Informationen zur Vorlesung/Übung
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- Benjamin Fuchs
- vor 7 Jahren
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1 Informationen zur Vorlesung/Übung echnische hermodynamik ermin: mittwochs Uhr (V 7.0) donnerstags Uhr (V 7.0) Aufteilung Übung/Vorlesung gl. erminübersicht unter htt:// Übungen: Vortragsübungen und freiwillige Gruenübungen Zulassung zur Prüfung: /: mind. bestandene Zulassungsklausuren (on insgesamt ) aus und Klausurtermine: :.6.0,.7.0 Uhr
2 Informationen zur Vorlesung/Übung echnische hermodynamik Srechstunden: Vor jeder Scheinklausur x (0.5. u..6. sowie 8.7. u. 0.7.) on 00 bis 5 0 Uhr im Raum / Pfaffenwaldring 6 Prüfungssrechstunden in der orlesungsfreien Zeit Srechstunden nach Vereinbarung Prof. Dr.-Ing. K. Sindler (Anmeldung el. 56) Dr.-Ing. W. Heidemann (el. 50) Dil.-Ing. B. Bierling (el. 55) Kontaktaufnahme er thermo@itw.uni-stuttgart.de
3 Informationen zur Vorlesung/Übung echnische hermodynamik Unterlagen zur Vorlesung: Vorlesungsbegleitend wird ein Lückentext (mit Aufgabensammlung) zur Vorlesung über s Koierlädle erkauft: - Preis: gelocht,50 ringgebunden 5,90 klebegebunden 5,50 Übungsskrit: - Preis: gelocht,00 ringgebunden 5,0 klebegebunden 5,00
4 Inhaltserzeichnis eil ( ) echnische hermodynamik Kaitel VII VII. VII. VII. VII. hermodynamische Kreisrozesse ohne Phasenänderung Allgemeines Rechtsgängige Vergleichsrozesse (Otto-, Diesel-, Stirling-, Joule-Prozess) Linksgängige Prozesse (Verdichter, Gas-Kälte-Prozess)
5 Inhaltserzeichnis eil ( ) echnische hermodynamik Kaitel VIII VIII. Reine reale Arbeitsmittel VIII. hermische Zustandsgrößen VIII. Kalorische Zustandsgrößen VIII. Einfache Zustandsänderungen Kaitel IX IX. hermodynamische Kreisrozesse mit Phasenänderung IX. Damfkraftrozesse IX. Kaltdamfrozesse 5
6 Inhaltserzeichnis eil ( ) echnische hermodynamik Kaitel X VIII. VIII. VIII. VIII. VIII. VIII.5 Gemische Gemische idealer Gase Allgemeine Einführung Zustandsgrößen Zustandsdiagramme Anwendungen Kaitel XI XI. Prozesse mit chemischen Reaktionen XI. Reaktionsenthalie XI. Verbrennungsenthalie XI. Stöchiometrische Verbrennung 6
7 VII hermodynamische Kreisrozesse ohne Phasenänderung echnische hermodynamik Ersetzen des realen Prozesses durch idealisierten thermodynamischen Prozess: V e r g l e i c h s r o z e s s. Merkmale: - Aroximation irreersibler Zustandsänderungen des wirklichen Prozesses durch reersible Zustandsänderungen. - Ersetzen des realen Arbeitsmittels durch ein ideales Gas. - Vernachlässigung on kinetischen und otentiellen Energien des Arbeitsmittels. Vorteil: Einfache Berechnung möglich. Aber: hermodynamische Bewertungsmaße sind größer als die des realen Prozesses 7
8 VII. Allgemeines echnische hermodynamik Viele Kreisrozesse laufen in Kolbenmaschinen ab: Oberer otunkt: Kolbenstellung kleinstes Arbeitsmittelolumen Unterer otunkt: Kolbenstellung größtes Arbeitsmittelolumen Kolbenhub (akt): Kolbenbewegung om unteren bis oberen otunkt Hubolumen: V Hub V unterer otunkt VsR V oberer VHub otunkt V Schädlicher Raum: Für technische Nutzung erlorenes Volumen im oberen otunkt V sr 8
