Technische Thermodynamik Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen

Transkript

1 Günter Cerbe, Gernot Wilhelms Technische Thermodynamik Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen ISBN-10: ISBN-13: Vorwort Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel.

2 5 Vorwort zur vierzehnten Auflage Die vierzehnte Auflage knüpft inhaltlich unverändert an die bisher unter dem Titel Cerbe/Hoffmann: Einführung in die Thermodynamik erschienenen Auflagen an. Die ersten drei Abschnitte wurden jedoch umgestellt: Im einführenden 1. Abschnitt über die Grundlagen werden die thermodynamischen Begriffe und Systeme eingeführt, im 2. Abschnitt zum ersten Hauptsatz werden die Energie, die Energieerhaltung und die Energiebilanz behandelt und im 3. Abschnitt zum zweiten Hauptsatz die Energieentwertung. Durch die Umstellung wird die Bedeutung der Hauptsätze der Thermodynamik stärker herausgestellt. Zugleich wird die Darstellung gestrafft. Damit soll auch erreicht werden, dass bei Einführung von Bachelor- und Master-Studiengängen mit kürzerer Studiendauer als bisher keine Inhalte preisgegeben werden müssen. Der Aufbau der anschließenden Abschnitte ist unverändert geblieben. So haben wir zur Erleichterung des Einstiegs in das Fachgebiet die grundsätzlichen Zusammenhänge weiterhin zunächst mithilfe des idealen Gases behandelt, um darauf aufbauend auf das Verhalten der realen Stoffe einzugehen. Das Lehrbuch zielt in allen Bereichen auf die technischen Anwendungen ab. Unter diesem Blickwinkel werden das Verhalten und die Bewertung thermischer Maschinen und Anlagen, die Grundlagen der Gemische, die Strömungsvorgänge, die Wärmeübertragung, die Einführung in chemische Reaktionen, die Verbrennung einschließlich der Emissionen und deren Minderung sowie die Brennstoffzellen dargestellt. Normen, Regeln, Rechenverfahren und technische Daten, z. B. beim Klimaschutz, bei Emissionen, bei GUD-Anlagen, bei Brennstoffzellen u. a., sind in ihrem aktuellen Stand wiedergegeben. Wir haben das Grundwissen der Thermodynamik in nur einem Band zusammengefasst, der neben den grundlegenden thermodynamischen Fragestellungen auch die technische Praxis berücksichtigt. Darüber hinaus enthält dieses Lehrbuch einige Themenbereiche, die i. Allg. in Lehrbüchern der Thermodynamik nicht behandelt werden, uns aber notwendig erschienen. So wird eine Einführung in Größen und Einheitensysteme vorangestellt, um das Lösen von Beispielen und Aufgaben zu erleichtern. Die thermische Ausdehnung wird wegen der häufigen Anwendung in der technischen Praxis behandelt, der Abschnitt Wärmeübertragung dient der Abrundung des gesamten Wissensgebietes. Das alles erfordert eine knappe Darstellung, sodass nicht alle Teilgebiete in gleicher Tiefe behandelt werden konnten und auf die spezielle Fachliteratur verwiesen werden muss, z. B. bei der Wärmeübertragung oder auch bei technischen Anlagen. Wir verwenden grundsätzlich Größengleichungen, bis auf wenige Ausnahmen, z. B. bei der Verbrennungsrechnung. Bei Beispielen im Bereich der Grundlagen setzen wir den Druck in der SI-Einheit Pa ein. Im Bereich der technischen Anwendungen verwenden wir überwiegend die Einheit bar und runden die thermodynamische Temperatur bei 0 C auf 273 K ab. Bei der Bezeichnung und den Formelzeichen für die technische Arbeit haben wir uns der Regelung angeschlossen, die sich in der thermodynamischen Fachliteratur durchgesetzt hat. Dadurch wird auch der Zugang zur weiterführenden Literatur erleichtert. Wie bisher haben wir uns um korrekte Definitionen der Begriffe bemüht und gleichzeitig versucht, das manchmal als schwer zugänglich angesehene Wissensgebiet von vermeidbaren Schwierigkeiten zu befreien. Das eigentliche Ziel auch dieser Auflage bleibt die Umsetzung der thermodynamischen Grundlagen in die technische Anwendung. Daher wurde die Anzahl von Beispielen mit durchgerechneten Lösungen und

