Carnot-Prozeß im geschlossenen System (Kolben)

UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
1
2
2‘
3
p
1
1
2
T1 = T2
T1 = T2
4
3
v
3‘
4
4‘
1‘
T
1
T3 = T4
T3 = T4
Carnot-Prozeß im geschlossenen System (Kolben)
2
4
3
UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Carnot-Zyklus als Kolbenmaschine
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Carnot-Zyklus als Kolbenmaschine
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Carnot-Prozess als Kolbenmaschine
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Carnot-Prozess als 4-Takt-Kolbenmaschine
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
1
3
Isothermal
Isentropic
Isothermal
Isentropic
compressor
compressor
turbine
turbine
w net
q in
q out
4
2
Carnot-Prozeß als fiktive Turbomaschine
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Wirkungsgrad
1
1
ηth(τ)
0.8
0.6
etac( tau)
0.4
0.2
0
0
1
1
2
3
4
5
6
7
tau
Temperaturverhältnis τ = TH/TL
Carnot-Wirkungsgrad
8
9
10
10
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
p
1
qin
T
1
qin
2
v=const
T=const
Regeneration
4
2
4
qout
3
3
s
v
qout
Stirling-Prozeß im p-v und T-s-Diagramm
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Legende: a - Warmer Raum, b – Kalter Raum, c – Pufferraum, d – Verdränger
e – Kolben, f – Erhitzer, g – Regenerator, h – Kühler
Bewegungsablauf des Stirlingmotors
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Animation Stirlingmotor
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Realer Wirkungsgrad eines Stirlingmotors
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Bauweisen des Stirlingmotors
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Animation 2-Kolben Stirlingmotor
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p
qin
T
4
1
1
2
p=const
qin
Regeneration
T=const
qout
3
2
4
3
s
v
qout
Ericsson-Prozeß im p-v und T-s-Diagramm
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Regenerator
Wärme
2
3
4
1
Isothermer
Verdichter
Isotherme
Turbine
qout
qin
Ericsson-Prozeß als fiktive Turbomaschine
wt
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Ericsson-Prozeß als fiktive Kolbenmaschine
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
T
T
qin
1
2
1
2
s=const.
TL
TL
4
3
qout
4
3
qout
4
s
p
TH
p
qin
qin
2
4
qout
qout
v
TH
TL
4
3
1
4
qin
2
TL
Ericsson-Prozeß
1
TH
qout
s
Stirling-Prozeß
1
3
qout
s
Carnot-Prozeß
p
2
Regeneration
Regeneration
TL
qin
1
TH
TH
s=const.
TH
T
qin
TL
2
3
3
v
Vergleich Idealprozesse mit ηth = ηC
v
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Stationär-Gasturbine
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Fluggasturbine
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Militärtriebwerks-Gasturbine
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
offener Zyklus
geschlossener Zyklus
Offener und geschlossener Joule-Brayton-Zyklus
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Joule-Brayton-Zyklus (Gasturbinenzyklus)
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Thermischer Wirkungsgrad ηth und normierte technische Arbeit
ω beim Joule-Brayton-Prozeß
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τ = T3/T1, λ = (T2/T1)is
τ
τ
τ
λ
λ
Wirkungsgrad ηth (ηV=ηT=1)
τ
Wirkungsgrad ηth (ηV=ηT=0.8)
τ
λ
λ
Wirkungsgrad ηth (ηV=ηT=0.6)
τ
λ
techn. Arbeit ω (ηV=ηT=1)
techn. Arbeit ω (ηV=ηT=0.8)
λ
techn. Arbeit ω (ηV=ηT=0.6)
Joule-Brayton-Zyklus mit Verlusten
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τ = T3/T1, λopt = (T2/T1)is,opt = (ηVηT τ)½
τ
η
τ
η
Bereich positiver technischer Arbeit
