12. Wärmekraftmaschinen

Schulphysik 1.12

Prinzip der Wärmekraftnutzung

Umwandlung von Wärme in gerichtete Bewegung (Antrieb eines Fahrzeugs oder Generators)

Problem: Wärmebewegung ist ungerichtetWärme ist nicht vollständig in andere Energieformen umsetzbar (2.Hauptsatz der Thermodynamik)Wärme“reste“

Vorteile: Nutzung von chemisch gebundener Energie (Kohle, Erdöl, Erdgas, Torf, Holz, Biogas) mit hoher EnergiedichteNutzung von anderen Wärmequellen z.B. radioaktive Zerfallswärme, Fusionswärme, Strahlungswärme, Erdwärme

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Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen

Wirkungsgrad: Verhältnis von nutzbarer zu eingesetzter Energie:

η = Enutzbar / Eeingesetzt

Enutzbar = zugef. Wärmeenergie - Abwärmezugef. Wärmeenergie ~ Theiß

Abwärme ~ Tkühl

=> η = (Theiß - Tkühl) / Theiß (Carnot)Folgerung: je größer der Temperaturunterschied zwischen zugeführter

und abgegebener Wärme, desto besser ist der Wirkungsgrad.

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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 Kuntere Prozesstemperatur (Umgebungstemperatur) ca. 15°C = 298 K

η = (393 K - 298 K) / 393 K = 24%theoretischer Wirkungsgrad; realistisch sind wegen der Reibungsverluste im Gerät, der Wärmeabstrahlung der Bauteile und der nicht berücksichtigten Druckänderung 10% bis 11%

lohnend: Geschichte der Technik: Entwicklung der Dampfmaschine

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Entwicklung der Dampfmaschine

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Verbrennungsmotor

Prinzip: ein Brennstoff wird in einem Arbeitszylinder zur Verbrennung gebracht, die freiwerdende Wärme wird direkt in Bewegung umgesetzt.

Zwei konkurrierende Verbrennungsmethoden:

Fremdzünder: Ottomotor: Gemisch aus Brennstoff und Luft wird nur mäßig verdichtet, Verbrennungsstart durch äußeren Zündfunken

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

Ablauf des Verbrennungsvorgangs beim Ottomotor:

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Arbeitsweise des Ottomotors

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Verbesserung des technischen WirkungsgradsProblem: Brems- und Beschleunigungsverluste bei der Hin- und

Herbewegung des KolbensKolbenbeschleunigung: F= m*a; Beschleunigungsarbeit: W = F*s : nicht nutzbare Arbeit angetrieben von der Verbrennungswärme

Kreiskolben (Wankelmotor): Verdichtung nicht konkurrenzfähig

Dampfturbine (Carnot): Umwandlung der Expansionsbewegung des Dampfs in eine Drehbewegung durch viele Schaufelräder; technischer Wirkungsgrad nahe am theoretischen

Verbrennungsturbine (Gasturbine, „Düse“):einströmende Gase werden verdichtet; Brennstoff wird eingespritzt, zündet, heiße ausströmende Gase drehen Turbine oder bewegen durch „Rückstoss“

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Dampfturbinenkraftwerk

Prinzip: Wasser wird verdampft, Dampf wird über eine Turbine entspannt und anschließend im Kondensator gekühlt

Vorteile: im stationären Betrieb höherer Druck und höhere obere Betriebstemperaturdurch den Kondensator niedrigere EndtemperaturEinsatz beliebiger Wärmequellen

Nachteil: zusätzliche Kühlung erforderlich (Flusswasser, Kühlturm)

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Prinzip eines Wärmekraftwerks

To

Tu

η= (To-Tu)/To

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Gasturbinenkraftwerk (GuD)

Prinzip: Verbrennung des Gases in einer Gasturbine („Düsentriebwerk“),Abwärme wird zur Verdampfung von Wasser genutzt, das eine Dampfturbine antreibt.

Vorteil: hoher Wirkungsgrad (bis zu 60%)

Nachteil: hohe Temperaturen im Brenngerät und im Abluftkanal (Materialproblem)

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Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads

Ökologisch und wirtschaftlich ist der Gesamtwirkungsgrad von Bedeutung:wieviel vom eingesetzten (fossilen) Brennstoff wird tatsächlich in irgendeiner Form genutzt?

Nutzung der Restwärme aus dem Kondensator für Treibhausheizung, Wärmung von Fischzuchtbecken

Verwendung einer erhöhten Restwärme zur Fernheizung (Substitution von fossilen Brennstoffen an anderen Orten)