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Physik - UBRM (Subject) / Wärmekraftmaschinen (Lesson)

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• Wärmekraftmaschinen Wärmekraftmaschinen sind periodisch arbeitende Maschinen, die thermische Energie mit Hilfe eines Gases oder Dampfes zu einem Teil in mechanische Arbeit umwandeln. Die Umwandlung geschieht über so genannte Kreisprozesse. Dabei wird das Bestreben der Wärme ausgenutzt, von Bereichen mit hoher Temperatur zu solchen mit niedriger Temperatur zu strömen.
• Volumsänderungsarbeit W ist gleich der bei einer Änderung des Volumens gewonnene Arbeit. Ihre Größe hängt von der Art der Zustandsänderung ab.  
• Volumsänderungsarbeit W - Isobare Expansion Bleibt der Druck konstant, dann ist die gewonnene Arbeit bei Vergrößerung des Volumens V1 auf V2 leicht berechnet W = p * (V2 - V1)
• Volumsänderungsarbeit - Isotherme Expansion Wird das Gas bei konstanter Temperatur vom Volumen V1 auf das Volumen V2 expandiert, dass wird folgende Arbeit gewonnen: W = n * R * t * ln(p1/p2)
• Volumsänderungsarbeit W - Adiabatische Expansion Die adiabatische Expansion verläuft unter völliger Wärmeisolation. Deshalb ist die gewonnene Arbeit gleich der Verminderung der inneren Energie U.  ΔU = n * f / 2 * R * (T2 - T1)
• 1. Zustandsänderung des Carnot Prozess Isotherme Expansion Das Arbeitsgas expandiert isotherm bei her hohen Temperatur TH vom Volumen V1 auf das Volumen V2. Die Expansion verläuft isotherm, weshalb die innere Energie des Arbeitsgases konstant bleibt. Während dieser Zeit nimmt das Gas von einer Wärmequelle die Wärmeenergie QZu auf.  QZu = WI = n * R * TH * ln (V2 / V1)
• 2. Zustandsänderung des Carnot Prozess Adiabatische Expansion Während der adiabatischen Expansion des Volumens V2 auf V3 wird die Temperatur des Arbeitsgases von TH auf TN erniedrigt. Die derart gewonnene Arbeit ist gleich der Verminderung der inneren Energie des Gases. WII = Wadiab. Expansion = - ΔU = n * f / 2 * R * (TN - TH)
• 2. Zustandsänderung des Carnot Prozess Adiabatische Expansion Während der adiabatischen Expansion des Volumens V2 auf V3 wird die Temperatur des Arbeitsgases von TH auf TN erniedrigt. Die derart gewonnene Arbeit ist gleich der Verminderung der inneren Energie des Gases. WII = Wadiab. Expansion = - ΔU = n * f / 2 * R * (TN - TH)
• 3. Zustandsänderung des Carnot Prozess Isotherme Kompression Das Arbeitsgas wird isotherm bei der niedrigen Temperatur TN vom Volumen V3 auf das Volumen V4 komprimiert. Während dieser Zeit gibt das Gas die Wärmeenergie Qab an ein Kühlmedium ab. Qab = WIII = n * R * TN * ln(V4 / V3)
• 4. Zustandsänderung des Carnot Prozess Adiabatische Kompression Während der adiabatischen Kompression des Volumens von V4 auf V1 wird die Temperatur des Arbeitsgases von TN auf TH erhöht. Die dafür zu leistende Arbeit ist gleich der Änderung der inneren Energie des Arbeitsgases: WIV = Wadiab. Kompression = - ΔU = - n * f / 2 * R * (TH - TN)
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• Gewonnene Arbeit des einmalig durchlaufenen Carnot Prozesses Die bei einmaligem Durchlaufen des Carnot Prozesses gewonnene Arbeit ist gleich der Differenz von zugeführter Wärme Qzu und abgegebener Wärme Qab: W = WI + WIII = n * R * (TH -TN) * ln (V2 / V1)
• Carnot-Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist definiert als der Quotient aus gewonnener Arbeit und zugeführter Wärmeenergie. ηCarnot = W / QZu = (TH - TN) / TH Der theoretisch maximal erreichbare Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist gleich dem Carnot-Wirkungsgrad. Der Carnot Prozess ist ein reversibler Prozess. Reale Prozesse sind irreversibel und haben niedrigere Wirkungsgrade.
