Wärmekraftmaschine

Eine Wärmekraftmaschine ist eine Maschine, die Wärmeenergie (kurz auch Wärme) in mechanische Energie umwandelt. Sie nutzt dabei das Bestreben der Wärme aus, von Gebieten mit höheren zu solchen mit niedrigeren Temperaturen zu fließen. Eine Maschine, die unter Einsatz mechanischer Energie Wärmeenergie von einem niedrigeren Temperaturniveau auf ein höheres transportiert, wird 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 η_Carnot des Carnot-Prozesses gegeben, bei dem Wärmeaufnahme und -Abgabe bei definierten Temperaturniveaus T_max und T_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.)

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

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

Der Carnotsche Wirkungsgrad wird in der Praxis nie erreicht, da

• die Wärmeaufnahme auch bei niedrigeren Temperaturen als T_max und die Wärmeabgabe auch bei höheren Temperaturen als T_min stattfinden (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 erreichbare Wirkungsgrad wäre also

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

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 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:

1. Ausnutzung der Arbeitsfähigkeit eines Prozesses in der Temperaturspanne von 1500 bis 700 °C in der Gasturbine, danach mit den Abgasen aus dem Gasturbinenprozess
2. 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
  • Gasturbine

• Thermische Fluidenergiemaschinen mit äußerer Verbrennung
  • Dampfmaschine
  • Dampfturbine
  • Stirlingmotor

Nach Druckaufbau

• Strömungsmaschinen
  • Turbomaschinen
    • Dampfturbine
    • Gasturbine
    • Staustrahltriebwerk

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

Siehe auch

• Kraftmaschine,
• Stirlingmotor,
• Mikro-KWK,
• Kraft-Wärme-Kopplung

Weblinks

• Weitere Details bei Physikon Physik-Lexikon