Binäre Gemische

Beispiel: Mischung von H2O (Komponente 1) und NH3 (Komponente 2)

Definition: Mischungsverhältnis: 21

2

mmm

w+

=

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 Tem-peratur hat für eine Mischung mit dem Gesamtmischungsverhält-nis 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 Wärme-leistung von kW14QV = 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 Kältemittel- dampf), 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?

140°

120°

100°

80°

60°

40°

20°

0°

-20°

10 bar

2

10 bar

10 bar

2

2

Hilfslinien

3000

2800

2600

2400

2200

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

0

-200

-400

-600

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0

100% H O2 100% NH3

hin

kJ/k

g

Taulinien

Siedelinien

Naßdam

pfis

oth

erm

efü

r140°

und

10

bar

Isothermen

h,w-Diagramm von Ammoniak-Wasser-Mischungen bei verschiedenen Drückenh,w-Diagramm von Ammoniak-Wasser-Mischungen bei verschiedenen Drücken

w

1/2

2’

3/4

2“/5

8“

8

6/7

8’

-10°

wA

wR

wK

h

h

h

1

6

3

h8

h5

2

7

4

= h= h

= h= h

= h= h

Naß

dam

pfis

othe

rme

für70

,4°un

d10

bar

Naß

dam

pfis

othe

rme

für70

,4°un

d10

bar

Naß

dam

pfisoth

erm

efü

r-1

0°

und

2bar

Naß

dam

pfisoth

erm

efü

r-1

0°

und

2bar

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 Nut-zung von Abwärmeströmen, wenn diese bei Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur anfallen. Der Abwärmestrom wird dann aufge-trennt in einen Teil, der bei tiefer Temperatur (Umgebungstempera-tur) ungenutzt abgeführt wird und in einen Teil, der bei höherer als der ursprünglichen Temperatur genutzt wird. Ersetzt man in einer Absorptionskältemaschine Pumpen durch Dros-seln und umgekehrt, so wird aus der Kältemaschine ein Wärmetrans-formator. Im Austreiber wird die leichter flüchtige Komponente durch Wärme-zufuhr bei der mittleren Temperatur Tm ausgetrieben. Der Dampf strömt zum Kondensator wo er bei, oder nahe bei Umgebungstempera-tur 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:

OHzSiOy]AlO)M,M[(x 222II½

I ⋅⋅⋅⋅

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)-Te-traeder. Letztere weisen jeweils eine negative La-dung im Gitter auf, die durch Metall-Kationen, z. B. Natrium, ausgeglichen werden muß. Durch Ver-knüpfen der primären Bau-gruppen ergeben sich se-kundäre Baugruppen. Meh-rere sekundäre Baugruppen ordnen sich zu tertiären Baugruppen zusammen. In der Abbildung handelt es sich dabei um einen Kubo-Oktaeder. Wiederum meh-rere tertiäre Baugruppen bilden, verbunden durch quaderförmig dargestellte Sauerstoffbrücken, einen Kristallkörper, in dessen Innerem ein Hohlraum mit definiertem Porendurch-messer und großem Volumen

entsteht. Zeolithe weisen große innere Oberflächen (ca. 1000 m2/g) und starke innere elektrostatische Felder im Kristallgitter auf. Der Poren-durchmesser beträgt etwa 0,4 nm, das spezifische Porenvolumen un-gefähr 0,5 cm3/cm3. Sie sind ungiftig und unbrennbar. Synthetische Zeolithe sind in Pulverform, als körniges Material oder als Press-linge 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 er-reichen, muß das Wasser im Verdampfer bei tiefen Tem-peraturen verdampfen. Aus der in der Grafik ersicht-lichen Dampfdruckkurve des Wassers stellt sich bei ei-nem Wasserdampfpartialdruck von 6,11 mbar eine Verdamp-fungstemperatur von 0°C ein. Daraus ergibt sich die Forderung, dass der Zeolith bei der Adsorption gekühlt werden muß, um die maximale Beladung erreichen zu kön-nen. Würde sich der Zeolith ohne Kühlung bei der Ad-sorption z. B. auf 80°C erwärmen, wäre dann nur noch ein maximale Beladung von ca. 16 Massenprozent Wasser bei 6,11 hPa Wasser-dampfpartialdruck möglich.

