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Wolfgang Kalide, Herbert Sigloch
Energieumwandlung in Kraft- und Arbeitsmaschinen
Kolbenmaschinen, Strömungsmaschinen, Kraftwerke
Vorwort
6
Inhaltsverzeichnis
7
Formelzeichen und Einheiten
12
1 Einleitung
14
1.1 Allgemeine Betrachtungen zur Energieumwandlung
14
1.2 Energieumwandlung in der Technik
15
2 Theoretische Grundlagen
18
2.1 Allgemeine physikalische Größen
18
2.2 Hydromechanik
20
2.2.1 Hydrostatik
20
2.2.2 Kontinuitätsgleichung
21
2.2.3 Bernoullische Gleichung
22
2.2.3.1 Düse und Diffusor
23
2.2.3.2 Messung von Strömungsgeschwindigkeiten
25
2.2.4 Strömung in Rohrleitungen
26
2.2.5 Druckenergieverlust in Rohrleitungen
28
2.2.6 Hauptgleichung der Strömungsmaschinen
29
2.2.7 Kavitation und Verdichtungsstoß
31
2.3 Wärmetechnik
33
2.3.1 Thermische Zustandsgrößen
33
2.3.2 Erster Hauptsatz
34
2.3.3 Spezifische Wärmekapazität
36
2.3.4 Enthalpie
38
2.3.5 Zustandsgleichungen des idealen Gases
41
2.3.5.1 Thermische Zustandsgleichung
41
2.3.5.2 Kalorische Zustandsgleichung
43
2.3.6 Zweiter Hauptsatz
44
2.3.6.1 Entropie
44
2.3.6.2 Darstellung der Entropie durch thermische Zustandsgrößen
45
2.3.6.3 Formulierungen des zweiten Hauptsatzes
45
2.3.6.4 Exergie
46
2.3.6.5 T, s-oder Wärmediagramm
46
2.3.7 Technisch wichtige Zustandsänderungen
48
2.3.8 Gasgemische
52
2.3.9 Normalatmosphäre (Aerostatik)
52
2.3.10 Feuchte Gase
53
2.3.11 Strömung mit großen Druckänderungen
53
2.3.11.1 Dynamische Temperatur
53
2.3.11.2 Totalzustand (Gesamtzustand, Ruhezustand)
54
2.3.12 Kreisprozesse
54
2.3.13 Laval-Düse
55
2.3.14 Zustandsänderungen des Wasserdampfes
61
2.3.15 Arbeitsvermögen des Wasserdampfes
63
2.3.15.1 Nutzarbeit im T,s-Diagramm
63
2.3.15.2 Nutzarbeit im h,s-Diagramm
64
2.3.15.3 Nutzarbeit im p,v-Diagramm
65
2.3.16 Brennstoffe und Verbrennung
66
2.3.16.1 h,T-Diagramm
70
2.3.17 Wärmedurchgang
71
2.3.17.1 Wärmeübergang durch Berührung
72
2.3.17.2 Wärmeübergang durch Strahlung
74
2.4 Wirkungsgrade der Maschinen
75
2.5 Vergleich der Kolben- und Strömungsmaschinen
77
2.6 Regelung
78
3 Kolbenmaschinen
87
3.1 Ventilsteuerung
87
3.2 Kurbeltrieb
87
3.2.1 Kräfte am Kurbeltrieb
87
3.2.2 Tangentialkraftdiagramm
90
3.2.2.1 Ableitung der Bewegungsverhältnisse beim Kurbeltrieb
90
3.2.2.2 Gesamttangentialkraft
91
3.2.3 Schwungradberechnung
94
3.2.4 Massenausgleich
96
3.2.5 Kräfteausgleich bei der Mehrzylindermaschine
99
3.2.6 Momentenausgleich bei Mehrzylindermaschinen
100
3.3 Kolbenpumpen (Verdrängerpumpen)
103
3.3.1 Kolbenpumpen mit hin- und hergehendem Kolben
103
3.3.1.1 Wirkungsweise
103
3.3.1.2 Fördervolumen
105
3.3.1.3 Saughub
107
3.3.1.4 Druckhub
110
3.3.1.5 Pumpenventile
110
3.3.1.6 Wirkungsgrade
111
3.3.1.7 Sonderformen
