Wärmekraftmaschinen

Wärmelehre

Wärmekraftmaschinen

  • Wie funktioniert eigentlich eine Dampfmaschine?
  • Was ist so besonders an einem WANKEL-Motor?
  • OTTO- oder DIESEL-Motor?
  • Was versteht man unter einem Wirkungsgrad?

Dampfturbine

Der Wirkungsgrad der Dampfmaschine von Watt bzw. deren Weiterentwicklungen kam nicht wesentlich über 10% hinaus. Die erste praktikable Dampfturbine, die von dem Schweden Carl Gustaf Patrik de Laval (1845-1913) im Jahr 1888 gebaut wurde, hatte bereits einen Wirkungsgrad von fast 30%. Moderne Hochdruckdampfturbinen erreichen Wirkungsgrade nahe 50%. Ein Grund für den höheren Wirkungsgrad der Turbine ist, dass nicht - wie bei der Dampfmaschine - durch einen komplizierten Mechanismus die Hin- und Herbewegung des Kolbens in eine Rotationsbewegung umgesetzt werden muss.

Funktionsprinzip der ersten Dampfturbinen

Das Grundprinzip der Dampfturbine ist vergleichbar mit dem eines Wasserrads. Der erhitzte Dampf strömt aus dem Dampfkessel durch eine Düse, die sogenannte Laval-Düse. Dabei erhöht sich die kinetische Energie der Dampfteilchen erheblich. Die Dampfteilchen strömen tangential auf die Schaufeln der Turbine und versetzen diese in Rotationsbewegung. Die Dampfturbine von Laval lief mit ca. 30000 Umdrehungen/Minute.

Quelle: By Andy Dingley (scanner) [Public domain], via Wikimedia Commons

Die Dampfzufuhr bei der Laval-Turbine erfolgte über vier Düsen. Die Originalapparatur dieser Turbine steht im Deutschen Museum, München. Die Dampfturbine von Laval lief mit ca. 30000 Umdrehungen/Minute, ihre Leistung lag im niederen kW-Bereich.

Moderne Dampfturbinen

Meist sitzen bei modernen Dampfturbinen zur Erhöhung der Leistung mehrere Schaufelräder auf einer Achse. Da der einströmende Dampf durch ein rotierendes Schaufelrad abgelenkt wird, führt man ihn vor dem Auftreffen auf das nächste Schaufelrad durch ein feststehendes Leitrad, das dafür sorgt, dass der Auftreffwinkel des Dampfes auf das nächste Schaufelrad wieder optimal ist (vgl. hierzu nebenstehende Animation).

Quelle: Parsons Dampfturbinen-Animation erstellt durch "start your engines!"

Bei jedem Auftreffen auf ein Schaufelrad wird innere Energie des Dampfes in kinetische Energie des Schaufelrades umgewandelt. Dabei verringern sich die Temperatur und der Druck des Dampfes. Als Folge davon nimmt das Dampfvolumen zu. Um die Energie des "geschwächten" Dampfes noch optimal ausnutzen zu können, gestaltet man die Schaufeln für den Dampf niedrigeren Druckes größer (allerdings sind der Schaufellänge wegen der bei den hohen Drehzahlen auftretenden Zentrifugalkräfte Grenzen gesetzt). Nebenstehendes Bild zeigt die Montage des "Läufers" einer Dampfturbine.

