Beispiel
Variation der Prozessparameter beim Joule-Prozess
Eine Gasturbinenanlage arbeite nach dem Joule-Prozess zwischen der minimalen Temperatur von 15 °C (Ansaugtemperatur) und einer maximalen Temperatur von 1250 °C unmittelbar nach Verlassen der Brennkammer. Als Arbeitsmittel diene das perfekte Gas trockene Luft mit einer Gaskonstante von 287,12 $\frac{J}{(kg \; K)}$ und einem Isentropenexponenten von 1,40.
- Berechnen Sie die Temperatur nach der Verdichtung und die Turbinenaustrittstemperatur, den thermischen Wirkungsgrad, zu- und abgeführte spezifische Wärmen sowie die spezifische Kreisprozessarbeit, wenn das Druckverhältnis mit 12 gegeben ist!
- Berechnen Sie für die gegebenen Temperaturen das Druckverhältnis, das einen maximalen Wert für die spezifische Kreisprozessarbeit ermöglicht! Geben Sie für auch für diesen Fall alle in (a) gesuchten Parameter an!
- Berechnen Sie die Temperatur nach der Verdichtung und die Turbinenaustrittstemperatur, den thermischen Wirkungsgrad, zu- und abgeführte spezifische Wärmen sowie die spezifische Kreisprozessarbeit, wenn das Druckverhältnis mit 25 gegeben ist!
- Welcher thermische Wirkungsgrad und welche spezifische Kreisprozessarbeit ergeben sich, wenn bei einem Druckverhältnis von 25 für die Verdichtung ein isentroper Wirkungsgrad von 87 % und für die Entspannung von 92 % berücksichtigt wird?
Gegeben:
T1 = Tmin = 288,15 K (15 °C)
T3 = Tmax = 1523,15 K (1250 °C)
RL = 287,12 $\frac{J}{kg \; K}$
κ = 1,40
a. π = 12
c. π = 25
hV,is = 0,88
hT,is = 0,92
Hinweise zur Lösung:
Perfektes Gas ist ideales Gas mit konstanter spezifischer Wärmekapazität. Spezifische Wärmekapazität und Isentropenexponent hängen hier nicht von der Temperatur ab. Daraus folgt die temperaturunabhängige spezifische Wärmekapazität für konstanten Druck:
$c_p = \frac{\kappa}{\kappa - 1} \cdot R_L = \frac{1,4}{0,4} \cdot 287,12 \frac{J}{kg \; K} = 1004,92 \frac{J}{kg \; K} $
Das maximale Temperaturverhältnis beträgt hier $\tau_{max} = \frac{T_3}{T_1} = \frac{1523,15 K}{288,15 K} = 5,285962172 ≈ 5,285960 $.
Expertentipp
Beachte, dass das maximale Temperaturverhältnis immer mit den thermodynamischen Temperaturen in Kelvin zu bilden ist!
Nach kinetischer Gastheorie beträgt der Isentropenexponent für zweiatomiges Gas κ = $\frac{7}{5}$. Deshalb gilt hier für den häufig verwendeten Exponenten $\frac{(\kappa – 1)}{\kappa} = \frac{2}{7}$.