Wirkungsgrad Joule-Prozess
(η = ηV = ηT,, λ = λopt)
(η = ηV = ηT,, λ = λopt)
Joule-Brayton-Zyklus mit Verlusten
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Mehrstufiger Verdichter im h-s-Diagramm
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ηg =
λst2 − 1
2
 λst − 1 
+ 1 − 1

 ηst

1
1
0.8
0.8
λ=1.05
λ=1.5
ηg 0.6
0.6
ηg
ηst 0.4
0.4
λ=3
0.2
0.2
0.4
λ=1.5
__
λ=1.05
0.6
λ=3
0.2
0.8
Stufenwirkungsgrad ηst
1
0.2
0.4
0.6
0.8
Stufenwirkungsgrad ηst
Gesamtwirkungsgrad ηg beim zweistufigen Verdichter
(Stufendruckverhältnis und –wirkungsgrad gleich)
1
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Mehrstufige Turbine im h-s-Diagramm
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ηg =
λ − ( λst (1 − ηst ) + ηst )
2
st
2
2
λst − 1
1.6
1
λ=3
1.4
0.8
1.2
λ=3
ηg
0.6
ηg
1
__ 0.8
λ=1.5
ηst
0.4
0.6
λ=1.05
λ=1.5
0.4
0.2
λ=1.05
0.2
0.4
0.6
0.2
0.8
Stufenwirkungsgrad ηst
1
0.2
0.4
0.6
0.8
Stufenwirkungsgrad ηst
Gesamtwirkungsgrad ηg bei zweistufiger Turbine
(Stufendruckverhältnis und –wirkungsgrad gleich)
1
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T
p2
pvn = constant
a
pi
e
c
x
d
p-v-Diagramm
1
T-s-Diagramm
Optimierung des zweistufigen Verdichters mit Zwischenkühlung
p1
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Schema
T-s-Diagramm
Schema einer Gasturbine mit Zwischenkühlung
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Schema
T-s-Diagramm
Schema einer Gasturbine mit Wiederaufheizen
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Schema
Gasturbine mit Wiederaufheizen
T-s-Diagramm
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Schema
T-s-Diagramm
Schema einer Gasturbine mit Regeneration
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Thermischer Wirkungsgrad ηth und normierte technische
Arbeit ω beim regenerierten Joule-Brayton-Prozeß
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Gasturbine mit Zwischenkühlung / Wiederaufheizen / Regeneration
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Gasturbine mit Zwischenkühlung / Wiederaufheizen / Regeneration
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Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Thermischer Wirkungsgrad ηth und normierte technische Arbeit ω beim
3-stufig gekühlt / aufgeheizt / regenerierten Joule-Brayton-Prozeß
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Gasturbine mit Wiederaufheizung
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Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Gasturbine mit Wiederaufheizung
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GT-24/26-Gasturbine (Alstom-Power)
SEV-Combustor
Fuel injector
EV-Combustor
LP Turbine
EV-Burner
Compressor
HP Turbine
Gasturbine mit Wiederaufheizung
UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
0.8
0.8
0.6
eta1 ( pi )
ungekühlt
Wirkungsgrad
eta2 ( piτ=3
, 3)
gekühlt,
ηth(π,τ)
gekühlt,
eta2 ( piτ=4
, 4)
0.4
eta2 ( piτ=5
, 5)
gekühlt,
0.2
0
0
10
1
20
30
pi
Druckverhältnis π
40
50
60
60
Wirkungsgrad einer Gasturbine mit zweistufigem gekühlten Verdichter
UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
0.8
0.8
0.6
ungeheizt
eta1( pi )
Wirkungsgrad
eta3( pi
, 3)
geheizt,
τ=3
ηth(π,τ)
eta3( pi
, 4)
geheizt,
τ=4
0.4
eta3( pi
, 5)
geheizt,
τ=5
0.2
0
0
10
1
20
30
40
50
pi
Druckverhältnis
π
Wirkungsgrad einer Gasturbine mit zweistufiger geheizter Turbine
60
60
UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
ηth(π,τ) 0.8 0.8
ηth(π,τ)
0.8
0.8
0.6
0.6
ungekühlt
eta1(pi)
eta1(pi)
ungeheizt
gekühlt,
eta2(piτ=3
, 3)
gekühlt,
