Technische Thermodynamik. FB Maschinenwesen. Übungsaufgaben Technische Thermodynamik II. University of Applied Sciences

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1 University of Applied Sciences Übungsaufgaben Technische Thermodynamik II Prof. Dr.-Ing. habil. H.-J. Kretzschmar FB Maschinenwesen Technische Thermodynamik

2 HOCHSCHULE ZITTAU/GÖRLITZ (FH) - University of Applied Sciences FACHBEREICH MASCHINENWESEN Fachgebiet Technische Thermodynamik Prof. Dr.-Ing. habil. H.-J. Kretzschmar Aufgabensammlung Technische Thermodynamik II Seite 15. Kreisprozesse 15/1 16. Ideale Gasgemische 16/1 17. Feuchte Luft 17/1 18. Stoffübertragung 18/1

3 15/1 15. Kreisprozesse Aufgabe 15.1 Bei einem rechtsläufigen Kreisprozess wird dem Arbeitsfluid ein Wärmestrom Q zu = 100 kj/s zugeführt. Die Leistung des Kreisprozesses beträgt P KP = - 10 kw. a) Wie groß ist der thermische Wirkungsgrad η th? b) Welcher Wärmestrom Q ab wird vom Arbeitsfluid abgegeben? Lösung: a) η th = 0,10 b) Q ab = - 90 kw Aufgabe 15.2 Ein Gasturbinenkraftwerk ist durch folgende Parameter gekennzeichnet: p min = 0,1 MPa, p max = 1,5 MPa, t min = 20 C, t max = 1200 C. Der isentrope Wirkungsgrad des Verdichters beträgt 0,82 und der der Turbine 0,87. Die Kreisprozessleistung soll P KP = - 5 MW betragen. Näherungsweise darf der Kreisprozess für das Arbeitsfluid Luft berechnet werden, wobei die Luft als reales Fluid zu betrachten ist. a) Stellen Sie die Zustandsverläufe qualitativ im p,v- und T,s-Diagramm dar und zeichnen Sie das Schaltschema! b) Berechnen Sie die spezifischen Wärmen q zu und q ab, die spezifische Kreisprozessarbeit w KP sowie den thermischen Wirkungsgrad η th? c) Welcher Massestrom m ist erforderlich? d) Ermitteln Sie für den analogen Carnot-Prozess den thermischen Wirkungsgrad Cana, log η th und vergleichen Sie ihn mit dem des realen Prozesses, indem Sie den Kreisprozessgütegrad ν th berechnen! e) Berechnen Sie außerdem b) bis d) für die noch weitergehende Näherung mit temperaturunabhängigen Festwerten c p und κ = const für den gesamten Prozess! Lösung: b) q zu = 896,34 kj/kg q ab = -584,64 kj/kg w KP = -311,70 kj/kg η th = 0,348 c) m = 16,04 kg/s C, analog d) η th = 0,495 νth = 0,702 e) q zu = 766,09 kj/kg q ab = - 491,87 kj/kg w KP = - 274,22 kj/kg η th = 0,358 m = 18,23 kg/s C, analog η th = 0,523 ν th = 0,684

4 15/2 Aufgabe 15.3 Ein theoretischer Carnot-Rechtsprozess wird mit Luft m = 2 kg/s im idealen Gaszustand (c p, κ = const) zwischen zwei Energiereservoiren mit den konstanten Temperaturen t max = 300 C und t min = 20 C angenommen. Als Enddruck der isothermen Verdichtung und Entspannung soll jeweils 0,7 MPa erreicht werden. a) Stellen Sie die Zustandsverläufe qualitativ im p,v- und T,s-Diagramm dar! b) Berechnen Sie die theoretische Kreisprozessarbeitsleistung P KP! c) Ermitteln Sie den thermischen Wirkungsgrad η th! Lösung: b) P KP = - 377,3 kw c) η th = 0,489 Aufgabe 15.4 Bei einfachen Gasturbinenanlagen dient der reversible Joule-Prozess mit Luft als Vergleichsprozess. Folgende Prozesspunkte sind bekannt: für den Zustand vor der Verdichtung p 1 = 0,1 MPa und t 1 = 20 C, für den Zustand nach der Verdichtung und p 2 = 3 MPa und für den Zustand nach der Brennkammer t 3 = 1500 C (Luft darf als ideales Gas mit temperaturunabhängigen Festwerten c p, κ = const im gesamten Kreisprozess berechnet werden.). a) Die Zustandsverläufe sind qualitativ im p,v- und T,s-Diagramm darzustellen! b) Ermitteln Sie die spezifischen Wärmen q zu und q ab! c) Berechnen Sie die spezifische Kreisprozessarbeit w KP! d) Wie groß ist der thermische Wirkungsgrad η th? e) Berechnen Sie für den analogen Carnot-Prozess den thermischen Wirkungsgrad C, analog η th sowie den Kreisprozessgütegrad νth des Joule-Prozesses zu diesem Carnot-Prozess! Lösung: b) q zu = 1003,17 kj/kg q ab = - 379,61 kj/kg c) w KP = - 623,56 kj/kg d) η th = 0,622 C, analog e) η th = 0,622 νth = 1 Aufgabe 15.5 Bei einem angenommenen rechtsläufigen Carnot-Prozess weist die spezifische Kreisprozessarbeit den Wert w KP = - 50 kj/kg auf. Die Wärmezufuhr erfolgt bei m T qzu = 800 K, die Wärmeabfuhr bei m Tqab = 300 K. a) Wie groß ist der thermische Wirkungsgrad η th? b) Wie groß ist die spezifische zugeführte Wärme q zu? Lösung: a) η th = 0,625 b) q zu = 80 kj/kg

