Technische Thermodynamik

Transkript

1 Günter Cerbe Gernot Wilhelms Technische Thermodynamik Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen 17., überarbeitete Auflage

2 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 Verbrennungund inbrennstoffzellen Lösungsergebnisse der Aufgaben Antworten auf die Kontrollfragen Anhang Sachwortverzeichnis A S

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4 Cerbe/Wilhelms Technische Thermodynamik

5 Autoren Dr.-Ing. Gunter Cerbe Professor fur Thermodynamik, Energietechnik und Gastechnik an der Ostfalia Hochschule fur angewandte Wissenschaften, Wolfenbuttel Dr.-Ing. Gernot Wilhelms Professor fur Energietechnik, Kaltetechnik und Technische Mechanik an der Ostfalia Hochschule fur angewandte Wissenschaften, Wolfenbuttel Mitautor bis zur 5. Auflage Dipl.-Ing. Hans-Joachim Hoffmann (gest. 1980) Professor fur Thermodynamik, Energietechnik und Klimatechnik an der Fachhochschule Braunschweig/Wolfenbuttel

6 Gunter Cerbe Gernot Wilhelms Technische Thermodynamik Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen 17., uberarbeitete Auflage Mit 216 Bildern, 40 Tafeln, 135 Beispielen, 138 Aufgaben und 182 Kontrollfragen

7 Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet uber abrufbar. ISBN E-Book-ISBN Einbandbild: Siemens-Pressebild Dieses Werk ist urheberrechtlich geschutzt. Alle Rechte, auch die der Ûbersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfaltigung des Buches oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht fur Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfaltigt oder verbreitet werden. # 2013 Carl Hanser Verlag Munchen Projektleitung: Dipl.-Phys. Jochen Horn Herstellung: Katrin Wulst Satz: Beltz Bad Langensalza GmbH, Bad Langensalza Druck und Bindung: Friedrich Pustet KG, Regensburg Printed in Germany

8 5 Vorwort zur siebzehnten Auflage Die siebzehnte Auflage knupft im Wesentlichen an die sechzehnte Auflage an. Im einfuhrenden 1. Abschnitt uber die Grundlagen werden die thermodynamischen Begriffe und Systeme eingefuhrt, im 2. Abschnitt zum ersten Hauptsatz werden die Energie, die Energieerhaltung und die Energiebilanz behandelt und im 3. Abschnitt zum zweiten Hauptsatz die Energieentwertung. Die Aussagen zum zweiten Hauptsatz haben wir in der vorliegenden Auflage straffer formuliert, Entropieerzeugung und Entropiebilanzen bei unterschiedlichen Prozessen deutlicher dargestellt sowie mit Beispielen und Aufgaben erlautert. Außerdem haben wir die Fundamentalgleichungen starker herausgestellt. Zur Erleichterung des Einstiegs in das Fachgebiet haben wir die grundsatzlichen Zusammenhange zunachst 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 Stromungsvorgange, die Warmeubertragung, die Einfuhrung in chemische Reaktionen, die Verbrennung einschließlich der Emissionen und deren Minderung sowie die Brennstoffzellen dargestellt. Technische Entwicklungen, Normen, Regeln, Rechenverfahren und technische Daten, z. B. beim Klimaschutz, bei Emissionen, bei Kraftwerks-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 berucksichtigt. Daruber hinaus enthalt dieses Lehrbuch einige Themenbereiche, die i. Allg. inlehrbuchern der Thermodynamik nicht behandelt werden, uns aber notwendig erscheinen. So wird eine Einfuhrung in Großen und Einheitensysteme vorangestellt, um das Losen von Beispielen und Aufgaben zu erleichtern. Die thermische Ausdehnung wird wegen der haufigen Anwendung in der technischen Praxis behandelt, der Abschnitt Warmeubertragung 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 Warmeubertragung oder auch bei technischen Anlagen. Wir verwenden grundsatzlich Großengleichungen bis auf wenige Ausnahmen, z. B. bei der Verbrennungsrechnung. Bei Beispielen im Bereich der Grundlagen setzten wir den Druck in der SI-Einheit Pa ein. Im Bereich der technischen Anwendungen verwenden wir uberwiegend die Einheit bar und runden die thermodynamische Temperatur bei 0 Cauf 273 Kab. Bei der Bezeichnung und den Formelzeichen verwenden wir die in der thermodynamischen Fachliteratur bevorzugten. Dadurch wird auch der Zugang zur weiterfuhrenden Literatur erleichtert. Wie bisher haben wir uns um korrekte Definitionen der Begriffe bemuht und gleichzeitig versucht, das manchmal als schwer zuganglich 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 Losungen und Aufgaben mit Losungsergebnissen auf jetzt 273 weiter erhoht. Gemeinsam mit 182

