Wärmekraftmaschine

Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die Wärme in mechanische Energie (Arbeit) umwandelt. Sie nutzt dabei das Bestreben der Wärme aus, von Gebieten mit höheren zu solchen mit niedrigeren Temperaturen zu fließen. Beispiele sind Dampfmaschine, Turbine und alle Verbrennungskraftmaschinen.

Dagegen wird eine Maschine, die unter Einsatz mechanischer Energie Wärmeenergie von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres transportiert, als Kraftwärmemaschine, Wärmepumpe oder Kältemaschine bezeichnet.

Wärmekraftmaschinen nutzen „rechtslaufende“ Kreisprozesse, bei denen die geschlossene Kurve etwa im T-S- oder p-v-Diagramm im Sinne „oben nach rechts, unten nach links“ durchlaufen wird. Wärmepumpen nutzen „linkslaufende“ Kreisprozesse.

Wirkungsgrad

Als Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine wird der Anteil der vom oberen Temperaturniveau abfließenden Wärmeenergie bezeichnet, der in die genutzte mechanische Energie umgewandelt wird. Eine obere Grenze für ihn ist durch den Wirkungsgrad $\eta _{{\text{Carnot}}}$ des Carnot-Prozesses gegeben, bei dem Wärmeaufnahme und -Abgabe bei definierten Temperaturniveaus ${T_{{\mathrm {max}}}}$ und ${T_{{\mathrm {min}}}}$ stattfinden und keine Reibungs-, Wärmeabfluss- und Wärmetransportverluste entstehen. Für ihn gilt:

$\eta _{{\text{Carnot}}}={\frac {T_{{\mathrm {max}}}-T_{{\mathrm {min}}}}{T_{{\mathrm {max}}}}}=1-{\frac {T_{{\mathrm {min}}}}{T_{{\mathrm {max}}}}}$

Voraussetzung für die Erreichung des Carnotschen Wirkungsgrades ist, dass alle Teilprozesse des Kreisprozesses reversibel gestaltet sind. Dies ist gleichbedeutend damit, dass eine Größe namens Entropie S des Gesamtsystems aus Wärmekraftmaschine und Umgebung nicht wächst. (Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann sie nicht geringer werden, also muss sie konstant bleiben.)

$\Delta S=\oint dS=\oint {\frac {dQ}{T}}=0$

(dQ ist die ausgetauschte Wärmemenge eines infinitesimal kleinen Prozessschritts, T die dazugehörige Temperatur):

Der Carnotsche Wirkungsgrad wird in der Praxis nie erreicht, da

die Wärmeaufnahme auch bei niedrigeren Temperaturen als $T_{{\mathrm {max}}}$ und die Wärmeabgabe auch bei höheren Temperaturen als ${T_{{\mathrm {min}}}}$ stattfindet (z.B. im Stirling-Prozess),
trotz Isolation immer Wärmetransport ohne Austausch von Arbeit stattfindet,
jede Maschine Reibungsverluste aufweist, die ebenfalls das Verhältnis von Wärme- zu Arbeitsfluss verschlechtern, und schließlich
bei schnell ablaufenden Prozessen der Wärmestrom aufgrund des nichtverschwindenden Wärmewiderstands eine Temperaturdifferenz benötigt, die für die Umwandlung in Arbeit verloren geht (siehe Wärmeleitung).

Für Wärmepumpen ist die verwendete charakteristische Größe die Leistungszahl.

Beispiele

Verbrennungsmotor

Verbrennungsmotoren haben Verbrennungstemperaturen von bis zu 2500 °C (2773 K) und Arbeitsgas-Endtemperaturen von etwa 1000 °C (1273 K). Der theoretisch maximal erreichbare Wirkungsgrad wäre also

$\eta _{{\text{Carnot}}}=1-{\frac {1273\,{\mathrm K}}{2773\,{\mathrm K}}}=0{,}54=54\,\%$

In der Praxis erreichen unter optimalen Bedingungen Ottomotoren 38 %, Dieselmotoren 45 % und langsam laufende Schiffsdieselmotoren 50 % Wirkungsgrad. In PKWs erreichen unter realen Fahrbedingungen mit einem hohen Anteil von Teillastbetrieb Ottomotoren typischerweise einen zeitlich gemittelten Wirkungsgrad von weniger als 25 % und Dieselmotoren weniger als 30 %.

GuD-Kraftwerk

Eine Wärmekraftmaschine kann aus verschiedenen Kreisprozessen zusammengesetzt werden (z.B. GuD-Kraftwerk: Kombination des Gasturbinenprozesses mit einem Dampfkraftwerk):

Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit eines Prozesses in der Temperaturspanne von 1500 bis 700 °C in der Gasturbine, danach mit den Abgasen aus dem Gasturbinenprozess
Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit eines Prozesses in der Temperaturspanne von 700 bis 100 °C im Dampfkraftwerk,

wodurch theoretisch der Wirkungsgrad eines (Vergleichs-)Kreisprozesses in der Temperaturspanne von 1500 bis 100 °C erreicht werden kann. GuD-Kraftwerke erreichen in der Praxis Wirkungsgrade bis zu 60 %.

Einteilung (Typologie)

Da ein Gas als Arbeitsmedium eingesetzt wird, gehören Wärmekraftmaschinen zu den thermischen Fluidenergiemaschinen.

Nach Art der Erzeugung der thermischen Energie

Verbrennungskraftmaschinen (Thermische Fluidenergiemaschinen mit innerer Verbrennung)
- Verbrennungsmotor (Benzin λ=1 max. Verbr. Temp. 2500K. Diesel λ=1,4 max. Verbr. Temp. 2200K)
- Gasturbine (Kerosin λ=4-6 max. Verbr. Temp. 1500K. Turbo Abgastemp. max. 1300K)

Thermische Gasenergiemaschinen mit äußerer Verbrennung
- Dampfturbine (max. Dampftemp. 800K – 1000K)
- Dampfmaschine alt (untere Dampftemp. 500K obere Dampftemp. 800K)
- Stirlingmotor (untere Heliumtemp. 400K)

Nach Druckaufbau

Strömungsmaschinen
- Turbomaschinen
  - Dampfturbine
  - Gasturbine
  - Staustrahltriebwerk

Kolbenmaschinen
- Verbrennungsmotor (innere Verbrennung)
- Dampfmaschine (äußere Verbrennung)
- Stirlingmotor (äußere Verbrennung)

Siehe auch

Kraftmaschine

Basierend auf einem Artikel in:

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