5 15/3 Aufgabe 15.6 Für einen Gasturbinen-Joule-Prozess sind nachstehende minimale und maximale Werte der Prozessparameter bekannt: p min = 0,1 MPa, p max = 3,5 MPa, t min = 20 C, t max = 1200 C. Der isentrope Wirkungsgrad des Verdichters beträgt 0,8 und der der Turbine 0,85. Die Kreisprozessarbeitsleistung beträgt P KP = MW. Näherungsweise darf der gesamte Kreisprozess mit dem Arbeitsfluid Luft (reales Fluid) berechnet werden. a) Stellen Sie die Zustandsverläufe qualitativ im p,v- und T,s-Diagramm dar! b) Berechnen Sie die spezifischen Wärmen q zu und q ab sowie die spezifische Kreisprozessarbeit w KP! c) Ermitteln Sie dem Massestrom m des Arbeitsfluids! d) Wie groß ist der thermische Wirkungsgrad η th? e) Ermitteln Sie für den analogen Carnot-Prozess den thermischen Wirkungsgrad Cana, log η th und vergleichen Sie ihn mit dem des realen Prozesses, indem Sie den Kreisprozessgütegrad ν th berechnen! Lösung: b) q zu = 671,04 kj/kg q ab = - 462,86 kj/kg w KP = - 208,18 kj/kg c) m = 960 kg/s d) η th = 0,310 Cana, log e) η th = 0,585 νth = 0,531 Aufgabe 15.7 Ein als reversibel arbeitend angenommenes Gasturbinenkraftwerk besitzt folgende Prozessparameter : - Zustand vor der Verdichtung: p 1 = 0,1 MPa und t 1 = 20 C, - maximale Prozesstemperatur t max = 900 C, - Druckverhältnis p2 p 1 = 4,5. Als Arbeitsmittel für den gesamten Kreisprozess ist Luft im idealen Gaszustand mit temperaturunabhängigen Festwerten c p, κ = const anzunehmen. Die Leistung der Anlage soll P KP = - 10 MW betragen. Zu berechnen sind: a) der thermische Wirkungsgrad η th, b) der Massestrom m, c) der zuzuführende Wärmestrom Q zu, d) die Leistungen des Verdichters P tv und der Turbine P tt! Lösung: a) η th = 0,349 b) m = 39,43 kg/s c) Q zu = 28,63 MW d) P tv = 6,24 MW P tt = - 16,24 MW

6 15/4 Aufgabe 15.8 Das Arbeitsmittel Wasser durchläuft in einem Dampfkraftwerk einen Clausius- Rankine-Prozess. Der Verdampferdruck beträgt p V = 4,0 MPa, während im Kondensator ein Druck von p K = 10 kpa herrscht. Die Eintrittstemperatur in die Turbine beträgt t 1 = 450 C, wobei das Wasser als siedende Flüssigkeit in die Pumpe eintritt. Der isentrope Wirkungsgrad der Pumpe beträgt 0,8 und der der Turbine 0,85. a) Liegt am Turbinenaustritt überhitzter Dampf oder Nassdampf vor? Zeichnen Sie den Kreisprozess qualitativ im T,s- und h,s-diagramm! b) Berechnen Sie die zugeführte spezifische Wärme q zu, die abgeführte spezifische Wärme q ab und die spezifische Kreisprozessarbeit w KP! c) Wie groß ist der thermische Wirkungsgrad η th des Prozesses? m d) Ermitteln Sie die thermodynamischen Mitteltemperaturen T qzu denen Wärme zu- bzw. abgeführt wird! Cana e) Berechnen Sie den thermischen Wirkungsgrad η th und m Tqab, bei, log des analogen Carnot- Prozesses zwischen den thermodynamischen Mitteltemperaturen und den Gütegrad des berechneten Clausius-Rankine-Prozesses! Lösung: b) q zu = 3134,19 kj/kg q ab = ,94 kj/kg w KP = - 958,26 kj/kg m c) η th = 0,306 d) T qzu = 498,60 K m Tqab = 318,96 K Cana, log e) η th = 0,360 νth = 0,85 Aufgabe 15.9 Bei einem Clausius-Rankine-Prozess eines Dampfkraftwerkes mit dem Arbeitsmittel Wasser beträgt der Massestrom m = 50 kg/s, die Heißdampftemperatur t 1 = 500 C, der Druck im Dampferzeuger 10 MPa und der Druck im Kondensator 5 kpa. Das Wasser tritt als siedende Flüssigkeit in die Pumpe ein. In erster Näherung können Pumpe und Turbine als adiabat und reversibel arbeitend angesehen werden. a) Zeichnen Sie den Kreisprozess qualitativ im T,s- und h,s-diagramm! Zu berechnen sind: b) die Speisepumpenleistung PtP, c) der Austrittzustand aus der Turbine, dabei die Dampfzustandsgrößen t 2 und h 2, und für den Fall, dass Nassdampf vorliegt x 2, d) die Leistung der Turbine PtT, e) der zugeführte Wärmestrom Q zu, f) die spezifische Kreisprozessarbeit w KP, g) der thermische Wirkungsgrad η th unter Verwendung - der Energieströme, - der thermodynamischen Mitteltemperaturen bei Wärmezufuhr und -abfuhr. Lösung: b) PtP = 503,84 kw c) x 2 = 0,773 t 2 = 32,9 C h 2 = 2011,58 kj/kg d) PtT = - 68,17 MW e) Q zu = 161,36 MW f) w KP = ,5 kj/kg g) η th = 0,4194 (unter Verwendung der Energieströme) η th = 0,4194 (unter Verwendung der thermodyn. Mitteltemperaturen)

