Berechnung der Energie einer Konditionierung

paul-odw · Anmeldungsdatum: 27.12.2013 Beiträge: 1

Meine Frage:
Hallo ich bin neu hier und alles andere als ein Physiker,

Physik ist auch nicht unbedingt ein Gebiet auf dem ich mich wirklich wohlfühle, daher suche ich eine Hilfestellung zur Berechnung des Energiebedarfs für eine Konditionieranlage.
Ich möchte in einer Firma eine Lehre Anfangen, dort steht eine Kunststoffkonditionieranlage.
Der Chef hat gesagt wenn ich den Energieverbrauch (in kWh) dieser Anlage errechnen kann und Ihm erklären kann wie ich den Energiebedarf ermittelt habe dann bekomme ich die Stelle.
Dazu hat er mir 8 Wochen Zeit gegeben, weil er sagte ganz so einfach wird das nicht, es sei denn ich hätte einen Physiker in der Verwandtschaft.

Jetzt sind schon 3 Wochen rum, und mein Physiklehrer ist leider keine große Hilfe. ?
Er hat mir zwar eine vermeintlichen Lösungsweg gezeigt, doch meine Mutter hat gesagt bei diesem Stromverbrauch wäre die Maschine bestimmt nicht wirtschaftlich.

Also beschreibe ich einfach mal die Maschine:
In der Maschine wird Kunststoff Konditioniert
(Das heißt es wird Wasser in die Zwischenräume der Polymerketten eingebracht, dadurch ändern sich die mechanischen Eigenschaften, besonders ist das Kunststoffteil dann nicht mehr so spröde, das ganze geschieht auch ohne so eine Maschine dauert aber Monate, bevor diese Plastikteile weiterverarbeitet werden können)
Die Maschine ist eigentlich ganz einfach:
Sie besteht aus einer Konditionierkammer und einem Warmwasserkessel (heater genannt) und einer Vakuumpumpe und der Steuerung die alles Regelt.
Folgende Arbeitsschritte hat die Maschine
1.
Die Plastikteile werden in einer Metallbox in die Maschinen gestellt
2.
Nach dem Schließen der Tür wird ein Vakuum in der Maschine erstellt
3.
Es wird heisser Sattdampf eingegeben um die die Maschine innen aufzuheizen und die Temperatur zu halten.
4.
Nach einer bestimmten Zeit wird das Vakuum rausgelassen oder Luft wieder in die Maschine gelassen und dieser Konditionierprozess ist Fertig.

Ich habe zwei Aufgabenstellungen.
Erstens den Energiebedarf wenn die Maschine Kalt ist und zweitens wenn die Maschine in Serie läuft und warm ist.

Zu 1 habe ich folgende Daten bekommen:
Der Speicher/Heater hat ein Volumen von 2000 Liter Leitungswasser: Starttemperatur 10°C und Hat einen Heizstab von 90KW Leistung zum aufheizen. Aufgeheizt muss auf 100°C werden

Die Maschinen hat folgende Abmessungen im Innenraum:
Höhe 2200mm / Breite 1100mm / Tiefe 1500mm.
Das Gehäuse ist aus Edelstahl V2A und 6mm Dick
Beladen wird die Maschine mit einer Euro-Gitterbox und 1000kg Plastikteilen (PA66 Glasfaser gefüllt 30%)

Die Maschine wird im Innenraum mit dem Dampf von 20°C auf 90°C aufgeheizt und die Temperatur von 90°C wird dann 2Std. gehalten.
Das Temperaturhalten geschieht über dieZugabe von heißen Sattdampf (100°C).
Die Halle in der die Anlage steht, hat eine Temperatur von 21°C

Meine Ideen:
Wenn ich das ganze richtig verstehe muss ich jetzt für die erste Aufgabe wie folgt vorgehen:

Berechnen des Strombedarfs zum Aufheizen des Wasserbehälter
Menge 2000L = 2000kg Wasser / spez. Wärmekapazität [c] 4,187[kJ/(kG*K)]
Anfangstemp: 10°C
Endtemp: 100°C
?t = 90° K
Q= m*c* ?t = 2000kg * 4,187 [ kJ/(kG*K)] * 90K = 753660kJ = 754MJ
Das ganze in kWh umrechnen
753660kJ / 3600 = 209,35kWh

Dann das gleiche mit dem Plastikteilen und Gitterbox und dem Edelsathl?
PA66 Glasfaser 30%: m= 1000kg
spez Wärmekapazität: c= 1,5 [ kJ/(kG*K)]
?t = von 20°C auf 90°C = 70K
Q = (1000 * 1,5 * 70)/3600 = 21,39kWh

Gitterbox: m = 85kg
spez Wärmekapazität: c= 0,47 [ kJ/(kG*K)]
?t = von 20°C auf 90°C = 70K
Q = (85 * 0,47 * 70)/3600 = 0,78kWh

