Kalide / Sigloch Energieumwandlung in Kraft- und Arbeitsmaschinen
1. neu bearbeitete Auflage 2010
ISBN: 978-3-446-42527-9
Verlag: Hanser, Carl
Format: PDF
Kopierschutz: Adobe DRM (»Systemvoraussetzungen)
Kolbenmaschinen - Strömungsmaschinen - Kraftwerke
E-Book, Deutsch, 386 Seiten
ISBN: 978-3-446-42527-9
Verlag: Hanser, Carl
Format: PDF
Kopierschutz: Adobe DRM (»Systemvoraussetzungen)
Aufgabe dieses bewährten Lehrbuches ist es, Studierenden aller technischen Fachbereiche eine vollständige und leicht verständliche Abhandlung der Vorgänge in thermischen und hydraulischen Kraft- und Arbeitsmaschinen zu geben, wobei gleichzeitig die konstruktiven und betrieblichen Grundlagen und Besonderheiten berücksichtigt werden.
In vereinfachter Form wird zunächst ein Einblick in die physikalischen Grundlagen der Wärme- und Strömungslehre gegeben. Danach werden die technischen Abläufe in Kolben- und Strömungsmaschinen erläutert, wobei besonderer Wert auf die Verständlichkeit und physikalisch richtige Wiedergabe der Energieumwandlungsvorgänge gelegt wurde. Hinweise zur Konstruktion der Maschinen fehlen ebensowenig wie solche für den Betrieb.
Den Kraftwerken sind mehrere Kapitel gewidmet, weil die Kenntnis der Umwandlung von konventionellen und alternativen Primärenergien in nutzbare Sekundärenergie zur technischen Grundausbildung gehört.
Die Autoren
Prof. Dipl.-Ing. Wolfgang Kalide war Hochschullehrer an der Fachhochschule Dortmund.
Prof. Herbert Sigloch ist an der FH Reutlingen tätig.
Autoren/Hrsg.
Weitere Infos & Material
1;Vorwort;6
2;Inhaltsverzeichnis;7
3;Formelzeichen und Einheiten;12
4;1 Einleitung;14
4.1;1.1 Allgemeine Betrachtungen zur Energieumwandlung;14
4.2;1.2 Energieumwandlung in der Technik;15
5;2 Theoretische Grundlagen;18
5.1;2.1 Allgemeine physikalische Größen;18
5.2;2.2 Hydromechanik;20
5.2.1;2.2.1 Hydrostatik;20
5.2.2;2.2.2 Kontinuitätsgleichung;21
5.2.3;2.2.3 Bernoullische Gleichung;22
5.2.3.1;2.2.3.1 Düse und Diffusor;23
5.2.3.2;2.2.3.2 Messung von Strömungsgeschwindigkeiten;25
5.2.4;2.2.4 Strömung in Rohrleitungen;26
5.2.5;2.2.5 Druckenergieverlust in Rohrleitungen;28
5.2.6;2.2.6 Hauptgleichung der Strömungsmaschinen;29
5.2.7;2.2.7 Kavitation und Verdichtungsstoß;31
5.3;2.3 Wärmetechnik;33
5.3.1;2.3.1 Thermische Zustandsgrößen;33
5.3.2;2.3.2 Erster Hauptsatz;34
5.3.3;2.3.3 Spezifische Wärmekapazität;36
5.3.4;2.3.4 Enthalpie;38
5.3.5;2.3.5 Zustandsgleichungen des idealen Gases;41
5.3.5.1;2.3.5.1 Thermische Zustandsgleichung;41
5.3.5.2;2.3.5.2 Kalorische Zustandsgleichung;43
5.3.6;2.3.6 Zweiter Hauptsatz;44
5.3.6.1;2.3.6.1 Entropie;44
5.3.6.2;2.3.6.2 Darstellung der Entropie durch thermische Zustandsgrößen;45
5.3.6.3;2.3.6.3 Formulierungen des zweiten Hauptsatzes;45
5.3.6.4;2.3.6.4 Exergie;46
