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3. Die Richtung der Energieumwandlungsprozesse 能量转换的方向

3. Die Richtung der Energieumwandlungsprozesse 能量转换的方向 Umwandlung von Wärme in Arbeit ist nur eingeschränkt möglich. 只在有限条件下热能才能变为功 - Zustandsgröße Entropie S : 熵值. 功或热 温度. [s] = J/(kg K) = W/K _________________________________________ intensiv-spezifisch Strom.

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3. Die Richtung der Energieumwandlungsprozesse 能量转换的方向

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Presentation Transcript

  1. 3. Die Richtung der Energieumwandlungsprozesse能量转换的方向 Umwandlung von Wärme in Arbeit ist nur eingeschränkt möglich.只在有限条件下热能才能变为功 - Zustandsgröße Entropie S: 熵值 功或热 温度 [s] = J/(kg K) = W/K _________________________________________ intensiv-spezifisch Strom 物性参数 物性流 • Entropieverhalten abgeschlossener Systeme:封闭系统的熵 • Abgeschlossene Systeme sind in der Technik nicht wichtig! 封闭系统对技术应用不重要 irreversibel, adiabat (natürlich): ds > 0 Reversibel, adiabat: ds = 0 unmöglich (erzwungen, künstlich): ds < 0 不可逆，绝热（自然） 可逆，绝热 不可能发生（强制，人工） - Entropieverhalten geschlossener und offener Systeme:密闭系统和开放系统 ds > 0 ds = 0 ds < 0

  2. - Exergie offener Systeme:开放系统的可用能（火用 ） Systeme können nur dann Arbeit verrichten, wenn sie nicht mit der Umgebung im Gleichgewicht sind, d.h. wenn sich ihr Zustand von der Umgebung unterscheidet. Exergiestrom: 火用 流 Index U Umgebungsbedingungen Exergie ist die Energie, die sich bei vorgegebener Umgebung in jede andere Energieform umwandeln lässt. Anergie ist dagegen die Energie, die nicht als Exergie genutzt werden kann. Energie 能量 = Exergie 火用 + Anergie 无用能 ∘ Bei allen Prozessen bleibt die Summe aus Exergie und Anergie konstant. ∘ Sämtliche irreversiblen Vorgänge sind mit einem Verlust an Exergie, d.h. mit der Umwandlung von Exergie in Anergie, verbunden. ∘ Ein Vorgang zur Verwandlung von Anergie in Exergie ist unmöglich. ∘ reine Exergie: elektrischer Strom, potenzielle und kinetische Energie 纯粹的火用：电流，势能和动能

  3. - Freie Energie nach HELMHOLTZ / Freie Enthalpie nach GIBBS:自由能/自由焓 等容过程 等压过程 f freie Energie, J/kg g freie Enthalpie, J/kg Die Freie Energie/Freie Enthalpie ist der Teil der Inneren Energie/Enthalpie, der bei einem reversiblen Vorgang in jede beliebige Energieform verwandelbar ist. Die gebundene Energie T⋅s ist der Teil, der bei konstanter Temperatur einem System nicht als Nutzarbeit (oder chemischer Energie) entzogen werden kann, sondern nur als Wärme zur Verfügung steht. -- Verhalten geschlossener und offener Systeme: df, dg < 0: natürlich, selbständig, spontan verlaufender Vorgang df, dg = 0: Gleichgewicht df, dg > 0: unmöglicher, erzwungener, künstlicher Vorgang 自发过程

  4. - Zustandsfunktion der Freien Energie/Freien Enthalpie: -- Allgemeine Prozesse: -- Chemisch-physikalische Prozesse, isobar: Δh0R,nmolare Standardreaktionsenthalpie, kJ/mol Δs0R,nmolare Standardreaktionsentropie, kJ/(mol K) Δg0R,nmolare Freie Standardreaktionsenthalpie, kJ/mol --- Berechnung der molaren Standardreaktionsgrößen aus den molaren Standardbildungsgrößen 由标准生成热计算标准反应热

