.
Einstel.
Pumpe
V
[ml/s]
Tein
[°C]
Taus
[°C]
δ
[kg/l]
ṁ
[kg/s]
c
[KJ/kgK]
ΔT [K]
Q = ṁcΔT
[KJ/s]
30
6,17
22,7
43,0
1
6,173
4,187
20,3
524,67
40
8,21
22,7
42,0
1
8,210
4,187
19,3
663,46
50
10,75
22,7
41,0
1
10,753
4,187
18,3
823,89
60
11,66
22,7
40,1
1
11,655
4,187
17,4
849,11
70
13,55
22,7
39,9
1
13,550
4,187
17,2
975,83
Tab. 3: Ermittelte Parameter in Abhängigkeit von der Pumpeneinstellung bei
einer Wasserbadtemperatur von 50°C
Wärmestrom/
kJ/s
1.500,00
1.000,00
500,00
0,00
0,00
5,00
10,00
15,00
Volumenstrom ml/s]
Abb. 5: Wärmestrom in Abhängigkeit von der Pumpenleistung
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Wärmetausch
9.
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Anmerkungen für projektorientiertes / forschendes Arbeiten
-
-
-
Als Teil in einem Projekt: Thermische Solaranlage
Eine Gruppe soll einen möglichst effektiven Wärmetauscher herstellen
und auch die jeweiligen Wärmeströme bestimmen
Test verschiedener Heizspiralen (z.B. verschiedener Materialien)
In Zusammenhang mit dem geplanten Versuch zum
Plattenwärmetauscher kann eine Kurzzeiterhitzungsanlage / eine
Kühlung aufgebaut werden.
Ausbaumöglichkeiten: Detaillierte Beschreibung des
Wärmeaustausches (Konvektion, Wärmeleitung, Wärmestrahlung)
Energieefizienz -Gleichstrom / GegenstromwärmetauscherLaminare/turbulente Strömung- Werkstoff Spirale- Bauweise Spirale…
Gesamte Energiebilanz, Wirkungsgrad
10. FAQ / Tips & Tricks
-
In der Kursstufe kann für Volumen- und Massenstrom die differentielle
Schreibweise eingeführt werden.
11. Bezugsquellen
Wir haben für den Versuch eine Laborschlauchpumpe PLP 1000 verwendet.
Alternativ wurde in einer Schule eine Mini-Wasserpumpe 6 – 12 V (z.B. bei
Amazon für ca. 15 €) eingesezt. Die Pumpe lässt sich dann über ein Netzgerät gut
regulieren.
Die Heizspirale lässt sich aus einem dünnen Kupferrohr herstellen. Dazu kann
man Kupferrohr nutzen, welches zum Anschluss von Waschtischgarnituren
geeignet ist. (ca. 50€ für 5 m)
Ungeeignet sind Kupferrohrstangen aus dem Baumarkt, da sie sich nur biegen
lassen, wenn sie vorher erhitzt wurden. Kupferrohr von der Rolle kann genutzt
werden.
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12. Versuchslegende
Herausgeber:
Technikinitiative NwT
Hochschule Furtwangen | Furtwangen University
Jakob-Kienzle-Str. 17
78054 Villingen-Schwenningen
http://technikinitiative-nwt.de/
[email protected]
Autor:
Erstellt:
Dipl.-Ing. (FH) Ursula Eschenhagen
Jan 2013
Versuche der Technikinitiative NwT werden von kooperierenden Lehrern
gezielt im Unterricht erprobt und didaktisch überarbeitet. Dieser Versuch
wurde überarbeitet von:
Von:
Marco van Dijk
Schule:
Friedrich-Wöhler-Gymnasium Singen
Klassenstufe:
KS 1 (4 Schüler)
Fach:
Empfohlene Klassenstufe: 10, KSt. 1
Von:
Jan Haller
Schule:
NWT Gymnasium Plochingen
Klassenstufe:
Klasse 10
Fach:
Empfohlene Klassenstufe: (9), 10, KS1, KS2
13. Anregungen und Ergänzungen von Lehrern, die den Versuch im Unterricht
getestet haben
s. Anhang
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Anleitung zum Bau der Versuchsapparatur von Jan Haller, Gymnasium Plochingen
Versuchsapparatur
Im folgenden Foto ist der Grundaufbau der Versuchsapparatur dargestellt. Als einfachste
Version der „Kühlwendel“ dient zunächst ein einfaches, gebogenes Messingrohr, das von den
SchülerInnen leicht selbst gebogen werden kann (s.u.). Da wir in der Sammlung unserer Schule
nicht über ausreichend Temperaturmessfühler verfügen, haben wir mit einfachen DigitalBackthermometern gearbeitet. Diese werden durch ein Loch (mit einer Stecknadel „vorbohren“
und dann mit dem Thermometer vorsichtig erweitern) in den Wasserstrom gebracht. Prinzipiell
ist diese Methode praktikabel und kostengünstig (Preis der Thermometer ca. 10,-€), führt jedoch
bei manchen Schülergruppen und vor allem bei hohen Volumenströmen zu Undichtigkeiten der
Apparatur.
