Technologie: Wirtschaft 9783534273690, 9783534273706, 9783534273713

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Telekolleg

Technologie Wirtschaft Eckhard Huber

Telekolleg Telekolleg wird veranstaltet von den Bildungs- und Kultusministerien von Bayern und Brandenburg sowie vom Bayerischen Rundfunk (BR). Nähere Informationen zu Telekolleg: www.telekolleg-info.de Dieser Band enthält das Arbeitsmaterial zu den vom Bayerischen Rundfunk produzierten Lehrsendungen.

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Inhalt 5

Vorwort

1.

Energieumwandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1 Arbeit und Energie in der Natur . . . . . . . . . . . .. .. . 6 1.2 Arbeit und Energie in der Zivilisation 7 7 1. 3 Definition von Arbeit, Energie und Leistung . 9 1.4 Energieübertragungssysteme 15 1.5 Energie als Wirtschaftsgut ... ..... .... .

2.

Thermodynamische Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 .1 Die Entwicklung der Wärmekraftmaschinen .... . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Thermodynamische Systeme und Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 .3 Wärmekraftmaschinen . . . ..................... 2.4 Kraft-Wärme-Maschinen . .... . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . .

. . . . .

22 22 23

28 33

3.

Kraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1 Wasserkraftwerke . . .. . ... . 37 3.2 Windkraftwerke .... . . ... ... . 41 43 3.3 Generatoren . . . . . . . . .. .... . 47 3.4 Verteilung der elektrischen Energie 48 3.5 Kohlekraftwerke 51 3.6 Gaskraftwerke . 52 3.7 Kernkraftwerke . 3.8 Solarkraftwerke . 55

4.

Optimierter Energieeinsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 59 4.1 Optimierung von Verkehrsmitteln und -systemen 4.2 Energieoptimierung in Kraftwerken ... .. .. .. . 73 4 .3 Energiemanagement in Industrie und Hau shalt .. 74 4.4 Wärmedämmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

5.

Werkstoffe und ihre Verwendung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Werkstoffe und Zivilisation . . . . . .... . . . .. 5 .2 Technologie der Stahlerzeugung ..... ... . . 5 .3 Aluminium . . . . . . . . . . . . . . ......... 5.4 Mikrostrukturen von Metallen ................ . 5.5 Kunststoffe . . . . . . . . . . . . . . ............... .

. . . .

80

80 81

87 90 92

6.

Werkstoffoptimierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1 Belastungen von Werkstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.2 Werkstoffoptimierung ...... .. .. .. .. ...... . . . .. .. .. ... ..... 6.3 Verwendung von Werkstoffen im Vergleich . . .... .. ... . . . . . . . . . . . .

97 97 105 111

7.

Kommunikationstechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 7.1 Die Entwicklung der Kommunikationstechnik . . . . . . . . . . . . ... .. .. .. 113 7.2 Nachrichtenübertragungssysteme . . . . . . . . . . . . ........ .. . . ... ... 115

Lösungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 Register

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

Vorwort Der Begriff Technologie umfaßt im eigentlichen Sinn nur einen Teilbereich der Technik, nämlich die Herstellungs- und Verarbeitungskunde. In Anlehnung an die Bedeutung des englischen Wortes „technology" steht er jedoch auch hierzulande als Synonym für die gesamte wissenschaftliche Technik. Deshalb wurde für das vorliegende Buch, das ausgewählte Bereiche der Technik beschreibt, der Titel „Tech nologie" gewählt. Der Lehrstoff lehnt sich an die Lehrpläne Technik bzw. Technologie der Fachoberschulen an, wenn gleich infolge der Stoffülle, die unmöglich in einem Fernsehkurs mit 7 Lektionen vermittelt werden kann, eine Auswahl getroffen werden mußte . Das Curriculum für den Fernsehkurs TELEKOLLEG M ULTIMEDIAL-Technologie und das Begleitbuch deckt die Felder der untenstehenden Matrix ab . Wie die Grafik zeigt, ergibt sich eine Grobstruktur der Technik aus der Kombination der drei technischen Grundgrößen Materie, Energie und Information mit den Grundfunktionen Wandlung, Transport und Speicherung. Als besonders übersichtlich zur Beschreibung einer technischen Anlage hat sich die Methodik des Systems bzw. technischen Systems erwiesen. Man gibt dabei die Eingangsgrößen bzw. Anforderungen an, die an die Einrichtung gestellt werden - unter Berücksichtigung gewisser Nebengrößen, wie z.B. Energie- und Materialverbrauch - und die gewünschten Ausgangsgrößen, ohne sich zunächst um die Reali sierung im Detail zu kümmern . Bei Bedarf läßt sich das betrachtete System in Subsysteme zerlegen, die dann genauer analysiert werden können . Wo es zweckmäßig ist, wird auch in diesem Kurs vom System begriff Gebrauch gemacht. Das vorliegende Buch enthält den vollständigen Stoff der Fernsehlektionen, wenn auch teilweise in an derer, medienspezifischer Aufbereitung. Zur Kontrolle des Verständnisses ist es dringend empfehlenswert, wenigstens einen Teil der Übungsaufgaben am Ende jeder Lektion zu bearbeiten und anhand des Lösungsteils zu überprüfen. Der Verfasser

~

Wandlung

Transport Übertragung

..cu

Verfahrenstechnik Fertigungstechnik

Fördertechnik Verkehrstechnik

~ ..cu

Energieumwandlungstechnik

Energieübertragungstechnik

Speicherung

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Materie

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Trennen Mit Trennen bezeichnet man die Formänderung eines festen Körpers, bei der der Zusammenhalt zumindest teilweise aufgehoben wird. Aus der Vielzahl der Verfahren wird das Zerteilen und das Spanen näher beschrieben. Das Zerteilen ist ein Trennverfahren, bei dem das Werkstück durch mechanische Einwirkung eines Werkzeugs ohne Späne getrennt wird .

Beim Scherschneiden z. B. dringen zwei harte Schneiden von beiden Seiten in das Werkstück ein. Wegen des dabei auftretenden Drehmoments muß das Werkstück dabei von einem Niederhalter fixiert werden. Bei weiterer Verringerung des Querschnitts reißt häufig das Kristallgitter ein und es kommt zum Bruch. F

Niederhalter

Untermesser

bleibt der abfließende Span zusammenhängend, dabei ergeben sich glatte Oberflächen. Bei automatischer Fertigung können die zusammenhängenden Späne aber die Maschine behindern. Man verwendet dann Werkstücke aus einer Stahlsorte, bei der die Späne in kleine Stücke brechen. Werkzeugschneiden zur Stahlbearbeitung werden aus gehärtetem Stahl, aus Hartmetallen und aus keramischen Werkstoffen hergestellt. Die beiden letztgenannten Schneidstoffe sind spröde und teuer, daher befestigt man sie mit geeigneten Verfahren, wie Löten oder Kleben, auf Werkzeughaltern aus Stahl. Zu den spanenden Trennverfahren zählen u. a. das Feilen, Sägen, Hobeln, Fräsen, Bohren, Drehen und Schleifen.

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Abb. 5.8 Scherschneiden Das Scherschneiden in Form des Stanzens, bei dem ein Stempel mit schneidendem Rand einen Teil aus dem Werkstück durch ein dem Stempelquerschnitt entsprechendes Loch drückt, wird sehr häufig bei der Bearbeitung von Blechen angewandt. Einerseits können damit Kleinteile aus großen Blechstücken hergestellt werden, andererseits lassen sich Durchbrüche rascher schaffen als mit spanenden Trennverfahren. Beim Spanen dringt ein keilförmiges Werkzeug aus hartem Material auf einer vorbestimmten Bahn in das Werkstück ein und trennt Werkstoffteilchen in Form von Spänen ab. Der Span wird vor der Werkzeugfläche gestaucht und fließt gerollt ab . Sind die Werkstoffe zäh, so

Schneidwerkzeug

Spiralbohrer

Fräser

~

kM

Holzsäge

Feile

Abb. 5.10 Trennwerkzeuge

Die genannten Verfahren zum Trennen und Umformen können weitgehend auch auf andere Metalle (z.B. Aluminium) und Legierungen (z.B. Messing) angewendet werden .