  5. Beispiel: Ist folgende chemische Reaktion möglich?反应可能发生吗 Kohlenstoff + Wasserstoff → Benzen 6 C + 3 H2 → C6H6 Benzen: [Daten Atkins] molare Standardbildungsenthalpie ΔH0B,n = 82,92 kJ/mol molare Standardbildungsentropie ΔS0B,n = 0,2693 kJ/(mol K) Kohlenstoff: molare Standardbildungsenthalpie ΔH0B,n = 0 kJ/mol molare Standardbildungsentropie ΔS0B,n = 0,0057 kJ/(mol K) Wasserstoff H2 : molare Standardbildungsenthalpie ΔH0B,n = 0 kJ/mol molare Standardbildungsentropie ΔS0B,n = 0,1307 kJ/(mol K) Daraus folgt: molare Standardreaktionsenthalpie Δh0R,n = 82,92 kJ/mol molare Standardreaktionsentropie Δs0R,n = 0,2693 – 3·0,1307-6·0,0057) = -0,157 kJ/(mol K) molare freie Standardreaktionsenthalpie Δg0R,n= Δh0R,n – T Δs0R,n = 82,92 – 298·(-0,157) Δg0R,n= 129,78 kJ/mol Δg > 0: unmöglicher, erzwungener, künstlicher Vorgang 不可能自动进行

  6. 4. Kreisprozesse 循环过程 ∘ Rechtskreisprozess: 右循环 Umwandlung von Wärme in mechanische Arbeit (Wärmekraftmaschine) 热机做功 ∘ Linkskreisprozess: 左循环 Wärmetransport von niederer Temperatur auf höhere Temperatur (Wärmepumpe) 热泵 • Kreisprozess ohne Nutzeffekt, da reversible, adiabate Zustandsänderungen: 由于可逆， • 绝热的状态变化产生的无效循环 等熵 Die Turbine treibt den Kompressor an.

  7. Rechtskreisprozess mit Nutzeffekt durch Wärmezu- und Wärmeabfuhr: • 通过热交换产生的有效右循环 1→1'→2: Wärmezufuhr und Expansion: 加热膨胀q11' + wt,1'2 = h2 - h1 2→2'→1: Wärmeabfuhr und Kompression: 除热压缩q22' + wt,2'1 = h1 - h2 (+) _______________________________ (q11' + q22') + (wt,1'2 + wt,2'1) = 0 >>0 <0 <<0 >0) qK -wK qKKreiswärme, J/kg wKKreisarbeit, J/kg

  8. Vorzeichenregel: 标识 qK > 0: Kreiswärme wird zugeführt wK < 0: Kreisarbeit wird abgeführt • Thermischer Wirkungsgrad ηth: 热效率 • Zur Beurteilung der Effektivität der Umwandlung von Wärme in technische Arbeit. Satz: Auch in der vollkommensten Wärmekraftmaschine kann Wärme niemals vollständig in Arbeit umgewandelt werden. ∘ da Abwärme qabauftritt folgt ηth< 1 ∘ da die Abwärme nicht bei 0 K abgeführt wird, folgt ηth< 1 ∘ ohne Wärmeabfuhr wäre ηth= 1, Perpetuum mobile (2. Art) (unmöglich)

  9. ∘ CARNOT-Prozess: 卡诺循环 Der CARNOT-Prozess beschreibt die Güte einer thermodynamischen Energieumwandlung von Wärme in Arbeit. Er ist technisch nicht realisierbar. 1→2: isotherme Kompression mit Wärmeabfuhr 等温压缩 2→3: isentrope Kompression 等熵压缩 3→4: isotherme Expansion mit Wärmezufuhr 等温膨胀 4→1: isentrope Expansion 等熵膨胀 s Spezifische Entropie, J/(kg K) CARNOT-Prozess technisch nicht realisierbar weil: 卡诺循环不可能实现 · isentrope Prozesse nur in sehr schnellen Prozessen vorstellbar 极高速等熵 · isotherme nur in sehr langsamen Prozessen vorstellbar 极慢速等温 - Thermischer Wirkungsgrad ηth: 热效率 für: Tmin= 0 K oder Tmax= ∞ folgt: ηth= 1 nicht realisierbar

