Technische Thermodynamik

Peter von Böckh • Matthias Stripf

Technische ThermodynamikEin beispielorientiertes Einführungsbuch

2., neu bearbeitete und erweiterte Auflage 2015

ISBN 978-3-662-46889-0 ISBN 978-3-662-46890-6 (eBook)DOI 10.1007/978-3-662-46890-6

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Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier

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Peter von BöckhKarlsruheDeutschland

Matthias StripfHochschule Karlsruhe – Technik und WirtschaftKarlsruheDeutschland

Gewidmet unseren Frauen Brigitte und Ana.Wir danken ihnen für ihre Unterstützung, Geduld und Korrekturen.

VII

Vorwort

Dieses Buch basiert auf dem Buch „Grundlagen der technischen Thermodynamik“, das ich mit meinen lieben Koautoren Juraj Cismar und Willy Schlachter 1999 schrieb und das beim Verlag Sauerländer verlegt wurde. Die während sieben Jahren in Vorlesungen, bei Übungen und im Laborbetrieb gemachten Erfahrungen mit dem Buch zeigten, dass bezüg-lich der didaktischen Konzepte und auch inhaltlich ein Verbesserungspotential vorhanden ist, was aber eine gründliche Überarbeitung bedeutete. Sauerländer hat die Hochschulbü-chersparte auf- und das Buch freigegeben. Die beiden Koautoren standen aus Zeitmangel für eine verbesserte Version des Buches leider nicht mehr zur Verfügung und stellten mir frei, die überarbeitete Version des Buches unter meinem Namen neu zu veröffentlichen. Mit dem jetzt gewonnenen Koautor Matthias Stripf konnte das Buch überarbeitet und aus dem ,,Dornröschenschlaf “ geweckt werden.

Didaktisch orientiert sich das Werk an den hervorragenden amerikanischen Lehrbü-chern „Fundamentals of Engineering Thermodynamics“ von M. J. Moran und H. N. Sha-piro und „Thermodynamics, an Engineering Approach“ von Y. A. Cengel und N. A. Boles.

Die Strukturierung des Buches wurde der Reihenfolge der Wissensvermittlung ange-passt. Die Verständlichkeit für Studenten konnte verbessert werden. Zusätzlich wurden zugefügt: neue Beispiele, erweitertes Kapitel „Adsorptionskältemaschinen“ und Stoff-wertberechnungen. Das vorliegende Buch orientiert sich neu an aktuellen Medien und E-Learning.

Die folgenden Ziele waren bei der Überarbeitung des Buches relevant:

• klare und strukturierte Darstellung der Grundlagen• Definition des Systems, klares Festlegen der Systemgrenzen, Beschreibung der Wech-

selwirkungen zwischen dem betrachteten System und dessen Umgebung• Veranschaulichung und Analyse technischer Prozesse anhand von Idealprozessen unter

anschließender Berücksichtigung des realen Prozesses nach stets gleicher Methodik• Vermittlung der Anwendung von Bilanzgleichungen der Erhaltungsgrößen Masse und

Energie auf technische Probleme• Erlernen der Benutzung des zweiten Hauptsatzes bei Entropie- und Exergieanalysen• Vermittlung des Umgangs mit thermodynamischen Diagrammen

VIII Vorwort

• Vertiefung und Illustration theoretischer Grundlagen anhand vieler praktischer Beispie-le

• Erklärung der Benutzung von Tabellen und Diagrammen zur Bestimmung der Stoff-werte im Anhang.

Diese Grundlagen sind so zusammengestellt, dass die Studierenden in die Lage versetzt werden, thermodynamische Prozesse und Maschinen zu verstehen und analytisch zu behandeln. Sie können sich während des Studiums mit Hilfe des Buches und den darin enthaltenen Beispielen für die Prüfungen, Klausuren vorbereiten und die Laborübungen auswerten. Später in der Praxis sind sie in der Lage, Prozesse zu berechnen und zu opti-mieren. Die Diagramme und Tabellen können in der Praxis benutzt werden.

