Erklären Sie, was es mit der von James Watt entdeckten Nutbarmachung der Expansionsarbeit auf sich hat.
• Nutzung der Expansionsarbeit durch frühzeitiges Schließen des Dampfventils.
• Dampf dehnt sich aus, Druck und Temperatur sinken.
• Reduziert die Leistung, aber erhöht die Effizienz der Maschine.
Warum wurden Dampfmaschinen trotz der Leistungseinbußen nicht als Volldruckmaschine eingesetzt?
• Reduzierter Dampfeinsatz führt zu höherer Effizienz.
• Volldruckmaschinen hätten mehr Dampf benötigt, was ineffizient wäre.
Warum benötigen Hubkolbenexpansionsmaschinen eine Ventilsteuerung, Hubkolbenverdichter aber nicht?
• Expansionsmaschinen: Ventile müssen den Eintritt und Austritt des Gases genau steuern.
• Verdichter: Kompression erfolgt kontinuierlich, keine präzise Steuerung notwendig.
Erklären Sie den Zusammenhang von Volumenänderungsarbeit und Druckänderungsarbeit und warum Enthalpie eine nützliche Bilanzierungsgröße ist an einem p,V-Diagramm einer Entspannungsmaschine.
• Volumenänderungsarbeit: Flächenintegral im p,V-Diagramm.
• Druckänderungsarbeit: Negatives Vorzeichen, da der Druck abnimmt.
• Enthalpie: Nutzt Volumen- und Druckänderung zur Bilanzierung des Energieflusses.
Diskutieren Sie, welchen Einfluss der Druck auf der Rückseite des Kolbens einer Entspannungsmaschine auf den Prozess hat.
• Rückseitiger Druck verringert die effektive Arbeit des Kolbens. • Hoher Gegendruck mindert die Effizienz der Expansionsmaschine.
Vergleichen Sie die Integrale der Druckänderungsarbeit und der Volumenänderungsarbeit, warum haben sie unterschiedliche Vorzeichen?
• Druckänderungsarbeit: Negativ, da der Druck während der Expansion sinkt.
• Volumenänderungsarbeit: Positiv, da das Volumen zunimmt.
Warum darf in dem dargestellten Experiment von der resultierenden Gleichung dq = du + pdv das dq durch Tds ersetzt werden, was einem Prozess ohne Entropieproduktion entspricht und was hat dies mit dem Begriff der Phase zu tun?
• Tds kann dq ersetzen, wenn keine Entropie erzeugt wird (reversibler Prozess).
• Bezug zur Phase: In einer einphasigen Region lässt sich die Entropie einfacher bilanzieren.
Wie lässt sich die Tds-Gleichung der geschlossenen Systeme (innere Energie) in die Tds-Gleichung offener Systeme überführen?
• Ergänzung der Tds-Gleichung um den Term der Enthalpie (für offene Systeme).
• Berücksichtigung der Massenströme und Verschiebearbeiten.
Was ist Dissipationsenergie und wie wird sie berechnet? Kann in einem Prozess trotz Dissipationsenergie die Temperatur sinken?
• Dissipationsenergie: Energieverlust durch Reibung und irreversible Prozesse.
• Berechnung: Tds-Gleichung (irreversibler Term).
• Ja, die Temperatur kann trotz Dissipation sinken, wenn Wärme abgeführt wird.
Was wird unter der Arbeitsgleichung verstanden? Zeichnen Sie zur Erläuterung die vektorielle Darstellung für den Verdichter und für die Expansionsmaschine.
• Arbeitsgleichung: Technische Arbeit = Druckänderungsarbeit + Änderung der kinetischen und potenziellen Energie.
• Darstellung: Verdichter -> Arbeit zugeführt, Expansionsmaschine -> Arbeit abgegeben.
Wie kann über die Stutzen eines Verdichters oder einer Turbine messtechnisch erfasst werden, ob die kinetische Energie des Fluids in der Maschine zu- oder abnimmt?
