Prozeßmodelle. Bilanzgleichungen in der Verfahrenstechnik und Energietechnik

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1 \ Prozeßmodelle Bilanzgleichungen in der Verfahrenstechnik und Energietechnik 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. Prof. Dr.-Ing. Ehrenfried Schutt Dipl.-Ing. Thomas Nietsch Dipl.-Ing. Andreas Rogowski VDI-Verlag GmbH Verlag des Vereins Deutscher Ingenieure Düsseldorf

2 VDI Inhaltsverzeichnis INHALTSVERZEICHNIS Kapitel Allgemeines Einleitung Zielsetzung Formales Konkrete Zielsetzung Aufstellung der Mengebilanz Aufstellung von Modellen und Lösungen Seite Kapitell Analogie und Definitionen Menge (Bilanzgröße) System (Bilanzbereich) Vorgänge und zugehörige Ströme Kapitel Integrale Bilanzgleichung Aufgabe und Formen Spezielle Formen Erhaltungssätze Spezielle Integralbilanzen Ermittlung von Strömen, Graden und Zahlen Kapitel Differentielle Bilanzgleichungen Zielsetzung, Definition bezogener Größen Ableitung der Differentialbilanz Ableitung der Differentialbilanz aus der Integralbilanz Ableitung der Differentialbilanz am Volumenelement Weitere analoge Beziehungen Konvektiver Transport (Strömung) Konduktiver Transport (Leitung) Übergangstransport

3 Inhaltsverzeichnis Spezielle differentielle Bilanzgleichungen Lösung der differentiellen Bilanzgleichungen Kapitel Ergänzungen Bilanzen für j - dimensionale Systeme Geometrisches Volumen, j = 3 Bilanz im Phasenraum, j > 3 Bilanz in einem Punkt, j = 0 Bilanz an Flächen, j = 2; Randbedingung Stabilität und Dynamik von Systemen Kennzahlen Kennzahlen aus Differentialbilanzen Kennzahlen aus Integralbilanzen Kennzahlen für Übergangsvorgänge Kennzahlen aus Flächenbilanzen Praktische Fälle als Kennzahldiagramme Skalare, Vektoren und Tensoren Wandlungsstromdichten q, q Zustands Bleichungen N BEISPIELE 3 Integrale Bilanzgleichungen Elemente und Teilchenzahl Nl Geldbilanz in der Geldbörse 4 N2 Tellerbilanz in einer Porzellanfabrik 8 N3 Bilanzierung eines Kornspeichers 101 N4 Bevölkerungsbilanz 108 N5 Gasdruck auf eine Fläche 112 N6 Bakterienbilanz im Boden 116 N7 Konzentration von Insekten 118 N8 Autos auf der Autobahn 120

4 A Inhaltsverzeichnis nmv mnvl mnv2 mnv3 mnv4 mnv5 mnv6 mnv7 Masse, Stoffmenge, Volumen Wasserbilanz an einem Behälter Stoffbilanzen bei der Elektrolyse Stoffbilanz an einer stationären Brennkammer Entleerung eines Gasspeichers Anlage- und Apparatebilanz CO 2 - Volumenbilanz im Seminarraum Auslaufender Behälter E El E2 E3 E4 E5 E6 E7 E8 E E10 Eil E12 Energie Bewegte Körper a) Körper ohne und mit Reibung b) Bergsteiger c) Gewichtheber d) Körper und Feder Einzelpartikel im freien Fall Rohrleitung mit Pumpe Gegenstromwärmeübert rager Aufheizung einer Eisenbramme Energiebilanzen an technischen Systemen Füllen einer Gasflasche Energiebilanz an einem Wohnhaus Betriebspunkte eines Reaktionskessels Energiebilanzen bei der Elektrolyse und der Brennstoffzelle Leistung eines Autos Verdunstungszähler als Energiemeßgerät an Heizkörpern I Impuls Bewegte Körper 1. Körper auf einer schiefen Ebene 2. Körper an einer Feder 3. Partikel in Fluiden Umströmte Kueel 258

5 Inhaltsverzeichnis 13 Druckverlust im durchströmten Rohr 14 Luftdruck, Schornsteinzug 15 Kräfte an einem Rohrkrümmer 16 Kräfte im Raumschiff 17 Kugel in einer rotierenden Schale 18 Ballistisches Pendel S'l S'l Entropie Entropiebilanz beim Wärmetransport DB DB- nl DB- n2 DB- n3 DB- El DB- E2 DB- E3 DB- II DB-12 DB-13 Differentielle Bilanzgleichungen Konzentrationsfeld in einem chemischen Reaktor Dampfkonzentrationsfeld in einer Tasse Konzentrationsfeld in einer Katalysatorwand Instationäres Temperaturfeld in einer Hauswand Temperaturverhältnisse eines elektrisch beheizten Drahtes Aufheizung einer Platte mit Wärmeübergang Geschwindigkeitsfeld im durchströmten Rohr Filmströmung auf einer schrägen Platte Entleerung eines Kessels bei Wandhaftung DB- ne DB- EI DB- nn DB- mei IB- EE/II Gekoppelte Bilanzen Adiabater chemischer Reaktor Freie Konvektion zwischen Platten unterschiedlicher Temperatur Folgereaktionen Grenzschichten (Wärmeübergang) Schwingungssystem aus Körper und Feder