• Exergiegehalt Der Exergiegehalt eines Wärmereservoirs mit der Wärmeenergie Q und der Temperatur TH ist: Exergie = ηCarnot * Q = (TH - TN) / TH * Q
• Reversibler Vorgang in einem abgeschlossenen System Bei einem reversiblen Vorgang in einem abgeschlossenem System kann durch Umkehrung der Richtung des Ablaufes ohne zusätzliche Energiezufuhr von Außen der Ausgangszustand wiederhergestellt werden.  
• Irreversibler Vorgang in einem abgeschlossenen System Bei irreversiblen Vorgängen in einem abgeschlossenen System ist eine Umkehr und Wiederherstellung des Ausgangzustandes nicht möglich. Es müsste hier von Außen zusätzliche Arbeit zugeführt werden.  
• 2. Hauptsatz der Wärmelehre Alle Zustandsänderungen in einem abgeschlossenen System verlaufen so, dass die Entropie gleich bleibt oder zunimmt.  d.h. Es kann niemals von selbst, d.h. ohne äußere Eingriffe, Wärme von einem kalten auf einen wärmeren Körper übergehen, niemals von selbst ein Temperaturunterschied sich bei gleichmäßiger Erwärmung einstellen.  
• Perpetuum Mobile zweiter Art Ein Perpetuum Mobile zweiter Art ist eine Maschine, die Arbeit aus der Umgebungswärme entnimmt. Das Perpetuum Mobile zweiter Art wiederspricht zwar nicht dem Energiesatz, aber dem zweiten Hauptsatz der Wärmelehre und ist deshalb unmöglich. z.B. die vollständige Umwandlung der in den Weltmeeren enthaltenen Wärmeenergie in Arbeit.
• Wärmekraftmaschinen mit Wärmezufuhr von Außen Die Wärme wird von außenan das Arbeitsgas zugeführt. Das geschieht beispielsweise durch das Verbrennen von Kohle oder Biomasse. Die Wärme kann aber auch durch den radioaktiven Zerfall oder durch solare Strahlung bereitgestellt werden. Kohlekraftwerk, Biomassekraftwerk, Atomkraftwerk, thermisches Solarkraftwerk) Erfolgt die Wärmezufuhr von Außen, so hat das den Vorteil, dass die Ansprüche an den Brennstoff relativ gering sind. Allerdings ist der Bauaufwand für Wärmetauscher bzw. Dampfkessel hoch.
• Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung Das Arbeitsgas ist ein Gemisch aus Brennstoff (Gas oder Erdölprodukte) und Luft. Wärme wird durch die Verbrennung des Arbeitsgases geliefert. Wärmekraftmaschinen mit innerer Verbrennung können wesentlich kompakter gebaut werden und finden daher bevorzugt in Fahrzeugen und Flugzeugen Verwendung. Wegen der Verbrennung im Inneren der Maschine sind die Ansprüche an die Brennstoffqualität allerdings hoch.
• Maschinen mit einem geschlossenen Kreislauf Sie enthalten ein Arbeitsgas, an das die Wärme abgegeben wird und das dann die Maschine am Laufen hält.  Bsp.: Stirling Maschine oder Dampfturbine
• Maschinen mit einem offenen Kreislauf Das Arbeitsgas wird nur einmal genutzt.  Bsp: Verbrennungskraftmaschinen (Benzin- und Dieselmotor) oder Gasturbinen
• Dampfmaschine In einem Dampfkessel wird Wasser auf eine Temperatur weit über 100°C erhitzt und derart Wasserdampf mit hohem Druck erzeugt.  Kernstück der Damofmaschine ist ein Zylinder und ein Kolben, welcher mit einer Pleuelstange verbunden ist un ein Schungrad antreibt. In den Zylinder kann auf beiden Seiten Dampf einströmen, wobei Schiebeventile die Einlässe und Auslässe öffnen oder schließen.  Oft sind Dampfmaschinen als offener Kreislauf ausgeführt.  Eine Verbesserung des Wirkungsgrades ist mit Kondensationsmaschinen möglich.
• Stirling Motor Hauptmerkmale des Stirlingmotors ist, dass er zwei Kolben, einen Arbeitskolben und einen Regenerator, besitzt. Beim idealen Stirlingprozess laufen nacheinander folgende 4 Zustandsänderungen ab: 1. Das heiße Arbeitsgas expandiert isotherm unter Zufuhr von Wärme von außen. Der Arbeitskolben bewegt sich und vergrößert das Volumen des Arbeitsgases 2. Das Arbeitsgas strömt durch den Regenerator hindurch. Es gibt dadurch Wärme an den Regenerator ab. Das Arbeitsgas wird isochor abgekühlt. 3. Das kalte Arbeitsgas wird isotherm unter Abfuhr von Wärme an die Kühlung komprimiert. Regenerator und Arbeitskolben bewegen sich gleichzeitig. 4. Das Arbeitsgas strömt durch den Regenerator hindurch. Es nimmt dadurch Wärme vom Regenerator auf. Das Arbeitsgas wird isochor erwärmt.  Ein wesentlicher Vorteil von Stirling Motoren ist die Möglichkeit der Verwendung verschiedenster Wärmequellen.
