Technische Wärmelehre - SDL

Technische Wärmelehre
Prof. Dr.-Ing. habil. Hans Faltin
Mitglied der Deutschen Akademie der Wissenschaften zu Berlin
4. erweiterte Auflage
244 Abbildungen, 23 Tabellen, 8 Tafeln
sowie einer Beilage «Aufgabensammlung»
Akademie-Verlag Berlin, 1961
Inhalt
I. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1. Gegenstand der technischen Wärmelehre. Das Wesen der Wärme . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Die thermodynamischen Zustandsgrössen und ihre Masseinheiten. . . . . . . . . . . . . . 3
3. Das Wärmemass. Die spezifischen und die latenten Wärmen. . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4. Die allgemeine Form der Zustandsgleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
II. Thermodynamik der Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
A. Das Gasgesetz und der erste Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1. Die Zustandsgleichung der vollkommenen Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2. Beziehungen zweier Gase zueinander . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3. Gasmischungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4. Die Herleitung des Gasgesetzes mit Hilfe der kinetischen Gastheorie . . . . . . . . . . . . . 28
5. Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
6. Die besonderen Zustandsänderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
a) Die Zustandsänderung bei gleichbleibendem Volumen (Isochore) . . . . . . . . . . . . . . 45
b) Die Zustandsänderung bei gleichbleibendem Druck (Isobare) . . . . . . . . . . . . . . . . 46
c) Die Zustandsänderung bei gleichbleibender Temperatur (Isotherme). . . . . . . . . . . . . 47
d) Die Zustandsänderung ohne Wärmezu- oder -abfuhr (Adiabate) . . . . . . . . . . . . . . . 48
7. Die polytropen Zustandsänderungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
8. Anwendung der Gasgesetze auf den Kolbenverdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
B. Der zweite Hauptsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1. Kreisprozesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2. Erörterung einiger technischer Kreisprozesse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
a) Der Luftmaschinenprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
b) Der Gasmaschinenprozess (Ottoprozess) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
c) Der Dieselmotorprozess . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
d) Der geschlossene Gasturbinenprozess (Escher-Wyss-Prozess) . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3. Umkehrbare und nichtumkehrbare Vorgänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4. Die Entropie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5. Das Wärmeschaubild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
a) Die Isochore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
b) Die Isobare . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
1

c) Die Isotherme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
d) Die Adiabate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
6. Der reduzierte thermische Wirkungsgrad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
C. Die wirklichen Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
1. Die Kompressibilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
2. Die Temperaturabhängigkeit der spezifischen Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3. Die mittlere spezifische Wärme und die spezifische Wärme von Gasmi schungen . . . . . . . 125
4. Die Differenz der spezifischen Wärmen und der Adiabatenexponent . .. . . . . . . . . . . . 129
5. Die spezifischen Wärmen der realen Gase und die kalorischen Gleichungen . . . . . . . . . 131
6. Die Gleichungen der realen Gase und die Druckkorrektur der spezifischen Wärmen . . . . . 137
III. Thermodynamik der Dämpfe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
1. Das Phasengleichgewicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
2. Die Gleichung von Clausius-Clapeyron und ihre Abwandlungen . . . . . . . . . . . . . . . . 160
3. Der flüssige Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4. Der Nassdampfzustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
a) Die Zustandsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
b) Die besonderen Zustandsänderungen im Nassdampfgebiet . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5. Der Heissdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
a) Die Zustandsgleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
b) Die besonderen Zustandsänderungen im Heissdampfgebiet . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6. Die Drosselung und ihre Anwendung auf die Gasverflüssigung . . . . . . . . . . . . . . . 181
7. Die Kolbendampfmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
8. Die Kältemaschine und die Wärmepumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
9. Mischung von Gasen und Dämpfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
10. Gleichgewichte von Mehrstoffgemischen und ihre Anwehdung auf die Rek tifizierung . . . . 213
a) Zusammensetzung von Mehrstoffgemischen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
b) Das Gleichgewicht vollkommen löslicher idealer Gemische. . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
c) Vollkommen lösliche, nicht ideale Gemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
d) Vollkommen unlösliche Gemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
e) Teilweise lösliche Gemische . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
f) Anwendung auf die Destillation und Rektifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
IV. Thermodynamik der Vorgänge in strömenden Gasen und Dämpfen . . . . . . . . . . . . . 232
1. Die Strömung durch Düsen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
2. Die Berechnung der Durchflussmenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
3. Der Einfluss des Druckverhältnisses auf die Gestalt der Düse. . . . . . . . . . . . . . . . . 241
4. Das Verhalten der Düsen bei Änderung der Betriebsbedingungen . . . . . . . . . . . . . . 246
5. Anwendung auf die Turbine und ihre Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
6. Anwendung auf die Rakete und den Luftstrahlantrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
V. Die Wärmeerzeugung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
1. Der Heizwert. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
2. Der Zündvorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
a) Die Zündung fester Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
b) Die Zündung flüssiger und gasförmiger Brennstoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
2

3. Die zur Verbrennung erforderliehe Sauerstoffmenge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
4. Die Abgasmenge und ihre Zusammensetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
a) Bestimmung der Abgasmenge und Zusammensetzung aus der Brenn stoffanalyse . . . . . . 276
b) Bestimmung der Luftbedarfszahl und der Abgasmenge aus der Abgas zusammensetzung . . 278
c) Die unvollständige Verbrennung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
5. Die Verbrennungstemperatur und der Taupunkt der Verbrennungsgase . . . . . . . . . . . 285
a) Die theoretische Verbrennungstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
b) Der Taupunkt der Abgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
VI. Die Wärmeübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
1. Die Wärmeleitung im Beharrungszustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
2. Die zeitlich veränderliche Wärmeleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
a) Die Wärmeleitgleichung beim instationären Vorgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
b) Anwendung der Fourier-Gleichung auf einige Aufgaben der Praxis . . . . . . . . . . . . . 298
c) Graphisches Verfahren zur Berechnung beliebiger Wärmeströmungen
in Wänden und Körpern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
3. Der Wärmeübergang durch Berührung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
4. Der Wärmeübergang durch Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
5. Der Wärmedurchgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
6. Die mittlere Temperaturdifferenz bei Gleichstrom, Gegenstrom und Kreuz strom . . . . . . . 372
7. Anwendung auf den Oberflächenkondensator und den Wärmetauscher . . . . . . . . . . . 381
Anhang: Stoffwerte-und Formelsammlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
Tafeln:
Tafel 1a Stoffwerte technischer Gase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
Tafel 1b Stoffwerte technischer Flüssigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
Tafel 2 Analytische Fassung der Molwärmen einiger technischer Gase . . . . . . . . . . . . . 394
Tafel 3a Mittlere spezifische Wärmen bei konstantem Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
Tafel 3b Druckkorrektur der mittleren spezifischen Wärme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
Tafel 3c Wahre spezifische Wärme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
Tafel 4 Zündgrenzen und Zündpunkte verschiedener Gase und Dämpfe . . . . . . . . . . . . 403
Tafel 5 Wärmeleitzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
Tafel 6 Wärmeleitzahlen von Isolierstoffen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
Tafel 7 Zusammenstellung einiger gebräuchlicher Formeln für die Wärmeüber gangszahl . . . 408
Tafel 8 Strahlungszahl G verschiedener Stoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
Sachverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
Aufgabensammlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
3