eta2(piτ=4
, 4)
eta3(piτ=3
, 3)
geheizt,
0.4
0.4
eta3(piτ=4
, 4)
geheizt,
eta3(pi
, 5)
geheizt,
τ=5
eta2(piτ=5
, 5)
gekühlt,
0.2
0
0.2
0
0
10
1
20
30
40
pi
Druckverhältnis π
nur Zwischenkühlung
50
60
60
0
10
1
20
30
40
pi
Druckverhältnis π
nur Wiederheizen
Wirkungsgrad einer Gasturbine mit Zwischenkühlung / -heizung
50
60
60
UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Wirkungsgrad
0.8
ηth(π,τ)
0.8
0.7
0.6
etar( piτ=3
, 3) 0.5
regeneriert,
etar( piτ=4
, 4)
regeneriert,
etar( pi
, 5)
regeneriert,
τ=5
0.4
etaj( pi )
ohne Regeneration
0.3
0.2
0.1
0
0
10
1
20
30
40
50
pi
Druckverhältnis
π
Wirkungsgrad einer einfachen Gasturbine mit Regeneration
60
60
UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Nettoarbeit ω(π,τ)
3
3
[ wt / (cp T1) ]
2.5
om( pi
, 3)
ohne,
τ=3
om( pi
, 5)
ohne,
τ=5
τ=5
2
omv( pi
, 3)
gekühlt,
τ=3
omv( piτ=5
, 5)
gekühlt,
1.5
omt ( piτ=3
, 3)
geheizt,
geheizt,
omt ( piτ=5
, 5)
omvt (τ=3
pi , 3)
gekühlt + geheizt,
1
gekühlt + geheizt,
omvt (τ=5
pi , 5)
0.5
τ=3
0
0
10
1
20
30
40
50
pi
Druckverhältnis
π
Normierte technische Arbeit einer Gasturbine mit Kühlung / Heizung
60
60
UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Wirkungsgrad0.9
ηth(π,τ)
τ=5
0.8
etavtr ( piτ=3
, 3) 0.6
Regeneration mit Kühlung / Heizung,
Regeneration mit Kühlung / Heizung,
etavtr ( piτ=5
, 5)
etar( pi , 3τ=3
)
einfache Regeneration,
0.4
einfache Regeneration,
etar( pi , τ=5
5)
τ=3
etaj( pi )
einfacher Joule-Prozess
0.2
0
0
10
1
20
30
pi
Druckverhältnis
π
40
50
60
60
Wirkungsgrad einer Gasturbine mit Kühlung / Heizung und Regeneration
UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Konzept Fluggasturbine mit Wärmetauscher (MTU)
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Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
MTU - Wärmetauscher für
Flug- und Panzergasturbinen
Abgasströmung
Verdichterluft-Eintritt
Luft zur Brennkammer
Turbinenströmung
Wärmetauscher für Fluggasturbinen
UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
T
1400
1200
1000
1
2
800
600
4
3
400
200
6
7
8
9
10
11
12
s
Ericsson-Prozeß im T-s-Diagramm
UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
T
3
1400
1200
1000
800
600
4
2
400
200
1
6
7
8
9
10
11
12
s
Regenerierter Joule-Prozeß im T-s-Diagramm
UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
T
1400
1200
3
1000
800
4
600
2
400
1
200
6
7
8
9
10
11
12
s
2-stufiger Joule-Prozeß im T-s-Diagramm
(Zwischenkühlung, Aufheizen und Regeneration)
UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
T
1400
1200
3
1000
4
800
600
2
400
1
200
6
7
8
9
10
11
12
s
3-stufiger Joule-Prozeß im T-s-Diagramm
(Zwischenkühlung, Aufheizen und Regeneration)
UNIVERSITÄT DER BUNDESWEHR MÜNCHEN
Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
3
T
T
1400
1400
1200
1200
1000
1000
800
800
33
44
4
600
600
2
2
400
400
200
200
1
1
6
7
8
9
10
11
6
12
7
8
9
10
11
12
s
s
einfacher regenerierter Joule-Prozeß
zweistufiger regenerierter Joule-Prozeß
T
T
1400
1400
1200
1200
3
1000
1000
4
3
4
800
800
600
600
1
2
2
400
400
1
200
200
6
7
8
9
10
11
12
6
7
8
9
10
11
s
dreistufiger regenerierter Joule-Prozeß
12
s
regenerierter Ericsson-Prozeß
Carnotisierung des regenerierten Joule-Prozesses
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Schema Kolbenmotor
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Indikatordiagramm p(x)
3
2
4
1
p
Schema eines Viertaktmotors
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Viertakt – Ottomotor
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
0.8
0.7
φ = 1 (Otto)
