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Kraf
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Wie ist die Stufe einer Stömungsmaschine aufgebaut?
Die Stufe einer Strömungsmaschine besteht aus einem Leitrad und einem Laufrad.
K [45] Was bedeutet es, wenn die Geschwindigkeit c1u = 0 ist?
K45__Seite 10
c1u ist die Umfangskomponente an der Stelle (1) der niedrigsten potenziellen Energie in
einer Strömung. Das ist bei einer Pumpe der Eintritt, bei einer Turbine der Austritt.
Wenn die Umfangskomponente c1u = 0 ist, bedeutet es, dass die Strömung drallfrei ist.
K[5] Welche Funktion hat das Leitrad bei einer Turbine?
K5__Seite 10
Das Leitrad ist bei Turbinen als Düse aufgebaut, das heißt, die Strömung wird beschleunigt.
Da Strömungsmaschinen aber eine Impulsänderung erfordern, hat das Leitrad
einer Turbine weiterhin die Funktion, der Strömung einen Drall zu geben. Das bedeutet,
dass die Strömung rotiert. Vergleichen Sie dies mit der Gleichung 4. Die Umfangsgeschwindigkeiten
u sind in jedem Fall ungleich Null. Das bedeutet, dass mindestens eine
der Umfangskomponenten cu verschieden von Null sein muss, um überhaupt eine Leistung
übertragen zu können.
K[37]
Bestimmen Sie die Radleistung einer axial durchströmten Wasserturbine, wenn die Geschwindigkeit c4 = 5m/s, der Innendurchmesser 200mm und der Außendurchmesser 400mm beträgt. Die Querschnitte seien in der gesamten Stufe konstant. Die Umfangsgeschwindigkeit c2u sei 7m/s und die Abströmung drallfrei. Die Drehzahl beträgt
500min–1.
K37__Seite 11
Querschnittfläche A4 = A1 = A2 = 0,09424m2, Massenstrom = r · c4 · A4 = 471,2 kg/s,
DM = 0,316m; u2 = 8,279 m/s, PR = Massenstrom · u2 · c2u = 27,3 kW (c1u = 0; drallfrei)
K[50]
Wie groß ist der Schaufelwinkel β1 aus Aufgabe?
K[37]
Bestimmen Sie die Radleistung einer axial durchströmten Wasserturbine, wenn die Geschwindigkeit c4 = 5m/s, der Innendurchmesser 200mm und der Außendurchmesser
400mm beträgt. Die Querschnitte seien in der gesamten Stufe konstant. Die Umfangsgeschwindigkeit
c2u sei 7m/s und die Abströmung drallfrei. Die Drehzahl beträgt
500min–1.
K50__Seite 11
Bei konstantem Querschnitt und drallfreier Abströmung: a1 = 90°; c4 = c1; u1 = u2;
beta1 = arctan (c1/u1 )= arctan 31,13°
K[8]
Bestimmen Sie den geförderten Massenstrom eines einzylindrigen Luft-Verdichters, der
einen Kolbendurchmesser von 18mm, einen Kurbelwellenradius von 5 mm und einen
Liefergrad von 0,8 hat. Die Luft wird aus der Umgebung (1,025 barabs, 8 °C) angesaugt.
Die Drehzahl beträgt 2500 min-1.
K8__Seite 14
Hubvolumen VH = 2,55 ccm; Ansaugdichte rND = 1,27 kg/m3; Massenstrom 0,388 kg/h
K [16]
Vergleichen Sie den Druck im Arbeitsraum eines Luft-Verdichters und einer Pumpe
beim Ausschiebevorgang zu dem Zeitpunkt, wenn das aktuelle Verhältnis V/Vg 0,5
beträgt. Der Eingangsdruck beträgt jeweils 1 bar, der Austrittsdruck pHD 3 bar.
