Altklausuren

• linkslaufender Kreisprozess:

  • Volumenarbeit wird benutzt, um Wärme von einem kälteren in einen wärmeren Raum zu pumpen.

  • Warmer Raum wird wärmer, Umgebung wird kälter (Wärmepumpe)

  • Kalter Raum wird kälter, Umgebung wird wärmer (Kältemaschine)

Wasser hat eine ganz spezielle Eigenschaft, die fast keine andere Flüssigkeit hat: Es hat nämlich bei 4° Celsius sein geringstes Volumen und damit seine größte Dichte. Das ungewöhnliche Verhalten nennt man die Anomalie des Wassers

Der Grund der Anomalie des Wassers liegt in der Verkettung der Wassermoleküle über Wasserstoffbrückenbindungen.

Wenn das Wasser unter 4 °C abgekühlt wird, dehnt es sich wieder aus. Die Dichte wird wieder geringer und damit wird es leichter. Deshalb ist Eis mit seiner geringeren Dichte leichter als Wasser und schwimmt auf der Oberfläche.

Im festen Aggregatzustand wird eine hohe Fernordnung durch Ausbildung eines Kristallgitters erreicht. Im flüssigen Zustand herrscht eine Mischung von Ordnung und Chaos, wobei die Moleküle aufgrund ihrer höheren Geschwindigkeit ein größeres Volumen ausfüllen. Es erhöht sich also das Volumen, die Dichte wird damit geringer. Im gasförmigen Zustand ist die maximale Unordnung erreicht, d. h. die Moleküle verteilen sich dementsprechend gleichmäßig über den maximal zur Verfügung stehenden Raum.

Ursache für die Siedepunktserhöhung und Gefrierpunktserniedrigung ist die Dampfdruckerniedrigung im Lösungsmittel bei Zugabe von nichtflüchtigen Stoffen (z.B. Salze, Zucker)

Eine Gefrierpunktserniedrigung einer Flüssigkeit, das heißt eine Herabsetzung der Schmelztemperatur, lässt sich erreichen, indem man einen festen Stoff in der Flüssigkeit löst. Zwischen dem Lösungsmittel und den gelösten Teilchen entsteht ein dynamisches Gleichgewicht durch das der Dampfdruck der Lösung kleiner ist als derjenige des reinen Lösungsmittels.

Kolligative Eigenschaften hängen nur von der Anzahl an Teilchen, nicht von deren Art ab.

Virtuelles Wasser ist das zur Erzeugung eines Produkts oder zur Erbringung einer Dienstleistung benötigte Wasser.

Nachteile:

• Unklare, teils widersprüchliche Datenlage. Originaldaten täuschen vielfach eine unsinnige, nicht erreichte Genauigkeit vor

• Es wird nicht zwischen dem verbrauchten (verdunsteten) und verunreinigten (also erneuerbaren) Wasser unterschieden

• Die Wasserbeschaffenheit wird nicht ausreichend berücksichtigt

• Die Konzepte erscheinen einfach, sind jedoch in der Anwendung schwierig. Unkritische Presseberichte führen zu Fehlinformationen: „Virtuelles Wasser drückt aus, dass wir es uns auf Kosten des Wasserhaushalts anderenorts gut gehen lassen“ 2)

• Die Konzepte berücksichtigen keine nachhaltige bzw. nicht-nachhaltige Nutzung der Ressource Wasser

Vorteile:

• Die Konzepte verdeutlichen die von den Menschen benötigten großen Wassermengen von ca. 2.000 – 6.000 Liter/(Person . Tag)

• Wer z.B. 1 kg Röstkaffee kauft, hat damit im Erzeugerland einen Wasser-Fußabdruck von ca. 20.000 Liter (Durchschnittswert aller Erzeugerländer3)) hinterlassen

• Wasserarme Länder sollten wasserintensive Agrar-Massenprodukte wie Getreide importieren und nicht selbst anbauen

Wärmetauscher sind Geräte in denen der wärme Stoffe einen Teil seiner Wärme abgibt, die von kälteren Stoffen aufgenommen wird.

->Apparat, mit Hilfe dessen Wärmeenergie von einem Fluid auf ein anderes Fluid übertragen wird.

