Technische Thermodynamik Teil II

1 Einführung in die Lehre von der Wärme- und Stoffübertragung.- 1.1 Anwendungsbereich.- 1.2 Grundformen.- 1.3 Stationäre Wärmeleitung.- 1.3.1 Stationäre Wärmeleitung durch eine ebene Wand.- 1.3.2 Wrmewiderstand.- 1.3.3 Reihen- und Parallelschaltung von Wärmeleitern.- 1.3.4 Wärmedurchgangskoeffizient k.- 1.3.5 Rohrwand.- 1.3.6 Zylinder mit inneren Wärmequellen.- 1.4 Instationäre Wärmeleitung.- 1.4.1 Fouriersche Wärmeleitungsgleichung für den instationären Fall.- 1.4.2 Gleichung von Fourier in dimensionsloser Schreibweise.- 1.4.3 Typische Lösungsmethoden bei Wärmeleitung.- Lösungen von Grüber.- a)Ebene Platte.- b)Der unendlich lange Zylinder und die Kugel.- Abkühlungsgeschwindigkeit.- Instationäres Aufheizen in einer Heizpresse.- Binder-Schmidt-Verfahren.- Implizites Verfahren.- 1.5 Konvektiver Wärmeübergang.- 1.5.1 Grenzschicht und Wärmeübertragung.- 1.5.2 Ausgebildete laminare Rohrströmung.- Konstante Wärmestromdichte als Randbedingung.- Konstante Wandtemperatur als Randbedingung.- 1.5.3 Differentialgleichungen der Strömung und des Wärmeöbergangs..- Kontinuitätsgleichung.- Stofferhaltungsgleichung.- Impulsgleichung.- Energiegleichung.- 1.5.4 Die laminar überströmte ebene Platte.- Grenzschichtgleichungen.- Eine Näherungslösung der Grenzschichtgleichung.- Exakte Lösung der Grenzschichtgleichung.- Wandschubspannung.- Temperaturverteilung und Dicke der Temperaturgrenzschicht.- Wärmeübertragung.- Konzentrationsverteilung und Stoffübergang.- 1.5.5 Freie Konvektion.- Numerische Integration der Differentialgleichungen für die freie Konvektion.- Geschwindigkeits- und Temperaturprofile sowie Wärmeübergang bei freier Konvektion.- 1.5.6 Turbulente Strömung.- Kontinuitätsgleichung.- Stofferhaltungsgleichung.- Impulsgleichung.- Energiegleichung.- 1.5.7 Türbulenzmodelle.- Prandtlsche Mischungsweghypothese.- Transportgleichungen für die Reynoldsschen Tenne.- 1.5.8 Turbulente Grenzschicht bei längs überströmter ebener Platte.- 1.5.9 Numerische Lösung der Grenzschichtgleichungen: Das Verfahren von Patankar und Spalding.- 1.5.10Ähnlichkeitstheorem der Wärmeübertragung.- Geometrische und physikalische Ähnlichkeit.- 1.6 Wärmeübergang bei Änderung des Aggregatzustandes.- 1.6.1 Kondensation.- 1.6.2 Tropfenkondensation.- 1.6.3 Filmkondensation.- 1.6.4 Verdampfungsvorgang.- 1.6.5 Aufgaben der Heizfläche.- 1.6.6 Bläschenverdampfung und Filmverdampfung.- 1.6.7 Ausbrennbelastung.- 1.6.8 Siedekondensation.- 2 Technische Wärmeübertrager.- 2.1 Wärmedurchgang.- 2.2 Wärmedurchgang durch eine Rohrwand.- 2.3 Gegenseitige Stromführung.- 2.3.1 Gleichströmer.- 2.3.2 Gegenströmer.- 2.3.3 Kreuzstromapparat.- 2.4 Einheitlicher Berechnungsgang für Rekuperatoren.- 2.5 Wärmewirkungsgrad.- 2.6 Gütegrad des Wärmeübertragers.- 2.7 Gekoppelte Wärmeübertrager.- 2.8 Günstigste Größe eines Wärmeübertragers.- 2.8.1 Einsparung von Energieträgern durch Wärmerückgewinnung.- 2.8.2 Irreversibilität der Wärmeübertragung und Kosten der Wärme-übertrager.- 2.8.3 Pinch-Technologie.- 3 Wärmeübertragung durch Strahlung.- 3.1 Strahlungsaustausch zwischen festen Körpern.- 3.1.1 Emissionsverhältnis.- Abhängigkeit des Emissionsverhältnisses von der Wellenlänge 190.- Abhängigkeit dos Emissionsverhältnisses von der Richtung.