Abb . 5.9 Spanen

85

5

5.2.4 Wärmebehandlung von Stählen

Durch unterschiedliche Aufheizgeschwindigkeiten, Haltezeiten und -temperaturen sowie Abkühlzeiten kann man in einem Stahlwerkstück Zwangszustände schaffen oder aufheben. Auf diese Weise lassen sich die Eigenschaften von Stählen verändern. Die mikroskopische Ursache dieser Änderungen liegt im Umlagern von Atomen oder Molekülen im Werkstoff.

dieses Vergüten steigen aber Dehnbarkeit und Zähigkeit des Materials.

Halten Abschrecken

Erwärmen

H

E Abkühlen

Härten Härten

Kohlenstoffstähle können durch Wärmebehandlung gehärtet werden, dabei nimmt allerdings die Dehnungsfähigkeit bzw. Zähigkeit ab . Beim Abkühlen von y-Eisen geschieht zweierlei: Die Elementarzellen ordnen sich von kubischflächenzentriert zu kubisch-raumzentriert. Der Kohlenstoff diffundiert aus den Elementarzellen, da a-Eisen keinen Kohlenstoff löst. Beim Härten wird das Stahlwerkstück im Prinzip bis zur vollständigen Umwandlung zu y-Eisen erhitzt. Wenn es nun sehr rasch abgekühlt wird durch Abschrecken in Wasser oder Öl, ändert sich zwar das Kristallgitter aufkubisch-raumzentriert, aber die Kohlenstoffatome können nicht aus den Kristalliten ausdiffundieren. Es entsteht ein durch die eingelagerten Kohlenstoffatome stark verzerrtes Kristallgitter, der Martensit, der eine sehr große Härte aufweist.

Anlassen und Vergüten

Die Abkühlungsgeschwindigkeit zur Bildung von Martensit ist bei massiven Werkstücken nur im Außenbereich genügend hoch. Martensit hat ein etwas größeres Volumen als das sich innen befindliche a-Eisen, so daß im Werkstück Spannungen entstehen. Zur Verminderung der Härtespannungen erwärmt man das Werkstück auf 100 bis 300 °C. Dadurch lagern sich die Kohlenstoffatome auf günstigere Zwischengitterplätze um, ohne daß die Härte wesentlich nachläßt. Man bezeichnet dieses Vorgehen als Anlassen. Bei noch höheren Temperaturen von 400 bis 600 °C sinken Härte und Zugfestigkeit. Durch

86

Anlassen

t---Abb. 5.11 Zeitlicher Temperaturverlauf beim Härten und Anlassen

Randschichthärten

Für viele Werkstücke, z.B. Zahnräder oder Nockenwellen, ist ein zäher Werkstoff mit einer verschleißfesten Oberfläche erforderlich. Man erreicht dies durch das sog. Flammhärten. Dabei wird das Werkstück mit leistungsfähigen Gasbrennern so rasch aufgeheizt, daß sich nur die Randzone bis zur Umwandlungstemperatur erhitzt, danach wird das Werkstück sofort mit Wasser abgeschreckt. Noch dünnere Schichten der Härtezone erreicht man durch Induktionshärten . Mit einem Hochfrequenzmagnetfeld erzeugt man Wirbelströme, die je nach Frequenz nur Bruchteile eines Millimeters in das Material eindringen. Entsprechend dünn ist die erwärmte Schicht. Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehalt werden zum Härten in der Randschicht mit Kohlenstoff angereichert (Einsatzhärten). Manche Stahllegierungen härtet man durch Behandlung mit Stickstoff (Nitrieren).

