{"id":53620,"date":"2020-03-06T08:38:43","date_gmt":"2020-03-06T07:38:43","guid":{"rendered":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/was-ist-die-verbesserung-des-thermischen-wirkungsgrads-rankine-zyklus-definition\/"},"modified":"2020-03-06T08:40:12","modified_gmt":"2020-03-06T07:40:12","slug":"was-ist-die-verbesserung-des-thermischen-wirkungsgrads-rankine-zyklus-definition","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.thermal-engineering.org\/de\/was-ist-die-verbesserung-des-thermischen-wirkungsgrads-rankine-zyklus-definition\/","title":{"rendered":"Was ist die Verbesserung des thermischen Wirkungsgrads – Rankine-Zyklus – Definition?"},"content":{"rendered":"
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Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades – Rankine-Zyklus.\u00a0Es gibt verschiedene Methoden, wie der thermische Wirkungsgrad des Rankine-Kreislaufs verbessert werden kann.\u00a0W\u00e4rmetechnik<\/div>\n<\/div>\n
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W\u00e4rmewirkungsgrad des Rankine-Zyklus<\/h2>\n

Im allgemeinen wird\u00a0die\u00a0thermischen Wirkungsgrad<\/strong><\/a>\u00a0,\u00a0<\/a>\u03b7\u00a0<\/em><\/strong><\/a>th<\/sub><\/em><\/strong><\/a>\u00a0, ein W\u00e4rmekraftmaschine ist als das Verh\u00e4ltnis der definierten\u00a0Arbeits<\/a>\u00a0es tut,\u00a0W<\/strong>\u00a0, an den\u00a0W\u00e4rmeeingang<\/a>\u00a0bei der hohen Temperatur, Q\u00a0H<\/sub>\u00a0.<\/p>\n

\"Formel<\/a><\/p>\n

Der\u00a0thermische Wirkungsgrad<\/strong>\u00a0,\u00a0\u03b7\u00a0<\/em><\/strong>th<\/sub><\/em><\/strong>\u00a0, stellt den Anteil an\u00a0W\u00e4rme<\/strong>\u00a0,\u00a0Q\u00a0<\/strong>H<\/sub><\/strong>\u00a0, die konvertiert wird ,\u00a0zu arbeiten<\/strong>\u00a0.\u00a0Da nach dem\u00a0ersten Hauptsatz der Thermodynamik<\/strong><\/a>\u00a0Energie\u00a0gespart wird<\/strong><\/a>\u00a0und Energie nicht vollst\u00e4ndig in Arbeit umgewandelt werden kann\u00a0, muss\u00a0der W\u00e4rmeeintrag Q\u00a0H<\/sub>\u00a0gleich der geleisteten Arbeit W sein, zuz\u00fcglich der W\u00e4rme, die als\u00a0Abw\u00e4rme Q\u00a0<\/strong>C<\/sub><\/strong>\u00a0in die\u00a0W\u00e4rme<\/strong>\u00a0abgef\u00fchrt werden muss\u00a0Umgebung.\u00a0Daher k\u00f6nnen wir die Formel f\u00fcr den thermischen Wirkungsgrad wie folgt umschreiben:<\/p>\n

\"Formel<\/a><\/p>\n

Dies ist eine sehr n\u00fctzliche Formel, aber hier dr\u00fccken wir den thermischen Wirkungsgrad unter Verwendung des ersten\u00a0Enthalpiesatzes aus<\/a>\u00a0.<\/p>\n

\"Rankine-Zyklus<\/a>
Rankine-Zyklus – Ts-Diagramm<\/figcaption><\/figure>\n

Typischerweise\u00a0betreiben die\u00a0meisten\u00a0Kernkraftwerke\u00a0<\/strong>mehrstufige Kondensationsdampfturbinen<\/strong>\u00a0.\u00a0In diesen Turbinen empf\u00e4ngt die Hochdruckstufe\u00a0Dampf<\/a>\u00a0(dieser Dampf ist nahezu ges\u00e4ttigter Dampf – x = 0,995 – Punkt C in der Abbildung;\u00a06 MPa<\/strong>\u00a0; 275,6 \u00b0 C) von einem Dampferzeuger und leitet ihn an einen Feuchtigkeitsabscheider-Nacherhitzer (Punkt D) weiter ).\u00a0Der Dampf muss erneut erw\u00e4rmt werden, um Sch\u00e4den zu vermeiden, die durch\u00a0minderwertigen Dampf<\/a>\u00a0an den Schaufeln der\u00a0Dampfturbine entstehen k\u00f6nnen<\/a>\u00a0.\u00a0Der Nacherhitzer erw\u00e4rmt den Dampf (Punkt D) und der Dampf wird dann zur Niederdruckstufe der Dampfturbine geleitet, wo er sich ausdehnt (Punkt E bis F).\u00a0Der verbrauchte Dampf kondensiert dann im Kondensator und hat einen Druck, der weit unter dem Atmosph\u00e4rendruck liegt (absoluter Druck von0,008 MPa<\/strong>\u00a0) und befindet sich in einem teilweise kondensierten Zustand (Punkt F), typischerweise mit einer Qualit\u00e4t nahe 90%.<\/p>\n

