Clausius-Rankine-Kreisprozess

Die meisten thermischen Kraftwerke (Kohle- und Kernkraft) basieren auf dem Clausius-Rankine-Kreisprozess. Speziell an diesem Kreisprozess ist das Fluid: Es handelt sich hierbei um Wasser und/oder Wasserdampf, wobei die grosse spezifische Verdampfungswärme von Wasser ausgenützt wird. Die Wärmekraftmaschine (WKM) ist in diesem Fall eine ganze Anlage. Die Dampfturbine macht nur eine Zustandsänderung aus (Prozessschritt 3 ➝ 4).

Funktionsweise der Anlage

Bei jedem thermischen Kraftwerk steht eine Wärmequelle am Anfang. Bei Kohlekraftwerken ist das die Verbrennung von Kohle. Bei Kernkraftwerken ist es die Wärme, die aus der physikalischen Reaktion der Kernspaltung entsteht. Diese Wärme wird an einen geschlossenen Wasser-Dampfkreislauf übergeben, der unter Druck steht. Durch Wärmeleitung wird die Wärme in einem sog. Wärmetauscher an das Wasser übergeben.

Damit das Wasser nicht schon bei 100 °C siedet, wird mit einer Pumpe auf knapp 70 bar Druck gebracht. Das Wasser siedet in den Rohren des Wärmetauschers zu Wasserdampf, d.h. es nimm sehr viel Wärme \(Q_{in}\) auf.

Der Wasserdampf gelangt in die Dampfturbine, wo er entspannt wird. Der Dampf gibt seinen Druck ab und leistet an der Dampfturbine die Arbeit \(W_{out}\). Die Drehbewegung der Welle wird auf den Generator übertragen, der die mechanische Arbeit in elektrische Arbeit umwandelt.

Der entspannte Dampf ist kurz vor dem Kondensieren. Damit keine Wassertropfen die Dampfturbine beschädigen, verlässt der Dampf die Dampfturbine und wird dann in den Kondensator geleitet. Das ist ein weiterer Wärmetauscher in welchem der Dampf seine Wärme abgibt und zu Wasser kondensiert. Hier gibt die Anlage ihre grosse Menge an Abwärme \(Q_{out}\) ab, die mittels Flusskühlung oder einem Kühlturm an die Umgebung abgegeben wird.

Clausius-Rankine-Kreisprozess im p,V-Diagramm

Der ideale Clausius-Rankine-Kreisprozess ist im nachfolgenden p,V-Diagramm dargestellt. Speziell an diesem Diagramm ist das Zweiphasengebiet in welchem Wasser, sowohl als flüssiges Wasser, wie auch als Wasserdampf vorkommt. Links des Zweiphasengebiets (links der Siedelinie) haben wir ausschliesslich flüssiges Wasser, rechts davon (rechts der Kondensationslinie) ausschliesslich gasförmigen Wasserdampf. Dass das Flüssigkeits- und das Gasgebiet nicht streng getrennt sind, hat damit zu tun, dass bei sehr hohem Druck Wasserdampf nahtlos von der Gas- in die Flüssigphase übergeht. Hier spricht man nicht mehr von einer Flüssigkeit oder einem Gas, sondern von einem superkritischen Fluid.

1 ➝ 2 : Adiabatische Erhöhung des Drucks: Das Wasser wird in der Pumpe unter Druck gesetzt. Da Wasser praktisch inkompressibel ist, ist diese Zustandsänderung praktisch isochor

2 ➝ 3 : Isobare Wärmeaufnahme: Im Wärmetauscher wird viel Wärme \(Q_{in}\) aufgenommen. Das Wasser druchläuft dabei das 2-Phasengebiet und verdampft komplett zu Wasserdampf.

3 ➝ 4 : Adiabatische Expansion: In der Dampfturbine wird der Wasserdampf entspannt. Dabei gibt er Arbeit \(W_{out}\) ab und wird kühler.

4 ➝ 1 : Isobare Wärmeabgabe: Der Dampf, der kurz vor dem Kondensieren ist, wird im Kondensator abgekühlt, d.h. er gibt seine Wärme \(Q_{out}\) und kondensiert dabei wieder zu Wasser.

Wir erinnern uns, dass die eingeschlossene Fläche die Netto-Arbeit anzeigt, die die WKM abgeben kann. Beim Clausius-Rankine-Kreisprozess ist diese Fläche vor allem darum so gross, wiel sie oben eine breitere Form hat, als bei den anderen WKM. Das damit zu tun, dass bei der Zustandsänderung 2 ➝ 3, startend mit Wasser unter Druck und endend mit Wasserdampf (unter gleichem Druck), wir unglaublich viel Energie aufnehmen können, was mit der grossen spezifischen Verdampfungswärme zu erklären ist.