Übungsfragen zur Lehrveranstaltung Stoffdatenermittlung

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1 Technische Thermodynamik Prof. Dr.-Ing. habil. H.-J. Kretzschmar Übungsfragen zur Lehrveranstaltung Stoffdatenermittlung Einführung 1-1. Welche Arten von Stoffgrößen werden unter dem Begriff thermophysikalische Eigenschaften zusammengefaßt? 1-2. Was versteht man unter thermodynamischen Zustandsgrößen, nennen Sie 5 Beispiele! 1-3. Was sind Transportgrößen, nennen Sie 3 Beispiele! 1-4. Worin besteht die Bedeutung der Stoffwertberechnung für Prozeßmodellierungen? 1-5. Weshalb bestimmen die Stoffwertberechnungen die Gesamtrechenzeit einer Prozeßmodellierung? 1-6. Welche Arbeitsfluide kommen in der Energietechnik zur Anwendung? 1-7. Worin unterscheiden sich thermodynamische und thermohydraulische Prozeßmodellierungen? Experimentelle Bestimmung thermophysikalischer Stoffwerte 2-1. Welche thermophysikalischen Eigenschaften können experimentell bestimmt werden? 2-2. Was beinhalten Rahmentafeln, welche Konsequenz ergibt sich hieraus für die Aufstellung von Stoffwertalgorithmen? Modellierung des thermodynamischen Zustandsverhaltens 3-1. Was beinhalten die thermodynamischen Differentialgleichungen im Hinblick auf die Zustandsgrößen? 3-2. Welche grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der Thermodynamik führen zu den thermodynamischen Differentialgleichungen? 3-3. Welche 4 Formen der Verknüpfung des I. mit dem II. Hauptsatz der Thermodynamik erhält man? (nur verbale Antwort) 3-4. Welche besondere Eigenschaft haben Zustandsgrößen, welche mathematischen Gesetzmäßigkeiten resultieren aus dieser Eigenschaft (nur verbale Antwort)? 3-5. Wieviele thermodynamischen Potentialgleichungen gibt es? Wie nennt man die Gleichungen zur Berechnung von thermodynamischen Zustandsgrößen? Welche Arten von Zustandsgleichungen gehören zu thermodynamischen Zustandsgleichungen? Welche Größen verknüpft die thermische Zustandsgleichung?

2 3-13. Zeichnen Sie in ein p,t-diagramm die Gebiete ein, in denen mit guter Näherung ideales Gasverhalten und ideales Flüssigkeitsverhalten unterstellt werden kann! Was beinhaltet das Modell des idealen Gases? Mit welcher Größe kann überprüft werden, ob Idealgasverhalten vorliegt? In welchen energietechnischen Berechnungen kann das Arbeitsfluid näherungsweise als ideales Gas berechnet werden? In welchen energietechnischen Berechnungen kann das Arbeitsfluid näherungsweise als ideale Flüssigkeit berechnet werden? Worin bestehen die grundlegenden Modifikationen der Van der Waals-Gleichung zur Idealgasgleichung? Ist die Van der Waals-Gleichung für technische Berechnungen geeignet, worin bestehen ihre Ungenauigkeiten? Wie werden die Parameter kubischer Zustandsgleichungen bestimmt, worin besteht der Unterschied zwischen der Anwendung des klassischen und des erweiterten Korrespondenzprinzips? Beschreiben Sie die Anwendung von Zustandsgleichungen des Van der Waals-Typs! Welche Aussagen beinhaltet das klassische Korrespondenzprinzip? Welche Aussagen beinhaltet das erweiterte Korrespondenzprinzip? Beschreiben Sie die Anwendung von Zustandsgleichungen, die nach den Korrespondenzprinzipien aufgestellt wurden! Unterscheiden Sie Zustandsgleichungen hinsichtlich ihres Aufbaus, umreißen Sie jeweils ihre Anwendung in der Energie- und Verfahrenstechnik! Auf welcher Basis werden genaueste Zustandsgleichungen aufgestellt, welche Gleichungsart wird bevorzugt? Welche Abhängigkeit liegt bei einer technisch formulierten Zustandsgleichung vor? Welche Abhängigkeit liegt bei einer physikalisch formulierten Zustandsgleichung vor? Welche Besonderheiten haben technische und physikalische Formulierung hinsichtlich der Erfassung des gesamten Zustandsbereichs? Welche Größen sind in energetischen Zustandsgleichungen verknüpft? Welche Gleichungen bzw. Ansätze werden zur Berechnung energetischer Zustandsgrößen benötigt? Wie ist die Vorgehensweise bei der Berechnung energetischer Zustandsgrößen? Wohin sollte zweckmäßigerweise der Bezugszustand für die Berechnung energetischer Zustandsgrößen gelegt werden? Welche Vereinfachung ergibt sich bei Wahl des Bezugszustandes genügend weit im Idealgasbereich? Welche Integrationswege sind bei technischer und bei physikalischer Formulierung zweckmäßig? Wie müßte der Bezugszustand gewählt werden, damit die für Wasser berechneten Werte mit der Wasserdampftafel vergleichbar sind? Unter welchen Umständen können Fluide als ideale Flüssigkeit betrachtet werden, welche Abhängigkeit wird bei diesem Modell vernachlässigt?

