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Anmeldungsdatum: 02.01.2008
Beiträge: 43
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 Tabs Verfasst am: 02. Jan 2008 00:49 Titel: Motorberechnung |
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Hallo Zusammen!
Ich habe hier eine etwas komplexere Aufgabe zu bewältigen und bin für jede Hilfestellung sehr Dankbar.
Ein Ottovergasermotor im Schwachgasbetrieb (ca. 5Mj/mhoch3) soll einen Generator mit 39,72 kw Wellenleistung und 1015 /min antreiben. Die Drehzahl des Ottomotors soll bei 2800 /min liegen. Untersetzung soll durch drei nebeneinander liegende Keilriemen erfolgen. Wie viel kw Wellenleistung müsste der Ottomotor haben, wenn die kw Angabe des Motors sich auf Benzinbetrieb bezieht?
Ich weiß, dass man über den mittleren Kolbendruck, Hubraum und Drehzahl an Pi kommt, wie aber rechnet man den Brenn- bzw. den Heizwert da mit ein??? Und kommt da nicht auch noch die Zündgeschwindigkeit mit ins Spiel??? Völlig ratlos…..
Danke für alle Antworten…
Gruß…
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 04. Jan 2008 19:06 Titel: |
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Ich glaube, ich verstehe hier noch nicht so recht, was hier das Komplexe an der Aufgabe sein soll. Die Wellenleistung ist ja
| Zitat: |
die an der Welle einer Maschine gemessene nutzbare Leistung in kW; sie ist wegen der Reibungs- u. a. Verluste geringer als die theoretische Leistung.
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siehe z.B. http://lexikon.meyers.de/meyers/Wellenleistung
Wenn nun auf dem Generator draufsteht, dass er zum Betrieb einen Motor braucht, der eine Wellenleistung von 39,72 kW hat, dann kann es doch dem Generator egal sein, ob der Motor diese Leistung durch Verbrennen von Benzin oder durch Verbrennen von Schwachgas erzeugt.
Das einzige, was den Generator interessiert, sind die Verluste zwischen Welle des Motors und dem Generator selbst. Und wenn ich das richtig verstanden habe, sind das nur die Verluste durch die drei Keilriemen.
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Was ist denn das genauer für eine Aufgabe? Ist das eine normale Übungsaufgabe aus den ersten Semestern Maschinenbau, oder eher eine Frage, der du im Rahmen eines Projektes nachgehst?
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Es wäre übrigens nett, wenn du dazusagst, wenn du deine Aufgabe gleichzeitig in mehreren Foren gepostet hast; es ist ja schließlich ein bisschen blöd, wenn jeder für sich rätselt, bevor er herausfinden muss, dass sich gleichzeitig auch schon andere damit beschäftigen, dir zu helfen 
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Oder ist mit der Aufgabe vielleicht gemeint, dass auf dem Motor draufsteht, dass er die 39,72 kW Wellenleistung liefern kann, wenn er mit Benzin betrieben wird, und die Frage ist, was für einen anderen Motor, mit anderer für Benzinbetrieb angegebener Wellenleistung, muss man nehmen, damit der bei Schwachgasbetrieb die benötigten 39,72 kW Wellenleistung liefert?
Dann würde ich vorschlagen, du besorgst dir die Informationen
* welche Brennstoffleistung jeweils zugeführt wird (also Heizwert des zugeführten Schwachgases bzw. Benzins pro Zeit, diese Größe ist also davon abhängig, wieviel Schwachgas bzw. Benzin pro Zeit dem Motor bei Schwachgasbetrieb bzw. bei Benzinbetrieb zugeführt wird)
* und wie groß der Wirkungsgrad der Verbrennung von Schwachgas bzw. Benzin in diesem Motor ist (nimmt man da zum Beispiel einfach Erfahrungswerte für das Verhältnis von Wellenleistung zu zugeführter Heizleistung in diesen beiden Betriebsarten?)
und berechnest daraus, mit welchem Korrekturfaktor folglich die angegebene Benzinbetriebs-Wellenleistung eines solchen Motors multipliziert werden muss, um die Wellenleistung bei Schwachgasbetrieb zu erhalten. |
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Tabs
Anmeldungsdatum: 02.01.2008
Beiträge: 43
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| Tabs Verfasst am: 05. Jan 2008 00:47 Titel: |
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Hallo!
| Zitat: | Wenn nun auf dem Generator draufsteht, dass er zum Betrieb einen Motor braucht, der eine Wellenleistung von 39,72 kW hat, dann kann es doch dem Generator egal sein, ob der Motor diese Leistung durch Verbrennen von Benzin oder durch Verbrennen von Schwachgas erzeugt.
Das einzige, was den Generator interessiert, sind die Verluste zwischen Welle des Motors und dem Generator selbst. Und wenn ich das richtig verstanden habe, sind das nur die Verluste durch die drei Keilriemen. |
Es handelt sich hier um einen Generator, der 39,72 kw/h elektrische Leistung abgeben kann. Da die abgegebene Leistung identisch mit der Wellenleistung ist, braucht der Generator einen Antrieb der die Generatorwellenleistung plus die Keilriemenverluste aufbringen kann. Soweit ist mir das ja klar. In Zahlen: Wenn ich jetzt für den Keilriemenantrieb einen Wirkungsgrad von 0,95 annehme, dann müsste der Antriebsmotor 39,72 : 95 * 100 = 41,81 kw leisten. Welche Leistung hätte folglich dann ein Schwachgasmotor mit 41,81 kw , dem man Benzin zu schnüffeln gibt bei gleichem Hub und Bohrung der Zylinder, also bei gleichem Hubraum?
| Zitat: | | Es wäre übrigens nett, wenn du dazusagst, wenn du deine Aufgabe gleichzeitig in mehreren Foren gepostet hast; es ist ja schließlich ein bisschen blöd, wenn jeder für sich rätselt, bevor er herausfinden muss, dass sich gleichzeitig auch schon andere damit beschäftigen, dir zu helfen |
Sorry, aber ich dachte, je mehr Leute das lesen, je eher hätte jemand einen Lösungsvorschlag.
