Thermodynamik für Maschinen- und Fahrzeugbau -- Grundlagen, Anwendungen, Übungen, Prozesssimulationen

Die Technische Thermodynamik ist die tragende Säule der Klimaneutralität, weil auf ihren Hauptgebieten, Energieumwandlung und Energieübertragung in technischen Systemen, die Energieformen Wärme und Arbeit, ihr Austausch und die Verbrennung sowohl klassischer als auch recyclebarer Energieträger analysiert, berechnet und optimiert werden. Das Hauptanliegen dieses Lehrbuches ist, Studenten und Entwicklungsingenieuren in den Bereichen Maschinen- und Kraftfahrzeugbau geeignete Werkzeuge und phänomenologische Methoden zu verschaffen die sie in die Lage versetzen, umweltfreundliche technische Systeme und Prozesse zu gestalten. Die Formeln werden stets vom physikalischen Vorgang bis zur Endform abgeleitet, Formelbrüche und Koeffizienten ohne Zusammenhang mit der Ableitung werden streng vermieden – damit wird das logische Denken angeregt und gefördert. In jedem Kapitel werden gelöste Übungen, aber auch Fragen und Aufgaben mit Antworten und Lösungen am Kapitelende angeboten. Das Buch enthält, für alle dargestellten Prozesse und Systeme zahlreiche konkrete Beispiele mit Farbbildern von entsprechenden Anlagen: Motoren- und Turbolader Schnitte, Klimaanlagen, Kraftwerke, Brennräume mit Flammenvisualisierung, zahlreiche Maschinenbaukomponenten. Ein Kapitel wird der modernen, dreidimensionalen Prozesssimulation in Maschinen- und Fahrzeugmodulen gewidmet. Der Autor Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Dr. h. c. mult. Cornel Stan lehrt Technische Thermodynamik, Verbrennungsmotoren und Alternative Antriebssysteme an den Universitäten Paris (F), Pisa (I), Perugia (I), Berkeley (USA) sowie an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (D), an der er auch als Vorstandsvorsitzender des dortigen Forschungs- und Transferzentrums wirkt. Die Forschungsgebiete von Professor Stan, der Luftfahrttechnik studierte, die Promotion auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren und die Habilitation in der Kraftfahrzeugtechnik erlangte, umfassen die Kraftfahrzeug-Antriebssysteme, die Direkteinspritzverfahren, die Simulation thermodynamischer Vorgänge, die Verbrennungsprozesse, die alternativen Kraftstoffe und das Energiemanagement im Kraftfahrzeug. Er ist Autor oder Mitautor zahlreicher Bücher, Artikel und Patente. Prof. Stan ist Doctor Honoris Causa der Universität Transilvania von Kronstadt, Rumänien und Fellow of the Society of Automotive Engineers - SAE International. Vorwort......Page 5 Inhaltsverzeichnis......Page 7 Liste der Formelzeichen......Page 13 1.1 Gegenstand und Untersuchungsmethodik......Page 20 1.2 Thermodynamisches System......Page 23 1.3 Austausch zwischen System und Umgebung......Page 25 1.4 Thermische Zustandsgrößen; Thermische Zustandsgleichungen......Page 28 1.5 Thermodynamische Zustandsänderungen......Page 33 1.6 Anwendbarkeit von Differentialquotienten der Zustandsgrößen......Page 36 1.7 Reversible und irreversible Zustandsänderungen......Page 38 1.8.1 Volumenänderungsarbeit......Page 40 1.8.2 Druckänderungsarbeit......Page 48 1.8.3 Wärme......Page 54 Anwendbarkeit von Differentialquotienten der Zustandsgrößen......Page 57 Reversible und irreversible Zustandsänderungen......Page 64 Volumenänderungs- und Druckänderungsarbeit......Page 70 Fragen zu Kapitel 1......Page 82 Aufgaben zu Kapitel 1......Page 83 Lösungen zu den Fragen von Kapitel 1......Page 85 Lösungen zu den Aufgaben von Kapitel 1......Page 87 Literatur zu Kapitel 1......Page 92 2.1 Einführung; Erläuterung......Page 94 2.2 