Technische Thermodynamik

Transkript

1 Hans-Joachim Kretzschmar Ingo Kraft Kleine Formelsammlung Technische Thermodynamik 4., aktualisierte Auflage

2 Ergänzung im Web Kapitel 13 Ideale Gasgemische Anhang B Zustandsdiagramme B5 B6 lg p,h-diagramm fürpropan h 1+x,x w -Diagramm fürfeuchte Luft (farbig) AnhangC Stoffwert-Bibliotheken und Software C1 FluidEXL für Excel C2 FluidMAT für Mathcad C3 FluidCASIO für Taschenrechner Casio CFX-9750, -9850, CFX-9860, FX1.0, Algebra FX 2.0, FX-880P C4 FluidHP für Taschenrechner HP 48 und 49 C5 FluidTI für Taschenrechner TI 83, 84, 89, 92, voyage 200 mit den Stoffwert-Bibliotheken LibIF97 für Wasser und Wasserdampf LibNH3 für Ammoniak LibR134a für das Kältemittel R134a LibIDGAS für Verbrennungsgasgemische nach VDI-4670 LibIdGasMix für ideale Gasgemische LibFLUFT für feuchte Luft und den Berechnungsprogrammen LibWUET LibGroeber für Betriebscharakteristika von Wärmeübertragern zur Berechnung von instationärerwärmeleitung für symmetrische Verhältnisse mit dem Verfahren von Gröber Weitere Ergänzungen sind vorgesehen. Außerdem werden Berichtigungen auf derwebsite veröffentlicht.

3 Kretzschmar/Kraft Kleine Formelsammlung Technische Thermodynamik

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5 Kleine Formelsammlung Technische Thermodynamik von Prof. Dr.-Ing. habil. Hans-Joachim Kretzschmar und Prof. Dr.-Ing. Ingo Kraft unter Mitarbeit von Dr.-Ing. Ines Stöcker 4., aktualisierte Auflage Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag

6 Prof. Dr.-Ing. habil. Hans-Joachim Kretzschmar Hochschule Zittau/Görlitz Prof. Dr.-Ing. Ingo Kraft Hochschule für Technik, Wirtschaft und Kultur Leipzig Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation inder Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. ISBN E-Book-ISBN Dieses Werk ist urheberrechtlichgeschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdrucks und der Vervielfältigung 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 für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigtoder verbreitet werden. Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag 2011 Carl Hanser Verlag München Lektorat: Jochen Horn Herstellung: Karin Wulst Druck/Bindung: Druckhaus Thomas Müntzer GmbH, Bad Langensalza Printed in Germany

7 Vorwort zur vierten Auflage Die Kleine Formelsammlung Technische Thermodynamik hat ihren Praxistest bestanden. Auch die nunmehr vorliegende vierte Auflage enthält die wichtigsten Formeln und Berechnungsalgorithmen der Technischen Thermodynamik einschließlich Wärmeübertragung für die Studiengänge undstudienrichtungen Maschinenbau Energie-, Verfahrens-und Umwelttechnik Technische Gebäudeausrüstung und Versorgungstechnik Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik Kälte- und Wärmepumpentechnik Wirtschaftsingenieurwesen an Universitäten, Fachhochschulen, Berufsakademien und Fachschulen. Erfasst werdendie folgenden Gebieteder Technischen Thermodynamik Energielehre und thermodynamische Stoffeigenschaften, einfache Prozesseund Kreisprozesse, Wärmeübertragungund Thermodynamik der feuchten Luft. Diese Formelsammlung kann somit als Grundlage für die Berechnung von Maschinen, Apparaten undanlagen dienen. Die Darstellung der Energielehre orientiert sich am Lehrkonzept von Prof. em. Dr.-Ing. W. Wagner, Lehrstuhl für Thermodynamik der Ruhr- Universität Bochum. Beibehalten wurde die anwendungsorientierte Darstellung. Zur schnellen Nutzung sind die Formelzeichen unmittelbar unter der betreffenden Formel erläutert. Eine ausführliche Stoffwert- und Diagrammsammlung im Anhang ermöglicht die sofortige Anwendung der Bilanz- und Berechnungsgleichungen. Das Kapitel "Ideale Gasgemische" und weitere Abschnitte sowie Stoffwert-Bibliotheken und ergänzende Software für Excel,Mathcad und für verschiedene Taschenrechner stehen auf der Website zum Download bereit. Die Autoren danken Frau Dr.-Ing. I. Stöcker für die Erstellung der Bilder, Diagramme und Tabellen sowie Herrn Dipl.-Ing. (FH) M. Kunick für die Berechnung der Stoffwerte desanhangs. Hans-Joachim Kretzschmar und Ingo Kraft

8 Inhaltsverzeichnis 1 ThermodynamischeGrößen Größenarten Größen und Einheiten Umrechnung von Einheiten Zustandsverhalten reiner Stoffe Einphasengebiete und Phasenübergänge Zweiphasengebiet flüssig gasförmig Bereiche für Zustandsberechnung Bereiche für Zustandsberechnung im p,t-diagramm Bereiche für Zustandsberechnung im p,v-diagramm Bereiche für Zustandsberechnung im T,s-Diagramm Bereiche für Zustandsberechnung im h,s-diagramm Thermische Zustandsgrößen Temperatur Druck Dichte undspezifisches Volumen Definitionen Ermittlungvon v und ρ fürreale Fluide Ermittlungvon v und ρ für ideale Gase Ermittlung von v und ρ für inkompressible(ideale) Flüssigkeiten undfestkörper Ermittlungvon v und ρ fürnassdampf Normzustand Energetische Zustandsgrößen Wärmekapazitäten Definitionen Ermittlungvon c p und c v fürreale Fluide Ermittlungvon c p und c v fürideale Gase Ermittlung von c p und c v fürinkompressible (ideale) Flüssigkeiten undfestkörper c p und c v für Nassdampf Isentropenexponent und isentrope Schallgeschwindigkeit...37

