Wolfgang Kalide · Herbert Sigloch

Energieumwandlungin Kraft- und Arbeitsmaschinen

9 783446 417793

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www.hanser.de

Wolfgang KalideHerbert Sigloch

Energieumwandlungin Kraft- undArbeitsmaschinenKolbenmaschinen – Strömungs-maschinen – Kraftwerke

10., bearbeitete Auflage

Aufgabe dieses bewährten Lehrbuches ist es, Studierende aller technischen Fachbereicheeine vollständige und leicht verständliche Abhandlung der Vorgänge in thermischen undhydraulischen Kraft- und Arbeitsmaschinen zu geben, wobei gleichzeitig die konstruktivenund betrieblichen Grundlagen und Besonderheiten berücksichtigt werden.

In vereinfachter Form wird zunächst ein Einblick in die physikalischen Grundlagen derWärme- und Strömungslehre gegeben. Danach werden die technischen Abläufe in Kolben-und Strömungsmaschinen erläutert, wobei besonderer Wert auf die Verständlichkeit undphysikalisch richtige Wiedergabe der Energieumwandlungsvorgänge gelegt wurde.Hinweise zur Konstruktion der Maschinen fehlen ebensowenig wie solche für den Betrieb.

Den Kraftwerken sind mehrere Kapitel gewidmet, weil die Kenntnis der Umwandlung vonkonventionellen und alternativen Primärenergien in nutzbare Sekundärenergie zur techni-schen Grundausbildung gehört.

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ISBN 978-3-446-41779-3

Kalide/SiglochEnergieumwandlung

in Kraft- undArbeitsmaschinen

Montage der größten und leistungsstärksten Gasturbine der Welt (340 MW) für dasGas- und Dampfturbinen-(GuD-)Kraftwerk Irsching bei Ingolstadt

Wolfgang KalideHerbert Sigloch

Energieumwandlungin Kraft- undArbeitsmaschinenKolbenmaschinen – Strömungsmaschinen –Kraftwerke

Mit 309 Bildern

10., bearbeitete Auflage

Autor:Prof. Dipl.-Ing. Wolfgang Kalide (†)ehemals Fachhochschule DortmundBearbeiter:Prof. Dipl.-Ing. Herbert SiglochHochschule Reutlingen – Reutlingen University

Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Natio-nalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.deabrufbar.

ISBN 978-3-446-41779-3

Einbandbild: 980-MW-Dampfturbine (Siemens-Pressebild)Bild Seite 2: Siemens-Pressebild

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Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt.Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung desBuches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftlicheGenehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderesVerfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unterVerwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden.

© 2010 Carl Hanser Verlag Münchenwww.hanser.deProjektleitung/Lektorat: Jochen HornSatz: Werksatz Schmidt & Schulz GmbH, GräfenhainichenCoverconcept: Marc Müller-Bremer, München, GermanyCoverrealisierung: Stephan RönigkDruck und Bindung: Druckhaus „Thomas Müntzer“ GmbH, Bad LangensalzaPrinted in Germany

Vorwort

Aufgabe dieses Buches ist es, den Studierenden der Ingenieurwissenschaften eine leichtverständliche und doch grundlegende Einführung in das komplexe Gebiet der Energie-umwandlungen zu geben, die sie befähigt, sich bei Bedarf mit den zahlreich vorhandenenSpezialwerken weiterzubilden. Diese Aufgabenstellung erhält durch die Betonung derGrundlagen in der Ingenieurausbildung ihre Berechtigung, sie bedingt jedoch eine Straf-fung des Stoffes, ohne dass jedoch Wesentliches unterschlagen wird.

Das Buch gibt in einfacher Form zunächst einen Einblick in die physikalischen Grund-lagen der Wärme- und Strömungslehre. Danach werden die technischen Vorgänge in Kol-ben- und Strömungsmaschinen erläutert, wobei weniger auf eine katalogmäßige Be-schreibung als vielmehr auf die Verständlichkeit und physikalisch richtige Wiedergabeder Energieumwandlungsvorgänge Wert gelegt wurde. Den Kraftanlagen ist ein großesKapitel gewidmet, weil im Zeitalter der Energiekrisen die Kenntnis der Umwandlungenvon Primär- in Sekundärenergie mit den dabei auftretenden Verlusten zur technischenGrundausbildung gehören muss.

