Clausius-Rankine-Prozess
Bei Dampfkraftprozessen unterliegt das Arbeitsmedium (im Allgemeinen Wasser) innerhalb des Kreisprozesses zwei Phasenwechseln (Verdampfen und Kondensieren im Zweiphasengebiet). Hier muss das Arbeitsmedium als realer Stoff beschrieben und die Stoffeigenschaften z.B. über Tabellen oder komplexere Zustandsbeziehungen ermittelt werden.
Abb. 1: Schematische Darstellung einer Dampfkraftanlage und des Clausius-Rankine-Heißdampf-Prozesses im T,s-Diagramm mit „eingeschlossenem“ Carnot-Prozess [1]
Nach der reversibel adiabaten Druckerhöhung durch die Speisewasserpumpe (P, 1 → 2) erfolgt die isobare Wärmezufuhr in einem Feuerungskessel (Ke) zunächst bis zur Siedelinie (2 → 3) und anschließend isobar-isotherm bis zur Taulinie, wo dann Sattdampf vorliegt (3 → 4). Nach der weiteren isobaren Wärmezufuhr im Überhitzer (Ü, 4 → 5) erfolgen die reversibel adiabate Entspannung in der Turbine (T, 5 → 6) und die isobare Kondensation (Ko, 6 → 1) mit Wärmeabfuhr bis zur Siedelinie. Die von der Turbine abgegebene Arbeit wird im Generator (G) in elektrische Energie umgewandelt. Eine graphische Darstellung einer Gasturbine, inklusive thermischer Prozesse in einem T-s-Diagramm, findet sich in Abb. 1 [1].
Die Expansion in der Turbine führt bis auf einen Unterdruck von etwa (0,05 – 0,08)bar. Dadurch steht der Turbine ein sehr großes Druckverhältnis p-Frischdampf/p-Abdampf von z.B. 100/0,05 = 2000 zur Arbeit zur Verfügung [3].
Mit steigendem Druck steigt auch die Siedetemperatur ts und das spez. Volumen vs = v’, auszugsweise wie folgt in der unteren Tabelle:
| Druck [bar] | 0,01 | 0,1 | 1,0 | 10 | 100 | 221,3 |
| Siede-T; ts [˚C] | 7 | 46 | 99,6 | 180 | 311 | 374,15 |
| Spez. Vol. v’ [l/kg] | 1,0 | 1,01 | 1,04 | 1,13 | 1,45 | 1,38 |
Abb. 2: Clausius-Rankine-Prozess mit Zwischenüberhitzung im T,s−Diagramm und im h,s−Diagramm [1]
Durch die zusätzliche Wärmezufuhr (6 → 7) und Arbeitsabgabe (7 → 8) erhöht sich auch der thermische Wirkungsgrad, was man im h,s−Diagramm (sehe Abb. 2) erkennen kann.
Weitere, den Wirkungsgrad steigernde Maßnahmen sind die regenerative Speisewasservorwärmung, die mehrfache Zwischenüberhitzung und die Nutzung der Abwärme einer Gasturbine zur Dampferzeugung in kombinierten Gas- und Dampfkraftwerken (Kombikraftwerke.
[1] Bernhard Weigand, Jürgen Köhler, Jens von Wolfersdorf 2008. Thermodynamik kompakt.Springer-Verlag Berlin 2008
[2] Dirk Labuhn, Oliver Romberg 2007. Keine Panik vor Thermodynamik!Vieweg & Sohn Verlag/ GWV Fachverlage GmbH Wiesbaden
[3] Fritz Dietzel, Walter Wagner 1990.Technische Wärmelehre. VOGEL Buchverlag Würzburg