7 15/5 Aufgabe In einem mit dem Arbeitsfluid Wasser betriebenen Dampfkraftwerk gibt die Turbine eine effektive Leistung P tt = MW ab. Der Dampfzustand am Turbineneintritt ist durch p 1 = 14,0 MPa und t 1 = 550 C festgelegt. Im Kondensator herrscht ein Druck p 2 = 4,0 kpa, wobei eine vollständige Kondensation erfolgt. Der isentrope Wirkungsgrad der Dampfturbine beträgt 0,8. Die Speisepumpenarbeit kann vernachlässigt werden. a) Stellen Sie den Zustandsverlauf des Arbeitsmittels qualitativ im T,s- und h,s-diagramm dar! Berechnen Sie: b) die zuzuführende spezifische Wärme q zu, c) die im Kondensator abzuführende spezifische Wärme q ab, d) den thermischen Wirkungsgrad η th, e) den Massestrom m des Arbeitsfluids m f) die thermodynamischen Mitteltemperaturen T qzu und m Tqab des Arbeitsmittels bei der Wärmezufuhr- und -abfuhr sowie den thermischen Wirkungsgrad des analogen Carnot-Prozesses und den Kreisprozessgütegrad! Lösung: b) q zu = 3339,58 kj/kg c) q ab = ,45 kj/kg d) η th = 0,355 m e) m = 84,24 kg/s e) T qzu = 543,7 K m Tqab = 302,1 K C, ana log η th = 0,444 νth = 0,80 Aufgabe Ein Heizkraftwerk ist mit einer Dampfturbine ausgerüstet. Die Frischdampfparameter sind durch p 1 = 8,0 MPa und t 1 = 500 C festgelegt. Der Druck am Turbinenausgang beträgt p 2 = 0,80 MPa. Die Turbine hat einen isentropen Wirkungsgrad η st = 0,8. Im Kondensator wird der Wassermassestrom m W = 300 kg/s eines Fernwärmenetzes von t W1 = 80 C auf t W2 = 150 C aufgewärmt, wobei der Dampf vollständig kondensiert. Der Dampferzeuger hat einen Wirkungsgrad η DE = 0,83. Als Brennstoff wird Rohbraunkohle aus der Lausitz verwendet. Die Leistung der Speisepumpe kann vernachlässigt werden (Das Heißwasser des Fernwärmenetzes darf als ideale Flüssigkeit betrachtet werden.). Zu berechnen sind: a) die Zustandsgrößen h 2 und s 2, b) der Massestrom m, c) die technische Turbinenleistung PtT, d) der im Dampferzeuger zu übertragende Wärmestrom Q zu, e) der Brennstoffmassestrom m B. Lösung: a) h 2 = 2917,83 kj/kg s 2 = 6,977 kj/(kg. K) b) m D = 40,600 kg/s c) PtT = - 19,55 MW d) Q zu = 108,74 MW e) m B = 15,410 kg/s

8 15/6 Aufgabe Die Heizleistung der Warmwasserheizung eines Gebäudes beträgt Q H = 10 kw, wobei die Vorlauftemperatur t H1 = 80 C beträgt. Diese Heizleistung soll bei gleicher Vorlauftemperatur durch eine Wärmepumpe bereitgestellt werden. Als Wärmereservoir steht Flusswasser mit einer Temperatur tfl = 0 C zur Verfügung. Von der Wärmepumpe ist bekannt, dass sie 60 % der Leistungszahl ε c,wp eines Carnot- Linksprozesses zwischen den Temperaturen T = t und T = t 1 erreicht (Für die Berechnung darf der Verdichter als adiabat und reversibel arbeitend vorausgesetzt werden.). a) Welche Leistungszahl ε WP erreicht der Prozess und welche Antriebsleistung P KP ist für die Wärmepumpe erforderlich? b) Welcher Wärmestrom Q zu wird dem Flusswasser entzogen? c) Welche elektrische Leistung P el wäre vergleichsweise erforderlich, wenn eine Widerstandsheizung anstatt der Wärmepumpe eingesetzt würde? Lösung: a) ε WP = 2,65 P KP = 3,77 kw b) Q zu = 6,23 kw c) P el = 10 kw Aufgabe Eine Kompressionskälteanlage erreicht 70 % der Leistungszahl eines zwischen den m Temperaturen t qzu m qzu Fl m qab = - 10 C und t m qab = 35 C ablaufenden Carnot-Linksprozesses. Aus dem zu kühlenden Raum ist ein Wärmestrom Q 0 = 55 kw abzuführen. a) Wie groß ist die Leistungszahl ε KM der Anlage? b) Welche Antriebsleistung P KP ist erforderlich? Lösung: a) ε KM = 4,09 b) P KP = 13,44 kw H

9 15/7 Aufgabe Eine mit R 22 arbeitende Kälteanlage soll m S = 14, kg/ s Kühlsole von t S1 = 2 C auf t S2 = - 5 C abkühlen. Die mittlere spezifische Wärmekapazität der als ideale Flüssigkeit anzusehenden Kühlsole beträgt c ps = 3,6 kj/(kg. K). Der R 22-Dampf tritt aus dem Verdampfer mit einem Dampfanteil x 1 = 0,95 bei der Temperatur t 1 = - 14 C aus. Er wird anschließend auf p k = 1 MPa verdichtet, durchströmt danach den Kondensator und wird isobar auf t 3 = 15 C unterkühlt. Der Verdichter besitzt einen isentropen Wirkungsgrad η sv = 0,7 und kann als adiabat angesehen werden. Im Drosselventil erfolgt die Entspannung auf den Verdampferdruck p v. Der Kondensator wird von Kühlwasser durchströmt, das mit einer Temperatur t W1 = 10 C eintritt und ihn mit t W2 = 16 C verlässt (Das Kühlwasser darf mit guter Näherung als ideale Flüssigkeit berechnet werden.). Darzustellen bzw. zu bestimmen sind: a) das Schaltbild der Anlage, b) der Zustandsverlauf im lgp,h-diagramm mit Kennzeichnung der Zustandspunkte und tabellarischer Übersicht der Zustandsgrößen (p,h,t) an den Zustandspunkten, c) die Kälteleistung Q zu der Anlage, d) der Massestrom m des Kältemittels, e) die Leistung P tv des Verdichters, f) die Leistungszahl ε KM, g) der im Kondensator abzuführende Wärmestrom Q ab, h) der notwendige Kühlwassermassestrom m W, i) der Gütegrad ν KM im Vergleich mit dem analogen Carnot-Prozess. Lösung: b) h 1 = 388,7 kj/kg h 2s = 415,85 kj/kg h 2 = 427,49 kj/kg h 3 = h 4 = 218 kj/kg c) Q zu = 35,28 kw d) m = 0, 205 kg s e) P tv = 8,025 kw f) ε KM = 4,396 g) Q ab = - 43,31 kw h) mw = 1752, kg / s i) ν KM = 0,635

