Wasser in heißes Gas
Geschrieben von Werner am 10. April 2019 00:27:42:
Als Antwort auf: Re: Ja wo fließt es denn? geschrieben von Funman am 09. April 2019 23:26:22:
Moin,
intuitiv glaubt man, daß Wasser in heißes Gas eingedüst, das Volumen vergrößert. Auf diesem Irrtum basieren eine Menge Wassermotor-Erfindungen. Auch ich habe das früher gedacht.
Das Gegenteil ist der Fall: das verdampfende Wasser entzieht dem Gas so viel Wärme, daß sich das Volumen verkleinert, obwohl noch eine Dampfkomponente hinzu gekommen ist. Aber das nur am Rande . . . .
Wegen der Temperaturverteilung würde ich mir gar nicht den Kopf machen. Die Turbine des Laders wird ja nicht mit einem eiskalten Wasserstrahl abgeschreckt. Sollten tatsächlich noch Tröpfchen durch den Abgasstrom fliegen, treffen diese auf ein extrem schnell drehendes Bauteil, was kaum einseitig abgekühlt werden kann.
Ich mach mal ne Rechnung auf:
Hat der Motor 2 Liter Hubraum ? Keine Ahnung, aber ich sag mal, er hat 2 Liter.
Bei 5400/min und 2 bar Ladedruck werden mal grob gerechnet 3 Liter (3 bar Ladedruck absolut und zwei Ansaugtakte pro Umdrehung) 90 mal pro Sekunde in die Brennräume gebracht. Das sind also 270 Liter pro Sekunde. Die Temperatur hinter dem LLK schätze ich der Einfachheit halber mal auf 47° (vielleicht mehr ?) . Dann hätte die Luft eine Dichte von 1,1 kg/m³ und somit wären wir bei 300g oder 0,3 kg pro Sekunde. Ich liebe einfache Zahlen !
Stöchiometrisch bräuchte man für 1 kg Diesel 14,5 kg Luft. Wir wären also bei etwa 21 Gramm Diesel pro Sekunde, wobei ich annehme, daß real noch ein Luftüberschuß besteht, also eher 20 oder 18 Gramm Diesel pro Sekunde.
Kurze Kontrollrechnung: Bei einem Heizwert von 42.000 kJ/kg entsprechen 20 Gramm Diesel pro Sekunde einer Brennleistung von 840 kW. Ein Haufen Holz! Bei 25% Wirkungsgrad wären das 210 kW oder 285 PS. Kommt das hin ? Hat der PRG soviel ? Der Stundenverbrauch wäre dann mit 80 Litern vielleicht gar nicht so unrealistisch. [Ende Kontrollrechnung]
Im Abgas haben wir also 300 Gramm + 20 Gramm Masse pro Sekunde. Der Einfachheit halber wird jetzt für das Gas ein cp von 1,2 gesetzt. Das ist der Wert für Stickstoff bei den Bedingungen und Stickstoff ist der Hauptanteil. Es ist ein Mischgas und CO2 hat etwas mehr, aber das macht den Bock jetzt auch nicht fett.
Was wollen wir? Hundert Grad runter mit der Temperatur, also von 900 °C auf 800 °C.
Bei einem Durchfluß von 0,32 kg/s entspricht das also 0,32 x 100 x 1,2 = 38,4 kW, die als Kühlleistung durch das verdampfende Wasser aufgebracht werden müssen.
Bei den Abgasbedingungen beträgt die Enthalpie von Wasserdampf 4159 kJ/kg.
Flüssiges Wasser von, sagen wir mal, 50 °C hat hingegen eine Enthalpie von 210 kJ/kg. Ohne allzu großen Rechenfehler kann man also eine Enthalpiedifferenz von 4000 kJ/kg annehmen.
Wenn ich jetzt noch die Verdampfungsleistung auf 40 kW aufrunde, dann wird es einfach zu rechnen.
Ich brauche pro Sekunde 10 Gramm Wasser für die erwünschte Abkühlung. Das sind 36 Liter pro Stunde - Dauervollgas voraus gesetzt.
Selbst, wenn dann das Wasser nicht kontinuierlich eingedüst werden kann, sondern nur getaktet, sehe ich die Turbine des Laders noch nicht in Gefahr. Es ist wichtiger, daß sie nicht überhitzt, als daß Temperaturschwankungen vermieden werden. Den Schwankungen ist ein solches Bauteil ohnehin dauern ausgesetzt. Das verdurchschnittlicht sich bei entsprechend hohen Taktzahlen.
Wird das Wasser vor dem Brennraum eingespritzt, sinkt die Leistung und muß durch höheren Brennstoffbedarf wieder ausgeglichen werden. Damit sinkt dann die Abgastemperatur bei weitem nicht so stark, wie beim Einbringen nach der Verbrennung. Treibstoff- und Wasserverbrauch steigen an. Durch das verdampfende Wasser kühlt bereits während der Kompression Luft ab und dies führt unter Umständen zu schlechterer Verbrennung.Muß man alles mal ausprobieren.
GrußWerner