Der Stoffumfang entspricht den einführenden Kursen in technischer Thermodynamik an Universitäten und Fachhochschulen für Maschinenbau-, Versorgungs- und Verfahrens-ingenieure. Die für die hier behandelten Prozesse wichtigen Gebiete der Stoff- und Wär-meübertragung sowie der Fluidmechanik wurden nicht besprochen, da diese in spezielle Fachbücher gehören.

Im Internet sind unter www.thermodynamik-online.de folgende Unterlagen abrufbar:

• Mathcad-Programme der im Buch berechneten Beispiele• Stoffwertprogramme CoolProp mit Mathcad 15 und Prime 3.0• Mollier-h,s-Diagramm, log p,h-Diagramme, h,x-Diagramm als pdf-Dokumente• Stoffwertprogramme für ideale Gase Rauchgase unter Berücksichtigung der Dissozia-

tion als Mathcad-Programme

Die Berechnungsprogramme der im Buch aufgeführten Beispiele eignen sich in der indus-triellen Praxis zur Behandlung ähnlicher Probleme.

Frau Brigitte von Böckh hat zum Gelingen des Buches wesentlich beigetragen. Sie hat die Texte und formale Ausführung von Formeln, Bildern und Tabellen akribisch begut-achtet und aufwändige Korrekturarbeiten durchgeführt. Durch ihre stilistischen Hinweise wurde die Lesbarkeit des Buches wesentlich verbessert. Dafür danken wir ihr herzlichst.

Karlsruhe, Sommer 2015 Peter von Böckh Matthias Stripf

Fragen und Kommentare können Sie an unsere E-Mail-Adressen bupvb@web.de und matthias@stripf.com senden.

IX

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung und Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.1 Womit beschäftigt sich die Thermodynamik? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11.2 Thermodynamisches System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2.1 Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2.2 Eigenschaften der Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.3 Thermodynamische Prozess- und Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.1 Prozess- und Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51.3.2 Prozess, Zustandsänderung, Gleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.4 Spezielle Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.5 Methodik der thermodynamischen Prozessanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2 Eigenschaften der Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1 Formulierung des Zustands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.1.1 Klassifizierung der Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1.2 Eigenschaften der Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.2 Thermische Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2.1 Dichte und spezifisches Volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.2.2 Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2.3 Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.4 Thermometer und Temperaturskala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.3 Energetische Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.4 Thermische Zustandsgrößen reiner Substanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.4.1 p,v,T-Fläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.4.2 p,T-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.5 p,v-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.5.1 Phasenübergänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.6 Tabellen und Programme der Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392.6.1 Thermische und energetische Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . 402.6.2 Programme der Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

X Inhaltsverzeichnis

2.7 Zustandsgleichungen energetischer Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.7.1 Enthalpie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432.7.2 Innere Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.7.3 Referenzzustände und Referenzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452.7.4 Näherungswerte für Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

2.8 Ideale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492.8.1 Thermische Zustandsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492.8.2 Energetische Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.8.3 Zustandsänderung idealer Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

2.9 Reale Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.9.1 Realgasfaktor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.9.2 Theorem korrespondierender Zustände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

2.10 Gasmischungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662.10.1 Mischung idealer Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662.10.2 Mischung realer Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

3 Erster Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.1 Verschiedene Arten der Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

3.1.1 Arbeit, kinetische und potentielle Energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793.1.2 Arbeitstransfer zu einem System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 823.1.3 Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.1.4 Volumenänderungsarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 833.1.5 Druckänderungsarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853.1.6 Dissipationsarbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 863.1.7 Verschiebearbeit, effektive Arbeit, Nutz- und Kolbenarbeit . . . . . . 88

3.2 Innere Energie eines Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 903.3 Energieform Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 913.4 Erster Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 933.5 Energieanalyse geschlossener Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3.5.1 Energiebilanz stationärer Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . 943.5.2 Energiebilanz instationärer Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . 101

