Thermische Maschinen: Typen und Funktionsweise

Eine thermische Maschine ist ein Gerät oder System, das durch den Austausch von Wärme und Arbeit mit seiner Umgebung funktioniert. Es wandelt eine Substanz durch einen zyklischen Prozess oder eine Folge von Operationen um. Nach jedem Zyklus kehrt die Substanz in ihren ursprünglichen Zustand zurück und beginnt einen neuen Zyklus. Sie kann als Motor fungieren, wenn sie Wärme in Arbeit umwandelt, oder als Kühl- oder Wärmepumpe, wenn sie Arbeit in Wärme umwandelt.

Die Maschinen verwandeln mechanische Energie in Wärme und umgekehrt. Wenn sie Wärme in Arbeit umwandeln, funktionieren sie wie ein Motor. Wenn sie jedoch Arbeit in Wärme umwandeln, dienen sie als Wärmepumpe.

Ende des 18. Jahrhunderts, zu Beginn der industriellen Revolution, entstand die erste thermische Maschine: die Dampfmaschine.

Klassifizierung thermischer Maschinen

Thermische Maschinen werden wie folgt klassifiziert:

• Externe Verbrennung: Die Energie wird durch Verbrennung außerhalb der Maschine erzeugt. Die Arbeit wird durch eine Antriebsvorrichtung gewonnen.
• Interne Verbrennung: Die Reaktion des Kraftstoffs erfolgt innerhalb der Maschine, und die entstehenden Gase treiben den Motor an.

Interne und externe Verbrennungsanlagen

• Alternative: Ein Kolben mit geradliniger Bewegung und eine Kurbelwelle wandeln die Bewegung in eine Drehbewegung um.
• Rotative: Sie erzeugen direkt eine Drehbewegung.

Verbrennungsmotoren

• Ottomotoren: Die Verbrennung des Kraftstoffs wird durch einen Funken ausgelöst, der ein Gas expandiert und einen Kolben antreibt.
• Dieselmotoren: Die Verbrennung erfolgt durch Selbstzündung des Kraftstoffs aufgrund hoher Temperatur und hohem Druck.

Weitere Details zu thermischen Maschinen

Thermische Maschinen wandeln mechanische Energie in Wärmeenergie um und umgekehrt. Ein Motor ist eine Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt.

Wärmekraftmaschinen mit externer Verbrennung

Der Brennstoff verbrennt außerhalb der Maschine, und die freigesetzte Wärme wird verwendet, um Wasser zu erhitzen und zu verdampfen. Der Dampf wird dann verwendet, um die Arbeit zu verrichten.

Wärmekraftmaschinen mit interner Verbrennung

Der Brennstoff verbrennt innerhalb der Maschine, und die bei der Verbrennung entstehenden Gase werden verwendet, um die Arbeit zu verrichten. Bei alternativen Maschinen bewegen sich die Kolben geradlinig, und die Mechanismen der Kurbelwelle wandeln diese Bewegung in eine Drehbewegung um. Diese Drehbewegung erfolgt direkt bei rotierenden Maschinen.

Alternative Dampfmaschine

Die alternative Dampfmaschine löste die industrielle Revolution aus. James Watt patentierte sie 1769. Im 18. Jahrhundert, dem sogenannten Dampfjahrhundert, führten die Katalanen Francesc Santponç und Saiva sie in Barcelona ein. 1805 wurde die erste katalanische Dampfmaschine von Santponç gebaut.

Funktionsweise

Der im Kessel erzeugte Dampf wurde mit hohem Druck in den Zylinder geleitet. Der Dampf übte auf der einen Seite des Zylinders eine Kraft aus und bewegte den Kolben. Durch die Kurbelwelle wurde die Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umgewandelt. Die Drehzahl der Maschine wurde durch einen Fliehkraftregler gesteuert.

Wankelmotor

Der Wankelmotor führt eine Drehung der Antriebswelle durch, wobei dreimal der Otto-Zyklus pro Umdrehung des dreieckigen Rotors ausgeführt wird. Er wurde 1963 von Felix Wankel entwickelt. Er hatte jedoch wenig Erfolg und verbrauchte viel Benzin.

