Thermodynamik 2. Kältemaschinen Wärmepumpen

Transkript

1 Thermodynamik 2 Kältemaschinen Wärmepmpen

2 Linkslafender Carnot-Prozess Seite 80

3 Kraft-Wärme-Prozesse Kältemaschine z.b. Kühlschrank, Klimaanlage Leistngszahl: Wärmepmpe z.b. Wohnramheizng Leistngszahl: KM WP q w q w z net ab net Seite 81

4 Carnot Leistngzahlen Kältemaschine: KM Wärmepmpe: WP T H T TL T H L TH T Geringere Temperatrdifferenz führt z höherer Leistngszahl! L Seite 82

5 Abweichngen vom Carnot-Prozess Drossel statt Trbine (Drossel = isenthalp) Kompression zm überhitzten Dampf Seite 83

6 Beispiel: Kältemaschine Die Kühlanlage für ein Kühlhas mss die Temperatr af -16 C halten. Die Aßentemperatr beträgt 20 C. Das bentzte Kühlmittel ist R-134a; dem Inneren des Kühlhases müssen 5 kw entnommen werden. Welche Drckdifferenz mss der Kompressor afbaen? Was ist der benötigte Massenflss an R- 134a? Seite 84

7 Dampftafel R-134a Seite 85

8 Realer Kraft/Wärme-Prozess p H 3 T H p C 4 T C Seite 86

9 Beispiel: Wärmepmpe Eine Erdwärmepmpe soll zr Erwärmng des Heizngswasser bentzt werden. Daz wird die Energie as dem 8 C warmen Erdreich entnommen. Das Heizngswasser soll af 50 C erhitzt werden. Die Temperatrdifferenz zm Arbeitsmedim R-134a soll jeweils 8 C betragen. Der Kompressor hat einen isentropen Wirkngsgrad von 80%. Was ist die Leistngszahl der Wärmepmpe? Seite 87

10 Beispiel Wärmepmpe - Daten Temperatr Drck Enthalpie Entropie Pnkt 1 0 C 247,23 kj/kg 0,919 kj/kgk Pnkt 2s 63,1 C 16 bar 282,3 kj/kg 0,919 kj/kgk Pnkt 2 16 bar Pnkt 3 58 C 16 bar 134,02 kj/kg Seite 88

11 Arbeitsmittel (Kältemittel) technische Kriterien: nicht z niedriges spez. Volmen bei nterer Temperatr nicht z hoher Drck bei oberer Temperatr nicht korrosiv Möglichst geringe Umweltbelastng FCKWs wrden drch florierte Alkane ersetzt (R134a, R22) aktell: CO 2 nd Ammoniak (NH 3 ) ngiftig preiswert Seite 89

12 Exergie Konzept zr Bewertng der Qalität von Energie FH DüsseldorfThermodynamik 2

13 Reversible Kreisprozesse Wärmeqelle T H Q z th, rev 1 T T L H WKM W netto Wärmesenke T L Q ab Seite 91

14 Definition: Exergie & Anergie Exergie ist Energie, die sich in einer bestimmten Umgebng in jede andere Energieform mwandeln lässt. Exergie: nützlicher Teil einer Energie Anergie: nicht nützlich Energie = Exergie (E) + Anergie (B) Seite 92

15 System im Gleichgewicht mit der Umgebng System / Stoffstrom im Gleichgewicht mit Umgebng keine Arbeit Gleichgewicht: p = p : mechanisches GGW T = T : thermisches GGW Seite 93

16 Exergie einer Wärmeqelle Wird eine Wärmstrom (ein Stoffstrom/eine Kontrollmasse) in das Gleichgewicht mit der Umgebng gebracht, ist die hierbei gewinnbare negative reversible Arbeit die Exergie. Exergie = - W rev,ntz Seite 94

17 Exergie einer Wärmeqelle Wärmeqelle T Q WKM W ntz E Q Q 1 T T Carnotfaktor Umgebng T Q ab Seite 95

18 Exergie eines Stoffstroms Ein Stoffstrom wird reversibel in das Gleichgewicht mit der Umgebng gebracht (ΔE kin = ΔE pot = 0). T, p T, p m Q P rev T, p E h P rev m h h T s s Seite 96

19 Exergie geschlossener Systeme T, p T, p E U m T s s p v v berücksichtigt die Verdrängng der Atmosphäre bei p Seite 97

20 Irreversible Prozesse: Exergieverlst E V EAnf. E Ende T S irr E V E ein E as T S irr Seite 98

21 Beispiel: Exergieverlst Ein Kompressor sagt Umgebngslft bei 100 kpa, 25 C an nd komprimiert diese af 1 MPa, 540 K; die Wärmeabgabe beträgt 50 kj/kg Lft. Wie hoch ist der spezifische Exergieverlst? Daten für Lft: R Lft = kj/kgk c p,lft = 1,004 kj/kgk h(20 C) = 298,62 kj/kg h(540k) = 544,69 kj/kg Seite 99

22 Exergie-Anergie-Flssbilder Exergiever E E T Q 1 T E V ein as lst(strom) T S irr P m ein e h, ein m as e h, as Seite 100

23 Exergetischer Wirkngsgrad Zr Bewertng von Prozessen: abgegebene n Exergiestr afgewende te Exergiestr öme öme bzw. 1 Exergiever lst afgewende te Exergiestr öme Seite 101

24 Beispiel: Exergetischer Wirkngsgrad Was ist der exergetische Wirkngsgrad des Kompressors as dem vorherigen Beispiel? Seite 102

25 Exergie Beinhaltet die Assagen des 1. nd 2. Haptsatzes der Thermodynamik Assage über die Qalität einer Energieqelle in der gegebenen Umgebng: Wärme: entsprechend dem Carnotfaktor Stoffstrom: Betrag der maximalen (rev.) Arbeit bis zm Gleichgewicht mit Umgebng geschlossene Systeme: Betrag der maximalen (rev.) Arbeit abzüglich dem Betrag der Verdrängngsarbeit an der Atmosphäre andere Energieformen: reine Exergie Seite 103