Dampfturbine

Die Dampfturbine ist eine Wärmekraftmaschine, bei der das Medium vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht und dann wieder zurück vom gasförmigen in den flüssigen Zustand. Bei einer Kältemaschine läuft es gleich ab, aber in der anderen Richtung (linksläufig).

Das Gegenstück zur Dampfturbine ist die Gasturbine, bei der das Medium immer gasförmig bleibt.

Funktionsbeschreibung

Beim Dampfturbinen-Prozess wird im Dampferzeuger Wasser zum Sieden gebracht. Der heisse Dampf wird auf eine Turbine geleitet. Dort treibt er die Turbine an, dehnt sich dabei aus, Druck und Temperatur nehmen ab. Am Schluss in der Turbine können auch schon erste Wassertropfen entstehen. Da das verwendete Wasser aufwendig entsalzt wurde, ist es teuer und der entspannte Dampf wird nicht einfach abgelassen, wie bei einer Dampflokomotive. Im Kondensator wird aus dem Dampf wieder Wasser. Damit das passiert, muss die Kondensationswärme abgeführt werden, das heisst, der Kondensator muss gekühlt werden. Das sich dann im Kondensator sammelnde Wasser wird mit der sogenannten Kesselspeisepumpe wieder in den Dampferzeuger gepumpt. Weil das Wasser sehr viel kompakter als der Dampf ist, benötigt man für diese Pumpe nur etwa ein Prozent der Energie, welche aus der Turbine über den Generator gewonnen wird.

Mit diesem Kühlwasser aus dem Kondensator könnte man Gebäude heizen. Meistens sind die Anlagen aber weit entfernt von Siedlungen und man kühlt den Kondensator mit Meerwasser, Flusswasser oder über Kühltürme. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, hat es im Kondensator Unterdruck.

Bei grossen Dampfturbinen-Anlagen strömt der Dampf durch 3 verschiedene Turbinen, die immer grösser werden: Hochdruck-, Mitteldruck- und Niederdruckturbine. Der Dampf wird dazwischen noch einmal aufgeheizt. Grosse Dampfturbinen (1'000'000 kW) können einen Wirkungsgrad von 40 % erreichen, kleine mit weniger als 1000 kW Leistung nur die Hälfte. Gegenüber der Dampfmaschine, welche kaum mehr als 10 % Wirkungsgrad hat, läuft die Dampfturbine weitgehend verschleissarm. Das Aufstarten kann aber mehrere Stunden dauern, bis sich alles gleichmässig erwärmt hat.

Es gibt auch Dampfturbinen-Anlagen, bei denen nicht mit Wasser sondern mit anderen Medien gearbeitet wird. Die dafür verwendeten Medien sind die gleichen organischen Flüssigkeiten, welche auch in Kälteanlagen eingesetzt werden. Grund dafür, ist die geringere Siedetemperatur dieser Medien. So können Anlagen schon mit vorhandener Abwärme ab 80 °C betrieben werden. Der mögliche Wirkungsgrad (Carnotfaktor) ist dann aber eher bescheiden. Solche Dampfturbinen-Anlagen nennt man ORC (Abkürzung für Organic Rankine Cycle).

Dampfturbinenprozess

Der prinzipielle Ablauf dieses rechtsläufigen Kreisprozesses ist:

1. Wasser wird im Dampferzeuger erhitzt und strömt als Dampf in die Dampfturbine. Beispiel: p_v = 10 bar (1 MPa), T_v = 180 °C (453 K)
2. In der Dampfturbine entspannt sich der Dampf und treibt so die Turbine mit Generator an. Beispiel: p_k = 40 mbar (4 kPa), T_k = 30 °C (303 K)
3. Im Kondensator wird der Wasserdampf gekühlt und zu Wasser kondensiert. Beispiel: T_ein = 15 °C (287 K), T_aus = 25 °C (279 K)
4. Das Kondenswasser wird mit der Pumpe wieder auf den Druck im Dampferzeuger gebracht und dorthin gepumpt.

Die blaue Kurve ist der Dampfbereich des Wassers: links ist es flüssig, unter der Kurve dampfförmig und rechts gasförmig (Heissdampf). Über dem kritischen Punkt Kr gibt es keine Dampfphase mehr. Bei der horizontalen Achse ist die Einheit das spezifische Volumen \(v\) (m³/kg), die inverse Grösse zum spezifischen Gewicht \(\rho\) [kg/m³].