In modernen Dampfturbinen-Kraftwerken zur Elektrizitätserzeugung werden große, mehrstufige Dampfturbinen eingesetzt. Der heiße Dampf im Dampferzeuger kann durch die Verfeuerung fossiler Brennstoffe (z.B. Kohle, Erdöl) oder z.B. durch einen Kernreaktor gewonnen werden. Zunächst gelangt der sehr heiße Dampf in die Hochdruckturbine und treibt diese an. Beim Verlassen der Hochdruckturbine haben sich der Druck und die Temperatur des Dampfes verringert (man sagt der Dampf "entspannt" sich). Er wird anschließend z.B. in eine Mitteldruckturbine geleitet, entspannt sich dabei weiter und schließlich treibt man noch eine Niederdruckturbine mit dem Dampf an. Alle Turbinen sitzen - ebenso wie ein großer Generator zur Elektrizitätserzeugung - auf der gleichen Achse. Im Kondensator wird der Dampf abgekühlt und zu Wasser. Mit der Speisewasserpumpe wird das kondensierte Wasser wieder in den Verdampfer gepumpt. Die Abkühlung im Kondensor geschieht durch ein Rohrsystem durch das kaltes Wasser von einem Fluss oder abgekühltes Wasser von einem Kühlturm mit der Kühlwasserpumpe geleitet wird. Im Dampfturbinen-Kraftwerk gibt es also zwei Kreisläufe: Den Dampfkreislauf und den Kühlwasserkreislauf.

Moderne Dampfturbinenanlagen können Leistungen um die 1000MW erbringen. Hier einige Daten der Dampfturbogruppen im Braunkohlekraftwerk Lippendorf:

An den Generator abgegebene Leistung
933 MW
Frischdampfmenge
672kg/s
Frischdampfdruck
260bar
Frischdampftemperatur
550°C

 

Für die Energieversorgung im Zeitalter der "Energiewende" sind Kraftwerke gefragt, die bei momentan fehlender Wind- und Solarenergie schnell in Betrieb gehen können. Hier wurden in jüngerer Zeit sogenannte GuD-Kraftwerke (Gas-und-Dampfturbinen-Kraftwerke) entwickelt. Bei diesen Kraftwerkstypen lassen sich elektrische Wirkungsgrade in der Gegend von 60% erzielen.

Hinweis

Für handwerklich Begabte gibt es auf der Seite "Energie macht Schule" einen Vorschlag zum Selbstbau eines Dampfturbinen-Modells.

Viertakt Ottomotor

Der Erfinder des Viertakt-Prinzips Nicolaus August Otto wurde am 14. Juni 1831 in Holzhausen an der Haide (Taunus) geboren und starb am 26. Januar 1891 in Köln.

Einen ausführlichen Lebenslauf und weitere Daten findest du bei Wikipedia oder auf der Homepage des Oldtimer Club Nicolaus August Otto e.V., der auch das Nicolaus August Otto Museum in Holzhausen im Geburtshaus von Nicolaus August OTTO betreibt.

Nicolaus August OTTO
(1832 - 1891)
unbekannter Autor [Public domain], via Wikimedia Commons

  • 1862 begann er erste Experimente mit Viertaktmotoren.
  • 1863 baute er seine erste Gaskraftmaschine.
  • 1864 gründete er zusammen mit Eugen Langen die Firma "N.A.Otto & Cie".
  • Er entwickelte diesen Vorläufermotor weiter und gelangte bald zu einer verbesserten Version.
  • 1866 erhielten Otto und Langen ein Preußisches Patent für diese atmosphärische Gasmaschine;
  • 1867 eine Goldmedaille auf der Pariser Weltausstellung. (nebenstehendes Modell)

Gasmaschine 1866

Viertakt-Otto-Versuchsmotors um 1875/76.

Die Zeichnungen auf dieser Seite sind aus der von Peter Hausladen betreuten Homepage der Realschule Vöhringen.


Die chemische Energie eines Benzin-Luft-Gemischs wird durch gezielte Verbrennung im Zylinder in Bewegungsenergie des Kolbens umgewandelt. Der Wirkungsgrad beträgt zwischen 20 und 30%


1. Ansaugtakt:

2. Verdichtungstakt:

3. Arbeitstakt:

4. Auspufftakt:
Ansaugen des Benzin-Luftgemisches des Vergasers durch das Einlassventil bei geschlossenem Auslassventil. Der Kolben bewegt sich nach unten. Der sich nach oben bewegende Kolben verdichtet bei geschlossenen Ventilen das Gas und erwärmt es hierbei. Beide Ventile sind geschlossen. Im Moment der größten Verdichtung wird das Benzin-Luft-Gemisch durch die Zündkerze gezündet. Durch die explosionsartige Verbrennung wird der Kolben nach unten gedrückt, es wird an ihm Arbeit verrichtet. Die verbrannten Abgase werden durch das geöffnete Auslassventil durch den sich nach oben bewegenden Kolben ausgestoßen.

