TD-1 Wie ist die Enthalpie definiert? Die Enthalpie ist die Energie

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:
fR
cv=
2
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:
f
c v =c v + R=( +1)⋅R
2
TD-3
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
c −c
W 12=U 2−U1=−∫ p(V )dV =c v⋅m⋅(T 2−T 1)= p v c v m(T 2−T 1)
c p −c v
V
cp
m⋅R
⋅(T −T 1 )
Mit c p −c v =R und
=κ kommen wir auf W 12=
κ−1 2
cv
Mit p⋅V =m⋅R⋅T können wir von der Temperatur auf das Volumen umformen:
p V − p1V 1
W 12= 2 2
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
p ⋅(1−dx)
p V − p1 V 1
durch W 12= 2
annähern.
W 12= 2 2
κ−1
κ−1
2
1
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
=M ⋅Rm
wobei Rm die universelle Gaskonstante ist.
T
Bei realen Gasen ist Rm jedoch nur nahe des Normaldrucks konstant, dies wird
p⋅V
durch den Realgasfaktor Z=
dargestellt. Für reale Gase muss Z = 1 sein
T⋅M⋅Rm
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.
( )
( )
V2
V1
T
Bei Isochoren Zustandsänderungen gilt Δ S =S 2 −S 1=m⋅c v ln 2
T1
und bei Isobaren Zustandsänderungen gar
V
T
Δ S =S 2 −S 1=m⋅R ln 2 +m⋅cv ln 2
V1
T1
Daher sind diese Zustandsänderungen nicht reversibel!
Bei Isothermen Zustandsänderungen gilt
( )
TD-10
Δ S =S 2−S 1 =m⋅R ln
( )
Welche Phasen durchlauft ein Carnot'scher Kreisprozess und wovon
hangt der Wirkungsgrad ab?
1-2
2-3
3-4
4-1
Isotherme Expansion
Isentrope Expansion
Isotherme Kompression
Isentrope Kompression
Der thermische Wirkungsgrad ist vom Arbeitsmedium unabhängig und nur von der
Temperaturdifferenz abhängig:
T3
η=1−
T1
TD-11
Wie hangen Zyklusarbeit und Leistung eines Kreisprozesses
zusammen?
Die Zyklusarbeit Pid 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 Pid 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
T2 = T1
V2 > V 1
p2 < p1
Expansion bei gleichbleibender Temperatur T1.
Es wird Wärme zu und Arbeit abgeführt,
( )
( )
V2
V
=m⋅R⋅T 1⋅ln 2
V1
V1
Die Entropie steigt von a auf b
−W 12=Q 12=Q zu = p 1⋅V 1 ln
2-3
Isentrope Expansion
T3 < T2
V3 > V 2
p3 < p 2
Expansion ohne Wärmeaustausch mit der
Umgebung
Zugeführte Wärme Q23 = 0,
m⋅R
(T −T 2) wird vom System
Arbeit W 23=
κ−1 3
nach Außen geleistet
Entropie S bleibt konstant
3-4
Isotherme Kompression
T4 = T3
V4 < V 3
p4 > p 3
Kompression bei gleichbleibender Temperatur T3
Die zugeführte Kompressionsarbeit wird als Wärme abgegeben
V
−W 34=m⋅R⋅T 3⋅ln 4
V3
Die Entropie sinkt von b auf a
( )
4-1
Isentrope Kompression
T1 > T4
V1 < V 4
p1 > p 4
Kompression ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung
Abgegebene Wärme Q41 = 0
m⋅R
W 41=
(T −T 4 )
κ−1 1
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
Wovon hängt der Wirkungsgrad des Stirlingprozesses ab?
