Termodynamik. Teoretisk grundlag, praktisk anvendelse. Aage Bredahl Eriksen Søren Gundtoft Aage Birkkjær Lauritsen

Transkript

1

2 Termodynamik Teoretisk grundlag, praktisk anvendelse Aage Bredahl Eriksen Søren Gundtoft Aage Birkkjær Lauritsen

3 Termodynamik teoretisk grundlag, praktisk anvendelse 2. udgave, 1. oplag 2007 (c) Nyt Teknisk Forlag 2000, 2007 Forlagsredaktør: Thomas Rump, Omslag: Per Diemer Illustration: Morten Stampe Mortensen Dtp: Gitte Frederiksen e-isbn: Bestillingsnummer: Mekanisk, fotografisk, elektronisk eller anden gengivelse af denne bog eller dele heraf er ikke tilladt ifølge gældende dansk lov om ophavsret. Alle rettigheder forbeholdes. Nyt Teknisk Forlag Ingerslevsgade København V info@nyttf.dk

4 Forord 5 Denne bog er tænkt som lærebog i termodynamik for studerende ved danske ingeniørhøjskoler. Der forudsættes derfor en indsigt i blandt andet matematik og fysik svarende til det obligatoriske niveau efter studiets to første semestre. Bogen er blevet til gennem et samarbejde mellem undervisere i termodynamik ved ingeniørhøjskolerne i Horsens og Århus. Der har længe været udtrykt et ønske om en lærebog på dansk, som henvender sig specifikt til denne målgruppe, så det er vores håb, at bogen vil finde anvendelse her. Formålet med bogen er, at gøre de studerende fortrolige med det termodynamiske grundlag, således at de bliver i stand til at anvende teorien på praktiske tekniske anlæg. Det er endvidere vores håb, at bogen kan bruges af ingeniører og teknikere, som arbejder med energiteknik i industrien. Bogens opbygning fremgår af den detaljerede indholdsfortegnelse og der afsluttes med et stikordsregister. Hvert kapitel indeholder et antal regneeksempler til understøtning af teorigennemgangen. Hvor der i teksten henvises til en kilde, er det angivet ved kildens nummer i litteraturlisten mellem to skråstreger. I bogen er i videst muligt omfang anvendt symboler i følge ISO 31. Her adskiller bogen sig fra tidligere anvendte lærebøger ved ingeniørhøjskolerne, idet der har været lidt betænkeligheder ved normens symboler for specielt massestrøm og volumenstrøm, da symbolet for disse kolliderer med symbolet for specifik varme. I denne 2. udgave er der sket en del redaktionelle ændringer og foretaget nødvendige rettelser. Desuden er der i kapitel 4 indføjet et nyt afsnit om anvendelse af energiregnskab i forbindelse med beregninger på rørsystemer og pumpeanlæg. Forfatterne sætter stor pris på at modtage kritik af bogen, det være sig rettelser eller forslag til forbedringer, som kan være med til at fastholde bogens kvalitet i fremtidige udgaver. Århus, juni 2007 Aage Bredal Eriksen Søren Gundtoft Aage Birkkjær Lauritsen

5 This page intentionally left blank

6 Indhold 7 1 Termodynamikkens grundlag Fysiske størrelser og enheder Enhedssystemer Dekatiske præfixer og græske tegn Enhedsanalyse Tryk Temperatur Termiske tilstandsstørrelser Varmeudvidelse Specifik varmekapacitet Middelværdi af specifik varmekapacitet Termisk tilstandsligning Termodynamisk proces Reversible og irreversible processer Teknisk termodynamik Energibalance for et lukket system Termodynamisk system Arbejde Volumenændringearbejde Friktion hovedsætning, indre energi Varme hovedsætning for et lukket system Energibalance for et åbent system Åbne systemer og "indre arbejde" hovedsætning for et åbent system Varmestrøm og akseleffekt Teknisk reversibelt arbejde Instationære processer, flere strømme 32 2 Ideale gasser og reversible processer Tilstandsligningen De afledte love Molmasse og universiel gaskonstant Normaltilstand Specifik varmekapacitet for gasser Sammenhæng mellem c p og c V Indre energi og entalpi for ideal gas 40

7 8 Indhold 2.4 Reversible processer med ideale gasser Isokor proces Isobar proces Isoterm proces Isentrop proces Polytrop proces Sammenligning af processerne Kredsprocesser Kredsprocesser Varmekraftmaskinens proces Termisk virkningsgrad Køleanlæggets kredsproces Effektfaktor J Carnots kredsproces for varmekraftmaskine Carnots kredsproces for kølemaskine og varmepumpe 59 3 Termodynamikkens 2. hovedsætning og entropi Termiske energilagre Termiske motorer Termisk virkningsgrad Termodynamikkens 2. hovedsætning Definition af entropi Ideale gasser Carnots kredsproces Alle processer er reversible Med friktion i system B Med temperaturdifferens (og uden friktion) Evighedsmaskiner af 2. grad T,s-diagrammet Procesforløb i T,s-diagrammet Nogle vigtige eksempler Carnots kredsproces i T,s-diagrammet Exergi og anergi Entropibegrebet i andre sammenhænge Termodynamikkens 2. hovedsætning i praksis Carnots begrænsning T,s- og h,s-diagrammer mv Strømningsprocesser Introduktion Densitet Viskositet Viskositetens afhængighed af trykket for gasser Kontinuitetsligningen for masse 81

