TD-1 Wie ist die Enthalpie definiert? Die Enthalpie ist die Energie die sich aus innerer Energie U, Druck p und Volumen V (bzw. deren Produkt, der Verschiebearbeit pv) zusammensetzt: H = U +pv Da U, p und V Zustandsgrößen sind ist auch die Enthalpie eine Zustandsgröße. TD-2 Wie ist die spezifische Warmekapazität bei konstantem Druck und konstanten Volumen definiert und wie hängt sie von den Eigenschaften der betrachteten Gase ab? Die Wärmekapazität ist das Verhältnis der einem Körper zugeführten Wärme dq und der dadurch bewirkten Temperaturänderung dt. Die Wärmekapazität isabhängig von der Anzahl der kinetischen Freiheitsgrade f des Gases, dabei sind immer 3 translatorische und bei einatomigen Gasen 0 rotatorische zweiatomigen Gasen 2 rotatorische mehratomigen Gasen 3 rotatorische Freiheitsgrade vorhanden. Die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen errechnet sich zu: c v = fr 2 TD-3 Bei konstantem Druck ist, wegen der Arbeit die in die Erhöhung des Volumens investiert wird, eine höhere Wärmemenge nötig um die gleiche Temperaturänderung zu erzielen, nämlich: c v =c v + R=( f 2 +1) R Ein reibungsfreier Kolben wird unter Anwendung einer Kraft F in einen Warmeisolierten Zylinder geschoben. Geben Sie die Arbeit an, die dem Gas bei einer differentiellen Verschiebung des Kolbens um dx zugefuhrt wird. Welche Art von Zustandsanderung wird hierbei ausgefuhrt? Wärmeisolierter Kolben Isentrope (adiabatische) Zustandsänderung. Allgemein: V 2 W 12 =U 2 U1= V 1 p(v )dv =c v m (T 2 T 1 )= c c p v c c p c v m(t 2 T 1 ) v c p Mit c p c v =R und =κ kommen wir auf W c 12 = m R v κ 1 (T T ) 2 1 Mit p V =m R T können wir von der Temperatur auf das Volumen umformen: W 12 = p 2 V 2 p 1 V 1 κ 1 Wenn wir hier davon ausgehen dass der Querschnitt konstant bleibt, können wir von dv = Adx ausgehen, gehen wir zusätzlich davon aus dass der Druck bei einer differentiellen Änderung des Volumens annähernd konstant bleibt können wir W 12 = p 2 V 2 p 1 V 1 κ 1 durch W 12 = p 2 (1 dx) κ 1 annähern.
TD-4 Beschreiben Sie den ersten Hauptsatz der Thermodynamik. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik, auch Energieerhaltungssatz genannt, beschreibt die Tatsache dass in einem geschlossenem System Energie weder erzeugt noch vernichtet werden kann. Für ein System bedeutet das dass zur Änderung der inneren Energie U, Wärme Q oder Arbeit W von Außen zugeführt werden muss. du =dq+dw TD-5 Beschreiben Sie den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik beschreibt die Tatsache dass irreversible Vorgänge von selbst nur in eine Richtung verlaufen: Es kann nie ohne Einwirkung von Außen Wärme von einem kälteren Körper auf einen wärmeren übertragen werden. Er beschreibt auch die 'Entwertung' der Energie: Arbeit kann immer vollständig in eine Steigerung der inneren Energie und der Wärme aufgewendet werden, umgekehrt können Wärme und innere Energie nur teilweise in die Verrichtung von Arbeit investiert werden. TD-6 Was ist Entropie? Entropie ist eine fundamentale thermodynamische Zustandsgröße, sie wird über die Q reduzierte Wärmemenge definiert, also durch eine Wärmemende die auf T zunächst beliebige Temperatur bezogen wird TD-7 Erlautern Sie die Unterschiede von isothermen, isentropen und isochoren Zustandsanderungen? Isotherm: die Temperatur bleibt während der Zustandsänderung gleich, daraus folgt dass auch die innere Energie gleich bleibt, die von Außen zugeführte Wärme wird restlos in