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Physik der En nergiegewinnung Wärmekraftmaschinen Kolbenmaschinen Æ Motoren Strömungsmaschinen Æ Turbinen • Warum ist der Wirkungsgrad eines Dieselmotors höher als eines Ottomotors? • Was sind GuD-Kraftwerke? • Wie funktioniert eine Dampf- bzw. bzw Gasturbine? • Wie lässt sich der Wirkungsgrad realer Maschinen erhöhen? H. Podlech 1 Thermodynamische Th d i h Grundlagen G dl von Wärmekraftmaschinen Physik der En nergiegewinnung 1. Hauptsatz 2. Hauptsatz reversibel H. Podlech 2 Zustandsgröße Physik der En nergiegewinnung Zustandsgrößen beschreiben den Zustand eines physikalisches Systems und zwar unabhängig 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 Physik der En nergiegewinnung •Q Q: Wärme • W: Arbeit Keine Zustandsgrößen, weil das System nicht i ht iin eindeutiger i d ti W Weise i b bestimmt ti t wird. id Zustandsgrößen sind i.A. i A nicht unabhängig Æ Allgemeine Gasgleichung H. Podlech 4 Zustandsänderung: Physik der En nergiegewinnung Der Zustand eines Systems lässt sich durch Änderung der Zustandsgrößen verändern. • Isotherme ZÄ • Isochore ZÄ • Isobare ZÄ • Isentrope I t ZÄ • Polytrope ZÄ H. Podlech 5 Physik der En nergiegewinnung Wärmekapazität Für 1 Mol gilt: R=8.31 J/(mol*K) Adiabatenexponent H. Podlech 6 Isochore Zustandsänderung Physik der En nergiegewinnung Volumen = konstant Innere Energie ändert sich durch Wärmeabgabe bzw. -aufnahme H. Podlech 7 dW=Vdp Physik der En nergiegewinnung Isochore Zustandsänderung Bsp.: Luft-Benzin-Gemisch wird in der Totlage des Zylinders gezündet. H. Podlech 8 Isobare Zustandsänderung Physik der En nergiegewinnung Druck = konstant Bei gleich bleibendem Druck wird von dem Gas Wärme zu- bzw. abgeführt. b füh t Dabei D b i ändert ä d t sich i h entsprechend das Volumen. dW=pdV Gay Lussac Gay-Lussac H. Podlech 9 Physik der En nergiegewinnung Isobare Zustandsänderung Bsp.: Heissdampf wird in einem Wärmetauscher abgekühlt. H. Podlech 10 Isotherme Zustandsänderung Physik der En nergiegewinnung Temperatur = konstant Innere Energie bleibt konstant. Die Arbeit bei Volumenänderung muss von dem Gas als Wärme zu zu- oder abgeführt werden Boyle Mariotte Boyle-Mariotte H. Podlech 11 Isentrope (adiabatische) Zustandsänderung Physik der En nergiegewinnung Entropie = konstant Kein Wärmekontakt Mit der Umgebung Bei isentroper Expansion gibt das Gas Arbeit ab und kühlt sich dabei ab. H. Podlech 12 Isentrope Zustandsänderung Physik der En nergiegewinnung Isentropen verlaufen steiler als Isothermen im PV-Diagramm Adiabatenexponent 1 isentrop isotherm H. Podlech 13 Isentrope Zustandsänderung Physik der En nergiegewinnung 2 Bei isentropen ZÄ verändern sich P,T,V gleichzeitig Zusammenhang Z h zwischen i h P,T und V wird durch die Adiabatengleichungen beschrieben P l t Polytrope: n=1…k 1 k Æ Isotherme-Isentrope I th I t H. Podlech 14 Zustandsänderungen im S-T-Diagramm Physik der En nergiegewinnung PV Diagramm: Fläche = Arbeit PV-Diagramm: ST-Diagramm: Fläche = Arbeit, Wärme Isentrope p Isentrope ist eine Senkrechte Im S-T-Diagramm H. Podlech 15 Physik der En nergiegewinnung Zustandsänderungen im S-T-Diagramm Isochore H. Podlech Isobare 16 Isotherme 3 Kreisprozesse Physik der En nergiegewinnung Abfolge von Zustandsänderungen eines Gases, die eine geschlossene Kurve im P-V- oder S T Diagramm darstellen S-T-Diagramm i.A. ein periodischer Vorgang • • • • • H. Podlech Carnot-Prozess Otto-Prozess Di Diesel-Prozess