K16__Seite 14
Pumpe: isochore Druckerhöhung, das heißt, der Druck steigt an, sobald der Kolben zum
oberen Totpunkt fährt. Das Auslassventil öffnet unmittelbar, sobald der Hochdruck
erreicht wurde. Das bedeutet, der eigentliche Ausschiebevorgang findet bei der Pumpe
schon statt. Der Druck beträgt somit 3 bar. Beim Verdichter steigt der Druck wegen des
kompressiblen Gases nur allmählich an. Bei dem Verhältnis V/Vg = 0,5 liegt erst ein
Druck von 2,64 bar vor, sodass das Auslassventil noch nicht geöffnet und somit der
Arbeitsraum abgeschlossen ist.
K[9]
Bestimmen Sie die Antriebsleistung einer Kreiselpumpe, deren effektiver Wirkungsgrad 0,7 beträgt. Das Wasser muss 5m hochgefördert werden. Beide Reservoirs sind offen. Die Rohrleitungslänge beträgt 20m, der Rohrinnerdurchmesser 65mm und die Rohrreibungszahl l 0,025. Die Kennlinie der Kreiselpumpe ist durch folgendes Polynom gegeben:
K9__Seite 17
Die Anlagenkennlinie kann mit beschrieben
werden. Der Summand „1“ im Klammerterm berücksichtigt die Einströmverluste in das
obere Reservoir. Es gibt zwei Möglichkeiten, eine Lösung zu finden. Zum einen können
Sie die beiden Kurven in ein Diagramm eintragen. Der Schnittpunkt bedeutet, dass der
Energiesatz erfüllt ist, wenn die fluidische Leistung der Pumpe und die Leistungsanforderung
der Anlage übereinstimmen. Weiterhin ist die Kontinuitätsgleichung erfüllt. Die
zweite Möglichkeit besteht darin, die beiden Polynome gleichzusetzen und nach dem
Volumenstrom aufzulösen. Er beträgt 73,65m3/h bei einer spezifischen Förderarbeit
von 214,2m2/s2. Damit ergeben sich eine Förderleistung von 4,38 kW und eine zur Verfügung
zu stellende Antriebsleistung von 6,26 kW.
K[35]
Welche Drehzahl muss eine Hubkolbenpumpe für die Aufgabenstellung aus K[9]
haben, wenn derselbe Volumenstrom gefördert werden soll, das Hubvolumen 1l und der
Liefergrad 0,95 beträgt?
K[9]
Bestimmen Sie die Antriebsleistung einer Kreiselpumpe, deren effektiver Wirkungs-
grad 0,7 beträgt. Das Wasser muss 5m hochgefördert werden. Beide Reservoirs sind
offen. Die Rohrleitungslänge beträgt 20m, der Rohrinnerdurchmesser 65mm und die
Rohrreibungszahl l 0,025. Die Kennlinie der Kreiselpumpe ist durch folgendes Polynom
gegeben:
K35__Seite 17
Drehzahl n = Volumenstrom/(Hubvolumen * Liefergrad) = 258,4 min–1.
K[20]
Nennen Sie jeweils drei typische Einsatzfelder von Kreisel- und Verdrängerpumpen.
K20__Seite 18
Kreiselpumpe (= Strömungsmaschine): Heiz- und Kühlkreisläufe, Speisewasserpumpe
im Kraftwerk, Ölpipelines, Druckerhöhung Wasserwerk;
Verdrängerpumpen: Ölhydraulik; Trinkwasserversorgung, Schmierung, Schmutzwasserförderung
K[40]
Nennen Sie wesentliche Unterschiede bei der Auslegung von Pumpen und Verdichtern.
K40__Seite 19
Pumpen fördern Flüssigkeiten mit quasi konstanter Dichte. Daher ist der Volumenstrom
ebenfalls als konstant anzusetzen. Verdichter fördern kompressible Fluide. Da sich die
Dichte ändert, variiert auch der Volumenstrom, sodass sich unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten
einstellen. Weiterhin ist die Temperaturerhöhung bei Pumpen
i.d.R. zu vernachlässigen, die zwar real auftritt, jedoch nur sehr gering ist. Im Gegensatz
dazu ist die Temperaturerhöhung bei Verdichtern nicht zu vernachlässigen. Während
bei Pumpen die Druckdifferenz für die Leistungsberechnung entscheidend ist, ist
es bei Verdichtern das Druckverhältnis. Das hängt mit der Temperaturentwicklung
zusammen, die ebenfalls vom Druckverhältnis abhängt.