Als Wärmebad wurden einfache, thermostatisierbare Wasserkocher verwendet. Diese sind in
ausreichender Anzahl bereits in den Biologie- und Chemiesammlungen unserer Schule
vorhanden. Der Nachteil dieser Geräte ist sicherlich, dass die Temperaturspanne zwischen
abgekühltem und erneut aufgeheiztem Wasser schnell 3°C betragen kann. Inwiefern diese
Ungenauigkeiten, z.B. durch planvolleres Vorgehen bei den Messungen und/oder eine Isolierung
mit Styropor auf der Oberseite minimiert werden können, muss noch ausprobiert werden.
Als Pumpe dient eine Barwig Niedervolt-Pumpe (Anschaffungskosten 20,-€ bei Conrad). Für die
Messung des Volumenstroms wird das Wasser bei gleichzeitiger Zeitmessung in einem
Messzylinder aufgefangen.
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Tipps zum Biegen von Metallrohren
Damit die SchülerInnen später die Eintauchtiefe des Metallrohrs in die warme Flüssigkeit
messen können (und damit die Oberfläche des Rohrs berechnen), muss das Rohr vor dem
Biegen mit kleinen, eingeritzten Markierungen (z.B. alle 10 cm) versehen werden.
Damit Metallrohre beim Biegen nicht knicken, müssen sie mit feinem Sand oder einfach mit
Kochsalz gefüllt werden. Als Verschluss können Pipettierhütchen verwendet werden. Zum
Einfüllen des Salzes eignen sich z.B. kleine Bürettentrichter (sollte beides in jeder
Chemiesammlung vorhanden sein). Wichtig ist, dass das eingefüllte Salz durch Klopfen an das
Rohr gut verdichtet wird.
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Vor dem Befüllen:
Nach dem Befüllen:
Als „Biegeform“ eignen sich alle stabilen runden Dinge, die gerade zur Hand sind und den
passenden Durchmesser besitzen. Wir haben Thermosflaschen aus Metall verwendet.
26.11.2014
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Mit einiger Übung lassen sich auf diese Weise auch „richtige“ Kühlwendeln biegen.
26.11.2014
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Unterrichtsgang zur Energieeffizien beim Bierbrauen von Jan Haller, Gymnasium Plochingen
Unterrichtsgang und Arbeitsblätter
1. Schritt: Die Versuchsapparatur & Bestimmung der Energieeffizienz (AB 1)
Das erste Experiment wurde als Demonstrationsversuch durchgeführt und gemeinsam ausgewertet.
Beobachtungen
Volumenstrom: Wasservolumen, das den Wärmetauscher pro Zeiteinheit durchströmt.
T1 = 20,7°C
T2 = 33,2°C
T3 = 42,8°C
Die Effizienz der Wärmeübertragung wäre 100%, wenn T2 = T3.
Die Effizienz der Wärmeübertragung wäre 0%, wenn T2 = T1.
Aus den gemessenen Temperaturen lässt sich die Effizienz also berechnen mit…
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Weitergehende Fragestellungen
Wie verändert sich die Effizienz der Wärmeübertragung…




mit der Kontaktfläche zwischen Warmwasser und Wärmetauscher?
Mantelfläche Kreiszylinder: O = 2  r h
mit verschiedenen Temperaturdifferenzen zwischen Warmwasser (T3) und Kaltwasser (T1)?
mit verschiedenen Volumenströmen?
mit verschiedenen Materialien des Wärmetauschers?
2. Schritt: Bestimmung der Energieeffizienz in Abhängigkeit von verschiedenen Variablen
Die weiteren Experimente wurden von Schülergruppen durchgeführt (3 SchülerInnen pro Gruppe).
Dabei hat jede Gruppe in einer selbst entwickelten Versuchsreihe Gruppe den Einfluss von zwei
Variablen auf untersucht.
1. Fazit
Die Effizienz der Wärmeübertragung…


steigt mit zunehmender Kontaktfläche und steigendem Temperaturunterschied (T = T3 –
T1).
sinkt mit zunehmendem Volumenstrom.
