Wie stehen die Stefan‐Boltzmann‐Konstante und das Planck‘sche Spektrum zueinander in Beziehung.
Das Planksche Strahlungsspektrum beschreibt die Wellenlängenverteilung der Strahlung eines schwarzen Körpers
Die Stefan-Boltzmann-Konstante ergibt sich aus der Integration des Planck‘schen Spektrums über alle Wellenlängen
Wie stehen Frequenz und Wellenlänge des Lichts im Zusammenhang
Frequenz und Wellenlänge des Lichts sind umgekehrt proportional zueinander
—> Höhere Frequenz bedeutet niedrigere Wellenlänge und umgekehrt
Erklären Sie die allgemein die Begriffe Absorption, Transmission und Reflexion. Durch welche
Formelzeichen lassen Sie sich darstellen? Wie stehen sie zueinander in Beziehung (Gleichung)?
Absorption:
—> Energiestrom, der durch Strahlung transportiert wird, wird im Körper in thermische Energie umgewandelt
Reflexion:
—> Lichtstrahlen werden wieder zurückgeworfen
—> Es gibt abbildende Reflexion (Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel) und gestreute Reflexion (diffuse Strahlung in alle Richtungen)
Transmission:
—> Strahlung durchdringt das Material
Zusammenhang:
Was besagt das Kirchhoff'sche Strahlungsgesetz?
Das Kirchhoff’sche Strahlungsgesetz besagt, dass für eine Wellenlänge das Emissionsverhältnis gleich dem Absorptionskoeffizienten ist.
Das bedeutet, wenn es sich um einen Schwarzkörper handelt, der vollständig die Strahlung absorbiert, hat dieser gleichzeitig das maximale Emissionsverhältnis. Das macht auch Sinn, da der Schwarzkörper eben auch das planksche Strahlungsspektrum emittiert.
Handelt es sich um einen Spiegel, mit 100 % Reflexion, dann gibt es keine Absorption und somit wäre auf die Emission gleich null.
Wie ist ein idealer (schwarzer) Strahler zu charakterisieren? Wie kann eine kleine Fläche mit den
Eigenschaften eines idealen Strahlers erzeugt werden?
Ein idealer (schwarzer) Strahler ist ein theoretisches Konzept, das als Modell für ein Material dient, das alle elektromagnetischen Wellen, die auf es treffen, perfekt absorbiert und auch mit maximaler Effizienz emittiert. Ein solcher Körper wird als schwarzer Körper bezeichnet.
—> absorbiert alle Strahlungen über alle Wellenlängen vollständig
—> emittiert das planksche Strahlungsspektrum (also Strahlung mit maximaler Intensität in Abhängigkeit der Temperatur)
Mittels Hohlraumstrahlung lässt sich ein idealer Strahler erzeugen. Das Material innerhalb des Hohlraums strahlt mit einem gewissen Emissionsfaktor. Angenommen mit 70 %. Diese 70 % treffen auf die gegenüberliegende Seite, werden zum Teil reflektiert und diese Seite strahlt ebenfalls mit 70 %. Somit steigt die gesamte Strahlungsleistung bis nahezu 100 % an.
Die Strahlung, die als den Hohlraumkörper verlässt, entspricht somit der vom plankschen Strahlungsspektrum
In dieser Vorlesung werden vier Wärmeübertragungsmechanismen gegenübergestellt – welches sind diese vier Mechanismen und durch welche Gleichungen lassen sie sich charakterisieren?
Welches sind die vier wesentlichen Bauformen von Solarkollektoren? Was sind die wesentlichen Unterscheidungsmerkmale und Anwendungen?
Unverglaste bzw. unabgedeckte Kollektoren
günstig, einfach zu handhaben; erreicht jedoch keine hohen Temperaturen, bei hohen Temperaturen geringer Wirkungsgrad
Anwendung für Schwimmbäder oder als Quelle für Wärmepumpen
Flachkollektoren
Der Kollektor wird mittels Glas von vorne abgedeckt und mit Dämmung an den Seiten; somit sind Wärmeverluste zu reduzieren
Vakuumröhrenkollektoren
Absorber ist von vakuumiertem Glas umgeben; somit geringere Wärmeverluste als beim Flachkollektor und noch höhere Temperaturen erzielbar
Luftkollektoren
Luft durchströmt Kollektorröhren; Luft wird erwärmt und kann beispielsweise zur Trocknung von Agrarprodukten verwendet werden
In der Vorlesung wurde folgende Aussage getroffen: „Ein kleiner Temperaturabstand, wie eine hohe Temperatur der Wärmeübertragung führen zu geringer Entropieerzeugung.“ Zeigen Sie anhand von Beispielrechnungen mit Zahlenwerten von realistischen Anwendungen, dass diese Aussage richtig ist.
