Thermodynamik

Thermodynamik I
Energieumwandlung bei Gasturbinen

Fragst du dich auch wie Gasturbinen es schaffen technische Leistung zu erzeugen? Genau das erklären wir dir in diesem Artikel.

Wirkungsgrade bestimmen

Ein gutes Beispiel für eine Energieumwandlung ist die Gasturbine. Diese wird oft in Triebwerken von Flugzeugen, aber auch zur Gewinnung von technischer Leistung verwendet. Dafür wird einfach Luft, die einen natürlichen Umgebungsdruck hat, in einen Verdichter geleitet. Hier soll dann möglichst isentrop der Druck erhöht werden. Als nächstes wird diese Luft in eine Brennkammer geleitet. Hier wird dann der Luft Brennstoff beigemischt und anschließend verbrannt. Das soll wiederrum möglichst isobar, also bei konstantem Druck geschehen. Durch das Verbrennen erhöhen wir natürlich die Enthalpie der Luft.

Energieumwandlung in einer Gasturbine
Energieumwandlung in einer Gasturbine

Diese energiereiche Luft kommt als nächstes in die erwähnte Gasturbine. Hier soll wieder isentrop auf Umgebungsdruck entspannt werden. Die erhaltene Arbeit wird in der Regel zum Teil genutzt, um den Verdichter anzutreiben, sodass nicht die gesamte Arbeit verwendet wird. Dieser Prozess wird auch offener Joule-Prozess genannt. Natürlich gibt es auch einen geschlossenen Joule-Prozess. Hierfür bauen wir nach der Gasturbine einen Kühler ein. Das machen wir, da der Verdichter immer mit dem gleichen Druck arbeiten soll. Da dieser von der Temperatur abhängt, können wir ihn über den Kühler regeln. Auf diese Weise lässt sich der Prozess optimieren.

Energetische Betrachtung am h-v-Diagramm

Wie sieht das ganze jetzt energetisch aus? Dafür betrachten wir wieder das h-s-Diagramm. Wir starten beim Punkt Null, somit beim Druck p Null gleich ein Bar. Anschließend gehen wir in den Verdichter und erhöhen den Druck auf p eins gleich sieben Komma fünf bar. Da wir isentrop verdichten wollen, können wir einfach eine senkrechte Linie ziehen. In der Brennkammer erhalten wir einen Wärmestrom und erhöhen zwangsläufig die Entropie.

Allerdings können wir auf der isobaren Linie bleiben, bis wir den Zustand zwei, also wenn wir aus der Brennkammer austreten, erreichen. Mit der Energie treten wir jetzt in die Gasturbine ein und entspannen die Luft auf unseren ursprünglichen Druck p Null gleich ein bar, in dem wir Arbeit entziehen. Wir können hier wieder senkrecht gehen, da wir isentrop entspannen. Nun ist unsere Enthalpie aber nicht auf Zustand Null, also müssen wir noch Wärme abgeben. Das machen wir über den Kühler und erreichen damit wieder Zustand Null.

Kreisprozesse
Kreisprozesse

Kreisprozesse

Solche Prozesse werden Kreisprozesse genannt, da wir, wie du sicher gemerkt hast, immer wieder im Kreis laufen können. Wir können uns dabei einen linksläufigen und einen rechtsläufigen Kreisprozess definieren. Aus dem rechtsläufigen Kreisprozess gewinnen wir Arbeit und aus dem linksläufigen Wärme. Somit können wir jetzt sagen, dass eine Gasturbine ein rechtsläufiger Kreisprozess ist, da wir ja Arbeit gewinnen. Schauen wir uns das im h-s-Diagramm nochmal an: Wir starten bei Zustand Null und gehen senkrecht nach oben zu Zustand eins. Anschließend nach rechts auf der Isobaren zum Zustand zwei und dann wieder senkrecht nach unten zum Zustand drei. Von da aus kommen wir, wenn wir nach linksgehen, wieder beim Zustand Null an. Wir laufen also gegen den Uhrzeigersinn und damit „rechtsherum“ durch den Prozess. Unsere Überlegung passt also.

Für einen linksläufigen Kreisprozess kannst du dir ein Heizungssystem überlegen. Wir erhitzen als erstes Wasser im Kessel, erhöhen dann den Druck, um das Wasser durch deine Heizung zu pumpen. Hier gibt das Wasser dann Wärme ab und wird anschließend wieder vor dem Kessel durch eine Drossel entspannt. Eine Drossel macht das gleiche wie eine Turbine, nur ohne dabei Arbeit zu entziehen. Jetzt verstehst du, was links- und rechtsläufige Kreisprozesse sind.
So, wie eine Gasturbine funktioniert, weißt du jetzt. Das Prinzip von Otto-Motoren schauen wir uns dann im nächsten Video genauer an. Bis bald!

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