Technische Wärmelehre
Werbung
1 Fritz Dietzel/Walter Wagner Technische Wärmelehre 3 Kamprath-Reihe Prof. Dipl.-Ing. Fritz Dietzel Dipl.-Ing. Walter Wagner Technische Wärmelehre 10. überarbeitete und erweiterte Auflage Vogel Buchverlag 4 Prof. Dipl.-Ing. Fritz Ddietzel Jahrgang 1908, studierte Maschinenbau an den Technischen Hochschulen München und Darmstadt; mehrjährige Industrietätigkeit als Prüfstands- und Betriebsingenieur. Er war Dozent am Polytechnikum Friedberg/Hessen und an der Fachhochschule Darmstadt. Prof. Dietzel starb 1992. Dipl.-Ing. Walter Wagner Jahrgang 1941, absolvierte nach einer Lehre als Technischer Zeichner ein Maschinenbaustudium und war 1964 bis 1968 Anlagenplaner im Atomreaktorbau; nach einer Ausbildung zum Schweiß-Fachingenieur war er ab 1968 Technischer Leiter im Apparatebau, Kesselbau und in der Wärmetechnik. 1974 bis 1997 bekam Walter Wagner einen Lehrauftrag an der Fachhochschule Heilbronn, von 1982 bis 1984 zusätzlich an der Fachhochschule Mannheim und von 1987 bis 1989 an der Berufsakademie Mosbach. Im Zeitraum 1988 bis 1995 war er Geschäftsführer der Hoch-Temperatur-Technik Vertriebsbüro Süd GmbH. Seit 1992 ist er Leiter der Beratung und Seminare für Anlagentechnik: WTS Wagner-Technik-Service. Walter Wagner ist außerdem Obmann verschiedener DIN-Normen und öffentlich bestellter, vereidigter Sachverständiger für Wärmeträgertechnik, Thermischer Apparatebau und Rohrleitungstechnik. Dipl.-Ing. Walter Wagner ist Autor folgender Vogel Fachbücher der Kamprath-Reihe: Festigkeitsberechnungen im Apparate- und Rohrleitungsbau Kreiselpumpen und Kreiselpumpenanlagen Lufttechnische Anlagen Planung im Anlagenbau Regel- und Sicherheitsarmaturen Rohrleitungstechnik Strömung und Druckverlust Wärmeaustauscher Wärmeträgertechnik Wärmeübertragung Wasser und Wasserdampf im Anlagenbau Weitere Informationen: www.vogel-buchverlag.de http:/twitter.com/ www.facebook.com/vogel.buchverlag www.vogel-buchverlag.de/rss/buch.rss ISBN 978-3-8343-3276-9 10. Auflage. 2013 Alle Rechte, auch der Übersetzung, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf in irgendeiner Form (Druck, Fotokopie, Mikrofilm oder einem anderen Verfahren) ohne schriftliche Genehmigung des Verlages reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. Hiervon sind die in §§ 53, 54 UrhG ausdrücklich genannten Ausnahmefälle nicht berührt. Printed in Germany Copyright 1976 by Vogel Business Media GmbH & Co. KG, Würzburg Dietzel/Wagner: Technische Wärmelehre Hemming/Wagner: Verfahrenstechnik Zur Themenreihe gehören ebenfalls aus dem Vogel Buchverlag: H. J. Bullack: (CD-ROM) Berechnung von Druckbehälter-Bauteilen Berechnung von Sicherheitseinrichtungen Berechnung von Kunststoffbehältern Pipe Elements/Rohrleitungsbauteile Vorwort Die «Technische Wärmelehre» wird hier anschaulich, konzentriert und leicht verständlich dargestellt. Alle ersten Grundlagen sind zügig mit Beispielrechnungen behandelt und schließen mit Rober Mayer und den cu- bzw. cp-Werten ab. Die Zustandsänderungen (ZÄ) der Gase, dargestellt in ihren p-u- und T-s-Diagrammen führen zu den «Kreisprozessen». Mit der Beschreibung eines solchen Prozessablaufes wird über die qzu- und qab-Werte der Wirkungsgrad hth erklärt, die hi-, hm-, he-Werte werden angesprochen. Eine Bilanz zeigt, dass ein 2. Hauptsatz der Wärmelehre besteht. Der Carnotprozess behält richtungsweisende Bedeutung; Clausius erklärt mit dem Entropiebegriff das Wärmeverhalten und zeigt, wie durch Aufwand von Arbeit, Wärme in Kälte umgewandelt werden kann. Die Kreisprozesse mit Maschinen werden noch mit dem Ablauf hintereinander folgender ideeller Zustandsänderungen im p-u- und T-s-Diagramm behandelt, auf die Bedingungen für das Erreichen eines guten Wirkungsgrades wird hingewiesen. Als Folge von Wärmeabfuhr nach außen, Strömungsreibung in der Maschine, Drosselungen, verbunden mit den Gefälleverlusten, entstehen in der wirklichen Maschine Verluste, die zum he-Wert an der Kupplung führen. Hierbei unterscheiden sich Kolben- und Strömungsmaschinen. Die Kolbenmaschine ist in etwa bekannt. Die Wirkungsweise der Strömungsmaschine wird mit Skizzen der Schaufelpläne erklärt. Die he-Werte beider Maschinentypen hängen jeweils von der Leistung, Drehzahl, von den Gas- und Dampfzuständen und vom Einsatzbereich ab. Sie lassen sich nicht einfach festlegen – und wenn, dann im Lehrstoffgebiet Konstruktion, Berechnung, Laborversuche, zu dem die «Technische Wärmelehre» Grundlagen gibt. Da in der Wärmetechnik größtenteils die benötigte Wärme durch Verbrennung entsteht, ist ab der 10. Auflage Kapitel 6 hinzugekommen. Hier werden auch, um Temperaturen und Rauchgaszusammensetzung bestimmen zu können, entsprechende Gleichungen angegeben. Mit den Grundlagen der Wärmeübertragung im neuen Kapitel 7 erfährt das Thema eine weitere Vertiefung. Dem Vogel Buchverlag Würzburg danken wir für die immer gute Zusammenarbeit. Resonanz zum Buch ist stets willkommen, weil ein lebendiger Wissensaustausch Forschungs- und Lehrbetrieb immer wieder motivieren und inspirieren kann. Den schnellsten Kontakt erfüllt eine E-Mail: [email protected] Darmstadt St. Leon-Rot Fritz Dietzel Walter Wagner Inhaltsverzeichnis Vorwort ..................................................................................................................................................................... 