Betriebstechnik 2 - ZHAW

Bei Zustand 1 ist das Ventil gerade offen und der Kolben befindet sich zwischen dem Maximum und dem Minimum.

Zu Zustand 4 fährt der Kolben zur minimalen Position (grösstes Volumen im Hubraum), wobei das Volumen zunimmt und der Druck konstant ist.

Von Zustand 4 nach Zustand 3 sind beide Ventile geschlossen und der Kolben verdichtet das Gas; Druck steigt, Volumen nimmt ab.

Von Zustand 3 nach Zustand 2 wird das Ventil auf der Seite des Drucktanks geöffnet und das Gas strömt isobar aus.

Nach Zustand 1 fährt der Kolben zu seiner minimalen Position, wobei das Ventil beim Atmosphärendruck geöffnet wird (dann befinden wir uns bei Zustand 1)

Als Vakuum wird die Abwesenheit von Materie beschrieben. In diesem Fall geht es um die Abwesenheit von Luft (druck).

Öl dichtet ab und verhindert zudem Verschleiss der Anlagen.

Auf der Saugseite wird Gas eingeschlossen, das anschliessend von der Dichtleisten abgetrennt wird und dann auf der Druckseite ausgestossen wird. Es gibt ein Gasballastventil, das für die Reduzierung der Vakuumleistung eingesetzt wird.

Drehschiebervakuumpumpen sind Verdichterpumpen und arbeiten Ölgeschmiert und werden oft um Labor und Technikum eingesetzt. Es können Vakua bis <1mbar erreicht werden.

Bei der Ansaugöffnung wird Gas angezogen und befindet sich anschliessend in den Zellen des Flügelrades. Dort wird es vom Flüssigkeitsring abgedichtet und wird anschliessend verdichtet bei der Austrittsöffnung ausgestossen. Das Flügelrad ist exzentrisch angeordnet, wodurch der Wasserring das Gas abdichten und dessen Volumen verändern kann.

Die Vakuumpumpe ist am häufigsten eingesetzt. Sie kann Vakua bis 25 mbar erreichen.

Das Funktionsprinzip ist gleich wie das der Drehkolbenpumpen.

Sie arbeiten ohne Berührung und können hohe Drehzahlen erreichen. Sie können für Feinvakuum eingesetzt werden.

Gas wird in den Kammern zwischen den beiden Schrauben eingeschlossen und wird der Ausstossseite zugeführt, wo es abgegeben wird. Die beiden Schrauben drehen in unterschiedlichen Uhrzeigersinn.

Ein Treibmittel wird in ein Diffusionsrohr eingespritzt und reisst dabei das Gas mit (Bernoulli Effekt). Dabei entsteht durch die höhere Geschwindigkeit des Gases ein Unterdruck, welcher weiteres Gas anzieht.

Strahlpumpen arbeiten mit unterschiedlichen Treibmitteln. Es gibt eine Vermischung zwischen Fördergut und Treibmittel. Strahlpumpen sind Wartungsarm und benötigen eine Rückschlagsicherung, da sie nicht abdichten. Sie werden oft Mehrstufig eingesetzt.

• Vakuum
  • es entsteht eine Mechanische Belastung durch Druckunterschiede
  • Implosion
  • Vakuumbrecher können eingesetzt werden
• Druckluft
  • Röntgen von Leitungen
  • Explosion

• U-Rohr: Veraltet, Druck wird durch Höhenunterschied gemessen. Verdunstung der Flüssigkeit und Toxizität der Flüssigkeit -> kaum noch eingesetzt.
• Manometer:
  • Beim Rohrfedermanometer wird durch den Druck eine Rohrfeder ausgedehnt, die anschliessend den Zeiger bewegt. Beim Platten und Kapselmanometer werden Platten/Kapseln durch den Druck gedehnt bzw. in ihrer Form verändert, was auf den Zeiger übertragen wird.
• Differenzdruckmessung
  • Gleich wir Federmanometer: Druck von Zwei Seiten verändern eine Kapsel