0.6
φ=4
0.5
etao ( eps )
φ=3
etad ( eps , 2 )
Wirkungsgrad
etad ( eps , 3 )
0.4
φ=2
ηth(r)
etad ( eps , 4 )
0.3
rOtto
0.2
rDiesel
0.1
0
0
5
1
10
15
20
25
eps
Verdichtungsverhältnis r
Wirkungsgrad des idealisierten Otto- und Dieselmotors
30
30
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Schema eines Kraftwerks mit Dampfturbine
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Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Offenes System Dampfturbine
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Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
T-s-Diagramm für Wasser
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Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Einfacher Rankine-Zyklus
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Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Rankine-Zyklus mit einfachem Überhitzen
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Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Rankine-Prozeß auf p-v-T-Zustandsfläche
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Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Rankine-Prozeß auf T-p-s-Zustandsfläche
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Fakultät für Luft- und Raumfahrt
Lehrstuhl für Thermodynamik, Prof. Dr. rer. nat. M. Pfitzner
Rankine-Prozeß auf h-p-s-Zustandsfläche
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Fakultät für Luft- und Raumfahrt
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Rankine-Zyklus mit Überhitzen und Speisewasservorwärmung
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Gasturbinenzyklus mit Speisewasservorwärmung und
geschlossenem Wärmetauscher
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Wirkungsgrad Clausius-Rankine-Prozeß
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Wärmeschaltbild des Kohlekraftwerks Bexbach
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Wärmeschaltbild Druckwasser-Kernkraftwerk
(Biblis B)
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1
2
3
Dampfturbine
HD-Turbine
MD-Turbine
ND-Turbinen
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Schema
T-s-Diagramm
Schema einer zweistufigen Dampfturbine mit
Quecksilberdampf und Wasserdampf als Arbeitsmittel
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Wirkungsgradentwicklung von Dampfkraftwerken
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Umwandlung von Primärenergie in elektrische Energie
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Kopplung von Wärmeerzeuger und Wärmekraftmaschine mittels
Dampferzeuger
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Schema eines Kombikraftwerks
(Gasturbine + Dampfturbine)
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Schema einer Kältemaschine
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log(p)-h-Diagramm (H2O)
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Dampfdruckkurven einiger Kältemittel
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Kältemaschinenzyklus
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Kältemaschinenzyklus im T-s- und p-h-Diagramm
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2-stufiger Kältemaschinenzyklus
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Schema eines einfachen Klimageräts
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p
T
Sommer
innen
Kühlen
Heizen
Winter
T
Dampfdruckkurve p(T)
Kompakt-Klimagerät-Prozeß
s
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Schema einer Luftkühlung im Flugzeug