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Wärmemaschinen Verdampfen (nur Physik 9 I): Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand (Verdampfen) kann durch Sieden und Verdunsten erfolgen. Wärmemaschinen.

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1 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

2 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

3 Prinzip der Wärmenutzung 1) Wärmeübertragung führt zu mechanischer Arbeit (Expansion eines Arbeitsgases) ofortlaufende Zuführung des erhitzten Arbeitsgases (Dampf-, Gasturbine, Strahltriebwerk). operiodischer Prozess als Kreisprozess (Dampfmaschine, Verbrennungsmotor, Heißluftmotor) 2) Mechanische Arbeit führt zu Wärmeübertragung (Kompression eines Arbeitsgases) operiodischer Prozess als Kreisprozess (Kühlschrank und Klimaanlage, Wärmepumpen)

4 Prinzip der Wärmenutzung Bei hoher Temperatur T 1 zugeführte Wärmemenge (aus Wärmebad oder Gaszündung): Q 1 = Fläche (I, II, V2,V1) Abgegebene Wärmemenge Q 2 = Fläche (IV, III, V2,V1) V1V1 V2V2 nutzbare Energie W nutz = Q 1 – Q 2, also = W nutz / Q 1 = Q 1 – Q 2 / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, Wirkungsgrad

5 Wirkungsgrad von Wärmemaschinen für beliebiges Volumen V k gilt: also: VkVk V1V1 V2V2 Die Flächen der grünen Streifen unter den Isothermen verhalten sich wie die Temperaturen T 1 und T 2. Dies gilt näherungsweise auch für die Gesamtflächen Q 1 und Q 2 :

6 Wirkungsgrad von Wärmemaschinen η = W nutz / W eingesetzt => Folgerung: je größer der Temperaturunterschied zwischen zugeführter und abgegebener Wärme, desto höher ist der Wirkungsgrad.

7 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 K untere Prozesstemperatur (Umgebungstemperatur) ca. 15°C = 298 K η = K / 393 K = 24% theoretischer Wirkungsgrad; realistisch sind wegen der Reibungsverluste im Gerät, der Wärmeabstrahlung der Bauteile typisch 10%

8 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 %

9 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%

10 Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads Ökologisch und wirtschaftlich ist der Gesamtwirkungsgrad von Bedeutung: wieviel des eingesetzten (fossilen, nuklearen) Brennstoffs wird tatsächlich in irgendeiner Form genutzt ? oNutzung der Restwärme aus dem Kondensator für Treibhausheizung, Wärmung von Fischzuchtbecken oVerwendung einer erhöhten Restwärme zur Fernheizung (Kraft/Wärme – Kopplung)

11 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, deren Einsatz mit zunehmender Drehzahl nacheinander (geschichtet = stratified) erfolgt.


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