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THERMODYNAMIK 1&2 Patrik Rohner, 24. Juni 2009 (rev. 15. Juli 2010) [email protected] THERMODYNAMIK 1 -- KONZEPTE UND DEFINITIONEN KONSTANTEN - Avogadro-Zahl N A =6.022 10 26 1 kmol - Bolzmannkonstante k B =1.38 10 23 J K - Gaskonstante R=R 0 =8.314 kJ kmol K =N A ∙k B - Normdruck p 0 =101325 Pa=1.01325 ¯ ¿ - Normalfallbeschleunigung g 0 =9.81 ms 2 - Normtemperatur T 0 =298 K≅ 25 °C - Tripelpunkt Wasser T c =273.16 K=0.01 °C EINHEITEN - Molmasse M : [ kg kmol ] N= m M ∙N A =n∙N A - Druck p : [ N m 2 ] =[ Pa ] 1 ¯ ¿ 10 5 Pa - Spezifisches Volumen v= V m = 1 ρ [ m 3 kg ] 1 l=0.001 m 3 - Innere Energie U : [ kJ ] ,u : [ kJ kg ] , u : [ kJ kmol ] - Enthalpie H : [ kJ ] ,h : [ kJ kg ] , h : [ kJ kmol ] - Entropie S : [ kJ K ] ,s : [ kJ kgK ] , s : [ kJ kmolK ] - Gaskonstante R : [ J kgK ] = R∙ 1000 M ,R : [ kJ kgK ] = R M - Kraft F : [ N ]=[ kg m s 2 ] - Energie E : [ J ]=[ kg m 2 s 2 ] - Exergie Ex : [ J ]=[ kgm 2 s 2 ] - Leistung P : [ W ]=[ J s ]=[ kgm 2 s 3 ] - Arbeit W = Fds= V 1 V 2 p ( v ) dV [ Nm ] =[ J] - Kinetische Energie KE= 1 2 mw 2 - Potentielle Energie PE= mgz W > 0 Vom System geleistete Arbeit = abgeführte Arbeit W < 0 Am System geleistete Arbeit = zugeführte Arbeit Q > 0 Dem System zugeführte Wärme Q < 0 Vom System abgegebene Wärme SI-PRÄFIXE P Peta- 10 15 k Kilo- 10 3 m Milli - 10 3 T Tera- 10 12 h Hekto - 10 2 μ Mikro - 10 6 G Giga- 10 9 d Dezi- 10 1 n Nano- 10 9 M Mega- 10 6 c Zenti - 10 2 p Pico- 10 1 Zustandsgrössen Thermisc he - Druck p - Temperatur T - Volumen V - Masse m - Stoffmenge n Kalorisc he - Innere Energie U (T, (E pot )) - Entropie S (T,p) - Enthalpie H (T,p) Prozessgrössen - Wärme Q - Arbeit W Intensive Grössen: ändern ihre Werte bei der gedachten Teilung des (homogenen) Systems nicht (p,T) Extensive Grössen: Sind auf Masseneinheiten bezogen (m, V) Spezifische Grössen: x= X m extensive Zustandsgrössen in intensive umgewandelt: Molare Grössen u : U=n∙ u= m M u,u= u M Bezieht sich auf N A Moleküle. Bsp: Molares Volumen v= M ρ [ m 3 kmol ] THERMODYNAMISCHES SYSTEM Seite 1

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THERMODYNAMIK 1&2Patrik Rohner, 24. Juni 2009 (rev. 15. Juli 2010)

[email protected]

THERMODYNAMIK 1 --

KONZEPTE UND DEFINITIONEN

KONSTANTEN

- Avogadro-Zahl N A=6.022 ∙1026 1kmol

- Bolzmannkonstante k B=1.38 ∙10−23 JK

- Gaskonstante

R=R0=8.314 kJkmol K

=N A ∙ kB- Normdruck p0=101325 Pa=1.01325 ¿- Normalfallbeschleunigung g0=9.81ms−2

- Normtemperatur T 0=298K ≅ 25 °C- Tripelpunkt Wasser T c=273.16K=0.01 ° CEINHEITEN

- Molmasse M : [ kgkmol ]

N= mM∙ N A=n∙ N A

- Druck p :[ Nm2 ]= [Pa ]1 ¿105Pa

- Spezifisches Volumen v=Vm= 1ρ[m

3

kg]

1 l=0.001m3

- Innere Energie U : [kJ ] , u :[ kJkg ] , u :[ kJkmol

]

- Enthalpie H : [kJ ] , h :[ kJkg ] , h :[ kJkmol

]

- Entropie

S :[ kJK ] , s :[ kJkgK ] , s : [ kJkmolK ]

- Gaskonstante

R :[ JkgK ]= R ∙1000

M,R : [ kJkgK ]= R

M

- Kraft F : [N ]=[ kg ms2 ]

- Energie E : [J ]=[ kgm2

s2 ]

- Exergie Ex : [J ]=[ kg m2

s2 ]

- Leistung P : [W ]=[ Js]=[ kgm

2

s3 ]

- Arbeit

W=∫ F ds=∫V 1

V 2

p (v ) dV [Nm ]=[J ]

- Kinetische Energie KE=12mw2

- Potentielle Energie PE=mgz

W>0 Vom System geleistete Arbeit = abgeführte Arbeit

W<0 Am System geleistete Arbeit = zugeführte Arbeit

Q>0 Dem System zugeführte Wärme

Q<0 Vom System abgegebene Wärme

SI-PRÄFIXE

P Peta- 1015 k Kilo- 103 m Milli- 10−3

T Tera- 1012 h Hekto- 102 μ Mikro- 10−6

G Giga- 109 d Dezi- 10−1 n Nano- 10−9

M Mega- 106 c Zenti- 10−2 p Pico- 10−12

Zustandsgrössen

Thermische- Druck p - Temperatur T- Volumen V - Masse m- Stoffmenge n

Kalorische - Innere Energie U (T, (Epot))- Entropie S (T,p) - Enthalpie H (T,p)

Prozessgrössen- Wärme Q - Arbeit W

Intensive Grössen: ändern ihre Werte bei der gedachten Teilung des (homogenen) Systems nicht (p,T)

Extensive Grössen: Sind auf Masseneinheiten bezogen (m, V)

Spezifische Grössen: x= Xm

extensive Zustandsgrössen in intensive

umgewandelt:

Molare Grössen u :U=n∙u=mM∙u ,u= u

M

Bezieht sich auf N A Moleküle. Bsp: Molares Volumen

v=Mρ[ m3

kmol]

THERMODYNAMISCHES SYSTEM

Massenstrom-System- geschlossenes System: Anz. im System enthaltene Moleküle konst.- offenes System: Es fliessen Massenströme über die Syst. Grenze

Wärmestromsystem- adiabates Systeme: Keine thermische E über Syst. Grenze = isoliert- diathermes Systeme: nicht isoliert

physikalisch-chemisches System- homogenes System: physikalische und chemische

Zusammensetzung ist überall gleich.- heterogenes System: Bsp: Mineralien ein nur chemisch homogenes System kann auch 2 Phasen

beinhalten; das System [H2O (l) und H2O (g)] ist chemisch homogen aber phisikalisch heterogen

Nullter Hauptsatz: Wenn sich zwei Systeme mit einem dritten im Gleichgewicht befinden, sind sie auch untereinander im thermischen GG.

ELEMENTE DER KINETISCHEN GASTHEORIEPerfektes Gas Ideales Gas Realgas

Innere Energie

U U=Eth U=Eth+Em, pot

Therm. Energie

EthEth=∑

i=1

N mM

2∙wi

2

Temperatur T T=13Eth

NT=1

fE th

N

N= mM∙ N A n=

mM∙ N A ∙

1Vρ=m

Vv=V

m Thermische Energie Bewegung aller Moleküle (Translation, Rotation,

Oszillation) ergibt eine endliche Menge von kinetischer E = Eth

Eth=∑i=1

N mM

2∙wi

2 ,Eth=Eth

N=mM

2∙wi

2 , eth=Et h

N ∙mM=wi

2

2 Wärme Q Über Systemgrenze transportierte thermische Energie. Abs. Temperatur Die Temperatur ist gleich der thermischen Energie

dividiert durch die Anz. Freiheitsgrade.

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2Phasenraum

Isotherme

v

Isobare

gesättigter flüssiger Zustand

trocken gesättigter Dampf

v

Eth=N ∙f2kb ∙T ,E th=

f2kb ∙ T ,e th=

f2kb ∙ TmM

k b beschreibt die Umrechnung der Temp. als Energie in J nach Kelvin.

Innere Energie bei perfekten Gasen △U=△E th

u=32RT

Innere Energie bei idealen Gasen △U=△E th

u= f2RT f : Anz. Freiheitsgrade. Daraus folgt : cv=

f2R und

c p=( f2+1)R c p−cv=R gilt weiterhin (auch bei realen

Gasen)

Einatomig: f=3 Bsp: He (Translation in 3 Richtungen)Zweiatomig: f=5 Bsp: O2, N2 (Translation und Rotation)Dreiatomig: f=5 Bsp: CO2 (Translation und Rotation)Dreiatomig: f=12 Bsp: CO2 (ab 1800K auch Oszillation)

Innere Energie bei realen Gasen △U=△E th+△ Epot Druck Kraftwirkung der Moleküle bezogen auf eine Flächeneinheit.

p0=13∙m ∙n ∙w0

2 , p=n∙k B ∙ T , p∝T ,n

Enthalpie bei perfekten Gasen h=u+ pv=52RT

Enthalpie bei idealen Gasen h=u+ pv=( f2+1)RT

Enthalpie bei realen Gasen ist in Tabellen nachzuschlagen

1. HAUPTSATZ: ENERGIE EINES SYSTEMS

Energie im System: E=KE+PE+U bleibt konstant.U ist die innere Energie und umfasst Wärme-, Elektrische-, Bindungs-E, …

ΔE=Q−W=Q−∫ pdV=∆KE+∆PE+∆U

mit ∆ KEund ∆ PE vernachlässigt:

△U=Q−W=Q−∫ pdV

DER ERSTE HAUPTSATZ ALS LEISTUNGSBILANZ

dEdt

=Q−W dUdt

=mc dTdt

U (T 2 )−U (T 1 )=m∫T 1

T 2

c (T )dT

ENERGIEANALYSE VON KREISPROZESSEN

QKP=W KP △U=0

DIE P-V-T-BEZIEHUNG

Dampfmassenteil:

x=v x−v fv g−v f

=mx−m f

mg−mf⋯TR∷ xvap (v , v f , vg)

2-Phasenraum: v ( x ,T )=x ∙ vg (T )+(1−x )∙ v f (T )

Linear Interpolieren: y=y2− y1

x2−x1(x−x1 )+ y1

TR∷ ipl (x1 , x , x2 , y1 , y2 )

DIE IDEALE GASGLEICHUNG

pv=RT pV=mRT pV=n RT

p=ρRT ρ=1vR= R

M U=U (T ) c p−cv=R

IDEALE GASE: POLYTROPE ZUSTANDSÄNDERUNGEN

p ∙V n=konst T2

T1=(

p2

p1)n−1n =(

V 1

V 2)n−1

W=∫V 1

V 2

p (V )dV

n: Polytropenkoeffizient

Für ideale Gase gilt: u (T ) , h(T )

Folgende Formeln gelten nur für ideale Gase

n=1 ISOTHERMER PROZESS

T=const .→ p ∙V=const .

W 12=p1V 1⋅ ln (V 2

V 1)=mRT ⋅ ln(V 2

V 1)

W 12=p1V 1⋅ ln( p1

p2)=mRT ⋅ ln( p1

p2)

W 12=p2V 2⋅ ln (V 2

V 1)=p2V 2⋅ ln( p1

p2)

∆U=0⟹Q12=W 12

n=0 ISOBARER PROZESS

p=const .→T /V=const .W 12=p1 (V 2−V 1 )

W 12=m p1 (v2−v1 )=mR (T2−T1 ) T 1

V 1=T2

V 2

∆Q=∆ H=m∙c p∙∆T

n=∞ ISOCHORER PROZESS

V=const .→T / p=const .

W 12=0T1

p1=T 2

p2

∆U=Q12→Q12=m(u2−u1)

Q12=m∙cV ∙(T 2−T 1)

p T

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ISENTHALPER PROZESSH=const .→U+ p ∙V=const .∆ H=0→H1=H 2

dH=d (U+ pV )=dU+d ( pV )=mcV dT+mRdT=mc pdT

dH=0=mc pdT→dT=0⇛ im idealen Gas auf der Isothermen!

n=κ ISENTROPER PROZESS

S=const .→ p ∙V κ=const . Isentrop = adiabatisch und reversibel

n=κ=c pcv

Q12=0

p ∙V κ=const .T ∙V κ−1=const .

p1−κ ∙T κ=const .∆U=−W 12→W 12=U1−U2

W 12=m ∙(u¿¿1−u2)¿

W 12=m ∙cV ∙(T 1−T 2)

W 12=m∙ Rκ−1

∙(T 1−T 2)

W 12=p1V 1

κ

1−κ∙ [V 2

1−κ−V 11−κ ]

W 12=p1V 1

1−κ∙ [( p1

p2)1−κκ −1]

n≠1 ALLGEMEINER PROZESS

p ∙V n=const .p ∙V n=const .

T n ∙ p1−n=const .

T ∙vn−1=const .

W 12=R ∙m1−n

(T 2−T1)

W 12=p2V 2−p1V 1

1−n

W 12=p1V 1

n

1−n (V 21−n−V 1

1−n )

REALE GASE: POLYTROPE ZUSTANDSÄNDERUNGENAllgemein:

ΔU=m(u2−u1)=m(cv2T 2−ucv1T 1)

Isotherm: ΔU=Q−W⟺W=Q−ΔUIsobar: W 12= p1 (V 2−V 1 )=m p1(v2−v1)

Isochor: W 12=0

Isentrop/adiabat: ΔQ=0

THERMODYNAMISCHE ZUSTANDSDATEN

Enthalpie (Wärmefunktion) H=U+ pV h=Hm=u+ pv

pV ist die Arbeit die nötig ist um das Volumen V des Systems gegen die Wirkung des Aussendrucks p aufzuspannen.

Verdampfungsenthalpie h fg=hg−h fEnergie die nötig ist um ein Fluid unter konst. Druck und Temp gasförmig zu machen.

Wärmemenge △Q=m∙c ∙△TSpezifische Wärmekapazität c Energie die nötig ist um 1kg der Masse um 1K zu erwärmen. Man unterscheidet zwischen cvund c p:

Wärmezufuhr bei konstantem Volumen (isochore Wärmekap.)

cv=( ∂U∂T

)v[ kJkg K

] (Verwenden in Verbindung

mit u)

du=( ∂U∂T

)v⏟

cv

d T+¿ ( ∂U∂ v

)Tdv bei dv=0

⇒du=cv dT

Wärmekapazität bei konstantem Druck (isobare Wärmekap.)

c p=( ∂h∂T

)p[ kJkg K

] (Verwenden in Verbindung

mit h)

dh=( ∂h∂T

)p⏟

c p

dT+¿ ( ∂h∂ p

)Tdpbei dp=0

⇒dh=cpdT

MATHEMATISCHES

z (x , y )dt→dz=(∂ z∂ x ) ydx+(

∂z∂ y )x dy

∂∂ y [( ∂ z∂ x )y ]x= ∂

∂x [( ∂ z∂ y )x] yMit ( ∂x∂ y )z(

∂ y∂ x )z=1 und ( ∂ y∂ z )x(

∂z∂ x )y (

∂x∂ y )z=−1

MAXWELL‘SCHE GLEICHUNGEN DER THERMODYNAMIK

Aus 1. & 2. HS du=T ∙ds−p ∙dv (1)dh=T ∙ds+v ∙dp (2)

Freie Enthalpie (nach Gibbs) g=h−T ∙ sdt

→dg=dh−Tds−sdT

- Mit G=H−T ∙S=U+ p ∙V−T ∙ S

- ∆G<0→ exergon, spontan

- ∆G=0→ Gleichgewichtszustand

- ∆G>0→ endergon, nicht spontanFreie Energie (nach Helmholz) ψ=u−T ∙ s dt

→dψ=du−Tds−sdT

Mit (1) & (2) d ψ=−p ∙dv−s ∙ dT (3)dg=v ∙dp−s ∙ dT (4)

VERMISCHUNGBei der Vermischung zweier Tanks können folgende Vereinfachungen getroffen werden: PE=0 ,KE=0 wenn nicht besondere Situation

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Q=0 falls adiabat

W=0 falls keine Volumenausdehnung

Sind alle diese Bedingungen erfüllt, gilt Q−W=∆U+∆ KE+∆ PE→∆U=0Wird geheizt/gekühlt, d.h. ist das System nicht mehr adiabat, giltQ−W=∆U+∆ KE+∆ PE→∆U=Q

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↓ Ventouri – Düse für den Unterschallbereich → Laval – Düse für den Überschallbereich (Mach-Zahl beim Austritt > 1)

1. HAUPTSATZ IN OFFENEN SYSTEMENDer Massenstrom über die Systemgrenze und die damit verbundenen Energieströme werden in die Energiebilanz mit einbezogen.

