Nachschlagewerk 3 zur Berechnung von Sonnenwärme und Technik, Atomkraftwerkumbau

Um die gestellten Fragen zu beantworten, müssen wir verschiedene physikalische und technische Aspekte betrachten. Hier sind die detaillierten Berechnungen und Überlegungen:

1. Berechnung der erzeugten Wärme und der Anzahl der erhitzen Kugeln

Gegeben:

• 100 Parabolspiegelheizungen

• Jede Heizung hat eine Brennpunkttemperatur von 3.300 °C

• Stahlkugeln mit einem Durchmesser von 5 cm und einer Masse von ca. 500 g

• Die Kugeln werden auf 900 °C erhitzt

• Zeit: 9 Stunden

Schritte:

1. Berechnung der Wärmeenergie pro Kugel:

   • Spezifische Wärmekapazität von Stahl: $c=0.466\text{J/g}\cdot \text{K}$

   • Temperaturdifferenz: $\Delta T=900\text{°C}-20\text{°C}=880\text{K}$ (angenommene Raumtemperatur von 20 °C)

   • Masse einer Kugel: $m=500\text{g}$

   Die benötigte Wärmeenergie $Q$ pro Kugel ist:

   $$Q=m\cdot c\cdot \Delta T=500\text{g}\cdot 0.466\text{J/g}\cdot \text{K}\cdot 880\text{K}=204,880\text{J}\approx 204.88\text{kJ}$$

2. Gesamte Wärmeenergie pro Stunde:

   • Anzahl der Heizungen: 100

   • Zeit: 9 Stunden

   Die gesamte Wärmeenergie $Q^{\text{gesamt}}$ ist:

   $$Q^{\text{gesamt}}=100\cdot 204.88\text{kJ}\cdot 9=184,392\text{kJ}$$

3. Anzahl der Kugeln pro Stunde:

   • Pro Stunde kann jede Heizung eine Kugel erhitzen.

   Die Anzahl der Kugeln $N$ pro Stunde ist:

   $$N=100\text{Kugeln/Stunde}$$

   Über 9 Stunden:

   $$N^{\text{gesamt}}=100\cdot 9=900\text{Kugeln}$$

2. Berechnung der Erwärmungszeit für Basaltstein

Gegeben:

• Feststoffspeicher: 20.000 t pro Speicher, insgesamt 10 Speicher (200.000 t)

• 1 Tonne Basaltstein

• Schicht Metall als Wärmeleiter

• Zeit: 1 Stunde und 9 Stunden

Schritte:

1. Spezifische Wärmekapazität von Basalt:

   • $c^{\text{Basalt}}=0.84\text{J/g}\cdot \text{K}$

2. Temperaturdifferenz:

   • Angenommene Erwärmung von 20 °C auf 900 °C: $\Delta T=880\text{K}$

3. Wärmeenergie für 1 Tonne Basalt:

   $$Q=m\cdot c\cdot \Delta T=1,000,000\text{g}\cdot 0.84\text{J/g}\cdot \text{K}\cdot 880\text{K}=739,200,000\text{J}=739.2\text{MJ}$$

4. Zeit zur Erwärmung:

   • Die verfügbare Wärmeenergie pro Stunde ist $184,392\text{kJ}$ (aus Teil 1).

   • Um 739.2 MJ zu erreichen, benötigt man:

   t=739,200 kJ184,392 kJ/h≈4 Stundent=184,392kJ/h739,200kJ​≈4Stunden

   Für 9 Stunden:

   t=739,200 kJ184,392 kJ/h⋅9≈0.44 Stunden≈26.7 Minutent=184,392kJ/h⋅9739,200kJ​≈0.44Stunden≈26.7Minuten

3. Betrieb einer Dampfturbine

Gegeben:

• Kugeln werden in linearer Abfolge zu einer Dampfturbine umgeleitet

Überlegungen:

1. Wärmeübertragung und Dampferzeugung:

   • Die erhitzen Kugeln können verwendet werden, um Wasser zu erhitzen und Dampf zu erzeugen.

   • Die Effizienz der Wärmeübertragung und Dampferzeugung hängt von der Konstruktion des Systems ab.

2. Leistung der Turbine:

   • Die Leistung einer Dampfturbine hängt von der Menge und Temperatur des Dampfes ab.

   • Bei einer großen Kraftwerkturbine ist eine kontinuierliche und ausreichende Dampfversorgung notwendig.

Fazit:

• Mit 900 erhitzen Kugeln über 9 Stunden könnte theoretisch genug Wärmeenergie bereitgestellt werden, um eine Dampfturbine zu betreiben.

• Die tatsächliche Machbarkeit hängt jedoch von der Effizienz der Wärmeübertragung, der Dampferzeugung und der Turbinenleistung ab.

Zusammenfassend können 900 Kugeln in 9 Stunden erhitzt werden, und es dauert etwa 4 Stunden, um 1 Tonne Basaltstein zu erwärmen. Die Nutzung der erhitzen Kugeln zur Betreibung einer Dampfturbine ist theoretisch möglich, erfordert jedoch eine detaillierte technische Planung.

Vielen Dank für die zusätzlichen Informationen, Eric. Es ist spannend zu hören, dass Sie ein vereinfachtes und optimiertes Verfahren zur Dampferzeugung entwickelt haben. Lassen Sie uns die Anforderungen für die Dampferzeugung und den Betrieb einer großen Atomkraftwerk-Turbine analysieren.

