Leitfaden der Technischen Wärmemechanik: Kurzes Lehrbuch der Mechanik der Gase und Dämpfe und der mechanischen Wärmelehre

236 Pages·1922·10.728 MB·German

by  Prof. Dipl.-Ing. W. Schüle (auth.)

Leitfaden
der
Technischen Wärmemechanik
Kurzes Lehrbuch der Mechanik der Gase und
Dämpfe und der mechanischen Wärmelehre
Von
W. Schüle
Prof. 1li~l.::3ng.
Dritte, vermehrte und verbesserte Auflage
Mit 93 Textfiguren und 3 Tafeln
Springer-Verlag Berlin Beideiberg GmbH
1922
Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung
in fremde Sprachen, vorbehalten.
©Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1922
Ursprünglich erschienen bei Julius Springer in Ber1in 1922
ISBN 978-3-662-35637-1 ISBN 978-3-662-36467-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-36467-3
Vm ~wort zur dritten Auflage.
Änderungen sind gegenüber der zweiten Auflage wesentliJh m1r
durch Aufnahme der zwei neuen Abschnitte 21a, Die Einheiten
der mechanischen, kalorischen, chemischen und elektri
schen Energie und 31a, Die Wärmepumpe, eingetreten. Für die
letztere erschien mir eine eingehende grundsätzliche Aufklärung im
Rahmen des Buches als das wichtigste. Die übrigen Abschnitta sind
neu durchgesehen worden und bis auf einige kleinere Zusät.ze unver
ändert geblieben.
Görlitz, im November 1921.
W. Schüle.
Vorwot•t zur ersten Auflage.
Der \-orliegende Leitfaden unterscheidet sich von dem I. Band des größes
ren Werkes des Verfassers 1) durch die Beschränkung des Inhalts auf die not
wendigsten Grundlagen und Anwendungen der Wärmemechanik. Im übrigen
lehnt es sich eng an diesen an, so daß der Leser, der sich später noch ein.
gehender mit dem Gegenstand befassen will, überall Anschluß an Bekannter
nach Form und Inhalt finden wird. Wie das größere Werk, so ist auch der
Leitfaden in erster Linie zum Selbstunterricht bestimmt, und zwar für solche
Leser, die der Wärmemechanik zum ersten Male mit der Absicht näher treten,
für die technische Praxis verwertbare Kenntnisse zu erwerben, also
neben den Besuchern technischer Lehranstalten insbesondere fiir solche Tech
niker, die sich in späteren Jahren zur Beschäftigung mit dem Gegenstand ver
anlaßt Eehen. Die Praxis stellt ja nur zu oft Anforderungen ohne Rücksicht
darauf, welchen Bildungsgang jemand gegangen ist oder welches Sondergebiet
er besonders gepflegt hat. Nicht immer vermag hier ein "Taschenbuch" zu
helfen und auf keinem Gebiet ist die bloß mechanische Anwendung von Formeln
und Regeln so bedenklich wie auf dem der Wärme. Deshalb ist in dem Buche
auf die Erläuterung der Grundlagen das größte Gewicht gelegt, so daß der
Leser erwarten kann, zu einem wirklichen Verständnis zu gelangen.
Nicht zum wenigsten hat den Verfasser bei der Herausgabe des Leitfadens
der Gedanke an die aus dem Felde heimkehrenden jüngeren Fachgenossen ge
leitet, denen mit einer gedrängterau Darstellung des Stoffes zunächst am besten
gedient sein wird.
1) Technische Thermodynamik, Bd. I (4. Aufl. 1921); Bd. II, Höhere
Thermodynamik (3. Aufi. 1920).
IV Vorwort.
