Funktionsweise von Dampfmaschinen und Dampfturbinen
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Externe Verbrennungsmotoren
Dampfmaschine
Die wichtigsten Elemente der Dampfmaschine und ihre Aufgaben:
- Feuerung (Home): Ein Element außerhalb der Maschine, in dem der Verbrennungsprozess stattfindet.
- Kessel (Caldera): Ein Behälter, in dem Dampf erzeugt wird. Eine Pumpe befördert das Wasser unter hohem Druck in den Kessel. Dort wird das Wasser erwärmt, verdampft und in einem Überhitzer weiter erhitzt, wobei der Druck erhalten bleibt. Schließlich strömt der überhitzte Dampf in den Zylinder.
- Zylindermotor: Er besteht aus dem Verteilerkasten, dem Schieber und dem Kolben. Innerhalb des Zylinders dehnt sich der Dampf aus und bewegt den Kolben, wodurch die Energie übertragen wird. Die Funktion des Schiebers ist es, den Dampf in den Zylinder zu leiten. Der Dampf verliert bei der Expansion an Druck und Temperatur, kondensiert teilweise und gelangt in einen Kondensator, wo er unter Wärmeabgabe an ein Kühlmittel vollständig verflüssigt wird. Die kondensierte Flüssigkeit wird anschließend durch eine Pumpe zurück in den Kessel befördert, um den Zyklus zu schließen.
Dampfturbine
Dampfturbinen sind ein alternativer Mechanismus zur Nutzung der Dampfexpansion. In ihnen wird der Dampf durch Düsen geleitet, die direkt auf die Schaufeln eines Rades gerichtet sind, welches mit einer Geschwindigkeit von ca. 10.000 U/min rotiert. Beim Durchströmen verliert der Dampfstrahl an Druck und gewinnt an Geschwindigkeit, während die Strömung tangential auf die Schaufeln trifft.
Dieses Gerät hat den Vorteil, dass es ohne Zylinder und komplexe Bewegungsorgane auskommt, wodurch die Leistung höher ist. Das Grundschema entspricht dem Rankine-Zyklus der Dampfmaschine. Zur Verbesserung der Gesamtleistung werden häufig Modifikationen vorgenommen, wie etwa die Zwischenüberhitzung des Dampfes während der Expansion oder das Vorwärmen des Speisewassers durch Dampfentnahme. Dampfturbinen werden heute in Kraftwerken zur Stromerzeugung, im Schiffsantrieb, in Hochöfen sowie in KWK-Anlagen eingesetzt.