Kaltdampfanlagen
Grundprozess der Kaltdampfanlage:
i. W. linkslaufender Clausius-Rankine-Prozess
Prozessverlauf (im Bild qualitativ!)
1 → 2 reversible adiabate Verdichtung des Dampfs
2 → 3 reversible isobare Kühlung (mit Kondensation und weiterer Kühlung)
3 → 4 adiabate Drosselung, isenthalp (incl. teilweise Verdampfung)
4 → 1 reversible isobare Verdampfung
zusätzliche Kühlung von 2b → 3
konkret durch Wärmetauscher mit Umgebung
verbessert Leistungszahl
entfällt oft
Drossel statt Turbine
nutzbare technische Arbeit zu klein
vereinfacht Gerät
Turbine mit Nassdampf problematisch
Kreisprozessarbeit also einfach
W
k
= W
t12
Kältemittel
FCKWs (inzwischen verboten wegen Ozonschichtabbau)
FKWs (sehr starke Treibhausgase), z. B. R134a (1,1,1,2-Tetrafluorethan)
Ammoniak, Kohlendioxid (speziell in Großanlagen)
Propan (speziell für Kleinanlagen)
ähnliches Prinzip: Eis-Speicher-Wärmepumpe
verwendet Wasser-Glykol-Gemisch
nutzt latente Wärme der Kristallisation (flüssig → fest) statt der Kondensation
Anwendung Wärmepumpe:
Leistungszahl (
COP
= Coefficient Of Performance)
bei Grundprozess (ohne Verluste)
praktisch beschränkt durch Gütegrad einer Wärmepumpe
in der Praxis η
WP
≈ 50%
Herstellerangaben gemäß EU-Verordnung meist viel zu hoch
speziell für Luft-Wärmepumpen bezogen auf T
1
= 7 °C, T
3
= 20 °C
realistischer mit niedrigerem T
1
und Vorlauftemperatur T
v
= T
2b
= 35 °C
jahreszeitliche Schwankungen (vor allem von T
1
) berücksichtigt in Jahresarbeitszahl JAZ (Seasonal Performance Factor SPF)
Konkrete Berechnung eines Wärmepumpen-Prozesses:
Kältemittel Propan (C
3
H
8
)
Zustandsgleichungen in
Tabelle 7
idealer Prozess ohne Kühlung (also Drosselung von 2b direkt nach 4)
gegebene Werte
T
1
= 10 °C (Erdwärmepumpe)
p
2
= 14 bar
Strategie
P1 ggb. durch T
1
und Sättigungskurve mit x
1
= 1
P2 bestimmt durch p
2
und s
2
= s
1
P2b ggb. durch p
2b
= p
2
und Sättigungskurve mit x
2b
= 0
P4 bestimmt durch T
4
= T
1
, h
4
= h
2b
Berechnung von Punkt 1 (Dampfdruckkurve x = 1)
Ablesen liefert p
1
= 6.3661 bar, h
1
= 585.43 kJ/kg, s
1
= 2.3617 kJ/(kg K)
Berechnung von Punkt 2 (gasförmig)
grundsätzlich: s-Tabelle mit p
2
und s
2
→ T
2
durch Interpolieren
Problem: Wert liegt zwischen Dampfdruckkurve und 1. Wert in der Tabelle
Lösung: Tabelle bei p
2
durch Dampfdrucktabelle ergänzen
T
s
40.868
2.3390
(aus Dampfdrucktabelle interpoliert)
T
2
2.3617
50
2.4028
Interpolieren für s
2
liefert T
2
= 44.122 °C
damit analog für Enthalpie: h
2
= 622.08 kJ/kg
Berechnung von Punkt 2b (Dampfdruckkurve x = 0)
Interpolation liefert T
2b
= 40.868 °C (klar, s.o.), h
3
= 309.72 kJ/kg
Berechnung von Punkt 4 (Dampfdruckkurve) klar, aber hier nicht nötig
mit den Enthalpien erhält man
COP = 8.523
Aufgaben:
Aufgabe 18
