Was ist Carnot – Wirkungsgrad – Wirkungsgrad der Carnot – Wärmekraftmaschine – Definition

Carnot-Effizienz – Effizienz der Carnot-Wärmekraftmaschine

Der französische Ingenieur und Physiker Nicolas Léonard Sadi Carnot brachte 1824 das Studium des zweiten Gesetzes voran, indem er ein Prinzip (auch Carnots Regel genannt ) formulierte , das Grenzen für den maximalen Wirkungsgrad festlegt, den eine Wärmekraftmaschine erreichen kann. Kurz gesagt, dieses Prinzip besagt, dass der Wirkungsgrad eines thermodynamischen Zyklus ausschließlich von der Differenz zwischen den Warm- und Kalttemperaturspeichern abhängt.

Carnots Prinzip besagt:

1. Kein Motor kann effizienter sein als ein reversibler Motor ( eine Carnot-Wärmekraftmaschine ), der zwischen denselben Hochtemperatur- und Niedertemperaturbehältern betrieben wird.
2. Die Wirkungsgrade aller reversiblen Motoren ( Carnot-Wärmekraftmaschinen ), die zwischen denselben Behältern mit konstanter Temperatur betrieben werden, sind unabhängig von der verwendeten Arbeitssubstanz oder den Betriebsdetails gleich.

Carnot-Effizienz

Die Formel für diese maximale Effizienz lautet:

wo:

• ist der Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus, dh das Verhältnis = W / Q _H der vom Motor geleisteten Arbeit zur Wärmeenergie, die aus dem heißen Speicher in das System gelangt.
• T _C ist die absolute Temperatur (Kelvin) des kalten Reservoirs,
• T _H ist die absolute Temperatur (Kelvin) des heißen Reservoirs.

Beispiel: Carnot-Effizienz für Kohlekraftwerk

In einem modernen Kohlekraftwerk würde die Temperatur von Hochdruckdampf (T _heiß ) etwa 400 ° C (673 K) und T _kalt , die Wassertemperatur des Kühlturms, etwa 20 ° C (293 K) betragen. Für diesen Kraftwerkstyp beträgt der maximale (ideale) Wirkungsgrad:

= 1 – T _kalt / T _heiß = 1 – 293/673 = 56%

Es muss hinzugefügt werden, dies ist eine idealisierte Effizienz . Die Carnot-Effizienz gilt für reversible Prozesse. Diese Prozesse können in realen Kraftwerkszyklen nicht erreicht werden. Der Carnot-Wirkungsgrad schreibt vor, dass durch Erhöhen der Dampftemperatur höhere Wirkungsgrade erzielt werden können. Diese Funktion gilt auch für reale thermodynamische Kreisprozessen. Dies erfordert jedoch einen Druckanstieg in Kesseln oder Dampferzeugern . Metallurgische Überlegungen begrenzen solche Drücke jedoch. Unterkritische Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen, die unter kritischem Druck (dh unter 22,1 MPa) betrieben werden, können einen Wirkungsgrad von 36–40% erreichen. Überkritische Konstruktionen, die bei überkritischem Druck betrieben werden(dh größer als 22,1 MPa) haben Wirkungsgrade um 43%. Die effizientesten und auch sehr komplexen Kohlekraftwerke, die bei „extrem kritischen“ Drücken (dh etwa 30 MPa) betrieben werden und eine mehrstufige Wiedererwärmung verwenden, erreichen einen Wirkungsgrad von etwa 48%.

Siehe auch: Überkritischer Reaktor

Ursachen für Ineffizienz

Wie bereits erwähnt, kann ein Wirkungsgrad zwischen 0 und 1 liegen. Jede Wärmekraftmaschine ist irgendwie ineffizient. Diese Ineffizienz kann auf drei Ursachen zurückgeführt werden.

• Irreversibilität von Prozessen . Es gibt eine theoretische Obergrenze für die Effizienz der Umwandlung von Wärme in Arbeit in jeder Wärmekraftmaschine. Diese Obergrenze wird als Carnot-Effizienz bezeichnet . Nach dem Carnot-Prinzip kann kein Motor effizienter sein als ein reversibler Motor ( eine Carnot-Wärmekraftmaschine ), der zwischen denselben Hochtemperatur- und Niedertemperaturbehältern betrieben wird. Wenn beispielsweise der heiße Vorratsbehälter T _heiß von 400 ° C (673 K) und T _kalt von etwa 20 ° C (293 K) aufweist, beträgt der maximale (ideale) Wirkungsgrad: = 1 – T _kalt / T _heiß = 1 – 293 / 673 = 56%. Aber alle realen thermodynamischen Prozesse sind irgendwie irreversibel. Sie werden nicht unendlich langsam gemacht. Daher müssen Wärmekraftmaschinen aufgrund der inhärenten Irreversibilität des von ihnen verwendeten Wärmekraftmaschinenzyklus niedrigere Wirkungsgrade als Grenzwerte für ihren Wirkungsgrad aufweisen.
• Vorhandensein von Reibung und Wärmeverlusten. In realen thermodynamischen Systemen oder in realen Wärmekraftmaschinen ist ein Teil der Ineffizienz des Gesamtzyklus auf die Verluste der einzelnen Komponenten zurückzuführen. In realen Geräten (wie Turbinen, Pumpen und Kompressoren) verursachen mechanische Reibung , Wärmeverluste und Verluste im Verbrennungsprozess weitere Effizienzverluste.
• Design-Ineffizienz . Die letzte und auch wichtige Ursache für Ineffizienzen sind die Kompromisse, die Ingenieure bei der Konstruktion einer Wärmekraftmaschine (z. B. eines Kraftwerks) eingegangen sind. Sie müssen Kosten und andere Faktoren bei der Auslegung und dem Betrieb des Zyklus berücksichtigen. Betrachten Sie als Beispiel eine Auslegung des Kondensators in den Wärmekraftwerken. Idealerweise würde der in den Kondensator abgegebene Dampf keine Unterkühlung aufweisen . Echte Kondensatoren sind jedoch so ausgelegt, dass sie die Flüssigkeit um einige Grad Celsius unterkühlen, um die Saugkavitation in den Kondensatpumpen zu vermeiden . Diese Unterkühlung erhöht jedoch die Ineffizienz des Kreislaufs, da mehr Energie zum Wiedererhitzen des Wassers benötigt wird.