Thermodynamische Grundlagen von Wärmekraftmaschinen ...
Thermodynamische Grundlagen von Wärmekraftmaschinen ...
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<strong>Thermodynamische</strong> <strong>Grundlagen</strong><br />
<strong>von</strong><br />
- <strong>Wärmekraftmaschinen</strong>,<br />
<strong>Grundlagen</strong><br />
- Turbinen und Generatoren,<br />
<strong>Thermodynamische</strong><br />
Kraftwärmekopplung<br />
<strong>von</strong> <strong>Wärmekraftmaschinen</strong><br />
1
Inhaltsverzeichnis<br />
• Hauptsätze der Thermodynamik<br />
1. Hauptsatz der Thermodynamik<br />
2. Hauptsatz der Thermodynamik<br />
• Umwandlung <strong>von</strong> Wärme in mechanische Arbeit<br />
Carnotsche Kreisprozess<br />
• Wirkungsgrad<br />
• Wärmekraftmaschine<br />
- Definition<br />
- Schematischer Darstellung einer Wärmekraftmaschine<br />
• Kältemaschine<br />
- Funktionsweise<br />
• Dampfturbinen<br />
- Realisierung der Kältemaschine<br />
- Die Turbine<br />
• Der Generator<br />
- Kopplung mehrerer Turbinen<br />
- Wechselstrom<br />
- Gleichstrom<br />
• Kraftwärmekopplung<br />
basierend auf Dampfturbinen prozess<br />
- Gegendruckturbine<br />
- Entnahme-Kondensationsturbine<br />
<strong>Thermodynamische</strong> <strong>Grundlagen</strong><br />
<strong>von</strong> <strong>Wärmekraftmaschinen</strong><br />
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Hauptsätze der Thermodynamik<br />
• 1. Hauptsatz der Thermodynamik<br />
Die Summe der einem System <strong>von</strong> außen zugeführten Wärme<br />
und der zugeführten Arbeit ist gleich der Zunahme seiner<br />
inneren Energie<br />
<strong>Thermodynamische</strong> <strong>Grundlagen</strong><br />
<strong>von</strong> <strong>Wärmekraftmaschinen</strong><br />
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Wichtige Begriffe<br />
• Isochore Prozesse: V=const<br />
• Isobare Prozesse: p=const<br />
• Isotherme Prozesse: T=const<br />
• Adiabatische Prozesse: Q=const<br />
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• 2. Hauptsatz der Thermodynamik<br />
Beobachtbar:<br />
Wärme fließt immer <strong>von</strong> selbst vom wärmeren Körper zum<br />
kälteren<br />
vollständig<br />
mechanische Energie Wärmeenergie<br />
Wärmeenergie mechanische Energie<br />
nicht vollständig<br />
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Umwandlung <strong>von</strong> Wärme in<br />
mechanische Arbeit<br />
• Der Carnotsche Kreisprozess<br />
„Gedankenexperiment“ :<br />
Aussage darüber, welcher<br />
Bruchteil der Wärmeenergie<br />
eines Systems maximal in<br />
mechanische Arbeit<br />
umgewandelt werden kann<br />
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Wirkungsgrad<br />
• 1. Schritt: Isotherme Expansion<br />
• 2. Schritt: Adiabatische Expansion<br />
• 3. Schritt: Isotherme Kompression<br />
• 4. Schritt: Adiabatische Kompression<br />
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Wirkungsgrad<br />
• Gesamtbilanz<br />
• Wirkungsgrad<br />
Es gibt keine periodisch arbeitende Maschine, deren<br />
Wirkungsgrad höher ist, als der der Carnot-Maschine<br />
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<strong>Wärmekraftmaschinen</strong><br />
• Definition<br />
Eine Wärmekraftmaschine wandelt Wärmeenergie in<br />
mechanische Arbeit um.<br />
• Schematische Darstellung einer WKM<br />
Die WKM nimmt pro Zyklus die<br />
Wärmemenge Q1 auf, verwandelt<br />
da<strong>von</strong> einen Teil in die Arbeit W und<br />
gibt den Rest Q2 als Abwärme ab. Da<br />
die Gesamtenergie erhalten ist, gilt<br />
Q1 = W + Q2.<br />
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• Beispiel: Stirlingmotor<br />
