UNIVERSITÄT STUTTGART - Institut für Thermodynamik und ...

Aufgabe 4 (13 Punkte)
In einem Labor arbeiten Wissenschaftler, welche beim Experimentieren einen Wasserdampfstrom
von m� W = 828 g/h (Wasserdampf bei 37 °C) und einen Wärmestrom von QW � = 160 W an die
Laborluft abgeben. Zudem nimmt die Laborluft infolge von exothermen Experimenten einen
Wärmestrom von QE � = 200 W auf. Dem Labor wird Luft vom Zustand 1 (�1 = 22 °C, �1 = 0,5)
entnommen und diese durch eine Klimaanlage aufbereitet. Die Klimaanlage hat die Aufgabe die
Luftbedingungen im Labor konstant zu halten und arbeitet bei einem konstanten Druck von
pG= 1 bar nach dem folgendem Schema:
m�
K
�3
� 7�C
gerade gesättigt
Q �
K
3
m� l,
U
2
WÜ
4
MK
1
�1
� 22�C
� � 0,5
1
m� l,
M
5
m� l,
S
m� l,
U
1 �1
� 22�C
� � 0,5
Wissenschaftler
m� W � 828 g/h
Q� W � 160 W
1
Experimente
Q� E � 200 W
Labor
An zwei Stellen verlassen die Luftströme (Massenströme trockener Luft) m� l, M und m� l,U vom
Zustand 1 das Labor. Der Umluftstrom m � l,U � m�
l,S / 3 kühlt sich zunächst im nach außen hin
adiabaten Wärmeübertrager (WÜ) ab, wobei im Zustand 2 ungesättigte feuchte Luft vorliegt. Der
Wärmeübertrager (WÜ) hat ein Temperaturverhältnis von �WÜ= (�4-�3) / (�1-�3) = 0,787.
Luft vom Zustand 2 wird anschließend durch Abfuhr des Wärmestroms QK � weiter abgekühlt,
wobei der Wassermassenstrom m� K auskondensiert. Im Zustand 3 ist die Umluft gerade gesättigt
(�3=1) und hat eine Temperatur von �3 = 7 °C. Über den Wärmeübertrager (WÜ) gelangt der
Umluftstrom m� l,U in die adiabate Mischkammer (MK), in der dieser mit dem Zumischluftstrom
m� l, M zum Gesamtluftstrom m� l,S des Zustandes 5 vermischt und dem Labor zugeführt wird.
Vereinfachung: - Innerhalb der Klimaanlage treten keine Druckunterschiede auf.
- Änderungen von potentiellen und kinetischen Energien sind zu vernachlässigen.
- Die Enthalpie des Kondensatmassenstroms m� K kann vernachlässigt werden.
Stoffwerte: - Verdampfungsenthalpie des Wassers bei 0°C: �hv=2500 kJ/kg
- spezifische Wärmekapazität des Wasserdampfs: cp,D=1,86 kJ/(kg K)
a) Skizzieren Sie die Zustandsänderungen der Luft in einem hG/l, x-Diagramm.
Berechnen Sie
b) den Wassergehalt x1 und die Enthalpie hG/l,1 der aus dem Labor abgesaugten Luft
c) den Wassergehalt x5 sowie den Luftmassenstrom m� l,S , der dem Labor zugeführt werden muss
d) die Temperatur �5 des Luftstroms m� l,S nach der Mischkammer
e) den Wärmestrom QK � .