In der ersten Formel sieht man, dass aufgrund eines geringeren Temperaturabstandes zwischen T1 und T2 der Zähler geringer wird und somit auch die Entropieänderung geringer wird.
In der zweiten Formel sieht man einfach, dass wenn die Temperatur des Wärmestroms höher wird, wird auch gleichzeitig der Entropiestrom geringer.
Wie unterscheiden sich der Carnot-Faktor und der Carnot-Wirkungsgrad?
Der Carnot-Wirkungsgrad ist der optimale Wirkungsgrad den eine Wärmekraftmaschine unter idealen Bedingungen erreichen kann.
Der Carnot-Faktor hingegen gibt an, wie groß ein Arbeitsstrom zu sein hat, um daraus einen gewünschten Wärmestrom zu erzeugen. Zum Beispiel in einer Wärmepumpe oder Kältemaschine.
Erklären Sie anschaulich, wie sich der zweite Hauptsatz der Thermodynamik auf den Prozess einer Wärmekraftmaschine auswirkt.
Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass ein Wärmestrom aus einem Exergie- und einem Anergieteil besteht. Ein Anergiestrom kann niemals in einen Exergiestrom umgewandelt werden. Der zweite Hauptsatz besagt somit, dass lediglich der Exergiestrom des Wärmestroms vollständig in einen Arbeitsstrom umgewandelt werden könnte.
Da es in einer Wärmekraftmaschine jedoch zu Reibung und thermischen Verlusten kommt, kann der ideale Wirkungsgrad (Carnot-Wirkungsgrad) in der Realität niemals erreicht werden.
Erklären Sie mit dem Begriff der Irreversibilität, warum ein Clausius-Rankine-Prozess selbst mit idealen Komponenten (reversible Pumpen und Turbinen, unendlich große Wärmeübertrager, keine Reibung) dennoch Exergie vernichtet und erklären Sie, wie sich diese Exergievernichtung durch Modifikation des Prozesses mit zusätzlichen Komponenten reduzieren lässt.
Die Irreversibilität eines Prozess bedeutet lediglich, dass Exergie in Anergie umgewandelt wird und somit der Prozess nicht umkehrbar ist. Dies liegt größtenteils an dem Kondensator. Es ist nicht möglich, dass am Ende der Turbine das Medium vollständig kondensiert ist. Somit enthält das Medium am Ende der Turbine weiterhin einen rechtgroßen Anteil an Exergie, der dann an die Umgebungsluft abgegeben wird.
Dies lässt sich reduzieren, jedoch nicht vollständig verhindern, indem man den Dampf am Ende der Turbine verwendet, um das Speisewasser bereits vorzuwärmen.
Aber auch bei der Dampferzeugung hat einen erheblichen Einfluss darauf. Durch den Temperaturabstand zwischen Wärmereservoir und dem Wasser, welches erhitzt wird, wird ein erheblicher Teil an Entropie erzeugt, und somit auch Exergie vernichtet.
Dies lässt sich ein wenig durch eine Zwischenüberhitzung nach der ersten Turbine reduzieren.
Und je höher man den Betriebsdruck wählt, desto geringer wird auch die Entropieproduktion im CRC-Prozess, da eine wesentlich höhere Temperatur realisiert werden kann.
Was wird unter Wärmekapizitätsstrom verstanden? Nimmt dieser grundsätzlich mit zunehmender Wärmekapazität zu? Welchen Wert nimmt er bei Phasenwechsel ein? Erklären Sie
Der Wärmekapazitätsstrom ist das Produkt von dem Massenstrom, der spezifischen Wärmekapazität und der Temperaturdifferenz. Er gibt an wie viel Wärme von einem Fluidstrom bei einer bestimmten Temperaturdifferenz abgegeben werden kann.
Je größer der Wärmekapazitätsstrom ist, desto langsamer nimmt die Temperatur des Fluids mit der Zeit ab. Das heißt, dass Fluid kann mehr thermische Energie in Form von Exergie abgeben.
Beim Phasenwechsel ist der Wärmekapazitätsstrom unendlich hoch, da es ohne seine Temperatur zu ändern, thermische Energie abgeben kann.
Hat die Höhendifferenz zwischen Speichertank und Kollektor einen Einfluss auf die von der Pumpe zu erbringende Druckdifferenz?
Nein. Die Pumpen haben lediglich die Aufgabe der Umwälzung. Das heißt es müssen lediglich Drücke aus Rohrreibungsverlusten von der Pumpe bereitgestellt werden.
Bei einem geschlossenen Kreislauf, muss die Pumpe dem nach oben zu förderenden Medium potenzielle Energie beifügen, da dieses an Höhe gewinnt. Beim Rückfließen gibt dieses Wasser jedoch diesen Teil an Energie wieder ab. Lediglich Reibungsverluste müssen berücksichtigt werden.