Wenn auch eine für technische Zwecke nutzbringende Beschäftigung mit
der Wärmemechanik ohne jede mathematische Vorbildung kaum möglich
ist, so genügen doch andererseits elementare mathematische Kenntnisse, falls
nur für die graphischen Darstellungs- und Rechnung3weisen das nötige Ver
ständnis vorhanden ist. Gerade dieses ist aber beim Techniker am ehesten zu
finden. Die Verwendung des Differentialzeichens cl für kleinste Änderungen
des Druckes p, des Volumens v, der Temperatur T und anderer veränderlicher
Größen braucht deshalb auch den Leser nicht abzuschrecken, der die eigent
liche Differentialrechnung nicht 'kennt oder nicht beherrscht. Das schrittweise
Weitergehen auf den Kurven, durch welche die gleichzeitigen Werte von p und
v, oder p und T usw. dargestellt werden, führt ja wie von selbst zu der Vor
stellung sehr kleiner Änderungen clp, clv und cl T der Koordinaten p, v und T,
mittels deren man stufenartig von einem Punkte der Kurve zum nächstbenach
barten gelangt. Die Rechnung mit unbeschränkt kleinen Größen läßt sich
schlechterdings nicht umgehen in einem Gebiete, in dem es sich auf Schritt
und Tritt um die Darstellung stetig veränderlicher Vorgänge handelt, und diese
Darstellung wird nur scheinbar "elementarer", wenn man statt des Differential
zeichens cl das Zeichen L1 verwendet, das sonst für kleine endliche Differenzen
gebraucht wird.
Ebensowenig wie die Kenntnis der Differentialrechnung ist die der eigent
lichen Integralrechnung zum Verständnis des Buches nötig. Wo bestimmte
Integrale (Summen mit unbeschränkt vielen unbeschränkt kleinen Gliedern)
vorkommen, werden sie als Flächen dargestellt und berechnet.
Hinsichtlich des stofflichen Inhalts sei nur erwähnt, daß sich der Ver
fasser nicht durch Rücksichten auf die Lehrpläne bestimmter Schulen, sondern
lediglich durch sachliche Erwägungen in der Auswahl dessen leiten ließ, was
ihm für eine grundlegende technische Unterweisung notwendig dünkte. Die
Auswahl für den Unterricht in einem bestimmten Fall zu treffen, dürfte
dem sachkundigen Lehrer ein leichtes sein. Das Buch kann auch jedem Fach
schüler in die Hand gegeben werden.
Breslau, im September 1917.
W. Schüle.
Vorwort zur zweiten Auflage.
Der Aufbau und Inhalt des Buches ist im wesentlichen unver;indert ge
blieben. Vorschläge zu Ergänzungen kleineren Umfangs konnten berücksichtigt
werden. So wurde unter anderem ein kurzer Abschnitt über die Grundlagen
der Lindeschen Luftverflüssigung eingefügt. Die Schlußkapitel sind umgestellt
und der Abschnitt über die thermischen Grundlagen der Dampfturbinen ist
umgearbeitet worden
Erfurt, im Dezember 1919.
W. Schüle.
Inhaltsverzeichnis.
