Joule-Kreisprozess

physikalisches Modell der Thermodynamik

Der Joule-Kreisprozess oder Brayton-Kreisprozess ist ein thermodynamischer Kreisprozess, der nach James Prescott Joule beziehungsweise George Brayton benannt ist. Der rechtslaufende Prozess ist ein Vergleichsprozess für den in Gasturbinen und Strahltriebwerken ablaufenden Vorgang und besteht aus zwei isentropen und zwei isobaren Zustandsänderungen. Als linkslaufender Prozess eignet er sich auch für Wärmepumpen oder Kälteanlagen.

BeschreibungBearbeiten

Die vier Prozessschritte sind im Einzelnen:

  • 1 – 2 isentrope Kompression (dp>0, dQ=0, dv<0),
    • Durch adiabaten Verdichter
    • Zufuhr der Verdichterarbeit  
      • Druck steigt von   auf  
      • Temperatur steigt von   auf  
      • Spezifisches Volumen sinkt von   auf  
      • Spezifische Entropie bleibt konstant
  • 2 – 3 isobare Wärmezufuhr (dp=0, dQ>0, dv>0),
    • Durch Wärmetauscher (Brennkammer)
    • Zufuhr der spezifischen Wärme  
      • Druck bleibt konstant
      • Temperatur steigt von   auf  
      • Spezifisches Volumen steigt von   auf  
      • Spezifische Entropie steigt von   auf  
  • 3 – 4 isentrope Expansion (dp<0, dQ=0, dv>0),
    • Durch adiabate Turbine
    • Entzug der Turbinenarbeit  
      • Druck sinkt von   auf  
      • Temperatur sinkt von   auf  
      • Spezifisches Volumen steigt von   auf  
      • Spezifische Entropie bleibt konstant
  • 4 – 1 isobare Wärmeabfuhr (dp=0, dQ<0, dv<0).
    • Durch Wärmetauscher (Kühler)
    • Entzug der spezifischen Wärme  
      • Druck bleibt konstant
      • Temperatur sinkt von   auf  
      • Spezifisches Volumen sinkt von   auf  
      • Spezifische Entropie sinkt von   auf  

Graphisch im T-s-Diagramm dargestellt ist die zugeführte Wärme   die von der Isobaren zwischen 2 und 3 und der x-Achse eingeschlossenen Fläche. Die abgeführte Wärme   entspricht der Fläche zwischen der Isobaren von 4 nach 1 und ebenfalls der x-Achse.[1]

Die vom Linienzug (1 – 2 – 3 – 4) umschlossene Fläche entspricht der spezifischen Prozessarbeit w (w =   -  ).

Im Gegensatz zum geschlossenen Joule-Prozess entfällt im offenen die Kühlung, da kontinuierlich kaltes Gas angesaugt und verdichtet wird.

Die Wärmezufuhr, die hier nur schematisch dargestellt ist, wird tatsächlich durch die Verbrennung eines meist fossilen Energieträgers realisiert. In Strahltriebwerken wird hierzu in der Regel Kerosin verwendet, das bei der Erdöldestillation eine Zwischenfraktion von Benzin und Diesel darstellt.

Die folgenden Bilder zeigen maßstäbliche Diagramme und eine Tabelle mit den Zustandsgrößen und Prozessdaten aus einer rechenaktiven Datei.

WirkungsgradBearbeiten

Wirkungsgrad im einstufigen Joule-KreisprozessBearbeiten

Allgemein ist der thermische Wirkungsgrad definiert als das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand.

 

Beim Joule-Prozess besteht der Nutzen in der abgegebenen technischen Arbeit wNutz, der Aufwand besteht in der benötigten Wärme qzu, so dass sich formulieren lässt:

 

Die bilanzierten Wärmen ersetzt man durch die Enthalpie-Differenzen.

 
 

Für ein ideales Gas gilt zudem, dass die spezifische Enthalpie h nur eine Funktion der Temperatur und unabhängig vom Druck ist.

 

deshalb ist

 

Die letzte Beziehung ergibt sich aus der Verwendung der Gleichung für die Temperaturänderung bei isentroper Kompression.