5 Formelzeichen und Einheiten .............................................................................................................................. 11 Einleitung ................................................................................................................................................................. 13 1 Physikalisch-wärmetechnische Grundlagen ............................................................................................... 1.1 Wärmedehnung fester, flüssiger, gasförmiger Stoffe ............................................................................ 1.1.1 Wärmedehnung fester Stoffe ......................................................................................................... 1.1.2 Wärmeausdehnung bei Flüssigkeiten .......................................................................................... 1.1.3 Wärmeausdehnung der Gase ........................................................................................................ 1.2 Zustandsgrößen der Gase .......................................................................................................................... 1.2.1 Volumen V, spez. Volumen u, Dichte ρ ....................................................................................... 1.2.2 Druck und Druckmessung ............................................................................................................. 1.2.3 Temperatur, Temperaturmessung ................................................................................................ 1.3 Spezifische Wärmekapazität, Anwendungen ........................................................................................ 1.3.1 Wahre und mittlere spez. Wärmekapazität ................................................................................. 1.3.2 Spezifische Wärmekapazitäten von festen, flüssigen und gasförmigen Stoffen ................... 1.3.3 Anwendung: Mischungstemperatur ............................................................................................ 1.3.4 Schmelzen und Verdampfen ......................................................................................................... 1.4 Gasgesetze; Zustandsgleichung der Gase ............................................................................................... 1.4.1 Gasgesetz von Boyle-Mariotte .................................................................................................... 1.4.2 Gasgesetz von Gay-Lussac ............................................................................................................ 1.4.3 Allgemeine Zustandsgleichung der Gase .................................................................................... 1.4.4 Avogadro-Konstante, Masse-Begriff Mol, (molare Masse M) Molvolumen VMn, universelle Gaskonstante R ............................................................................................................ 1.5 Wärme und Arbeit ...................................................................................................................................... 1.5.1 1. Hauptsatz der Wärmelehre ........................................................................................................ 1.5.2 Mechanische und elektrische Energie wird in Wärmeenergie umgewandelt ....................... 1.5.3 Gase und Dämpfe; Umwandlung von Wärme in Arbeit .......................................................... 1.5.4 Raumänderungsarbeit Wr, Innere Energie U, Wärme Q ........................................................... 1.5.5 Technische Arbeit Wt , Robert Mayer, Enthalpie H .......................................................................... 1.5.6 Spez. Wärmekapazitäten cp , cu Molwärmen Cmp, Cmu ; k = cp/cu .............................................. 15 15 15 17 17 18 18 19 23 26 27 28 28 29 31 31 32 33 36 38 38 39 41 43 48 54 2 Zustandsänderungen der Gase und ihre Darstellung im p-u- und T-s-Diagramm ............................. 