Übungen: Verdichter, Kreisprozesse, Gasturbinen, Motoren

Übungen: Verdichter, Kreisprozesse, Gasturbinen, Motoren
1. Welche verschiedenen Möglichkeiten kennen Sie, Gase für die Lebensmittelindustrie zu verdichten?
Solche Verdichter müssen ölfrei arbeiten:
a) trockenlaufende Kolbenverdichter Graphit-Metall, PTFE („Teflon“) oder Labyrinth-Kolbendichtung
b) Membranverdichter
c) Schraubenverdichter
2. Zeichnen Sie ein p-V-Diagramm eines
zweistufigen Zellenverdichters mit Zwischenkühlung! (nur qualitativ)
3. Wie funktioniert die Leerlaufregelung von Kolbenverdichtern?
Der Antriebsmotor bleibt am Laufen, aber die Saugventile bleiben offen bzw. die Saugleitung wird
geschlossen. Somit wird kein Gas gefördert; die Leistung ist fast Null.
4. a) Warum ist die Erwärmung bei (mehrstufigen) Radialverdichtern höher als bei Kolbenverdichtern, die den
gleichen Druck liefern?
b) Erklären Sie kurz das Funktionsprinzip von Axialverdichtern!
a) Es entstehen stärkere Strömungs- und vor allem Leckverluste (Deckscheibe an den Schaufeln fehlt).
Diese Energie“verluste“ erzeugen Wärme; die Temperatur des Gases steigt stärker an.
b) Die Laufschaufeln vergrößern die absolute Geschwindigkeit des Gases; in den Leitschaufeln wird das
Gas wieder umgelenkt und durch den sich vergrößernden Strömungs-Querschnitt (sowohl in den Leit-,
wie auch in den Laufschaufeln) verringert sich dabei die rel. Geschwindigkeit w: laut
Bernoulligleichung bewirkt dies eine Druckerhöhung (kin. Energie geht jedes Mal über in
Verschiebearbeit)
Ein thermodynamischer Prozess besteht laut Skizze aus Isochoren und
Isentropen.
a) Wie kann man die zu- und die abgeführte spez. Wärme (also: pro kg
Gasmasse) berechnen, wenn Druck, spez. Volumen und Temperatur
an den Punkten 1 bis 4 sowie die mittleren spezifischen
Wärmekapazitäten bekannt sind?
b) Wie kann man daraus die Arbeit ermitteln, die 1 kg des Arbeitsgases
abgibt?
c) Mit welcher(n) Formel(n) könnte man auch ohne die oben berechneten
Wärmen die spez. Arbeit berechnen?
5.
a) Qzu = m ⋅ cv ⋅ (T3-T2)
b) W = Qzu - Qab
bzw. Qab = m ⋅ cv ⋅ (T1 - T4) negativ
oder aber umständlicher:
c)
Differenz der beiden Isentropen-Arbeit berechnen (Beträge !! denn W3-4 ist negativ)
(Hinweis: spezifische Arbeit = Arbeit pro 1 kg Gas)
6. a) Wie lautet der 2. Hauptsatz der Thermodynamik?
b) Welche Konsequenzen hat er für thermodynamische Kreisprozesse?
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a) Ein Prozess verläuft von selbst nur in Richtung höherer Wahrscheinlichkeit, d.h. Wärme kann (ohne
äußere Einflüsse) nie von kalt nach warm fließen!
(Es gibt kein „Perpetuum Mobile 2. Art“.)
b) Um in einem Kreisprozess wieder an die Ausgangposition zu gelangen, muss Wärme abgeführt werden.
Diese Wärme kann (meist noch nicht einmal teilweise) dem Prozess an anderer Stelle zugeführt
werden, weil die Temperatur zu gering ist. Thermodynamische Prozesse haben einen „mäßigen“
Wirkungsgrad.
o
7. Ein Carnot-Prozess, der bei 20 C isotherm verdichtet, hat einen thermodynamischen Wirkungsgrad von 75%.
Bei welcher Temperatur findet die isotherme Expansion statt?
899 oC
Tab /Tzu = 1 -
η
η
Tzu = Tab /(1- ) = 293 K / 0,25 = 1172 K = 899 oC
8. Welchen Enddruck erreicht ein 12 stufiger Axialverdichter, dessen Stufendruckverhältnis 1,25 beträgt und Luft von
1,013 bar (absolut) ansaugt?
14,7 bar
p12
=i
p1
12
⇒ p12 = p1 ⋅ i
12
= 1, 013bar ⋅ 1,25 12 = 1, 013 bar ⋅ 14,55 = 14,74 bar
9. a) Nennen Sie die Vor- und Nachteile einer Gasturbine (im Vergleich zu anderen thermischen
Kraftmaschinen)!
b) Welche technischen Möglichkeiten gibt es, den Wirkungsgrad von Gasturbinen zu erhöhen?
c) Warum eignen sich nur Zweiwellengasturbinen für den Antrieb von Schiffs oder Flugzeugpropeller?
a) hohe Leistungsdichte (rel. geringes Gewicht, aber hoher Gasdurchsatz), schnell betriebsbereit günstig bei Notstromaggregaten), keine oszillierenden Massen, gleichmäßiges Drehmoment, hohe
Drehzahl, geringe (Wartungs-)Kosten, einfache Bedienung und Regelung aber
rel. geringer Wirkungsgrad, sehr schmaler Arbeitsbereich (zumindest bei der offenen Ein-WellenMaschine ist eine konstante Drehzahl erforderlich)
b) Turbineneintrittstemperatur erhöhen (vgl. Carnot), wenn verbesserter Schaufelwerkstoff oder/und
Beschichtung dies erlauben und wenn eine Schaufelkühlung (Innenbelüftung) verwendet wird.
