Kreisprozess und Kühlung (Wozu gibt es Kühltürme?)

ML · Anmeldungsdatum: 17.04.2013 Beiträge: 3400

Hallo,

ich möchte meinen Schülern (11. Klasse) möglichst einleuchtend erklären, wozu es in einem Kraftwerk einen Kühlturm gibt.

Der zugehörige Kreisprozess wird im beigefügten Bild veranschaulicht (Quelle: Physik. Gymnasiale Oberstufe, Duden Paetec, ISBN 3-89818-311-4).

Abstrakte Begründung
Grundsätzlich geht es beim Kühlturm ja darum, dass der Kühlturm die Entropie, die in der Brennkammer in den Prozess eingebracht wird bzw. während des Prozesses entsteht, zusammen mit der Abwärme aus dem Kraftwerk hinausbefördert.

Das ist mir als Betrachtungsebene für Schüler aber zu abstrakt. Ich denke, das Problem kann man auch "eine oder zwei Stufen konkreter" verstehen.

Naheliegender Irrtum
Der erste (m. E. falsche) Gedanke wäre, dass man Energie einsparen könnte, wenn man die Kühlung (tiefblaue Leitungen mit Aufschrift "Kühlwasser") wegließe. Begründung: Wäre das Speisewasser noch heiß oder läge es gar in (gesättigter) Dampfform vor, so müsste man es in der Brennkammer nicht so sehr erhitzen und könnte im Prozess Energie einsparen. Schließlich leitet man ja weniger Energie ab.

Überlegung
Wo aber ist der Knackpunkt bei dieser Argumentation? Was ist daran falsch? Ich würde das gerne ohne den (abstrakten) Verweis auf den maximalen Wirkungsgrad des Carnot-Prozesses verstehen.

Ich denke, dass es praktisch gesehen um die beiden rot eingekringelten Pumpen geht. Meine Vermutung lautet: Würde man die Entropieabgabe im Kühlkreislauf unterlassen, so könnte man in der Brennkammer zwar (niederwertige Wärme-)Energie einsparen, müsste aber in den Pumpen viel mehr (hochwertige, z. B. elektrische) Energie einbringen.

Kann jemand, der sich besser mit Thermodynamik auskennt, dazu was sagen?

Viele Grüße
Michael

moody_ds · Anmeldungsdatum: 29.01.2016 Beiträge: 515

Vielleicht ist das hier was für dich?

ML · Anmeldungsdatum: 17.04.2013 Beiträge: 3400

Hallo,

Duke711 · Anmeldungsdatum: 26.01.2017 Beiträge: 434

Entropie bis der Arzt kommt....."Quark"

Übrigens wird ein Kühlturm an sich nicht benötigt, sondern nur ein Wärmetauscher. Ein Kühlturm hat aber den Vorteil der Verdunstung und kann theoretisch bis 7 K unterhalb der Umgebungstemperatur kühlen.

Temperaturdifferenz und Masse sind beim Dampfprozess ganz entscheidend.

Dann hängt die umsetzbare Leistung der Turbine wesentlich von der Enthalpiedifferenz und dem Massenstrom ab

Des Weiteren nimmt mit steigendem Expansionsgrad der Massenstrom der Turbine zu.

52,3 bar; 565 °C; 3576 kJ/kG

1:52,3 Bar; 2575 kJ/kG und 15,6 kG/s --> 15,6 MW

0,046:52,3 Bar; 2290 kJ/kG und 267,7 kG/s --> 344,3 MW

Da spielen die 50 KW Pumpleistung wirklich keine Rolle. Ausschlagebend ist letzendlich der Expansionsgrad. Stichwort Isentrope Zustandsänderung. Der Expansiongrad richtet sich nach der Kondensationstemperatur. Ohne Wärmetauscher wäre die deutlich höher.

ML · Anmeldungsdatum: 17.04.2013 Beiträge: 3400

Hallo,

ich glaube, ich stand ganz schön auf dem Schlauch und hatte mir aus unerfindlichen Gründen vorgestellt, dass man den Dampf (isoliert von dem Entspannen) nochmal zusätzlich kühlt. Jetzt ist es klarer. Vielen Dank.

Viele Grüße
Michael

Thermodramatik · Gast

Hey,

Also das ding ist du musst das Wasser im Kondensator (Wärmetauscher genannt, wobei hier keine Temperatur Änderung geschieht) vollständig auskondensieren. Das ist dann nämlich das Wasser mit dem der Dampferzeuger wieder gespeist wird und so den Kreisprozess am laufen hält.

Nachdem der Dampf aus der Turbine kommt hat er einen sehr niedrigen Druck und eine geringe Temperatur. Trotzdem enthält er noch ziemlich viel Energie, mindestens die Energie die gebraucht wird um Wasser vom flüssigen in den gasförmigen Zustand zu bringen (Verdampfungsenthalpie). Die muss dem Wasser also wieder entnommen werden um den Zustand von gasförmig in flüssig (wieder nutzbar im Kreisprozess) zu ändern.

Energie teilt sich auf in anergie und exergie. Die anergie ist dabei die Energie die wir nicht mehr nutzen oder in Arbeit umwandeln können. Das kann man bei diesem Beispiel sehr anschaulich sehen. Mit der Entropie steigt die anergie. Somit ist die Entropie eine nützliche Größe zur Bestimmung des Wirkungsgrades

Grüße

Thermodramatik · Gast

Die Entropie hat die gleiche Einheit wie die enthalpie. Nämlich Joule, also Arbeit, also Energie. Mit dieser Energie kann aber nichts mehr angefangen werden also muss die raus aus unserem Stoff wenn wir diesen wieder in den Kreisprozess einspeisen und das geht nur wenn wir die Entropie abführen. Das geschieht im Kondensator bei der Temperatur die das gasförmige Wasser nach dem Austritt aus der Turbine hat, nämlich ca 40°C. Die Temperatur nach dem Wärmetauscher beträgt auch 40°C, obwohl Energie abgegeben wurde. Nur der Zustand hat sich von gasförmig zu flüssig geändert. Um das zu realisieren musste eben dem Wasser diese Energie angenommen werden

Hoffe ich konnte dir helfen! Konnte ich?

Grüße

franz · Anmeldungsdatum: 04.04.2009 Beiträge: 11583

Ich vermute mal drauflos, daß man Kernkraftwerke künftig besser an oder
in Wohnorten baut - für einen höheren Wirkungsgrad / Nutzung der Wärme?
(Bei Abschaltung von Verbrennungs - Kraftwerke.)
Thumbs up!