Einleitung. Seite
1. Allgemeine Begriffsbestimmung der Gase, Dämpfe und I<,lüssigkeiten •
2. Die Größen, die den Zustand der Gase und Dämpfe bestimmen, und
ihre technisch gebräuchlichen Einheiten. Druckmessung. Tempera-
turmessung . . . . . 2
I. Die Gase.
3. Die Gasgesetze von Boyle (Mariotte) und von Gay-Lussac und das
vereinigte Boyle-Gay-Lussacsche Gesetz . . . . . . . 7
4. Die allgemeine Zustandsgleichung der Gase . . . . • . . . 11
5. Zusammensetzung von Gasgemischen nach Gewichts- und Raumteilen.
Spezifisches Gewicht aus der Zusammensetzung. Mittleres oder
scheinbares Molekulargewicht • . . . . • . . . . . . . . . . . 12
6. Grundgesetze der chemischen Verbindung der Stoffe nach Gewicht und
Raum. Gemeinsame Beziehungen für alle Gase . . . . . 14
7. Zustandsgleichung der Gasmischungen (Da lt o nsches Gesetz) 17
7a. Feuchte Luft . . . . . . . • . . . . . . 21
8. Die Brennstoffe und ihre Zusammensetzung . . . . 23
9. Die technischen Verbrennungsprodukte . . . . . . 25
Die Raumverhältnisse beim Verbrennungsvorgang 27
Zur Beurteilung des Luftüberschusses aus der Rauchgasanalyse 31
10. Wärmemenge und Temperatur, spezifische Wärme . . . . . 33
11. Abhängigkeit der spezifischen Wärme von der Temperatur. Wahre
und mittlere spezifische Wärme 3.5
12. Spezifische Wärme der Gase . . . . . . . 37
Beziehung zwischen cP und Cv. Verhältnis k = Cp:Cv 39
13. Spezifische Wärme des überhitzten Wasserdampfes . 41
14. Spezifische Wärme von Gasgemengen . . . . 42
Spezifische Wärme der Feuergase . . . . . 42
Wärmeinhalt und Wärmetafel für Feuergase 44
15. Heizwert der Brennstoffe . . . . . . . . . 45
15a. Abgasverluste . . . . . . . . . . . . . . 48
16. Vermischungsdruck und Vermischungstemperatur von Gasen 49
17. Die Ausdehnungs- und Verdichtungsarbeit (Raumarbeit) der Gase und
Dämpfe. Die absolute Arbeit und die Betriebsarbeit (Nutzarbeit) . 52
VI Inhaltsverzeichnis.
Seite
18. Einfluß der Wärme auf den Gaszustand im allgemeinen. Die verschie-
denen Zustandsänderungen • . • . . • . . • • . 57
19. Zustandsänderung bei unveränderlichem Rauminhalt 58
20. Zustandsänderung bei unveränderlichem Druck . . . 60
21. Verwandlung von Wärme in Arbeit und von Arbeit in Wärme bei der
Zustandsänderung mit unveränderlichem Druck. Mechanisches
Wärmeäquivalent. Erster Hauptsatz der mechanischen Wärmetheorie 61
21a. Die Einheiten der mechanischen, kalorischen, chemischen und elektri-
schen Energie . . . . . . • • . • . • • . • • . . . . . . . . 64
22. Wirtschaftlicher Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschinen • . • . . 67
23. Die Wärmegleichung der Gase. Verhalten der Gase bei beliebigen
Zustandsänderungen • • . . . • . • . . . . . . • . . • • . . 68
24. Zustandsänderung bei gleichbleibender Temperatur (Isothermische Zu-
standsänderung) . . . . . • • . . . • • • • • • • • • • • 71
2-5. Zustandsänderung ohne Wärmezufuhr und Wärmeentziehung (Adia
batische Zustandsänderung) . . . • . • . . • . • • . . . • . . 73
26. Verlauf der Druckkurven im allgemeinen. Polytropische Zustands
änderung oder Zustandsänderung mit unveränderlicher -spezifischer
vVärme . • • • • • • • . . . . . . . . . . . • • . • . . . . 79
27. Das Wärmediagramm und die Entropie der Gase • • . . • . . . • 83
28. Entropie-Temperatur-Diagramme für die wichtigsten Zustandsände-
rungen • . . . . • . . • . • . . . . . . . • • 87
29. Das zweite Hauptgesetz der Wärme. (Zweiter Hauptsatz.) \JO
30. Der Garnotsehe Kreisprozeß • • . . • . • . . • . . • . 92
Anwendungen zur Lehre von den Gasen.
31. Arbeitsaufwand zur Herstellung von Druckluft . . 1!7
3~. Die Arbeitsweise der Verbrennungsmotoren nach dem Ottoschcn
Prinzip (Gas-, Benzin-, Spiritusmotoren) . . . . • • • • . . • • . 103
33. Die Arbeitsweise der Verbrennungsmotoren nach Diesel (Olmotoren) . 10t:>
II. Die Dämpfe.
Der Wasserdampf.
