Was ist Carnot-Zyklus?
Der Carnot-Zyklus wurde erstmals 1824 von einem französischen Ingenieur vorgeschlagen und in den 1830er und 1840er Jahren von anderen erweitert. Es ist ein idealer Kreislauf, bei dem das Arbeitsmedium die Wärmeenergie der hohen Temperaturen aufnimmt und die Wärme bei der niedrigeren Temperatur abgibt. Dieser Zyklus legte den Grundstein für den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik und führte das Konzept der Reversibilität ein.
Der Carnot-Zyklus ist ein hervorragender Maßstab, um verschiedene thermodynamische Zyklen auf theoretischer Basis zu vergleichen. Dennoch unterscheiden sich alle praktischen Zyklen deutlich vom Carnot-Zyklus.
Der Carnot-Zyklus hängt nur von der Temperatur der Wärmequelle und der Wärmesenke ab und ist unabhängig von der Art des Arbeitsmediums. Je höher die Temperatur der Wärmequelle, desto niedriger die Temperatur des Kühlkörpers, desto höher der Wirkungsgrad.
Der Carnot-Zyklus besteht aus vier Hauptprozessen, darunter:
- Ein reversibler isothermer Gasexpansionsprozess. Dabei ist der Motor mit der Wärmequelle verbunden und das expandierende Gas nimmt Wärme von der Quelle auf und wirkt auf die Umgebung. Die Temperatur des Gases bleibt konstant.
- Ein reversibler adiabatischer Gasexpansionsprozess. Das System ist adiabatisch, dh es ist keine Wärmeübertragung möglich. Dabei wird das System wärmeisoliert und das Gas dehnt sich weiter aus und verrichtet Arbeit an der Umgebung, wodurch das System auf eine niedrigere Temperatur abkühlt.
- Ein reversibler isothermer Gaskompressionsprozess. Bei diesem Prozess verrichtet die Umgebung Arbeit auf das Gas bei niedrigerer Temperatur und verursacht einen Wärmeverlust.
- Ein reversibles adiabatisches Gaskompressionsverfahren. Dabei wird das System wärmegedämmt. Die Umgebung verrichtet weiterhin Arbeit für das Gas, wodurch die Temperatur wieder auf höhere Temperaturen ansteigt.
Was ist der Rankine-Zyklus?
Der Rankine-Zyklus wurde 1859 von dem schottischen Ingenieur William JM Rankine beschrieben. Der Zyklus beschreibt genau den Prozess, mit dem dampfbetriebene Wärmekraftmaschinen, die üblicherweise in thermischen Kraftwerken zu finden sind, Strom erzeugen.
Die Leistung hängt von der Temperaturdifferenz zwischen einer Wärmequelle und einer Kältequelle ab. Je höher die Differenz, desto mehr mechanische Leistung kann effizient aus der Wärmeenergie gewonnen werden.
Die Effizienz des Rankine-Zyklus wird durch die hohe Verdampfungswärme des Arbeitsfluids begrenzt. Außerdem ist der Temperaturbereich, über den der Kreislauf arbeiten kann, ziemlich klein, es sei denn, der Druck und die Temperatur erreichen im Dampfkessel superkritische Werte.
Im Rankine-Zyklus erfährt die Arbeitssubstanz des Motors vier aufeinanderfolgende Änderungen, d. Erhitzen bei konstantem Druck, Umwandlung der Flüssigkeit in Dampf; reversible adiabatische Expansion, Arbeitsleistung (wie durch die Antriebsturbine), Kühlung bei konstantem Druck, Kondensation des Dampfes zu Flüssigkeit und reversible adiabatische Kompression, Rückpumpen der Flüssigkeit zum Kessel. Die Prozesse lassen sich wie folgt erklären:
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Unterschied zwischen Carnot- und Rankine-Zyklus in Tabellenform
| VERGLEICHSGRUNDLAGE | CARNOTE | RANKINE-ZYKLUS |
| Beschreibung | Der Carnot-Zyklus ist ein theoretischer Zyklus. Seine Effizienz am höchsten zwischen zwei Temperaturunterschieden. | Der Rankine-Zyklus ist ein praktischer Zyklus von Turbine und Dampfmaschine. |
| Arbeitsstoff | Der Carnot-Zyklus verwendet Luft als Arbeitsstoff. | Der Rankine-Zyklus verwendet Wasser als Arbeitsstoff. |
| Wärmezufuhr | Im Carnot-Zyklus erfolgt die Wärmezufuhr, indem die Temperatur konstant gehalten wird. | Beim Rankine-Zyklus erfolgt die Wärmezufuhr durch Konstanthalten des Drucks. |
| Wärmeabweisung | Im Carnot-Zyklus erfolgt die Wärmeableitung durch Konstanthalten der Temperatur. | Beim Rankine-Zyklus erfolgt die Wärmeableitung durch Konstanthalten des Drucks. |
| Ideal für | Der Carnot-Zyklus ist ein idealer Zyklus für die Wärmekraftmaschine. | Der Rankine-Zyklus ist ein idealer Zyklus für den Dampfkraftzyklus. |
| Effizienz | Der Carnot-Zyklus hat die höchste Effizienz zwischen zwei Temperaturunterschieden. | Rankine hat im Vergleich zum Carnot-Zyklus eine geringere Effizienz, obwohl der Carnot-Zyklus im wirklichen Leben viele Vorteile gegenüber dem Rankine-Zyklus hat. |
| Druck des Arbeitsmediums | Beim Carnot-Zyklus wird der Druck des Arbeitsmediums vom Kondensatordruck auf den Kesseldruck angehoben. | Beim Rankine-Zyklus wird gesättigte Flüssigkeit mit einer Pumpe zum Kessel gepumpt. |