Rotierende Dampfmaschine

Rotierende Dampfmaschinen verwenden Dampfturbinen und Generatoren bzw. Propeller. Die Dampfturbine wird durch Dampf angetrieben, der aus Düsen austritt und ein Rad in Bewegung setzt. Die ersten Maschinen dieser Art erreichten Leistungen von über 4.000.000 kW.

Alternative Verbrennungsmotoren

Alternative Verbrennungsmotoren verwenden keinen Dampf als Zwischenelement. Die Verbrennung erfolgt innerhalb des Zylinders. Sie können nach dem Otto- oder dem Diesel-Zyklus arbeiten und als Zweitakt- oder Viertaktmotoren ausgeführt sein.

Viertaktmotoren

Der Viertaktmotor wurde 1876 vom deutschen Ingenieur Nikolaus Otto entwickelt. Er verwendet Benzin als Kraftstoff und eine Kurbelwelle, um die geradlinige Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umzuwandeln.

1. Ansaugen: Der Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT), und das Kraftstoff-Luft-Gemisch tritt ein.
2. Verdichten: Das Einlassventil schließt sich, und der Kolben bewegt sich nach oben, wodurch das Gemisch verdichtet wird.
3. Explosion: Ein Funke zündet das Gemisch, und der Kolben wird nach unten gedrückt.
4. Ausstoßen: Das Auslassventil öffnet sich, und der Kolben bewegt sich nach oben, wodurch die Abgase ausgestoßen werden.

Zweitaktmotoren

Zweitaktmotoren sind einfacher aufgebaut und verwenden ein Benzin-Öl-Gemisch zur Schmierung. Die Takte 1 und 2 sowie 3 und 4 werden jeweils zusammengefasst.

Dieselmotoren

Bei Dieselmotoren wird die Verbrennung durch Selbstzündung des Kraftstoffs ausgelöst. Zuerst wird Luft angesaugt und verdichtet. Dann wird Dieselkraftstoff eingespritzt, der sich durch die hohe Temperatur und den hohen Druck selbst entzündet.

Ottomotoren

Ottomotoren sind fremdgezündete Motoren, deren Prozess in vier Takten abläuft. Im ersten Takt bewegt sich der Kolben zum oberen Totpunkt (OT) und erzeugt einen Unterdruck, der das Einlassventil öffnet, wodurch Luft eingespritzt wird (gefiltert und erwärmt). Wenn der Kolben den unteren Totpunkt (UT) erreicht, schließt das Einlassventil. Im zweiten Takt steigt der Kolben durch die Trägheit wieder an und verdichtet die Luft im Zylinder, bis er sein minimales Volumen am OT erreicht. Dadurch steigen Druck und Temperatur, es findet eine adiabatische Kompression statt. Im dritten Takt wird der Kraftstoff durch die Einspritzdüsen eingespritzt und der Funke ausgelöst, wodurch die Explosion erfolgt. In diesem Moment steigen Druck und Temperatur bei konstantem Volumen (isochore Zustandsänderung). Es findet eine adiabatische Expansion statt, die den Kolben zum UT drückt. Diese Phase erzeugt Arbeit in Form einer geradlinigen Bewegung des Kolbens. Im vierten Takt, kurz bevor der Kolben den UT erreicht, öffnet sich das Auslassventil, und die verbrannten Gase verlieren Druck bei konstantem Volumen (momentan). Dann verlassen die Gase den Zylinder, und der Zyklus beginnt von neuem.

Zweitaktmotoren

Zweitaktmotoren sind fremdgezündete Motoren, deren Prozess in zwei Takten abläuft. Zuerst wird das Gemisch durch den am OT befindlichen Kolben verdichtet, wodurch der Ansaugkanal zum Gehäuse geöffnet wird. Dann erzeugt der Funke der Zündkerze die Explosion. Im zweiten Takt findet die adiabatische Expansion statt, und der Kolben wird zum UT gedrückt, wodurch der Ansaugkanal blockiert und der Auslasskanal geöffnet wird. Durch die Wirkung des Kolbens gelangt der Kraftstoff zum oberen Gehäusezylinder, während die verbrannten Gase ausgestoßen werden. Der Kolben steigt durch die Trägheit wieder an, und der Zyklus beginnt von neuem.