Arbeit nach Außen umgewandelt. Isentrop: isentrope oder adiabatische Zustandsänderungen erfolgen ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung. Weiter!!!! Die innere Energie wird in Arbeit umgewandelt, daher verläuft diese Zustandsänderung im pv Diagramm steiler als die isotherme Zustandsänderung Isochor: das Volumen bleibt gleich, daher kann auch keine Arbeit zu oder abgeführt werden, die gesamte Temperaturänderung wird in die Änderung der inneren Energie aufgewendet und zwar nach du =dq=m c v dt TD-8 Was versteht man unter den Realgasfaktor und welchen Einfluss hat er auf thermodynamische Kreisprozesse? Für ideale Gase gilt der Zusammenhang der thermischen Zustandsgrößen: p V T =M R m wobei R m die universelle Gaskonstante ist. Bei realen Gasen ist R m jedoch nur nahe des Normaldrucks konstant, dies wird durch den Realgasfaktor Z= p V dargestellt. Für reale Gase muss Z = 1 sein T M R m
Bei den typischen 400 800 K und bis zu 50 bar die bei Arbeitsmaschinen vorkommen ist Z nahe 1, daher kann man in guter Näherung von idealen Gasen ausgehen. TD-9 Welche thermodynamischen Zustandsanderungen sind reversibel und welche nicht reversibel? Reversibel sind jene Zustandsänderungen bei denen ds =0 gilt. Wie der Name schon sagt trifft dies bei isentropen (adiabatischen) Zustandsänderungen zu. Bei Isothermen Zustandsänderungen gilt Δ S=S 2 S 1 =m R ln( V 2 Bei Isochoren Zustandsänderungen gilt Δ S=S 2 S 1 =m c v ln( T 2 und bei Isobaren Zustandsänderungen gar Δ S=S 2 S 1 =m R ln( V 2 V 1) +m c ln v ( T 2 T 1) Daher sind diese Zustandsänderungen nicht reversibel! V 1) T 1) TD-10 Welche Phasen durchlauft ein Carnot'scher Kreisprozess und wovon hangt der Wirkungsgrad ab? 1-2 Isotherme Expansion 2-3 Isentrope Expansion 3-4 Isotherme Kompression 4-1 Isentrope Kompression Der thermische Wirkungsgrad ist vom Arbeitsmedium unabhängig und nur von der Temperaturdifferenz abhängig: η=1 T3 T1 TD-11 Wie hangen Zyklusarbeit und Leistung eines Kreisprozesses zusammen? Die Zyklusarbeit P id ist jene Arbeit die je Zyklusdurchlauf abgegeben wird, diese Arbeit entspricht beim Carnot-Prozess der Differenz von zugeführter und abgeführter Wärmemenge. Die Einheit ist Joule/Zyklus oder Wattsekunde/Zyklus Die Leistung P id ist die abgegebene Arbeit je Zeiteinheit, angegeben in der Einheit Watt oder Joule/Sekunde. Es ist unschwer zu erkennen dass man die Leistung des Kreisprozess erhält wenn man die Zyklusarbeit mit der Anzahl der Zyklen n pro Zeiteinheit (Zyklen/Sekunde) multipliziert: P id =n W id
TD-12 Stellen Sie den Carnot Prozess im TS-Diagramm dar und erlautern Sie die einzelnen Zustandsanderungen. 1-2 Isotherme Expansion T 2 = T 1 V 2 > V 1 p 2 < p 1 Expansion bei gleichbleibender Temperatur T 1. Es wird Wärme zu und Arbeit abgeführt, W 12 =Q 12 =Q zu = p 1 V 1 ln( V 2 V 1) =m R T 1 ln ( V 2 V 1) Die Entropie steigt von a auf b 2-3 Isentrope Expansion T 3 < T 2 V 3 > V 2 p 3 < p 2 Expansion ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung Zugeführte Wärme Q 23 = 0, Arbeit W 23 = m R κ 1 (T 3 T 2 ) wird vom System nach Außen geleistet Entropie S bleibt konstant 3-4 Isotherme Kompression T 4 = T 3 V 4 < V 3 p 4 > p 3 Kompression bei gleichbleibender Temperatur T 3 Die zugeführte Kompressionsarbeit wird als Wärme abgegeben W 34 =m R T 3 ln( V 4 V 3) Die Entropie sinkt von b auf a 4-1 Isentrope Kompression T 1 > T 4 V 1 < V 4 p 1 > p 4 Kompression ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung