Grundlagen der Technischen Thermodynamik 2008 AGI-Information Management Consultants May be used for personal purporses only or by libraries associated to dandelon.com network. von Prof. (em.) Dr.-Ing. NORBERT ELSNER Technische Universität Dresden 7., berichtigte Auflage unter Mitwirkung von Dr.-Ing. Peter BÖHMER Dr.-Ing. Jörg HUHN Dr. rer. nat. Stephanie RASMUS Dr.-Ing. Karin SCHULTE Mit 310 Abbildungen'und 2Q Tabellen, davon 4 als Beilage A K A D E M I E - V E R L A G B E R L I N 19 8 8
Inhaltsverzeichnis Teil A. Grundlagen der Energielehre.. ' 1 1. Zum Inhalt und Aufbau der Technischen Thermodynamik 3 2. Maßsysteme und Einheiten 4 8. Grundbegriffe der Thermodynamik 8 3.1. Der Systembegriff in der Thermodynamik 8 3.2. Der thermodynamische Zustand eines Systems 11 3.2.1. Die Klassifikation und Eigenschaften der Zustandsgrößen H 3.2.2. Die thermischen Zustandsgrößen 19 3.2.2.1. Das spezifische Volumen, die Dichte und das molare Volumen 19 3.2.2.2. Der Druck 20 3.2.2.3. Die Temperatur 23 3.2.3. Die thermische Zustandsgieichung 31 3.3. Vorgänge in thermodynamischen Systemen 36 4. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 39 4.1. Die Anwendung des ersten Hauptsatzes auf geschlossene Systeme 39 4.1.1. Die mathematische Formulierung für den inneren Systemzustand 39 4.1.1.1. Die Einführung der inneren Energie.,. 39 4.1.1.2. Die Wärme als zusätzliche Prozeßgröße neben der Arbeit und ihre Definition... 42 4.1.1.3. Die Definition und Berechnung der Volumenänderungsarbeit 45 4.1.1.4. Die Reibungsarbeit als weitereden inneren Systemzustand beeinflussende Energieform 49 4.1.1..5. Die Energiebilanzgleichungen für den inneren Systemzustand 50 4.1.2. Die mathematische Formulierung unter Berücksichtigung des äußeren Systemzustandes 55 4.2. Die Anwendung des ersten Hauptsatzes auf offene Systeme 57 4.2.1. Die Energiebilanz für nichtstationäre Prozesse in offenen Systemen 57 4.2.2. Die Energiebilanz für stationäre Prozesse in offenen Systemen 60 4.2.3. Die Berechnung der technischen Arbeit aus dem Zustandsverlauf 61 5. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 67 5.1. Der zweite Hauptsatz als ein Erfahrungsgesetz 67 5.2. Die mathematische Formulierung des zweiten Hauptsatzes 69 5.2.1. Das CARATHEODOEYsche Unerreichbarkeitsprinzip 69 5.2.2. Die Holonomität der PFAFFschen Form du + p dv 73 5.2.3. Die Definitionsgleichung der metrischen Entropie (für einfache Systeme) und die thermodynamische Temperatur 76 5.2.4. Das Entropieverhalten (einfacher) geschlossener und offener Systeme 83 5.2.4.1. Das Entropieverhalten (einfacher) geschlossener adiabater Systeme 83 5.2.4.2. Das Entropieverhalten (einfacher) geschlossener nichtadiabater Systeme...;. 85 5.2.4.3. Das Entropieverhalten (einfacher) offener Systeme 86 5.3. Das T,s- oder Wärmediagramm 90