Wankelmotor

Der Wankelmotor erzeugt in einem Viertaktzyklus eine einzige Drehung der Motorwelle. Zuerst wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Bewegung des dreieckigen Rotors und die Drehung der Exzenterwelle verdichtet. Dann erfolgt die Explosion in einem Moment konstanten Volumens. Anschließend treibt die Expansion den Rotor mit einer Drehbewegung an und erzeugt so den ersten Arbeitssatz direkt an der Motorwelle, was die Motorleistung in dieser Hinsicht verbessert. Die Gase entweichen spiralförmig aus dem Auslass, und der Zyklus beginnt von neuem. Dieser Motor wurde nicht lange entwickelt, da er Probleme mit der Reibung und der Motorkühlung aufwies.

Offene Gasturbinen

Die angesaugte Luft wird verdichtet, die Gase werden eingeleitet und die Verbrennung beginnt. Diese Gasturbinen werden mit hohen Drehzahlen betrieben. Dies führt zur Erzeugung von Arbeit, obwohl ein Teil davon zum Antrieb des Kompressors verwendet wird. Bei Strahltriebwerken gibt es keinen Funken, und die Kraftstoffeinspritzung und Verbrennung erfolgen kontinuierlich.

Kältemaschine

Der Kompressor erzeugt eine adiabatische Kompression der Gase, und im Kondensator wird das Gas verflüssigt und gibt Wärme an die heiße Quelle (Qh) ab. Dabei findet eine isotherme Kompression statt, die bei der Zustandsänderung die latente Wärme überträgt, sodass die Temperatur konstant gehalten wird. Dann erfolgt eine adiabatische Expansion, nachdem das Expansionsventil die Kapillare entfernt hat, wodurch Druck und Temperatur sinken und die Flüssigkeit zu verdampfen beginnt. Diese Gase gelangen in den Verdampfer, der eine isotherme Expansion bei niedrigem Druck erzeugt. Die Flüssigkeit verdampft und absorbiert Wärme aus der Umgebung (Qc), da sich der Zustand ändert.

Alternative Verbrennungsmotoren

Alternative Verbrennungsmotoren verwenden keinen Dampf als Zwischenelement. Die Verbrennung erfolgt innerhalb des Zylinders. Sie können nach dem Otto- oder dem Diesel-Zyklus arbeiten und als Zweitakt- oder Viertaktmotoren ausgeführt sein.

Viertaktmotoren

Der Viertaktmotor wurde 1876 vom deutschen Ingenieur Nikolaus Otto entwickelt. Er verwendet Benzin als Kraftstoff und eine Kurbelwelle, um die geradlinige Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung umzuwandeln.

1. Ansaugen: Der Kolben bewegt sich vom oberen Totpunkt (OT) zum unteren Totpunkt (UT), und das Kraftstoff-Luft-Gemisch tritt ein.
2. Verdichten: Das Einlassventil schließt sich, und der Kolben bewegt sich nach oben, wodurch das Gemisch verdichtet wird.
3. Explosion: Ein Funke zündet das Gemisch, und der Kolben wird nach unten gedrückt.
4. Ausstoßen: Das Auslassventil öffnet sich, und der Kolben bewegt sich nach oben, wodurch die Abgase ausgestoßen werden.

Zweitaktmotoren

Zweitaktmotoren sind einfacher aufgebaut und verwenden ein Benzin-Öl-Gemisch zur Schmierung. Die Takte 1 und 2 sowie 3 und 4 werden jeweils zusammengefasst.

Dieselmotoren

Bei Dieselmotoren wird die Verbrennung durch Selbstzündung des Kraftstoffs ausgelöst. Zuerst wird Luft angesaugt und verdichtet. Dann wird Dieselkraftstoff eingespritzt, der sich durch die hohe Temperatur und den hohen Druck selbst entzündet.

