Thermodynamische Kreisprozessen
Im Allgemeinen ist Thermodynamik die Wissenschaft, die sich mit Energieerzeugung, -speicherung, -transfer und -umwandlung befasst. Unser Ziel wird es sein, die Thermodynamik als Energieumwandlungswissenschaft einzuführen . Derzeit sind fossile Brennstoffe die weltweit vorherrschende Energiequelle. Aber die Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt nur thermische Energie , daher werden diese Energiequellen so genannten „ Primärenergieträger “, das muss umgewandelt werden , um sekundäre Energiequelle , so genannte Energieträger ( elektrische Energie etc.). Um Wärmeenergie in eine andere Energieform umzuwandeln, muss eine Wärmekraftmaschine eingesetzt werden.
Viele Wärmekraftmaschinen arbeiten zyklisch , indem sie in einem Teil des Zyklus Energie in Form von Wärme zuführen und diese Energie in einem anderen Teil des Zyklus für nützliche Arbeiten nutzen.
Ein Prozess, der ein System schließlich in den Ausgangszustand zurückversetzt, wird als zyklischer Prozess bezeichnet . Am Ende eines Zyklus haben alle Eigenschaften den gleichen Wert wie zu Beginn. Ein typischer thermodynamischer Zyklus besteht aus einer Reihe von thermodynamischen Prozessen, die Wärme und Arbeit übertragen, während Druck, Temperatur und andere Zustandsvariablen variiert werden, um ein System schließlich in seinen Ausgangszustand zurückzubringen.
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik schreibt vor, dass der Nettowärmeeintrag über einen beliebigen Zyklus gleich dem Nettowärmeeintrag ist.
Die Zunahme der inneren Energie eines geschlossenen Systems entspricht der dem System zugeführten Wärme abzüglich der von ihm geleisteten Arbeit.
∆E int = Q – W
Dies ist der erste Hauptsatz der Thermodynamik und es ist das Prinzip der Erhaltung der Energie , was bedeutet , dass Energie kann weder erzeugt noch vernichtet werden , sondern in verschiedene Formen umgewandelt , wenn das Fluid in dem Steuerraum untersucht.
Es ist das wichtigste Gesetz für die Analyse der meisten Systeme und dasjenige, das quantifiziert, wie Wärmeenergie in andere Energieformen umgewandelt wird .
Die thermodynamischen Zyklen können in zwei Hauptklassen unterteilt werden:
- Ein- und Ausschalten. Leistungszyklen sind Zyklen , die gewissen wandeln Wärmeeingangin eine mechanische Arbeit ausgegeben. Thermodynamische Leistungszyklen sind die Grundlage für den Betrieb von Wärmekraftmaschinen, die die überwiegende Mehrheit der Kraftfahrzeuge antreiben und den größten Teil des weltweiten Stroms erzeugen.
- Wärmepumpenkreisläufe. Wärmepumpenkreisläufe übertragen die Wärme durch mechanischen Arbeitseinsatz von niedrigen auf hohe Temperaturen . Es gibt keinen Unterschied zwischen der Thermodynamik von Kühlschränken und Wärmepumpen. Beide arbeiten, indem sie Wärme von einem kalten in einen warmen Raum bringen.
Die folgende Klassifizierung der thermodynamischen Zyklen erfolgt nach ihren Bestandteilen der thermodynamischen Prozesse. In der Praxis bestehen einfache idealisierte thermodynamische Zyklen normalerweise aus vier thermodynamischen Prozessen. Im Allgemeinen bilden die folgenden Prozesse normalerweise thermodynamische Zyklen:
Carnot-Zyklus
Siehe auch: Carnot-Zyklus
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:
- Kein Motor kann effizienter sein als ein reversibler Motor ( eine Carnot-Wärmekraftmaschine ), der zwischen denselben Hochtemperatur- und Niedertemperaturbehältern betrieben wird.
- 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.