In diesem Fall bilden Dampferzeuger, Dampfturbinen, Kondensatoren und Speisewasserpumpen eine W\u00e4rmekraftmaschine, die den durch den\u00a0zweiten Hauptsatz der Thermodynamik<\/strong><\/a>\u00a0auferlegten Effizienzbeschr\u00e4nkungen unterliegt\u00a0.\u00a0Im Idealfall (keine Reibung, reversible Prozesse, perfektes Design) h\u00e4tte diese W\u00e4rmekraftmaschine einen\u00a0Carnot-Wirkungsgrad<\/a>\u00a0von<\/p>\n

= 1 – T\u00a0kalt<\/sub>\u00a0\/ T\u00a0hei\u00df<\/sub>\u00a0= 1 – 315\/549 = 42,6%<\/p>\n

Wenn die Temperatur des hei\u00dfen Reservoirs 275,6 \u00b0 C (548,7 K) betr\u00e4gt, betr\u00e4gt die Temperatur des kalten Reservoirs 41,5 \u00b0 C (314,7 K).\u00a0Aber das Kernkraftwerk ist die\u00a0echte W\u00e4rmekraftmaschine<\/strong>\u00a0, in der thermodynamische Prozesse irgendwie irreversibel sind.\u00a0Sie sind nicht unendlich langsam gemacht.\u00a0In realen Ger\u00e4ten (wie Turbinen, Pumpen und Kompressoren) verursachen mechanische Reibung und W\u00e4rmeverluste weitere Effizienzverluste.<\/p>\n

Um den\u00a0thermischen Wirkungsgrad<\/strong>\u00a0des einfachsten\u00a0Rankine-Zyklus<\/strong>\u00a0(ohne Wiedererw\u00e4rmung)\u00a0zu berechnen, verwenden die\u00a0Ingenieure das\u00a0erste Hauptsatz der Thermodynamik in Bezug auf die Enthalpie<\/strong><\/a>\u00a0und nicht in Bezug auf die innere Energie.<\/p>\n

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Das erste Gesetz in Bezug auf die Enthalpie lautet:<\/span><\/p>\n

dH = dQ + Vdp<\/span><\/strong><\/em><\/p>\n

In dieser Gleichung ist der Begriff\u00a0<\/span>Vdp<\/span><\/em><\/strong>\u00a0eine\u00a0<\/span>Flussprozessarbeit.\u00a0<\/span><\/strong>Diese Arbeit, \u00a0\u00a0<\/span>Vdp<\/span><\/em><\/strong>\u00a0, wird f\u00fcr\u00a0<\/span>Open-Flow-Systeme<\/span><\/strong>\u00a0wie eine\u00a0<\/span>Turbine<\/span><\/strong>\u00a0oder eine\u00a0<\/span>Pumpe verwendet,<\/span><\/strong>\u00a0bei denen ein\u00a0<\/span>\u201edp\u201c vorliegt<\/span><\/strong>\u00a0, dh eine Druck\u00e4nderung.\u00a0Es gibt keine \u00c4nderungen in der\u00a0<\/span>Lautst\u00e4rke<\/span><\/a>\u00a0.\u00a0Wie zu sehen ist,\u00a0<\/span>vereinfacht<\/span><\/strong>\u00a0diese Form des Gesetzes\u00a0die Beschreibung der Energie\u00fcbertragung<\/strong>\u00a0.\u00a0<\/span>Bei konstantem Druck entspricht<\/span><\/strong>\u00a0die\u00a0<\/span>Enthalpie\u00e4nderung<\/span><\/strong>\u00a0der\u00a0<\/span>Energie<\/span><\/strong>\u00a0, die durch Erhitzen aus der Umgebung \u00fcbertragen wird:<\/span><\/p>\n

Isobarer Prozess (Vdp = 0):<\/span><\/strong><\/p>\n

dH = dQ \u2192 Q = H\u00a0<\/span><\/strong>2<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0– H\u00a0<\/span><\/strong>1<\/span><\/sub><\/strong><\/p>\n

