Pressluftlokomotive vs. Dampfspeicherlokomotive

Wissenschaft Physik
#1

hallo!

Eine Lokomotive soll möglichst weit fahren, kann aber unterwegs nicht befeuert werden. (ZB weil im Einsatzgebiet explosionsgefährliche Stoffe lagern und Zündquellen ferngehalten werden müssen)
Die Lok kann am Start befeuert werden. Die Frage ist nun, welches Konzept am besten geeignet wäre:

Situation a)
Der Pressluftspeicher der Pressluftlokomotive wird bei Normaldruck mit Luft gefüllt, der Speicher wird geschlossen. Nun wird der Speicher bis T erhitzt.

T = konstante Temperatur, auf die die Druckbehälter erhitzt werden können, etwa Siedetempetratur des Wassers + 100 K, also etwa 470 K

Situation b)
Der Pressluftspeicher der Pressluftlokomotive wird bei äußerem Normaldruck mit Druckluft des fünffachen des Normaldrucks gefüllt, der Speicher wird geschlossen. Nun wird der Speicher bis T erhitzt.
Im Motor der Pressluftlokomotive kann die Luft nur bis zum fünffachen des Normaldrucks entspannt werden, der Speicher soll beim erneuten Befüllen also nur erhitzt werden müssen und nicht erneut mit Druckluft gefüllt werden müssen.

Situation c)
Der Druckbehälter der Dampfspeicherlokomotive wird bei Normaldruck mit so viel Wasser gefüllt, dass bei Erreichen von T der Druckbehälter noch mit 1% Wasser gefüllt sein wird. Der Druckbehälter wird verschlossen und wird bis T erhitzt.

Situation d)
Der Druckbehälter der Dampfspeicherlokomotive wird bei Normaldruck zu 99% mit Wasser gefüllt. Der Druckbehälter wird verschlossen und wird bis T erhitzt.

In welcher Situation kann die Lok am weitesten fahren?

eigene Überlgungen:

-Es dürfte keinen nennenswerten Unterschied zwischen a) und b) geben, da die Druckzunahme eines ideales Gases bei konstanter Temperaturdifferenz nahezu unabhängig vom Ausgangsdruck sein sollte.

-Der Sättigungsdampfdruck von Wasser scheint viel stärker zuzunehmen als bei Luft:
Von T=373,13 K auf T=473,13 nimmt er um etwa 90 % zu.
Der Druck eines idealen Gases nimmt bei der gleichen Temperaturänderung um nur etwa 20 % zu.
Im Durckbehälter der Dampfspeicherlok sollte also beim Start ein deutlich höherer Druck sein und dadurch sollte sie deutlich weiter fahren können als die Pressluftlok.

-Besteht ein nennenswerter Unterschied zwischen c) und d)? Das erhitze Wasser siedet in d) nach Dampfentnahme zwar nach, kühlt sich aber auch durch den Energieentzug durch den Phasenübertritt ab. In c) findet das nahezu nicht statt, da das wenige flüssige Wasser schnell nach der ersten Dampfentnahme verdampft sein sollte. Doch sollte die Wärmekapazität von flüssigem Wasser größer als die von gasförmigem Wasser (in dem hier betrachteten Druckbereich) sein, sodass d) am weitesten fahren können sollte.

Was meint ihr: Welche Lok fährt am weitesten?

Gruß
Paul

#2

hallo!

Situation a)
Der Pressluftspeicher der Pressluftlokomotive wird bei
Normaldruck mit Luft gefüllt, der Speicher wird geschlossen.
Nun wird der Speicher bis T erhitzt.