Lösung:
- π = 12 (Druckverhältnis unter dem optimalen Druckverhältnis für die Kreisprozessarbeit)
- Temperatur nach der Verdichtung:
$T_2 = T_1 \cdot \pi^{\frac{(\kappa – 1)}{\kappa}} = 288,15K \cdot 12^{\frac{2}{7}} = 288,15K \cdot 2,03393701 = 586,08K$ - Turbinenaustrittstemperatur:
$T_4 = \frac{T_3}{\pi^{\frac{(\kappa – 1)}{\kappa}}} = \frac{1523,15K}{2,03393701} = 748,87K$ oder
$T_4 = \frac{T_3 \cdot T_1}{T_2} = \frac{1523,15K \cdot 288,15K}{586,08K} = 748,87K$ - thermischer Prozesswirkungsgrad:
$\eta_{th,J} = 1- \frac{1}{\large{\pi^{\frac{(\kappa – 1)}{\kappa}}}} = 1 - \frac{1}{12^{\frac{2}{7}}} = 0,50834 \;\;\; $ oder
$\eta_{th,J} = 1- \frac{T_1}{T_2} = 1- \frac{288,15K}{586,08K} = 0,50834$ - zu- und abgeführte Wärmen, spezifische Kreisprozessarbeit:
$q_{zu} = h_3 - h_2 = c_p \cdot (T_3 - T_2) = 1,00492 \frac{kJ}{kg \; K} \cdot (1523,15K - 586,08K) = 941,68 \frac{kJ}{kg}$
$q_{ab} = h_1 - h_4 = c_p \cdot (T_1 - T_4) = 1,00492 \frac{kJ}{kg \; K} \cdot (288,15K - 748,87K) = -462,99 \frac{kJ}{kg}$
$w = q_{zu} + q_{ab} = \Bigl( 941,68 + (-462,99) \Bigr) \frac{kJ}{kg} = 478,69 \frac{kJ}{kg}$
Zur Kontrolle für die Rechnung ermitteln wir den thermischen Wirkungsgrad noch einmal aus der Definitionsgleichung:
$\eta_{th,J} = \frac{w}{q_{zu}} = \frac{941,68 \frac{kJ}{kg}}{478,69 \frac{kJ}{kg}} = 0,50834$
- Temperatur nach der Verdichtung:
- Parameter bei optimalem Druckverhältnis
$T_{2,opt} = \sqrt{T_1 \cdot T_3} = \sqrt{288,15K \cdot 1523,15K} = 662,49K$
$\pi_{opt} = \frac{p_2}{p_1} = \Bigl( \frac{T_{2,opt}}{T_1} \Bigr)^{\frac{\kappa}{(\kappa - 1)}} = \Bigl( \frac{662,49 K}{288,15K} \Bigr)^{\frac{2}{7}} = 18,427 \;\;\;$ oder aus
$\pi_{opt} = \frac{\kappa}{\tau^{2 \cdot (\kappa - 1)}_{max}} = 5,285962172^{\frac{7}{4}} = 18,427$
Für die maximale Kreisprozessarbeit gilt T2 = T4 = 662,49 K. Eine Kontrollrechnung
liefert $T_4 = \frac{T_1 \cdot T_3}{T_2} = \frac{288,15K \cdot 1523,15K}{586,08K} = 662,49 K$- thermischer Prozesswirkungsgrad:
$\eta_{th,J} = 1- \frac{1}{\large{\pi^{\frac{(\kappa – 1)}{\kappa}}}} = 1 - \frac{1}{18,427^{\frac{2}{7}}} = 0,56505 $ oder $\eta_{th,J} = 1- \frac{T_1}{T_2} = 1- \frac{288,15K}{662,49 K} = 0,56505 $ - zu- und abgeführte Wärmen, spezifische Kreisprozessarbeit:
$q_{zu} = h_3 - h_2 = c_p \cdot (T_3 - T_2) = 1004,92 \frac{J}{kg \; K} \cdot (1523,15K - 662,49K) = 864,89 \frac{kJ}{kg} $
$q_{ab} = h_1 - h_4 = c_p \cdot (T_1 - T_4) = 1004,92 \frac{J}{kg \; K} \cdot (288,15K - 748,87K) = - 376,18 \frac{kJ}{kg}$