9 VII. Allgemeines echnische hermodynamik Indikatordiagramm: Darstellung on (V) einer realen Kolbenmaschine Indikatordiagramm eines Motors zeigt gewinnbare Kreisrozessarbeit (indizierte Arbeit) W des Vergleichs- Vergleich mit Arbeit rozesses zeigt: ind W gew W ind < W gew Wgew W ind W ind Indikatordiagramm Vergleichsrozess V sr V Hub V 9
10 echnische hermodynamik VII. Rechtsgängige Vergleichsrozesse Leistung einer Maschine: oder mit m als Arbeitsmittelmassenstrom. P m w m t w gew P π n M mit M d als Drehmoment d und n als Drehzahl (in /sec) Mit mittlerem Arbeitsdruck (fiktie Rechengröße, Maß für die Belastung der Maschine) W / V m gew Hub folgt P V n mit n a als sogenannter Arbeitsdrehzahl. m Hub a n a n / für den -akt-motor n a n für den -akt-motor 0
11 echnische hermodynamik VII. Rechtsgängige Vergleichsrozesse Arbeitsmittelmassenstrom m : m V Mit Arbeitsdrehzahl n a lässt sich Volumenstrom ausdrücken als und es folgt m V n a ρ V n a mn a V V na Energetisches Bewertungsmaß rechtsgängiger Kreisrozesse: hermischer Wirkungsgrad: η th W Q gew zu Bei Erzeugung on zugeführter Wärme durch Verbrennen einer Brennstoffmenge m B mit dem Heizwert H u folgt: η th W m B gew H u bzw. η th P m B gew H u
12 VII.. Der Otto-Prozess echnische hermodynamik Der -akt-ottomotor Abgas Luft/Benzin- Gemisch Luft/Benzin- Gemisch s. akt Verdichtung. akt Entsannung. akt Ausschieben. akt Ansaugen Verdichtungstakt: Entsannungstakt: Ausschiebetakt: Ansaugetakt: Kolbenbewegung aufwärts, Verdichtung des Luft/Benzin-Gemisches, kurz or oberen otunkt Zündung des Gemisches. Verbrennung des Gemisches, Kolbenabwärtsbewegung, Arbeitsabgabe, Zylinder gefüllt mit Abgas Kolbenaufwärtsbewegung, Auslassentil offen, Ausschieben des Abgase Kolbenabwärtsbewegung, Einlassentil offen, Ansaugen on frischem Luft/Benzin-Gemisch
13 VII.. Der Otto-Prozess echnische hermodynamik Der Vergleichsrozess für den Otto-Motor: -: Isentroe Verdichtung zu -: Isochore Wärmezufuhr qzu Luft -: Isentroe Entsannungw ab -: Isochore Wärmeabfuhr qab re. adiabat w q Luft zu - isochor Luft re. adiabat q ab Luft - isochor w ab o u w zu s,- Diagramm,s- Diagramm
14 VII.. Der Otto-Prozess echnische hermodynamik Annahmen für Berechnung: - konstante Arbeitsmittelmenge m (geschlossenes System) - ideales Gas (meist Luft) mit konstanten Stoffwerten - innere Verbrennung wird durch Wärmezufuhr on außen ersetzt - Volumenerhältnisse wie bei realem Motor Hub Verdichtungserhältnis ε q q V V max min und es gilt: du dq + dw 0 zu ab V V w Für die zu- und abgeführten Wärmen gilt: q zu q ab q q c c ( ) ( ) bzw. q ab c ( )
15 echnische hermodynamik 5 VII.. Der Otto-Prozess κ ε η th κ Mit (isentroe Zustandsänderungen - bzw. -) κ und bzw. folgt: zu th q w η hermischer Wirkungsgrad zu ab zu q q q
16 VII.. Der Diesel-Prozess echnische hermodynamik Der -akt-dieselmotor Kraftstoffeinsritzung Abgas Luft Luft. akt Verdichtung. akt Entsannung. akt Ausschieben. akt Ansaugen Verdichtungstakt: Kolbenaufwärtsbewegung, Verdichtung on Luft auf hohe emeratur und hohen Druck. Entsannungstakt: Einsritzen on Kraftstoff, Selbstentzündung des Kraftstoff- Luftgemisches, Kolbenabwärtsbewegung, Arbeitsabgabe Ausschiebetakt: Ansaugetakt: Kolbenaufwärtsbewegung, Auslassentil offen, Ausschieben des Abgases Kolbenabwärtsbewegung, Einlassentil offen, Ansaugen on Frischluft 6