Qab teilweise über Wärmetaucher dem Arbeitsgas wieder zuführen. (wenn’s die Temperaturen
erlauben)
Abluft einem Dampfturbinenprozess zuführen: „Kombikraftwerk“ (mit
η > 50 %)
c) ... weil der Axialverdichter lastunabhängig bleibt und mit konstanter Drehzahl läuft; die
Arbeitsturbine kann der gewünschten Drehzahl angepasst werden.
10. Wie erreicht man den Massenausgleich von Kolbenmotoren?
... die Massenkräfte 1. Ordnung:
durch zeitlich versetzter Bewegung mehrerer Kolben (in Reihen-, Stern-, V- oder Boxerform) und
durch Ausgleichmassen an der Kurbelwelle
.... die Massenkräfte 2. Ordnung:
durch Ausgleichswellen, die mit doppelter Drehzahl laufen, oder eleganter: beim 6-Zylinder (12Zylinder)
11. Unterscheiden Sie 4- und 2-Taktmotoren hinsichtlich Arbeitsweise, Verwendung und Eigenschaften!
4-Taktmotoren benötigen 4 Takte (Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen) in 2 Umdrehungen,
während der 2-Takter jew. 2 dieser Schritte in einem Hub macht.
Der 2-Takter hat deshalb ein (etwas) geringeres Leistungsgewicht, benötigt keine Ventile (ist als
einfach und robust, Schmierung beachten! ) hat aber Probleme beim Gaswechsel (Spülverluste, ...,
Umweltprobleme), Schmierstoff muss mit dem Kraftstoff zugeführt werden, wird höher thermisch
belastet und lässt sich nicht gut mit dem heutigen effizienten Motormanagement verbinden.
Deshalb wird er bestenfalls noch in Kleinmotoren verwendet.
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Ein Ottomotor, der bei 5000 1/min 60 kW leistet, hat einen Gesamtwirkungsgrad von 25% und einen inneren
12. (bzw. thermodynamischen) Wirkungsgrad von 0,3.
Wie groß sind die pro Sekunde zu- und abgeführten Wärmen und der mechanische Wirkungsgrad?
240 kJ 168 kJ 83,3%
zu
=P/
ηges
zu
= 60 000 W/s /0.25 = 240 000 W/s
bzw.
Qab = Qzu ⋅ (1-
η)
η
ges
=
η
th
⋅
η
mech
Qzu = 240 000 J
= 240 kJ ⋅ 0,7 = 168 kJ
η
mech
=
η
ges
/
η
th
= 0,25 / 0,3 = 0,8333
13. Erklären Sie (kurz und knapp) folgende Begriffe der Motorentechnik:
e) Klopfregelung
f) Cetanzahl
g) Lambda-Regelung
h) „Washcoat“
Die Klopfregelung soll den Motor vor den Wirkungen einer klopfenden Verbrennung schützen, die durch
Kraftstoff mit zu niedriger Oktanzahl oder durch motorische Einflüsse (in bestimmten Betriebszuständen
und Belastungen) hervorgerufen wird. Bei erkanntem Klopfen wird der Zündzeitpunkt des betroffenen
Zylinders nach „spät“ verstellt. Der Motor wird geschont. Falls in bestimmten Motorbetriebspunkten
immer wieder Klopfen auftritt, können über eine adaptive Steuerung (Klopfregelung) die Grunddaten des
Zündkennfelds verändert werden.
Die Cetanzahl beschreibt die Zündwilligkeit des Kraftstoffes. Da Dieselmotoren im Unterschied zu
Ottomotoren keine Zündkerzen besitzen, muss das Luft/Kraftstoff-Gemisch die Verbrennung ohne
Zündfunken beginnen.
(Alte Diesel sind schon mit einer Cetanzahl von ca. 40 „zufrieden“; neuere Hochleistungsmotoren verlangen min. 55.)
Die Lambdaregelung stellt im Abgas eines Verbrennungsmotors (oder eines Brenners) einen gewünschten
Lambdawert (= Luftüberschuss im Verhältnis zur optimalen Verbrennung) ein. (Bei Benzin ist das beim
Massenverhältnis 14.7:1 optimal; dann beträgt λ=1 .)
Sie hat also entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Verbrennung und die Möglichkeit einer
katalytischen Abgasreinigung.
Die Lambdaregelung erfasst den tatsächlichen Lambdawert über eine Lambdasonde (diese misst den
Restsauerstoff im Abgas) und verändert die Kraftstoff- oder Luftmenge.
Damit man beim Katalysator ein möglichst große Oberfläche (ca. 1000 m2) für die erforderlichen
katalytisch aktiven Edelmetalle erhält, bringt man auf den Träger (z.B. Wabenkörper aus Keramik) einen
sog. Washcoat aus Al2O3 auf.