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):

aus „Newton“ Physik 9 I-III, Oldenbourg

Sieden Verdunsten

Kochen in den Bergen „Siedeverzug“ (Auto- kühler, Reagenzglas)

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 oderGaszündung):

Q1 = Fläche (I, II, V2,V1)

Abgegebene Wärmemenge

Q2 = Fläche (IV, III, V2,V1) V1 V2

nutzbare Energie Wnutz = Q1 – Q2 , also = Wnutz / Q1

= Q1 – Q2 / Q1 = 1 - Q2 / Q1 , Wirkungsgrad

Wirkungsgrad von Wärmemaschinenfür beliebiges Volumen Vk gilt:

also:

VkV1 V2

( )kk

n Rp T T T

V

1 1

2 2

( )

( )k

k

p T T

p T T

2 2

1 1

1 1Q T

Q T

Die Flächen der grünen Streifen

unter den Isothermen verhalten sich

wie die Temperaturen T1 und T2.

Dies gilt näherungsweise auch für

die Gesamtflächen Q1 und Q2:

Wirkungsgrad von Wärmemaschinen

η = Wnutz / Weingesetzt

=>

Folgerung: je größer der Temperaturunterschied zwischen zugeführter und abgegebener Wärme,

desto höher ist der Wirkungsgrad.

1 kühl

heiß

T

T

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 = 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 Dampf-

maschine höherer Druck

und höhere obere Betriebs-

temperatur; 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.

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)

TSI (Twincharged Stratified Injection) von Volkswagen:Direkteinspritzung mit Ladeluft-Kompressor und Abgasturbo, derenEinsatz mit zunehmender Drehzahl nacheinander (geschichtet = stratified) erfolgt.