17 VII.. Der Diesel-Prozess echnische hermodynamik Vergleichsrozess für Diesel-Prozess: -: Isentroe Verdichtung w zu -: Isobare Wärmezufuhr q zu,w -: Isentroe Entsannungw -: Isochore Wärmeabfuhr qab w ab w + w o u s,- Diagramm,s- Diagramm 7
18 echnische hermodynamik 8 VII.. Der Diesel-Prozess Berechnung des Diesel-Vergleichsrozesses: Für zu- und abgeführten Wärmen gilt: ) ( ) ( ) ( + + u u d u u q q zu bzw. ( ) c q q ab ( ) c q ab ) ( ) ( c h h q zu hermischer Wirkungsgrad ( ) q q q zu ab zu th κ κ η Einsritzerhältnis ϕ Definition
19 VII.. Der Diesel-Prozess echnische hermodynamik κ ; κ Mit (isentroe Zustandsänderungen - bzw. -) und ϕ / bzw. ε / η th ϕ κ ε κ κ ( ϕ ) 9
20 VII.. Maßnahmen an Verbrennungsmotoren zur Leistungssteigerung echnische hermodynamik Motorleistung P Motor m w gew mn a w gew VII... Abgasturbolader Leistungssteigerung: bei nconst. (n a const.) und V Hub const. durch größere Zylinderfüllung mit Frischluft (Ladungsmasse) Definition Aufladung : Zufuhr einer größeren Ladungsmasse als es durch Ansaugen aus Umgebung möglich ist 0
21 VII... Abgasturbolader echnische hermodynamik Lader (Verdichter) Lader (Verdichter) Vergleichsrozess Ladeluftkühler mit Lader und Rückkühlung mit Lader - Motorgeometrie ist konstant: V V V [m ] Vmax V V V [m ε const. ] V - Aufladung bewirkt: > > bzw. ρ < ρ < ρ ( ρv ) < m m < m min Beisiel: 0 [m /kg] 5 0 kg Saugmotor ρ (,9) 00 % 87 9 m 5,5 0 kg Aufladung ρ (,9) 8 % m 5 Aufladung,5 0 kg ρ (,78) % 87 m
22 VII... Abgasturbolader echnische hermodynamik Verdichter m 0 L urbine m A 6 Stauaufladung (ideal) [m /kg] - keine mechanische Koelung on urbolader mit Motor - Freilaufbedingung: P urbine P Verdichter Stoßaufladung (ideal) Ideal: real: m m A A w w is, is, m η G, L w is, V m L w η G,V is,v [m /kg]
23 VII... Abgasturbolader echnische hermodynamik Früher: Leistungszuwachs durch urbotechnik als Ziel + + P m Motor w gew Quelle: htt:// Heute: - Emissionsminderung / reduzierter Kraftstofferbrauch bei ergleichbarer Motorleistung. - dies gelingt mit kleiner bauenden und damit auch leichteren Motoren ( Downsizing ) P + m Motor w gew -
24 VII... Abwärmenutzung echnische hermodynamik Energiebilanz am Verbrennungsmotor: zugeführte Energie wird zu ca. / in Arbeit zu ca. / in (Ab-) Wärme gewandelt Quelle: Ringler, J. u.a.: Potenzial der thermischen Rekueration mittels eines Rankine-Prozesses beim PKW, Fachtagung Haus der echnik, München Idee: Koelung des Motors mit einem Kraftwerksrozess (RC, ORC zur zusätzlichen Wandlung on Abwärme in Arbeit (Energieeffizienzsteigerung)
25 VII... Abwärmenutzung echnische hermodynamik Vergleichsrozess für Kraftwerk: CR-Prozess Clausius Rankine-Prozess (Arbeitsmittel Wasser) ORC-Prozess Organic (Clausius) Rankine-Prozess (Arbeitsmittel z.b. NH, Ra, ) Möglichkeiten der motorseitigen Ankoelung (/) Verdichter urbine heißer Wärmeträger AGR AGR Abgasrückführung (mit Rückkühlung) η ORC 0% Vorteil: AGR-Kühler meist schon orhanden 5