T = konstante Temperatur, auf die die Druckbehälter erhitzt
werden können, etwa Siedetempetratur des Wassers + 100 K, also
etwa 470 K

Situation b)
Der Pressluftspeicher der Pressluftlokomotive wird bei äußerem
Normaldruck mit Druckluft des fünffachen des Normaldrucks
gefüllt, der Speicher wird geschlossen. Nun wird der Speicher
bis T erhitzt.
Im Motor der Pressluftlokomotive kann die Luft nur bis zum
fünffachen des Normaldrucks entspannt werden, der Speicher
soll beim erneuten Befüllen also nur erhitzt werden müssen und
nicht erneut mit Druckluft gefüllt werden müssen.

eigene Überlgungen:

-Es dürfte keinen nennenswerten Unterschied zwischen a) und b)
geben, da die Druckzunahme eines ideales Gases bei konstanter
Temperaturdifferenz nahezu unabhängig vom Ausgangsdruck sein
sollte.

Diese Überlegung stimmt nicht: Die Druckzunahme beim Erhitzen von 293 K (von mir angenommen) auf 470 K beträgt bei 1 bar Ausgangsdruck etwa 0,6 bar bei 5 bar Ausgangsdruck etwa 3 bar. Also das fünffache. Also wird beim Entspannen auf den jeweiligen Ausgangsdruck mehr Arbeit geleistet werden können. b.) kommt somit weiter als a.). Richtig wäre zu sagen, dass sowohl a.) als auch b.) bei adiabatischer Entspannung die gleiche Endtemperatur erreichen (etwa 410 K). Aber der Isothermenwechsel von 470 K auf 410 K bringt im Falle b.) mehr „Fläche im pV- Diagramm“ als im Fall a.). Also kann nach dieser Betrachtung ebenfalls mehr Arbeit geleistet werden.

Im Übrigen bewirkt - unter sonst gleichen Bedingungen (gleichartiges isochores Aufheizen)- das Erhitzen der fünffachen Teilchenzahl eine Steigerung der inneren Energie um das fünffache. Schon aus dieser simplen Überlegung heraus dürfte klar sein, dass im Fall b.) mehr Arbeit geleistet werden kann. Wenn auch nicht unbedingt das Fünffache.

Um den Rest deiner Hausaufgabe mögen sich Andere kümmern. Oder auch nicht.

Gruß
Peter

#3

Hallo Paul

Situation c)
Der Druckbehälter der Dampfspeicherlokomotive wird bei Normaldruck mit so viel Wasser gefüllt, dass bei Erreichen von T der Druckbehälter noch mit 1% Wasser gefüllt sein wird. Der Druckbehälter wird verschlossen und wird bis T erhitzt.

Situation d)
Der Druckbehälter der Dampfspeicherlokomotive wird bei Normaldruck zu 99% mit Wasser gefüllt. Der Druckbehälter wird verschlossen und wird bis T erhitzt.

Beide Situationen geben kein sinnvolles Scenario wieder.

Ich werde das Gefühl nicht los, dass Du Dir unter dem „Erhitzen“ des Druckbehälters so etwas ähnliches vorstellst wie ein großes Feuer unter dem Kessel - das ist nicht so.

Der optimale Wasserstand im Kessel bei Beginn der Schicht ist abhängig von den Betriebsbedingungen am Einsatzort, von denen die wichtigsten der Dampfdruck und die Temperatur des zum Füllen benutzten Heißdampfes sind. Bei uns im Werk war das ein Dampfdruck von 16Atü bei einer Dampftemperatur von 450°C, geliefert vom Kesselhaus des werkseigenen Kraftwerks. Angepasst an diese Betriebsbedingungen wird vom Hersteller ein optimaler Wasserstand im Kessel bei Beginn der Füllung ermittelt und vorgeschrieben.

Interessant in diesem Zusammenhang ist, dass bei Betriebsende immer ein ziemlicher Wasserüberschuss im Kessel verbleibt, welcher vor dem erneuten Füllen abgelassen werden muss. Die Lokomotive fuhr dazu ins Gleisfeld, der Rangierer drehte das Füllventil vorne am Kessel auf, der Lokführer löste die Bremse und die Lok fuhr, durch den Rückstoß eines donnernden Dampfstrahls angetrieben, etwa 200m über die Gleise. Das hatte den Sinn, das Wasser gleichmäßig im Gelände zu verteilen.

