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Stoffeigenschaften Ammoniak

Stoffeigenschaften Ammoniak

Die größten thermodynamischen Vorteile von Ammoniak bestehen in der volumetrischen Kälteleistung und der niedrigen Siedetemperatur. Größter Nachteil ist das Gefahrenpotenzial.  Bereits geringste Ammoniakkonzentrationen sind riechbar, haben jedoch noch keine schädlichen Auswirkungen. Die giftigen Konzentrationen liegen deutlich über der Erträglichkeitsgrenze.

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Vergleich der natürlichen Kältemittel Ammoniak und Wasser

  Ammoniak (NH3) Wasser (H20)
Normalsiedepunkt (p=1bar) -33,3°C 100°C
Siededruck (10°C) 6,2 bar (abs) 0,012 bar (abs)
Kondensationsdruck (40°C) 15,6 bar  (abs) 0,074 bar (abs)
Dampfdichte (10°C) 4,876 kg/m³ 0,0094 kg/m³
Volumetrische Kälteleistung 5966 kJ/m³ 23 kJ/m³
Brennbarkeit 15 Vol.-% bist 34 Vol.-% Nicht brennbar
Toxizität Wahrnehmungsgrenze: 5 ppm MAK-Wert: 50 ppm Belästigungsschwelle:  250 ppm Erträglichkeitsgrenze:  500-1.000 ppm Vergiftungserscheinungen: 2.500 ppm Tödliche Konzentration: > 5.000 ppm Nicht toxisch
Materialverträglichkeit Ammoniak-Wasser: Buntmetalle, Alu ungeeignet Stahl nur mit Korrosionsinhibitor Edelstahl, Teflon – geeignet LiBr in Verbindung mit Luft hohe Korrosionswirkung
Umweltverträglichkeit ODP=0, GWP=0 ODP=0, GWP=0

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Links zur Begriffserklärung (Wikipedia)

ODP Ozonabbaupotential
GWP Treibhauspotential
MAK-Wert Maximale Arbeitsplatz-Konzentration

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Stoffeigenschaften der Ammoniak-Wasser-Lösung

Siededruck, Siedetemperatur und Aggregatzustand in Abhängigkeit der Stoffzusammensetzung können im T,ξ-Diagramm anhand der Siede- und Taulinie abgelesen werden.

T-xi-Diagramm

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Beschreibung Zweiphasendiagramm

In dem Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht einer Mischung sind die Siede- und Tautemperaturen von der Zusammensetzung der Mischung abhängig. Diese Abhängigkeit wird im Zweiphasendiagramm dargestellt. Ein solches Zweiphasendiagramm ist in der unteren Abbildung dargestellt.

Auf der Abszisse des Diagramms werden die Massenanteile des Stoffs B im Gemisch zwischen den Werten 0.0 (nur Komponente A ist vorhanden) und 1.0 (nur Komponente B ist vorhanden) aufgetragen. Der Druck ist in jedem Bereich des Diagramms konstant.

Die Siedelinie kennzeichnet diejenige Temperatur, an welcher sich das erste Gasbläschen bildet, wenn das Gemisch erhitzt wird. Die Siedetemperaturen der reinen Komponenten, TA und TB, sind auf den jeweiligen Ordinaten abgetragen. Die Taulinie kennzeichnet diejenige Temperatur, an welcher sich das erste Flüssigkeitströpfchen bildet, wenn das Gemisch abgekühlt wird. Im Bereich, der von der Siede- und Taulinie umschlossen wird, liegt das Zweiphasengebiet. Hier liegen gleichzeitig die Phasen Dampf und Flüssigkeit vor.

Beschreibung_T-xi-Diagramm_einfach

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Die Benutzung des Zweiphasendiagramms wird anhand des Diagramms in Abb. 2 beschrieben. In dem Diagramm werden verschiedene Zustandspunkte während der Erhitzung einer Mischung dargestellt. Dabei werden Zustandspunkte, die sich in der flüssigen Phase befinden, mit einem Strich gekennzeichnet und Punkte, die sich in der gasförmigen Phase befinden mit zwei Strichen.

Der Prozess beginnt am Zustandspunkt 1‘. An diesem Punkt ist die Mischung flüssig. Durch die Erhitzung der Flüssigkeit erreicht diese die Siedelinie (Punkt 2‘). An diesem Punkt bildet sich die erste Dampfblase. Die Mischungsanteile der flüssigen Phase sind am Punkt x2‘ ablesbar, die Mischungsanteile der dampfförmigen Phase am Punkt x2‘‘. Der Massenanteil x gibt dabei den prozentualen Anteil des Stoffes B an. Der Massenanteil des Stoffes A ergibt sich dabei dementsprechend als 1 – x.

Bei weiterer Erhitzung des Gemisches wird der Zustandspunkt 3 erreicht. Dieser Punkt liegt mitten im Zweiphasengebiet. Die waagrechte Linie, welche von Punkt 3 ausgeht, schneidet die Siedelinie in 3‘ und die Taulinie in 3‘‘. Die Mischungsanteile der flüssigen Phase können in x3‘ abgelesen werden.

Nach kontinuierlicher Erhitzung wird der Punkt 4‘‘ erreicht. Dieser liegt direkt auf der Taulinie. An diesem Punkt bildet sich bei Abkühlung des überhitzten Dampfes das erste Flüssigkeitströpfchen.

Bei weiterer Erhitzung des Gemischs bildet sich überhitzter Dampf (Punkt 5‘‘). In diesem Gebiet liegt die Mischung komplett als Gas vor und ist somit wieder einphasig.

Beschreibung_T-xi-Diagramm



Der Dampfanteil xD beschreibt, wieviel Dampf bezogen auf die gesamte Masse der Mischung vorhanden ist. Er kann über die Massenbilanz der Mischung und einer der reinen Komponenten berechnet werden. In dem gegebenen Beispiel (Abb. 2) berechnet sich der Dampfanteil im Punkt 3 folgendermaßen:

Massenbilanz der Mischung:      m3‘‘+ m3‘ = m2

Massenbilanz der puren Komponente B:     m3‘‘x3‘‘ + m3‘x3‘= m2‘x2

Durch die Elimination von m3‘ ergibt sich damit ein Dampfgehalt am Punkt 3 von:

 

Quelle: Herold K.E., Radermacher R., Klein S.A.: "Absorption Chillers and Heat Pumps" (CRC Press, Inc., 1996)



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Kontakt

Dipl.-Ing. Thomas Brendel

 

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