Grundlagen der technischen Thermodynamik

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1 Peter von Böckh Juraj Cizmar Willy Schlachter Grundlagen der technischen Thermodynamik Fortis FH Bildung Sauerländer in Verlagsgemeinschaft mit Wien - Köln - Aarau / Bern

2 Liste der verwendeten Symbole 13 Einleitung und Definitionen Zum Gegenstand der Thermodynamik Thermodynamisches System Systemidentifikation Eigenschaften der Systeme Zustand, Zustandsgrößen und Prozess Zustand und Zustandsgröße Zustandsänderung, Prozess, Gleichgewicht Spezifisches Volumen und Druck Dichte und spezifisches Volumen Druck Temperatur Thermisches Gleichgewicht Thermometer und Temperaturskala Problemlösungsmethodik Einheiten 43 Energie und erster Hauptsatz der Thermodynamik Energieerhaltungssatz der Mechanik Arbeit und kinetische Energie Potentielle Energie Energieübertragung an ein System in Form von Arbeit Volumenänderungsarbeit Dissipationsarbeit Ergänzungen zur Arbeitsübertragung an geschlossene Systeme Verdrängungsarbeit und effektive oder technische Arbeit Verlängerung eines Stabes Elektrische Leistungs- bzw. Arbeitsübertragung Energie eines Systems Erster Hauptsatz der Thermodynamik Definition der inneren Energie eines Systems Prinzip der Erhaltung der Energie für geschlossene Systeme 66

3 2.4 Energieübertragung an ein System in Form von Wärme Bezeichnungsweise und Vorzeichenkonvention Arten der Wärmeübertragung Wärmeleitung Wärmestrahlung Konvektion Erster Hauptsatz der Thermodynamik für geschlossene Systeme Energetische Analyse von Kreisprozessen Grundlagen Wärmekraftmaschinen-Prozess Kältemaschinen- und Wärmepumpen-Prozesse 78 Eigenschaften der Stoffe Formulierung des Zustands Klassifizierung der Zustandsgrößen Notwendige Anzahl der Zustandsgrößen Eigenschaft der Zustandsgrößen Thermische Zustandsgrößen reiner Substanzen p-v-t-fläche p-t-diagramm p-v-diagramm Phasenübergänge Thermodynamische Zustandsdaten Thermische Zustandsgrößen Tabellen für Dampf und Flüssigkeit Tabelle des Sättigungsgebiets Kalorische Zustandsgrößen Spezifische Enthalpie Spezifische innere Energie Referenzzustände und Referenzwerte Näherungswerte für Flüssigkeiten Ideale Gase Thermische Zustandsgieichungen Kalorische Zustandsgrößen Polytrope Zustandsänderung idealer Gase Reale Gase Realgasfaktor Theorem der korrespondierenden Zustände 134

4 3.7 Gasmischungen Mischung idealer Gase Massen-und Molanteile der Gasmischung Gaskonstante der Gasmischung Molanteil, Volumenanteil und Partialdruck Kalorische Zustandsgrößen von Mischungen idealer Gase Prozesse mit Mischungen idealer Gase Mischprozesse idealer Gasmischungen Mischung in einem geschlossenen System Mischung in einem offenen System Mischung realer Gase 157 Energieanalyse im offenen System Erhaltung der Masse im offenen System Massenbilanz (mass rate balance) Andere Formen der Massenbilanz Erhaltung der Energie im offenen System Energiebilanz Arbeit am Kontrollraum Energiebilanzgleichung und Definition der Enthalpie Energiebilanzgleichung mit lokalen Größen Druckänderungsarbeit Analyse offener Systeme mit stationären Prozessen Massen- und Energiebilanzgleichung Praktische Beispiele Düsen und Diffusoren Turbinen Kompressoren, Verdichter und Pumpen Wärmeübertrager Drosselelemente (throttling devices) Instationäre Vorgänge 183 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Einführung Richtung der Prozesse Ausnutzung der Ungleichgewichtszustände zum Arbeitsgewinn Formulierungen des zweiten Hauptsatzes Forderungen an den zweiten Hauptsatz Formulierung von Clausius Formulierung von Thomson (Lord Kelvin) und Planck Äquivalenz der Formulierung von Clausius und Kelvin-Planck 211

