Technoskript

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1.1. Grundbegriffe der Energietechnik
a) mechanische Energie
- kinetische Energie (fahrendes Auto, drehende Welle, bewegtes
Wasser im Fallrohr)
- potentielle Energie (aufgestautes Wasser, Aufzug[Gegengewicht])
b) chemische Energie
chemische Bindung von Atomen.
- endotherm (Energie wird zugeführt, z.B. Elektrolyse)
- exotherm (Energie wird freigesetzt, z.B. Verbrennung von Öl,
Kohle, Gas)
c) elektrische Energie
- statische Energie (Kondensator)
- dynamische Energie ( bewegte Ladung)
d) elektromagnetische Energie
Energie von elektromagnetischen Wellen/Strahlen (Sonnenstrahlen,
Radiowellen, Wärmestrahlung, Mikrowellen)
e) Kernenergie
Bindungsenergie in den Atomkernen
f) Wärmenergie
Ungeordnete Bewegung der Teilchen (Atome/Moleküle)
1.2 Energieerhaltung
Energieerhaltungssatz (EES):
Energie kann weder erzeugt, noch vernichtet werden, sie kann lediglich von
einer Form in die andere Form umgewandelt werden.
Energie wird nicht verbraucht sondern entwertet.
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1.3 Energiewandler und Wirkungsgrad
zugeführte
Energiewandler
abgeführte
Energie
E kin
GENERATOR
Energie
E el
a) Energiewandler:
Mechanisch
Elektrisch
Chemisch
Mechanische
Getriebe
E-Motor
Muskel
Elektrische
Generator
Transformator
Batterie
Thermisch
Dampfmaschine Thermoelemente
Chemische
Akkulator
Thermische
Bremsen
E-Herd
Explosion,
Verbrennung,
Ölheizung
Wärmetauscher
b) Verluste bei der Energieumwandlung
E zu
ENERGIEWANDLER
E ab
Verluste
c) Wirkungsgrad – ein Gütermaß für die Energieumwandlung
abgeführte Energie
Wirkungsgrad =
Zugeführte Energie
η=
E ab
E zu
Der Wirkungsgrad eines Energiewandlers wird meist in Prozent angegeben.
3
η [%]=
E ab
E zu
η < 100 %
Beispiel einer Energiewandlungskette:
E chem.
Kohle
Feuerun
gskessel
E therm Turbine
η1
η2
E kin
Generator
E el
η3
ηges=η1*η2*η3
η1= 0,85
η2= 0,45
η3= 0,98
ηges= 0,85*0,45*0,98 = 0,38
Das heißt:
Von 100 t Kohle werden 38 t in elektrische Energie umgewandelt. Der Inhalt
von 62 t geht bei der Umwandlung „verloren“.
1.4 Arten von Energie
a) Primärenergie
Energie, die von der Natur zur Verfügung gestellt wird. Die Stoffe in der die
Energie gespeichert ist werden als Primärenergieträger bezeichnet.
Fossile Energieträger: Kohle, Erdöl, Erdgas
Kernbrennstoffe: Uran, Plutonium
Regenerative Energieträger: Wind, Wasser, Holz, Biomasse, Erdwärme
b) Sekundärenergieträger
Die Primärenergieträger die nicht zum Transport geeignet sind, werden zu
Sekundärenergieträger veredelt.
Kohle
Briketts
4
Erdöl
Benzin, Diesel, Heizöl, Petrolium
Elektr. Strom
c) Endenergie
Sekundär – bzw. Primärenergieträger, der nicht mehr veredelt werden muss und
direkt dem Endverbraucher zur Verfügung steht.
d) Nutzenergie
-
Wärme
Mechanische Energie
Licht
Energie zur Information und Kommunikation
1.5 Energieflussdiagramm
30 %
Nutzenergie
Verluste beim Verbraucher
Nichtenergetischer
Verbrauch
Eigenbedarf
Umwandlungsverluste
10%
Primärenergie
Der nationale Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Primärenergie in
Nutzenergie liegt bei 30 %
Der internationale Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Primärenergie in
Nutzenergie liegt bei 10 %
National:
1 kw/h sparen = 3 kw/h weniger Primärnergie
5
International: 1 kw/h sparen = 10 kw/h weniger Primärenergie
ENERGIESPAREN LOHNT SICH!!!
1.6 Physikalisch Grundlagen, Maßeinheiten
a) Arbeit
W=F*s
Arbeit = Kraft * Weg
[Nm] = [N] * [m]
1 Nm = 1 J (Joule)
b) Energie
Energie ist die Fähigkeit Arbeit zu verrichten.