X Inhaltsverzeichnis 5.4. Thermodynamische Prozesse aus der Sicht des ersten und zweiten Hauptsatzes Exergie und Anergie 92 5.4.1. Die Definition der Pseudozustandsgröße Exergie und die Aufstellung der Exergiebilanzgleichung in allgemeiner Form 94 5.4.2. Die Darstellung der Exergie des Stoffstromes im p,v-, T,s- und Ä,s-Diagramm.. 97 5.4.3. Bewertungskriterien für stationäre Fließprozesse unter Verwendung der Exergie. 100 5.4.4. Die Untersuchung ausgewählter irreversibler Prozesse 103 5.4.4.1. Die irreversible Kompression bzw. Expansion eines Stoff Stromes in einem offenen adiabaten System 103 5.4.4.2. Der Drosselvorgang in einem adiabaten System 106 5.4.4.3. Die isobare Mischung zweier stationärer Stoffströme in einem adiabaten System 107 5.4.4.4. Die Wärmeübertragung von einem Heizmittel- an einen Kühlmittelstrom bei endlichem Temperaturunterschied über eine Heizfläche 110 6. Thermische und kalorische Zustandseigenschaften reiner Stoffe und Gemische. 116 6.1. Einige wichtige Differentialgleichungen der Technischen Thermodynamik....116 6.2. Die Zustandsgieichungen reiner Stoffe 119 6.2.1. Das ideale Gas 119 6.2.1.1. Die Gasgesetze von BOYLE-MARIOTTE und GAY-LUSSAC und ihre Vereinigung zur thermischen Zustandsgieichung des idealen Gases 120 6.2.1.2. Das Gesetz von AVOGADRO und die allgemeine thermische Zustandsgieichung des idealen Gases 130 6.2.1.3. Die kalorischen Zustandsgieichungen des idealen Gases 136 6.2.1.3.1. Allgemeine Zusammenhänge 136 6.2.1.3.2. Die innere Energie und Enthalpie des idealen Gases 141 6.2.1.3.3. Die Entropie des idealen Gases 150 6.2.1.3.4. Das T,s- oder Wärmediagramm für das ideale Gas 152 6.2.2. Der reine reale Stoff 154 6.2.2.1. Die thermische Zustandsgieichung 154 6.2.2.1.1. Der isobare Verdampfungsvorgang 154 6.2.2.1.2. Das Zweiphasensystem Flüssigkeit Dampf 156 6.2.2.1.3. Der überhitzte Dampf ' 158 6.2.2.1.4. Die Beschreibung des thermischen Zustandsverhaltens mit Hilfe realer Gasgleichungen 161 6.2.2.2. Die kalorischen Zustandsgieichungen und -diagramme 173 6.2.2.2.1. Das Zweiphasensystem Flüssigkeit Dampf 173 6.2.2.2.2. Die Gleichung von CLATTSITJS und CLAPEYRON 177 6.2.2.2.3. Der überhitzte Dampf 181 6.2.2.2.4. Kalorische Zustandsdiagramme 183 6.3. Die thermischen und kalorischen Zustandseigenschaften von Gemischen 189 6.3.1. Das ideale Gasgemisch 189 6.3.1.1. Zur Kennzeichnung von Gemischen 190 6.3.1.2. Die thermische Zustandsgieichung des idealen Gasgemisches 191 6.3.1.3. Die kalorischen Zustandsgieichungen des idealen Gasgemisches 200 6.3.2. Die feuchte Luft als Beispiel eines Gas-Dampf-Gemisches 204 6.3.2.1. Die thermischen Zustandseigenschaften 204 6.3.2.2. Die kalorischen Zustandseigenschaften 211 6.3.2.3. Das MOLLIER-Ä,a;-Diagramm 214 X, 7. Die einfachen thermodynamischen Prozesse 223 7.1. Stationäre thermodynamische Prozesse 224 7.1.1. Prozesse mit speziellen quasistatischen Zustandsänderungen des idealen Gases und des reinen realen Stoffes 224 7.1.1.1. Prozesse mit isochorer Zustandsänderung 224 7.1.1.2. Prozesse mit isobarer Zustandsänderung 231 7.1.1.3. Prozesse mit isothermer Zustandsänderung 237 7.1.1.4. Prozesse mit isentroper Zustandsänderung 243
