21. Technische Anwendungen thermodynamischer Prozesse

Eine technische Maschine hat immer das Ziel, durch Zustandsänderungen einen nutzbaren Effekt zu erzielen. Bei Maschinen und Anlagen zur Energiewandlung verwenden wir dabei ein Arbeitsmedium (Flüssigkeit, Gas, Dampf), um durch gezielte thermodynamische Zustandsänderungen des Arbeitsmediums einen Nutzen zu erreichen. Wie schon in Kap. 17 erwähnt, wird bei unserem Leitbeispiel im Motor die chemische Energie des Brennstoffes durch Verbrennung in Wärme umgewandelt und aus dieser mechanische Arbeit gewonnen, welche dann das Fahrzeug antreibt. Mit den in den vorherigen Kapiteln beschriebenen Grundlagen können wir diese Vorgänge sowie deren Effizienz nun beurteilen.

Technische Anlagen sollen kontinuierlich arbeiten, was durch den zyklischen Ablauf verschiedener Zustandsänderungen erreicht werden kann, sodass das Arbeitsmedium nach dem Durchlaufen der einzelnen Zustandsänderungen (Teilprozesse) wieder in den Anfangszustand zurückkehrt.

Wir erhalten dann einen Kreisprozess . Dabei kann das Arbeitsmedium sowohl in einem geschlossenen System enthalten sein als auch ein offenes System durchströmen.

In einem Dieselmotor wird z. B. angesaugte Luft durch den Kolben im Zylinder zunächst verdichtet, dann der Brennstoff eingebracht, vermischt, gezündet, verbrannt und anschließend das Gasgemisch entspannt und dabei Arbeit an die Welle abgegeben. Zum Schluss wird das Abgas ausgestoßen. Mit dem Ansaugen frischer Luft beginnt dann dieser Zyklus erneut.

In diesem Kapitel widmen wir uns zunächst der allgemeinen thermodynamischen Berechnung und Bewertung von Kreisprozessen. Hier werden wir die Kreisprozesse hinsichtlich der Abfolge in ihren einzelnen Teilprozessen und der zur vereinfachten Analyse notwendigen Idealisierungen (z. B. reversible Zustandsänderungen, Arbeitsmedium als ideales Gas) diskutieren. Gleichzeitig können wir damit die ablaufenden Prozesse und die Effizienz der Energieumwandlung in verschiedenen technischen Maschinen und Anlagen vergleichend bewerten. Je nach betrachteter Anlage sind unterschiedliche Zustandsänderungen zur Betrachtung der Teilprozesse sinnvoll. Dieser Sachverhalt wird für verschiedene Anwendungen (z. B. Motoren, Triebwerke, Kraftwerke, Kältemaschinen und Wärmepumpen) dargestellt. Da bei allen Kreisprozessen das Arbeitsmedium in einem Teilprozess verdichtet wird, betrachten wir auch die thermodynamische Beschreibung von Kolben- und Turboverdichtern.

Oftmals verwenden wir für diese Prozesse Luft aus der Umgebung, sodass der thermodynamische Zustand unseres Arbeitsmediums von den Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur, Feuchtigkeit) beeinflusst ist. Dies betrifft insbesondere die Klimatisierung von Räumen. Daher besprechen wir anschließend die Eigenschaften von feuchter Luft und die Beschreibung der wichtigsten Zustandsänderungen für dieses Arbeitsmedium.