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Über dieses Buch

DUBBEL - Taschenbuch für den Maschinenbau – erscheint nun in übersichtlichen drei Bänden in einer überarbeiteten und aktualisierten 26. Auflage.

Das dreibändigen Standardwerk der Ingenieure in Studium und Beruf mit den Schwerpunkten „Allgemeiner Maschinenbau“ sowie „Verfahrens- und Systemtechnik" beinhaltet das erforderliche Basis- und Detailwissen des Maschinenbaus und garantiert die Dokumentation des aktuellen Stands der Technik.

Dieses etablierte Referenzwerk mit „Norm-Charakter“ überzeugt durch

- detaillierte Konstruktionszeichnungen

- Tabellen und Diagramme mit quantitativen Angaben

- Berechnungsverfahren

- ein umfangreiches Literaturverzeichnis.

Band 3 fokussiert auf Maschinen und Systeme. Es werden Kolbenmaschinen, Strömungsmaschinen, Fördertechnik, Verfahrenstechnik, thermischer Apparatebau, Kälte-, Klima- und Heizungstechnik, Biomedizinische Technik, Energietechnik und -wirtschaft sowie Verkehrssysteme behandelt.

Band 1 enthält Grundlagen und Tabellen, Band 2 behandelt Anwendungen.

Die Herausgeber

Professor Dr.-Ing. Beate Bender, Ruhr-Universität Bochum

Professor Dr.-Ing. Dietmar Göhlich, Technische Universität Berlin

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kolbenmaschinen

Frontmatter

1. Allgemeine Grundlagen der Kolbenmaschinen

Helmut Tschöke, Klaus Mollenhauer

2. Verdrängerpumpen

Verdrängerpumpen nehmen das von der Saugleitung in den Arbeitsraum geflossene Fördermedium auf und verschieben es dann in die Druckleitung. Die Verschiebearbeit des Verdrängers erhöht die Energie (Druckenergie, Geschwindigkeitsenergie, potentielle Energie) des Fördermediums und deckt die Rohrreibungsverluste ab. Zur Kapselung und Ein- und Auslasssteuerung des Fördermediums werden druckgesteuerte Ventile oder Wegsteuerung durch Schieber, durch Steuerkanten im Arbeitsraum oder durch weggesteuerte Ventile eingesetzt. Nach der Verdrängerkinematik werden oszillierende und rotierende Verdrängerpumpen unterschieden. Verdrängerpumpen sind in der Lage, eine Saugleitung selbsttätig zu entlüften und arbeiten in dieser Betriebsphase als Verdränger‐Vakuumpumpen.Tab. 2.1 nennt Bauarten, Einsatzgebiete und Einsatzgrenzen von Verdrängerpumpen. Die Werte pmax und Qmax werden nicht gleichzeitig erreicht und können in Sonderfällen auch überschritten werden. Neben dem erforderlichen Druck und Volumenstrom bestimmt das Fördermedium die Auswahl der geeigneten Pumpenbauart, sodass Verdrängerpumpen auch nach dem Fördermedium benannt werden: Fördermedien mittlerer und hoher Viskosität mit abrasiv wirkenden Fremdkörpern: Schlammpumpen, Betonpumpen, Mörtelpumpen. Mit Verdrängerpumpen lassen sich entwässerte, stichfeste Schlämme fördern.Fördermedien mittlerer und hoher Viskosität ohne abrasiv wirkende Fremdkörper: Lebensmittelpumpen, Schmiermittelpumpen (Fette, Öle), Farben, Klebstoffe, Schweröl, Bitumen, Spinnpumpen zur Kunststoffverarbeitung.