2.1 Isochore ZÄ (gleichbleibendes Volumen), Isovolume .......................................................................... 2.2 Isobare ZÄ (gleichbleibender Druck) ...................................................................................................... 2.3 Isotherme ZÄ (gleichbleibende Temperatur) ......................................................................................... 2.4 Adiabate (isentrope) ZÄ (ohne Wärmeeinwirkung) ............................................................................. 2.5 Polytropische ZÄ ........................................................................................................................................ 2.6 Entropie und das T-s-Diagramm (Wärmediagramm) ........................................................................... 2.6.1 Entropie-Diagramme, allgemeine Grundlage ............................................................................. 2.7 T-s-Diagramme der besprochenen ZÄ ................................................................................................................ 2.7.1 Isochore (u = konst.) im T-s-Diagramm ........................................................................................ 2.7.2 Isobare (p = konst.) im T-s-Diagramm .......................................................................................... 2.7.3 Isotherme (T = konst.) im T-s-Diagramm ..................................................................................... 2.7.4 Isentrope (adiabatische) ZÄ im T-s-Diagramm .......................................................................... 2.7.5 Polytropische ZÄ im T-s-Diagramm ............................................................................................ 2.8 T-s-Diagramm für Luft ............................................................................................................................... 2.8.1 Zusammenfassung zu einem T-s-Diagramm für Luft (Bild 2.26) ............................................ 2.8.2 Beispiele zur Anwendung des T-s-Diagramms (Bild 2.28) ....................................................... 59 59 61 63 65 68 72 73 75 75 76 77 77 78 80 82 85 8 Inhaltsverzeichnis 3 Kreisprozesse mit Maschinen ........................................................................................................................ 3.1 Kreisprozess mit einer Brennkraft-Kolbenmaschine; Beispiel ....................................................................... 3.2 Vom 1. zum 2. Hauptsatz der Wärmelehre ............................................................................................ 3.2.1 2. Hauptsatz der Wärmelehre und der Carnotprozess .............................................................. 3.3 Abwärme und Frischwärme beim Kreisprozess; Bedeutung des Carnotprozesses; Kälteprozess .... 3.4 Ausgeführte Kraftmaschinen-Kreisprozesse ........................................................................................ 3.4.1 Ottoprozess für den Benzin-Kolbenmotor ................................................................................... 3.4.2 Dieselprozess im p-u- und T-s-Diagramm ................................................................................... 3.4.3 Seiligerprozess ................................................................................................................................. 3.4.4 «Einfacher offener» Gasturbinen-Kreisprozess (Jouleprozess) ................................................ 3.5 Ausgeführte Arbeitsmaschinenprozesse ................................................................................................ 3.5.1 Kolbenverdichter ............................................................................................................................. 3.5.2 Mehrstufige Verdichtung ............................................................................................................... 3.5.3 Kolbenverdichter im T-s-Diagramm ............................................................................................ 3.6 Linkslaufender Carnotprozess, Kältemaschine, Wärmepumpe ............................................................ 3.6.1 Linkslaufender Carnotprozess, Leistungsziffer e ....................................................................... 3.6.2 Kältemaschinenprozess .................................................................................................................. 3.6.3 Wärmepumpe .................................................................................................................................. 3.7 Wirkliche Maschinen. Verluste, die über hth zu he führen. Kolben- und Strömungsmaschinen .... 