MASSENSTROMBILANZ

dM S

dt=∑ mi=inlet−∑ me=exit stationärer Betrieb

∑ mi=∑ me

In Integralform: ddt (∫V ρdV )+∫A ρ(w ∙ d A ¿)=0¿

In differentieller Form: ¿ ( p ∙ w )=0 → quellenfrei

ENERGIESTROM-BILANZ

Energiezunahme = Energiezunahme durch Wärme und Arbeit + Energie der Eintretenden Masse – Energie der austretenden Masse.

Die Arbeit wird dabei in zwei Komponenten zerlegt:(1) Anteil der nicht mit Massenstrom über Systemgrenze verbunden

ist. z.B. Bewegliche Kolben oder elektrische Flüsse → W s gewünschte Arbeit.

(2) Notwendige Arbeit zum Ein- und Ausschieben des bewegten Fluids.Einschiebeleistung: W i=p i Aiw i Ausschiebeleistung: W e

d E s

dt=Q−W s+∑ mi(hi+

wi2

2¿+g zi)−∑ me (he+

w e2

2¿+g ze)¿¿

- h=u+ pv Enthalpie; w2

2 kinetische Energie; g z potentielle

Energie- △E=△U=m2u2−m1u1 wenn KE ,PEvernachlässigt

werden.

- stationär: d E s

dt=0 , mi=me⟹

⟹ Q−W s=m ∙[he−hi+ 12∙ (w e

2−w i2)+g∙ ( ze−zi )]

- isoliert: Q=0- keine Arbeit: W s=0 (z.B. beim Wärmetauscher)

- 3-d: m= Vv =ρ V

beim idealen Gas: m= p VRT

- 1-d:

m= Vv =

Awv

beim idealen Gas:

m= pAwRT

DÜSE UND DIFFUSOR

Düse (Nozzle) Eine Düse ist eine Verengung in

einer Strömung. Die Enthalpie des Fluids wird in kinetische Energie umgewandelt (Beschleunigung).

w2>w1 p2< p1 h2<h1

Bsp. stationär (E=0), isoliert (Q=0), Arbeit wird keine

abgegeben (W s=0), pot. Energie wird vernachlässigt.

h1+w1

2

2=h2+

w22

2=const . Interpretation: w↑,h↓,

uconst ., p↓ Diffusor (Diffuser) Ein Diffusor ist eine Erweiterung in einer Strömung. Anwendungsbeispiel ist ein Überschallflugzeug, wo die Luft auf Geschwindigkeit unter M=1 abgebremst werden muss. Umgekehrter Vorgang wie Düse: w2<w1 p2> p1 h2>h1

Isentroper Düsenwirkungsgrad

ηD, s=w2

2

w2, max2 =

h2−h1

h2 , s−h1

(falls adiabat) → tatsächliches h2

TURBINE

Gas durchströmt die Turbine und wird dabei von einem hohen Druckniveau auf ein tiefes entspannt. Dabei wird Arbeit geleistet.Bsp E=0 ,E pot=0 →

0=−W S+ Q+m(h1+w1

2

2 )−m(h2+w2

2

2 )

h1,2 lassen sich aus Tabellen ablesen. 2. Zustand ev. im 2 Phasengebiet.

Bei Kraftwerken soll w2 möglichst klein sein, bei Jet – Turbinen soll der Rückstoss möglichst gross sein.

Isentroper Turbinenwirkungsgrad ηT ,s=WW rev

=h1−h2

h1−¿h2 ,s¿

(falls adiabat)

KOMPRESSOR / PUMPE

Kompressor: Durch aufwenden von Arbeit wird Druck des Fluids erhöht. Pumpe: Durch aufwenden von Arbeit wird ein Massenstrom erzeugt, bei möglichst geringem Druckanstieg. - isentrop & inkompressibel: h2 , s−h1=v ∆ p Isentroper Kompressorwirkungsgrad Vergleich der isentrop minimal aufzuwendenden Arbeit mit realer Arbeit:

ηK , s=W rev

W=h1−¿ h2,s

h1−h2¿

WÄRMEÜBERTRAGER

Bei Durchströmung soll möglichst viel Wärme aufgenommen/abgegeben werden. Arbeit wird keine geleistet, W s=0. Wärmetransport mit

Umgebung meist vernachlässigbar, Q=0.

wenn ∆ KE und ∆ PE≈0

⟹0=m1 (h2−h1 )+m3 (h4−h3 )

DROSSELELEMENTE (THROTTLING DEVICES)

In der Drossel wird ein Fluid entspannt. Bsp.: Kompressions-wärmepumpen und –kältemaschinen

⟹ p2< p1W 12=0Q12=0h1=h2

ISENTROPE ENTSPANNUNG IN EINER TURBINE 1

stationäres System, ohne Änderung der KE und PE, überhitztes Gebiet:

−W s=m∙ [he−hi ]⟹W s=m∙ [hi−he ]⟹ W s=m∙ [h1−h2 ]Gegeben: m , p1 , p2 , T 1, h1 , s1

Gesucht: T 2, h2⟹W sVorgehen: - S=const .

- in Tabelle A-4 bei p2 , S2⇒T2 , h2 finden

- nun mit h1 , h2⟹ W sfinden

ISENTROPE ENTSPANNUNG IN EINER TURBINE 2

stationäres System, ohne Änderung der KE und PE, 2-Phasen Gebiet:

−W s=m∙ [he−hi ]⟹W s=m∙ [hi−he ]⟹ W s=m∙ [h1−h2 ]Gegeben: m , p1 , p2 , T 1, h1 , s1

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Gesucht: T 2 , h2⟹W s

Vorgehen: - in Tabelle A-3: nach sf , sgsuchen.

- aus xvap (s , sf , sg) = x2 berechnen. ⟹h2 ,T 2

- nun mit h1 , h2⟹ W sfinden

ADIABATE IRREVERSIBLE ENTSPANNUNG TURBINE 1

Wie Bsp. isentrop, aber neu irreversibel mit ηT ,s=0,9Vorgehen:i. Punkt 2S finden: Vorgehen wie wenn reversibel ⇒T 2 ,h2, S

ii. ∆ hrev=h2 ,S−h1

iii. ∆ hirr=ηT , s(h¿¿2, S−h1)¿iv. ∆ hirr=h2−h1

v. h2=∆hirr+h1

vi. h2>h2, S

vii. Mit h2 , T2 ist der Zustand bekannt, aus der Tabelle können alle geforderten Werte herausgelesen werden.

viii. W s ,irr=m ∙ [h1−h2 ] oder auch mit

W s ,irr=W s ,rev ∙ ηT , six. im h-s Diagramm ersichtlich: h2>h2, S die Punkte 2 und 2S liegen

beide auf p2.

ADIABATE IRREVERSIBLE ENTSPANNUNG TURBINE 2

Wie Bsp. isentrop, aber neu irreversibel mit ηT ,s=0,9Vorgehen:i. Punkt 2S finden: Vorgehen wie wenn reversibel ⇒ x2 , S⇒ h2 ,S , T 2

ii. W s ,irr=W s ,rev ∙ ηT , siii. h2=∆hirr+h1

iv. Check h2<,>h2 , g

v. Falls h2>h2, g mit h2 , T2⟹ alle Werte

vi. Falls h2<h2, g mit h2 , T2⟹x2

mit h2 , x2⟹ alle Werte

2. HAUPTSATZ DER THERMODYNAMIKBedeutung: - Wärme kann nicht von selbst (spontan) von einem Körper mit tieferer

Temperatur auf einen Körper mit höherer Temperatur übertragen werden. (Clausius).

- Ein Kreisprozess kann zugeführe Wärme nicht zu 100% in Arbeit umwandeln. Es gibt immer Abwärme (Kelvin-Planck).

- Der Thermodynamische Teufel ist unfähig, er kann nur Arbeit in Wärme, aber nicht Wärme in Arbeit umwandeln.

REVERSIBLE UND IRREVERSIBLE PROZESSEReversibel d.h. umkehrbar, ist ein Prozess wenn der Ausgangszustand im System und der Umgebung wieder hergestellt werden kann. Die Arbeit um das System wieder in den Ausgangszustand zu bringen soll also ohne Verlust gespeichert werden. Abgeführe Temperatur müsste bei der gleichen Temperatur gespeichert werden. Praktisch nicht möglich.Irreversibel d.h. unumkehrbar, sind Prozesse, wenn sie irreversible Teilprozesse enthalten z.B.:- Wärmeübertragung- Reibung- Expansion zu tieferem Druck,

thermodynamischen Ungleichgewicht- Vermischung Stoffe unterschiedlicher

Temperaturen- spontane chemische Reaktionen

REVERSIBLE VS. IRREVERSIBLE EXPANSION

|W rev|>|W irr|∆U rev=∆U irr

|Qrev|>|Qirr|Der Teufel bremst die Expansion; es wird weniger Arbeit geleistet, es muss dafür aber auch weniger Wärme zugeführt werden.

Irreversibilität im p-v Diagramm nicht zu erkennen

REVERSIBLE VS. IRREVERSIBLE KOMPRESSION

|W rev|<|W irr|∆U rev=∆U irr

|Qrev|<|Qirr|Der Teufel bremst die Kompression; es muss mehr Arbeit geleistet werden, mehr Wärme wird frei.

Irreversibilität im p-v Diagramm nicht zu erkennen

REVERSIBLE VS. IRREVERSIBLE ADIABATISCHE EXPANSION

|W rev|>|W irr||∆U rev|>|∆U irr||Qrev|=|Q irr|=0

Der Teufel bremst die Expansion; es wird weniger Arbeit geleistet, Wärme rückgeführt, Abnahme der inneren Energie geringer.

Irreversibilität im p-v

Diagramm erkennbar.

p ∙V ηi (κ−1)+1=const .

cv ∙ ln(TT0

)+

ηi ∙R ∙ ln( vv0 )=0

s=cv ∙ ln (TT 0

)+

R ln( vv0 )+s0

∆ s=(1− 1ηi )cV ln T

T 0

DER CARNOT KREISPROZESSDer Carnot Prozess ist ein idealisierter reversibler Kreisprozess. Er dient zur Definition der theoretisch maximalen umsetzbaren Wärmemenge in Arbeit

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Die Abblidungen zeigen den Carnot-Wärme-Kraft-Prozess im p-V – Diagramm links und im T-S – Diagramm rechts. (1=C, 2=D, 3=A, 4=B)

1-2: Isotherm Komprimieren: W 12 wird aufgewendet. Da isotherme Reaktion geht Wärme Qab an kaltes Reservoir. 2-3: Adiabatisch Komprimieren: Arbeit wird hineingesteckt, die Temperatur steigt. Es findet kein Wärmeaustausch statt. Entropie konstant. 3-4: Isotherm Expandieren: Das System leistet Arbeit W34. Da isotherme Reaktion muss Wärme Qzu dazukommen4-1: Adiabatisch Expandieren: Es wird Arbeit geleistet. Entropie konstant.Beim idealen Gas: 1-2: Q=W, 2-3: Q=0,

3-4: Q=W, 4-1: Q=0

WÄRME-KRAFT-PROZESS

Carnot Prozess im Uhrzeigersinn. Der Prozess liefert Arbeit. Wärme aus dem heissen Reservoir und Abwärme an das kalte Reservoir.

1 → 2

W 12=p1V 1⋅ ln (V 2

V 1)

Q12=p1V 1⋅ ln (V 2

V 1)

2 → 3 W 23=m∙(u2−u3)Q23=0

3 → 4 W 34=p3V 3 ⋅ ln (V 4

V 3)

Q34=p3V 3 ⋅ ln(V 4

V 3)

4 → 1 W 41=m∙(u4−u1)Q41=0

↑ Das linke Bild zeigt den Wärme-Kraft – Prozess im UZS,

die Differenz aus QH und QC ist gerade die geleistete

Arbeit.↗ Das rechte Bild zeigt den Wärme-Kraft – Prozess links und den Kältemaschinen – Prozess rechts. Links wird “die Wärme in Arbeit umgewandelt“; rechts wird “die Arbeit in Kälte umgewandelt“.

KÄLTEMASCHINEN- UND WÄRMEPUMPENPROZESS

Carnot Prozess im Gegenuhrzeigersinn. Es muss Arbeit hineingesteckt werden um Wärme aus dem kalten Reservoir an das Heisse abzugeben.

−W KP=Qzu−Q ab (−W ) weil am System geleistete Arbeit.

1 → 2 W 12=m ∙(u1−u2)Q12=0

2 → 3

W 23=p2V 2⋅ ln (V 3

V 2)

Q23=p2V 2⋅ ln(V 3

V 2)

3 → 4 W 34=m∙(u3−u4)Q34=0

4 → 1 W 41=p4V 4 ⋅ ln(V 1

V 4)

Q41=p4V 4⋅ ln(V 1

V 4)

Kältemaschine Nutzen ist dem kalten Reservoir abgeführte Wärme:

Leistungsziffer ε k=Qab

−W S=

QC

−W S=

QC

QH−QC

wenn reversibel ε k=ε k ,max=TC

T H−T C

Wärmepumpe Nutzen ist dem warmen Reservoir zugeführe Wärme:

Leistungsziffer εw=Q zu

−W S=

QH

−W S=

QH

QH−QC

wenn reversibel εw=εw ,max=1+TC

T H−TC=1+εk

DER THERMISCHE WIRKUNGSGRAD

ALLGEMEIN

Der thermische Wirkungsgrad ist das Verhältnis zwischen Nutzen, meist mechanische Arbeit, und aufgewendeter Energie, meist Wärme.

ηth=NuztenAufwand

=W nutz

Qzu

Für Kreisprozesse: QKP=W KP , △U=0

⟹ηth=W nutz

Qzu=Qzu−Q ab

Qzu=1−

Q ab

Qzu=1−

QC

QH

Einige Wirkungsgrade realer KreisprozesseKombikraftwerk 50-60% Windkraftwerk Bis 50% Elektromotor 20-99%Leichtwassereaktor 30-40% Brennstoffzelle 20-70% Glühlampe 3-5%

Solarzelle 5-25% Dieselmotor Bis 45% LED 5-25%Kohlekraftwerk 25-50% Ottomotor Bis 37% Lautsprecher 0.3%Wasserkraftwerk 80-95% Turbinentriebwerk 40%

WIRKUNGSGRAD DES CARNOT PROZESSES

Wäre T C /T H gerade null, so wäre der Wirkungsgrad gerade 1. Aber aus dem 2.

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Hauptsatz folgt, dass zwingend ein Teil der zugeführen Wärmemenge an das kalte Reservoir abgegeben werden muss: ηc<1. Der Carnot Wirkungsgrad ist der höchst mögliche Umwandlungsgrad von Q in W. Er geht mit mit steigender Temperatur T H→∞ oder mit

T C=0 gegen 1. (T H=1500K ,TC=T 0→ηc≈0.75)

ηc=NutzenAufwand

=WQ=1−

Qab

Q zu=1−

TC

T H

QC

QH=T C

T H (reversibel)

Der thermische Wirkungsgrad eines irreversiblen Wärmekraftprozesses ist immer geringer als derjenige eines reversiblen.

WIRKUNGSGRAD ISENTROPE PROZESSE

reversibel – keine Dissipation – kein Wärmetransport – adiabat Isentroper Düsenwirkungsgrad

ηD, s=w2

2

w2, max2 =

h2−h1

h2 , s−h1

Isentroper Turbinenwirkungsgrad

ηT ,s=WW rev

=h1−h2

h1−¿h2 , s¿

Isentroper Kompressorwirkungsgrad

ηK , s=W rev

W=h1−¿ h2,s

h1−h2¿

inkompressibel , T=const △ h=h2−h1=v¿)

ENTROPIEDie Entropie S ist ein Mass für die Unordnung im System.