Helmut Tschöke, Herbert Hölz

3. Kompressoren, Verdichter

Verdrängerkompressoren kapseln das angesaugte Gas und schieben es dann in die Druckleitung. Während der Kapselung verkleinert sich der Arbeitsraum, sodass Druck und Temperatur des Gases ansteigen (innere Verdichtung). Die Verdichtung auf höhere Drücke erfolgt über einen oder mehrere hintereinandergeschaltete Arbeitsräume (Stufen), zwischen denen das Gas gekühlt wird (Außenkühlung). Dadurch wird der Temperaturanstieg begrenzt und die erforderliche Verdichtungsarbeit vermindert.Beim Roots-Gebläse (Wälzkolbenvakuumpumpe) erfolgt keine innere Verdichtung. Öleinspritzgekühlte Schrauben- und Rotationsverdichter werden während der Verdichtung im Arbeitsraum gekühlt (Innenkühlung).Verdrängervakuumpumpen evakuieren einen Vakuumbehälter (Rezipienten). Der saugseitige Druck erreicht Werte unter 10−3 mbar.Abb. 3.1 zeigt die wichtigsten Bauarten von Verdichtern und Vakuumpumpen. Die Bauarten unterscheiden sich nach der Schmierung der bewegten Teile im Arbeitsraum, nach dem erreichbaren Druck und Volumenstrom und nach den Anwendungsgebieten (Tab. 3.1). Nach der Schmierung wird zwischen Ölschmierung, Trockenlauf mit Berührungsdichtungen und berührungsfreiem Trockenlauf mit Spaltdichtungen unterschieden. In Sonderfällen wird auch Wasser verwendet. Schmierung, Innenkühlung und Abdichtung sind kombiniert, wenn das Schmiermittel (Öl, Wasser) in größeren Mengen zugeführt wird. Die in Tab. 3.1 genannten Werte von $$p_\mathrm{max}$$ p max und $$\dot{V}_\mathrm{max}$$ V ˙ max werden nicht immer bei derselben Ausführung erreicht und können in Sonderfällen auch überschritten werden.

Helmut Tschöke, Herbert Hölz

4. Verbrennungsmotoren

Verbrennungsmotoren sind Kolbenmaschinen, die Wärme in mechanische Energie umwandeln. Dazu wird die durch Verbrennung als Wärme frei werdende chemische Energie eines Kraftstoffes einem in einem begrenzten Raum eingeschlossenen gasförmigen Arbeitsmedium zugeführt und in potentieller Form (Druck) ausgenutzt. Für den gasdichten, veränderlichen Arbeitsraum können Hubkolben‐ und Rotationskolbenmotoren (HKM bzw. RKM) verwendet werden.

Helmut Tschöke, Klaus Mollenhauer

5. Motoren für den maritimen Betrieb

Verbrennungsmotoren werden üblicherweise ihrer Größe entsprechend in Familien eingeteilt (Abb. 5.1):Fahrzeugmotoren: Motoren für den On Road Bereich (Light Duty PKW, LD) Motoren für den On Road Bereich (Heavy Duty LKW, HD) Großmotoren: High Speed Motoren für Lokomotiven, Schiffsantriebe, Baufahrzeuge und zur Stromerzeugung (Off Road, HS) Medium Speed Motoren für Schiffsantriebe, zur Stromerzeugung und für Gaspumpstationen (MS) Low Speed Motoren für Schiffsantriebe (LS) Durch die hohen Lebensdaueranforderungen und die schweren Belastungsprofile im maritimen Betrieb kommen umgerüstete HD Motoren nur bei Sportbooten zum Einsatz, für See‐ und Binnenschiffe werden ausschließlich Großmotoren verwendet. Sie werden im Leistungsbereich oberhalb von 1000 kW eingesetzt. Üblicherweise werden sie nach ihren Drehzahlbereichen mit fließenden Grenzen unterteilt. High Speed werden normalerweise Motoren mit Nenndrehzahlen oberhalb etwa 1200 U/min verstanden, Medium Speed Motoren liegen im Bereich von etwa 450–1000 U/min und Low Speed Motoren unterhalb von etwa 200 U/min. Für die High und Medium Speed Motoren hat sich das 4‐Taktverfahren durchgesetzt. Technisch unterscheiden sie sich wenig voneinander. Lediglich der eingesetzte Kraftstoff erfordert einige Anpassungen in der Thermodynamik und im Design. Low Speed Motoren arbeiten grundsätzlich nach dem 2‐Takt Prinzip.