• Dampfturbine Dampfturbinen werden für hohe Leistungen eingesetzt. Brennstoffe in Dampfkraftwerken sind typischerweise Kohle oder Biomasse. Kernkraftwerke sind ebenfalls Dampfkraftwerke. 1. Von einer Pumpe wird Wasser aus dem Kondensator angesaugt, unter Druck gesetzt und in den Dampferzeuger gepresst. 2. Im Dampferzeuger herrscht ein hoher Druck. Bei diesem Druck wird Wasser bis zur Siedetemperatur erwärmt.  3. Das Wasser wird bei der Siedetemperatur verdampft und es bildet sich Sattdampf. Wenn möglich, wird der Sattdampf nach dem Dampferzeuger bei konstantem Druck weiter überhitzt. Dazu wird er auf seinem Weg zur Turbine durch Wärmetauscher im Abgasstrom geführt. 4. In der Turbine entspannt sich der Wasserdampf und treibt diese an. Dabei kommt es zur adiabatischen Abkühlung des Dampfe, wobei die vorangegangene Überhitzung ein vorzeitiges Kondensieren verhindert.  5. Der Kondensator ist der Turbine nachgeschaltet. Er ist gekühlt, sodass der Dampf kondensiert.  Um einen hohen Wirkungsgrad zu erhalten, wird vor dem Kondensator mit einem Regenerator Wärme aus dem Wasserdampf zu einer Vorheizung des Speisewassers verwendet. 
• Clausius-Rankine-Kreisprozess Der Clausius-Rankine-Kreisprozess ist der idealisierte Grundprozess fpr ein Dampfkraftwerk. Er besteht aus 4 Teilprozessen: 1. Wasser wird durch Wärmezufuhr isobar bei hohem Druck im Dampfkessel zuerst bis zur Verdampfungstemperatur erwärmt und anschließend verdampft. 2. Wasserdampf expandier adiabatisch in der Turbine und treibt die Turbine an. Bei diesem Schritt vermindert sich der Druck. 3. Wasserdampf kondensiert isobar bei niedrigem Druck durch Wärmeabfuhr im Kondensator.  4. Wasser wird mit einer Pumpe in den Dampfkessel gepresst. Bei diesem Schritt erhöht sich der Druck.  
• Verbesserung des Wirkungsgrades des Clausius-Rankine-Prozesses Temperatur des Wasserdampfes muss möglichs hoch sein, was mit einer Überhitzung bewerkstelligt werden kann. Die Expansion erfolgt in mehreren Stufen, wobei eine isotherme Zwischenüberhitzung die Kondensation des Wasserdampfes verhindert. Problematisch ist nämlich, wenn sich Wassertropfen in den Turbinen. Bevor der von der Turbine kommende Wasserdampf im Kondensator abgekühlt wird und kondensiert, wird er in einem Regenerator dazu genutzt das Speisewasser vorzuwärmen.
• Organic-Rankine-Cycle (ORC-Prozess) Der Organic-Rankine-Kreisprozess arbeitet analot zum Clausius-Rankine-Kreisprozess. Allerdings werden organische Flüssigkeiten mit niedriger Verdampfungstemperatur als Arbeitsmedien anstelle von Wasser verwendet.  z.B. Kohlenwasserstoffe, Silikonverbindungen, Fluorkohlenwasserstoffe)  
• Diesel Motor 1. Bei geöffnetem Einlassventil wird Luft angesaugt.  (Ansaugtakt) 2. Die Luft wird adiabatisch komprimiert. Dadurch steigen der Druck und die Temperatur der Luft. (Verdichtungstakt) 3. In die heiße Luft wird unter hohem Druck Diesel eingespritzt, der wegen der hohen Temperatur sofort entflammt. Dadurch erwärmt sich das Gas stark und expandiert (Arbeitstakt) 4. Das Auslassventil wird geöffnet und das verbrannte Gas ausgelassen (Auspufftakt).