10 15/8 Aufgabe Die Kälteleistung einer NH 3 -Kälteanlage beträgt Q zu = 100 kw. Die Verdampfungstemperatur liegt bei tv = 30 C. Der nach der Wärmeaufnahme im Verdampfer trocken gesättigte Dampf wird im Kompressor mit einem Gütegrad η sv = 0,84 (bezogen auf die Isentrope) verdichtet. Die Kondensation erfolgt isobar bei t K = 30 C. Nach der Kondensation wird das Kältemittel isobar auf t 3 = 10 C unterkühlt. Im Drosselventil erfolgt die Entspannung auf den Verdampferdruck (Der Kompressor und das Drosselventil können in erster Näherung als adiabat berechnet werden.). a) Zeichnen Sie das Schaltbild der Anlage! Zu bestimmen sind: b) Verdampferdruck p V und Kondensatordruck p K, c) die Enthalpien der Zustandspunkte, d) die Temperatur t 2 am Verdichteraustritt, e) der Massestrom m des Kältemittels, f) die Antriebsleistung P tv des Verdichters, g) der aus dem Kondensator abzuführende Wärmestrom Q ab, h) die Leistungszahl ε KM! Lösung: b) p V = 1,1943 bar p K = 11,6720 bar c) h 1 = 1423,3 kj/kg h 2s = 1767,95 kj/kg h 2 = 1833,6/kg h 3 = h 4 = 246,88 kj/kg d) t 2 = 162,65 C e) m = 0,0850kg s f) P tv = 34,877 kw g) Q ab = - 136,877 kw h) ε KM = 2,867

11 15/9 Aufgabe Eine Wärmepumpe arbeitet mit R 134a nach folgendem Kreisprozess: Trocken gesättigter Dampf mit einer Temperatur t 1 = 10 C wird in einem als adiabat anzusehenden Verdichter einem isentropen Wirkungsgrad η sv = 0,5 auf den Druck p K komprimiert. Im Kondensator wird isobar bei Siedetemperatur t K = 60 C und anschließender Unterkühlung auf t 3 = 50 C die spezifische Wärme q ab abgegeben. Das Arbeitsmittel wird anschließend in einem Drosselventil auf p V entspannt, durchströmt danach den Verdampfer und nimmt hier bei konstantem Druck die spezifische Wärme q zu auf. Zu bestimmen sind: a) die Drücke p V und p K im Verdampfer und Kondensator sowie die Enthalpien der einzelnen Zustände b) die spezifische technische Arbeit w tv zur Kompression, c) der Kältemittelmassestrom m, wenn vom Kondensator ein Wärmestrom Q ab = - 29 kw an den zu beheizenden Raum abgegeben wird, d) die erforderliche elektrische Leistung P el, wenn die Beheizung des Raumes durch eine Widerstandsheizung anstatt der Wärmepumpe erfolgen würde, e) der prozentuale Anteil der technischen Leistung zum Antrieb der Wärmepumpe im Vergleich zur elektrischen Leistung der Widerstandsheizung, f) die Leistungszahl ε WP der Wärmepumpe, g) der Gütegrad ν WP im Vergleich mit dem analogen Carnot-Prozess. Lösung: a) p V = 0,41461 MPa p K = 1,6818 MPa h 1 = 404,32 kj/kg h 2s = 433,24 kj/kg h 2 = 462,16 kj/kg h 3 = h 4 = 271,48 kj/kg b) w tv = 57,84 kj/kg c) m = 0,152kg/s d) P el = 29 kw e) P tv /P el = 30,31 % f) ε WP = 3,297 g) ν WP = 0,495 Aufgabe Zur Beheizung eines Gebäudes wird über die gesamte Heizperiode gemittelt ein Wärmestrom von Q H = 300 kw benötigt. Die vorhandene Heizanlage mit einem Wirkungsgrad von η H = 50 % auf der Basis von Braunkohlenbriketts mit einem Heizwert H h B = 20 MJ kg soll durch eine Wärmepumpe ersetzt werden, deren Gütegrad ν WP = 30 % der eines analogen Carnot-Prozesses zwischen den im folgenden erläuterten Temperaturen beträgt. Als Energiereservoir steht Brunnenwasser mit einer Temperatur von t W = 8 C zur Verfügung, so dass die mittlere Temperatur bei Wärmezufuhr 3 C beträgt. Die Raumtemperatur soll t H = 20 C betragen, so dass die mittlere Temperatur bei Wärmeabfuhr 25 C beträgt. Die jährliche Betriebsdauer der Heizung beträgt τ = 5500 h. a) Welche Masse Braunkohlenbriketts m B benötigt die alte Heizanlage pro Jahr? b) Welche elektrische Antriebsleistung P el benötigt die Wärmepumpe? Lösung: a) m B = 594 t pro Jahr b) P el = 73,79 kw

12 16/1 16. Ideale Gasgemische Aufgabe 16.1 Ein Gasgemisch besteht aus den folgenden Massen: m N 2 = 2,5 kg; m O2 = 1,75 kg; m H 2 = 0,85 kg; m CO2 = 0,2 kg. Der Gesamtdruck beträgt p = 755 kpa (Das Gemisch kann bei den vorliegenden Parametern als ein ideales Gasgemisch betrachtet werden.). Zu berechnen sind für die enthaltenen Gase: a) die Masseanteile ξ i, b) die Molanteile ψ i, c) die Partialdrücke p i! Lösung: a) ξ N 2 = 0,4717 ξ O2 = 0,3302 ξ H2 = 0,1604 ξ CO2 = 0,03773 b) ψ N 2 = 0,1565 ψ O2 = 0,0959 ψ H2 = 0,7396 ψ CO2 = 0,0080 c) p N 2 = 118,2 kpa p O2 = 72,4 kpa p H2 = 558,4 kpa p CO2 = 6,0 kpa Aufgabe 16.2 Für trockene Luft mit einem Gesamtdruck p = 100 kpa und der Zusammensetzung ψ N 2 = 78,09 %, ψ O2 = 20,95 %, ψ Ar = 0,93 %, ψ CO2 = 0,03 % sind zu berechnen: a) die molare Masse M * b) die Gaskonstante R * c) die Masseanteile ξ i der Gemischpartner d) die Partialdrücke p i der Gemischpartner! Lösung: a) M = 28,964 kg/kmol b) R = 0,2871 kj/(kg. K) c) ξ N 2 = 0,7553 ξ O2 = 0,2315 ξ Ar = 0,0128 ξ CO 2 = 0,00046 d) p N 2 = 78,09 kpa p O2 = 20,95 kpa p Ar = 0,93 kpa p CO 2 = 0,03 kpa Aufgabe 16.3 Trockene Luft mit der Zusammensetzung nach Aufgabe 16.2 hat eine Temperatur t 1 = 0 C (Hinweis: Beachten Sie, dass Argon ein einatomiges Gas darstellt.). a) Berechnen Sie die spezifische isobare Wärmekapazität c p1! b) Ermitteln Sie die spezifische isochore Wärmekapazität c v1! c) Welche spezifische Wärme q 12 muss bei isobarer Erwärmung auf t 2 = 20 C zugeführt werden (Näherung: die spezifische isobare Wärmekapazität des Zustandes 1 darf als konstant angenommen werden.)? Lösung: a) c p1 = 1,0037 kj/(kg.k) b) c v1 = 0,7167 kj/(kg.k) c) q 12 = 20,07 kj/kg

