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Wärme im Alltag Didaktik der Physik Marco Walser WS 2006/07.

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Präsentation zum Thema: "Wärme im Alltag Didaktik der Physik Marco Walser WS 2006/07."—  Präsentation transkript:

1 Wärme im Alltag Didaktik der Physik Marco Walser WS 2006/07

2 2 Inhalt Motoren –Geschichte –Anforderungen –Arten Dampfmaschine Dampfturbine Verbrennungsmotor –Dieselmotor –Ottomotor –2-Taktmotor –4-Taktmotor –Kühlung Wasserstoffantrieb –Wasserstoffverbrennungsmotor Heizung –Energiequellen –Zentralheizung –Kosten und Energiegehalt verschiedener Brennstoffe

3 Motoren Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

4 4 Motoren Ein Motor (lateinisch: Beweger) ist eine Vorrichtung, die mechanische Arbeit verrichtet, indem sie andere Energieformen, zum Beispiel thermische Energie, chemische Energie oder elektrische Energie, umwandelt. Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

5 5 Geschichte Früheste Motoren um 100: Herons Dampfturbinen zum Öffnen großer Tore 1678: Dampfauto für den Kaiser von China (Ferdinand Verbiest) Vermutungen, dass ägyptische Priester mit Heißgasen riesige Türen bewegten Technische Entwicklung zu heutigen Motoren: Um 1712 von Thomas Newcomen erfunden und 1778 von James Watt weiter entwickelt: Dampfmaschine (Auslöser der industrielle Revolution) Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

6 6 Geschichte Vor der Erfindung der Automobile: Dampfmaschine der meistverwendete Motor Seitdem: Verbrennungsmotoren im Vordergrund (besserer Wirkungsgrad, hohe Energiespeicherdichte der Kraftstoffe) - fossile Brennstoffenergie wird erst in Wärmeenergie und dann in mechanische Energie umgewandelt Zukunft: Wechsel der Energiequelle (Grund: Verknappung und damit Verteuerung fossiler Brennstoffe) Angenehmer Nebeneffekt: Reduktion der Emissionswerte Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

7 7 Geschichte Mögliche Alternativen (bezüglich gespeicherter Energiemengen und mitführbarer Gewichte): –Elektromotoren –Hybridantriebe –Wasserstoffantriebe –Erheblicher Entwicklungsaufwand auf dem Gebiet der Brennstoffzellen –Forschung an Supraleitern (für Generatoren, Elektromotoren, Transformatoren) Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

8 8 Anforderungen an Motoren Hoher Wirkungsgrad (Kraftstoff optimal ausnutzen – geringer Verbrauch) Wenig Emissionen verursachen (oder zumindest wenig Schadstoffe ausstoßen) Möglichst hohe Leistung bei geringem Gewicht Hohe Betriebssicherheit und Lebensdauer Je nach Anwendung weitere spezielle Eigenschaften Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

9 9 Arten von Motoren Dampfmaschine Dampfturbine Verbrennungsmotoren Gasturbinen Raketenantrieb Elektromotor Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

10 10 Dampfmaschine Urmotor" der Industrialisierung Von Thomas Newcomen erfunden und von James Watt weiter entwickelt Verwendung eines Feuerkessels, in dem mit einem Kohlenfeuer das Wasser auf Siedetemperatur oder höher erhitzt wird Das erhitzte Wasser erzeugt sich ausdehnenden Dampf Dampf wird über mechanische Steuereinheit der Dampfmaschine zugeführt Steuereinheit bewirkt, dass der Dampfzylinder des Kurbeltriebes (in dem der Kolben läuft) nur dann erneut Dampf erhält, wenn der expandierte Dampf des vorherigen Hub-Taktes weitestgehend entwichen ist Bewegungsumsetzung: Lineare Bewegung des Kolbens wird von einer Pleuelstange am Kurbel- oder Hubzapfen in eine Drehbewegung umgesetzt Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

