Auftrieb durch Wasserdampf

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Auftrieb durch Wasserdampf

Beitragvon Roland Grün » Mo, 14.07.2003 6:54

Ich dachte immer dass der Wasserdampf in einem Wasserdampf-Ballon nur einen kleinen Teil der Masse gegenüber der Masse der Luft ausmacht. Deswegen bin ich nicht auf die Molekulargewichte eingegangen. Aber, wenn ich mir das richtig überlege, im Extremfall könnte man theoretisch einen Ballon tatsächlich nur mit Wasserdampf füllen. Aber, vom Gefühl der praktischen Machbarkeit gesehen, glaube ich das eher nicht. Man stelle sich vor, wie das gehen sollte: Die Luft vollständig durch Wasserdampf zu ersetzen. Habe noch nie etwas von einem derartigen Austausch gehört. Und die ganze Auftriebs-Regelung per Temperatur-Änderung wäre dahin: Die kleinste Temperatur-Änderung lässt den Ballon schrumpeln oder platzen, oder der Dampf entweicht, und so weiter...
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Re: Auftrieb durch Wasserdampf

Beitragvon ernstrd » Mo, 14.07.2003 15:27

Roland Grün hat geschrieben:Man stelle sich vor, wie das gehen sollte: Die Luft vollständig durch Wasserdampf zu ersetzen. Habe noch nie etwas von einem derartigen Austausch gehört.
Soviel ich weiß, wird genau das beim Schnellkochtopf gemacht. Dazu gibt es dieses strömungsgesteuerte Ventil, das am Anfang erst zischt und irgendwann, wenn die Strömung zu groß wird, schließt.
Roland Grün hat geschrieben:Und die ganze Auftriebs-Regelung per Temperatur-Änderung wäre dahin: Die kleinste Temperatur-Änderung lässt den Ballon schrumpeln oder platzen, oder der Dampf entweicht, und so weiter...
Warum? Solange das Wasser gasförmig bleibt, kann man damit genauso regeln wie mit jedem anderen Gas auch. Nur wenn der Dampf so weit abkühlt, daß er kondensiert, ändert sich das Volumen schlagartig.

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Wasserdampf

Beitragvon Roland Grün » Di, 15.07.2003 13:01

@roland:

Also, bei unserem Schnellkochtopf kenne ich ein solches Zischen nicht. Die Wärme wird über das flüssige Wasser am Boden übertragen, und der Überdruck ermöglicht eine höhere Temperatur als 100 Grad. Mehr ist da nach all meinem Wissen nicht dabei, es geht schlicht um eine höhere Temperatur, damit Verkürzung der Garzeit und damit Schonung der Vitamine usw.

Das mit der Auftriebs-Regelung bei 100 Prozent Wasserdampf ist schon etwas schwieriger zu erklären, und vielleicht liege ich da tatsächlich falsch. Ich denke mir das so:

Im Prinzip kann man durch Temperaturänderung eines Gases, egal was für eine Sorte, in einem Ballon dessen Auftrieb dadurch regeln, dass das Volumen variiert und damit der Ballon unterschiedlich viel Luft verdrängt. Aber es gibt kein Hüllmaterial, das für große Ballons geeignet wäre und solche Volumen-Änderungen derartig willig mitmachen würde wie bei Kinderballons. Oder man akzeptiert starke Form-Änderungen, wie z.B. bei den Wetterballons. Aber ich kann mir einfach nicht vorstellen, wie in einem solch variablen Ballon ein Verdampfer installiert werden könnte. Also ist es nichts mit Volumen-Änderung.

Vielleicht kann das Gas bei Erwärmung nach außen entweichen und bei Abkühlung wieder zuströmen, so wie bei einem herkömmlichen Heißluftballon?. Genau hier liegt der Unterschied zwischen Wasserdampf und Luft: Bei Abkühlung wird nur Luft zuströmen und niemals der zuvor ausgelassene Wasserdampf, denn der ist längst verflogen und kondensiert.

