Einführung in diethermodynamik

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1 Günter Cerbe Hans-Joachim Hoffmann Einführung in diethermodynamik Von den Grundlagen zur technischen Anwendung Mit 201 Bildern, 32 Tafeln, 124 Beispielen, 132 Aufgaben und 170 Kontrollfragen 12., verbesserte Auflage Carl HanserVerlag München Wien

2 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen der Thermodynamik Aufgabe der Thermodynamik Größen und Einheitensysteme Physikalische Größen und Größenarten Größengleichungen Zahlenwertgleichungen Einheitensysteme Thermische Zustandsgrößen.' Volumen Druck Temperatur Thermische Zustandsgieichung Thermische Ausdehnung Arbeit und innere Energie Thermodynamisches System Zustandsgrößen und Prozeßgrößen Thermodynamische Prozesse und Zustandsänderungen Arbeit am geschlossenen System Innere Energie Arbeit und Wärme Wärme Arbeit am offenen System und Enthalpie Kalorische Zustandsgieichungen und spezifische Wärmekapazitäten Erster Hauptsatz der Thermodynamik 54 Kontrollfragen 57 2 Zustandsänderungen des idealen Gases Zustandsgesetze Thermische Zustandsgieichung des idealen Gases Gesetze von Boyle-Mariotte und Gay-Lussac Materiemaße Kilomol und Normvolumen; molare Gaskonstante Kalorische Zustandsgieichungen des idealen Gases Spezifische Wärmekapazitäten des idealen Gases Geschlossene Systeme Prozesse und Zustandsänderungen in geschlossenen Systemen Isochore Isobare Isotherme Isentrope Polytrope Offene Systeme Prozesse und Zustandsänderungen in offenen Systemen Technische Arbeit bei einfachen Zustandsänderungen Kreisprozesse Kontinuierlicher Ablauf in Kreisprozessen Arbeit des reversiblen Kreisprozesses 92

3 Inhaltsverzeichnis Thermischer Wirkungsgrad Carnot-Prozeß Wärmepumpe und Kältemaschine 100 Kontrollfragen Irreversible Vorgänge und Zustandsgrößen zu ihrer Beurteilung Reversible und irreversible Prozesse Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik " Entropie Definition der Entropie Entropie und zweiter Hauptsatz Entropieänderungen bei Kreisprozessen Vergleich reversibler und irreversibler Kreisprozesse T, S-Diagramm Zustandsänderungen im T, S-Diagramm Der Carnot-Prozeß im T, S-Diagramm 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 144 Kontrollfragen Das ideale Gas in Maschinen und Anlagen Kreisprozesse für Wärme- und Verbrennungskraftanlagen Vergleichsprozesse Bewertungsziffern für die idealisierten Kreisprozesse Bewertung der Abweichung der wirklichen von idealisierten Prozessen 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 Heißgasmotors Kreisprozesse der Verbrennungsmotoren Übertragung des Arbeitsprinzips der Motoren in einen Kreisprozeß Otto-Prozeß als Vergleichsprozeß des Verbrennungsmotors (Gleichraumprozeß) 175

4 Inhaltsverzeichnis 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 Bewertungsziffern für den Kolbenverdichter ^ 188 Kontrollfragen Der Dampf und seine Anwendung in Maschinen und Anlagen Das wirkliche Verhalten der Stoffe Aggregatzustandsänderungen, Phasenwechsel Zustandsgieichungen realer Gase p, v, r-diagramm Wasserdampf Zustandsgieichungen des Wasserdampfes Kalorische Zustandsgrößen Gleichung von Clausius und Clapeyron Zustandsänderungen des Wasserdampfes Wasserdampf in Maschinen und Anlagen 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 Grundschaltungen des Gas-Dampf-Kraftwerkes Wirkungsgrade beim Gas-Dampf-Kraftwerk Schaltungsbeispiele Organische Rankine-Prozesse (ORC) Prozeßverlauf Organische Arbeitsmedien Linkslaufende Kreisprozesse mit Dämpfen 251 Kontrollfragen Gemische Die Zusammensetzungen von Gemischen ' Massenanteil Stoffmengenanteil (Molanteil) Molare Masse des Gemisches Beladung Ideale Gemische Gesetz von Amagat Partialdichte (Massenkonzentration) und Gemischdichte Raumanteil Die extensiven Zustandsgrößen des idealen Gemisches 264