Im Vordergrund stand, den einzelnen Maschinen entsprechend ihrer heutigen Bedeutunggerecht zu werden. Dennoch wird es nicht ausbleiben, dass Hochschullehrer und Fach-leute aus der Industrie gerade in ihrem Fachgebiet oder bei der von ihnen hergestelltenoder betriebenen Maschine diesen oder jenen Hinweis vermissen werden. Die Interessen-ten dieses Buches mögen bitte berücksichtigen, dass ein Kompendium anderen Regelnunterliegt als ein ausführliches Fachbuch. Und wenn bei der einen oder anderen Maschinedie Abbildungen nicht den allerletzten Stand der Technik widerspiegeln, dann ist dasnicht ein fehlerhaftes Versäumnis des Verfassers, sondern vielmehr gewollt, weil solcheAbbildungen die technischen Zusammenhänge meist übersichtlicher veranschaulichenals allermodernste, bei denen oft nur noch der Fachmann in der Fülle des Dargestelltendas ursprüngliche Konzept erkennt.

Das bisher von Prof. Wolfgang Kalide betreute Buch wurde weitgehend sowie sinnvollaktualisiert und ergänzt. Auch wurden Unklarheiten beseitigt.

Dem Carl Hanser Verlag und dem zuständigen Lektor, Herrn Jochen Horn, gebührtgroßer Dank für die Herausgabe des Buches.

Herbert Sigloch

5

Inhaltsverzeichnis

Formelzeichen und Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.1 Allgemeine Betrachtungen zur Energieumwandlung . . . . . . . . . . . . 131.2 Energieumwandlung in der Technik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 Theoretische Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1 Allgemeine physikalische Größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.2 Hydromechanik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.2.1 Hydrostatik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.2 Kontinuitätsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202.2.3 Bernoullische Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.2.3.1 Düse und Diffusor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.2.3.2 Messung von Strömungsgeschwindigkeiten . . . . . . . . 24

2.2.4 Strömung in Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.2.5 Druckenergieverlust in Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . 272.2.6 Hauptgleichung der Strömungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . 282.2.7 Kavitation und Verdichtungsstoß . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.3 Wärmetechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.3.1 Thermische Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.3.2 Erster Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.3.3 Spezifische Wärmekapazität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.3.4 Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.3.5 Zustandsgleichungen des idealen Gases . . . . . . . . . . . . . . . 40

2.3.5.1 Thermische Zustandsgleichung . . . . . . . . . . . . . . 402.3.5.2 Kalorische Zustandsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.3.6 Zweiter Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.3.6.1 Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.3.6.2 Darstellung der Entropie durch thermische Zustands-

größen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.3.6.3 Formulierungen des zweiten Hauptsatzes . . . . . . . . . 442.3.6.4 Exergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.3.6.5 Das T,s- oder Wärmediagramm . . . . . . . . . . . . . . 45

2.3.7 Technisch wichtige Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . 472.3.8 Gasgemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.3.9 Die Normalatmosphäre (Aerostatik) . . . . . . . . . . . . . . . . 512.3.10 Feuchte Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.3.11 Strömung mit großen Druckänderungen . . . . . . . . . . . . . . 52

2.3.11.1 Dynamische Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.3.11.2 Totalzustand (Gesamtzustand, Ruhezustand) . . . . . . . 53

2.3.12 Kreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.3.13 Laval-Düse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542.3.14 Zustandsänderungen des Wasserdampfes . . . . . . . . . . . . . . 602.3.15 Arbeitsvermögen des Wasserdampfes . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6

2.3.15.1 Nutzarbeit im T,s-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . 622.3.15.2 Nutzarbeit im h,s-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . 632.3.15.3 Nutzarbeit im p,v-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . 64

2.3.16 Brennstoffe und Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652.3.16.1 h,T-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.3.17 Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702.3.17.1 Wärmeübergang durch Berührung . . . . . . . . . . . . . 712.3.17.2 Wärmeübergang durch Strahlung . . . . . . . . . . . . . 73

2.4 Wirkungsgrade der Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742.5 Vergleich der Kolben- und Strömungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . 762.6 Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

3 Kolbenmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863.1 Ventilsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863.2 Kurbeltrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

3.2.1 Kräfte am Kurbeltrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863.2.2 Tangentialkraftdiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