K [13]
Worin unterscheiden sich thermische von hydraulischen Turbinen? Welcher Einfluss
hat dabei z. B. die Temperatur?
K13__Seite 22
In thermische Turbinen werden heiße kompressible Fluide wie Gase und Dämpfe unter
Arbeitsabgabe expandiert. Das Gas bzw. der Dampf kühlt dabei ab. Bei Dampf kann es
sogar teilweise zur Kondensation kommen. In hydraulischen Turbinen wird die Energie
(meist potenzielle Lageenergie) von Flüssigkeiten gewandelt. Die Dichte ist konstant.
Während sich in hydraulischen Maschinen die Temperatur bei der Arbeitsverrichtung
quasi nicht ändert und damit ohne Bedeutung ist, erfordern thermische Turbinen für
höhere Leistungen auch höhere Eintrittstemperaturen. Bei hydraulischen Turbinen geht
die zu verarbeitende Höhendifferenz linear in die Leistungsberechnung ein, während bei
thermischen Turbinen, wie auch schon bei Verdichtern, das Druckverhältnis entscheidend
ist!
K[4]
Erklären Sie die drei Mechanismen zur Wärmeübertragung anhand von kurzen Beispielen.
K4__Seite 26
Bei der Wärmeleitung wird innerhalb eines Körpers die Wärme aufgrund eines Temperaturunterschiedes
transportiert, z.B. bei einem Festkörper, an dessen Enden verschiedene
Temperaturen anliegen. Beim Wärmeübergang (Konvektion) findet ein Wärmetransport
von einem Stoff auf einen anderen statt. Wenn Sie z. B. mit einem Löffel
(zunächst Raumtemperatur) einen heißen Kaffee umrühren, wird die Wärme auf den
Löffel übertragen (und anschließend in den Griff geleitet), sodass der Löffelgriff allmählich
wärmer wird. Die Strahlung ist die dritte Möglichkeit. Dabei handelt es sich um
elektromagnetische Wellen. Bei der Verbrennung entstehen mitunter sehr hohe Temperaturen,
sodass einige Gase, wie z.B. Wasserdampf und Kohlendioxid, Wärmestrahlung
emittieren.
K [34]
Spielt die Wärmeleitung in Flüssigkeiten eine Rolle in der Technik?
K34__Seite 26
Da Strömungen meistens turbulent sind, bedeutet das, dass innerhalb der Strömung
Wirbel (Turbulenzen) entstehen. Diese sind in einem viel höheren Maß am Wärmetransport
beteiligt als die Wärmeleitung selbst. Man versucht sogar gezielt, in Strömungen
Turbulenzen zu erzeugen, um mit dieser „Vermischung“ eine günstigere Temperaturverteilung
durch direkten Stofftransport zu erreichen. Daher ist die reine
Wärmeleitung innerhalb von Flüssigkeiten meist von untergeordneter Bedeutung.
K [18]
Die exakte Berechnung der Wärmeübergangszahlen ist sehr aufwendig. Nennen Sie die
wesentlichen zu beachtenden Kennzahlen.
K18__Seite 26
Nußelt-Zahl Nu, die Reynolds-Zahl Re, die Prandtl-Zahl Pr, die Pécelt-Zahl Pe, die
Grashof-Zahl Gr, die Stanton-Zahl St sowie diverse andere Größen, wie z. B. das Längen-
Breitenverhältniss.
K[47]
Worin unterscheiden sich Anergie und Exergie?
K47__Seite 29
Exergie ist der thermische Anteil einer Energie, der in andere Energieformen gewandelt
werden kann und somit vom Temperaturniveau oberhalb der Umgebungstemperatur
liegt. Als Anergie bezeichnet man den Energieteil unterhalb dieses Niveaus, der demzufolge
auch nicht weiter genutzt werden kann.
K[14]
Nennen Sie die Hauptkomponenten eines Dampfkraftwerks, das mit dem Clausius-Rankine-Prozess beschrieben werden kann.