Inhaltsverzeichnis XI 7.1.2. Verallgemeinerung der Berechnungsgleichungen für Zustands- und Prozeßgrößen bei innerlich reversiblen Vorgängen mit polytropen quasistatischen Zustandsänderungen des Arbeitsmittels ideales Gas" 252 7.1.3. f/ Die Drosselung eines realen Fluidstromes in einer adiabaten Drosselstelle und der f( JoTJLE-THOMSON-Effekt 263 7.1.4. Stationäre Prozesse mit quasistatischen Zustandsänderungen feuchter Luft... 270 7.1.4.1. Erwärmung und Abkühlung feuchter Luft in Wärmeübertragern 270 7.1.4.2. Mischung zweier Ströme von feuchter Luft... : 273 7.1.4.3. Befeuchtung mit (flüssigem) Wasser oder Wasserdampf 275 7.1.5. Der Verdunstungsvorgang 280 7.1.5.1. Die empirischen Grundgesetze 281 7.1.5.2. Die Stoff- und Energiestrombilanzen 281 7.1.5.3. Darstellung im MoLLiER-A,a;-Diagramm 283 7.1.5.4. Das Psychrometerproblem 286 7.2. Beispiele für instationäre thermodynamische Prozesse 288 7.2.1. Der Auffüllvorgang 289 < 7.2.2. Der Ausströmvorgang 292 8. " Kreisprozesse 296 8.1. Zur Bedeutung der Kreisprozesse 296 8.2. Die Anwendung des ersten und zweiten Hauptsatzes auf Kreisprozesse 297 8.2.1. Allgemeine Grundlagen 297 8.2.2. Rechtsprozesse 300 8.2.3. Linksprozesse 304 8.3. Der CARNOT-Prozeß ein theoretischer Kreisprozeß 308 8.3.1. Der CARNOT-Prozeß als Rechtsprozeß 309 8.3.1.1. Der rechtsläufige CARNOT-Prozeß mit dem Arbeitsmittel ideales Gas 310 8.3.1.2. Der rechtsläufige CARJTOT-Prozeß mit einem realen Fluid als Arbeitsmittel.... 314 8.3.2. Der ÖARNOT-Prozeß als Linksprozeß 316 8.4. Die. Vergleichsprozesse der Gasturbinenanlagen 318 8.4.1. Der AcKERET-KELLER-Prozeß 318 8.4.2. Der JouLE-Prozeß 322 8.4.2.1. Der einfache JouLE-Prozeß 322 8.4.2.2. Der Jor/LE-Prozeß mit Regeneration 328 8.4.2.3. Der JouLE-Prozeß mit mehrstufiger Kompression und Expansion 331 8.5. Die Vergleichsprozesse der Verbrennungsmotoren 334 8.5.1. Der SEiMGER-Prozeß \... 334 8.5.2. Der Ono-Prozeß als erster Grenzfall des SEILIGER-Prozesses 337 8.5.3. Der DiESEL-Prozeß als zweiter Grenzfall des SEILIGER-Prozesses 341-8.6. Die Vergleichsprozesse der Dampfkraftanlagen 350 ' 8.6.1. Der einfache CLAUSitrs-RANKiNE-Prozeß 351 j, 8.6.1.1. Der Sattdampfprozeß 351.!. " 8.6.1.2. Der Heißdampfprozeß 355, 8.6.2. Rechtsläufige Dampfkreisprozesse mit Regeneration 359 < /8.6.3. Rechtsläufige Dampfkreisprozesse mit Zwischenüberhitzung 368 f.' 8.7. Der Vergleichsprozeß der Kompressionskälteanlagen 380 ^-8.8. Die exergetische Bewertung von Kreisprozessen 387 8.8.1. Rechtsprozesse 388 8.8.2. Linksprozesse ; 390 9. Technische Verbrennungsprozesse 396 9.1. Die Verbrennungsreehnung für feste und flüssige Brennstoffe 397 9.1.1. Der erforderliche Sauerstoff- und Luftbedarf 397 9.1.2. Die Abgasmenge und -Zusammensetzung 401 9.2. Die Verbrennungsrechnung für gasförmige Brennstoffe 408 9.3. Die Energiebilanzen der Verbrennung, Brennwert und Heizwert 414 9.4. Die Verbrennungstemperatur bei adiabat-isobarer Reaktion 419
XII Inhaltsverzeichnis 9.5. Die Bewertung technischer Verbrennungsprozesse nach dem zweiten Hauptsatz. 423 9.5.1. Die Exergie der Brennstoffe 423 9.5.2. Der Exergieverlust und der exergetische Gütegrad bei adiabat-isobarer Verbrennung 427 Teil B. Grundlagen des Transportes der thermischen Energie 433 10. Grundbegriffe des Transportes der thermischen Energie 435 11. Wärmeleitung 438 11.1. Das FoTTRiERsche Erfahrungsgesetz als Grundgesetz der Wärmeleitung 438 11.2. Die For/RiERSche Differentialgleichung 441 11.2.1. Die Differentialgleichung des Temperaturfeldes 441 11.2.2. Die Grenzbedingungen 444 11.3. Die stationäre