Anlagenbilanzierung in der Energietechnik: Grundlagen, Gleichungen und Modelle für die Ingenieurpraxis
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| Veröffentlicht: |
Wiesbaden
Springer Vieweg
[2015]
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INHASTSVENAICHNFS
1 EINLEITUNG 1
1.1 ANLAGENPLANUNG IN DER ENERGIETECHNIK 1
1.2 ANLAGENBILANZIERUNG IN DER ENERGIETECHNIK 2
1.3 RECHNEREINSATZ IN DER ENERGIETECHNIK 3
2 ENERGIEANLAGEN 5
2.1 ANLAGEN ZUR NUTZUNG FESTER BRENNSTOFFE 5
2.1.1 VERBRENNUNGSKRAFTWERKE 5
2.1.2 VERGASUNGSANLAGEN 11
2.2 ANLAGEN ZUR NUTZUNG GASFOERMIGER BRENNSTOFFE 15
2.2.1 VERBRENNUNGSKRAFTWERKE 15
2.2.2 REFORMIERUNGSANLAGEN 18
2.3 ANLAGEN ZUR NUTZUNG FLUESSIGER BRENNSTOFFE 23
2.3.1 VERBRENNUNGSKRAFTWERKE 23
2.3.2 VERGASUNGSANLAGEN 24
3 PROGRAMME ZUR ANLAGENBILANZIERUNG 25
3.1 PROGRAMMMERKMALE 26
3.2 KOMMERZIELLE PROGRAMME 28
4 GRUNDLAGEN DER THERMODYNAMIK 31
4.1 SYSTEME 31
4.2 ZUSTANDSGROESSEN 32
4.2.1 EINTEILUNG VON ZUSTANDSGROESSEN 32
4.2.2 DRUCK 33
4.2.3 TEMPERATUR 36
4.2.4 VOLUMEN 37
4.2.5 INNERE ENERGIE 38
4.2.6 ENTHALPIE 39
4.2.7 ENTROPIE 41
XXI
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XXII INHALTSVERZEICHNIS
4.2.8 CHEMISCHES POTENZIAL 44
4.2.9 GIBBS-ENERGIE 45
4.3 ZUSTANDSAENDERUNGEN 46
4.4 ZUSTANDSGIEICHUNGEN 48
4.4.1 EINTEILUNG VON ZUSTANDSGIEICHUNGEN 48
4.4.2 THERMISCHE ZUSTANDSGIEICHUNGEN 48
4.4.3 KALORISCHE ZUSTANDSGIEICHUNGEN 53
4.4.4 FUNDAMENTALGLEICHUNG 55
4.5 ENERGIE UND IHRE ERSCHEINUNGSFORMEN 56
4.6 ARBEIT, WAERME UND LEISTUNG 57
4.7 WAERMEUEBERTRAGUNG 59
4.7.1 WAERMEDURCHGANG 59
4.7.2 WAERMEUEBERGANG 62
5 GRUNDLAGEN DER BILANZIERUNGSRECHNUNG 65
5.1 BILANZGLEICHUNGEN 66
5.1.1 ALLGEMEINE FORM DER BILANZGLEICHUNGEN 67
5.1.2 MASSENBILANZ 71
5.1.3 ENERGIEBILANZ 72
5.1.4 IMPULSBILANZ 75
5.1.5 SONDERFALL: KOMPONENTENBILANZ 78
5.2 AUSWERTUNG UND DARSTELLUNG 81
5.2.1 AUSWERTUNG VON BILANZIERUNGSERGEBNISSEN 81
5.2.2 DARSTELLUNG VON BILANZIERUNGSERGEBNISSEN 85
6 GRUNDLAGEN DER REAKTIONSRECHNUNG 89
6.1 REAKTIONSGLEICHGEWICHTE 89
6.1.1 GLEICHGEWICHTSBERECHNUNGEN NACH LE CHATELIER 90
6.1.2 GLEICHGEWICHTSBERECHNUNGEN NACH GIBBS 92