3.7.1 Umkehrbare und nicht umkehrbare (reversible und irreversible) Vorgänge ........................ 3.7.2 Verluste durch Reibung, Wärmeleitung, Drosselung ............................................................... 3.7.3 Zusätzliche Verluste bei der Energieumwandlung in Kolben- und Strömungsmaschinen .... 3.7.4 Kolbenmaschinen ............................................................................................................................ 3.7.5 Strömungsmaschinen ..................................................................................................................... 87 87 90 92 94 96 96 99 101 102 107 108 111 115 117 117 119 122 123 123 124 125 126 129 4 Wasserdampf ..................................................................................................................................................... 4.1 Zustandsgrößen p, t, u – von Wasser bis Heißdampf ................................................................ 4.2 h-p-Diagramm von Wasser bis Heißdampf ................................................................................. 4.3 T-s- und h-s-Diagramm von Wasserdampf ............................................................................................. 4.4 ZÄ des Wasserdampfes; Beispiele ........................................................................................................... 4.4.1 Isovolume (Isochore) ZÄ ................................................................................................................ 4.4.2 Isobare ZÄ ........................................................................................................................................ 4.4.3 Isothermische ZÄ ............................................................................................................................ 4.4.4 Isentrope und polytrope ZÄ; Zwischenüberhitzung ................................................................. 4.4.5 Drosselung ........................................................................................................................................ 4.5 Clausius-Rankine-Dampfkraftprozess .................................................................................................... 4.5.1 Darstellung im T-s- und im h-s-Diagramm ................................................................................. 4.5.2 Vorteile des Hochdruck-Hochtemperatur-Kreisprozesses ....................................................... 4.5.3 Dampfkraftprozess im Kernkraftwerk ......................................................................................... 4.6 Dampfturbinen, Dampfkraftprozess, Kopplung von Kraft und Wärme ........................................... 135 136 139 142 146 146 147 149 149 153 154 154 157 157 161 5 Wirkungsgradverbesserungen durch Kreislaufkombinationen ............................................................. 5.1 Vergleich verschiedener Prozesse ............................................................................................................ 5.1.1 Gasturbinenprozess (Jouleprozess) .............................................................................................. 5.1.2 Dampfturbinenprozess (Rankineprozess) ................................................................................... 5.2 Gas- u. Dampfturbinenprozess (GuD-Prozess) (Kombination von Joule- und Rankineprozess) .... 5.3 Joule-Ericsson-Rankineprozess ................................................................................................................. 5.4 2-fach-Dampfprozess (2-fach-Rankineprozess) ..................................................................................... 5.5 Organic-Rankine-Prozess (ORC-Prozess) ............................................................................................... 165 165 165 166 167 170 173 173 6 Verbrennung ...................................................................................................................................................... 6.1 Verbrennungsreaktionen ........................................................................................................................... 6.2 Feste Brennstoffe und Heizöl .................................................................................................................... 6.2.1 Brennwert und Heizwert ............................................................................................................... 6.2.2 Sauerstoffbedarf bzw. Luftbedarf für die Brennstoffoxidation ................................................ 6.2.3 Verbrennungsgasprodukte ............................................................................................................ 