Grundlagen der Technischen Thermodynamik

Ernst Doering | Herbert Schedwill | Martin Dehli Grundlagen der Technischen Thermodynamik Lehrbuch füjr Studierende der Ingenieürwissenschaften 6., ü...
Author: Rudolph Heintze
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Ernst Doering | Herbert Schedwill | Martin Dehli

Grundlagen der Technischen Thermodynamik Lehrbuch füjr Studierende der Ingenieürwissenschaften 6., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 303 Abbildungen, 45 Tabellen sowie 56 Aufgaben mit Lösungen STUDIUM

VIEWEG+ TEUBNER

Inhaltsverzeichnis 1 Thermodynamische Grundbegriffe 1.1 Anwendungsgebiete der Thermodynamik 1.2 System 1.3 Zustand, Zustandsgrößen, Zustandsänderungen 1.4 Prozess, Prozessgrößen 2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik 2.1 Das Prinzip von der Erhaltung der Energie 2.2 Potentielle Energie 2.3 Kinetische Energie 2.4 Arbeit' 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.5

Volumenänderungsarbeit Kupplungsarbeit Verschiebearbeit Druckänderungsarbeit Reibungsarbeit

1 1 3 4 7 8 8 9 12 12 13 14 14 15 17

2.5 Thermische Energie

19

2.5.1 Innere Energie 2.5.2 Wärme 2.5.3 Enthalpie

19 20 21

2.6 Energiebilanzen 2.6.1 Energiebilanz für das geschlossene System /2.6.2 Energiebilanz für das offene System

2.7 Wärmekapazität

22 22 24

27

2.7.1 Spezifische Wärmekapazität 2.7.2 Die spezifische Wärmekapazität der Gase

28 30

3 Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik 3.1 Die Aussage des zweiten Hauptsatzes

32 32

3.1.1 Reversible und irreversible Prozesse 3.1.2 Quasistatische Zustandsänderungen

33 33

3.2 Irreversible Vorgänge 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4

Reibung Temperaturausgleich Druckausgleich Drosselung

3.3 Entropie 3.3.1 Reversible Ersatzprozesse adiabater Prozesse 3.3.2 Die Berechnung der Entropieänderung 3.3.3 Die Entropie als Zustandsgröße, totales Differential

3.4 Die Entropieänderung der irreversiblen Vorgänge 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4

Reibung Temperaturausgleich Druckausgleich Drosselung

3.5 Nichtadiabater Prozess und reversibler Ersatzprozess 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4

Isentrope Entropiediagramme Kreisintegral, thermodynamische Temperatur Dissipative Energie

34 35 35 36 37

38 39 40 41

43 43 44 45 46

47 48 49 51 53

VIII

•'

4 Ideale Gase 4.1 Thermische Zustandsgieichung

55 55

4.1.1 Gesetz von Boyle und Mariotte 4.1.2 Gesetz von Gay-Lussac 4.1.3 Physikalischer Normzustand 4.1.4 Gasthermometer 4.1.5 Spezielle Gaskonstante 4.1.6 Allgemeine Gaskonstante

55 55 56 57 58 59

4.2 Kalorische Zustandsgrößen der idealen Gase

60

4.2.1 Innere Energie ..'. 4.2.2 Enthalpie 4.2.3 Entropie

60 60 61

4.3 Zustandsänderungen

62

4.3.1 4.3.2 4.3.3 4.3.4 4.3.5 4.3.6

Isochore . .• Isobare Isotherme Isentrope Polytrope Zustandsänderungen mit veränderlicher Masse

4.4 Thermische Energie und Arbeit im T, s-Diagramm 4.5 Mischungen idealer Gase 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4

Phasenübergänge Zweiphasengebiete Sieden und Kondensieren Verdunsten und Tauen Flüssigkeit Nassdampf Überhitzter Dampf

83 87 87 90

94

,

5.2 Zustandsdiagramme 5.2.1 Die p,v,T -Fläche 5.2.2 Das T, s -Diagramm 5.2.3 Das h, s -Diagramm

5.3 Thermische Zustandsgieichungen Die van der Waalssche Gleichung Die Grenzkurve und die MainueH-Beziehung Die reduzierte van der Waalssche Gleichung Verschiedene Ansätze Virialkoeffizienten

5.4 Berechnung von Zustandsgrößen; Dampftafeln 5.4.1 5.4.2 5.4.3 5.4.4 5.4.5

79 80

94

»5.1 Eigenschaften der Dämpfe

5.3.1 5.3.2 5.3.3 5.3.4 5.3.5

>.-

Der Mischungsvorgang im abgeschlossenen System Mischung bei unverändertem Gesamtvolumen Mischung ohne Temperaturänderung bei unverändertem Gesamtvolumen Der Mischungsvorgang im offenen System

