Wärmekraftmaschinen. Kolbenmaschinen Motoren Strömungsmaschinen Turbinen

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1 Wärmekraftmaschinen Physik der En nergiegewinnu Kolbenmaschinen Motoren Strömusmaschinen Turbinen Warum ist der Wirkusgrad eines Dieselmotors höher als eines Ottomotors? Was sind GuD-Kraftwerke? Wie funktioniert eine Dampf- bzw. Gasturbine? Wie lässt sich der Wirkusgrad realer Maschinen erhöhen? H. Podlech 1

2 Thermodynamische h Grundlagen von Wärmekraftmaschinen Physik der En nergiegewinnu1. Hauptsatz 2. Hauptsatz reversibel H. Podlech 2

3 Zustandsgröße Physik der En nergiegewinnu Zustandsgrößen beschreiben den Zustand eines physikalisches Systems und zwar unabhäig vom Verlauf des Erreichens dieses Zustandes. P: Druck V: Volumen T: Temperatur N: Teilchenzahl S: Entropie U: innere Energie μ: chemisches Potential H: Enthalpie H. Podlech 3

4 Q: Wärme W: Arbeit Physik der En nergiegewinnu Keine Zustandsgrößen, weil das System nicht in eindeutiger Weise bestimmt t wird. Zustandsgrößen sind i.a. nicht unabhäig Allgemeine Gasgleichu H. Podlech 4

5 Zustandsänderu: Physik der En nergiegewinnu Der Zustand eines Systems lässt sich durch Änderu der Zustandsgrößen verändern. Isotherme ZÄ Isochore ZÄ Isobare ZÄ Isentrope ZÄ Polytrope ZÄ H. Podlech 5

6 Wärmekapazität nergiegewinnu Physik der En Für 1 Mol gilt: R=8.31 J/(mol*K) Adiabatenexponent H. Podlech 6

7 Isochore Zustandsänderu Volumen = konstant Physik der En nergiegewinnu Innere Energie ändert sich durch Wärmeabgabe bzw. -aufnahme dw=vdp H. Podlech 7

8 Isochore Zustandsänderu nergiegewinnu Physik der En Bsp.: Luft-Benzin-Gemisch wird in der Totlage des Zylinders gezündet. H. Podlech 8

9 Isobare Zustandsänderu Druck = konstant Physik der En nergiegewinnu Bei gleich bleibendem Druck wird von dem Gas Wärme zu- bzw. abgeführt. Dabei ändert sich entsprechend das Volumen. dw=pdv Gay-Lussac H. Podlech 9

10 Isobare Zustandsänderu nergiegewinnu Physik der En Bsp.: Heissdampf wird in einem Wärmetauscher abgekühlt. H. Podlech 10

11 Isotherme Zustandsänderu Temperatur = konstant Physik der En nergiegewinnu Innere Energie bleibt konstant. Die Arbeit bei Volumenänderu muss von dem Gas als Wärme zu- oder abgeführt werden Boyle-Mariotte H. Podlech 11

12 Isentrope (adiabatische) Zustandsänderu Entropie = konstant Physik der En nergiegewinnu Kein Wärmekontakt Mit der Umgebu Bei isentroper Expansion gibt das Gas Arbeit ab und kühlt sich dabei ab. H. Podlech 12

13 Isentrope Zustandsänderu Isentropen verlaufen steiler als Isothermen im PV-Diagramm Physik der En nergiegewinnu 1 Adiabatenexponent isotherm isentrop H. Podlech 13

14 Isentrope Zustandsänderu Physik der En nergiegewinnu 2 Bei isentropen ZÄ verändern sich P,T,V gleichzeitig Zusammenha zwischen P,T und V wird durch die Adiabateleichuen beschrieben Polytrope: n=1 k Isotherme-Isentrope I t H. Podlech 14

15 Zustandsänderuen im S-T-Diagramm Physik der En nergiegewinnu Isentrope PV-Diagramm: Fläche = Arbeit ST-Diagramm: Fläche = Arbeit, Wärme Isentrope ist eine Senkrechte Im S-T-Diagramm H. Podlech 15

16 Zustandsänderuen im S-T-Diagramm nergiegewinnu Physik der En Isochore Isobare Isotherme 3 H. Podlech 16

17 Kreisprozesse Physik der En nergiegewinnu Abfolge von Zustandsänderuen eines Gases, die eine geschlossene Kurve im P-V- oder S-T-Diagramm darstellen i.a. ein periodischer Vorga Carnot-Prozess Otto-Prozess Diesel-Prozess Joule-Prozess Rankine-Prozess H. Podlech 17