9 Inhaltsverzeichnis Definitionen Ermittlungvon κ und w fürreale Fluide Ermittlungvon κ und w für ideale Gase κ und w für inkompressible (ideale) Flüssigkeiten κ und w für Nassdampf Enthalpie und innere Energie Definitionen Ermittlungvon h und u für reale Fluide Ermittlungvon h und u für ideale Gase Ermittlung von h und u fürinkompressible(ideale) Flüssigkeiten undfestkörper Ermittlungvon h und u für Nassdampf Entropie Definition Ermittlungvon s fürreale Fluide Ermittlungvon s für idealegase Ermittlung der spezifischen Entropie s für inkompressible(ideale) Flüssigkeiten Ermittlungvon s fürnassdampf Exergie Exergie(der Enthalpie) Exergieder inneren Energie Massebilanz Masse,Stoffmenge undvolumen Massestrom und Volumenstrom Massebilanz bei geschlossenensystemen Massebilanz bei offenen stationären Systemen Massebilanz bei offenen instationären Systemen Energiebilanz 1.Hauptsatz der Thermodynamik Ruhendes geschlossenessystem Energiebilanz zwischen Zustand 1und Volumenänderungsarbeit Äußere Nutz- undkolbenarbeit Dissipierte Arbeiten Wärme Instationäre Energiebilanz... 75

10 8 Inhaltsverzeichnis 6.2 Ruhendes offenes System Stationäre Energiebilanz Technische Arbeit Allgemeine instationäre Energiebilanz Berechnungder Differenzenvon spezifischer Enthalpie und spezifischer innerer Energie Reale Fluide IdealeGase Inkompressible(ideale) Flüssigkeiten Nassdampf Entropiebilanz 2. Hauptsatz der Thermodynamik Ruhendes geschlossenessystem Entropiebilanz zwischen Zustand 1und Entropie der Wärme Entropieproduktion Dissipationsenergie Ruhendes offenes System Berechnungder Differenzender spezifischen Entropie Reale Fluide IdealeGase Inkompressible(ideale) Flüssigkeiten Nassdampf Exergiebilanz Ruhendes geschlossenessystem Exergiebilanz zwischen Zustand 1und Exergieder Wärme Exergieverlust Ruhendes offenes System Berechnungder Differenzender spezifischen Exergie Einfache Prozesse Grundlagen der thermodynamischen Modellierung technischer Prozesse Technische Anwendungen Fluide inbehältern mitstarren Wänden Fluideunter konstantem Druck Mischen vonfluidströmen...120

11 Inhaltsverzeichnis Verdichten undpumpen Entspannung in Turbinen Drosselentspannung Kreisprozesse Grundlagen Gasturbinenanlagen-JOULE-Prozess Dampfturbinenanlagen-CLAUSIUS-RANKINE-Prozess Kältemaschinen- undwärmepumpen-prozess Wärmeübertragung Transporteigenschaften derstoffe Stationäre Wärmeleitung Grundlagen Ebene Wand Zylinderwand (Rohrwand) Kugelwand Konvektiver Wärmeübergang Temperaturfeld Wärmestromund Wärmeübergangskoeffizient Ähnlichkeitskennzahlen FreieKonvektion Erzwungene Konvektion Wärmestrahlung Energiebilanz Zweiflächenstrahlungsaustausch Strahlungsaustauschkoeffizient (resultierender Strahlungskoeffizient) für ausgewählte Anwendungsfälle Wärmedurchgang Thermodynamik der feuchten Luft Konstanten zur Berechnung Arten der feuchten Luft Zusammensetzung der feuchten Luft Allgemeine Zusammensetzung derfeuchten Luft Wassergehalt Ungesättigte feuchte Luft Relative Feuchte Gesättigte feuchte Luft

12 10 Inhaltsverzeichnis Übersättigte feuchte Luft (Nebel) LuftspezifischesVolumen und Dichte Spezifische Wärmekapazitäten Isentropenexponent und isentrope Schallgeschwindigkeit Luftspezifische Enthalpie undinnere Energie Taupunkttemperatur Feuchtkugeltemperatur (Kühlgrenztemperatur) Das h 1+x,x W -Diagramm Bilanzierung vonprozessen mit feuchter Luft Anwendung der Zustandsberechnung von feuchter Luft auf feuchtegase Literaturverzeichnis Anhang A Stoffwertsammlung A1 Stoffunabhängige Konstanten A2 Stoffspezifische Konstanten A3 Stoffwerte vongasen im Idealgaszustand A4 Stoffwerte vonsiedendem Wasserund gesättigtem Wasserdampf A5 Stoffwerte vonwasser(reales Fluid) A6 Stoffwerte vonwasserflüssigkeit (ideal) A7 Stoffwerte vonluft (reales Fluid) A8 Stoffwerte vonluft bei p =0, MPa A9 Transportgrößen vonfeststoffen (Mittelwerte) A10 Gesamtemissionsverhältnisse von Stoffen (Mittelwerte) A11 Heizwerte undbrennwerte A12 Sättigungspartialdruck von Wasser Sachwortverzeichnis B B1 B2 B3 B4 Zustandsdiagramme (als Beilage) Mollier h,s-diagramm vonwasserdampf T,s-Diagrammvon Wasser und Wasserdampf lg p,h-diagramm von Ammoniak h 1+x,x W -Diagramm von feuchter Luft