Anschließend fuhr die Lok mit Restdampf in den Schuppen, wurde an die Heißdampf-Füllleitung angeschlossen, und das Lokpersonal hatte Pause.

Für „Optimierungen“, wie Du sie Dir vorstellst, ist da kein Platz.

Situation a)
Der Pressluftspeicher der Pressluftlokomotive wird bei Normaldruck mit Luft gefüllt, der Speicher wird geschlossen. Nun wird der Speicher bis T erhitzt.

T = konstante Temperatur, auf die die Druckbehälter erhitzt werden können, etwa Siedetemperatur des Wassers + 100 K, also etwa 470 K

Situation b)
Der Pressluftspeicher der Pressluftlokomotive wird bei äußerem Normaldruck mit Druckluft des fünffachen des Normaldrucks gefüllt, der Speicher wird geschlossen. Nun wird der Speicher bis T erhitzt.
Im Motor der Pressluftlokomotive kann die Luft nur bis zum fünffachen des Normaldrucks entspannt werden, der Speicher soll beim erneuten Befüllen also nur erhitzt werden müssen und nicht erneut mit Druckluft gefüllt werden müssen.

Wo hast Du denn den Unsinn aufgeschnappt, dass der Druckbehälter einer Pressluftlokomotive Wasser enthält und geheizt wird? Bestimmt nicht bei Wikipedia!

Der Druckbehälter einer Pressluftlokomotive besteht meistens aus mehreren Stahlflaschen, ähnlich den beim Schweißen benutzten Gasflaschen, nur viel größer.
http://img.fotocommunity.com/images/Eisenbahn/Privat…

Diese werden an Füllstationen durch einen stationären Kompressor mit Pressluft von mehreren Hundert Atü befüllt. Diese Pressluft wirkt auf einen Pressluftmotor, der ähnlich wie die Zylinder einer Dampfmaschine arbeitet.

Wasser wird dem Druckluftsystem tunlichst ferngehalten, da es bei den hohen Drücken und der großen Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren zum Luftmotor diesen durch Wasserschlag beschädigen könnte.

Während der Fahrt sinkt der Luftdruck in den Druckbehältern kontinuierlich, bis ein erneutes Füllen erforderlich ist.

Ich hoffe, ich habe einige falsche Vorstellungen zurechtgerückt.

Gruß merimies

#4

Um den Rest deiner Hausaufgabe mögen sich Andere kümmern. Oder
auch nicht.

Letzteres ist wahrscheinlicher.

Gruß

watergolf

#5

keine Hausaufgabe
Die Fragen habe ich mir selber gestellt. Hausaufgaben sind das keine, ich weiß auch nicht, gegenüber wem ich Hausaufgaben erledigen sollte. Abitur liegt schon ein paar Jahre zurück.

Gruß
Paul

#6

danke für deine Antwort

Beide Situationen geben kein sinnvolles Scenario wieder.

Das mag sein, doch lag diese Situation in meinem Gedankenexperiment vor.

Ich werde das Gefühl nicht los, dass Du Dir unter dem
„Erhitzen“ des Druckbehälters so etwas ähnliches vorstellst
wie ein großes Feuer unter dem Kessel - das ist nicht so.

Genau so hab ich mir das vorgestellt. Unter den Kessel kommt eine Wärmequelle und die erhitzt den Kessel.

Interessant in diesem Zusammenhang ist, dass bei Betriebsende
immer ein ziemlicher Wasserüberschuss im Kessel verbleibt,
welcher vor dem erneuten Füllen abgelassen werden muss. Die
Lokomotive fuhr dazu ins Gleisfeld, der Rangierer drehte das
Füllventil vorne am Kessel auf, der Lokführer löste die Bremse
und die Lok fuhr, durch den Rückstoß eines donnernden
Dampfstrahls angetrieben, etwa 200m über die Gleise. Das hatte
den Sinn, das Wasser gleichmäßig im Gelände zu verteilen.