  10. Satz: Es ist kein Kreisprozess mit einem höheren thermischen Wirkungsgrad als beim CARNOT-Prozess denkbar. 具有高效热效率的卡诺循环是不可实现的 Beispiele: · Wie groß ist der thermische Wirkungsgrad wenn die Wärme bei 550 °C zu und bei 30 °C abgeführt wird. 在高温加热在低温移出热其热效率多少 tatsächlicher Wirkungsgrad: ηth = 0,43 实际热效率 · Kraftwerk 50 + bei >700 °C, 350 bar: ηth.C= 0,689 Zu große Werkstoff- und Fertigungsprobleme! 物料及加工困难

  11. ∘ ERICSON-Prozess: Kreisprozess mit regenerativer Wärmeübertragung in nur einem Wärmeübertrager 1→2: isotherme Kompression mit Wärmeabfuhr (gekühlter Kompressor) 冷却压缩 2→3: isobare Wärmezufuhr (regenerativ) 等压过程 加热 再生 3→4: isotherme Expansion mit Wärmezufuhr (beheizte Turbine) 加热汽轮机 4→1: isobare Wärmeabfuhr (regenerativ) 等压过程 移出热 再生 A Wärmeübertragungsfläche, m² Der Wärmeübertrager muss sehr groß sein. Es ist nur eine Gegenstromführung möglich. 热交换器需要极大面积，只在逆流下可能 -- Thermischer Wirkungsgrad ηth: 热效率 Der thermische Wirkungsgrad ist so groß wie beim CARNOT-Prozess: 热效率 如卡诺循环

  12. ∘ Einfacher JOULE-Prozess: Der JOULE-Prozess hat eine sehr große Bedeutung als Vergleichsprozess für Gasturbinenanlagen: 对汽轮机具有典型意义 ⋅ Gasturbinenkraftwerk 汽轮发电 ⋅ Strahltriebwerk für Flugzeug 喷气机 1-2: isentrope Kompression 2-3: isobare Wärmezufuhr 等压过程 3-4: isentrope Expansion 4-1: isobare Wärmeabfuhr 等压过程 Bei Gasturbinenanlagen ist zwischen geschlossenen und offenen Kreisprozessen zu unterscheiden. 涡轮机在密闭过程和开放过程中不同 -- Thermischer Wirkungsgrad ηth: πKompressionsverhältnis, - κ Isentropenexponent, - 等熵膨胀 ηth= f(π, κ)

  13. - geschlossener JOULE-Prozess: 密闭过程 - offener JOULE-Prozess: 开放过程 ∘ Brennkammer mit direkter Erhitzung直接加热 ∘ Kühler wird durch die Umgebung ersetzt ∘ Brennstoff muss rückstandsfrei verbrennen, um die Turbinenschaufeln nicht zu schädigen. ∘ Brennkammer mit indirekter Erhitzung间接加热 ∘ Arbeitsmittelkreislauf von der Umgebung stofflich getrennt:→keine Verschmutzung κ = 1,67 Edelgase; κ = 1,4 Luft; κ = 1,3 CO2

  14. - Verbrennungsmotor: 热机 Bei Verbrennungsmotoren wird die chemische Energie des Brennstoffes durch Verbrennung im Arbeitsraum in Wärme umgewandelt, d.h. die Wärmezufuhr erfolgt von innen. ∘ OTTO-Prozess (Gleichraumprozess): 等容过程 1-2: isentrope Kompression 2-3: isochore Wärmezufuhr 3-4: isentrope Expansion 4-1: isochore Wärmeabfuhr 等容过程 Viertaktmotor: 四冲程发动机 1. Hub: a - 1 Ansaugen des Kraftstoffgemisches 吸入燃料 2. Hub: 1 - 2 isentrope Verdichtung 等熵压缩 2 - 3 Ende des Hubes: 点燃并等容燃烧, 等容加热 Zündung des verdichteten Gemisches mittels Zündfunken und isochore Verbrennung, d.h. isochore Wärmezufuhr 3. Hub: 3 - 4 Isentrope Expansion, wobei die Arbeit auf den Kolben übertragen wird. 4 - 1 Ende des Hubes: Öffnen des Auslassventiles und der Druck sinkt bei gleichem Volumen, d.h. isochore Wärmeabfuhr. 等容移出热 4. Hub: 1 - a Ausstoß der restlichen Verbrennungsgase aus dem Zylinder 排出残留

