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Wärmekraftmaschine
Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die Wärme in mechanische Energie (Arbeit) umwandelt. Sie nutzt dabei das Bestreben der Wärme aus, von Gebieten …
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Grundprinzip
Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die Wärme in mechanische Energie, also Arbeit, umwandelt. Sie nutzt aus, dass Wärme von Bereichen mit höherer Temperatur zu Bereichen mit niedrigerer Temperatur fließt. Beispiele sind Dampfmaschine, Dampfturbine und alle Verbrennungsmotoren.
Davon zu unterscheiden sind Kraftwärmemaschinen, Wärmepumpen und Kältemaschinen. Sie verwenden mechanische Energie, um Wärmeenergie von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres zu transportieren.
Wärmekraftmaschinen arbeiten mit „rechtslaufenden“ Kreisprozessen. Ein Kreisprozess ist ein wiederkehrender Ablauf von Zustandsänderungen eines Arbeitsmediums, zum Beispiel eines Gases. In Diagrammen wie dem T-s-Diagramm oder dem P-v-Diagramm wird die geschlossene Kurve dabei sinngemäß „oben nach rechts, unten nach links“ durchlaufen. Wärmepumpen nutzen dagegen „linkslaufende“ Kreisprozesse. Für die Beurteilung der Effizienz solcher Kreisprozesse verwendet man ideale Vergleichsprozesse. Die theoretische Grundlage bildet die thermische Zustandsgleichung idealer Gase mit den Gaszustandsgrößen Druck, Temperatur und Volumen sowie der universellen Gaskonstante.
Wirkungsgrad und Grenzen
Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist der Anteil der vom oberen Temperaturniveau abfließenden Wärmeenergie, der in genutzte mechanische Energie umgewandelt wird. Eine theoretische Obergrenze ist der Carnot-Wirkungsgrad η_Carnot. Beim Carnot-Prozess erfolgen Wärmeaufnahme und Wärmeabgabe bei festgelegten Temperaturniveaus T_max und T_min, und es treten keine Reibungs-, Wärmeabfluss- oder Wärmetransportverluste auf.
Für den Carnot-Wirkungsgrad gilt: η_Carnot = (T_max - T_min) / T_max = 1 - T_min / T_max.
Damit dieser Wirkungsgrad erreicht werden könnte, müssten alle Teilprozesse reversibel sein. Reversibel bedeutet hier: Der Prozess könnte ohne bleibende Änderungen rückgängig gemacht werden. Das ist gleichbedeutend damit, dass die Entropie S des Gesamtsystems aus Wärmekraftmaschine und Umgebung nicht wächst. Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik kann die Entropie nicht kleiner werden, sie müsste also konstant bleiben. Im Artikel wird dies mit ΔS = ∮ dS = ∮ dQ/T = 0 angegeben. Dabei ist dQ die ausgetauschte Wärmemenge eines infinitesimal kleinen Prozessschritts und T die zugehörige Temperatur.
In der Praxis wird der Carnot-Wirkungsgrad nie erreicht. Gründe sind: Wärmeaufnahme findet auch bei niedrigeren Temperaturen als T_max statt, Wärmeabgabe auch bei höheren Temperaturen als T_min; trotz Isolation gibt es Wärmetransport ohne Austausch von Arbeit; jede Maschine hat Reibungsverluste; und bei schnellen Prozessen braucht der Wärmestrom wegen des Wärmewiderstands eine Temperaturdifferenz, die nicht mehr in Arbeit umgewandelt werden kann. Für Wärmepumpen verwendet man statt des Wirkungsgrads die Leistungszahl.
Bei Kolbenmaschinen ist der Ausdehnungsgrad wichtig, auch Expansionswirkungsgrad genannt. Er beschreibt den Volumenunterschied zwischen dem verdichteten Gas und dem expandierten Gas am Ende des Arbeitszyklus. Bei Turbinen bestimmen vor allem das Druckverhältnis oder Temperaturverhältnis des Arbeits- oder Brenngases zwischen Turbineneintritt und Turbinenaustritt den Wirkungsgrad. Wichtig ist außerdem ein möglichst hoher Isentropenexponent des Arbeitsgases. Dieser ist das Verhältnis der Wärmekapazität eines Gases bei gleichem Druck zu der bei gleichem Volumen. Eine freie Wahl des Arbeitsgases besteht nur bei Maschinen mit geschlossenem Kreislauf.
Wichtige Beispiele
Verbrennungsmotoren erreichen Verbrennungstemperaturen bis zu 2500 °C, also 2773 K. Die Arbeitsgas-Endtemperaturen liegen bei etwa 1000 °C, also 1273 K. Daraus ergibt sich nach der Carnot-Formel theoretisch ein maximaler Wirkungsgrad von η_Carnot = 1 - 1273 K / 2773 K = 0,54 = 54 %. Praktisch erreichen Ottomotoren unter optimalen Bedingungen 38 %, Dieselmotoren 45 % und langsam laufende Schiffsdieselmotoren 50 %. In PKWs liegen die zeitlich gemittelten Wirkungsgrade unter realen Fahrbedingungen mit viel Teillastbetrieb typischerweise unter 25 % bei Ottomotoren und unter 30 % bei Dieselmotoren.