Abgegebene Wärme Q 41 = 0 W 41 = m R κ 1 (T 1 T 4 ) Entropie S bleib t konstant. DZ-6 Vergleichen Sie die Eigenschaften des Stirlingmotors mit Verbrennungsmotoren. Ein Stirlingmotor ist ein Heißgasmotor mit geschlossenem Kreislauf, das Gas ist in einem Zylinder eingeschlossen, bei dem zusätzlich zum Arbeitskolben ein Verdrängerkolben hin und her bewegt wird, dabei wird abwechselnd bei hoher Temperatur Wärme und, und bei niedriger Temperatur Wärme abgeführt. Der j eweilige Brennstoff wird außerhalb des Zylinders verbrannt, dabei kann eine gleichmäßigere und damit sauberere und vollständigere Verbrennung erreicht werden als bei Ottomotoren, zusätzlich ist ein Sterlingmotor mit einer weiten Palette von Brennstoffen antreibbar, da ja nur die Wärmemenge entscheidend ist. Als Arbeitsmedium im Kolben können beliebige Gase verwendet werden. Im Vergleich zum Ottomotor müssen die Zylinderwände jedoch weitaus höhere Temperaturen aushalten, weiters ist die technische Schmierung bei Temperaturen
über 300 C schwierig (es werden bis 700 C erreicht), darum sind Sterlingmotoren viel schwieriger zu bauen. DZ-7 Beschreiben Sie die thermodynamischen Zustande des Stirlingprozesses? 1-2 Isotherme Kompression Wärmeabfuhr nach Außen Arbeitszufuhr vom Arbeitskolben ins System 2-3 Isochore innere Wärmezufuhr Wärmezufuhr vom zuvor erwärmten Verdrängerkolben 3-4 Isotherme Expansion Wärmezufuhr von Außen Arbeitsabfuhr an den Arbeitskolben nach Außen 4-1 Isochore innere Wärmeabfuhr Wärmeabfuhr an den Verdrängerkolben der dabei erwärmt wird
DZ-8 DZ-9 Wovon hängt der Wirkungsgrad des Stirlingprozesses ab? Thermischer Wirkungsgrad η Th = W st = W st = Q 34 W 34 m R (T 3 T 1 )ln( V 1 m R T 3 ln( V 1 Der Wirkungsgrad ist folglich nur von T 1 und T 3 abhängig V 2) V 2) =1 T 1 T 3 Welche Bauformen des Stirlingmotors sind möglich? α Bauform Hier ist der Regenerator fest, und die Arbeitskolben links und rechts davon angeordnet. Der Nachteil ist, dass sich einer der Arbeitskolben im heißen Teil befinden muss β Bauform Hier sind Arbeits und Verdrängerkolben im kalten Teil der Maschine untergebracht, die Antriebsstangen sind konzentrisch ineinandergeschoben Allgemeines zum Ablauf des Prozesses der vorherigen Frage dazu entnehmen
DZ-12 Beschreiben Sie den thermodynamischen Prozess der Warmepumpe. Die ideale Form einer Wärmepumpe ist ein links laufender Carnot-Kreisprozess 1-4 Isentrope Expansion T 4 < T 1 V 4 > V 1 p 4 < p 1 Expansion ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung Abgegebene Wärme Q 41 = 0 W 14 = m R κ 1 (T 4 T 1 ) Wegen T 4 < T 1 ist das Vorzeichen negativ, es wird Arbeit nach Außen geleistet Entropie S bleib t konstant. 4-3 Isotherme Expansion/Wärmeaufnahme T 3 = T 4 V 3 > V 4 p 3 < p 4 Expansion bei gleichbleibender Temperatur T 4. Es wird Wärme zu und Arbeit abgeführt, Q 43 =Q zu = p 4 V 4 ln( V 4 V 3) =m R T 4 ln ( V 4 Die Entropie steigt von a auf b V 3) 3-2 Isentrope Kompression T 2 >T 3 V 2 < V 3 p 2 < p 3 Kompression ohne Wärmeaustausch W 32 = m R κ 1 (T 2 T 3 ) Wegen T 2 >T 3 ist das Vorzeichen positiv, es wird von Außen Arbeit zugeführt Entropie bleibt konstant 2-1 Isotherme Kompression/Wärmeabgabe T 1 = T 2 V 1 < V 2 p 1 > p 2 Kompression bei gleichbleibender Temperatur Es wird Wärme ab und Arbeit zugeführt, Q 21 =Q ab = p 2 V 2 ln( V 2 V 1) =m R T 2 ln ( V 2 Die Entropie sinkt von b auf a V 1) Kontrollieren! Formeln selbst ausgearbeitet, eventuelle Denkfehler!