26 VII... Abwärmenutzung echnische hermodynamik Vergleichsrozess für Kraftwerk: CR-Prozess Clausius Rankine-Prozess (Arbeitsmittel Wasser) ORC-Prozess Organic (Clausius) Rankine-Prozess (Arbeitsmittel z.b. NH, Ra, ) Möglichkeiten der motorseitigen Ankoelung (/) AGWÜ heißer Wärmeträger Verdichter urbine η ORC 0% AGWÜ Abgas-Wärmeübertrager 6
27 Funktion Stirlingmotor echnische hermodynamik 7
28 Funktion Stirlingmotor echnische hermodynamik 8
29 Funktion Stirlingmotor echnische hermodynamik 9
30 Funktion Stirlingmotor echnische hermodynamik 0
31 Funktion Stirlingmotor echnische hermodynamik
32 VII.. Der Stirling-Prozess echnische hermodynamik Regenerator heiß Regenerator kalt Regeneratorabkühlung Regeneratorerwärmung a b a b b b q ab q zu - Zustandsänderung - Zustandsänderung - Verdichtung on Gas unter Wärmeabfuhr nach außen, Kolben a bewegt sich, Kolben b stationär, Regenerator ist heiß. Überschieben des Gases in rechten Zylinderraum, Kolben a und b bewegen sich, Erwärmung des Gases im Regenerator, Abkühlung des Regenerators. Zustandsänderung - Entsannung des Gases im rechten Zylinderraum unter Wärmeaufnahme on außen, Kolben b bewegt sich, kalter Regenerator Zustandsänderung - Überschieben des Gases in linken Zylinderraum, Kolben a und b bewegen sich, Abkühlung des Gases im Regenerator, Erwärmung des Regenerators
33 VII.. Der Stirling-Prozess echnische hermodynamik Vergleichsrozess für Stirlingmotor: -: Isotherme Verdichtung mit Wärmeabfuhr ab zu -: Isochore innere Wärmeübertragung on Regenerator an Gas -: Isotherme Entsannung mit Wärmezufuhr qzu w ab -: Isochore innere Wärmeübertragung on Gas an Regenerator q w q q 0 s,- Diagramm,s- Diagramm
34 VII.. Der Stirling-Prozess echnische hermodynamik hermischer Wirkungsgrad η th q q ab zu Für zu- und abgeführten Wärmen on bzw. nach außen gilt, q da q q zu q Ri ln q ab q Ri 0 ln bzw. qab q und folgt: Ri 0 ln ηth Ri ln Mit Stirling-Prozess mit innerer Wärmeübertragung hat denselben thermischen Wirkungsgrad wie Carnot-Prozess 0 R i 0 ln
35 Ausgeführte Stirlingmaschinen echnische hermodynamik Miniblockheizkraftwerk Sunmachine (Weber Solartechnik) Energiequelle: Sonne, Biomasse Stirling-Aggregat Energiequelle: Verbrennung on Gas aus Druckflaschen 5
36 Dish/Stirling System echnische hermodynamik Parabolsiegel Generator Stirling Receier Solarstrahlung Siegel Nachführung 6
37 echnische hermodynamik 8,5 m Ø EuroDish on Schlaich Bergermann und Partner mit SOLO 6 Stirlingmotor 7
38 VII..5 Der Joule-Prozess echnische hermodynamik Joule-Prozess: - besteht aus Isentroen und Isobaren - Vergleichsrozess für Gasturbinenanlagen. Beisiel: Siemens Gasturbine 8
39 VII..5 Der Joule-Prozess echnische hermodynamik Beisiel: Alstom-urbine 9
40 VII..5 Der Joule-Prozess echnische hermodynamik Ausführungsmöglichkeiten:. Q zu. Q zu Brennkammer urbine Verdichter P gew offene Gasturbinenanlage (Ansaugen des Arbeitsmittels aus Umgebung) Generator Verdichter Gaserhitzer urbine. Q ab P gew geschlossene Gasturbinenanlage Generator 0