6.3 Brenngase ..................................................................................................................................................... 177 177 179 179 179 182 183 Inhaltsverzeichnis 9 6.3.1 Heizwert bei Gasen ......................................................................................................................... 6.3.2 Verbrennung von Brenngasen ....................................................................................................... 6.3.3 Verbrennungsluftgehalte- und Rauchgasgehalte eines Brenngases ........................................ 6.4 Rauchgasdaten ............................................................................................................................................ 6.4.1 Partialdruck bzw. Volumenanteile von Rauchgaskomponenten ............................................ 6.4.2 Stoffdaten von Rauchgasen ........................................................................................................... 6.5 Verbrennungstemperatur .......................................................................................................................... 183 184 185 185 185 186 186 7 Grundlagen der Wärmeübertragung ............................................................................................................ 7.1 Wärmeleitung .............................................................................................................................................. 7.2 Konvektion .................................................................................................................................................. 7.3 Wärmestrahlung ......................................................................................................................................... 7.4 Strahlungsaustausch .................................................................................................................................. 7.5 Wärmedurchgang ....................................................................................................................................... 7.6 Wärmetauscher ........................................................................................................................................... 7.6.1 Basisgleichung ................................................................................................................................. 7.6.2 Nachrechnung der Austrittstemperaturen bei vorhandenem Wärmetauscher ..................... 7.6.3 Wärmetauscher Wirkungsgrad hWT ............................................................................................. 193 193 194 197 198 199 120 120 202 202 Anhang ..................................................................................................................................................................... Tabelle A1 Umrechnung für Druckeinheiten ............................................................................................... Tabelle A2 am|tts Werte metallischer Werkstoffe in K–1 ............................................................................... Tabelle A3 Mittlere spez. Wärmekapazität cm metallischer Werkstoffe in kJ/kg K zwischen 0 °C und t °C .............................................................................................. Tabelle A4 Spez. Wärmekapazität von Flüssigkeiten bei Raumtemperatur ........................................... Tabelle A5 Schmelztemperatur und -wärme, Siedetemperatur und Verdampfungsenthalpie für einige feste Körper und Flüssigkeiten. Die Werte bei Flüssigkeiten gelten unter 1 bar Druck .............................................................................................................. Tabelle A6 Siedetemperatur und Verdampfungsenthalpie von Wasser, abhängig vom Druck .......... Tabelle A7 Einige Stoffwerte von Gasen ....................................................................................................... Tabelle A8 Realgasfaktor Z = p · u/Ri · T für Luft ......................................................................................... Tabelle A9a Beziehungen zwischen mechanischer, thermischer, elektrischer Arbeit ............................. Tabelle A9b Beziehungen mechanischer, thermischer, elektrischer Leistung ........................................... Tabelle A10 cpm-Werte für Gase in kJ/kg K = cpm 0t °C ................................................................................. Tabelle A11 Polytrope ZÄ von Gasen ............................................................................................................. Tabelle A12a Wasserdampftafel, Sättigungszustand (Drucktafel) ............................................................... Tabelle A12b Wasserdampftafel, überhitzter Dampf ...................................................................................... 