Ottomotoren

Ottomotoren sind fremdgezündete Motoren, deren Prozess in vier Takten abläuft. Im ersten Takt bewegt sich der Kolben zum oberen Totpunkt (OT) und erzeugt einen Unterdruck, der das Einlassventil öffnet, wodurch Luft eingespritzt wird (gefiltert und erwärmt). Wenn der Kolben den unteren Totpunkt (UT) erreicht, schließt das Einlassventil. Im zweiten Takt steigt der Kolben durch die Trägheit wieder an und verdichtet die Luft im Zylinder, bis er sein minimales Volumen am OT erreicht. Dadurch steigen Druck und Temperatur, es findet eine adiabatische Kompression statt. Im dritten Takt wird der Kraftstoff durch die Einspritzdüsen eingespritzt und der Funke ausgelöst, wodurch die Explosion erfolgt. In diesem Moment steigen Druck und Temperatur bei konstantem Volumen (isochore Zustandsänderung). Es findet eine adiabatische Expansion statt, die den Kolben zum UT drückt. Diese Phase erzeugt Arbeit in Form einer geradlinigen Bewegung des Kolbens. Im vierten Takt, kurz bevor der Kolben den UT erreicht, öffnet sich das Auslassventil, und die verbrannten Gase verlieren Druck bei konstantem Volumen (momentan). Dann verlassen die Gase den Zylinder, und der Zyklus beginnt von neuem.

Zweitaktmotoren

Zweitaktmotoren sind fremdgezündete Motoren, deren Prozess in zwei Takten abläuft. Zuerst wird das Gemisch durch den am OT befindlichen Kolben verdichtet, wodurch der Ansaugkanal zum Gehäuse geöffnet wird. Dann erzeugt der Funke der Zündkerze die Explosion. Im zweiten Takt findet die adiabatische Expansion statt, und der Kolben wird zum UT gedrückt, wodurch der Ansaugkanal blockiert und der Auslasskanal geöffnet wird. Durch die Wirkung des Kolbens gelangt der Kraftstoff zum oberen Gehäusezylinder, während die verbrannten Gase ausgestoßen werden. Der Kolben steigt durch die Trägheit wieder an, und der Zyklus beginnt von neuem.

Wankelmotor

Der Wankelmotor erzeugt in einem Viertaktzyklus eine einzige Drehung der Motorwelle. Zuerst wird das Luft-Kraftstoff-Gemisch durch die Bewegung des dreieckigen Rotors und die Drehung der Exzenterwelle verdichtet. Dann erfolgt die Explosion in einem Moment konstanten Volumens. Anschließend treibt die Expansion den Rotor mit einer Drehbewegung an und erzeugt so den ersten Arbeitssatz direkt an der Motorwelle, was die Motorleistung in dieser Hinsicht verbessert. Die Gase entweichen spiralförmig aus dem Auslass, und der Zyklus beginnt von neuem. Dieser Motor wurde nicht lange entwickelt, da er Probleme mit der Reibung und der Motorkühlung aufwies.

Offene Gasturbinen

Die angesaugte Luft wird verdichtet, die Gase werden eingeleitet und die Verbrennung beginnt. Diese Gasturbinen werden mit hohen Drehzahlen betrieben. Dies führt zur Erzeugung von Arbeit, obwohl ein Teil davon zum Antrieb des Kompressors verwendet wird. Bei Strahltriebwerken gibt es keinen Funken, und die Kraftstoffeinspritzung und Verbrennung erfolgen kontinuierlich.

Kältemaschine

Der Kompressor erzeugt eine adiabatische Kompression der Gase, und im Kondensator wird das Gas verflüssigt und gibt Wärme an die heiße Quelle (Qh) ab. Dabei findet eine isotherme Kompression statt, die bei der Zustandsänderung die latente Wärme überträgt, sodass die Temperatur konstant gehalten wird. Dann erfolgt eine adiabatische Expansion, nachdem das Expansionsventil die Kapillare entfernt hat, wodurch Druck und Temperatur sinken und die Flüssigkeit zu verdampfen beginnt. Diese Gase gelangen in den Verdampfer, der eine isotherme Expansion bei niedrigem Druck erzeugt. Die Flüssigkeit verdampft und absorbiert Wärme aus der Umgebung (Qc), da sich der Zustand ändert.