Sy=Sx+∫x

y dQrev

TG

[ kJK ]Ein Prozess wird spontan immer in der Richtung ablaufen, dass die Entropie zunimmt. Die Entropie ist ein Mass für die Irreversibilität.

isentrop d.h. ds=0 ist ein Prozess, wenn kein Wärmeaustausch stattfindet (adiabat) und der Prozess reversibel ist.

- überhitzter Dampf s (T , p )- gesättigter Zustand T↔ p s (T )bzw . s( p)

- Nassdampfgebiet s ( x ,T )- unterkühlte Flüssigkeit s(T , p)≈s (T ) inkmprssibel

T-S – DIAGRAMM

Im Nassdampfgebiet gilt: s= x ∙ sg+(1−x ) ∙ s fIm Gebiet der unterkühlten Flüssigkeit gilt:

s (T , p )=s(T )Im grau schattierten Bereich gilt:

h(T , p)≈h(T )

Dort sind die Molekülabstände gross, die Drücke daher klein und zu vernachlässigen, womit die Enthalpie nur noch eine Funktion der Temperatur sind.

H-S – DIAGRAMM AKA MOLLIER - DIAGRAMM

Position des kritischen Punktes beachten !

Im Nassdampfgebiet gilt: h=x ∙hg+(1−x )∙ h f

Im grau schattierten Bereich verlaufen die Isothermen horizontal, somit ist die Temperatur dort nicht mehr von der Entropie abhängig, sondern alleine von der Enthalpie.

TdS GLEICHUNGEN

Die TdS Gleichungen stellen Beziehungen der verschiedenen Grössen der Thermodynamik her. Auch 1. Hauptsatz in Differentialen:

T ∙dS=dU+ pdV T ∙dS=dH−Vdp

T ∙ds=du+ pdv T ∙ds=dh−vdpT ∙d s=d u+ pd vT ∙d s=dh−v dp

Gilt für reversible und irreversible Prozesse.

Bei Verdampfung/Kondensation gilt: p=const .⟹T ∙ds=dh Aus der Integration

(T=const.) folgt T ∙ ( sg−sf )=(hg−h f )

CLAUSIUS UNGLEICHUNG

Entropiezuwachs: △ S=△QT G

=S2−S1

Clausius: ∮ δQTG

=QH

T H−QC

TC≤0

für Carnot-Prozess:

∮ δQTG

=QH

T H−QC

TC=△ Szu−△ Sab=0

∮ δQT

: Umlaufintegral über Kreisprozess. Q: zugeführte

Wärmemenge. T: absolute Temperatur an Systemgrenze wo Wärme übertragen wird, d.h. Temperatur des Reservoirs, gegen das gearbeitet wird.

ENTROPIEÄNDERUNG IDEALER GASE

Allgemein:

Air (A-22):

s (T 2 , p2 )−s (T 1 , p1 )=s0 (T 2 )−s

0 (T 1 )−R ∙ ln (p2

p1)

else (A-23ff):

s (T 2 , p2 )−s (T 1 , p1 )=s0 (T 2 )−s

0 (T 1 )−R ∙ ln (p2

p1)

s0 für einen Referenzdruck, R ln ( p2

p1) ist dann der

Druckkorrekturterm

c=const .⟹ s0 (T , p )=c p (T ) ∙ ln( TT0 )(T,p): s2−s1=c p ∙ ln(T 2

T 1)−R ∙ ln( p2

p1)

(T,v): s2−s1=cv ∙ ln(T 2

T 1)−R ∙ ln( v2

v1)

Isothremer Prozess:

s0 (T 2)−s0 (T 1)=0 yields

→s2−s1=R ∙ ln (

p2

p1)

ISENTROPER PROZESS BEIM IDEALEN GAS

s2−s1=0 mit

κ=c pcv, c p=cv+R→c p=R ∙

κκ−1

, cv=R ∙1

κ−1

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⟹ T 2

T 1=( p2

p1)κ−1κ =( v2

v1)

1−κ

undp2

p1=( v1

v2)κ

(siehe auch p.2)

ENTROPIEÄNDERUNG INKOMPRESSIBLER STOFFE

v=const . ⟹ s2−s1=∫T 1

T 2 c(T )T

dt

v , c=const . ⟹ c p=cv=c⟹

s2−s1=c ln(T2

T1)

ENTROPIEBILANZ FÜR GESCHLOSSENE SYSTEME

Serz=S2−S1−∑ QT G

[kJ /kgK ]

Serz=S−∑ QTG

[kW /kgK ]

stationärer Prozess: △ S=S2−S1=0 Kreisprozess Zustand ist am Ende wieder der selbe

Serz , KP=−∑ QTG

reversibler Prozess: Serz=0 dS=dQT G

T G: Temp. an Grenze der Wärmeübertragung

Entropie Produktion Serzbei nicht reversiblen Prozessen.

Serz ist keine Zustandsgrösse! Im realen Kreisprozess wird Entropie erzeugt, die Entropie S hat jedoch nach jedem Zyklus wieder den selben Wert.

ENTROPIEBILANZ FÜR OFFENE SYSTEME

Serz⏟1

= S⏟2

−∑ QTG⏟

3

+∑ mese⏟4

−∑ mi si⏟5

1. Erzeugungsrate im System2. Zunahme des Entropieinhaltes des Systems3. Entropietransport über Systemgrenze per Wärmeleitung4. Mit Masse ausströmender Entropiestrom5. Mit Masse einströmender Entropiestrom

stationärer Prozess , 1 Massenstrom:

Serz=−∑ QTG

+m(se−si)

STATIONÄRE INTERN REVERSIBLE PROZESSE

Entropiebilanz für offene Systeme mit ∂∂ t

=0 , me=mi ,

Serz=0 :

0=−∑ QTG

+m ∙ ( s2−s1 )⟹Qrev

m=∫

1

2

Tds

1. HS mit d E s

dt=0 und

Qrev

m=∫

1

2

TdsTds=dh−vdp→

h2−h1−∫1

2

v dp :

W rev

m=−∫

1

2

v dp−w2

2−w12

2−g (z2−z1)

Berechnung des Integrals −∫1

2

vdp mit p ∙ vn=const .

n=1 (isotherm):

−∫1

2

vdp=−p1 v1⏟const .

lnp2

p1ideales Gas

⇒−RT1 ln

p2

p1

n≠1 (polytrop):

−∫1

2

vdp= −nn−1 (p2 v2−p1v1 )iG

⇒− nn−1

R (T 2−T 1)

In Düsen/Diffusoren: W rev=0 folgt der stationäre Bernoulli

∫1

2

v dp+w2

2−w12

2+g ( z2−z1 )=0 inkompr .

pρ+w2

2

2+gz=const .

Für isotherme Prozesse gilt auch (mit vdp=dh−T ds )

W rev

m=T (s2−s1 )−( p2

V 2

m−p1

V 1

m)−

w22−w1

2

2−g (z2−z1)

EXERGIE

Exergie ist ein Mass für die vorhandene Arbeitsmöglichkeit der Energie. Es ist der Anteil des Energieinhaltes eines Systems, der maximal mittels eines reversiblen Prozesses in Arbeit umgewandelt werden kann.Anergie ist der Energieanteil, der nach dem Erreichen des Gleichge-wichtes im System zurückbleibt und nicht mehr in Arbeit umgewandelt werden kann.Die Exergie eines isolierten, geschlossenen Systems kann nur abnehmen. Zum Beispiel wird im System Motor und Umgebung bei der Verbrennung keine Energie, wohl aber Exergie verbraucht.

EXERGIE FÜR GESCHLOSSENE SYSTEME

E x=U−U0+p0 (V−V 0 )−T 0 (S−S0 )+KE+PEex=u−u0+ p0 (v−v0 )−T 0 ( s−s0 )+ke+ pe

mit KE=mw2

2, PE=mgz , ke=w2

2, pe=gz

EXERGIEDIFFERENZ FÜR GESCHLOSSENE SYSTEME

△E x=E x ,2−Ex ,1=△U+ p0 (V 2−V 1 )−T 0 (S2−S1 )+∆ KE+∆ PE△ ex=ex ,2−ex ,1=△ u+ p0 (v2−v1 )−T 0 (s2−s1 )+∆ke+∆ pe

EXERGIE FÜR OFFENE SYSTEME

E x ,str=m [ (h−h0 )−T 0 ( s−s0 )+ke+ pe ] ex , str=(h−h0 )−T0 ( s−s0 )+ke+ pe

EXERGIEDIFFERENZ FÜR OFFENE SYSTEME

△ Ex , str=Ex, str ,2−Ex , str, 1=m [ (h2−h1)−T 0 ( s2−s1 )+∆ke+∆ pe ]△ ex ,str=ex, str ,2−ex ,str ,1= (h2−h1)−T 0 ( s2−s1 )+∆ke+∆ peEXERGIEVERLUST : : GOUY-STODOLA-THEOREM

Die verlorene Arbeitsmöglichkeit ist die Differenz zwischen der maximal möglichen und der effektiv vorhandenen Arbeitsleistung. Max. verlorene Arbeit kann als Exergieverlust betrachtet werden. Exergie Entropie

E x ,Verlust=T0 ∙ Serz=W Verlust=W rev−W [kJ ]

EXERGIEBILANZ FÜR GESCHLOSSENE SYSTEME

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△E x=∫(1− T 0

T G)δQ⏟

E x,Q

−(W−p0∆V )⏟Ex,W⏟

reversibel

− T0 ∙ Serz⏟Ex ,Verlust⏟

irrreversibel

T 0: Umgebungstemperatur TG: Temperatur am Ort der Q-Übertragung

∫(1− T 0

TG )δQ=Q12−T 0 ∙∆ S=Q12−T 0 ∙m∙[s20−s1

0−R ∙ ln( p2

p1 ) ]

stationärer Prozess: △Ex=0 reversibler Prozess: T 0∙ Serz=0 keine Arbeit: W−p0∆v=0

EXERGIEÄNDERUNGSGESCHWINDIGKEIT

dE x

dt=Ex=∑ (1−T 0

T i)Qi−(W−p0

dVdt )−T 0 ∙ Serz

Gouy – Stodola: −d Ex ,irr

dt=E x ,v=T 0 ∙ Serz

Bei Wärmeübergang: - stationäres System: d Ex

dt=0 , Q1=Q2=Q

- keine Arbeit: W−p0dVdt

=0

E x ,v=T 0 ∙ Serz=∑ (1−T 0

T i)Qi=Q(T 0

T1−T0

T2)

−d E x ,irr

dt=Ex ,v=T 0 ∙ Serz=Q(T 0

T 1−T 0

T 2)

EXERGIEBILANZ FÜR OFFENE SYSTEME

d Ex

dt=∑ mi ex ,str ,i−∑ meex , str, e−(W s−p0

dVdt )+∑ Qi(1−T 0

T i)−T0 Serz

d Ex

dt=∑ mi ∙ ex , str ,i−∑ me ∙ ex , str ,e−W s+∑ Qi(1−T 0

T i)−T 0∙ Serz

↑ wobei angenommen wurde, dass dVdt

=0 Jeder Term enthält 100% nutzbare Energie. reversibler Prozess: T 0 ∙ Serz=0

stationär, 1 Massenstrom: d Ex

dt=0 , mi=me=m

∑ (1−T o

T i)Qi−W s−T 0 Serz=m [h2−h1−T 0 ( s2−s1 )+∆ke+∆ pe ]

oder anderst geschrieben:

∑ (1−T o

T i)Qi−W s−T 0 Serz=Ex ,str ,e−E x , str, i

DER EXERGETISCHE WIRKUNGSGRAD (2 N D LAW EFF.)

Der energetische Wirkungsgrad η bewertet die Nutzung der Energie in

der Quantität, währenddessen der exergetische Wirkungsgrad ε die Nutzung der Exergie in der Quantität bewertet – und damit die qualitative Nutzung der Energie beschreibt.

Ganz allgemein gilt: ε ↑ @ {(T N−T 0 )↑ , (T Q−T N )↓} Energetisch:

η= genutzter Energiestromzugeführter Energiestrom

=W S

QQbeiWärmeströmen

QN

QQ

Exergetisch:

ε= genutzter Exergiestromzugefuehrter Exergiestrom beiWärmeströmen

(1−T 0

T N ) ∙ QN

(1−T 0

T Q) ∙ QQ

=η((1−T 0

T N )(1− T0

T Q) )

wobei Indizes: Q: Quelle, N: Nutz, 0: Umgebung

εη=

1−T 0/T N

1−T 0/TQ

ε⟶η≡Ex ,Verlust⟶0

für T N⟶TQ≡Serz⟶0

oder T 0⟶0

Bsp.: {T 0 = 0°C , T Q = 800°C ,

T N = 24°C} ⟹ {η = 90%

ε ≅ 10 % }

BEISPIELE VON EXERGETISCHEN WIRKUNSGRADEN

offenes System mit Leistung:

ε=Ex , Nutz

m(ex ,str ,1−ex , str, 2)=

E x , Nutz

Ex , Nutz+T 0 ∙ Serz

- bei Nutzung der Abwärme E x , Nutz=QA ∙(1− T 0

T A)+W S

- ohne Nutzung der Abwärme E x , Nutz=W S

Turbine:

ε=W S

m(ex ,str ,1−ex , str , 2)=

W S

W S+T 0 ∙ Serz Pumpe/Kompressor:

ε=m(ex ,str , 2−ex , str, 1)

W invest=W invest−E x , v

W invest

¿−W S−T 0 ∙ Serz

−W SQ verl=0

(h2−h1 )−T 0(s2−s1)(h2−h1)

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Wärmetauscher ohne Vermischung:

ε=mC(ex , str , C ,e−ex , str ,C ,i)mH (ex , str ,H , i−ex , str ,H , e)

Wärmetauscher mit Vermischung:

ε=mC ,i(ex, str ,e−ex, str ,C , i)mH ,i(ex, str , H ,i−ex, str ,e)

EX-PRÜFUNGSAUFGABE : : KOMPRESSIONSWÄRMEPUMPE

1: gesättigeter Dampf12: isobare Überhitzung23: irr. adiabat. Verdichtung34: isobare Abkühlung, vollständige Kondensation 45: Unterkühlung an Sättigl.56: isentrope Drosselung61: isobare Verdampfung

Geg.: W heiz , ηK , s Ges.: m ,Q12 ,Q61 , WKomp , εWVorgehen: i. mit Tabellen:

ηK , s→h1 , h2…h6 bestimmen

ii. W heiz=−Q34=m(h3−h4)iii. Q12=m(h2−h1)iv. Q61=m(h1−h6)v. W Komp=m(h2−h3)

vi. εW=Qzu /heiss

−W S=

−W heiz

−W Komp

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THERMODYNAMIK 2 : : LAV--

DEFINITIONEN

KONSTANTEN

- Normdruck pref=1atm=1.01325 ¿- Normtemperatur T ref=298 K ≅ 25 °C- Pferdestärke 1hp=1 PS=0.735 kW- Elementarladung e=1.60219 ∙10−19C - Faraday’sche Konstante

f=N A ∙ e=96485.3 Cmol

= A ∙ smol

- ppm = parts per million 1 ppm=10−6

GRÖSSEN

- Molar Massenspezifisch

n= mMM :[ kg

kmol ]n : [kmol ]m : [kg ] - Molanteil (Volumenanteil)

X i=ni∑ini=ninnet

=V i

∑iV i

=V i

V net

- Partialdruck pi=X i ∙ pnet- Konzentration (molar) c i=ni /V net- Massenanteil

Y i=mi

mnet=X i ∙ M i ∙

∑jn j

∑jn j ∙M j

- Luftüberschussfaktor

λ=(mL /mB )

(mL /mB )stöch=

(mL /mB )( mL/mB )stöch

=(nL /nB )

(nL/nB )stöch- Isentropenkoeffizient

κ=c pcv=cv+Rcv

=1+ Rcv=

cpc p−R

bei idealen Gasen siehe Seite 1

VERBRENNUNGSPROZESSE

REAKTIONSGLEICHUNGEN VERBRENNUNG VON C xH y AN

LUFT

λ≥1:

