tgt HP 2008/09-2: Aluminiumerzeugung

Transkript

1 tgt HP 008/09-: Aluminiumerzeugung 1 Aluminium wird durch Elektrolyse aus geschmolzener Tonerde (Al O 3 ) gewonnen. Tonerde bildet mit dem Aluminiumsalz Kryolith ein Kristallgemisch. Dies nutzt man bei der Elektrolyse aus, um den Schmelzpunkt der Tonerde zu senken. Tonerde schmilzt bei 050 C, Kryolith bei 1000 C, ihr Eutektikum liegt bei 18,5% Tonerde und schmilzt bei 935 C. 1.1 Zeichnen Sie das Zustandsschaubild, und beschriften Sie die Linien und Phasenfelder. Das erzeugte Aluminium wird zu hochfestem Aluminium verarbeitet. Die Eigenschaften werden im Zugversuch untersucht. Zugprobe: DIN 5015-E5x10x40 Messprotokoll Messung Nr F in kn 0 4,8 9,6 14,4 19, 6, 7, 5, ΔL in mm 0 0,06 0,1 0,18 0,4 0,5 1, 1,8 3,.1 Zeichnen Sie das Spannungs-Dehnungs-Diagramm.. Ermitteln Sie aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm folgende Kennwerte: Dehngrenze Zugfestigkeit Bruchdehnung E-Modul.3 Welche Zugprobe der Form A liefert gleiche Ergebnisse? 3 Zur Aluminiumerzeugung wird die elektri sche von einem Laufwasser kraftwerk (LWK) bereitgestellt. 3.1 Skizzieren Sie das Blockschaltbild eines Laufwasserkraftwerkes mit den auftretenden formen. 3. Wie viel Aluminium kann jährlich mit der Leistung des Laufwasserkraftwerkes erzeugt werden? Daten: Turbinendurchsatz: V = 100,m³/s Mittlere Fallhöhe des Wassers: h = 5,m Wirkungsgrad des Kraftwerks η LWK = 0,9 Für 1 uminium sind 15 kwh elektrische erforderlich. 3.3 Laufwasserkraftwerke tragen zur Deckung der Grundlast bei. Erläutern Sie den Begriff der Grundlast und nennen Sie eine weitere Kraftwerksart, welche diese Aufgabe erfüllt. 4 Aluminiumhütten beziehen zusätzlich elektrische aus Steinkohlekraftwerken (SKK). Der Dampfprozess ist im Arbeitsblatt näherungsweise dargestellt. 4.1 Kennzeichnen Sie die zugeführte spezifische Wärme q zu auf dem Arbeitsblatt. 4. Berechnen Sie näherungsweise die zugeführte spezifische Wärme q zu. 4.3 Zur Erzeugung von 1 uminium werden 15 kwh an elektrischer benötigt. Welche Masse an Steinkohle wird je Tonne Aluminium benötigt, wenn das Steinkohlekraftwerk einen Wirkungsgrad von η SKK = 0,38 hat? Punkte S = 30,0

2 Arbeitsblatt Zu den Aufgaben 4.1 und 4. T,s-Diagramm von Wasser 00 bar 150 bar 100 bar 50 bar 10 bar Temperatur T in K K bar 600 0, bar ,04 bar ,1 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0, Entropie s in kj/kgk

3 Lösungsvorschläge Teilaufgaben: Punkte

4 .1 Beispielrechnung für das zweite Wertepaar = L = 0,06mm L 0 40mm =0,0015=0,15% z = F = 4,8kN S 0 50mm² =96 N mm² mit S 0 =a b=5mm 10mm=50mm² Wertetabelle Messung Nr σ z in N/mm² F in kn 0 4,8 9,6 14,4 19, 6, 7, 5, ΔL in mm 0 0,06 0,1 0,18 0,4 0,50 1,0 1,80 3,0 ε in % 0 0,15 0,30 0,45 0,60 1,5 3,00 4,50 8 Spannungs-Dehnungs-Diagramm. Aus dem Diagramm abgelesene Werte Dehngrenze R p0, = 430,N/mm² Zugfestigkeit R m = 540,N/mm² Bruchdehnung A = 7, % Mit einem Wertepaar des elastischen Bereiches aus der Wertetabelle E= z5 = 384N/mm² kn =64 5 0,60% mm.3 Form A steht für eine runde Probe. Für vergleichbare Ergebnisse muss der Anfangsquerschnitt S 0 und die Länge L 0 übereinstimmen: S 0 = d = 0 d 4 S = 4 50mm² =8mm Ergebnis: Zugprobe DIN A8x40

