Technische Thermodynamik
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Technische Thermodynamik Einführung und Anwendung von Erich Hahne 3., überarbeitete Auflage Oldenbourg Verlag München Wien Inhaltsverzeichnis Vorwort 15 Vorwort zur 2. Auflage Formelzeichen 17 19 I 1.1 1.2 1.3 3.1 3.2 3.3 3.4 1.4 4.1 4.2 4.3 1.5 5.1 5.2 5.3 1.6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 Grundbegriffe 25 Energie 26 Thermodynamische Systeme 27 Thermodynamischer Zustand 30 Zustandsgrößen einfacher Systeme 30 Intensive und extensive Zustandsgrößen 30 Spezifische und molare Zustandsgrößen 32 Thermische und kalorische Zustandsgrößen 34 Zustandsgieichungen 35 Festlegung des thermodynamischen Zustands 35 Thermische Zustandsgieichung 36 Kalorische Zustandsgieichungen 36 Zustandsänderungen 37 Quasistatische und nichtstatische Zustandsänderungen ... 37 Reversible und irreversible Zustandsänderungen 40 Thermodynamischer Prozeß und Kreisprozeß 42 Temperatur 44 Gesetzliche Festlegung 44 Thermisches Gleichgewicht 46 Nullter Hauptsatz 46 Die Zustandsgröße Temperatur -d 47 Temperaturskalen 48 Thermometer 51 Inhaltsverzeichnis 6.6.1 6.6.2 6.6.3 6.6.4 1.7 1.8 1.9 9.1 9.2 9.3 9.4 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 15.1 15.2 1.16 1.17 17.1 17.2 17.3 17.4 1.18 18.1 18.2 18.3 II II. 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 Flüssigkeitsthermometer Thermoelemente Widerstandsthermometer Strahlungsthermometer Thermodynamisches Gleichgewicht Wärme Arbeit Volumenarbeit Verschiebearbeit Mechanische Arbeit Technische Arbeit Dissipationsenergie Innere Energie, Gesamtenergie eines Systems Enthalpie Entropie Exergie, Anergie Idealisierungen Reversible Zustandsänderungen Ideales Gas Erfahrungssätze Diagramme Aufbau der Diagramme Darstellung bei reversiblen und irreversiblen Zustandsänderungen Volumenarbeit im p, u-Diagramm Darstellung von Kreisprozessen im p, v-Diagramm Mathematische Beziehungen Unterschied zwischen Zustandsgrößen und Prozeßgrößen. Das vollständige Differential Integrierender Faktor Der 1. Hauptsatz Der 1. Hauptsatz für geschlossene Systeme Gleichwertigkeit von Wärme und Arbeit Innere Energie Mathematische Form des 1. Hauptsatzes für geschlossene Systeme Der 1. Hauptsatz für Kreisprozesse Formulierungen und Folgerungen Bewegtes geschlossenes System Enthalpie 51 52 55 56 56 57 60 62 63 64 64 65 66 67 67 68 68 68 69 69 70 70 71 72 75 77 .77 80 83 87 87 87 89 90 91 93 95 96 Inhaltsverzeichnis II. 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 II. 3 3.1 3.2 II. 4 4.1 4.2 II. 5 5.1 5.1.1 5.1.2 5.2 5.3 III III. 1 III. 2 III. 3 3.1 3.2 III. 4 III. 5 III. 6 III. 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 III. 8 8.1 8.2 III. 9 9.1 9.2 Der 1. Hauptsatz für offene Systeme Stationäre Strömung; instationäre Strömung Technische Arbeit, Leistung Modell und Energiebilanz für das offene System Math. Form des 1. Hauptsatzes für offene Systeme Technische Arbeit im p, D-Diagramm Thermischer Wirkungsgrad und Leistungszahl Thermischer Wirkungsgrad von Wärmekraftprozessen . . . . Leistungszahl für Kälte- und Wärmepumpenprozesse Wärmekapazität Spezifische Wärmekapazität, molare Wärmekapazität Mittlere Wärmekapazität Zusammenstellung der mathematischen Formen des 1. Hauptsatzes Geschlossenes System Ruhendes geschlossenes System Bewegtes geschlossenes System Offenes System, stationäre Durchströmung Kreisprozeß 98 99 100 101 104 105 107 107 108 