Joule-Prozess
Beim Joule-Prozess (mitunter auch Joule-Brayton- oder Brayton-Prozess genannt) handelt es sich um einen Vergleichsprozess für offene und geschlossene Gasturbinenanlagen. Erstere fassen in einem Aggregat einen Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine zusammen. Die Abgase werden nach der Turbine unter Wärmeabgabe an die Umgebung ausgestoßen. Bei letzteren wird die Brennkammer durch einen Wärmeüberträger ersetzt. Ein weiterer Wärmeüberträger sorgt anschließend für die Wärmeabgabe an die Umgebung.
Die Zustandsänderungen für die Verdichtung und die Entspannung (1 → 2 und 3 → 4) werden als reversibel adiabat idealisiert [24]. Die Wärmezu- und -abfuhr (2 → 3 und 4 → 1) werden als isobar angenommen (siehe Abb. 1). Somit beträgt der thermische Wirkungsgrad für ein ideales Gas: cp = konst, wie in Gleichung (1) beschrieben [1].
Abb. 1: Zustandsänderungen des Joule-Prozesses [1]
wobei T4/T1 = T3/T2 und aus den Isobaren p2= p3 und p4= p1
In der Betrachtung für die reversibel adiabaten Zustandsänderungen gilt:
mit dem Verdichtungsdruckverhältnis π = p2/p1
und dem Temperaturverhältnis des Gasturbinenprozesses τ = T3/T1
Für das Maximum der Kreisprozessarbeit erhalten wir den Zusammenhang:
Während der thermische Wirkungsgrad mit zunehmendem Druckverhältnis kontinuierlich ansteigt, ergibt sich für die maximale Kreisprozessarbeit ein optimaler Wert für p, der mit zunehmendem t ansteigt. Obergrenzen in der Turbineneintrittstemperatur sind hier vor allem durch die Temperaturbeständigkeit der Bauteile in der Brennkammer und der Turbine vorgegeben [24]. Eine graphische Darstellung einer Gasturbine, inklusive thermischer Prozesse in einem h-s-Diagramm, findet sich in Abb. 2.
Abb. 2: Schematische Darstellung eines Gasturbinen-Strahltriebwerkes und des Vergleichsprozesses im h-s-Diagramm [1]
Die spezifische Wärmezufuhr wird wie folgt berechnet: qzu = q34 = h4 – h3
sowie die spezifische Wärmeabfuhr: qab = q61 = h1 – h6
der thermische Wirkungsgrad für ein ideales Gas:
Aus der Gleichheit von Turboverdichter- und Turbinenarbeit (da diese z.B. auf einer Welle sitzen), ergibt sich:
Damit können wir den thermischen Wirkungsgrad auch wie folgt angeben:
Neben dem thermischen Wirkungsgrad, der die mögliche theoretische Arbeit aus der zugeführten Wärme beschreibt, gehen hier der mechanische Wirkungsgrad (z.B. Reibungsverluste in Lagern), der elektrische Wirkungsgrad (Verluste im Generator) und der Gütegrad ein. Dieser beschreibt dabei die im realen Prozess auftretenden Verluste innerhalb des Kreisprozesses.
[1] Bernhard Weigand, Jürgen Köhler, Jens von Wolfersdorf 2008. Thermodynamik kompakt.Springer-Verlag Berlin 2008