Die wohl für den Schüler geeignetsten Animationen stammen von Klaus Wetzstein. Hier finden ihr den Viertakt-Ottomotor, den Zweitakt-Ottomotor, den Dieselmotor und die Wirkungsweise von Vier Zylindern auf die Kurbelwelle sowie die Dampfmaschine

Eine sehr detaillierte Animation und Beschreibung des 4-Takt-Motors mit zum Motor gehörigen V-p-Zustandsdiagrammen finden ihr bei Techn.Ch. Uni Leipzig
Eine ausführliche und mit vielen technisch hervorragend gemachten Flash und Gif- Animationen versehene englische Darstellung bei howstuffworks

Kurbelwelle

Motor

Zweitakt Ottomotor

Wie der Zweitaktmotor funktioniert und wie die einzelnen Teile heißen, zeigt die Animation von Klaus Wetzstein.
Hier findest du den Viertakt-Ottomotor, den Zweitakt-Ottomotor, den Dieselmotor und die Wirkungsweise von vier Zylindern auf die Kurbelwelle aber auch die Dampfmaschine.

Aufgabe:
Zeichne den Zweitaktmotor ab (oder klebe einen Ausdruck in das Heft) und beschrifte die Einzelteile und erläutere die Unterschiede zum 4-Takt-Ottomotor.

 

Eine ausführliche und mit vielen technisch hervorragend gemachten Flash- und Gif- Animationen versehene englische Darstellung findet ihr bei howstuffworks

Dieselmotor

Wie der Dieselmotor funktioniert und wie die einzelnen Teile heißen, zeigt die Animation von Klaus Wetzstein.
Hier findest du den Viertakt-Ottomotor, den Zweitakt-Ottomotor, den Dieselmotor und die Wirkungsweise von vier Zylindern auf die Kurbelwelle aber auch die Dampfmaschine.

Aufgabe:
Zeichne den Dieselmotor ab (oder klebe einen Ausdruck in das Heft) und beschrifte die Einzelteile und erläutere die Unterschiede zum 4-Takt-Ottomotor.
Im Deutschen Museum in München kann man eine Reihe historischer Dieselmotoren betrachten. Auch der erste von Diesel entwickelte Motor ist zu sehen.
Eine ausführliche und mit vielen technisch hervorragend gemachten flash und Gif- Animationen versehene englische Darstellung bei howstuffworks.

Vergleich Ottomotor Dieselmotor

 

Ottomotor

Dieselmotor

 
  • Ansaugen des Benzin-Luftgemisches
  • Menge je nach gewünschter Leistung
  • Äußere Gemischbildung (z.B. Vergaser1)
  • Ansaugen der Luft
  • Menge unabhängig von der Leistung
  • Verdichten des Gemisches ca. 1:10
  • Druck im Motor ca. 8-18 bar
  • Temperatur 400°C-600°C
  • Verdichten der Luft auf ca. 1:18
  • Einspritzen des Dieselkraftstoffes
  • Druck im Motor ca. 30-50 bar
  • Temperatur 700°C-900°C
  • Beginn der Verbrennung durch Funke der Zündkerze
  • Höchstdruck 35-60 bar
  • Verbrennungstemperatur ca.2000°C
  • Abschluss der Verbrennung durch Expansion (Arbeitstakt)
  • Selbstentzündung des Dieselkraftstoffes da hohe Temperatur im Kolben
  • Verbrennungshöchstdruck 60-90 bar
  • Verbrennungstemperatur ca.2000°C
  • Abschluss der Verbrennung durch Expansion (Arbeitstakt)
  • Auspuffen der Abgase
  • Abgastemperatur ca. 800°C bei Leerlauf; ca. 900°C bei Volllast
  • Verlust ca. 36% der chemischen Energie des Kraftstoffes
  • Kohlenmonoxid 100%*
  • Stickstoffoxid 100%*
  • keine Rußentwicklung

*Man geht von den Werten des Ottomotors aus und beschreibt damit die Werte des Dieselmotors.

