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Die Dampfturbine - Referat
Die Dampfturbine
Inhaltsverzeichnis:
1. Die Dampfturbine
2. Die „alte“ Dampfturbine
3. Die „neue“ Dampfturbine
4. Wie funktioniert sie?
5. Die Arten der Dampfturbine
6. Interessante Daten
1. Die Dampfturbine
Die ersten Turbinen wurden im Jahr 1629 von dem italienischen Architekten
Giovanni Branca entworfen, nachdem das Prinzip schon in der Antike erfunden wurde. Damals diente die Dampf-/Reaktionsturbine nur als Spielerei, hatte aber nie weitere Verwendung gefunden. Giovanni Branca setzte die Dampfturbine, die damals noch Propeller hieß (weil es keine Dampfturbine war) als Pulverstampfe ein.
Die ersten richtig einsetzbaren Dampfturbinen entwickelten der Schwede Carl Gustav Patrik de Laval (Reaktionsprinzip) 1883 und der Engländer Charles Parson (Aktionsprinzip). Anschließend baute Charles Curtis eine mehrstufige Turbine.
Die schwedischen Gebrüder Ljungström entwickelten vor dem Ersten Weltkrieg einen gegenläufigen Radialturbinentyp im Gegendruckbetrieb, mit einer Leistung bis zu 30 Megawatt. Prinzipbedingt ist dies die größte Leistung dieses Typs, deshalb werden Ljungströmturbinen in der heutigen Zeit nicht mehr gebaut.
(Aline Friedrich)
2. Die „alte“ Dampfturbine
Bei der ersten Turbine, von Giovanni Branca 1629, konnte man schon deutlich das
System der Turbinen erkennen. Dampf, erhitzt in einem Dampfkessel, strömt durch eine Düse auf das Turbinenrad, welches dadurch in drehende Bewegungen versetzt wird (verrichtet Arbeit).
Da ein hoher Druck im Kessel herrscht, wird der Dampf durch die Düse gedrückt
und dabei wandelt sich thermische (innere) Energie in Bewegungsenergie um. Daraus wiederum folgt, dass die thermische Energie fällt und damit auch die
Temperatur. Während der Dampf Arbeit verrichtet, nimmt die Bewegungsenergie ab und der Strom wird langsamer.
Gustav de Laval konstruierte eine leistungsfähigere Turbine, indem er sie mit
vier Düsen antrieb. Das Laufrad war größer und mehr Schaufeln waren darin eingebaut. Die Turbine schaffte 26.000 Umdrehungen in der Minute, daher wird sie auch Schnellläuferturbine genannt.
Erst jedoch der Ingenieur Charles Curtis (1860-1953) baute eine mehrstufige
Turbine, womit auch die geschwächte Bewegungsenergie genutzt wird und damit auch mehr Arbeit verrichtet werden kann. Da der Dampf schrittweise Bewegungs-energie abgibt, fällt seine Strömungsenergie, sowie die Temperatur.
Daraus folgt, dass der Dampf mehr Platz benötigt. Dies erklärt, warum die
Laufräder nach hinten größer werden.
(Nicole Neumann)
3. Die „neue“ Dampfturbine
Arbeitsweise der Dampfturbine
Die Arbeitsweise der Dampfturbine beruht auf dem thermodynamischen Prinzip. Bei der Entspannung sinkt die Temperatur des Dampfes, wobei seine innere Energie abnimmt. Während dieses Vorgangs wird die innere Energie in mechanische Energie umgewandelt, so dass man direkt eine große Menge an Arbeitsenergie erhält.
Dampf ,der durch die Düsen zur Entspannung strömt, nimmt kinetische(bewegte) Energie auf und gelangt anschließend auf die mit Schaufeln ausgestatteten Leit- und Laufräder. Die feststehenden Leiträder leiten den Dampf mit hoher Geschwindigkeit durch die Düsen auf die drehenden Schaufelräder zu. An dieser Stelle übt der schnell strömende Dampf einen entsprechenden Druck aus. Die Anordnung von Düsen und Schaufelrädern hängt von der Bauart der Turbine ab. Aufgrund der
Volumenzunahme bei der Expansion des Dampfes in den einzelnen Stufen einer
Turbine müssen die Öffnungen, durch die der Dampf strömt, von Stufe zu Stufe
größer werden. Beim Bau von Turbinen wird dies erreicht, indem man die
Schaufeln von Stufe zu Stufe verlängert und den Durchmesser von Leit- und
Laufrädern vergrößert. Daraus folgt, dass die Hochdruck- bzw. Eingangsseite
den kleinsten Durchmesser hat, die Niederdruck- bzw. Ausgangsseite hingegen
den größten. Da aber die Energie bei der Verbrennung von Kohle, Erdöl oder
Erdgas nur zu einem Drittel in elektrische Energie umgewandelt werden kann,
wird der Dampf von der Turbine in den Kondensator geleitet, um so eine
größere Druck- und Temperaturabnahme zu erreichen. Somit kann man dem Dampf
mehr Energie entziehen. Folglich liegt der Wirkungsgrad von Dampfturbinen
bei etwa 40-45 Prozent. Zwei Drittel der Energie gehen als Abwärme
verloren.(60-65 %).