3.6 Energieanalyse offener Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1053.6.1 Erhaltung der Masse im offenen System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1053.6.2 Erhaltung der Energie im offenen System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1103.6.3 Energiebilanzgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

4 Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1274.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

4.1.1 Richtung natürlicher Ausgleichsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1274.1.2 Ausgleichsprozess mit Arbeitsgewinn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

XIInhaltsverzeichnis

4.2 Formulierungen des zweiten Hauptsatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1314.2.1 Forderungen an den zweiten Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1314.2.2 Formulierung von Clausius . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1324.2.3 Formulierung von Thomson (Lord Kelvin) und Planck . . . . . . . . . 1324.2.4 Äquivalenz der Formulierung von Clausius und Kelvin-Planck . . . 134

4.3 Umkehrbarkeit der Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354.3.1 Irreversible Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354.3.2 Reversible Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1364.3.3 Intern reversible Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

4.4 Analytische Form der Kelvin-Planck-Formulierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1374.5 Zweiter Hauptsatz für Kreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

4.5.1 Auswirkung auf Wärmekraftmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1394.5.2 Auswirkung auf thermische Arbeitsmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . 142

4.6 Kelvin-Temperaturskala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1434.7 Obergrenze der Nutzung reversibler Kreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

4.7.1 Thermische Kraftmaschinenprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1454.7.2 Kälteanlagen und Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

4.8 Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1514.8.1 Analytische Formulierung des zweiten Hauptsatzes . . . . . . . . . . . . 1514.8.2 Zustandsgröße Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1554.8.3 Berechnung der Zustandsgröße Entropie reiner Substanzen . . . . . . 1564.8.4 Entropieänderung der Mischungen idealer Gase . . . . . . . . . . . . . . . 1624.8.5 Fundamentalgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

4.9 Entropiediagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1674.9.1 Temperatur-Entropie-Diagramm (T, s-Diagramm) . . . . . . . . . . . . . 1674.9.2 Mollier-h, s-Diagramm des Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1684.9.3 T, s-Diagramm idealer Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

4.10 Isentrope Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1754.11 Isentrope Zustandsänderung idealer Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1754.12 Entropiebilanzgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184

4.12.1 Entropiebilanzgleichungen für geschlossene Systeme . . . . . . . . . . 1844.12.2 Irreversibilität des Wärmeübergangs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1874.12.3 Entropiebilanz für offene Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1894.12.4 Entropiebilanz für stationäre offene Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . 190

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

5 Energie, Exergie und Anergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1955.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1955.2 Arbeitsverfügbarkeit, Exergie und Anergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1975.3 Umgebung und Umwelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1985.4 Ermittlung der Exergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199

5.4.1 Exergie eines geschlossenen Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2015.4.2 Exergie eines offenen Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210

XII Inhaltsverzeichnis

5.5 Exergiebilanzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2105.5.1 Geschlossenes System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2105.5.2 Offene Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

5.6 Exergieanalysen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2185.6.1 Exergieanalyse der Primärenergien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2185.6.2 Exergieanalyse adiabater Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2215.6.3 Exergieanalyse von Wärmeübertragern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2225.6.4 Exergetischer Wirkungsgrad von Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

5.7 Exergie-Anergie-Flussbilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

6 Anwendung bei technischen Prozessen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2296.1 Analyse technischer Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

6.1.1 Anwendungsgebiete . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2306.1.2 Einteilung thermischer Maschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2306.1.3 Thermische Kreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2316.1.4 Wirkungs- und Leistungsgrade thermischer Prozesse . . . . . . . . . . . 231

6.2 Spezialfälle der Zustandsänderungen und Prozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2346.2.1 Beispiele spezieller Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

6.3 Kompressoren und Verdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2536.3.1 Innere Wirkungsgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2536.3.2 Zwischenkühlung bei Kompressoren und Verdichtern . . . . . . . . . . 254

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258

7 Dampfturbinenprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2597.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2597.2 Clausius-Rankine-Prozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2617.3 Maßnahmen zur Wirkungsgradverbesserung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263