$w = q_{zu} + q_{ab} = \Bigl( 864,89 + (- 376,18) \Bigr) \frac{kJ}{kg} = 488,71 \frac{kJ}{kg}$
- thermischer Prozesswirkungsgrad:
- π = 25 (Druckverhältnis über dem optimalen Druckverhältnis für Kreisprozessarbeit)
- Temperatur nach der Verdichtung:
$T_2 = T_1 \cdot \pi^{\frac{\kappa - 1}{\kappa}}= 288,15K \cdot 25^{\frac{2}{7}} = 288,15K \cdot 2,508484553 = 722,82K $ - Turbinenaustrittstemperatur:
$T_4 = \frac{T_3}{\large{\pi^{\frac{\kappa - 1}{\kappa}}}} = \frac{1523,15K }{25^{\frac{2}{7}}} = \frac{1523,15K }{2,508484553} = 607,20K \;\;\;$ oder - thermischer Prozesswirkungsgrad:
$\eta_{th,J} = 1- \frac{1}{\large{\pi^{\frac{(\kappa – 1)}{\kappa}}}} = 1 - \frac{1}{25^{\frac{2}{7}}} = 0,60135 \; $ oder
$\eta_{th,J} = 1- \frac{T_1}{T_2} = 1- \frac{288,15K}{722,82K } = 0,60135 $ - zu- und abgeführte Wärmen, spezifische Kreisprozessarbeit:
$q_{zu} = h_3 - h_2 = c_p \cdot (T_3 - T_2) = 1,00492 \frac{kJ}{kg \; K} \cdot (1523,15K - 722,82K ) = 804,27\frac{kJ}{kg}$
$q_{ab} = h_1 - h_4 = c_p \cdot (T_1 - T_4) = 1,00492 \frac{kJ}{kg \; K} \cdot (288,15K - 607,20K ) = -320,62\frac{kJ}{kg}$
$w = q_{zu} + q_{ab} = \Bigl( 804,27 + (-320,62) \Bigr) \frac{kJ}{kg} = 483,65 \frac{kJ}{kg}$
Die bis hierhin erzielten Ergebnisse bestätigen, dass der thermische Wirkungsgrad mit steigendem Druckverhältnis p stetig zunimmt, die spezifische Kreisprozessarbeit jedoch ein Optimum bei πopt»18,427 aufweist. Druckverhältnisse unter- oder oberhalb dieses Wertes führen auf eine geringere Ausbeute bei der Kreisprozessarbeit.
- Temperatur nach der Verdichtung:
- Berücksichtigung der isentropen Gütegrade ηV,is = 0,88 und ηT,is = 0,92
$T_{2,real} = T_1 + \frac{T_1}{\eta_{V,is}} \cdot \Bigl( \pi^{\frac{\kappa - 1}{\kappa}} - 1 \Bigr) = 288,15K + \frac{288,15K}{0,88} \cdot \Bigl( 25^{\frac{2}{7}} - 1 \Bigr) = 782,09K$
$T_{4,real} = T_3 - \eta_{T,is} \cdot T_3 \cdot \Bigl( 1 - \frac{1}{\pi^{\frac{\kappa - 1}{\kappa}}} \Bigr) = 1523,15K - 0,92 \cdot 1523,15K \cdot \Bigl( 1 - \frac{1}{25^{\frac{2}{7}}} \Bigr) = 680,48K $
$q_{zu} = \frac{\kappa}{\kappa - 1} \cdot R_L \cdot (T_3 - T_{2,real}) = \frac{7}{2} \cdot 0,28712 \frac{kJ}{kg \; K} \cdot (1523,15K - 782,09K) = 744,71 \frac{kJ}{kg}$
$ \lvert q_{ab} \rvert = \frac{\kappa}{\kappa - 1} \cdot R_L \cdot (T_{4,real} - T_1) = \frac{7}{2} \cdot 0,28712 \frac{kJ}{kg \; K} \cdot (680,48K - 288,15K) = 394,26 \frac{kJ}{kg}$
$w = q_{zu} - \lvert q_{ab} \rvert = (744,71 - 394,26 )\frac{kJ}{kg} = 350,45 \frac{kJ}{kg}$