C xH y+ λ(x+ y4 )(O2+3.76N2 )⟶

x ∙CO2+y2∙ H 2O+( λ−1 )(x+ y4 )O2+3.76 ∙ λ( x+ y4 )N2

Beispiel Methan CH4:

C H 4+2λ (O2+3.76N2 )⟶CO2+2H 2O+2 ∙ ( λ−1 )O2+7.52 λ ∙ N2

λ<1: C xH y+ λ(x+ y4 )(O2+3.76N2 )⟶

(1− λ )C xH y+λx ∙CO2+λy2∙ H2O+3.76 ∙ λ( x+ y4 )N2

Beispiel Methan CH4:

C H 4+2λ (O2+3.76N2 )⟶ (1−λ )C H 4+λ ∙CO2+2 λ ∙H 2O+7.52 λ ∙ N2

REAKTIONSGLN VERBRENNUNG VON C xH yO z AN LUFT

λ≥1:

C xH yO z+λ(x+ y4 − z2 )(O2+3.76 N2 )⟶

x ∙CO2+y2∙ H 2O+( λ−1 )(x+ y4 − z

2 )O2+3 .76 ∙ λ (x+ y4− z2 )N 2

Beispiel Methanol CH3OH:

CH 3OH +1.5 λ (O2+3.76N 2)⟶CO2+2H 2O+1.5 ∙ ( λ−1 )O2+5.64 λ ∙ N2

EGR: EXHAUST GAS RECIRCULATION / ABGASRÜCKFÜHRUNG

Idee: Rückgeführte Abgase kühlen sich wieder auf die Einlasstemperatur ab und müssen von neuem aufgeheizt werden. T f , ad ↓

X EGR=nEGRnnet

=nEGRnnet

=nx ∙ nnetold (asif noEGR )

(1+nx )∙ nnet old=

nx1+nx

λ≥1: C xH y+ λ(x+ y4 )(O2+3.76N2 )

+nx [ x ∙CO2+y2∙H 2O+( λ−1 )(x+ y4 )O2+3.76 ∙ λ(x+ y4 )N2]⟶

(1+nx )[ x ∙CO2+y2∙H 2O+( λ−1 )(x+ y4 )O2+3.76 ∙ λ(x+ y4 )N 2]

λ<1: C xH y+ λ(x+ y4 )(O2+3.76N2 )

+nx [ (1−λ )C x H y+ λx ∙CO2+λy2∙H 2O+3.76 ∙ λ(x+ y4 )N 2]⟶

(1+nx )[ (1−λ )Cx H y+λx ∙CO2+λy2∙ H 2O+3.76 ∙ λ(x+ y4 )N 2]

ENTHALPIEN

allgemein: h=hf0+h (T , p )−h (T ref , pref )

ideale Gase:

h= hf0⏟

A−30

+h (T )−h (T ref )⏟A−23bis A−28

ideale Gase, mit c p : h= hf0⏟

A−30

+∫Tref

T

c p(T )⏟A−21

dt

1. HAUPTSATZ FÜR OFFENE SYSTEME

stationär, KE und PE vernachlässigbar:

Q−W s=∑Pmehe−∑

Rmi hi

pro Mol Brennstoff

Qnfuel

−W s

nfuel=∑

Pne he−∑

Rni hi

wobei P = Produkte, R = Reaktanden, e = exit und i = inlet

n = stöchiometrische Verhältnisse bei n fuel=1

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REAKTIONSENTHALPIE UND HEIZWERTE

Reaktionsenthalpie: hR=∑Pnehe−∑

Rnihi

Heizwerte = Reaktionsenthalpien bei T R=T P=T ref⇒h=hf0

HU ,O=−hR0=

−hR0

M fuel

HU ,O : [ kJkg ]- unterer Heizwert HU : Verbrennungsprodukt Wasser gasförmig

- oberer Heizwert HO : Verbrennungsprodukt Wasser flüssig

falls nichts angegeben, gilt HU

Leistung (Heizleistung): P=HU ,O ∙mfuel Wandwärmeverluste: Wird keine Arbeit geleistet, ist die ganze

Reaktionsenthalpie zu den Wandwärmeverlusten zu zählen. Wandwärmeverluste als Anteil X der maximalen Kraftstoffwerte,

also als Anteil des Heizwertes (je nach Phase des Wassers HU ,O):

Qnfuel

=∑Pnehe−∑

Rnihi

Qnfuel

=X (∑P nehf0e−∑

Rnih f

0i)}⟹ X=

∑Pnehe−∑

Rnihi

∑Pnehf

0e−∑

Rnih f

0i

BENZINMOTOR

i. Reaktionsgleichung: Octan mit λ=1:C8H18+12.5O2+47N2⟶8CO2+9H 2O+47N2

ii. 1. HS nach Q aufgelöst:

Q= nfuel (W s+∑Pnehe−∑

Rni hi)

iii.

∑Rν i hi=T=T ref

⇒1 [h f0 ]C8 H 18(l)

+12.5 [hf0 ]O 2+47 [h f0 ]N2

iv.

∑Pνehe=T=890K

⇒8 [hf0+h (890K )−h (T ref ) ]CO2

+9 [hf0+h (890 K )−h (T ref ) ]H 2 0(g )+47 [h f0+h (890K )−h (T ref ) ]N2

v. n fuel=mfuel

M fuelvi. Alles in (ii) einsetzen und ausrechnen.

1. HAUPTSATZ FÜR GESCHLOSSENE SYSTEME

allgemein: Q−W=△U=∑Pnu−∑

Rnu

ideale Gase, mit u=h−RT=h f0+h (T )−h (T ref )−RT

Q−W=∑Pn (hf0+h (T )−h (T ref ))

−∑Rn (hf0+h (T )−h (T ref ))−RT P∑

Pn+RT R∑

Rn

ADIABATE FLAMMTEMPERATUR

allgemein: −W s=∑Pnehe−∑

Rnihi

wenn keine Arbeit: ∑Pnehe=∑

Rnihi

∑Pne (h (T f ,ad )−h (T ref ))e¿∑

Rni (h (T i )−h (T ref ))i+∑

Rni hf ,i

0 −∑Pneh f ,e

0

Vorgehen: i. Reaktionsgleichung aufstellen ii. Rechte Seite der obenstehenden Gleichung berechneniii. Faustregel: T f , ad=2000 K+T Reaktanden für 1. Iterationiv. 2 Iterationen der linken Seite berechnenv. Linear interpolieren mit

TR∷ ipl ( I 1 ,Rechte Seite , I 2 , T I 1 ,T i2 ) Beeinflussung der adiabaten Flammtemperatur:

- Inertgase wie N2 sind Ballast, es wird Energie gebraucht, um sie zu

heizen: Je mehr Inertgase, desto kleiner ist T f , ad.

- Je grösser c p des Inertgases,

desto mehr sinkt T f , ad ab. (

c p von idealen Gasen siehe p.1).

- Wenn Verbrennung an O2:T f ,ad+800K

- Abfall bei λ>1:

zu viel N2 und O2.

- Abfall bei λ<1: weniger Reaktionswärme

- λmax≅ 0.8…0.9 : Tradeoff von obigen Argumenten

ADIABATE FLAMMTEMPERATUR

Gegeben: Daten aus Bild, λ=1

Gesucht: T f , ad

i.C8H18+12.5O2+47N2⟶8CO2+9H 2O+47N2

ii.∑Rni (h (T i )−h (T ref ))i⏟

¿ 0 ,T i=T ref

+∑Rnih f , i

0 −∑Pnehf ,e

0

⏟A−30

=¿

¿1 [hf0 ]C8 H18 (l)−8 [hf0 ]CO2

−9 [hf0 ]H 2 0 (g)=5'074 '630 kJkmol

iii. Faustregel: T f , ad≅ 2300K iv.

∑Pne (h (T f ,ad )−h (T ref ))e@2300 K @2500K

CO2 8 [h (T f ,ad )−h (T ref ) ]CO2887 ' 368 975 ' 408

H 2 0 9 [h (T f ,ad )−h (T ref ) ]H 2 0794 ' 655 890 ' 676N 2 47 [h (T f , ad )−h (T ref ) ]N2

3 ' 149 ' 329 3 ' 492 ' 664

∑ (…) { I1 , I 2 }=¿ I 1=4 ' 821 ' 352I 2=5 ' 358 ' 748

v. TR∷ ipl ( I 1 ,5'074 '630 , I2 ,2300,2500 )

⟹T f , ad=2394,3K

ENTROPIE BEI VERBRENNUNGSPROZESSEN

3. HAUPTSATZ DER THERMODYNAMIK

Die Entropie einer Substanz ist beim absoluten Temperaturnullpunkt nur dann null, wenn diese eine perfekt kristalline Struktur hat. Sonst hat sie die absolute Entropie beim Nullpunkt von s0 (T=0 ). ENTROPIE DURCH ABSOLUTE ENTROPIE

ideale Gase: s (T , p )=s0 (T )−R ln ppref

Gegeben: Daten aus Bild , λ=1

mfuel=1.8 ∙10−3[ kgs ]

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s (T , p )=s0 (T )−R ln ppref

komponentenweise:

si (T , pi )=si0 (T )−R ln(X ippref )

ENTROPIEBILANZ FÜR STATIONÄRE, OFFENE SYSTEME

Serznfuel

=−∑ Q /TG

nfuel+∑

Pnese−∑

Rn i si

Serznfuel

=−∑ Q /TG

nfuel+∑

Pne[ s0 (T )−R ln(X i

ppref )]e−∑R ni[s0 (T )−R ln(X i

ppref )]i

Da die Volumina der Flüssigkeiten und Festkörper verhältnismässig gering sind, zählen bei den Partialbrüchen nur die Gase.

C8H 18 (l )+12.5O2+47N 2→…

⟹ XO2=12.559.5

, XN 2=47

59.5Absolute Entropien für die gebräuchlichen Gase in A-22 bis A-28.

Absolute Entropien für Brennstoffe bei T=298K in A-30.

Q=0 und p=pref :

Serznfuel

=∑Pne [s0 (T ) ]e−∑

Rni [ s0 (T ) ]i+R ln(∏R (X i

e )n

∏P

(X ie )n )

ENTROPIEPRODUKTION BEI METHANVERBRENNUNG

Adiabat, λ=1 ,T f ,ad=2300KC H 4+2O2+7.52N 2⟶CO2+2H2O+7.52N2

Serznfuel

=[ s0 (T f , ad )]CO 2+2 [ s0 (T f ,ad ) ]H 2O

+7.52 [s0 (T f ,ad )−s0 (T ref ) ]N2

−[ s0 (T ref ) ]C H 4−2 [ s0 (T ref ) ]O2

+R ln( ( 29.52 )

2

( 7.529.52 )

7.52

( 110.52 )

1

( 210.52 )

2

( 7.5210.52 )

7.52 )

Adiabat, λ=2 ,T f ,ad=1400KC H 4+4O2+15.04N2⟶CO2+2H 2O+2O2+15.04 N2

Serznfuel

=[ s0 (T f , ad ) ]CO 2+2 [ s0 (T f ,ad ) ]H 2O

+2 [s0 (T f , ad ) ]O2

+15.04 [ s0 (T f ,ad )−s0 (T ref ) ]N 2

−[ s0 (T ref ) ]C H 4−4 [ s0 (T ref ) ]O2

+R ln( ( 419.04 )

4

( 15.0419.04 )

15.04

( 122.04 )

1

( 222.04 )

2

( 222.04 )

2

( 15.0422.04 )

15.04 ) Vergleich und Diskussion

Der erste Brenner produziert mit 785 kJ / (kmol ∙ K ) viel weniger Entropie als der zweite Brenner, welcher

1063 kJ / (kmol ∙ K ) produziert. Das kann damit begründet werden, dass beim zweiten Brenner die Abgastemperatur kleiner ist und die Gase gegenüber der Umwelt weniger Exergie in sich tragen, was bedeutet, dass mehr Exergie vernichtet wurde, aka der Exergieverlust grösser ist aka die erzeugte Entropie mal die Umgebungstemperatur grösser ist.

ENTROPIEBILANZ FÜR GESCHLOSSENE SYSTEME

SerznF

=∑Pn s−∑

Rns− 1

nF∑ Q

TG

Serznfuel

=−1nfuel

∑ QTG

+∑Pn [s0 (T )−R ln (X i

ppref )]−∑R n [s0 (T )−R ln(X i

ppref )]

CHEMISCHE EXERGIEDie Exergie teilt sich auf in die thermomechanische Exergie und die chemische Exergie. Letztere ist den Exegieformeln aus der Td 1, welche nur die thermomechanische Exergie beinhalten, hinzuzufügen:

E x=E xthermomechanisch+E x

chemisch

gschlossenes System

E x=U−U 0+p0 (V−V 0 )−T 0 (S−S0 )+KE+PE+E xch

ex=u−u0+ p0 (v−v0 )−T 0 ( s−s0 )+ke+ pe+exch

offenes System

E x ,s tr=m [ (h−h0 )−T 0 ( s−s0 )+ke+ pe ]+¿ E xch

ex , str=(h−h0 )−T0 ( s−s0 )+ke+ pe+e xch

für ideale Gase

s (T , p )−s (T 0 , p0 )=s0 (T )−s0 (T0 )−R ∙ ln (

pp0)

CHEMISCHE EXERGIE VON REAKTANDEN

Energiebilanz: W s

nfuel=∑

Rnihi−∑

Pnehe+

Qnfuel

Entropiebilanz (T i=T 0∀ i):

∑ Q /T 0

nfuel=∑

Pne se−∑

Rni si−

Serznfuel

Entorpiebilanz ∙ T0 in Energiebilanz einsetzen:

W s

nfuel=∑

Rnihi−∑

Pnehe−T0(∑R ni si−∑

Pne se)−T 0

Serznfuel

Die chemische Exergie pro Mol Brennstoff ist gleich der maximal möglichen Arbeit, also obiger Term mit Serz=0:

exch=∑

Rnihi−∑

Pnehe−T0(∑R n i si−∑

Pne se )

Da gegenüber der Umgebung (T 0 , p0) gilt:

{ hi=hi(T 0 , p0)si=si

0 (T 0 )−R ln X ie

Mit g=h−T s folgt nun

exch=∑

Rn g(T 0 , p0)−∑

Png (T 0 , p0)⏟

:=−∆G

+RT 0 ln (∏R (X ie )n

∏P

(X ie )n )

-

g= g f0⏟

A−30

+g (T0 , p0 )−g (T ref , pref )⏟¿ 0@ {T0 , p0}={T ref , pref }

g f0 A-30

Die g(T , p) sind nicht tabelliert, falls

{T 0 , p0 }≠ {T ref , pref } muss die andere Gleichung

verwendet werden.

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- ∆G = Reaktionsdifferenz der freien Enthalpie- In den Druckkorrekturterm fliessen die Partialdrücke verglichen mit

dem Umgebungsdruck ein, wie zuvor nur die der Gase.

CHEMISCHE EXERGIE AUS ANDEREN exch

BER ECHNEN

Exergiebilanz für chemische Systeme mit T G=T 0:

0=∑(1−To

T i)Qi

⏟¿ 0

−W s+∑Rn ex

ch−∑Pn e x

ch−Ex, v

pro Mol Brennstoff bei intern reversiblem Prozess:

(exch)fuel=( W s

nfuel )rev+∑P nexch− ∑

R∌ fuelnex

ch

mit n’s relativ pro Mol Brennstoff

(exch)fuel=∑Rn g(T 0 , p0)−∑

Pn g(T0 , p0)⏟

:=−∆G

+∑Pnex

ch− ∑R∌ fuel

nexch

g f0 A-30 ex

ch A-31

CHEMISCHE EXERGIE VON OCTAN

Reaktionsgleichung:

C8H 18 ( l )+12.5O2→8CO2+9H 2OGegeben: {T 0 , p0 }={T ref , pref }

Variante Standard-Exergien:

(exch)C8 H18=(g f0 )C8H 18

+12.5 ( gf0 )O 2⏟¿0

−8 (g f0 )CO2−9 ( gf0 )H 2O+8 (e xch )CO2

+9 (exch)H2O−12.5 (exch)O2

CHEMISCHE EXERGIE VON METHAN

Reaktionsgleichung: C H 4+2O2+7.52N 2→CO2+2H 2O+7.52N2

Gegeben: {T 0 , p0 }={T ref , pref } , T e=2300KLuft: {XN 2

e =0.7567 , XO2

e =0.2035 , X H 2 0

e =0.0132 , XCO2

e =0.0003} Variante Standard-Exergien:

(exch)C H 4=(g f0 )C H 4

−(g f0 )CO2−2 (g f0 )H 2O+(exch)CO 2

+2 (exch)H 2O−2 (e xch)O2

Variante Partialdrücke:

(exch)C H 4=(g f0 )C H 4

−(g f0 )CO2−2 (g f0 )H 2O

+RT 0 ln(XO2

e )2

(XCO2

e ) (X H2 0e )2

Die Inertgase könnte man schon in der Reaktionsgleichung weglassen, wie im Beispiel von Octan.