6.2 REAKTIONSKINETIK 96
6.2.1 REAKTIONSNETZWERKE 97
6.2.2 REAKTIONSGESCHWINDIGKEIT 100
6.2.3 MODELLIERUNGSANSAETZE 106
7 GRUNDLAGEN DER PHASENGLEICHGEWICHTSRECHNUNG 109
7.1 PHASENGLEICHGEWICHTE 109
7.2 BERECHNUNG DER FUGAZITAETEN DER DAMPFPHASE 112
7.2.1 IDEALES FLUIDVERHALTEN 113
7.2.2 REALES FLUIDVERHALTEN 113
7.3 BERECHNUNG DER FUGAZITAETEN DER FLUESSIGPHASE 116
7.3.1 IDEALES FLUIDVERHALTEN 117
7.3.2 REALES FLUIDVERHALTEN 118
INHALTSVERZEICHNIS XXIII
7.4 AKTIVITAETSMODELLE 119
7.4.1 UNIQUAC-MODELL 120
7.4.2 UNIFAC-MODELL 121
7.5 AUSGEWAEHLTE RECHENBEISPIELE 123
7.5.1 RECHENBEISPIEL: AKTIVITAETSKOEFFIZIENTEN UNIFAC 123
7.5.2 RECHENBEISPIEL: FUGAZITAETSKOEFFIZIENTEN 130
8 STOFFWERTE UND STOFFKLASSEN 137
8.1 WAERMEKAPAZITAET 137
8.1.1 GASE 138
8.1.2 FLUESSIGKEITEN 140
8.1.3 FESTSTOFFE 141
8.2 DYNAMISCHE VISKOSITAET 142
8.2.1 GASE 142
8.2.2 FLUESSIGKEITEN 144
8.2.3 FESTSTOFFE 146
8.3 KINEMATISCHE VISKOSITAET 146
8.3.1 GASE 146
8.3.2 FLUESSIGKEITEN 147
8.4 WAERMELEITFAEHIGKEIT 147
8.4.1 GASE 147
8.4.2 FLUESSIGKEITEN 147
8.4.3 FESTSTOFFE 149
8.5 DIFFUSIONSKOEFFIZIENT 150
8.5.1 GASE 150
8.5.2 FLUESSIGKEITEN 151
8.6 VERDAMPFUNGSENTHALPIE 151
8.7 DAMPFDRUCK 153
8.8 HEIZWERT 155
8.8.1 GASE 155
8.8.2 FESTSTOFFE 156
8.9 ZUSTANDSGROESSEN 157
8.9.1 IDEALE GASE 157
8.9.2 IDEALE FLUESSIGKEITEN 160
8.9.3 IDEALE FESTSTOFFE 161
8.9.4 REALE FLUIDE 162
8.9.5 WASSER UND WASSERDAMPF 164
9 MODELLIERUNG STATIONAER BETRIEBENER ANLAGENKOMPONENTEN 169
9.1 MODELLIERUNGSANSAETZE 169
9.1.1 TROCKNER 169
9.1.2 VERGASUNGSREAKTOREN 172
XXIV INHALTSVERZEICHNIS
9.1.3 BRENNKAMMERN 176
9.1.4 REFORMER 179
9.1.5 PUMPEN 180
9.1.6 KOMPRESSOREN UND GEBLAESE 182
9.1.7 TURBINEN 184
9.1.8 WAERMEUEBERTRAGER 186
9.1.9 DAMPFERZEUGER 187
9.1.10 KONDENSATOREN 190
9.1.11 SPLITTER 192
9.1.12 MIXER 194
9.1.13 ABSCHEIDER 195
9.1.14 ISOTHERME CHEMIEREAKTOREN 197
9.1.15 ADIABATE CHEMIEREAKTOREN 199
9.1.16 GASMOTORENPROZESSE 201
9.1.17 GASTURBINENPROZESSE 204
9.1.18 FLASHTROMMELN 206
9.1.19 DESTILLATIONSKOLONNEN 208
9.2 AUSGEWAEHLTE RECHENBEISPIELE 212
9.2.1 RECHENBEISPIEL: TROCKNER 212
