Thermodynamik des Kraftfahrzeugs

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1 Cornel Stan Thermodynamik des Kraftfahrzeugs Mit 199 Abbildungen

2 Inhaltsverzeichnis Liste der Formelzeichen... XV 1 Grundlagen der Technischen Thermodynamik Gegenstand und Untersuchungsmethodik Thermodynamisches System Austausch zwischen System und Umgebung Thermische Zustandsgrößen; Thermische Zustandsgleichungen Thermodynamische Zustandsänderungen Anwendbarkeit von Differentialquotienten der Zustandsgrößen Reversible und irreversible Zustandsänderungen Formen der Energieübertragung zwischen System und Umgebung Volumenänderungsarbeit Druckänderungsarbeit Wärme...33 Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Anwendbarkeit von Differentialquotienten der Zustandsgrößen...37 Reversible und irreversible Zustandsänderungen...44 Volumenänderungs- und Druckänderungsarbeit Energiebilanz: Der erste Hauptsatz der Thermodynamik Einführung; Erläuterung Energiebilanz für Zustandsänderungen in geschlossenen Systemen; Innere Energie Innere Energie Energiebilanz für Zustandsänderungen in offenen Systemen (stationäre Prozesse); Enthalpie Enthalpie Gegenüberstellung der inneren Energie und der Enthalpie Energiebilanz auf Basis der Enthalpie für Zustandsänderungen in geschlossenen und in offenen Systemen...76

3 X Inhaltsverzeichnis 2.5 Anwendung des Ersten Hauptsatzes in elementaren Prozessen Elementare Prozesse in geschlossenen Systemen Elementare Prozesse in offenen Systemen...81 Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Energiebilanz, Innere Energie, Enthalpie Arbeitsmedien: Gase und Gasgemische Ideale und reale Gase Thermische Zustandsgleichung für ideale Gase Universelle (allgemeine; molare) Gaskonstante Molar-spezifische Größen Normkubikmeter Reale Gase Spezifische Wärmekapazität der idealen Gase Gesetz der inneren Energie bei idealen Gasen (Joule) Formen der spezifischen Wärmekapazität Zusammenhang der spezifischen Wärmekapazität bei konstanten Volumen und bei konstanten Druck Das ideale Gasgemisch Die Gaskonstante eines Gasgemisches Molare Masse, Dichte, Zusammenhänge der Massenund Volumenanteile Innere Energie, Enthalpie und spezifische Wärmekapazität eines Gasgemisches Elementare Zustandsänderungen in gasförmigen Arbeitsmedien Isochore Zustandsänderung (V = konst.) Isobare Zustandsänderung (p = konst.) Isotherme Zustandsänderung (T = konst.) Adiabate Zustandsänderung ( pv k = konst.) Polytrope Zustandsänderung (pv n = konst.) Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Zustandsänderungen in Gasen und Gasgemischen Energieumwandlung: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik Formulierungen Thermischer Wirkungsgrad Entropie reversibler (idealer) Prozesse Entropie irreversibler (natürlicher) Prozesse Berechnung der Entropie...195

4 Inhaltsverzeichnis XI 4.6 Darstellungsformen von Prozessen mittels Entropie: (T,s), (U,s), (h,s) - Diagramme T,s-Diagramme (Wärmediagramme) Elementare, reversible Zustandsänderungen im T,s-Diagramm u,s- und h,s-diagramme Exergie und Anergie Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Berechnung der Entropie in thermodynamischen Vorgängen Prozesse in thermischen Maschinen für Kraftfahrzeuge Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen Rechtslaufende Kreisprozesse Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen mit sukzessiven Zustandsänderungen Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen mit simultanen Zustandsänderungen Kreisprozesse in Klimaanlagen und Wärmepumpen Linkslaufende Kreisprozesse Kreisprozesse in Kältemaschinen Kreisprozesse in Wärmepumpen (Heizanlagen) Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen Arbeitsmedien: Dämpfe und Gas-Dampf-Gemische Phasen und Komponenten eines Dampfes Diagrammdarstellungen der Zustands- und energetischen Größen eines Dampfes Kreisprozesse mit Dampf in der Kraftfahrzeugtechnik Rechtslaufende Kreisprozesse mit Dampf in Kraftanlagen Linkslaufende Kreisprozesse mit Dampf in Klimaanlagen Linkslaufende Kreisprozesse mit Dampf in Wärmepumpenanlagen Drosselung von Nassdampf Gas-Dampf-Gemische Kenngrößen der Gas-Dampf-Gemische Kenngrößen der Gas-Dampf-Gemische in Diagrammform Zustandsänderungen der feuchten Luft in der Kraftfahrzeugtechnik...320

5 XII Inhaltsverzeichnis Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Dampf und Gas-Dampf-Gemische Verbrennung Kraftstoffe Kraftstoff-Luft-Gemische Heizwerte Verbrennungsrechnung Verfahren zur Verbrennungsrechnung Stöchiometrischer Luftbedarf Zusammensetzung der Abgaskomponenten bei vollständiger Verbrennung Zusammensetzung der Abgaskomponenten bei unvollständiger Verbrennung Ablauf der Verbrennungsreaktionen Verbrennungsformen in Otto- und Dieselmotoren Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Verbrennung Wärmeübertragung Arten der Wärmeübertragung Die Wärmeleitung Elementares Modell der Wärmeleitung Wärmeleitung durch eine ebene Wand Wärmeleitung durch Rohrwände Der Wärmeübergang (die Konvektion) Elementare Modelle der Konvektion Grundlagen der Ähnlichkeitstheorie im Bezug auf die Konvektion Wärmetauscher Die Wärmestrahlung Elementare Modelle der Wärmestrahlung Wärmeübertragung durch Strahlung zwischen Körperoberflächen Anwendungsbeispiele und Übungen zu Kapitel Wärmeleitung Messung thermodynamischer Größen Thermodynamische Messgrößen in der Kraftfahrzeugtechnik Arbeitsmedium Verhalten des Arbeitsmediums in thermodynamischen Prozessen...459