Energiebilanz für Zustandsänderungen in geschlossenen Systemen; Innere Energie......Page 97 2.2.1 Innere Energie......Page 99 2.3 Energiebilanz für Zustandsänderungen in offenen Systemen (stationäre Prozesse); Enthalpie......Page 103 2.3.1 Enthalpie......Page 106 2.3.2 Gegenüberstellung der inneren Energie und der Enthalpie......Page 109 2.4 Energiebilanz auf Basis der Enthalpie für Zustandsänderungen in geschlossenen und in offenen Systemen......Page 110 2.5.1 Elementare Prozesse in geschlossenen Systemen......Page 112 2.5.2. Elementare Prozesse in offenen Systemen......Page 115 Energiebilanz, Innere Energie, Enthalpie......Page 120 Fragen zu Kapitel 2......Page 130 Aufgaben zu Kapitel 2......Page 131 Lösungen zu den Fragen von Kapitel 2......Page 132 Lösungen zu den Aufgaben von Kapitel 2......Page 134 Literatur zu Kapitel 2......Page 137 3.1.1 Thermische Zustandsgleichung für ideale Gase......Page 139 3.1.2 Universelle (allgemeine; molare) Gaskonstante......Page 142 3.1.3 Molar-spezifische Größen......Page 144 3.1.4 Normkubikmeter......Page 145 3.1.5 Reale Gase......Page 146 3.2.1 Gesetz der inneren Energie bei idealen Gasen (Joule)......Page 148 3.2.2 Formen der spezifischen Wärmekapazität......Page 149 3.2.3 Zusammenhang der spezifischen Wärmekapazität bei konstanten Volumen und bei konstanten Druck......Page 154 3.3 Das ideale Gasgemisch......Page 157 3.3.1 Die Gaskonstante eines Gasgemisches......Page 158 3.3.2 Molare Masse, Dichte, Zusammenhänge der Massen- und Volumenanteile......Page 161 3.3.3 Innere Energie, Enthalpie und spezifische Wärmekapazität eines Gasgemisches......Page 164 3.4.1 Isochore Zustandsänderung (V = konst.)......Page 167 3.4.2 Isobare Zustandsänderung (p = konst.)......Page 171 3.4.3 Isotherme Zustandsänderung (T = konst.)......Page 175 3.4.4 Adiabate Zustandsänderung ( pVk = konst.)......Page 178 3.4.5. Polytrope Zustandsänderung (pVn = konst.)......Page 184 Zustandsänderungen in Gasen und Gasgemischen......Page 191 Fragen zu Kapitel 3......Page 219 Aufgaben zu Kapitel 3......Page 220 Lösungen zu den Fragen von Kapitel 3......Page 222 Lösungen zu den Aufgaben von Kapitel 3......Page 225 Literatur zu Kapitel 3......Page 233 4.1 Formulierungen......Page 235 4.2 Thermischer Wirkungsgrad......Page 238 4.3 Entropie reversibler (idealer) Prozesse......Page 240 4.4 Entropie irreversibler (natürlicher) Prozesse......Page 250 4.5 Berechnung der Entropie......Page 255 4.6.1 T,s-Diagramme (Wärmediagramme)......Page 258 4.6.2.1 Isochore (Bild 4.10):......Page 262 4.6.2.2 Isobare (Bild 4.11):......Page 263 4.6.2.3 Isotherme (Bild 4.12):......Page 264 4.6.2.4 Isentrope (Bild 4.13):......Page 265 4.6.2.5 Polytrope (Bild 4.14):......Page 266 4.6.3 u,s- und h,s-Diagramme......Page 267 4.7 Exergie und Anergie......Page 269 Berechnung der Entropie in thermodynamischen Vorgängen......Page 271 Fragen zu Kapitel 4......Page 282 Aufgaben zu Kapitel 4......Page 283 Lösungen zu den Fragen von Kapitel 4......Page 284 Lösungen zu den Aufgaben von Kapitel 4......Page 287 Literatur zu Kapitel 4......Page 289 5.1.1 Rechtslaufende Kreisprozesse......Page 291 5.1.2 Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen mit sukzessiven Zustandsänderungen......Page 293 5.1.3 Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen mit simultanen Zustandsänderungen......Page 310 5.2.1 Linkslaufende Kreisprozesse......Page 317 5.2.2 Kreisprozesse in Kältemaschinen......Page 319 5.2.3 Kreisprozesse in Wärmepumpen (Heizanlagen)......Page 326 Kreisprozesse in Wärmekraftmaschinen......Page 328 Fragen zu Kapitel 