Carnot-Prozeß im geschlossenen System (Kolben)

Transkript

1 p T 1 = T 2 T 1 = T v T 1 2 T 3 = T 4 T 3 = T Carnot-Prozeß im geschlossenen System (Kolben)

2 Carnot-Zyklus als Kolbenmaschine

3 Carnot-Zyklus als Kolbenmaschine

4 Carnot-Prozess als Kolbenmaschine

5 Carnot-Prozess als 4-Takt-Kolbenmaschine

6 3 1 Isothermal Isentropic Isothermal Isentropic compressor compressor turbine turbine w net q in q out 4 2 Carnot-Prozeß als fiktive Turbomaschine

7 Wirkungsgrad η th (τ) etac( tau) tau 10 Temperaturverhältnis τ = T H /T L Carnot-Wirkungsgrad

8 p 1 4 q in T=const 2 T v=const 1 q in Regeneration 2 q out v q out s Stirling-Prozeß im p-v und T-s-Diagramm

9 Legende: a - Warmer Raum, b Kalter Raum, c Pufferraum, d Verdränger e Kolben, f Erhitzer, g Regenerator, h Kühler Bewegungsablauf des Stirlingmotors

10 Animation Stirlingmotor

11 Realer Wirkungsgrad eines Stirlingmotors

12 Bauweisen des Stirlingmotors

13 Animation 2-Kolben Stirlingmotor

14 p T p=const q in q in Regeneration T=const q out v q out s Ericsson-Prozeß im p-v und T-s-Diagramm

15 Regenerator Wärme Isothermer Verdichter Isotherme Turbine w t q out q in Ericsson-Prozeß als fiktive Turbomaschine

16 Ericsson-Prozeß als fiktive Kolbenmaschine

17 T 1 q in 2 T 1 q in 2 T 1 q in 2 T H T H T H s=const. s=const. Regeneration Regeneration T L 4 q out 3 T L 4 q out 3 T L 4 q out 3 s Carnot-Prozeß Stirling-Prozeß Ericsson-Prozeß s s p 1 T H q in 2 p 1 T H q in 2 p 4 T L 1 q in T H 4 q out T L 3 4 q out T L 3 q out 3 2 v v v Vergleich Idealprozesse mit η th = η C

18 Stationär-Gasturbine

19 Fluggasturbine

20 Militärtriebwerks-Gasturbine

21 offener Zyklus geschlossener Zyklus Offener und geschlossener Joule-Brayton-Zyklus

22 Joule-Brayton-Zyklus (Gasturbinenzyklus)

23 Thermischer Wirkungsgrad η th und normierte technische Arbeit ω beim Joule-Brayton-Prozeß

24 τ = T 3 /T 1, λ = (T 2 /T 1 ) is τ λ τ λ τ λ Wirkungsgrad η th (η V =η T =1) Wirkungsgrad η th (η V =η T =0.8) Wirkungsgrad η th (η V =η T =0.6) τ λ τ λ τ λ techn. Arbeit ω (η V =η T =1) techn. Arbeit ω (η V =η T =0.8) techn. Arbeit ω (η V =η T =0.6) Joule-Brayton-Zyklus mit Verlusten

25 UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN τ = T3/T1, λopt = (T2/T1)is,opt = (ηvηt τ)½ τ η τ η Bereich positiver technischer Arbeit Wirkungsgrad Joule-Prozess (η = ηv = ηt,, λ = λopt) (η = ηv = ηt,, λ = λopt) Joule-Brayton-Zyklus mit Verlusten

26 Mehrstufiger Verdichter im h-s-diagramm

27 η g = λ 2 st 1 λst ηst λ=1.05 η g λ=1.05 λ=1.5 η g η st λ= λ=3 0.2 λ= Stufenwirkungsgrad η st Stufenwirkungsgrad η st Gesamtwirkungsgrad η g beim zweistufigen Verdichter (Stufendruckverhältnis und wirkungsgrad gleich)

