Gaskraftmaschine

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Eine Gaskraftmaschine oder eine Gasmaschine ist eine alte Bezeichnung für eine Wärmekraftmaschine. Sie wandelt innere Energie eines erhitzten und verdichteten Gases teilweise in mechanische Arbeit um. Die theoretische Grundlage dieses Prozesses bildet das Gasgesetz (pV=nRT) mit den drei Gaszustandsgrössen Druck, Temperatur, Volumen und der universellen Gaskonstante. Der Name Gaskraftmaschine hat nichts mit dem gasförmigen Kraftstoff (z. B. Erdgas) zu tun.

Es gibt Maschinen, die den Gasdruck durch „innere Verbrennung“ in einem offenen Prozess erzeugen und es gibt Maschinen, die den Gasdruck im geschlossenen Kreislauf durch eine äußere Wärmequelle erzeugen.

Gaskraftmaschinen nutzen rechtslaufende (im Uhrzeigersinn) Kreisprozesse im Ts-Diagramm oder pV-Diagramm. Gasverdichter nutzen „linkslaufende“ Kreisprozesse. Zur Beurteilung der Effizienz von Kreisprozessen dienen die idealen Vergleichsprozesse.

Wirkungsgrad[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wirkungsgrad von Gaskraftmaschinen

Der Wirkungsgrad einer Gaskraftmaschine orientiert sich, wie der aller Wärmekraftmaschinen, am Carnotfaktor.

Eine wichtige Größe für den Wirkungsgrad von Kolbenmaschinen bildet der Ausdehnungsgrad, manchmal auch Expansionswirkungsgrad genannt. Das ist der Volumenunterschied des verdichteten Gases zum expandierten Gas am Ende des Arbeitszyklus.

Bei den Turbinen ist das Druckverhältnis oder das Temperaturverhältnis des Arbeits- oder Brenngases beim Turbineneintritt zum Turbinenaustritt bestimmend für den Wirkungsgrad.

Ebenfalls wichtig ist ein möglichst hoher Isentropenexponent des Arbeitsgases. Das ist eine Verhältniszahl der Wärmekapazität eines Gases bei gleichem Druck zu der bei gleichem Volumen. Freie Wahl des Arbeitsgases besteht nur bei Maschinen mit geschlossenem Kreislauf.

Arbeitstemperaturen und Vergleichsprozesse[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Kolbenmotoren im offenen Prozess erreichen Verbrennungstemperaturen von 2200 °C bis 2500 °C und Arbeitstakt-Endtemperaturen von etwa 900 °C bis 800 °C. Die Abgastemperatur liegt tiefer. Der Vergleichsprozess heißt Seiliger-Kreisprozess. Die Wirkungsgrade liegen zwischen 35 % und 50 %.

Kolbendampfmaschinen im geschlossenen Prozess arbeiten mit Dampftemperaturen bis 350 °C. Der Vergleichsprozess für diese Kraftmaschinen ist der Gleichdruckprozess. Der Wirkungsgrad übersteigt selten 20 %. Stirlingmotoren können im noch tieferen Temperaturbereich Wärme in Kraft umsetzen (z. B. Abwärme aus dem Dampfprozess). Der Wirkungsgrad erreicht dann gemäß der Carnot-Gleichung kaum mehr als 10 % bis 20 %.

Gasturbinen arbeiten mit Turbineneintrittstemperaturen von 1300 °C bis 1400 °C und Abgastemperaturen von 800 °C bis 600 °C. Der Vergleichsprozess ist der Jouleprozess. Turbinen erreichen wegen der tieferen Höchsttemperaturen nicht den Wirkungsgrad von Kolbenmaschinen.

Dampfturbinen arbeiten mit Höchsttemperaturen von 600 °C bis 700 °C und Endtemperaturen von 130 °C. Der Vergleichsprozess ist der Jouleprozess oder der Clausius-Rankine-Prozess. Trotz der geringen Arbeitstemperatur des Dampfes kommt der Prozess wegen der guten Wärmekapazität und der guten Wärmeleitfähigkeit des Wasserdampfes im Erhitzer und im Kondensator auf Wirkungsgrade von über 30 %.

Kombinierte Gas- und Dampfanlagen (GuD-Kraftwerk), also den offenen und den geschlossenen Kreisprozess, nutzen den Arbeitstemperaturbereich zwischen 1400 °C und 130 °C und kommen auf Wirkungsgrade bis zu 60 %. Noch höhere Wirkungsgrade verspricht die Kombination von Turbo-Diesel-Motoren mit Dampf- oder Heliumturbinen.

Gaskraftmaschinen mit innerer Verbrennung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In aller Regel wird ein Gemisch aus Luft und Kohlenwasserstoffen nach dem Verdichten zur Zündung gebracht und verbrannt. Die Kohlenwasserstoffe können flüssig oder gasförmig mit der Luft und dem Sauerstoff vermischt werden.

Gaskraftmaschinen mit äußerer Verbrennung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schraubenmotor mit Dampfantrieb
1=Heissdampf 2=Kaltdampf 3=Doppelschraube 4=Abdichtung

In der Regel werden feste und billige Brennstoffe zur Aufheizung des Arbeitsgases verwendet (Kohle, Holz, Müll). Auch minderwertige flüssige und gasförmige Brennstoffe (Rohöl, Schweröl, Industrie- und Biogas) werden oft angewandt. Ein typischer Anwendungsfall sind auch die Brennstäbe von AKWs. Als Arbeitsgas liefern Helium und Wasserstoff einen wesentlich besseren Wirkungsgrad als Luft (Wärmekapazität, Isentropenexponent, Wärmeübergangszahl).

Weblinks und Quellen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Alfred Kischke: Die Gaskraftmaschinen. Kurzgefaßte Darstellung der wichtigsten Gasmaschinen-Bauarten. De Gruyter, 1909. (Nachdruck: ISBN 978-3-11-101818-8)
  • Gaskraftmaschine. In: Meyers Großes Konversations-Lexikon. Band 7, Leipzig 1907, S. 372–375. (online auf: zeno.org)
  • Dampfschraubenmotor. auf: hessenenergie.de (PDF; 1,8 MB)