Was ist ein Wärmekraftmaschinentyp – Beispiel für eine Wärmekraftmaschine – Definition

Arten von Wärmekraftmaschinen

Im Allgemeinen werden Wärmekraftmaschinen nach einem Verbrennungsort wie folgt kategorisiert:

• Verbrennungsmotor. Beispielsweise sind Dampfmaschinen externe Verbrennungsmotoren, bei denen das Arbeitsfluid von den Verbrennungsprodukten getrennt ist.
• Verbrennungsmotor. Ein typisches Beispiel für einen Verbrennungsmotor ist ein im Automobil verwendeter Motor  , bei dem die hohe Temperatur durch Verbrennen des Benzin-Luft-Gemisches im Zylinder selbst erreicht wird.

Die detaillierte Kategorisierung basiert auf einem Arbeitsmedium, das im thermodynamischen Zyklus verwendet wird:

• Gaszyklen. In diesen Kreisprozessen ist das Arbeitsfluid immer ein Gas. Der Otto-Zyklus und der Diesel-Zyklus (verwendet werden Automobile) sind ebenfalls typische Beispiele für Nur-Gas-Kreisprozessen. Moderne Gasturbinentriebwerke und luftatmende Strahltriebwerke, die ebenfalls auf dem Nur-Gas-Zyklus basieren, folgen dem Brayton-Zyklus.
• Flüssigkeitszyklen. Nur-Flüssigkeit-Kreisprozessen sind ziemlich exotisch. In diesen Kreisprozessen ist das Arbeitsfluid immer eine Flüssigkeit. Der Malone-Flüssigkeitsmotor ist ein Beispiel für einen Nur-Flüssigkeit-Zyklus. Der Malone-Flüssigkeitsmotor war eine Modifikation des Stirling-Zyklus, bei dem Wasser als Arbeitsmedium anstelle von Gas verwendet wurde
• Kreisprozessen mit Phasenänderungen. Dampfmaschinen sind typische Beispiele für externe Motoren mit Phasenwechsel des Arbeitsmediums.

Beispiel einer Wärmekraftmaschine

Dampfmaschinen und Kühlschränke sind typische Beispiele für externe Motoren mit Phasenwechsel des Arbeitsmediums. Ein typischer thermodynamischer Zyklus, der zur Analyse dieses Prozesses verwendet wird, wird als Rankine-Zyklus bezeichnet , bei dem normalerweise Wasser als Arbeitsmedium verwendet wird.

Der Rankine-Zyklus beschreibt genau die Prozesse in dampfbetriebenen Wärmekraftmaschinen, die in den meisten Wärmekraftwerken üblich sind . Die in diesen Kraftwerken verwendeten Wärmequellen sind normalerweise die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Kohle, Erdgas oder auch die Kernspaltung .

Ein Kernkraftwerk (Kernkraftwerk) sieht mit einer Ausnahme wie ein Standard-Wärmekraftwerk aus. Die Wärmequelle im Kernkraftwerk ist ein Kernreaktor . Wie in allen herkömmlichen Wärmekraftwerken üblich, wird die Wärme zur Erzeugung von Dampf verwendet, der eine Dampfturbine antreibt, die an einen Generator angeschlossen ist, der Strom erzeugt.

Typischerweise betreiben die meisten Kernkraftwerke mehrstufige Kondensationsdampfturbinen . In diesen Turbinen erhält die Hochdruckstufe Dampf (dieser Dampf ist nahezu gesättigter Dampf – x = 0,995 – Punkt C in der Abbildung; 6 MPa ; 275,6 ° C) von einem Dampferzeuger und leitet ihn zum Feuchtigkeitsabscheider-Nacherhitzer (Punkt D) ab ). Der Dampf muss erneut erwärmt werden, um Schäden zu vermeiden, die durch Dampf von geringer Qualität an den Schaufeln der Dampfturbine verursacht werden könnten . Der Nacherhitzer erwärmt den Dampf (Punkt D) und dann wird der Dampf zur Niederdruckstufe der Dampfturbine geleitet, wo er sich ausdehnt (Punkt E bis F). Der ausgestoßene Dampf kondensiert dann im Kondensator und hat einen Druck, der weit unter dem atmosphärischen Druck liegt (absoluter Druck von0,008 MPa ) und befindet sich in einem teilweise kondensierten Zustand (Punkt F), typischerweise von einer Qualität nahe 90%.

In diesem Fall stellen Dampferzeuger, Dampfturbinen, Kondensatoren und Speisewasserpumpen eine Wärmekraftmaschine dar, die den durch den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik auferlegten Wirkungsgradbeschränkungen unterliegt . Im Idealfall (keine Reibung, reversible Prozesse, perfektes Design) hätte diese Wärmekraftmaschine einen Carnot-Wirkungsgrad von

= 1 – T _kalt / T _heiß = 1 – 315/549 = 42,6%

Wenn die Temperatur des heißen Reservoirs 275,6 ° C (548,7 K) beträgt, beträgt die Temperatur des kalten Reservoirs 41,5 ° C (314,7 K). Das Kernkraftwerk ist jedoch die eigentliche Wärmekraftmaschine , in der thermodynamische Prozesse irgendwie irreversibel sind. Sie werden nicht unendlich langsam gemacht. In realen Geräten (wie Turbinen, Pumpen und Kompressoren) verursachen mechanische Reibung und Wärmeverluste weitere Wirkungsgradverluste.

Daher haben Kernkraftwerke normalerweise einen Wirkungsgrad von etwa 33%. In modernen Kernkraftwerken beträgt der thermodynamische Gesamtwirkungsgrad etwa ein Drittel (33%), sodass 3000 MWth Wärmeleistung aus der Spaltreaktion benötigt werden, um 1000 MWe elektrischen Strom zu erzeugen .

Nach dem Prinzip höhere Wirkungsgrade der Carnot kann durch Erhöhung der erreicht werden Temperatur des Dampfes. Dies erfordert jedoch einen Druckanstieg in Kesseln oder Dampferzeugern. Metallurgische Überlegungen begrenzen solche Drücke jedoch. Unter diesem Gesichtspunkt werden überkritische Wasserreaktoren aufgrund ihres hohen thermischen Wirkungsgrads als vielversprechender Fortschritt für Kernkraftwerke angesehen (~ 45% gegenüber ~ 33% für aktuelle LWR). SCWRs werden bei überkritischem Druck (dh größer als 22,1 MPa) betrieben.