• Otto Motor Ottomotoren werden für die Kraftstoffe Benzin, Flüssig- oder Ergas, Ethanol oder Wasserstoff verwendet. 1. Ein zundfähige Benzin-Luftgemisch wird angesaugt. (Ansaugtakt) 2. Das Benzin-Luftgemisch wird adiabatisch komprimiert. (Verdichtungstakt) 3. Das Benzin-Luftgemisch wird über eine Zündkerze gezündet. Dadurch erwärmt sich das Gas stark und expandiert. (Arbeitstakt) 4.  Das Auslassventil wird geöffnet und das verbrannte Gas strömt aus. (Auspufftakt) Die Regelung der Leistung eines Benzinmotors erfolgt mit einer Drosselklappe im Ansaugtrakt, welche die Menge des angesaugten Benzin-Luftgemisch regelt. 
• Gasturbine Die Gasturbine besteht aus einen Lufteinlass, wo Luft angesaugt wird. Im Verdichter wird die angesaugte Luft mittels Turbinenschaufeln verdichtet. Dann wird im Brennraum der Brennstoff zugeführt und mittels Glühkerzen entzündet. Das heiße Gas treibt die Turbine an.  z.B. Antrieb für Flugzeuge
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• Carnot Wärmepumpe Die Carnot Wärmepumpe durchläuft den Carnot-Prozess in umgekehrter Reihenfolge. Es wird also unter Zufuhr von Arbeit W aus einem kalten Wärmereservoir Wärme Qab entnommen und an ein wärmeren die Wärmeenergie Wzu abgegeben. Die Formeln für die Energien Qzu, Qab und W sind genau gleich wie beim Carnot Prozess. Da der Prozess aber umgekehrt verläuft, sind die Vorzeichen umzudrehen. 
• Leistungsziffer ε Die Leistungsziffer einer Wärmekraftmaschine ist gleich der an das hohe Temperaturniveau transportierten Wärme Qzu dividerit duch die dafür aufzuwendende Arbeit W. ε = Qzu / W = TH / (TH - TN)  
• Kompressorkühlschrank EIn Kompressor komprimiert das Arbeitsgas bzw. das Kältemittel bis es verflüssigt. Ein Kühler dient dazu, die bei der Kompression anfallende Kondesationswärme an die Umgebung abzuführen. Bei einem Kühlschrank befindet sich dieser Kühler an der Rückseite. Auf dem Weg durch den Kühler kühlt das Kältemittel ab. Eine Drossel dient dazu, ein Druckgefälle zwischen Bereich hoher Temperatur und dem Bereich niedriger Temperatur aufzubauen. Bei der Drossel erfolgt eine adiabatische Expansion. Im Wärmeaustauscher verdampft das Flüssige Arbeitsmittel wegen des geringeren Drucks. Dabei entzieht es seiner Umgebung die Kondensationswärme und bewirkt damit eine Abkühlung. 
• Wasser / Wasser Wärmepumpe Entnimmt dem Grundwasser Wärme. Dazu wird Grundwasser in einem Brunnen angesaugt, in der Wärmepumpe abgekühlt und dann in einen anderen Brunnen wieder eingebracht.
• Sole / Wasser Wärmepumpe Entnimmt dem Erdreich Wärme. Dazu müssen Erdsonden oder Erdkollektoren verlegt werden. Das Grundsstück muss ausreichend groß sein.
• Luft / Wasser Wärmepumpe Entnimmt der Umgebungsluft Wärme. Sie ist vom Aufbau die einfachste. Wichtig ist eine Trennung von angesaugter Luft und abgekühlter Luft.
• Wärmepumpen Wärmepumpen dienen zur Heizung sowohl von Wasser als auch des Wohnraumes. Sie arbeitet umso effektiver, je geringer die Temperatur des hohen Niveaus ist.  Ein sinnvoller Einsatz von Wärmepumpen ist daher im Beriech der Niedertemperaturwärme.
• Kraft-Wärme Kopplung Bei der Kraft Wärmekopplung wird über 90% der Wärmeenergie genutzt. Einerseits wird Strom erzeugt und die Abwärme zum Heizen benutzt. z.B.  Fernwärme: Wärme, die durch die Stromerzeugung in großen Kraftwerken anfällt, wird durch ein Fernwärmenetz für Heizzwecke genutzt. Allerdings kann die Wärme nicht über große Distanzen transportiert werden. Blockheizkraftwerk: Strom und Wärme wird in kleineren Einheiten gleichzeitig erzeugt. Die meisten werden mit Erdgas betrieben, es ist aber auch möglich, Heizöl sowie Pflanzenöl, Biodiesel doer Biogas zu verwenden. 

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