DZ-14 Beschreiben Sie den thermodynamischen Prozess der Kaltemaschine. Kältemaschinen entziehen dem zu kühlenden Raum Wärme bei niedriger Temperatur. Die vier thermodynamischen Übergänge sind: Es gelten T 1 =T 2, T 3 =T 4 sowie V 1 V 2 = V 4 V 3 2-1: Isotherme Wärmeabgabe Q 21 = Q ab = p 1 V 1 ln( V 2 V 1) 3-2: Isentrope Arbeitsaufnahme W 32 = mr κ 1 (T 3 T 2 ) 4-3: Isotherme Wärmeaufnahme Q zu =Q 43 = mrt 3 ln( V 4 V 3) 1-4: Isentrope Arbeitsabfuhr W 14 = mr κ 1 (T 1 T 4 ) DZ-15 Was sind die Leistungszahlen der Wärmepumpe und Kältemaschine und wie hängen diese zusammen? Kältemaschinen: ε k,car = Q 43 W zu = Q 43 Q 43 Q 21 = mrt 3 ln( V 4 V 3) mrt 3 ln mrt 1 ln( V 1 V 2) = T 3 T 1 T 3 In Worten: Die dem niedrigerem Temperaturniveau abgeführte Wärmemenge durch die aufgewendete Arbeit Wärmepumpen: ε W,car = Q 21 W zu = 1 1 T 3 T 1 = T 1 T 1 T 2 In Worten: die dem höherem Temperaturniveau zugeführte Wärmemenge durch die aufgewendete Arbeit Der Vergleich liefert: ε W,car =1+ε K,car Die Leistungszahl ist bei gleichem Prozess für Wärmepumpen ums 1 höher als bei der Kältemaschine. (Erklärbar dadurch dass die mechanische Arbeit neben dem Wärmetransport zwischen den Niveaus noch selbst Wärme durch Kompression erzeugt. Erhöht natürlich die Temperaturausbeute bei der Wärmepumpe, hilft bei der Kältemaschine aber nicht wirklich)
GT-1 Welcher ideale Vergleichsprozess gilt für Gasturbinen und welche thermischen Zustandsänderungen treten bei diesem Vergleichsprozess auf? Der ideale Vergleichsprozess für Gasturbinen ist der Joule-Kreisprozess, der nur die gasförmige Phase abbildet und sich daher gut für die Gasturbine eignet. Es treten folgende Zustandsänderungen auf: 1-2: isobare Wärmezufuhr (in der Brennkammer) 2-3: isentrope Entspannung mit Abgabe äußerer Arbeit (in der Turbine) 3-4: isobare Wärmeabfuhr (Ausstoß ins Freie) 4-1: isentrope Verdichtung mit Zufuhr von Kompressionsarbeit (Verdichter) GT-2 Zeichnen Sie das Arbeitsdiagramm des Gasturbinen-Prozesses als pvund als TS-Diagramm und erläutern Sie die Zustandsänderungen. 4-1: isentrope Verdichtung von Frischluft im Verdichter. 1-2: isobare Wärmezufuhr, in der Brennkammer werden in die verdichtete Luft Brennstoffe eingedüst und verbrannt 2-3: isentrope Entspannung: Die verbrannten Gase expandieren in der Turbine und treiben diese an 3-4: isobare Wärmeabfuhr: die Gase werden ins Freie ausgestoßen
GT-4 Zeichnen sie das thermische Schaltbild eines offenen Gasturbinenprozesses mit innerer Wärmezufuhr und erläutern Sie dieses. In einer offenen Anlage wird Luft angesaugt, im Verdichter auf den Arbeitsdruck komprimiert, in der Brennkammer wird der Brennstoff eingedüst und verbrannt. Das Gas expandiert bei konstantem Druck in der Brennkammer und wird in der Gasturbine isentrop entspannt. Die rotierende Gasturbine treibt über eine g emeinsame Welle Verdichter