| Zitat: | | Oder ist mit der Aufgabe vielleicht gemeint, dass auf dem Motor draufsteht, dass er die 39,72 kW Wellenleistung liefern kann, wenn er mit Benzin betrieben wird, und die Frage ist, was für einen anderen Motor, mit anderer für Benzinbetrieb angegebener Wellenleistung, muss man nehmen, damit der bei Schwachgasbetrieb die benötigten 39,72 kW Wellenleistung liefert? |
Genau so. Siehe oben.
| Zitat: | Dann würde ich vorschlagen, du besorgst dir die Informationen
* welche Brennstoffleistung jeweils zugeführt wird (also Heizwert des zugeführten Schwachgases bzw. Benzins pro Zeit, diese Größe ist also davon abhängig, wieviel Schwachgas bzw. Benzin pro Zeit dem Motor bei Schwachgasbetrieb bzw. bei Benzinbetrieb zugeführt wird) |
Ja, der Heizwert von Benzin beträgt 43,6(in MJ/kg), der vom Gas wie oben angegeben 5 MJ/m3. Jetzt weiß ich aber nicht, wie ich den Heizwert von Flüssigkeiten in Bezug zum Heizwert von Gasen setzen muss. Auf Deutsch, woher weiß ich denn, wie viel Benzin durch einen Vergaser geht um einen m3 Benzingas zu erzeugen, und wie hoch ist dann der Heizwert dieses Gases?
| Zitat: | | * und wie groß der Wirkungsgrad der Verbrennung von Schwachgas bzw. Benzin in diesem Motor ist (nimmt man da zum Beispiel einfach Erfahrungswerte für das Verhältnis von Wellenleistung zu zugeführter Heizleistung in diesen beiden Betriebsarten?) |
Das weiß ich auch nicht.
Danke für die Antwort…
Gruß
Tabs |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 05. Jan 2008 10:26 Titel: |
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| Tabs hat Folgendes geschrieben: | Auf Deutsch, woher weiß ich denn, wie viel Benzin durch einen Vergaser geht um einen m3 Benzingas zu erzeugen, und wie hoch ist dann der Heizwert dieses Gases?
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Ach so, ich glaube, da kommen wir schon zum Punkt der Sache. 
Das Benzin-Luft-Gemisch nach dem Vergaser besteht ja aus Luft und aus zerstäubtem, flüssigem Benzin. Also nimmt das Benzin als Flüssigkeit nur einen sehr kleinen Teil des Volumens dieses Gemisches ein, so klein, dass wir ihn hier für die Berechnung des Volumens vernachlässigen.
Kannst du das Volumen einer Luftmenge ausrechnen, wenn du ihre Masse kennst? Zum Beispiel mit:
* Dem Avogadro-Volumen, das sagt dir, dass ein Mol eines Gases bei Normaldruck und Normaltemperatur ein Volumen von 22,4 Litern hat.
* Der Molmasse von Luft (Wieviel wiegt ein Mol Luft?)
* Der Information über Druck und Temperatur der Luft nach dem Vergaser (Sind das einfach rund 1023 mbar und ca. 20°C, so dass du direkt mit dem Avogadro-Volumen rechnen kannst? Oder kennst du da andere Werte, dann solltest du das eher mit  rechnen)
Damit bekommst du also den Zusammenhang zwischen Volumen deines Gemisches und der Luftmasse darin.
Wieviel Luft mischt der Vergaser dem Benzin nun bei? Na, soviel, dass genug Sauerstoff dabei ist, damit die C-Atome und die H-Atome im Benzin zu  und  verbrennen können. Wenn es genau so viel ist, dann liegt ein stöchiometrisches Verhältnis vor, und der Wert  , der das Mischungsverhältnis angibt, ist gleich 1.
(Magst du mal schauen,
- wieviel kg Luft in diesem Fall mit einem kg "gewöhnlichem Ottomotorenbenzin" vermischt werden? Findest du da auch einen Wert von 14,72 kg Luft pro 1 kg Benzin?
- ob du durch Nachschlagen eventuell genauer herausfindest, bei welchem so ein Ottomotor, der einen Generator antreibt, üblicherweise läuft und wie genau man dieses angeben kann? Ich finde da Informationen wie "Damit das Gemisch überhaupt zünden kann, braucht man ein lambda im Bereich von ca. 0,65 bis 1,2" und "Mit Lambdasonden regelt man in Fahrzeugen das Gemisch, um es nahe an lambda gleich 1 zu halten", und ich vermute, dass es bei dem recht konstanten Betrieb einer Generator-Motors relativ einfach sein sollte, das so einzustellen, dass man relativ nahe an lambda = 1 arbeiten kann.)
Damit hast du dann so ziemlich alle Informationen beieinander, die du hier brauchst, bist du da einverstanden?
| Zitat: |
| Zitat: | | * und wie groß der Wirkungsgrad der Verbrennung von Schwachgas bzw. Benzin in diesem Motor ist (nimmt man da zum Beispiel einfach Erfahrungswerte für das Verhältnis von Wellenleistung zu zugeführter Heizleistung in diesen beiden Betriebsarten?) |
Das weiß ich auch nicht.
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Ich würde sagen, da nehmen wir erstmal einfach an, dieser Wirkungsgrad sei in beiden Fällen ähnlich oder gleich. |
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Tabs
Anmeldungsdatum: 02.01.2008
Beiträge: 43
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| Tabs Verfasst am: 07. Jan 2008 00:13 Titel: |
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Hallo "dermarkus"
Zuerst einmal vielen Dank für deine Antwort!
| Zitat: | Kannst du das Volumen einer Luftmenge ausrechnen, wenn du ihre Masse kennst? Zum Beispiel mit:
* Dem Avogadro-Volumen, das sagt dir, dass ein Mol eines Gases bei Normaldruck und Normaltemperatur ein Volumen von 22,4 Litern hat.
* Der Molmasse von Luft (Wieviel wiegt ein Mol Luft?)