- Hemisphärisches Emissionsverhältnis.- 3.1.2 Absorptions- und Reflexionsverhältnis.- 3.1.3 Strahlungsaustausch zwischen zwei Flächen.- 3.1.4 Winkelverhältnis oder Einstrahlzahl.- 3.1.5 Strahlungsaustausch zwischen Oberflächen bei strahlungsdurchlässi-gem Zwischenraum.- 3.2 Gasstrahlung.- 3.2.1 Spektrum des atomaren Wasserstoffs, Bohrsches Atommodell.- 3.2.2 Spektren der Alkaliatome.- 3-2.3 Absorption, spontane und erzwungene Emission; Übergangs Wahr-scheinlichkeiten.- 3.2.4 Molekülspektren.- Rotations-Schwingungsbanden von CO.- Rotations-Schwingungsspekt.ren von CO2.- Rotations-Schwingungsspektren von H2O.- 3.2.5 Profilfunktionen.- Natürliche Linienbreite.- Lorentz-Verbreiterung.- Doppler-Verbreiterung.- Kombinierte Doppler- und Stoßverbreiterung.- 3.2.6Volumenbezogene Strahlungseigenschaften von Gasen.- Spektraler Emissionskoeffizient.- Spektraler Absorptionskoeffizient.- 3.2.7Strahlungstransportgleichung.- 3.2.8Strahlungstransport in isothermer Schicht.- Isolierte Linien; Äquivalentbreite.- Gesamtemissionsgrad bei sich nicht überlappenden Spekt rallinien 226.- Rotations-Schwingungsbanden mit sich überlappenden Spektral- linien.- Überlagerung der Molekülspektren von Kohlendioxid und Wasserdampf.- Strahlungsaustausch mit absorbierenden und emittierenden Gasen.- 4 Stoffgemische.- 4.1Grundbegriffe.- 4.2Feuchte Luft als Zweistoffgemisch.- 4.2.1Zustandseigenschaften feuchter Luft.- h,x-Diagramm von Mollier.- Dichte feuchter Luft.- 4.2.2Zustandsänderungen feuchter Luft.- Abkühlung feuchter Luft.- Mischen von Luftströmen.- Mischen mit Wärmezufuhr.- Zumischung von Wasser oder Wasserdampf.- Nichtumkehrbarkeit des Mischungsvorgangs.- 4.2.3Grundlagen der Klimatechnik.- 4.2.4Verdunstung.- Adiabater Verdunstungsvorgang.- Lewisscher Faktor ?cp/?.- Psychrometerproblem.- Richtungsänderung des Luftzustandes.- Psychometrische Kühlgrenze.- Wärmeumsatz an der Phasengrenze.- Adiabate Verdunstung im Gleichstrom.- Irreversibilität des Verdunstungsvorganges.- Adiabate Verdunstung im Gegenstrom.- Entropieproduktion bei Gegenstromverdunstung.- Der Pinch.- Bemessung der Austauschfläche.- Kühlturmberechnung nach Sherwood.- Nichtadiabate Verdunstung.- Berieselungskühluiig.- Luftkühlung durch Berieselungsverdampfer.- 4.2.5Grundzüge der Trocknungstechnik.- Stufentrocknung.- Umlufttrocknung.- Wärmerückgewinnung.- Trocknungsgeschwindigkeit.- Nichtumkehrbarkeit des Trocknungsvorganges.- 4.2.6Feuchte Luft bei verschiedenen Drücken.- Aufsteigende Luftmassen und Wolkenbildung.- Kompressorkühlung durch Wassereinspritzung.- Luft Verdichtung im Dampfstrahlgebläse.- 4.3 Eigenschaften von Zweistoffgemischen.- 4.3.1 Phänomene beim Mischen.- Volumenänderung beim Vermischen.- Temperaturänderung beim Vermischen, Mischungswärme 325.- Mischregel und Mischungstemperatur.- Mischung mit Wärmeumsatz.- Integrale und partielle Mischungswärme.- Spezifische Wärmekapazität eines Gemisches.- 4.3.2 Gemische mit mehreren Phasen.- Mischbarkeit, Ausbildung von Phasen.- Mischungswärme und Mischungslücke.- Verdampfung und Kondensation von Zweistoffgemischen.- Maximum- und Minimum-Gemische.- Verdampfen heterogener Flüssigkeitsgemische.- Wärmeerscheinungen beim Verdampfen.- Mischungslücke im h, ?-Diagramm.- h, ?-Diagramm für Gemische mit azeotropischem Punkt.