1_12_Waermemaschinen

Wärmemaschinen
 Verdampfen (nur Physik 9 I):
Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand (Verdampfen)
kann durch Sieden und Verdunsten erfolgen.
 Wärmemaschinen (Physik 9 I und II/III) :
 Dampfmaschine
 Dampfturbine
 Gasturbine
 GuD-Kraftwerk
 Verbrennungsmotor
 Kühlschrank
Verdampfen
 Verdampfen ist der allgemeine Begriff für die Änderung
des Aggregatzustands (durch Sieden oder Verdunsten):
Sieden
 Kochen in den Bergen
 „Siedeverzug“ (Autokühler, Reagenzglas)
Verdunsten
aus „Newton“ Physik 9 I-III, Oldenbourg
 Schwitzen
 Wetter
 Kältespray beim Sport
Prinzip der Wärmenutzung
1) Wärmeübertragung führt zu mechanischer
Arbeit (Expansion eines Arbeitsgases)
o fortlaufende Zuführung des erhitzten Arbeitsgases (Dampf-,
Gasturbine, Strahltriebwerk).
o periodischer Prozess als „Kreisprozess“ (Dampfmaschine,
Verbrennungsmotor, Heißluftmotor)
2) Mechanische Arbeit führt zu Wärmeübertragung
(Kompression eines Arbeitsgases)
o periodischer Prozess als „Kreisprozess“ (Kühlschrank und
Klimaanlage, „Wärmepumpen“)
Prinzip der Wärmenutzung
Bei hoher Temperatur T1
zugeführte Wärmemenge
(aus Wärmebad oder
Gaszündung):
Q1 = Fläche (I, II, V2,V1)
Abgegebene Wärmemenge
Q2 = Fläche (IV, III, V2,V1)
V1
V2
nutzbare Energie Wnutz = Q1 – Q2 , also h = Wnutz / Q1
h = Q1 – Q2 / Q1 = 1 - Q2 / Q1 , Wirkungsgrad
Wirkungsgrad von Wärmemaschinen
für beliebiges Volumen Vk gilt:
pk (T ) 
also:
nR
T  T
Vk
pk (T1 ) T1

pk (T2 ) T2
V1 Vk
V2
Dies gilt näherungsweise auch für
die Gesamtflächen Q1 und Q2:
Die Flächen der grünen Streifen
unter den Isothermen verhalten sich
wie die Temperaturen T1 und T2.
Q2
T2
h  1
 1
Q1
T1
Wirkungsgrad von Wärmemaschinen
η = Wnutz / Weingesetzt
=>
Tkühl
h  1
Theiß
Folgerung:
je größer der Temperaturunterschied zwischen
zugeführter und abgegebener Wärme, desto
höher ist der Wirkungsgrad.
Dampfmaschine
Prinzip:
heißer Wasserdampf wird in einem Druckgefäß
eingeschlossen; der Dampfdruck wird gezielt auf
einen Kolben geführt, wodurch dieser bewegt wird.
Wirkungsgrad:
obere Prozesstemperatur: je nach Kesselfestigkeit ca. 120°C = 393 K
untere Prozesstemperatur (Umgebungstemperatur) ca. 15°C = 298 K
η = 1 - 298 K / 393 K = 24%
theoretischer Wirkungsgrad;
realistisch sind wegen der Reibungsverluste im Gerät, der
Wärmeabstrahlung der Bauteile typisch 10%
Dampfturbinenkraftwerk
Prinzip:
Wasser wird verdampft, Dampf wird über eine
Turbine entspannt und anschließend im
Kondensator gekühlt
Vorteile:
Gegenüber Dampfmaschine höherer Druck
und höhere obere Betriebstemperatur; durch den
Kondensator niedrigere
Endtemperatur.
Wirkungsgrad: 40 %
Gasturbinenkraftwerk (GuD)
Prinzip:
Verbrennung des Gases in einer
Gasturbine, Abwärme wird zur
Verdampfung von Wasser genutzt,
das eine Dampfturbine antreibt.
Vorteil:
sehr hohe obere Betriebstemperatur
hoher Wirkungsgrad < 60%
Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads
Ökologisch und wirtschaftlich ist der Gesamtwirkungsgrad
von Bedeutung:
wieviel des eingesetzten (fossilen, nuklearen) Brennstoffs wird
tatsächlich in irgendeiner Form genutzt ?
o Nutzung der Restwärme aus dem Kondensator für
Treibhausheizung, Wärmung von Fischzuchtbecken
o Verwendung einer erhöhten Restwärme zur Fernheizung
(Kraft/Wärme – Kopplung)
Verbrennungsmotor
Zwei konkurrierende Verbrennungsmethoden:
Fremdzünder (Ottomotor): Gemisch aus Brennstoff und Luft wird
nur mäßig verdichtet, Verbrennungsstart durch äußeren
Zündfunken.
TSI (Twincharged Stratified Injection) von Volkswagen:
Direkteinspritzung mit Ladeluft-Kompressor und Abgasturbo, deren
Einsatz mit zunehmender Drehzahl nacheinander (geschichtet = stratified) erfolgt.
Selbstzünder (Dieselmotor): Luft wird so stark komprimiert, daß
der eingespritzte Brennstoff spontan verbrennt.
Wirkungsgrad: je nach Verdichtung und Brenntemperatur bei ca.
30% bis 35% , (Diesel ca. 10% besser als Ottomotor, zudem
weniger Energiebedarf bei der Brennstoffherstellung)