Rankine-Zyklus

Aus SystemPhysik
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Rankine-Prozess, Schaltbild

Der Rankine-Prozess, ein thermodynamischer Kreisprozess, der nach dem Schottischen Ingenieur William John Macquorn Rankine benannt ist, dient als Vergleichsprozess für das Dampfkraftwerk in seiner einfachsten Konstellation mit Turbine T, Kondensator Ko, Speisepumpe Sp und Kessel mit Überhitzer Ke. In Dampfkraftwerken wird ein Arbeitsmittel (meist Wasser, aber beispielsweise auch Ammoniak) bei hohem Druck verdampft und bei niedrigem Druck kondensiert. Dazwischen setzt der Dampf über der Turbine Prozessleistung frei. Das Arbeitsmittel wird in einem geschlossenen Kreislauf geführt.

Die vier Zustandsänderungen

Der Rankine-Zyklus lässt sich in vier Teilprozesse zerlegen. Beginnen wir mit dem heissen Dampf, der vom Verdampfer zur Turbine strömt. Die Nummerierung folgt der Skizze.

  • 1 bis 2: adiabate Expansion des Dampfes in der Turbine (im Idealfall verläuft dieser Prozess isentrop)
  • 2 bis 3: isobare und isotherme Kondensation des Dampfes im Kondensator durch Kühlung mittels eines Kühlwasserkreislaufes
  • 3 bis 4: adiabate (ideal: isentrope) Druckerhöhung durch die Kesselspeisepumpe (die Speisepumpe fördert das Kondensat in den Dampfkessel)
  • 4 bis 1: isobare Wärmezufuhr im Dampfkessel, wobei das Wasser zunächst bis zum Verdampfungspunkt erwärmt wird, dann verdampft und schliesslich noch eine weitere Erwärmung, die sogenannte Überhitzung, erfährt.

Theorie

Realer Prozess

Die übliche maximale Temperatur im fossil beheizten Dampfkraftwerk liegt heute bei 570 °C, der Druck bei 250 bar. Eine Zwischenüberhitzung ist dabei zwingend erforderlich. Der Druck im Kondensator liegt - abhängig von der Kühlung - bei etwa 0,03 bar (also Unterdruck) entsprechend einer Temperatur von etwa 25°C. In Kernkraftwerken wird nur Sattdampf mit einer Temperatur unterhalb 300 °C erzeugt. Eine Überhitzung des Frischdampfes ist dort nicht möglich, lediglich eine Zwischenüberhitzung mittels Frischdampf.

Beim realen Kraftwerksprozess ist die Turbine zwar weitestgehend adiabat, aber durch Drossel-, Stoß- und Reibungsvorgänge (Dissipation) wird die Arbeit nicht vollständig an die Welle abgegeben, die Entropie nimmt zu. Bei großen Turbinen liegt der Gütegrad etwa bei 0,9. Weiter sind wirkungsgradmindernd die Strömungsdruckverluste in der Anlage, insbesondere im Kessel (keine isobare Vorwärmung und keine isobare bzw. isotherme Verdampfung, insbesondere keine isobare Überhitzung). Auch die Speisepumpe arbeitet nicht isentrop.