 

Der Isentropenexponent   beträgt unter Normalbedingungen für Edelgase wie Helium und Argon ca. 1,66; für 2-atomige Gase wie Wasserstoff, Sauerstoff, Luft ca. 1,4 und für 3-atomige Gase mit starren Molekülen wie Wasserdampf ca. 1,33. Kreisprozesse können am effektivsten mit Edelgasen betrieben werden. Wenn allerdings die Wärmekapazität, die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmeübergangszahl und die Viskosität mit beachtet werden, dann ist Wasserstoff ebenfalls ein sehr vorteilhaftes Arbeitsmedium.

Für eine durch den Werkstoff vorgegebene maximale Temperatur T3 lässt sich eine optimale Temperatur T2 nach der Kompression ermitteln, bei der der Kreisprozess die größtmögliche Nutzarbeit abwirft:

 

Möglichkeit der Erhöhung des Wirkungsgrads durch rekuperative Wärmeübertragung und durch einen mehrstufigen Joule-KreisprozessBearbeiten

Da am Ausgang der Expansionsmaschine meistens eine Temperatur herrscht, die oberhalb der Temperatur am Ausgang des Kompressors liegt, kann über einen Wärmetauscher hier eine rekuperative Wärmeübertragung stattfinden. Diese Wärmemenge muss dann nicht von außen zugeführt werden. Zudem kann die zu überbrückende Temperaturdifferenz zwischen Erhitzer und Kühler vergrößert werden.

Der Wirkungsgrad berechnet sich dann wie folgt:

 

Durch eine mehrstufige Verdichtung mit jeweils nachgeschalteter Wärmeabfuhr kann die Verdichtungsarbeit vermindert werden, genauso kann durch mehrstufige Expansion mit jeweiliger Wärmezufuhr die Entspannungsarbeit vergrößert werden, wodurch der Wirkungsgrad des Gesamtprozesses steigt. Bei unendlich vielen Stufen der Kompression - Wärmeabfuhr geht der Prozess in eine isotherme Verdichtung über. Der Prozess wird dann durch den Ackeret-Keller oder Ericsson-Kreisprozess beschrieben, dessen Wirkungsgrad sich analog zum Carnot-Prozess berechnet:

 

Wartungsarme Wärmekraftmaschinen nach dem Joule-KreisprozessBearbeiten

Wie eine Stirlingwärmekraftmaschine kann eine Wärmekraftmaschine nach dem Joule-Kreisprozess mit einer externen Wärmezufuhr betrieben werden und hat damit viele gemeinsame Vorteile mit einem Stirlingmotor.

Für die Kerntechnik (Atomkraftwerke) wurden Turbokompressoren für Helium entwickelt, die mit magnetischen Lagern und permanentmagnetischen Notlauflagern ausgestattet werden können, wodurch in das Arbeitsgas keine Flüssigkeiten wie Schmieröle eingebracht werden müssen, die den Gaskreislauf verunreinigen können.

Damit ist eine Gasturbine denkbar, die nach Joule-Kreisprozess als Vergleichsprozess mit Helium oder Wasserstoff als Arbeitsgas arbeitet, die wartungsarm, effizient und eine hohe Energiedichte aufweisen könnte.

Der reale GasturbinenprozessBearbeiten

 
Vergleichsprozess und realer Prozess im h-s-Diagramm (h ist bei Gasen angenähert proportional der Temperatur T)

Der reale Gasturbinenprozess unterscheidet sich durch die Irreversibilität der technischen Zustandsänderungen (1-2, 3-4) vom theoretischen Joule-Prozess. Darüber hinaus treten Druckverluste in der Brennkammer (2-3) (bzw. dem Wärmeübertrager 4-1 im geschlossenen Gasturbinenprozess) auf. Die Druckänderung durch die Wärmeverluste in der Brennkammer können heutzutage durch geeignete Maßnahmen (hochtemperaturfeste Keramik) minimiert werden, während der Druckverlust im Wärmeübertrager (4-1) nur bedingt reduzierbar ist. Die genannten Unterschiede sind anschaulich im T-s-Diagramm darstellbar (T-Temperatur, s-spezifische Entropie).

Die technischen Arbeiten für den Verdichter und die Turbine werden im h,s-Diagramm veranschaulicht (h-spezifische Enthalpie, s-spezifische Entropie).

Andere VergleichsprozesseBearbeiten

WeblinksBearbeiten

Commons: Joule-Prozess – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Thermodynamik 2. Abgerufen am 12. Juli 2017.