3.2.2.1 Ableitung der Bewegungsverhältnisse beim Kurbeltrieb . 893.2.2.2 Gesamttangentialkraft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

3.2.3 Schwungradberechnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.2.4 Massenausgleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 953.2.5 Kräfteausgleich bei der Mehrzylindermaschine . . . . . . . . . . . 983.2.6 Momentenausgleich bei Mehrzylindermaschinen . . . . . . . . . . 99

3.3 Kolbenpumpen (Verdrängerpumpen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023.3.1 Kolbenpumpen mit hin- und hergehendem Kolben . . . . . . . . . 102

3.3.1.1 Wirkungsweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023.3.1.2 Fördervolumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1043.3.1.3 Saughub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1063.3.1.4 Druckhub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1093.3.1.5 Pumpenventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1093.3.1.6 Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1103.3.1.7 Sonderformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

3.3.2 Drehkolbenpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1123.3.3 Flüssigkeitsringpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

3.4 Verdrängungsverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1143.4.1 Kolbenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

3.4.1.1 Thermodynamik der Kolbenverdichter . . . . . . . . . . 1153.4.1.2 Schädlicher Raum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1173.4.1.3 Wirkliche Verdichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1203.4.1.4 Volumetrischer Wirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . 1203.4.1.5 Indizierter Wirkungsgrad; indizierte Leistung . . . . . . . 1223.4.1.6 Mechanischer Wirkungsgrad; Antriebsleistung . . . . . . 1233.4.1.7 Mehrstufige Kolbenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . 1233.4.1.8 Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

3.4.2 Rotationsverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1273.4.2.1 Roots-Gebläse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1273.4.2.2 Drehkolbenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1293.4.2.3 Flüssigkeitsringpumpen als Verdichter . . . . . . . . . . . 130

Inhaltsverzeichnis 7

3.5 Kolbenmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1313.5.1 Arbeitsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1323.5.2 Aufbau der Kolbenmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1323.5.3 Verluste, Leistungen, Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . 1333.5.4 Ottomotor (Viertakt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

3.5.4.1 Vergaser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1393.5.4.2 Zündung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1433.5.4.3 Elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung . . . . . . 145

3.5.5 Dieselmotor (Viertakt) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1473.5.5.1 Vergleich Ottomotor – Dieselmotor . . . . . . . . . . . . 1493.5.5.2 Einspritzung und Gemischbildung . . . . . . . . . . . . 150

3.5.6 Die Steuerung des Gaswechsels bei Viertaktmotoren . . . . . . . . 1573.5.7 Zweitaktverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

3.5.7.1 Nachladung beim Zweitaktverfahren . . . . . . . . . . . 1613.5.8 Gegenüberstellung von Zweitakt und Viertakt . . . . . . . . . . . 163

3.5.8.1 Wärmebelastung und Kühlung . . . . . . . . . . . . . . 1633.5.8.2 Mechanische Belastung und Schmierung . . . . . . . . . 164

3.5.9 Kreiskolbenmotor (Wankelmotor) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1653.5.10 Freikolbenmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1673.5.11 Aufladung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1683.5.12 Stirlingmotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1733.5.13 Kraftstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1763.5.14 Kühlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1783.5.15 Mehrzylinder-Anordnungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1803.5.16 Ausführungsbeispiele von Kolbenmotoren . . . . . . . . . . . . . 1823.5.17 Betriebsverhalten der Motoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

4 Strömungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1894.1 Arbeitsverfahren der Strömungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1894.2 Geschwindigkeitsplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

4.2.1 Geschwindigkeiten am radialen Laufrad . . . . . . . . . . . . . . 1944.2.2 Geschwindigkeiten am axialen Laufrad . . . . . . . . . . . . . . . 194

4.3 Hauptgleichung der Strömungsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . 1944.4 Strömungsarbeitsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

4.4.1 Gemeinsame Grundlagen der Strömungsarbeitsmaschinen . . . . 1954.4.1.1 Radial durchströmte Maschinen . . . . . . . . . . . . . . 1954.4.1.2 Axial durchströmte Maschinen . . . . . . . . . . . . . . 219

4.4.2 Festlegung der Schaufelzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2294.4.3 Betriebsverhalten der Strömungsarbeitsmaschinen . . . . . . . . . 230

