Technische Thermodynamik

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1 Gunter Cerbe Gernot Wilhelms Technische Thermodynamik Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen 15., aktualisierte Auflage Mit213 Bildern, 40 Tafeln, 130 Beispielen, 137 Aufgaben und 181 Kontrollfragen ohwn/o HANSER

2 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen 13 1 Grundlagen der Thermodynamik Aufgabe der Thermodynamik Groflen und Einheitensysteme Physikalische GroBen und GroBenarten GroBengleichungen Zahlenwertgleichungen Einheitensysteme Thermische ZustandsgrbBen Volumen Druck Temperatur Thermische Zustandsgleichung Thermische Zustandsgleichung eines homogenen Systems Thermische Zustandsgleichung des idealen Gases MengenmaBe Kilomol und Normvolumen; molare Gaskonstante Kilomol Normvolumen Molare Gaskonstante 38 l.fi Thermische Ausdehnung Langenanderung Volumen anderung Therrnodynamisches System Systeme und Systemgrenzen ZustandsgrdBen und ProzessgroBen Zustandsanderungen und Prozesse 48 Kontrollfragen 51 2 Erster Hauptsatz der Thermodynamik Energieerhaltung, Energiebilanz Arbeit am geschlossenen System Innere Energie Warme Arbeit am offenen System und Enthalpie Formulieningeo des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik Kalorische Zustandsgleichungen Kalorische Zustandsgleichungen eines homogenen Systems Spezifische Warmekapazitaten eines homogenen Systems Kalorische Zustandsgleichungen des idealen Gases Spezifische Warmekapazitaten des idealen Gases Molare \Varmekapazitaten des idealen Gases 78 Kontrollfragen 80

3 Inhaltsverzeichnis 3 Zweiter Hauptsatz der Theiuiodynamik Definition der Etitropie Emropie und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik r,s-diagramm Einfache Zustandsandemngen des idealen Gases Isochore Zustandsanderung Isobare Zustandsanderung Isotherme Zustandsanderung Isentrope Zustandsanderung Polytrope Zustandsanderung Zustandsanderungen in adiabaten Systemen Kreisprozesse Kontinuierlicher Ablauf in Kreisprozessen Arbeit und Prozessverlauf Warmekraftmaschine Grenzen der thermischen Energieumwandlung Vergleich reversibler und irreversibler Kreisprozesse Warmepumpe und Kaltemaschine Adiabate Drosselung 13? 3.7 Fiillen eines BehSlters Temperaturausgleich Exergie und Anergie 1"* Begrenzte Umwandelbarkeit der inneren Energie und der Warme Exergie und Anergie eines stromenden Fluids Exergie und Anergie eines geschlossenen Systems Exergie und Anergie der WSrme Exergieverlust Exergetischer Wirkungsgrad Energiequalitatsgrad Energie- und Exergie-Flussbild. I 61 Kontrollfragen Das ideate Gas in Maschinen und Anlagen Kreisprozesse fur Warme- und Verbrennungskraftanlagen Vergleichsprozesse Bewertungszahlen fur die Kreisprozesse Kreisprozesse der Gasturbinenanlagen Arbeitsprinzip der Gasturbinenanlagen Joule-Prozess als Vergleichsprozess der Gasturbinenanlage Ericsson-Prozess als Vergleichsprozess der Gasturbinenanlage Der wirkliche Frozess in der Gasturbinenanlage Kreisprozess des HeiBgasmotors Arbeitsprinzip des HeiBgasmotors Stirling-Prozess als Vergleichsprozess des HeiBgasmotors Der wirkliche Prozess im HeiBgasmotor 193

4 Inhaltsverzeichnis 4.4 Kreisprozesse der Verbrennungsmotoren Ubertragung 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 fiir den Kolbenverdichter 209 Kontrollfragen Der Dampf und seine Anwendung in Maschinen und Anlagen Das reale Verhalten der Stoffe Aggregatzustandsanderungen, Phasenwechsel Thermische Zustandsgleichungen realer Fluide p,u,7"-diagramm Wasserdampf Zustandsgleichungen des Wasserdampfes Spezifische Zustandsgrofien Gleichung von Clausius und Clapeyron Zustandsanderungen des Wasserdampfes Dampfkraftanlagen Arbeitsprinzip der Dampfkraftanlagen Clausius-Rankine-Prozess als Vergleichsprozess der Dampfkraftanlage Verfahren zur Erhohung des thermischen Wirkungsgrades Zwischeniiberhitzen. 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) Prozessverfauf Organische Arbeitsfluide Linkslaufende Kreisprozesse mit Dampfen 278 Kontrollfragen Gemische Zusammensetzung von Gemischen Massenanteil Stoffmengenanteil (Molanteil) 28ft Molare Masse des Gemisches 2Hh Beladung 2<S7