* Der Information über Druck und Temperatur der Luft nach dem Vergaser (Sind das einfach rund 1023 mbar und ca. 20°C, so dass du direkt mit dem Avogadro-Volumen rechnen kannst? Oder kennst du da andere Werte, dann solltest du das eher mit rechnen) |
Wenn das Volumen für ein Mol eines Gases 22,4 L ist, und ich nun vom Gewicht über Mol auf das Volumen umrechne, so erhalte ich für 1 kg Luft bei 0°C und 1 atm Druck 770 Liter, oder?
| Zitat: | | - wieviel kg Luft in diesem Fall mit einem kg "gewöhnlichem Ottomotorenbenzin" vermischt werden? Findest du da auch einen Wert von 14,72 kg Luft pro 1 kg Benzin? |
Wenn ich nun mal annehme ich hätte einen Auto mit Ottomotor mit 2 L Hubraum, das bei einer Autobahnfahrt bei 100km/h 2800U/min macht, dann saugt der Motor doch 2800*2L = 5600L *60 min = 336.000 L Benzinluftgemisch in der Stunde an. Wenn ich weiter rechne und von 14,27 kg Luft pro kg Benzin ausgehe, und ein kg Luft gerundet ca. 1000L Volumen hat, dann würde mein Auto dem entsprechend 336.000 : 14.270 = 23,55 kg Benzin verbrauchen bzw. 23,55 : 0,75 = 31,4 Liter Benzin verbrauchen. Das erscheint mir etwas hoch.
Gruß
Tabs |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 07. Jan 2008 13:14 Titel: |
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Das wäre in der Tat etwas hoch Und dabei hast du in deiner Rechnung sogar noch sehr entgegenkommend gerundet (770 kg auf 1000 kg Luft); ohne diese Rundung komme ich mit deinen Werten sogar auf rund 40 Liter/100 km.
Ich habe bisher drei Punkte gefunden, in denen offenbar diese Abschätzung des Benzinverbrauchs nach unten korrigiert werden muss, um die Verhältnisse im Auto etwas realistischer wiederzugeben:
1) Macht ein Ottomotor nicht zwei Umdrehungen pro Verbrennungsvorgang? (Faktor 2)
2) Die Temperatur T_2 des Luft/Benzin-Gemisches beim Eintritt in die Zylinder dürfte bei betriebswarmem Motor (durch Aufwärmen im Ansaugrohr, ...) höher liegen als 0°C. Das macht einen Faktor (T_2) / (273 K) aus, um den das Volumen der wärmeren Luft größer ist als bei 0°C. Wenn T_2 = 90°C = rund 360 K wäre, dann wäre also dieser Faktor rund 4/3.
3) Für so einen Automotor sind auch Mischungsverhältnisse von z.B. 15 kg bis 18 kg Luft pro kg Benzin möglich (vielleicht auch noch mehr, für Autos habe ich auch schon mal was von lambda bis 1,3 gelesen). Möglicherweise steckt durch so etwas hier ein Faktor von rund 18 kg / 14,72 kg = rund 1,2 drin.
Mit diesen drei Faktoren, also zum Beispiel 2*(4/3)*1,2 = 3,2 komme ich von unseren rund 40 Litern Benzin runter auf etwas mehr als 10 Liter pro 100 km. |
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Tabs
Anmeldungsdatum: 02.01.2008
Beiträge: 43
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| Tabs Verfasst am: 09. Jan 2008 01:17 Titel: |
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Hallo!
Irgendwo hab ich einen Denkfehler.
Die Molmasse von Benzin ist bei http://de.wikipedia.org/wiki/Benzin mit 80 - 110 g/mol angegeben.
Wenn ich nun als Durchschnitt 95g/mol und 0,75g/cm3 annehme, so erhalte ich doch 750g : 95g/mol = 7,895mol Stoffmenge; und diese Stoffmenge hat das Volumen von einem Liter, oder?
Wenn ich jetzt annehme, dass die gleiche Stoffmenge Sauerstoff (Lamda 1) benötigt wird und Sauerstoff mit ca. 16u –entspricht 16mol – angegeben wird, und ein mol Gas mit 22,4 Litern angegeben wird, dann brauche ich doch 7,895 * 22,4 = 176,848 Liter Sauerstoff. Da Luft einen Volumenanteil von 20,942 % Sauerstoff hat, brauche ich dann 176,848 : 20,942% = 884,24 Liter Luft um einen Liter Benzin zu verbrennen.
Meine Berechnungen stehen aber im Gegensatz zu:
Zitat:
| Zitat: | | Verbrennungsversuche mit Leichtbenzin (Fraktion 60 / 95) in drei Glasrohren mit je 1000 mL Inhalt bei unterschiedlichen Benzindampf / Luft Verhältnissen zeigen auf dass es nur ein ganz bestimmtes Mischungsverhältnis gibt, bei dem optimale Wirkung sofern erwünscht erzielt werden kann. In einer "mageren" Verbrennung wird ziemlich exakt die untere Zündgrenze mit ca. 0.7 % Benzindampf / Luft und in einer "fetten" Verbrennung bei ca. 2.0 % die obere Zündgrenze mit laufenden Flammenfronten verdeutlicht. Die einwandfrei beste Wirkung auf den motorischen Effekt bezogen ist beim stöchiometrischen Verhältnis zu erzielen, und das liegt bei 1.0 % Benzindampf / Luft und entspricht einem Volumenverhältnis von 1 : 10.000 bzw. einem Gewichtsverhältnis von ca. 1 : 14,5 (bezogen auf die unverdampfte Flüssigkeit hier: Leichtbenzin zu Luft). Beim Verdampfen nehmen Benzin und andere Kohlenwasserstoffe etwa das hundertfache Volumen ein. Für eine explosionsartige Verbrennung genügt also 1 Liter Benzin (das natürlich verdampft sein muss!) auf 10 m3 Luft ! |
Gruß
Tabs |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 09. Jan 2008 17:02 Titel: |
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| Tabs hat Folgendes geschrieben: | 7,895mol Stoffmenge; und diese Stoffmenge hat das Volumen von einem Liter, oder?
Wenn ich jetzt annehme, dass die gleiche Stoffmenge Sauerstoff (Lamda 1) benötigt wird |
Das Lambda meint folgende Beziehung zwischen Massenverhältnis von Luft und Benzin:
14,72 kg Luft pro 1 kg Benzin entspricht lambda = 1
Also ist  .