  15. -- Thermischer Wirkungsgrad ηth:热效率 εVerdichtungsverhältnis, -压缩比 Der OTTO-Motor arbeitet umso günstiger, je höher die Verdichtung und je höher die Arbeitstemperatur ist. Grenzen werden durch die Selbstzündungstemperatur des Kraftstoff-Luft-Gemisches gesetzt. ε = 6 ... 10 压缩越大或温度越高越有利，极限为自燃点

  16. ∘ DIESEL-Prozess (Gleichdruckprozess): 柴油机-等压过程 1-2: isentrope Kompression 2-3: isobare Wärmezufuhr 3-4: isentrope Expansion 4-1: isochore Wärmeabfuhr Viertaktmotor:四冲程发动机 1. Hub: a - 1 Ansaugen der Luft 吸入空气 2. Hub: 1 - 2 isentrope Verdichtung 等熵压缩 3. Hub: 2 - 3 Beginn des Hubes: Brennstoff wird fein verteilt eingespritzt, der sich sofort selbst entzündet. Die Brennstoffzufuhr wird so geregelt, dass bei Ausweichen des Kolbens p = konst. ist. 喷入雾化柴油并自燃 3 - 4 weiterer Hub: Nach der Verbrennung expandieren die Gase isentrop. 等熵膨胀 4 - 1 Ende des Hubes: Auslassventil öffnet sich und der Druck fällt isochor auf den Umgebungsdruck (isochore Wärmeabfuhr) 等容移出热 4. Hub: 1 - a Ausstoß der restlichen Verbrennungsgase aus dem Zylinder. 排尽

  17. -- Thermischer Wirkungsgrad ηth: 热效率 εVerdichtungsverhältnis, - 压缩比 φEinspritzverhältnis, - 喷入比 Der thermische Wirkungsgrad des DIESEL-Prozesses ist vom Verdichtungsverhältnis ε, und auch vom Einspritzverhältnis φabhängig. 热效率与压缩比和喷入比有关 Der thermische Wirkungsgrad steigt mit wachsendem ε, aber mit fallendem φ, ist also bei kleinerer Wärmezufuhr größer. ε = 16 ... 25; φ= 2 ... 5

  18. -- Schema eines DIESEL-Motors: 1: Zylinder 气缸 2: Kolben 活塞 3: Einlassventil 进气门 4: Einspritzdüse 喷嘴 5: Auslassventil 排气门 6: Pleulstange曲柄连杆 -- Schiffsdiesel: ∘ Weltgrößte Containerschiffe 2006: Emma-Klasse der Reederei Maersk-Line, Dänemark 14770 TEU Standardcontainer (größtes Schiff Marco Polo, 16000 TEU) Länge: 长度397 m Antrieb: 14-Zylinder Diesel 动力80 MW Bohrung: 缸径960 mm Hub: 行程 2500 mm Hubraum eines Zylinders: 1809 l Gesamthubraum: 总排量25326 l Wirkungsgrad: 效率49 % Treibstoffverbrauch bei voller Leistung:额定功率下燃料 14,4 m³/h = 2,7 lSchweröl/(100 km und Container mit 14 t)

  19. Vergleich: OTTO-ProzessDIESEL-Prozess >1 wenn:εOTTO = εDIESEL → ηth,OTTO> ηth,DIESEL da aber:εOTTO << εth,DIESEL → ηth,OTTO< ηth,DIESEL

  20. 5. Spezielle Energieumwandlungen特殊的能量转换 8./9.: elektrische Energie ↔ chemische Energie Akkumulator Brennstoffzelle 蓄电池 燃料电池 5./6.: potentielle Energie ↔ kinetische Energie 化学能/热能 10.: chemische Energie → thermische Energie 势能/动能 Öl-/Gasheizung 动能/电能 Motor 3./4.: kinetische Energie↔ elektrische Energie 辐射能/热能 11.: Strahlungsenergie → thermische Energie Generator Solarkollektor 辐射能/电能 Solarzelle (Photovoltaik) 1./2.: Strahlungsenergie ↔ elektrische Energie LED-Lampe