- Schmelzen und Gefrieren.- h, ?-Diagramm des Schmelzgebietes.- Chemische Bindungen im Bodenkörper.- Kältemischungen.- 4.4 Eigenschaften von Dreistoffgemischen.- 4.4.1Dreiecksdiagramm.- Mischungsregel im Dreiecksdiagramm.- 4.4.2Phasengleichgewicht bei Dreistoffgemischen.- 5 Trennung von Gemischen.- 5.1Destillation von Zweistoffgemischen.- 5.1.1Wärmebedarf beim Destillieren.- 5.1.2Rückflußkühlung (Dephlegmation).- Gegenstromdephlegmator.- Gleichstroindephlegmator.- Dephlegmation und Heizbedarf.- 5.1.3Kontinuierliche Destillation.- 5.2 Rektifikation (Läuterung) von Zweistoffgemischen.- 5.2.1Verstärkungssäule.- 5.2.2Läuterung und der Zweite Hauptsatz.- 5.2.3Wärmeverbrauch.- 5.2.4Wärmeverbrauch und Nichtumkehrbarkeit des Zerlegungsvorganges.- Entropieproduktion im adiabaten Teil der Rektifiziersäule.- Entropieproduktion im Rückflußkühler.- Entropieproduktion in der Blase.- Heizwärme qrev.- 5.2.5Abtriebssäule.- Vorwärmung des Zulaufs.- Beispiel eines Trennverfahrens mit Abtriebssäulc: Die Konzentration von Schwefelsäure nach Pauling-Plinke.- 5.2.6Gekoppelte Läuterungssäule.- Mindestwärmebedarf der Trennsäule und die Lage der Polo.- Erforderliche Bodenzahl der Säule.- Günstigste Einspeisung des Zulaufs.- Entropieproduktion auf dem Zulaufboden.- Dephleginatorkühlung mit dem Zulauf.- Wärmeaustausch auf den Böden der Kolonne.- Rektifikationskolonne mit Seitenabzug.- 5.2.7Adiabate Rektifikation und Dampfkompression.- Verdichtung des dampfförmigen Kopfprodukts.- Entspannung und Verdampfung des Blasenprodukts.- Mindestarbeit bei reversibel-adiabaten Trennprozesses.- Nichtumkehrbarkeit und Verdichterleistung bei adiabaten Trennprozessen.- 5.2.8Luftzerlegung.- Luftzerlegung mit reiner Abtriebssäule.- Mindestarbeit bei reversibler Luftzerlegung und Irreversibilitätsverluste.- Luftzerlegung nach Linde.- Luftzerlegung nach Claude.- 5.2.9McCabe-Thiele-Diagramm.- Näherungsweise Bestimmung des Wärmebedarfs.- Der Pinch.- Bemessung von Füllkörperkolonnen.- 5.3 Rektifikation von Drei- und Mehrstoffgemischen.- 5.3.1Mengen- und Energiebilanzen.- Verstärkungssäule.- Abtriebssäule.- Gesamtbilanz.- 5.3.2Entropieproduktion bei der Trennung von Mehrstoffgemischen.- 5.3.3Trennung eines Dreistoff-Gemisches aus Benzol, Toluol und m-Xylol.- Günstigste Einspeisung des Zulaufs.- Minimales Rücklaufverhältnis.- Günstigste Verschaltung von Trennkolonnen.- 5.3.4Kolonne mit Seitenabzug.- 5.4 Trennung azeotroper Gemische.- 5.5 Extraktion und Absorption.- Extraktion von Essigsäure aus Essigsäure-Wassergemischen mit Benzol.- Adiabate Absorption von Chlorwasserstoff.- 5.6Kristallisation und Verdampfung.- 5.6.1Auflösen und Kristallisation von Salzen.- 5.6.2Eindampfen von Salzlösungen.- Mehrfachverdampfung im h, (_)-Diagramm.- 5.6.3Eindampfen von Zuckerlösungen.- Schmelzgebiet.- Naßdampfgebiet.- Eindampfen.- Mehrfachverdampfung im h, x-Diagramm.- Eindampfen im Schmelzgebiet.- Kristallkochen.- 6Absorptionskältemaschinen und Absorptionswärmepumpen.- 6.1Einfache (einstufige) Absorptionsmaschine.- 6.1.1Stoffbilanzen.- 6.1.2Energiebilanzen.- Gesamtbilanz.- Wärmebilanz des Austreibers (Generators).- Pumpenleistung.- Wärmebilanz des Absorbers.- Wärmebilanzen für Kondensator und Verdampfer.- 6.2Absorptionsprozeß im h, ?-Diagramm.