5.2.5 Ökonomische und ökologische Bewertung von Stahl

Durch Korrosion des Eisenwerkstoffs, hauptsächlich durch Rosten, die Bildung einer lockeren Mischung verschiedener Eisenoxide, gehen alljährlich Milliardenwerte verloren - trotz umfangreicher Korrosionsschutzmaßnahmen,

wie Überziehen mit weniger anfälligen Metallen (Zink, Zinn), Lackieren oder Beschichten mit Kunststoff. Nichtrostende Stahllegierungen sind wegen der teuren Legierungsbestandteile und in manchen Bereichen auch wegen unzureichender mechanischer Kennwerte keine Alternative zu den Kohlenstoffstählen . Trotz der Verluste ist Stahl im Vergleich zu dem in vielen Bereichen konkurrierenden Aluminium ein preiswerter Werkstoff, da die Erze preisgünstig zu gewinnen und die Energiekosten für die Verhüttung im Vergleich zu Aluminium wesentlich niedriger sind. Die Umweltbelastung bei der Herstellung von Stahl ist nach dem Einbau entsprechender Filteranlagen nur noch regional von Bedeutung. In den Stahlverarbeitungsbetrieben ( z.B. Härtereien) werden zum Teil hochgiftige Substanzen verwendet, die nach Gebrauch in Sonderdeponien gelagert werden müssen. Beim bestimmungsgemäßen Gebrauch von Artikeln aus Stahl sind durch den Werkstoff selbst keine besonderen Umweltbelastungen zu erwarten. Größere Gegenstände aus Stahl werden zumindest in den Industriestaaten über den Schrotthandel wieder den Stahlwerken zugeführt.

5.3

Aluminium

5.3.1 Eigenschaften Reines Aluminium ist ein silberweißes, relativ weiches Leichtmetall, das sehr gut dehnbar und verformbar ist . Es läßt sich zu feinen Drähten ziehen und zu dünnen Blechen und feinen Folien walzen. Bei einer Erwärmung über 60ü°C nimmt es eine körnige Struktur an, die sich nach dem Abkühlen in Körner, Grieß oder Pulver (Aluminiumbronze ) zerteilen läßt. Aluminium hat eine relativ niedrige Schmelztemperatur und besitzt eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit und gute Wärmeleitfähigkeit . Obwohl es ein relativ unedles Metall ist - es steht in der Spannungsreihe zwischen Mangan und Magnesium - ist es gegen Luftfeuchtigkeit und Luftsauerstoff viel unempfindlicher als Eisen . Dies

beruht auf der dünnen Oxidschicht, die sich bei frisch angeritztem Aluminium innerhalb weniger Sekunden bildet und das darunter liegende Aluminium vor weiterer Korrosion schützt. Fein verteiltes Aluminium verbrennt an der Luft unter Lichtblitz und starker Wärmeentwicklung zu Aluminiumoxid: 4 Al+ 3 0 2 ➔ 2 A1 2 0 3 + 3352 kJ/ mol

5.3.2 Anwendung Aluminium und seine Legierungen gehören wegen der geringen Dichte ( g= 2,7 kg/dm 3 ) bei gleichzeitig (vor allem in legierter Form) guter Zugund Druckfestigkeit heute zu den wichtigsten Werkstoffen zum Bau von Profilen, Rohren und Blechen. Legierungen mit nur wenigen Prozent an Fremdmetallen, wie Kupfer und Zink, erreichen mit einer Zugfestigkeit Rm > 500 N/mm 2 etwa die Hälfte der Zugfestigkeit guter Stahllegierungen, das Gewicht beträgt aber bei gleichen Abmessungen weniger als ein Drittel eines Stahlbauteils. In der Lebensmittelindustrie ist Aluminiumfolie ein wichtiges, weil leichtes und korrosionsfestes Verpackungsmittel. Das Metall dient aber auch zur Herstellung von Kochgeschirr, Milchkannen und Trinkbechern. Aluminiumbronze wird in Rostschutzfarbe eingesetzt und spielt bei der Herstellung von Feuerwerkskörpern und Sprengstoffen eine Rolle. Reinstes Aluminium wird in elektrischem Leitermaterial eingesetzt, z.B. in Hochspannungsleitungen. Duraluminium ist eine wichtige Aluminiumlegierung für den Fahrzeug- und Maschinenbau und für die Luftfahrt . Sie enthält neben dem Aluminium etwa 4 % Kupfer, 0,5 % Magnesium und 0,6 % Mangan sowie Spuren von Eisen und Silizium.

