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2023 | Buch | 12. Auflage

Energieumwandlung in Kraft- und Arbeitsmaschinen

Kolbenmaschinen — Strömungsmaschinen — Kraftwerke

verfasst von: Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch, Volker Gehrke

Verlag: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG

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Über dieses Buch

Aufgabe dieses bewährten Lehrbuches ist es, Studierenden aller technischen Fachbereiche eine vollständige und leicht verständliche Abhandlung der Vorgänge in thermischen und hydraulischen Kraft- und Arbeitsmaschinen zu geben. Dabei werden die konstruktiven und betrieblichen Grundlagen und Besonderheiten berücksichtigt. In vereinfachter Form wird ein Einblick in die physikalischen Grundlagen der Wärme- und Strömungslehre gegeben. Es werden die technischen Abläufe in Kolben- und Strömungsmaschinen erläutert, wobei besonderer Wert auf die Verständlichkeit und physikalisch richtige Wiedergabe der Energieumwandlungsvorgänge gelegt wird. Hinweise zu Konstruktion und Betrieb der Maschinen runden das Ganze ab. Die Leser:innen erwerben Kenntnisse auf Ingenieurniveau zur grundsätzlichen Wirkungsweise, Berechnung und Beurteilung der wichtigsten Kraftwerkstypen und werden befähigt, an den aktuellen Diskussionen zur Energiewende auf der Basis von sicheren Kenntnissen teilzunehmen. In der 12. Auflage wurden die Kapitel 5 bis 8 komplett überarbeitet: - das Zusammenwirken der Kraftwerke als Stromerzeuger im europäischen Verbundnetz - der aktuelle technische Stand der Anlagen zur Stromerzeugung (auch in Kraft-Wärmekopplung) in Deutschland - die Integration der erneuerbaren Energieanlagen und ihres volatilen Beitrages zur Stromerzeugung - besonders emissionsarme Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (im Hinblick auf eine künftige Wasserstoffinfrastruktur) - detaillierte Wärmeschaltbilder zu allen behandelten Kraftwerkstypen - Berechnungsgleichungen zur Bestimmung von Leistung, Brennstoffverbrauch, CO2-Emission, Massenstrom der Arbeitsmedien usw. zu allen Kraftwerkstypen