11 11 Dampfmaschine Abgase: Ausgestoßener Dampf der Kolbenzylinder, vermischt mit den Rauch-Abgasen der Feuerung Vom Verbrennungsmotor abgelöst (zu niedrigen Wirkungsgrad) Natürlich vorkommende Verbrennungswärme (Geothermie, z.B. Island): Anstelle einer stationären Dampfmaschine: Dampfturbine (auch heute in jedem Kohlekraftwerk bzw. Atomkraftwerk) (A) Heizungsanlage (B) Wasserkessel (C) Ventile (D) Zylinder (E)Kolben (F) Rechte Arm des Pumpenschwengels" (G) Kaltes Wasser wird in den Zylinder geleitet Dampf kühlt ab (H) Wasser wird aus dem Schacht herausgepumpt Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

12 12 Dampfturbine Moderne Version der Wärmekraftmaschine: Nutzt die Dampfkraft mit höherem Wirkungsgrad Bestehend aus schnell rotierender Welle, bestückt mit vielen Turbinenschaufeln, die von Wasserdampf angeströmt werden Dampf wird mit Erdgas, Erdöl, Kohle, Biomasse, Solarenergie oder Kernenergie im Dampferzeuger bereitgestellt und über Rohrleitungen der Turbine zugeführt Druck treibt Turbine an: Drehung prinzipiell mit ruhigerem Lauf als die eines Dampfkolbens arbeitet gleichmäßiger Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

13 13 Dampfturbine 1 - 2: Reibungsfreies Verdichten des Arbeitsmittels Wasser auf den im Dampferzeuger herrschenden Druck 2 - 3: Erwärmen des Wassers auf die zum Druck gehörende Verdampfungstemperatur 3 - 4: Überführung des flüssigen Wassers in Dampf bei konstantem Druck, 4 - 5: Weitere Erwärmung (Überhitzung) des Dampfes bei konstantem Druck 5 - 6: Reibungsfreie Entspannung des Dampfes gleichzeitiger Entstehung der ersten Wassertropfen 6 - 1: Kondensation des nassen Dampfes im Kondensator Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

14 14 Dampfturbine Eingeschlossene Fläche repräsentiert die technisch nutzbare Arbeit bezogen auf die durchströmende Dampfmenge Prozess selbst: sehr stark vereinfacht Praxis: noch weitere Schritte (z.B. Zwischenüberhitzung des Dampfes bei oder die Vorwärmung des Wassers bei mit Anzapfdampf aus der Dampfturbine) Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

15 15 Dampfturbine Leistung von bis zu 1500 Megawatt (technisch mögliche Grenzleistung dieser Bauart wird mit 4000 MW abgeschätzt) Anwendung auch in Schiffen (bis zur Ablösung durch Dieselmotoren) Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

16 16 Verbrennungsmotoren Expansion der Verbrennungsgase ("Explosion") wird in eine Hubbewegung und diese in eine Rotation umgesetzt, welche ihrerseits die Kraft für den Antrieb liefert Wirkungsgrad von Verbrennungsmotoren: generell schlechter als der anderer Motorenprinzipien trotz 150 Jahre Entwicklungsarbeit noch zahlreiche Möglichkeiten der Verbesserung (Bauart, Kraftstoff, Steuerung usw.) Verbrennungsförderer (Sauerstoff) und brennbares Medium (Gas, Benzin, Diesel) werden gasförmig vermischt, verdichtet und gezündet Gewonnene Energiedifferenz wird mechanisch in Antriebskraft umgewandelt Optimierung: –Turbolader: Frischluft mit erhöhter Dichte wird zugeführt ( höherer Wirkungsgrad) –Einspritzdüsen: Treibstoffzufuhr wird verbessert Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

17 17 Dieselmotor / Ottomotor Selbstzünder (Dieselmotor) Verbrennung eines Kraftstoffes ohne Hilfsmittel - nur durch die hohe Verdichtung des Luft-Brennstoffgemisches Glühkerzen des Dieselmotors bzw. Mehrstoffmotors: Nur Hilfsmittel zum Kaltstart Fremdzünder (Ottomotor) Verdichtung des Motors nicht so hoch wie bei dem Selbstzünder Zündkerzen (von Bosch entwickelt) Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

18 18 Dieselmotor / Ottomotor Vorteile des Dieselmotors gegenüber dem leistungsgleichen Ottomotor: Günstigerer Wirkungsgrad geringerer spezifischer Kraftstoffverbrauch (=geringere Kohlendioxid-Emissionen) Geringerer Ausstoß von Kohlenwasserstoffen im Vergleich zu einem Benzinmotor ohne Abgasnachbehandlung Einsatz von einfacher herzustellenden, ungefährlicheren Kraftstoffen und die Vielstofffähigkeit Höhere Zuverlässigkeit Lange Lebensdauer Wirtschaftliche Vorteile (steuerlichen Randbedingungen) Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