Abb. 5.12 Autokarosserie aus Aluminium

87

5

5.3.3 Erze und Vorkommen Aluminium ist nach Sauerstoff und Silizium das am häufigsten zu findende Element in der Erd kruste. Es kommt auf ca. 8 %. Viele silicatische Steine enthalten Aluminium, wie z.B. Kaolin und andere Tone, Nephalin, Leuzit, Labradorit, An dalusit und Alunit. All diese Stoffe könnte man zur Aluminiumherstellung benutzen. Im Moment jedoch sind noch genügend Erze vorhanden. Das bekannteste Erz, aus dem man Aluminium gewinnt, ist das Bauxit. Bauxit ist ein Verwitterungsgestein , welches 55 65 % Al 2 0 3 enthält. Unter anderem ist noch wasserhaltiges Eisen(III)-oxid, Kieselsäure, und Titanrncid enthalten. Chemisch läßt sich Bauxit an1 besten als Al 2 0 3 · H 2 0 Komplex oder als AlO(OH ) beschreiben.

Dabei wird zunächst reines Aluminiumoxid hergestellt, das durch die Schmclzflußelcktrolysc in Aluminium und Sauerstoff zerlegt wird. Es gibt jedoch einige Verfahren, die es ermögli chen, Aluminium direkt aus dem Erz zu gewinnen. Man setzt dem Bauxit ein Metall mit geringerer Affinität zum Sauerstoff und Kohlenstoff zu . Es könnte sich z.B. um Silizium handeln. Man erhält nun bei dem reduzierenden Verschmelzen im Elektroofen eine Al -Vorlegierung mit dem Zusatzmetall. Durch versc hiedene Verfahren kann nun reines Aluminium oder eine Legierung gcwi.insch tcr Zusammensetzung hergestellt werden.

Herstellung von Aluminiumoxid

Die wichtigsten genutzten Bauxitvorkommen liegen in Südfrankreich, Ungarn, im ehemaligem Jugoslawien, in Griechenland, Russland , Indien, Indonesien, Guyana, Brasilien, Jamaika und Westafrika (Goldküste).

Das wichtigste Verfahren zur Herstellung von Aluminiumoxid ist das Bayer-Verfahren. Dieses Verfahren ist so weit entwickelt und verfeinert worden, daß nun alle Bauxitqualitätcn verarbeitet werden können. Der Bauxit wird getrocknet, fcingcmahlen und mit der Aufschlußlaugc NaOH bei 100- 230 °C behandelt . Dabei geht das Aluminium als Natriumaluminat in Lösung, während Eisenoxid, Titan oxid und Kieselsäure ungelöst bleiben und den sog. Rotschlamm bilden . Um Aluminiumhydroxid auszufallen, wird die Lauge mit Aluminiumhydroxid geimpft und das Aluminiumhydroxid ausgcrührt. Dieses wird abfiltriert und in Drehöfen geschüttet. In den Dreh öfen herrscht eine Temperatur von 1 200- 1 300 °C. Somit wird das Aluminiumhydroxid entwässert und Al 2 0 3 entsteht. Die Herstellung des reinen Alu miniumoxids ist erforderlich, da bei der an schließenden Schmelzflußclcktrolysc sonst Eisen, Titan und Silizium in das Aluminiummetall gehen würden.

5.3.4 Aluminiumgewinnung

Schmelzflußelektrolyse

Aus dem Bauxit kann Aluminium nicht direkt durch die Reduktion mittels Kohle gewonnen werden , da das Metall eine starke Affinität zu Sauerstoff besitzt . Eine Temperatur von über 1 80ü°C wäre erforderlich, um Aluminiumkarbid zu gewinnen . Somit läuft die Aufbereitung zweistufig ab.