Dann gibt es noch das Ballonet, trotz des Namens eher bei Luftschiffen als bei Ballons bekannt. Geht aber im Prinzip auch bei Ballons. Damit ließe sich ein variables Volumen des Auftriebsgases ohne Ablassen und Zuströmen desselben realisieren. Aber man braucht eine gasdichte, sehr flexible Membrane innerhalb des Ballons, und unten ein Gebläse und ev. auch Ventile, die immer genau so viel Druck halten, dass der Ballon seine Form behält aber nicht platzt. So ist es beim AC75 gemacht, aber nicht wegen Auftriebs-Regelung per Temperaturänderung.

Daraus folgt: Mit 100 Prozent Wasserdampf braucht man ein Ballonet. Okay, ist aufwändig aber machbar. Was hat man davon? Den zusätzlichen Auftriebs-Gewinn durch die unterschiedlichen Molekulargewichte von Wasserdampf und Luft. Das ist etwa halb so viel wie durch Wasserstoff oder Helium, immerhin. Ich meine halt nur, dass sich dieser Aufwand nicht lohnt im Vergleich zu einem größeren Ballon, der aber viel einfacher konstruiert (und zu handhaben) ist.

Also, ich sehe Wasserdampf mehr als eine besonders effiziente Art das Innere eines Ballons zu erwärmen. Man kommt auf eine überall exakt definierte Temperatrur von weit mehr als 100 Grad bis in die entlegendsten Winkel, wovon die herkömmlichen Heißluft-Fahrer nur träumen können. Durch Freilassen von unter Druck stehendem Wasser von über 100 Grad, geradeso wie beim Schnellkochtopf, kann man sehr schnell Auftrieb gewinnen, und umgekehrt durch das Freisetzen großer kühler Flächen schnelle Kondensation und damit eine schnelle Auftriebsminderung erreichen.

Aber das ganze steht auf relativ wackligen Beinen. Vielleicht gibt es besonders raffinierte Verfahren, und es geht doch ganz leicht mit 100 Prozent Wasserdampf. Es ist mehr eine Frage der Ingenieurskunst als der Physik.
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Beitragvon A. Ohliger » Di, 15.07.2003 19:00

Roland Grün schrieb
Man kommt auf eine überall exakt definierte Temperatrur von weit mehr als 100 Grad bis in die entlegendsten Winkel, wovon die herkömmlichen Heißluft-Fahrer nur träumen können.

Wie das? An der Außenwand müsste der Dampf doch kondensieren und sich somit ziemlich genau 100°C einstellen. Deswegen glaube ich nicht so ganz an die "weit mehr als 100 Grad".
Und dann frage ich mich noch, warum sich bei Wasserdampf die Temperatur besser verteilen sollte als bei Luft. Vielleicht auf Grund der höheren Durchschnittsgeschwindigkeit der Moleküle?
Das dürfte aber doch so viel nicht ausmachen, schließlich ist die nur proportional zu Wurzel(1/Molmasse). Bei ungefähr halb so schweren Molekülen (das ist großzügig gerechnet, denn Stickstoff hat 28 und H2O 18 ) ergäbe sich eine Wurzel(2) mal so hohe Geschwindigkeit.
Habs doch mal genau gerechnet, es ist nur ca. 1,25 mal so schnell, das kann es doch nicht sein.

Liegt der Vorteil von Wasserdampf vielleicht in den dünneren Hüllen, da Wassermoleküle auf Grund der Größe nicht so einfach durch dünne Folien schlüpfen wie H2-Moleküle?
Obwohl... wenn man die Hülle zu dünn macht, bekommt man ein echtes Isolations-/Kondensierproblem. Oder nicht?