• Kompressionskälteanlagen
  • Kältemittel wird verdampft, wodurch eine Wärmeaufnahme möglich wird. Anschliessend wird das Kältemittel komprimiert und dabei abgekühlt, beispielsweise mit Luft oder Wasser.
• Dampfstrahlkälteanlage
  • Dampf wird als Treibdampf verwendet. Dabei entsteht ein Unterdruck im angeschlossenen Verdampfer. Durch das Verdampfen kühlt sich die Flüssigkeit ab. Im Kondensator wird der Dampf aufgefangen und mit Kühlwasser gekühlt.
• Absorberkühlung
  • Kommt im 3. Semester
• Peltier-Element
  • Mithilfe des Peltier-Effekts wird aus Strom entweder Wärme oder Kälte erzeugt. Dies geschieht mit zwei Halbleitern, durch die Elektronen fliessen. Einsatz v.a bei Labormessungen, Luftentfeuchtern etc.

Das Kältemittel fliesst in den roten und blauen Leitungen. Es wird zunächst vom Kompressor K komprimiert. Dabei heizt sich das Fluid auf. Anschliessend kann es beim Kühler C mithilfe von Wasser oder Luft gekühlt werden. Beim Entspannungsventil E wird das Fluid wieder verflüssigt und kann dadurch wieder Wärme vom zu kühlendem Medium aufnehmen.

• Halogenkohlenwasserstoffe
  • Ungiftig
  • Nicht brennbar
  • Ozonabbauend, Teibhauspotential
• Nichthalogenierte Kohlenwasserstoffe
  • brennbar
• Ammoniak
  • Leicht wahrnehmbar
• Wasser
  • Nur bis 0°C einsetzbar
• Kohlenstoffdioxid
  • Umweltverträglicher
  • Hohe Systemdrucke
  • niedrige Tkrit
  • in Entwicklung

Kältemittel entziehen dem Kühlgut Wärmeenergie und transportieren es entgegen dem Temperaturgradienten zur Umgebung.

Ein Kühlmittel hingegen kann nur Wärme abtransportieren, wenn die Temperatur des Kühlgutes höher als die der Umgebung ist. 

Luft kann bei der heissen Pizza die Wärme abtransportieren und stellt dabei ein Kühlmittel dar. Analog ist das Kühlmittel im Auto oder Motorrad dazu da, den Motor zu kühlen.

• Vor Kühlung, nach Kompression: sehr hohe Enthalpie
• Nach Kühlung, vor Expansion: tiefe Enthalpie
• Nach Expansion, vor Wärmeaufnahme: tiefe Enthalpie
• Nach Expansion, nach Wärmeaufnahme: hohe Enthalpie

Die Kontinuitätsgleichung besagt, dass die Gesamtenergie in einem abgeschlossenen System konstant ist. Dabei ist lediglich die Zusammensetzung verschieden.

Die spezifische Gesamtenergie setzt sich zusammen aus der Geschwindigkeit, dem statischen Druck und der Höhe.

Die Bernulligleichung beschreibt die Druckverhältnisse in einer Strömung, Der Gesamtdruck setzt sich zusammen aus:

• statischer Druck
• Höhe (hydrostatischer Druck, p*h*g)
• Geschwindigkeit (dynamischer Druck)

Newtonische Fluide haben im Gegensatz zu nicht newtonischen Fluiden eine konstante Viskosität.

Als Kavitation wird die Bildung von Gasblasen bezeichnet, die durch Unterdruckgebiete in einer Pumpe (meist Kreiselradpumpen) entstehen.

Die Bildung von Gasblasen kann durch eine hohe Drehzahlen der Pumpe, Unterdruck auf der Saugseite oder durch hohe Temperatur des Fluids begünstigt werden.

Durch die kollabierenden/implodierenden Gasblasen, die in Gebieten mit höheren Drücken aufkommen, entstehen microjets. Die microjets können zu Korrosion (auch Kavitationsfrass genannt) führen, indem immer wieder kleine Teile an der Pumpe deformiert werden. Nach einiger Zeit brechen Teile heraus.