Vorteile Rohrbündelwärmetauscher:

• Einfach in der Herstellung

• Günstig

• Universell einsetzbar

• Bei hohen Drücken einsetzbar

• Bei starkem Unterdruck einsetzbar

Nachteile:

• Wärmeausdehnung der innenliegenden Rohre kaum möglich (nur bestimmte Temperaturdifferenz der Fluide erlaubt)

• Herstellung einer geregelten Strömung ist schwer.

• Mechanische Reinigung der Außenrohre nicht möglich

Wärmeübertragungsleistung nimmt ab

Schraubenkompressoren sind Verdrängungskompressoren. Die Verdichtung geschieht durch zwei parallele, sich gegenläufig und mit unterschiedlichem ineinandergreifendem Profil bewegenden Drehkolben. Zwischen den Profilen befinden sich Kammern, welche von der Saugseite hin zur Druckseite immer kleiner werden. Die Kammern werden durch die ineinandergreifenden Profile und die Gehäusewandungen begrenzt. Durch das verkleinern des Kammervolumens wird der erwünschte Enddruck erzeugt.

Anwendung

•   Für mittlere und große Kälteleistungen in Gewerbe und Industrie

•   Für alle Kältemittel geeignet

•   Für Anlagen mit hohen Verdichtungsenddrücken

•   Für NH3-Großanlagen in allen Industriezweigen

Vorteile:

•   Gute Leistungsregulierung

•   Für mittlere und grosse Leistungen einsetzbar

•   Geringe Geräuschemissionen

•   Geringer Verschleiss

•   Kleine Ölmenge

Nachteile:

•   Grosser Ölabscheider notwendig

•   Hohe Investitionskosten

Bsp: Trocknung der Zuckerkristalle

Das Gut wird in einem beheizten, rotierenden Drehrohr bewegt und die Hubleisten an den Zylinderwänden sorgen für die Durchmischung.

Wirbelschicht – Fluidisieren von Pulvern

• auch Wirbelbett bzw. fluidized bed genannt

• Wirbelschicht wird eine Schüttung von Feststoffpartikeln genannt, welche durch eine aufwärtsgerichtete Strömung eines Fluids in einen fluidisierten Zustand versetzt wird.

• Der Begriff „fluidisiert“ weist in diesem Zusammenhang darauf hin, dass die (ehemalige) Schüttung nun Fluid-ähnliche Eigenschaften aufweist.

• Das Prinzip der Wirbelschicht basiert auf dem Durchströmen einer Feststoffschüttung mit einem Gas, bis sich nach Überwinden der Schwerkraft der einzelnen Teilchen ein bewegtes Bett ausbildet, das sich analog zu einem Fluid verhält. Dieser Lockerungspunkt ist abhängig von der Anströmgeschwindigkeit,

  der Partikelgröße, -form und -dichte. Es werden fünf verschiedene Zustände der Wirbelschicht unterschieden.

• Zusätzliche Wärmeleitung und erhöhter Stoff-übergangswiderstand verlangsamen die Trocknung

Trocknungsspiegel zieht sich in das Innere zurück

→ trockene Schichten: zusätzlicher WÜ- & SÜ-Wid.

→ Feuchtenachlieferung < mögl. Verdunstungsgeschw. (aw,0F < 1)

→ bereits trockene Schichten erwärmen sich

• Sorptiv u.a. stark gebundenes Wasser erzeugen zusätzlichen Widerstand

→ Verdunstung des hygroskopisch (durch Adsorption, Kapillarkräfte und im Kristall) gebundenen Wassers

→ zusätzliche Energie ∆hv,sorp muss aufgebracht werden

Die Wasseraktivität (auch aw-Wert oder Activity of Water) eines Lebensmittels ist ein Maß für das „verfügbare“ oder „aktive“ Wasser.

Der aw-Wert entspricht im Gleichgewicht der rel. Luftfeuchte in unmittelbarer Umgebung.

Messung des aw-Wertes nur im GG möglich!

Bei der Umkehrosmose wird Leitungswasser durch eine semipermeable, laserperforierte Membrane mit ultrafeinen Poren gepresst. Dabei findet ein molekularer Trennungsprozess statt.

Die Wassermoleküle können die Membrane passieren, während die gelösten Stoffe, wie Salze, Kalk, Nitrat, Schwermetalle, radioaktive Teilchen wie Cäsium, organische Verbindungen (Dioxine, THMs, PAKs), Pestizide und Arzneimittelrückstände (Östrogene, Antibiotika usw.) bis zu 99% zurückgehalten werden, je nach Moleküldurchmesser. Chlor und schlechter Geschmack werden ebenfalls neutralisiert.

