Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine die Wärme in mechanische Energie Arbeit umwandelt Sie nutzt dabei das Bestrebe
Wärmekraftmaschine

Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die Wärme in mechanische Energie (Arbeit) umwandelt. Sie nutzt dabei das Bestreben der Wärme aus, von Gebieten mit höheren zu solchen mit niedrigeren Temperaturen zu fließen. Beispiele sind Dampfmaschine, Dampfturbine und alle Verbrennungsmotoren.
Dagegen wird eine Maschine, die unter Einsatz mechanischer Energie Wärmeenergie von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres transportiert, als Kraftwärmemaschine, Wärmepumpe oder Kältemaschine bezeichnet.
Wärmekraftmaschinen nutzen „rechtslaufende“ Kreisprozesse, bei denen die geschlossene Kurve etwa im T-s-Diagramm oder P-v-Diagramm im Sinne „oben nach rechts, unten nach links“ durchlaufen wird. Wärmepumpen nutzen „linkslaufende“ Kreisprozesse. Zur Beurteilung der Effizienz von Kreisprozessen dienen die idealen Vergleichsprozesse. Die theoretische Grundlage dieser Prozesse bildet die thermische Zustandsgleichung idealer Gase mit den drei Gaszustandsgrößen Druck, Temperatur, Volumen und der universellen Gaskonstante.
Wirkungsgrad
Als Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine wird der Anteil der vom oberen Temperaturniveau abfließenden Wärmeenergie bezeichnet, der in die genutzte mechanische Energie umgewandelt wird. Eine obere Grenze für ihn ist durch den Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses gegeben, bei dem Wärmeaufnahme und -Abgabe bei definierten Temperaturniveaus und stattfinden und keine Reibungs-, Wärmeabfluss- und Wärmetransportverluste entstehen. Für ihn gilt:
Voraussetzung für die Erreichung des Carnotschen Wirkungsgrades ist, dass alle Teilprozesse des Kreisprozesses reversibel gestaltet sind. Dies ist gleichbedeutend damit, dass eine Größe namens Entropie S des Gesamtsystems aus Wärmekraftmaschine und Umgebung nicht wächst. (Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann sie nicht geringer werden, also muss sie konstant bleiben.)
(dQ ist die ausgetauschte Wärmemenge eines infinitesimal kleinen Prozessschritts, T die dazugehörige Temperatur):
Der Carnotsche Wirkungsgrad wird in der Praxis nie erreicht, da
- die Wärmeaufnahme auch bei niedrigeren Temperaturen als und die Wärmeabgabe auch bei höheren Temperaturen als stattfindet (z. B. im Stirling-Prozess),
- trotz Isolation immer Wärmetransport ohne Austausch von Arbeit stattfindet,
- jede Maschine Reibungsverluste aufweist, die ebenfalls das Verhältnis von Wärme- zu Arbeitsfluss verschlechtern, und schließlich
- bei schnell ablaufenden Prozessen der Wärmestrom aufgrund des nichtverschwindenden Wärmewiderstands eine Temperaturdifferenz benötigt, die für die Umwandlung in Arbeit verloren geht (siehe Wärmeleitung).
Für Wärmepumpen ist die verwendete charakteristische Größe die Leistungszahl.
Eine wichtige Größe für den Wirkungsgrad von Kolbenmaschinen bildet der Ausdehnungsgrad, manchmal auch Expansionswirkungsgrad genannt. Das ist der Volumenunterschied des verdichteten Gases zum expandierten Gas am Ende des Arbeitszyklus.
Bei den Turbinen ist das Druckverhältnis oder das Temperaturverhältnis des Arbeits- oder Brenngases beim Turbineneintritt zum Turbinenaustritt bestimmend für den Wirkungsgrad.
Ebenfalls wichtig ist ein möglichst hoher Isentropenexponent des Arbeitsgases. Das ist eine Verhältniszahl der Wärmekapazität eines Gases bei gleichem Druck zu der bei gleichem Volumen. Freie Wahl des Arbeitsgases besteht nur bei Maschinen mit geschlossenem Kreislauf.