7.3.1 Carnotisierung des Prozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2637.3.2 Überhitzung und Zwischenüberhitzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2647.3.3 Irreversibilitäten und Verluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

7.4 Dampfkreisprozess im Mollier-h,s-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2687.5 Dampfkreisprozess mit regenerativer Vorwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278

7.5.1 Mischvorwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2807.5.2 Oberflächenvorwärmer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2857.5.3 Mehrstufige regenerative Vorwärmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292

7.6 Kraft-Wärme-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

8 Gasturbinen- und Gasmotorenprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3078.1 Prozesse der Gasmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

8.1.1 Arbeitsverfahren der Verbrennungsmotoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

XIIIInhaltsverzeichnis

8.1.2 Idealer Ottoprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3118.1.3 Idealer Dieselprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318

8.2 Stirlingprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3258.2.1 Idealer Stirlingprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3268.2.2 Realer Stirlingprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3298.2.3 Stirlingprozess als Kältemaschinenprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330

8.3 Gasturbinen- und Triebwerkprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3318.3.1 Anwendungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3318.3.2 Jouleprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3328.3.3 Verluste und Irreversibilitäten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3368.3.4 Verbesserung des Wirkungsgrades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

8.4 Triebwerkprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3518.4.1 Kombinierte Gas- und Dampfturbinenprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . 355

8.5 Kraft-Wärme-Kopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363

9 Kältemaschinen- und Wärmepumpenprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3659.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

9.1.1 Linksläufiger Carnotprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3669.1.2 Kältemaschinen- und Wärmepumpenprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

9.2 Eigenschaften der Kältemittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3699.2.1 Das log(p),h-Diagramm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3709.2.2 Azeotrope Kältemittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3719.2.3 Zeotrope Kältemittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3719.2.4 Kriterien zur Kältemittelwahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

9.3 Kaltdampfprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3739.3.1 Idealer Kaltdampfprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3739.3.2 Realer Kaltdampfprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3769.3.3 Kaltdampfprozess mit Rekuperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3799.3.4 Zweistufige Kompression mit Zwischenkühlung . . . . . . . . . . . . . . 381

9.4 Technische Anwendungen des Kaltdampfprozesses . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3869.4.1 Kältemaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3879.4.2 Wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

9.5 Kaltgasprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3929.5.1 Ideale Kaltluftmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3929.5.2 Realer Kaltgasprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3949.5.3 Luftverflüssigung nach dem Linde-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 3969.5.4 Kaltgasprozess mit Rekuperation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397

9.6 Wärmetransformationsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4009.6.1 Thermisch angetriebene Wärmepumpen und Kältemaschinen . . . . 4009.6.2 Wärmetransformatoren (Typ 2 Wärmepumpen) . . . . . . . . . . . . . . . 403

9.7 Absorptionskältemaschinen und -wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4049.7.1 Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404

XIV Inhaltsverzeichnis

9.8 Adsorptionskältemaschinen und -wärmepumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4069.8.1 Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4079.8.2 Thermodynamik der Adsorptionswärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . 408

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412

10 Feuchte Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41310.1 Zustandsgrößen feuchter Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413

10.1.1 Relative Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41410.1.2 Absolute Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41510.1.3 Spezifisches Volumen ungesättigter feuchter Luft . . . . . . . . . . . . . . 41710.1.4 Spezifische Enthalpie feuchter Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419

10.2 Mollier-h, x-Diagramm feuchter Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42110.2.1 Druckabhängigkeit relativer Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

10.3 Isobare Zustandsänderungen feuchter Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42510.3.1 Wärmetransfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42510.3.2 Kühlung mit Taubildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426

10.4 Mischung zweier feuchter Luftmassen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42910.5 Befeuchten mit Wasser oder Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434

10.5.1 Verdunstung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43710.5.2 Feuchtemessung mit dem Aspirationspsychrometer . . . . . . . . . . . . 438