CHEMISCHE EXERGIE VON PRODUKTEN

Im Gegensatz zu den vorigen Überlegungen fliesst die Reaktion hier nicht mehr ein, und die Produkte bilden ein ideales Gasgemisch:

Chemische Exergie bei 1 Produkt pro Mol Brennstoff (bei (T 0 , p0 ) als Gas):

exch=RT0 ln ( 1

X ie )

wobei n so gewählt wird, dass der Brennstoff den Koeffizient 1 erhält.

Chemische Exergie H 2O pro Mol Brennstoff (bei (T 0 , p0 ) als

Flüssigkeit):

exch=[gH2O (l)−gH 2O (g)] (T 0, p0 )+RT 0 ln( 1

X ie )

wobei der erste Summand die Verdampfungsexergie hinzufügt und wiederum nur Wasser als Produkt vorliegen darf.

Chemische Exergie von Produkten, die alle elementare Gase sind:

exch=RT0∑

ini ln( X i

X ie )

wobei n so gewählt wird, dass der Brennstoff den Koeffizient 1 erhält, damit der Wert pro Mol des Brennstoffes zählt.

EXERGIE VON VERBRENNUNGSPRODUKTEN

Adiabat, λ=1 ,T f ,ad=2300K ,T 0=T ref , p=p0=prefC H 4+2O2+7.52N 2⟶CO2+2H2O+7.52N2

∑Pex ,str=∑

Ph(T f , ad)−h(T 0)−T 0(s0 (T )−s0 (T0 )−R ∙ ln (

pp0))+exch

(∑P ex , str)th. mech .

=[h (T f ,ad )−h (T 0 )−T 0 ( s0 (T )−s0 (T0 ) )]CO 2

+2 [h (T f ,ad )−h (T 0 )−T 0 ( s0 (T )−s0 (T0 ) )]H 2O

+7.52 [h (T f ,ad )−h (T 0 )−T 0 (s0 (T )−s0 (T0 )) ]N2

(∑P ex , str)ch=RT 0(1 ln ( XCO2

XCO2

e )+2 ln( XH 2O

XH 2Oe )+7.52 ln( XN2

XN2

e ))

DiskussionWenn man die Exergiewerte bei λ=1.2 evaluiert, bemerkt man,

dass jener von λ=1 grösser ist, da ja dort weniger Entropie produziert – weniger Exergie vernichtet wird.

EXERGETISCHE EFFIZIENZ EINES BRENNERS

allgemein:

ε=Ex , products

E x , fuel=1−

Ex, v

Ex, fuel=1−T 0

SerzEx ,fuel

falls Turbine ohne Abgasnutzung: ε=Ex , products

E x , fuel=

W s

Ex , fuel

ENERGIE- VS. EXERGIEVERLUSTE

Aus einer Verbrennung wird mittels eines Motors Arbeit geleistet. Die energetische Effizienz bezeichnet den Anteil der Arbeit vom zugeführten Wärmestrom. Könnte man die Abwärme aus energetischer Sicht noch nutzen (T >0K ), muss die daraus möglich zu gewinnende Arbeit =

Exergie (T >T 0>0K ) aber nicht so hoch sein, da die Umgebung auch Energie besitzt.

Wärme hat einen exergetischen Anteil von Q→(1−T0

T)Q

Arbeit hat einen exergetischen Anteil von 100 %.

DAS CHEMISCHE GLEICHGEWICHT

GLEICHGEWICHTSBEDINGUNG

Ein System ist dann und nur dann im Gleichgewicht, wenn die Entropie maximal, bzw. die Gibbs’sche freie Enthalpie minimal ist. Ist das der Fall, also der Gleichgewichtszustand erreicht, so gilt dG ¿¿T , p=0.

DAS CHEMISCHE POTENTIAL

μi=( ∂G∂ni )T , p ,n j

=( ∂U∂ni )S ,V ,n j

=( ∂H∂ni )S , p ,n j

wobei j alle Kompomenten ausser i bezeichnet.

1 Substanz – 1 Phase:

μ=Gn=g

mehrere Komponenten, ideales Gasgemisch:

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G=∑i

j

ni μi(T , p i) μi=gi (T , pi )=g i0+RT ln(X i

pnetpref )

GLEICHGEWICHTS“KONSTANTE“ FÜR PARTIALDRÜCKE

νA A+ν BB⇌ νCC+νDDGGW⇒

ν Aμ A+νB μB=νC μC+νDμD

−νC gC0 +νD gD

0 −ν Ag A0−νB gB

0

RT=ln [ XC

νC X DνD

X AνA XB

νB ( pnetpref )νC+νD−νA− νB]

−∆G0

RT=ln [K p(T )]

wobei ∆G0 :=νC gC0 +νD gD

0 −ν Ag A0−νB gB

0 und K p(T )

:und

die Gleichgewichts“konstante“ :

K p (T )=XCνC X D

νD

X Aν AX B

νB ( pnetpref )νC+νD−νA−νB

durch X i=ni /nnet

K p (T )=nCνCnD

νD

nAν AnB

νB ( pnet / prefnnet )νC+ νD−νA−νB

Einige Rechenregeln: - Inverse Reaktion Kneu=1/K log Kneu=−log K- Mehrere Reaktionen

{CO+H 2O⇌H 2+CO2

2C O2⇌ 2CO+O2

2H 2O⇌ 2H 2+O2

⟹K1=√ K 3

K 2

log K p@A−32

GLEICHGEWICHTS“KONSTANTE“ FÜR KONZENTRATIONEN

aus ninnet

pnetpref

pV=n RT⇒

niV net

RTpref

c i=ni/V net⇒

ciRTpref

KC (T )=cCνC cD

νD

c AνA cB

νB

K p=∏ ( pipref )νP−νR

=KC ∙∏ ( RTpref )νP−νR

BERECHNEN VON K p (T ) ohne Tabellei.

∆G0=ν PgP0−νR gR

0=νPhP−νRhR−T (sP0 (T )−sR

0 (T ))

mit h=hf0+h (T )−h (T ref )

ii.−∆G0

RT berechnen ¿ ln [K p(T )]

iii. K p (T )=e−∆G0

R T

mit Tabelle A-32: nachschauen, interpolieren, ausrechnen

K p (T )=10Tabellenwert

GLEICHGEWICHTSANTEILE BEI VERBRENNUNGSREAKTION

i. Gegeben: T=2500K , p=1atmii. Reaktionsgleichung: CO+0.5O 2+1.88 N2⟶CO2+1.88N2

iii. Dissoziationsreaktion: CO2⇌CO+0.5O2iv.

CO+0.5O 2+1.88N2⟶ zCO+ z2O2+(1−z )C O2+1.88N2

v. z = Anteil dissipierter CO2-Moleküle

vi. (1−z ) = Anteil nicht wegreagierten CO2-Moleküle

vii. nnet=z+z2+(1−z )+1.88=5.76+z

2

viii. K p (T )=nCνCnD

νD

nAν AnB

νB ( pnet / prefnnet )νC+ νD−νA−νB

von

CO2⇌CO+0.5O2

ix. K p (T )=nCOνCOnO2

νO 2

nCO2

νCO2 ( p / prefnnet )νCO+νO2

−νCO2

x.¿z1 ∙ z

2

0.5

(1−z )1 ( 25.76+z )

1+0.5−1

= z1−z ( z

5.76+z )0.5

xi. K p (T )=10Tabellenwert=10−1.44=0.0363

TR∷ solve (…, z )oder nsolve (…, z )xii. →z=0.175→nnet=2.9675

xiii. XCO=znnet

=0.059 XO2= z /2nnet

=0.029

xiv. XCO 2=1−znnet

=0.278 XN 2=1.88nnet

=0.634

xv. Diskussion: Man kann zeigen, dass bei mehr Inertgas weniger CO2 gebildet wird, bei gleicher Temperatur. Je mehr Inertgas,

desto grösser ist nnet und bei K p (T )=const . desto grösser

wird z .

ADIABATISCHE FLAMMTEMPERATUR IM GLEICHGEWICHT

Zusätzlich zu den alten Vorgaben muss man jetzt zusätzlich die Dissoziationsreaktionen betrachten. Vorgehen:i. Berechnen der adiabaten Flammtemperatur, ohne

die Dissoziation zu berücksichtigen. →T f ,ad(1)

ii. Das Gleichgewichtsproblem lösen mit

K p (T f , ad ) →z(k)k=2,3 ,…iii. Mit der neuen Reaktion wiederum die adiabate Flammtemperatur

berechnen. →T f ,ad(k)k=2,3 ,…

iv. Falls |T f ,ad(k)−T f ,ad

(k−1)|>TOL , wieder zu Schritt ii.

Werte von adiabaten FlammtemperaturenFuel Oxidant p¿ T f , ad [K ]Fuel Oxidant p¿ T f , ad [K ]C2H 2 Air 1 2600 H 2 Air 1 2400

C2H 2 O2 1 3410 H 2 O2 1 3080

CO Air 1 2400 C H 4 Air 1 2210

CO O2 1 3220 C H 4 Air 20 2270

C7H 16 Air 1 2290 C H 4 O2 1 3030

C7H 16O2 1 3100 C H 4 O2 20 3460

ADIABATISCHE FLAMMTEMPERATUR IM GLEICHGEWICHT

Gegeben: (siehe Bild)

Gesucht: T f , ad ,GGW

200021502300245026002750

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Reaktionsgleichung:

CO+0.5O2+1.88N2⟶ zCO+ z2O2+(1−z )C O2+1.88 N2

Gleichgewichtsproblem:

K p (T )= z1−z ( z

5.76+z )0.5

Iterationsvorgang:i. CO+0.5O 2+1.88N2⟶CO2+1.88 N2

interpolieren zwischen 2500K und 2800K

→T f ,ad(1)=2663 K

Gleichgewichtsproblem lösen →z(1)=0.276ii.CO+0.5O 2+1.8 8N2⟶0.276CO+0.138O2+0.724CO2+1.88N 2

interpolieren zwischen 2000K und 2300K

→T f ,ad(2)=2073K

Gleichgewichtsproblem lösen →z(2)=0.031iii.CO+0.5O 2+1.88N2⟶0.031CO+0.015O2+0.969CO2+1.88N2

interpolieren zwischen 2500K und 2700K

→T f ,ad(3)=2598 K

Gleichgewichtsproblem lösen →z(3)=0.233iv.CO+0.5O 2+1.88 N2⟶0.233CO+0.117O2+0.767CO2+1.88N2

interpolieren zwischen 2000K und 2300K

→T f ,ad(2)=2167K

• Diskussion In der Graphik kann man erkennen, dass sich der Wert auf ca.

T f , ad(k→∞)=2400K einpendeln würde, was auch dem

Tabellenwert entspräche. Das “Schwingen“ ist damit zu erklären, dass wenn die Temperatur zu hoch ist, auch die Dissoziation zu hoch ist und sich die Reaktion zu stark nach links verschiebt, was die Temperatur zu stark sinken lässt. Man könne so auch immer den Mittelwert den beiden letzten Temperaturen als neue Temperatur wählen.

DAS PRINZIP VON LE_CHATELIER

Vereinfacht lässt sich sagen, dass das System auf äussere Zwänge entgegenwirkt.

T ↑ verstärkte endotherme Reaktion

T ↓ verstärkte exotherme Reaktion

p↑ Bildung der Stoffe, die ein kleineres Volumen einnehmen

(nur bei Gasreaktionen, nur Gase zählen)

p↓ Bildung der Stoffe, die ein grösseres Volumen einnehmen(nur bei Gasreaktionen, nur Gase zählen)

c i↑Konzentrationssenkung dieses Stoffes, GGW auf die andere Seite

c i↓Konzentrationserhöhung dieses Stoffes, GGW auf die diese Seite

VAN’T HOFF GLEICHUNG

d lnK p

dT=∆H R

RT 2 ∆HR≔const .⇒

lnK2

K1=¿−

∆ HR

R ( 1T 2

− 1T 1 )¿

Die van’t Hoff Gleichung zeigt den Zusammenhang von Temperatur und

der Gleichgewichtskonstante. K p∝±1T

Ist die Reaktion exotherm (∆H R<0), dann K p∝+1T

und das

GGW verschiebt sich mit zunehmender Temperatur nach links.

Ist die Reaktion endotherm (∆H R>0), dann K p∝−1T

und

das GGW verschiebt sich mit zunehmender Temperatur nach rechts.

BRENNSTOFFZELLENIn Brennstoffzellen wird der Brennstoff über elektrochemische Vorgänge direkt in Elektrizität umgewandelt. Das hat den Vorteil des geringeren Exergieverlustes, da nicht zuerst Wärme freigesetzt wird, wie beim Verbrennungsprozess.

MAXIMALER UMWANDLUNGSWIRKUNGSGRAD

ηZelle , max=∆GR

∆H R=∆HR−T ∆SR

∆HR=1−

T ∆SR∆H R

Normalerweise ist ∆ H R<0(exotherm), was bei Entropiezunahme einen Umwandlungswirkungsgrad von mehr als 100% zur Folge hat. In diesem Fall nimmt die Brennstoffzelle Wärme aus der Umgebung auf und generiert damit Arbeit. alternative Definition (nie ¿1):

η= W∆GR

MAXIMALER UMWANDLUNGSWIRKUNGSGRAD

H 2-Brennstoffzelle: H 2+0.5O2→H 2O(g)

ηZelle , max=1−T ∆SR∆ H R

@T ref⇒

¿1−T ref ( [ s0(T ref ) ]H 2O (g)−[ s0(T ref )]H 2

−0.5 [s0(T r ef ) ]O 2)

[h f0 ]H 2O (g)−[hf0 ]H2−0.5 [hf0 ]O2

=0.95

Methanol-Brennstoffzelle:

CH 3COH ( l)+1.5O2→CO2+2H 2O(g)

ηZelle , max=1−T ∆SR∆ H R

@T ref⇒

¿1−T r ef ( [ s0(T ref ) ]CO 2

+2 [ s0(T ref )]H 2O (g)−[s0(T ref ) ]CH 3COH(l)−1.5 [ s0(Tref )]O2)

[h f0 ]CO 2+2 [hf0 ]H 2O (g)−[hf0 ]CH3COH (l)−1.5 [h f0 ]O2

=1.07

ÜBERSICHT BRENNSTOFFZELLEN

AFC Alkaline Fuel Cell@ 60-80°C / KOH-Lösung

H 2+0.5O2→H 2O⟹¿v.a. in der Raumfahrt, wegen tiefer Betriebstemperatur, Akkus…

PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell@ 80-90°C / Kunststoffmembran

H 2+0.5O2→H 2O⟹¿v.a. in der Autoindustrie, wegen tiefer Betriebstemperatur, Akkus…

PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell@ 160-220°C / konzentrierte Phosphorsäure

H 2+0.5O2→H 2O⟹¿Autoindustrie (grosse Fahrzeuge), Kraftwerke, WKK, BHKW

MCFC Molten Carbonate Fuel Cell@ 600-650°C / Kalium- und Lithiumcarbonat

H 2+0.5O2→H 2O⟹¿Hochtemperaturandwendungen: Kraftwerke, WKK, BHKW

SOFC Solid Oxid Fuel Cell@ 950-1000°C / Zirkonoxid

H 2+0.5O2→H 2O⟹¿Hochtemperaturandwendungen: Kraftwerke, WKK, BHKW

BERECHNUNGEN AN EINER BRENNSTOFFZELLE

Strom I=ne ∙ e ∙N A=ne ∙ f= nfuel ∙ z ∙ f

z=¿e−¿ ,nfuel=

mfuel

M fuel¿

Leistung PFC=−U ∙ I

char. Spannungen U H (T )=HU

z ∙ f=−∆hRz ∙ f

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U rev (T )=−PFC, rev

z ∙ f=−∆ gRz ∙ f

1HS Q+PFC=−n fuelHU

Wärmeströme Q=∆ hRz ∙ f

I−PFC=n fuel∆hR−PFC

¿ Qrev+Qirr=−[U H−U ( I )] I

Qrev=−[U H−U rev ] I=Q−Qirr

Qirr=−[U rev−U (I )] I=Q−Qrev=−T Serz Fuel Cell Stack P¿=¿FC ∙ PFCU ¿=¿ FC ∙U FC¿

¿

EffizienzηFC=η I ∙ ηU ,H=ηI ∙PFC

PFC+Qη I=¿ Umsetzungswirkungsgrad

Bei Berechnung von ∆ hR bzw ∆ gR :Normalerweise wird H2O immer gasförmig abgegeben, auch wenn die Brennstoffzelle bei Standardbedingungen arbeitet

U-I DIAGRAMM

← Der orange Bereich steht für den irreversiblen Wärmeverlust, der blaue für den reversiblen. Gäbe es keine Irreversibilitäten, so wäre die Leistung höher, nämlich bis Prev . Trotzdem könnte der blaue Teil nicht direkt genutzt werden; doch würde diese Wärme, wegen ihrer hohen Temperatur, wieder von der Umgebung aufgenommen werden, weshalb ihr Verlust reversibel ist.