28 Mehrstufige Turbine im h-s-diagramm

29 η g = ( 1 ) ( ) 2 λ λ η + η 2 st st st st λ 2 st 1 η g λ=3 λ=1.5 η g η st λ= λ=1.5 λ=3 0.2 λ= Stufenwirkungsgrad η st Stufenwirkungsgrad η st Gesamtwirkungsgrad η g bei zweistufiger Turbine (Stufendruckverhältnis und wirkungsgrad gleich)

30 T p 2 pv n = constant a p i x e c p 1 d 1 p-v-diagramm T-s-Diagramm Optimierung des zweistufigen Verdichters mit Zwischenkühlung

31 Schema T-s-Diagramm Schema einer Gasturbine mit Zwischenkühlung

32 Schema T-s-Diagramm Schema einer Gasturbine mit Wiederaufheizen

33 Schema T-s-Diagramm Gasturbine mit Wiederaufheizen

34 Schema T-s-Diagramm Schema einer Gasturbine mit Regeneration

35 Thermischer Wirkungsgrad η th und normierte technische Arbeit ω beim regenerierten Joule-Brayton-Prozeß

36 Gasturbine mit Zwischenkühlung / Wiederaufheizen / Regeneration

37 Gasturbine mit Zwischenkühlung / Wiederaufheizen / Regeneration

38 Thermischer Wirkungsgrad η th und normierte technische Arbeit ω beim 3-stufig gekühlt / aufgeheizt / regenerierten Joule-Brayton-Prozeß

39 Gasturbine mit Wiederaufheizung

40 Gasturbine mit Wiederaufheizung

41 GT-24/26-Gasturbine (Alstom-Power) SEV-Combustor Fuel injector EV-Combustor EV-Burner LP Turbine HP Turbine Compressor Gasturbine mit Wiederaufheizung

42 ungekühlt eta1( pi) Wirkungsgrad η th (π,τ) gekühlt, eta2( pi τ=3, 3) gekühlt, eta2( pi τ=4, 4) gekühlt, eta2( pi τ=5, 5) pi Druckverhältnis π 60 Wirkungsgrad einer Gasturbine mit zweistufigem gekühlten Verdichter

43 Wirkungsgrad η th (π,τ) ungeheizt eta1( pi) geheizt, eta3( pi τ=3, 3) geheizt, eta3( pi τ=4, 4) geheizt, eta3( pi τ=5, 5) Druckverhältnis π 1 pi 60 Wirkungsgrad einer Gasturbine mit zweistufiger geheizter Turbine

44 η th (π,τ) η th (π,τ) ungekühlt eta1( pi) ungeheizt eta1( pi) gekühlt, eta2( pi τ=3, 3) gekühlt, eta2( pi τ=4, 4) 0.4 geheizt, eta3( pi τ=3, 3) geheizt, eta3( pi τ=4, 4) 0.4 gekühlt, eta2( pi τ=5, 5) geheizt, eta3( pi τ=5, 5) pi Druckverhältnis π pi Druckverhältnis π 60 nur Zwischenkühlung nur Wiederheizen Wirkungsgrad einer Gasturbine mit Zwischenkühlung / -heizung

45 Wirkungsgrad η th (π,τ) regeneriert, etar( pi τ=3, 3) 0.5 regeneriert, etar( pi τ=4, 4) regeneriert, etar( pi τ=5, 5) ohne Regeneration etaj( pi) Druckverhältnis π 1 pi 60 Wirkungsgrad einer einfachen Gasturbine mit Regeneration

46 Nettoarbeit ω(π,τ) [ w t / (c p T 1 ) ] ohne, om( pi τ=3, 3) ohne, om( pi τ=5, 5) gekühlt, omv( pi τ=3, 3) gekühlt, omv( pi τ=5, 5) geheizt, omt( pi τ=3, 3) geheizt, omt( pi τ=5, 5) gekühlt + geheizt, omvt( τ=3 pi, 3) gekühlt + geheizt, omvt( τ=5 pi, 5) τ = τ = Druckverhältnis π 1 pi 60 Normierte technische Arbeit einer Gasturbine mit Kühlung / Heizung

