Binäre Gemische. Beispiel: Mischung von H 2 O (Komponente 1) und NH 3 (Komponente 2) m + Definition: Mischungsverhältnis:

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1 Binäre Gemische Beispiel: Mischung von H O (Komponente 1) und NH 3 (Komponente ) Definition: Mischungsverhältnis: w m 1 m + m 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 hase: Bei gegebener Temperatur hat für eine Mischung mit dem Gesamtmischungsverhältnis w der Flüssigkeitsanteil das Mischungsverhältnis w' und der Dampfanteil das Mischungsverhältnis w".

2 Schema einer Absorptionskältemaschine Zustandsänderungen in einer Absorptionskältemaschine

3 Aufgabe: Eine NH 3 /H O-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 0 C gekühlt (0 C ist also die Austrittstemperatur am Absorber und Kondensator). Die maximale Temperatur, die im Austreiber erreicht wird, ist 10 C (Der Austreiber wird mit H O-Sattdampf von bar beheizt). Im Absorber beträgt der Druck bar, im Austreiber 10 bar. Der aus dem Austreiber austretende Kältemitteldampf steht mit der siedenden reichen Lösung im Gleichgewicht. Die umparbeit 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?

4 h,w-diagramm von Ammoniak-Wasser-Mischungen bei verschiedenen Drücken bar Taulinien 000 Hilfslinien h bar / h 8 h in kj/kg h3 h 4 h6 h Naßdampfisotherme für 140 und 10 bar 3/ bar Naßdampfisotherme für 70,4 70,4 und und 10 bar bar Naßdampfisotherme für -10 und bar Siedelinien 6/7 8 h1 h Isothermen / ,0 0,1 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 100% H O w 100% NH 3 w A w R w K

5 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 umpen durch Drosseln und umgekehrt, so wird aus der Kältemaschine ein Wärmetransformator. Im Austreiber wird die leichter flüchtige Komponente durch Wärmezufuhr bei der mittleren Temperatur T m ausgetrieben. Der Dampf strömt zum Kondensator wo er bei, oder nahe bei Umgebungstemperatur T t kondensiert wird. Das Kondensat wird durch eine umpe auf höheren Druck gebracht und im Verdampfer wieder bei der mittleren Temperatur T m verdampft. Durch Absorption des Dampfes im Absorber wird Wärme frei, die bei der hohen Temperatur T h als Nutzwärme zur Verfügung steht. Die reiche Lösung fließt schließlich über eine Drossel dem Austreiber zu.

6 Adsorptionstechnik mit Wasser/Zeolith Zeolithe ("Siedesteine") kommen in verschiedenen Modifikationen in großen Mengen natürlich vor. Es sind Metall-Alumo-Silikate der allgemeinen Formel: I II x [(M, M ½) AlO] y SiO z HO mit M I Alkalimetall-Kation (z.b.: Li +, Na +, K +, Rb +, Cs +, Fr + ) M II Erdalkalimetall-Kation (z.b.: Mg +, Ca +, Sr +, Ba + ) Die primären Baugruppen aller Zeolithe sind (Si 4+ O - 4)- und (Al 3+ 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 Kubo- Oktaeder. Wiederum mehrere tertiäre Baugruppen bilden, verbunden durch quaderförmig dargestellte Sauerstoffbrücken, einen Kristallkörper, in dessen Innerem ein Hohlraum mit definiertem orendurchmesser und großem Volumen entsteht. Zeolithe weisen große innere Oberflächen (ca m /g) und starke innere elektrostatische Felder im Kristallgitter auf. Der orendurchmesser beträgt etwa 0,4 nm, das spezifische orenvolumen ungefähr 0,5 cm 3 /cm 3. Sie sind ungiftig und unbrennbar. Synthetische Zeolithe sind in ulverform, als körniges Material oder als resslinge in verschiedenen Formen im Handel.

7 Sorptionseigenschaften von Zeolith Isosterenfeld für Zeolith Typ Na-A: Na 1 [(AlO ) 1 (SiO ) 1 ] 7H O Isosteren sind Linien gleicher Wasserbeladung. Die maximale Beladung für Zeolith Typ Na-A beträgt %. Die Maximalbeladung ist z. B. bei einem Wasserdampfpartialdruck von 6,11 mbar und einer Temperatur von ca. 0 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 ha Wasserdampfpartialdruck möglich.

8 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 10-l-Boiler und ein 0-l- Verdampfer/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 rozesse in dem evakuierten System laufen wie folgt ab: Der Sorber wird bei geschlossener Kaltdampfklappe elektrisch beheizt (Q AT > 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 (Q K < 0), wodurch das Boilerwasser erwärmt wird, und gelangt als flüssiges Wasser über den Kondensatrücklauf in den Verdampfer (Q V > 0). Die nach Abschluß des Desorptionsprozesses im Zeolith enthaltene Wärme (Q AS < 0) wird über einen Kreislauf mit umpe 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: Q AT + Q V - Q K - Q AS Q AT + Q Kühlung - Q Heizung Q AT Q Heizung - Q Kühlung Der Sorber des rototyps ist mit ca. 5 kg Zeolith gefüllt. Bei einer Gesamtzyklendauer von 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. kwh bei 0 C bereit-gestellt werden. Damit können ca. 15 l Wasser von 15 C auf 70 C erhitzt und ca. 0 kg Eis pro Zyklus erzeugt werden.

9 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 arabolkollektor, mit dem Sonnenenergie gebündelt und so zur Regeneration einer Zeolithpatrone verwendet wird. Nach erfolgter Regeneration wird diese atrone 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 00 C aufgeheizt. Nach einer anschließenden Abkühlzeit kann er wieder für einen Kühlvorgang eingesetzt werden. Damit auch erioden 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 atrone, die mit,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 4 Stunden werden anschließend Lufttemperaturen innerhalb des Kühlschranks von C und für weitere 1 Stunden unterhalb von +5 C erreicht. Die Anschaffüngskosten für das Kälteaggregat sind mit weniger als 00,-- 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.

10 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

11 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.

12 Messdaten einer BHKW-Anlage mit 0 kw elektrischer Leistung, angetrieben durch einen,0-l-dieselmotor Abhängigkeit der Wirkungsgrade von der elektrischen Leistung: η elektrisch η thermisch elektrisch chemisch thermisch chemisch η gesamt η elektrisch +ηthermisch Abhängigkeit von der Stromkennzahl von der elektrischen Leistung: σ elektrisch thermisch rimärenergieeinsparung als Funktion der elektrischen Leistung: primär primär,konv. primär,bhkw

13 rinzip des MHD-Generators Ein lasma 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 elektrisches Feld E, das der Lorentz-Kraft entgegen wirkt. Es entsteht die Leerlaufspannung U 0 : U 0 F e0 vb e0e e0 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 R i ist (σ ist die begrenzte Leitfähigkeit des lasmas). σa Am Verbraucher R entsteht der Spannungsabfall: U RI U 0 Id σa d ( vb I σa ) Die im Verbraucher umgesetzte Nutzleistung ist: UI U 0 I I d σa di( vb I σa ) 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 0 U 0 I. Wirkungsgrad: η 1 Id σau σ I AvB Die maximale Nutzleistung folgt aus: d di 0 I Opt. 1 σavb Damit wird Opt. 1 4 dσav B und Opt. 0, 5 η.