1. Wärmebedarf für die Dampferzeugung

Gegeben:

• Volumen des Dampfes: 1.600 Liter (ca. 1.600 kg, da die Dichte von Wasser bei 100 °C ≈ 1 kg/Liter beträgt)

• Temperatur der Kugeln: 750–800 °C (angenommen 800 °C für die Berechnung)

• Dampftemperatur: Hochdruckdampf (angenommen 500 °C bei 100 bar)

• Spezifische Wärmekapazität von Wasser: $c^{\text{Wasser}}=4.18\text{kJ/kg}\cdot \text{K}$

• Verdampfungswärme von Wasser: $h^{\text{Verdampfung}}=2,257\text{kJ/kg}$

• Spezifische Wärmekapazität von Dampf: $c^{\text{Dampf}}=2.0\text{kJ/kg}\cdot \text{K}$

Schritte:

1. Erwärmung des Wassers von 20 °C auf 100 °C:

   $$Q^1=m\cdot c^{\text{Wasser}}\cdot \Delta T=1,600\text{kg}\cdot 4.18\text{kJ/kg}\cdot \text{K}\cdot (100-20)\text{K}=535,040\text{kJ}$$

2. Verdampfung des Wassers bei 100 °C:

   $$Q^2=m\cdot h^{\text{Verdampfung}}=1,600\text{kg}\cdot 2,257\text{kJ/kg}=3,611,200\text{kJ}$$

3. Erwärmung des Dampfes von 100 °C auf 500 °C:

   $$Q^3=m\cdot c^{\text{Dampf}}\cdot \Delta T=1,600\text{kg}\cdot 2.0\text{kJ/kg}\cdot \text{K}\cdot (500-100)\text{K}=1,280,000\text{kJ}$$

4. Gesamte Wärmeenergie für 1.600 kg Dampf:

   $$Q^{\text{gesamt}}=Q^1+Q^2+Q^3=535,040+3,611,200+1,280,000=5,426,240\text{kJ}$$

2. Wärmeenergie der Kugeln

Gegeben:

• Temperatur der Kugeln: 800 °C

• Masse einer Kugel: 500 g = 0.5 kg

• Spezifische Wärmekapazität von Stahl: $c^{\text{Stahl}}=0.466\text{kJ/kg}\cdot \text{K}$

• Anzahl der Kugeln: 900 (aus Teil 1)

Schritte:

1. Wärmeenergie pro Kugel:

   $$Q^{\text{Kugel}}=m\cdot c^{\text{Stahl}}\cdot \Delta T=0.5\text{kg}\cdot 0.466\text{kJ/kg}\cdot \text{K}\cdot (800-20)\text{K}=181.74\text{kJ}$$

2. Gesamte Wärmeenergie der 900 Kugeln:

   $$Q^{\text{gesamt, Kugeln}}=900\cdot 181.74\text{kJ}=163,566\text{kJ}$$

3. Vergleich der Wärmeenergien

• Benötigte Wärme für 1.600 kg Dampf: 5,426,240 kJ

• Verfügbare Wärme der 900 Kugeln: 163,566 kJ

Die verfügbare Wärmeenergie der Kugeln reicht nicht aus, um 1.600 kg Dampf zu erzeugen. Es wäre eine deutlich größere Anzahl an Kugeln oder eine höhere Temperatur erforderlich.

4. Leistung einer großen Atomkraftwerk-Turbine

Gegeben:

• Typische Leistung einer großen Atomkraftwerk-Turbine: 1.000–1.500 MW elektrisch

• Thermischer Wirkungsgrad: ca. 33 % (d. h., etwa 3-mal so viel Wärmeenergie wird benötigt wie elektrische Energie)

Schritte:

1. Wärmebedarf für 1.000 MW elektrisch:

   QWa¨rme=1,000 MW0.33≈3,030 MW thermischQWa¨rme​=0.331,000MW​≈3,030MW thermisch

2. Wärmebedarf pro Stunde:

   $$Q^{\text{Wa¨rme, h}}=3,030\text{MW}\cdot 3,600\text{s}=10,908,000\text{MJ/h}$$

5. Fazit

• Die 900 Kugeln liefern 163,566 kJ Wärmeenergie, was deutlich weniger ist als die 5,426,240 kJ, die für 1.600 kg Dampf benötigt werden.

• Um eine große Turbine mit 1.000 MW elektrischer Leistung zu betreiben, wären pro Stunde etwa 10,908,000 MJ Wärmeenergie erforderlich.

• Ihr System müsste deutlich skalieren, um eine ausreichende Wärmeenergie bereitzustellen. Dies könnte durch eine höhere Anzahl von Kugeln, eine höhere Temperatur oder eine effizientere Wärmeübertragung erreicht werden.

6. Optimierungsvorschläge

1. Erhöhung der Kugelanzahl:

   • Berechnen Sie, wie viele Kugeln benötigt werden, um die erforderliche Wärmeenergie zu liefern.

2. Erhöhung der Kugeltemperatur:

   • Eine höhere Temperatur der Kugeln erhöht die pro Kugel verfügbare Wärmeenergie.

3. Effiziente Wärmeübertragung:

   • Optimieren Sie das System zur Wärmeübertragung von den Kugeln auf das Wasser, um Verluste zu minimieren.

4. Skalierung des Systems:

   • Planen Sie eine größere Anzahl von Parabolspiegelheizungen und Kugeln, um die benötigte Wärmeenergie zu erreichen.

Mit diesen Anpassungen könnte Ihr System potenziell die Anforderungen für die Dampferzeugung und den Betrieb einer großen Turbine erfüllen.