4.4.3.1 Betriebspunkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2304.4.3.2 Kennliniendiagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2314.4.3.3 Drehzahlregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2324.4.3.4 Labiler Zweig der Kennlinie . . . . . . . . . . . . . . . . 2334.4.3.5 Parallelförderung von Kreiselpumpen . . . . . . . . . . . 2334.4.3.6 Pumpen bei Kreiselverdichtern . . . . . . . . . . . . . . 2344.4.3.7 Betriebsverhalten der Radialverdichter . . . . . . . . . . 2354.4.3.8 Betriebsverhalten der Axialverdichter . . . . . . . . . . . 236

4.4.4 Vergleich der Kolben- und Strömungsmaschinen . . . . . . . . . . 237

Inhaltsverzeichnis8

4.4.5 Kreiselpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2374.4.5.1 Leistung und spezifische Förderarbeit . . . . . . . . . . . 2374.4.5.2 Saughöhe und Kavitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2384.4.5.3 Spezifische Drehzahl und Bauarten . . . . . . . . . . . . 2404.4.5.4 Ausgleich des Achsschubes . . . . . . . . . . . . . . . . 2414.4.5.5 Sonderformen der Kreiselpumpe . . . . . . . . . . . . . . 244

4.4.6 Wasserstrahlpumpen (Ejektoren) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2474.4.7 Turboverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

4.4.7.1 Thermodynamik der Turboverdichter . . . . . . . . . . . 2484.4.7.2 Radialverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2584.4.7.3 Axialverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261

4.4.8 Propeller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2624.4.8.1 Luftschrauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2634.4.8.2 Schiffsschrauben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

4.5 Strömungskraftmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2654.5.1 Energieumwandlung im Leitapparat . . . . . . . . . . . . . . . . 2674.5.2 Energieumwandlung im Laufrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

4.5.2.1 Energieumwandlung im radialen Laufrad . . . . . . . . . 2684.5.2.2 Energieumwandlung im axialen Laufrad . . . . . . . . . 270

4.5.3 Verluste, Wirkungsgrade, Leistungsbegriffe . . . . . . . . . . . . . 2714.5.4 Kenngrößen von Strömungskraftmaschinen . . . . . . . . . . . . 2754.5.5 Wasserturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279

4.5.5.1 Francis-Turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2794.5.5.2 Kaplan-Turbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2814.5.5.3 Laufradformen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2844.5.5.4 Saugrohr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2864.5.5.5 Freistrahl-(Pelton-)Turbine . . . . . . . . . . . . . . . . 2884.5.5.6 Wirkungsgrade von Wasserturbinen . . . . . . . . . . . . 2914.5.5.7 Durchströmturbine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

4.5.6 Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2924.5.6.1 Leitapparate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2944.5.6.2 Gleichdruckstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2974.5.6.3 Überdruckstufe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2974.5.6.4 Geschwindigkeitsstufung . . . . . . . . . . . . . . . . . 3004.5.6.5 Druckstufung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3034.5.6.6 Regelung der Dampfturbinen . . . . . . . . . . . . . . . 3054.5.6.7 Mehrstufige Großturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . 3084.5.6.8 Gegendruck- und Entnahmeturbinen . . . . . . . . . . . 311

4.5.7 Gasturbinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3124.5.7.1 Offene Gasturbinenanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . 3124.5.7.2 Geschlossene Gasturbinenanlagen . . . . . . . . . . . . 317

5 Grundlagen der Energiewirtschaft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3195.1 Energiespeicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3235.2 Bedarfsdeckung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3245.3 Energieverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3265.4 Deckung von Bedarfsabweichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3265.5 Energieentstehungskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

Inhaltsverzeichnis 9

5.5.1 Feste Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3275.5.2 Veränderliche Kosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

5.6 Einteilung der Kraftwerke (Energieanlagen) . . . . . . . . . . . . . . . 330

6 Wasserkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3326.1 Pumpspeicherkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3346.2 Gezeitenkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335

6.2.1 Doppelt wirkende Einbeckenanlage . . . . . . . . . . . . . . . . 3366.2.2 Zweibeckenanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337

7 Dampfkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3397.1 Kondensationskraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3397.2 Kraft-Wärme-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3457.3 Regelung in Dampfkraftwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348

