Ericsson-Zyklus

Aus SystemPhysik
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Der Ericsson-Zyklus ist wie der Carnot-Zyklus oder der Stirling-Zyklus ein reversibler Kreisprozess des idealen Gases, der zwischen zwei Wärmebädern der Temperatur T12 und Temperatur T34 abläuft. Im Gegensatz zum Carnot- oder zum Stirling-Zyklus verlaufen die beiden Prozesse, bei denen die Temperatur abgesenkt oder angehoben werden, isobar.

Teilprozesse

  • isotherme Expansion von 1 nach 2: Das Gas nimmt Entropie aus dem heissen Bad auf und gibt die damit aufgenommene Energie (Wärme) in Form von Arbeit an den verschiebbaren Kolben weiter. Die innere Energie des Gases bleibt bei diesem Prozess konstant.
  • isobares Abkühlen von 2 nach 3: Das Gas gibt Entropie an den Regenerator weg. Die von der Entropie an den Regenerator weg geführte Energie (Wärme) wird teilweise vom Gas geliefert (innere Energie nimmt ab). Ein Teil wird aber auch vom Kolben zugeführt. Die an den Regenerator abgegebene Wärmeenergie entspricht der Änderung der Enthalpie des Gases.
  • isotherme Kompression von 3 nach 4: Das Gas gibt Entropie ans kalte Bad ab. Die dabei abgeführte Energie (Wärme) muss vom Kolben zugeführt werden, da die innere Energie des Gases wie beim ersten Teilprozess konstant bleibt.
  • isobares Heizen von 4 nach 1: Das Gas nimmt Entropie vom Regenerator auf. Die damit zugeführte Energie (Wärme) bleibt teilweise im Gas drin (innere Energie nimmt zu). Ein Teil der Energie geht aber auch in Form von Arbeit an den Kolben weg. Die vom Regenerator gelieferte Wärmeenergie entspricht der Änderung der Enthalpie des Gases.

Wie beim Stirling-Zyklus verändert sich die Entropie des Gases beim Absenken und Anheben der Temperatur. Würde das Gas diese Entropie beim Kühlen unkontrolliert ans kalte Bad abgeben und beim Heizen vom warmen Bad beziehen, würde die thermisch hinunter fallende Entropie weitere Entropie erzeugt. Dies würde den Wirkungsgrad des Zyklus vermindern. Dank der Zwischenspeicherung im Regenerator wird im Idealfall keine Entropie erzeugt und der Zyklus erreicht den Carnot-Wirkungsgrad von

[math]\eta_C=1-\frac{T_{34}}{T_{12}}[/math]

Ohne Regenerator wäre der Wirkungsgrad bestenfalls gleich

[math]\eta=\frac{W_{nutz}}{W_{zu}}=\frac{T_{12}-T_{34}}{T_{12}+\frac{c_p}{\Delta s}(T_{12}-T_{34})}[/math]

wobei cp für die spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck steht und mit Δs die Änderung der spezifischen Entropie bei der isothermen Expansion gemeint ist (nutzbare Entropie pro Kilogramm Gas). Der Wirkungsgrad wird grösser, falls pro Zyklus vom Gas mehr Entropie bei konstanter Temperatur aufgenommen wird.