Lehre
Laborversuche
Die Peltonturbine ist eine Freistahlturbine. Man spricht von Freistahlturbine, da der Druck beim Austritt der Düse gleich dem Umgebungsdruck entspricht. Die Turbine wird verwendet, wenn große potentielle Energie (große Fallhöhe) in kinetische Energie umgewandelt werden soll, z. B. in Bergregionen mit großen Wasserreservoir/ Wasserkraftwerk mit Fallhöhen größer als 100 Meter.
Durch die Form der Schaufel soll das Maximale der potentiellen Energie des Wassers an das Laufrad weitergeben werden. Der Wasserstrahl wird an der Schaufel geteilt und nahezu 180° abgelenkt.
Dieser Laborversuch soll den Studierenden den Zusammenhang zwischen Drehmoment, übertragbarer Leistung und Wirkungsgrad einer Peltonturbine in Abhängigkeit der Drehzahl veranschaulichen. Das größte Moment wird erzielt, wenn Umdrehungsgeschwindigkeit u gegen null geht; und das kleinste Moment wird erzeugt, wenn die Umfangsgeschwindigkeit gleich der Wassergeschwindigkeit ist.
Im Versuch stellen die Studierenden bei einem konstanten Volumenstrom unterschiedliche Drehzahlen der Peltonturbine ein. Die unterschiedlichen Drehzahlen ergeben unterschiedliche Drehmomente. Aus der ermittelten Drehzahl errechnen die Studierenden die Leistung und den Wirkungsgrad. Somit kann die effektivste Drehzahl gewählt werde und somit der optimale Wirkungsgrad der Peltonturbine durch die Studierenden ermittelt werden.
Der Versuch besteht aus einem Wärmeübertrager aus zwei Doppelrohr-Einheiten mit je zwei Segmenten. Das warme Medium wird in einem Speicher auf konstanter Temperatur gehalten und durch das Kernrohr des Wärmeübertrager gepumpt. Das kalte Medium hingegen wird durch den Ringspalt gepumpt und soll somit die Wärme des warmen Mediums aufnehmen. Durch Ventile kann der Wärmeübertrager im Gleichstrom oder Gegenstrom betrieben werden.
Im ideal Fall wird die gesamte Wärmeenergie an das kältere Fluid abgegeben. Bei diesem Versuch kann diese Annahme von den Studierenden geprüft werden, indem die Leistung und Austrittstemperaturen der Fluidströme berechnet werden mit den gemessenen Werten verglichen werden.
Das Ziel dieses Laborversuches ist es die Verdampfungsentalpie mit Hilfe eines handelsüblichen Wasserkochers, einer elektrischen Waage, einem Leistungsmessgerät, einer Stoppuhr und einer Messwerttabelle zu bestimmen.
Dabei wird der Wasserkocher mit ca. 1 Liter Wasser auf die elektrische Waage gestellt, im Anschluss wird die Waage genullt. Die Messreihe wird gestartet wenn das Wasser vollständig kocht. Nach jeder Abnahme von circa 50 Gramm der Masse des Wassers wird die Zeit und die Leistung gemessen und dokumentiert. Nach 10 Messpunkten wird der Versuch beendet und ausgewertet.
Mit Hilfe dieses Versuchs soll der Emissionskoeffizient von Aluminiumplatten mit verschiedenen Oberflächenbeschichtungen ermittelt werden. Der Emissionskoeffizient gibt Aufschluss darüber, wie schnell eine Oberfläche seine gespeicherte Wärme an die Umgebung abgibt.
Die Aluminiumplatten mit verschiedenen Oberflächen werden nacheinander von zwei Heizstrahlern auf 60°C erhitzt. Daraufhin werden die Heizstrahler entfernt, sodass sich die Platten durch konvektive Wärmeabgabe und Strahlung abkühlen.
Die Messreihenerfassung/Auswertung erfolgt über ein PC-System.
Verdampfung und Konvektion
Zur Auslegung von Verdampfern und Kondensatoren beispielsweise in Dampfkraftwerken ist das Wissen um die Wärmeübertragungsmechanismen eine Grundvoraussetzung. Dieser Versuch veranschaulicht den Studierenden die unterschiedlich intensiven Wärmeübergänge beim Phasenwechsel von Fluiden. Dabei wird ein ungefährliches Kältemittel und eben nicht Wasser in einem geschlossenen Gefäß erhitzt und gekühlt, da bei Wasser relativ hohe Temperaturen und Drücke für den Phasenwechsel notwendig sind.
Die Aufheizung des Kältemittels bis zur Verdampfung erfolgt durch den Kontakt mit einem festen, beheizten Körper. Je nach Höhe der Temperaturdifferenz zwischen dem Heizer und der Flüssigkeit kann man drei unterschiedliche Verdampfungsmechanismen beobachten.
Freie Konvektion
Liegt die Heizflächentemperatur nur wenig über der Siedetemperatur der Flüssigkeit, wird die Wärme auf die Flüssigkeit übertragen. Durch den resultierenden Dichtegradienten wird die heiße Flüssigkeit zur Oberfläche hin transportiert und erst dort verdampft sie. Mit zunehmender Übertemperatur bzw. zunehmender Wärmezufuhr beginnt die Dampfblasenbildung an der Heizfläche.
Blasenverdampfung
Ab einer gewissen Temperaturdifferenz zwischen Heizfläche und Flüssigkeit bilden sich Dampfblasen und steigen an die Flüssigkeitsoberfläche. Dort platzen sie und geben den in ihn enthaltenen Dampf frei.
Filmverdampfung
Oberhalb einer bestimmten Temperaturdifferenz zwischen Heizfläche und Flüssigkeit wird die Heizfläche völlig von einem Dampffilm bedeckt, so dass die Flüssigkeit die Heizfläche nicht mehr benetzen kann. Der Wärmeübergang sinkt durch die isolierende Wirkung des entstandenen Gasfilms. Wird die Heizfläche weiter mit einer konstanten Wärmestromdichte beheizt, steigt der Wert der Differenz zwischen Heizfläche und Flüssigkeit weiter an. Die Heizfläche kann somit beschädigt werden.
Bei der Wärmeübertragung durch Kondensation unterscheidet man zwischen Film- und Tropfenkondensation, je nach Benetzung der festen Oberfläche, die kälter als das kondensierende Fluid ist.