flüssigen Stickstoff herstellen

[GSXArne]

Moin,

eins Vorweg, dies ist keine Hausaufgabem, aus dem Alter bin raus

Mich würde interssieren, wieviel Energie pro kg oder m³ von nöten ist um Stickstoff aus der Umgebungsluft (sagen wir 293Kelvin) "abzuscheiden" und weiter auf 73Kelvin runterzukühlen. Ziel ist es flüssigen Stickstoff mit 73K zu bekommen.

Kann dies eventuell jemand einmal vorrechnen, wieviel Energie ideal benötigt wird. Weiterhin wäre interessant welche maximalen Wirkungsgrade bei diesen Prozess ereichbar wären.

Achja, ich möchte damit keine Prozessoren kühlen....

Beste Grüße

 

[_Huma_]

http://de.wikipedia.org/wiki/Linde-Verfahren

im "Eigenbau" lässt sich kein flüssiger Stickstoff herstellen ...

 

[Gandalf2210]

hmm, müsste der Temperaturunterschied * Spezifische WÄrmekapazität *masse + Energie für den aggregatzustandwechsel * masse sein

 

[uNki]

vllt. hilfts:

http://www.extremecooling.de/forum/content/87-LN2-Erzeugung-Home-Fl%C3%BCssiger-Stickstoff-mit-5-Stufiger-Kaskade-herstellen-by-unrockstar-patrickclouds

 

[aivazi]

du musst einfach herausfinden wieviel joule man benötigt um 1 gramm stickstoff um ein kelvin zu erwärmen dann musst du dies einfach mit der differenz der raumtemperarur und gewünschten temperatur multiplizieren und du weißt wie viel ernergier du brauchst um ein gramm auf gewünschte temperatur zu bringen

PS: aber im endeffekt muss man die energie entziehen, was weitaus schwerer ist als das erwärmen, ergo wirst du viel mehr enegie aufbringen müssen um entsprechende menge an energie zu entziehen

 

[Quackmoor]

http://www.nova-kuirejo.de/fluessiger-stickstoff/
Spezifische Verdampfungsenergie vielleicht?

201 Joule/Gramm

 

[funkyfunk]

E(th) = c * m *T
Daher würde ich sagen:
E = c*m*deltaT = 1040 J/(kg · K) * 1kg * 220K = 228800 J

Angaben ohne Gewähr

Edit: Ist quasi das was aivazi sagt. Der Unterschied zum Wert von Quackmoor könnte dadurch entstehen, dass die Energie beim Phasenübergang nicht berücksichtigt wird. Ab als Richtwert dürfte es passen.

 

[Gandalf2210]

@ aivazi
das stimmt nicht ganz. Für 100° Wasserdampf brauchst du viel mehr Energei als für 100° Wasser, weil du den Aggregatzustand wechselst, und dafür noch extra Energie berechnen musst.
z.B bracuhst du für 1 kg Wasser um ein K zu erwäremn 4,19 kj, um es aber zu verdampfen (also von 100° Wasser auf 100° Dampf) 2257 kJ/kg

ach ja, theoretisch brauchst du gar keine Energie, sondern bekommst sogar welche raus^^

 

[Papst_Benedikt]

Also bei uns an der Uni war mal einer von der Firma Linde und hat Gefrierverfahren in der Lebensmittelbranche mit Flüssiggasen vorgestellt. Im Prinzip wird einfach Luft stetig weiter komprimiert und die dabei entstehende Wärme kontinulierlich entzogen. Genaue Kosten wollte er mir nicht sagen (Betriebsgeheimnis), aber er meinte, dass man etwa 3 Kilowatt pro Liter LN2 benötigt (Angabe ohne Gewähr, ist doch schon mehr als ein Jahr her. War aber im unteren Kilowattbereich pro Liter LN2).

Es sei noch dazu gesagt, dass LN2 nicht sehr ungefährlich ist da es sich beim Übergang in den gasförmigen Zustand im Volumen um das mehrere hunterfache ausdehnt!
Packt man zum Beispiel Trockeneis in eine Plasikflasche, warmes Wasser drauf und Deckle zu und weit(!) wegwerfen, haste eine klasse Bombe die jeden noch so großen Chinaböller wie Tischfeuerwerk aussehen lässt (selber schon mehrfach gemacht )
LN2 ist da aber noch deutlich heftiger. Die Kälte ansich ist garnicht mal das Problem.

 

[Killermandarine]

3 Kilowattstunden pro Liter LN2 oder 3 Kilowatt?

 

[Papst_Benedikt]

Du fragst Sachen, das ist schon so lange her... Ich glaube es waren 3kWh weil er meinte, dass sie im Prinzip nur die Stromkosten beim Komprimieren und Kühlen haben.

 

[Nechen]

Hey,

wie oben genannt muss die Verdampfungsenthalpie ebenfalls berücksichtig werden, allerdings auch von den Komponenten der Luft deren Siedepunkt über dem des Stickstoffs liegt.
Die Siedetemperatur von Sauerstoff liegt bei ca. -183°, somit wäre auch das zu berücksichtigen.

Der einfache Linde-Prozess nutzt den sog. Joule-Thomson-Effekt aus, bei dem durch eine Drosselung eine Abkühlung erreicht wird. Hierzu sind höhe Drücke nötig. Die Leistung die benötigt wird ist im wesentlichen die des Verdichters.
Für zuhause ist soetwas nicht möglich denke ich, es gibt allerdings Maschinen die den Stirling-Prozess nutzen um in Labormengen Luft zu verflüssigen.