und Generator an. Der Anwurfmotor treibt den Verdichter und die Turbine an bis die Luft von der Turbine ausreichend verdichtet werden kann und der Prozess von selbst anlaufen kann. Mit dem Wärmeübertrager kann die Frischluft zur besseren Ausnutzung des Brennstoffes mit heißen Abgasen vorgewärmt werden. In der Brennkammer ist eine Temperatur von 800 1200 C erreicht werden, es werden in Zukunft 1400 C angestrebt. GT-5 Zeichnen Sie das thermische Schaltbild eines geschlossenen Gasturbinenprozesses und erläutern Sie dieses. In einer geschlossenen Anlage das ausgestoßene Arbeitsmittel (Gas) nach der Entspannung abgekühlt und im Verdichter auf den Arbeitsdruck komprimiert. Nach dem Verdichten wird das Arbeitsmittel über einen Wärmeübertrager (der seine Wärme von einer Brennkammer die in einem eigenem äußeren Kreislauf eingebettet ist erhält) auf Arbeitstemperatur erhitzt. Das Gas expandiert bei konstantem Druck in der Brennkammer und wird in der Gasturbine isentrop entspannt. Die rotierende Gasturbine treibt über eine gemeinsame Welle Verdichter und Generator an. Der Anwurfmotor treibt den Verdichter und die Turbine an bis die Luft von der
Turbine ausreichend verdichtet werden kann und der Prozess von selbst anlaufen kann. Mit dem Wärmeübertrager kann das Arbeitsmittel nach dem Verdichter zur besseren Ausnutzung des Brennstoffes mit heißen Abgasen vorgewärmt werden. In der Brennkammer ist eine Temperatur von 800 1200 C erreicht werden, es werden in Zukunft 1400 C angestrebt. GT-6 GT-7 Wovon hängt der Wirkungsgrad eines Joule-Prozesses ab? η th = Q Q zu ab =1 Q ab =1 T T 3 4 Q zu Q zu T 2 T 1 Wegen T 3 =T 2 T 4 T 1 kommen wir weiter auf η th =1 T 4 T 1 =1 ( p 4 κ 1 κ p 1) Der Wirkungsgrad hängt also nur vom Druckverhältnis bzw. Temperaturverhältnis der isentropen Kompression oder Expansion ab. Vergleichen Sie den Joule- und den Carnot-Prozess in ihren Wirkungsgraden. η th, Joule =1 T 4 Und η T th,carnot =1 T 4 sind sehr ähnlich, der Unterschied 1, Joule T 1,Carnot besteht darin dass 1-2 und 3-4 beim Carnotprozess isotherm, beim Joule-Prozess hingegen isobar erfolgt. Dies wirkt sich, bei gleichen maximalen und minimalen Temperaturniveaus, so aus, dass T 1,Joule kleiner ist als T 1,Carnot, damit ist auch der Wirkungsgrad beim Joule-Prozess kleiner (man sieht das auch daran dass die Fläche kleiner ist)
GT-8 Physikalische Grundlagen des Gasturbinen-Prozesses (Joule- Prozesses). Der Joule-Kreisprozess enthält 4 Zustandsübergänge: 1-2: isobare Entspannung/Wärmezufuhr (in der Brennkammer) T 2 > T 1 V 2 > V 1 p 2 = p 1 s 2 > s 1 Expansion bei gleichbleibendem Druck, es wird die Wärmemenge Q zu =Q 12 =m c p (T 2 T 1 ) zugeführt. 