Wolfgang GeHer Thermodynamik für Maschinenbauer

Transkript

1 Wolfgang GeHer Thermodynamik für Maschinenbauer

2 Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH ON LI NE LIBRARY /

3 Wolfgang Geiler Thermodynamik für Maschinenbauer Grundlagen für die Praxis Zweite, korrigierte Auflage Mit 118 Abbildungen und 30 Tabellen Springer

4 Prof. Dr. Wolfgang Geiler Drachenfelsstr Lohmar Germany Professor a.d. für Thermodynamik und Strömungsmaschinen Fachhochschule Köln ISBN ISBN (ebook) DOI / Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über < abrufbar. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfilmung oder Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9 September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000, 2003 Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2003 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Sollte in diesem Werk direkt oder indirekt auf Gesetze, Vorschriften oder Richtlinien (z. B. DIN, VDI, VDE) Bezug genommen oder aus ihnen zitiert worden sein, so kann der Verlag keine Gewähr für die Richtigkeit, Vollständigkeit oder AktuaÜtät übernehmen. Es empfiehlt sich, gegebenenfalls für die eigenen Arbeiten die vollständigen Vorschriften oder Richtlinien in der jeweils gültigen Fassung hinzuzuziehen. Umschlaggestaltung: medio Technologies AG, Berlin Satz: Daten des Autors Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: /3020/M o

5 Vorwort zur 1. Auflage Das vorliegende Buch wurde für die Studierenden des Maschinenbaus an Fachhochschulen und technischen Universitäten geschrieben. Darin eingeflossen sind die didaktischen Erfahrungen, die der Verfasser bei seiner Lehrtätigkeit an der Fachhochschule Köln gesammelt hat. Der dargebotene Stoff ist auf das für den Maschinenbauingenieur Wesentliche abgestimmt. Besonderer Wert wurde auf eine klare und verständliche Darstellung gelegt. Zahlreiche Bilder, Diagramme und Beispielrechnungen helfen dem Leser, die Gesetze der Thermodynamik zu verstehen und Sicherheit in ihrer Anwendung zu erlangen. Das Buch ist deshalb auch zum Selbststudium geeignet. Vielleicht weckt das Buch bei einer Reihe von Lesern den Wunsch nach Erweiterung und Vertiefung des hier dargebotenen Wissens. In diesem Fall bietet das Literaturverzeichnis am Ende des Buches einen Wegweiser durch die Fülle der Bücher über Thermodynamik. Ein Wort des Dankes gilt an dieser Stelle meinem Kollegen Herrn Dr. rer. nat. G. Engelmann. Er hat durch seine Hinweise und Ratschläge sowie durch das Mitlesen der Korrektur meine Arbeit unterstützt. Herr cand. rer. nat. B. Sadler und mein Sohn Hendrik haben bei der Anfertigung der Vektorgrafiken und des Sachverzeichnisses tatkräftige Hilfe geleistet. Auch ihnen habe ich zu danken. Lohmar, im Herbst 1999 W. Geiler

6 Vorwort zur 2. Auflage Das Buch hat sich nach Inhalt und Aufbau in den Jahren seit dem Erscheinen der Erstauflage im März 2000 in weiteren Vorlesungszyklen als Arbeitsgrundlage bewährt. Die anläßtich der bevorstehenden Herausgabe der Zweitauflage vorgenommene Überarbeitung konnte sich so auf Korrekturen und die Präzisierung einiger Formulierungen beschränken. Meine Tochter Dr. iur. Nike Geller und mein Sohn stud.-ing. Boris GeHer haben den überarbeiteten Text sorgfaltig durchgesehen, wofür ich ihnen herzlich danke. Lohmar, im Herbst 2002 W. GeHer

7 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen... XIII 1 Einleitung Einheiten physikalischer Größen Systeme...? 3.1 Definition von Systemen Systemarten Geschlossenes System Offenes System Adiabates System Abgeschlossenes System Einphasensystem Mehrphasensystem Zustandsgrößen Materiemenge als Zustandsgröße Thermische Zustandsgrößen Volumen... l Druck Temperatur Klassifizierung Extensive Zustandsgrößen Intensive Zustandsgrößen Spezifische Zustandsgrößen Molare Zustandsgrößen Gleichgewichtszustände Mechanisches Gleichgewicht Thermisches Gleichgewicht Chemisches Gleichgewicht Thermodynamisches Gleichgewicht Lokales thermodynamisches Gleichgewicht Zustandsänderung und Prozeß Definitionen... 31