8 Indhold Energiligningen for strømningsprocesser Energiregnskab Effekt og virkningsgrader Energiforbrug Tryktabsberegninger Beregning af friktionstryktab Friktionstryktab i enkeltmodstande k v -værdi Eksempler Dyser og diffusorer Energiomsætning i dyser og diffusorer Underlydshastighed i dyser Kritisk trykforhold, lydhastighed Overlydsstrømning, Laval-dysen Impulsligningen Virkelige stoffer Tilstandsændringen for et virkeligt stof Fordampning Smeltning Sublimation Reale gasser Tilstandsdiagrammer T,s-diagrammet h,s-diagrammet log p,h-diagrammet Vanddamptabeller og diagrammer EDB-programmer Maskiner og energitekniske anlæg Turbiner Teknisk og indre arbejde Indre virkningsgrad, turbinen Isentropisk virkningsgrad Kompressorer Teknisk og indre arbejde Indre virkningsgrad, kompressoren Isentropisk virkningsgrad Kompressor med køling Kølegrad Gasturbineanlæg Stationære anlæg Gasturbinens kredsproces Gasturbineanlæggets virkningsgrader Jetmotoren 135

9 10 Indhold 6.4 Dampkraftanlæg Energitekniske beregninger Clausius-Rankine-Processen Dampkraftanlæggets virkningsgrader ORC-anlæg Combi-Cycle-anlæg Køleanlæg Energitekniske beregninger Køleanlæggets virkningsgrader Kølemidler Pumper og ventilatorer Pumper Ventilatorer Forbrændingsmotorer Ottoprocessen Dieselprocessen Stirlingprocessen Gasblandinger og fugtig luft Gasblandinger Masseanalyse Volumenanalyse Daltons lov Gaskonstant for en gasblanding Molmasse for en gasblanding Den specifikke varmekapacitet for en gasblanding Fugtig luft Ventilationsanlæg Tørringsanlæg Tilstandsområder Tilstandsstørrelser Luftens vandindhold Masse og densitet Specifik entalpi Molliers h,x-diagram Opvarmning af luft Afkøling af luft Blanding af to luftstrømme Befugtning af luft Forbrænding Energiforsyning Fotosyntese Forbrænding 179

10 Indhold Drivhuseffekt Ressourcer af kul, olie og naturgas Karakterisering af brændstoffer Brændværdi Faste og flydende brændsler Gasformige brændsler Forbrændingsberegninger Stofdata Luftforbrug Røggas Røgtab og virkningsgrad Røgtab Forenklet beregning af røgtabet Indfyret effekt og virkningsgrad Adiabatisk flammetemperatur Varmetransmission Introduktion Varmeledning Fouriers lov Termisk modstand Varmeledning gennem en plan væg Cylindrisk væg Kugle Varmeovergang Newtons ligning Varmeovergangsmodstand Modelligninger Varmeovergang ved kondensering og fordampning Varmestråling Strålingsteori Varmeovergang ved stråling Varmeovergangstal for stråling Varmegennemgang Plane vægge Cylindriske vægge Varmegennemgangstal, U-værdi Mellemtemperaturer Varmevekslere Typer, konstruktioner Strømningsprincip Logaritmisk middeltemperaturdifferens (LMTD) Specielle driftsbetingelser Krydsstrøm og flere slags varmevekslere Beregning af varmevekslere 236

11 12 Indhold 10 Tabeller og diagrammer Omregning af enheder Fysiske konstanter o.lign Fordamningsentalpi, kogepunkt, kritisk punkt og tripelpunkt for udvalgte stoffer Stofværdier for tør atmosfærisk luft ved 1 bar Stofværdier for vand ved 1 bar og over 100 (C ved mætningstryk Stofværdier for nogle gasarter Middel specifik varmekapacitet for nogle gasarter, ved konstant tryk og ideal gastilstand Varmeoverføringsegenskaber for nogle gasarter, ved 0,981 bar Varmeoverføringsegenskaber for nogle væsker, ved 1013 bar Stofværdier for nogle faste stoffer ved ca. 10 (C Stofværdier for nogle metaller, ved ca. 10 (C Vanddamptabel, Mætningstabel Vanddamptabel, Overhedet damp Densitet for fugtig luft, mættede vanddampes tryk, abs. vandindhold og specifik entalpi for fugtig luft ved et totaltryk på 1 bar Emissionstal for udvalgte tekniske overflader, normal og hemisfærisk halvkugle Erfaringsmæssige foulingsfaktorer Erfaringsmæssige varmegennemgangstal Damptabel for kølemidlet R134a og R Ruhed for forskellige rør og overflader Modstandstal for enkeltkomponenter Modstandstal i tværsnitsændringer Formler for beregninger på standardprocesser Vinkelforholdet Q for stråling mellem flader h,x-diagram for fugtig luft ved 1013 mbar log p,h-diagram for kølemidlet ammoniak og R log p,h-diagram for kølemidlet R134a h,s-diagram for vanddamp 270 Symboloversigt 271 Litteratur 275 Stikord 277