Technische Thermodynamik

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1 Günter Cerbe Gernot Wilhelms Technische Thermodynamik Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen 16., aktualisierte Auflage Mit 213 Bildern, 40 Tafeln, 130 Beispielen, 137 Aufgaben und 181 Kontrollfragen HANSER

2 7 Inhaltsverzeichnis Fonnelzeichen 1 Grundlagen der Thennodynamik 1.1 Aufgabe der Thermodynamik 1.2 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 1.6 Thermische Ausdehnung Längenänderung Volumenänderung. 1.7 Thermodynamisches System Systeme und Systemgrenzen Zustandsgrößen und Prozessgrößen Zustandsänderungen und Prozesse. Kontrollfragen Erster Hauptsatz der Thermodynamik 2.1 Energieerhaltung, Energiebilanz. 2.2 Arbeit am geschlossenen System 2.3 Innere Energie 2.4 Wärme 2.5 Arbeit am offenen System und Enthalpie. 2.6 Formulierungen des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik 2.7 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

3 8 Inhaltsverzeichnis 3 Zweiter Hauptsatz der Thennodynamik 3.1 Definition der Entropie 3.2 Entropie und zweiter Hauptsatz der Thermodynamik 3.3 T,S-Diagramm. 3.4 Einfache Zustandsänderungen des idealen Gases Isochore Zustandsänderung Isobare Zustandsänderung Isotherme Zustandsänderung Isentrope Zustandsänderung Polytrope Zustandsänderung Zustandsänderungen in adiabaten Systemen 3.5 Kreisprozesse Kontinuierlicher Ablauf in Kreisprozessen Arbeit und Prozessverlauf Wärmekraftmaschine Grenzen der thermischen Energieumwandlung Vergleich reversibler und irreversibler Kreisprozesse Wärmepumpe und Kältemaschine 3.6 Adiabate Drosselung. 3.7 Füllen eines Behälters 3.8 Temperaturausgleich 3.9 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 4.2 Kreisprozesse der Gasturbinenanlagen Arbeitsprinzip der Gasturbinenanlagen Joule-Prozess als Vergleichsprozess der Gasturbinenanlage Ericsson-Prozess als Vergleichsprozess der Gasturbinenanlage Der wirkliche Prozess in der Gasturbinenanlage 4.3 Kreisprozess des Heißgasmotors Arbeitsprinzip des Heißgasmotors Stirling-Prozess als Vergleichsprozess des Heißgasmotors Der wirkliche Prozess im Heißgasmotor

4 Inhaltsverzeichnis Kreisprozesse der Verbrennungsmotoren Übertragung 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. 209 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 278 Kontrollfragen Gemische Zusammensetzung von Gemischen Massenanteil Stoffmengenanteil (Molanteil) Molare Masse des Gemisches Beladung

5 10 Inhaltsverzeichnis 6.2 Ideale Gemische Gesetz von Amagat Partialdichte (Massenkonzentration) und Gemischdichte Raumanteil Die extensiven Zustandsgrößen des idealen Gemisches 6.3 Gemisch idealer Gase Thermische Zustandsgleichung Partialdruck (Gesetz von Dalton) Mischungsentropie und Exergie eines Gemisches idealer Gase Zusammensetzung von Gemischen idealer Gase 6.4 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. 7.1 Kontinuitätsgleichung Der erste Hauptsatz der Thermodynamik für Strömungsvorgänge Arbeitsprozesse Strömungsprozesse Kraftwirkung bei Strömungsvorgängen Impulssatz Hauptgleichung der Strömungsmaschinen 7.4 Düsen- und Diffusorströmung Energieumwandlung in Düsen und Diffusoren Reibungsfreie Düsenströmung Schallgeschwindigkeit Reibungsfreie Diffusorströmung Ausbildung einer Laval-Düse oder eines Überschall-Diffusors Kontrollfragen Wärmeübertragung. 8.1 Arten der Wärmeübertragung 8.2 Wärmeleitung Ebene Wand Zylindrische Wand Hohlkugelwand. 8.3 Konvektiver Wärmeübergang Wärmeübergangsbeziehungen Ähnlichkeitstheorie des Wärmeübergangs Wärmeübergang beim Kondensieren und Verdampfen. 8.4 Temperaturstrahlung Einführung Wärmeübertragung durch Strahlung Gas- und Flammenstrahlung

6 Inhaltsverzeichnis Wärmedurchgang Wärmedurchgangsbeziehungen Beeinflussung des Wärmedurchgangs Zwischentemperaturen. 8.6 Wärmeübertrager Gegen-, Gleich- und Kreuzstrom Berechnungsverfahren Verfahrensoptimierung bei der Wärmenutzung Exergieverlust im Wärmeübertrager Kontrollfragen Energieumwandlung durch Verbrennung und in Brennstoffzellen 9.1 Umwandlung der Brennstoffenergie durch Verbrennung Verbrennungstechnische Eigenschaften der Brennstoffe Verbrennungsvorgang Reaktionsgleichungen 9.2 Verbrennungsrechnung Feste und flüssige Brennstoffe Gasförmige Brennstoffe Näherungslösungen 9.3 Verbrennungskontrolle Messmethode Auswertung der Messung Verbrennungsdreiecke Theoretische Verbrennungstemperatur 9.5 Abgasverlust und feuerungstechnischer Wirkungsgrad Konventionelle Verbrennungsanlagen Verbrennungsanlagen mit Kondensation im Abgas 9.6 Abgastaupunkt Emissionen aus Verbrennungsanlagen Einführung Minderung der Schwefeloxidemission Minderung der Stickoxidemission Minderung der Kohlendioxidemission 9.8 Chemische Reaktionen und Irreversibilität der Verbrennung Enthalpie, Entropie, freie Enthalpie Brennstoffexergie Exergieverlust bei der Verbrennung 9.9 Brennstoffzellen Wirkprinzip Energetische Bewertung Bauarten. Kontrollfragen Lösungsergebnisse der Aufgaben

7 12 11 Antworten auf die Kontrollfragen Grundlagen der Thermodynamik Erster Hauptsatz der Thermodynamik Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik 11.4 Das ideale Gas in Maschinen und Anlagen 11.5 Der Dampf und seine Anwendung in Maschinen und Anlagen 11.6 Gemische Strömungsvorgänge Wärmeübertragung Energieumwandlung durch Verbrennung und in Brennstoffzellen Inhaltsverzeichnis Anhang Al Schrifttum...,. A2 Nachweis verwendeter Unterlagen A3 Wiederholung häufig benutzter Tafeln Sachwortverzeichnis