Grüße,
nechen

 

[GSXArne]

ok ich geh dann mal von 3kWh pro Liter aus, das klingt mir jetzt etwas viel, aber mir fällt in diesem Bereich auch das nötige Bauchgefühl.

Vielen Dank für die Inofs,

 

[Lar337]

= c*m*deltaT = 1040 J/(kg · K) * 1kg * 220K = 228800 J

Angenommen diese Zahl stimmt, ist dies die abzuführende Wärmemenge. Wobei hier natürlich schon die Zustandswechsel nicht beachtet sind.

Geht man nun von einem maximal erreichbaren Wirkungsgrad von (Tl - Ts / Tl) aus für Kreisprozesse, so folgt für Qs/W eben das Inverse (Tl / Tl- Ts).

Ausgehend von der mitleren Stickstofftemperatur von 185K und einer Lufttemperatur von 300K folgt für den mittleren maximalen Wirkungsgrad 300 / (300 - 185) = 2,61 (ich hoffe diese lineare Vereinfachung geht in Ordnung, aber da will ich nu nicht weiter drüber nachdenken )

Also Qs/W = 228800J / W = 2,61
Also W =228800 J / 2,61 = 87662 J = 87662 Ws = 1461 Wh = 1,5 kWh

Wer nen Fehler findet, darf ihn ruhig mitteilen

EDIT: Ich glaub da passt doch was nicht.
Ausgehend davon, dass ideale Kreisprozesse reversibel sein dürften, ist Qs/W doch nicht grad 1/n für den Wirkungsgrad n eines Kreisprozesses, sondern Ql/W ist 1/n wobei l die heißere Umgebung ist.
Denn ist n der Wirkungsgrad, so folgt W / Ql = n -> W = Ql *n für den Kreisprozess in anderer Richtung. Wollen wir nun also kühlen, machen wir den Murks ja rückwärts.
Wir packen also W = Ql * n Arbeit rein, erhalten dabei aber Ql Wärme, also W / n. Der Wirkungsgrad ist also grad 1/n.
Aus der kalten Umgebung kommen also nurnoch Ql - W. Der Wirkungsgrad bezogen auf die Kühlleistung dürfte demnach 1/n - 1 sein.
Das wären dann 2,4 kWh... Und sicher bin ich mir grad auch nicht... Aber die Größenordnung von 3kWh in *realen* Umgebungen wird schon passen.

 

[Verata]

Ich bin mir ja nicht ganz sicher, aber ich glaube der hier berechnete Wert ist die Energie, die das LN2 beim verdampfen bindet. Beim herunterkühlen wird diese Energie ja frei (Ernergiesatz). Die für die Verflüssigung benötigte Energie ergäbe sich also aus dem Stromverbrauch des Kompressores, des das Gas verdichtet und aus dem Stromverbrauch der Kühlsysteme, die die entstehende Verdichtungswärme abführen. Wenn dem nicht so währe würden wir ja im Ergebniss Energie vernichten, da der Stickstoff mit Ernergieaufwand gekühlt wird, und duch das absorbiren weiterer Energie aus seiner Umgebung wieder in den Ursprungszustand überführt würde. Das würde aber den Energieerhaltungssatz verletzen und kann ergo nicht sein.
mfg Verata

 

[Lar337]

Die Verdichtungswärme führt sich von alleine ab, das ist ja der Sinn des Verdichtens. Man erhöht die Temperatur des Kühlmediums über die Temperatur der Umgebungsluft.

Guckt man nur auf den Energieerhaltungssatz ist das Problem schnell gelöst.
Die Energie wird aus dem Stickstoff in die umgebende Luft "gepumpt". Zusätzlicher Energiebedarf = 0.
Dem im Weg steht allerdings die Eigenschaft eines geschlossenen Systems, seine Entropie nicht zu verrinern. Das dies ein Hindernis ist, sieht man schon an der Definition der Entropie, die man so angeben könnte: dS = dE / T (wobei hier dE = dQ die übertragene Wärmemenge gemeint ist).
Nimmt man nun Luft und Stickstoff als geschlossenes System, was es in diesem Zusammenhang wohl sein dürfte, fällt auf, dass eine Kühlung des Stickstoffs nicht möglich ist, ohne Energie an die Umgebung abzugeben, die über die hinausgeht, die dem Stickstoff entzogen wurde.
Der Stickstoff ist ja kälter als die Luft... dS = dE/T im Betrag also größer (die Entropie nimmt stark ab) als in der Luft, wo T ja größer, die Zunahme der Entropie bei gleichem Energieübertrag (in Wärme) also geringer ist.
Somit muss zusätzliche Wärmeenergie der Luft zugefügt werden, um die Entropie zumindest konstant zu halten.
Reibungsverluste im Kompressor führen zu darüberhinaus noch "unnötigen" Energieverlust.

Eins fällt aber auf: Die Energie die benötigt wird um die Wärmeenergie abzuführen, muss keinesfalls größer oder gleich der Wärmeenergie (Wärmemenge) sein. Der Energieerhaltungssatz wäre auch dann zumindest nicht offensichtlich verletzt, wenn garkeine Energie benötigt würde.