3 6 Vorwort Aufgaben mit Lösungsergebnissen auf jetzt 266 weiter erhöht. Gemeinsam mit 181 Kontrollfragen mit Antworten sollen sie das Studium erleichtern, das Wissen vertiefen, den Ûbergang zur technischen Anwendung schaffen sowie das Selbststudium ermöglichen. Zeitgleich mit der 14. Auflage des vorliegenden Lehrbuchs erscheint das Ûbungsbuch Wilhelms, G.: Ûbungsaufgaben Technische Thermodynamik. Dieses Ûbungsbuch ist inhaltlich mit dem Lehrbuch abgestimmt. Es wird eine wesentliche Hilfe bei der Erarbeitung und Vertiefung des Wissens, beim Selbststudium und bei der Examensvorbereitung sein. Zu den Ønderungen und Ergänzungen wurden wir angeregt und bestärkt durch zahlreiche Anmerkungen von Fachkollegen. Ihnen allen, insbesondere unseren Wolfenbütteler Diskussionspartnern Professor Dr.-Ing. Thomas Diehn und Professor Dr.-Ing. Hans-Herbert Vogel, der für frühere Auflagen den Abschnitt über Gemische bearbeitet hat, gilt unser herzlicher Dank. Die vorliegende Fassung wendet sich gleichermaßen an die Ingenieur- und Physikstudenten der Fachhochschulen und der Technischen Universitäten/Hochschulen, um ihnen den Weg von den theoretischen Grundlagen zu den praktischen Anwendungen zu erleichtern. Wolfenbüttel, im Mai 2005 Günter Cerbe Gernot Wilhelms Vorwort zur fünfzehnten Auflage Die mit der vierzehnten Auflage umgesetzten Ønderungen, verbunden mit einer gleichzeitigen Straffung der Darstellung, wurden von den Hochschulen und den Berufspraktikern mit Zustimmung aufgenommen. Die fünfzehnte Auflage knüpft daher im Wesentlichen an die vierzehnte an. Zur Aktualisierung waren aber doch verschiedene Veränderungen notwendig oder sinnvoll. So wurden neuere Entwicklungen bei Wärmekraftwerken und bei Brennstoffzellen berücksichtigt, beim Wärmeübergang wurden einige verbesserte Berechnungsgleichungen, bei den physikalischen Konstanten die z. Z. genauesten Werte angegeben. Der Abschnitt über feuchte Luft wurde begrifflich prägnanter formuliert. Neu aufgenommen wurde wegen der aktuellen Entwicklung im Klimaschutz die Kohlendioxidabtrennung aus dem Abgas fossiler Kraftwerke. Herzlicher Dank gilt allen, die durch ihre Anregungen zu der Fortentwicklung dieses Lehrbuches beigetragen haben, insbesondere unseren Wolfenbütteler Diskussionspartnern, den Professoren Dr.-Ing. Thomas Diehn, Dr.-Ing. Jürgen Kuck und Dr.-Ing. Benno Lendt. Wolfenbüttel, im Frühjahr 2008 Günter Cerbe Gernot Wilhelms

4 Günter Cerbe, Gernot Wilhelms Technische Thermodynamik Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen ISBN-10: ISBN-13: Inhaltsverzeichnis Weitere Informationen oder Bestellungen unter sowie im Buchhandel.

5 7 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen Grundlagen der Thermodynamik Aufgabe der Thermodynamik Größen und Einheitensysteme Physikalische Größen und Größenarten Größengleichungen Zahlenwertgleichungen Einheitensysteme Thermische Zustandsgrößen Volumen Druck Temperatur Thermische Zustandsgleichung Thermische Zustandsgleichung eines homogenen Systems Thermische Zustandsgleichung des idealen Gases Mengenmaße Kilomol und Normvolumen; molare Gaskonstante Kilomol Normvolumen Molare Gaskonstante Thermische Ausdehnung Längenänderung Volumenänderung Thermodynamisches System Systeme und Systemgrenzen Zustandsgrößen und Prozessgrößen Zustandsänderungen und Prozesse Kontrollfragen Erster Hauptsatz der Thermodynamik Energieerhaltung, Energiebilanz Arbeit am geschlossenen System Innere Energie Wärme Arbeit am offenen System und Enthalpie Formulierungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik Kalorische Zustandsgleichungen Kalorische Zustandsgleichungen eines homogenen Systems Spezifische Wärmekapazitäten eines homogenen Systems Kalorische Zustandsgleichungen des idealen Gases Spezifische Wärmekapazitäten des idealen Gases Molare Wärmekapazitäten des idealen Gases Kontrollfragen