Wenn ein System Energie besitzt, ist in ihm Arbeit gespeichert.
System
Zustand
Energie
Auto
Fahrend
Stehend
Hochbecken
Talbecken
Heiß
Kalt
Groß
Klein
Groß
Klein
Groß
Klein
Wassermengen
Kochtopf
End E2
h=s
E1
Anfang
W = E2 – E1 = ∆E [J]
c) Vorzeichenregelung
∆E > 0 (positives Vorzeichen) System wird Energie zugeführt
6
∆E< 0 (negatives Vorzeichen) System gibt Energie ab.
d) Leistung
P = W/t = ∆E/t
Leistung = Arbeit/Zeit
[W] = [J]/[s]
W= P * t
[J]= [W]*[s]
1 kw/h = 1000 W *(60min/h * 60s/min) = 3,6 * 10^6 Ws = 3,6 *10^6 J
3600s
e) Wichtige Einheiten
Die Steinkohleeinheit (SkE)
1kg SkE = 8,14 kw/h = 29,3 *10^6 J (Heizwert von 1kg Steinkohle)
Einheit
1Ws=1Nm 1kw/h
1t SkE
In J
1
2,93*10^10 1,602*10^-19 4200
3,6*10^6
1 ev
1 kcal
f) Einheitenvorsätze
Vorsatz
Kilo
Kurzzeichen K
Bedeutung 10^3
Mega
Giga
Tera
Peta
Exa
M
10^6
G
10^9
T
10^12
P
10^15
E
10^18
1.7 Wichtige Physikalische Formeln
a) Potentielle Energie
Epot = m*g*h
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m= Masse in kg
h= Höhe in m
g= Fallbeschleunigung 9,8 m/s²
b) Kinetische Energie
Ekin = ½ m*v²
v = Geschwindigkeit
c) Elektrische Energie
E = U*I*t
U = Spannung in V
I = Stromstärke in A
t = Zeit in s
d) Wärme Energie
Q = c*m*∆T
Q = in KJ
C = spezifische Wärmekapazität KJ/kg*K
∆T in K
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2.1 Energieverbrauch
a) Weltweit
- Der nach wie vor ungebremste Anstieg der Weltbevölkerung führt
dazu, dass immer mehr Menschen Energie benötigen
- Zusätzlich steigt auch der Pro-Kopf-Energieverbrauch. Während
sich in den Industrieländern eine Stagnation des Pro-KopfEnergieverbrauchs auf hohem Niveau abzeichnet, sind in den
weniger entwickelten Ländern große Steigerungsraten beim ProKopf-Energieverbrauch festzustellen
Kernkraft (ab ca. 1963)
b) Bundesrepublik Deutschland
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- Stärkerer Anstieg des Endenergieverbrauchs in der Nachkriegszeit.
Erster Einbruch 1973 als Folge der ersten Erdölkrise. Danach neuer
Anstieg mit Maximum 1979 (2. Erdölpreiskrise), seither
stagnierender Verbrauch.
- Bis 1973 wächst der Anteil des Mineralöls stark an, seither wieder
leicht rückläufig. Das Mineralöl hat aber nach wie vor den größten
Einzelanteil (41% in 1995) bei der Deckung des
Endenergieverbrauchs Deutschlands
- Der Anteil der Steinkohle ist bis 1975 rückläufig; ab 1975 dann
stagnierend
- Die Nutzung des Schadstoffärmsten fossilen Energieträgers Erdgas
setzt in größeren Umfang 1970 ein und steigt seither an.
- Der Kernenergieanteil ist ab 1965 steigend, macht aber bei der
Deckung des Gesamtprimärenergieverbrauchs nur etwa 10% aus
(bei der Stromerzeugung liegt er wesentlich höher)
- Der Anteil der regenerativen Energie ist gering
Energieverbrauch in der Familie:
Auto (33%), Heizung (51%), Warmwasserbereitung (9%), Haushaltgeräte (4%),
Beleuchtung (1%)
3
3.1 Thermodynamische Grundbegriffe
a) Thermodynamisches System
Thermodynamisches System (Konkret)
GAS
Umgebung
Systemgrenzen
Thermodynamisches System (Abstrakt)
System
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b) Standardsystem
Gasgefüllter Arbeitszylinder mit verschiedenen Kolben.
- abgeschlossenes System
Bsp.: Thermoflasche
Def.: keine Wechselwirkung zur Umgebung (keine Wärm, keine Materie wird
ausgetauscht)
- geschlossenes System
Bsp.: Heizkreislauf, Kühlschrank, Erde
Def.: Austausch von Energie mit der Umgebung aber kein Austausch von
Materie.