Beispiele
Verbrennungsmotor
Verbrennungsmotoren haben Verbrennungstemperaturen von bis zu 2500 °C (2773 K) und Arbeitsgas-Endtemperaturen von etwa 1000 °C (1273 K). Der theoretisch maximal erreichbare Wirkungsgrad wäre also
In der Praxis erreichen unter optimalen Bedingungen Ottomotoren 38 %, Dieselmotoren 45 % und langsam laufende Schiffsdieselmotoren 50 % Wirkungsgrad. In PKWs erreichen unter realen Fahrbedingungen mit einem hohen Anteil von Teillastbetrieb Ottomotoren typischerweise einen zeitlich gemittelten Wirkungsgrad von weniger als 25 % und Dieselmotoren weniger als 30 %.
GuD-Kraftwerk
Eine Wärmekraftmaschine kann aus verschiedenen Kreisprozessen zusammengesetzt werden (z. B. GuD-Kraftwerk: Kombination des Gasturbinenprozesses mit einem Dampfkraftwerk):
- Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit eines Prozesses in der Temperaturspanne von 1500 bis 700 °C in der Gasturbine, danach mit den Abgasen aus dem Gasturbinenprozess
- Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit eines Prozesses in der Temperaturspanne von 700 bis 100 °C im Dampfkraftwerk,
wodurch theoretisch der Wirkungsgrad eines (Vergleichs-)Kreisprozesses in der Temperaturspanne von 1500 bis 100 °C erreicht werden kann. GuD-Kraftwerke erreichen in der Praxis Wirkungsgrade bis zu 63 %.
Kolbendampfmaschine
Kolbendampfmaschinen im geschlossenen Prozess arbeiten mit Dampftemperaturen bis 350 °C. Der Vergleichsprozess für diese Kraftmaschinen ist der Gleichdruckprozess. Der Wirkungsgrad übersteigt selten 20 %. Stirlingmotoren können im noch tieferen Temperaturbereich Wärme in Kraft umsetzen (z. B. Abwärme aus dem Dampfprozess). Der Wirkungsgrad erreicht dann gemäß der Carnot-Gleichung kaum mehr als 10 % bis 20 %.
Gasturbine
Gasturbinen arbeiten mit Turbineneintrittstemperaturen von 1300 °C bis 1400 °C und Abgastemperaturen von 800 °C bis 600 °C. Der Vergleichsprozess ist der Jouleprozess. Turbinen erreichen wegen der tieferen Höchsttemperaturen nicht den Wirkungsgrad von Kolbenmaschinen.
Dampfturbine
Dampfturbinen arbeiten mit Höchsttemperaturen von 600 °C bis 700 °C und Endtemperaturen von 130 °C. Der Vergleichsprozess ist der Jouleprozess oder der Clausius-Rankine-Prozess. Trotz der geringen Arbeitstemperatur des Dampfes kommt der Prozess wegen der guten Wärmekapazität und der guten Wärmeleitfähigkeit des Wasserdampfes im Erhitzer und im Kondensator auf Wirkungsgrade von über 30 %.
Einteilung (Typologie)
Da ein Gas als Arbeitsmedium eingesetzt wird, gehören Wärmekraftmaschinen zu den thermischen Fluidenergiemaschinen.
Nach Art der Erzeugung der thermischen Energie
- Verbrennungskraftmaschinen (Thermische Fluidenergiemaschinen mit innerer Verbrennung) In aller Regel wird ein Gemisch aus Luft und Kohlenwasserstoffen nach dem Verdichten zur Zündung gebracht und verbrannt. Beim Kolbenmotor im Zylinderraum und bei der Turbine in der Brennkammer. Die Kohlenwasserstoffe können flüssig oder gasförmig mit der Luft und dem Sauerstoff vermischt werden. Die Effizienz von Maschinen mit innerer Verbrennung ist höher als die Effizienz von Maschinen mit äußerer Verbrennung (trotz besseren Arbeitsgaseigenschaften Wärmekapazität und Isentropenexponent bei äußerer Verbrennung), weil die Wärmeübertragung wegfällt.