Jetzt habe ich mich beim Gedanken niederschreiben selber kräfig verwirrt. Vielleicht ist trotzdem der eine oder andere Denkanstoß dabei. :)

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Mit Volldampf in die Lüfte

Beitragvon CHAYER » Di, 15.07.2003 19:27

Bei Welt der Wunder (ProSieben) kam ein Beitrag zu einem Ballon, der mit überhitztem Wasserdampf betrieben wird.
http://www.weltderwunder.de/wdw/AirospaceWorld/Luftfahrt/MitVolldampfInDieLuefte/

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Meldung der TU Berlin (7. April 2003)

Mit Volldampf in die Lüfte
Weltweit erster isolierter Heißdampfballon wird an der TU Berlin in Betrieb genommen

Eine Weltpremiere präsentieren junge Forscherinnen und Forscher der TU Berlin am kommenden Montag. Ein 35 Kubikmeter großer, ferngesteuerter Ballon, getragen von überhitztem Wasserdampf und umgeben von einer neu entwickelten, silbrig glänzenden Isolation, wird nach zweijähriger Entwicklungszeit erstmals präsentiert. Dampf stellt nunmehr eine preiswerte Alternative zum teueren Helium dar. Gegenüber Heißluftballonen wurde die Tragkraft verdoppelt, was weitere Vorteile mit sich bringt.

Der welterste, superisolierte Heißdampfaerostat (HeiDAS), ein sechs Meter hoher Ballon, ist nach dem Halbrozièren-Prinzip aufgebaut. Er besteht aus einem isolierten, kugelförmigen Gasbehälter, der den Großteil des Auftriebs liefert und einem konusförmigen Heißluftteil, das mittels Propanbrenner die abgegebene Energie nachliefert und so Kondensatbildung im Gasbehälter verhindert.

Der ferngesteuerte Ballon umfasst ein Volumen von 35 Kubikmetern und wurde in zweijähriger Arbeit von einer Forschergruppe im Rahmen der Projektwerkstatt "Luftffisch“ am Institut für Luft- und Raumfahrt der TU Berlin entwickelt. Er dient als Testplattform zur Untersuchung alternativer, beheizter Traggassysteme. Mit seiner Hilfe wird die physikalische und technische Realisierung von preiswerteren Traggasen für ein alltagstaugliches Luftschiff erforscht.

Bisher dient teures Helium als Traggas für den "Luftffisch No.1“. Die kostengünstigere Heißluft verfügt aber nur über etwa ein Drittel der Tragkraft von Helium. Mongolfieren und Heißluftschiffe sind somit in ihrem Aktionsradius und Aktionszeitraum sehr eingeschränkt. Alternativ soll nun überhitzter Dampf verwendet werden. Bei 120°C besitzt Dampf etwa die doppelte Tragkraft von derzeit verwendeter Heißluft. Dadurch entstehen Reserven, die für die notwendige Isolierung genutzt werden können. Auch Fluggeschwindigkeit, Nutzlast und Wetterunabhängigkeit können gesteigert werden.

Neue Isolationswerkstoffe machten den Bau einer Wärmedämmung für Aerostaten erstmals sinnvoll und möglich. Für ihren Ballon entwickelten die TU-Forscher daraus ein Material mit einer sensationell geringen Dichte und Wärmeleitfähigkeit. Es ist der weltweit erste Dämmstoff dieser Art, der industriell gefertigt wurde.

Der Dampf wird mittels Sauerstoff-Wasserstoff-Reaktoren erzeugt. Wie in einem Raketentriebwerk führt die kontrollierte Verbrennung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser und sehr viel Wärme. Die Wärme wiederum sorgt dafür, dass weitere zugeführte Wassermengen verdampfen. Verbunden mit einer ausgeklügelten Regelungstechnik liefern die miniaturisierten Reaktoren einstellbaren Dampf von 120°C bis 300°C.

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Weitere Informationen erteilt Ihnen gern: Dipl.-Ing. Alexander Bormann, Fakultät V, Verkehrs- und Maschinensysteme, Institut für Luft- und Raumfahrt,
E-Mail: alexander.bormann@tu-berlin.de,
Internet: http://www.tu-berlin.de/~luftffisch,
http://www.ilr.tu-berlin.de/Projekte/pwal/aerarium/deutsch/auswahl_de.html
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Beitragvon k.moestl » Di, 15.07.2003 20:10

Ein Vorteil von Wasserdampf gegenüber Helium dürfte sein, dass man den Dampf nach getaner Arbeit ablassen kann und den Ballon gegebenenfalls einrollen und bequem zum nächsten Einsatzort bringen kann. Allerdings bekommt man die Wiederaufheizung nicht geschenkt. Ich habe das mal für einen Ballon der Größe des CL75 durchgerechnet. Unter der Annahme, dass eine Kilowattstunde Energie 0,10 € kostet, und Wasserdampf von 100°C erzeugt werden muß, komme ich auf Energiekosten von ca. 5.000 €. Dagegen sind die Kosten für 7 m² Wasser vernachlässigbar.