41 VII..5 Der Joule-Prozess echnische hermodynamik Beim Joule-Prozess durchläuft man: q 0 q q q 0 zu q q ab w,, - isentroe Komression t w t zu - isobare Wärmezufuhr - isentroe Exansion w t, w t, ab - isobare Wärmeabgabe s,- Diagramm,s- Diagramm
42 echnische hermodynamik VII..5 Der Joule-Prozess hermischer Wirkungsgrad: zu zu ab zu zu th q q q q q q q w η [ ] [ ] κ κ η 0 / / th Aus den isentroen Zustandsänderungen folgt κ κ κ κ κ κ 0 erhält man 0 da ( ) ( ) ( ) c c c
43 VII..5 Der Joule-Prozess echnische hermodynamik
44 echnische hermodynamik VII..5. Maßnahmen zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades Gasturbinenrozess mit Wärmerückgewinnung: - komrimierte Luft nach Verdichter wird om entsannten Gas aus urbine orgewärmt. Beisiel: Geschlossene Gasturbinenanlage mit Wärmerückgewinnung Wärmeübertrager * Verdichter Gaserhitzer. Q zu urbine P gew Generator. Q ab *
45 echnische hermodynamik VII..5. Maßnahmen zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades Voraussetzung für Wärmerückgewinnung: - emeratur des wärmeaufnehmenden Stoffstroms muss niedriger sein als emeratur des wärmeabgebenden Stroms. * * * * s Beisiel: Joule-Prozess mit Wärmerückgewinnung 5
46 echnische hermodynamik VII..5. Maßnahmen zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades Durch Vorwärmung wird abzuführende Wärme (-) ebenso wie zuzuführende Wärme (-) um gleichen Energiebetrag (Fläche,*,s *,s bzw. *,,s,s * ) erringert. hermischer Wirkungsgrad mit Wärmerückgewinnung: η th q q ab zu c c ( * ) ( ) * Mit,, * * η th [ / ] [ / ] 0 κ κ folgt Vergleich mit Prozess ohne Wärmerückgew. zeigt Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades, da >. 6
47 echnische hermodynamik VII..5. Maßnahmen zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades Mehrstufige Gasturbinenrozesse: - Hintereinanderschaltung mehrerer Verdichter mit anschließender Rückkühlung - Annäherung an isotherme Verdichtung und Entsannung. * * * * s Beisiel: Mehrstufiger Joule-Prozess 7
48 echnische hermodynamik VII..5. Maßnahmen zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades Warum wird eine möglichst isotherme Verdichtung und Entsannung zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades angestrebt? Im,-Diagramm zeigt sich: - isotherme Verdichtung erfordert geringere technische Arbeit als isentroe Verdichtung (bei identischem Anfangszustand und gleichem Enddruck). - isotherme Entsannung liefert mehr technische Arbeit als isentroe Entsannung (bei identischem Anfangszustand und gleichem Enddruck). w t, const. w t, 8
49 VII. Linksgängige Prozesse VII.. Einstufige Verdichter echnische hermodynamik Verdichter werden zur Druckerhöhung on Gasen (Pressluft) eingesetzt. Man unterscheidet: Kolbenerdichter -kleiner Durchsatz -hoher Druck m 00 kg/h 500 bar Strömungsmaschinen (Gebläse) -sehr großer Durchsatz m 0000 kg/h -niedriger Druck - 6 bar 9