112
3.3.2 Drehkolbenpumpen
113
3.3.3 Flüssigkeitsringpumpen
114
3.4 Verdrängungsverdichter
115
3.4.1 Kolbenverdichter
116
3.4.1.1 Thermodynamik der Kolbenverdichter
116
3.4.1.2 Schädlicher Raum
118
3.4.1.3 Wirkliche Verdichtung
121
3.4.1.4 Volumetrischer Wirkungsgrad
121
3.4.1.5 Indizierter Wirkungsgrad; indizierte Leistung
123
3.4.1.6 Mechanischer Wirkungsgrad; Antriebsleistung
124
3.4.1.7 Mehrstufige Kolbenverdichter
124
3.4.1.8 Regelung
126
3.4.2 Rotationsverdichter
128
3.4.2.1 Roots-Gebläse
128
3.4.2.2 Drehkolbenverdichter
130
3.4.2.3 Flüssigkeitsringpumpen als Verdichter
131
3.5 Kolbenmotoren
132
3.5.1 Arbeitsverfahren
133
3.5.2 Aufbau der Kolbenmotoren
133
3.5.3 Verluste, Leistungen, Wirkungsgrade
134
3.5.4 Ottomotor (Viertakt)
136
3.5.4.1 Vergaser
140
3.5.4.2 Zündung
144
3.5.4.3 Elektronisch gesteuerte Kraftstoffeinspritzung
146
3.5.5 Dieselmotor (Viertakt)
148
3.5.5.1 Vergleich Ottomotor – Dieselmotor (Bild 3.57)
150
3.5.5.2 Einspritzung und Gemischbildung
151
Leistungsregelung
156
Einspritzpumpe
156
3.5.6 Steuerung des Gaswechsels bei Viertaktmotoren
158
3.5.7 Zweitaktverfahren
160
3.5.7.1 Nachladung beim Zweitaktverfahren
162
3.5.8 Gegenüberstellung von Zweitakt und Viertakt
164
3.5.8.1 Wärmebelastung und Kühlung
164
3.5.8.2 Mechanische Belastung und Schmierung
165
3.5.9 Kreiskolbenmotor (Wankelmotor)
166
3.5.10 Freikolbenmotoren
168
3.5.11 Aufladung
169
3.5.12 Stirlingmotor
174
3.5.13 Kraftstoffe
177
3.5.14 Kühlung
179
3.5.15 Mehrzylinder-Anordnungen
181
3.5.16 Ausführungsbeispiele von Kolbenmotoren
183
3.5.17 Betriebsverhalten der Motoren
187
4 Strömungsmaschinen
190
4.1 Arbeitsverfahren der Strömungsmaschinen
190
4.2 Geschwindigkeitsplan
192
4.2.1 Geschwindigkeiten am radialen Laufrad
195
4.2.2 Geschwindigkeiten am axialen Laufrad
195
4.3 Hauptgleichung der Strömungsmaschinen
195
4.4 Strömungsarbeitsmaschinen
196
4.4.1 Gemeinsame Grundlagen der Strömungsarbeitsmaschinen
196
4.4.1.1 Radial durchströmte Maschinen
196
4.4.1.2 Axial durchströmte Maschinen
220
4.4.2 Festlegung der Schaufelzahl
230
4.4.3 Betriebsverhalten der Strömungsarbeitsmaschinen
231
4.4.3.1 Betriebspunkt
231
4.4.3.2 Kennliniendiagramm
232
4.4.3.3 Drehzahlregelung
233
4.4.3.4 Labiler Zweig der Kennlinie
234
4.4.3.5 Parallelförderung von Kreiselpumpen
234
4.4.3.6 Pumpen bei Kreiselverdichtern
235
4.4.3.7 Betriebsverhalten der Radialverdichter
236
4.4.3.8 Betriebsverhalten der Axialverdichter
237
4.4.4 Vergleich der Kolben- und Strömungsmaschinen
238
4.4.5 Kreiselpumpen
238
4.4.5.1 Leistung und spezifische Förderarbeit
238
4.4.5.2 Saughöhe und Kavitation
239
4.4.5.3 Spezifische Drehzahl und Bauarten
241
4.4.5.4 Ausgleich des Achsschubes
242
4.4.5.5 Sonderformen der Kreiselpumpe