5 Reale Gase und Dämpfe 5.1.1 5.1.2 5.1.3 5.1.4 5.1.5 5.1.6 5.1.7

62 64 66 69 72 78

Die kalorischen Zustandsgrößen Die spezifischen Wärmekapazitäten cp und cv Der Isentropenexponent und der Isothermenexponent Die Clausius- Clapeyronsche Gleichung Freie Energie und freie Enthalpie 5.4.5.1 Allgemeines 5.4.5.2 Ein g, s-Zustandsdiagramm für Wasser und Wasserdampf 5.4.6 Der Joule-Thomson-E&ekt '

94 95 96 98 99 102 104

106 106 109 111

113 113 115 117 118 121

123 123 128 130 132 135 135 140 144

r

IX 6 Thermische Maschinen



149

6.1.1 Unterteilung nach der Richtung der Energieumwandlung 6.1.2 Unterteilung nach der Bauart der Maschinen 6.1.3 Unterteilung nach der Art des ablaufenden Prozesses

149 150 150

6.1 Einteilung und Arten der Maschinen

149

6.2 Ideale Maschinen 6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4

150

Verdichtung und Entspannung in idealen Maschinen Mehrstufige Verdichtung und Entspannung Die Energiebilanz für Strömungsmaschinen Die Energiebilanz für Verdrängermaschinen

151 152 154 155

6.3 Energiebilanzen für wirkliche Maschinen

158

6.3.1 Innere oder indizierte Arbeit 6.3.2 Totalarbeit 6.3.3 Totalenthalpie

158 159 161

6.4 Wirkliche Maschinen 6.4.1 6.4.2 6.4.3 6.4.4 6.4.5

Der ungekühlte Verdichter Der gekühlte Verdichter Kolbenverdichter Turboverdichter Gas- und Dampfturbinen

: •

6.5 Wirkungsgrade 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.5.5 ^6.5.6 6.5.7

Vergleichsprozesse Der innere Wirkungsgrad Der mechanische Wirkungsgrad Der Gesamtwirkungsgrad Der isentrope Wirkungsgrad Der isotherme Wirkungsgrad Der polytrope Wirkungsgrad

168 •

7 Kreisprozesse 7.1 Kreisprozessarbeit, Wärmezufuhr und Wärmeabgabe 7.2 Rechts- und linkslaufende Kreisprozesse 7.3 Die Theorie der rechtslaufenden Kreisprozesse 7.3.1 7.3.2 7.3.3 7.3.4 7.3.5

161 161 163 165 165 165

Umwandlung von thermischer in mechanische Energie Der thermische Wirkungsgrad Der rechtslaufende Carnot-Prozess Die Auswirkung irreversibler Vorgänge Der Carnot-Faktor

7.4 Technisch genutzte rechtslaufende Kreisprozesse 7.4.1 Seiföger-Prozess, Otto-Prozess, DieseZ-Prozess, verallgemeinerter Diesel-Prozess . . . . 7.4.2 Jouie-Prozess 7.4.3 .Ericsson-Prozess 7.4.4 Stirling-Prozess 7.4.5 Einfach-polytropischer Camot-Prozess 7.4.6 Gasexpansions-Prozess 7.4.7 Clausius-Rankine-Prozess

7.5 Vergleichende Bewertung von rechtslaufenden Kreisprozessen 7.5.1 Prozessgrößen und Kreisprozesse 7.5.2 Mechanische Anstrengungsverhältnisse und thermische Anstrengungsverhältnisse . . . 7.5.3 Bewertungskriterien für wichtige thermodynamische Kreisprozesse 7.5.3.1 Allgemeine thermodynamische Beziehungen 7.5.3.2 Beispiele 7.5.3.3 Graphische Darstellung der thermodynamischen Beziehungen 7.5.3.4 Kreisprozessberechnungen für reale Fluide

169 170 171 171 171 172 172

177 180 183 184 185 186 186 188 190

191 192 195 198 200 202 202 204

207 207 208 212 212 213 228 240

X 7.6 Linkslaufende Kreisprozesse 7.6.1 Leistungszahl 7.6.2 Der linkslaufende Carnot-Prozess 7.6.3 Der linkslaufende Joule-Prozess .. .. i 7.6.4 Der Gasexpansions-Prozess als Kälteprozess 7.6.5 Der Kompressions-Kaltdampfprozess