3 3-48. Welche Bezugszustände können in praktischen Rechnungen gewählt werden? Welche besonderen Eigenschaften haben kanonische Zustandsgleichungen, wie werden sie noch bezeichnet? Worin besteht der maßgebliche Vorteil kanonischer Zustandsgleichungen gegenüber anderen Gleichungstypen? Nennen Sie den gegenwärtig für die Industrie international verbindlichen Gleichungssatz zur Berechnung der thermodynamischen Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf? Welche Rechnungen müssen unbedingt mit dem verbindlichen Gleichungssatz "The 1967 IFC Formulation for Industrial Use" durchgeführt werden? Weshalb fallen Isobaren und Isothermen im Naßdampfgebiet zusammen? Was beinhaltet das Maxwell-Kriterium, welche geometrische Veranschaulichung ist möglich? Welche Größen können mit dem Maxwell-Kriterium ausgehend von einer Zustandsgleichung berechnet werden? Wofür wird das Maxwell-Kriterium hauptsächlich angewendet? Was beinhaltet die Gleichung von Clausius und Clapeyron? Von welchen Größen sind die thermodynamischen Zustandsgrößen im Naßdampfgebiet abhängig? Welches Problem ergibt sich, wenn die Zustandsgrößen auf den Phasengrenzkurven mit anderen Gleichungen berechnet werden als in den angrenzenden Einphasengebieten? Wann können metastabile Zustände auftreten, nennen Sie mögliche technische Vorgänge! Welche metastabilen Zustandsgebiete kennen Sie, von welchen Zustandskurven werden die begrenzt? Wie hoch ist in etwa die Relaxationszeit metastabiler Zustände? Wie können metastabile Zustandspunkte berechnet werden? Können die metastabilen Zustandsgebiete von Wasser mit der IFC 67- Formulierung berechnet werden? Was beschreibt der Joule-Thomson-Effekt, worin besteht das Inversionsverhalten? Welche thermodynamische Größe bleibt bei einer adiabaten Drosselung konstant, wenn die Änderungen von kinetischer und potentieller Energie vernachlässigt werden? Welch Kurve beschreibt die Grenze zwischen Abkühlung und Erwärmung bei einer adiabaten Drosselung, wie kann sie berechnet werden? Führt eine adiabate Drosselung innerhalb der Inversionskurve zu einer Erwärmung oder Abkühlung? Mit welchen Größen wird der Drosselvorgang beschrieben? Wie ändert sich die Temperatur bei der Drosselung eines idealen Gases? Wie ändert sich die Temperatur bei der Drosselung einer idealen Flüssigkeit? Beschreiben Sie die Vorgehensweise bei der Berechnung eines Differentialkoeffizienten ( h/ s) p =f(t,v), welche Zustandsgleichungen benötigen Sie für die Berechnung?