18 Carnot-Prozess Physik der En nergiegewinnu S. Carnot: Ienieur der Ecole Polytechnique Paris 1824: vollkommene Maschine, verlustfrei, unabhäig von der Arbeitssubstanz oder Konstruktionsprinzip Höchster Wirkusgrad aller denkbaren Wärmekraftmaschienen Theoretische Beschreibu durch Clausius (1865) H. Podlech 18

19 Umwandlu von Wärme in Arbeit: Carnot Physik der En nergiegewinnu 1 2: Isotherme Expansion 2 3: Isentrope Expansion 3 4: Isotherme Kompression 4 1: Isentrope Kompression H. Podlech 19

20 Umwandlu von Wärme in Arbeit: Carnot H. Podlech 20 Physik der Energiegewinnu

21 Umwandlu von Wärme in Arbeit (Kraftswerksprozess) Physik der En nergiegewinnu Dampfkraftprozess Clausius-Rankine-Prozess R.J.E. Clausius ( ) W.J.M. Rankine ( ) H. Podlech 21

22 Wasser und Wasserdampf Physik der En nergiegewinnu Höchste Wärmekapazität aller Flüssigkeiten Höchste Oberflächenspannu (außer Hg) Höchste Verdampfusenthalpie Dichteanomalie p-t-diagramm H. Podlech 22

23 Wasser nergiegewinnu Physik der En Unter Druck: Schmelzen des Eises Fließen von Gletschern H. Podlech 23

24 Wasser und Wasserdampf p-v-t-diagramm Anomalie Physik der En nergiegewinnu Kritischer Punkt: Siedelinie Flüssigkeit und Dampf nicht mehr unterscheidbar gleiche Dichte Verdampfuswärme null Sublimationsgebiet Nassdampfgebiet Taulinie H. Podlech 24

25 Wasserdampf: X-Parameter Physik der En nergiegewinnu Siedelinie 100 bar 20 bar Taulinie Trockendampf Nassdampf Wärmezufuhr H. Podlech 25

26 Clausius-Rankine-Prozess Physik der En nergiegewinnu 1 2: Isentrope Verdichtu flüssiger Phase 2 3: Isobare Wärmezufuhr (Vorwärmu, Verdampfu) 3 4: Isentrope Expansion : Isobare Wärmeabfuhr und Kondensation FDit F. Dietzel, ltechnische hi h Wärmelehre lh H. Podlech 26

27 Clausius-Rankine-Prozess Dampfüberhitzu Wirkusgrad Physik der En nergiegewinnu Erhitzu, Druckerhöhu, Sieden Verdampfen Überhitzu, Höhere Temperatur und Druck Isentrope Kompression Isentrope Expansion F. Dietzel, Technische Wärmelehre H. Podlech 27

28 Clausius-Rankine-Prozess Physik der En Festigkeitseigenschaften der Werkstoffe nergiegewinnuproblem: Zurzeit 250 bar und 650 C Aber: Höherer Wirkusgrad wird vollständig durch höhere Investitionskosten aufgezehrt H. Podlech 28

29 Clausius-Rankine-Prozess: Realer Prozess nergiegewinnu Physik der En Der realer Wirkusgrad ist etwa 10% niedriger als der ideale. K. Strauß, Kraftwerkstechnik H. Podlech 29

30 Clausius-Rankine-Prozess H. Podlech 30 Physik der Energiegewinnu

31 Joule-Prozess (Gasturbinen) Physik der En nergiegewinnu Verdichtetes Gas wird erhitzt (Verdichter). In der Turbine wird es isentrop expandiert und Wärme in Rotationsenergie umgewandelt. 1 2: isentrope Kompression (Luft) 2 3: isobare Expansion (Einspritzu & Selbstzündu) 3 4: isentrope Expansion (Arbeitsabgabe) 4 1: isobare Entspannu (Ablass der Abgase) H. Podlech 31

32 Joule-Prozess Physik der En nergiegewinnu Arbeitsmittel: Homogenes Gas 1 2: isentrope Kompression (Luft) 2 3: isobare Expansion (Einspritzu & Zündu) 3 4: isentrope Expansion (Arbeitsabgabe i. d. Turbine) 4 1: isobare Kompression (Ablass der Abgase) H. Podlech 32

33 (idealer) Joule-Prozess isobar nergiegewinnu Physik der En Arbeit Turbine Arbeit Verdichter V 1 /V 2 =V 4 /V 3 H. Podlech 33