Für die Technik relevant: Arbeitszylinder mit festeingeschlossenen Gas.
- offenes System
Bsp.: Ottomotor, Körper (Mensch)
Def.: Energieaustausch mit der Umgebung und Materialaustausch möglich
- adiabates System
System, das den Wärmeaustausch mit der Umgebung unterbindet. Materie und
Energie dürfen in Form von (Energie) Arbeit die Systemgrenze nicht
überschreiten.
Arbeitszylinder mit Styropor
GAS
c) Zustandsgrößen
- Temperatur
υ in °C
T in K
T= υ[°C] + 273,2 K
υ= T – 273,2 K
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In der Thermodynamik wird nur in K gerechnet.
∧
0°C = 273 K
- Druck (pressure)
Kraft
P=
[N]
=
Fläche
[m²]
1N/m² = 1 Pa (Pascal)
1*10^5 Pa = 1 bar
- atmosphärischer Druck
1 013 hPa = 1,013 bar
- Volumen V
V = A * h (Grundfläche * Höhe)
V[m³]
1m³ = 1000 l
h
A
3.2 Gleichgewichtszustand
Ein System befindet sich im Gleichgewichtszustand, wenn sich seine
Zustandsgrößen zeitlich nicht ändern und räumlich nicht verschieden sind.
a) Zustandsänderung
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Zustandänderung
P1, T1, V1
Thermodynamischer
Prozess
Anfangszustand
P2, T2, V2
Endzustand
b) Gesetz von Boyle – Mariotte (T = const.)
Druck und Volumen veränderbar, Temperatur aber bleibt konstant.
p
Isotherme
V
v-p – Diagramme
p * v = const.
p1 * v1 = p2 * v2
c) Gesetz von Gay – Lussac (p = const.)
T
Isochore
v
V
V1
= Const.
T
V2
=
T1 T2
d) Gesetz von Amontons (v = konst.)
12
p
Isochore
T
p/T = konst.
p1/T1 = p2/T2
e) Zustandsgleichung für ideale Gase
- Für eine beliebige Zustandsänderung
Zustand 1
Zwischenzustand
Isotherm
T1=Tz
p1, v1, T1
isobar
pz=p2
pz, vz, Tz
p1*v1 = p2*v2
vz/T1 = vz/Tz
vz = (vz*T1)/Tz
p1*v1 = (p2*v2*T1)/T2
(p1*v1)/T1 = (p2*v2)/T2
: T2
(p*v)/T = konst
(p*v)/T ist zwar konstant, aber nicht für alle Gase gleich
(p*v)/T ist von der Gassorte und von der Masse abhängig
(p*v)/T = m*Ri
p*v = m*Ri*t
Zustand 2
*T
Ri = allgemeine Gaskonstante
p2, v2, T2
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In der Thermodynamik werden oft Größen auf die Masse bezogen. Diese
werden mit dem Wort „spezifisch“ bezeichnet und mit einem kleinen
Buchstaben gekennzeichnet.
Spezifisches Volumen v= V/m = 1/ς „Kehrwert der Rohdichte“
p*v = Ri*T
3.3 Isobare Prozess (p = konst.)
Wärmedicht
∆s
Wärme wird
zugeführt
p, v2
Zustand 1
Zustand 2
p
1
2
W
V
Q12 = zugeführte Energie
Verrichtete Arbeit im System:
W = F*∆s
p = F/A
W = p* A * ∆s
p, v2
F= p*A
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∆v = v1 – v2
W = p* ∆v
a) Vorzeichenbetrachtung
∆v ist im Beispiel positiv
Def.: laut Buch 1.2
„Das Vorzeichen ist negativ wenn vom System Arbeit verrichtet wird.“
b) Arbeit eines Isobaren Prozesses:
W12 = - p * ∆v = - p (v2 – v1)
Man beachtet:
Der Betrag der Arbeit ist gleich dem Flächeninhalt unter der Prozesskurve
zwischen den Zuständen 1 und 2.
Zahlenbeispiel S. 49
c) Wärme
Q12 wird als Wärme dem System zugeführt
Q12 = cp*m*∆T
cp= Druck bleibt Konstant
Benennung
p, v, T werden als Zustandsgrößen bezeichnet
W12, Q12 werden als Prozessgrößen bezeichnet
3.4 Isochore Prozess (v = konst.)
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p1, v
p2, v
p
----------------------2
Q12
----------------------1
v
a) Arbeit
Es wird keine mechanische Arbeit verrichtet
W12 = 0
Keine Fläche unter der Prozesskurve
b) Wärme
Q12 wird dem System zugeführt
Q12 = cv * m* ∆T
Cv = spez. Wärmekapazität für isochoren Prozess
cp > cv
3.5 Isotherme Prozess ( T = konst.)
Beim isothermen Prozess muss die Temperatur konstant gehalten werden.