Zentrales Sorptionssystem mit Wasser/Zeolith (ZeoTech GmbH)

Das System stellt für Haushalt und Gewerbe Wärme und Kälte (Brauchwas-sererwärmung und Heizung sowie Küh-lung und Klimatisierung) bereit. Hauptkomponenten der Anlage sind: • ein 120-l-Boiler und ein 20-l- Verdampfer/Eisbehälter sowie • ein elektrisch beheizter, mit Zeolith gefüllter Sorber, der über Wärmetauscher mit dem Boiler und über einen Dampfströmungs- kanal 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 un-ter Abgabe der Verflüssigungswärme bei etwa 70°C (QK < 0), wodurch das Boilerwasser erwärmt wird, und ge-langt als flüssiges Wasser über den

Kondensatrücklauf in den Verdampfer (QV > 0). Die nach Abschluß des De-sorptionsprozesses im Zeolith enthaltene Wärme (QAS < 0) wird über ei-nen Kreislauf mit Pumpe und Rückschlagventil ebenfalls an das Boiler-wasser übertragen, dessen Temperatur dadurch weiter steigt. Ist die Zeolithschüttung ausreichend abgekühlt, öffnet sich die Kalt-dampfklappe, 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 Ent-wicklungsländern bzw. in Ge-bieten mit hoher Sonnenein-strahlung entwickelt worden. Das Kernstück des Systems ist ein Parabolkollektor, mit dem Sonnenenergie gebündelt und so zur Regeneration einer Zeo-lithpatrone verwendet wird. Nach erfolgter Regeneration wird diese Patrone mit einem Kuhlschrank verbunden, in den ein geeigneter Wasserverdamp-fer eingebaut ist. Zur Desorption wird der Behäl-ter mit gesättigtem Zeolith für ca. 3 h in den Solarkol-lektor gehängt und dort auf Temperaturen von über 200°C aufgeheizt. Nach einer an-

schließenden Abkühlzeit kann er wieder für einen Kühlvorgang ein-gesetzt werden. Damit auch Perioden mit geringer Sonnenstrahlung überbrückt werden können, sind mehrere Zeolithbehälter vorgesehen, die im desorbierten Zustand aufbewahrt werden und so als Kälte-speicher 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. We-nige Sekunden danach beginnt die Kälteerzeugung. Über einen Zeit-raum von 24 Stunden werden anschließend Lufttemperaturen inner-halb 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 vergleich-baren Kompressor-Kühlschrank, der mit elektrischen Solarzellen be-trieben wird, belaufen sich auf über € 1500,--). Das Kälteaggregat ist so konzipiert, dass es ohne großen Werkzeug-aufwand 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/Wärme-Erzeugung 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:

elektrischelektrisch

chemisch

PP

η =

thermisch

thermischchemisch

PP

η =

gesamt elektrisch thermischη = η +η

Abhängigkeit von der Stromkennzahl von der elektrischen Leistung:

elektrisch

thermisch

PP

σ =

Primärenergieeinsparung als Funktion der elektrischen Leistung:

primär primär,konv. primär,BHKWP P P∆ = −

Prinzip des MHD-Generators

Ein Plasma strömt mit der Geschwindigkeit v durch das homogene Magnetfeld B . Wegen 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 elek-trisches Feld E , das der Lorentz-Kraft entgegen wirkt. Es entsteht die Leerlaufspannung U0:

dUeEevBeF 0000 ===

dvBU0 =→ Bei geschlossenem Stromkreis fließt der Strom I. Dann ist

)RR(IU i0 += , wobei der Innenwiderstand der Ionenstrecke

AdRi σ≈ ist (σ ist die begrenzte Leitfähigkeit des Plasmas).

Am Verbraucher R entsteht der Spannungsabfall:

)AIvB(dA

IdURIU 0 σ−=σ−== Die im Verbraucher umgesetzte Nutzleistung ist:

)AIvB(dIA

dIIUUIP2

0 σ−=

σ−==

Auf die senkrecht zu den Elektrodenplatten bewegten Ladungsträger wirkt wieder die Lorentzkraft entgegengesetzt zu v, d.h. es muß Leistung aufgewendet werden, um die Strömung aufrecht zu erhalten. Diese Leistung beträgt P0 = U0I. Wirkungsgrad: AvB

I1AUId1P

P00 σ

−=σ

−==η Die maximale Nutzleistung folgt aus: AvB2

1I0dIdP

.Opt σ=→= Damit wird 22.Opt BAvd4

1P σ= und 5,0.Opt =η .