10.6 Trocknung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44110.6.1 Natürliche Trocknung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44110.6.2 Trocknung durch erwärmte Luft . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443

Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449

11 Verbrennungsprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45111.1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45111.2 Umwandlung der Brennstoffenergie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

11.2.1 Verbrennungsvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45211.2.2 Eigenschaften der Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

11.3 Mengenberechnung bei der Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45511.3.1 Verbrennungsgleichungen für vollständige Verbrennung . . . . . . . . 45611.3.2 Luftbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45911.3.3 Unvollständige Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462

11.4 Kontrolle der Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46711.4.1 Messmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46711.4.2 Auswertung der Analyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468

11.5 Energiebilanz der Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47011.5.1 Anwendung des ersten Hauptsatzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47011.5.2 Enthalpie und Temperatur des Verbrennungsgases . . . . . . . . . . . . . 47211.5.3 Kesselwirkungsgrad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478

XVInhaltsverzeichnis

11.6 Anwendung des 2. Hauptsatzes auf die Verbrennung . . . . . . . . . . . . . . . . . 48411.6.1 Reversible chemische Reaktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48511.6.2 Dritter Hauptsatz der Thermodynamik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48611.6.3 Exergie der Brennstoffe und Verluste bei der Verbrennung . . . . . . . 486

11.7 Brennstoffzellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490

12 Berechnung von Stoffeigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49112.1 Zustandsgrößen idealer Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491

12.1.1 Spezifisches Volumen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49212.1.2 Kalorische Zustandsgrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49212.1.3 Dissoziation der Verbrennungsgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495

12.2 Stoffwertprogramm CoolProp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49612.3 Verfügbare Programme in Mathcad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500

Anhang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501

Deutsch-Englisch-Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591

Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599

XVII

Liste verwendeter Symbole

Symbol Bezeichnung EinheitA Querschnittfläche m2

a Schallgeschwindigkeit m/sB Anergie Jb Spezifische Anergie J/kgc Geschwindigkeit m/scp spezifische isobare Wärmekapazität J/(kg K)cp mittlere spezifische isobare Wärmekapazität J/(kg K)

cv spezifische isochore Wärmekapazität J/(kg K)cv mittlere spezifische isochore Wärmekapazität J/(kg K)d, D Durchmesser mE Energie Je spezifische Energie J/kgEx Exergie Jex spezifische Exergie J/kgF Kraft Nf spezifische freie innere Energie (Helmholtz-Energie) J/kgg Erdbeschleunigung m/s2g spezifische freie Enthalpie (Gibbs-Enthalpie) J/kgH Enthalpie Jh spezifische Enthalpie J/kghu spezifischer Heizwert J/kg

ho spezifischer Brennwert J/kg

hum spezifischer molarer Heizwert J/kmol

hom spezifischer molarer Brennwert J/kmol

I Impuls kg m/sJ Dissipationsenergie Jj spezifische Dissipationsenergie J/kg

XVIII Liste verwendeter Symbole

L Luftmenge der Verbrennung pro kmol Brenngas kmol/kmolLmin Mindestluftmenge pro kmol Brenngas kmol/kmol

l Luftmasse der Verbrennung pro kg Brennstoff kg/kglmin Mindestluftmasse pro kg Brennstoff kg/kg

M Molmasse kg/kmolMd Drehmoment Nm

m Masse kg�m Massenstrom kg/sw

NA Avogadro-Konstante 1/kmol

n Stoffmenge (Anzahl Mole) –n Polytropenexponent –na Arbeitsfrequenz 1/s

nd Drehzahl 1/s

Omin Mindestsauerstoffmenge pro kmol Brenngas kmol/kmol

omin Mindestsauerstoffmasse pro kg Brennstoff kg/kg

P Arbeitsleistung WPi indizierte Leistung W

Pv mechanische Verlustleistung W

Peff effektive Leistung W

p Druck Paq spezifische Wärme J/kgQ Wärme J�Q Wärmestrom W

R spezifische Gaskonstante J/(kg K)Rm universelle (molare) Gaskonstante J/(kmol K)

r Raumvektor mri Raum-, Volumenanteil der Komponente i –S Entropie J/K�S zeitliche Änderung der Entropie, Entropiestrom W/Ks spezifische Entropie J/(kg K)T thermodynamische Temperatur (Absoluttemperatur) Kt Zeit sU innere Energie Ju spezifische innere Energie J/kgV Volumen m3