6 Inhaltsverzeichnis XIII 9.2 Messung von Zustandsgrößen in Arbeitsmedien Temperaturmessung Feuchtemessung Wegmessung Ermittlung von Zustandsänderungen Literatur Sachwortverzeichnis Verzeichnis angeführter Thermodynamiker...481

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8 Liste der Formelzeichen 2 A [ m ] Fläche a [ ] a C s c c c p c V d [ ] d [ ] E [ ] E Absorptionskoeffizient bei Wärmestrahlung m s Temperaturleitzahl bei Konvektion W K 4 Konstante bei Wärmestrahlung m s Geschwindigkeit kg C Kohlenstoffanteil im Kraftstoff (Kst.) bei kg Kst Verbrennung kj spezifische Wärmekapazität bei konstantem kgk Druck kj spezifische Wärmekapazität bei konstantem kgk Volumen Durchlasskoeffizient bei Wärmestrahlung m Durchmesser J,kJ Energie N 2 N Hz Elastizitätsmodul F [ ] Kraft f [ ] Frequenz G [ J,kJ ] freie Enthalpie bei Verbrennung Gr [ ] Grashof-Zahl bei Konvektion g m 2 s Erdbeschleunigung

9 XVI Liste der Formelzeichen H [ J,kJ ] Enthalpie * H [,kj ] H U, kg kg H G, kg kg H g, 3 3 m h, kg kg * J kj h, kg kg W I λ 3 K p [ ] k [ ] k L st l [ ] M J Ruheenthalpie kg CO2 kg Kst kg Luft kg Kst m kg kmol kmol N [ ] 1 n [ ] 1 s, min n [ ] unterer Heizwert von Kraftstoffen bei Verbrennung Gemischheizwert (massenbezogen) bei Verbrennung Gemischheizwert (volumenbezogen) bei Verbrennung spezifische Enthalpie spezifische Ruheenthalpie Strahlungsintensität bei Wärmestrahlung Gleichgewichtskonstante bei Verbrennung Isentropenexponent Kohlendioxidkonzentration im Abgas bei Verbrennung stöchiometrischer Luftbedarf bei Verbrennung Länge molare Masse Kilomol-Anzahl Drehzahl Polytropenexponent O [ kg O 2 ] Sauerstoffanteil im Abgas bei Verbrennung O st kg O 2 stöchiometrischer Sauerstoffbedarf bei kg Kst Verbrennung

10 Liste der Formelzeichen XVII o o P [ ] Pe [ ] Pr [ ] p p i kg O 2 Sauerstoffanteil im Kraftstoff (Kst.) bei kg Kst Verbrennung kg O 2 Sauerstoffkonzentration im Abgas bei kg Kst Verbrennung W,kW Leistung Péclet-Zahl bei Konvektion Prandtl-Zahl bei Konvektion N 2 Druck N 2 Partialdruck J,kJ Wärme Q [ ] Q & [ W,kW ] Wärmestrom q q& R R R Ra [ ] Re [ ] r [ ] r [ ] r [ ] r, kg kg W kw, 2 2 m J kmolk J kgk K kw m J kg kj, kg spezifische Wärme Wärmestromdichte bei Wärmeübertragungen universelle (molare, allgemeine) Gaskonstante spezifische Gaskonstante Wärmewiderstand bei Wärmeübertragungen Rayleigh-Zahl bei Konvektion Reynolds-Zahl bei Konvektion Radius Volumenanteil im Gasgemisch Reflexionskoeffizient bei Wärmestrahlung spezifische Verdampfungsenthalpie

11 XVIII Liste der Formelzeichen S s s T [ ] t [ ] t [] s, Entropie K K, spezifische Entropie kgk kgk kg S kg Kst K Temperatur C Temperatur Schwefelanteil im Kraftstoff (Kst.) bei Verbrennung Zeit U [ J,kJ ] innere Energie u V [ ] v W [ ] w, spezifische innere Energie kg kg 3 m Volumen m kg spezifisches Volumen J,kJ Arbeit J kg x [ ] x D [ ] x DS [ ] Z [ ] z [ m ] z kj, kg kg CO kg Kst rad α [ ] α 1 α [ K ] 1 β [ K ] spezifische Arbeit absolute Feuchte Dampfanteil im Nassdampf Sättigungsdampfgehalt Realgasfaktor Höhe Kohlenmonoxidkonzentration im Abgas bei Verbrennung Drehwinkel, Winkel W 2 Wärmeübergangskoeffizient bei Konvektion K thermischer Ausdehnungskoeffizient Spannungskoeffizient δ [ m,mm] Wandstärke bei Wärmeleitung

12 Liste der Formelzeichen XIX ε [ ] ε [ ] ϕ [ ] η [ ] η η [ ] λ λ th λ [ ] λ ν Emissionskoeffizient bei Wärmestrahlung Verdichtungsverhältnis relative Feuchte Wirkungsgrad N s 2 dynamische Viskosität bei Konvektion thermischer Wirkungsgrad m N Kompressibilitätskoeffizient kg Luft kg Kst Luftverhältnis bei Verbrennung m, µ m Wellenlänge bei Strahlung W K Wärmeleitfähigkeit bei Wärmeleitung s m 2 π [ ] ρ σ kg 3 W 2 K 4 1 ω [ s ] Ψ [ ] kinematische Viskosität bei Konvektion Druckverhältnis Dichte Stefan-Boltzmann Konstante bei Wärmestrahlung Winkelgeschwindigkeit Sättigungsgrad