2-3: isentrope Entspannung (in der Turbine) T 3 < T 2 V 3 > V 2 p 3 < p 2 s 3 = s 2 Expansion bei gleichbleibender Entropie dq=0 Entzug der Turbinenarbeit W t23 =c v (T 2 T 3 ) aus der inneren Energie 3-4: isobare Kompression (Ausstoß ins Freie) T 4 < T 3 V 4 < V 3 p 4 = p 3 s 4 < s 3 Kompression bei gleichbleibendem Druck, es wird die Wärmemenge Q ab =Q 34 =m c p (T 4 T 3 ) abgeführt. 4-1: isentrope Kompression (Verdichter) T 1 > T 4 V 1 < V 4 p 1 > p 4 s 1 = s 4 Kompression bei gleichbleibender Entropie dq=0 Zufuhr der Verdichterarbeit W t41 =c v (T 4 T 1 ) in die Erhöhung der inneren Energie
GT-9 Wie hängt der Wirkungsgrad des Gasturbinenprozesses von der Art des Arbeitsmediums (Gas) ab? Der Wirkungsgrad ist allgemein: η th =1 T 4 T 1 =1 ( p 4 κ 1 κ p 1) Da Temperatur und Druck nicht vom Gas abhängen (in den Grenzen dass sich das Gas bei diesen Temperaturen und Drücken annähernd wie ideales Gas verhält) hängt der Wirkungsgrad nur über den Isentropenexponenten κ vom verwendeten Gas ab. Dabei ist Kappa GT-10 Erlautern Sie den Unterschied zwischen Volumenänderungsarbeit und technischer Arbeit. Beim geschlossenem Ersatzsystem des offenen Systems enthält die verrichtete Arbeit 3 Komponenten, nämlich technische Arbeit W t41 am System verrichtete Verschiebearbeit (Einschubarbeit) p 4 V 4 vom System verrichtete Verschiebearbeit (Ausschubarbeit) -p 1 V 1 Nach Außen geführt kann lediglich die technische Arbeit werden, während die Verschiebearbeit vom System an sich selbst verrichtet wird DT-1 Beschreiben Sie die Aggregatzustande und ihre moglichen Übergänge. Flüssiges Wasser wird erhitzt bis ein gewisser Volumsanteil beginnt zu verdampfen, es entsteht nun eine Mischphase mit Flüssigkeit und Dampf, der Nassdampf, die Temperatur bleibt konstant, da eine Erhöhung der Wärmemenge als Verdampfungsenergie benötigt wird. Durch weitere Erhöhung der Wärme steigt der gasförmige Dampfanteil der Mischphase bis schließlich nur noch gasförmiger Wasserdampf, der Sattdampf, übrig bleibt. Weitere Wärmezufuhr erhöht nun die Temperatur des (überhitzten) Dampfes. Die feste Phase kommt beim Dampf-Kreisprozess nicht vor.
DT-2 Beschreiben sie die thermodynamischen Grundlagen des Dampfturbinenprozesses. Als idealer Vergleichsprozess dient und der Clausius-Rankine-Prozess 3-4: Isentrope Zufuhr von Arbeit (Kompression); Druckerhöhung in der Speißewasserpumpe 4-5: Isobare Zufuhr von Wärme; Wasser auf Siedetemperatur bringen (Vorwärmer) 5-6: Isobare Zufuhr von Wärme; Wasser wird bis zur Sättigungslinie geführt (vollständige Verdampfung im Verdampfer) 6-1: Isobare Zufuhr von Wärme; Wasserdampf wird auf Prozesstemperatur von etwa 500 C gebracht (Überhitzer) 1-2: Isentrope Entspannung; auf eine Endtemperatur von 30-50 C und 0,04-0,1 bar in der Turbine 2-3: Isotherme Kompression; Wasser wird in Kondensator kondensiert, Temperatur bleibt gleich, flüssiges Wasser wird dann dem Speißewasserbehälter bei Normaldruck zugeführt DT-3 Erläutern Sie den Dampf-Kreisprozess im p,v-diagramm des Wassers.