34 Gleiches Volumenverhältnis bei Verdichtu und Expansion Joule-Prozess Physik der En nergiegewinnu Adiabateleichu Adiabateleichuen Einsetzen in Isobaren Verdichter-T H. Podlech 34

35 Joule-Prozess Physik der En nergiegewinnu k=1.4 (Luft) Kleiner als Carnot K. Strauß, Kraftwerkstechnik H. Podlech 35

36 Joule-Prozess Zusammenha zwischen Nutzarbeit und Wirkusgrad nergiegewinnu Physik der En wegen H. Podlech 36

37 Joule-Prozess Zusammenha zwischen Nutzarbeit und Wirkusgrad nergiegewinnu Physik der En wegen H. Podlech 37

38 Joule-Prozess Für welche Temperatur T 2 hat W N ein Maximum? Physik der En nergiegewinnu wegen H. Podlech 38

39 Joule-Prozess Physik der En nergiegewinnu Der einfache Joule-Prozess wird in Strahltriebwerken und Spitzenlastkraftwerken eiesetzt. Bei anderen Anwenduen Wirkusgradoptimieru: Innerer Wärmeaustausch Zwischenkühlu und Zwischenüberhitzu H. Podlech 39

40 Joule-Prozess Erhöhu des Wirkusgrades - regenerativer Wärmeaustausch - Vorwärmu nergiegewinnu Physik der En Turbinenaustrittstemperatur itt t t ist i.d.r viel höher als die Temperatur bei Eintritt in die Brennkammer innerer Wärmeaustausch über Wärmetauscher K. Strauß, Kraftwerkstechnik H. Podlech 40

41 Gasturbinen Physik der En Brennkammer Turbine nergiegewinnuverdichter 1. Anwurfmotor startet t t Verdichter 2. Verdichter brit Frischluft zur Brennkammer 3. Zündu des Brennstoff in der Brennkammer 4. Rauchgase expandieren in der Turbine 5. Umwandlu von thermischer in Rotationsenergie H. Podlech 41

42 Gasturbinen Verdichter: Physik der En nergiegewinnu Umgedrehte Turbine Gas wird durch Beschaufelu beschleunigt und isentrop verdichtet H. Podlech 42

43 Gasturbinen Verdichter GE79 H. Podlech 43 Physik der Energiegewinnu

44 Gasturbinen Temperaturbeständig bis 2500 K Lebensdauer h Korrosionsfest nergiegewinnu Physik der En H. Podlech 44

45 SGT5-8000H der Siemens AG Gasturbinen Kraftwerk nergiegewinnu Physik der En H. Podlech 45

46 Turbinen Beschaufelu H. Podlech 46 Physik der Energiegewinnu

47 Gasturbinen Materialien Hohe Anforderuen an das Material Physik der En nergiegewinnu Schaufel einer Gasturbine Superlegieruen Arbeiten bei 90% des Schmelzpunktes Teilweise mono-kristallin Inconel 718: Werkstoffnummer: , Kurzname: NiCr19NbMo 0,04% C - 19% Cr - 3,0% Mo - 52,5% Ni - 0,9% Al - 0,1%, Cu - 5,1% Nb - 0,9% Ti - 19% Fe H. Podlech 47

48 Gasturbinen Anwenduen Physik der En nergiegewinnu Gasturbinenkraftwerke Flugzeugtriebwerke Turbolader Gasturbinen für gasgekühlte KKWs Leistuen bis ca 300 MW el H. Podlech 48

49 Gasturbinen Turbolader Abgase treiben eine Turbine an Turbine treibt Verdichter an nergiegewinnu Physik der En H. Podlech 49

50 Gasturbinen (Flugzeug) nergiegewinnu Physik der En Druck wird nicht bis auf Atmosphärendruck reduziert, sondern nur sowie, um die Leistu für den Verdichter aufzubrien. Düse: Erzeugu hoher Ausstoßgeschwindigkeiten Rückstoßprinzip H. Podlech 50

51 880 MW el Dampfturbine H. Podlech 51 Physik der Energiegewinnu

52 Gas- und Turbinen-Prozess (GuD) nergiegewinnu Physik der En Kombination Gas-und Dampfturbine Wirkusgrad bis 60% H. Podlech 52

53 Wirkusgrad GuD H. Podlech 53 Physik der Energiegewinnu

54 Kraft-Wärme-Kopplu Kopplu Nutzu der Abwärme durch Entnahme von Dampf vor der Niederdruckturbine Wirkusgrad bis 90% nergiegewinnu Physik der En H. Podlech 54