Was ist eine Wärmekraftmaschine?

Eine Wärmekraftmaschine ist ein Gerät, mit dem Wärmeenergie in mechanische Arbeit umgewandelt wird. Dies geschieht, wenn Wärme, die von einer heißen Quelle stammt, durch den Motor selbst in eine kalte Spüle gelangt. Der Kühlkörper ist der Teil eines thermodynamischen Kreislaufs mit niedrigerer Temperatur, z. B. die im Rankine-Kreislauf enthaltene Kondensationseinheit oder der Dampfkreislauf. Es gibt viele verschiedene Arten von Wärmekraftmaschinen, von denen jede ihren eigenen spezifischen Zyklus hat. Einige Beispiele für Wärmekraftmaschinen umfassen Dampf- und Verbrennungsmotoren sowie Stirlingmotoren und Gasturbinen.

Üblicherweise wird eine Wärmekraftmaschine mit dem thermodynamischen Zyklus verwechselt, der innerhalb der Kraftmaschine selbst stattfindet. Dies liegt hauptsächlich daran, dass Wärmekraftmaschinen häufig nach ihren spezifischen thermodynamischen Zyklen klassifiziert werden. Das Gerät selbst, das Wärmeenergie in Arbeit umwandelt, wird als "Motor" bezeichnet, während das thermodynamische Modell, das auf den Motor angewendet wird, der "Zyklus" ist. Aus diesem Grund werden Dampfmaschinen nicht als Rankine-Motoren bezeichnet.

Eine effiziente Wärmekraftmaschine wird versuchen, ihren jeweiligen Zyklus so gut wie möglich nachzuahmen. Je höher der Temperaturunterschied zwischen der heißen Quelle und der kalten Senke innerhalb des Zyklus ist, desto effizienter ist der Motor. Beispielsweise erfordert eine effiziente Dampfmaschine sowohl eine Hochtemperatur-Wärmequelle als auch eine Niedertemperatur-Kältesenke. Im Rankine-Zyklus verwendet ein Kessel einen Hochtemperaturbrenner, um Wasser in Dampf umzuwandeln. Dieser Dampf strömt durch den Motor und wird dann durch einen Niedertemperaturkondensator wieder zu Wasser kondensiert.

Je kälter der Kondensator ist, desto mehr Dampf wird wieder zu Wasser kondensiert. Dies liegt daran, dass die Kondensatoren den vom Kessel durchgeführten Sättigungsprozess effektiv umkehren. Auf diese Weise können höhere Kondensationsraten erzielt werden. Je höher die Rate ist, desto mehr Wasser wird zurückgegeben. Dies hilft, den Gesamtwirkungsgrad des Dampfkreislaufs zu erhöhen.

Der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine kann durch einen großen Temperaturunterschied zwischen der heißen Quelle und der kalten Senke in hohem Maße optimiert werden, ist jedoch immer noch begrenzt. Dies liegt daran, dass die Temperatur des Kühlkörpers von der Umgebungstemperatur abhängt, die in einigen Situationen nicht auf ideale Bedingungen abgekühlt werden kann. Aus diesem Grund ist der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine auf die Temperaturgrenzen des Kühlkörpers begrenzt. Eine gebräuchliche Lösung besteht darin, die Temperatur der heißen Quelle zu erhöhen. auch dies ist jedoch auf einen Mangel an Materialfestigkeit bei hohen Temperaturen beschränkt.

Der Wärmemotorwirkungsgrad variiert je nach Motor und Zyklus. Der thermische Wirkungsgrad reicht von 3% bis etwa 70%, wobei Automotoren einen thermischen Wirkungsgrad von etwa 25% erreichen. Die effizienteren Wärmekraftmaschinen sind in großen Kraftwerken zu finden, in denen sowohl Gas- als auch Dampfturbinen zur Stromerzeugung eingesetzt werden.

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