  • Auspuffen der Abgase
  • Abgastemperatur ca. 250°C bei Leerlauf; ca. 500°C bei Volllast
  • Verlust ca. 28% der chemischen Energie des Kraftstoffes
  • Kohlenmonoxid 12%
  • Stickstoffoxid 25%
  • Rußentwicklung (Krebsverdacht)

 

 
  • Nutzwirkungsgrad ca. 25%
  • Nutzwirkungsgrad ca. 33%
 
 
 
 
  • Hohe Laufruhe
  • Geringeres Gewicht (ca. 2 - 5 kg/kW beim Motor)
  • Geringere Laufruhe (insbesondere im Leerlauf und beim Kaltstart)
  • Höheres Gewicht (ca. 5 - 6 kg/kW beim Motor)
 

1Ein Vergaser dient - ähnlich wie eine Einspritzanlage - dazu, einem Benzinmotor in allen Lastzuständen das richtige Kraftstoff-Luftgemisch zuzuführen. Dabei wird eine brennbare Flüssigkeit verdampft ('vergast') bzw. in den Ansaugkanal oder den Brennraum selbst eingespritzt (Einspritzanlage) und mit einer exakt abgestimmten Menge Umgebungsluft gemischt um ein optimal zündfähiges Gemisch zu erhalten.

 

Vorteile des Dieselmotors:
Das wichtigste Argument für den Dieselmotor ist der geringere Kraftstoffverbrauch. Der Verbrauch konnte durch die Einführung der Direkteinspritzung noch einmal deutlich reduziert werden. Ein weiteres Argument für den Dieselmotor ist das große Drehmoment besonders im meist genutzten unteren Drehzahlbereich. Zum starken Beschleunigen aus tiefen Drehzahlen muss nicht mehr unbedingt zurückgeschaltet werden.

Vorteile des Benzinmotors:
Für den Benzinmotor spricht das geringe Leistungsgewicht (kg/kW) und vor allem der größere nutzbare Drehzahlbereich. Sportlicheres Fahren (z.B. bei Motorrädern) ist wohl eher mit Benzinmotoren möglich. In der Regel sind Benzinmotoren billiger als Dieselmotoren, so dass der Vorteil des geringeren Verbrauchs beim Dieselmotor erst für "Vielfahrer" wirksam wird.

Die Abgasbelastung durch die beiden Motortypen ist unterschiedlich: Salopp könnte man sagen: "Der Bezinmotor bedroht das Klima (Kohlenmonoxid und Stickoxid), der Dieselmotor die Lungen (Rußpartikel)." Inzwischen setzt sich allerdings der Rußpartikel-Filter bei den Dieselmotoren immer mehr durch.

Kreiskolbenmotor von Wankel

Der Kreiskolbenmotor

Der Drehkolbenmotor
© Der Wankelmotor

Beim Hubkolbenmotor werden viele Teile (z.B. Kolben, Pleuelstange, Ventile, Ventilstangen) in kurzer Folge immens beschleunigt und wieder abgebremst. Durch die entstehenden Beschleunigungskräfte ergeben sich Grenzen, die die Drehzahl des Motors einschränken. Diesen Mangel versuchte man zu beheben, indem man die Kraft nicht auf ein schwingendes, sondern auf ein drehendes System wirken lässt.

Bereits 1636 hat der Deutsche Pappenheim eine Drehkolbenpumpe entworfen, die etwa 150 Jahre später in Watts Dampfmaschinen erstmals zur praktischen Anwendung kam, ihre Probleme aber immer bei der Dichtung hatte.

Felix Wankel (1902 - 1988) brachte die Wende. Er beschäftigte sich ab 1924 mit den Drehkolbenmaschinen. Ihm gelang es schließlich, die schwersten Dichtungsprobleme zu lösen und auch die Frage der besten Form zu beantworten. Die Firma NSU setzte sich am meisten für Wankels Motor ein, und 1967 wurde der erste Serienwagen, NSU Ro 80, produziert.