V
m⋅R⋅(T 3−T 1) ln 1
V2
−W st W st
T
=
=
=1− 1
Thermischer Wirkungsgrad ηTh =
Q34 W 34
T3
V
m⋅R⋅T 3⋅ln 1
V2
Der Wirkungsgrad ist folglich nur von T1 und T3 abhängig
( )
( )
DZ-9
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
T4 < T1
V4 > V 1
p4 < p 1
Expansion ohne Wärmeaustausch mit der
Umgebung
Abgegebene Wärme Q41 = 0
m⋅R
W 14=
(T −T 1)
κ−1 4
Wegen T4 < T1 ist das Vorzeichen negativ,
es wird Arbeit nach Außen geleistet
Entropie S bleib t konstant.
4-3
Isotherme Expansion/Wärmeaufnahme
T3 = T4
V3 > V 4
p3 < p 4
Expansion bei gleichbleibender Temperatur T4.
Es wird Wärme zu und Arbeit abgeführt,
V
V
Q43=Q zu = p 4⋅V 4 ln 4 =m⋅R⋅T 4⋅ln 4
V3
V3
Die Entropie steigt von a auf b
( )
( )
3-2
Isentrope Kompression
T2 >T3
V2 < V 3
p2 < p 3
Kompression ohne Wärmeaustausch
m⋅R
W 32=
(T −T 3)
κ−1 2
Wegen T2 >T3 ist das Vorzeichen positiv,
es wird von Außen Arbeit zugeführt
Entropie bleibt konstant
2-1
Isotherme Kompression/Wärmeabgabe
T1 = T2
V1 < V 2
p1 > p 2
Kompression bei gleichbleibender Temperatur
Es wird Wärme ab und Arbeit zugeführt,
V
V
Q21=Q ab= p 2⋅V 2 ln 2 =m⋅R⋅T 2⋅ln 2
V1
V1
Die Entropie sinkt von b auf a
( )
( )
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
V1 V 4
=
V 2 V3
2-1:
Isotherme Wärmeabgabe
V
Q21=−Qab=− p1 V 1 ln 2
V1
( )
3-2:
Isentrope Arbeitsaufnahme
mR
W 32=
(T −T 2)
κ−1 3
4-3:
Isotherme Wärmeaufnahme
V
Q zu=Q 43=−mRT 3 ln 4
V3
( )
1-4:
Isentrope Arbeitsabfuhr
mR
W 14=
(T −T 4)
κ−1 1
DZ-15
Was sind die Leistungszahlen der Wärmepumpe und Kältemaschine
und wie hängen diese zusammen?
Kältemaschinen:
εk ,car =
Q 43
Q 43
=
=
W zu Q43−Q 21
−mRT 3 ln
( )
( )
V4
V3
=
T3
T 1−T 3
V1
V2
In Worten: Die dem niedrigerem Temperaturniveau abgeführte Wärmemenge durch
die aufgewendete Arbeit
−mRT 3 ln ¿ mRT 1 ln
T1
1
=
T 3 T 1−T 2
1−
T1
In Worten: die dem höherem Temperaturniveau zugeführte Wärmemenge durch die
aufgewendete Arbeit
Wärmepumpen:
εW ,car =
−Q 21
=
W zu
εW ,car =1+ε K ,car
Der Vergleich liefert:
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:
2-3:
3-4:
4-1:
GT-2
isobare Wärmezufuhr (in der Brennkammer)
isentrope Entspannung mit Abgabe äußerer Arbeit (in der Turbine)
isobare Wärmeabfuhr (Ausstoß ins Freie)
isentrope Verdichtung mit Zufuhr von Kompressionsarbeit (Verdichter)
Zeichnen Sie das Arbeitsdiagramm des Gasturbinen-Prozesses als pVund als TS-Diagramm und erläutern Sie die Zustandsänderungen.
4-1:
1-2:
2-3:
3-4:
isentrope Verdichtung von Frischluft im Verdichter.
isobare Wärmezufuhr, in der Brennkammer werden in die verdichtete Luft
Brennstoffe eingedüst und verbrannt
isentrope Entspannung: Die verbrannten Gase expandieren in der Turbine
und treiben diese an
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
Wovon hängt der Wirkungsgrad eines Joule-Prozesses ab?