Udo Schlemmer-Kelling, Lars Nerheim

Strömungsmaschinen

Frontmatter

6. Grundlagen der Strömungsmaschinen

Jörg Seume, Ronald Mailach

7. Wasserturbinen

Die Wasserturbinen haben die Aufgabe, die Lage-, Druck- oder Geschwindigkeitsenergie des Wassers für die Erzeugung mechanischer Arbeit auszunutzen.Wasserturbinen sind Bestandteil eines Wasserkraftwerks, Abb. 7.1. Ihre Aufgabe ist die Umwandlung der in Stauseen, Kanälen, Flüssen, Gezeiten enthaltenen potentiellen Energie des Wassers in mechanische Leistung, meist zum Antrieb elektrischer Generatoren [1–6]. Wasserturbinen arbeiten mit relativ niedrigen Umfangsgeschwindigkeiten. Die Dichte und Temperatur des durchströmenden Wassers ändern sich minimal. Beim Einsatz der Turbinen besteht die Gefahr der Kavitation (s.  Abschn. 6.3.5). Durch das Entstehen von Dampfblasen, an Stellen mit Drücken nahe dem Dampfdruck $$p_\mathrm{v}$$ p v und das schlagartige Zusammenbrechen der Dampfblasen bei höheren Drücken, können Schäden entstehen (vgl. Abschn. 8.3.1). Hierbei ist die Ausführung des Saugrohres beziehungsweise die Geschwindigkeitsverzögerung hinter dem Laufrad bis zum Unterwasser UW zu beachten (Abb. 7.1a–c).

Paul Thamsen

8. Kreiselpumpen

Pumpen heben Flüssigkeiten bzw. erhöhen deren Druck oder Geschwindigkeit. Bei Kreiselpumpen erfolgt dies, indem mechanische Arbeit durch die Fliehkraft und Umlenkung des Mediums in Schaufelrädern übertragen wird. Fördermedien sind neben Wasser auch aggressive Medien und zähe Fluide bis hin zum Flüssigbeton.Meist werden die Pumpen nach der Bauart ihrer Laufräder bezeichnet (Abb. 8.1): Radiale, halbaxiale, axiale Pumpen mit aufsteigenden spezifischen Drehzahlen $$n_q$$ n q (Gl. (8.1)). Dabei erfolgt die Bezeichnung nach der Hauptrichtung der Strömung in den Schaufelkanälen in Bezug zur Welle.

Paul Thamsen

9. Schiffspropeller

Schiffspropeller sind hydrodynamische Strömungsarbeitsmaschinen meistens axialer Bauart zur Erzeugung eines Vortriebs. Der Achsschub, eine sonst lästige Nebenwirkung auf die Lager, ist hier Hauptwirkung (Impulssatz, Propellerstrahltheorie [1]). Für Anwendungen ist die Berechnung der Propeller nach der Wirbel- oder Tragflügeltheorie [2, 3] sinnvoller als nach der Strahltheorie. Profile sind Göttinger, NACA-, Kármán-Trefftz-, Kreissegment‐ und Sonder-Profile (z. B. Wageninger Profile). Modellversuche entscheiden die endgültige Auslegung, insbesondere bei ungleichförmigen Geschwindigkeitsfeldern vor und hinter dem Propeller (Druckschwankungen am Einzelflügel). Entsprechend den extrem hohen spezifischen Drehzahlen $$n_\mathrm{q}\approx 300\ldots 1000\,\mathrm{min}^{-1}$$ n q ≈ 300 … 1000 min - 1 ist die Schaufelzahl niedrig, 2 bis 6, selten mehr. Strömungstechnische Begrenzungen sind bei Schiffspropellern durch Kavitationswirkungen gegeben [4]. Oft sind Festigkeitsprobleme ausschlaggebend. Nachgeschaltete Leiträder können Verlust durch nicht ausgenutzten Austrittsdrall minimieren, bewirken jedoch zusätzliche Reibverluste; daher werden sie nur in Sonderfällen mit Erfolg angewendet [5].Durchmesser 6,3 m, Drehzahl 120 min−1, Flügelzahl 6, Werkstoff G-NiA1 BzF60, Gewicht 25,3 t, Wirkungsgrad 63,5 %.

Paul Thamsen

10. Föttinger-Getriebe

Paul Thamsen

11. Dampfturbinen

Der Beitrag basiert auf Ausführungen der 19. Auflage von L. Busse, Mannheim.