5 5.3 Umkehrbarkeit der Prozesse Irreversible Prozesse Reversible Prozesse Intern reversible Prozesse Analytische Form der Kelvin-Planck-Formulierung Prinzipien des zweiten Hauptsatzes für Kreisprozesse Auswirkung auf Wärmekraftmaschinen Auswirkung auf thermische Arbeitsmaschinen Kelvin-Temperaturskala Obergrenze der Nutzung reversibler Kreisprozesse Thermische Kraftmaschinenprozesse Kälteanlagen und Wärmepumpen 226 Entropie Analytische Formulierung des zweiten Hauptsatzes Zustandsgröße Entropie Berechnung der Zustandsgröße Entropie für reine Substanzen Entropieänderung idealer Gase Entropieänderung von Mischungen idealer Gase Entropieänderung inkompressibler Fluide Entropiediagramme Temperatur-Entropie-Diagramm (T-s-Diagramm) Entropie-Enthalpie-Diagramm (h-s-diagramm) T-s-Diagramm idealer Gase Isentrope Zustandsänderungen Isentrope Zustandsänderung idealer Gase Entropiebilanzgleichungen Entropiebilanzgleichungen für geschlossene Systeme Irreversibilität des Wärmeübergangs Entropiebilanz für offene Systeme Entropiebilanz für stationäre offene Systeme Innere Wirkungsgrade der Strömungsmaschinen 272 Energie, Exergie und Anergie Einleitung Arbeitsverfügbarkeit, Exergie und Anergie Umgebung und Umwelt 288

6 7.3 Ermittlung der Exergie Exergieanalyse eines geschlossenen Systems Exergiebilanz eines geschlossenen Systems Exergiebilanz offener Systeme Exergieanalysen Exergieanalyse der Primärenergien Exergieanalyse adiabater Maschinen Exergieanalyse von Wärmeübertragern Exergetischer Wirkungsgrad von Anlagen Exergie-Anergie-Flussbilder 316 Dampfkraft-Prozesse Einleitung Einfache Dampfkraftprozesse Die einfache Dampfkraftanlage Der ideale Dampfkreisprozess oder Clausius-Rankine-Prozess Maßnahmen zur Wirkungsgradverbesserung Carnotisierung des Prozesses Überhitzung und Zwischenüberhitzung Irreversibilitäten und Verluste Innere Irreversibilitäten Äußere Irreversibilitäten Dampfkreisprozess im Mollier-h-s-Diagramm Der Dampfkreisprozess mit Regenerativvorwärmung Mischvorwärmer Oberflächenvorwärmer Der Dampfkreisprozess mit mehrstufiger Regenerativvorwärmung Gasprozesse Verbrennungsmotorprozesse Arbeitsverfahren Standard-Otto-Prozess Standard-Diesel-Prozess 373

7 10 Inhaltsverzeichnis 9.2 Gasturbinen- und Triebwerksprozesse Anwendung und Ausführung Joule-Brayton-Prozess Verluste und Irreversibilitäten Regenerativprozesse Zwischenerhitzung und Zwischenkühlung Zwischenerhitzung Zwischenkühlung bei der Verdichtung Triebwerksprozess Kombinierte Gas- und Dampfturbinen-Prozesse Wärme-Kraft-Kopplung Kompressible Gasströmungen in Düsen und Diffusoren Schallgeschwindigkeit und Mach-Zahl Eindimensionale stationäre Strömung in Düsen und Diffusoren Ausflussgesetz 424 Kältemaschinen und Wärmepumpen Einführung Linksläufiger Carnot-Prozess Kältemaschinen- und Wärmepumpen-Prozess Leistungszahl Kältemittel-Eigenschaften Azeotrope Kältemittel Zeotrope Kältemittel Kriterien zur Kältemittel-Wahl Kaltdampf-Prozess Ideale Kaltdampf-Kältemaschine Realer Kaltdampf-Prozess Kaltdampf-Prozess mit Wärmerekuperation Zweistufige Kompression mit Zwischenkühlung Wärmepumpen Kaltgas-Prozess Ideale Kaltluftmaschine Reale Kaltluftmaschine Absorptionskältemaschinen Funktionsprinzip Maßnahmen zur Prozessverbesserung Wärmeverhältnis und Leistungsvergleich 465