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Denn natürlich verbrennt nicht 1 Benzinmolekül mit einem Sauerstoffmolekül. Benzin besteht ja aus Heptan ( ) und aus Oktan ( ). Wieviel Moleküle  braucht man also, um die C-Atome und die H-Atome von Heptan bzw. von Oktan zu  und  zu verbrennen? Du siehst, das sind natürlich viel mehr als eines. |
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Tabs
Anmeldungsdatum: 02.01.2008
Beiträge: 43
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| Tabs Verfasst am: 10. Jan 2008 01:06 Titel: |
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Hallo!
| Zitat: | Das Lambda meint folgende Beziehung zwischen Massenverhältnis von Luft und Benzin:
14,72 kg Luft pro 1 kg Benzin entspricht lambda = 1
Also ist . |
Upps, ich Trottel……
Ich versuche es noch mal….
Wenn ich 14,72 kg Luft pro 1 kg Benzin benötige, dann wären das doch für das Benzin 1000 g : 95 g/mol = 10,53 mol
und für die Luft 14720 g : 28,97 g/mol = 508,11 mol .
Beide Zahlen addiert ergeben 518,64 mol für die Mischung aus Benzin und Luft.
Wenn ich dann noch die 518,64 mol mal 22,4 Liter Volumen rechne, erhalte ich 11.617,536 Liter Benzindampf bzw. brennbares Benzingas.
Ist das bis hierhin richtig???
Tabs |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 10. Jan 2008 01:32 Titel: |
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Die Rechnung ist bis hierhin richtig, aber mit zwei deiner Annahmen bin ich nicht ganz einverstanden:
* Das Benzin wird von Vergaser nicht verdampft, sondern zerstäubt. Das heißt, es liegt nicht in Form eines Gases vor, sondern in flüssiger Form, also nimmt es viel weniger Volumen ein als als Gas. Deine Rechnung für gasförmiges Benzin zeigt einen Benzingas-Volumenanteil von nur rund 2% des Gemisches. Als Flüssigkeit nimmt es noch viel weniger Volumen ein. Deshalb können wir den Volumenanteil des Benzins in dem Gemisch sogar einfach ganz vernachlässigen, denn so genau sind unsere Rechnungen ja noch längst nicht.
* Die 22,4 Liter gelten nur bei 0°C und Atmosphärendruck. Da aber die Temperatur T_2 des Gemisches höher liegt, nimmt es das Volumen (T_2/273 K)*22,4 Liter ein.
Denn aus  folgt für konstanten Druck p:  |
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Tabs
Anmeldungsdatum: 02.01.2008
Beiträge: 43
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| Tabs Verfasst am: 11. Jan 2008 00:35 Titel: |
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Hallo!
| Zitat: | | Das Benzin wird von Vergaser nicht verdampft, sondern zerstäubt. Das heißt, es liegt nicht in Form eines Gases vor, sondern in flüssiger Form, also nimmt es viel weniger Volumen ein als als Gas. Deine Rechnung für gasförmiges Benzin zeigt einen Benzingas-Volumenanteil von nur rund 2% des Gemisches. Als Flüssigkeit nimmt es noch viel weniger Volumen ein. Deshalb können wir den Volumenanteil des Benzins in dem Gemisch sogar einfach ganz vernachlässigen, denn so genau sind unsere Rechnungen ja noch längst nicht. |
Ok, obige Rechnung korrigiert lautet dann:
508,11 mol * 22,414 L/mol = 11.388,778 L
| Zitat: | Die 22,4 Liter gelten nur bei 0°C und Atmosphärendruck. Da aber die Temperatur T_2 des Gemisches höher liegt, nimmt es das Volumen (T_2/273 K)*22,4 Liter ein.
Denn aus folgt für konstanten Druck p: |
Ich dachte, um beide Gase mit einander vergleichen zu können, dürfte doch jetzt noch keine temperaturbedingte Volumenerhöhung mit einfließen, das Schwachgas muss doch auch zuerst bei 0 °C und 1,01325 bar berechnet werden.
Rein theoretisch könnte ich ja das Benzin in einer separaten Anlage vergast haben und führe es dem Motor, genau wie das Schwachgas, direkt über die Ansaugrohre zu.
Da der Heizwert für 1 kg Benzin mit 43,6 MJ angegeben ist, müsste dem zufolge 43,6 MJ : 11,389 m3 = 3,828 MJ/m3 der Heizwert von 1 m3 Luft mit zerstäubtem Benzin sein.
Der Heizwert des Schwachgases ist mit 5 MJ/m3 angegeben. Wie berechne ich denn jetzt den Luftbedarf des Schwachgases???
Tabs |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 11. Jan 2008 02:10 Titel: |
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| Tabs hat Folgendes geschrieben: |
Ich dachte, um beide Gase mit einander vergleichen zu können, dürfte doch jetzt noch keine temperaturbedingte Volumenerhöhung mit einfließen, das Schwachgas muss doch auch zuerst bei 0 °C und 1,01325 bar berechnet werden.
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Ist 0°C die Bezugstemperatur für die Heizwertangabe des Schwachgases? Dann bin ich mit dieser Überlegung einverstanden.
| Zitat: |
508,11 mol * 22,414 L/mol = 11.388,778 L
[...]
Da der Heizwert für 1 kg Benzin mit 43,6 MJ angegeben ist, müsste dem zufolge 43,6 MJ : 11,389 m3 = 3,828 MJ/m3 der Heizwert von 1 m3 Luft mit zerstäubtem Benzin sein.
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Einverstanden, mit deinen 22,414 L/mol und 43,6 MJ/kg gehe ich denselben Rechenweg und komme zum selben Ergebnis.
| Zitat: |
Der Heizwert des Schwachgases ist mit 5 MJ/m3 angegeben. Wie berechne ich denn jetzt den Luftbedarf des Schwachgases???
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Dafür wird man wohl z.B. die Zusammensetzung des Schwachgases kennen müssen. Und wissen, ob beim Luftzumischen Membranen zur Sauerstoffanreicherung verwendet werden sollen.
Beim Googeln finde ich in
diesem Link
eine möglicherweise typische Volumenanteil-Zusammensetzung von Schwachgas von 7% CO_2, 27% CO, 49% N_2, 15% H_2 und 2% CH_4 .