245
4.4.6 Wasserstrahlpumpen (Ejektoren)
248
4.4.7 Turboverdichter
249
4.4.7.1 Thermodynamik der Turboverdichter
249
4.4.7.2 Radialverdichter
259
4.4.7.3 Axialverdichter
262
4.4.8 Propeller
263
4.4.8.1 Luftschrauben
264
4.4.8.2 Schiffsschrauben
266
4.5 Strömungskraftmaschinen
266
4.5.1 Energieumwandlung im Leitapparat
268
4.5.2 Energieumwandlung im Laufrad
269
4.5.2.1 Energieumwandlung im radialen Laufrad (Bilder 4.71 und 4.72)
269
4.5.2.2 Energieumwandlung im axialen Laufrad
271
4.5.3 Verluste, Wirkungsgrade, Leistungsbegriffe
272
4.5.4 Kenngrößen von Strömungskraftmaschinen
276
4.5.5 Wasserturbinen
280
4.5.5.1 Francis-Turbine
280
4.5.5.2 Kaplan-Turbine
282
4.5.5.3 Laufradformen
285
4.5.5.4 Saugrohr
287
4.5.5.5 Freistrahl-(Pelton-)Turbine
289
4.5.5.6 Wirkungsgrade von Wasserturbinen
292
4.5.5.7 Durchströmturbine
293
4.5.6 Dampfturbinen
293
4.5.6.1 Leitapparate
295
4.5.6.2 Gleichdruckstufe
298
4.5.6.3 Überdruckstufe
298
4.5.6.4 Geschwindigkeitsstufung
301
4.5.6.5 Druckstufung
304
4.5.6.6 Regelung der Dampfturbinen
306
4.5.6.7 Mehrstufige Großturbinen
309
4.5.6.8 Gegendruck- und Entnahmeturbinen
312
4.5.7 Gasturbinen
313
4.5.7.1 Offene Gasturbinenanlagen
313
4.5.7.2 Geschlossene Gasturbinenanlagen
318
5 Grundlagen der Energiewirtschaft
320
5.1 Energiespeicherung
324
5.2 Bedarfsdeckung
325
5.3 Energieverteilung
327
5.4 Deckung von Bedarfsabweichungen
327
5.5 Energieentstehungskosten
328
5.5.1 Feste Kosten
328
5.5.2 Veränderliche Kosten
331
5.6 Einteilung der Kraftwerke (Energieanlagen)
331
6 Wasserkraftwerke
333
6.1 Pumpspeicherkraftwerke
335
6.2 Gezeitenkraftwerke
336
6.2.1 Doppelt wirkende Einbeckenanlage
337
6.2.2 Zweibeckenanlage
338
7 Dampfkraftwerke
340
7.1 Kondensationskraftwerke
340
7.2 Kraft-Wärme-Kopplung
346
7.3 Regelung in Dampfkraftwerken
349
7.3.1 Festdruck- oder Gleitdruckbetrieb
352
7.3.1.1 Festdruckbetrieb
352
7.3.1.2 Gleitdruckbetrieb
353
7.3.1.3 Modifizierter Gleitdruckbetrieb
354
7.4 Dampferzeugung
354
7.4.1 Wärmeumsatz
355
7.4.2 Prinzip der technischen Dampferzeugung
356
7.4.3 Dampferzeuger
358
7.4.3.1 Wasserrohrkessel mit Naturumlauf
360
7.4.3.2 Wasserrohrkessel mit Zwangsumlauf
360
7.4.3.3 Wasserrohrkessel mit Zwangsdurchlauf
360
7.4.3.4 Schiffskessel
363
7.4.3.5 Kessel mit Druckfeuerung
363
7.4.4 Feuerungen
363
7.4.4.1 Schmelzfeuerungen
367
7.4.5 Luftvorwärmer
369
7.4.6 Zugerzeugung
370
7.4.6.1 Schornsteinzug
371
7.4.6.2 Saugzug
372
7.4.7 Speisewasseraufbereitung
373
8 Gasturbinen-Kraftanlagen
374
8.1 Einsatz von Gasturbinen-Kraftanlagen
374
8.2 Gasturbinen-Anlagen als Speicherkraftwerke
376
Weiterführende Literatur (Auswahl)
378
Stichwortverzeichnis
379
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