Vorwort

Die "Technische Wärmelehre" wird hier anschaulich, konzentriert und leicht verständlich dargestellt. Alle ersten Grundlagen sind zügig mit Beispielrechnungen behandelt und schließen mit Rober Mayer und den c_v- bzw. c_p-Werten ab.

Die Zustandsänderungen (ZÄ) der Gase, dargestellt in ihren p,v- und T,s-Diagrammen führen zu den "Kreisprozessen". Mit der Beschreibung eines solchen Prozeßablaufes wird über die q_zu- und q_ab-Werte der Wirkungsgrad η_th erklärt, die η_i-, η_m-, η_e-Werte werden angesprochen.

Eine Bilanz zeigt, daß ein 2. Hauptsatz der Wärmelehre besteht.

Der Carnotprozeß behält richtungsweisende Bedeutung; Clausius erklärt mit dem Entropiebegriff das Wärmeverhalten und zeigt, wie durch Aufwand von Arbeit, Wärme in Kälte umgewandelt werden kann.

Die Kreisprozesse mit Maschinen werden noch mit dem Ablauf hintereinander folgender ideeller Zustandsänderungen im p,v- und T,s-Diagramm behandelt, auf die Bedingungen für das Erreichen eines guten Wirkungsgrades wird hingewiesen.

Als Folge von Wärmeabfuhr nach außen, Strömungsreibung in der Maschine, Drosselungen, verbunden mit Gefälleverlusten, entstehen in der wirklichen Maschine Verluste, die zum η_e-Wert an der Kupplung führen.

Hierbei unterscheiden sich Kolben- und Strömungsmaschinen. Die Kolbenmaschine ist in etwa bekannt. Die Wirkungsweise der Strömungsmaschine wird mit Skizzen der Schaufelpläne erklärt.

Die η_e-Werte beider Maschinentypen hängen jeweils von der Leistung, Drehzahl, von den Gas- und Dampfzuständen und vom Einsatzbereich ab. Sie lassen sich nicht einfach festlegen - und wenn, dann im Lehrstoffgebiet Konstruktion, Berechnung, Laborversuche, zu dem die "Technische Wärmelehre" Grundlagen gibt.

Dem Vogel Buchverlag Würzburg wird für die immer gute Zusammenarbeit gedankt.

Einleitung

Die "Technische Wärmelehre" geht aus von realen Grundlagen der allgemeinen Experimentalphysik.

Die Größen Volumen, Druck, Temperatur sind für die Anwendung im technischen Bereich festgelegt. Darüber kommt man zur Zustandsgleichung der Gase. Durchgerechnete Beispiele führen zu weitergehenden Begriffen und über das Mol zu den beiden Gaskonstanten.

Der "1. Hauptsatz der Wärmelehre" bestätigt die Gleichheit von Wärme, Arbeit und elektrischer Energie. Daraus erhält man die Begriffe "Raumänderungsarbeit", "Innere Energie" und "Technische Arbeit", Enthalpie. Sie kommen aus den Erkenntnissen von Robert Mayer, werden gestützt von den spez. Wärmekapazitäten c_v und c_p der Gase.

Mit Beispielen, Hervorhebungen, Diagrammen kommt man über die Zustandsänderungen der Gase zur Darstellung der "Arbeit" und mit Hilfe des Entropiebegriffes zu der beim Arbeitsvorgang mitwirkenden "Wärme".

Der nächste Hauptabschnitt behandelt bereits einen verlustlos arbeitenden Kreisprozeß, mit dem über Maschinen fortlaufend Wärmeenergie in Arbeit umgewandelt werden soll. Ein Blick auf das Indikatordiagramm eines "wirklichen" Prozesses führt zur Erörterung der Wirkungsgradfrage. Anschließend wird der Carnotprozeß, wenn auch als praktisch nicht durchführbarer Idealprozeß behandelt. Danach folgt der "2. Hauptsatz der Wärmelehre" von Clausius mit dem Hinweis auf den unvermeidlichen Abwärmeverlust bei Maschinenprozessen. Der Enthalpiebegriff wird erweitert, die Temperatur als wichtiges Kennzeichen für den Wärmewert bestätigt, auf die Möglichkeit, Kälte aus Arbeit zu gewinnen, hingewiesen.

Die "Kreisprozesse" der Otto- und Dieselmotore, der Gasturbinenprozeß, der ein- und mehrstufige Verdichterprozeß, Kältemaschine und Wärmepumpe sind mit Zahlenwerten der praktischen Anwendung als verlustlose, ideelle Grundlagenprozesse durchgerechnet und dargestellt.

Seit der 6. Auflage folgt ein Abschnitt, der erklärt, wie man bei den hohen Drücken und Temperaturen, die angewendet werden müssen, zur Berechnung der bisher noch nicht weiter angesprochenen "Verluste" kommt. Sie entstehen aus Vorgängen der Wärmeleitung, Reibung, Drosselung und bewirken, daß die Maschinenwirkungsgrade vom η_th-Wert aus bis zum η_e-Wert an der Kupplung abfallen.

Bis dahin ist hiervon nicht viel die Rede gewesen, um den Fortschritt der grundlegenden wichtigen Erklärungen nicht aufzuhalten oder zu stören.

Die Prozesse können sowohl mit Kolben- als auch mit Strömungsmaschinen durchgeführt werden. Je nach den Voraussetzungen - wie Leistung und Arbeitsmitteldurchsatz, Drehzahlen, Drücke und Temperaturen, Durchführbarkeit - muß entschieden werden, welche Bauart die besseren Möglichkeiten und den besseren Wirkungsgrad bringt und eingesetzt werden soll. Diese Fragen zu klären, ist nicht mehr Aufgabe der Technischen Wärmelehre. Um aber die Unterschiede in Aufbau, Wirkungsweise, Verlustquellen deutlich zeigen zu können, sind beide Bauarten an je einem typischen Beispiel und kurzen weiteren Hinweisen zur Einführung in dieses Gebiet besprochen.

Der "Wasserdampf" wird wie bisher von den Grundlagen bis zur Anwendung ausführlich behandelt. Die bekannten, für viele Berechnungen wichtigen Diagramme und Dampftafeln sind geblieben. Auch hier ist ein kurzer Abschnitt mit einem Ausschnitt aus dem h,s-Diagramm, ein Hinweis auf Wirkungsgrade der Dampfturbinen und Einsatzbereiche des Wasserdampfes bei der Versorgung mit Strom und Wärme angefügt.

Schließlich ist der stark in Anwendung und Ausbau begriffene GuD-Prozeß (Gas- und Dampfprozeß) in großen Zügen besprochen. Die Gasturbine mit Leistungen um 150 MW verarbeitet heute Spitzentemperaturen bis 1100 °C; Abgastemperaturen um 600 °C ermöglichen die Nachschaltung eines Dampfturbinen-Kondensationsprozesses mit 80 bar, 500 °C bis 540 °C Frischdampfzustand.

Dabei werden erstmalig effektive Kupplungswirkungsgrade von η_e über 50% erreicht.