19 19 Dieselmotor / Ottomotor Nachteile des Dieselmotors gegenüber dem leistungsgleichen Ottomotor: Höherer Ausstoß von Stickstoffoxiden gegenüber einem Benzinmotor mit 3- Wege-Katalysator Partikelausstoß (Dieselruß und andere), darunter auch lungengängiger Feinstaub, sofern der Motor keinen Partikelfilter besitzt Höhere Produktionskosten Größere Geräuschemissionen Höheres Gewicht im Vergleich zum Ottomotor bei gleicher Leistung Begrenzte Höchstdrehzahl ( weitere Leistungssteigerung nur über eine Erhöhung des mittleren Verbrennungsdrucks, und damit des Drehmoments, möglich) Aufwendige Abgasreinigung nur schwer zu verwirklichen Einsatz verschleißfesterer Materialien Höhere Ansprüche an das Schmieröl Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

20 20 4-Taktmotor / 2-Taktmotor 4-Takt-Verbrennungsmotoren: Kreisprozess aus vier Arbeitsschritten (Takten): 1.) Ansaugen (Frischgas, Luft) oder selbständiges Einströmen 2.) Verdichten (Gas komprimieren) 3.) Arbeiten (Gas verbrennen und damit Leistung erbringen) 4.)Ausstoßen (erst selbständiges Ausströmen, dann Ausschieben von Altgas) 2-Takt-Verbrennungsmotor: 1.) Ansaugen und Ausstoßen/Spülen 2.) (Vor-)Verdichten und Arbeiten Nicht nur die Seite über dem Kolben, sondern auch die unter dem Kolben (Kurbelgehäuse) wird genutzt. Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

21 21 4-Taktmotor 4-Takt Prinzip eines Ottomotors: 1. Takt: (Ansaugtakt - Einlassventil geöffnet, Auslassventil geschlossen) Während der Abwärtsbewegung des Kolbens (vom oberen bis zum unteren Titpunkt) wird Kraftstoff-Luftgemisch oder Luft in den Zylinder gesaugt Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

22 22 4-Taktmotor 4-Takt Prinzip eines Ottomotors: 2. Takt: (Verdichtungstakt - beide Ventile geschlossen) Kolben verdichtet in seiner Aufwärtsbewegung das Kraftstoff-Luftgemisch oder die Luft im Zylinder Kurz vor Ende des zweiten Taktes erfolgt die Zündung (bei Ottomotoren durch Fremdzündung, bei Dieselmotoren durch Selbstzündung) Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

23 23 4-Taktmotor 4-Takt Prinzip eines Ottomotors: 3. Takt: (Arbeitstakt - beide Ventile bleiben geschlossen) Kraftstoff-Luft-Gemisch verbrennt Durch Temperaturanstieg steigt Druck des Gemisches und bewegt den Kolben im Zylinder nach unten Längsbewegung des Kolbens wird über das Pleuel auf die Kurbelwelle weitergeleitet und in eine Drehbewegung umgesetzt Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

24 24 4-Taktmotor 4-Takt Prinzip eines Ottomotors: 4. Takt: (Auslasstakt - Einlassventil geschlossen, Auslassventil geöffnet) Der sich nach oben bewegende Kolben schiebt die Abgase aus dem Zylinder durch den Auspuff in die Umwelt Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

25 25 2-Taktmotor 2-Takt Prinzip eines Ottomotors: 1. Takt: (Verdichten und ansaugen) Während der Aufwärtsbewegung des Kolbens wird zunächst der Überströmkanal, später die Auslassöffnung verschlossen. Während der weiteren Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das Kraftstoff- Luft-Gemisch im Zylinder weiter verdichtet und kurz vor Erreichen des oberen Totpunkts bereits entzündet Im Vorverdichtungsraum unter dem Kolben wird neues Frischgas durch den Einlasskanal angesaugt. Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