34. Der gesättigte Wasserdampf. Druck und Temperatur. Spezifisches
Gewicht und Volumen . . . . . . . . • 112
35. Wärmemengen bei der Dampfbildung und der Kondensation des
Dampfes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . . . 116
36. Der überhitzte Wasserdampf. Entstehung. Wärmeinhalt. Wahre und
mittlere spezifische Wärme bei konstantem Druck. Zustandsglei-
chung. Grenzkurve 122
37. Entropie des Wasserdampfes 126
a) Sattdampf • . . • • . 126
b) Überhitzter Dampf 129
38. Ausdehnung und Verdichtung des Dampfes im wärmedichten Gefäß.
(Adiabatische Zustandsänderung) • 130
a) Sattdampf 130
b) Heißdampf . . . . • . . . 132
Inhaltsverzeichnis. VII
Seite
39. Zustandsänderung des Dampfes bei der Ausdehnung und Verdichtung
in den Dampfmaschinen 133
a) Sattdampf 133
b) Heißdampf 134
39a. Die Wärmepumpe. 135
Dämpfe von 009, NH3 und S09• Allgemeines Verhalten der
Dämpfe. Dämpfe und Gase.
40. Die Dämpfe der Kohlensäure (009), des Ammoniaks (NH8) und der
Schwefligen Säure (S02). Gemeinsame Eigenschaften aller Dämpfe.
Kritische Temperatur. Verflüssigung der Gase . . . . . . • . 142
41. Kälteerzeugung mittels Dämpfen • . . . . . . . . . · . . . . . 146
41a. Drosselungsahkühlung der Gase und Luftverflüssigung nach Linde 153
III. Strömende Bewegung der Gase und Dllmpfe.
42. Allgemeine Zustandsverhältnisse in Flüssigkeits- und Gasströmen. 155
Druckverhältnisse in· Beziehung zu den Geschwindigkeiten 156
43. Strömung mit kleinen Druckänderungen . . . . . . 159
44. Ausströmung von Gasen und Dämpfen aus Mündungen 161
a) Sehr kleine Druckunterschiede . . . . . . . . 162
b) Ausströmung unter beliebig hohem Überdruck. . 163
a) Niederdruckgebiet. Kritisches Druckverhältnis . 166
{1) überkritische Druckverhältnisse bei einfachen Mündungen . 169
45. Expansionsdüsen (Lavalsche Düsen) . . . . . . . . . . . . . 172
46. Berechnung des Arbeitsgefälles und der Ausflußgeschwindigkeit von
Dampf mittels des Wärmeinhalts . . . . . . . . . . . . 177
4 7. Die JS-Tafel für Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . 179
48. Die wirklichen Ausflußmengen und Ausflußgeschwindigkeiten 181
48a. Die Drosselscheibe . . . . . . . . 183
49. Spannungsverlust in Rohrleitungen . . . . . . . . . . . . . 185
IV. Mechanische Wirkungen strömender Gase und Dämpfe.
50. Druck abgelenkter freier Strahlen (Aktion) . . . . . . . . . . . 191
51. Reaktion und Reaktionsarbeit beschleunigter Gas· und Dampfströme . 194
52. Gleichzeitiges Auftreten von Aktions- und Reaktionskräften 198
53. Die Wirkung des Dampfes in den Dampfturbinen . . 200
Druckturbinen. Geschwindigkeits- und Druckstufen 201
Überdruckturbinen . . . . . . . . . . . . 203
Der Luftwiderstand.
54. Ursachen des Luftwiderstandes . . . . . . 207
Gesetz des Luftwiderstandes . . . . . . . . 208
55. Versuchsergebnisse über den Luftwiderstand 209
a) Ebene quadratische, rechteckige und kreisförmige Platten, in der
Richtung senkrecht zu ihrer Ebene bewegt . . . . . . . . . . 209
VIII Inhaltsverzeichnis.
Seite
b) Ebene quadratische und rechteckige Platten, gegen die Bewegungs-
richtung um den Winkel a0 geneigt . . . . . . 210
c) Gewölbte Platten . . . . . . . . . . . . . . . 211
56. Der Auftrieb plattenförmiger Körper. Ebene Platten . 212
Gewölbte rechteckige Platten. Ebene und gewölbte Platten bei
kleinen Anstellwinkeln . . . . . . . . . . . . . 214
57. Luftwiderstand körperlicher Gebilde , . . . . . . . . 216
Anhang: Tabelle I. GesättigterWasserdampf von 0,02 bis 25kgjqcm abs. 218
" II. " " " 0 ° bis 220 ° . . . , . 220
" III. " " " + 10° bis +5oo ..• 221
" IV. " " " 0,01 bis0,20kgJqcmabs. 222
" V. Gesättigte Dämpfe von Ammoniak (NH3) , • 222
" VI. " " " Schwefligsäure (S02) 223
" VII. " " der Kohlensäure (002) • 223
Tafeln im Text.
