Repetitorium der Technischen Thermodynamik

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1 Repetitorium der Technischen Thermodynamik Von Prof. Dr.-Ing. habil. Achim Dittmann, Prof. Dr.-Ing. habil. Siegfried Fischer, Prof. Dr.-Ing. habil. Jörg Huhn und Dr.-Ing. Jochen Klinger, Technische Universitäf Dresden Mit 200 Bildern B. G. Teubner Stuttgart 1995

2 Inhaltsverzeichnis I Energielehre 13 1 Einführung System und Zustand Bilanzen und Prozesse Massen- bzw. Mengenstrombilanzen Energiestrombilanzen Prozesse 25 2 Thermisches Zustandsverhalten von Fluiden Thermische Zustandsgrößen Thermisches Zustandsverhalten realer Fluide Zustandsdiagramme und -tabellen Zustandsgieichungen Thermisches Zustandsverhalten idealer Gase und Gemische 40 3 Energetisches Zustandsverhalten von Fluiden Zusammenstellung wichtiger thermodynamischer Funktionen Energetisches Zustandsverhalten realer Fluide Überhitzter Dampf Fluides Zweiphasengebiet Unterkühlte Flüssigkeit Energetische Zustandsdiagramme Energetisches Zustandsverhalten idealer Gase Ideale Einzelgase Ideale Gasgemische 76

3 4 Inhaltsverzeichnis 4 Energetische Bilanzierung mit dem Ersten Hauptsatz Anwendung auf stoffdichte Systeme Energiestrombilanz an stoffdurchlässigen Systemen Der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik Formulierungen und Konsequenzen Anwendungen des 2. Hauptsatzes Modellierung einfacher Prozesse Einfache reversible Prozesse Prozesse mit isentropen Zustandsänderungen Prozesse mit isobaren und isochoren Zustandsänderungen Prozesse mit polytropen Zustandsänderungen Ausgewählte irreversible Prozesse Verdichtungs- und Entspannungsvorgänge Strömungsvorgänge in Kanälen und Rohren Speicherprozesse Berechnungsgrundlagen Speicherung im fluiden Einphasengebiet Speicherung im fluiden Zweiphasengebiet Technische Verbrennungsvorgänge Stoffumsatzberechnungen Brennstoffzusammensetzung Luftbedarf und Abgaszusammensetzung Energetische Bewertung des Verbrennungsprozesses Verbrennungsenthalpie Adiabate Verbrennungstemperatur Abkühlung der Verbrennungsgase Kreisprozesse Prozeßgrößen und Bewertungskennziffern Rechtsprozesse Rechtsprozesse mit gasförmigen Arbeitsmedien Der Clausius-Rankine-Prozeß Dampfkraftprozeß mit Kraft-Wärme-Kopplung Kombinierte Gas- und Dampfkraftwerke Linksprozesse 210

4 Inhaltsverzeichnis Prozesse mit gasförmigen Arbeitsmedien Kältemaschinen und Wärmepumpen mit realen Fluiden Weiterführende Literatur zu Kreisprozessen 226 II Wärmeübertragung Einführung in die Wärmeübertragung Stationäre Wärmeleitung Fouriersches Erfahrungsgesetz Wärmeleitkoeffizient Metalle bzw. elektrische Leiter Gase und Dämpfe Flüssigkeiten Nichtmetalle, Bau- und Isolierstoffe Fouriersche Differentialgleichung Differentialgleichung für das Temperaturfeld Grenzbedingung Eindimensionale stationäre Wärmeleitung ohne Quellen Eindimensionaler Wärmedurchgang Berippte Wände Äquivalenter Wärmeübergangskoeffizient Berechnung von anderen Rippenformen Eindimensionale Wärmeleitung mit Quellen Temperaturabhängige Wärmeleitfähigkeit Mehrdimensionale stationäre Wärmeleitung Instationäre Wärmeleitung Quasistatische instationäre Wärmeleitung Erwärmung oder Abkühlung eines Vollkörpers Temperaturausgleich zwischen einem Körper und einem isolierten Fluidbecken Näherungsverfahren nach Schlünder Numerische Lösung Einseitig unendlich ausgedehnte ebene Wand Einfache Körper Periodische Umgebungstemperaturänderung 296

5 Inhaltsverzeichnis 11.5 Phasenübergang fest-flüssig Differenzenverfahren Konvektion Wärmeübergangskoeffizient Ähnlichkeitskennzahlen Grenzschichten Strömungsgrenzschicht Temperaturgrenzschicht Ähnlichkeitstheorie Freie Konvektion Freie Konvektion an Wänden und Einzelkörpern Freie Konvektion in Spalten Erzwungene Konvektion Erzwungene Konvektion in Rohren und Kanälen Erzwungene Konvektion an Wänden und Körpern Wärmeübergang bei gemischter Konvektion Wärmeübergang bei Kondensation Wärmeübergang bei Verdampfung Behältersieden Strömungssieden Wärmestrahlung Energiebilanz der Strahlung Gesetze des Schwarzen Strahlers Reale Strahler Technische Oberflächen Strahlungsaktives Medium Gase Grauer Strahler Beschreibung der realen Strahler mit dem Modell des Grauen Strahlers Gasstrahlung Strahlungsaustausch Einstrahlzahl Strahlungsaustausch ohne strahlungsaktives Zwischenmedium Strahlungsaustausch zwischen einem strahlungsaktiven Gas und einer Wand 394

6 Inhaltsverzeichnis Wärmeübergangskoeffizient bei Strahlung Solarstrahlung Solarkonstante Direkte Sonnenstrahlung Diffuse Strahlung Global- oder Gesamtstrahlung Wärmeübertrager Mischwärmeübertrager Rührkessel Rekuperatoren Überblick zur Berechnung von Rekuperatoren Betriebscharakteristik für einige Stromführungen Gekoppelte Rekuperatoren Regeneratoren Anhang Thermodynamische Stoffwerte Strahlungseigenschaften 455 Literaturverzeichnis 457 Index 464