�V Volumenstrom m3/sv spezifisches Volumen m3/kg

XIXListe verwendeter Symbole

W12 Arbeit J

Weff 12 effektive Arbeit J

Wi12 indizierte Arbeit J

WN12 Nutzarbeit J

Wp12 Druckänderungsarbeit J

WV12 Volumenänderungsarbeit J

w12 spezifische Arbeit J/kg

x absolute Luftfeuchtigkeit –x Dampfmassenanteil, Dampfgehalt, Massenanteil –xi Massenanteil der Komponente i –

y Molanteil –yi Molanteil der Komponente i –

zR Realgasfaktor –

z geodätische Höhe, Weg mβ isobarer Volumenausdehnungskoeffizient 1/KΔhv spezifische Verdampfungsenthalpie J/kg

Δhs spezifische Schmelzenthalpie J/kg

ɛ Leistungszahl, Leistungsziffer, Arbeitszahl –ɛ Kompressionsverhältnis V1/V2 –

η Wirkungsgrad –ηC Carnot-Wirkungsgrad –

ηeff effektiver Wirkungsgrad –

ηs isentroper Wirkungsgrad –

ηm mechanischer Wirkungsgrad, indizierter Wirkungsgrad –

ηth thermischer Wirkungsgrad –

ϑ Celsius-Temperatur °Cκ Isentropenexponent des idealen Gases –κ0 isothermer Kompressibilitätskoeffizient 1/Pa

λ Luftverhältnis –Ѱ Druckverhältnis (Ottoprozess) p3/p2 –

π Druckverhältnis p2/p1 –

ρ Dichte kg/m3

ϕ relative Luftfeuchtigkeit –ϕ Einspritzverhältnis (Dieselprozess) V3/V2 –

ω Winkelgeschwindigkeit 1/sτ Temperaturverhältnis T2/T1 –

XX

Tiefgestellte IndizesAK Abhitzekessela Austrittad Adiabatab Abfuhr, z. B. Qab abgeführte Wärme

Br Brennstoff, VerbrennungC CarnotD WasserdampfE Eise Eintrittel ElektrischF Flüssigkeit, flüssiges WasserG Gasi i-te Komponenteid Idealirr IrreversibelKM KältemaschineKP KreisprozessKR Kontrollraumk Kaltkin kinetische Energiekr kritischer PunktL Luft (trocken)m Molar, auf die Molmasse bezogenmix Größe der MischungP Pumpepot Potentielle EnergieR Rauchgas, Abgas, VerbrennungsgasRt Trockenes Rauchgas, Abgas, Verbrennungsgasr Dimensionslose reduzierte Größerev Reversibels Isentrop, SättigungszustandT IsothermT Turbinet Trocken bei Rauchgasth ThermischU UmgebungszustandV Verdichterv IsochorWP Wärmepumpe

Liste verwendeter Symbole

XXI

w Warmzu Zufuhr, z. B. Qzu zugeführte Wärme

0 Bezugszustand, Referenzzustand, Normzustand1 + x Auf die Masse der trockenen Luft bezogene Zustandsgröße1, 2, 3, … Zustandspunkt oder Komponente bei Gasgemischen12, 23, … Zustandsänderung von 1 nach 2 bzw. 2 nach 3 beim ProzessHochgestellte Indizesʹ gesättigte (siedende) Flüssigkeitʺ gesättigter, trockener Dampf

Liste verwendeter Symbole