26 26 2-Taktmotor 2-Takt Prinzip eines Ottomotors: 2. Takt: (Arbeiten, vorverdichten, überströmen und auslassen) Kolben durchläuft den oberen Totpunkt Zündkerze entzündet das Gemisch im Brennraum über dem Kolben Durch Temperaturerhöhung steigt der Druck im Brennraum Kolben bewegt sich nach unten und verrichtet dabei mechanische Arbeit Im Raum unter dem Kolben wird das angesaugte Frischgas durch die Abwärtsbewegung des Kolbens verdichtet Letzte Phase der Kolbenabwärtsbewegung: Auslassöffnung und Überströmkanäle werden freigegeben Unter Überdruck stehendes Frischgas strömt vom Vorverdichtungsraum unter dem Kolben durch die Überströmkanäle in den Zylinder und spült das verbrannte Abgas durch die Auslassöffnung in den Auspufftrakt hinaus Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

27 27 2-Taktmotor Vorwiegender Einsatz des 2-Taktmotors dort, wo Preis und die hohe Leistungsdichte den Vorrang haben vor Kraftstoffverbrauch und Umweltschutz. Beispiele: Mofa, Kleinkraftrad, Trabant, Kart, Motorsäge, Modellbau, Motorradrennsport und bei großen Schiffsmotoren, die übrigens auch als Zweitakt-Dieselmotoren gebaut werden. Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

28 28 2-Taktmotor / 4-Taktmotor Vergleich zwischen 2-Taktmotoren und 4-Taktmotoren: 2-Taktmotor: –größere Leistungsdichte (bei jeder Kurbelwellenumdrehung wird Arbeit verrichtet) –nicht der gesamte Hubraum kann zur Expansion genutzt werden (Teil des Hubraumes lassen auf Grund der Ein- und Auslassschlitze einen Druckaufbau nicht zu) –können wesentlich einfacher und billiger gebaut werden (keine Ventilsteuerung notwendig) –höherer spezifischer Verbrauch und schlechtere Abgaswerte (Teil des Kraftstoff-Luftgemisches geht unverbrannt verloren) –geringerer Wirkungsgrad –hoher Verbrauch und schlechte Abgaswerte wird er von den 4-Takt-Motoren verdrängt Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

29 29 Animationen Animation 4-Taktmotor Animation 4- Zylindermotor Animation Dieselmotor Animation 2-Taktmotor Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

30 30 Kühlung (Verbrennungsmotor) Wassergekühlt Luftgekühlt Ölgekühlt Kombinationen aus Luft-/Ölkühlung Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

31 31 Kühlung (Verbrennungsmotor) Kühlsystem dient zur Abführung der Überschüssigen Wärme, die beim Durchlaufen des Kreisprozesses entsteht Hauptsächlich: Luft- und Wasserkühlung als Primärkühlsystem Daneben: Kühlung durch Schmiermittel (um den Motor auf günstiger Betriebstemperatur zu halten) Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

32 32 Luftkühlung Fahrtwind wird zum Motor geleitet Bei Stillstand oder geringer Geschwindigkeit: zusätzlich ein Lüfter beziehungsweise Gebläse Luft wird direkt auf den Motor geblasen muss genug Oberfläche bieten um die Wärme wirkungsvoll abführen zu können Kühlrippen Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

33 33 Luftkühlung Vorteile: –einfacher und preiswerte Bauweise –zuverlässiger Betrieb –geringes Gewicht –Bei tiefen Außentemperaturen: weniger Probleme mit dem Einfrieren Nachteile: –höhere Geräuschentwicklung –schlechteres thermisches Verhalten im Hochleistungsbereich Verwendung: –Flugmotoren –Motorrädern –Kleinmotoren (Rasenmäher, Motorsägen) Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

34 34 Wasserkühlung Moderne Viertaktmotoren: bis auf wenige Ausnahmen wassergekühlt Vorteile: –Wasser gewährleistet einen gleichmäßigen Wärmetransport –Wasser kann eine große Wärmemenge abführen –Wasserkreislauf wird mit geringem Überdruck betrieben ( damit Kühlmitteltemperaturen bis etwa 115 °C möglich) - System durch Überdruckventil geschützt –Für Kühlung wird kaum Leistung benötigt (gegenüber Kühlgebläsen bei der Luftkühlung) –Gestaltung der Heizung einfach: durch Heizungswärmetauscher –Motorblockgestaltung (notwendigen Gussformen) sind leicht herzustellen –Wasserkühlung hält den Temperaturunterschied einzelner Motorteile, und damit den möglichen Verzug gering Leistungsdichte von Verbrennungsmotoren erhöht –Wassermantel wirkt Geräuschdämmend Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