lP Joule-Prozess Rankine-Prozess 17 Physik der En nergiegewinnung Carnot-Prozess • S. Carnot: 1796-1832 • Ingenieur der Ecole Polytechnique Paris • 1824: 1824 „vollkommene llk M Maschine“, hi “ verlustfrei, l tf i unabhängig von der Arbeitssubstanz oder Konstruktionsprinzip • Höchster Wirkungsgrad aller denkbaren Wärmekraftmaschienen • Theoretische Beschreibung durch Clausius (1865) H. Podlech 18 Umwandlung von Wärme in Arbeit: Carnot Physik der En nergiegewinnung 1Æ2: Isotherme Expansion 2Æ3: Isentrope Expansion 3Æ4 IIsotherme 3Æ4: th K Kompression i 4Æ1: Isentrope Kompression H. Podlech 19 Physik der En nergiegewinnung Umwandlung von Wärme in Arbeit: Carnot H. Podlech 20 Physik der En nergiegewinnung Umwandlung von Wärme in Arbeit (Kraftswerksprozess) Dampfkraftprozess Clausius-Rankine-Prozess R.J.E. Clausius (1822-1888) H. Podlech W.J.M. Rankine (1820-1872) 21 Physik der En nergiegewinnung Wasser und Wasserdampf • Höchste Wärmekapazität aller Flüssigkeiten • Höchste Oberflächenspannung (außer Hg) • Höchste Verdampfungsenthalpie • Dichteanomalie p-T-Diagramm p g H. Podlech 22 Physik der En nergiegewinnung Wasser Unter Druck: Schmelzen des Eises Æ Fließen von Gletschern H. Podlech 23 Wasser und Wasserdampf Physik der En nergiegewinnung p-V-T-Diagramm Anomalie Siedelinie Kritischer Punkt: Flüssigkeit und Dampf nicht mehr gleiche Dichte unterscheidbar Æ g Verdampfungswärme null Sublimationsgebiet Nassdampfgebiet H. Podlech 24 Taulinie Physik der En nergiegewinnung Wasserdampf: X-Parameter Siedelinie 100 b bar 20 bar Taulinie Trockendampf Nassdampf Wärmezufuhr H. Podlech 25 Physik der En nergiegewinnung Clausius-Rankine-Prozess 1Æ2: Isentrope Verdichtung flüssiger Phase 3 2Æ3: Isobare Wärmezufuhr (Vorwärmung, Verdampfung) 2 3Æ4: Isentrope Expansion 1 4Æ1: Isobare Wärmeabfuhr und Kondensation F Dietzel, F. Di t l T Technische h i h Wä Wärmelehre l h H. Podlech 26 4 Clausius-Rankine-Prozess Dampfüberhitzung Æ Wirkungsgrad Physik der En nergiegewinnung Erhitzung, Druckerhöhung, Sieden Höhere Temperatur und Druck Überhitzung, Verdampfen Isentrope Kompression Isentrope Expansion F. Dietzel, Technische Wärmelehre H. Podlech 27 Clausius-Rankine-Prozess Physik der En nergiegewinnung Problem: Festigkeitseigenschaften der Werkstoffe Zurzeit 250 bar und 650 C Aber: Höherer Wirkungsgrad wird vollständig durch höhere Investitionskosten aufgezehrt H. Podlech 28 Physik der En nergiegewinnung Clausius-Rankine-Prozess: Realer Prozess Der realer Wirkungsgrad ist etwa 10% niedriger als der ideale. K. Strauß, Kraftwerkstechnik H. Podlech 29 Physik der En nergiegewinnung Clausius-Rankine-Prozess H. Podlech 30 Joule-Prozess (Gasturbinen) Physik der En nergiegewinnung Verdichtetes Gas wird erhitzt (Verdichter). In der Turbine wird es isentrop expandiert und Wärme in Rotationsenergie umgewandelt. umgewandelt 1 Æ 2: isentrope Kompression (Luft) 2 Æ 3: isobare Expansion (Einspritzung & Selbstzündung) 3 Æ 4: isentrope Expansion (A b it b b ) (Arbeitsabgabe) 4 Æ 1: isobare Entspannung (Ablass der Abgase) H. Podlech 31 Joule-Prozess Physik der En nergiegewinnung Arbeitsmittel: Homogenes Gas 1 Æ 2: isentrope Kompression (Luft) 2 Æ 3: isobare Expansion p (Einspritzung & Zündung) 3 Æ 4: isentrope Expansion (Arbeitsabgabe i. d. Turbine) 4 Æ 1: isobare „Kompression“ (Ablass der Abgase) H. Podlech 32 (idealer) Joule-Prozess Physik der En nergiegewinnung i b isobar Arbeit Turbine Arbeit Verdichter H. Podlech 