Erklären Sie, was es mit der von James Watt entdeckten Nutbarmachung der Expansionsarbeit auf sich hat.
James Watt erkannte und nutzte die Expansionsarbeit zur Steigerung der Effizienz von Dampfmaschinen. Seine Verbesserung basierte auf der Erkenntnis, dass nicht der gesamte Dampf auf einmal, sondern schrittweise expandiert und genutzt werden kann.
James Watt führte die expansionsgesteuerte Dampfnutzung ein:
Der Dampf wird nur während eines Teils des Kolbenhubs in den Zylinder eingelassen.
Danach wird die Zufuhr unterbrochen, und der eingeschlossene Dampf dehnt sich weiter aus.
Diese Expansion verrichtet weiterhin Arbeit am Kolben, ohne zusätzlichen Dampf zu verbrauchen.
Warum wurden Dampfmaschinen trotz der Leistungseinbußen nicht als Volldruckmaschine eingesetzt?
Höhere Effizienz
Geringerer Kraftstoffverbrauch
Geringerer Verschleiß
Warum benötigen Hubkolbenexpansionsmaschinen eine Ventilsteuerung, Hubkolbenverdichter aber nicht?
Diese Maschinen arbeiten mit Dampf oder Gas, das unter Druck steht und kontrolliert in den Zylinder eingelassen und wieder ausgestoßen werden muss.
Da der Dampf sich ausdehnt und Arbeit verrichtet, muss die Zufuhr und Abfuhr genau gesteuert werden, um maximale Effizienz zu erreichen.
Die Ventilsteuerung übernimmt diese Aufgabe, indem sie die Einlass- und Auslassventile im richtigen Moment öffnet und schließt.
Diese Maschinen verdichten ein Gas (z. B. Luft) und drücken es in einen Speicher oder eine Leitung.
Sie haben automatische Rückschlagventile, die durch den Druckunterschied gesteuert werden, nicht durch eine aktive Mechanik.
Warum benötigen sie keine gesteuerte Ventilsteuerung?
Beim Ansaugen: Der Druck im Zylinder sinkt unter den Außendruck → Das Einlassventil öffnet sich automatisch.
Beim Verdichten: Der steigende Druck schließt das Einlassventil und öffnet das Auslassventil, sobald der Druck im Zylinder den Gegendruck übersteigt.
Erklären Sie den Zusammenhang von Volumenänderungsarbeit und Druckänderungsarbeit und warum Enthalpie eine nützliche Bilanzierungsgröße ist an einem p,V‐Diagramm einer Entspannungsmaschine.
In einem offenen System ist die Enthalpie sehr nützlich, da sie die Druck-Volumen-Änderungsarbeit und die innere Energie kombiniert.
Die Volumenänderungsarbeit ist die Arbeit, die verrichtet wird, wenn ein Fluid expandiert und dadurch Arbeit an einen äußeren Druck verrichtet.
Die Druckänderungsarbeit ist die Arbeit, die ein System verrichtet oder aufnimmt, wenn sich der Druck in einem bestimmten Volumen ändert. Sie ist ein Teil der mechanischen Arbeit, die in thermodynamischen Prozessen wie Expansion oder Kompression eines Gases auftritt.
Diskutieren Sie, welchen Einfluss der Druck auf der Rückseite des Kolbens einer Entspannungsmaschine auf den Prozess hat.
Je näher der Druck auf der Rückseite des Kolbens einer Entspannungsmaschine an dem Druck des Fluids liegt, desto langsamer dehnt sich das Fluid aus und desto geringer ist auch die Leistung, die das Fluid an den Kolben abgibt. Die Arbeit, die über den gesamten Weg verrichtet wird, bleibt jedoch die gleiche.
Vergleichen Sie die Integrale der Druckänderungsarbeit und der Volumenänderungsarbeit, warum haben sie unterschiedliche Vorzeichen?
Bei der Druckänderungsarbeit handelt es sich um einen arbeitsstromabgebenden Prozess. Daher das negative Vorzeichen.
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?
Wie lässt sich die Tds‐Gleichung der geschlossenen Systeme (innere Energie) in die Tds‐Gleichung offener Systeme überführen?
Was ist Dissipationsenergie und wie wird sie berechnet?
Dissipationsenergie bezeichnet die Energie, die in einem System aufgrund von irreversiblen Prozessen verloren geht, meist in Form von Wärme. Sie tritt auf, wenn ein System Arbeit verrichtet oder Energie in einer nicht reversiblen Weise umgewandelt wird, beispielsweise bei Viskositätsverlusten, Reibung oder Wärmeübertragung.