DT-4 Erläutern Sie den Dampf-Kreisprozess im T,s-Diagramm von Wasser. DT-5 Zeichnen Sie ein Wärmeschaltbild des Dampfkreisprozesses und erläutern Sie dieses. DT-6 Wie kann der thermische Wirkungsgrad des Dampf-Kreisprozesses bestimmt werden? Der thermische Wirkungsgrad ergibt sich über die Enthalpien h, diese kann man ausgehend von der Entropie s aus einer Tabelle oder Kennlinien entnehmen η th = W cr q 41 = h 1 h 2 +h 3 h 4 h 1 h 4 =1 h 2 h 3 h 1 h 4 r W = W cr W 12 = W 12 W 34 W 12 =1 W 34 W 12 Oder über die Enthalpien: r W =1 h 4 h 3 h 1 h 2 DT-7 Was versteht man unter dem Arbeitsverhältnis und wie ist dieses beim Dampf-Kreisprozess im Vergleich zum Gasturbinenprozess? Arbeitsverhältnis= Nutzarbeit Turbinenarbeit
DT-8 Welche Maßnahmen können im Dampf-Kreisprozess den Wirkungsgrad steigern? Erhöhen der Temperatur Erhöhen des Drucks Speißewasser-Vorwärmung Zwischenüberhitzung (Höhere Anforderungen an Werkstoffe!) (Höhere Anforderungen an Werkstoffe!) (Durch Anzapfungen aus der Dampfturbine) (Zwischen Hoch und Mittel-Niederdruckturbine) DT-9 Wie muss eine Dampfturbine gebaut werden, damit Sie in einem Kraftwerk mit Auskopplung von Fernwärme eingesetzt werden kann und wie kann man den Zustand des ausgekoppelten Dampfes für die Fernheizung bestimmen? Normalerweise kommt Dampf mit 30-50 C und 0,04-0,1 bar aus der Turbine für die Wärmeauskopplung werden üblicherweise 80-150 C gefordert, dies entspricht 0,5 5 bar. Um den Dampf bei brauchbaren Temperaturen und Drücken entnehmen zu können muss das Kraftwerk entweder als Gegendruck, oder als Entnahme-Heizkraftwerk ausgeführt werden. Gegendruckheizkraftwerke: Hier wird die Turbine verkürzt, so dass die letzten Niederdruckschaufelreihen weggelassen werden, dadurch sind Druck und Temperatur nach der Turbine höher und damit für die Fernwärmeauskopplung nutzbar, andererseits sinkt dadurch auch der elektrische Wirkungsgrad. Heiz und elektrische Leistung sind in etwa proportional, daher spricht man von wärmegeführten Heizkraftwerken Entnahmeheizkraftwerk: Hier wird der Turbine Dampf entnommen, dadurch sinkt die Leistung der nachgeschalteten Turbinenstufen und die elektrische Leistung nimmt ab. Um Wärme und elektrische Leistung separat regeln zu können können beide Auskopplungsarten kombiniert werden. DT-10 Was versteht man unter Verdampfungswärme? Die Verdampfungswärme (Verdampfungsenthalpie) ist für den Übergang von flüssigem auf dampfförmigen Zustand nötig, bei Normaldruck beträgt sie für Wasser 0,627 kwh/kg. Bei Kondensation wird diese Energie wieder an die Umgebung abgegeben (Kondensationswärme) DT-11 Beschreiben Sie die Dampftabellen und thermischen Zustandsdiagramme von Wasser und wie kann man diese zur Berechnung von Dampfkraftwerken anwenden? Zur Berechnung in Dampfkraftwerken ist man, wegen der starken Nichtlinearitäten, darauf angewiesen auf Tabellen oder Berechnungsprogramme zurückzugreifen (mit Formeln und Analytischen Instrumenten kommt man hier nicht weit).