47 Wirkungsgrad 0.9 η th (π,τ) 0.8 τ = 5 Regeneration mit Kühlung / Heizung, etavtr( pi τ=3, 3) Regeneration mit Kühlung / Heizung, etavtr( pi τ=5, 5) einfache Regeneration, etar( pi, 3τ=3 ) einfache Regeneration, etar( pi, τ=5 5) einfacher Joule-Prozess etaj( pi) τ = pi Druckverhältnis π 60 Wirkungsgrad einer Gasturbine mit Kühlung / Heizung und Regeneration

48 Konzept Fluggasturbine mit Wärmetauscher (MTU)

49 MTU - Wärmetauscher für Flug- und Panzergasturbinen Abgasströmung Verdichterluft-Eintritt Luft zur Brennkammer Turbinenströmung Wärmetauscher für Fluggasturbinen

50 T s Ericsson-Prozeß im T-s-Diagramm

51 T s Regenerierter Joule-Prozeß im T-s-Diagramm

52 T stufiger Joule-Prozeß im T-s-Diagramm (Zwischenkühlung, Aufheizen und Regeneration) s

53 T s 3-stufiger Joule-Prozeß im T-s-Diagramm (Zwischenkühlung, Aufheizen und Regeneration)

54 T T einfacher regenerierter Joule-Prozeß s zweistufiger regenerierter Joule-Prozeß s 1400 T T dreistufiger regenerierter Joule-Prozeß s regenerierter Ericsson-Prozeß s Carnotisierung des regenerierten Joule-Prozesses

55 Schema Kolbenmotor

56 Indikatordiagramm p(x) p Schema eines Viertaktmotors

57 Viertakt Ottomotor

58 φ = 1 (Otto) 0.6 etao ( eps ) 0.5 φ = 3 φ = 4 etad ( eps, 2) Wirkungsgrad etad ( eps, 3) η th (r) 0.4 φ = 2 etad ( eps, 4) r Otto r Diesel eps Verdichtungsverhältnis r 30 Wirkungsgrad des idealisierten Otto- und Dieselmotors

59 Schema eines Kraftwerks mit Dampfturbine

60 Offenes System Dampfturbine

61 T-s-Diagramm für Wasser

62 Einfacher Rankine-Zyklus

63 Rankine-Zyklus mit einfachem Überhitzen

64 Rankine-Prozeß auf p-v-t-zustandsfläche

65 Rankine-Prozeß auf T-p-s-Zustandsfläche

66 Rankine-Prozeß auf h-p-s-zustandsfläche

67 Rankine-Zyklus mit Überhitzen und Speisewasservorwärmung

68 Gasturbinenzyklus mit Speisewasservorwärmung und geschlossenem Wärmetauscher

69 Wirkungsgrad Clausius-Rankine-Prozeß

70 Wärmeschaltbild des Kohlekraftwerks Bexbach

71 Wärmeschaltbild Druckwasser-Kernkraftwerk (Biblis B)

72 1 2 3 HD-Turbine MD-Turbine ND-Turbinen Dampfturbine

73 Schema T-s-Diagramm Schema einer zweistufigen Dampfturbine mit Quecksilberdampf und Wasserdampf als Arbeitsmittel

74 Wirkungsgradentwicklung von Dampfkraftwerken

75 Umwandlung von Primärenergie in elektrische Energie

76 Kopplung von Wärmeerzeuger und Wärmekraftmaschine mittels Dampferzeuger

77 Schema eines Kombikraftwerks (Gasturbine + Dampfturbine)

78 Schema einer Kältemaschine

79 log(p)-h-diagramm (H 2 O)

80 Dampfdruckkurven einiger Kältemittel

81 Kältemaschinenzyklus

82 Kältemaschinenzyklus im T-s- und p-h-diagramm

83 2-stufiger Kältemaschinenzyklus

84 Schema eines einfachen Klimageräts

85 p T Sommer innen Kühlen Winter Heizen Dampfdruckkurve p(t) T s Kompakt-Klimagerät-Prozeß

86 Schema einer Luftkühlung im Flugzeug