Vorteile:

• Einfache Montage für Verwendung im Gegenstrom

• Hohe Fließgeschwindigkeit (gute Wärmeübertragung)

• Einfache Herstellung

• Hohe Wärmeübertragungszahl

Nachteile:

• Nur für begrenzten Druck einsetzbar

• Mechanische Reinigung des Innenraums kaum möglich

• Verschleißteile sind nicht zu reparieren

Vorteile:

• Hoher Wärmedurchlauf

• Hohe Wärmeübergangszahl

• Große Wärmetauschfläche

• Geringer Raumbedarf

• Erweiterbar

• Leicht zu reinigen

• Einfache Montage/Demontage

Nachteile:

• Verstopfungsanfällig (nicht für verschmutzte Medien geeignet)

• Abdichtung der einzelnen Platten ist problematisch.

• Verwendung aggressiver Medien nicht möglich (Gummiabdichtungen)

• Anfällig für Verschleiß

• Nur niedriger Druck möglich

Verwendung eines Rohrbündelwärmetauschers mit U-Rohrer oder mit einem Schwimmkopf

Die mittlere Verweilzeit charakterisiert bei durchströmten Systemen wie lange sich eine Spezies durchschnittlich im Systemvolumen aufhält.

Bsp: Salzreaktor

im Meer ??

Meerwasserentsalzung (Trinkwasser herstellen)

Teilschritte des Carnot-Prozesses Der Carnot-Prozess wird in vier aufeinanderfolgenden reversiblen Teilschritten ausgeführt:

■isotherme Expansion bei hoher Temperatur (I),

■adiabatische Expansion unter Abkühlung auf (II),

■isotherme Kompression bei niedriger Temperatur (III),

■adiabatische Kompression mit Erwärmung auf (IV). Die Medien haben die Temperaturen (heiß) und (kalt)

• Naßdampf (Kann Erosion in Dampfleitungen verursachen)

• gesättigter Dampf (Am häufigsten verwendete Dampfart) - Prozesswärme

• überhitzter Dampf (Verringerte Wärmeverluste in den Dampfleitungen) - Dampfturbinen

• Haar-Hygrometer

  (Früher: echte (Baby-)Haare, heute Kunststoff-Fäden; feuchteabhängige Ausdehnung < 0,1% je % r.F → Zeigerwerk Genauigkeit limitiert (max. 2% r.F.))

• Psychrometrisches Messprinzip

  Das Psychrometer besteht aus zwei Thermometern, von denen eines, das Feuchtthermometer, in ein feuchtes Material gehüllt ist, zum Beispiel mit Wasser befeuchtetes Baumwollgewebe. Je trockener die Luft ist, desto schneller verdunstet die Flüssigkeit, desto mehr Verdunstungskälte wird hervorgerufen und desto größer ist die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Thermometern.

• Kapazitive Aufnehmer

• NIR

• Mikrowellen-Technik

  (Mikrowellenofen: H2O-Orientierungspolarisation → Erwärmung H2O-Messung: Mikrowellen-Absorption je nach Wassergehalt)

• linkslaufender Kreisprozess:

  • Volumenarbeit wird benutzt, um Wärme von einem kälteren in einen wärmeren Raum zu pumpen.

  • Warmer Raum wird wärmer, Umgebung wird kälter (Wärmepumpe)

  • Kalter Raum wird kälter, Umgebung wird wärmer (Kältemaschine)

• Kolligative Eigenschaften hängen nur von der Anzahl an Teilchen, nicht von deren Art ab.

• Einfluss eines gelösten Stoffes auf bestimmte Eigenschaften einer nicht-elektrolytischen Lösung

• Annahmen:

  • Der gelöste Stoff ist nicht flüchtig → er leistet demnach keinen Beitrag zum Dampfdruck

  • Der gelöste Stoff ist im festen Lösungsmittel nicht löslich

Virtuelles Wasser ist das zur Erzeugung eines Produkts oder zur Erbringung einer Dienstleistung benötigte Wasser.