Bei konstanter Entropie<\/span><\/strong>\u00a0, dh im isentropischen Prozess, entspricht die\u00a0<\/span>Enthalpie\u00e4nderung<\/span><\/strong>\u00a0der\u00a0am oder vom System durchgef\u00fchrten\u00a0<\/span>Flussprozessarbeit<\/span><\/strong>\u00a0:<\/span><\/p>\n

Isentropischer Prozess (dQ = 0):<\/span><\/strong><\/p>\n

dH = Vdp \u2192 W = H\u00a0<\/span><\/strong>2<\/span><\/sub><\/strong>\u00a0– H\u00a0<\/span><\/strong>1<\/span><\/sub><\/strong><\/p>\n

Es ist offensichtlich, dass es bei der Analyse sowohl der in der Energietechnik verwendeten thermodynamischen Kreisprozessen, dh des Brayton-Zyklus als auch des Rankine-Zyklus, sehr n\u00fctzlich sein wird.<\/span><\/p>\n

Die\u00a0<\/span>Enthalpie<\/span><\/strong>\u00a0kann\u00a0durch Teilen durch die\u00a0Masse<\/a>\u00a0zu einer\u00a0<\/span>intensiven<\/span><\/strong>\u00a0oder\u00a0<\/span>spezifischen<\/span><\/strong>\u00a0Variablen gemacht werden\u00a0.\u00a0Ingenieure verwenden die\u00a0<\/strong>spezifische Enthalpie<\/strong>\u00a0in der thermodynamischen Analyse mehr als die Enthalpie selbst.\u00a0Es ist in den\u00a0Dampftabellen<\/strong><\/a>\u00a0zusammen mit dem\u00a0spezifischen Volumen<\/a>\u00a0und der\u00a0spezifischen inneren Energie aufgef\u00fchrt<\/a>\u00a0.\u00a0Der thermische Wirkungsgrad eines solchen einfachen Rankine-Zyklus und in Bezug auf spezifische Enthalpien w\u00e4re:<\/span><\/p>\n

\"thermischer<\/a><\/p>\n

Es ist eine sehr einfache Gleichung und zur Bestimmung des thermischen Wirkungsgrads k\u00f6nnen Sie Daten aus\u00a0<\/span>Dampftabellen verwenden<\/span><\/strong>\u00a0.<\/span><\/p>\n

\"Takaishi,<\/a>
Takaishi, Tatsuo;\u00a0Numata, Akira;\u00a0Nakano, Ryouji;\u00a0Sakaguchi, Katsuhiko (M\u00e4rz 2008).\u00a0\u201eAnsatz f\u00fcr hocheffiziente Diesel- und Gasmotoren\u201c (PDF).\u00a0Mitsubishi Heavy Industries Technical Review.\u00a045 (1).\u00a0Abgerufen am 04.02.2011.<\/span><\/figcaption><\/figure>\n

In modernen Kernkraftwerken betr\u00e4gt der thermische Gesamtwirkungsgrad etwa\u00a0<\/span>ein Drittel<\/span><\/strong>\u00a0(33%), sodass\u00a0<\/span>3000 MWth<\/span><\/strong>\u00a0W\u00e4rmeleistung aus der Spaltreaktion ben\u00f6tigt werden, um\u00a0<\/span>1000 MWe<\/span><\/strong>\u00a0elektrischen Strom\u00a0zu erzeugen\u00a0.\u00a0Der Grund liegt in der relativ niedrigen Dampftemperatur (\u00a0<\/span>6 MPa<\/span><\/strong>\u00a0; 275,6 \u00b0 C).\u00a0H\u00f6here Wirkungsgrade k\u00f6nnen durch Erh\u00f6hen der\u00a0<\/span>Temperatur erreicht werden<\/span><\/strong>des Dampfes.\u00a0Dies erfordert jedoch einen Druckanstieg in Kesseln oder Dampferzeugern.\u00a0Metallurgische \u00dcberlegungen begrenzen solche Dr\u00fccke jedoch.\u00a0Im Vergleich zu anderen Energiequellen ist der thermische Wirkungsgrad von 33% nicht viel.\u00a0Es 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.\u00a0Unterkritische Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen, die unter\u00a0<\/span>kritischem Druck<\/span><\/strong>\u00a0<\/a>(dh unter 22,1 MPa) betrieben werden, k\u00f6nnen einen Wirkungsgrad von 36\u201340% erreichen.<\/span><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Ursachen f\u00fcr Ineffizienz<\/span><\/h2>\n

Wie bereits erw\u00e4hnt, kann ein Wirkungsgrad zwischen 0 und 1 liegen. Jede W\u00e4rmekraftmaschine ist irgendwie ineffizient.\u00a0Diese Ineffizienz kann auf drei Ursachen zur\u00fcckgef\u00fchrt werden.<\/span><\/p>\n