Edwin Krämer

12. Turboverdichter

Turboverdichter (auch Turbokompressoren genannt) sind Strömungsarbeitsmaschinen zur Verdichtung von Gasen. Als Element der Energieübertragung auf das Gas dient das beschaufelte, kontinuierlich durchströmte Laufrad. Druck, Temperatur und Geschwindigkeit des Gases sind nach dem Verlassen des Laufrads größer als am Eintritt. Das dem rotierenden Laufrad nachgeschaltete stehende Leitteil sorgt für weitere Druck‐ und Temperaturerhöhung durch Verzögerung des Gases (s. Kap. 6).Die Unterteilung in Axial‐ und Radialverdichter erfolgt anhand der Hauptströmungsrichtung in der Meridianebene des Laufrads, d. h. einer Ebene, die die Drehachse enthält. Diese für den Durchsatz maßgebende Meridianströmung verläuft bei Axialverdichtern während der Energieübertragung im Wesentlichen axial, bei Radialverdichtern im Wesentlichen radial von innen nach außen. Gelegentlich trifft man auch Mischbauarten an (sog. Diagonalverdichter). Eine andere Unterteilung in Verdichter und Ventilatoren basiert auf der Höhe der spezifischen Verdichtungsarbeit. Beim Ventilator bleibt sie vergleichsweise gering, so dass keine nennenswerten Dichte‐ und Temperaturänderungen auftreten. Der Übergang zum Verdichter ist jedoch fließend.

Harald Stricker

13. Gasturbinen

Die Gasturbine zählt zu den Wärmekraftmaschinen, weil sie, in der Regel durch Verbrennung von Brennstoff freigesetzte, Wärme in mechanische Energie (Wellenleistung) oder in Schubkraft (bei Luftfahrt‐Triebwerken) umsetzt. Sie besteht im einfachsten Fall (Abb. 13.1a) aus einem Verdichter, einer Turbine und einer Brennkammer. Der Verdichter saugt einen bestimmten Luftmassenstrom aus der Umgebung an und bringt ihn auf einen erhöhten Druck. Durch isobare Verbrennung eines bestimmten Brennstoffmassenstroms mit diesem Luftmassenstrom in der Brennkammer wird zusätzlich die Temperatur des Arbeitsgasstroms erhöht, so dass bei dessen anschließender Entspannung auf Umgebungsdruck in der Turbine diese mehr Leistung abgeben kann, als der von ihr angetriebene Verdichter aufnimmt. Der Leistungsüberschuss der Turbine steht als Nutzleistung (z. B. zum Antrieb des Generators  G) zur Verfügung.

Jörg Seume, Jochen Gier

Backmatter

Fördertechnik

Frontmatter

14. Grundlagen

Die Aufgabe der Fördertechnik ist das Fortbewegen (Fördern) von Gütern und Personen über begrenzte Entfernung innerhalb einer örtlich begrenzten und zusammenhängenden Betriebseinheit unter Einsatz von technischen Mitteln, den Fördermitteln. Zu ihnen gehören die Fördermaschinen (s. Abschn. 14.1.2).Der Transport von Gütern und Personen über große Entfernungen ist ein Aufgabengebiet der Verkehrstechnik. Verkehrsmittel sind Lkw, Bahn, Schiff, Flugzeug. Der Transport von Flüssigkeiten und Gasen durch Rohrleitungen ist ein Aufgabengebiet der Verfahrenstechnik.Das Fachgebiet Fördertechnik befasst sich mit der Projektierung und Konstruktion der Fördermittel sowie mit der Planung und Projektierung von Materialflusssystemen [1]. Der Materialfluss entsteht durch die Verkettung aller Vorgänge beim Gewinnen, Be‐ und Verarbeiten sowie bei der Verteilung von Gütern innerhalb festgelegter Bereiche. Materialflusssysteme, behandelt in [2, 3], entstehen in der Regel aus einer sinnvollen Verkettung von Fördermaschinen. Richtlinien zur Planung der Materialflusssysteme enthalten [4, 5].

