12. Wärmekraftmaschinen

Prinzip der Wärmekraftnutzung Umwandlung von Wärme in gerichtete Bewegung (Antrieb eines Fahrzeugs oder Generators) Problem: Wärmebewegung ist ungerichtet Wärme 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 Energiedichte Nutzung von anderen Wärmequellen z.B. radioaktive Zerfallswärme, Fusionswärme, Strahlungswärme, Erdwärme Schulphysik 1.12

Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen Wirkungsgrad: Verhältnis von nutzbarer zu eingesetzter Energie: η = Enutzbar / Eeingesetzt Enutzbar = zugef. Wärmeenergie - Abwärme zugef. Wärmeenergie ~ Theiß Abwärme ~ Tkühl => η = (Theiß - Tkühl) / Theiß (Carnot) Folgerung: je größer der Temperaturunterschied zwischen zugeführter und abgegebener Wärme, desto besser ist der Wirkungsgrad. Schulphysik 1.12

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 = (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 Schulphysik 1.12

Entwicklung der Dampfmaschine Schulphysik 1.12

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: Schulphysik 1.12

Arbeitsweise des Ottomotors Schulphysik 1.12

Verbesserung des technischen Wirkungsgrads Problem: Brems- und Beschleunigungsverluste bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens Kolbenbeschleunigung: 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“ Schulphysik 1.12

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 Betriebstemperatur durch den Kondensator niedrigere Endtemperatur Einsatz beliebiger Wärmequellen Nachteil: zusätzliche Kühlung erforderlich (Flusswasser, Kühlturm) Schulphysik 1.12

Prinzip eines Wärmekraftwerks η= (To-Tu)/To To Tu Schulphysik 1.12

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) Schulphysik 1.12

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) Schulphysik 1.12