In der Praxis nicht leicht, da die Temperatur bei :
- Expansion abfällt (Feuerzeug Befüllung)
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- Kompression steigt (Luftpumpe)
Lösung:
Reservoir
Q 12
p1
v1
T = konst.
Der Arbeitszylinder wird mit guter Wärmeleitender Schale in ein Wasserbad
gestellt, dass sozusagen als Reservoir die Wärme aufnimmt bzw. speichert.
p * v = konst.
y*x=1
y
= 1/x
p
v
p * v = m* Ri * T
p
v
v1
v2
W12 = - m * Ri * T ∫1/v * d*v
= - m *Ri * T * [ln v]
W12 = - m *Ri * T * ln(v2/v1) = - m *Ri * T * ln (p1/p2)
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- Spezifische Arbeit
w12 = W12 / m
w12 = - Ri * T * ln (v2/v1) = - Ri * T * ln (p1/p2)
3.6 Adiabate Prozess
Zustandsänderung ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung
Häufige Prozesse von Maschinen
z.B. Kompression eines Gases in einem Kolbenmotor
Kompression läuft so schnell ab, dass kein Wärmeaustausch mit der Umgebung
stattfindet.
Die adiabatengleichung:
Kompression
Gas
Temperaturanstieg (vgl. Isothermer Prozess)
T
Isotherme
Adiabate
v
Graph steigt steiler als bei der Isotherme an.
Adiabatenexponent:
Κ= cp / cv
“Kappa”
a) Adaiabatengleichung
1<κ<5/3 (vgl. S.41 Tabelle)
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p * vκ = konst.
Bzw. p1 * v1κ = p2 *v2κ
b) abgeleitete Gleichung
T1/T2 = (p1/p2) κ-1/κ = (v2/v1) κ-1
c) Arbeit eines Adiabaten Prozesses
m * Ri * T1
W12 = -
[(v1/v2)κ-1 –1]
1-κ
m * Ri * T1
=-
[(p2/p1) κ-1 / κ – 1]
1-κ
m * Ri
=-
(T1 – T2)
1-κ
ZUSAMMENFASSUNG THERMODYNAMISCHER PROZESSE
p * v n = konst.
n = 0: p* v o = konst.
n = ∞:
n = 1 p * v = konst.
n = κ: p * v κ = konst.
p
v
Expansion
Kompression
p = konst. Isobare Prozess
v = konst. Isochore Prozess
T = konst. Isotherme Prozess
Adiabate Prozess
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3.7 Hauptsätze der Thermodynamik
Wärme
Qab
U
Innere Energie
Qzu
Wärme
Wzu
Wab
a) Isochore Prozess (V=konst.)
Änderung der inneren Energie nur durch Erhitzen oder Abkühlen
∆U = Q12
b) Adiabate Prozess (Q12=0)
Änderung der inneren Energie nur durch zu- bzw. abgeführte Arbeit
∆U = W2
Folgerung aus a) und b): Es folgt ein beliebiger Prozess
1. Hauptsatz der Thermodynamik:
In einem geschlossenen System ist innere Energie U enthalten, deren
Änderung gleich der Summe aus zu- oder abgeführter Wärme und Arbeit
ist.
Anwendung des 1. Hauptsatzes:
- Alle Energiearten sind gleichwertig
- Perpetuum mobile 1.Art
Ezu
Perpetuum
mobile
1.Art
- Isotherme Prozess ∆U = 0
∆U = Q12 + W12
Eab
20
Q12 = -W12
- Abgeschlossenes System
W12 = 0
Q12 = 0
U = konst.
- Zusammenhang zwischen cv, cp und Ri
Ri = c p - c v
2. Hauptsatz der Thermodynamik
Revisible und irrevisible Prozesse
- Irreversibel: Änderung der Umgebung (z.B. erhitzen eines Kupferrohres
an einem Ende)
Alle in der Natur ablaufenden Vorgänge sind irreversibel.
- Revisibel: Keine Änderung der Umgebung (z.B. Fadenpendel)
Es gibt keine dauernd oder zyklisch arbeitende Maschine, die nichts weiter tut
als einem Revisor Wärme zu entnehmen und diese in Arbeit zu verwandeln.
3.8 Exergie und Anergie
Exergie: Anteil der Energie, der uneingeschränkt in Arbeit umgewandelt
werden kann.
Anergie: Anteil der Energie, der nicht in Arbeit umgewandelt werden kann.