205 205 205 0 205 205 205 206 206 206 207 207 207 208 208 209 Zusammenfassung der wichtigsten Gleichungen ........................................................................................... 213 Literaturverzeichnis ............................................................................................................................................... 217 Stichwortverzeichnis ............................................................................................................................................. 219 Formelzeichen und Einheiten Die nachfolgenden wichtigsten Zeichen werden nach Möglichkeit grundsätzlich angewendet, wobei Abweichungen von diesen Formelzeichen jeweils bei den entsprechenden Gleichungen oder Bildern genannt sind. Nach Möglichkeit wurde versucht, die in den technischen Regelwerken bereits eingeführten Zeichen zu verwenden. Formelzeichen SI-Einheit Bedeutung a A c cp cu Cm Cmp Cmu D E F FG g G h H m m· m/s2 Beschleunigung, allg. Fläche, Strömungsquerschnitt spezifische Wärmekapazität c = C/m spezifische Wärmekapazität bei konstantem Druck spezifische Wärmekapazität bei konstantem Volumen molare Wärmekapazität molare Wärmekapazität bei konstantem Druck molare Wärmekapazität bei konstantem Volumen Durchmesser Energie Kraft, Umfangskraft Gewichtskraft örtliche Fallbeschleunigung Gewichtskraft spezifische Enthalpie Enthalpie Masse Massenstrom, Massendurchsatz stoffmengenbezogene molare Masse Index für Normalzustand p = 1,0132 bar, t = 0 °C Polytropenexponent Drehzahl, Umdrehungsfrequenz Druck (Tafel im Anhang) absoluter Druck umgebender Atmosphärendruck (Abschnitt 1.2.2) atm. Druckdifferenz, Überdruck (pe = pabs – pamb) Leistung spezifische Wärmemenge Wärme, Wärmemenge Wärmestrom universelle Gaskonstante individuelle Gaskonstante spezifische Entropie Entropie Celsius-Temperatur; t = T — T0; J als Ausweichzeichen, wenn Zusammentreffen mit t für die Zeit Temperatur, thermodynamische Temperatur = Dt = DJ, Temperaturdifferenz Dt auch in °C Geschwindigkeit, Umfangsgeschwindigkeit spezifische Innere Energie Innere Energie spezifisches Volumen; u = V/m Volumen stoffbezogenes (molares) Volumen s.o, aber Normvolumen spezifische Raumänderungsarbeit Raumänderungsarbeit spezifische technische Arbeit M n n n p pabs pamb pe P q Q Q· R Ri s S t, J m2, cm2 J/(kg · K) J/(kg · K) J/(kg · K) J/(kmol · K) J/(kmol · K) J/(kmol · K) m, mm J N N m/s2 N J/kg J kg kg/s kg/kmol – 1 s–1; min–1 Pa; N/m2 Pa; N/m2 Pa; N/m2 Pa; N/m2 W J/kg J W J/(kmol · K) J/(kg · K) J/(kg · K) J/K °C T, Q DT u u U u V VM VMn wr Wr wt K K m/s J/kg J m3/kg m3 m3/kmol m3/kmol J/kg J J/kg 12 Formelzeichen und Einheiten Formelzeichen SI-Einheit Bedeutung Wt x y z a, a1 a u, g gQs e h k l p r J 1 J/kg – K–1 K–1 K–1 1 1 1 – 1 kg/m3 s j z Y N/mm2 1 1 1 technische Arbeit Dampfgehalt im Nassdampf, kg/kg spezifische Energie, spezifische Arbeit Stufenzahl bei mehrstufiger Maschine (thermischer) Längenausdehnungskoeffizient (thermischer) Volumenausdehnungskoeffizient Raumausdehnungskoeffizient von Quecksilber Dehnung, Verdichtungsverhältnis, Leistungszahl (Kälteprozess) Wirkungsgrad, Nutzen/Aufwand Isentropenexponent = cp/cu Liefergrad (Verdichter) Verdichtungsverhältnis (p 2 /p 1 ); Gasturbine Dichte, volumenbezogene Masse r = m/V; r = M/22,4 bei 0 °C/1,013 … bar Spannung Volldruck- oder Einspritzverhältnis (Dieselprozess) Drucksteigerungsbeiwert (Seiligerprozess) Einspritzverhältnis (Seiligerprozess) 1Einleitung Die «Technische Wärmelehre» geht aus von realen Grundlagen der allgemeinen Experimentalphysik. Die Größen Volumen, Druck, Temperatur sind für die Anwendung im technischen Bereich festgelegt. Darüber kommt man zur Zustandsgleichung der Gase. Durchgerechnete Beispiele führen zu weitergehenden Begriffen und über das Mol zu den beiden Gaskonstanten. Der «1. Hauptsatz der Wärmelehre» bestätigt die Gleichheit von Wärme, Arbeit und elektrischer Energie. Daraus erhält man die Begriffe «Raumänderungsarbeit», «Innere Energie» und «Technische Arbeit», Enthalpie. Sie kommen aus den Erkenntnissen von Robert Mayer, werden gestützt von den spez. Wärmekapazitäten cu und cp der Gase. Mit Beispielen, Hervorhebungen, Diagrammen kommt man über die Zustandsänderungen der Gase zur Darstellung der «Arbeit» und mit Hilfe des Entropiebegriffes zu der beim Arbeitsvorgang mitwirkenden «Wärme». Der nächste Hauptabschnitt behandelt bereits einen verlustlos arbeitenden Kreisprozess, mit dem über Maschinen fortlaufend Wärmeenergie in