- Verbrennungsmotor, Gasmotor (Benzinmotor λ=1 maximale Verbrennungstemperatur 2500 K, Dieselmotor λ=1,4 maximale Verbrennungstemperatur 2200 K)
- Gasturbine, Turbofan (Kerosinmotor λ=4-6 maximale Verbrennungstemperatur 1500 K, Turbolader maximale Abgastemperatur 1300 K)
- Thermische Gasenergiemaschinen mit äußerer Verbrennung In der Regel werden feste und billige Brennstoffe zur Aufheizung des Arbeitsgases verwendet (Kohle, Holz, Müll). Auch minderwertige flüssige und gasförmige Brennstoffe (Rohöl, Schweröl, Industriegas und Biogas) werden oft angewandt. Ein typischer Anwendungsfall sind auch die Brennstäbe von Kernkraftwerken. Als Arbeitsgas liefern Helium und Wasserstoff einen wesentlich besseren Wirkungsgrad als Dampf oder Luft oder Abgas, weil die drei wichtigen Eigenschaften für Arbeitsgase (Wärmekapazität, Isentropenexponent, Wärmeübergangszahl) besser sind.
- Dampfturbine (maximale Dampftemperatur 800 K bis 1000 K)
- Dampfmaschine (untere Dampftemperatur 500 K, obere Dampftemperatur 800 K)
- Stirlingmotor (untere Heliumtemperatur 400 K)
Nach Druckaufbau
- Strömungsmaschinen
- Turbomaschinen
- Dampfturbine
- Gasturbine
- Staustrahltriebwerk
- Turbomaschinen
- Kolbenmaschinen
- Verbrennungsmotor (innere Verbrennung)
- Dampfmaschine (äußere Verbrennung)
- Stirlingmotor (äußere Verbrennung)
Siehe auch
- Mikro-KWK
- Kraft-Wärme-Kopplung
- Schukey-Motor
Weblinks
- Weitere Details bei Physikon Physik-Lexikon (21. November 2020 im Internet Archive).
- Alfred Kischke: Die Gaskraftmaschinen. Kurzgefaßte Darstellung der wichtigsten Gasmaschinen-Bauarten. De Gruyter, 1909. (Nachdruck: ISBN 978-3-11-101818-8)
- Gaskraftmaschine. In: Meyers Großes Konversations-Lexikon. Band 7, Leipzig 1907, S. 372–375. (online auf: zeno.org)
- Dampfschraubenmotor. auf: hessenenergie.de (PDF; 1,8 MB)
Einzelnachweise
- GE-Powered Plant Awarded World Record Efficiency by Guinness. Power Engineering, 27. März 2018 .
Autor: www.NiNa.Az
Veröffentlichungsdatum:
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Eine Warmekraftmaschine ist eine Maschine die Warme in mechanische Energie Arbeit umwandelt Sie nutzt dabei das Bestreben der Warme aus von Gebieten mit hoheren zu solchen mit niedrigeren Temperaturen zu fliessen Beispiele sind Dampfmaschine Dampfturbine und alle Verbrennungsmotoren Warmekraftmaschine Energiebilanz Dagegen wird eine Maschine die unter Einsatz mechanischer Energie Warmeenergie von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein hoheres transportiert als Kraftwarmemaschine Warmepumpe oder Kaltemaschine bezeichnet Warmekraftmaschinen nutzen rechtslaufende Kreisprozesse bei denen die geschlossene Kurve etwa im T s Diagramm oder P v Diagramm im Sinne oben nach rechts unten nach links durchlaufen wird Warmepumpen nutzen linkslaufende Kreisprozesse Zur Beurteilung der Effizienz von Kreisprozessen dienen die idealen Vergleichsprozesse Die theoretische Grundlage dieser Prozesse bildet die thermische Zustandsgleichung idealer Gase mit den drei Gaszustandsgrossen Druck Temperatur Volumen und der universellen Gaskonstante WirkungsgradAls Wirkungsgrad einer Warmekraftmaschine wird der Anteil der vom oberen Temperaturniveau abfliessenden Warmeenergie bezeichnet der in die genutzte mechanische Energie umgewandelt wird