Wenn ich nun zähle, wieviele O_2-Moleküle pro Volumenanteil man braucht, um das CO zu CO_2, das H_2 zu H_2O und das CH_4 zu CO_2 und H_2O zu verbrennen, dann komme ich auf
0,27 * (1/2) + 0,15 * (1) + 0,02 * (1) + 0,02 * (2) = 0,345
also 34,5 Moleküle Sauerstoff pro 100 Moleküle Schwachgas.
Kann die Zusammensetzung aus diesem Link für das Schwachgas zutreffen, das in deiner Aufgabenstellung gemeint ist? Im Link ist eine Verbrennungsenthalpie (das ist offenbar dasselbe wie der Heizwert) von 6,1 bis 6,5 MJ/m^3_n angegeben (offenbar heißt /m^3_n so etwas wie "pro Kubikmeter bei Normbedingungen 0°C und 1 atm"). Kann das trotzdem das Schwachgas sein, das in deiner Aufgabenstellung gemeint ist? Woher stammen deine 5 MJ/m^3? (Kann es sein, dass du im Technikerforum mal einen Wert von 6 MJ/m^3 für dasselbe Schwachgas erwähnt hattest?)
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Wird das Schwachgas ganz normal mit Luft gemischt werden, oder soll da, wie für Schwachgas manchmal der Fall, ein System mit Membranen verwendet werden, das dafür sorgt, dass die Konzentration von O_2 in der zugemischten Luft steigt und die von N_2 sinkt? Vergleiche z.B.
http://www.freepatentsonline.com/EP1191215.html |
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Tabs
Anmeldungsdatum: 02.01.2008
Beiträge: 43
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| Tabs Verfasst am: 11. Jan 2008 14:18 Titel: |
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Hallo!
| Zitat: | | Dafür wird man wohl z.B. die Zusammensetzung des Schwachgases kennen müssen. Und wissen, ob beim Luftzumischen Membranen zur Sauerstoffanreicherung verwendet werden sollen. |
Es soll Holzgas in Anwendung gebracht werden, wobei die Zusammensetzung und der Heizwert stark schwanken können.
Nach Aussage verschiedener Fachliteratur setzt sich Holzgas aus brennbaren Bestandteilen (ca. 20%H2, ca.20%CO, ca.2%CH4) und nicht brennbaren Bestandteilen (ca.13%CO2, ca.45%N2) zusammen. http://www.holzgas.com/kraftwaerme.htm
Brauchen auch die nicht brennbaren Bestandteile Luftzufuhr, oder kann man die vernachlässigen?
| Zitat: | | Woher stammen deine 5 MJ/m^3? (Kann es sein, dass du im Technikerforum mal einen Wert von 6 MJ/m^3 für dasselbe Schwachgas erwähnt hattest?) |
Ja, aber zwischenzeitlich habe ich den Wert nach unten korrigiert, denn ich habe auch schon Angaben von nur 2,5 MJ/m3 gefunden.
| Zitat: | | Wird das Schwachgas ganz normal mit Luft gemischt werden, oder soll da, wie für Schwachgas manchmal der Fall, ein System mit Membranen verwendet werden, ... |
Es soll ein einfacher Gasmischer Verwendung finden.
Tabs |
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 11. Jan 2008 14:55 Titel: |
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| Tabs hat Folgendes geschrieben: |
Nach Aussage verschiedener Fachliteratur setzt sich Holzgas aus brennbaren Bestandteilen (ca. 20%H2, ca.20%CO, ca.2%CH4) und nicht brennbaren Bestandteilen (ca.13%CO2, ca.45%N2) zusammen. http://www.holzgas.com/kraftwaerme.htm
Brauchen auch die nicht brennbaren Bestandteile Luftzufuhr, oder kann man die vernachlässigen?
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Dann hast du ja schon gute Anhaltspunkte für die Zusammensetzung
(Aus der Schwankungsbreite der Zusammensetzung und des Brennwertes deines Schwachgases solltest du dann übrigens am Ende deiner Rechnung noch den Fehlerbalken deines Ergebnisses bestimmen, denn du möchtest ja sicher als Ergebnis nicht nur irgendeinen Zahlenwert, sondern dazu auch noch die Information, wie stark dieser Zahlenwert je nach verwendetem Holzgas schwanken kann.)
Magst du dann mal analog zu meiner Rechnung oben für die Zusammensetzung von Holzgas ausrechnen, wieviele Moleküle Sauerstoff pro 100 Moleküle Holzgas dieser Zusammensetzung man für die Verbrennung braucht? (Natürlich verbrennen die nicht brennbaren Bestandteile nicht und müssen nur für die Anzahl der Holgasmoleküle mitgezählt werden) |
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Tabs
Anmeldungsdatum: 02.01.2008
Beiträge: 43
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| Tabs Verfasst am: 11. Jan 2008 23:29 Titel: |
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Hallo!
| Zitat: | | Magst du dann mal analog zu meiner Rechnung oben für die Zusammensetzung von Holzgas ausrechnen, wieviele Moleküle Sauerstoff pro 100 Moleküle Holzgas dieser Zusammensetzung man für die Verbrennung braucht? (Natürlich verbrennen die nicht brennbaren Bestandteile nicht und müssen nur für die Anzahl der Holgasmoleküle mitgezählt werden) |
Das wären dann:
Das CO zu CO_2 .........0,2 * 0,5 = 0,1
Das H_2 zu H_2O.........0,2 * 1 = 0,2
Das CH_4 zu CO_2.......0,02 * 1 = 0,02
Das CH_4 zu H_2O.......0,02 * 2 = 0,04
Zusammen wären dass dann 36 Moleküle Sauerstoff zusätzlich zu 100 Molekülen Schwachgas. Da aber ja kein reiner Sauerstoff beigemischt wird, sondern Luft und der Sauerstoffanteil in der Luft ja 20,942 % beträgt, wären das dann auch noch ca. 136 Moleküle Luft.
Das zusammen macht 272 Moleküle brennbares Gas.