8 VIII Inhaltsverzeichnis Isochore Zustandsänderung Isobare Zustandsänderung Isotherme Zustandsänderung Nichtstatische Zustandsänderung Quasistatische Zustandsänderung Ausgleichsprozesse Reversible und irreversible Prozesse Zustandsgleichungen F estk:örper Flüssigkeiten Ideale Gase Gesetz von Gay-Lussac Gesetz von Boyle-Mariotte Thermische Zustandsgleichung idealer Gase Gesetz von Avogadro Die universelle Gaskonstante Normzustand Mischungen idealer Gase Reale Gase Dämpfe Dampfarten Dampfdruckkurven Grenzkurven Thermische Zustandsgleichung des Dampfes Kinetische Gastheorie Druck als Summe von Stoßvorgängen Die absolute Temperatur und die kinetische Energie Arbeit Definition der Arbeit Arbeit und Energieübertragung Arbeit an fluiden Systemen Volumenänderungsarbeit Wellenarbeit Arbeit und Dissipationsenergie Innere Energie und Enthalpie Innere Energie Enthalpie Kalorische Zustandsgleichungen der inneren Energie und der Enthalpie Innere Energie und Enthalpie fester und flüssiger Phasen Innere Energie und Enthalpie idealer Gase

9 Inhaltsverzeichnis IX Innere Energie und Enthalpie der Dämpfe Spezifische Wärmekapazitäten Wahre spezifische Wärmekapazitäten Mittlere spezifische Wärmekapazitäten Äquivalenz von Wärme und Arbeit Der erste Hauptsatz der Thermodynamik für geschlossene Systeme Der erste Hauptsatz für geschlossene ruhende Systeme Der erste Hauptsatz für geschlossene bewegte Systeme... l17 13 Wärme Einheit der Wärme Wärmemengenberechnung Wärmemenge bei isochorer Zustandsänderung Wärmemenge bei isothermer Zustandsänderung Wärmemenge bei isobarer Zustandsänderung Wärmebilanzen Mischungstemperatur Messung der spezifischen Wärmekapazität Wärmeübertragung Wärme und Arbeit bei reversiblen Zustandsänderungen idealer Gase Isochore Zustandsänderung Isobare Zustandsänderung Isotherme Zustandsänderung Adiabate Zustandsänderung Wärme und Arbeit bei polytroper Zustandsänderung... l40 16 Die Entropie Entropie als Zustandsgröße Entropie fester und flüssiger Phasen Entropie idealer Gase Entropie der Dämpfe Die absolute Temperatur als integrierender Faktor Entropiebilanz geschlossener Systeme Der erste Hauptsatz für offene Systeme Strömungsmechanische Grundlagen... I Volumenstrom... l Massenstrom... l Energiestrom Zeitverhalten von Strömungen I Massenstrombilanz

10 X Inhaltsverzeichnis 17.2 Energie und Arbeit bei Fließprozessen offener Systeme Energiebilanz instationärer Fließprozesse Energiebilanz stationärer Fließprozesse Technische Arbeit und Dissipation bei stationären Fließprozessen Entropiebilanz offener Systeme Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Der zweite Hauptsatz und die Entropie Dissipation in adiabaten Systemen Wärmeübertragung bei endlicher Temperaturdifferenz Darstellung von Wärme und Arbeit in Entropiediagrammen T,s-Diagramme T,s-Diagramme für spezielle Zustandsänderungen idealer Gase Adiabate Systeme T,s-Diagramme realer Gase h,s-diagramme Kalorische Zustandsgleichungen idealer Gasgemische Innere Energie Enthalpie Entropie Reversible Kreisprozesse Kreisprozesse geschlossener Systeme Kreisprozesse in offenen Systemen Bewertungskennzahlen für Kreisprozesse Thermischer Wirkungsgrad Leistungsziffer Reversible Kreisprozesse thermischer Maschinen Vergleichsprozesse für Kolbenkraftmaschinen Otto-Prozeß Diesel-Prozeß Seiliger-Prozeß Vergleichsprozesse für Turbomaschinen Joule-Prozeß der einfachen Gasturbinenanlage Ericson-Prozeß Dampfturbinen-Prozeß Carnot-Prozeß Irreversible Fließprozesse

11 Inhaltsverzeichnis XI 24.1 Das Polytropenverhältnis Wirkungsgrade Innerer Wirkungsgrad Statischer Wirkungsgrad Polytroper Wirkungsgrad Polytrope und isentrope Wirkungsgrade adiabater Maschinen Mechanischer Wirkungsgrad Irreversible Prozesse in thermischen Maschinen Die einfache Gasturbine Die Fahrzeuggasturbine Prozeß der Zweiwellengasturbine mit Wärmetauscher Strömungsprozesse in Düsen und Diffusoren Funktion von Düsen und Diffusoren Schallgeschwindigkeit und Machzahl Ausströmgeschwindigkeit und Stromdichte Druckverlaufund Querschnittsverlauf Die Lavaldüse Wirkungsgrade von Düse und Diffusor Exergie und Anergie Exergie und Anergie der Wärme Exergie und Anergie der Enthalpie Exergie und Anergie der inneren Energie Exergieverlust Exergetischer Wirkungsgrad Wärmeerzeugung durch Verbrennung Brennstoffe Feste Brennstoffe Flüssige Brennstoffe Gasförmige Brennstoffe Verbrennungsprozeß Reaktionsg1eichungen Sauerstoffbedarf Luftbedarf Verbrennungsgas Heizwert und Brennwert Enthalpie-Temperatur-Diagramm der Verbrennungsgase Anhang A Einheiten Tabelle Al Basiseinheiten des Internationalen Einheitensystems Tabelle A2 Einheitenvorsätze (Präfixe ) Tabelle A3 Angelsächsische Einheiten und Einheitengleichungen