Ein GuD-Kraftwerk kombiniert verschiedene Kreisprozesse, nämlich den Gasturbinenprozess mit einem Dampfkraftwerk. Zuerst wird in der Gasturbine die Arbeitsfähigkeit im Temperaturbereich von 1500 bis 700 °C genutzt. Danach werden die Abgase des Gasturbinenprozesses verwendet, um im Dampfkraftwerk den Bereich von 700 bis 100 °C zu nutzen. Dadurch kann theoretisch der Wirkungsgrad eines Vergleichskreisprozesses über die gesamte Temperaturspanne von 1500 bis 100 °C erreicht werden. Praktisch erreichen GuD-Kraftwerke Wirkungsgrade bis zu 63 %.
Kolbendampfmaschinen arbeiten im geschlossenen Prozess mit Dampftemperaturen bis 350 °C. Ihr Vergleichsprozess ist der Gleichdruckprozess. Der Wirkungsgrad übersteigt selten 20 %. Stirlingmotoren können auch in noch tieferen Temperaturbereichen Wärme in Kraft umsetzen, zum Beispiel Abwärme aus dem Dampfprozess. Nach der Carnot-Gleichung erreichen sie dann kaum mehr als 10 % bis 20 % Wirkungsgrad.
Gasturbinen arbeiten mit Turbineneintrittstemperaturen von 1300 °C bis 1400 °C und Abgastemperaturen von 800 °C bis 600 °C. Ihr Vergleichsprozess ist der Jouleprozess. Wegen der tieferen Höchsttemperaturen erreichen Turbinen nicht den Wirkungsgrad von Kolbenmaschinen.
Dampfturbinen arbeiten mit Höchsttemperaturen von 600 °C bis 700 °C und Endtemperaturen von 130 °C. Als Vergleichsprozess werden der Jouleprozess oder der Clausius-Rankine-Prozess genannt. Trotz der vergleichsweise geringen Arbeitstemperatur des Dampfes erreichen sie wegen der guten Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Wasserdampfes im Erhitzer und im Kondensator Wirkungsgrade von über 30 %.
Einteilung nach Energieerzeugung
Da ein Gas als Arbeitsmedium eingesetzt wird, gehören Wärmekraftmaschinen zu den thermischen Fluidenergiemaschinen. Eine wichtige Einteilung richtet sich danach, wie die thermische Energie erzeugt wird.
Bei Verbrennungskraftmaschinen, also thermischen Fluidenergiemaschinen mit innerer Verbrennung, wird meist ein Gemisch aus Luft und Kohlenwasserstoffen nach dem Verdichten gezündet und verbrannt. Beim Kolbenmotor geschieht dies im Zylinderraum, bei der Turbine in der Brennkammer. Die Kohlenwasserstoffe können flüssig oder gasförmig mit Luft und Sauerstoff vermischt werden. Maschinen mit innerer Verbrennung sind effizienter als Maschinen mit äußerer Verbrennung, weil die Wärmeübertragung wegfällt, obwohl bei äußerer Verbrennung die Arbeitsgaseigenschaften wie Wärmekapazität und Isentropenexponent besser sein können. Beispiele sind Verbrennungsmotoren und Gasmotoren. Genannt werden der Benzinmotor mit λ = 1 und maximaler Verbrennungstemperatur 2500 K sowie der Dieselmotor mit λ = 1,4 und maximaler Verbrennungstemperatur 2200 K. Auch Gasturbinen und Turbofans gehören dazu, etwa ein Kerosinmotor mit λ = 4–6 und maximaler Verbrennungstemperatur 1500 K oder ein Turbolader mit maximaler Abgastemperatur 1300 K.
Bei thermischen Gasenergiemaschinen mit äußerer Verbrennung wird das Arbeitsgas von außen aufgeheizt. Häufig werden feste und billige Brennstoffe wie Kohle, Holz oder Müll verwendet. Auch minderwertige flüssige und gasförmige Brennstoffe wie Rohöl, Schweröl, Industriegas und Biogas kommen vor. Ein typischer Anwendungsfall sind außerdem die Brennstäbe von Kernkraftwerken. Als Arbeitsgas liefern Helium und Wasserstoff einen deutlich besseren Wirkungsgrad als Dampf, Luft oder Abgas, weil Wärmekapazität, Isentropenexponent und Wärmeübergangszahl günstiger sind. Beispiele sind die Dampfturbine mit maximaler Dampftemperatur 800 K bis 1000 K, die Dampfmaschine mit unterer Dampftemperatur 500 K und oberer Dampftemperatur 800 K sowie der Stirlingmotor mit unterer Heliumtemperatur 400 K.
Einteilung nach Druckaufbau
Eine weitere Einteilung unterscheidet Wärmekraftmaschinen nach der Art des Druckaufbaus.
Zu den Strömungsmaschinen beziehungsweise Turbomaschinen gehören Dampfturbinen, Gasturbinen und Staustrahltriebwerke. Bei ihnen steht die Strömung des Arbeitsmediums im Vordergrund, die zur Energieumwandlung genutzt wird.
Zu den Kolbenmaschinen gehören der Verbrennungsmotor mit innerer Verbrennung, die Dampfmaschine mit äußerer Verbrennung und der Stirlingmotor mit äußerer Verbrennung. Bei Kolbenmaschinen wird die Druckwirkung des Arbeitsmediums über bewegliche Kolben in mechanische Arbeit umgesetzt.