Wäre es richtig, wenn ich den Heizwert der 100 Molekühle Schwachgas jetzt in Bezug zu den 272 Molekühlen Brenngas stelle? Also 5 : 272 *100 = 1,84 MJ/m3 für das fertige Gasgemisch???
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 12. Jan 2008 00:06 Titel: |
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Einverstanden |
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Tabs
Anmeldungsdatum: 02.01.2008
Beiträge: 43
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| Tabs Verfasst am: 12. Jan 2008 23:28 Titel: |
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Hallo!
Kann ich denn jetzt einfach beide Heizwerte in Bezug setzen???
Wenn ein Ottomotor im Schwachgasbetrieb (1,84 MJ/m3) z.B. 39,72 kw Wellenleistung erbringt, würde er im Benzinbetrieb (3,828 MJ/m3) 208.04% also 82,63 kw Leistung erbringen???
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 13. Jan 2008 04:33 Titel: |
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Ja, das würde ich auch so machen Denn wir können ja glaube ich für diese Aufgabe mal annehmen, dass der Motor (seine Welle, Keilriemen, ...) so ausgelegt sind, dass sie auch die höhere Belastung abkönnen.
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Wenn du übrigens wie oben genauere Informationen über die Zusammensetzung deines Schwachgases hast, dann könntest du den Heizwert, statt ihn grob durch Nachschlagen und grob mitteln abzuschätzen, auch aus den bei den einzelnen chemischen Reaktionen freigesetzten Energien berechnen. Also zum Beispiel die ??? in
nachschlagen und verwenden, u.s.w. . |
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Anmeldungsdatum: 02.01.2008
Beiträge: 43
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| Tabs Verfasst am: 15. Jan 2008 00:42 Titel: |
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Hallo!
| dermarkus hat Folgendes geschrieben: | | Ja, das würde ich auch so machen Denn wir können ja glaube ich für diese Aufgabe mal annehmen, dass der Motor (seine Welle, Keilriemen, ...) so ausgelegt sind, dass sie auch die höhere Belastung abkönnen. |
Die Ausgangsfrage war ja, welche Leistung ein Motor im Schwachgasbetrieb haben muss, wenn sich die Leistungsangabe des Motors auf Benzinbetrieb bezieht oder andersherum wie stark ist ein Benzinmotor zu wählen, wenn der nur Schwachgas saugen kann.
| Zitat: | Wenn du übrigens wie oben genauere Informationen über die Zusammensetzung deines Schwachgases hast, dann könntest du den Heizwert, statt ihn grob durch Nachschlagen und grob mitteln abzuschätzen, auch aus den bei den einzelnen chemischen Reaktionen freigesetzten Energien berechnen. Also zum Beispiel die ??? in
nachschlagen und verwenden, u.s.w. . |
Ok. Ich versuche das mal anhand des obigen Beispiels aber anhand von Volumenangaben.
Gegeben wären dann im fertigen Gasgemisch:
36 Moleküle O + 100 Moleküle Schwachgas (ca. 20%H_2; ca.20%CO; ca.2%CH_4; ca.13%CO_2; ca.45%N2 ) + 136 Moleküle Restluft.
Dann wäre das fertige Gasluftgemisch: CO = 7,35%; H_2 = 7,35%; CH_4 = 0,74%; CO_2 = 4,78%; N2 = 16,54; O = 13,24%; Restluft = 50%
Dem entsprechend : CO = 11,5 MJ/m3 * 7,35% = 0,85MJ/m3 ---- H_2 = 9,9 MJ/m3 * 7,35% = 0,73 MJ/m3 ---- CH_4 = 32,7 MJ/m3 * 0,74% = 0,24 MJ/m3
Zusammen 1,82 MJ/m3. Das würde ja in etwa den 1,84 MJ/m3 aus obiger Rechnung, bei angenommenen 5 MJ/m3 bei Schwachgas entsprechen
Jetzt habe ich aber noch eine Frage: Muss für die Motorberechnung nicht auch noch die Flammgeschwindigkeit usw. berechnet werden???
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 15. Jan 2008 22:31 Titel: |
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| Tabs hat Folgendes geschrieben: |
Die Ausgangsfrage war ja, welche Leistung ein Motor im Schwachgasbetrieb haben muss, wenn sich die Leistungsangabe des Motors auf Benzinbetrieb bezieht oder andersherum wie stark ist ein Benzinmotor zu wählen, wenn der nur Schwachgas saugen kann.
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Einverstanden, dann ist die Belastbarkeit des Motors hier also kein Problem.
| Zitat: |
Zusammen 1,82 MJ/m3. Das würde ja in etwa den 1,84 MJ/m3 aus obiger Rechnung, bei angenommenen 5 MJ/m3 bei Schwachgas entsprechen
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Das passt ja prima Das spricht dafür, dass die Daten, die du beim Nachschlagen für den Heizwert, die Zusammensetzung und die Heizwerte der einzelnen Molekülsorten gefunden hast, prima zusammenpassen
| Zitat: |
Jetzt habe ich aber noch eine Frage: Muss für die Motorberechnung nicht auch noch die Flammgeschwindigkeit usw. berechnet werden???
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Da war ja unsere bisherige Vermutung gewesen, dass wir mal annehmen, dass der Wirkungsgrad für beide Betriebsarten ähnlich oder gleich sei.
Wenn du vermutest, dass der Wirkungsgrad des Motors sich mit dem verbrannten Brennstoff deutlich ändern könnte, und wenn du glaubst, dass dir der Aufgabensteller zu recht zutraut, diese Wirkungsgradsberechnungen hinzubekommen und eventuell dafür benötigte Daten durch Nachschlagen zu finden, dann sollst du das wohl in dieser Aufgabe berücksichtigen. (Welche Faktoren, die für die beiden Betriebarten unterschiedlich sein könnten, würden in so eine Berechnung dann eingehen?)