Der Zyklus dieses Motors wird als Carnot-Zyklus bezeichnet . Ein System, das einen Carnot-Zyklus durchläuft, wird als Carnot-Wärmekraftmaschine bezeichnet . Es ist kein tatsächlicher thermodynamischer Zyklus, sondern ein theoretisches Konstrukt und kann in der Praxis nicht aufgebaut werden. Alle realen thermodynamischen Prozesse sind irgendwie irreversibel . Sie werden nicht unendlich langsam ausgeführt und unendlich kleine Temperaturschritte sind ebenfalls eine theoretische Fiktion. Daher müssen Wärmekraftmaschinen aufgrund der inhärenten Irreversibilität des von ihnen verwendeten Wärmekraftmaschinenzyklus niedrigere Wirkungsgrade als Grenzwerte für ihren Wirkungsgrad aufweisen.
Otto-Zyklus
Siehe auch: Otto Cycle
Siehe auch: Atkinson-Zyklus
Der Zyklus des Otto-Motors wird als Otto-Zyklus bezeichnet . Es ist einer der häufigsten thermodynamischen Zyklen , die in Kraftfahrzeugmotoren zu finden sind, und beschreibt die Funktionsweise eines typischen Fremdzündungskolbenmotors. Im Gegensatz zum Carnot-Zyklus führt der Otto-Zyklus keine isothermen Prozesse aus, da diese sehr langsam ausgeführt werden müssen. In einem idealen Otto-Zyklus durchläuft das System, das den Zyklus ausführt, eine Reihe von vier intern reversiblen Prozessen: zwei isentrope (reversible adiabatische) Prozesse wechseln sich mit zwei isochoren Prozessen ab.
Da das Carnot-Prinzip besagt, dass kein Motor effizienter sein kann als ein reversibler Motor ( eine Carnot-Wärmekraftmaschine ), der zwischen denselben Hochtemperatur- und Niedertemperaturreservoirs betrieben wird, muss der Otto-Motor einen geringeren Wirkungsgrad als der Carnot-Wirkungsgrad haben. Ein typischer Benzinmotor arbeitet mit einem thermischen Wirkungsgrad von etwa 25% bis 30% . Etwa 70-75% werden als Abwärme verworfen, ohne in nützliche Arbeit umgewandelt zu werden, dh Arbeit, die an Räder geliefert wird.
Dieselzyklus
Siehe auch: Dieselzyklus
Siehe auch: Dual Cycle
Der Dieselzyklus ist einer der häufigsten thermodynamischen Zyklen in Kraftfahrzeugmotoren und beschreibt die Funktionsweise eines typischen Selbstzündungskolbenmotors. Der Dieselmotor arbeitet ähnlich wie der Benziner. Der wichtigste Unterschied ist:
- Zu Beginn des Kompressionshubs befindet sich kein Kraftstoff im Zylinder, daher tritt bei Dieselmotoren keine Selbstentzündung auf.
- Der Dieselmotor verwendet eine Selbstzündung anstelle einer Fremdzündung.
- Aufgrund der hohen Temperatur, die während der adiabatischen Kompression entsteht, entzündet sich der Kraftstoff beim Einspritzen spontan. Daher werden keine Zündkerzen benötigt.
- Vor dem Beginn des Arbeitstakts beginnen die Einspritzdüsen, Kraftstoff direkt in die Brennkammer einzuspritzen, und daher erfolgt der erste Teil des Arbeitstakts ungefähr bei konstantem Druck.
- Bei Dieselmotoren können höhere Verdichtungsverhältnisse erreicht werden als bei Ottomotoren
Brayton-Zyklus
Siehe auch: Brayton-Zyklus
Siehe auch: Ericsson Cycle
1872 brachte der amerikanische Ingenieur George Bailey Brayton die Untersuchung von Wärmekraftmaschinen voran , indem er einen Verbrennungsmotor mit konstantem Druck patentierte, bei dem zunächst verdampftes Gas, später flüssige Brennstoffe wie Kerosin verwendet wurden. Diese Wärmekraftmaschine ist als ” Brayton’s Ready Motor ” bekannt . Dies bedeutet, dass der ursprüngliche Brayton-Motor anstelle einer Gasturbine und eines Gaskompressors einen Kolbenkompressor und einen Kolbenexpander verwendete.
