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Vorlesung „Energiesysteme“
Hochschullehrer: Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmidt (G10-136; Tel. 18575)Prof. Dr.-Ing. Eckehard Specht (G10-134; Tel. 18765)
Übungsleiter: Dr.-Ing. Jörg Sauerhering (G10-122; Tel. 12574)Dr.-Ing. Hermann Woche (G15-109; Tel. 12421)
Inhalt (Teil 1: Thermodynamische Grundlagen)
1. System – Zustands- und Prozessgrößen2. Zustandsverhalten einfacher Systeme (ideale Flüssigkeiten und Gase)3. Geschlossene Systeme und 1. Hauptsatz4. Bilanzierung offener Systeme und technische Anwendungen5. Prozessbewertung und 2. Hauptsatz6. Kreisprozesse und Energiewandlung7. CARNOT-Prozess (WKM, KM und WP)
Abschluss des Faches: Prüfungsklausur (2 h) mit gestuften Noten(zugelassene Hilfsmittel: Formelsammlung Thermo-dynamik/Faltblatt; einfache, nicht programmierbare Taschenrechner)
Informationen, Hinweise, Arbeitsmaterial: www.ltt.ovgu.de
Literaturempfehlung
H. D. Baehr: Thermodynamik. Springer-Verlag, Berlin
F. Bosnjakovic; Technische Thermodynamik, Teil 1.K. F. Knoche: Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig
N. Elsner: Grundlagen der Technischen Thermodynamik. Akademie-Verlag, Berlin
H. K. Iben; Starthilfe ThermodynamikJ. Schmidt: B. G. Teubner Stuttgart, Leipzig
ISBN 3-519-00262-0
P. Stephan;K. Schaber; Thermodynamik, Grundlagen und technische K. Stephan; AnwendungenF. Mayinger: (Bd. 1), Springer-Verlag, Berlin
G. Cerbe; Einführung in die ThermodynamikH.-J. Hoffmann: Carl Hanser Verlag, München WienJ. Schmidt: Einführung_in_die_Wärmeübertragung.pdf
(Downloadbereich des Lehrstuhls)
Skript „Einführung_in_die_Wärmeübertragung.pdf“(http://www.uni-magdeburg.de/isut/TD/thermo.html)
Kapitel 1: System – Zustands- und Prozessgrößen
EnergiesystemeEnergieübertragung
EnergiewandlungBeispiele
• energetische Bewertung
• Verbesserung Energieeffizienz
Thermodynamische Grundlagen
Thermodynamik:
• allgemeine Energielehre
• Gegenstand und Bedeutung
Cugnot‘s Straßen-Locomotive (1769)
R. Wolf‘s (Magdeburg-Buckau) Zweizylindrige Hochdruck-Locomotive mit Tragfüßen
Beispiele Motor, Gasturbine
- ca. 40 m Rotordurchmesser:etwa 500 bis 600 kW Nennleistung
- ca. 70 bis 90 m Rotordurchmesser:etwa 1,5 bis 3 MW Nennleistung
- ca. 112 bis 126 m Rotordurchmesser:etwa 4,5 bis 6 MW Nennleistung
Windrad
Leitung zwischen Ober-/Unterbecken
- Anzahl: 2- Länge: 383 m- Durchmesser: 3,4 m- mittlere Fallhöhe: 126 m
Pumpspeicher-Kraftwerk Wendefurth
Maschinenhaus
Hangrohrleitung
Maschinensätze (zwei):
- Turbinen (Francis) Nenndurchfluss: 39 m3/s- Pumpen (Francis) Nennförderung: 26 m3/s- Nennleistung im Turbinenbetrieb: 40 MW- Nennleistung im Pumpenbetrieb: 36 MW
Heizkraftwerk (Hannover)
Geschlossenes System Offenes System
1.1 Einteilung von Systemen
adiabates System: δQ = 0
Übertragung von abgeschlossen geschlossen offenMasse - - xEnergie - x x
Nach Art der Systemgrenze
Beispiele offener Systeme
Gasturbine Wärmeübertrager Verdichter mit Kühler
zunächst Betrachtung geschlossener Systeme
1.2 Systemzustand
Systemcharakterisierung phys. Größen Zustand
Gleichgew.reproduzierbare
Einstellung
Zustandsbeschreibung mit wenigenmakroskopischen/messbaren Größen (klassische Thermodynamik)
(z. B. 2 unabhängige Größen bei einfachen thermodynamischen Systemen im Gleichgewicht z. B. v, ρ, u, (T,p))
Abgeschlossenes Gesamtsystem
A B A Bp p , T T
A Bp p p f x,y,z mech. Gl.
t 0 :
t :
A BT T T f x,y,z therm. Gl.