13 16/2 Aufgabe 16.4 V = 76 m 3 /min eines idealen Brenngasgemisches mit t = 20 C und p* = 91 kpa strömen in ein Reaktionsgefäß. Das Gas hat folgende Zusammensetzung: ψ H 2 = 0,48, ψ CH4 = 0,3, ψ CO = 0,1, ψ C 2H4 = 0,06, ψ CO2 = 0,04, ψ N2 = 0,02. Es sind zu berechnen: a) die Molmasse M des Gemisches, b) die Masseanteile ξ i der Gemischpartner, c) der Massestrom m des Gemisches! Lösung: a) M = 12,585 kg/kmol b) ξ H 2 = 0,0769 ξ CH4 = 0,3824 ξ CO = 0,2226 ξ C 2H4 = 0,1337 ξ CO2 = 0,1399 ξ N2 = 0,0445 Aufgabe 16.5 c) m = 0,595 kg/s Die Analyse des Verbrennungsgasgemisches einer Anlage ergab: ψ CO 2 = 0,118; ψ CO = 0,012; ψ O 2 = 0,075; ψ N2 = 0,795. Es sind für das Modell ideales Gasgemisch zu berechnen: a) die Molmasse M, b) die Dichte ρ * bei t = 20 C und p = 0,1 MPa, c) die Dichte ρ i der Einzelgase im Normzustand! Lösung: a) M = 30,20 kg/kmol b) ρ = 1,239 kg/m 3 c) ρ CO 2 = 1,964 kg/m3 ; ρ CO = 1,250 kg/m 3 ; ρ O 2 = 1,428 kg/m3 ; ρ N 2 = 1,250 kg/m3 Aufgabe 16.6 In einen Kühler strömen n = 46 mol/h Verbrennungsgasgemisch (ideales Gasgemisch) mit einer Temperatur t 1 = 1300 C und der Zusammensetzung ψ CO 2 = 0,084, ψ O 2 = 0,070, ψ N2 = 0,846. Der abgegebene Wärmestrom beträgt Q 12 = - 0,267 kw. Näherungsweise darf die spezifische isobare Wärmekapazität bei Eintrittstemperatur für die Berechnung der Zustandsänderung verwendet werden. Mit welcher Temperatur verlässt das Abgasgemisch den Kühler? Lösung: T 2 = 1010,94 K

14 16/3 Aufgabe 16.7 Ein ideales Verbrennungsgasgemisch einer Dampfkesselanlage mit der Zusammensetzung ψ CO 2 = 0,1200, ψ SO2 = 0,0005, ψ N2 = 0,8075, ψ O2 = 0,0500, ψ H2O = 0,0220 (Wasserdampf) kühlt sich in einem Luftvorwärmer von t 1 = 300 C auf t 2 = 160 C ab. Der Massestrom beträgt m = 3 kg/s. Berechnen Sie den dabei abgegebenen Wärmestrom Q 12! Lösung: Q12 = - 443,81 kw Aufgabe 16.8 Ein adiabater Verdichter mit einem isentropen Wirkungsgrad η S = 0,7 komprimiert ein ideales Gasgemisch der Zusammensetzung ψ He = 0,40, ψ N2 = 0,35, ψ O2 = 0,25 vom Zustand * p 1 = 100 kpa, t 1 = 50 C auf den Enddruck * p 2 = 0,6 MPa. Zu berechnen sind für die Näherungen c ig pmi = const, κ i = const: a) die Austrittstemperatur T 2, b) die aufzuwendende spezifische technische Arbeit w t12, c) die spezifische Entropieproduktion s irr 12 bei der Verdichtung, der spezifische Exergieverlust e V12 für die Umgebungstemperatur T u = 273,15 K! Lösung: a) T 2 = 684,38 K b) w t12 = 479,78 kj/kg c) s irr 12 = 0,229 kj/(kg. K) d) e V12 = 62,5 kj/kg Aufgabe 16.9 Die als ideal zu betrachtenden Gase N 2, O 2, Ar, CO 2 werden bei konstanter Temperatur und konstantem Druck adiabat gemischt. Das Gemisch hat danach die Zusammensetzung: ξ N 2 = 0,7552, ξ O2 = 0,2314, ξ Ar = 0,0119, ξ CO 2 = 0,0015 und darf als ideal angesehen werden. Berechnen Sie die spezifische irreversible Mischungsentropie sirr! Lösung: sirr = 0,1632 kj/(kg. K)

