- Gaskraftmaschine
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Eine Gaskraftmaschine oder eine Gasmaschine ist eine alte Bezeichnung für eine Wärmekraftmaschine. Sie wandelt innere Energie eines erhitzten und verdichteten Gases teilweise in mechanische Arbeit um. Die theoretische Grundlage dieses Prozesses bildet das Gasgesetz (pV=nRT) mit den drei Gaszustandsgrössen Druck, Temperatur, Volumen und der universellen Gaskonstante. Der Name Gaskraftmaschine hat nichts mit dem gasförmigen Kraftstoff (z.B. Erdgas) zu tun.
Es gibt Maschinen, die den Gasdruck durch „innere Verbrennung“ in einem offenen Prozess erzeugen und es gibt Maschinen, die den Gasdruck im geschlossenen Kreislauf durch eine äußere Wärmequelle erzeugen.
Gaskraftmaschinen nutzen rechtslaufende (im Uhrzeigersinn) Kreisprozesse im Ts-Diagramm oder pV-Diagramm. Gasverdichter nutzen „linkslaufende“ Kreisprozesse. Zur Beurteilung der Effizienz von Kreisprozessen dienen die idealen Vergleichsprozesse.
Inhaltsverzeichnis
Wirkungsgrad
Wirkungsgrad von Gaskraftmaschinen
Der Wirkungsgrad einer Gaskraftmaschine orientiert sich, wie der aller Wärmekraftmaschinen, am Carnotfaktor.
Eine wichtige Größe für den Wirkungsgrad von Kolbenmaschinen bildet der Ausdehnungsgrad, manchmal auch Expansionswirkungsgrad genannt. Das ist der Volumenunterschied des verdichteten Gases zum expandierten Gas am Ende des Arbeitszyklus.
Bei den Turbinen ist das Druckverhältnis oder das Temperaturverhältnis des Arbeits- oder Brenngases beim Turbineneintritt zum Turbinenaustritt bestimmend für den Wirkungsgrad.
Ebenfalls wichtig ist ein möglichst hoher Isentropenexponent des Arbeitsgases. Das ist eine Verhältniszahl der Wärmekapazität eines Gases bei gleichem Druck zu der bei gleichem Volumen. Freie Wahl des Arbeitsgases besteht nur bei Maschinen mit geschlossenem Kreislauf.
Arbeitstemperaturen und Vergleichsprozesse
Kolbenmotoren erreichen Verbrennungstemperaturen von 2200°C bis 2500°C und Arbeitstakt-Endtemperaturen von etwa 900°C bis 800°C. Die Abgastemperatur liegt tiefer. Der Vergleichsprozess heißt Seiliger-Kreisprozess. Die Wirkungsgrade liegen zwischen 35% und 50%.
Kolbendampfmaschinen arbeiten mit Dampftemperaturen bis 350°C und 130°C. Der Vergleichsprozess für diese Kraftmaschinen ist der Gleichdruckprozess. Der Wirkungsgrad übersteigt selten 20%.
Gasturbinen erreichen Turbineneintrittstemperaturen von 1300 °C bis 1400°C und Abgastemperaturen von 800°C bis 600°C. Der Vergleichsprozess ist der Jouleprozess. Turbinen erreichen wegen der tieferen Höchsttemperaturen nicht den Wirkungsgrad von Kolbenmaschinen.
Dampfturbinen arbeiten mit Höchsttemperaturen von 600°C bis 700°C und Endtemperaturen von 130°C. Der Vergleichsprozess ist der Jouleprozess oder der Clausius-Rankine-Prozess. Trotz der geringen Arbeitstemperatur des Dampfes kommt der Prozess wegen der geringen Wärmeverluste und des relativ guten Isentropenexponenten auf Wirkungsgrade von über 30%.
Kombinierte Gas- und Dampfanlagen (GuD-Kraftwerk), also den offenen und den geschlossenen Kreisprozess nutzen den Arbeitstemperaturbereich zwischen 1400°C und 130°C und kommen auf Wirkungsgrade bis zu 60%. Noch höhere Wirkungsgrade verspricht die Kombination von Turbo-Diesel-Motoren mit Dampf- oder Heliumturbinen.
Gaskraftmaschinen mit innerer Verbrennung
In aller Regel wird ein Gemisch aus Luft und Kohlewasserstoffen nach dem Verdichten zur Zündung gebracht und verbrannt. Die Kohlewasserstoffe können flüssig oder gasförmig mit der Luft und dem Sauerstoff vermischt werden.
Gaskraftmaschinen mit äußerer Verbrennung
Schraubenmotor mit Dampfantrieb
1=Heissdampf 2=Kaltdampf 3=Doppelschraube 4=AbdichtungIn der Regel werden feste und billige Brennstoffe zur Aufheizung des Arbeitsgases verwendet (Kohle, Holz, Rohöl). Auch Erdgas wird oft angewandt. Ein typischer Anwendungsfall sind auch die Brennstäbe von AKW’s. Als Arbeitsgas liefert Helium und Wasserstoff den wesentlich besseren Wirkungsgrad, als Luft (Wärmekapazität, Isentropenexponent, Wärmeübergangszahl).
- Dampfmaschine, Dampfmotor, Schraubenmotor dampfgetrieben
- Dampfturbine, Heliumturbine
- Stirlingmotor
Weblinks und Quellen
Die Gaskraftmaschinen. Kurzgefaßte Darstellung der wichtigsten Gasmaschinen-Bauarten. Verlag : De Gruyter. ISBN : 978-3-11-101818-8. Einband : gebunden ...
Kategorie:- Fluidkraftmaschine
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