Tillämpad termodynamik

 

 Beteckningar 13

 Energiomvandlingar och termodynamik 19

 Lite historia 19

 Teorin kom efter praktiken 24

 Perpetuum mobile av olika slag 26

 Några begrepp 29

 Energistatistik 32

1  Grundbegrepp och definitioner 39

1.1  Översikt 39

1.2  System 41

1.3  Tillståndsstorheter 42

1.4  Begreppet temperatur. Temperaturskalor 46

1.5  Måttenheter 49

1.6  Sammanfattning 51

2  Första huvudsatsen 53

2.1  Introduktion 53

2.2  Arbete 53

2.2.1  Definitioner 53

2.2.2  Volymändringsarbete 55

2.3  Värme 59

2.4  Inre energi 60

2.5  Värme och arbete är ekvivalenta 61

2.6  Första huvudsatsen vid system med kretsprocesser 63

2.7  Första huvudsatsen vid slutet system 65

2.7.1  Tillståndsstorheten inre energi 65

2.7.2  Samband 67

2.7.3  Kommentarer om reversibilitet och friktionsarbete 68

2.7.4  Kommentarer om kvasistatiska tillståndsförändringar

                                 och Joules försök 70

2.7.5  Formulering av första huvudsatsen med entalpi-

                                 begreppet infört 72

2.8  Första huvudsatsen vid öppna system under stationära

                     förhållanden 73

2.8.1  Energiekvationen 73

2.8.2  Tekniskt arbete kontra volymändringsarbete 79

2.8.3  Exempel på tillämpningar av energiekvationen 82

2.9  Första huvudsatsen vid öppna system under instationära

                     förhållanden 86

2.10  Sammanfattning 88

3  Ideala gasers egenskaper samt begreppet

specifik värmekapacitet 89

3.1  Ideala gaslagen 89

3.1.1  Inledning 89

3.1.2  Ideala gaslagen 90

3.1.3  Gaskonstanten 92

3.1.4  Tillståndsytan 94

3.2  Ideala gasblandningar 94

3.2.1  Inledning 94

3.2.2  Mass- och molkoncentration 95

3.2.3  Partialtryck och Daltons lag 97

3.2.4  Partialvolym och volymskoncentration 99

3.2.5  Samband mellan partialtryck och volymskoncentration 100

3.2.6  Samband mellan mol- och volymskoncentration 100

3.3  Specifik värmekapacitet 101

3.3.1  Definition av c_ν 101

3.3.2  Ideala gasers c_ν 102

3.3.3  Definition av c_p 103

3.3.4  Ideala gasers c_p 104

3.3.5  Generella samband för c_p-c_ν 106

3.3.6  Molvärme 107

3.3.7  Kvoten    =c_p/c_ν 107

3.3.8  Verkliga värden för ideala gasers c_p 108

3.3.9  Medelvärden för ideala gasers värmekapacitet 109

3.3.10  Tryckets inverkan på c_p 112

3.4  Kinetisk gasteori 112

3.4.1  Inledning 112

3.4.2  Trycket 113

3.4.3  Kinetiska gasteorins grundekvation 114

3.4.4  Värmekapacitet enligt kinetiska gasteorin 115

3.4.5  Molekylernas hastighet 117

3.4.6  Fria medelväglängden 118

3.4.7  Viskositet 119

3.4.8  Värmeledningstal 121

3.5  Sammanfattning 123

4  Processer med ideala gaser 125

4.1  Enkla tillståndsförändringar 125

4.1.1  Allmänt 125

4.1.2  Isochorisk tillståndsförändring 126

4.1.3  Isobarisk tillståndsförändring 127

4.1.4  Isotermisk tillståndsförändring 129

4.1.5  Isentropisk tillståndsförändring 131

4.1.6  Polytropisk tillståndsförändring 137

4.2  Sammansatta processer – kretsprocesser 140

4.2.1  Förbränningsmotorn som exempel 140

4.2.2  Kretsprocesser allmänt 144

      Värmemotorer – arbetsavgivande kretsprocesser 144

      Värmepumpar och kylanläggningar – arbetskrävande  

         kretsprocesser 146

4.2.3  Carnotcykeln 147

      Allmänt 147

      Samband 150

      Kommentarer om Carnotcykeln 152

4.3  Sammanfattning 154

5  Andra huvudsatsen samt begreppen entropi och exergi 157

5.1  Andra huvudsatsen 157

5.1.1  Olika formuleringar av andra huvudsatsen 157

5.1.2  Konsekvenser av andra huvudsatsen 158

5.2  Entropi 163