• Durch Messung des Drucks und der Strömungsgeschwindigkeit an Ein- und Austrittsstutzen.
• Zunahme der kinetischen Energie: Geschwindigkeit steigt, Druck sinkt.
Die drei Prozessgrößen eines stationären Fließprozesses Wärme, Druckänderungsarbeit und Dissipationsenergie lassen sich lediglich mit der Enthalpie gleichsetzen, was ist dabei mit kinetischer und potenzieller Energie, werden sie vernachlässigt? Erklären Sie.
• Kinetische und potenzielle Energie sind im Vergleich zur Enthalpie oft klein.
• Werden bei der Bilanzierung oft vernachlässigt, sofern keine großen Höhenunterschiede oder hohe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen.
Das p,V-Diagramm einer Expansionsmaschine enthält Prozessgrößen und Zustandsgrößen. Erklären Sie, warum es so viel schwieriger ist, die Prozessgrößen zu bestimmen.
• Prozessgrößen (z.B. Arbeit, Wärme) sind integrale Größen.
• Zustandsgrößen (z.B. Druck, Temperatur) sind Punktwerte, die leichter messbar sind.
Der statische Wirkungsgrad einer Expansionsmaschine lässt sich in der Regel nicht bestimmen. Erklären Sie ausführlich, warum das so ist.
• Der reale Prozessverlauf ist oft unbekannt.
• Prozessgrößen wie Wärme und Dissipation sind schwer zu messen, wodurch der Wirkungsgrad nicht direkt ermittelt werden kann.
Erklären Sie, was eine Ersatzpolytrope ist und warum sie für eine Abschätzung der umgesetzten Druckänderungsarbeit erforderlich ist.
• Ersatzpolytrope: Näherungsfunktion für den realen Prozess.
• Dient der Berechnung der Druckänderungsarbeit, da der reale Verlauf oft unbekannt ist.
Wenn die Änderung der kinetischen Energie zwischen Ein- und Austrittszustand vernachlässigbar ist, resultiert der isentrope Wirkungsgrad einer Turbine in einer sehr nützlichen Gleichung – Erläutern Sie die Zusammenhänge.
• Isentroper Wirkungsgrad: Verhältnis der realen zu isentropen Enthalpiedifferenz.
• Vereinfachte Berechnung der technischen Arbeit, da die Änderung der kinetischen Energie vernachlässigt wird.
Erklären Sie das Prinzip einer Düse auf Basis einer Skizze und eines p,V-Diagramms. Wird die umgesetzte Druckänderungsarbeit einer Düse durch Dissipation größer oder kleiner? Erklären Sie.
• Düse: Gas beschleunigt durch Druckabfall.
• Druckänderungsarbeit wird kleiner, da ein Teil der Energie durch Dissipation verloren geht.
Erklären Sie den Zusammenhang von Totalenthalpie und Stagnationszustand.
• Totalenthalpie: Summe aus innerer Energie, Druckarbeit und kinetischer Energie.
• Stagnationszustand: Zustand, wenn die kinetische Energie auf null abgebremst wird.
Welche Funktion haben die Leitschaufeln einer Turbine?
• Leitschaufeln lenken das Gas so, dass es mit optimalem Winkel auf die Laufschaufeln trifft.
Welche Funktion haben die Laufschaufeln einer Turbine? Verwenden Sie zur Erläuterung den Begriff Impuls.
• Laufschaufeln wandeln den Impuls des strömenden Gases in mechanische Arbeit um.
Was zeichnet das Gleichdruckprinzip einer Turbine aus?
Der Druck bleibt während der Impulsübertragung konstant, es erfolgt keine Druckänderungsarbeit.
Warum werden Turbinen in Großkraftwerken in mehrere Stufen unterteilt?
• Mehrere Stufen ermöglichen eine gleichmäßigere Entspannung des Gases und höhere Effizienz.
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