Beispiele:
elektrische Energie
100% Exergie
100% Anergie
Umgebungswärme
bei Raumtemperatur
Exergie
Anergie
Wärme bei höheren
Temperaturen
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Folgerung nach dem 1.Hauptsatz:
ENERGIE = EXERGIE + ANERGIE = konst.
3.9 Kreisprozesse
Arbeit in Wärme umzuwandeln ist gut möglich (wegen der Reibung)
Wärme in Arbeit umzuwandeln ist nur eingeschränkt möglich
Definition der Maschine:
Wärme wird fortwährend in Arbeit umgewandelt.
Die Maschine muss nach jedem Durchlauf in seinem Ausgangszustand
zurückkehren.
D.h. im V-p-Diagramm:
p
p
V
Rechtsgängiger Kreisprozess
V
„linksgängiger Kreisprozess“
Die Änderung der inneren Energie beim Durchlaufen eines Kreisprozesses
bleibt gleich.
∆U = 0
a) Der Rechtsgängige Kreisprozess
Der Kreisprozess verrichtet Arbeit, wenn die Kompressionskurve unter der
Expansionskurve verläuft.
Eine Maschine die solche Kreisprozesse ermöglicht nennt man
Wärmekraftmaschine.
Prinzipieller Prozess
p
Expansionskurve
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WN
V
Kompressionskurve
WN ist die Nutzarbeit, die zwischen den Prozesskurven eingeschlossen ist.
Energiebilanz:
∑Q+∑W = 0
W23 + W41 = 0
Q12 + Q23 = 0
│WN│= │W12 │- W34 = │Q41│ - Q23
Thermische Wirkungsgrad: „Wirkungsgrad“ von Wärmekraftmaschinen.
η= Nutzen / Aufwand
η= WN/Qzu = (Qzu - │Qab│) / Qzu = 1 - │Qab│/│Qzu│
b) Der Linksgängige Kreisprozess
Dem Kreisprozess wird Arbeit zugeführt, wenn die Kompressionskurve
oberhalb der Expansionskurve läuft.
Hierbei wird die Wärme gegen ihre natürliche Flussrichtung von kalt nach warm
gepumpt. Diese Prozesse werden auch Wärmepumpenprozesse genannt.
warmes Revisor
Wauf = │Qab│ - Qzu
Qzu
kaltes Revisor
Prinzipdarstellung einer Wärmepumpe:
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ε = Nutzen / Aufwand = │Qab│/Qauf = │Qab│/(│Qab│- Qzu) = 1/η → ε > 1
c) Der Carnotsche Kreisprozess
Der Carnotsche Kreisprozess gibt an, wie eine Wärmekraftmaschine zwischen
zwei Temperaturniveaus Tmax > Tmin am effektivsten die Wärme in Arbeit
umwandelt. Es gibt keinen Kreisprozess, der einen besseren, thermischen
Wirkungsgrad aufweist.
Prozessschritte:
Wärme
Q12 = - W12
1→ 2
Isotherme Expansion
2→ 3
Q23 = 0
adiabate Expansion
3→ 4
Q34 = - W34
Isotherme Kompression
4→ 1
Q41 = 0
adiabate Kompression
Prozesskurve:
1
2
│WN│
4
3
V4
V1
V3
V2
Der Carnotsche Wirkungsgrad:
η = 1 – (Tmin/Tmax)
Arbeit
W12 = - m*Ri*Tmax*ln(v2/v1)
W23 = - (m*Ri)/(1-κ) * (Tmin-Tmax)
W34 = -m*Ri*Tmin*ln(v4/v3)
W41 = (m*Ri)/(1-κ) *(Tmax – Tmin)
24
4
4.1 Verbrennungsmotoren
a) Ottomotor
Aufbau: Einlassventil (EV), Auslassventil
(AV), Kolben (K), Verbrennungsraum (VR),
Pleuelstange (P), Kurbelwelle (KW),
Zündkerze (Z)
Funktionsweise:
1. Takt: Ansaugen ( 0 > 1; Isobare Prozess):
Benzin-Luftgemisch wird vom Vergaser über das Einlassventil in den
Zylinder angesaugt. Kolben bewegt sich nach unten.
2. Takt: Verdichten ( 1 > 2; Adiabate Prozess):
Kolben bewegt sich nach unten und verdichtet bei geschlossenen Ventilen
Gas und erwärmt es.
3. Takt: Arbeiten (2 > 3; Isochore Prozess):
Im Moment der größten Verdichtung wird das Benzin-Luftgemisch durch die
Zündkerze gezündet.