5.2.1  Definition 163

5.2.2  s,T-diagrammet och termodynamisk temperatur 168

5.2.3  Entropi och irreversibla förlopp 170

5.3  Beräkning av entropin för ämnen 173

5.3.1  Allmänt 173

5.3.2  s,T-diagram 175

5.3.3  Entalpi och inre energi i s,T-diagram 176

5.3.4  Analys av tillståndsförändringar i s,T-diagram 178

5.4  Exergi 181

5.4.1  Exergi i värmemängd 181

5.4.2 Exergi vid öppna system 183

5.4.3  Exergi vid slutna system 187

5.4.4  Exergi- och anergiflöden 188

5.5  Entropi och sannolikhet 191

5.6  Något om kemisk jämvikt 194

5.7  Sammanfattning 201

6  Kretsprocesser med gasformiga medier 203

6.1  Allmänt 203

6.2  Kompressorer och expansionsmaskiner (turbiner) 204

6.2.1  Olika typer, kort orientering 204

6.2.2  Definitioner av isentropiska verkningsgrader 207

6.3  Arbetsavgivande kretsprocesser 210

6.3.1  Allmänt 210

6.3.2  Ottomotorn 211

6.3.3  Dieselmotorn 216

6.3.4  Blandad process 219

6.3.5  Joule/Braytoncykel – den enkla gasturbincykeln 221

6.3.6  Jetmotor 228

6.3.7  Regenerativ gasturbincykel 230

6.3.8  Ericssoncykeln 233

6.3.9  Stirlingcykeln 237

6.3.10  Kommentarer om olika cykler 241

6.4  Arbetskrävande cykler 243

6.4.1  Allmänt 243

6.4.2  Kall-luft-cykeln eller omvänd Joule/Braytoncykel 244

6.4.3  Omvänd Stirlingcykel 247

6.5  Sammanfattning 249

7  Verkliga mediers egenskaper 251

7.1  Tillståndsytan 251

7.1.1  Ett inledande exempel: att koka vatten 251

7.1.2  Hela p,v,T-ytan 254

      Kokning och kondensation 255

      Kritiska punkten och reducerade storheter 257

      Smältning och stelning 258

      Sublimation 259

      Isotermer 259

7.2  Tvåfasområden 260

7.2.1  Fuktiga ångområdet 262

       Ångtryckskurvan 262

       Ånghalt och volymitet 264

       Ångbildningsvärme 266

       Clapeyrons ekvation 269

       Approximativa samband för ångtryckskurvan  

                      och ångbildningsvärme 272

7.2.2  Smältområdet och sublimationsområdet 275

       Smältområdet 275

       Sublimationsområdet 276

7.3  Termiska tillståndsekvationer 276

7.3.1  van der Waals   277

7.3.2  Redlich och Kwong 279

7.3.3  Benedict, Webb och Rubin 280

7.3.4  Martin och Hou   280

7.3.5  Virial form   280

7.3.6  Generaliserat kompressibilitetsdiagram 281

7.3.7  Samband för vätskefasen 285

7.4  Kaloriska tillståndsekvationer 285

7.5  Ångtabeller och tillståndsdiagram 293

7.5.1  Ångtabeller för mättningstillstånd 295

7.5.2  s,T-diagram   295

7.5.3  s,h-diagram   296

7.5.4  h,log(p)-diagram 298

7.5.5  Förenklingar för vätskefasen 299

7.6  Sammanfattning 303

8  Ångkraftprocessen 315

8.1  Enkel ångkraftprocess 315

8.1.1  Funktionsprincip 315

8.1.2  Termisk verkningsgrad 318

8.1.3  Inverkan av driftparametrar 321

8.1.4  Diskussion om exergiförluster 325

8.2  Utvecklade ångkraftprocesser 326

8.2.1  Matarvattenförvärmning 326

8.2.2  Mellanöverhettning 328

8.2.3  Luftförvärmning m.m. 329

8.2.4  Andra arbetsmedier 330

8.3  Sammanfattning 331

9  Kylprocesser 333

9.1  Kompressordriven förångningsprocess 333

9.1.1  Funktionsprincip 333

9.1.2  Köldfaktor   337

9.1.3  Inverkan av driftparametrar 339

9.1.4  Värmepumpen   341

9.1.5  Köldmedier   342

      Allmänna urvalsprinciper 342

      Utvecklingstendenser 344

9.1.6  Processer med underkylning 347

9.1.7  Tvåstegsprocesser 349

9.2  Enkel Lindeprocess 349

9.2.1  Framställning av flytande luft 349

9.2.2  Thomson-Joule-koefficienten 353

9.3  Sammanfattning 354

10  Mediers strömning 355

10.1  Inledning 355

10.2  Inkompressibel strömning i rör och kanaler 357