Eine obere Grenze fur ihn ist durch den Wirkungsgrad hCarnot displaystyle eta text Carnot des Carnot Prozesses gegeben bei dem Warmeaufnahme und Abgabe bei definierten Temperaturniveaus Tmax displaystyle T mathrm max und Tmin displaystyle T mathrm min stattfinden und keine Reibungs Warmeabfluss und Warmetransportverluste entstehen Fur ihn gilt hCarnot Tmax TminTmax 1 TminTmax displaystyle eta text Carnot frac T mathrm max T mathrm min T mathrm max 1 frac T mathrm min T mathrm max Voraussetzung fur die Erreichung des Carnotschen Wirkungsgrades ist dass alle Teilprozesse des Kreisprozesses reversibel gestaltet sind Dies ist gleichbedeutend damit dass eine Grosse namens Entropie S des Gesamtsystems aus Warmekraftmaschine und Umgebung nicht wachst Nach 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Grosse die Leistungszahl Eine wichtige Grosse fur den Wirkungsgrad von Kolbenmaschinen bildet der Ausdehnungsgrad manchmal auch Expansionswirkungsgrad genannt Das ist der Volumenunterschied des verdichteten Gases zum expandierten Gas am Ende des Arbeitszyklus Bei den Turbinen ist das Druckverhaltnis oder das Temperaturverhaltnis des Arbeits oder Brenngases beim Turbineneintritt zum Turbinenaustritt bestimmend fur den Wirkungsgrad Ebenfalls wichtig ist ein moglichst hoher Isentropenexponent des Arbeitsgases Das ist eine Verhaltniszahl der Warmekapazitat eines Gases bei gleichem Druck zu der bei gleichem Volumen Freie Wahl des Arbeitsgases besteht nur bei Maschinen mit geschlossenem Kreislauf BeispieleVerbrennungsmotor Verbrennungsmotoren haben Verbrennungstemperaturen von bis zu 2500 C 2773 K und Arbeitsgas Endtemperaturen von etwa 1000 C 1273 K Der theoretisch maximal erreichbare Wirkungsgrad ware also hCarnot 1 1273K2773K 0 54 54 displaystyle eta text Carnot 1 frac 1273 mathrm K 2773 mathrm K 0 54 54 In der Praxis erreichen unter optimalen Bedingungen Ottomotoren 38 Dieselmotoren 45 und langsam laufende Schiffsdieselmotoren 50 Wirkungsgrad In PKWs erreichen unter realen Fahrbedingungen mit einem hohen Anteil von Teillastbetrieb Ottomotoren typischerweise einen zeitlich gemittelten Wirkungsgrad von weniger als 25 und Dieselmotoren weniger als 30 GuD Kraftwerk Eine Warmekraftmaschine kann aus verschiedenen Kreisprozessen zusammengesetzt werden z B GuD Kraftwerk Kombination des Gasturbinen prozesses mit einem Dampfkraftwerk Ausnutzung der Arbeitsfahigkeit eines Prozesses in der Temperaturspanne von 1500 bis 700 C in der Gasturbine danach mit den Abgasen aus dem Gasturbinenprozess Ausnutzung der Arbeitsfahigkeit eines Prozesses in der Temperaturspanne von 700 bis 100 C im Dampfkraftwerk wodurch theoretisch der Wirkungsgrad eines Vergleichs Kreisprozesses in der Temperaturspanne von 1500 bis 100 C erreicht werden kann GuD Kraftwerke erreichen in der Praxis Wirkungsgrade bis zu 63 Kolbendampfmaschine Kolbendampfmaschinen im geschlossenen Prozess arbeiten mit Dampftemperaturen bis 350 C Der Vergleichsprozess fur diese Kraftmaschinen ist der Gleichdruckprozess Der Wirkungsgrad ubersteigt selten 20 Stirlingmotoren konnen im noch tieferen Temperaturbereich Warme in Kraft umsetzen z B Abwarme aus dem Dampfprozess Der Wirkungsgrad erreicht dann gemass der Carnot Gleichung kaum mehr als 10 bis 20 Gasturbine Gasturbinen arbeiten