5.3.6.5;2.3.6.5 T, s-oder Wärmediagramm;46
5.3.7;2.3.7 Technisch wichtige Zustandsänderungen;48
5.3.8;2.3.8 Gasgemische;52
5.3.9;2.3.9 Normalatmosphäre (Aerostatik);52
5.3.10;2.3.10 Feuchte Gase;53
5.3.11;2.3.11 Strömung mit großen Druckänderungen;53
5.3.11.1;2.3.11.1 Dynamische Temperatur;53
5.3.11.2;2.3.11.2 Totalzustand (Gesamtzustand, Ruhezustand);54
5.3.12;2.3.12 Kreisprozesse;54
5.3.13;2.3.13 Laval-Düse;55
5.3.14;2.3.14 Zustandsänderungen des Wasserdampfes;61
5.3.15;2.3.15 Arbeitsvermögen des Wasserdampfes;63
5.3.15.1;2.3.15.1 Nutzarbeit im T,s-Diagramm;63
5.3.15.2;2.3.15.2 Nutzarbeit im h,s-Diagramm;64
5.3.15.3;2.3.15.3 Nutzarbeit im p,v-Diagramm;65
5.3.16;2.3.16 Brennstoffe und Verbrennung;66
5.3.16.1;2.3.16.1 h,T-Diagramm;70
5.3.17;2.3.17 Wärmedurchgang;71
5.3.17.1;2.3.17.1 Wärmeübergang durch Berührung;72
5.3.17.2;2.3.17.2 Wärmeübergang durch Strahlung;74
5.4;2.4 Wirkungsgrade der Maschinen;75
5.5;2.5 Vergleich der Kolben- und Strömungsmaschinen;77
5.6;2.6 Regelung;78
6;3 Kolbenmaschinen;87
6.1;3.1 Ventilsteuerung;87
6.2;3.2 Kurbeltrieb;87
6.2.1;3.2.1 Kräfte am Kurbeltrieb;87
6.2.2;3.2.2 Tangentialkraftdiagramm;90
6.2.2.1;3.2.2.1 Ableitung der Bewegungsverhältnisse beim Kurbeltrieb;90
6.2.2.2;3.2.2.2 Gesamttangentialkraft;91
6.2.3;3.2.3 Schwungradberechnung;94
6.2.4;3.2.4 Massenausgleich;96
6.2.5;3.2.5 Kräfteausgleich bei der Mehrzylindermaschine;99
6.2.6;3.2.6 Momentenausgleich bei Mehrzylindermaschinen;100
6.3;3.3 Kolbenpumpen (Verdrängerpumpen);103
6.3.1;3.3.1 Kolbenpumpen mit hin- und hergehendem Kolben;103
6.3.1.1;3.3.1.1 Wirkungsweise;103
6.3.1.2;3.3.1.2 Fördervolumen;105
6.3.1.3;3.3.1.3 Saughub;107
6.3.1.4;3.3.1.4 Druckhub;110
6.3.1.5;3.3.1.5 Pumpenventile;110
6.3.1.6;3.3.1.6 Wirkungsgrade;111
6.3.1.7;3.3.1.7 Sonderformen;112
6.3.2;3.3.2 Drehkolbenpumpen;113
6.3.3;3.3.3 Flüssigkeitsringpumpen;114
6.4;3.4 Verdrängungsverdichter;115
6.4.1;3.4.1 Kolbenverdichter;116
6.4.1.1;3.4.1.1 Thermodynamik der Kolbenverdichter;116
6.4.1.2;3.4.1.2 Schädlicher Raum;118
6.4.1.3;3.4.1.3 Wirkliche Verdichtung;121
6.4.1.4;3.4.1.4 Volumetrischer Wirkungsgrad;121
6.4.1.5;3.4.1.5 Indizierter Wirkungsgrad; indizierte Leistung;123
6.4.1.6;3.4.1.6 Mechanischer Wirkungsgrad; Antriebsleistung;124
6.4.1.7;3.4.1.7 Mehrstufige Kolbenverdichter;124
6.4.1.8;3.4.1.8 Regelung;126
6.4.2;3.4.2 Rotationsverdichter;128
6.4.2.1;3.4.2.1 Roots-Gebläse;128
6.4.2.2;3.4.2.2 Drehkolbenverdichter;130
6.4.2.3;3.4.2.3 Flüssigkeitsringpumpen als Verdichter;131
6.5;3.5 Kolbenmotoren;132
6.5.1;3.5.1 Arbeitsverfahren;133
6.5.2;3.5.2 Aufbau der Kolbenmotoren;133
6.5.3;3.5.3 Verluste, Leistungen, Wirkungsgrade;134
6.5.4;3.5.4 Ottomotor (Viertakt);136
6.5.4.1;3.5.4.1 Vergaser;140
6.5.4.2;3.5.4.2 Zündung;144