6 8 Inhaltsverzeichnis 3 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Definition der Entropie Entropie und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik T,S-Diagramm Einfache Zustandsänderungen des idealen Gases Isochore Zustandsänderung Isobare Zustandsänderung Isotherme Zustandsänderung Isentrope Zustandsänderung Polytrope Zustandsänderung Zustandsänderungen in adiabaten Systemen Kreisprozesse Kontinuierlicher Ablauf in Kreisprozessen Arbeit und Prozessverlauf Wärmekraftmaschine Grenzen der thermischen Energieumwandlung Vergleich reversibler und irreversibler Kreisprozesse Wärmepumpe und Kältemaschine Adiabate Drosselung Füllen eines Behälters Temperaturausgleich Exergie und Anergie Begrenzte Umwandelbarkeit der inneren Energie und der Wärme Exergie und Anergie eines strömenden Fluids Exergie und Anergie eines geschlossenen Systems Exergie und Anergie der Wärme Exergieverlust Exergetischer Wirkungsgrad Energiequalitätsgrad Energie- und Exergie-Flussbild Kontrollfragen Das ideale Gas in Maschinen und Anlagen Kreisprozesse für Wärme- und Verbrennungskraftanlagen Vergleichsprozesse Bewertungszahlen für die Kreisprozesse Kreisprozesse der Gasturbinenanlagen Arbeitsprinzip der Gasturbinenanlagen Joule-Prozess als Vergleichsprozess der Gasturbinenanlage Ericsson-Prozess als Vergleichsprozess der Gasturbinenanlage Der wirkliche Prozess in der Gasturbinenanlage Kreisprozess des Heißgasmotors Arbeitsprinzip des Heißgasmotors Stirling-Prozess als Vergleichsprozess des Heißgasmotors Der wirkliche Prozess im Heißgasmotor

7 Inhaltsverzeichnis Kreisprozesse der Verbrennungsmotoren Ûbertragung des Arbeitsprinzips der Motoren in einen Kreisprozess Otto-Prozess als Vergleichsprozess des Verbrennungsmotors (Gleichraumprozess) Diesel-Prozess als Vergleichsprozess des Verbrennungsmotors (Gleichdruckprozess) Seiliger-Prozess als Vergleichsprozess des Verbrennungsmotors (Gemischter Vergleichsprozess) Der wirkliche Prozess in den Verbrennungsmotoren Kolbenverdichter Der verlustlose Kolbenverdichter ohne Schadraum Bewertungszahlen für den Kolbenverdichter Kontrollfragen Der Dampf und seine Anwendung in Maschinen und Anlagen Das reale Verhalten der Stoffe Aggregatzustandsänderungen, Phasenwechsel Thermische Zustandsgleichungen realer Fluide p,v,t-diagramm Wasserdampf Zustandsgleichungen des Wasserdampfes Spezifische Zustandsgrößen Gleichung von Clausius und Clapeyron Zustandsänderungen des Wasserdampfes Dampfkraftanlagen Arbeitsprinzip der Dampfkraftanlagen Clausius-Rankine-Prozess als Vergleichsprozess der Dampfkraftanlage Verfahren zur Erhöhung des thermischen Wirkungsgrades Zwischenüberhitzen. Verfahren zur Verringerung des Wassergehaltes im Abdampf Der wirkliche Prozess in Dampfkraftanlagen Kombiniertes Gas-Dampf-Kraftwerk (GUD-Prozess) Zweck der Kombination Grundschaltung des Gas-Dampf-Kraftwerkes Wirkungsgrade beim Gas-Dampf-Kraftwerk Schaltungsbeispiele Organische Rankine-Prozesse (ORC) Prozessverlauf Organische Arbeitsfluide Linkslaufende Kreisprozesse mit Dämpfen Kontrollfragen Gemische Zusammensetzung von Gemischen Massenanteil Stoffmengenanteil (Molanteil) Molare Masse des Gemisches Beladung