(3 > 4; Adiabate Prozess) durch explosionsartige Verbrennung wird Kolben
nach unten gedrückt, es wird an ihm Arbeit verrichtet.
4. Takt: Ausschieben (4 > 0;
Isobare Prozess):
Verbrannte Gase werden durch
das geöffnete Auslassventil und
die Kolbenbewegung nach oben
ausgestoßen
b) Ottomotor
Aufbau: Motorgehäuse, Kurbeltrieb, Motorsteuerung, Einspritzanlagen,
Hilfseinrichtungen
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Arbeitsweise:
1. Takt (Ansaugen): Frischluft wird durch Kolbenbewegung nach unten
angesaugt.
2. Takt (Verdichten): Luft wird verdichtet und bis auf 900°C erhitzt
(adiabate Kompression)
3. Takt (Arbeiten): Luft-Kraftstoffgemisch zündet selbst durch hohe Hitze.
Kolben bewegt sich nach unten (adiabate Expansion)
4. Takt (Ausstoßen): Die unter Überdruck stehende Verbrennungsgase
gelangen durch das Auslassventil in die Auspuffanlage.
Verbrennungsverfahren:
Indirekte Einspritzung: Kraftstoff-Luftgemisch gelangt über Umwege in den
Brennraum (z.B. Vorkammerverfahren, Wirbelkammerverfahren).
Direkte Einspritzung: Kraftstoff wird unter Hochdruck eingespritzt (z.B.
Common Rail – Technik, Pumpe – Düsen Technik).
Vorteile gegenüber Ottomotor:
Weiter Drehzahlbereich, niedrige CO und HC – Emissionen, geringer CO2 –
Ausstoß, geringer Kraftstoffverbrauch, höherer Nutzwirkungsgrad.
Vergleich Otto – und Dieselmotor:
Ottomotor
Ansaugen u.
Benzin –
Verdichten
Luftgemisch;
Verdichtungstemp.
unter
Selbstzündetemp.
Verdichtungsverhält 6 ... 12
nis
Verbrennung
Gleichraumverbrennu
ng
Wirkungsgrad
εOtto= 1 – (1/ εκ-1)
(theoret.) 25% - 30%
Ottomotor
Dieselmotor
Nur Luft wird angesaugt;
Verdichtungstemp. über
Selbstzündetemp.
12 ... 24
Gleichdruckverbrennung
εDiesel = 1 – (1/εκ-1)*(φκ-1/κ(φ-1))
35% - 50%
Dieselmotor
26
Indikatordiagramme
c) Wankelmotor
Aufbau des Kreiskolbenmotors (KKM):
- Gehäuse mit 8-förmiger Querschnittsform (Trichoidenkurve)
- Läufer/Kreiskolben mit Bogendreiecksform, welcher die 3 Kammern
voneinander trennt
- Exzentner und Exzentnerwelle, welche Kraftübertragende Funktion
besitzen
Vorteile
Hohe Leistung
Leicht, durch geringe Teilchenzahl
Geringer Raumbedarf
Laufruhe wg. 2 rotierenden Teilen
4.2 Die Wärmepumpe
Prinzip:
Nachteile
Hoher Fertigungsaufwand und Kosten
Hoher Schadstoffausstoß
Hoher Verbrauch an Öl und Treibstoff
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Wie Kühlschrank, nur wird hier versucht Wärme zu gewinnen. Wärme kann auf
verschiedene Art und Weise gewonnen werden:
- Aus der Luft
- Aus tieferen Erdbereich (PE-Rohre)
- Wasser (Flüsse, Seen)
Arbeitsschritte:
4 – 1; Verdampfer: Aufnehmen der Wärme aus Umgebung
1 – 2; Verdichter: Temperatur wird mit Hilfe eines Kompressors herauf gesetzt
2 – 3; Verflüssiger: Kältemittel gibt gespeicherte Wärme an Heizung ab
3 – 4; Entspannungsventil: Kältemittel wird entspannt
Einsatzgebiete:
- Heizung in Gebäuden
- Warmwasserbereitung
- Fußbodenheizung
Vorteile:
-
Energiegewinnung aus Erdwärme
Billiger als Ölheizung
Ersparnis von 50% gegenüber Heizung
Emission von Kohlenstoffdioxid ist halb so hoch
Platzersparnis
Förderung durch Regierung
4.3 Turbolader
Füllungsverbesserung durch: Luftfilter, Turbolader/Kompressor, NOSLachgaseinspritzung; Es gelangt mehr zündfähiges Gas in den Brennraum
Mechanik und Elektronik: Chiptuning, Nockenwelle und Ventile, Hubraum;
Verbesserung des Motors
Abgasverbesserung: Fächerkrümmer, Auspuffanlage
4.4 Großtechnische Energiewandler
Die Primärenergie ist im allgemeinen schlecht für den Endverbraucher nutzbar.