6.5.4.3;3.5.4.3 Elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung;146
6.5.5;3.5.5 Dieselmotor (Viertakt);148
6.5.5.1;3.5.5.1 Vergleich Ottomotor – Dieselmotor (Bild 3.57);150
6.5.5.2;3.5.5.2 Einspritzung und Gemischbildung;151
6.5.5.3;Leistungsregelung;156
6.5.5.4;Einspritzpumpe;156
6.5.6;3.5.6 Steuerung des Gaswechsels bei Viertaktmotoren;158
6.5.7;3.5.7 Zweitaktverfahren;160
6.5.7.1;3.5.7.1 Nachladung beim Zweitaktverfahren;162
6.5.8;3.5.8 Gegenüberstellung von Zweitakt und Viertakt;164
6.5.8.1;3.5.8.1 Wärmebelastung und Kühlung;164
6.5.8.2;3.5.8.2 Mechanische Belastung und Schmierung;165
6.5.9;3.5.9 Kreiskolbenmotor (Wankelmotor);166
6.5.10;3.5.10 Freikolbenmotoren;168
6.5.11;3.5.11 Aufladung;169
6.5.12;3.5.12 Stirlingmotor;174
6.5.13;3.5.13 Kraftstoffe;177
6.5.14;3.5.14 Kühlung;179
6.5.15;3.5.15 Mehrzylinder-Anordnungen;181
6.5.16;3.5.16 Ausführungsbeispiele von Kolbenmotoren;183
6.5.17;3.5.17 Betriebsverhalten der Motoren;187
7;4 Strömungsmaschinen;190
7.1;4.1 Arbeitsverfahren der Strömungsmaschinen;190
7.2;4.2 Geschwindigkeitsplan;192
7.2.1;4.2.1 Geschwindigkeiten am radialen Laufrad;195
7.2.2;4.2.2 Geschwindigkeiten am axialen Laufrad;195
7.3;4.3 Hauptgleichung der Strömungsmaschinen;195
7.4;4.4 Strömungsarbeitsmaschinen;196
7.4.1;4.4.1 Gemeinsame Grundlagen der Strömungsarbeitsmaschinen;196
7.4.1.1;4.4.1.1 Radial durchströmte Maschinen;196
7.4.1.2;4.4.1.2 Axial durchströmte Maschinen;220
7.4.2;4.4.2 Festlegung der Schaufelzahl;230
7.4.3;4.4.3 Betriebsverhalten der Strömungsarbeitsmaschinen;231
7.4.3.1;4.4.3.1 Betriebspunkt;231
7.4.3.2;4.4.3.2 Kennliniendiagramm;232
7.4.3.3;4.4.3.3 Drehzahlregelung;233
7.4.3.4;4.4.3.4 Labiler Zweig der Kennlinie;234
7.4.3.5;4.4.3.5 Parallelförderung von Kreiselpumpen;234
7.4.3.6;4.4.3.6 Pumpen bei Kreiselverdichtern;235
7.4.3.7;4.4.3.7 Betriebsverhalten der Radialverdichter;236
7.4.3.8;4.4.3.8 Betriebsverhalten der Axialverdichter;237
7.4.4;4.4.4 Vergleich der Kolben- und Strömungsmaschinen;238
7.4.5;4.4.5 Kreiselpumpen;238
7.4.5.1;4.4.5.1 Leistung und spezifische Förderarbeit;238
7.4.5.2;4.4.5.2 Saughöhe und Kavitation;239
7.4.5.3;4.4.5.3 Spezifische Drehzahl und Bauarten;241
7.4.5.4;4.4.5.4 Ausgleich des Achsschubes;242
7.4.5.5;4.4.5.5 Sonderformen der Kreiselpumpe;245
7.4.6;4.4.6 Wasserstrahlpumpen (Ejektoren);248
7.4.7;4.4.7 Turboverdichter;249
7.4.7.1;4.4.7.1 Thermodynamik der Turboverdichter;249
7.4.7.2;4.4.7.2 Radialverdichter;259
7.4.7.3;4.4.7.3 Axialverdichter;262
7.4.8;4.4.8 Propeller;263
7.4.8.1;4.4.8.1 Luftschrauben;264
7.4.8.2;4.4.8.2 Schiffsschrauben;266
7.5;4.5 Strömungskraftmaschinen;266
7.5.1;4.5.1 Energieumwandlung im Leitapparat;268
7.5.2;4.5.2 Energieumwandlung im Laufrad;269
7.5.2.1;4.5.2.1 Energieumwandlung im radialen Laufrad (Bilder 4.71 und 4.72);269