109 109 111 Ideale Gase Thermische Zustandsgieichung idealer Gase Kalorische Zustandsgieichung idealer Gase Theoretische Bestimmung von Zustandsgrößen Kinetische Gastheorie Molare innere Energie und molare Wärmekapazität Entropie idealer Gase Das T, s-Diagramm Kriterien und Beziehungen für das ideale Gas Einfache Zustandsänderungen idealer Gase Isochore Zustandsänderung Isobare Zustandsänderung Isotherme Zustandsänderung Adiabate Zustandsänderung Polytrope Zustandsänderung Zustandsänderungen bei instationären Vorgängen Füllen eines Behälters mit idealem Gas Ausströmen eines idealen Gases aus einem Behälter Der Carnot-Prozeß für ideale Gase Der rechtsgängige Prozeß: Wärmekraftprozeß Der linksgängige Prozeß: Kälteprozeß bzw. Wärmepumpenprozeß 119 119 123 125 125 127 129 130 133 135 136 137 139 140 143 147 147 149 152 152 114 114 114 114 115 115 156 8 Inhaltsverzeichnis IV IV. 1 IV. 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Der 2. Hauptsatz Formulierungen des 2. Hauptsatzes Folgesätze des 2. Hauptsatzes Erster Folgesatz Zweiter und Dritter Folgesatz Vierter Folgesatz Fünfter Folgesatz Sechster Folgesatz 165 165 167 167 168 170 171 173 IV.3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 Die Entropie Definition der Entropie Hauptgleichung der Thermodynamik Allgemeine thermodynamische Beziehungen Anwendungen der thermodynamischen Beziehungen Spezifische Wärmekapazität Kompressibilität, Ausdehnungskoeffizient, Spannungskoeffizient Drosselkoeffizienten Bestimmung der Entropie Nachweis für (du/dv)r — 0 bei idealen Gasen Entropiezunahme bei irreversiblen Prozessen Strömung mit Reibung Drosselung Vermischung und Diffusion Überströmversuch von Joule Wärmeübertragung 175 175 178 178 181 181 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.5 3.5.1 3.5.2 3.5.3 3.5.4 3.5.5 IV. 4 IV.5 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3 5.4 5.5 5.5.1 5.6 Wirkungsgrade von arbeitsabgebenden und arbeitsaufnehmenden Maschinen Die Exergie Exergie der Wärme bei T = const Exergie geschlossener Systeme Isochore Zustandsänderung, v = const Isobare Zustandsänderung, p = const Exergie für Reaktionen mit gleicher Anfangsund Endtemperatur Exergie offener stationärer Systeme Exergieverlust bei irreversiblen Prozessen Exergetischer Wirkungsgrad Exergetischer Wirkungsgrad von Wärmeübertragern Exergie-Anergie-Flußbilder 182 185 187 188 190 190 195 197 199 199 200 202 206 207 209 211 212 213 215 217 218 221 Inhaltsverzeichnis V V.l V. 2 2.1 2.2 2.3 V. 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 V.4 V. 5 5.1 5.2 5.3 5.4 V.6 V. 7 7.1 7.1.1 7.1.2 7.2 7.2.1 7.2.2 7.2.3 V.8 8.1 8.2 VI VI. 1 VI.2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 Mehrphasige Systeme Grundlagen Zustandsgrößen im Zweiphasengebiet Dampfgehalt Spezifisches Volumen Spezifische innere Energie, Enthalpie und Entropie Diagramme im Zweiphasengebiet Temperatur, Volumen-Diagramm; T, «-Diagramm Druck, Volumen-Diagramm; p, v- Diagramm Druck, Temperatur-Diagramm; p, T-Diagramm Zustandsfläche im p, v, T-Raum Temperatur, Entropie-Diagramm; T, s-Diagramm Enthalpie, Entropie-Diagramm; h, s-Diagramm Druck, Enthalpie-Diagramm; logp, /i-Diagramm Zustandsgieichungen und Zahlentafeln Einfache Zustandsänderungen im Zweiphasengebiet Isobare, isotherme Zustandsänderung Isochore Zustandsänderung Adiabate Zustandsänderung Isenthalpe Zustandsänderung (irreversibel adiabat) Die Clausius-Clapeyron-Gleichung