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Joule-Kreisprozess

Der Joule-Kreisprozess oder Brayton-Kreisprozess ist ein rechtslaufender, thermodynamischer Kreisprozess, der nach dem britischen Physiker James Prescott Joule benannt ist. Er ist ein Vergleichsprozess für den in Gasturbinen und Strahltriebwerken ablaufenden Vorgang und besteht aus zwei isentropen und zwei isobaren Zustandsänderungen.

Inhaltsverzeichnis


Weitere Beschreibung

Prinzipskizze und Zustandsdiagramme

Die 4 Takte sind im Einzelnen:

Die vom Linienzug (1 - 2 - 3 - 4) umschlossene Fläche entspricht der spezifischen Prozessarbeit w.

Im Gegensatz zum geschlossenen Joule-Prozess entfällt im offenen die Kühlung, da kontinuierlich kaltes Gas angesaugt und verdichtet wird.

Die Wärmezufuhr, die hier nur schematisch dargestellt ist, wird tatsächlich durch die Verbrennung eines fossilen Energieträgers realisiert. In Strahltriebwerken wird hierzu in der Regel Kerosin verwendet, das bei der Erdöldestillation eine Zwischenfraktion von Benzin und Diesel darstellt.


Die folgenden Bilder zeigen maßstäbliche Diagramme und eine Tabelle mit den Zustandgrößen und Prozessdaten aus einer rechenaktiven Datei.

Zustandsdiagramme und Datentabelle

Wirkungsgrad

Allgemein ist der thermische Wirkungsgrad definiert als das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand.

Beim Joule-Prozess besteht der Nutzen in der abgegebenen technischen Arbeit wsub>Nutz, der Aufwand besteht in der benötigten Wärme qzu, so dass sich formulieren lässt:

Die bilanzierten Wärmen ersetzt man durch die Enthalpie-Differenzen.

Für ein ideales Gas gilt zudem, dass die spezifische Enthalpie h nur eine Funktion der Temperatur und unabhängig vom Druck ist.

deshalb ist

Die letzte Beziehung ergibt sich aus der Verwendung der Gleichung für die Temperaturänderung bei isentroper Kompression.


Für eine durch den Werkstoff vorgegebene maximale Temperatur T3 lässt sich eine optimale Temperatur T2 nach der Kompression ermitteln, bei der der Kreisprozess die größtmögliche Nutzarbeit abwirft:

Der reale Gasturbinenprozess

Der reale Gasturbinenprozess unterscheidet sich durch die Irreversibilität der technischen Zustands­änderungen (1-2, 3-4) vom theoretischen Joule-Prozess. Darüber hinaus treten Druckverluste in der Brennkammer (2-3) (bzw. dem Wärmeübertrager im geschlossenen Gasturbinenprozess) sowie im Abwärmeübertrager (4-1) auf. Die Druckänderung durch die Wärmeverluste in der Brennkammer können heutzutage durch geeignete Maßnahmen (hochtemperaturfeste Keramik) minimiert werden, während der Druckverlust im Wärmeübertrager (4-1) nur bedingt reduzierbar ist. Die genannten Unterschiede sind anschaulich im T-s-Diagramm darstellbar (T-Temperatur, s-spezifische Entropie).

Vergleich zwischen realem und idealem Gasturbinen-Prozess im T,s-Diagramm

Die technischen Arbeiten für den Verdichter und die Turbine werden im h,s-Diagramm veranschaulicht (h-spezifische Enthalpie, s-spezifische Entropie).

 Commons: Joule-Prozess – Bilder, Videos und Audiodateien

Andere Vergleichsprozesse