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WKM: Kältemaschine<br />
• Der Carnotschen Kreisprozess<br />
läuft in umgekehrter Richtung<br />
• Die Maschine benutzt Arbeit, die<br />
in sie hineingesteckt wird, zum<br />
Transport <strong>von</strong> Wärme vom<br />
kälteren zum wärmeren<br />
Reservoir.<br />
• Leistungszahl<br />
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• Realisierung der Kältemaschine<br />
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Dampfturbinen<br />
• Dampfturbinen sind <strong>Wärmekraftmaschinen</strong>, bei denen die<br />
Energie <strong>von</strong> Wasserdampf in kinetische Energie einer<br />
Rotationsbewegung umgewandelt wird. Sie dienen im<br />
Kraftwerken zum Antrieb <strong>von</strong> Generatoren.<br />
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Die Turbine<br />
• Laufräder<br />
• Starre Leiträder (grün)<br />
• Laufschaufeln des<br />
Läufers (rot)<br />
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Kopplung mehrerer Turbinen<br />
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Kreisprozess der Dampfturbine<br />
1. Wasser wird im Dampferzeuger<br />
erhitzt und strömt als Dampf in die<br />
Dampfturbine. Beispiel: p v = 10 bar<br />
(1 MPa), T v = 180 °C (453 K)<br />
2. In der Dampfturbine entspannt sich<br />
der Dampf und treibt so die Turbine<br />
mit Generator an. Beispiel:<br />
p k = 40 mbar (4 kPa), T k = 30 °C (303<br />
K)<br />
3. Im Kondensator wird der<br />
Wasserdampf gekühlt und zu<br />
Wasser kondensiert. Beispiel: T ein =<br />
15 °C (287 K), T aus = 25 °C (279 K)<br />
4. Das Kondenswasser wird mit der<br />
Pumpe wieder auf den Druck im<br />
Dampferzeuger gebracht und<br />
dorthin gepumpt<br />
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Der Generator<br />
"Bewegt man einen zu<br />
einem Kreis gebogenen<br />
Metalldraht in einem<br />
Magnetfeld,<br />
fließt in dem Draht ein<br />
elektrischer Strom".<br />
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Der Generator<br />
• Ein Generator wandelt<br />
mechanische Energie (die<br />
zum Antrieb der Spule<br />
gebraucht wird) in elektrische<br />
Energie um<br />
• der feststehende Feldmagnet<br />
(Stator),<br />
• die rotierenden Spulen<br />
(Rotor),<br />
• der Kommutator oder auch<br />
Kollektor, mit den auf ihm<br />
schleifenden Kontakten, die<br />
meistens durch Kohlestifte<br />
realisiert werden, welche<br />
durch Federn auf den<br />
rotierenden Kollektor<br />
gedrückt werden.<br />
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Wechselstrom<br />
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Gleichstrom<br />
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Kraftwärmekopplung<br />
• Kraftwärmekopplungsanlagen versorgen den Verbraucher mit<br />
den beiden wichtigsten Energiearten:<br />
• Bei der Stromerzeugung anfallende Wärme wird zur<br />
Bereitststellung <strong>von</strong> z.B. Heizwasser verwendet<br />
• Dadurch werden Verluste geringer gehalten und der<br />
Verbrauch an Primärenergie vermindert<br />
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Kraftwärmekopplung<br />
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KWK-Anlagen basierend auf<br />
dem Dampfturbinenprozess<br />
Es werden zwei grundlegende Typen unterschieden:<br />
• Dampfprozess mit einer Gegendrucktrubine<br />
• Dampfprozess mit einer Entnahme-Kondensationsturbine<br />
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KWK: Gegendruckturbine<br />
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KWK: Entnahme-<br />
Kondensationsturbine<br />
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