Ansonsten würde ich vermuten, dass beide Wirkungsgrade ähnlich oder gleich seien, oder dass man diese Wirkungsgrade vielleicht einfach durch Nachschlagen bereits ermittelter experimenteller Daten besorgen soll. |
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Anmeldungsdatum: 02.01.2008
Beiträge: 43
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| Tabs Verfasst am: 18. Jan 2008 00:32 Titel: |
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Hallo!
| Zitat: | | Ansonsten würde ich vermuten, dass beide Wirkungsgrade ähnlich oder gleich seien, oder dass man diese Wirkungsgrade vielleicht einfach durch Nachschlagen bereits ermittelter experimenteller Daten besorgen soll. |
Beim Nachschlagen fand ich Vergleichsangaben von Benzinmotoren im Schwachgasbetrieb von bis zu 65%.
Im Vergleich mit unserem Ergebnis also gar nicht so schlecht, da ja die Zusammensetzung und damit der Heizwert stark schwanken.
Vielen Dank für deine Hilfe.
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Anmeldungsdatum: 02.01.2008
Beiträge: 43
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| Tabs Verfasst am: 31. März 2008 23:18 Titel: |
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Hallo "dermarkus"!
| Zitat: | | Ansonsten würde ich vermuten, dass beide Wirkungsgrade ähnlich oder gleich seien, oder dass man diese Wirkungsgrade vielleicht einfach durch Nachschlagen bereits ermittelter experimenteller Daten besorgen soll |
Ich beschäftige mich immer noch mit dem Thema der Motorauslegung bzw. dessen optimalen Werten und Einstellungen.
Mittlerweile sind der Generator und der Motor auf einem Grundgestell montiert und miteinander durch Riemenantrieb verbunden. Das Untersetzungsverhältnis kann ich durch Wechsel der Riemenscheiben ändern. Der Motor, ein 2Liter Fordreihenmotor, leistet laut Hersteller 85Kw bei 5500U/min und 157Nm bei 4000U/min im Benzinbetrieb. Das wären dann noch ca. 40Kw bei 2500U/min und ca. 50Kw bei 3000U/min
http://www.kfztech.de/kfztechnik/motor/steuerung/leistungsformel.htm
Nun habe ich in der Literatur aber so unterschiedliche Werte – von 50% bis 100% war alles vertreten – für die Verwendung von Schwach(Holz)gas im Motorbetrieb gefunden, das ich dann doch noch mal hier, an Sachkundiger Stelle, um Rat frage.
Die größte Leistungsdifferenz soll durch schlecht geplante Gasstrecken (Rohrströmungsverluste und damit verbundenen Füllgradverschlechterungen) aufkommen und nicht durch den geringeren Heizwert des Gases.
Nun meine Frage: Wie berechne ich denn Rohrströmungsverluste? 
Dann ich mir noch folgendes Aufgefallen:
Zitat „dermarkus“
| Zitat: | Wenn ich nun zähle, wieviele O_2-Moleküle pro Volumenanteil man braucht, um das CO zu CO_2, das H_2 zu H_2O und das CH_4 zu CO_2 und H_2O zu verbrennen, dann komme ich auf
0,27 * (1/2) + 0,15 * (1) + 0,02 * (1) + 0,02 * (2) = 0,345
also 34,5 Moleküle Sauerstoff pro 100 Moleküle Schwachgas. |
Ich fand folgenden Link: http://de.wikipedia.org/wiki/Methan#Eigenschaften
Zitat:
Aus der Reaktion eines Methanmoleküls mit zwei Sauerstoffmolekülen entstehen zwei Wasser- und ein Kohlenstoffdioxidmolekül.
Das würde im Gegensatz zu deiner obigen Angabe stehen.
Schon mal Danke im Voraus
Gruß
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 07. Apr 2008 16:42 Titel: |
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| Tabs hat Folgendes geschrieben: |
Die größte Leistungsdifferenz soll durch schlecht geplante Gasstrecken (Rohrströmungsverluste und damit verbundenen Füllgradverschlechterungen) aufkommen und nicht durch den geringeren Heizwert des Gases.
Nun meine Frage: Wie berechne ich denn Rohrströmungsverluste?
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Ich vermute, das wird sich hauptsächlich auf den Druckverlust in einer Rohrleitung beziehen. Dieser Druckabfall ist groß, wenn das Rohr, in dem das Gas zum Kolben strömt, lang, eng und stellenweise stark gekrümmt ist. Um so etwas auszurechnen, könnte man anfangen, sich mit dem Hagen-Poiseuilleschen Gesetz, mit der Rohrreibungszahl lambda () und der Widerstandszahl zeta ( ) auseinanderzusetzen, um den Strömungswiderstand und den Druckabfall in so einem Rohr zu bestimmen. Links, in denen du anfangen könntest, dir einen ersten Eindruck davon zu verschaffen, könnten zum Beispiel
http://www.systemdesign.ch/index.php?title=Gerades_Rohrst%C3%BCck#Widerstand
http://www.physikerboard.de/htopic,10852,druckabfall.html
sein.
| Zitat: |
Dann ich mir noch folgendes Aufgefallen:
Zitat „dermarkus“
| Zitat: | Wenn ich nun zähle, wieviele O_2-Moleküle pro Volumenanteil man braucht, um das CO zu CO_2, das H_2 zu H_2O und das CH_4 zu CO_2 und H_2O zu verbrennen, dann komme ich auf
0,27 * (1/2) + 0,15 * (1) + 0,02 * (1) + 0,02 * (2) = 0,345
also 34,5 Moleküle Sauerstoff pro 100 Moleküle Schwachgas. |
Ich fand folgenden Link: http://de.wikipedia.org/wiki/Methan#Eigenschaften
Zitat:
Aus der Reaktion eines Methanmoleküls mit zwei Sauerstoffmolekülen entstehen zwei Wasser- und ein Kohlenstoffdioxidmolekül.
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Danke Beim Aufstellen der Rechnung habe ich mich in der Tat an zwei Stellen geirrt, da man ja nur ein halbes Sauerstoffmolekül braucht, um ein H_2-Molekül bzw. zwei H-Atome zu Wasser zu verbrennen. Meine Rechnung muss also richtig so lauten:
0,27 * (1/2) + 0,15 * (1/2) + 0,02 * (1) + 0,02 * (1) = 0,25
also 25 Moleküle Sauerstoff pro 100 Moleküle Schwachgas. |
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Tabs
Anmeldungsdatum: 02.01.2008
Beiträge: 43
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| Tabs Verfasst am: 09. Apr 2008 00:10 Titel: |
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Hallo dermarkus!