Arbeit umgewandelt werden soll. Ein Blick auf das Indikatordiagramm eines «wirklichen» Prozesses führt zur Erörterung der Wirkungsgradfrage. Anschließend wird der Carnotprozess, wenn auch als praktisch nicht durchführbarer Idealprozess, behandelt. Danach folgt der «2. Hauptsatz der Wärmelehre» von Clausius mit dem Hinweis auf den unvermeidlichen Abwärmeverlust bei Maschinenprozessen. Der Enthalpiebegriff wird erweitert, die Temperatur als wichtiges Kennzeichen für den Wärmewert bestätigt, auf die Möglichkeit, Kälte aus Arbeit zu gewinnen, hingewiesen. Die «Kreisprozesse» der Otto- und Dieselmotoren, der Gasturbinenprozess, der ein- und mehrstufige Verdichterprozess, Kältemaschine und Wärmepumpe sind mit Zahlenwerten der praktischen Anwendung als verlustlose, ideelle Grundlagenprozesse durchgerechnet und dargestellt. Seit der 6. Auflage folgt ein Abschnitt, der erklärt, wie man bei den hohen Drücken und Temperaturen, die angewendet werden müssen, zur Berechnung der bisher noch nicht weiter angesprochenen «Verluste» kommt. Sie entstehen aus Vorgängen der Wärmeleitung, Reibung, Drosselung und bewirken, dass die Maschinenwirkungsgrade vom hth-Wert aus bis zum he-Wert an der Kupplung abfallen. Bis dahin ist hiervon nicht viel die Rede gewesen, um den Fortschritt der grundlegenden wichtigen Erklärungen nicht aufzuhalten oder zu stören. Die Prozesse können sowohl mit Kolben- als auch mit Strömungsmaschinen durchgeführt werden. Je nach den Voraussetzungen – wie Leistung und Arbeitsmitteldurchsatz, Drehzahlen, Drücke und Temperaturen, Durchführbarkeit – muss entschieden werden, welche Bauart die besseren Möglichkeiten und den besseren Wirkungsgrad bringt und eingesetzt werden soll. Diese Fragen zu klären, ist nicht mehr Aufgabe der Technischen Wärmelehre. Um aber die Unterschiede in Aufbau, Wirkungsweise, Verlustquellen deutlich zeigen zu können, sind beide Bauarten an je einem typischen Beispiel und kurzen weiteren Hinweisen zur Einführung in dieses Gebiet besprochen. Der «Wasserdampf» wird wie bisher von den Grundlagen bis zur Anwendung ausführlich behandelt. Die bekannten, für viele Berechnungen wichtigen Diagramme und Dampftafeln sind geblieben. Auch hier ist ein kurzer Abschnitt mit einem Ausschnitt aus dem h-s-Diagramm, ein Hinweis auf Wirkungsgrade der Dampfturbinen und Einsatzbereiche des Wasserdampfes bei der Versorgung mit Strom und Wärme angefügt. Schließlich ist der stark in Anwendung und Ausbau begriffene GuD-Prozess (Gas- und Dampfprozess) in großen Zügen besprochen. Die Gasturbine mit Leistungen um 150 MW verarbeitet heute Spitzentemperaturen bis 1100 °C; Abgastemperaturen um 600 °C ermöglichen die Nachschaltung eines Dampfturbinen-Kondensationsprozesses mit 80 bar, 500…540 °C Frischdampfzustand. Dabei werden erstmalig effektive Kupplungswirkungsgrade von he über 50% erreicht. 1 Physikalisch-wärmetechnische Grundlagen Zunächst werden einige wichtige, aus der Physik schon bekannte Grundlagen und Begriffe besprochen, wobei die Frage ihrer Anwendung auf technische Probleme im Vordergrund steht. 1.1 Wärmedehnung fester, flüssiger, gasförmiger Stoffe Mit steigender Temperatur nimmt die Längen- und Volumenvergrößerung der Stoffe zu. Ausnahme: Wasser hat bei +4 °C sein kleinstes Volumen. Sowohl bei Abkühlung als auch bei Erwärmung von 4 °C aus nimmt sein Volumen zu. Bei den Gasen muss außerdem bezüglich ihrer Wärmeausdehnung gesagt werden, dass ihr Volumen mit der Erwärmung nur dann zunimmt, wenn es sich gleichzeitig frei ausdehnen kann; bei einer Erwärmung in geschlossenem Raum steigt mit der Temperatur auch der Druck des Gases. 1.1.1 Dann wird die Längenausdehnung: Dl = l2 – l1 = am t2 t1 · l1 · (t2 – t1) mit: l2 Länge nach Erwärmung auf t2 l1 Länge vor Erwärmung bei t1 Einige mittlere Ausdehnungskoeffizienten am tt sind im Anhang in Tabelle A2 zu finden. Den temperaturabhängigen Verlauf von aWerten zeigt Bild 1.1. 0 Wärmedehnung fester Stoffe Eine Längenänderung Dl = l2 – l1 hängt verhältnisgleich von der Temperaturänderung ab. Sie ist für die Stoffe verschieden, was durch den Längenausdehnungskoeffizient α erfasst wird; dieser ist temperaturabhängig, weswegen ggf. ein Mittelwert αm eingesetzt werden muss aus: t2 αm t = 1 t2 t2 α m t ⋅ t2 − α m t ⋅ t1 0 t2 − t1 0 mit: tn 0 °C; allg. verabredete Bezugstemperatur t1 Temperatur des Stoffes zu Beginn der Erwärmung t2 Temperatur, auf die der Stoff erwärmt wird Bild 1.1 Linearer Längenausdehnungskoeffizient, abhängig von der Temperatur Beispiel 1.1 Eine Brücke aus Stahl, l = 300 m, unterliegt Temperaturen zwischen 35 °C und –15 °C. Eines der Auflager muss Spiel für die Aufnahme der Längenunterschiede möglich machen. Wie groß ist die maximale Längenänderung?
