Energieumwandlung in Kraft- und Arbeitsmaschinen

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1. Einleitung

Zusammenfassung

Energieumsetzung und Wirkungsgrad sind für den Ingenieur zwei untrennbare Begriffe. Überall da, wo Energie gewonnen, umgewandelt oder genutzt wird, ent stehen unvermeidbare Verluste. Diese Verluste so klein wie möglich zu halten, gehört zum täglichen Brot des Ingenieurs. Wenn heute bei der Umwandlung von Energieformen, Wirkungsgrade von ca. 30 % bis maximal bei 60 % erreicht werden, so mag das viel erscheinen. Reali stisch betrachtet ist es jedoch nichts anderes als eine ungeheure Verschwendung von Gütern, die die Natur keineswegs unbegrenzt zur Verfügung stellt.

Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch

2. Theoretische Grundlagen

Zusammenfassung

Die Masse ist eine physikalische Größe, allgemein durch die Gewichtskraft F_G (auch mit G bezeichnet) und Trägheit eines Körpers gekennzeichnet.

Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch

3. Kolbenmaschinen

Zusammenfassung

Das Kennzeichen der Kolbenmaschine ist die Energieumwandlung direkt über den Druck (potenzielle Energie). Dazu muss die Kolbenmaschine über einen druckdichten Arbeitsraum verfügen, der von starren Wänden umschlossen wird. Von diesen Wänden muss mindestens eine so bewegt werden können, dass sich eine periodische Veränderung des Volumens erreichen lässt. Der auf diese Wand wirkende Druck des Arbeitsmittels bewirkt hierbei im Verein mit der Wandbewegung die Energieübertragung Wand-Arbeitsmittel oder umgekehrt (statisches Prinzip).

Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch

4. Strömungsmaschinen

Zusammenfassung

Das Kennzeichen jeder Strömungs- oder Turbomaschine ist das umlaufende, mit einem Kranz von gekrümmten Schaufeln besetzte Rad und das stetige Umströmen dieser umlaufenden Schaufeln durch das Arbeitsmedium (Flüssigkeit, Gas). Der bei der Um - strömung der gekrümmten Schaufeln des rotierenden Rades entstehende Strömungsdruck bewirkt hierbei im Verein mit der Rotationsbewegung die Energieübertragung vom Arbeitsmittel auf das Rad oder umgekehrt (dynamisches Prinzip). Strömungsmaschinen sind nur möglich, weil Geschwindigkeiten, Vektoren (Betrag sowie Richtung) und Fluide (Wasser, Gas, Dampf) massebehaftet sind.

Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch

5. Grundlagen der Energiewirtschaft

Zusammenfassung

Die Energiewirtschaft befasst sich mit der wirtschaftlichen Ausnutzung natürlicher Energievorkommen, sogenannter Primärenergieformen, der Umwandlung der Primär - energieformen in Sekundärenergieformen und deren wirtschaftlicher Verteilung, d.h. Zu - führung zu den Verbrauchern, denen dann die verbleibende Nutzenergie zur Verfügung steht. Nutzenergie ist somit Sekundärenergie abzüglich Verteilungsverlusten.

Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch

6. Wasserkraftwerke

Zusammenfassung

Die Natur bietet Wasserkräfte in vielfältiger Weise an. Diese Vielfalt führt zu den verschiedensten Ausbauformen von Wasserkraftwerken, die an Flüssen, natür lichen Seen, Talsperren oder als Gezeiten- und Wellenkraftwerke am bzw. im Meer angelegt sein können.

Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch

7. Dampfkraftwerke

Zusammenfassung

Der Begriff Dampfkraftwerke gilt auch heute noch für solche Kraftwerke, bei denen der Energieträger Wasserdampf aus aufbereitetem Wasser durch Ver brennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird. Obwohl das Kernkraftwerk in seiner heute üblichen Bauweise auch ein „Dampfkraftwerk“ ist, weil auf den Dampf maschinen-Kreisprozess noch nicht verzichtet werden kann, ist es dennoch in der Nomenklatur aus dem Oberbegriff Dampfkraftwerk herausgenommen worden.

Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch

8. Gasturbinen-Kraftanlagen

Zusammenfassung

Der Aufbau von Gasturbinen-Kraftanlagen wurde in Abschnitt 4.5.7 geschildert. Das notwendige Minimum einer solchen Anlage besteht aus Verdichter, Brenn kammer und Turbine sowie Elektrogenerator. Mit diesen Grundelementen lässt sich eine Gasturbinen - Kraftanlage zwar billig installieren, jedoch arbeitet sie infolge der materialbe dingten, niedrigen Gastemperaturen – Frischgas max. ca. 1200 °C und Abgas min. 500 °C – mit vergleichsweise schlechterem thermi schem Wirkungsgrad und entsprechend hohen Brennstoffkosten.

Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch

9. Nutzung der Windenergie

Zusammenfassung

Bedeutung: Wind- oder Luftturbinen (LT), auch als Windkonverter oder kurz Windräder bezeichnet, sind wegen der Energiewende – Umweltenergie statt konventioneller (Kohle, Öl, Gas, Atom) – von stark wachsender Bedeutung, und zwar hauptsächlich wegen Klima- sowie Umweltschutz. Da jedoch vom natürlichen, d. h. schwankenden Windangebot abhängig, können sie, besonders auf dem Land (onshore) nur immer zeitweise zur Elektrizitätsgewinnung beitragen. Deshalb sind große Speicheranlagen zur Überbrückung der Flauten notwendig.

Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch

10. Geothermische Kraftanlagen und Meereswellenkraftwerke

Zusammenfassung

Die Temperaturverhältnisse im Erdinneren sind noch weitgehend ungeklärt. Man nimmt an, dass der Erdkern unter einem Druck von mehreren Millionen bar steht. Über die dort herrschenden Temperaturen gehen bereits die Ansichten auseinander. Es werden Werte diskutiert, die zwischen 2000 °C und 12000 °C liegen. Durch Bohrungen konnte nach - gewiesen werden, dass in der oberen Erdkruste ein Temperaturgefälle von annähernd 35 K/1000 m herrscht. Doch auch dieser Wert ist nicht überall gleich. In den Diamantengruben von Südafrika kann man noch in Tiefen von ca. 4000 m arbeiten, weil das Temperaturgefälle dort nur 9 K/1000 m beträgt. Allgemein kann angenommen werden, dass die Temperaturzunahme nicht linear verläuft, sondern in größeren Tiefen geringer wird.

Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch

11. Verwertung von Abfallenergie

Zusammenfassung

Abfallenergie in Form von Wärme tritt in nahezu allen wärmeintensiven Industriebetrieben auf. Ihre Nutzung ist eine Frage des ökonomischen Denkens und kann heute in den Ländern mit der Wirtschaftsform des freien Wettbewerbs ausschlaggebend für Leben und Überleben einzelner Betriebe sein.

Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch

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