15 17/1 17. Feuchte Luft Aufgabe 17.1 In einem Raum befindet sich feuchte Luft mit t = 20 C und einem Feuchtigkeitsgehalt x W = 10 g/kg bei einem Gesamtdruck, der näherungsweise dem Normdruck entspricht. Wie hoch muss die Oberflächentemperatur t w der Wände mindestens sein, damit sich auf ihnen keine Flüssigkeit bildet? Lösen Sie die Aufgabe rechnerisch und parallel dazu mit dem h 1+x, x w -Diagramm. Lösung: t w = 14,04 C Aufgabe 17.2 Von der Sie umgebenden Luft ist Ihnen die Temperatur t = 20 C und die relative Luftfeuchte ϕ = 60% bekannt. Der Gesamtdruck entspricht in erster Näherung dem Normdruck p n. a) Handelt es sich um ungesättigte, gesättigte oder übersättigte Luft? b) Bestimmen Sie rechnerisch Partialdrücke des Wasserdampfes p D und der trockenen Luft p L Wassergehalt x W (absolute Luftfeuchtigkeit) Masseanteile des Wasserdampfes ξ W und der trockenen Luft ξ L luftspezifisches Volumen v 1+x, spezifisches Volumen v und Dichte ρ luftspezifische Enthalpie h 1+x und spezifische Enthalpie h luftspezifische innere Energie u 1+x und spezifische innere Energie u luftspezifische Entropie s 1+x und spezifische Entropie s c) Bestimmen Sie, soweit möglich, die unter b) berechneten Größen mit Hilfe des h 1+x,x W -Diagramms! Lösung: b) - p D = 1,403 kpa p L = 99,922 kpa x W = 8,736 g/kg(l) ξ W = 0,00866 ξ L = 0,99134 v 1+x = 0,8422 m 3 /kg(l) v = 0,8349 m 3 /kg ρ = 1,198 kg/ m 3 h 1+x = 42,37 kj/kg(l) h = 42,01 kj/kg u 1+x = - 42,96 kj/kg(l) u = - 42,59 kj/kg s 1+x = 0,3150 kj/(kg(l). K) s = 0,3123 kj/(kg. K)

16 17/2 Aufgabe 17.3 Sie messen in einem Raum eine Temperatur t = 18 C und eine relative Luftfeuchte ϕ = 80 %. Der Gesamtdruck entspricht in erster Näherung dem Normdruck p n. a) Berechnen Sie die Masse m von V = 1 m 3 dieser Luft! b) Berechnen Sie die Massen von trockener Luft m L und von Wasserdampf m W in einem Volumen V = 1 m 3! c) Berechnen Sie die Dichte ρ der feuchten Luft sowie die Dichten der sich darin befindlichen trockenen Luft ρ L und des Wasserdampfes ρ D! d) Welche Masse Wasserdampf m Ws kann V = 1 m 3 diese Luft maximal aufnehmen, ohne dass Nebel entsteht? Lösung: a) m = 1,205 kg b) m L = 1,193 kg m W = 0,0123 kg c) ρ = 1,205 kg/m 3 ρ L = 1,193 kg/m 3 ρ D = 0,0123 kg/m 3 d) m Ws = 0,0154 kg Aufgabe 17.4 Luft mit einer Temperatur t = 10 C besitzt einen Wassergehalt x W = 10 g/kg(l). Als Gesamtdruck p kann mit guter Näherung der Normdruck p n angenommen werden. a) Liegt die Luft ungesättigt, gesättigt, als Flüssigkeitsnebel oder Eisnebel vor? b) Bestimmen Sie rechnerisch das luftspezifische Volumen v 1+x und die luftspezifische Enthalpie h 1+x! c) Bestimmen Sie die unter b) berechneten Größen mit Hilfe des h 1+x, x w - Diagramms! Lösung: a) Flüssigkeitsnebel b) v 1+x = 0,812 m 3 /kg(l) h 1+x = 29,42 kj/kg(l) Aufgabe 17.5 Eisnebel mit einer Temperatur t = - 6 C besitzt einen Wassergehalt x W = 5 g/kg(l). Als Gesamtdruck p kann mit guter Näherung der Normdruck p n angenommen werden. Berechnen Sie die luftspezifischen Größen Volumen v 1+x und Enthalpie h 1+x! Lösung: v 1+x = 0,760 m 3 /kg(l) h 1+x = -1,38 kj/kg(l)

17 17/3 Aufgabe 17.6 Zur Ermittlung der Luftfeuchtigkeit werden mit einem gewöhnlichen Thermometer die Lufttemperatur t = 24 C und mit einem angefeuchteten Thermometer die Feuchtkugeltemperatur t ϕ = 19 C gemessen. Der Luftdruck entspricht dem Normdruck. a) Berechnen Sie die absolute Luftfeuchtigkeit x w, die relative Luftfeuchtigkeit ϕ, den Wasserdampfpartialdruck p D, die luftmassenbezogenen Größen Volumen v 1+x und Enthalpie h 1+x sowie die Dichte ρ der Luft! b) Ermitteln Sie die unter a) gesuchten Größen (außer Dichte) mit Hilfe des h 1+x,x w - Diagramms! Lösung: x W = 11,7 g/kg(l) ϕ = 0,626 p D = 1,87 kpa v 1+x = 0,858 m 3 /kg(l) h 1+x = 54,01 kj/kg(l) ρ = 1,180 kg/m 3 Aufgabe 17.7 Der Massestrom m = 20 kg/h feuchte Luft mit t 1 = 10 C und ϕ 1 = 90 % wird auf t 2 = 40 C erwärmt. Es herrscht der Normdruck p n. Es sind zu berechnen und parallel dazu mit dem h 1+x, x w - Diagramm zu ermitteln: a) die Endfeuchte ϕ 2 der Luft b) der zuzuführende Wärmestrom Q 12! Lösung: a) ϕ 2 = 0,150 b) Q 12 = 0,169 kw Aufgabe 17.8 Feuchte Luft von t 1 = 12 C und ϕ 1 = 0,8 wird isobar auf t 2 = 20 C erwärmt. Es herrscht der Normdruck p n. Mit dem h 1+x, x w - Diagramm sind zu bestimmen und parallel dazu zu berechnen: a) der Feuchtigkeitsgehalt x W2 b) die relative Feuchte ϕ 2 c) das spezifische Volumen v 2 d) die zuzuführende spezifische Wärme q 12! Lösung: a) x W2 = 6,97g/kg(L) b) ϕ 2 = 0,48 c) v 1+x,2 = 0,834 m 3 /kg d) q 12 = 8,18 kj/kg Aufgabe 17.9 V 1 = 100 m 3 /h feuchte Luft wird von t 1 = 10 C und ϕ 1 = 0,6 isobar auf t 2 = 40 C erwärmt. Näherungsweise kann angenommen werden, dass die Luft unter dem Normdruck steht. Es sind grafisch mit einem h 1+x, x w - Diagramm und rechnerisch zu ermitteln: a) die relative Feuchte ϕ 2 der Luft b) der zuzuführende Wärmestrom Q 12 c) die Partialdampfdrücke p D1 und p D2 des Wasserdampfes! Lösung: a) ϕ 2 = 0,09979 b) Q 12 = 3762,74 kj/h c)p D2 = p D1 = 0,7369 kpa