Dennoch waren diese Ausführungen zum realen Zustand sehr intressant und amüsant. Das mit dem donnernden Dampfstrahl würd ich gern mal sehen.

Anschließend fuhr die Lok mit Restdampf in den Schuppen, wurde
an die Heißdampf-Füllleitung angeschlossen, und das
Lokpersonal hatte Pause.

Für „Optimierungen“, wie Du sie Dir vorstellst, ist da kein
Platz.

Situation a)
Der Pressluftspeicher der Pressluftlokomotive wird bei Normaldruck mit Luft gefüllt, der Speicher wird geschlossen. Nun wird der Speicher bis T erhitzt.

T = konstante Temperatur, auf die die Druckbehälter erhitzt werden können, etwa Siedetemperatur des Wassers + 100 K, also etwa 470 K

Situation b)
Der Pressluftspeicher der Pressluftlokomotive wird bei äußerem Normaldruck mit Druckluft des fünffachen des Normaldrucks gefüllt, der Speicher wird geschlossen. Nun wird der Speicher bis T erhitzt.
Im Motor der Pressluftlokomotive kann die Luft nur bis zum fünffachen des Normaldrucks entspannt werden, der Speicher soll beim erneuten Befüllen also nur erhitzt werden müssen und nicht erneut mit Druckluft gefüllt werden müssen.

Wo hast Du denn den Unsinn aufgeschnappt, dass der
Druckbehälter einer Pressluftlokomotive Wasser enthält und
geheizt wird? Bestimmt nicht bei Wikipedia!

Ich habe nicht behauptet, dass im Durckbehälter der Pressluftlok Wasser wäre. Die Temperaturangabe „Siedepunkt des Wassers plus x“ kann doch vollkommen losgelöst von Wasser gesehen werden. Ich kann doch bspw. einen Titanklotz auf T = Siedepunkt des Wassers" erhitzen, ohne dass Wasser direkt mit im Spiel wäre.

Gruß
Paul

#7

Diese Überlegung stimmt nicht: Die Druckzunahme beim Erhitzen
von 293 K (von mir angenommen) auf 470 K beträgt bei 1 bar
Ausgangsdruck etwa 0,6 bar bei 5 bar Ausgangsdruck etwa 3 bar.
Also das fünffache.

Ich hatte es in % ausgerechnet und eine Erhöhung von 1 bar auf 1,6 bar ist prozentual die gleiche Steigerung wie von 5 bar auf 8 bar, nämlich auf 160 %.

Also wird beim Entspannen auf den jeweiligen Ausgangsdruck mehr Arbeit geleistet werden können.

Das aber der absolute Druck zählt und nicht der relative, habe ich nicht bedacht. Mit 3 bar Unterschied kann die Lok weiter fahren als mit 0,6 bar Unterschied.

Im Übrigen bewirkt - unter sonst gleichen Bedingungen (gleichartiges isochores Aufheizen)- das Erhitzen der fünffachen Teilchenzahl eine Steigerung der inneren Energie um das fünffache. Schon aus dieser simplen Überlegung heraus dürfte klar sein, dass im Fall b.) mehr Arbeit geleistet werden kann.

natürlich, stimmt!

Um den Rest deiner Hausaufgabe mögen sich Andere kümmern. Oder auch nicht.

Wie ich schon ausdrückte, handelt es sich nicht um eine Hausaufgabe, sondern mich interessieren einfach die verschiedenen Zusammenhänge aus Druck, Temperatur, Phasenübergangsenergie und inwiefern sich das unter bestimmten Bedingungen auf die gespeicherte innere Arbeit auswirkt.
Wenn auch niemand mehr auf das Wasserproblem eingehen sollte, bedanke ich mich schonmal für die richtig gerückten Vorstellungen in Bezug auf die Druckluft.