Dort, wo Strömungen schneller sind, ist entsprechend der statische Druck tiefer. Die Siedetemperatur von Wasser sinkt dabei bis auf Raumtemperatur, Gasblasen entstehen. Diese werden anschliessend in Gebiete mit höherem Druck mitgerissen und bilden microjets.

Je nach Reynoldszahl (\(Re= { \rho * v*d \over \eta}\)) wird ein unterschiedlicher Reibungskoeffizient berechnet.

Wichtig sind:

• Blasius (von 2.4e3 bis 10^5)
• Herrman (von 2.4e3 bis 2e6)
• Konakow (von 10^5 bis 10^8)

Unterhalb einer Reynoldszahl von 2300 wird in glatten Rohren der Reibungskoeffizient wie folgt berechnet: \(λ = {64 \over Re}\).

Für raue Rohre gelten wieder unterschiedliche Formeln je nach Bedingungen.

Je höher die Fliessgeschwindigkeit, desto schmaler ist die Grenzschicht, in der die Flüssigkeit laminar strömt (viskose Unterschicht). Mit zunehmender Geschwindigkeit wird demnach die verlorene Energie grösser.

Mit zunehmender Re-Zahl nimmt die Grenzschichtdicke ab. Bei einem Maximum der Re-Zahl hört die vollständige Überdeckung durch die laminare Grenzschicht auf und die Wanderhebungen ragen in die turbulende Kernströmung hinein. Dabei wird nun viel Strömungsenergie verbraucht. Je glatter die Rohrinnenseite ist, desto höher ist die entsprechende Re-Zahl, bei der dieses Phämomen auftritt.

Zwei Strömungsvorgänge sind ähnlich, wenn die Reynoldszahlen und die geometrischen Bedingungen übereinstimmen. Das heisst, wenn sich lediglich der Massstab ändert, die Re-Zahl jedoch gleich bleibt, ist ein Rohr ähnlich. Mit dieser Theorie lassen sich die Strömungsgesetze wesentlich vereinfachen.

Solange die Reynoldszahlen vom Original und dem Modell übereinstimmen, sind sie mechanisch ähnlich. So können Berechnungen für das Original durchgeführt werden, wenn dieses nicht zugänglich ist (z.B. bei Flugzeugen im Windkanal).

Bei Pumpen mit Magnetkopplung und Schlauchquetschpumpen sind Flüssigkeitsraum und Antrieb komplett getrennt.

Es werden verschiedene Arten von Dichtungen eingesetzt, um den Antriebs und Flüssigkeitsbereich zu trennen.

• Wellendichtungen: Stopfbuchse und Rückenschaufeln
  • Steriltechnisch nicht geeignet, Rückenschaufeln transportieren Flüssigkeit zurück zum Druckstutzen
  • Stopfbuchsen sind zwischen Rotor und Stator montiert, werden von der zu fördernden Flüssigkeit geschmiert
• Gleitringdichungen: gehört zu den Wellendichtungen
  • Steriltechnisch geeignet
  • bestehen aus fest stehendem Gleitring und einem rotierendem.
  • Federn drücken die beiden Dichtungen gegeneinander, dürfen nie trocken laufen
  • schmierung über Dampfkondensat oder Glykerin
• Magnetkopplung
  • Flüssigkeitsraum und Antrieb sind komplett voneinander getrennt, Drehzahl wird über einen Magneten übertragen

Die Zahnradpumpe besteht aus zwei Zahnrädern, die ineinander greifen und abdichten. Das Medium wird nun der Aussenwand entlang transportiert und anschliessend am Druckstutzen ausgestossen.

• 10 - 40 bar (oder mehr)
• Förderstrom bis 60 m³
• Pulsationsfrei
• Hochviskose Flüssigkeiten ohne Feststoffe
• Linearer Zusammenhang zwischen Förderstrom und Drehzahl