Wie der Wankelmotor funktioniert zeigen die beiden Animation von "Der Wankelmotor.de".

Hier finden ihr den Viertakt-Ottomotor, den Zweitakt-Ottomotor, den Dieselmotor und die Wirkungsweise von Vier Zylindern auf die Kurbelwelle aber auch die Dampfmaschine.

Aufgabe

Überprüfe an Hand der Animation, wie im Wankelmotor die vier Takte Ansaugen, Verdichten, Arbeiten, Ausstoßen stattfinden. Wenn Du besonders fleißig bist, kannst Du auch entsprechende Zeichnungen dazu fertigen.

Renesis von Mazda
© Der Wankelmotor

Alles was ihr über Felix Wankel und den Wankelmotor wissen wollt, findet ihr bestens geordnet und mit vielen Illustrationen unter www.der-wankelmotor.de .

Heizwert

Für den Betrieb der sogenannten Wärmekraftmaschinen wird stets ein Brennstoff benötigt. Bei der Verbrennung findet eine chemische Reaktion zwischen dem Brennstoff und dem Sauerstoff der Luft statt, dabei entstehen die Gase Kohlendioxid und Wasserdampf. Die im Brennstoff gespeicherte chemische Energie in eine Sonderform der inneren Energie.

Die bei einer Verbrennung freiwerdende Energie hängt von der Masse des verbrannten Stoffes und der Art des Stoffes ab. Zur Charakterisierung eines Brennstoffes hat man den Begriff Heizwert eingeführt. Der Heizwert H ist der Quotient aus der (bei vollständiger Verbrennung eines Stoffes) freiwerdenden Energie ΔE und der Masse Δm des Brennstoffes.

\[ H = \frac{\Delta E}{\Delta m} \quad \text{mit} \quad \left[ H \right] = \mathrm{\frac{kJ}{g}} \]

In der folgenden Tabelle sind die Heizwerte gängiger Brennstoffe sowie deren Dichten angegeben.

Stoff
Heizwert in kJ/g
Dichte in g/cm3
Steinkohle
30
0,80*
Braunkohle
20
0,75*
Holzkohle
31
0,35*
Holz trocken
15
0,50
Esbit
28
1,25
     
Spiritus
26
0,80
Heizöl
42
0,85
Benzin
45
0,80
Diesel
38
0,85
     
Erdgas
44
0,00080
Propangas
46
0,0020
Wasserstoff
120
0,00009

* bedeutet im geschütteten Zustand

Wie wird der Heizwert bestimmt?
Die Brennstoffprobe wird in einem geschlossenen Gefäß in einer reinen Sauerstoffatmosphäre bei einem Druck von 30 bar verbrannt. Aus der Temperaturerhöhung des Systems, dem Gewicht der Probe und der Wärmekapazität des Kalorimetersystems lässt sich der Brennwert errechnen. Man bezeichnet diese Art von Kalorimeter auch Bombenkalorimeter.

prinzipieller Aufbau

modernes

Bombenkalorimeter


Auch die vom Menschen aufgenommene Nahrung wird im Körper verbrannt. Allerdings spricht man nicht vom Heizwert der Nahrung sondern vom Nährwert.

Stoff
Nährwert
in kJ/100g
Apfel
210
Weintrauben
310
Kabeljau
325
Kartoffeln
360
Joghurt
700
Ei
900
Pommes frites
1000
Marmelade
1000
Rindfleisch
1000
Mischbrot
1000
Schinken gekocht
1170
Semmel
1180
Camembert (45%)
1250
Stoff
Nährwert
in kJ/100g
Teigwaren
1630
Bockwurst
1630
Salzstangen
1525
Sachertorte
1800
Kartoffelchips
2136
Schokolade
2300
Butter
3160
 
 
Wasser
- - -
Buttermilch
145
Orangensaft
200
Bier
200
Milch (3,5%)
270
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