35 35 Wasserkühlung Wasserkühler/Kühlmittelkühler (früher oftmals aus Messing, heute zumeist aus Aluminium): meist an der Front des Fahrzeuges (meist zwischen den Scheinwerfern) angebracht Große Oberfläche Fahrtwind kühlt das durchfließende Kühlmittel ab Kühlmittel wird mit einer Wasserpumpe durch Schläuche in den Motor gepumpt (Zylinderkopf und Motorblock) Mechanische Wasserpumpe benötigt bis zu 2 kW Antriebsleistung In modernen Motoren: auch elektrische Wasserpumpen (Leistung ~200W) Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

36 36 Wasserkühlung Früher: Thermosyphonkühlung, die ohne Zwangsumlauf auskam Prinzip: warmes Wasser steigt auf - Kaltes sinkt nach unten Nachteile der Thermosyphonkühlung: –Benötigte größere Querschnitte –Nicht betriebssicher Wasserpumpe normalerweise über einen Keil- oder Zahnriemen angetrieben (Früher Ventilator ebenfalls so angetrieben) Frontseite des Kühlers: früher manchmal Jalousien angebracht (vom Fahrersitz aus steuerbar, zur Temperaturregelung in der kalten Jahreszeit) Manchmal auch Kartonplatten provisorisch platziert Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

37 37 Wasserkühlung Kühlkreislauf durch Thermostat geregelt Bevor Betriebstemperatur erreicht wird: Thermostatventil geschlossen Wasser zirkuliert nur über Motor, Wasserpumpe und Heizungswärmetauscher Thermostatventil öffnet bei ca. 85 Grad Celsius Übersteigt Temperatur des Kühlwassers ca. 100 Grad: Lüfter wird eingeschaltet bei intakter Anlage nur bei langsamer Fahrt Lüfter kann auch bei ausgeschalteter Zündung nachlaufen Kühltechnisch unbedeutend (wegen stillstehender Wasserpumpe wird nur das Wasser im Kühler, nicht jedoch im Motor gekühlt) Da sich Wasser bei Erwärmung ausdehnt: Wasserdruck steigt Ausgleichsbehälter/Ausdehnungsgefäß Durch Erhöhen des Systemdruckes: Siedepunkt des Kühlmittels steigt Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

38 38 Wasserkühlung Nachteile: –Kühlmittel kann einfrieren (Motorblock kann platzen) Frostschutzmittel (verbessern auch Schmier -und Reinigungseigenschaften des Kühlmittels, verhindern die Rostbildung im Motor-Inneren) –Kühlmedium meist Wasser/Glykol-Gemisch –Zusätzliche Fehlermöglichkeiten: undichter Kühlkreislauf, Defekte an Wasserpumpe, Kühler, Thermostat Zuverlässigkeit sinkt Warmes Wasser wird für die Fahrzeugheizung verwendet welche in begrenztem Maße auch zur Motorkühlung eingesetzt werden kann, wenn der Thermostat und/oder der Lüfter defekt sind Auf Schiffen: umgebendes Wasser kann zur Kühlung eingesetzt werden Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

39 39 Ölkühlung Schmierstoff Motoröl wird zum Teil erwärmt und erhitzt sich zum anderen Teil bei der Schmierung selbst Um die Schmiereigenschaften zu erhalten: geregelte Wärmeabfuhr erforderlich (übliche Grenze: 120°C) Faustregel: je 10°C Temperaturerhöhung halbiert sich die Lebensdauer des Öls Öl-Luft-Kühler oder einen Öl-Wasser-Kühler Vorteile der Öl-Wasser-Kühlung: -Öl kann sich beim Kaltstart schneller erwärmen -Durch die höhere Temperatur wird das Öl dünnflüssiger Verbrauchsvorteil Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

40 40 Wasserstoffantrieb Wasserstoff als Treibstoff Konzepte: –Wasserstoffverbrennungsmotor –Brennstoffzelle mit nachgeschaltetem Elektromotor –Nutzung als Treibstoffkomponente in Raketen Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