← Um die maximale Leistung zu erreichen, muss man grosse Wärmeverluste in Kauf nehmen.

METHANOL BRENNSTOFFZELLE

Gegeben:

CH 3COH ( l )+1.5O2→CO2+2H 2O (g )@{Tref , pref }

U=0.2~I 2−0.9~I+1 , ~I= I

Imax, mfuel

Berechnungen:

Q=mfuel

M fuel∆ hR−PFC ,∆ hR=[hf0 ]CO2

+2 [hf0 ]H 2O (g )−[h f0 ]CH3COH (l )

Pmax=?∂(−UI )∂ I

=∂(−U ~I )∂~I

=∂(−0.2~I 3+0.9~I 2−~I )

∂~I=−0.6~I 2+1.8~I−1=0

⟹TR∷ solve(…,~I )

Wie schon erwähnt, kann ∆ SR>0 sein, was hier der Fall

ist. Berechnet man U H und U rev , so

sieht man, dass U rev>UH ist und deshalb Wärme von der Umgebung aufgenommen wird, Qrev>0 , gerade umgekehrt wie im Diagramm oben gezeichnet. Daraus folgt auch, dass

|Qirr|>|Q|.

KOMPRESSIBLE STRÖMUNGEN DURCH DÜSEN

Schallgeschwindigkeit c , mit κ=1.4 für 2-atomige Gase

c=√κRT=√κ p/ ρ- Bsp. 1:

cair=√κRT=√1.4 ∙ 1000∙ RM air

T @T=293 K⇒

cair=343 ms

- Bsp. 2:

cHe=√κRT=√ 53∙ 1000∙ RM He

T @T=293 K⇒

cHe=1007 ms

Machzahl Ma (oder einfach nur M ):

Ma=wc

- Ma>1⇒ Überschall / supersonic

- Ma<1⇒ Unterschall / subsonic

ALLGEMEINES VERHALTEN IN DÜSEN UND DIFFUSOREN

Eine Düse/nozzle hat die Eigenschaft, die Geschwindigkeit eines Fluids, und damit seine kinetische Energie, zu erhöhen. dw>0.

Ein Diffusor/diffuser hat die Eigenschaft, die Geschwindigkeit eines Fluids, und damit seine kinetische Energie, zu verringern. dw<0.

Beziehung zwischen Mach-Zahl, Fläche und Geschwindigkeit:

dAA=−dw

w(1−Ma2 )

I Düse, subsonic dw>0Ma<1 ↪dA<0

II Düse, supersonic dw>0Ma>1 ↪dA>0

III Diffusor, supersonic dw<0Ma>1 ↪dA<0

IV Diffusor, subsonic dw<0Ma<1 ↪dA>0

VENTOURI DÜSE – KONVERGENTE DÜSE

pB wird sukzessive reduziert:

a,b,c: Beschleunigen der Strömung immer weiter in Düse hinein.d: M=1@E pE=p¿e: Trotz der Druckverringerung kann die Strömung nicht mehr weiter beschleunigt werden, in der Düse ändert sich nichts, die Düse ist

“abgeriegelt“ (engl. choked).

LAVAL DÜSE – KONVERGENT/DIVERGENTE DÜSE

pB wird sukzessive

reduziert: a,b,c: Beschleunigen und darauffolgendes Abbremsen d: M=1@Throat danach Abbremsen im Diffusor.e,f: Laval-Düse beschleunigt die Strömung weiter, Verdichtungsstoss bringt sie

zurück in den Unterschall-bereich, jetzt Diffusor.

ISENTROPE STRÖMUNGSFUNKTIONEN

verlustfreie Bernoulli – Gleichung

pρ+w

2

2+gz=const .

Stagnationsenthalpie, -druck und -temperatur:

h0=h+w2

2⏟const .@adiabat

p0=p+ρw2

2⏟const .@reibungsfrei

T0=T+w2

2 c p

Isentropenbeziehungen für ein ideales Gas:

p2

p1=(T2

T1)

κκ−1=( ρ2

ρ1)κ T2

T1=( ρ2

ρ1)κ−1

Strömungsgeschwindigkeit (aus Stagnationsenthalpie folgend):

w=√2(ho−h)=√2c p(T o−T )c p=Rκ /(κ−1)⇒ √ 2κ

κ−1RT 0(1−

TT0

)

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¿√ 2κκ−1

p0 v0(1− TT 0 )=√ 2κ

κ−1p0v0(1−( pp0 )

κ−1κ )

Massenfluss m=V ∙ ρ=A ∙w ∙ ρ=A ∙w ∙ v−1

m=A√ 2κκ−1

p0

v0 [( pp0 )2κ−( pp0 )

κ+1κ ]=A p0

√RT 0 √ 2κκ−1 [( pp0 )

2κ−( pp0 )

κ+1κ ]

↳TR∷mdotv ( A , p , p0 , v0 , κ , R )↳TR∷mdott ( A , p , p0 ,T 0 , κ , R )

Schalldruck, -temperatur, -dichte und -geschwindigkeit

pp0=(1+ κ−1

2M a2)

κ1−κ⟹ p¿=p0( 2

κ+1 )κ

κ−1

TT0

=(1+ κ−12

M a2)−1

⟹T¿=T 0( 2κ+1 )

ρρ0=(1+ κ−1

2M a2)

11−κ⟹ ρ¿=ρ0( 2

κ+1 )1

κ−1

w=√ 2κκ−1

RT 0(1−TT 0

)⟹w¿=√ 2κκ+1

RT 0=√κRT=c

Schalldruckquerschnitt:

AA ¿=

1Ma [( 2

κ+1 )(1+ κ−12

∙ Ma2)]κ+1

2 (κ−1 )

Es existieren jeweils 2 Werte, der grössere im Überschallbereich und der kleinere im Unterschallbereich

(nachdem ein Verdichtungsstoss stattgefunden hat oder der Überschallberech gar nie erreicht war)

VENTOURI DÜSE

Fall “offen“ p> p¿

⟹ m=f ( p , p0 ,…) Fall “abgeriegelt“ p< p¿

⟹ m=f ( p¿ , p0 ,…)

⟹ in diesem Fall ist der Ausgangsdruck p¿ , und nicht p. Also

fliesst auch p¿ in den Massenstrom ein, der durch Senken von p

nicht weiter erhöht werden kann, man müsste schon p0 erhöhen

oder T 0 senken.

m¿∝ A ¿∙ p0 ∙√1/T 0

Zuerst immer überprüfen, ob die Düse “abgeriegelt“ ist.

THERMODYNAMIK 2 : : LTNT--

DEFINITIONEN

KONSTANTEN

- Boltzmann-Konstante σ=5.67 ∙10−8 Wm2 ∙ K4

EINHEITEN

- Wärmestrom q : [W ]

- Wärmestrom pro Länge q ' : [Wm

]

- Wärmestrom pro Fläche q ' ' : [Wm2 ]

- Wärmestrom pro Volumen q ' ' ' : [Wm3 ]

- Wärmeleitfähigkeit λ : [ Wm∙ K

]

- Wärmeübergangskoeffizient α : [ Wm2 ∙K

]

- Temperaturleitfähigkeit a : [m2

s]

- Wärmeleitwiderstand Rleit ,R conv : [KW

]

- Wärmedurchgangskoeffizient k : [ Wm2 ∙ K

]

- Linearer Wärmedurchgangskoeffizient k L : [ Wm∙ K

]

- Rippenparameter m : [1]

- Kinematische Viskosität ν : [m2

s]

- Dynamische Viskosität

μ : [Pa ∙ s ]=[ N ∙ sm2 ]=[ N ∙s

m2 ]

DIMENSIONSLOSE KONSTANTEN

- Bi Biot-Zahl Bi= α ∙ Lλ festkörper

- Nu Nusselt-Zahl Nu=α ∙ Lλ fluid

- Re Reynolds-Zahl Rex=u∞ ∙ xν

=ρ ∙u∞∙ xμ

ReD=u∞∙ Dν

=ρ ∙u∞∙ D

μ

ReL=u∞ ∙ Lν

=ρ∙ u∞∙ Lμ

- Pr Prandtl-Zahl Pr=c p ∙ μλfluid

= νafluid

mit

a= λρc

- Pe Peclet-Zahl Pex=Rex ∙Pr

ÜBERSICHT Wärme kann durch 3 verschiedene Mechanismen übertragen werden; durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung.

WÄRMELEITUNG

q leit' ' =−λ dT

dx

q leit=−A ∙ λ dTdx

KONVEKTION

qconv' ' =α (TW−T∞ )

qconv=A ∙α (TW−T ∞ )

STRAHLUNG

qrad' ' =ε ∙σ ∙T 4

qrad=A ∙ ε ∙σ ∙T 4

wobei ε ein Materialparameter ist

ε perfekt schwarzer Körper=1

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Abstahlung – Anstahlung:

qrad ,net' ' =ε ∙ σ ∙ (T s

4−T sur4 )

qrad ,net=A ∙ε ∙ σ ∙ (T s4−T sur

4 )

DIE WÄRMELEITUNGSGLEICHUNG allgemein:

ρc ∂T∂t

=∇ ∙ ( λ ∙ ∇T )+qQuellen' ' '

kartesisch:

ρc ∂T∂t

= ∂∂ x ( λ ∂T∂ x )+ ∂

∂ y (λ ∂T∂ y )+ ∂∂ z (λ ∂T∂ z )+qQuellen' ' '

zylindrisch:

ρc ∂T∂t

= 1r∂∂ r ( λr ∂T∂ r )+ 1

r 2∂∂θ (λ ∂T∂θ )+ ∂

∂ z (λ ∂T∂ z )+qQuellen' ' '

sphärisch:

ρc ∂T∂t

= 1r2

∂∂r (λ r2 ∂T

∂ r )+ 1r2sin2φ

∂∂θ (λ ∂T∂θ )+ 1

r 2sin2φ∂∂φ ( λ sinφ ∂T

∂φ )+qQuellen' ' '

VEREINFACHUNGEN

λ=const . ρc ∂T∂t

= λ∙∆T +qQuellen' ' '

1a∂T∂t

=∆T+qQuellen' ' '

λ mit

a= λρc

& ohne Quellen:

ρc ∂T∂t

= λ∙∆T⟺ 1a∂T∂ t

=∆T

& stationär ∂∂ t

=0: ∆T +qQuellen' ' '

λ=0

& stationär und ohne Quellen: ∆T=0

TEMPERATURVERTEILUNGEN EINDIMENSIONAL

Soll die Temperaturverteilung angegeben werden, muss die Wärmeleitungsgleichung integriert werden.

λ=const . & stätionär & ohne Quellen:

- kartesisch: ∂2T∂x2 =0

∂T∂x

=C1

T=C1 x+C2

- zylindrisch:∂∂ r (r ∂T∂r )=0

∂T∂r

=C1

r T=C1 lnr+C2

- sphärisch:∂∂r (r2 ∂T

∂r )=0

∂T∂r

=C1

r2

T=−C1

r+C2

λ=const . & stätionär & mit konstanten Quellen: - kartesisch:

∂2T∂x2 =

−qQuellen' ' '

λ ∫∂ x→

∂T∂ x

=−qQuellen

' ' '

λx+C

1

T=−qQuellen

' ' '

2 λx2+C

1x+C2

- zylindrisch:

∂∂ r (r ∂T∂ r )=−qQuellen

' ' '

λr∫∂ r

∂T∂r

=− qQuellen

' ' '

2 λr+

C1

r

T=−qQuellen

' ' '

4 λr2+C1 lnr+C2

- sphärisch:

∂∂r (r2 ∂T

∂r )=−qQuellen' ' '

λr2∫ ∂ r

∂T∂r

=−qQuellen

' ' '

3 λr+C 1

r2

T=−qQuellen

' ' '

6 λr2−

C1

r+C2

λ=const . & stätionär & mit inkonstanten Quellen: Quellterm einsetzen und integrieren

Einige Temperaturverteilungen (Punkte » Quellen):

RANDBEDINGUNGEN

Randbedingungen 1. Art: T (x0 , t )=T 0 Randbedingungen 2. Art:

q ' ' (x0 , t )=− λ dTdx|x=x0

isoliert⇒

=0

Randbedingungen 3. Art:

q ' '=− λ dTdx |x= x0

=α (T (x0, t )−T ∞ )Bei verschiedenen Materialien braucht es auch verschiedene Gleichungen, welche mittels den Randbedingungen - gleiche

Temperatur an der Schnittstelle (1) und gleicher Wärmefluss (2) an der Schnittstelle - verbunden werden können.

Bei Konvektion gilt (3) nur, wenn die Koordinatenrichtung in Normalenrichtung zeigt. Sonst

¿+ λ dTdx |x=x0

=α (T (x0, t )−T ∞ )

KONKRETE PROBLEMSTELLUNGEN

ebene Wand, keine Quellen:gegeben: T 1 , T 2 , LAnsatz: T=C1 x+C2

RB1: T ( x=0 )=T 1=C2 ⇒C2=T 1

RB2: T ( x=L )=T2=C1 L+T 1

⇒C1=T2−T 1

L

Lösung:T=T2−T1

Lx+T 1

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ebene Wand, keine Quellen, auf beiden Seiten Konvektion:gegeben: λ ,T∞,1 , α1 ,T∞ ,2 , α2 , LAnsatz: T=C1 x+C2

RB1: +λ dTdx |x=0

=α 1 (T (0 )−T∞ ,1 )

+λC1=α 1 (C 2−T ∞, 1)⇒C1=

T∞ ,2−T ∞,1

λα1+ λα 2

+L

RB2: −λ dTdx |x=L=α 2 (T (L )−T ∞,2 )

−λC1=α 2 (C1L+C2−T∞,2 )

⇒C2=T ∞,1+T ∞, 2−T ∞,1

1+α1

α2+Lα1

λ

Lösung:T=

T∞ ,2−T∞,1

λα1

+ λα 2

+Lx+T∞,1+

T∞, 2−T ∞,1

1+α1

α2+Lα1

λ Rohrisolation, keine Quellen:

gegeben: r1 , T1 , r2 , T 2

Ansatz: T=C1 lnr+C2

RB1: T ( r=r1 )=T1=C1 ln r1+C2

⇒C1=T2−T 1

lnr 2

r1

RB2: T ( r=r2 )=T2=C1 ln r2+C2

⇒C2=T 1−(T2−T 1 ) ln r1

lnr2

r1

Lösung:T=

T2−T1

lnr 2

r 1

ln rr1+T 1=

T1−T2

lnr1

r2

ln rr2+T2

Ebene Wand mit konstanten Wärmequellen:

gegeben: T 1 , T 2 , L ,qQuellen' ' '

Ansatz: T=−qQuellen

' ' '

2 λx2+C

1x+C2

RB1: T ( x=0 )=T 1=C2 ⇒C2=T 1

RB2: T ( x=L )=T2=−qQuellen

' ' '

2 λL2+C1L+T 1

⇒C1=T2−T 1

L+qQuellen' ' '

2λL

Lösung:T=−qQuellen

' ' '

2 λx2+(T2−T1

L+qQuellen' ' '