18 17/4 Aufgabe Durch eine Rohrleitung strömt feuchte Luft mit t = 40 C und x w = 30 g/kg(l) bei einem Gesamtdruck p = 220 kpa. Der Massestrom der darin enthaltenen trockenen Luft beträgt m L = 10 kg/s. a) In welchem Zustand liegt die feuchte Luft vor begründen Sie Ihre Aussage? b) Ermitteln Sie den Volumenstrom der feuchten Luft V! c) Berechnen Sie den Volumenstrom V L der darin enthaltenen trockenen Luft! Lösung: a) Flüssigkeitsnebel b) V = 4,23 m 3 /s c) V L = 4,086 m 3 /s Aufgabe Eine Masse m A = 2 kg feuchte Luft mit t A = 30 C und ξ WA = 0,4 % enthaltenem Wasserdampf wird bei p = p n = const mit m B = 8 kg feuchter Luft von t B = 20 C, ξ WB = 0,6 % isobar gemischt. Es sind zu berechnen und parallel dazu mit dem h 1+x,x W - Diagramm zu ermitteln: a) der Feuchtigkeitsgehalt x W2 des Gemisches, b) die Temperatur t 2 des Gemisches! Lösung: a) x W2 = 5,6 g/kg(l) b) t 2 = 22,0 C Aufgabe In einem Kühler wird ein Massestrom m 1 = 30 kg/h feuchte Luft mit x W1 = 12 g/kg(l) wird bei p = p n von t 1 = 40 C auf t 2 = 2 C isobar abgekühlt, wobei am Ende gesättigte feuchte Luft vorliegt. Es kann angenommen werden, dass das abtropfende Wasser die gleiche Temperatur wie die austretende feuchte Luft besitzt. Bestimmen Sie rechnerisch und parallel dazu mit einem h 1+x,x W - Diagramm: a) die relative Feuchte ϕ 1 im Anfangszustand, b) die Taupunkttemperatur tτ1 des Eintrittszustands, c) den Massestrom m W12 des dabei kondensierenden Wassers, d) den abzuführenden Wärmestrom Q 12! Lösung: a) ϕ 1 = 0,260 b) tτ1 = 16,83 C c) m W12 = - 0,226 kg/h d) Q 12 = - 0,481 kw

19 17/5 Aufgabe In der Mischkammer einer Klimaanlage werden die Masseströme m A (Außenluft ϕ A = 0,5; t A = 5 C) und m U (Umluft ϕ U = 0,7; t U = 23 C) bei einem Druck p = p n isobar gemischt. Das Verhältnis der Trockenluftmassenströme beträgt m LA / m LU = 2,5. a) Mit einem h 1+x, x W - Diagramm und parallel dazu rechnerisch sind die Zustandsgrößen t 2 und ϕ 2 der Mischluft zu bestimmen! b) Wie groß sind die Masseströme m A und m U, wenn m 2 = 3000 kg/h Mischluft benötigt wird? Lösung: a) t 2 = 10,2 C ϕ 2 = 0,71 b) m A = 2136,9 kg/h m U = 863,0 kg/h Aufgabe In einer Mischkammer werden V U = 3000 m 3 /h Umluft von t U = 20 C und ϕ U = 0,4 mit V A = 7000 m 3 /h Außenluft von t A = 5 C und ϕ A = 0,7 bei p = p n gemischt. Es ist mit dem h 1+x, x W - Diagramm der Zustand des Gemisches (ϕ 2, x W2, t 2, h 1+x,2, ξ W2, ψ W2 ) sowie die zugehörige Taupunkttemperatur t τ2 und die Feuchtkugeltemperatur tϕ 2 zu bestimmen! Lösung: ϕ 2 = 0,598 x W2 = 4,4 g/kg(l) t 2 = 9,3 C h 1+x,2 = 20,4 kj/kg(l) ξ W2 = 0,00434 ψ W2 = 0,00697 t τ2 = 2,0 C tϕ 2 = 6,1 C Aufgabe V A = 3200 m 3 /h Außenluft von t A = 8 C und ϕ A = 0,5 wird in einer Teilklimaanlage mit V U = 8400 m 3 /h Raumluft von t U = 22 C und ϕ U = 0,7 bei p = p n isobar zum Zustand 2 gemischt und anschließend auf t 3 = 10 C abgekühlt. a) Mit einem h 1+x, x W - Diagramm ist der Zustand des Gemisches (x W2, t 2, h 1+x,2 ) vor der Kühlung zu bestimmen! b) Wie groß ist der im Kühler abgeführte Wassermassestrom m W23? c) Berechnen Sie den im Kühler abzuführenden Wärmestrom Q 23! Lösung: a) x W2 = 9,2 g/kg(l) t 2 = 18 C h 1+x,2 = 41,4 kj/kg(l) b) m W23 = - 5,91 g/s c) Q 23 = - 46,21 kw