41 41 Wasserstoffantrieb Wasserstoff: künstlich zu erzeugender Energieträger. Energie zur Herstellung erforderlich Abgase: reiner Wasserdampf Herstellung von Wasserstoff: –Elektrolyse von Wasser –thermochemische Konversion kohlenstoffhaltiger Energieträger (bei Temperaturen von 300 bis 1000° Celsius) –Ältestes Verfahren: Dampfreformierung Wasserstoffspeicherung: Zwei Systeme technisch verfügbar: –Speicherung von flüssigem Wasserstoff bei tiefen Temperaturen um 20 Kelvin –Speicherung von gasförmigem Wasserstoff unter hohem Druck Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

42 42 Probleme des Wasserstoffantriebs Explosionsgefahr bei Unfällen Flammen verbrennenden Wasserstoffes können bei Tageslicht theoretisch nicht mit bloßem Auge wahrgenommen werden (Intensität der Flamme jedoch gering und bei Kontakt mit Fremdstoffen färbt sich die Flamme) Hauptproblem: Leckagen (Transportverluste und Sicherheitsrisiko) Wasserstofftanks und Rohrleitungen müssen aufgrund des geringeren Moleküldurchmessers wesentlich besser abgedichtet sein Entwichenes Gas steigt nach oben (kann sich nicht in Vertiefungen sammeln) Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

43 43 Wasserstoffverbrennungsmotor Vorteile: Verbrennungsprodukte: –Wasserdampf –Stickstoffmonoxid (NO) –Stickstoffdioxid (letztere liegen aber etwa um die 50% unter denen eines Ottomotors mit Katalysator) Wirkungsgrad besser als bei Benzinmotoren. H2-Motor kompakter und kostengünstiger als Brennstoffzelle mit nachgeschaltetem Elektromotor Kein vorwärmen erforderlich (im Gegensatz zur Brennstoffzelle) Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

44 44 Wasserstoffverbrennungsmotor Nachteile: Leistung von H2-Verbrennungsmotoren trotz höherem Wirkungsgrad niedriger als bei Otto-Motoren (niedriger Energiegehalt des Wasserstoffes pro Kubikmeter Gas und großer Volumenanteil des Wasserstoffs am Gas- Luftgemisch) Unregelmäßige Verbrennung, wenn Zylinder noch heißes Restgas enthält während schon frischer Kraftstoff einströmt. Dieser kann sich entzünden, und es kommt zu einer Rückzündung, noch bevor das Einlassventil geschlossen hat. Schlechte Schmiereigenschaften des Wasserstoffs (enthält keinen Kohlenstoff, greift den Schmierfilm an) Erheblicher Aufwand wegen des niedrigen Siedepunkts (-253 °C) beim Tankvorgang, am Fahrzeug selbst, wo spezielle Materialien gewählt werden müssen, die solchen Temperaturen gut standhalten Wasserstoffherstellung Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

45 45 Wasserstoffverbrennungsmotor Anwendungsbeispiele: März 2006: Mazda - Wasserstoff RX-8 an Kunden ausgeliefert. 2006: BMW – Vorstellung eines PKW mit Wasserstoffantrieb in Los Angeles Frühjahr 2007: Modell 760h Hydrogen 7, basierend auf dem 760i der BMW 7er Reihe, kann von BMW geleast werden –260 PS –390 Nm Drehmoment –230 km/h –Kofferraum von 500l auf 250l verkleinert (wegen Wasserstofftanks) Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

46 Heizung Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

47 47 Heizung Einrichtung zur Erwärmung von Objekten oder Räumen Gebäudeheizung, Raumheizung, Zentralheizung, Fernheizung, Fahrzeugheizung, Kohleheizung, Gasheizung, Elektroheizung, Wärmepumpenheizung, Pelletheizung,… Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

48 48 Energiequellen Erdgas Flüssiggas Heizöl Kohle Stroh Holz Biogas Weitere Energiequellen: –elektrischer Strom –gespeicherte Sonnenenergie Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

49 49 Fernwärme Wärme wird zentral in Heiz- oder Heizkraftwerk erzeugt oder die Prozessabwärme von Industrieanlagen wird genutzt und an mehrere räumlich entfernte Wärmeabnehmer verteilt Verwendung bei Wärmeversorgung von Stadtteilen und in Industrieanlagen Brennstoffe: –Erdöl –Erdgas –Kohle Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