7.3.1 Festdruck- oder Gleitdruckbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . 3517.3.1.1 Festdruckbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3517.3.1.2 Gleitdruckbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3527.3.1.3 Modifizierter Gleitdruckbetrieb . . . . . . . . . . . . . . 353

7.4 Dampferzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3537.4.1 Wärmeumsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3547.4.2 Prinzip der technischen Dampferzeugung . . . . . . . . . . . . . 3557.4.3 Dampferzeuger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357

7.4.3.1 Wasserrohrkessel mit Naturumlauf . . . . . . . . . . . . 3597.4.3.2 Wasserrohrkessel mit Zwangsumlauf . . . . . . . . . . . 3597.4.3.3 Wasserrohrkessel mit Zwangsdurchlauf . . . . . . . . . . 3597.4.3.4 Schiffskessel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3627.4.3.5 Kessel mit Druckfeuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . 362

7.4.4 Feuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3627.4.4.1 Schmelzfeuerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366

7.4.5 Luftvorwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3687.4.6 Zugerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369

7.4.6.1 Schornsteinzug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3707.4.6.2 Saugzug . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

7.4.7 Speisewasseraufbereitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

8 Gasturbinen-Kraftanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3738.1 Einsatz von Gasturbinen-Kraftanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3738.2 Gasturbinen-Anlagen als Speicherkraftwerke . . . . . . . . . . . . . . . 375

Weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

Stichwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378

Inhaltsverzeichnis10

Formelzeichen und Einheiten––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––Zeichen Maßeinheit Bedeutung––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––A m2 Fläche, Querschnitta m/s Schallgeschwindigkeita m/s2 Beschleunigunga l variable Zahlb m Breitec m/s absolute Geschwindigkeitc m/s mittlere GeschwindigkeitCa l Auftriebsbeiwertcp kJ/(kg · K) spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druckc√ kJ/(kg · K) spezifische Wärmekapazität bei konstantem VolumenCw l WiderstandsbeiwertCS W/(m2 · K4) Strahlungszahl des schwarzen Körpers,

Zahlenwert 5,7685d m DurchmesserD Nms = kg · m2/s Drall, ImpulsmomentE J = Nm EnergiemengeE W = J/s Energiestrom, Energieleistunge m LängenmaßF N KraftG N Gewichtskraftg m/s2 FallbeschleunigungH kJ EnthalpieHu kJ/kg Heizwerth kJ/kg = 103 m2/s2 spezifische Enthalpieh m2/s2 spezifische Energiehv m2/s2 spezifische VerlustenergieI Ns = kg · m/s ImpulsJ kg m2 Massenträgheitsmomentk mm Rauigkeitk W/(m2 · K) Wärmedurchgangszahll; L m LängeM Nm MomentM kg/kmol MolmasseMa l Mach-Zahlm kg Massem kg/s Massenstrom, Mengenstromn s–1 Drehzahl, Drehfrequenzn l Polytropen-Exponentn l LuftzahlP W Leistungp Pa = N/m2; bar absoluter DruckpB mbar = hPa BarometerdruckpL mbar = hPa Luftdruckpü Pa = N/m2; bar Überdruck = absoluter Druck abzüglich LuftdruckQ kJ WärmemengeQ kW Wärmestrom, Wärmeleistungq J/kg = m2/s2 bezogene Wärmemenge

11

––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––Zeichen Maßeinheit Bedeutung––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––R J/(kg · K) GaskonstanteRe l Reynolds-Zahlr m Radiusr kJ/kg Verdampfungswärmer l ReaktionsgradS kJ/K Entropies kJ/(kg · K) spezifische Entropies m Strecke, Weg, WandstärkeT K absolute Temperaturt °C Temperatur über dem Gefrierpunkt des Wassers