9 6 Vorwort Kontrollfragen mit Antworten sollen sie das Studium erleichtern, das Wissen vertiefen, den Ûbergang zur technischen Anwendung schaffen sowie das Selbststudium ermoglichen. Durch die schon in fruheren Auflagen vorgenommene Straffung der Grundlagen konnte sichergestellt werden, dass bei der Einfuhrung der Bachelor- und Masterstudiengange keine Inhalte gegenuber den Diplomstudiengangen preisgegeben wurden. Zur wei- teren Straffung haben wir in dieser Auflage auf die praktisch wenig verwendete Bewertungsgroße Energiequalitatsgrad verzichtet. Inhaltlich abgestimmt mit diesem Lehrbuch ist das dazugehorige Ûbungsbuch Wilhelms, G.: Ûbungsaufgaben Technische Thermodynamik. Es hat sich als gute Hilfe bei der Erarbeitung und Vertiefung des Wissens, beim Selbststudium und bei der Examensvorbereitung erwiesen. Die vorliegende Auflage wurde in allen Bereichen aktualisiert, an vielen Stellen wurden Texte zum besseren Verstandnis prazisiert und erganzt. Zu den Ønderungen und Erganzungen wurden wir durch zahlreiche Anmerkungen von Fachkollegen angeregt und bestarkt. Ihnen allen danken wir herzlich. Die vorliegende Fassung wendet sich gleichermaßen an die Ingenieur- und Physikstudierenden der Fachhochschulen und der Technischen Universitaten/Hochschulen, um ihnen den Weg von den theoretischen Grundlagen zu den praktischen Anwendungen zu erleichtern. Wolfenbuttel, im Sommer 2013 Gunter Cerbe Gernot Wilhelms

10 7 Inhaltsverzeichnis Formelzeichen Grundlagen der Thermodynamik Aufgabe der Thermodynamik Großen und Einheitensysteme Physikalische Großen und Großenarten Großengleichungen Zahlenwertgleichungen Einheitensysteme Thermische Zustandsgroßen 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 Langenanderung Volumenanderung Thermodynamisches System Systeme und Systemgrenzen Zustandsgroßen und Prozessgroßen Zustandsanderungen und Prozesse Kontrollfragen Erster Hauptsatz der Thermodynamik Energieerhaltung, Energiebilanz Arbeit am geschlossenen System Innere Energie Warme Arbeit am offenen System und Enthalpie Formulierungen 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 Warmekapazitaten des idealen Gases Kontrollfragen

11 8 Inhaltsverzeichnis 3 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik Aussagen des zweiten Hauptsatzes Entropie Einfuhrung der Entropie Entropiebilanzen T,S-Diagramm Fundamentalgleichungen Einfache Zustandsanderungen 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 Instationare Prozesse Fullen eines Behalters Temperaturausgleich Warmetransport Entropieerzeugung beim Warmetransport Thermodynamische Mitteltemperatur Exergie und Anergie Begrenzte Umwandelbarkeit der inneren Energie und der Warme Exergie und Anergie eines stromenden Fluids Exergie und Anergie eines geschlossenen Systems Exergie und Anergie der Warme Exergieverlust Exergetischer Wirkungsgrad Energie- und Exergie-Flussbild Kontrollfragen Das ideale 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