  21. Wirkungsgrade für die Speicherung und die Umwandlung sind multiplikativ verknüpft. 存储和转换效率受多因素影响

  22. ◦ Energieumwandlungen werden verwendet für: 能量转换应用情况 ∙ Spezielle Anwendungen (Bahn, Heizung, … ) 特殊应用 ∙ Speicherung von Energie (Wasser im Speicherbecken, … ) 能量存储 ∙ Transport von Energie (Hochspannungsleitung, Gaspipeline, … ) 能量转移 ◦ Der elektrische Strom ist eine sehr hochwertige Energieform (reine Exergie): 21 % Strom aus erneuerbarer Energieträgern

  23. ∙ Vorteil: universell verwendbar 应用普遍 Informationstechnologie 信息Licht 光源Antriebe 动力 Produktion (Kupfer) 生产Wärme 热量Transport 传输 ∙ Nachteil: Viele Verluste bei der Herstellung, schwer speicherfähig 损失大，难存储 ∙ Kohlekraftwerk: ηth = 43 % 火力发电 ∙ Gas- und Dampfkraftwerk: ηth = 60 % 天然气-蒸汽发电

  24. ◦ Die thermische Energie, „Wärme“ (latente und sensible Wärme): 热能（潜热和显热） ∙ Vorteil: leicht herstellbar, relativ gut speicher- und transportierbar易产生存储和传输方便 Müllheizkraftwerk Bremerhaven, 2009 in Deutschland: 69 Anlagen im Bau Fernwärmeleitungen热力管道 ∙ Nachteil: Nur bedingt umwandelbar (2. Hauptsatz), beschränkte Umwandelbarkeit in Arbeit

  25. ◦ Erneuerbare Energie: 可再生能源 ∙ Wasserkraft 水力 ∙ Windenergie 风能 ∙ Solare Strahlung 太阳能 - thermische Solaranlagen 太阳热能

  26. - Photovoltaikanlagen 太阳能电池 Hausdach, ca. 10 kWp 屋顶 Hausfassade 墙面 Solarpark Finsterwalde, Brandenburg, 80,7 MWp 太阳能发电站

  27. ◦ Die Erdwärme: 地热 Unterhaching , Bayern, größtes Erdwärmekraftwerk Deutschlands, Tiefenbohrung 3500 m Wasserkreislauf 133 °C, 3,36 MW Strom, 38 MW thermische Leistung, ab 2009 Kalina-Technik: Wärmeübertragung an Wasser-Ammoniak-Gemisch (verdampfbar) 氨-水混合物媒介 Turbine mit Generator 汽轮机发电

  28. ◦ Nachwachsende Rohstoffe: 可持续性资源 21 % der Ackerfläche in Deutschland für die Energieerzeugung genutzt ∙ Mais, Getreide, Gras für die Biogasanlage: 用于能源的耕地面积。 玉米、谷物、草用于沼气 Willinghausen, Hessen Silomais

  29. ∙ Raps zur Umesterung (Alkoholyse), 50 - 100 bar, 200 - 250 °C, NaOH, Katalysator: 菜 籽油的酯交换，碱催化 Rapsöl + Methanol ⇄ Rapsöl-Methylester + Glycerin (Triglyzerid) (Rapssäuremethylester RME) ADM Biodiesel, Leer Rapsöl-Methylester seit 2007 4,5 % im Diesel-Kraftstoff enthalten 柴油含生物质油

  30. 6. Energiespeicherung能源储存 ∘ Thermische Energie: Fernwärmespeicher im Kraftwerk Theiß, Niederösterreich 热能 Inhalt: 50.000 m³ Wasser Speichervermögen: 2 GWhje Ladevorgang Temperatur: > 60 °C

  31. Latentwärmespeicher: ⋅ Natriumacetat-Trihydrat: Schmelztemperatur 58 °C 潜热存储器⋅ Paraffin: 石蜡 Schmelztemperatur 50 … 120 °C SCHNEIDER-VOGT GmbH, Lahr

  32. ∘ Chemische Energie: Akkumulatoren; Blei; NiCd; NiMH; Li-Ion 化学能：蓄电池 Lithium-Ionen-Akkumulator 锂电池 Verwendung im PKW: 应用 Elektro-Motor: ∙ Leistung: 功率125 kW ∙ Reichweite: 行驶距离160 km ∙ Höchstgeschwindigkeit: 145 km/h