bei 1013,25 mbart s Zeit, Zeitpunkt, Zeitspannet m Teilungt m KörpertiefeU m UmfangU kJ innere Energieu kJ/kg = 103 m2/s2 spezifische innere Energieu m/s UmfangsgeschwindigkeitV m3 Rauminhalt, VolumenV m3/s Volumenstrom, Durchsatz√ m3/kg spezifisches VolumenW kJ Arbeitw kJ/kg = 103 m2/s2 spezifische Arbeit bei hydraulischen Maschinenw m/s relative Geschwindigkeitx 1 oder % Dampfanteil des Nassdampfesx g/kg Wasseranteil der feuchten LuftY Nm/kg = m2/s2 spezifische Arbeit bei thermischen Maschinenz l Schaufelzahlz m Höhea W/(m2 · K) Wärmeübergangszahla l Kontraktionszahla Bogengrad rad Winkel zwischen c und ub Bogengrad rad Winkel zwischen w und ud l Ungleichförmigkeitsgrade l Verdichtungsverhältnise l Kälteleistungszahle l Emissionsverhältnish l Wirkungsgradh Pa · s = kg/(m · s) dynamische Viskositätz l Widerstandszahlk l Isentropen-Exponentl l Rohrreibungszahll l Luftüberschusszahl, Luftverhältnisl l Schubstangenverhältnisl W/(m · K) Wärmeleitzahln m2/s kinematische Viskositätr kg/m3 Dichtes l Radformzahlf l relative Luftfeuchtigkeitf l Lieferzahl; Geschwindigkeitszahly l Nusseltsche Ausflussfunktiony l Druckzahlw s–1 Winkelgeschwindigkeit

Formelzeichen und Einheiten12

1 Einleitung

1.1 Allgemeine Betrachtungenzur Energieumwandlung

Energieumsetzung und Wirkungsgrad sind für den Ingenieur zwei untrennbare Begriffe.Überall da, wo Energie gewonnen, umgewandelt oder genutzt wird, entstehen unver-meidbare Verluste. Diese Verluste so klein wie möglich zu halten, gehört zum täglichenBrot des Ingenieurs. Wenn heute bei der Umwandlung von Energieformen, Wirkungs-grade von 40–48 % erreicht werden, so mag das viel erscheinen. Realistisch betrachtet istes jedoch nichts anderes als eine ungeheure Verschwendung von Gütern, die die Naturkeineswegs unbegrenzt zur Verfügung stellt.

Die physikalisch bereits gelöstenProbleme derDirektumwandlung von chemischerund ther-mischer in elektrische Energie, die den überaus schlechten thermischen Wirkungsgrad derKreisprozesse vermeidet, lassen die Hoffnung zu, dass es in Zukunft eine bessere Ausnut-zung der Naturenergieformen geben wird. Es kommt darauf an, den von der Naturbereitgestellten Brennstoffen vor ihrer Verwertung in Wärmekraftanlagen alle wertvollen,für die Verbrennung aber unwichtigen Bestandteile zu entziehen. Nicht bei allen Brenn-stoffen bietet sich dies an. Daher steht die bessere Ausnutzung vor allem der in nur relativgeringer Menge vorhandenen atomaren Brennstoffe (Spaltstoffe) im Mittelpunkt der heu-tigen Kernforschung. Der Einsatz von Brutreaktoren als Leistungsreaktoren ist aber nocheine Frage der Zeit.Jedoch auch die Kernkraftanlage kann heute noch nicht auf die Wärme-kraftmaschine verzichten und unterliegt damit der genannten schlechten Ausnutzung.

Die Hoffnung vieler Energiewirtschaftler ruht in der Entwicklung des Fusionsreaktors,eine Entwicklung, die heute noch voll und ganz in den Händen der Plasmaphysiker liegt.Im Gegensatz zu den Spaltungsreaktoren mit ihren erheblichen Problemen des Umwelt-schutzes erwartet man von dem Fusionsreaktor eine für die Umgebung gefahrlosereArbeitsweise. Sollte die Entwicklung des Fusionsreaktors gelingen, könnte man auf derErde in ähnlicher Weise Energie erzeugen, wie es im Innern der Sonne geschieht. Brenn-stoffsorgen würde es dann keine mehr geben, denn die Primärenergie des Fusionsreaktorsist im Wasser enthalten, und davon besitzt die Erde ausreichend.

Ein anderes schwer lösbares Problem bei allen thermischen Kraftanlagen ist der Kühl-wasserbedarf. Überall, wo Wärme umgesetzt wird, entstehen Kühlungsprobleme. Die innur noch geringem Maße vorhandene Kühlkapazität der Flussläufe wird schnell er-schöpft sein, denn der drohende Erstickungstod der Flüsse begrenzt deren Nutzung alsKühlwasserspender. Hier rasch einen Ausweg zu finden, gehört zu den vordringlichenAufgaben der Energiewirtschaft.