Q zu−Q ab
Q
T −T 4
ηth=
=1− ab =1− 3
Q zu
Q zu
T 2−T 1
κ−1
T4
T4
p4 κ
Wegen T 3=T 2
kommen wir weiter auf ηth=1− =1−
T1
p1
T1
Der Wirkungsgrad hängt also nur vom Druckverhältnis bzw. Temperaturverhältnis
der isentropen Kompression oder Expansion ab.
( )
GT-7
Vergleichen Sie den Joule- und den Carnot-Prozess in ihren
Wirkungsgraden.
T4
Und
T4
sind sehr ähnlich, der Unterschied
T 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 T1,Joule kleiner ist als T1,Carnot, damit ist auch
der
Wirkungsgrad beim Joule-Prozess kleiner (man sieht das auch daran dass die
Fläche kleiner ist)
ηth , Joule=1−
ηth ,Carnot =1−
GT-8
Physikalische Grundlagen des Gasturbinen-Prozesses (JouleProzesses).
Der Joule-Kreisprozess enthält 4 Zustandsübergänge:
1-2: isobare Entspannung/Wärmezufuhr (in der Brennkammer)
T2 > T1
V2 > V 1
p2 = p 1
s2 > s1
Expansion bei gleichbleibendem Druck, es wird die Wärmemenge
Q zu =Q12=m⋅c p⋅(T 2−T 1) zugeführt.
2-3: isentrope Entspannung (in der Turbine)
T3 < T2
V3 > V 2
p3 < p 2
s3 = s2
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)
T4 < T3
V4 < V 3
p4 = p 3
s4 < s3
Kompression bei gleichbleibendem Druck, es wird die Wärmemenge
−Q ab=Q34=m⋅c p⋅(T 4−T 3) abgeführt.
4-1: isentrope Kompression (Verdichter)
T1 > T4
V1 < V 4
p1 > p 4
s1 = s4
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?
κ−1
T4
p4 κ
Der Wirkungsgrad ist allgemein: ηth=1− =1−
T1
p1
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
Wt41
am System verrichtete Verschiebearbeit (Einschubarbeit) p4V4
vom System verrichtete Verschiebearbeit (Ausschubarbeit) -p1V1
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
W
h −h +h −h
h −h
ηth= cr = 1 2 3 4 =1− 2 3
q 41
h1−h 4
h1−h4
rW =
DT-7
W cr W 12−W 34
W
h −h
=
=1− 34 Oder über die Enthalpien: r W =1− 4 3
W 12
W 12
W 12
h1−h2
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
DT-9
(Höhere Anforderungen an Werkstoffe!)
(Höhere Anforderungen an Werkstoffe!)
(Durch Anzapfungen aus der Dampfturbine)
(Zwischen Hoch und Mittel-Niederdruckturbine)
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
werden, andererseits erreicht der Dampf bei einer
Trockenisentropen Entspannung bis zu einer Temperatur von
Dampf
30°C (wegen des Wirkungsgrades erstrebenswert) einen
hohen Wasseranteil, was bei einem Dampfanteil von
unter 0,9 kg/kg zu Tropfenschlag an den Endschaufeln
Phasengrenze
der Turbine und damit zu erhöhter Abnutzung führt.
Durch Zwischenüberhitzung kann der Dampfgehalt
Flüssigdampf
erhöht werden, wir sehen dass der Punkt 4 näher am
Trockendampfgebiet liegt, so wird der Tropfenschlag
verringert.
DT-13
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.
DT-14
Wie ist der Wirkungsgrad des Gas-und-Dampf-Kombiprozesses
definiert?
W G +W D
Q zu
Da die zugeführte Wärme des Dampfprozesses die
Verlustwärme des Gasprozesses ist kann man es
auch so ausdrücken:
ηGuD =ηG +ηD⋅(1−ηG )
Skizze erklären!
ηGuD =
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
1992
35%
2002
43%
Ziel 2020
>50%
Steinkohle DKW
43%
46%
>53%
GuD-Kraftwerk
52%
58%
>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
DZ-11
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 CO2 – und bedürfen daher besonderer Vorsicht!
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.