Kreisprozesse mit Dämpfen Dampfkraftprozesse (Rechtsgängige Prozesse) Der Carnot-Prozeß Der Clausius-Rankine-Prozeß Kaltdampfprozesse (Linksgängige Prozesse) Linksgängiger Carnot-Prozeß Der Kaltdampfprozeß als Kälteprozeß Der Wärmepumpenprozeß Dreiphasengebiet Zustandsdiagramme Die Clausius-Clapeyron Gleichung Gemische von Gasen Zusammensetzung, Konzentration Gemische idealer Gase Zustandsgieichung, Gaskonstante Innere Energie, Enthalpie, Wärmekapazitäten Entropie Exergie Zusammenstellung der Konzentrationsmaße; Zusammenstellung von Größen 233 233 236 237 237 238 239 239 240 241 242 242 243 244 245 248 248 249 250 251 251 252 253 255 257 260 261 262 264 267 267 269 277 277 280 280 281 283 284 284 10 Inhaltsverzeichnis VI. 3 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.3 3.3.1 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.4.4 3.4.5 3.4.6 VI. 4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.2 Luft-Wasserdampf-Gemische (Feuchte Luft) Konzentrationsmaße Zustandsgrößen Dichte des Gemisches Enthalpie des Gemisches Das h, x-Diagramm Konstruktion des h, x-Diagramms Anwendungen des h, x-Diagrammes Erwärmung und Kühlung bei konstantem Dampfgehalt (x = const.) Trocknung feuchter Luft (x ^ const.) Adiabate Vermischung zweier feuchter Luftströme Zugabe von Flüssigkeit oder Dampf Adiabate Kühlung (Naßkühlung) Das Psychrometer-Prinzip Binäre zweiphasige Systeme (ZweistoffZweiphasen-Gemisch) Darstellung des Siedens und Kondensierens im Phasendiagramm Das T, x-Diagramm Das p, x-Diagramm Gemische mit azeotropem Punkt Das Enthalpie-, Konzentrations-Diagramm (h,w) 286 286 290 290 291 293 294 297 297 298 300 302 304 306 309 309 309 312 313 314 VII Vergleichsprozesse mit idealem Gas 321 VII. 1 1.1 1.2 Allgemeines Arbeit, Leistung, Mitteldruck Arbeitsmitteldurchsatz 321 322 324 VII. 2 2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 Rechtsgängige Prozesse Wirkungsgrade Carnot-Prozeß Vergleichsprozesse für Otto-Motor und Diesel-Motor Annahmen für den Vergleichsprozeß Definitionen Wirkungsgrade Mitteldruck Vergleich des realen Otto-Prozesses mit dem Vergleichsprozeß Stirlingmotor Stirling-Prozeß Thermischer Wirkungsgrad Mitteldruck 324 324 325 327 329 330 330 332 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 334 335 335 337 337 Inhaltsverzeichnis 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.6 2.6.1 2.6.2 2.6.2.1 2.6.2.2 2.6.3 2.6.3.1 2.6.3.2 2.6.3.3 2.6.4 2.6.4.1 2.6.5 2.6.6 2.7 VII. 3 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 VIII VIII. 1 1.1 Heißgasmotor Ericson-Prozeß Thermischer Wirkungsgrad Mitteldruck Gasturbinenanlagen, Strahltriebwerke Offene und geschlossene Gasturbinenanlage ohne Wärmerückführung Joule-Prozeß Thermischer Wirkungsgrad Mitteldruck Offene und geschlossene Gasturbinenanlagen mit Wärmerückführung Thermischer Wirkungsgrad Mitteldruck Mehrstufige Gasturbinenprozesse Strahltriebwerke Thermischer Wirkungsgrad Raketen Äußerer Wirkungsgrad und Gesamtwirkungsgrad von Strahltriebwerken und Raketen Vergleich der Vergleichsprozesse Linksgängige Prozesse Verdichter (Kompressoren) Vergleichsprozeß Arbeit, Leistung Wirkungsgrade Definitionen Mehrstufige Verdichter Gaskältemaschinen Stirling-Prozeß Linde-Verfahren zur Luftverflüssigung Vergleichsprozesse mit Dämpfen Dampfkraftanlagen Thermodynamische Mitteltemperatur und Wirkungsgrade 1.2 Exergetische Wirkungsgrade 1.3 Clausius-Rankine-Prozeß 1.3.1 