Wie der Rankine-Kreisprozess Wärme in Arbeit umwandelt

Der Rankine-Kreisprozess erklärt, wie Wärme durch thermodynamische Zyklen in Kraftwerken in mechanische Arbeit umgewandelt wird.

Wie der Rankine-Kreisprozess Wärme in Arbeit umwandelt

Der Rankine-Kreisprozess ist ein thermodynamischer Kreislauf, der häufig in Kraftwerken verwendet wird, um Wärme in mechanische Arbeit umzuwandeln. Dieser Prozess ist nach dem schottischen Ingenieur William John Macquorn Rankine benannt und stellt das Grundprinzip hinter den meisten Dampfmaschinen und Dampfturbinen dar.

Die Hauptkomponenten des Rankine-Kreisprozesses

• Kessel
• Turbine
• Kondensator
• Speisewasserpumpe

Die vier Hauptschritte des Rankine-Kreisprozesses

1. Isobare Wärmeaufnahme im Kessel: Wasser wird bei konstantem Druck im Kessel erhitzt, bis es zu Dampf wird. Dieser Dampf hat nun einen hohen Energiegehalt.
2. Adiabatische Expansion in der Turbine: Der Hochdruckdampf wird in die Turbine geleitet, wo er adiabatisch expandiert und dabei Arbeit verrichtet. Diese mechanische Arbeit treibt die Turbine an, die wiederum einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.
3. Isobare Wärmeabgabe im Kondensator: Der Dampf verlässt die Turbine und gelangt in den Kondensator, wo er bei konstantem Druck gekühlt wird, bis er wieder zu Wasser kondensiert.
4. Adiabatische Kompression in der Pumpe: Das kondensierte Wasser wird von der Speisewasserpumpe adiabatisch auf den Ausgangsdruck des Kessels komprimiert. Dabei wird ein geringer Teil der Arbeit verbraucht, die im ersten Schritt gewonnen wurde.

Thermodynamische Analyse

Um den thermodynamischen Wirkungsgrad des Rankine-Kreisprozesses zu bestimmen, betrachtet man die Wärme- und Arbeitsflüsse innerhalb jedes Prozesses. Der Wirkungsgrad kann als Verhältnis der geleisteten Arbeit zur zugeführten Wärme berechnet werden.

Formeln zur Bestimmung des Wirkungsgrads

Der Wirkungsgrad \(\eta\) des Rankine-Kreisprozesses kann wie folgt berechnet werden:

$\frac{(h^1–h^2)–(h^3–h^4)}{(h^1–h^4)}$

Hierbei sind:

• h₁: Enthalpie des Dampfes am Ausgang des Kessels
• h₂: Enthalpie des Dampfes am Ausgang der Turbine
• h₃: Enthalpie des kondensierten Wassers
• h₄: Enthalpie des Wassers nach der Pumpe

Verbesserung des Wirkungsgrads

In Praxis können verschiedene Methoden angewendet werden, um den Wirkungsgrad des Rankine-Kreisprozesses zu verbessern:

• Überhitzung: Erhöhung der Temperatur des Dampfes oberhalb der Siedetemperatur.
• Zwischenüberhitzung: Zwei oder mehr Kesselstufen zur weiteren Erhöhung der Dampftemperatur.
• Abwärmenutzung: Verwendung von Abwärmetauschern zur Vorwärmung des Speisewassers.

Der Rankine-Kreisprozess ist somit ein essenzielles Prinzip in der Energieerzeugung und zeigt deutlich, wie thermodynamische Konzepte in realen Anwendungen genutzt werden können.