12 XII Inhaltsverzeichnis Anhang B Stoffdaten Tabelle Bl Stoffdaten idealer Gase bei 0 C Tabelle B2 Sättigungsdampftafel für Wasser (Drucktafel) Tabelle B3 Sättigungsdampftafel für Wasser (Temperaturtafel) Tabelle B4 Sättigungsdampftafel für Ammoniak Tabelle B5 Mittlere spezifische isobare Wärmekapazität idealer Gase Tabelle B6 Logarithmisch gemittelte spezifische isobare Wärmekapazitäten von Luft und Verbrennungsgas Tabelle B7 Thermophysikalische Stoffgrößen verschiedener Materialien.347 Literatur Sachverzeichnis

13 Formelzeichen Lateinische Formelzeichen A Fläche a B b B c c cp, cv, :_P' :_v cp' cv E E E& MV e!'j.ev F g H H Ho Hu h Llh 0 j k L I M Mw m m mt N NA Schallgeschwindigkeit Anergie spezifische Anergie Anergiestrom Geschwindigkeit; spezifische Wärmekapazität mittlere Geschwindigkeit spezifische isobare bzw. spezifische isochore Wärmekapazität mittlere spezifische Wärmekapazitäten idealer Gase logarithmisch gemittelte spezifische Wärmekapazitäten idealer Gase Exergie Exergiestrom Gesamtenergie Exergieverluststrom spezifische Exergie spezifischer Exergieverlust Kraft Fallbeschleunigung Enthalpie Enthalpiestrom spezifischer Brennwert spezifischer Heizwert spezifische Enthalpie spezifische Verdampfungsenthalpie spezifische Dissipationsenergie Wärmedurchgangskoeffizient molare Luftmenge spezifische Luftmenge Molmasse Drehmoment Masse Massenstrom Teilchenmasse Teilchenzahl; Anzahl A vogadro-konstante

14 XIV Formelzeichen n Stoffmenge; Polytropenexponent omin molare Mindestsauerstoffmenge Omin spezifische Mindestsauerstoffmenge p Leistung p Druck Q Wärme Q Wärmestrom q spezifische Wärme R Gaskonstante Rm molare (universelle) Gaskonstante ri Raumanteil der Komponente i Entropie s Entropiestrom ~Q Entropietransportstrom sirr Entropieproduktionsstrom s spezifische Entropie Sirr produzierte spezifische Entropie T thermodynamische Temperatur Zeit u innere Energie u spezifische innere Energie V Volumen v Volumenstrom V spezifisches Volumen w Arbeit w spezifische Arbeit wk Arbeit eines Kreisprozesses wt technische Arbeit; spezifische Leistung X Dampfgehalt y spezifische Strömungsarbeit z Realgasfaktor z Höhenkoordinate Griechische Formelbuchstaben a & &o 'I' ' 17 '7c '1m '7s '7r Wärmeübergangskoeffizient Leistungszahl einer Wärmepumpe; Verdichtungsverhältnis Leistungszahl einer Kältemaschine Druckverhältnis exergetischer Wirkungsgrad Wirkungsgrad Camot-Faktor mechanischer Wirkungsgrad isentroper Wirkungsgrad polytroper Expansionswirkungsgrad

15 Formelzeichen XV 17th 17v () K A. J.li V 7r p (]" (/J OJ Indizes 0 1,2,3,,i, 12 A,B,... B a D e g irr k L 1 m max min n p p Q rev s st T tr u V thermischer Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine polytroper Kompressionswirkungsgrad Celsius-Temperatur Isentropenexponent idealer Gase Luftverhältnis Massenanteil der Kompenente i Polytropenverhältnis Druckverhältnis von Turbomaschinen Dichte spezifische Schmelzenthalpie Einspritzverhältnis Winkelgeschwindigkeit Bezugszustand Zustände I, 2, 3,.. i, Doppelindex: Prozeßgröße eines Prozesses, der vom Zustand in den Zustand 2 führt Systeme A, B Brennstoff Austrittsquerschnitt Dampf Eintrittsquerschnitt gesamt Komponente i in einem Gemisch irreversibel Kreisprozeß Luft flüssig molar maximal minimal Normzustand Leistung Druck Wärme reversibel isentrop; fest statisch Turbine technisch Tripelpunkt Umgebung Verdichter; Verbrennungsgas

16 XVI Formelzeichen v W * Volumenänderung; Verlust; Volumen Welle Siedelinie Taulinie Hervorhebung Besondere Zeichen ( x ) Mittelwert von x Zahlen in runden Klammem sind Gleichungsnummem. Die erste gibt die Kapitelnummeran. Zahlen in eckigen Klammem verweisen auf die Numerierung des Literaturverzeichnisses.