Dampftabellen existieren für gesättigten und überhitzten Dampf. Sättigungsdampftabellen enthalten für Temperaturen vom Trippelpunkt bis zur kritischen Temperatur: spezifische Volumina v spezifische Enthalpien h spezifische Entropien s für siedende Flüssigkeiten ' Sattdampf '' sowie Verdampfungsenthalpie r (Der bei krit. Druck p = 220,64 bar r=0 wird, es wird also keine Energie für den Übergang benötigt, die spezifischen Volumina sind dann für beide Phasen gleich) Dampftabellen für überhitzten Dampf enthalten den für Dampfturbinen interessanten Bereich von 10 200 bar für Temperaturen bis 800 C (Bei Wärmeauskopplung auch für niedere Bereiche) zb für 10 bar Bereich von 200-650 C, für 200 bar Bereich 400-800 C Enthalten sind ebenfalls: spezifische Volumina v spezifische Enthalpien h spezifische Entropien s
DT-12 T,s- Welche Aufgabe hat die Zwischenüberhitzung und wie kann man sie im Diagramm erklären? Durch Zwischenüberhitzung kann man den Wirkungsgrad erhöhen: Technisch gibt es beim Dampfturbinenprozess Einschränkungen: Einerseits darf eine Temperatur von 550 C wegen der Werkstofffestigkeit nicht überschritten Trocken- Dampf Phasengrenze Flüssigdampf werden, andererseits erreicht der Dampf bei einer isentropen Entspannung bis zu einer Temperatur von 30 C (wegen des Wirkungsgrades erstrebenswert) einen hohen Wasseranteil, was bei einem Dampfanteil von unter 0,9 kg/kg zu Tropfenschlag an den Endschaufeln der Turbine und damit zu erhöhter Abnutzung führt. Durch Zwischenüberhitzung kann der Dampfgehalt erhöht werden, wir sehen dass der Punkt 4 näher am Trockendampfgebiet liegt, so wird der Tropfenschlag verringert. DT-13 DT-14 Welche Aufgabe hat die Speißewasservorwärmung? (Mit Erläuterung am Wärmeschaltbild) Bei der Speißewasservorwärmung werden in einer bis mehreren Vorwärmstufen (üblich sind 6-8) der Turbine Dampf entnommen und das Frischwasser nach dem Verdichter und vor dem Verdampfer erwärmt. Der Dampf wird vom ersten dem nächsten Vorwärmer durch Bypass zugeführt, bis er ganz abgekühlt und kondensiert dem Speißewasserbehälter zugeführt wird. Bei 6-8 Stufen ist eine Erhöhung des Wirkungsgrades um bis zu 15% möglich. Wie ist der Wirkungsgrad des Gas-und-Dampf-Kombiprozesses definiert? η GuD = W G +W D Q zu Da die zugeführte Wärme des Dampfprozesses die Verlustwärme des Gasprozesses ist kann man es auch so ausdrücken: η GuD =η G +η D (1 η G ) Skizze erklären!
DT-15 Welche Entwicklungstendenzen ergeben sich bei den thermischen Kraftwerken in Bezug auf den Wirkungsgrad? Allgemein besteht seit Jahrzehnten ein Trend zu höheren Wirkungsgraden, so stiegen zb: typische Wirkungsgrade für Braunkohle DKW Steinkohle DKW GuD-Kraftwerk 1992 35% 43% 52% 2002 43% 46% 58% Ziel 2020 >50% >53% >65% Da es aus Gründen des Umweltschutzes vermehrt zu Maßnahmen zur Filterung von Schadstoffen und Abscheiden von CO2 gegriffen wird kommt es allerdings zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades, von zb: 46% auf 38%. Dies wird jedoch eine starke Verringerung des CO2 Ausstoßes pro verbranntem Primärenergieträger ausgeglichen (Kraftwerke werden jedoch teurer im Betrieb) DZ-10 Was ist ein ORC-Prozess und wofür wird er eingesetzt? Organischer Rankine Prozess Siehe Kalina Prozess: Ammoniak ist ein anorganischer Stoff, stattdessen können auch andere Arbeitsmedien auf Basis von organischen Stoffen für Kreisprozesse mit einer Arbeitstemperatur von 90-300 C eingesetzt werden. Einige dieser Stoffe sind jedoch sehr starke Treibhausgase- bis zu 4000 mal stärker als CO 2 und bedürfen daher besonderer Vorsicht! DZ-11 Was ist ein Kalina-Prozess und wofür wird er eingesetzt? Der klassische Dampfturbinenprozess benötigt eine Temperatur von 300-500 C für ausreichende Wirkungsgrad Temperaturen die bei zb: Tiefenbohrungen erst ab tausenden Metern erreicht werden können. Abhilfe bietet hier eine von Alexander Kalina (russischer Ingenieur Anfanh 1970) vorgeschlagene Lösung: statt Wasser wird ein Ammoniak-Wasser-Gemisch verwendet, das keinen fixen Siedepunkt, sondern einen vom Mischverhältnis abhängigen Siedebereich gibt, Dampfturbinenprozesse sind so bereits ab einer Temperatur von 90 C mit ausreichendem Wirkungsgrad realisierbar.