mit Turbineneintrittstemperaturen von 1300 C bis 1400 C und Abgastemperaturen von 800 C bis 600 C Der Vergleichsprozess ist der Jouleprozess Turbinen erreichen wegen der tieferen Hochsttemperaturen nicht den Wirkungsgrad von Kolbenmaschinen Dampfturbine Dampfturbinen arbeiten mit Hochsttemperaturen von 600 C bis 700 C und Endtemperaturen von 130 C Der Vergleichsprozess ist der Jouleprozess oder der Clausius Rankine Prozess Trotz der geringen Arbeitstemperatur des Dampfes kommt der Prozess wegen der guten Warmekapazitat und der guten Warmeleitfahigkeit des Wasserdampfes im Erhitzer und im Kondensator auf Wirkungsgrade von uber 30 Einteilung Typologie Da ein Gas als Arbeitsmedium eingesetzt wird gehoren Warmekraftmaschinen zu den thermischen Fluidenergiemaschinen Nach Art der Erzeugung der thermischen Energie Verbrennungskraftmaschinen Thermische Fluidenergiemaschinen mit innerer Verbrennung In aller Regel wird ein Gemisch aus Luft und Kohlenwasserstoffen nach dem Verdichten zur Zundung gebracht und verbrannt Beim Kolbenmotor im Zylinderraum und bei der Turbine in der Brennkammer Die Kohlenwasserstoffe konnen flussig oder gasformig mit der Luft und dem Sauerstoff vermischt werden Die Effizienz von Maschinen mit innerer Verbrennung ist hoher als die Effizienz von Maschinen mit ausserer Verbrennung trotz besseren Arbeitsgaseigenschaften Warmekapazitat und Isentropenexponent bei ausserer Verbrennung weil die Warmeubertragung wegfallt Verbrennungsmotor Gasmotor Benzinmotor l 1 maximale Verbrennungstemperatur 2500 K Dieselmotor l 1 4 maximale Verbrennungstemperatur 2200 K Gasturbine Turbofan Kerosinmotor l 4 6 maximale Verbrennungstemperatur 1500 K Turbolader maximale Abgastemperatur 1300 K Thermische Gasenergiemaschinen mit ausserer Verbrennung In der Regel werden feste und billige Brennstoffe zur Aufheizung des Arbeitsgases verwendet Kohle Holz Mull Auch minderwertige flussige und gasformige Brennstoffe Rohol Schwerol Industriegas und Biogas werden oft angewandt Ein typischer Anwendungsfall sind auch die Brennstabe von Kernkraftwerken Als Arbeitsgas liefern Helium und Wasserstoff einen wesentlich besseren Wirkungsgrad als Dampf oder Luft oder Abgas weil die drei wichtigen Eigenschaften fur Arbeitsgase Warmekapazitat Isentropenexponent Warmeubergangszahl besser sind Dampfturbine maximale Dampftemperatur 800 K bis 1000 K Dampfmaschine untere Dampftemperatur 500 K obere Dampftemperatur 800 K Stirlingmotor untere Heliumtemperatur 400 K Nach Druckaufbau Stromungsmaschinen Turbomaschinen Dampfturbine Gasturbine StaustrahltriebwerkKolbenmaschinen Verbrennungsmotor innere Verbrennung Dampfmaschine aussere Verbrennung Stirlingmotor aussere Verbrennung Siehe auchMikro KWK Kraft Warme Kopplung Schukey MotorWeblinksWeitere Details bei Physikon Physik Lexikon 21 November 2020 im Internet Archive Alfred Kischke Die Gaskraftmaschinen Kurzgefasste Darstellung der wichtigsten Gasmaschinen Bauarten De Gruyter 1909 Nachdruck ISBN 978 3 11 101818 8 Gaskraftmaschine In Meyers Grosses Konversations Lexikon Band 7 Leipzig 1907 S 372 375 online auf zeno org Dampfschraubenmotor auf hessenenergie de PDF 1 8 MB EinzelnachweiseGE Powered Plant Awarded World Record Efficiency by Guinness Power Engineering 27 Marz 2018 abgerufen im 1 Januar 1