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Schnellkochtopf

Beitragvon rudipap » Mi, 16.07.2003 8:43

@ Roland Grün
Also, bei unserem Schnellkochtopf kenne ich ein solches Zischen nicht.

Es gibt Schnellkochtöpfe mit einem und solche mit 2 Ventilen. Das 2. Ventil ist das strömungsgesteuerte Ventil, von dem ernstrd gesprochen hat. Es ist ein senkrecht stehendes Kugelventil, das im Stillstand offen ist, weil die Kugel unten liegt. bei beginnender Erwärmung strömt die Überschüssige Luft durch dieses Ventil aus. Mit Beginn des Siedevorganges steigt die Ausströmgeschwindigkeit, da ja ab nun nicht nur die thermische Ausdehnung, sondern auch die Volumenänderung des entstehenden Dampfes kompensiert werden muß. Mit zunehmendem Siedevorgang wird also der Volumenstrom immer größer, und ab einer gewissen Geschwindigkeit wird die Kugel angehoben und gegen den oberen Ventilsitz gepresst. Dadurch wird also zum großen Teil die Luft aus dem Topf entfernt. Dies erlaubt, vermutlich wegen der besseren Wärmeübertragung von Dampf, kürzere Garzeiten und damit eine schonendere Zubereitung.
Gruß
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Re: Schnellkochtopf

Beitragvon k.moestl » Mi, 16.07.2003 11:23

rudipap hat geschrieben: Dies erlaubt, vermutlich wegen der besseren Wärmeübertragung von Dampf, kürzere Garzeiten und damit eine schonendere Zubereitung.

Die weitgehende Verdrängung des Luftsauerstoffs vermindert auch die Oxidation wichtiger Inhaltsstoffe wie z.B. Vitamin C.

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Kondensieren und Wärmeleitung

Beitragvon Roland Grün » Mi, 16.07.2003 12:02

Der Dampf darf nirgendwo kondensieren, außer ev. zur absichtlichen Auftriebs-Minderung, und auch dann nur an Stellen, wo das Wasser definiert abläuft und wiederverwendet wird.

Das stellt man einerseits durch die gute Isolation der Hülle sicher, der Ballon ist also eine Art fliegende Thermoskanne. Andererseits muss der Dampf eben genügend heiß sein, so dass immer genügend Sicherheitsabstand zum Kondensieren auch an der kältesten Stelle besteht. Ein solcher Dampf, der überhaupt keine Lust zum Kondensieren hat, wird als "überhitzt" bezeichnet, man könnte aber auch "trocken" sagen.

An dieser Stelle sollte ich vielleicht ein mögliches Missverständnis ausräumen: Das, was man in der Küche oder sonstwo landläufig als "Dampf" bezeichnet, ist kein Dampf sondern nur Nebel. Dampf ist normalerweise unsichtbar. Nebel entsteht, wenn Dampf kondensiert aber nicht genügend große und genügend kalte Oberflächen findet um sich darauf als Flüssigkeit niederzulassen. Dann kondensiert der Dampf zu vielen Tröpfchen, und wir haben eine Wolke oder Nebel, je nach Standpunkt des Betrachters. Im Ballon ist Nebel unerwünscht, denn er trägt nicht zum Auftrieb bei. Nebel kann sich ebenso wie Dampf an festen Oberflächen niederschlagen.