10.2.1  Grundläggande samband 357

       Kontinuitetsekvationen 357

       Energiekvationen 358

10.2.2  Förlustfri strömning 359

       Bernoullis ekvation med tillämpningar 359

       Stagnationstryck och statiskt tryck 362

       Mätning av tryck och hastighet 363

10.2.3  Strömning med förluster 365

       Allmänt 365

       Samband för tryckförlusten〖Δp〗_”f” 366

       Strömningsformer, Reynolds tal 367

       Laminär strömning i rör och kanaler 370

       Turbulent strömning i rör och kanaler 373

       Engångsförluster 378

10.2.4  Flödesmätning   382

10.2.5  Eulers turbinekvation 383

10.2.6  Kort orientering om Navier-Stokes ekvationer 387

10.2.7  Kort orientering om gränsskikt 388

10.3  Kompressibel strömning 395

10.3.1  Grundläggande samband 395

10.3.2  Förlustfri strömning i munstycken 397

       Utströmningshastighet 397

       Machtal 399

       Kritiskt tryckförhållande 399

       Hugoniots ekvation 400

       Medieflöde 403

       Areaförhållandet vid de Laval-dysor 405

       v2-metoden 407

       Förhållanden vid varierande avloppstryck 409

       Den raka kompressionsstöten 412

10.3.3  Kompressibel strömning i kanaler med friktion; Fannos

                                 kurvor 415

10.4  Sammanfattning 423

11  Värmetransporter 425

11.1  Definitioner och grundläggande samband 425

11.1.1  Inledning 425

11.1.2  Olika former av värmetransport 426

11.1.3  Värmegenomgång 431

11.1.4  Värmemotstånd och den elektriska analogin 435

11.2  Värmeväxlare 435

11.2.1  Allmänt 435

11.2.2  Samband för temperaturförlopp och temperatur-

                                 verkningsgrad 439

11.2.3  Medeltemperaturdifferens 445

11.2.4  Regenerativa värmeväxlare 446

11.2.5  Orientering om transienta förlopp 448

11.3  Värmeledning 451

11.3.1  Värmeledning genom cylindriska och sfäriska väggar 451

11.3.2  Värmeledning i flänsar. Flänsverkningsgrad 453

11.3.3  Orientering om Fouriers differentialekvation 459

11.4  Värmeövergång genom konvektion 460

11.4.1  Grundläggande samband 460

11.4.2  Värmeövergång vid påtryckt strömning 462

       Likformighetslagar 462

       Värmeövergång vid turbulent strömning i rör och

                     kanaler 463

       Pump- eller fläkteffekt för turbulent värmeöverföring 471

       Värmeövergång vid laminär strömning i rör och

                     kanaler 473

11.4.3  Värmeövergång vid egenkonvektion 477

       Likformighetslagar 477

        Samband för vertikala ytor och horisontella cylindrar 479

11.4.4  Värmeövergång vid kondensation och kokning 481

       Kondensation 481

       Kokning 483

11.5  Strålning 486

11.6  Sammanfattning 492

12  Fuktig luft 493

12.1  Inledning 493

12.2  Grundläggande begrepp och samband 493

12.3  Tillståndsdiagram för fuktig luft 498

12.4  Exempel på användning av tillståndsdiagram för fuktig luft 502

12.4.1  Daggpunkten 502

12.4.2  Blandningsförlopp 502

12.4.3  Kylgränsen 505

12.5  Diffusionsförlopp med tillämpning på värmeövergång i fuktig

                     luft 507

12.5.1  Inledning 507

12.5.2  Masstransport vid diffusion och konvektion 508

       Olika definitioner av massövergångstal 508

       Masstransport vid turbulens; Lewis samband 509

       Något om likformighetslagar för diffusionsförlopp 511

12.5.3  Värmeövergång i fuktig luft 515

       Diffusionsvärmeövergångstalet, α_”d” ; Bäckströms

                     samband 515

       Merkels ekvation 518

12.6  Sammanfattning 521

 

 Sakregister 523