Thorsten Schmidt, Jan Scholten, Michael Ketting, Karl-Heinz Wehking

15. Hebezeuge und Krane

Tragmittel sind nach DIN 15 003 mit dem Hebezeug fest verbunden (z. B. Lasthaken). Die Last wird über Anschlagmittel (z. B. Anschlagseil) oder über spezielle Lastaufnahmemittel (z. B. Lasthebemagnet, Greifer) mit dem Tragmittel verbunden. Die Tragfähigkeit entspricht dabei der Summe aus Lastaufnahmemittel und der entsprechend reduzierten Nutzlast des Hebezeugs. Eine Aufstellung gebräuchlicher Trag-, Lastaufnahme- und Anschlagmittel enthält DIN 15 002.Im Stückguttransport werden am häufigsten geschmiedete Einfach- und Doppelhaken (Abb. 15.1) aus alterungsbeständigen Stählen eingesetzt. DIN 15 400 gibt die Tragfähigkeit der Haken für fünf Festigkeitsklassen in Abhängigkeit von der Triebwerksgruppe 1Bm bis 5m (gemäß FEM-Einstufung) sowie die zugehörigen Spannungen im Haken- und Schaftquerschnitt an. Für leichteren Betrieb als 1Bm sind Haken der Triebwerksgruppe 1Bm zu verwenden. Maße für Einfachhaken gem. DIN 15 401 und für Doppelhaken gem. DIN 15 402.Lasthaken werden in Unterflaschen um die vertikale und um eine horizontale Achse drehbar gelagert (Abb. 15.2). Die Last wird durch den Haken 1 über die durch ein Vierkantprofil 8 formschlüssig gesicherte Lasthakenmutter 2 (DIN 15 413) und über ein Axialkugellager 3 in die Hakentraverse 4 (DIN 15 412‐2) übertragen. Zuglaschen 5 verbinden die drehbar gelagerte Hakentraverse mit der Seilrollenachse 6. Entsprechende Schutzkästen 7 verhindern das Abspringen des schlaffen Seils aus der Seilrille. Bezüglich Unterflaschen und Zubehör sei auf DIN 15 408 bis DIN 15 414, DIN 15 417, DIN 15 418, DIN 15 421 sowie DIN 15 422 verwiesen.

Jan Scholten

16. Flurförderzeuge

Flurförderzeuge (Ffz) [1], auch als Flurfördermittel oder Flurförderer bezeichnet, sind auf dem Boden (Flur), nicht auf Schienen fahrende Fördermittel für den innerbetrieblichen Transport. Sie dienen je nach Bauart zum Befördern, Ziehen, Schieben, Heben, Stapeln oder zum Ein- und Auslagern von Lasten in Regale, zum Kommissionieren sowie zum Be- und Entladen von Verkehrsmitteln.Für die Kurzbezeichnungen nach VDI 3586 [2] werden den Merkmalsausprägungen der Ffz jeweils Kennbuchstaben zugeordnet. Die Benennung setzt sich zusammen aus den Bezeichnungen des Fahrantriebs, der Bedienung, der Bauform sowie der baulichen Besonderheiten wie ggf. der Leitlinienführung. So wird z. B. ein Elektro-Gabelstapler mit Fahrersitz als EFG benannt. Die Ffz werden nach der Art der Abstützung des Lastgewichtes auch in frei tragende und radunterstützte Ffz unterteilt.Die VDI 2198 [3] enthält Vorgaben für einen standardisierten Aufbau der Typenblätter für Flurförderzeuge. Dazu gehören neben technischen Daten auch Angaben zum Kraftstoff- bzw. Energieverbrauch sowie Vorgaben zu deren Messung in einem standardisierten Arbeitsspiel, dem sog. VDI-Zyklus. Sicherheitsaspekte, u. a. für die Bediener von Flurförderzeugen, werden in der DIN EN ISO 3691 [4] geregelt.

Rainer Bruns

17. Weitere Unstetigförderer

Elektrohängebahnen sind schienengeführte, flurfrei angeordnete Transportsysteme mit einzeln angetriebenen Fahrzeugen [1]. Hierdurch ist ein reversierbarer Betrieb möglich. Sie dienen zur Verbindung einer oder mehrerer Quellen mit einer oder mehreren Senken sowie zum Puffern und Sortieren von Stückgütern.Elektrohängebahnen bestehen aus den Systemkomponenten Schiene, vertikale Umsetzeinrichtungen, Fahrzeuge, Lastaufnahmeeinrichtungen, Energiezufuhr und Steuerung.Durch den Einsatz von horizontalen und vertikalen Kurven bis 90° sowie Weichen sind beliebige Fahrkurse realisierbar. Vertikale Umsetzeinrichtungen verbinden Laufschienen auf verschiedenen Transportebenen; maximale Hubgeschwindigkeiten liegen bei ca. $${ 2{,}5\,\mathrm{m/s}}$$ 2,5 m / s .