K14__Seite 35
Speisewasserpumpe zur Druckerhöhung, Dampferzeuger (incl. Vorwärmer und Überhitzer),
Expansionsmaschine (Turbine) und Kondensator, gegebenenfalls noch Speisewasserbehälter
(zum Massenausgleich).
K[23]
Erläutern Sie den Druckverlauf während des Kreisprozesses.
K23__Seite 35
Es gibt in einem theoretischen Clausius-Rankine-Prozess nur zwei Drücke: den Kondensationsdruck
und den Hochdruck. Die Speisewasserpumpe erhöht den Druck vom
Kondensations- auf den Hochdruck. Anschließend erfolgt bei konstantem Druck die
Vorwärmung, Verdampfung und Überhitzung. Da sich die Dichte bzw. das spezifische
Volumen ändert, müssen die Strömungsquerschnitte jeweils angepasst werden. In der
Turbine wird der Dampf auf den Kondensationsdruck expandiert.
K[25]
Erläutern Sie die Teilprozesse des Joule-Vergleichsprozesses.
K25__Seite 37
Im Verdichter findet eine isentrope Verdichtung statt, die auch mit einer Temperaturerhöhung
verbunden ist. Da es sich um einen offenen Prozess bei der Wärmezufuhr
handelt, findet sie bei konstantem Druck (isobar) statt. In der Turbine (Expansionsmaschine)
wird die thermische Energie in mechanische Wellenarbeit gewandelt. Dieser
Teilprozess verläuft wieder isentrop und die Temperatur sinkt während der Entspannung.
K[30]
Welche wesentlichen Komponenten gehören zu einem Kondensationskraftwerk, das mit
Kohle befeuert wird?
K30__Seite 58
Kohlebunker, Kohlemühle, Abgasnachbehandlung, Dampferzeuger (incl. Vorwärmer
und Überhitzer), Zwischenüberhitzer (Wirkungsgradsteigerung), mehrstufige Dampfturbine
mit Anzapfungen zur regenerativen Speisewasservorwärmung, Kondensator mit
Kühlkreislauf, Vakuumpumpe zur Entfernung eindringender Gase (Luft), Speisewasserbehälter
mit Nachspeisung entsalzten Wassers und Entgasung.
K [24]
Welche Möglichkeiten der Kühlverfahren kennen Sie?
K24__Seite 58
Frischwasserkühlung, Wasserrückkühlung mit Kühltürmen und teilweise externe Verdampfung
des Wassers, Luftkühlung, indirekte Luftkühlung mit Kühltürmen
K [31]
Welche Möglichkeiten zur Wirkungsgradsteigerung von Dampfkraftwerken kennen
Sie?
K31__Seite 60
Anhebung des Drucks, Zwischenüberhitzung, regenerative Speisewasservorwärmung
und Absenkung des Kondensationsdrucks.
K[33]
Was sind die Vorteile von Mehrwellen-Gasturbinenanlagen und wo werden sie eingesetzt?
K33__Seite 64
Entkoppelung der Drehzahl der Arbeitsturbine von der eigentlichen Gasturbinendrehzahl.
Daraus resultieren bessere Regelungsmöglichkeiten. In stationären Anlagen zum
Generatorantrieb (konstante Drehzahl und geringe Dynamik) ist das nicht erforderlich.
Bei Fahr- und Flugantrieben ist es hingegen oft sinnvoll, Mehrwellenanlagen zu verwenden.
K [11]
Warum sind bei Gasturbinen, im Gegensatz zu Dampfturbinen, Verfahren zur Schaufelkühlung
notwendig und warum sind diese energetisch nachteilig?
K11__Seite 64
Die hohen Verbrennungstemperaturen belasten die ersten Schaufelreihen so hoch, dass
die Festigkeitswerte der Werkstoffe bei den Belastungen nicht ausreichen würden, den
Flieh- und Strömungskräften standzuhalten. Daher müssen die Kerntemperaturen der
ersten Schaufelreihen, je nach Werkstoff und Verbrennungstemperatur, gezielt gesenkt
werden. Bei Dampfturbinen liegen die Maximaltemperaturen mit bis zu 625 °C zwar
auch recht hoch, im Vergleich zu Gastrubinen (Jmax ≈ 1500 °C) sind sie aber viel niedriger.