Notwendigkeit:
28
Primärenergie
Umwandlung
Sekundärenergie
Gründe:
a) bessere Umwandlungsfähigkeit
b) bessere Transportfähigkeit
c) bessere Speicherfähigkeit
4.4.1 Elektrische Energie
Dieser Energieträger erfüllt vorbildlich Punkt a) und b)
Vorteile:
-
gute Umwandlung in andere Energien (reine Exergie)
Transport und Umwandlung sehr Umweltfreundlich
Lässt sich aus Primärenergie erzeugen
Masselos und nicht Stoffgebunden
Rasche, saubere und mit geringen Verlusten verteilbar
Gut messbar, steuerbar und regelbar
In Kommunikationstechnik unverzichtbar
Nachteile:
-
nicht in großen Mengen speicherbar
wird von Wärmekraftmaschinen erzeugt (ηWKM niedrig)
Kostenintensive (Stromleitungen, Kraftwerke)
Leistungsgebunden
4.4.2 Primärenergie zur Stromerzeugung
Wasserkraft (3,4%), Kernenergie (30,2%), Erdgas (6%), Heizöl (1%),
Braunkohle (29,8%), Steinkohle (28%) Sonstige (1,6%);
In Bayern überwiegt die Wasserkraft zur Stromerzeugung.
Kohle, Kernenergie haben den größten Anteil bei der Stromerzeugung
Einschub:
Heizen mit regenerativen Energien
Definition
Pellets
Gepresste Sägespäne
Hackschnitzel
Naturbelassenes
Biogas
Vergährte,
29
Heizwert
Kosten
Lagerraum
Größe
4,9 kWh/kg
3,5 ct/kWh
1kg = 0,9 m²
D= 5-6 L= 10 – 25mm
Holz
3,7 kWh/kg
2,5 ct kWh
1kW = 1,6 – 2 m²
30 – 50 mm
organische Masse
4 – 7,5 kWh/m³
----150 – 500m³
-----
4.5 Bedeutung der elektrischen Energie
Spitzenlastbereich
Mittellastbereich
Grundlastbereich
Uhrzeit
Kraftwerke für Lastbereiche:
a) Grundlastbereich
- Kraftwerke werden nicht abgeschaltet
- Stromerzeugung ist relativ günstig (Primärenergie)
- KW laufen mit konstanter Leistung
Typen: Atomkraft-, Flusskraft- und Kohlekraftwerke (spez. Braunkohle)
b) Mittellastbereich
- Kraftwerke sind relativ gut zu steuern
- Werden bei Bedarf zugeschaltet
Typen: Steinkohlekraftwerke
c) Spitzenlastbereich
- Kraftwerke müssen sehr schnell am Netz, und schnell vom Netz
sein
- Energieerzeugung ist relativ teuer
Typen: Speicher-, Pumpspeicher- und Gasturbinenkraftwerke
30
4.6 Kohlekraftwerk (KKW)
Energieflussbild eines KKW
Turbine
Kessel
16%
Kesselverluste
46%
über Kühlturm
Generato
r
2%
Generator
2%
Eigenbedarf
Leitungsverluste < 10%
Endverbraucher ≈ 30%
5.