Erst mal Danke für die Antwort und die Link´s.
Ich habe ein paar grundsätzliche Fragen:
Wird „Unterdruck“ genau so behandelt (berechnet) wie „Druck“?
Ist „Unterdruck“ gleichzusetzen mit „Vakuum“?
Deine Link´s verweisen auf Seiten, die Druck bei Flüssigkeiten behandeln. Sind Flüssigkeiten und Gase in der Unterdruckberechnung identisch?
Nun zu meinem Problem:
Als Ausgangswerte sind mir bekannt:
Kolbenhub = 77mm
Zylinderbohrung = 90,8mm
Zylinderzahl = 4
Drehzahl = 2500U/min
Daraus ergibt sich :
0,908^2 * 3,14159 / 4 * 0,77 * 2 * 2500 = 2492,998L/min = 149,5799m3/h
Gerundet sind das 150m3 Gas/Luftgemisch, das durch die 4 Ansaugrohre mit einem Innendurchmesser von je 39mm dem Motor zugeführt werden müssen.
Konstruktionsbedingt will ich die 4 Ansaugrohre in einem Sammelrohr mit Innendurchmesser 130mm bündeln.
Das eine Ende des ca. 1m langen Sammelrohres ist geschlossen, am anderen Ende soll der Gas/Luftmischer, der durch die richtige Dimensionierung ein stöchiometrisches Verhältnis zwischen Luft und Gas herstellen soll, platziert werden.
Jetzt brauche ich doch die Druck-(Unterdruck)Verhältnisse in den Rohren, um den Mischer zu dimensionieren, oder???
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 09. Apr 2008 16:02 Titel: |
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Ich würde sagen, man spricht von Unterdruck, wenn der Druck an einer Stelle kleiner als der Atmosphärendruck ist.
Ob, wenn der Begriff Unterdruck als physikalische Größe verwendet wird, damit dann der Druck an der Stelle mit kleinem Druck gemeint ist, oder die Differenz dieses kleinen Druckes zum Atmosphärendruck, dürfte man am besten konkret jeweils aus dem Zusammenhang anhand konkreter Zahlenbeispiele verstehen können.
Für Flüssigkeitsströmungen und Gasströmungen würde ich mit denselben Formeln rechnen, der Unterschied liegt hier in den Werten der Variablen in diesen Formeln wie Dichte, Viskosität, ...
Wie aufwändig man so etwas rechnen muss, um das zu dimensionieren, weiß ich nicht so genau. Eventuell könnte es da reichen, sich an Erfahrungswerte zu halten und zu wissen, dass der Druckabfall an Rohrsystemen kleiner ist, wenn sie kürzer und dicker sind und wenn sie weniger gekrümmte Stellen enthalten. |
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Tabs
Anmeldungsdatum: 02.01.2008
Beiträge: 43
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| Tabs Verfasst am: 09. Apr 2008 23:44 Titel: |
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Hallo dermarkus!
| Zitat: | | ..... und zu wissen, dass der Druckabfall an Rohrsystemen kleiner ist, wenn sie kürzer und dicker sind und wenn sie weniger gekrümmte Stellen enthalten. |
Ja, dass war mir schon bekannt.
Auch die genaue Berechnung ist hiermit recht einfach….
http://www.druckverlust.mobi
Nur brauche ich ja irgendeine anfängliche Druckangabe um z.B. die Prozent Druckabfall des gesamten Systems zu bestimmen
Gibt es eine Formel, mit deren Hilfe sich „Unterdruck“ berechnen lässt?
Mal angenommen ich hätte einen Zylinder mit 0,00648m2 Fläche, in dem sich ein Kolben von Punkt X zu Punkt Y – 0,077m bewegt.
Andersherum; wenn sich der Kolben von Punkt Y 77mm zu Punkt X bewegt, entsteht ja ein Druck in Höhe von P = F/A
Hier (im Motorbetrieb) entsteht ja durch den Druck P * Fläche A die Kraft F
Wenn ich nun die Kraft F berechnen könnte, dann müsste ich doch auch die Kraft berechnen können, mit der der Kolben beim Ansaugtakt das Gemisch ansaugt, oder?
Aber wenn Kraft und Fläche bekannt sind, wie komme ich dann an Unterdruck???
Oder lässt sich Unterdruck durch den Volumenstrom berechnen?
Etwas ratlos…..????????
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dermarkus
Administrator
Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788
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| dermarkus Verfasst am: 10. Apr 2008 13:26 Titel: |
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Einverstanden, an solche Formeln, wie sie der Online-Rechner verwendet, den du verlinkst, hatte ich gedacht, als ich oben von der Berechnung von Druckabfällen in Rohren etc. geschrieben habe.
Damit dürfte man für einen solchen Motor allerdings nur eher grobe Abschätzungsrechnungen vornehmen können, denn diese Formeln sind ja für den Fall gedacht, dass ein Medium mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit durch Rohre fließt, und dass der Druckunterschied zwischen den Rohrenden zeitlich konstant ist.
Im Motor bewegt sich allerdings der Zylinder, dadurch halte ich es durchaus für möglich, dass der Druck im Zylinder während des Ansaugens sich zeitlich verändern könnte. (Denn während sich der Raum im Zylinder vergrößert, sinkt der Druck darin zunächst, weil der Raum wohl eher etwas schneller größer wird wird als Luft-Kraftstoff-Gemisch nachfließen kann, um ihn mit Umgebungsdruck zu befüllen.)
Wie bzw. ob man so etwas typischerweise von Hand rechnet, oder mit welchen Näherungen man da sinnvolle Abschätzungsaussagen treffen kann, oder ob man da auf numerische Simulationen angewiesen ist, weiß ich bisher noch nicht, da könnte es nötig sein, mal in Literatur zur Motorberechnung/Motorsimulation nachzuforschen.
Oder findest du vielleicht irgendwo typische Werte für den (evtl. mittleren) Druck im Zylinder während eines Ansaugvorganges für eine "typisch" dimensionierte Ansaugrohrgeometrie, so dass du damit schon mal ganz grob damit vergleichend ein bisschen was rechnen könntest? |
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