- 6.2.1 Läuterung dos Austreiberdampfes.- 6.2.2 Temperaturwechsler.- 6.3 Heizbedarf von Absorptionsmaschinen.- 6.3.1Absorptionskältemaschine.- 6.3.2Absorptionswärmepumpe.- 6.4Nichtumkehrbarkeiten in den Anlageteilen.- 6.4.1Entropieproduktion in Generator und Absorber.- 6.4.2Entropieproduktion in Temperaturwechsler und Drosselventil.- 6.4.3Entropieproduktion in Verdampfer und Kondensator.- 6.4.4Entropieproduktion der Absorptionsmaschine im Vergleich.- 6.5Mehrstufige Absorptionsmaschinen.- 6.5.1Zweistufige Absorptionsmaschine mit vergrößertem Temperaturhub (Doppelhub-Anlage).- 6.5.2Zweistufige Absorptionsanlage mit vergrößerter Kälteleistung (Doppeleffekt-Anlage).- 7 Thermodynamische Grundlagen chemischer Reaktionen.- 7.1Das chemische Gleichgewicht.- 7.2Reaktionswärme, Energietönung.- 7.3Gleichgewichtskonstante der chemischen Reaktion.- Einfluß des Druckes und der Temperatur auf die Gleichgewichtskonstante K.- Gleichgewichtskonstante zusammengesetzter Reaktionen.- Absolute kalorische Daten und Gleichgewichtskonstante.- 7.4Das Wärmetheorem von Nernst.- Erreichbarkeit dos Nullpunktes und der Temperaturbegriff T = 0 K 555.- 7.5 Berechnung der Gleichgewichtszusammensetzung.- 8 Gleichgewichtsbedingungen für Mehrstoffgemische.- Außenbedingung T = konst, V = konst.- Außenbedingung T = konst, p = konst.- 8.1Gleichgewichtsbedingungen bei homogenen Gemischen.- 8.1.1Gibbssche Fundamentalgleichung für homogene Gemische.- 8.1.2Gibbs-Duhem-Beziehung.- 8.1.3Fundamentalgleichung in der Energiedarstellung.- 8.1.4Enthalpie als charakteristische Funktion.- 8.1.5Helmholt z- Potential oder die freie Energie.- 8.1.6Planck-Funktion.- 8.1.7Freie Enthalpie.- 8.1.8Molare und partielle molare Zustandsgrößen.- 8.1.9Legendre-Transformationen.- 8.1.10Ideale Gemische.- 8.1.11Reale Gemische.- Fugazität und Fugazi tätskoeffizient.- Aktivitätskoeftizien.- 8.1.12Empirische Ansätze für die freie Exzeßenthalpie von Flüssigkeitsgemischen.- Ansatz von Porter.- Ansatz von Wohl.- 8.2 Das Gittermodell der Flüssigkeitsgemische.- 8.2.1Näherungslösung von Guggenheim.- Proportionalverteilung gleichgroßer Moleköle.- Proportionalverteilung bei nicht gleich großen Molekülen.- Quasichemische Verteilung nach Guggenheim.- 8.2.2Lückenhafte Gitterbelegung bei Zweistoffgemischen.- Der kombinatorische Term.- Lokale Zusammensetzung und Residuumsterin.- 8.2.3Gittermodell für beliebig viele Komponenten.- Proport ionalverteilung.- Lokale Zusammensetzung.- Der Residuumsterin.- 8.3Phasengleichgewichte.- 8.3.1Mischbarkeit und Mischungslücke.- 8.3.2 Dampf-Flüssigkeitsgleichgewicht in Einkomponentensystemen.- Dampf-Flüssigkeits-Gleichgewicht in Einkomponentensystemen mit idealem Dampf.- 8.3.3 Allgemeine Bedingungen für Phasengleichgewichte in Systemen mit mehreren Komponenten.- Gibbssche Phasenregel.- Differentialgleichungen für koexistierende Phasen.- Anwendung auf Zweistoffgemische.- 8.3.4 Dampf-Flüssigkeitsgleichgewichte in Systemen mit mehreren Komponenten.- Dampf-Flüssigkeitsgleichgewicht bei idealer Flüssigkeit und idealem Dampf.- Dampf-Flüssigkeitsgleichgewichte bei realer Flüssigkeit und idealem oder schwach realem Dampf.- Duhem-Mftrgules-Gleichung und Grenzgesetze bei unendlich großer Verdünnung.- Dampf-Flüssigkeitsgleichgewichte bei hohen Drücken.