8 11 Verbrennung Einführung Umwandlung der Brennstoffenergie Verbrennungsvorgang Eigenschaften der Brennstoffe Heizwert und Brennwert Mengenberechnung bei der Verbrennung Verbrennungsgleichungen für die vollständige Verbrennung Luftbedarf Zusammensetzung des Verbrennungsgases Unvollständige Verbrennung Kontrolle der Verbrennung Messmethoden Auswertung der Analyse Energiebilanz der Verbrennung Anwendung des ersten Hauptsatzes Enthalpie des Rauchgases und Verbrennungstemperatur Kesselwirkungsgrad Anwendung des 2. Hauptsatzes auf die Verbrennung Die reversible chemische Reaktion Dritter Hauptsatz der Thermodynamik Exergie der Brennstoffe und Exergieverluste bei der Verbrennung Brennstoffzellen 507 Feuchte Luft Relative Feuchte Absolute Feuchte Zusammenhang zwischen absoluter und relativer Feuchte Spezifisches Volumen der feuchten Luft Die spezifische Enthalpie feuchter Luft Ungesättigte feuchte Luft Übersättigte feuchte Luft, Wassernebel Übersättigte feuchte Luft bei Temperaturen unter 0 C, Eisnebel Das Mollier-h-x-Diagramm feuchter Luft Relative Feuchte bei verändertem Gesamtdruck Ungesättigte und gesättigte feuchte Luft Nebelgebiet 527

9 12 Inhaltsverzeichnis 12.8 Einfache, isobare Zustandsänderungen feuchter Luft Erwärmung Mischung zweier feuchter Luftmassen Zumischung von Wasser oder Wasserdampf Kühlung Verdunstung, Feuchtemessung Das Aspirationspsychrometer Trocknung Natürliche Trocknung Trocknung durch erwärmte Luft Mehrstufiges Trocknungsverfahren 548 Anhang 549 AI: Kritische Zustandsgrößen einiger Stoffe und Naturkonstanten 549 A2: Sättigungswerte Wasser-Wasserdampf; Temperaturtabelle 550 A3: Sättigungswerte Wasser-Wasserdampf; Drucktabelle 555 A4: Eigenschaften von unterkühltem Wasser und überhitztem Dampf 559 A5: Eigenschaften von unterkühltem Wasser 570 A6: Eigenschaften von gesättigtem Wasser (Eis-Dampf) 571 A7: Eigenschaften des gesättigten Frigens 134a. Temperaturtabelle 572 A8: Eigenschaften des gesättigten Frigens 134a. Drucktabelle 575 A9: Eigenschaften von überhitztem Frigen 134a-Dampf 578 A10: Eigenschaften des gesättigten Propans. Temperaturtabelle 583 All: Eigenschaften des gesättigten Propans. Drucktabelle 585 A12: Eigenschaften von überhitztem Propan-Dampf 586 A13: cp-werte für ideale Gase 590 A14: Absolute normierte Entropie so für ideale Gase 594 A15: Eigenschaften einiger Brennstoffe 595 A16: cp-werte für stöchiometrische Rauchgase 596 A17: Absolute Entropie so für stöchiometrische Rauchgase 597 Bl: Realgasfaktoren 598 B2: Mollier-h-s-Diagramm für Wasserdampf 599 B3: h-x-diagramm der feuchten Luft bis 100 C 600 B4: h-x-diagramm der feuchten Luft bis 50 C 601 B5: log p-h-diagramm von Frigen 134a 602 B6: log p-h-diagramm des Propans 603 Sachregister 604 Literatur- und Quellenverzeichnis 611

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