5 10 Inhaltsverzeichnis 6.2 Ideale Gemische Gesetz von Amagat Partialdichte (Massenkonzentration) und Gemischdichte Raumanteil ' ' ' 2 «6.2.4 Die extensiven ZustandsgroBen des idealen Gemisches Gemisch idealer Gase 2^ Thermische Zustandsgleichung Partialdruck (Gesetz von Dalton) Mischungsentropie und Exergie eines Gemisches idealer Gase Zusammensetzung von Gemischen idealer Gase Gas-Dampf-Gemisch; Feuchte Luft Sattigungszustand, Taupunkt Feuchte Luft als Beispiel eines Gas-Dampf-Gemisches Zusammensetzung feuchter Luft Spezifisches Volumen feuchter Luft Spezifische EnthaVpie feuchter Luft /i^r-diagramm von Mollier Einfache isobare Zustandsanderungen feuchter Luft im /i^-diagramm 318 KontroHfragen Stromungsvorgange Kontinuitatsgleichung Der erste Hauptsatz der Thermodynamik fiir Stromungsvorgange Arbeitsprozesse Stromungsprozesse Kiaftwirkung bei StrbmungsvOTgangen Impulssatz Hauptgleichung der Stromungsmaschinen Dusen-und Diffusorstromung Energieumwandlung in Dusen und Diffusoren Reibungsfreie Dtisenstromung Schallgeschwindigkeit Reibungsfreie Diffusorstromung Ausbildung einer Laval-Duse oder eines Uberschall-Diffusors 350 Kontrollftagen Wanneiibertraguog Arten der Warrneiibertragung Warmeleitung Ebene Wand Zylindrische Wand ' Hohlkugelwand Konvektiver Warmeiibergang Warmeiibergangsbeziehungen Ahnlichkeitstheorie des Warmetlbergangs Warmeiibergang beim Kondensieren und Verdampfen Temperaturstrahlung Einfuhrung.,...., WarmeUbertragungdurch Strahlung Gas- und Flammenstrahlung

6 Inhaltsverzeichnis Warmedurchgang Warmedurchgangsbeziehungen Beeinflussung des Warmedurchgangs Zwischentemperaturen Warmeiibertrager Gegen-, Gleich- und Kreuzstrom Berechnungsverfahren Verfahrensoptimierung bei der Warmenutzung Exergieverlust im Warmetibertrager 399 Kontrollfragen Energjeumwandlung durcfa Verbrennung und in Brennstoffzellen Umwandlung der Brennstoffenergie durch Verbrennung Verbrennungstechnische Eigenschaften der BrennstoEfe Verbrennungsvorgang Reaktionsgleichungen Verbrennungsrechnung Feste und fliissige Brennstoffe Gasformige Brennstoffe Naherungslosungen Verbrennungskontrolle Messmethode Auswertung der Messung Verbrennungsdreiecke Theoretische Verbrennungstemperatur Abgasverlust und feuerungstechnischer Wirkungsgrad Konventionelle Verbrennungsanlagen Verbrennungsanlagen mit Kondensation im Abgas Abgastaupunkt Emissionen aus Verbrennungsanlagen EinfUhrung Mindeiung dei Schwefeloxidemission Minderung der Stickoxidemission Minderung der Kohlendioxidemission Chemische Reaktionen und Irreversibilitat der Verbrennung Enthalpie, Entcopie, freie Enthalpie Brennstoffexergie Exergieverlust bei der Verbrennung Brennstoffzellen Wirkprinzip Energetische Bewertung Bauarten 475 Kontrollfragen Losungsergebnisse der Aufgaben 481

7 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 Stromungsvorga'nge Warme iibertragung Energieumwandlung durch Verbrennung und in Brennstoffzellen 504 Anhang 507 Al Schrifttum 507 A2 Nachweis verwendeter Unterlagen 509 A3 Wiederholung haufig benutzter Tafeln 510 Sachwortverzeichnis 527