Gleichgewicht
1.3 Zustandsänderung und Prozess
Zustandsgrößen: p, v, T, u, …; (wegunabhängig)
Prozessgrößen: W12, Q12; (wegabhängig) 2
112WW
2
2 11
dp p p
Anfangszustand Endzustand
p1, V1 p2, V2
Beispiel: Luft im geschlossenen Raum (Zeitpunkt t=0: TR = TU, δQV = 0)
Energetische WechselwirkungenSystem/Umgebung:
- Arbeit δW
- Wärme δQdU
• Anwendung des 1. Hauptsatzes/Energiebilanz:
• Zustandsänderung der Luft:
Zustandsgleichungen
stoffabhängig
ideale Gase Flüssigkeiten
• stationärer und instationärer Prozess
Umg eldE P dt Heiz
Vent
UI dt QUI dt W
W Q
Umg SystemdE W Q dU
VdU Mdu mit u u T,vM
stationärer und instationärer Prozess
U,THeizung an Heizung aus
instationärer Prozess
stationärer Prozess
instationärer Prozess
t
12 3 4
V R v Hz.B. Q 0, W 0 : dU Mc dT Q dt
T T t
Problemlösung unter Anwendung von
- Energieerhaltungsprinzip / 1. Hauptsatz / Energiebilanz
- Zustandsgleichungen
- kinetische Ansätze des Wärmetransportes
dU Q W
energetische f u,T,v 0
thermische p,v,T 0
stoffabhängig!!!
QQ k A Tt
TransportkoeffizientÜbertragungsfläche
Triebkraft
1.4. Die Wärme als Form der Energieübertragung
|Q|dUdU:0W AB
a: thermodynamisches System b: Kontinuum
Stromlinien
Symbol Definition Einheit
Wärme Q12 J
Spezifische Wärme q12
Wärmestrom
Wärmestromdichte
Q
q
MQq 12
12
dtQQ
tAQ
dAQq
n
2
n
kgJ
W,sJ
2mW
Wärme und abgeleitete Größen
Arten des Wärmetransportes
1.Wärmeleitung
Transport thermischer Energie durch ungeord-nete Molekularbewegung: gekoppelte Gitterschwin-gungen (Phononen-transport), bewegliche Ladungsträger
2. Strahlung
Elektromagnetischer Schwingungsvorgang (Photonentransport) nicht an ein stoffli-ches Trägermedium gebunden
Konvektion
Energietransport ge-bunden an die ma-kroskopische Bewe-gung eines meist fluiden Mediums:• freie oder • erzwungene Konv.
Tgradq 4Te ,fW TTq
1
1 Zeichnungen nach Öszisik
Wärmedurchgang
1,fl2,fl TTkAQ Fluid 1 Fluid 2
WÜ
WD
WÜWL
(Konv., Str.) (Konv., Str.)
α1 α2s,
Tfl,1 Tfl,2 < Tfl,1
k: Wärmedurchgangskoeffizient in
k = f (, s, α1, α2)
α: Wärmeübergangskoeffizient
α = f (Geometrie, Oberfläche,
Strömungsform, ) flp ,,c,,v
2
Wm K
Beispiel „Fußbodenheizung“
1. Eine Halle mit 500 m2 Grundfläche soll mit einer Fußbodenheizung ausgestattet werden, die mit einer mittleren Temperatur von w,m = 33 °C betrieben wird.
a) Wie viel Prozent der Bodenfläche müssen als Heizfläche genutzt werden, um bei -15 °C Außentemperatur eine Innentemperatur von 18 °C zu gewährleisten?
b) Welche Innenwandtemperatur stellt sich dann ein?
c) Wie viel Wasser muss stündlich durch das Heizsystem strömen, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf 5 K beträgt und die Verluste in das Erdreich vernachlässigt werden?
Die Berechnung soll unter vereinfachenden Annahmen mit den folgenden Parametern erfolgen.
Außenwandfläche (einschließlich Dach): 1000 m2
mittlerer Wärmeleitkoeffizient der Außenwand: = 0,4 Wm-1K-1
mittlere Wanddicke: s = 0,24 m Wärmeübergangskoeffizienten: αw,a = 12 Wm-2K-1 (Wand außen)
αw,i = 8 Wm-2K-1 (Wand innen) kF = 10 Wm-2K-1 (Fußboden)
Beispiel 1: Fußbodenheizung
C18i,f
C33,k m,WF
i
WÜ (Konv., Str.)a
C15a,f
.VerlQ
WMaus,W
WD
ausu
WMein,W
einuIsolierung
Bilanzgrenze
geg.: AWand,ges = 1000 m2
AF = 500 m2
W,aus = W,ein - 5 K
Wand = 0,4 W(mK)-1
sWand = 0,24 m
αa = 12 Wm-2K-1
αi = 8 Wm-2K-1
kF = 10 Wm-2K-1
ges.: a) notwendige Heizfläche AH
b) Innenwandtemperatur Wand,i
c) Heizwasserstrom WM
Beginn des Heizens Stationärer Zustand
auseinW.Verl uuMQ
i,f
a,fi,f t
stat.
Ergebnisse: a) AH = 273 m2 = 55 % von AF
b) Wand,i 13 °C
c) s/kg2MW
HQ