Ludger Overmeyer

18. Aufzüge und Schachtförderanlagen

In den Geltungsbereich der Personenfördertechnik fallen die Aufzüge, die Seilbahnen und Aufstiegshilfen, die Fahrtreppen und Fahrsteige und die Schachtförderanlagen. Bei den Aufzügen wird zwischen Seil‑, Hydraulik‑, Spindel‑, Trommel‑ und Zahnstangenaufzügen unterschieden. Seil- und Hydraulikaufzüge haben einen Anteil von 98 %. Unter Seilbahnen fallen die Seilschwebebahnen im Pendel- und im Umlaufbetrieb mit Tragseil (meist vollverschlossenes Spiralseil) und Zugseil (Rundlitzenseil). Bei Einseilumlaufbahnen sind die Funktionen von Zug- und Tragseil im Förderseil zusammengeführt. Sessellifte können mit fix geklemmten oder kuppelbaren Lastaufnahmemitteln (Geschwindigkeiten $${ > 2\,\mathrm{m/s}}$$ > 2 m / s ) versehen sein. Bei Standseilbahnen, die im Pendel- und Umlaufbetrieb ausgeführt werden, sind die Wägen schienengeführt. Beim Pendelbetrieb wird über eine große Fahrstrecke nur eine Spur benutzt, d. h. in der Mitte der Fahrstrecke ist eine Ausweichstelle vorgesehen. Für Fahrtreppen sind Stufenbreiten (600, 800, 1000 mm) und Steigungen (30°, 35°) festgelegt mit Geschwindigkeiten bis etwa $${ 0{,}7\,\mathrm{m/s}}$$ 0,7 m / s . Bei Fahrsteigen ist die maximale Steigung 12° mit der Geschwindigkeit $$v\le 0{,}75\,\mathrm{m/s}$$ v ≤ 0,75 m / s . Für Steigungen unter 6° kann die Geschwindigkeit $${ 1{,}0\,\mathrm{m/s}}$$ 1,0 m / s erreichen. Schnellere Fahrsteige sind vereinzelt umgesetzt mit Geschwindigkeiten bis etwa $${ 2{,}5\,\mathrm{m/s}}$$ 2,5 m / s mit Lösungsvorschlägen für das sichere Betreten und Aussteigen und die Beschleunigung der Fahrgäste.

Karl-Heinz Wehking

19. Stetigförderer

Definition der Stetigförderer, Übersicht, Einteilung und Vorteile (s. Kap. 14, Abschn. 14.1.3).Aus der stetigen Fördergutbewegung (eventuell mit wechselnder Geschwindigkeit oder im Takt) resultiert ein Gutstrom, durch dessen Stärke die Leistungsfähigkeit der unterschiedlichen Förderprinzipe und Fördermittel bestimmt wird. Für seine Berechnung ist die Kontinuitätsgleichung der Strömungslehre für inkompressible Medien $$ A_1 \cdot v_1 = A_2 \cdot v_2 = A_i \cdot v_i = I_\mathrm{V}$$ A 1 ⋅ v 1 = A 2 ⋅ v 2 = A i ⋅ v i = I V heranzuziehen, d. h. in der Zeiteinheit muss durch jede Förderquerschnittsfläche $$ A_i$$ A i das gleiche Gutvolumen transportiert werden. Wechselnde Gutstrom‐Querschnittsflächen $$ A_i$$ A i erfordern veränderte Fördergeschwindigkeiten $$ v_i$$ v i . In der Praxis wird nicht mit dem Differentialquotient $$ \dot{V}=\mathrm{d}V/\mathrm{d}t$$ V ˙ = d V / d t (augenblicklicher Volumenstrom) sondern mit dem mittleren Volumenstrom $$ I_\mathrm{V}$$ I V in m3∕s bzw. m3∕h gerechnet.Der im Betrieb erreichbare Nennvolumenstrom folgt aus der theoretisch möglichen Gutstrom‐Querschnittsfläche $$ A_\mathrm{th}$$ A th (konstruktiv bedingt), einem betriebsbedingten Füllungsgrad $$ \varphi$$ φ und der möglichen Fördergeschwindigkeit $$ v$$ v (stetiger Gutstrom, z. B. bei einem Gurtförderer, Abb. 19.1a): 19.1 $$ I_\mathrm{VN}=\varphi \cdot A_\mathrm{th} \cdot v\:. $$ I VN = φ ⋅ A th ⋅ v . Mit der Schüttdichte $$ \rho$$ ρ des Gutstroms ergibt sich der Nennmassenstrom: 19.2 $$ I_\mathrm{mN}= I_\mathrm{VN} \cdot \rho=\varphi \cdot A_\mathrm{th} \cdot v \cdot \rho\:. $$ I mN = I VN ⋅ ρ = φ ⋅ A th ⋅ v ⋅ ρ .

