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Thermodynamische Maschinen

Dampfmaschine

Dampfmaschine
Eine Dampfmaschine ist eine Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie teilweise in mechanische Arbeit umwandelt.

In der Dampfmaschine wird als Arbeitsmedium kein ideales Gas verwendet, sondern ein Arbeitsmedium, das kondensiert. Während des Kreisprozesses muß also der Phasenübergang flüssig-gasförmig beachtet werden.

Im Dampfkessel (a) wird das Arbeitsmedium, meist Wasser, bei konstantem Druck von der Speisetemperatur bis zur Siedetemperatur erwärmt. Dabei wird das Wasser unter Volumenzunahme verdampft (b; 4 → 1).

Im Arbeitszylinder (c) wird adiabatisch entspannt (1 → 2).

Anschließend wird der Wasserdampf im Kondensator (d) verflüssigt (2 → 3).

Die Speisepumpe (e) drückt nun das Kondensat unter Druckerhöhung in den Verdampfer (3 → 4).

Füllung des Kessels erfolgt dann wieder unter konstantem Druck (b; 4 → 1).

Wirkungsgrad der Dampfmaschine

Der thermische Wirkungsgrad der Dampfmaschine wird mit dem Clausius-Rankine-Prozess berechnet und ergibt sich zu:

η = W Q = T w T k T w 680 380 680 0,44

Der schlechte Wirkungsgrad der Dampfmaschinen liegt an der Notwendigkeit, dass Wasser mit großem Energieaufwand verdampfen zu müssen, ohne die Verdampfungsenergie nutzen zu können und am geringen ausnutzbaren Temperaturgefälle (Carnot-Wirkungsgrad). Die Temperaturobergrenze wird bei Dampflokomotiven durch das Schmieröl vorgegeben und liegt bei 400 °C. Bei Auspuffbetrieb liegt die untere Temperatur deutlich über 100 °C.

Einige Vorteile einer Dampfmaschine gegenüber dem Verbrennungsmotor sind ihr kontinuierlicher Verbrennungsvorgang, der sich viel emissionsärmer gestalten lässt und dadurch auch weniger Verschleiß/Wartung aufweist. Von Vorteil ist auch die reduzierte Öl-Emissionsgefahr durch Wasserschmierung. Der Wasserkreislauf kann geschlossen ausgeführt werden. In Entwicklungsländern halten sich Dampflokomotiven vor allem, weil die Technik einfacher ist und Dampf mit beliebigen Energieträgern erzeugt werden kann.

Eine modernere Maschine zur Nutzung von Dampfkraft mit hohem Wirkungsgrad ist die Dampfturbine, die zum Beispiel bei Wärmekraftwerken zum Einsatz kommt. Bei Kraftwerksanlagen wird der Abdampf hinter der Turbine kondensiert, um gegen ein Vakuum zu arbeiten und nicht gegen den atmosphärischen Luftdruck.

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