5 3 3.1 potentielle Staustufe kinetische/ Turbine kinetische Generator elektrische 3. Bevor man losrechnet, sollte man sich über den Weg im Klaren sein: Eine elegante Rechnung verwendet die zeitbezogenen Größen V (Volumenstrom), ṁ (Massenstrom) und P (Leistung = strom). (Ḟ ist nicht üblich.) ṁ = H O V m3 kg kg H O H O =100 1 s dm 3 = s P =ṁ kg H O H O g h= s 9,81 m W s 5m=4, P el = LWK P H O =0,9 4, W =4, W ṁ Al =P el 1kg 15kWh =4, W 1kg 15kWh =300,8 kg h ṁ Al =300,8 kg h 4h Tage t 365,5 =637 Tag Jahr Jahr oder: Schüler haben oft Probleme, in Strömen (=Größen pro Zeit) zu denken. In diesem Fall empfehle ich, die Zeit aus den Formeln herauszunehmen (z.b. "Ich rechne für 1 Sekunde.."). Im Vorschlag stehen die gewählten Zeiträume im Index: Sekunde s, Stunde h (lat. hora), Tag d (lat. dies) und Jahr a (lat. annus). m =V kg H O ;1s H O ;1s H O =100m³ 1 dm³ = kg F H O; 1s=m H O ;1s g= kg 9,81 m s² =0, N W H O ;1s =F H O ;1s h=0, N 5m=4, J W H O ;1h=W H O ;1s 3600=4, J 3600=4, Wh=4, kwh =17, J W H O ;1a =W H O ;1h 4 365,5=4, kwh 8766=43, kwh =154, J W el ;1a =W H O ;1 Jahr LWK =43, kwh 0,9=39, kwh =14, J m Al ;1a = 1kg 15kWh W = 1 kg el ;1a 15kWh 39, kwh=637 t oder: Dreisatz... Pro Jahr können 637 t Aluminum erzeugt werden. 3.3 Grundlast ist der Bedarf an elektrischer Leistung, der im Tagesverlauf nicht unterschritten wird. Sie ist niedriger als das Angebot aus Kraftwerken, die nicht kurzzeitig abgeschaltet werden können, oder deren Primärenergie ungenutzt bliebe (Laufwasser, Wind, Gezeiten, Erdwärme..). Die Grundlast wird auch von Kern- und Kohlekraftwerken gedeckt.

6 4 4.1 Dampfprozess im T,s-Diagramm (Wasser) 4. Die Werte für die Entropie s stammen aus einer Wasserdampftafel. Aus dem Diagramm abgelesene Werte können etwas abweichen. q 1 = T T 1 s s 1 = K 0,4 kj kj =169 kgk kg q 3 =T /3 s 3 s =640K 4,9 kj kgk = 576 kj kg q 34 = T T 3 4 s s = K 6,5 4,9 kj kj = 97 kgk kg q zu =q 1 q 3 q 34 = kj =340 kj kg kg Dampfprozess berechnen (Wasser) 4.3 msk = W 1t Al H u SKK = kWh, Ws t Sk 1h 3600s 0,38 = 39,47MWh =4,85 t 8,14MWh Steinkohle je t Al t Sk oder spezifischer bedarf für dieelektrolyse von Aluminium w el = 15kWh q= w el = 15kWh/ SKK 0,38 = 15kW 3600s =54 MJ =39,47 kwh =39,47 kw 3600s =14,1 MJ H u = Q = q m Al m Sk = q = 14,1 MJ/ =4,850 kg Sk =4,850 t Sk m Sk m Sk m Al H u 9,3MJ/kg Sk t Al Pro Tonne Aluminium werden 4,85 t Steinkohle benötigt. S = 30,0