50 VII.. Einstufige Verdichter echnische hermodynamik Vergleichsrozess Otimal: Isotherme Verdichtung, jedoch raktisch nicht erreichbar. Real: Polytroe Verdichtung As Aö olytroe Verdichtung (Auslass öffnet) isobares Ausschieben der Druckluft (Auslass schließt) Eö V V V Es V olytroe Exansion des Restgases aus schädlichem Raum (Einlass öffnet) isobares Ansaugen on neuem Gas (Einlass schließt) 50
51 echnische hermodynamik 5 VII.. Einstufige Verdichter ( ) / 0 0, n n t n n w ( ) / 0 0, n n t n n w ( ) / 0,,, n n i t t auf t R n n w w w Für Kreisrozess mit Polytroen statt Isothermen folgt: ( ), R n n w i t const. n und R i sowie
52 VII.. Einstufige Verdichter echnische hermodynamik Grafische Darstellung der Mehrarbeit bei olytroer gegenüber isothermer Prozessführung mit gleichem Druckerhältnis (A) bzw. gleichem Verdichtungserhältnis (B) A c B a isotherm Mehrarbeit olytro a olytro olytro As isotherm Mehrarbeit olytro V V V V 5
53 VII.. Mehrstufige Verdichter echnische hermodynamik Durch mehrstufige Verdichtung mit Zwischenkühlung kann olytroer Prozess der otimalen isothermen Verdichtung angenähert werden. Hochdruck x Niederdruck isotherm olytro V 5
54 echnische hermodynamik 5 IX.. Mehrstufige Verdichter Die olytroe Verdichtungsarbeit ergibt sich dann zu:,'',', t t t w w w + ( ) ( ) + / /, n n x n n x i t R n n w
55 VII.. Gaskältemaschinen echnische hermodynamik Bei Gaskältemaschinen dient ein Gas, das sich nicht erflüssigt, z.b. Luft, als Kältemittel. Das Gas wird einem sogenannten Kaltgasrozess unterworfen. Mit Gaskältemaschinen können emeraturen zwischen 00 o C und 00 o C erreicht werden. 55
56 VII.. Gaskältemaschinen echnische hermodynamik Vergleichsrozess: Linksgängiger Joule-Prozess mit Zwischenkühlung s 56
57 echnische hermodynamik 57 VII.. Gaskältemaschinen Aufgenommene Wärme (Kälte): ' h h q k ( ) ( ),,,,, h h h h w w w w w t t ab t zu t auf t Aufgenommene Arbeit: Kältezahl: ' / / und ( ) ( ) ', h h h h h h w q auf t k k + ε ( ) ( ) ( ) / / / ε k k ε
58 Übersicht: Vergleichsrozesse echnische hermodynamik Prozess Carnot Otto Diesel Stirling Joule Zustandsänderungen,- Diagramm,s- Diagramm -s--s s--s- s--s- --- s--s- s s s s s Drehsinnmöglichkeiten rechts- und linksgängig rechtsgängig rechtsgängig rechts- und linksgängig rechts- und linksgängig Legende: Isotherme, s Isentroe, Isobare, Isochore 58
59 Ausgeführte Stirlingmaschinen echnische hermodynamik Miniblockheizkraftwerk Sunmachine (Weber Solartechnik) Energiequelle: Sonne, Biomasse Stirling-Aggregat Energiequelle: Verbrennung on Gas aus Druckflaschen 59
60 echnische hermodynamik Der Stirling Motor SOLO-6 Receier Regenerator Gaskühler Puffer Kurbelgehäuse 60
61 Dish/Stirling System echnische hermodynamik Parabolsiegel Generator Stirling Receier Solarstrahlung Siegel Nachführung 6
62 echnische hermodynamik 8,5 m Ø EuroDish on Schlaich Bergermann und Partner mit SOLO 6 Stirlingmotor 6
63 Ausgeführte Stirlingmaschinen echnische hermodynamik EPAS-Stirling S 00 Energiequelle: Sonne Arbeitsgas: Luft Leistungsabgabe: 50 W elekt. Stirlingmotor BM 000 Energiequelle: Abwärme eines mit Holzellets geheizten Ofens Arbeitsgas: Luft Leistungsabgabe: 800 W elekt. 6
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