Was ist Wärmekraftmaschine – Definition

Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik kann auf viele spezifische Arten ausgedrückt werden. Jede Aussage drückt das gleiche Gesetz aus. Nachfolgend sind drei aufgeführt, die häufig auftreten.

• Clausius-Erklärung
• Kelvin-Planck-Erklärung
• Entropie und das zweite Gesetz

Vor diesen Aussagen müssen wir an die Arbeit eines französischen Ingenieurs und Physikers erinnern  , Nicolas Léonard Sadi Carnot, der das Studium des zweiten Gesetzes vorangetrieben hat, indem er ein Prinzip ( auch Carnots Regel genannt ) formuliert hat , das Grenzen für den maximalen Wirkungsgrad festlegt, den eine Wärmekraftmaschine erreichen kann .

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.

Wärmewirkungsgrad und das zweite Gesetz

Eine ideale Wärmekraftmaschine ist eine imaginäre Maschine, bei der Energie, die als Wärme aus dem Hochtemperaturspeicher gewonnen wird, vollständig in Arbeit umgewandelt wird. Nach der Aussage von Kelvin-Planck würde ein solcher Motor jedoch gegen den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik verstoßen, da der Umwandlungsprozess Verluste verursachen muss. Die dem System zugeführte Nettowärme muss höher sein als die vom System geleistete Nettowärme.

Kelvin-Planck-Aussage:

„Es ist unmöglich, ein Gerät zu konstruieren, das in einem Zyklus arbeitet und keinen anderen Effekt als die Erzeugung von Arbeit und die Übertragung von Wärme von einem einzelnen Körper erzeugt.“

Formel für den thermischen Wirkungsgrad

Als ein Ergebnis dieser Anweisung definieren wir den thermischen Wirkungsgrad , η _th , ein Wärmekraftmaschine als das Verhältnis der Arbeits es tut, W , an den Wärmeeingang bei der hohen Temperatur, Q _H .

Der thermische Wirkungsgrad , η _th , stellt den Anteil an Wärme , Q _H , die konvertiert wird , zu arbeiten . Es ist ein dimensionsloses Leistungsmaß für eine Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie verwendet, z. B. eine Dampfturbine, eine Verbrennungsmaschine oder einen Kühlschrank. Bei einer Kälte- oder Wärmepumpe gibt der thermische Wirkungsgrad an, inwieweit die durch Arbeit hinzugefügte Energie in Nettowärmeleistung umgewandelt wird. Da es sich um eine dimensionslose Zahl handelt, müssen wir W, Q _H und Q _{C immer} in denselben Einheiten ausdrücken .

Da Energie nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik eingespart wird und Energie nicht vollständig in Arbeit umgewandelt werden kann , muss der Wärmeeintrag Q _H gleich der geleisteten Arbeit W plus der Wärme sein, die als Abwärme Q _C an die abgegeben werden muss Umgebung. Daher können wir die Formel für den thermischen Wirkungsgrad wie folgt umschreiben:

Um den Wirkungsgrad in Prozent anzugeben, multiplizieren wir die vorherige Formel mit 100. Beachten Sie, dass η _th nur dann 100% sein kann, wenn die Abwärme Q _C Null ist.

Im Allgemeinen ist der Wirkungsgrad selbst der besten Wärmekraftmaschinen recht gering. Kurz gesagt, es ist sehr schwierig , Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln . Die thermischen Wirkungsgrade liegen üblicherweise unter 50% und oft weit darunter. Seien Sie vorsichtig, wenn Sie es mit den Wirkungsgraden von Wind- oder Wasserkraft vergleichen (Windkraftanlagen sind keine Wärmekraftmaschinen). Es gibt keine Energieumwandlung zwischen thermischer und mechanischer Energie.

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.

Wärmewirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen

Im Allgemeinen ist der Wirkungsgrad selbst der besten Wärmekraftmaschinen recht gering. Kurz gesagt, es ist sehr schwierig, Wärmeenergie in mechanische Energie umzuwandeln . Die thermischen Wirkungsgrade liegen üblicherweise unter 50% und oft weit darunter.