20 17/6 Aufgabe In trockene Luft von t = 35 C wird bei p = p n Wasser mit einer Temperatur von 20 C eingespritzt. Das eingespritzte Wasser verdunstet vollständig. Am Ausgang liegt gesättigte feuchte Luft vor. Mit einem h 1+x, x W - Diagramm sind zu bestimmen: a) die Endtemperatur der Luft t 2 b) die je kg trockene Luft aufgenommene Wassermasse m / m W12 L Lösung: a) t 2 = 12,5 C b) m / m W12 L = 9,0 g/kg(l) Aufgabe Feuchte Luft von t A = 36 C und x WA = 0,15 x Ws soll durch Einspritzen von zerstäubtem Wasser mit einer Temperatur t B = 10 C bei p = p n isobar abgekühlt werden. Bestimmen Sie mit dem h 1+x, x W -Diagramm: a) Die Endtemperatur t 2 der Luft, wenn kein Nebel auftreten darf b) die je kg trockene Luft erforderliche Masse Wasser m W12 / m L! Lösung: a) t 2 = 18,4 C b) m W12 / m L = 7,46 g/kg(l) Aufgabe Ein feuchtes Gasgemisch besteht aus dem trockenen Gasgemisch der Aufgabe 16.1 mit den Massen: m N 2 = 2,5 kg; m O2 = 1,75 kg; m H2 = 0,85 kg; m CO2 = 0,2 kg und Wasserdampf. Die Temperatur beträgt t = 100 C und der Wassergehalt x W = 10 g/kg(g), wobei das feuchte Gasgemisch noch ungesättigt ist. Der Gesamtdruck beträgt p = 755 kpa. a) Berechnen Sie die Gaskonstante R G und die spezifische isobare Wärmekapazität c des trockenen Gasgemisches für c pg p ig, κ = const! b) Welches gas-spezifische Volumen v 1+x besitzt das feuchte Gasgemisch? c) Ermitteln Sie die gas-spezifische Enthalpie h 1+x des feuchten Gasgemisches! Lösung: a) R G = 0,89437 kj/(kg K) c = 3,1363 (kj/kg K) pg b) v 1+x = 0,442 m 3 /kg(g) c) h 1+x = 340,50 kj/kg(g)

21 18/1 18. Stoffübertragung Aufgabe 18.1 Eine als eben anzusehende Außenwand der Fläche A = 20 m 2 besteht aus einer 10 cm dicken Betonschicht und einer außen vorgelagerten Wärmedämmung der Dicke 5 cm aus Styropor. Innen herrscht eine Temperatur t i = 20 C und eine relative Luftfeuchtigkeit von ϕ i = 0,7. Außen werden t a = 5 C und ϕ a = 0,3 gemessen. Der Verputz außen und innen sowie die Stoffübergangswiderstände an der Außen- und Innenwand dürfen vernachlässigt werden. In erster Näherung können als mittlere Temperaturen 20 C für die Betonschicht und 10 C für die Styroporschicht verwendet werden. Der Luftdruck innen und außen entspricht dem Normdruck. a) Welcher Massestrom m W Wasserdampf diffundiert durch die Wand? b) Berechnen Sie die Massestromdichte m W des Wasserdampfes! c) Berechnen Sie außerdem den Molstrom n W und die Molstromdichte n W! Lösung: a) m W = 1,37 g/h b) m W = 0,0685 g/m 2 h c) n W = 0,0759 mol/h n W = 0,0038 mol/ m 2 h Aufgabe 18.2 Luft strömt mit einer Geschwindigkeit c = 5 m/s über eine Wasserfläche der Größe 5 m x 5 m. Die mittlere Temperatur der Luft beträgt t L = 25 C, die relative Luftfeuchte ϕ = 0,4 und der Luftdruck p = 1,01325 bar. Das Wasser hat eine Oberflächentemperatur t o = 18 C. a) Berechnen Sie den Stoffübergangskoeffizienten β WL für Wasserdampf zwischen der Wasseroberfläche und der Luft! b) Welcher Massestrom Wasserdampf m W verdunstet? Lösung: a) β W = 0,0136 m/s b) m W = 2,0 g/s Aufgabe 18.3 An der freien Wasseroberfläche eines Hallenbades von 500 m 2 mit einer Temperatur von t o = 25 C verdunstet Wasser. Die Luft im Hallenbad hat eine relative Feuchte ϕ = 0,8 und eine Temperatur von 28 C. Als Luftdruck kann mit guter Näherung der Normdruck angenommen werden. Wie groß ist der verdunstende Wassermassestrom m W? Lösung: m W = 35,88 kg/h

22 18/2 Aufgabe 18.4 Feuchter Luft mit ϕ = 0,9 und t = 25 C sollen m W = 5 kg/h Wasser entzogen werden. Hierfür wird die Luft über Gefäße geführt, die bis zu einer Entfernung von δ = 10 cm vom oberen Rand mit Schwefelsäure gefüllt sind. Da die Schwefelsäure Wasserdampf absorbiert, darf der Partialdampfdruck des Wasserdampfes an der Oberfläche der Schwefelsäure näherungsweise zu Null angenommen werden. Der Luftdruck entspricht näherungsweise dem Normdruck. Es ist die erforderliche Fläche der Gefäße zu berechnen! Lösung: A = 276,9 m 2 Aufgabe 18.5 Luft mit t F = 20 C befindet sich über einer Wasserfläche mit der Oberflächentemperatur t o = 15 C. Bekannt sind der Partialdampfdruck des Wasserdampfes in der Luft p D = 800 Pa und der Wärmeübergangskoeffizient α = 21,4 W/(m 2. K). Der Luftdruck entspricht dem Normaldruck. Es sind die Massestromdichte des verdunsteten Wasserdampfes m W und die Wärmestromdichte q an der Oberfläche durch Verdunstung und Konvektion zu berechnen (Näherungsweise kann der Stoffübergangskoeffizient ausgehend vom Wärmeübergangskoeffizienten ermittelt werden, wobei für die Dichte und für die spezifische Wärmekapazität der feuchten Luft die Werte für trockene Luft verwendet werden dürfen.)! Lösung: m W = 0,432 kg/(m 2. h) q = 188,0 W/m 2 Aufgabe 18.6 In einem Gefäß befindet sich Ethanol. Die Grenzschicht an der Oberfläche A=4,5 m 2 besitzt eine Konzentrationsdifferenz c F = 0,2 kmol/m 3. Für eine Grenzschichtdicke δ = 0,15 mm zwischen dem Ethanol und der Luft ist der Stoffmengenstrom des Ethanols n F zu berechnen! Lösung: n F = 243,6 kmol/h

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