2 λL) x+T 1

Maximum: dTdx |x=xmax=0 ⇒ xmax=

L2+T 2−T 1

qQuellen' ' '

Immer überprüfen ob d2Td x2|

x=xmax

<0

Zylinder mit Wärmequellen:

gegeben: r0 , T 0, qQuellen' ' '

Ansatz: T=−qQuellen

' ' '

4 λr2+C1 lnr+C2

RB1: q ' ' (0 )=0=λ dTdr |r=0

=C1 ∙1r|r=0

⇒C1=0

RB2: T ( r0 )=T 0=−qQuellen

' ' '

4 λr 0

2+C2

⇒C2=T 0+qQuellen' ' '

4 λr0

2

Lösung:T=qQuellen' ' '

4 λ∙(r0

2−r2)+T 0

WÄRMEQUELLEN

• gegeben: λ1 , λ2 , α ,T ∞ , L , d ,qQuellen' ' '

• gesucht: T (x)

Ansätze: T 1=−qQuellen

' ' '

2λ1x2+C

1x+C2

T 2=C3 x+C4

RB1: q1' '|x=0=0= λ

d T1

dx |x=0

=C1

⇒C1=0 RB2:

q1' '|x=L=− λ1(−qQuellen

' ' '

λ1L)=−λ2C3=q2

' '|x=L⇒C3=

−qQuellen' ' '

λ2L

RB3:

T 1 (L )=−qQuellen

' ' '

2 λ1L2+C2¿−

qQuellen' ' '

λ2L2+C4=T

2(L )

RB4:

q2' '|x=L+d=−λ2(−qQuellen

' ' '

λ2L)=α (T 2 (L+d )−T ∞ )=qconv' '

qQuellen' ' ' ∙ Lα

+T ∞=− qQuellen

' ' '

λ2∙ L (L+d )+C4

⇒C4=qQuellen' ' ' ∙ L( 1

α +L+dλ2 )+T ∞

RB3:

−qQuellen' ' '

2 λ1L2+C2=

− qQuellen' ' '

λ2L2+ qQuellen

' ' ' ∙ L( 1α+ L+d

λ2 )+T∞

⇒C2=qQuellen' ' ' ∙ L( 1

α +L

2 λ1+dλ2 )+T ∞

Lösung:

T ( x )={T 1=−qQuellen

' ' '

2λ1x2+ qQuellen

' ' ' ∙ L( 1α+ L

2λ1+ dλ2 )+T ∞

T 2=−qQuellen

' ' ' ∙ Lλ2

x+qQuellen' ' ' ∙ L( 1

α+ L+d

λ2 )+T ∞

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SPEZIELLE QUELLTERME

elektrischer Widerstand: qQuellen=I2Rel=I

2 ρel ∙ LA

qQuellen' ' ' =

qQuellenA ∙L

=I 2 ρelA2

Laserabsorption:

qQuellen' ' ' =

−dI (x )dx

=−ddx (I 0 ∙ e

−ax )qQuellen' ' ' =a ∙ I 0 ∙ e

−ax

LASERABSORPTION

• gegeben: λ1 , T1 , T2 , d , I 0 , a• gesucht: T (x)

Ansatz: ∂2T∂x2 =

−qQuellen' ' '

λ=−a ∙ I 0 ∙ e

−ax

λ∂T∂x

=I0 ∙ e

−ax

λ+C1

T ( x )=−I 0∙ e

−ax

λ ∙a+C1x+C 2

RB1: T (0 )=T 1=−I 0

λ ∙a+C2 ⇒C2=T 1+

I 0

λ ∙a

RB2: T (d )=T2=−I 0 ∙ e

−ad

λ ∙a+C1d+T 1+

I 0

λ ∙a

⇒C1=T2−T 1+

I 0

λ ∙a(e−ad−1 )

dLösung:

T ( x )=−I 0 ∙ e

−ax

λ ∙a+T 2−T1+

I 0

λ ∙a(e−ad−1 )

dx+T 1+

I 0

λ ∙a

STATIONÄRE WÄRMELEITUNG MIT WIDERSTÄNDEN

ANALOGON DES ELEKRTISCHEN STROMES

Wärmeleitung Elektrischer StromLeitung U=R ∙ I

∆T= Lλ ∙ A

∙ q

Konvektion ∆T= 1α ∙ A

∙ q U=R ∙ I

• Rnet ,seriell=∑iRi •

Rnet , paralell=1

∑i

1R i

WÄRMELEITWIDERSTÄNDE

q=∆TRnet

= ∆T∑iRi

q '= ∆TL∙ Rnet

= ∆TL ∙∑

iR i

q ' '= ∆TA ∙Rnet

= ∆TA ∙∑

iRi

Leitung: {kartesisch : R leit=

LAλ

A ∙R leit=Lλ

zylindrisch : Rleit , cyl=ln( r 2

r 1 )2 π L λ

A ∙ Rlei t , cyl=r ∙ ln( r2

r1 )λ

sphärisch : Rleit , sph=

1r1−

1r2

4 πλA ∙Rleit , sph=

r 2 ∙( 1r1−

1r2 )

λ

Kovektion: Rconv=1Aα

A ∙Rconv=1α

WÄRMELEITWIDERSTÄNDE

• gegeben: T ∞,h , α h, T ∞,c , α c , λ1 , L1 , λ2 , L2 , A ∙Rcontact

• gesucht: T 1 , T 2 , T 3, T 4

• Vorgehen: zuerst alle ( A ∙R )i berechnen, dann q ' ' und daraus

T 1,2,3,4 .

A ∙R conv, c=1α c

,

A ∙R leit , λ2=L2

λ2 , A ∙R leit , λ1

=L1

λ1 , A ∙Rconv , h=

1α h

q ' '= ∆TA ∙Rnet

=T ∞, h−T ∞, c

(A ∙Rconv, c+A ∙ Rleit , λ2+A ∙ Rcontact+A ∙R leit , λ1

+A ∙Rconv, h )

T 1=T ∞,c+q' ' (A ∙Rconv , c)

T 2=T 1+ q' ' (A ∙ Rleit , λ2

)T 3=T 2+ q

' ' ( A ∙Rcontact ) T 4=T 3+q

' ' (A ∙R leit , λ1)

( check: T ∞,h=T 4+q' ' ( A ∙ Rconv ,h ) )

falls zylindrisch: (L ∙R )i und q ' statt ( A ∙R )i und q ' '

WÄRMEDURCHGANGSKOEFFIZIENT

Wärmedurchgangskoeffizient (von Fläche/Radius abhängig)

k= 1A ∙ Rnet

⟹ q=k ∙ A ∙∆T⟹ q ' '=k ∙∆T

- bei der Rohrwand:

k (r )= 12 πrL∙ Rnet

= 1r

r1α1+r∑

i

ln ( ri+1/r i )λi

+ rr 2α 2

Linearer Wärmedurchgangskoeffizient (vom Radius unabhängig)

k L=k (r ) ∙2 πr= 1L∙ Rnet

⟹ q=kL ∙ L ∙∆T⟹ q' '=kL ∙ ∆T

2πr- bei der Rohrwand:

k L=1

L ∙Rnet= 2π

1r 1α 1

+∑i

ln (r i+1/r i )λ i

+ 1r2α2

KRITISCHER ROHRRADIUS

Problem: Je dicker die Rohrwand, desto besser die Isolation durch Leitung, aber desto schlechter die Isolation aussen durch Konvektion.

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Lösung: Tradeoff zwischen beiden Argumenten: d Rnet

dr2=0

d Rnet

dr2= dd r 2

( ln( r2

r1 )2π L λ

+ 12π r2Lα

)= 12π L λ

1r2

r1

1r1− 1

2π r22Lα

=0⇒rcrit=λα

Der kritische Radius ist das Minimum des Rnet - r2- Diagramms

r<r crit : Je kleiner der Radius desto besser die Isolation.

r>r crit : Je grösser der Radius, desto besser die Isolation.

Zahlenbeispiel 1: Heizung (Stahl), rcrit=12m→ perfekt wäre r=rcrit , sonst so dick wie bezahlbar

Zahlenbeispiel 2: Korkisolation eines Heizrohres, rcrit=7.8mm→ worst case: r=rcrit , falls r>r crit , so dick wie bezahlbar.

BIOT - ZAHL

Bi=αLλ=Rleit

RconvradialeSchicht

αdλd=Dicke

• Bi≪1 :Rconv≫Rleit Rleit ≈0.

→ Verbesserung der Wärmeleitung: α ↑• Bi≈1:R conv≈ Rleit .

→ Verbesserung der Wärmeleitung: α ↑, λ↑• Bi≫1 :Rconv≪Rleit Rconv ≈0.

→ Verbesserung der Wärmeleitung: λ↑

WÄRMELEITUNG IN RIPPEN

ALLGEMEIN

allgemeine RippenDGL (S=const . , u=0 , stationär, keine Quellen/Strahlung):

d2Td x2 −

αPλS (T−T∞ )=0 mit

{Rippenparameter m=√ αPλSÜbertemperatur θ=T−T ∞

d2θd x2−m

2θ=0

allgemeine Lösung:

θ=C1 emx+C2 e

−mx

1. Randbedingung: θF=θ(0)=C1+C2 Wärmestrom:

qF=−λ ∙S ∙∂T∂x |x=0

=−λ ∙S ∙ ∂θ∂ x|x=0

Rippenwirkungsgrad: ηR=qFqmax

=qF

α ∙ A ∙θF Geometrisches:

- Ebene Rippe S=b ∙t P=2 (b+ t ) dA=2 (b+t )dx

- Stabrippe: S=π ∙ D2

4 P=π D

dA=πDdx

m=√ 4 αλD

RIPPE MIT ADIABATEM KOPF

Lösung: θ=θF ∙cosh (m (L−x ) )

cosh (mL ) Wärmestrom: qF=λ ∙S ∙ θF ∙m∙ tanh (mL )

Rippenwirkungsgrad: ηR=tanh (mL)mL

SEHR LANGE RIPPE

Lösung: θ=θF e−mx

Wärmestrom: qF=λ ∙S ∙ θF ∙m

Rippenwirkungsgrad: ηR=1mL

RIPPE ZWISCHEN 2 FLÄCHEN

EINGESPANNT T K=T (L) Lösung:

θ=θK sinh (mx )+θF sinh (m (L−x ) )

sinh (mL ) Wärmestrom:

qF=λ ∙ S ∙m ∙θFcosh (mL )−θK

sinh (mL )

Rippenwirkungsgrad:

ηR=cosh (mL)−

θKθF

mLsinh (mL )KONVEKTION AUCH AM RIPPENENDE

Lösung:

θ=θF ∙cosh (m (L−x ) )+ α

mLsinh (m (L− x ) )

c osh (mL)+ αmL

sinh (mL) Wärmestrom:

qF=λ ∙ S ∙θF ∙m∙sinh (mL )+ α

mLcosh (mL )

cosh (mL )+ αmL

sinh (mL ) Rippenwirkungsgrad:

ηR=1mL

∙sinh (mL )+ α

mLcosh (mL)

cosh (mL)+ αmL

sinh (mL)

RIPPE ZWISCHEN 2 FLÄCHEN EINGESPANNT

• gegeben: T 1, T 2=T ∞ ,T ∞ , L , D , λ ,α• gesucht: qL

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• Vorgehen: 1.HS: qL=qF−qK

dabei gilt: θK=0

und θF=T1−¿ T ∞

qF=λ ∙S ∙m ∙θF cosh (mL )

sinh (mL)

qK=−λ ∙S ∙∂ θ∂ x|x=L

qK=−λ ∙S ∙ ∂∂x ( θK sinh (mx )+θF sinh (m (L− x ) )sinh (mL ) )|x=L

¿−λ ∙ S ∙θF ∙cosh (0 )

sinh (mL )∙ (−m)=¿

λ ∙S ∙m ∙θF ∙1

sinh (mL )

qL=λ ∙S ∙m ∙θF ∙(cosh (mL )−1 )

sinh (mL )

KORRELATION 2 GLEICHLANGER RIPPEN

• Ausgangslage: 2 gleichlange, lange Rippen mit gleichem Durchmesser aber aus anderem Material• gegeben: TW ,T A , T B ,T ∞ , λA• gesucht: λB• Vorgehen: Lösungen für lange Rippen benützen.

θA=θF , A e−m A x1⟹ (T A−T ∞ )=(TW−T ∞ )e−m A x1

⟹ ln( T A−T∞

TW−T ∞)=−mA x1

θB=θF ,Be−mB x1⟹ (T B−T∞ )=(TW−T ∞ )e−mB x1

⟹ ln ( T B−T ∞

TW−T ∞)=−mB x1

ln( T A−T ∞

TW−T ∞ )ln( T B−T ∞

TW−T ∞)=mA

mB=√ λBλA⟹ λB= λA ∙( ln ( T A−T∞

TW−T ∞ )ln ( T B−T∞

TW−T ∞) )

2

INSTATIONÄRE WÄRMELEITUNG

RAUMUNABHÄNIG AKA 0-DIMENSIONAL

Voraussetzungen: Bi≪1T i−T0

T0−T∞=Rleit

Rconv=α ∙ L

λ=Bi

Annahmen: T=T (t)

1.HS:ddt

(M ∙c ∙T )=−A ∙α ∙ (T−T ∞ )wobei

M=ρ ∙VT−T ∞

T i−T ∞=e

−αAMc ∙t

=e−tτ mit τ=Mc

αA

t=−McαA

ln( T−T ∞

T i−T∞)=−τ ln( T−T∞

T i−T ∞)

wobei die Zeitkonstante τ=McαA

die Zeitspanne bis zur Abkühlung

auf θneu=θi /e=36.8 % ∙ θi angibt (Aufheizen bis

θneu=e ∙θi)

Geometrisches: τ=McαA

=VρcαA

- Zylinder: τ cyl=ρcDh

2α (D+2h )

- Kugel: τ sph=ρcD6 α

ABKÜHLEN ZWEIER KUGELN

Ausgangslage: Eine Aluminium- und eine Stahlkugel werden aus dem Ofen genommen und mit einem Luftstrom gekühlt (α ,T ∞).

gegeben: Bi≪1 , ρal , ρst , cal , cst , α ,T ∞ ,T i ,D gesucht: ∆T nach t , tmax∆T

T al=T∞+ (T i−T ∞ )e−tτal

T st=T∞+(T i−T ∞ )e−tτst }∆T=T st−T al=(T i−T ∞ )(e

−tτst−e

−tτ al )

∂∆T∂T

=0= ∂∂T

(e−tτst−e

−tτ al )=−1

τ st∙ e

−tτst + 1

τ al∙e

−tτal=0

τalτ st

=e−tτ al

e−tτst

=et ( 1τst

−1τal )⟹tmax ∆T=

ln ( τ alτ st )1τ st−

1τal

WÄRMESPEICHER

Ausgangslage: Ein zylindrischer Wassertank mit d=h dient als

Wärmespeicher. In einem halben Jahr (¿ 4380h), darf er maximal

20 % seiner gegenüber der Umgebung nutzbaren Wärme verlieren.

Er ist mit einer Isolationsschicht der Dicke L umgeben.

Annahmen: α innen=∞ und Zylinderwand ≅ linear

gegeben: ρWasse r , c p ,Wasser , α aussen=α , λiso gesucht: Durchmesser D des Zylinders ohne Isolation

T−T ∞

T i−T∞=e

−αAMc

∙thier⇒

0.8=e−kAMc

∙ t=e

−tτ cyl

τ cyl=ρcDh

2k (D+2h )h=D

ρc D2

2k (3D )= ρcD

6k mit

k= 1A ∙ Rnet

= 1Lλiso

+ 1α

ln 0.8=−tτ cyl

= −tρcD6k

⟹D= −tρc6k

∙ ln0.8

HALBUNENDLICHE WAND

Wärmeleitungsgleichung 1-D, λ=const ., keine Quellen:

ρcλ∂T∂t

=∂2T∂ x2 a=

λρc

1a∂T∂t

= ∂2T∂ x2 η=

x√4 at→

∂2T∂η2 =−2η ∂T

∂η

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T−T s

T i−T s= 2√π∫0

η

e−η2

dη≡erf (η)T−T i

T s−T i=1−erf (η)≡erfc (η)

3 Fälle: Anfang: T (x ,0)=T i (alle Körper haben überall T i)1: Wand-temperatur auf T S erhöht und gehalten2: ab t 0 konstanter Wärmestrom3: ab t 0 konvektiver Wärmeübergang

Diffusionslänge / -zeit:

xD=√ λρc⏟a

∙ tD tD=xD

2 ∙ ρcλ⏟

1/a

@η=0.5⟹ erfc (0.5 )=48 %T−T i=0.48 (T s−T i )

Wärmestrom qs' '=

λ (T s−T i )√ πat

Kontakttemperatur zweier halbunendlicher Körper (A und B)

T s=T i , A√ λA ρA cA+T i , B√ λB ρBcB

√λ A ρA c A+√ λB ρB cBGRUNDLAGEN DER KONVEKTION

Wärmestrom qconv' ' =α (TW−T∞ )qconv=A ∙α (TW−T ∞ )

mittlerer Wärmeübergangskoeffizient α

- allgemein: α= 1A∫ α dA

- ebene Platte ab Anfang α= 1L∫0

L

α ( x )dx

- ebene Platte ab x0 α= 1L ∫x0

x0+L

α ( x )dx

ALLGEMEINES VORGEHEN

i. Welche Geometrie hat das angeströmte Teil? ii. Handelt es sich um erzwungene oder natürliche Konvektion?

