Wärmemaschinen erdampfen (nur Physik 9 I): Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand (Verdamp kann durch Sieden und Verdunsten erfolgen. ärmemaschinen (Physik 9 I und II/III) : Dampfmaschine Dampfturbine Gasturbine GuD-Kraftwerk Verbrennungsmotor Kühlschrank
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Wärmemaschinen Verdampfen (nur Physik 9 I): Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand (Verdampfen) kann durch Sieden und Verdunsten erfolgen. Wärmemaschinen.
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Wärmemaschinen
Verdampfen (nur Physik 9 I):Übergang vom flüssigen in den gasförmigen Zustand (Verdampfen)kann durch Sieden und Verdunsten erfolgen.
nutzbare Energie Wnutz = Q1 – Q2 , also = Wnutz / Q1
= Q1 – Q2 / Q1 = 1 - Q2 / Q1 , Wirkungsgrad
Wirkungsgrad von Wärmemaschinenfür beliebiges Volumen Vk gilt:
also:
VkV1 V2
( )kk
n Rp T T T
V
1 1
2 2
( )
( )k
k
p T T
p T T
2 2
1 1
1 1Q T
Q T
Die Flächen der grünen Streifen
unter den Isothermen verhalten sich
wie die Temperaturen T1 und T2.
Dies gilt näherungsweise auch für
die Gesamtflächen Q1 und Q2:
Wirkungsgrad von Wärmemaschinen
η = Wnutz / Weingesetzt
=>
Folgerung: je größer der Temperaturunterschied zwischen zugeführter und abgegebener Wärme,
desto höher ist der Wirkungsgrad.
1 kühl
heiß
T
T
Dampfmaschine Prinzip: heißer Wasserdampf wird in einem Druckgefäß
eingeschlossen; der Dampfdruck wird gezielt auf einen Kolben geführt, wodurch dieser bewegt
wird.
Wirkungsgrad:
obere Prozesstemperatur: je nach Kesselfestigkeit ca. 120°C = 393 Kuntere Prozesstemperatur (Umgebungstemperatur) ca. 15°C = 298 K
η = 1 - 298 K / 393 K = 24%theoretischer Wirkungsgrad; realistisch sind wegen der Reibungsverluste im Gerät, der Wärmeabstrahlung der Bauteile typisch 10%
Dampfturbinenkraftwerk
Prinzip: Wasser wird verdampft, Dampf wird über eine Turbine entspannt und anschließend im
Kondensator gekühlt
Vorteile:
Gegenüber Dampf-
maschine höherer Druck
und höhere obere Betriebs-
temperatur; durch den
Kondensator niedrigere
Endtemperatur.
Wirkungsgrad: 40 %
Gasturbinenkraftwerk (GuD)
Prinzip: Verbrennung des Gases in einer Gasturbine, Abwärme wird zur Verdampfung von Wasser genutzt, das eine Dampfturbine antreibt.
Vorteil:
sehr hohe obere Betriebstemperatur
hoher Wirkungsgrad < 60%
Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads
Ökologisch und wirtschaftlich ist der Gesamtwirkungsgrad von Bedeutung:wieviel des eingesetzten (fossilen, nuklearen) Brennstoffs wird tatsächlich in irgendeiner Form genutzt ?
o Nutzung der Restwärme aus dem Kondensator für Treibhausheizung, Wärmung von Fischzuchtbecken
o Verwendung einer erhöhten Restwärme zur Fernheizung (Kraft/Wärme – Kopplung)
Verbrennungsmotor
Zwei konkurrierende Verbrennungsmethoden:
Fremdzünder (Ottomotor): Gemisch aus Brennstoff und Luft wird nur mäßig verdichtet, Verbrennungsstart durch äußeren Zündfunken.
Selbstzünder (Dieselmotor): Luft wird so stark komprimiert, daß der eingespritzte Brennstoff spontan verbrennt.
Wirkungsgrad: je nach Verdichtung und Brenntemperatur bei ca. 30% bis 35% , (Diesel ca. 10% besser als Ottomotor, zudem weniger Energiebedarf bei der Brennstoffherstellung)
TSI (Twincharged Stratified Injection) von Volkswagen:Direkteinspritzung mit Ladeluft-Kompressor und Abgasturbo, derenEinsatz mit zunehmender Drehzahl nacheinander (geschichtet = stratified) erfolgt.