Wo heute über Energieprobleme gesprochen wird, fällt sofort das Stichwort AlternativeEnergien. Gemeint sind damit die Energieformen, die im Gegensatz zur chemischenEnergie regenerativ, d.h. wiedergewinnbar, sind. Das sind Wasserkraft und Windenergie.Zu den alternativen Energien zählen auch die Sonnenstrahlung, die Gasgewinnung ausder Biomasse, die Brennstoffgewinnung aus Pflanzen und die Wärmegewinnung ausder Müllverbrennung. Diese Energieformen sind aber entweder weitgehend ausgenutzt

13

(Wasser), in großem Maßstab schwer anwendbar (Wind) oder allein durch ihren Anfallauf geringere und örtlich begrenzte Nutzbarkeit beschränkt (Biomasse). Einzig die Ener-gie der Sonnenstrahlung verspricht Nutzen in größerem Umfang, auch wenn wir heutenoch davon entfernt sind, auf fossile oder atomare Energieträger verzichten zu können.Zur Nutzung alternativer Energiequellen siehe die entsprechende Spezialliteratur.

1.2 Energieumwandlung in der Technik

Maschinen sind technische Geräte mit beweglichen Teilen, die Arbeitsgänge selbstständigverrichten und damit Muskelkraft einsparen. Innerhalb der Maschinen spielen die Kraft-maschinen eine wichtige Rolle, weil es erst mit ihrer Hilfe möglich ist, die Kräfte der Naturin eine für den Menschen nutzbare Form umzuwandeln (Bild 1.1). Alle anderen Maschi-nen sind im Prinzip Arbeitsmaschinen und werden von Kraftmaschinen, aber auch vonmenschlicher oder tierischer Muskelarbeit angetrieben. Grundsätzlich kann gesagt wer-den, dass in jeder Kraft- und Arbeitsmaschine eine Umwandlung von Energie aus einerForm in eine andere Form stattfindet.

Die im Sprachgebrauch übliche Bezeichnung Kraftmaschine ist dimensionsfalsch. ZurErzeugung von Kräften dienen beispielsweise Pressen und Schraubstöcke. Die soge-nannten Kraftmaschinen liefern jedoch nicht Kräfte, sondern Arbeit (mechanischeEnergie). Kraftmaschinen entnehmen dem Arbeitsmedium Energie und geben sie inForm von mechanischer Arbeit an den Verbraucher ab. Ihre Umkehrung sind die so-genannten Arbeitsmaschinen (Pumpen, Verdichter, Kältemaschinen). Sie geben dieihnen zugeführte mechanische Arbeit an das Arbeitsmedium weiter und erhöhen dessenEnergiegehalt.

Die Energie kann man bei großzügiger Auslegung in vier Formbereiche einordnen, wie inBild 1.2 dargestellt. Mit Primärform sind die natürlichen Energievorkommen bezeichnet,Sekundärformen sind erst durch Umwandlung aus Primärformen entstanden. Bild 1.2gibt ohne Anspruch auf Vollständigkeit einen Überblick über die Aussage des Energie-gesetzes, das lautet:

Energie kann nicht aus dem Nichts entstehen und nicht vernichtet werden (RobertMayer). Jede Energieform kann mehr oder weniger weitgehend in eine andere Erschei-

1 Einleitung14

Bild 1.1 Energieumsetzung in Kraft- undArbeitsmaschinen

nungsform umgewandelt werden, wobei in einem abgeschlossenen System die Summe derEnergiebeträge konstant bleibt.

Im Einzelnen versteht man unter Kraftmaschinen: Verbrennungsmotor, Gasturbine,Kolbendampfmaschine, Dampfturbine, Wasserturbine, Windrad. Selbstverständlich istauch der Elektromotor eine Kraftmaschine, ebenso wie der elektrische Generator eineArbeitsmaschine ist. Arbeitsmaschinen sind im Prinzip alle Maschinen, die von einerKraftmaschine angetrieben werden. In unserem speziellen Falle versteht man darunterjedoch nur: Kolbenpumpe, Kreiselpumpe, Kolbenverdichter, Turboverdichter.Unterschiedskennzeichen somit:• Kraftmaschinen liefern mechanische Energie.• Arbeitsmaschinen benötigen mechanische Energie.