3. Schritt: Spezifische Wärmekapazität
Für die folgende energetische Auswertung wird die spezifische Wärmekapazität eingeführt (bzw.
wiederholt). (AB 2) Der Informationstext stammt aus dem Physikbuch der SchülerInnen [F. Bader, H.W. Oberholz (Hrsg.), Physik 2, Bildungshaus Schulbuchverlage (2007), S.7f.].
Die spezifische Wärmekapazität
Bearbeite mit Hilfe des ausgeteilten Infotextes die folgenden Aufgaben.
1.
Beschreibe die Aussage der spezifischen Wärmekapazität in eigenen Worten.
2.
In einem Becherglas sind 500g Wasser. Welche Energie ist nötig, um die Temperatur des Wassers von 20°C
auf 50°C zu erhöhen?
3.
Die spezifische Wärmekapazität von Glas beträgt 0,75J/g K. Berechne die Energieportion, die nötig ist, um
das Becherglas aus Aufgabe 1 (m = 100g) von 20°C auf 50°C zu erhitzen.
4.
In einer Waschmaschine werden 10l Wasser von 15°C auf 95°C aufgeheizt. Um wie viele Kilowattstunden
läuft das Zählwerk im Stromzähler weiter?
.
(Umrechnung:
1kJ = 0,000278kWh)
Anmerkung
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Der hier verwendete Buchstabe „W“, sowie die Bezeichnung „Wärme“ ist veraltet und wird nicht mehr
verwendet. Stattdessen spricht man von thermischer Energie, die mit dem Buchstaben „E“ oder mit einem
Index wie „Eth“ abgekürzt wird!
4. Schritt: Wärmestrom
Mit dem Wissen aus dem letzten Schritt wird der Wärmestrom für die Experimente aus Schritt 2
berechnet und mit der ermittelten Energieeffizienz verglichen. (AB 3)
2. Fazit:
Eine Erhöhung des Volumenstroms führt auch zu einer Erhöhung des Wärmestroms. Da sich der
Wärmestrom bei hohen Volumenströmen aber nur noch wenig ändert, muss abgewogen werden,
welche Pumpleistung noch wirtschaftlich ist.
5. Schritt: Anwendungsbeispiel Bierbrauen
In einer Art Gruppenpuzzle bearbeiten die SchülerInnen die drei unterschiedlichen Stationen mit
dem Ziel, das Gelernte anzuwenden und anhand des konkreten Beispiels zu diskutieren.
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Energieeffizienz beim Bierbrauen - 1
Herr Pimpelhuber, ein Hobby-Bierbrauer, plant seine neue Anlage im Keller. Beim Bierbrauen wird
die Maische nach der Zugabe des Hopfens mehrere Stunden gekocht. Bevor die Hefe zugegeben
wird, die für den Gärvorgang verantwortlich ist, muss die Mischung gekühlt werden. Herr
Pimpelhuber möchte ein obergäriges Bier brauen. Für dieses Bier liegt die Gärtemperatur bei 15 bis
20°C.
Wasser
GERSTE
keimen (mälzen)
MALZ
trocknen (darren)
mahlen
100°C
mehrere h
filtrieren
kühlen
HOPFENÖLE
JUNGBIER
kühlen
GEREIFTES
BIER
filtrieren
50-60°C
mehrere h
W ÜRZE
filtrieren
(läutern)
erhitzen
WÜRZE
HEFE
fermentieren
STAMM-
erhitzen,
extrahieren
(maischen)
HOPFEN
pasteurisieren
TREBER
KONSERVIERUNGSSTOFFE
15-20°C, 5-7d
6-12°C, 8-14d
-1°C, mehrere
Wochen
BIER
Herr Pimpelhuber führt einige Vorversuche durch, um die optimale Einstellung der Wasserpumpe für
die Kühlung der Maische zu ermitteln. Der maximale Volumenstrom, für den die Pumpe ausgelegt ist,
beträgt 278 ml/s (= 1000 l/h). Er führt fünf Experimente durch mit fünf unterschiedlichen
Volumenströmen und ermittelt für jeden Volumenstrom den Wärmestrom, sowie die elektrische
Leistung der Wasserpumpe. Beim maximalen Volumenstrom berechnet er einen Wärmestrom von
2,37 kJ/s und misst eine Leistungsaufnahme der Pumpe von 7,92 W. Die folgenden vier Experimente
führt er mit 80%, 50%, 40% und 20% des maximalen Volumenstroms durch. Er berechnet für die vier
Experimente die folgenden Wärmeströme: 2,25 kJ/s, 2,2 kJ/s, 2,06 kJ/s und 1,77 kJ/s. Außerdem
stellt er fest, dass sich bei einer Verdopplung des Volumenstroms die Leistungsaufnahme
verachtfacht. Bei der kleinsten Pumpeneinstellung (55,6 ml/s) misst er eine elektrische Leistung von
0,063 W.