12 Inhaltsverzeichnis 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 Kreisprozesse der Verbrennungsmotoren Ûbertragung des Arbeitsprinzips der Motoren in einen Kreisprozess Otto-Prozess als Vergleichsprozessdes 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 fur den Kolbenverdichter Kontrollfragen Der Dampf und seine Anwendung in Maschinen und Anlagen Das reale Verhalten der Stoffe Aggregatzustandsanderungen, Phasenwechsel Thermische Zustandsgleichungen realer Fluide p,v,t-diagramm Wasserdampf Zustandsgleichungen des Wasserdampfes Spezifische Zustandsgroßen 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 Zwischenuberhitzen. 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 Dampfen Kontrollfragen

13 10 Inhaltsverzeichnis 6Gemische Zusammensetzung von Gemischen Massenanteil Stoffmengenanteil (Molanteil) Molare Masse des Gemisches Beladung Ideale Gemische Gesetz von Amagat Partialdichte (Massenkonzentration) und Gemischdichte Raumanteil Die extensiven Zustandsgroßen 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 Sattigungszustand, 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 Zustandsanderungen feuchter Luft im h,x-diagramm Kontrollfragen Strömungsvorgänge Kontinuitatsgleichung Der erste Hauptsatz der Thermodynamik fur Stromungsvorgange Arbeitsprozesse Stromungsprozesse Kraftwirkung bei Stromungsvorgangen Impulssatz Hauptgleichung der Stromungsmaschinen Dusen- und Diffusorstromung Energieumwandlung in Dusen und Diffusoren Reibungsfreie Dusenstromung Schallgeschwindigkeit Reibungsfreie Diffusorstromung Ausbildung einer Laval-Duse oder eines Ûberschall-Diffusors Kontrollfragen Wärmeübertragung Arten der Warmeubertragung Warmeleitung Ebene Wand Zylindrische Wand Hohlkugelwand Konvektiver Warmeubergang Warmeubergangsbeziehungen

14 Inhaltsverzeichnis Øhnlichkeitstheorie des Warmeubergangs Warmeubergang beim Kondensieren und Verdampfen Temperaturstrahlung Einfuhrung Warmeubertragung durch Strahlung Gas- und Flammenstrahlung Warmedurchgang Warmedurchgangsbeziehungen Beeinflussung des Warmedurchgangs Zwischentemperaturen Warmeubertrager Gegen-, Gleich- und Kreuzstrom Berechnungsverfahren Verfahrensoptimierung bei der Warmenutzung Exergieverlust im Warmeubertrager Kontrollfragen Energieumwandlung durch Verbrennung und in Brennstoffzellen Umwandlung der Brennstoffenergie durch Verbrennung Verbrennungstechnische Eigenschaften der Brennstoffe Verbrennungsvorgang Reaktionsgleichungen Verbrennungsrechnung Feste und flussige Brennstoffe Gasformige Brennstoffe Naherungslosungen Verbrennungskontrolle Messmethode Auswertung der Messung Verbrennungsdreiecke Theoretische Verbrennungstemperatur Abgasverlust und feuerungstechnischer Wirkungsgrad Konventionelle Verbrennungsanlagen Verbrennungsanlagen mit Kondensation imabgas Abgastaupunkt Emissionen aus Verbrennungsanlagen Einfuhrung Minderung der Schwefeloxidemission Minderung der Stickoxidemission Minderung der Kohlendioxidemission Chemische Reaktionen und Irreversibilitat der Verbrennung Enthalpie, Entropie, freie Enthalpie Brennstoffexergie Exergieverlust bei der Verbrennung Brennstoffzellen Wirkprinzip

15 12 Inhaltsverzeichnis Energetische Bewertung Bauarten Kontrollfragen Lösungsergebnisse der Aufgaben 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 Stromungsvorgange Warmeubertragung Energieumwandlung durch Verbrennung und in Brennstoffzellen Anhang A1 Schrifttum A2 Nachweis verwendeter Unterlagen A3 Wiederholung haufig benutzter Tafeln Sachwortverzeichnis