Tafel I. Wärmeinhalt von 1 cbm Luft und Feuergasen bei konstr. Druck
und konst. Volumen bis 2500° C, nebst Molekularwärmen und
Verhältnissen k = cPfc.. • . . . . . • . . . • . • . . . . . 44
" II. Entropietemperaturtafel für gesättigten und überhitzten Wasser--
dampf (nach den Münchener Versuchen über cp) 130
III. JS-Diagramm für Wasserdampf , . . . . . . . . . . . . . 180
Einleitung.
1. Allgemeine Begriffsbestimmung der Gase, Dämpfe
und Flüssigkeiten.
Gase. Solche luftartige Stoffe, die auch durch starke Verdichtung
bei den ·gewöhnlichen Temperaturen nicht ganz oder teilweise in den
flüssigen Zustand übergeführt werden können, heißen Gase. In der
freien Natur kommen sie im naheiförmigen oder flüssigen Zustande
nicht vor.
Einfache (zweiatomige) Gase s"ind: Sauerstoff 02, Stickstoff
N Wasserstoff H Kohlenoxyd CO, Stickoxyd NO; mehr
2, 2,
atomige Gase: Methan oder Sumpfgas CH Äthylen C H Aze
4, 2 4,
tylen C H Außer diesen noch zahlreiche andere, die z. Zt. nicht
2 2•
von technischer Bedeutung sind.
Als Gase können auch angesehen werden: Kohlensäure (C02) bei
hohen Temperaturen, bei Feuergastemperaturen oder sehr geringen
Drücken auch der Wasserdampf (H 0).
2
Technisch wichtige Gasmischungen: die atmosphärische Luft,
das Leuchtgas, das Generator- oder Kraftgas, das Hochofen
gas oder Gichtgas, das Koksofengas, die Verbrennungspro
dukte in Feuerungen und Verbrennungskraftmaschinen im heißen
Zustand.
Gesättigte Dämpfe und Flüssigkeiten. Im Gegensatz zu den Gasen
ist der Aggregatzustand der gesättigten Dämpfe durchaus unbeständig.
Kleine Änderungen von Temperatur, Druck oder Rauminhalt können
einen teilweisen Übergang aus dem luftförmigen in den flüssigen Zu-.
stand (Nebelbildung) oder umgekehrt zur Folge haben. Viele Dämpfe
kommen gleichzeitig als Flüßsigkeiten vor. Die technisch wichtigsten
Dämpfe und Flüssigkeiten sind das Wasser (H 0), das Ammoniak
2
(NH die Schwefligsäure (S0 die Kohlensäure (C0 bei ge
3), 2), 2)
wöhnlichen Temperaturen (unter 32°), das Chlor (Cl2). Ferner die
in Verbrennungskraftmaschinen verwendeten Erdöldestillate (Gaso
lin, Benzin, Petroleum oder Leuchtöl, Gasöl), die aus Kohlenwasser
stoffen verschiedener Zusammensetzung bestehen, sowie das rohe
Erdöl (Naphtha, Rohöl) und die Rückstände (Residuen) der Erdöl
destillation (Masut); der Spiritus (Alkohol C H 0 und Wasser).
2 6
Eine immer größere Bedeutung erlangen ferner die aus der
Destillation der Steinkohle (Kokerei) und der Braunkohle hervor
gehenden Öle, die als Steinkohlenteeröle bzw. Braunkohlen
teeröle bezeichnet werden. Zu den ersteren gehört z. B. das Ben
zol C H das als Handelsbenzol mit größeren oder kleineren
6 6,
Schüle, Leitfaden. 3. Auf!. 1