Wärmeleitung:
Die Wärmeleitung von 100 Prozent überhitztem Dampf ist tatsächlich nicht wesentlich anders als von 100 Prozent Luft. Aber was ist bei einem Gemisch? Leitet ein Dampf-Luft-Gemisch die Wärme besser als reine Luft? Ich meine Ja, aber so eine richtig handfeste Begründung fällt mir dazu erst mal nicht ein. Vielleicht komme ich noch drauf. Andernfalls bitte ich um Nachsicht für den Unsinn.
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Beitragvon Orljonok » Fr, 01.08.2003 20:58

Zum Thema grundlegende Funktionsweise von Luftschiffen ist auch etwas auf der Homepage der Uni Stuttgart erläutert. Besonders auf Folie zwei bei physikalischen Grundlagen wird dargestellt, dass Wasserstoff als Auftriebsgas nur geringfügig mehr Auftrieb erzeugt als Helium.

http://www.isd.uni-stuttgart.de/arbeitsgruppen/airship/prall
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@ortjonok

Beitragvon rudipap » So, 03.08.2003 6:25

Danke für den sehr interessanten Link

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Beitragvon k.moestl » So, 03.08.2003 11:18

Orljonok hat geschrieben:Besonders auf Folie zwei bei physikalischen Grundlagen wird dargestellt, dass Wasserstoff als Auftriebsgas nur geringfügig mehr Auftrieb erzeugt als Helium.


Das ist zwar richtig, aber wegen des relativ hohen Leergewichtes eines Luftschiffes resultiert ein Zugewinn an Auftrieb in einem relativ hohen Zugwinn an Tragkraft. Ich zitiere hierzu "das" Buch "Leichter als Luft", auf das Pestw schon an anderer Stelle hingewiesen hat. Auf Seite 442 liest man:
"Der Gewinn hinsichtlich einer Verbesserung der Ladekapazität ist beeindruckend, wie das Diagramm Abb. 9.5.2 anhand eines Beispiels zeigt. Zugrunde gelegt ist ein theoretisches, heliumgefülltes Transportluftschiff von 645.600 m³ mit einer Reichweite von 10.000 km. Die Nutzlast betrage 150 Tonnen bei einer wirtschaftlich optimalen Fahrgeschwindigkeit von 90 km/h bei einem konstanten Gegenwind von 15 Knoten in 1.000 m Fahrhöhe.

Bild

Abb. 9.5.2 Vergleich der möglichen Nutzlasten bei Helium- und Wasserstofffüllung bei verschiedenen Fahrhöhen"
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zu Gunsten der Nutzlast

Beitragvon pestw » Mo, 04.08.2003 9:41

Genau. Danke.
Also wenn das Luftschiff um ein paar Prozent mehr Tragkraft hätte, ginge dieser Vorteil voll zu Gunsten der Nutzlast.
Dabei wird allerdings davon ausgegangen, dass die Bauweise des Luftschiffs, besser gesagt sein "Leergewicht" genau gleich bleiben könnte, wenn man Wasserstoff verwenden würde. Ob diese Annahme realistisch ist, weiß ich nicht.
Bild :zib Initiative Zukunft in Brand - Wir verleihen CargoLifter Auftrieb!
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Frage, ob die Bauweise bei H2 <-- He geändert werden müss

Beitragvon Roland Grün » Mo, 04.08.2003 11:27

Wenn mehr Last dranhängt, muss die Lastaufhängung ev. angepasst werden, je nachdem wie stark optimiert sie ist. Das kann sich gerade bei einem Kiel-Luftschiff bis in den entferntesten Winkel auswirken.

Und man braucht mehr Tankvolumen für Ballastwasser, denn man muss mehr fehlende Ladung mit Ballast ausgleichen können. Da sich diese Tanks beim CL160 am Laderahmen befinden, und dieser räumlich ziemlich ausgequetscht sein dürfte, bedeutet dies praktisch ein Redesign des Laderahmens.

Und wenn aus Sicherheitsgründen der Wasserstoff anders gehandhabt werden muss, ergeben sich ebenfalls Änderungen, allerdings sehe ich da keine wesentliche Auswirkung auf die grundlegenden Luftschiff-Eigenschaften.
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