Heute moderne Gasturbinenmotoren und Luftholen Strahltriebwerke sind auch ein Konstantdruck – Wärmemotoren, deshalb wir ihre Thermodynamik vom beschreiben Zyklus Brayton . Im Allgemeinen beschreibt der Brayton-Zyklus die Funktionsweise einer Wärmekraftmaschine mit konstantem Druck .
Es ist einer der häufigsten thermodynamischen Zyklen , die in Gasturbinenkraftwerken oder in Flugzeugen zu finden sind. Im Gegensatz zum Carnot-Zyklus führt der Brayton-Zyklus keine isothermen Prozesse aus , da diese sehr langsam ausgeführt werden müssen. In einem idealen Brayton- Zyklus durchläuft das System, das den Zyklus ausführt, eine Reihe von vier Prozessen: zwei isentrope (reversible adiabatische) Prozesse, die sich mit zwei isobaren Prozessen abwechseln.
Rankine-Zyklus
Siehe auch: Rankine-Zyklus
1859 brachte der schottische Ingenieur William John Macquorn Rankine das Studium der Wärmekraftmaschinen voran, indem er das „ Handbuch der Dampfmaschine und anderer Hauptantriebe “ veröffentlichte. Rankine entwickelte eine vollständige Theorie der Dampfmaschine und aller Wärmekraftmaschinen. Zusammen mit Rudolf Clausius und William Thomson (Lord Kelvin) leistete er einen Beitrag zur Thermodynamik, wobei er sich insbesondere auf das erste der drei thermodynamischen Gesetze konzentrierte. Der Rankine-Zyklus wurde nach ihm benannt und beschreibt die Leistung von Dampfturbinensystemen , obwohl theoretisch Prinzip gilt auch für Hubkolbenmotoren wie Dampflokomotiven. Im Allgemeinen ist der Rankine-Zyklusist ein idealisierter thermodynamischer Zyklus einer Konstantdruck-Wärmekraftmaschine, die einen Teil der Wärme in mechanische Arbeit umwandelt. In diesem Zyklus wird die Wärme extern einem geschlossenen Kreislauf zugeführt, der normalerweise Wasser (in flüssiger und dampfförmiger Phase) als Arbeitsmedium verwendet. Im Gegensatz zu dem Zyklus Brayton , das Fluid in dem Arbeits Rankine – Zyklus durchläuft die Phasenänderung von einer Flüssigkeit in Dampfphase und vice versa.
Während viele Substanzen als Arbeitsfluid im Rankine-Kreislauf verwendet werden könnten (anorganisch oder sogar organisch), ist Wasser aufgrund seiner günstigen Eigenschaften, wie seiner ungiftigen und nicht reaktiven Chemie, seiner Häufigkeit und seiner geringen Kosten, normalerweise das Fluid der Wahl. sowie seine thermodynamischen Eigenschaften. Zum Beispiel hat Wasser die höchste spezifische Wärme aller gängigen Substanzen – 4,19 kJ / kg K. Darüber hinaus hat es eine sehr hohe Verdampfungswärme , was es zu einem wirksamen Kühlmittel und Medium in Wärmekraftwerken und anderen Energiebranchen macht. Im Falle des Rankine-Zyklus das ideale Gasgesetzkann fast nicht verwendet werden (Dampf folgt nicht pV = nRT), daher sind alle wichtigen Parameter von Wasser und Dampf in sogenannten „ Dampftabellen “ aufgeführt.
Einer der Hauptvorteile des Rankine-Zyklus besteht darin, dass der Kompressionsprozess in der Pumpe an einer Flüssigkeit stattfindet . Durch Kondensieren des Arbeitsdampfes zu einer Flüssigkeit (innerhalb eines Kondensators) wird der Druck am Turbinenausgang gesenkt und die von der Förderpumpe benötigte Energie verbraucht nur 1% bis 3% der Turbinenausgangsleistung und diese Faktoren tragen zu einem höheren Wirkungsgrad bei der Kreislauf.
Der Rankine-Kreislauf ist heute der grundlegende Betriebszyklus aller Wärmekraftwerke, in denen ein Betriebsfluid kontinuierlich verdampft und kondensiert. Dies ist einer der häufigsten thermodynamischen Zyklen, da die Turbine an den meisten Orten der Welt mit Dampf angetrieben wird.
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