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3.8.2 Vorschlag für einen Stundenverlauf Arbeitsblatt: Funktionsweise eines Dampfkraftwerks Setze die folgenden Elemente zu einem funktionierenden Kraftwerkskreislauf zusammen! Verwende dazu die Schaltzeichen der einzelnen Bauteile. Turbine Kondensator Kessel Die Turbine wandelt die Energie des Dampfes, der einen Druck von etwa 200 bar und eine Temperatur von etwa 500°C hat, in mechanische Energie um. Arbeitsmittel Das Medium, das den Kraftwerksprozess durchläuft, wird als Arbeitsmittel bezeichnet. In Dampfkraftwerken wird dafür Wasser verwendet, das flüssig oder gasförmig ist. Speisewasserpumpe Im Kondensator wird der Dampf der Turbine kondensiert. In ihm verlaufen Leitungen, durch die Kühlwasser von außerhalb des Kraftwerkskreislaufs fließt. Generator Die Funktionsweise eines Generators kann man mit einem Fahrraddynamo vergleichen. Er wandelt mechanische Energie in elektrische um. Speisewasserbehälter Im Kessel wird das Arbeitsmittel Wasser verdampft. Die dafür benötigte Wärmemenge wird bei der Verbrennung von z.B. Gas, Kohle, Öl oder Biomasse abgegeben. Kondensatpumpe Die Kondensatpumpe saugt das Wasser aus dem Kondensator und befördert es weiter. Vorwärmer Die Speisewasserpumpe saugt das Wasser aus dem Speisewasserbehälter und bringt es auf einen Druck von ungefähr 200 bar. Im Speisewasserbehälter wird das momentan für den Prozess überflüssige Arbeitsmittel gespeichert und frisch aufbereitet. Im Vorwärmer wird das Speisewasser bis auf die Temperatur vorgewärmt, bei der es anfängt, zu verdampfen. 1. In welchen Teilen des Kreislaufs ist das Arbeitsmittel Wasser flüssig und in welchen ist es gasförmig? 2. Welche Energiearten kommen im Prozess vor? 3. Welche Energieumwandlungen finden statt und wie könnte eine Energieumwandlungskette aussehen? 80
3.8.3 Versuch zu Dampfturbine und Dampfkessel 3.8.3 Versuch zu Dampfturbine und Dampfkessel Bei diesem Versuch muss vorausgeschickt werden, dass er sich als viel schwieriger realisierbar herausgestellt hat, als zunächst gedacht. Die Grundidee ist, Wasserdampf zu erzeugen und damit eine Turbine anzutreiben. Die ersten Tests wurden mit einem Wasserkocher und verschiedenen Windrädern durchgeführt. Durch bloßes Kochen des Wassers war es allerdings schwierig einen genügend großen Volumenstrom zu produzieren, um ein Windrad anzutreiben. Der Großteil des Dampfes strömte einfach außen vorbei. Eine Möglichkeit ist nun, die Geschwindigkeit des Dampfes zu erhöhen. Das kann erreicht werden, indem man ihn durch eine Düse strömen lässt. Hier wurde der Dampfkessel einer Dampfmaschine benutzt, in dem ein leichter Überdruck erzeugt wird, der dann über eine Dampfleitung, ebenfalls mit hoher Geschwindigkeit, ausströmt. Aufgrund der vorher durchgeführten Tests waren die Anforderungen an das Material der Turbine klar: Es muss hitzebeständig, sehr leicht und wasserfest sein. Damit ist Papier ausgeschlossen, da es aufweicht. Dünner leichter Kunststoff neigt dazu, sich zu wellen. Der erste Versuch, eine Dampfturbine zu bauen, die durch den aus der Dampfleitung des Dampfmaschinenkessels ausströmenden Dampf betrieben werden kann, scheiterte, hat aber zu den Erkenntnissen, die am Ende dieses Abschnitts noch genauer ausgeführt werden, entscheidend beigetragen. Deswegen wird dieser Versuch hier ebenfalls beschrieben. Abbildung 34: Versuchsaufbau mit der Turbine des ersten (gescheiterten) Versuchs Als Dampferzeuger diente ein Dampfkessel eines älteren Dampfmaschinenmodells mit einem Fassungsvermögen von 80 ml Wasser, wie in Abbildung 34 sichtbar. Befeuert wurde er mit einer Ta- 81
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3.8.3 Versuch zu Dampfturbine und Dampfkessel<br />
3.8.3 Versuch zu Dampfturbine und Dampfkessel<br />
Bei diesem Versuch muss vorausgeschickt werden, dass er sich <strong>als</strong> viel schwieriger realisierbar herausgestellt<br />
hat, <strong>als</strong> zunächst gedacht. Die Grundidee ist, Wasserdampf zu erzeugen und damit eine<br />
Turbine anzutreiben. Die ersten Tests wurden mit einem Wasserkocher und verschiedenen Windrädern<br />
durchgeführt. Durch bloßes Kochen des Wassers war es allerdings schwierig einen genügend<br />
großen Volumenstrom zu produzieren, um ein Windrad anzutreiben. Der Großteil des Dampfes<br />
strömte einfach außen vorbei. Eine Möglichkeit ist nun, die Geschwindigkeit des Dampfes zu erhöhen.<br />
Das kann erreicht werden, indem man ihn durch eine Düse strömen lässt. Hier wurde der<br />
Dampfkessel einer Dampfmaschine benutzt, in dem ein leichter Überdruck erzeugt wird, der dann<br />
über eine Dampfleitung, ebenfalls mit hoher Geschwindigkeit, ausströmt. Aufgrund der vorher<br />
durchgeführten Tests waren die Anforderungen an das Material der Turbine klar: Es muss hitzebeständig,<br />
sehr leicht und wasserfest sein. Damit ist Papier ausgeschlossen, da es aufweicht. Dünner<br />
leichter Kunststoff neigt dazu, sich zu wellen. Der erste Versuch, eine Dampfturbine zu bauen, die<br />
durch den aus der Dampfleitung des Dampfmaschinenkessels ausströmenden Dampf betrieben werden<br />
kann, scheiterte, hat aber zu den Erkenntnissen, die am Ende dieses Abschnitts noch genauer<br />
ausgeführt werden, entscheidend beigetragen. Deswegen wird dieser Versuch hier ebenfalls beschrieben.<br />
Abbildung 34: Versuchsaufbau mit der Turbine des ersten (gescheiterten) Versuchs<br />
Als Dampferzeuger diente ein Dampfkessel eines älteren Dampfmaschinenmodells mit einem Fassungsvermögen<br />
von 80 ml Wasser, wie in Abbildung 34 sichtbar. Befeuert wurde er mit einer Ta-<br />
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