Andre Katterfeld, Friedrich Krause, Ludger Overmeyer, Karl-Heinz Wehking, Willibald Günthner, Michael ten Hompel

20. Lager- und Systemtechnik

Die Transporteinheit (TE) ist das zu fördernde einzelne Stückgut.Häufig fasst man zum Zwecke der Mechanisierung und Automatisierung im Materialfluss mehrere Einzelstücke auf einem Transporthilfsmittel (THM), auch Ladehilfsmittel (LHM) oder Ladungsträger genannt, zu einer größeren Transporteinheit (Fördereinheit, Ladeeinheit) bzw. Lagereinheit zusammen. Diese Bildung uniformer logistischer Einheiten dient der Reduzierung der Transporte sowie des Handlingaufwands, der betriebsübergreifenden Standardisierung der Transport-, Förder- und Lagermittel und der optimalen Nutzung der Lager- und Transporträume. Ferner führt „Ladeeinheit $${ = }$$ = Transporteinheit $${ = }$$ = Lagereinheit“ zu einer Beschleunigung des Umschlags und einer Schonung des Gutes. Vermehrt übernehmen THM in Verbindung mit Identträgern, wie z. B. Barcode oder RFID-Transpondern, auch die Rolle eines Informationsträgers.

Willibald Günthner, Michael ten Hompel, Andre Katterfeld, Friedrich Krause

21. Automatisierung in der Materialflusstechnik

In der automatisierten Materialflusstechnik übernehmen Steuerungen die Aufgabe, Bewegungen von Gütern in Anlagen zeitlich und räumlich zu koordinieren. Gerätetechnisch unterscheidet man die Steuerungen nach der Komplexität ihres Aufbaus und der Art der Programmierung. Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) nach IEC 61131, in vernetzten und hierarchischen Strukturen organisiert, stellen in der Materialflusstechnik die bedeutendsten Steuerungen dar [1, 2]. Eingesetzt werden auch Mikrocontrollersteuerungen, PC-basierte Steuerungen, Numerische Steuerungen und Robotersteuerungen. Besondere Bedeutung für die Materialflusstechnik haben dabei Kommunikationsnetzwerke, welche verteilte Steuerungen mittels Feldbussystemen oder Ethernet realisieren [1, 3]. Für eine detaillierte Beschreibung der Steuerungen wird auf Bd. 2, Kap. 46 verwiesen.

Ludger Overmeyer

22. Baumaschinen

Als Baumaschinen wird die Gesamtheit der Maschinen und Geräte bezeichnet, die im Bauwesen verwendet werden. Die übliche Einteilung in Baumaschinen und Baustoffmaschinen ist nicht in allen Fällen eindeutig möglich, ebensowenig die Abgrenzung von stationär zu mobil eingesetzten Maschinen. Viele Baumaschinen lassen sich der Fördertechnik zuordnen, andere gehören zur Verfahrens‐ oder zur Fahrzeugtechnik. Wegen universeller Einsatzmöglichkeiten sind zahlreiche Baumaschinen im Laufe ihrer Entwicklung zu Industriemaschinen geworden. Wegen dieser Vielfalt ist eine Definition des Begriffs Baumaschine nicht eindeutig möglich. Bewährt hat sich die Zuordnung zu bestimmten Bausparten: z. B. Betonbau; Erd-, Tief- und Tunnelbau; Straßen-, Kanal- und Gleisbau. Hier wird eine Auswahl besonders häufig verwendeter Baumaschinen behandelt, die der Fördertechnik zuzurechnen sind. Größenangaben beziehen sich auf das Gesamtangebot. Mit größeren Stückzahlen werden die Maschinen in der Regel in der unteren Hälfte der angegebenen Spannen hergestellt.Hochbaumaschinen sind alle für das Errichten von Gebäuden erforderlichen Hebezeuge und Fördermittel sowie die Maschinen für Aufbereitung, Transport, Förderung und Verarbeitung der Baustoffe, insbesondere Beton.Siehe Abschn. 15.3.2.