4 3-83. Sie haben eine Zustandsgleichung v=f(p,t) und einen Ansatz c p ig =f(t) und benötigen den Differentialquotienten ( h/ v) p =f(p,t). Wie würden sie vergehen? Was beinhaltet die Schallgeschwindigkeit eines Fluids, für welche technischen Berechnungen ist sie von Bedeutung? Von welchen Größen ist die Schallgeschwindigkeit eines idealen Gases abhängig? Welche Transportgrößen kennen Sie, welche Transportvorgänge beschreiben diese? Welche Bedeutung hat die Oberflächenspannung für technische Berechnungen, nennen Sie Beispiele? Welche Stoffgemische werden in der Energietechnik als Arbeitsfluide angewendet? Welche Mischungsarten sind bei der Berechnung zu unterscheiden? Wie erfolgt die Berechnung von Stoffgemischen mit einer Gemischzustandsgleichung, beschreiben Sie die Vorgehensweise in Verbindung mit dem Umdruck? Stoffwertbereitstellung für Prozeßmodellierungen 4-1. Worin besteht die Bedeutung der Stoffwertberechnung für thermodynamische und thermohydraulische Prozeßmodellierungen? 4-2. Nennen Sie moderne Arbeitshilfen zur Stoffwertermittlung! 4-3. Worin bestehen die Vorteile von Stoffdatendialogprogrammen gegenüber Zustandstabellen und Zustandsdiagrammen? 4-4. Worin besteht der Unterschied in der Nutzung von Stoffdatendialogprogrammen auf dem Arbeitsplatzrechner und zentralen Stoffdatenbanken? 4-5. Wie sollten Stoffdatenunterprogrammbibliotheken aufgebaut sein? 4-6. In welchem Zusammenhang ist der sogen. Phasentest durchzuführen? 4-7. Welche Lösungswege für die Stoffwertermittlung in Prozeßmodellierungen sind prinzipiell möglich? 4-8. Diskutieren Sie die möglichen Lösungswege für die Stoffwertermittlung in Prozeßmodellierungen hinsichtlich - thermodynamischer Konsistenz - Rechenzeitaufwand - Speicherplatzbedarf - Vorbereitungsaufwand! 4-9. Worin bestehen die Hauptprobleme bei der Realisierung des jeweiligen Lösungsweges für die Stoffwertberechnung in Prozeßmodellierungen? Wann wird von impliziten Zustandsfunktionen bzw. Rückwärtsfunktionen gesprochen, wie können sie berechnet werden? Welche Möglichkeiten für die Berechnung thermodynamischer Differentialquotienten gibt es?

5 Approximation von vereinfachten Zustandsgleichungen 6-1. Aus welchen Teilen besteht eine Approximationsaufgabe? 6-2. Was verstehen Sie unter Strukturoptimierung bei der Aufstellung Zustandsgleichungen? 6-3. Welche Approximationsverfahren stehen zur Verfügung? 6-4. Charakterisieren Sie das "Verfahren der kleinsten Quadrate", wie entsteht das Normalgleichungssystem zur Berechnung der Koeffizienten? 6-5. Worin besteht das größte Problem bei der Approximation von Zustandsgleichungen für die thermodynamischen Vorwärts- und Rückwärtsfunktionen? Interpolation abgespeicherter Stützdaten 7-1. Nennen Sie die Bestandteile einer Interpolationsaufgabe! 7-2. Welche Interpolationsverfahren kennen sie? 7-3. Was kennzeichnet die lineare Interpolation? 7-4. Nennen Sie Beispiele für Stoffwertfunktionen, die eindimensional interpoliert werden können! 7-5. Nennen Sie Beispiele für Stoffwertfunktionen, die zweidimensional interpoliert werden müssen! 7-6. Was beinhaltet die parabolischen Interpolation? 7-7. Erläutern Sie das Prinzip der Splineinterpolation! 7-8. Welche Eigenschaften haben Splinepolynome? 7-9. Mit welchen Maßnahmen kann die Genauigkeit jeder Interpolation unabhängig vom Interpolationsverfahren und der Stützdatendichte erhöht werden Welche Transformationen für p, T, v, h und s im Flüssigkeits- und überhitzten Dampfgebiet sollten bei jeder Interpolation vorgenommen werden? Welche Methode bietet sich für die Interpolation von Rückwärtsfunktionen an? Worin bestehen die Hauptprobleme bei der Stoffwertinterpolation?