5......Page 358 Aufgaben zu Kapitel 5......Page 360 Lösungen zu den Fragen von Kapitel 5......Page 363 Lösungen zu den Aufgaben von Kapitel 5......Page 370 Literatur zu Kapitel 5......Page 385 6.1 Phasen und Komponenten eines Dampfes......Page 387 6.2 Diagrammdarstellungen der Zustands- und energetischen Größen eines Dampfes......Page 391 6.3.1 Rechtslaufende Kreisprozesse mit Dampf in Kraftanlagen......Page 400 6.3.2 Linkslaufende Kreisprozesse mit Dampf in Klimaanlagen......Page 402 6.3.3 Linkslaufende Kreisprozesse mit Dampf in Wärmepumpenanlagen......Page 404 6.3.4 Drosselung von Nassdampf......Page 405 6.4.1 Kenngrößen der Gas-Dampf-Gemische......Page 407 6.4.2 Kenngrößen der Gas-Dampf-Gemische in Diagrammform......Page 416 6.4.3 Zustandsänderungen der feuchten Luft in der Technik......Page 419 Dampf und Gas-Dampf-Gemische......Page 430 Fragen zu Kapitel 6......Page 441 Lösungen zu den Fragen von Kapitel 6......Page 442 Literatur zu Kapitel 6......Page 446 7.1 Kraftstoffe......Page 448 7.2 Kraftstoff-Luft-Gemische......Page 455 7.3 Heizwerte......Page 457 7.4.1 Verfahren zur Verbrennungsrechnung......Page 466 7.4.2 Stöchiometrischer Luftbedarf......Page 469 7.4.3 Zusammensetzung der Abgaskomponenten bei vollständiger Verbrennung......Page 471 7.4.4 Zusammensetzung der Abgaskomponenten bei unvollständiger Verbrennung......Page 475 7.5 Ablauf der Verbrennungsreaktionen......Page 481 7.6 Verbrennungsformen in Otto- und Dieselmotoren......Page 490 Verbrennung......Page 501 Fragen zu Kapitel 7......Page 512 Aufgaben zu Kapitel 7......Page 513 Lösungen zu den Fragen von Kapitel 7......Page 515 Lösungen zu den Aufgaben von Kapitel 7......Page 522 Literatur zu Kapitel 7......Page 536 8.1 Arten der Wärmeübertragung......Page 539 8.2.1 Elementares Modell der Wärmeleitung......Page 542 8.2.2 Wärmeleitung durch eine ebene Wand......Page 545 8.2.3 Wärmeleitung durch Rohrwände......Page 548 8.3.1 Elementare Modelle der Konvektion......Page 551 8.3.2 Grundlagen der Ähnlichkeitstheorie im Bezug auf die Konvektion......Page 557 8.3.3 Wärmetauscher......Page 564 8.4.1 Elementare Modelle der Wärmestrahlung......Page 566 8.4.2 Wärmeübertragung durch Strahlung zwischen Körperoberflächen......Page 575 Wärmeleitung......Page 577 Konvektion......Page 581 Strahlung......Page 586 Fragen zu Kapitel 8......Page 589 Aufgaben zu Kapitel 8......Page 590 Lösungen zu den Fragen von Kapitel 8......Page 591 Lösungen zu den Aufgaben von Kapitel 8......Page 595 Literatur zu Kapitel 8......Page 598 9.1.1 Arbeitsmedium......Page 600 9.1.2 Verhalten des Arbeitsmediums in thermodynamischen Prozessen......Page 602 9.2.1 Druckmessung......Page 603 9.2.2 Temperaturmessung......Page 607 9.2.3 Feuchtemessung......Page 610 9.2.4 Wegmessung......Page 611 9.3 Ermittlung von Zustandsänderungen......Page 613 Literatur zu Kapitel 9......Page 616 10.1 Einführung......Page 618 10.2 Ablauf der Modellierung mittels numerischer Simulation......Page 626 10.2.1 Modularisierung des physikalischen Systems......Page 627 10.2.2 Mathematische Formulierung......Page 630 10.2.3 Diskretisierung......Page 632 10.3.1 Luftströmung am Einlass des Zylinders......Page 635 10.3.2 Einfluss konstruktiver Parameter auf Massenströme in und aus einem Motorzylinder......Page 641 10.3.3 Direkteinspritzung des Kraftstoffes in den Brennraum eines Kolbenmotors und Bildung eines Kraftstoff- Luftgemisches......Page 643 10.3.4 Verbrennung eines Kraftstoff- Luft- Gemisches im Brennraum eines Kolbenmotors......Page 651 10.3.5 Simulation eines gesamten Motorprozesses, von