Und zum Schluß die Maschine:
Edelstahl V2A:
Abmessung: Dicke 6mm (hier wurde mir gesagt die Isolierung soll ich vernachlässigen)
1100mm * 2200mm * 2 Seiten ;
1500mm * 2200mm * 2 Seiten ;
1500mm * 1100mm * 2 Seiten
Das ergibt eine Oberfläche der Maschine von => 147400cm²
das sind dann V2A-Sahl Volumen von => 88440cm³

Die Maschinen hat einen Umschlossenen Raum von 3630L oder 3,63m³

die Dichte von V2A-Stahl ist 7,9g/cm³ wenn ich das richtige gefunden habe
also ist m= 88440cm³ * 7,9g/cm³ = 698676g => 699kg
Spez. Wärmekapazität: c= 0,47 [ kJ/(kG*K)]
?t = von 20°C auf 90°C = 70K
Q = (350 * 0,47 * 70)/3600 = 3,20kWh

Alles zusammen brauche ich zum aufheizen auf 90°C also
3,2kWh + 0,78kWh + 21,39kWh + 209,35kWh = 234,72kWH
bin ich hier noch richtig??

Dann war das soweit ja noch recht einfach für mich
Aber ich glaube wenn ich jetzt mit dem Dampf aus dem Wasserspeicher aufheize dann geht ja Wasser im Speicher verloren und 10°C warmes Wasser aus der Leitung wird automatisch nachgefüllt!
Das hat mir der Chef auch so bestätigt auf meine Nachfrage und war begeistert das ich daran gedacht habe.
Nur weiß ich jetzt nicht weiter wie ich diese Menge ermitteln kann. Das muss sich doch irgendwie aus den Wärmeverlust der Maschine durch den V2A-Stahl errechnen?

Also muss ich als nächstes den Wärmeverlust in der Aufheizzeit errechnen und in kWh umrechnen? Und dann den Wärmeverlust errechnen wenn in der Maschine 2 Stunden 90°C ist und in der Halle 20°C ist.
Dazu brauche ich dann die thermische Leitfähigkeit von V2A-Stahl
?= 21 [ W/(m*K)]
als Oberfläche [A] hatte ich oben errechnet: 14,74m²
Als Formel nehme ich jetzt
Q = (A *? * ?t)/l
A = 14,74m²
? = 21
?t = 90°C ->20°C => 70K
l= die Dicke 6mm = 0,0006m
Q = (14,74 *21 * 70)/0,0006 = 36.113.000W = 10,03kWh * 2 Stunden => 20,06kWh
Das müsste jetzt der Wärmeverlust oder Energieverlust für die 2 Stunden bei 90°C sein???

Dann habe ich bis jetzt ein Energieverbrauch von 254,78kWh

Mein Lehrer hat hier schon über 5000 kWh und Mama sagt das wäre ja ganz bestimmt nicht wirtschaftlich, aber Sie versteht von dem ganzen nichts nur ihr Bauchgefühl sagt das 5000kWh bestimmt viel zu viel ist.

Wenn das richtig ist, fehlt jetzt noch der Strombedarf für den Wärmeverlust beim Aufheizen:

Ich glaube dafür brauche ich dann dass Volumen der Maschine, und die Menge an Wasser aber als Sattdampf.
Dazu habe ich gesagt bekommen bevor über Sattdampf aufgeheizt wird ein Vakuum von 90% also Druck absolut 0,1Bar geschaffen wenn die 90°C in der Maschine erreicht wurden ist der Druck nur noch ca. 30% Vakuum also 0,7 Bar Druck sein.
In der Maschine wird über die Steuerung das Gleichgewicht zw. Druck und Temperatur gehalten. Also wenn die Temperatur abfällt wird wieder 100°C heißes Wasser nachgeben und das wird dann im Unterdruck sofort zu Dampf oder auch Gas also Sattdampf!? Ich habe das so jedenfalls verstanden.

Doch wie ich das jetzt Berechnen muss und welche Formeln und Werte ich da ansetzen muss dazu finde ich einfach keinen Ansatz?????
Kann mir da jemand erklären wie ich weiterrechnen muss??
Wenn das dann alles stimmt wäre der zweite Teil wahrscheinlich einfacher, da ich dann davon ausgehen soll das die Maschine durchgeheizt ist und ich beim Materialwechsel, also den neu befüllen der Plastikteile einen Wärmeverlust auf ca. 45°C in der Maschine wieder Aufheizen muss.
Schon mal Danke für die Hilfe
Viele grüße
Paul
Puh ist das jetzt viel geworden
Ach ja das soll ich noch dazu schreiben sagt mama, der Chef hat mir gesagt er will sehen wie viel techn. Verständnis ich aufbringe und wie weit ich Energie aufbringe mich in eine komplexe Aufgabe reinzuarbeiten und durchzubeißen und wie ich mir helfe, da er nicht davon ausgeht das ich diese Aufgabe allein mit Schulwissen lösen kann.