(ENT2 09) – Energiebilanz einer Dampfturbine [Wirkungsgrad, Kondensationsleistung, Elektrische Leistung]

Das Aufstellen einer Energiebilanz für eine Dampfturbine ist Thema dieses Kurstextes. Denn mit der Bilanz kannst du als angehender Techniker / Ingenieur die Abfuhr der Abwärme aus einem Dampfturbinenprozess bestimmen.

Für ein optimales Verständnis helfen dir zahlreiche, ausführliche Videoclips und viele anschauliche Rechenbeispiele zu dem Thema.

Mehr zu diesem Thema und der Energietechnik findest du im Kurs: ENT2-Kraftwerkstechnik

Energiebilanz einer Dampfturbine – Einleitung

Und wie funktioniert das Ding?…

Eine Dampfturbine ist eine Maschine, die Dampf als Arbeitsmedium verwendet, um kinetische Energie in mechanische Energie umzuwandeln. Sie ist ein wichtiger Bestandteil von Dampfkraftwerken und wird auch in anderen industriellen Anwendungen eingesetzt.

Hier ist eine kurze Erklärung:

Eine Dampfturbine besteht aus einer Reihe von rotierenden Schaufeln, die auf einer Welle montiert sind. Der Dampf wird in die Turbine geleitet und expandiert, indem er durch diese Schaufeln strömt. Durch die Expansion des Dampfes wird kinetische Energie erzeugt, die die Turbinenschaufeln antreibt und die Welle dreht.

Die rotierende Bewegung der Welle wird dann verwendet, um einen Generator anzutreiben, der elektrische Energie erzeugt. Auf diese Weise wandelt die Dampfturbine die Wärmeenergie des Dampfes in mechanische Energie um, die dann in elektrische Energie umgewandelt wird.

Dampfturbinen sind effiziente und zuverlässige Maschinen zur Stromerzeugung und werden weltweit in einer Vielzahl von Kraftwerken eingesetzt, von Kohlekraftwerken bis hin zu Kernkraftwerken und geothermischen Anlagen. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Bereitstellung von elektrischer Energie für industrielle, gewerbliche und private Verbraucher.

In der nächsten Abbildung siehst du eine zu Wartungszwecken ausgebaute Dampfturbine.

Vielleicht ist dir schon aufgefallen, dass sehr viele Schaufelblätter angebracht sind. Dann das Ziel ist eine optimale Wirksamkeit zu erlangen.

Die Energiebilanz einer Dampfturbine beschreibt, wie Energie in das System eingebracht, umgewandelt und ausgegeben wird. Hier ist eine grundlegende Beschreibung der Energiebilanz einer Dampfturbine:

Energiezufuhr (Eintritt der Dampf): Die Energiezufuhr beginnt mit der Zufuhr von Dampf in die Turbine. Der Dampf wird typischerweise durch die Verbrennung von Brennstoffen wie Kohle, Gas oder Öl in einem Kessel erzeugt. Alternativ kann der Dampf auch aus anderen Wärmequellen wie Kernreaktoren oder geothermaler Energie stammen.
Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie: Der einströmende Dampf wird in der Turbine expandiert und erzeugt dabei kinetische Energie. Diese Expansion erfolgt, wenn der Dampf durch die Turbinenschaufeln strömt und sie antreibt. Die kinetische Energie des Dampfes wird auf die Turbinenwelle übertragen, die mit einem Generator verbunden ist, um elektrische Energie zu erzeugen.
Abführung von Energie (Austritt des Dampfs): Nachdem der Dampf die Turbinenschaufeln durchlaufen hat, hat er einen Teil seiner Energie verloren und verlässt die Turbine als Kondensat oder Niederdruckdampf. Dieser kondensierte Dampf kann entweder zurück in den Kessel geleitet und erneut erhitzt werden, um weiteren Dampf zu erzeugen, oder er kann für andere Zwecke wie Heizung oder Prozesswärme verwendet werden.
Umwandlung von kinetischer Energie in elektrische Energie: Die kinetische Energie der Turbinenwelle wird über eine Kupplung oder eine andere Verbindung auf einen Generator übertragen. Der Generator wandelt die rotierende Bewegung der Turbinenwelle in elektrische Energie um, die in das Stromnetz eingespeist oder für andere Zwecke genutzt werden kann.

Die Energiebilanz einer Turbine berücksichtigt somit den Energieeintrag durch den Dampf, die Umwandlung von Wärmeenergie in kinetische Energie, den Verlust von Energie während des Prozesses und die Ausgabe von nutzbarer Energie in Form von elektrischer Energie. Eine effiziente Turbinenanlage maximiert die Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie und minimiert dabei Verluste.

Jetzt stellen wir die Energiebilanz für eine dampfbetriebene Turbine auf. Im Anschluss stellen wir dir zudem ein kurzes Beispiel zu diesem Thema vor.

Energiebilanz einer Dampfturbine

Diese Bilanz soll dabei stellvertretend für viele andere Umwandlungsprozesse stehen.

Wir betrachten die nachfolgenden Energiebilanzen.

Gesamtbilanz einer Dampfturbine

Die Gesamtbilanz besteht aus zwei Teilen. Wir unterscheiden die elektrische Leistung und die Kondensationsleistung.

Elektrische Leistung + Kondensationsleistung

$\dot{m_B} \cdot H_u \cdot \eta_K = P_{el} + \dot{Q}_{Ko}$

Elektrische Leistung

Elektrische Leistung (Nettoleistung)

$\dot{m_B} \cdot H_u \cdot \eta_{ges} = P_{el}$

Kondensationsleistung

Die für die elektrische Nettoleistung abzuführende Kondensationsleistung wird formal bestimmt durch:

$\dot{Q}_{Ko} = P_{el} ( \frac{\eta_K}{\eta_{ges}} - 1)$

Kennzahlen – Erläuterungen

Nachfolgende Kennzahlen gehen in die Bilanzen näher ein:

$P_{el}$ = elektrische Nettoleistung (in kW) Brennstoffmassenstrom (kg/s) ,

sowie

$H_u$ = Unterer Brennstoffheizwert (kJ/kg)

Kondensationsleistung (kW),

$\eta_K =$ Kesselwirkungsgrad,

sowie

$\eta_{ges} =$ Nettowirkungsgrad des Kraftwerks.

Bei Kraftwerken fällt normalerweise viel Kondensationswärme an. Im nachfolgenden Zahlenbeispiel soll dies verdeutlicht werden $\rightarrow$

Beispiel: Kondensationsleistung

Gehen wir von einer elektrische Leistung in Höhe von $P_{el} = 700 MW$ aus, sowie Wirkungsgraden von

$\eta_K = 0,93$ (Kesselwirkungsgrad)

sowie

$\eta_{ges} = 0,37$ (Gesamtwirkungsgrad),

so erhalten wir als Kondensationsleistung einen Wert in Höhe von $\dot{Q}_{Ko} = 1059 MW$

Was kommt als Nächstes?

Nachdem wir das Thema Abwärme und die damit verbundenen Gleichungen jetzt mit einer Bilanz thematisiert haben, besprechen wir im nächsten Kurstext ausführlich die unterschiedlichen Kühlkonzepte in Kraftwerken.

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