Kühlturm
Der Kühlturm ist eine Anlage zur Senkung der Temperatur einer Flüssigkeit, meist Wasser. Durch Kontakt mit einem Luftstrom, wobei ein kleiner Teil der Flüssigkeit verdampft und der größere Teil abkühlt, wird dies erreicht. Kühlturme dienen zur Kühlung der Kondensatoren von Kraftwerken. Die Luft der Atmosphäre ist meist nicht mit Wasser gesättigt und kann zusätzlich Feuchtigkeit aufnehmen, bis die relative Luftfeuchtigkeit 100 Prozent beträgt, d.h. ganz einfach das die Luft auch noch einmal Feuchtigkeit aufnehmen kann. Die Absorption kann dadurch unterstützt werden, dass das Wasser in kleine Tröpfchen zerteilt wird, wodurch sich die Oberfläche des Wassers und damit die Verdunstung erhöht. Die erforderliche Verdunstungsenergie wird dem Wasser, das nicht verdunstet, entzogen, wodurch seine Temperatur sinkt. Die Verdunstung von einem Kilogramm Wasser ergibt 0,63 Kilowattstunden Energie für die Kühlung des übrigen Wassers und die Erwärmung des Luftstromes. Doch diese Methode hat die unvermeintliche Nebenwirkung, dass sich die Luft erwärmt. In der Praxis entstehen bei Kühltürmen je nach Betriebsbedingungen Wasserverluste von zwei bis fünf Prozent. Das heiße Wasser wird zunächst über Rohrleitungen oben in das Kühlaggregat und durch ein Sieb geleitet, wodurch das Wasser in kleine Tröpfchen gespalten wird. Bei großen Kühltürmen befinden sich mehrere solcher Siebe übereinander. (Beim Heruntertropfen kommt das Wasser mit der aufsteigenden Luft in Kontakt. In kleinen Kühltürmen tropft das Wasser einfach über eine Reihe von Latten. In sehr kleinen Kühltürmen sorgt die Eigenschaft erwärmter Luft, nach oben zu steigen, für den Luftstrom). Die meisten größeren Anlagen erfordern jedoch, dass die Luft über Siebe geblasen wird. Dabei kann der Luftstrom mit einem Saugventilator im oberen Teil der Anlage oder einem Gebläse im unteren Teil erzeugt werden. Die großen Kühltürme von Atomkraftwerken, die häufig mit dem Kraftwerk selbst gleichgesetzt werden, sind eigenständige Anlagen und setzen keine Radioaktivität frei. Auch in Kohle- oder Ölbetriebenen Kraftwerken setzt man Kühltürme ein. Die Kühltürme sind ein bedeutender Kostenfaktor eines Kraftwerkes. Es gibt zwar eine Alternative zu den Kühltürmen, nämlich eine große Menge des erwärmten Wassers in Seen oder Flüsse abzuleiten, was aber äußerst umweltschädlich ist, wie es sich herausgestellt hat.
(Natalie Powrosnik)
5. Die Arten der Dampfturbine
Dampfturbinen kann man in zwei verschiedene Arten einteilen:
Druck-Energie-Umwandlung
Dampfstromrichtung.
Druck-Energie-Umwandlung:
Bei der Aktionsturbine ist der Druck vor und hinter dem Laufrad gleich. Die Umwandlung erfolgt nur in der Leiteinrichtung.
Beispiele für Aktionsturbinen:
Laval-Turbine (ein Rad),
Zoelly-Rateau-Turbine (mehrere Laufräder mit vorgeschalteten Leiträdern)
Curtis-Turbine (Dampfumlenkung in der Leiteinrichtung)
Dampfstromrichtung:
Man kann Dampfturbinen auch nach ihrer Dampfstromrichtung unterscheiden.
Es gibt Radialturbinen und Axialturbinen.
Da bei Axialturbinen, das Dampfvolumen zunimmt, muss auch die Länge der Schaufeln zunehmen.
Bei der Radialturbine strömt der Dampf von Innen nach Außen. Dieser Turbinentyp arbeitet mit feststehenden Schaufeln. (Die Radialturbine ist insgesamt am Effektivsten)
(Nadine Selinger)
6. Interessante Daten
Das weltweit größte Wasserkraftwerk, welches mit 18-Francis-Turbinen ausgestattet ist, befindet sich in Itaipu in Brasilien. Diese Wasserturbinen haben je eine Leistung von 700 Megawatt, was im Endeffekt eine Gesamtleistung von 12 600 Megawatt ergibt. Das Kraftwerk wurde vor einem Jahr mit noch 2 weiteren Turbinen ausgestattet, die nun eine Leistung von insgesamt 14 000 Megawatt erreichen.
Auch in Deutschland gibt es zwei leistungsstarke Anlagen: das Laufwasserkraftwerk in Jochenstein (Bayern-Österreich, an der Donau) und in Schwörstadt-Riburg (Baden-Württemberg- Schweiz, am Rhein).
(Nadine Selinger)
Quellenverzeichnis: Encarta Professionel 2003
Internetrecherche
Deutsches Museum (München)
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