7.5.2.2;4.5.2.2 Energieumwandlung im axialen Laufrad;271
7.5.3;4.5.3 Verluste, Wirkungsgrade, Leistungsbegriffe;272
7.5.4;4.5.4 Kenngrößen von Strömungskraftmaschinen;276
7.5.5;4.5.5 Wasserturbinen;280
7.5.5.1;4.5.5.1 Francis-Turbine;280
7.5.5.2;4.5.5.2 Kaplan-Turbine;282
7.5.5.3;4.5.5.3 Laufradformen;285
7.5.5.4;4.5.5.4 Saugrohr;287
7.5.5.5;4.5.5.5 Freistrahl-(Pelton-)Turbine;289
7.5.5.6;4.5.5.6 Wirkungsgrade von Wasserturbinen;292
7.5.5.7;4.5.5.7 Durchströmturbine;293
7.5.6;4.5.6 Dampfturbinen;293
7.5.6.1;4.5.6.1 Leitapparate;295
7.5.6.2;4.5.6.2 Gleichdruckstufe;298
7.5.6.3;4.5.6.3 Überdruckstufe;298
7.5.6.4;4.5.6.4 Geschwindigkeitsstufung;301
7.5.6.5;4.5.6.5 Druckstufung;304
7.5.6.6;4.5.6.6 Regelung der Dampfturbinen;306
7.5.6.7;4.5.6.7 Mehrstufige Großturbinen;309
7.5.6.8;4.5.6.8 Gegendruck- und Entnahmeturbinen;312
7.5.7;4.5.7 Gasturbinen;313
7.5.7.1;4.5.7.1 Offene Gasturbinenanlagen;313
7.5.7.2;4.5.7.2 Geschlossene Gasturbinenanlagen;318
8;5 Grundlagen der Energiewirtschaft;320
8.1;5.1 Energiespeicherung;324
8.2;5.2 Bedarfsdeckung;325
8.3;5.3 Energieverteilung;327
8.4;5.4 Deckung von Bedarfsabweichungen;327
8.5;5.5 Energieentstehungskosten;328
8.5.1;5.5.1 Feste Kosten;328
8.5.2;5.5.2 Veränderliche Kosten;331
8.6;5.6 Einteilung der Kraftwerke (Energieanlagen);331
9;6 Wasserkraftwerke;333
9.1;6.1 Pumpspeicherkraftwerke;335
9.2;6.2 Gezeitenkraftwerke;336
9.2.1;6.2.1 Doppelt wirkende Einbeckenanlage;337
9.2.2;6.2.2 Zweibeckenanlage;338
10;7 Dampfkraftwerke;340
10.1;7.1 Kondensationskraftwerke;340
10.2;7.2 Kraft-Wärme-Kopplung;346
10.3;7.3 Regelung in Dampfkraftwerken;349
10.3.1;7.3.1 Festdruck- oder Gleitdruckbetrieb;352
10.3.1.1;7.3.1.1 Festdruckbetrieb;352
10.3.1.2;7.3.1.2 Gleitdruckbetrieb;353
10.3.1.3;7.3.1.3 Modifizierter Gleitdruckbetrieb;354
10.4;7.4 Dampferzeugung;354
10.4.1;7.4.1 Wärmeumsatz;355
10.4.2;7.4.2 Prinzip der technischen Dampferzeugung;356
10.4.3;7.4.3 Dampferzeuger;358
10.4.3.1;7.4.3.1 Wasserrohrkessel mit Naturumlauf;360
10.4.3.2;7.4.3.2 Wasserrohrkessel mit Zwangsumlauf;360
10.4.3.3;7.4.3.3 Wasserrohrkessel mit Zwangsdurchlauf;360
10.4.3.4;7.4.3.4 Schiffskessel;363
10.4.3.5;7.4.3.5 Kessel mit Druckfeuerung;363
10.4.4;7.4.4 Feuerungen;363
10.4.4.1;7.4.4.1 Schmelzfeuerungen;367
10.4.5;7.4.5 Luftvorwärmer;369
10.4.6;7.4.6 Zugerzeugung;370
10.4.6.1;7.4.6.1 Schornsteinzug;371
10.4.6.2;7.4.6.2 Saugzug;372
10.4.7;7.4.7 Speisewasseraufbereitung;373
11;8 Gasturbinen-Kraftanlagen;374
11.1;8.1 Einsatz von Gasturbinen-Kraftanlagen;374
11.2;8.2 Gasturbinen-Anlagen als Speicherkraftwerke;376
12;Weiterführende Literatur (Auswahl);378
13;Stichwortverzeichnis;379
7 Dampfkraftwerke (S. 339-340)