Zu Kühlzwecken wird verdichtete Luft benötigt, da sie im Hochdruckbereich der
Turbine (Expansionsstufe) eingeblasen wird und daher auch über einen entsprechenden
Druck verfügen muss.
K[7]
Was ist die „regenerative Vorwärmung“ bei Gasturbinen und welche Vor- und Nachteile
sind damit verbunden?
K7__Seite 66
Nutzung des Abgasmassenstroms zur Vorwärmung der verdichteten Luft, bevor sie in
die Brennkammer eintritt. Das erfordert eine Temperatur, die oberhalb der Verdichtungsendtemperatur
liegt. Ansonsten würde der Luft Wärme entzogen. Daher ist typischerweise
nur bei kleineren Druckverhältnissen mit Wirkungsgradsteigerungen zu
rechnen.
K[36]
Was versteht man unter Kraft-Wärme-Kopplung und welche Maschinen verwendet man
hauptsächlich dafür?
K36__Seite 68
Bei der Kraft-Wärme-Kopplung nutzt man die Abwärme von thermischen Maschinen
(Abgas, Kühlwasser, etc.) zu Heizzwecken und treibt gleichzeitig einen Generator zur
Stromproduktion an. Grundsätzlich kann man Gasturbinen und Verbrennungsmotoren
verwenden. Im Leistungsbereich bis etwa 1MW dominieren die Verbrennungsmotoren.
Darüber kommen auch vermehrt Gasturbinen zum Einsatz.
K[51]
Welche Grundvoraussetzung muss für die KWK gegeben sein?
K51__Seite 69
Es muss über einen großen Zeitraum gleichzeitig ein Wärme- und Strombedarf vorliegen.
Bei einer Betriebsstundenanzahl ab etwa 4000 h/a können solche Anlagen rentabel
werden. Die Anlagen sind für die Grund- und nicht die Spitzenlast zu konzipieren.
Wenn sie im Sommer zur Kälteerzeugung (z.B. durch eine Absorptionskältemaschine)
genutzt wird, kann die Volllaststundenanzahl weiter gesteigert werden.
K[38]
Was sind die Vorteile eines GuD-Prozesses?
GuD-Prozesse haben den höchsten elektrischen Wirkungsgrad, da die Abwärme einer
oder mehrer thermischen Anlagen (z.B. Gasturbinen) zur alleinigen Beheizung eines
Dampferzeugers und somit zur weiteren Energiewandlung genutzt werden können.
K[32]
Welches sind die drei Hauptturbinenarten, die man bei Wasserkraftwerken großtechnisch
nutzt?
K32__Seite 78
Pelton-, Francis- und Kaplan-Turbine
K[15]
Durch welche Anlagen kann die Sonnenenergie zur Erzeugung elektrischer Energie
genutzt werden? Nennen Sie unterschiedliche Arten!
K15__Seite 81
Die Sonnenenergie kann direkt in Strom in Photovoltaik-Anlagen gewandelt werden.
Mit der Solarthermie stehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten zur Verfügung: die
Brauchwassererwärmung und solare Kraftwerke. Im ersten Fall ist die sinnvolle Nutzung
auch in vielen Teilen Europas wie z.B. Deutschland möglich. Die solaren Kraftwerke
erfordern eine hohe Sonnenstundenanzahl, sodass diese Anlagen nur in südlicheren
Regionen sinnvoll sind. Dabei müssen die Sonnestrahlen konzentriert werden, um
hohe Temperaturen (>500 °C) zu erreichen.
K[43]
Nennen Sie verschiedene Möglichkeiten, Energie zu verteilen, und die dafür erforderlichen fluidischen Energiewandler!
K43__Seite 85
Kohle per Bahn; Antrieb der Bahn: Dieselmotor oder Elektromotor; teilweise Transport
per Schiff. In der Binnenschifffahrt (kleine Leistungen) arbeiten normalerweise Dieselmotoren.