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Energieumwandlung und Wirkungsgrad sind zwei untrennbare Begriffe. Bei allen Energieumwandlungen treten unvermeidbare Verluste auf. Diese Verluste so klein wie möglich zu halten, ist eine Daueraufgabe aller Beteiligten in der Planung, der Konstruktion und bei dem Betrieb der technischen Anlagen. Wenn heute bei der Umwandlung von Primärenergie in mechanische Energie oder in Elektrizität in thermischen Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen Wirkungsgrade von maximal ca. 60 % erreicht werden, so ist dies ein Ergebnis jahrzehntelanger beharrlicher Entwicklungsarbeit. Dennoch ist der verbleibende Verlust entlang der Umwandlungskette relativ groß.
Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch, Volker Gehrke
2. Theoretische Grundlagen
Zusammenfassung
Die Masse ist eine physikalische Größe, allgemein durch die Gewichtskraft FG (auch mit G bezeichnet) und Trägheit eines Körpers gekennzeichnet.
Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch, Volker Gehrke
3. Kolbenmaschinen
Zusammenfassung
Das Kennzeichen der Kolbenmaschine ist die Energieumwandlung direkt über den Druck (potenzielle Energie). Dazu muss die Kolbenmaschine über einen druckdichten Arbeitsraum verfügen, der von starren Wänden umschlossen wird. Von diesen Wänden muss mindestens eine so bewegt werden können, dass sich eine periodische Veränderung des Volumens erreichen lässt. Der auf diese Wand wirkende Druck des Arbeitsmittels bewirkt hierbei im Verein mit der Wandbewegung die Energieübertragung Wand-Arbeitsmittel oder umgekehrt (statisches Prinzip).
Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch, Volker Gehrke
4. Strömungsmaschinen
Zusammenfassung
Das Kennzeichen jeder Strömungs- oder Turbomaschine ist das umlaufende, mit einem Kranz von gekrümmten Schaufeln besetzte Rad und das stetige Umströmen dieser umlaufenden Schaufeln durch das Arbeitsmedium (Flüssigkeit, Gas). Der bei der Umströmung der gekrümmten Schaufeln des rotierenden Rades entstehende Strömungsdruck bewirkt hierbei im Verein mit der Rotationsbewegung die Energieübertragung vom Arbeitsmittel auf das Rad oder umgekehrt (dynamisches Prinzip). Strömungsmaschinen sind nur möglich, weil Geschwindigkeiten, Vektoren (Betrag sowie Richtung) und Fluide (Wasser, Gas, Dampf) massebehaftet sind.
Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch, Volker Gehrke
5. Grundlagen der Energiewirtschaft
Zusammenfassung
Die Energiewirtschaft befasst sich mit der Beschaffung und der wirtschaftlichen Nutzung natürlicher Primärenergieträger, der wirtschaftlichen Umwandlung dieser Primärenergieformen in Sekundärenergieformen und deren Verteilung zu den Verbrauchern. Bei allen Prozessen der Umwandlung der Energieformen und bei dem Transport der Energie zu den Verbrauchern treten Verluste der nutzbaren Energie auf.
Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch, Volker Gehrke
6. Wasserkraftwerke
Zusammenfassung
Die verschiedenen in der Natur vorkommenden Wasserkräfte können in individuell angepasster Weise durch Wasserkraftwerke nutzbar gemacht werden. Dies führt zu unterschiedlichen Ausbauformen von Wasserkraftwerken, die an Flüssen, natürlichen Seen und an Talsperren angelegt sein können. Gezeitenkraftwerke an Meeresküsten und Meeresströmungskraftwerke im Meer sind technisch interessante Anlagen, die jedoch einen nur sehr geringen Anteil an der Stromerzeugung haben und deshalb hier nicht betrachtet werden.
Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch, Volker Gehrke
7. Dampfkraftwerke
Zusammenfassung
Der Begriff Dampfkraftwerke gilt für Kraftwerke, bei denen der Energieträger Wasserdampf aus aufbereitetem Wasser durch Verbrennung fossiler Brennstoffe erzeugt wird. Obwohl Kernkraftwerke in ihrer üblichen Bauweise auch Dampfkraftwerke sind ist, wird durch den eigenständigen Begriff auf den nuklearen Energieträger hingewiesen.
Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch, Volker Gehrke
8. Kernkraftwerke
Zusammenfassung
Kernkraftwerke wandeln die freiwerdende Energie bei der Spaltung von schweren Atomkernen oder bei der Fusion von leichten Atomkernen in Wärme und weiter in elektrische Energie um. Weltweit gibt es verschiedene Baulinien von Kernkraftwerken und auch mehrere Reaktor- und Kraftwerksprojekte, die sich im Erforschungsstadium, im Planungsstadium oder im Bau befinden.
Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch, Volker Gehrke
9. Kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke
Zusammenfassung
Kombinierte Gas- und Dampfturbinenkraftwerke (GUD-Kraftwerke) vereinigen die Vorteile des Gasturbinenprozesses nach Joule und des Clausius-Rankine-Prozesses mit einer Dampfturbine und vermeiden weitgehend deren Nachteile. Der Vorteil der Gasturbine liegt in der Möglichkeit eine hohe Temperatur der Wärmezufuhr bei begrenztem Bauaufwand zu realisieren. Der Dampfturbinenprozess verwirklicht eine Wärmeabfuhr in der Nähe der Umgebungstemperatur. Der Nachteil der relativ hohen Temperatur der Wärmeabfuhr eines reinen Gasturbinenkraftwerkes und der Nachteil des mäßigen Temperaturniveaus der Wärmezufuhr bei dem Dampfkraftprozess werden durch die Kombination vermieden.
Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch, Volker Gehrke
10. Kraft-Wärmekopplung
Zusammenfassung
Die gemeinsame Bereitstellung von mechanischer Energie oder Elektrizität und zusätzlich Wärme aus einer Kraftanlage wird als Kraft-Wärmekopplung bezeichnet. Diese gemeinsame Bereitstellung der beiden Energieformen durch einen Koppelprozess erfordert weniger Primärenergie, als die Lieferung der beiden Formen der Nutzenergie in getrennten, einzelnen Prozessen. Infolge des geringeren Bedarfs an fossiler Primärenergie wird auch weniger CO2 gebildet.
Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch, Volker Gehrke
11. Nutzung der Windenergie
Zusammenfassung
Wind- oder Luftturbinen (LT), auch als Windkonverter oder kurz Windräder bezeichnet, sind wegen der Energiewende – Umweltenergie statt konventioneller (Kohle, Öl, Gas, Atom) – von stark wachsender Bedeutung, und zwar hauptsächlich wegen Klima- sowie Umweltschutz. Da jedoch vom natürlichen, d. h. schwankenden Windangebot abhängig, können sie, besonders auf dem Land (onshore) nur immer zeitweise zur Elektrizitätsgewinnung beitragen. Deshalb sind große Speicheranlagen zur Überbrückung der Flauten notwendig.
Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch, Volker Gehrke
12. Energiespeicherung
Zusammenfassung
Den größten Energiespeicher stellt die Natur mit ihren verschiedenen Primärenergieträgern dar. Die Technik gewinnt in Umwandlungsprozessen aus den Primärenergien die verschiedenen Sekundärenergieformen und führt diese den Verbrauchern als Nutzenergie zu. Die Bedeutung der Speicherung von Sekundärenergie liegt darin, die direkte Abhängigkeit vom Umwandlungsprozess aufzuheben. Heute finden die Energiespeicher vielfältige Anwendung in der Technik.
Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch, Volker Gehrke
Backmatter
Metadaten
Titel
Energieumwandlung in Kraft- und Arbeitsmaschinen
verfasst von
Wolfgang Kalide
Herbert Sigloch
Volker Gehrke
Copyright-Jahr
2023
Verlag
Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
Electronic ISBN
978-3-446-47727-8
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-446-47727-8