Die Dissipationsenergie WdissW_{\text{diss}}Wdiss lässt sich in vielen Fällen als Produkt von Reibungskräften und zurückgelegtem Weg oder durch die Betrachtung der Entropieänderung berechnen.
Kann in einem Prozess trotz Dissipationsenergie die Temperatur sinken?
Ja dies ist möglich. Gehen wir zum Beispiel von einer Expansionsmaschine aus. Der Kolben wird von einem Gas mit hoher Temperatur und hohem Druck weggedrückt. Es wird auf den Kolben Arbeit ausgerichtet. Dieser Kolben hat jedoch Reibung. Dadurch entsteht Dissipationsenergie. Die Temperatur des Fluids sinkt dennoch.
Was wird unter der Arbeitsgleichung verstanden? Zeichnen Sie zur Erläuterung die vektorielle Darstellung für den Verdichter und für die Expansionsmaschine.
In einer Turbine ist die Druckänderungsarbeit negativ. Es wird ein Arbeitsstrom aus der Turbine gewonnen. Dieser ist jedoch kleiner als die Druckänderungsarbeit, da diese noch die Dissipationsenergie und die Änderung der kinetischen Energie beinhaltet.
Bei dem Verdichter ist die Druckänderungsarbeit positiv. Jedoch muss ein größerer Arbeitsstrom zugeführt werden, als am Ende in Form von Druckänderungsarbeit im Fluid ankommt. Dies liegt ebenfalls an der Dissipationsenergie und der Änderung der kinetischen Energie
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?
Strömungsgeschwindigkeit messen: Dies kann mit verschiedenen Messgeräten wie Pitot-Rohren, Ultraschall-Durchflussmessern oder Thermischen Massendurchflussmessern erfolgen. Diese Geräte erfassen die Geschwindigkeit des Fluids an den Stutzen der Maschine.
Druck- und Temperaturmessungen: Eine weitere Möglichkeit ist, die Druck- und Temperaturwerte vor und nach der Maschine zu messen. Anhand der thermodynamischen Beziehungen und der Energieerhaltung kann man über den Entropie- oder Enthalpiebetrag die Veränderung der kinetischen Energie berechnen, da diese in der Regel mit Druck- und Temperaturänderungen verknüpft ist.
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.
Ja, in der Praxis werden die kinetische und potenzielle Energie in einem stationären Fließprozess oft vernachlässigt. Der Hauptgrund dafür ist, dass in den meisten technischen Anwendungen die Änderungen der kinetischen und potenziellen Energie im Vergleich zur Änderung der Enthalpie sehr klein sind.
Das p,v‐Diagramm einer Expansionsmaschine enthält Prozessgrößen und Zustandsgrößen. Erklären Sie warum es soviel schwieriger ist, die Prozessgrößen zu bestimmen.
Prozessgrößen sind oft mittels der Integral-Rechnung zu berechnen. Das heißt sie hängen von Zustandsgrößen über den Faktor Zeit ab.
Zustandsgrößen wie der Druck und die Temperatur lassen sich messtechnisch einfacher erfassen.
Der statische Wirkungsgrad einer Expansionsmaschine lässt sich in der Regel nicht bestimmen. Erklären Sie ausführlich, warum das so ist.
Erklären Sie, was eine Ersatzpolytrope ist und warum Sie für eine Abschätzung der umgesetzten Druckänderungsarbeit erforderlich 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.
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.
Erklären Sie den Zusammenhang von Totalenthalpie und Stagnationszustand.
Welche Funktion haben die Leitschaufeln einer Turbine?
Welche Funktion haben die Laufschaufeln einer Turbine? Verwenden Sie zur Erläuterung den Begriff Impuls.
Was zeichnet das Gleichdruckprinzip einer Turbine aus?
Warum werden Turbinen in Großkraftwerken in mehrere Stufen unterteilt?
Erklären Sie, was es mit der von James Watt entdeckten Nutzbarmachung der Expansionsarbeit auf sich hat.
James Watt hat sich die Expansionsarbeit von Dampf zu Nutze gemacht. Typischerweise wurden bei Dampfmaschinen der Kolben konstant mit Druck beaufschlagt, wodurch konstant eine hohe Leistung aber auch eine geringe Effizienz gegeben war.
Watt hat jedoch ein Dampfventil geschlossen, sodass der Dampf lediglich unter Temperaturabnahme expandieren kann. Somit sinkt zwar die Leistung, die Effizienz steigt dafür allerdings stark an.
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