246 247 247 248 250 253

8 Exergie

259

8.1 Energie/und Exergie 8.1.1 Die Exergie der Wärme 8.1.2 Die Exergie der gebundenen Energie 8.1.3 Die Exergie der Temperaturänderungswärme 8.1.4 Die Exergie der Volumenänderungsarbeit 8.1.5 Die Exergie der Verschiebearbeit 8.1'.6 Die Exergie der Druckänderungsarbeit 8.1.7 Die Exergie der inneren Energie 8.1.8 Die Exergie der Enthalpie • 8.1.9 Die Exergie der freien Energie 8.1.10 Die Exergie der freien Enthalpie 8.1.11 Unterschied zwischen EU und EF 8.1.12 Unterschied zwischen EH und EG 8.1.13 Freie Energie und freie Enthalpie als thermodynamische Potentiale 8.2 Exergie und Anergie 8.2.1 Die Anergie im p, V -Diagramm und im T, S -Diagramm 8.2.2 Anergiefreie Energien 8.3 Exergieverlust 8.3.1 Irreversibilität und Exergieverlust 8.3.2 Exergieverlust und Anergiegewinn / 8.3.3 Exergetische Wirkungsgrade 9 Wärmeübertragung 9.1 Wärmestrahlung 9.1.1 Stefan-Boltzmannsches Gesetz 8.1.2 Kirchhoff sches Gesetz 9.1.3 Ploncfcsches Strahlungsgesetz 9.1.4 Iberisches Verschiebungsgesetz 9.1.5 Lamfcertsches Kosinusgesetz 9.1.6 Einstrahlzahl 9.2 Strahlungsaustausch 9.2.1 Hohlraummethode 9.2.2 Umhüllung einer Fläche durch eine andere 9.2.3 Zwei große parallele Flächen 9.2.4 Matrizendarstellung 9.3 Stationäre eindimensionale Wärmeleitung 9.3.1 Ebene Wand 9.3.2 Rohrwand .. .• 9.4 Instationäre eindimensionale Wärmeleitung 9.4.1 Ebene einschichtige Wand 9.4.2 Halbunendlicher Körper 9.4.3 Kontakttemperatur 9.5 Konvektion 9.5.1 Wärmeübergangskoeffizient 9.5.2 Ähnlichkeitstheorie 9.5.3 Reynolds-Analogie 9.5.4 PrancZtZ-Analogie 9.5.5 Potenzansätze für die turbulente Rohrströmung

259 261 263 264 265 266 267 268 271 '.. 275 275 276 277 278 280 282 285 286 286 290 292 297

-.

297 297 297 298 299 299 300 303 304 305 306 306 309 309 310 311 311 313 314 316 316 317 320 321 324

XI 9.6 Wärmedurchgang 9.6.1 Wärmedurchgangskoeffizient 9.6.2 Rippenwirkungsgrad und Flächenwirkungsgrad 9.6.3 Mittlere Temperaturdifferenz 9.6.4 Betriebscharakteristik 9.7 Berippte Wärmeübertragungsflächen 9.7.1 Gerade Rippe mit Rechteckquerschnitt 9.8 Trennwandwärmeübertrager 9.8.1 Gleichstrom 9.8.2 Gegenstrom '. 9.8.3 Kreuzst'rom 9.8.4 Wärmeübertragung mit Phasenübergang 9.9 Auswertung und, Auslegung 9.9.1 Korrekturfaktor für Kreuzstrom 9.9.2 Darstellung der Betriebscharakteristik 9.9.3 Wärmelängsleitung in der ebenen Trennwand 9.9.4 Auslegungsdiagramm



'.

• *.

10 Feuchte Luft 10.1 Zustandseigenschaften feuchter Luft 10.1.1 Relative Feuchte 10.1.2 Feuchtegrad und Sättigungsgrad 10.1.3 Spezifische Enthalpie 10.1.4 Spezifisches Volumen und Dichte 10.2 Zustandsänderungen feuchter Luft 10.2.1 Temperaturänderung 10.2.2 Befeuchtung und Entfeuchtung .' 10.2.3 Mischung zweier Feuchtluftmengen 10.3 Das h, x-Diagramm von Mollier 10.3.1 Temperaturänderung 10.3.2 Befeuchtung und Entfeuchtung 10.3.3 Mischung zweier Feuchtluftmengen 10.4 Verdunstungsmodell 10.4.1 Verdunstungskoeffizient 10.4.2 Energiebilanzen 10.4.3 Leioissche Beziehung 10.5 Kühlgrenze 10.6 Verdunstung und Tauniederschlag 10.7 Wasserdampfdiffusion durch Wände 11 Verbrennung 11.1 Brennstoffe 11.1.1 Gasförmige Brennstoffe 11.1.2 Feste und flüssige Brennstoffe 11.1.3 Zusammensetzung des Verbrennungsgases, Verbrennungsdreiecke, Verbrennungskontrolle 11.2 Technische Gesichtspunkte der Verbrennung 11.2.1 Einleitung und Ablauf der Verbrennung 11.2.2 Vollkommene und unvollkommene Verbrennung 11.2.3 Taupunkt der Verbrennungsgase 11.2.4 Schornsteinzug 11.3 Brennwert und Heizwert 11.4 Theoretische Verbrennungstemperatur Anhang

325 325 326 327 328 329 329 329 330 331 333 336 338 338 340 342 351 355 355 355 356 357 ' 358 359 359 359 360 361 364 364 365 365 365 366 367 368 370 371 377 377 378 382 384 391 391 391 393 394 395 397 404