Die Schmelztemperatur von Aluminiumoxid liegt bei 2 045 °C. Des weiteren leitet Al 2 0 3 den Strom sehr schlecht. Zur Herstellung der Schmelze und zur Aufrechterhaltung der Arbeitstemperatur müßte man sehr viel Energie aufwenden. Dies wi.irde das Verfahren jedoch unrentabel machen .

Abb. 5.13 Bauxitabbau in Jamaika

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Um also mit niedrigeren Temperaturen zu arbei ten, wird Aluminiumoxid in einer Schmelze aus Kryolith zersetzt. Kryolith ist ein Natrium -Aluminium-Fluorid. Die Schmelze besteht aus ungefähr 8 % Al 2 0 3 und 80 % Kryolith. Der Rest besteht aus Aluminium- und Lithiumfluorid . Diese Stoffe erhöhen die Leitfähigkeit und senken die Schmelztemperatur. Der Elektrolyseofen besteht aus einer mit Kohlenstoffsteinen ausgekleideten Eisenwanne. Dieser Kohlenboden bildet die Kathode. In ihr sind Stahlschienen zur Stromzufuhr eingelegt. Als Anoden dienen die von oben hineinragenden Blöcke aus Kohlenstoff. Diese Blöcke sind beweglich, so daß der Abstand zwischen Kathode und Anode regt1liert und konstant gehalten werden kann. Die Zerlegung des Aluminiumoxids in dieser Schmelze erfolgt bei 950-970 °C. Al 2 0 3 wird dabei ständig zugesetzt. Die Schmelztemperatur bleibt erhalten, da ein Teil der elektrischen Energie in Wärmeenergie umgewandelt wird. Die Zellspannung beträgt 4,5 V- 5 V. In vereinfachter Form laufen folgende Vorgänge an den Elektroden ab: Der frei werdende Sauerstoff setzt sich bei der Zerlegung von Al 2 0 3 an den Anoden zu Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxid um. Da das flüssige Aluminium eine höhere Dichte besitzt als die Schmelze, lagert es sich am Boden der Wanne an und wird so zur Kathode. Die Schmelze schützt das Aluminium vor Oxidationen. Das geschmolzene Aluminium wird von Zeit zu Zeit abgesaugt und gelangt in Warmhalteöfen. In diesen werden Gase und restliche Fremdstoffe abgeschieden. Das Aluminium wird dann in Barren gegossen und ist nun bereit zum Abtransport .

Tonerde

(t)

Abb. 5.15 zeigt eme Elektrolysezelle für eme Stromstärke von 300 kA. Sichtbar sind die Kohleanoden, die Elektrolysewanne ist in den Boden eingelassen. Die Abdeckung wird nur entfernt, um Aluminiumoxid nachzufüllen, da sonst schädliche Gase entweichen.

Aus 4 t Bauxit erhält man rund 2 t Al 2 0 3 und daraus etwa 1 t Aluminium mit einem Reinheitsgrad von ca. 99,5 %-99,9 %. In Aluminiumöfen für Stromstärken bis zu 150 000 A liegt der Verbrauch an elektrischer Energie bei 14- 15 kWh je kg Aluminium.

Bilanz der Gewinnung von 1 t Aluminium Rohstoffe: • 4 000 kg Bauxit • 150 kg Natriumhydroxid • 50 kg Kryolith • 600 kg Kokselektroden Energieverbrauch: Theoretischer Verbrauch:

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KryoHth

5

Abb. 5.15 Aluminium-Elektrolysezelle

,H

1 t Aluminium entspricht 37 065 mol Al. Pro mol benötigt man 2,160 MJ Reaktionsenthalpie. Die Grundmenge an Energie ist also 80 060 MJ (= 22 020 kWh) Aluminium.

6Vott 160 kA

Tatsächlicher Verbrauch: 136 460 M] (= 37 530 k Wh)

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