Nachteile:

• Unklare, teils widersprüchliche Datenlage. Originaldaten täuschen vielfach eine unsinnige, nicht erreichte Genauigkeit vor

• Es wird nicht zwischen dem verbrauchten (verdunsteten) und verunreinigten (also erneuerbaren) Wasser unterschieden

• Die Wasserbeschaffenheit wird nicht ausreichend berücksichtigt

• Die Konzepte erscheinen einfach, sind jedoch in der Anwendung schwierig. Unkritische Presseberichte führen zu Fehlinformationen: „Virtuelles Wasser drückt aus, dass wir es uns auf Kosten des Wasserhaushalts anderenorts gut gehen lassen“ 2)

• Die Konzepte berücksichtigen keine nachhaltige bzw. nicht-nachhaltige Nutzung der Ressource Wasser

Die 3 Arten der Wärmeübertragung

1. Wärmestrahlung. (elektromagnetische Wellen)

2. Wärmekonvektion. (das Mitführen thermischer Energie in einem strömenden Medium)

3. Wärmeleitung. (durch mechanische Berührung)

Die Stoffe bewegen sich vom Bereich höherer Konzentration zum Bereich niedrigerer Konzentration.

Unterschieden wird:

1) Stofftransport durch Konvektion

2) Stofftransport durch Diffusion

3) Stofftransport mit Phasenwechsel

Diffusion ist die selbstständige Durchmischung von Teilchen verschiedener Stoffe. Das sind in der Regel Gase oder Flüssigkeiten. Dabei werden die Teilchen gleichmäßig verteilt. Es kommt dadurch zum Ausgleich von Konzentrationsunterschieden. Hierbei ist keine Energie notwendig, da Diffusion ein passiver Transportprozess ist. Er kommt also nur aufgrund der Eigenbewegung von Teilchen zustande.

Thermische Grenzschicht ist der Bereich eines Fluids, der durch einen Wärmestrom aus einer oder in eine Wand beeinflusst wird, wenn die Wand eine andere Temperatur hat als das Fluid. Statt einer Wand kann auch ein anderes Fluid eine thermische Grenzschicht erzeugen.

Beim Vakuumkühlen wird durch die kontrollierte und kontinuierliche Druckabsenkung das Verdampfen von freiem Wasser erzwungen. (Dampfdruckerniedriegung-> Siedepunkterhöhung)

Zum Verdampfen benötigte Energie (Verdampfungsenthalpie) ist sehr gross und wird mangels anderer Quellen direkt dem flüssigen Wasser in Form von Wärme entzogen.

Folge-> rasche und gleichmäßige Abkühlung

Sie bestehen aus einem Behälter mit zwei Kammern (Gas- und Wasserraum), die von einer Gummimembrane getrennt sind. Diese verhindert das Eindringen des Füllgases in den Wasserraum. Als Füllgas verwenden die Hersteller Stickstoff, weil es nicht korrosiv wirkt und daher Metalle nicht angreift.

Verhältnis der Nutzenergie Eab zur zugeführten Energie Ezu

-Verdrängerkompressoren

-Turbokompressoren

Bei dynamischen Verdichtern (Turboverdichter) wird das zu verdichtende Gas über, mit Schaufeln versehene Laufräder beschleunigt. Dabei wird die kinetische Energie des Gases durch feststehende Leitapparate an den Schaufeln in Druckenergie umgewandelt. Dynamische Verdichter eignen sich besonders bei kleinen Förderdrücken mit großer Fördermenge. Zu ihnen zählen zum Beispiel Radial und Axialverdichter

Bei Verdränger-Verdichtern wird das zu verdichtende Gas nach dem Ansaugen in Verdichtungsräumen vollständig eingeschlossen. Das Volumen wird anschließend durch Krafteinwirkung verkleinert und das Gas komprimiert an der Druckseite ausgelassen. Verdränger-Verdichter eignen sich besonders für große Förderdrücke mit geringeren Fördermengen. Zu ihnen zählen zum Beispiel Kolben und Schraubenkompressoren.

• Transport, Lagerung: Massen- und Volumenreduktion

• Produktqualität erhalten oder verbessern (Haltbarkeit: aw ↓, wertgebende Inhaltsstoffe erhalten)

• 'Product Design': gezielt gewünschte Produkteigenschaften einstellen (Farbe, Geschmack, spez. Gewicht, Rehydratationseigenschaften, Textur, … & speziell bei Pulvern: Rieselfähigkeit, Aussehen, Instanteigenschaften)

• Lufttrocknung

• Strahlungstrocknung

• Kontakttrocknung

Industriell: Umluft-Trockenschrank

Alltags: Backoffen, Wärmepumpentrockner