Kategorie:Joule-Thomson-Effekt

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Untersuchtes Phänomen:

Wie funktioniert eine Schneekanone?

Naturwissenschaftliche Erklärung des Themas

Verringert man den Druck eines komprimierten Gases, expandiert es und kühlt sich dabei ab. Wenn dem Gas ein größeres Volumen zur Verfügung gestellt wird, müssen sich die einzelnen Teilchen von den anziehenden Kräften ihrer Nachbarmoleküle lösen, um das gesamte Volumen ausfüllen zu können. Das erfordert jedoch eine Umwandlung von kinetischer (Bewegungs-) in potentielle (Lage-) Energie und führt somit zu einer Verlangsamung der Teilchen. Wegen der Abnahme der mittleren Geschwindigkeit der Teilchen ist das Gas nun kälter als vor der Expansion. Dieses Verfahren funktioniert nur bei Gasen, deren anziehende intermolekularen Wechselwirkungen dominieren. Wenn die Teilchen im Wesentlichen einander abstoßen, wird bei einer Expansion des Gases potentielle in kinetische Energie umgewandelt und die Geschwindigkeiten der Teilchen nehmen im Mittel zu. Eine Erwärmung des Gases wäre die Folge. Technisch realisiert man den Vorgang der Abkühlung, indem man ein zuvor komprimiertes Gas durch ein sog. Drosselventil, eine sehr feine Öffnung, strömem lässt. Auf Grund des Druckunterschiedes expandiert das Gas und kühlt sich dabei ab. Dieses Phänomen wird bei Kühlschränken, Klimaanlagen, Wärmepumpen, aber auch bei Schneekanonen genutzt. Bei Letzteren wird Wasser in fein verteilten Tröpfchen zu zuvor komprimierter Luft gegeben. Dieses Gemisch strömt anschließend durch feine Düsen. Die Luft kühlt sich dabei ab und die in ihr schwebenden Wassertröpfchen gefrieren zu Eiskristallen.

Vorschläge für Experimente

  • Besichtigung einer Schneekanone (ggf. Vorführung und Erläuterung der Funktionsweise)
  • mögliche Veranschaulichung durch andere Phänomene (Bsp. Deo-Spray, Kühlschrank, usw.)

Fragenkatalog zum Joule-Thomson-Effekt

Experiment zum Joule-Thomson-Effekt

Die Durchführung erfolgte in Biberwier, Österreich durch Schüler der Klasse CK06 der David-Röntgen-Schule-Neuwied.

Zweck:

Der Hauptzweck der Schneekanone besteht darin, dass Befahren der Piste unter guten Umständen möglich zu machen. Zum idealen Skifahren werden min. 25cm Schneehöhe benötigt. Außerdem wird die Skisaison durch den Kunstschnee verlängert.

Funktion einer Schneekanone

Zur Produktion von Schnee mit Hilfe einer Schneekanone benötigt man Wasser und Luft.

In Biberwier wird dazu Wasser aus der Loisach entnommen. Der Gesetzgeber in Tirol fordert für den Betrieb von Schneekanonen Trinkwasserqualität, dazu wird in Biberwier das Wasser mit Hilfe einer UV-Anlage entkeimt und somit auf Trinkwasserqualität aufbereitet. Mit Hilfe einer Tauchpumpe wird das Wasser in ein Pumpenhaus an der Mittelstation der Skipiste gepumpt. Vom Pumpenhaus wird das Wasser in die Schneekanone gefördert, wobei diese einen Mindestdruck von 8 bar benötigt. Der erforderliche Mindestdruck wird von Pumpen erzeugt bzw. dem hydrostatischen Druck, der durch den Höhenunterschied hervorgerufen wird.

In einem Kolben-Kompressor der Schneekanone (Fabrikat der Fa. Kaeser, Leistung: 25 kW) wird Luft komprimiert und anschließend abgekühlt. In der Schneekanone kommen 2 Arten von Düsen zum Einsatz. In der einen Düse wird nur das zuvor in der Anlage gefilterte Wasser, in der Anderen wird Wasser zusammen mit Druckluft zu einem Wasser-Druckluftgemisch verdüst.

Der Joule-Thomson-Effekt bewirkt, dass sich aus dem verdüsten Wasser und der sich entspannenden gekühlten Druckluft Schneekristalle bilden. Die Schneekristalle werden von einem Axial-Propeller auf die Skipiste geblasen. Die Düsen befinden sich am vorderen Ende einer „Kanone“ der Propeller am hinteren Ende.

Alle Schneekanonen befinden sich an vorher festgelegten Stellen an der Skipiste. Die festen Stellplätze haben einen Strom- und Wasseranschluss.

In Biberwier werden keine Bakterien oder Chemikalien zu Schneeproduktion verwendet.

Produktionsablauf einer Schneekanone

Um Schnee produzieren zu können müssen in Biberwier folgende Rahmenbedingungen erfüllt sein. Außentemperatur: max. – 4°C, diese werden vorwiegend in der Nacht erreicht. Luftfeuchtigkeit: max. 50%, umso niedriger, desto besser.

Der Produktionsablauf wird von der Rechnerzentrale in der Mittelstation gesteuert. Wenn die äußeren Bedingungen erfüllt sind, werden die Düsen in der Schneekanone vorgeheizt, um eventuell noch vorhandenes Eis zu schmelzen. Die warmen Düsen behindern die Schneeproduktion nicht. Nach ca. 10 min läuft der Axial-Propeller an. Wenn die Düsen ausreichend vorgewärmt sind und der Propeller seine Betriebsdrehzahl erreicht hat, wird die Druckluft im Kompressor erzeugt und mit dem Wasser eingedüst. Die Schneeproduktion beginnt.

Technische Daten:

Leistung der Schneekanone: ca. 25 kW ~ 35 PS Fabrikat: TechnoAlpin M20

Im Winter 2007/08 wurden in Biberwier ca. 120000 m³ Schnee erzeugt. Das maximale Fördervolumen der Wasserpumpe beträgt ca. 300 m³/h. In Biberwier werden zur Zeit 16 Schneekanonen betrieben. Die Kosten einer solchen Kanone belaufen sich auf ungefähr 125000 €. Um Schnee erzeugen zu können muss die rel. Luftfeuchte unter 50% liegen; idealerweise bei ca. 35%. Zudem darf die Temperatur -4°C nicht überschreiten. Solange diese Werte nicht den Grenzbereich überschreiten kann so genannter „trockener Schnee“ erzeugt werden. Wenn diese Bedingungen nicht erfüllt sind, kann kein „trockener“ Schnee hergestellt werden; es entsteht so genannter „Matsch“ d.h. der hergestellte Schnee enthält zuviel ungefrorenes Wasser, womit er sich nicht zum Befahren eignet. Zu dem wird mehr Wasser verbraucht, um genug befahrbaren Schnee zu erzeugen.

Kosten

Eine Schneekanone kostet ca. 125.000€. Die Herstellung von 1m³ Schnee kostet in Biberwier ca. 2€. Die Produktion der Schneekanone beträgt 120.000m³ im Jahr. Das Wasser - wichtigste Material zur Herstellung von Schnee - wird aus dem Fluss Loisach gepumpt und ist somit kostenlos. Das Wasser wird mit UV-Licht auf Trinkwasswerqualität aufbereitet.

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