Der Begriff Dampfkraftwerke gilt auch heute noch für solche Kraftwerke, bei denen der Energieträger Wasserdampf aus aufbereitetem Wasser durch Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird. Obwohl das Kernkraftwerk in seiner heute üblichen Bauweise auch ein „Dampfkraftwerk“ ist, weil auf den Dampfmaschinen-Kreisprozess noch nicht verzichtet werden kann, ist es dennoch in der Nomenklatur aus dem Oberbegriff Dampfkraftwerk herausgenommen worden.
Man unterscheidet die Dampfkraftwerke
a) nach Art der verbrannten Brennstoffe in Steinkohlen-KW, Braunkohlen-KW, Torf- KW, ölgefeuerte KW und gasgefeuerte KW. Diese Unterteilung betrifft hauptsächlich die Feuerungen der Dampferzeuger, beeinflusst aber auch andere Anlageteile, wie Brennstofflagerung, Brennstofftransport, Brennstoffaufbereitung, Aschenabzug und Abgasfilterung.
b) nach Art der abgegebenen Nutzenergie in Kondensations-KW, Heiz-KW und Industrie- KW. Kondensationskraftwerke sollen als Nutzenergie nur elektrischen Strom abgeben und befinden sich ausnahmslos im Besitz der EVU, also Elektrizitätsversorgungsunternehmen. Heiz- und Industriekraftwerke arbeiten nach dem Prinzip der Kopplung von Kraft und Wärme und geben sowohl elektrischen Strom als auch Dampfwärme ab.
Die Besitzer der Heizkraftwerke sind häufig ebenfalls die EVU, doch befinden sich auch viele Heizkraftwerke in öffentlicher Hand. Industriekraftwerke gehören stets, wie es der Name ausdrückt, wärmeintensiven Industriebetrieben. Heizund Industriekraftwerke arbeiten in der Regel im Gegendruckbetrieb und sparen den Aufwand fürKondensator,Kühlwasserbeschaffung undRückkühleinrichtungen. Sie umgehen zudem teilweise die thermischen Verluste des Dampf-Kreisprozesses und nutzen somit die Primärenergien wärmetechnisch besser aus (Nutzungsgrade bis 90 %).
7.1 Kondensationskraftwerke
Anhand eines vereinfachten Wärmeschaltbildes (Bild 7.1) sollen die grundsätzlichen Kreisläufe in einem neuzeitlichen Kondensationskraftwerk erläutert werden. Das von der Speisepumpe 1 auf Hochdruck gepumpte Speisewasser wird im Hochdruck-Vorwärmer 2 mittels Entnahmedampf aus der Turbine vorgewärmt. Diese Vorwärmung verbessert, wie noch erläutert wird, den thermischen Wirkungsgrad und verhindert die mit Taupunktsunterschreitungen verbundenen Korrosionen sowie Thermoschocks an den Heizflächen 3a. Im Dampferzeuger 3 durchströmt das eingespeiste Wasser zunächst die rauchgasbeheizten Vorwärmheizflächen a und wird danach im Strahlungsverdampfer b verdampft. Der aus den Heizflächen b austretende Sattdampf wird im Überhitzer c auf Temperaturen bis ca. 580 °C überhitzt. Da die Strömungswiderstände bei der Durchströmung der Heizflächen groß sind, liegt der Druck im Druckstutzen der Speisepumpe erheblich über dem Austrittsdruck des Dampfes aus dem Überhitzer. Die Druckverluste können in Großdampferzeugern 100 bar und mehr betragen.
