Thermische Maschinen: Aufbau, Funktion und Typen im Überblick

Thermische Maschinen: Definition und Funktion

Thermische Maschinen wandeln thermische Energie in mechanische Energie um oder umgekehrt.

Klassifizierung Thermischer Maschinen

Maschinen mit Äußerer Verbrennung

• Kolbenmaschinen (Alternativ): Dampfmaschinen (Einfach- und Doppelwirkung).
• Rotationsmaschinen: Dampfturbinen (mit geschlossenem Kreislauf).

Maschinen mit Innerer Verbrennung (Verbrennungsmotoren)

• Kolbenmaschinen (Alternativ): Otto-Motor (Viertakt) und Dieselmotor (Viertakt und Zweitakt).
• Rotationsmaschinen: Wankel-Motor, Gasturbinen (Open-Cycle-Anlagen).

Grundprinzip der Wärmekraftmaschinen

Eine Wärmekraftmaschine ist eine Motor-Maschine, die thermische Energie (Wärme) in mechanische Energie umwandelt.

Thermische Verbrennungsmaschinen

Der Kraftstoff verbrennt in der Maschine und die dabei entstehenden Gase sind für den Antrieb der Arbeit verantwortlich. Diese Maschinen integrieren einen Kolben und eine Kurbelwelle, welche die alternierende Bewegung in eine Rotationsbewegung umwandeln.

Die Kolben-Dampfmaschine (Historie und Aufbau)

Der schottische Ingenieur James Watt führte im Jahr 1769 eine sichere und wirksame Dampfmaschine ein. Auch San Francisco Pontius und Francesc Salva führten mehrere Versuche durch. Im Jahr 1085 baute San F. Pontius die erste katalanische Dampfmaschine.

Funktionsweise der Dampfmaschine

Die Operation basiert auf folgenden Komponenten:

• Der Kessel besteht aus einem Behälter, der Wasserdampf durch die Abwärme der Verbrennung eines brennbaren Stoffes erzeugt.
• Der im Kessel erzeugte Dampf erzeugt Druck und wird durch den Steuerschieber in den Zylinder geleitet.
• Dieser Steuerschieber verteilt den Dampf abwechselnd auf die eine und die andere Seite des Zylinders, wodurch die Kraft durch Druck beschleunigt wird.

Der Steuerschieber (Dampfverteilung)

Der Steuerschieber kann doppelte Wirkung haben, da er abwechselnd Dampf von beiden Enden des Zylinders einführt. Es gab auch Maschinen einfacher Wirkung, bei denen der Dampf nur an einem Ende eingeführt wurde.

Der Fliehkraftregler (Geschwindigkeitskontrolle)

Eine Welle rotiert mit einer Geschwindigkeit, die proportional zur Hauptachse der Maschine ist. An dieser Achse sind zwei schwere Metallkugeln befestigt. Wenn die Geschwindigkeit der Maschine steigt, wird die Zentrifugalkraft auf die Kugeln größer.

Die Verschiebung der Kugeln bewirkt, dass der Zugang zu einem Dampfventil in den Zylinder verengt wird, was zu einer Abnahme der Geschwindigkeit der Maschine führt. Wenn die Kugeln absinken, öffnet sich das Dampfventil wieder und die Dampfmaschine beschleunigt erneut.

Die Dampfturbine: Rotationsmaschinen

Dampfturbinen sind Rotationsmaschinen, die keinen alternativen Mechanismus wie Kolben oder Kurbelwellen benötigen. Für die Operation benötigen Turbinen eine Kesselleistung, die sehr große Mengen Dampf erzeugt.

Typen von Dampfturbinen

1. Aktionsturbine (Impulsturbine): Der im Kessel erzeugte Dampf strömt in die Turbine, wo feststehende Leitschaufeln den Dampf auf die Schaufeln an der Peripherie eines rotierenden Rotors lenken.
2. Aktions- und Reaktionsturbine (Überdruckturbine): Der Dampf trifft die Schaufeln auf einem rotierenden Rotor und dreht diesen durch eine Kombination aus Impuls und Überdruck.

Vergleich: Benzin- vs. Dieselmotoren

Vorteile des Benzinmotors

Benzinmotoren sind recht klein und leicht, ermöglichen eine schnelle Beschleunigung und die Energie ist günstiger als beim Dieselmotor.

Nachteile des Benzinmotors

Der Dieselmotor verbraucht weniger Kraftstoff und Benzin ist teurer als Diesel. Zudem benötigt der Benzinmotor mehr Wartung.