Radioaktivität
5.1 Strahlungsarten
α – Strahlung (aus Heliumkernen; zwei Protonen und zweit Neutronen)
β – Strahlung (Elektronenstrahlung; Neutron wandelt sich in ein Proton und
Elektron um)
γ – Strahlung ( Photonenstrahlung; elektromagnetische Wellen)
5.2 Kernspaltung
- Beschießung eines Kernes (ungerader Massenzahl) mit Neutronen
- Bildung eines Zwischenkernes
- Neutronen werden Freitag
5.3 Kettenreaktion
- Neutronen spalten U – 235 Kerne
- Energie und Neutronen werden frei
- Freigewordene Neutronen spalten wieder U – 235 Kerne
5.4 Wechselwirkung
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a) Spaltung
- Gerade Massenzahl (schnelle Neutronen)
- Ungerade Massenzahl (thermische Neutronen)
b) Streuung
- Neutron und Kern stoßen zusammen
- Neutronen werden langsamer (vgl. Billardkugel)
Moderator Stoffe:
- schweres Wasser (H2O mit vielen Neutronen)
- Beryllium
- Grafit
c) Absorption
- Neutronen werden vom Kern eingefangen
d) Kernbrennstoffe
Nur schwere Stoffe (U-235)
Kernbrennstoffe bestehen aus:
- 0,7 % thermischer Neutronen
- 99,3 % U-238
- geringere Konzentrationen
Brennelemente beschleunigen die Kettenreaktion
5.5 Reaktortypen
a) Leichtwasserreaktoren (LWR)
- leichtes Wasser wird als Moderator verwendet
- Reaktordruckgefäß
- Wasser dient als Kühlmittel und transportiert Wärme ab
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c) Siedewasserreaktoren (SWR)
-
Brennelemente bringen Wasser zum Sieden
Wasserdampf wird zur Turbine gebracht
Nur ein Kreislauf
Abschirmungen (Siehe 5.6)
d) Druckwasserreaktoren
- Wärme wird aus Reaktor abtransportiert (Wasser siedet nicht, da
der Druck zu hoch ist)
- Wärme wird über Wärmetauscher abgegeben
5.6 Sicherheitsbarriere in Kernkraftwerken
a) Der Brennstab
Da bei der Kernspaltung in Siedewasserreaktoren heutzutage Uran-235
verwendet wird, ist der Brennstab von einer Zirkonium-Legierung mit einer
Wandstärke von 0,65mm umhüllt. Das Material der Brennstäbe trennt den
Kernbrennstoff vom Kühlmittel des Primärkreislaufes und verhindert dadurch,
dass bei der Kernspaltung entstehenden radioaktiven Stoffe in den
Kühlmittelkreislauf gelangen.
Die Pellets die aus Uranoxid (UO2) gepresst, geschliffen und gesintert sind,
werden in ein mit Endklappen versehendes, geschlossenes Rohr eingebracht.
Die Pellets werden durch eine Druckfeder die von oben auf sie drückt
zusammengehalten. Der Spaltungsraum verhindert ein Anwachsen des
Gasdruckes im Brennstoff bei der Erwärmung.
b) Das Reaktordruckgefäß
Das Reaktordruckgefäß ist ein zylindrischer Stahlbehälter der mit dem
Rohrleitungssystem des Kühlmittels angeschlossen ist. Das Reaktordruckgefäß
hat die Funktion der Strahlenabschirmung. Da bei der Vielzahl der Brennstäbe
in einem Kernkraftwerk vereinzelte Undichtigkeiten Auftreten, können
radiaktive Substanzen in das Kühlmittel gelangen. Außerdem befinden sich im
Wasser zum Teil Neutronen aktivierte Korrosionsprodukte.
Ein Austreten dieser Aktivitäten verhindert das Reaktordruckgefäß und die
Wandungen des Kühlmittelkreises.
Die Dichtigkeit der einzelnen Teile des Kühlmittelkreises wird durch besondere
Verfahren (Ultraschall, Röntgenstrahlen) in regelmäßigen Zeitabständen
33
nachgewiesen. Damit das Kühlmittel nicht austreten kann werden geeignete
technische Maßnahmen vorgesehen.
c) Der Sicherheitsbehälter
Der Sicherheitsbehälter umschließt das Reaktordruckgefäß und die daran
liegenden Rohrleitungen. Bei Siedewasserreaktoren wird ein Sicherheitsbehälter
mit Druckabbau verwendet, um sich einen niedrigeren Druck bei einem
Kühlmittel Auslauf auslegen zu können. Die Wandstärke des
Sicherheitsbehälters beträgt maximal 30mm. In cm-Abständen befindet sich an
der Außenwand des Behälters noch zusätzlich eine Dickhaut, da solche Behälter
nicht absolut gasdicht hergestellt werden können.
Um unkontrollierte Aktivitätsabgabe zu verhindern, wird der Zwischenraum
durch Absaugung ständig auf Unterdruck kontrolliert.
5.7 Der Transport und die Endlagerung von radioaktiven Material
a) Der Castor
Cask for Storage and Transport of radiokative Material
Sicherheitstest:
34
- Sturz aus 9m Höhe, Aufprall mit der Behälterkante auf ein
unnachgiebiges Fundament
- Sturz aus 1m Höhe auf einen 15cm dicken Metalldorn der
mindestens 20m hoch ist
- Feuer für 30min mindestens 800°C an allen Seiten des Castors
- Drucksimulation, eine Stunde lang von einer Wassertiefe von 200m
(21bar Umgebungsdruck)
b) Endlager
Deutschland hat zurzeit keine aktives Endlager!
Endlager:
Zwischenlager:
Morsleben, Asse, Konrad, Gorleben
Ahaus, Greifswald, Rubenow, Gorleben
Sicherheitsanalysen
Übewachungsmaßnahmen