Gruß
Paul

#8

Wie ich schon ausdrückte, handelt es sich nicht um eine
Hausaufgabe, sondern mich interessieren einfach die
verschiedenen Zusammenhänge aus Druck, Temperatur,
Phasenübergangsenergie und inwiefern sich das unter bestimmten
Bedingungen auf die gespeicherte innere Arbeit auswirkt.

o.k., finde ich gut, dass du dich gewissermaßen feiberuflich mit solchen Fragestellungen befasst. Dann würde ich aber empfehlen, die Beispiele etwas realistischer zu wählen. Zum Beispiel die Variante d.). Ein Kessel mit 99% Füllgrad an Wasser, der auf 470 K hoch geheizt wird. Bei wiki ist da so ein Diagramm über die Temperaturabhängigkeit der (flüssigen) Wasserdichte. Grob geschätzt liegt die Dichte des Wassers bei 470 K bei 0,85 Kg/l gegenüber roundabout 1 Kg/l bei Raumtemperatur. Was grob gerechnet einer Ausdehnung von 15 Prozent entspricht. Selbst wenn sich der Füllgrad des Behälters durch die Verdampfung etwas vermindert, wird es einen Superplatzer geben, gegen den der TÜV noch in 100 Jahren Bannflüche murmeln wird.

Und wenn du mal in die Praxis gehen willst, dann empfehle ich das Chemiemuseum in Merseburg. Da kann neben Vielem auch eine Original- Dampfspeicherlok besichtigen.

Gruß

Peter

#9

Hallo Paul,

Die Fragen habe ich mir selber gestellt. Hausaufgaben sind das

deine: „Situationen“ a) bis d) sehen nach einem intensiven Studium spezieller thermodynamischer Kreisprozesse aus.

Für den Einstieg hätte genügt: „Die Frage ist nun, welches Konzept am besten geeignet wäre:

  • Pressluftlokomotive oder
  • Dampfspeicherlokomotive?“.

Aus deinem einschlägigen Link geht nicht hervor, ob Pressluftlokomotiven wie unter „Situation a)“, je nachträglich noch erhitzt wurden (siehe dein: „Nun wird der Speicher bis T erhitzt“).

Wenn man die tatsächlich eingesetzten Lokomotiven laut Link so anschaut, besitzen sie keine zusätzliche Heizung und auch keine thermische Isolation der Hochdruckbehälter.

Gruß

watergolf

#10

Hallo Paul

Ich habe nicht behauptet, dass im Durckbehälter der Pressluftlok Wasser wäre. Die Temperaturangabe „Siedepunkt des Wassers plus x“ kann doch vollkommen losgelöst von Wasser gesehen werden. Ich kann doch bspw. einen Titanklotz auf T = Siedepunkt des Wassers" erhitzen, ohne dass Wasser direkt mit im Spiel wäre.

Gut, aber wozu soll das Erhitzen (der Techniker spricht von Erwärmen) denn gut sein?

In der Realität wird der Druckbehälter nicht von außen erwärmt. Wärme kommt nur in der Form von Kompressionswärme beim Befüllen des Druckspeichers und als Dekompressionswärme (=Abkühlung) im Fahrbetrieb durch die Druckabnahme ins Spiel. Beides sind eher unerwünschte Effekte.

Vielleicht ist Dir aufgefallen, dass der Druckspeicher einer Pressluftlokomotive aus mehreren Röhren (Gasflaschen) aufgebaut ist. Das führt zu einer im Verhältnis zum Inhalt stark vergrößerten Oberfläche. Über diese Oberfläche wird beim Befüllen des Speichers relativ schnell die unerwünschte Kompressionswärme an die Umgebung abgegeben.

Im Fahrbetrieb wird die Pressluft durch Dekompression unter die Umgebungstemperatur abgekühlt. Das ist ebenfalls unerwünscht, da Abkühlung Druckverlust bedeutet. Jetzt nimmt die Druckluft über die große Behlteroberfläche Wärme aus der Umgebung auf.

That´s all!
Gruß merimies