50 50 Elektrischer Strom Als Energiequelle in Elektroheizungen oft nur für kurzzeitigen Bedarf in Heizlüftern Als Heizung von Wohnungen sind zum Teil Nachtstrom-Speicher- Heizungen im Gebrauch Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

51 51 Zentralheizung Die Zentralheizung (Sammelheizung) sorgt für die Energieumwandlung für ein oder mehrere Räume oder Gebäude über eine Fernheizung zentral. Arten: Warmwasserheizung Dampfheizung Warmluftheizung Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

52 52 Zentralheizung Warmwasserheizung: Zentraler Wärmeerzeuger erwärmt Wasser Warmes Wasser wird mit einer Pumpe oder durch den Dichteunterschied des Wassers (Schwerkraftheizung) durch Rohrleitungen zu den Heizflächen gefördert Wärme wird durch Konvektion der Luft an den Heizkörperoberflächen an den zu beheizenden Raum abgeben Abgekühltes Wasser fließt über die Rücklaufleitungen zurück zum Wärmeerzeuger Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

53 53 Zentralheizung Warmwasserheizung: Wassertemperaturen zwischen 30 °C und 90 °C Wirkungsgradverbesserung durch niedrige Rücklauftemperatur beim Brennwertkessel Transport der Wärme vom Kessel zu den Heizkörpern durch Umwälzpumpe Im Einfamilienhaus: kleinste reichen Pumpenleistungen aus (5 bis 7 Watt) Häufig jedoch 40 Watt und mehr (3fach zu groß dimensioniert) Pumpen der Energieklasse A: Stromeinsparungen bis zu 80 % Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

54 54 Zentralheizung Dampfheizung Wasser wird über 100 °C erwärmt Erzeugter Wasserdampf wird durch Rohrleitungen transportiert und kondensiert in den Heizkörpern unter Wärmeabgabe Kondensat fließt zum Heizkessel zurück Sehr große freigesetzte Heizleistung. Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

55 55 Zentralheizung Warmluftheizung Raumluft als Wärmeträger Die in einem Heizautomaten erzeugte Warmluft wird über Luftkanäle in die Räume geleitet Ähnliches Prinzip schon ca. im 1. Jahrhundert v. Chr. Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

56 56 Berechnung einer Raumheizung Berechnung des Wärmedurchgangs der Raumbegrenzungsflächen Abströmende Wärme muss als Heizleistung zugeführt werden = Leistung in W U = Wärmedurchgangszahl in W / (K * m²) A = Fläche in m² t 1 = Außentemperatur in °C t 2 = Zimmertemperatur in °C Räume mit mehreren Außenwänden: Leistungszuschlag von 10 bis 15% erforderlich Leistungsbedarf wird für alle Flächen des Raumes getrennt berechnet und später addiert Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

57 57 Berechnung einer Raumheizung Passivhaus: Durch gute Wärmedämmung Wärmebedarf soweit reduziert, dass es ohne eine aktive Raumheizung auskommt (Energiezufuhr nur durch Bewohner, solare Gewinne, Lüftungsvorwärmung, etc.) Wärme im Alltag – Motoren und Heizung

58 58 Wärme im Alltag – Motoren und Heizung Kosten

59 59 Wärme im Alltag – Motoren und Heizung Kosten / Energiegehalt Brennstoffkosten Vergleich BrennstoffFlüssiggasErdgasÖlScheitholzHackschnitzelHolzpellets Energieinhalt6,77 kWh/Liter10 kWh/m³10 kWh/Liter 1500 kWh/Ster 755 kWh/m³5 kWh/kg Brennstoffmenge pro Jahr 2659 Liter1800 m³2000 Liter14 Ster28 m³4235 kg Spezifische Brennstoffkosten 0,50 /Liter0,57 /kWh0,59 /Liter50 /Ster16 /m³0,185 /kg Preis pro kW/h6,4 Ct.5,7 Ct.5,9 Ct.3,3 Ct.1,9 Ct.3,7 Ct. Brennstoffkosten pro Jahr Einfamilienhaus, Gemäß WSVO 1994 Heizfläche: 150m² Heizlast: 12 kW Anlagengröße: 15 kW Jährliche Vollheizstunden: 1500 h Jährlicher Heizenergiebedarf: kWh Nutzenergie


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