Arbeitsaufträge
A Expertengruppe
Fasst Herrn Pimpelhubers Messergebnisse in einer Messwerttabelle zusammen (Experiment Nr.,
Volumenstrom in ml/s, Leistungsaufnahme der Pumpe in W, Wärmestrom in kJ/s).
B Stammgruppe
Vergleicht eure Ergebnisse miteinander und klärt Ungereimtheiten.
Formuliert auf der Basis eurer Ergebnisse eine Empfehlung an Herrn Pimpelhuber, mit welcher
Pumpeneinstellung er seine Maische kühlen sollte.
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Energieeffizienz beim Bierbrauen - 2
Herr Pimpelhuber, ein Hobby-Bierbrauer, plant seine neue Anlage im Keller. Beim Bierbrauen wird
die Maische nach der Zugabe des Hopfens mehrere Stunden gekocht. Bevor die Hefe zugegeben
wird, die für den Gärvorgang verantwortlich ist, muss die Mischung gekühlt werden. Herr
Pimpelhuber möchte ein obergäriges Bier brauen. Für dieses Bier liegt die Gärtemperatur bei 15 bis
20°C.
Wasser
GERSTE
keimen (mälzen)
MALZ
trocknen (darren)
erhitzen,
extrahieren
(maischen)
mahlen
W ÜRZE
100°C
mehrere h
STAMM-
filtrieren
kühlen
HOPFENÖLE
JUNGBIER
fermentieren
filtrieren
(läutern)
erhitzen
WÜRZE
HEFE
kühlen
GEREIFTES
BIER
filtrieren
50-60°C
mehrere h
HOPFEN
TREBER
KONSERVIERUNGS-
pasteurisieren
STOFFE
-1°C, mehrere
Wochen
15-20°C, 5-7d
6-12°C, 8-14d
BIER
Herr Pimpelhuber führt einige Vorversuche durch, um die optimale Einstellung der Wasserpumpe für
die Kühlung der Maische zu ermitteln. Der maximale Volumenstrom, für den die Pumpe ausgelegt ist,
beträgt 278 ml/s (= 1000 l/h). Die Ergebnisse seiner Vorversuche sind in der folgenden Tabelle
zusammengefasst.
Experiment Nr.
1
2
3
4
5
Volumenstrom
(ml/s)
55,6
111,2
139
222,4
278
Leistungsaufnahme
der Pumpe(W)
0,063
0,504
0,99
4,032
7,92
Wärmestrom (kJ/s)
1,77
2,06
2,2
2,25
2,37
Arbeitsaufträge
A Expertengruppe
Stellt die Versuchsergebnisse von Herrn Pimpelhuber graphisch dar.
B Stammgruppe
Vergleicht eure Ergebnisse miteinander und klärt Ungereimtheiten.
Formuliert auf der Basis eurer Ergebnisse eine Empfehlung an Herrn Pimpelhuber, mit welcher
Pumpeneinstellung er seine Maische kühlen sollte.
26.11.2014
V14-Wärmetransport_Rohrbündel_Tested_2
Seite 20
Wärmetausch
Lehrerseiten
Energieeffizienz beim Bierbrauen - 3
Herr Pimpelhuber, ein Hobby-Bierbrauer, plant seine neue Anlage im Keller. Beim Bierbrauen wird
die Maische nach der Zugabe des Hopfens mehrere Stunden gekocht. Bevor die Hefe zugegeben
wird, die für den Gärvorgang verantwortlich ist, muss die Mischung gekühlt werden. Herr
Pimpelhuber möchte ein obergäriges Bier brauen. Für dieses Bier liegt die Gärtemperatur bei 15 bis
20°C.
Herr Pimpelhuber führt einige Vorversuche durch, um die optimale Einstellung der Wasserpumpe für
die Kühlung der Maische zu ermitteln. Der maximale Volumenstrom, für den die Pumpe ausgelegt ist,
beträgt 278 ml/s (= 1000 l/h). Die Ergebnisse seiner Vorversuche sind im folgenden Diagramm
zusammengefasst.
Arbeitsaufträge
A Expertengruppe
Formuliert einen Text, der die dargestellten Versuchsergebnisse von Herrn Pimpelhuber
zusammenfasst.
B Stammgruppe
Vergleicht eure Ergebnisse miteinander und klärt Ungereimtheiten.
Formuliert auf der Basis eurer Ergebnisse eine Empfehlung an Herrn Pimpelhuber, mit welcher
Pumpeneinstellung er seine Maische kühlen sollte.
26.11.2014
V14-Wärmetransport_Rohrbündel_Tested_2
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