→ erzwungene Konvektion: ℜ mit Recrit vergleichen

→ natürliche Konvektion: Ra mit Racrit vergleicheniii. Daraus folgt die entsprechende Grenzschicht (laminar/turbunlent).iv. Nu mit der

entspechenden Formel berechnen.

v. Daraus α berechnen.

α=Nux ∙ λx

ERZWUNGENE KONVEKTION :: EBENE WAND Kritische Reynoldszahl

Recrit=105

LAMINARE GRENZSCHICHT ℜ<R ecrit Dicke Geschwindigkeitsgrenzschicht δ=4.92∙ x ∙ R ex

−1/2

Dicke Temperaturgrenzschicht δ T=δ ∙P r1 /3

Widerstandsbeiwert

- lokal c f , x=0.664 ∙R ex−1 /2

- gemittelt c f , L=1.328 ∙ R ex−1/2

Nusselt-Zahl

- Pr>0.6 N ux=0.332∙ R ex1 /2 ∙P r1 /3

- Pr<0.6 N ux=0.565∙ (Rex ∙Pr )1 /2- Pe x>100

N ux=0.3387 ∙ R ex

1 /2 ∙P r1 /3

(1+ (0.0468/Pr )2 /3 )1 /4

TURBULENTE GRENZSCHICHT

ℜ>R ecrit Widerstandsbeiwert (Rex ≤107)

c f , x=0.0592 ∙ R ex−1/5

Nusselt-Zahl N ux=0.0296 ∙R ex4 /5 ∙P r1 /3

VORGEHEN

Fläche ist am Rand der Platte (nur laminar):- Nusselt – Zahl mitteln: Nu=2 ∙N ux=L

- daraus αberechnen α=Nu∙ λ fluid

L Fläche beginnt erst im Abstand x0 vom Plattenrand (gilt immer):

- α lokal berechnen: α (x )=N ux ∙ λfluid

x

- mitteln per Integral: α= 1L ∫x0

x0+L

α ( x )dx

Die Formel Nu=2 ∙N ux=L folgt aus der Integration von der

lokalen Formel und gilt nur dann, wenn die Reynoldzahl mit Rex1/2 in

N ux eingeht. Sonst Variante 2 wählen.

CHIPKÜHLUNG #1

• Ausgangslage: Kühlung eines quadratischen Chips• gegeben: u∞ , T ∞ ,T chip ,d , ν , Pr (¿0.6) , λ fluid• gesucht: qconv

ReL=u∞ ∙dν

<Recrit⇒ laminar

N ux=0.332∙ R ex1 /2 ∙P r1 /3

Nu=2 ∙N ux=L=0.664 ∙ R eL1 /2 ∙P r1 /3=0.664 ∙( u∞ ∙dν )

1/2

∙P r1 /3

α=Nu∙ λ fluid

L=

0.664 ∙(u∞∙ dν )1 /2

∙P r1 /3 ∙ λ fluid

d=0.664 ∙( u∞ν ∙d )

1 /2

∙P r1 /3 ∙ λ fluid

qconv=α A (TW−T ∞ )=α d2 (T chip−T ∞ )CHIPKÜHLUNG #2

• alles gleich wie vorher – nur der Chip ist anderst positioniert

ReL=u∞ ∙2dν

<R ecrit⇒ laminar

N ux=0.332∙ R ex1 /2 ∙P r1 /3

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α (x )=N ux ∙ λfluid

x=0.332∙(u∞ ∙ xν )

1/2

∙ P r1 /3 ∙ λfluid ∙1x

¿0.332 ∙(u∞ν )1 /2

∙P r1 /3∙ λ fluid ∙ x−1 /2

α= 1d∫d

2d

α ( x )dx= 1d∙0.332 ∙( u∞ν )

1 /2

∙P r1 /3 ∙ λfluid ∙∫d

2d

x−1 /2dx⏟

¿2 [ x1/ 2]d2d

¿0.664 ∙( u∞ν )1/2

∙ Pr 1/3 ∙ λfluid ∙(2d )1 /2– d1 /2

d

qconv=α A (TW−T ∞ )=α d2 (T chip−T ∞ ) andere Variante: α=2 ∙ α von0bis2d−α von0bisd

α=2 [0.664 ∙( u∞ ∙2dν )1 /2

∙P r1 /3 ∙ λfluid

2d ]−[ 0.664 ∙(u∞ ∙ dν )1 /2

∙P r1 /3 ∙ λfluid

d ]

¿ ((2d )1 /2−d1 /2 ) [0.664 ∙( u∞ ∙2dν )1/2

∙P r1 /3 ∙ λfluid

d ] Diskussion: Allgemein lässt sich sagen, je weiter weg der Chip vom

Rand platziert ist, desto kleiner ist die Kühlung, da

(2d )1 /2 –d1 /2

d< 1d1 /2

.

Dies glit nur, solange man im laminaren Bereich ist, sobald es turbulent wird, gilt eine andere Gleichung.

Eine dritte Variante wäre, den lokalen Wert α (x ) zu nehmen, an der Stelle x=1.5d , was ungenauer ist, da

α (x )∝ x−1 /2 ist und nicht linear, was in der Graphik erkennbar ist.

RAUMISOLATION

• Ausgangslage: Es soll die Isolation von 2 Zimmern verglichen werden.

• gegeben:

u∞=10ms

T∞,a=−23 °CT ∞, i=20 °C

α i=10 Wm2 K

Pr=0.72

t=0.008mh=2.5m

νair=11.44 ∙10−6 m2

s

λglas=0.058 WmK

λair=22.3 ∙10−3 WmK

• gesucht: q A , qB

Recrit=105=u∞∙ xcritνair

⟹ xcrit=0.1m

⟹ die ganze Strömung wird als turbulent betrachtet

N ux=0.0296 ∙R ex4 /5 ∙P r1 /3

Zimmer A: q A=

T ∞,i−T∞ ,a

Rnet , A=

T ∞,i−T∞ ,a

1A ( 1

α i+ tλglas

+ 1α A )

α A ( x )=N ux ∙ λair

x=0.0296 ∙( u∞νair )

4 /5

∙P r1 /3 ∙ λair ∙ x−0.2

α A=14∫0

4

α ( x )dx=14∙0.0296 ∙( u∞ν air )

4 /5

∙ P r1/3 ∙ λair ∙∫0

4

x−0.2dx

α A=14∙0.0296 ∙( u∞ν air )

4 /5

∙ P r1/ 3∙ λair ∙1

0.8∙ [ 40.8 ]=31.8 W

m2 K

q A=T ∞,i−T∞ ,a

Rnet , A= 43

14 ∙2.5 ( 1

10+0.008

0.058+ 1

31.8 )=1596W

Zimmer B: qB=

T ∞,i−T ∞,a

Rnet ,B=

T∞,i−T ∞, a

1A ( 1

α i+ tλglas

+ 1αB

)αB ( x )=

Nux ∙ λairx

=0.0296∙( u∞νair )4 /5

∙P r1 /3 ∙ λair ∙ x−0.2

αB=16∫5

11

α ( x )dx=16∙0.0296 ∙( u∞νair )

4/5

∙ P r1/3 ∙ λair ∙∫5

11

x−0.2dx

αB=0.0296

6∙( u∞νair )

4/5

∙ P r1/3 ∙ λair ∙1

0.8∙ [110.8−50.8 ]=22.2 W

m2K

qB=T ∞,i−T∞,a

Rnet ,B= 43

16 ∙2.5 ( 1

10+ 0.008

0.058+ 1

22.2 )=2280W

Diskussion: Trotz des kleineren α ist die verlorene Wärme in B viel grösser, was daraus folgt, dass die äussere Konvektion relativ wenig zur Isolation beiträgt und so die grössere Fläche des Fensters B viel stärker ins Gewicht fällt.

ERZWUNGENE KONVEKTION :: ZYL. KÖRPER & KUGEL

Filmtemperatur T Film=12∙ (T w+T∞ )

Dimensionslose Konstanten mit der Filmtemperatur berechnen:

ReD=u∞ ∙Dν (T Film)

=ρ∙u∞ ∙Dμ(T Film)

und

Pr=c p ∙ μ

λ fluid(T Film)=

ν (T Film)a fluid(T Film)

gemittelte Nusselt-Zahl

- zylindrische Körper NuD=C ∙ ReDm ∙P r1 /3

→ mit den Konstanten aus folgenden Tabellen: ↘ für Kreiszylinder:

↘ für andere Geometrien:

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- Kugel

NuD=2+(0.4 ∙R eD1/2+0.06 ∙R eD

2/3) ∙ Pr0.4

∙( μμW )1/4

im Bereich

{0.71<Pr<380;3.5<R eD<7.6 ∙104 ;1.0< μμW

<3.2}

Gemittelter Wärmeübergangskoeffizient

α=NuD ∙ λfluid

DDIE ÖLBOMBE

• Ausgangslage: Ein Fass mit heissem Öl aus einem Flugzeug mit Höhe h abgeworfen, wobei die Zylinderachse quer zur Fallrichtung steht.• Annahmen: - u∞=const . - T nur von t abhängig

gegeben: u∞ , h ,T∞, T i , D , L,dstahlwand , ρöl , cp , öl , ρ st , cp , st λair , ρair , cp ,air , μair , α S=αStirnfläche

gesucht: T wenn die Bombe am Boden auftrifft

Vorgehen: instationäre Wärmeleitung, wobei αM=αMantelfläche zuerst gefunden werden muss mit der erzwungenen Konvektion.

T−T ∞

T i−T ∞=e

−αAMc ∙t

hier⇒e

−2α S ∙ S+αM ∙ AM

M öl ∙cp ,öl+M st ∙ cp, st∙t

Berechnen von αM :

ReD=u∞∙ Dν

=ρ ∙u∞∙ D

μ⇒ liegt zwischen 40'000 und 400'000

NuD=C ∙ ReDm ∙P r1 /3=0.027 ∙( ρ∙u∞ ∙ Dμ )

0.805

∙( c p ∙ μλ )1/3

αM=NuD∙ λair

D Restliche benötigte Grössen berechnen:

S=D2π4

AM=DπL

M öl=ρölV öl= ρöl ∙D2πL

4

M st=ρstV st=ρst ∙Ost ∙d st=ρ st ∙(πD( D2 +L)) ∙d st

t= hu∞

Schliesslich alle Grössen einsetzen und nach T auflösen

⟹T=T ∞+ (T i−T∞ )e−2α S ∙S+αM ∙ AM

M öl∙ cp ,öl+M st ∙c p, st∙ t

GEOTHERMISCHER DAMPF

• Ausgangslage: Der Dampf einer Transportleitung für geothermischen Wasser-dampf, welche mit Isolation umgeben ist und vom Wind quer angeströmt wird, darf sich nur bis 5 °C über die Sättigungstemperatur abkühlen.

Annahmen: α innen=∞ und p=const .=7 ¿ gegeben: T i=180 °C T ∞=293K

u∞=8 ms

ρair=1.1941 kgm3

μair=181.1 ∙10−7 N ∙sm2

Liso=5 cm c p , air=1.007 kJkg ∙K

λair=25.7 ∙10−3 Wm∙ K

λ iso0.046 Wm∙K

m Lst=3mm

λ st=64 Wm∙K

d i=15 cm m=0.35 kgs

gesucht: L Vorgehen: über Wärmeleitwiderstände L finden, wobei α zuerst

berechnet werden muss mit der erzwungenen Konvektion. Berechnen von α :

ReD=u∞∙ daν

=ρ ∙u∞ ∙ da

μ=135 ' 037

NuD=0.027 ∙( ρ ∙u∞∙ daμ )0.805

∙( c p∙ μλ )1 /3

=324.815

α=NuD ∙ λair

da=32.6 W

m2 ∙K

Mittlerer Temperaturunterschied gegenüber T ∞ berechnen:

T 2=T sat+5° C=169.97 °C A-4

∆T lin=∆T 1+∆T 2

2=154.985° C

∆T log=∆T 1−∆T 2

ln (∆T 1

∆T 2 )=154.931°C

Verlorene Wärme per 1HS berechnen:

q lost=m ∙ (h1−h2 ) h1 A-4 @ 180 °C

¿8314.96W h2 A-4 @ 169.97 °C Wärmeverlust pro Meter Rohr berechnen:

q '= ∆TL ∙Rnet

= ∆T

ln( r2

r1)

2π λst+

ln( r3

r2)

2 π λiso+

12π r3α

= 154.931

ln( 0.0780.075 )

2π ∙64+

ln( 0.1280.078 )

2π ∙0.046+ 1

2 π ∙0.128 ∙32.6

=88.43Wm

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Daraus die gesuchte Länge bererchnen:

L=q lostq'

=8314.96W

88.43 Wm

=94m

BRENNELEMENT

• Ausgangslage: Ein Hochtemperatur-Gas-Reaktor (HTGR) besteht aus kugelförmigen Uranoxid-Elementen, die eine uniforme volume-trische Wärmequelle

qQuellen' ' ' enthalten. Jedes

Brennelement ist in eine Schale aus Graphit eingebettet, die durch einen Heliumgasstrom gekühlt wird. Betrachten Sie ein Brennelement im stationären Zustand unter Vernachlässigung von Wärmestrahlung. gegeben: d i=10mm da=12mm

u∞=20ms

T ∞=500K νHe=290 ∙10−6 m2

s

λHe=0.22 Wm∙K

μ∞=283 ∙10−7Pa ∙ s

Pr=0.67 μW=592∙10−7 Pa∙ s

T s ,O=1300K λU=λG=2 Wm∙K

gesucht: a) den Wärmestrom pro Brennelement an das Gas (in W).

b) qQuellen' ' ' und T s ,i

c) T (r ) im Brennelement und T (0) Vorgehen: stationäre Wärmeleitung, wobei α zuerst gefunden

werden muss mit der erzwungenen Konvektion an einer Sphäre. Berechnen von α : (eigentlich dürfte man die Formel nicht

verwenden)

N uD=2+(0.4 ∙R eD1/2+0.06 ∙R eD

2/3 ) ∙Pr0.4

∙ ( μμW )1/4

¿13.899 (mit ReD=u∞∙ daν

=827.586)

α=NuD ∙ λHe

da=254.81 W

m ∙K

Daraus Wärmestrom ausrechnen:

q=α ∙Okugel ∙ (T s ,O−T∞ )=α ∙da2 ∙ π ∙ (T s ,O−T∞ )=92.22W

Quellenterm durch Teilen durch inneres Volumen berechnen:

qQuellen' ' ' = q/V= q/( da3 ∙ π6 )=176.125 MW

m3

T s ,i mittels Wärmeleitwiderstand berechnen:

T s ,i=T s ,O+q ∙ Rleit , sp h=T s ,O+ q ∙

1r i− 1r a

4 π λG=1422.31°C

Ansatz für T (r )=−qQuellen

' ' '

6 λr2−

C1

r+C 2

mit C1=0

(Symmetrie) 2.RB:

T ( r i )=T s ,i=− qQuellen

' ' '

6 λr i

2+C2⇒C2=T s ,i+qQuellen' ' '

6 λr i

2

C2 ist auch gleich T (0 )=−qQuellen

' ' '

6 λ02−0

r+C2=C2

C2=T (0 )=Tmax=T s , i+qQuellen' ' '

6 λri

2=1789.24 °C

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