Öl wird oft auf dem Seeweg befördert. Die Schiffe werden mit Großdieselmotoren
oder Gasturbinen angetrieben. Öl und Gas werden auch durch Pipelines gefördert.
Beim Öl müssen die Strömungsverluste in den Leitungen mit Pumpen, bei der Gasförderung
von Verdichtern kompensiert werden.
K[6]
Warum ist die Förderung von Gas in Pipelines schwieriger zu berechnen als die von Öl?
K6__Seite 85
Wegen der veränderlichen Dichte ändern sich bei Gas die Strömungsgeschwindigkeiten
und damit die Verluste, die quadratisch von der Geschwindigkeit abhängen. Wegen der
(quasi) Inkompressibilität des Öls ändern sich die Größen nicht, sodass man mit konstanten
Werten die Druckverluste bestimmen kann.
K [44]
Warum ist es notwendig, Energie zu speichern?
K44__Seite 88
Da der Energiebedarf nicht konstant ist, müssen Lastspitzen kompensiert werden. Weil
thermische Kraftwerke träge sind, müssen Alternativen gefunden werden, die Maximalleistung
schnell und effektiv zur Verfügung stellen zu können.
Ein anders Argument ist die zeitliche Differenz zwischen Energiewandlung und „Verbrauch“.
Insbesondere wenn man an regenerative Energie wie die Wind- und Sonnenergie
denkt, wird deutlich, dass durchaus Zeitunterschiede bestehen können. Um diese
Energien aber „optimal“ auszunutzen, sind Zwischenspeicher notwendig.
K [10]
Was sind Pumpespeicherwerke?
K10__Seite 88
In Pumpspeicherwerken wird mechanische, potenzielle Lageenergie gespeichert, indem
eine Pumpe (normalerweise) Wasser aus einem Unter- in ein Oberbecken pumpt. In
Hochlastzeiten wird die Energie des Wassers durch eine Wasserturbine in Wellenarbeit
gewandelt und treibt üblicherweise einen Generator an.
K[2]
Wo werden Druckluftspeicher heute standardmäßig eingesetzt?
K2__Seite 90
Standardmäßig werden Druckluftspeicher in Betrieben im Druckluftnetz eingesetzt, um
ein ständiges An- und Abstellen des Kompressors zu verhindern. Bei einer stetigen Entnahme
ist es durchaus möglich, dass die Kompressoren auch dauerhaft betrieben werden.
Das ist jedoch bereits bei der Auslegung zu beachten.
K [1]
Was sind die Hauptbauteile einer Hubkolbenmaschine?
Zylinder, Zylinderkopf mit Ventilen, Kolben, Kolbenbolzen, Pleuelstange, Kurbelwelle,
Gehäuse
K[61]
Was bezeichnet man als „Schadraum“ und ist er vermeidbar?
K61__Seite 9
Schadraum ist das Volumen, das im Arbeitsraum verbleibt, wenn der Kolben sich am
OT befindet. Durch den erforderlichen Raum für die Ventilsteuerung, die Kolbenringe
und Fertigungstoleranzen ist er unvermeidbar.
K[91]
Der theoretisch förderbare Massenstrom von Pumpen und Verdichtern hängt
a) nur von der Maschine
b) nur vom Zustand des angesaugten Fluids
c) von der Fluiddichte, dem Hubraum und der Drehzahl ab
K91__Seite 9
c)
K[67]
Was beschreibt der Liefergrad?
K67__Seite 9
Der Liefergrad beschreibt das Verhältnis vom real geförderten Massenstrom zum theoretisch
förderbaren. Er berücksichtigt Leckagen, aber bei Verdichtern auch Effekte, die
auf die Kompressibilität des Fluids zurückzuführen sind.
K[36]
Liefergrade über 1 sind bei Pumpen und Verdichtern
a) selten
b) nicht möglich
c) üblich
K36__Seite 9
b)
Der Liefergrad ist bei Pumpen und Verdichtern immer kleiner als 1. „1“ würde schon
das Optimum bedeuten (keine Verluste).