Erklären Sie mittels einer Skizze die Funktion eines Membranausdehnungsgefäßes.
In einem geschlossenen Behälter befindet sich auf der einen Seite einer Membran das variable Flüssigkeitsvolumen, auf der anderen Seite ist ein kompressibles Luftpolster, dessen Druck mit einer Luftpumpe bei Montage eingestellt werden kann.
Dehnt sich das Gemisch nun aus, so drückt es das Luftpolster nach unten und ein Teil der Flüssigkeit läuft in das MAG. Nimmt die Temperatur wieder ab, so drückt das Luftpolster das Gemisch wieder heraus.
Wie unterscheiden sich ein Kombispeicher und ein bivalenter Trinkwasserspeicher?
Kombispeicher:
Der Kombispeicher besteht aus mehreren Bereichen oder Zonen, die getrennt voneinander entweder für Heizwasser oder Trinkwasser genutzt werden.
In einem Kombispeicher werden also sowohl die Heizung als auch das Trinkwasser in einem einzigen Gerät gespeichert und erwärmt. Der Vorteil ist, dass er Platz spart und beide Systeme effizient kombinieren kann.
Bivalenter Trinkwasserspeicher:
Ein bivalenter Trinkwasserspeicher ist speziell für die Trinkwassererwärmung konzipiert und nutzt zwei verschiedene Wärmequellen (bivalent), um das Wasser zu erwärmen.
Typischerweise wird dieser Speicher mit zwei Wärmequellen betrieben, zum Beispiel mit einer Solarthermieanlage und einem Heizkessel oder einer Wärmepumpe.
Erklären Sie umfangreich, warum es sehr unpräzise ist zu sagen, dass das Ziel eines Kältemittelverdichters ist, die Temperatur des Kältemittels zu erhöhen.
Wäre das einzige Ziel des Verdichters die Temperatur zu erhöhen, dann wäre ein Durchlauferhitzer wesentlich besser geeignet. Stattdessen kann man folgende Funktion dem Verdichter zuschreiben:
Der Verdichter sorgt dafür, dass das Kältemittel auf einen Druck komprimiert wird, der hoch genug ist, um es im Verflüssiger kondensieren zu lassen. Diese Kondensation geschieht unter Wärmeabgabe an die Umgebung. Dadurch wird der Kältekreislauf aufrechterhalten.
Warum lässt sich die Effizienz eines Verdichters nicht einfach als das Verhältnis des vom Gasstrom aufgenommenen Energiestroms zu dem als technische Arbeit zugeführten Energiestrom beschreiben?
Würde es sich bei einem Verdichter um ein geschlossenes System handeln, so müsste man lediglich die Änderung der inneren Energie des Systems betrachten. Da es sich aber um ein offenes System handelt, muss ebenfalls die Verschiebearbeit vor und nach der Verdichtung mitbilanziert werden.
Das Gas gibt beim Einströmen über den Saugstutzen Verschiebearbeit an den Kolben ab. Der Kolben muss jedoch auch beim Ausströmen über den Druckstutzen zusätzliche Verschiebearbeit leisten.
Wie unterscheiden sich Strömungsverdichter von Verdrängungsverdichter?
Strömungsverdichter (z. B. Axial- und Radialverdichter):
Komprimieren das Gas kontinuierlich durch eine Änderung der Strömungsgeschwindigkeit und des Drucks.
Das Kältemittel wird in einem stetigen Fluss durch den Verdichter geleitet, ohne dass das Volumen des Gases direkt verdrängt wird.
Geeignet für große Volumenströme und hohe Fördermengen.
Verdrängungsverdichter (z. B. Kolben-, Scroll- und Schraubenverdichter):
Verdrängen eine feste Menge an Kältemittel, indem sie es in einem geschlossenen Raum mechanisch komprimieren.
Das Volumen des Gases wird in einem definierten Raum verringert, was zu einer Drucksteigerung führt.
Eignen sich gut für kleinere bis mittlere Volumenströme und sind oft effizienter bei variierenden Lasten.
Was ist Dissipationsenergie und wie wird sie berechnet?
Dissipationsenergie bezeichnet die Energie, die in einem System aufgrund von irreversiblen Prozessen verloren geht, meist in Form von Wärme. Sie tritt auf, wenn ein System Arbeit verrichtet oder Energie in einer nicht reversiblen Weise umgewandelt wird, beispielsweise bei Viskositätsverlusten, Reibung oder Wärmeübertragung.
Die Dissipationsenergie lässt sich in vielen Fällen als Produkt von Reibungskräften und zurückgelegtem Weg oder durch die Betrachtung der Entropieänderung berechnen.
Enthalpie
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