Ladungswechsel, Kraftstoffdirekteinspritzung und Gemischbildung bis zur Verbrennung, mittels gekoppelter ein- und dreidimensionalen Programme......Page 654 10.3.6 Simulation eines Kühlmittelkreislaufes im Kraftfahrzeug......Page 662 Literatur zu Kapitel 10......Page 670 11.1 Einführung......Page 673 11.2 Kohlendioxidfressende Otto- und Dieselmotoren......Page 674 11.3 Wärme, Strom und Kraftstoff aus Müll......Page 678 11.4 Wärme, Strom und Kraftstoff aus Biogas......Page 681 11.5 Wärmepumpen mit Abwasser und wirkungsgradmaximierte Verbrennungsmotoren......Page 687 11.6 Mensch und Motor: Energieverbrauch und Kohlendioxidemission im Vergleich......Page 693 Literatur zu Kapitel 11......Page 701 Verzeichnis angeführter Thermodynamiker......Page 703 Sachwortverzeichnis......Page 707 Die Technische Thermodynamik ist die tragende Säule der Klimaneutralität, weil auf ihren Hauptgebieten, Energieumwandlung und Energieübertragung in technischen Systemen, die Energieformen Wärme und Arbeit, ihr Austausch und die Verbrennung sowohl klassischer als auch recyclebarer Energieträger analysiert, berechnet und optimiert werden. Das Hauptanliegen dieses Lehrbuches ist, Studenten und Entwicklungsingenieuren in den Bereichen Maschinen- und Kraftfahrzeugbau geeignete Werkzeuge und phänomenologische Methoden zu verschaffen die sie in die Lage versetzen, umweltfreundliche technische Systeme und Prozesse zu gestalten. Die Formeln werden stets vom physikalischen Vorgang bis zur Endform abgeleitet, Formelbrüche und Koeffizienten ohne Zusammenhang mit der Ableitung werden streng vermieden - damit wird das logische Denken angeregt und gefördert. In jedem Kapitel werden gelöste Übungen, aber auch Fragen und Aufgaben mit Antworten und Lösungen am Kapitelende angeboten. Das Buch enthält, für alle dargestellten Prozesse und Systeme zahlreiche konkrete Beispiele mit Farbbildern von entsprechenden Anlagen: Motoren- und Turbolader Schnitte, Klimaanlagen, Kraftwerke, Brennräume mit Flammenvisualisierung, zahlreiche Maschinenbaukomponenten. Ein Kapitel wird der modernen, dreidimensionalen Prozesssimulation in Maschinen- und Fahrzeugmodulen gewidmet. Der Autor Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Dr. h. c. mult. Cornel Stan lehrt Technische Thermodynamik, Verbrennungsmotoren und Alternative Antriebssysteme an den Universitäten Paris (F), Pisa (I), Perugia (I), Berkeley (USA) sowie an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (D), an der er auch als Ehrenvorsitzender des dortigen Forschungs- und Transferzentrums wirkt. Die Forschungsgebiete von Professor Stan, der Luftfahrttechnik studierte, die Promotion auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren und die Habilitation in der Kraftfahrzeugtechnik erlangte, umfassen die Kraftfahrzeug-Antriebssysteme, die Direktei Thermodynamische Prozesse laufen auf fast allen Ebenen des Kraftfahrzeugs ab: Antriebssystem, Aufladung, Kühl- und Heizkreislauf, Klimaanlage, Aerodynamik, Dämpfungs- und Einspritzsystem, Auspuff- und Bremsanlage sowie Reifen. In dem Buch werden die theoretischen Grundlagen der Thermodynamik und ihre mathematische Darstellung mit der Kraftfahrzeugtechnik verknüpft. Beispiele erleichtern Kraftfahrzeugingenieuren wie Studierenden das Verständnis und die Anwendung des Grundlagenwissens. Neuauflage mit weiteren Übungsbeispielen und vertiefenden Fragen. Thermodynamische Prozesse laufen auf fast allen Ebenen des Kraftfahrzeugs ab: Antriebssystem, Aufladung, Kuhl- und Heizkreislauf, Klimaanlage, Aerodynamik, Dampfungs- und Einspritzsystem, Auspuff- und Bremsanlage sowie Reifen.