Es ist einfach, Wärmeenergie durch Arbeiten zu erzeugen, beispielsweise durch einen beliebigen Reibungsprozess. Es ist jedoch schwieriger, Arbeit mit Wärmeenergie zu bekommen. Es ist eng mit dem Konzept der Entropie verbunden , das die Energie einer Substanz quantifiziert, die nicht mehr für nützliche Arbeiten zur Verfügung steht. Zum Beispiel ist Elektrizität besonders nützlich, da sie eine sehr niedrige Entropie aufweist (hochgeordnet ist) und sehr effizient in andere Energieformen umgewandelt werden kann . Seien Sie vorsichtig, wenn Sie es mit den Wirkungsgraden von Wind- oder Wasserkraft vergleichen (Windkraftanlagen sind keine Wärmekraftmaschinen). Es gibt keine Energieumwandlung zwischen thermischer und mechanischer Energie.

Der thermische Wirkungsgrad verschiedener Wärmekraftmaschinen, die heute entwickelt oder verwendet werden, hat einen großen Bereich:

Beispielsweise:

Transport

• In der Mitte des 20. Jahrhunderts hatte eine typische Dampflokomotive einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 6% . Das bedeutet, dass pro 100 MJ verbrannter Kohle 6 MJ mechanische Leistung erzeugt wurden.
• 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.
• Ein typischer Dieselmotor arbeitet mit etwa 30% bis 35% . Im Allgemeinen sind Motoren, die den Dieselzyklus verwenden, normalerweise effizienter.
• 2014 wurden neue Vorschriften für Formel-1-Fahrzeuge eingeführt . Diese Motorsportbestimmungen haben die Teams dazu gedrängt, hocheffiziente Aggregate zu entwickeln. Laut Mercedes erreicht ihr Triebwerk jetzt mehr als 45% und einen thermischen Wirkungsgrad von nahezu 50%, dh 45 – 50% der potenziellen Energie im Kraftstoff wird an Räder abgegeben.
• Der Dieselmotor hat den höchsten thermischen Wirkungsgrad aller praktischen Verbrennungsmotoren. Dieselmotoren mit niedriger Drehzahl (wie sie in Schiffen verwendet werden) können einen thermischen Wirkungsgrad von mehr als 50% aufweisen . Der größte Dieselmotor der Welt erreicht mit 51,7% Spitzenwerte.

Energietechnik

• Umwandlung der thermischen Energie des Ozeans (OTEC). OTEC ist eine hochentwickelte Wärmekraftmaschine, die den Temperaturunterschied zwischen kühlerem, tiefem und wärmerem Oberflächenwasser nutzt, um eine Niederdruckturbine zu betreiben. Da der Temperaturunterschied mit etwa 20 ° C gering ist, ist auch sein thermischer Wirkungsgrad mit etwa 3% sehr gering .
• In modernen Kernkraftwerken beträgt der thermische Gesamtwirkungsgrad etwa ein Drittel (33%), sodass 3000 MWth Wärmeleistung aus der Spaltreaktion benötigt werden, um 1000 MWe elektrischen Strom zu erzeugen . Höhere Wirkungsgrade können durch Erhöhen der Temperatur des Dampfes erreicht werden . Dies erfordert jedoch einen Druckanstieg in Kesseln oder Dampferzeugern. Metallurgische Überlegungen begrenzen solche Drücke jedoch. Im Vergleich zu anderen Energiequellen ist der thermische Wirkungsgrad von 33% nicht viel. Es ist jedoch zu beachten, dass Kernkraftwerke viel komplexer sind als Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen und es viel einfacher ist, fossile Brennstoffe zu verbrennen, als Energie aus Kernbrennstoffen zu erzeugen .
• Unterkritische Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen, die unter kritischem Druck (dh unter 22,1 MPa) betrieben werden, können einen Wirkungsgrad von 36–40% erreichen.
• Die überkritischen Wasserreaktoren gelten aufgrund ihres hohen thermischen Wirkungsgrads als vielversprechender Fortschritt für Kernkraftwerke (~ 45% gegenüber ~ 33% bei aktuellen LWR).
• Überkritische Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen, die mit überkritischem Druck (dh mehr als 22,1 MPa) betrieben werden, weisen Wirkungsgrade von rund 43% auf . 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% .
• Moderne kombinierte Gasturbinenanlagen (CCGT), bei denen der thermodynamische Zyklus aus zwei Kraftwerkszyklen besteht (z. B. der Brayton-Zyklus und der Rankine-Zyklus), können im Gegensatz zu einem Dampf mit einem Zyklus einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 55% erreichen Kraftwerk, das auf Wirkungsgrade von ca. 35-45% begrenzt ist.