Clausius-Rankine-Prozeß mit Zwischenüberhitzung 1.3.2 Regenerative Speisewasservorwärmung 1.4 Gas-Dampf-Kraftprozesse (GD-Prozesse) VIII. 2 Kaltdampfprozesse 2.1 Exergetische Behandlung von Kälteprozessen 2.2 Irreversibel ablaufende Kälteprozesse 11 338 338 339 339 340 340 340 342 342 343 344 345 345 345 348 349 351 352 354 354 354 356 357 357 359 361 363 364 375 375 376 377 380 380 382 385 387 388 390 12 Inhaltsverzeichnis IX Strömungsvorgänge 395 IX. 1 Allgemeines 395 IX.2 Grundlagen 395 IX. 3 Strömungen kompressibler Medien in Düsen und Diffusoren Düsen und Diffusoren Ausströmung aus Behältern durch sich verengende Düsen Ausströmgeschwindigkeit Ausströmende Masse, Durchflußfunktion Schallgeschwindigkeit Schallgeschwindigkeit bei Ausströmung aus einer sich verengenden Düse Strömung durch konvergente Düsen Laval-Düse Grundlagen Zusammenstellung der Gleichungen Druck- und Geschwindigkeitsverlauf in einer Laval-Düse und in Diffusoren Verdichtungsstöße Grundgleichungen Darstellung des Verdichtungsstoßes im Diagramm Bewertungsgrößen von Düsen und Diffusoren 3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.4.3 3.5 3.5.1 3.5.2 3.6 398 398 399 399 401 405 406 410 410 410 414 415 421 421 426 428 X Verbrennungsprozesse 439 X.l 1.1 Allgemeines Größen und Symbole 439 441 X.2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 Brennwert, Heizwert Brennwert Messung des Brennwertes Temperaturabhängigkeit der Reaktionsenthalpie Heizwert Berechnung von Brennwert und Heizwert Brennstoffgemische Chemische Verbindungen Verbandsformeln 442 442 444 446 446 448 448 449 450 X.3 3.1 Sauerstoff- und Luftbedarf Mindestbedarf an Sauerstoff für feste und flüssige Brennstoffe Mindestbedarf an Sauerstoff für gasförmige Brennstoffe.. Luftbedarf und Luftüberschuß 451 3.2 3.3 451 .452 454 Inhaltsverzeichnis X.4 4.1 4.2 X.5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 X.6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 X. 7 X. 8 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 13 Brennstoffkennzahlen 457 Kennzahl für den Sauerstoffbedarf, a 457 Kennzahl für den Stickstoffgehalt, v 458 Rauchgase 458 Feuchte Rauchgase fester und flüssiger Brennstoffe 459 Feuchte Rauchgase gasförmiger Brennstoffe 460 Näherungsgleichungen 462 Trockene Rauchgase 462 Anwendung für die Rauchgasanalyse 463 Verbrennungstemperatur 464 Rauchenthalpie und Rauchgastemperatur 464 Maximale Verbrennungstemperatur 466 Schornsteinverluste 468 Wärmekapazität der Rauchgase 469 Das h, ^-Diagramm 470 Feuerungwirkungsgrad 473 Irreversibilität der Verbrennung 474 Reaktionsarbeit und Reaktionsentropie 474 Absolute Entropie, dritter Hauptsatz, Standardentropie .. 476 Brennstoffexergie 479 Exergieverluste bei der Verbrennung 482 Exergetischer Wirkungsgrad 484 Anhang Anhang 1 Lösungen der Aufgaben Anhang 2 Thermodynamische Größen einiger Stoffe Anhang 3 Berechnung der Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf bei Sättigungszustand (Drucktafel) Zustandsgrößen von Wasser und Wasserdampf bei Sättigungszustand (Temperaturtafel) Zustandsgrößen für Wasser und überhitzten Dampf Anhang 4 h, x-Diagramm Anhang 5 Wirkungsgrade von Energiewandlungsanlagen in der Technik Anhang 6 Beispiele für Energien und Leistungen Anhang 7 Beispiele für Leistungsdichten Anhang 8 Tripelpunkte und kritische Daten einiger Stoffe Anhang 9 Literatur Anhang 10 Stichwortverzeichnis 493 493 503 504 504 508 510 517 518 519 519 520 521 523