5 10 Inhaltsverzeichnis 6.3 Gemisch idealer Gase Thermische Zustandsgieichung Partialdruck (Gesetz von Dalton) ' Mischungsentropie und Exergie eines Gemisches idealer Gase Zusammensetzung von Gemischen idealer Gase Gas-Dampf-Gemisch Taupunkt "" Feuchte Luft Zusammensetzung der feuchten Luft Spezifisches Volumen feuchter Luft Spezifische Enthalpie feuchter Luft /i,x-diagramm von Mollier Einfache isobare Zustandsänderungen feuchter Luft im /j,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 Überschall-Diffusors 319 Kontrollfragen Wärmeübertragung Arten der Wärmeübertragung Wärmeleitung Ebene Wand Zylindrische Wand Hohlkugelwand Konvektiver Wärmeübergang Wärmeübergangsgesetze Ähnlichkeitstheorie des Wärmeübergangs Wärmeübergang beim Kondensieren und Verdampfen Temperaturstrahlung Einführung Wärmeübertragung durch Strahlung Gas- und Flammenstrahlung Wärmedurchgang Wärmedurchgangsgesetze Beeinflussung des Wärmedurchgangs Zwischentemperaturen 355

6 Inhaltsverzeichnis Wärmeübertrager Gegen-, Gleich- und Kreuzstrom Berechnungsverfahren Verfahrensoptimierung bei der Wärmenutzung Exergieverlust im Wärmeübertrager 365 Kontrollfragen Verbrennung Umwandlung der Brennstoffenergie 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 Stickoxidemission Irreversibilität der Verbrennung Absolute Entropie Brennstoffexergie Exergieverlust bei der Verbrennung 417 Kontrollfragen Lösungsergebnisse der Aufgaben Antworten auf die Kontrollfragen 431 Schrifttum 446 Verzeichnis der Beispiele und Aufgaben 447 Formelzeichen 449 Wiederholung häufig benutzter Tafeln 452 Sachwortverzeichnis 463

7 12 Verzeichnis der Tafeln Verzeichnis der Tafeln Tl.l Genormte Vorsilben für dezimale Vielfache und Teile von Einheiten (Auszug).. 16 T 1.2 Basisgrößen und Basiseinheiten des Sl-Systems 16 T 1.3 Basisgrößen und Basiseinheiten zur Vervollständigung des Internationalen Einheitensystems 17 T 1.4 Einige abgeleitete Größenarten und Einheiten des Internationalen Einheitensystems 18 T1.5 Druckeinheiten 23 T 1.6 Mittlere Längen- und Raumausdehnungskoeffizienten 29 T 1.7a Mittlere spezifische Wärmekapazität c pm \' 0, c einiger Metalle 51 T1.7b Wahre spezifische Wärmekapazität, c p einiger fester und flüssiger Stoffe T 1.8 Energieeinheiten 56 T2.1 Stoffwerte von Gasen 60 und 452 T2.2 Mittlere molare und spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck für den idealen Gaszustand 68 und 454 T 2.3 Molare Wärmekapazitäten idealer Gase 70 T3.1 Gegenüberstellung von drei Carnotprozessen 114 T4.1 Verdichterwirkungsgrade 193 T 5.1 Verdampfungsenthalpie, Siedetemperatur und kritischer Punkt verschiedener Stoffe 196 und 453 T 5.2 Schmelzenthalpie und Schmelztemperaturen einiger Stoffe 197 und 453 T 5.3 Tripelpunkte des Kohlendioxids und des Wassers 197 T5.4 Wasserdampftafel, Sättigungszustand (Drucktafel) 208 und 456 T 5.5 Wasserdampftabelle, überhitzter Dampf 209 und 458 T 5.6 Umwelt-Gefährdungspotential einiger Kältemittel 247 T 6.1 Partialdruck des Wasserdampfes und absolute Feuchte in gesättigter feuchter Luft und anderen gesättigten Gasen 278 und 457 T8.1 Wärmeübertragungseigenschaften einiger fester Stoffe 325 und 460 T 8.2 Wärmeübertragungseigenschaften einiger Flüssigkeiten 326 und 461 T8.3a Wärmeübertragungseigenschaften von trockener Luft bei 1 bar und 462 T8.3b Wärmeübertragungseigenschaften einiger Gase 326 und 461 T 8.4 Berechnungsgleichungen für den Wärmeübergang 336 T 8.5 Wärmeübergangskoeffizienten (Anhaltswerte) 344 und 462 T 8.6 Emissionskoeffizient senkrecht zur Fläche e n für einige Körper 349 T9.1 Normvolumen der Mindestluft- und Mindestverbrennungsgasmengen (Näherungsgleichungen) 385 T9.2 CO 2 -Bildung verschiedener Brennstoffe, bez. auf die Brennstoffenergie [27] T 9.3 Emissionsgrenzwerte für Neuanlagen mit Q h > 300 MW in der BR Deutschland T9.4 Molare absolute Entropie S mb im Standardzustand 413 T 9.5 Molarer Brennwert H om, molarer Heizwert H um und molare Exergie E m einiger einfacher Brennstoffe bei 25 C C, 1,01325 bar 416 T 9.6 Spezifischer Brennwert H o und spezifische Exergie e einiger flüssiger und fester Brennstoffe bei 25 C 1,01325 bar 416 Die Übersicht der benutzten Formelzeichen befindet sich auf den Seiten 449 bis 451