8 10 Inhaltsverzeichnis 6.2 Ideale Gemische Gesetz von Amagat Partialdichte (Massenkonzentration) und Gemischdichte Raumanteil Die extensiven Zustandsgrößen des idealen Gemisches Gemisch idealer Gase Thermische Zustandsgleichung Partialdruck (Gesetz von Dalton) Mischungsentropie und Exergie eines Gemisches idealer Gase Zusammensetzung von Gemischen idealer Gase Gas-Dampf-Gemisch; Feuchte Luft Sättigungszustand, Taupunkt Feuchte Luft als Beispiel eines Gas-Dampf-Gemisches Zusammensetzung feuchter Luft Spezifisches Volumen feuchter Luft Spezifische Enthalpie feuchter Luft h,x-diagramm von Mollier Einfache isobare Zustandsänderungen feuchter Luft im h,x-diagramm Kontrollfragen Strömungsvorgänge Kontinuitätsgleichung Der erste Hauptsatz der Thermodynamik für Strömungsvorgänge Arbeitsprozesse Strömungsprozesse Kraftwirkung bei Strömungsvorgängen Impulssatz Hauptgleichung der Strömungsmaschinen Düsen- und Diffusorströmung Energieumwandlung in Düsen und Diffusoren Reibungsfreie Düsenströmung Schallgeschwindigkeit Reibungsfreie Diffusorströmung Ausbildung einer Laval-Düse oder eines Ûberschall-Diffusors Kontrollfragen Wärmeübertragung Arten der Wärmeübertragung Wärmeleitung Ebene Wand Zylindrische Wand Hohlkugelwand Konvektiver Wärmeübergang Wärmeübergangsbeziehungen Øhnlichkeitstheorie des Wärmeübergangs Wärmeübergang beim Kondensieren und Verdampfen Temperaturstrahlung Einführung Wärmeübertragung durch Strahlung Gas- und Flammenstrahlung

9 Inhaltsverzeichnis Wärmedurchgang Wärmedurchgangsbeziehungen Beeinflussung des Wärmedurchgangs Zwischentemperaturen Wärmeübertrager Gegen-, Gleich- und Kreuzstrom Berechnungsverfahren Verfahrensoptimierung bei der Wärmenutzung Exergieverlust im Wärmeübertrager Kontrollfragen Energieumwandlung durch Verbrennung und in Brennstoffzellen Umwandlung der Brennstoffenergie durch Verbrennung Verbrennungstechnische Eigenschaften der Brennstoffe Verbrennungsvorgang Reaktionsgleichungen Verbrennungsrechnung Feste und flüssige Brennstoffe Gasförmige Brennstoffe Näherungslösungen Verbrennungskontrolle Messmethode Auswertung der Messung Verbrennungsdreiecke Theoretische Verbrennungstemperatur Abgasverlust und feuerungstechnischer Wirkungsgrad Konventionelle Verbrennungsanlagen Verbrennungsanlagen mit Kondensation im Abgas Abgastaupunkt Emissionen aus Verbrennungsanlagen Einführung Minderung der Schwefeloxidemission Minderung der Stickoxidemission Minderung der Kohlendioxidemission Chemische Reaktionen und Irreversibilität der Verbrennung Enthalpie, Entropie, freie Enthalpie Brennstoffexergie Exergieverlust bei der Verbrennung Brennstoffzellen Wirkprinzip Energetische Bewertung Bauarten Kontrollfragen Lösungsergebnisse der Aufgaben

10 12 Inhaltsverzeichnis 11 Antworten auf die Kontrollfragen Grundlagen der Thermodynamik Erster Hauptsatz der Thermodynamik Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Das ideale Gas in Maschinen und Anlagen Der Dampf und seine Anwendung in Maschinen und Anlagen Gemische Strömungsvorgänge Wärmeübertragung Energieumwandlung durch Verbrennung und in Brennstoffzellen Anhang A1 Schrifttum A2 Nachweis verwendeter Unterlagen A3 Wiederholung häufig benutzter Tafeln Sachwortverzeichnis