33 V1/V2=V4/V3 Physik der En nergiegewinnung Gleiches Volumenverhältnis bei Verdichtung und Expansion Joule-Prozess Adiabatengleichung Adiabatengleichungen Isobaren Einsetzen in Verdichter T Verdichter-T H. Podlech 34 Physik der En nergiegewinnung Joule-Prozess kk=1.4 1.4 (Luft) Kleiner als Carnot K. Strauß, Kraftwerkstechnik H. Podlech 35 Joule-Prozess Physik der En nergiegewinnung Zusammenhang zwischen Nutzarbeit und Wirkungsgrad wegen H. Podlech 36 Joule-Prozess Physik der En nergiegewinnung Zusammenhang zwischen Nutzarbeit und Wirkungsgrad wegen H. Podlech 37 Joule-Prozess Physik der En nergiegewinnung Für welche Temperatur T2 hat WN ein Maximum? wegen H. Podlech 38 Physik der En nergiegewinnung Joule-Prozess Der einfache Joule-Prozess wird in Strahltriebwerken und Spitzenlastkraftwerken eingesetzt. Bei anderen Anwendungen Wirkungsgradoptimierung: Innerer Wärmeaustausch Zwischenkühlung und Zwischenüberhitzung H. Podlech 39 Joule-Prozess Erhöhung des Wirkungsgrades - regenerativer Wärmeaustausch - Physik der En nergiegewinnung Vorwärmung Turbinenaustrittstemperatur T bi t itt t t ist i t i.d.R i d R viel i l höher als die Temperatur bei Eintritt in die Brennkammer Æ innerer Wärmeaustausch über Wärmetauscher H. Podlech 40 K. Strauß, Kraftwerkstechnik Gasturbinen Physik der En nergiegewinnung Verdichter Brennkammer Turbine 1. 1 2. 3. 4 4. 5. H. Podlech Anwurfmotor A f t startet t t t Verdichter V di ht Verdichter bringt Frischluft zur Brennkammer Zündung des Brennstoff in der Brennkammer Rauchgase expandieren in der Turbine Umwandlung von thermischer in Rotationsenergie 41 Gasturbinen Verdichter: Physik der En nergiegewinnung „Umgedrehte Turbine“ G wird Gas idd durch hB Beschaufelung h f l b beschleunigt hl i und isentrop verdichtet H. Podlech 42 Gasturbinen Physik der En nergiegewinnung Verdichter GE79 H. Podlech 43 Gasturbinen Physik der En nergiegewinnung Temperaturbeständig bis 2500 K Lebensdauer 100000 h Korrosionsfest H. Podlech 44 SGT5-8000H der Siemens AG Physik der En nergiegewinnung Gasturbinen Kraftwerk H. Podlech 45 Physik der En nergiegewinnung Turbinen Beschaufelung H. Podlech 46 Gasturbinen Materialien Hohe Anforderungen an das Material Physik der En nergiegewinnung Æ Superlegierungen Æ Arbeiten bei 90% des Schmelzpunktes Æ Teilweise mono-kristallin Schaufel einer Gasturbine Inconel 718: Werkstoffnummer: 2.4668, 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 Physik der En nergiegewinnung Gasturbinen Anwendungen Gasturbinenkraftwerke Flugzeugtriebwerke T b l d Turbolader Gasturbinen für gasgekühlte KKWs Leistungen bis ca 300 MWel H. Podlech 48 Gasturbinen Turbolader Abgase treiben eine Turbine an Physik der En nergiegewinnung Turbine treibt Verdichter an H. Podlech 49 Physik der En nergiegewinnung Gasturbinen (Flugzeug) Druck wird nicht bis auf Atmosphärendruck reduziert, sondern nur sowie, um die Leistung für den Verdichter aufzubringen. Düse: Erzeugung hoher Ausstoßgeschwindigkeiten Æ Rückstoßprinzip H. Podlech 50 Physik der En nergiegewinnung 880 MWel Dampfturbine H. Podlech 51 Physik der En nergiegewinnung Gas- und Turbinen-Prozess (GuD) Kombination Gas-und Dampfturbine Wi k Wirkungsgrad d bis bi 60% H. Podlech 52 Physik der En nergiegewinnung Wirkungsgrad GuD H. Podlech 53 Kraft Wärme Kopplung Kraft-Wärme-Kopplung Physik der En nergiegewinnung Nutzung der Abwärme durch Entnahme von Dampf vor der Niederdruckturbine Æ Wirkungsgrad bis 90% H. Podlech 54