Wärmeleitung ohne Wärmequellen 446 11.3.1. Der eindimensionale Wärmefluß 446 11.3.2. Der mehrdimensionale Wärmefluß 454 11.4. Die instationäre Wärmeleitung 460 11.4.1. Die analytische Lösung der ForaiERschen Differentialgleichung für den eindimensionalen Fall 461 11.4.1.1. Die Separationsmethode 461 11.4.1.2. Die Methode der Quellpunkte 464 11.4.2. Die numerisch-graphische Lösung der FouRiERSchen Differentialgleichung für den eindimensionalen Fall nach BINDER-SCHMIDT 476 12. Konvektion 486 12.1. Der Mechanismus des konvektiven Wärmeüberganges 486 12.2. Das Differentialgleichungssystem zur Beschreibung des Wärmeüberganges... 489 12.3. Die Ähnlichkeitstheorie des Wärmeüberganges 494 12.3.1. Die geometrische und physikalische Ähnlichkeit 494 12.3.2. Die Ermittlung der Ähnlichkeitskennzahlen aus dem System der Differentialgleichungen 497 12.3.3. Die Voraussetzungen der Ähnlichkeitstheorie des Wärmeüberganges 502 12.4. Berechnungsgleichungen für die freie und erzwungene Konvektion 503 12.4.1. Die freie Konvektion 506 12.4.2. Die erzwungene Konvektion 507 12.4.2.1. Strömung längs einer ebenen Wand 507 12.4.2.2. Strömung in Rohren 508 12.4.2.3. Querströmung um einzelne Rohre und um Rohrbündel 510 12.5. Der konvektive Wärmeübergang bei Änderung des Aggregatzustandes des Strömungsmediums 515 12.5.1. Kondensation 515 12.5.2. Verdampfung 518 13. Strahlung 526 13.1. Grundlagen 526 13.1.1. Die Strahlung als Schwingungsvorgang 526 13.1.2. Die Emission von Strahlung 527 13.1.3. Die Ausbreitung der Strahlung 529 13.1.4. Die Absorption von Strahlung 530 13.1.5. Das KlRCHHOFFSche Gesetz 532 13.2. Die Strahlung fester Oberflächen 533 13.2.1. Die Emission des schwarzen Strahlers 534 13.2.1.1. Das PLANCKsche Strahlungsgesetz 534 13.2.1.2. Das STEFAN-BoLTZMASrireche Gesetz 535 13.2.1.3. Das WiEjische Verschiebungsgesetz 537 13.2.2. Das Strahlungsverhalten technischer Oberflächen 537 13.2.2.1. Die elektrischen Leiter 538
Inhaltsverzeichnis XIII 13.2.2.2. Die elektrischen Nichtleiter 539 13.2.2.3. Der graue Strahler 540 13.3. Die Gas- und Flammenstrahlung 540 13.3.1. Die Strahlung der Gase 541 13.3.2. Die Strahlung leuchtender Flammen 542 13.4. Der Energietransport infolge Strahlung zwischen festen Körpern 544 13.4.1. Parallele Wände 545 13.4.2. Umschlossene Körper 547 13.4.3. Beliebig zueinander liegende, sich nicht umschließende Flächen 550 14. Wärmedurchgang 556 14.1. Der Wärmedurchgang durch ebene und gekrümmte Wände 556 14.2. Der Wärmedurchgang durch berippte Wände 563 15. Wärmeübertrager 573 15.1. Grundlegende Bemerkungen zur Berechnung der Wärmeübertrager (Rekuperatoren) 573 15.1.1. l Die Systematik der Wärmeübertrager * 574 15.1.2. Der Gültigkeitsbereich der Berechnungsgleichungen 574 15.2. Die Berechnung des Parallelströmers 575 15.3. Die Berechnung des Kreuzströmers 582 15.4. Der Vergleich der verschiedenen Grnndschaltungen 590 15.5. Gekoppelte Wärmeübertrager 594 15.6. Näherungsbeziehungen zur Berechnung von Wärmeübertragern 599 Anhang Tabellen und Diagramme 605 Verzeichnis der wichtigsten im Lehrbuch verwendeten Symbole 631 Verzeichnis der wichtigsten verwendeten Indizes 634 Namenverzeichnis 635 Sachverzeichnis 637