  33. ∘ Mechanische (potentielle) Energie: 机械势能 ⋅ Pumpspeicherkraftwerk, Harz In Deutschland in ca. 40 Anlagen: 6,5 GW, 38 GWh ∙ Planung: Bis 2018 Seekabel „Nord.Link „ nach Norwegen für 1400 MW, 500 kVGleichstrom ⋅ Forschung: Pumpspeicherkraftwerk unter Tage (alte Bergwerke)

  34. ⋅ Druckluftspeicher-Kraftwerk 压缩空气储能 Compressed Air Energy Storage:CAES-Kraftwerke

  35. ∙ Forschung: M Motor LP Niederdruckkompressor HP Hochdruckkompressor AT Turbine G Generator ∙ Speicher für Brenn- und Kraftstoffe in Kavernen, Tanks 洞穴储存 Deutschland: 20 Mrd mN³ Erdgas in 40 Anlagen = 16 % des Jahresverbrauch 25,2 Mio t Erdöl und Produkte um 90 Tage den Bedarf zu sichern Kaverne: V = 600.000 m³ H = 500 m D = 40 m Tiefe …1300 m ∙ IVG Caverns GmbH ∙ NWKG GmbH

  36. · Tanklager NWO GmbH Wilhelmshaven 90-Tage Bevorratung (Deutschland): 2010: 21,6 Mio t Öl und Ölprodukte

  37. 6. Einsparung von Energie: 节能 Energieverbrauch in Deutschland消耗能 Energiebedarf eines privaten Haushalts一个家庭的能源需求 Energieeinsparungsgesetz für Gebäude 建筑节能法

  38. · Schlechte Beispiele! 负面示例 未作保温 Thermobild einer ungedämmten Hauswand Hummer H2 von GM: V8 6,2 l Hubraum, 232 kW, 24 l/100 km 悍马 Glühlampe: 5 % Licht, 95 % Wärme白炽灯

  39. Marode Fernwärmeleitung 保温差的热力管道 火炬常燃 Abfackeln von Prozessgas Osterfeuer oder Abfallverbrennung? 焚烧垃圾

  40. Brand auf illegaler Mülldeponie Alte Heizungstechnik 填埋场自燃 老旧采暖技术 Birnen aus Chile Weintrauben aus Südafrika Erdbeeren aus Indonesien Raumtemperatur im Winter 冬季室温设置过高

  41. · Gute Beispiele 正面示例 Energielabel einer Waschmaschine 洗衣机能效 Isoliertes Mauerwerk保温墙壁

  42. Verbrauch ca. 4-5 l/100 km 节油车 Freizeitgestaltung ohne Motorkraft 绿色假日

  43. 7. Wasserstofftechnologie 氢能技术 存储 太阳 能量 电解

  44. 可再生能源 电流 氢气 应用

  45. ∘ Herstellung von Wasserstoff, Elektrolyse (klassisch): 制备氢，电解法 Eigenschaften von H2 Siedepunkt: -252,9 °C Dichte 273 °C: 0,0899 kg /m3 Energieinhalt: 120 MJ/kg Kritischer Druck: 13,15 bar Vergleich: Benzin: 43,2 MJ/kg 1 kg Wasserstoff entspricht 2,8 kg Benzin.

  46. ∘ Zentrales Problem der Energiespeicherung:储能器的主要问题 所需面积大 所需面积小 投资大 投资少 仅少数中心场所 分布设置

  47. - Möglichkeiten der Wasserstoffspeicherung: 氢能的存储 -- Speicherung in Drucktanks 200 – 300 bar: 压力容器存储

  48. - Vakuumisolierte Flüssigkeitsstank 低压液化存储 Druck: 1,2 - 3,5 bar Temperatur: 21 - 25 K Verdampfungsverluste: 1 – 2 %/d 保温层 加料口 安全阀 Bild: Messer Griesheim 测量探头

  49. - Chemisch: 化学法 - N-Carbazol / Perhydro-N-Carbazol

  50. ∘ Transport: 输送

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