9.2.2 RECHENBEISPIEL: KOMPRESSOR 220
9.2.3 RECHENBEISPIEL: TURBINE 223
9.2.4 RECHENBEISPIEL: WAERMEUEBERTRAGER 225
9.2.5 RECHENBEISPIEL: ISOTHERMER CHEMIEREAKTOR 228
9.2.6 RECHENBEISPIEL: FLASHTROMMEL 235
10 MODELLIERUNG INSTATIONAER BETRIEBENER ANLAGENKOMPONENTEN 241
10.1 MODELLIERUNGSANSAETZE 241
10.1.1 SPEICHER 241
10.1.2 WAERMEUEBERTRAGER 245
10.1.3 CHEMIEREAKTOREN 254
10.2 AUSGEWAEHLTE RECHENBEISPIELE 281
10.2.1 RECHENBEISPIEL: WAERMEUEBERTRAGER 281
10.2.2 RECHENBEISPIEL: RUEHRKESSELREAKTOR IM BATCHBETRIEB 287
10.2.3 RECHENBEISPIEL: RUEHRKESSELREAKTOR IM KONTINUIERLICHEN BETRIEB .
292
10.2.4 RECHENBEISPIEL: STROEMUNGSREAKTOR 298
11 NUMERIK STATIONAERER BILANZIERUNGSRECHNUNGEN 307
11.1 FORMULIERUNG DER BILANZGLEICHUNGEN 308
11.2 AUFSTELLEN DES GLEICHUNGSSYSTEMS 309
11.3 LOESEN DES GLEICHUNGSSYSTEMS 310
11.3.1 LINEARE GLEICHUNGSSYSTEME 310
11.3.2 NICHTLINEARE GLEICHUNGSSYSTEME 319
INHALTSVERZEICHNIS XXV
11.4 AUSGEWAEHLTE RECHENBEISPIELE 322
11.4.1 RECHENBEISPIEL: NEWTON-VERFAHREN 322
12 NUMERIK INSTATIONAERER BILANZIERUNGSRECHNUNGEN 329
12.1 FORMULIERUNG DER BILANZGLEICHUNGEN 331
12.2 DISKRETISIERUNG 332
12.3 TRANSFORMATION DER PARTIELLEN DGL IN EIN SYSTEM GEWOEHNLICHER DGL .
. 333
12.3.1 FINITE-DIFFERENZEN-METHODE 333
12.3.2 FINITE-ELEMENTE-METHODE 337
12.3.3 FINITE-VOLUMEN-METHODE 343
12.4 AUFSTELLEN DES GLEICHUNGSSYSTEMS 353
12.5 LOESEN DES GLEICHUNGSSYSTEMS 353
12.5.1 EXPLIZITES EULER-VERFAHREN 354
12.5.2 IMPLIZITES EULER-VERFAHREN 355
12.5.3 RUNGE-KUTTA-VERFAHREN 355
12.5.4 PREDIKTOR-KORREKTUR-VERFAHREN 358
12.6 NUMERISCHE HERAUSFORDERUNGEN 358
12.6.1 KONVEKTIONS-DIFFUSIONS-PROBLEME 358
12.6.2 NUMERISCHE DIFFUSION 359
12.6.3 DRUCK-GESCHWINDIGKEITS-KOPPLUNG 359
12.6.4 STEIFE DIFFERENTIALGLEICHUNGSSYSTEME 360
12.7 AUSGEWAEHLTE RECHENBEISPIELE 360
12.7.1 RECHENBEISPIEL: WAERMELEITUNG 1D 361
12.7.2 RECHENBEISPIEL: WAERMELEITUNG 2D 377
12.7.3 RECHENBEISPIEL: KONVEKTIONS-DIFFUSIONS-PROBLEM 1D 411
12.7.4 RECHENBEISPIEL: KONVEKTIONS-DIFFUSIONS-PROBLEM 2D 415
ANHANG - STOFFDATEN 427
LITERATUR 443
SACHVERZEICHNIS 449 |
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