1.2 Energieumwandlung in der Technik 15

Bild 1.2 Schematische Verdeutlichung der technischen Möglichkeiten von EnergieumwandlungenAusnutzung: Chemisch – Thermisch 80–92 %

Thermisch – Mechanisch 20–45 %Mechanisch – Elektrisch 90–98 %Chemisch – Elektrisch 50–70 %(Derzeitiger Stand der Technik)

Die Einordnung der genannten Maschinen in das Energieumwandlungsschema vonBild 1.2 zeigt Bild 1.3.

1 Einleitung16

Dam

pf-,

Gastu

rb. (K) Elektromotor (A)

Otto-,Diesel-

,Wan

kelm

otor (K)

el. Generator (K)

ThermischeEnergie

Chemische Energie

ElektrischeEnergie

MechanischeEnergie

Sekund.-Energie

Primär-Energie

Kolben-, Kreiselpumpe (A)Kolben-, Kreiselverdichter (A)Gebläse (A), Ventilator (A)

Wasserturbine (K)Windturbine (K)Windrad (K)

Bild 1.3 Einordnung der Kraftmaschinen (K)und Arbeitsmaschinen (A) in das Energieschema von Bild 1.2

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Allgemeine physikalische Größen

MasseDie Masse ist eine physikalische Größe, allgemein durch die Gewichtskraft und Trägheiteines Körpers gekennzeichnet.

m = G/g (2.1)

Die Massebestimmung eines Körpers erfolgt durch Vergleichen mit Wägestücken be-kannter Masse auf Waagen.

Bei beschleunigten Körpern ist

m = F /a (2.2)

DichteDie Dichte r eines Stoffes ist das Verhältnis seiner Masse m zu seinem Volumen V.

r = m /V (2.3)

Das spezifische Volumen ist der Kehrwert der Dichte.

√ = 1/r = V/m (2.4)

DruckDruck entsteht durch Wirkung einer Kraft auf eine Fläche, Dehnung (Erhöhung derkinetischen Molekularenergie) im geschlossenen Gefäß oder Verkleinerung des Volumenseiner Masse, z.B. durch Kolben in einem Zylinder.

p = Fn/A Fn = Normalkraft ⊥ Fläche (2.5)

Druck kann auch als spezifische Energiegröße verstanden werden.

p = E /V (2.6)

Die Druckmessmethoden, die es im Allgemeinen nur erlauben, Druckdifferenzen zumessen (Ausnahme: Barometer), zwingen zur Unterscheidung in

Absolutdruck p, p = 0 bedeutet 100 % Vakuum

Überdruck pü = p – pB mit pB barometrischer Luftdruck(Atmosphärendruck)

Unterdruck pu = pB – p = – pü (Bild 2.1).

17

FallbeschleunigungDie Fallbeschleunigung ist die Beschleunigung, die einem Körper durch die Schwerkrafteiner Masse erteilt wird, wenn der Körper in freiem, ungebremstem Fall auf die Massezufällt.

Die Fallbeschleunigung bzw. Schwerebeschleunigung, die durch eine große Masse wiez.B. die Erde verursacht wird, lässt sich mit Hilfe der Gesetze von Newton ermitteln.

Die Fallbeschleunigung g der Erde ist nicht an allen Punkten der Erde gleich groß, son-dern abhängig von der geografischen Breite. Aus diesem Grunde wurde international dieNormalfallbeschleunigung gn = 9,806 65 m/s2 ≈ 9,81 m/s2 vereinbart und Index n meistweggelassen.

KraftEine Kraft ist nur an ihrer Wirkung erkennbar. Man unterscheidet Kraftwirkung, dieeine Änderung der Geschwindigkeit (Beschleunigung) einer Masse verursacht

F = m · a (2.7)

und Kraftwirkung, die eine Änderung der äußeren Form eines Körpers verursacht

F = p · A (2.8)

DrehmomentEin Drehmoment wird ausgeübt durch eine Kraft, die an einem Hebelarm r angreift

M = F · r mit r ⊥ F (2.9)

ArbeitArbeit ist eine Energieform, die der Energieübertragung dient als Druck- oder Zugarbeit

W = F · s (2.10)

2 Theoretische Grundlagen18

Bild 2.1 Absoluter Druck, Über- und Unterdruck