Günter Kunze

Grundlagen der Verfahrenstechnik

Frontmatter

23. Einführung

Verfahrenstechnik ist Stoffwandlungstechnik. Sie befasst sich mit der industriellen Umwandlung von Ausgangsstoffen in einer Folge von physikalischen, chemischen oder biologischen Prozessen zu verkaufsfähigen Zwischen- oder Endprodukten. Sie hat ihren Ursprung in der chemischen Industrie, wobei die Ingenieure insbesondere die Aufgabe hatten, die vom Chemiker in Laborversuchen erarbeiteten Ergebnisse in den technischen Produktionsmaßstab zu übertragen. Diese (Maschinenbau-)Ingenieure waren dafür verantwortlich, dass die Vorstellungen der Chemiker, Physiker und Biologen interdisziplinär verbunden wurden. Aus ihrer Tätigkeit hat sich eine eigenständige Ingenieurwissenschaft, die Verfahrenstechnik entwickelt. Hier war es zunächst der Apparatebau, der Forderungen an die Entwicklung neuer Fertigungsverfahren und neuer Werkstoffe stellte. Besonders erfolgreich wurden die Kenntnisse des Maschinenbaus bei der Entwicklung der Hochdruckverfahren, z. B. der Ammoniak- und der Methanolsynthese umgesetzt.Um Stoffe wandeln zu können, ist Energie erforderlich. Dies kann Wärme oder mechanische Energie sein. Darüber hinaus nutzt man ganz wesentlich auch die Möglichkeit der chemischen Umwandlung von Stoffen sowie die Fähigkeit von Mikroorganismen, Stoffe zu wandeln. Die meisten Prozesse spielen sich dabei in Apparaten ab, wobei die Wärmeübergangs‐ und Stoffübergangsvorgänge an den Phasengrenzen der beteiligten festen, flüssigen oder gasförmigen Phasen ablaufen, die sich innerhalb des Apparats bewegen. In Einzelfällen setzt man auch Stoffaustauschmaschinen ein.

Matthias Bohnet

24. Mechanische Verfahrenstechnik

Die Mechanische Verfahrenstechnik behandelt die Wandlung stofflicher Systeme durch vorwiegend mechanische Einwirkungen. Darunter versteht man die Umwandlung und den Transport mechanisch beeinflussbarer disperser Systeme. Mit mechanischen Kräften lassen sich Partikeln (Feststoffpartikeln, Flüssigkeitstropfen, Gasblasen) bis unter 1 µm Partikelgröße beeinflussen, in extrem hohen Fliehkraftfeldern noch eine 10er Potenz weiter. Die Mechanische Verfahrenstechnik umfasst somit schwerpunktmäßig den grobdispersen Bereich (0,1 µm bis 1 m) im Gegensatz zur Thermischen Verfahrenstechnik, deren Elemente molekulardispers und kolloiddispers sind (s. Kap. 25). In neusten Entwicklungen werden auch Nanopartikel über Zerkleinern hergestellt, getrennt und in mechanischen Verfahren zu Produkten wie Granulaten verarbeitet.Die Stoffumwandlungen durch mechanische Einwirkungen lassen sich in Grundverfahren aufgliedern. Man unterscheidet zwei Hauptgruppen, die Verfahren mit Änderung der Partikelgröße und die Verfahren ohne Änderung der Partikelgröße. Beide Gruppen können weiter in Trenn- und Vereinigungsverfahren unterteilt werden. Zur ersten Gruppe gehören das Zerkleinern und das Agglomerieren (Tablettieren, Brikettieren, Pelletieren, usw.), zur zweiten das Trennen (Sortieren, Klassieren, Abscheiden, Filtrieren) und das Mischen. Zu den Transportvorgängen zählen das pneumatische und hydraulische Fördern, das Lagern und das Dosieren von Schüttgütern.

Arno Kwade, Jörg Schwedes

25. Thermische Verfahrenstechnik

In Apparaten und Maschinen der Thermischen Verfahrenstechnik werden fluide Gemische getrennt. Das Trennprinzip kann auf unterschiedlichen Dampfdrücken (Verdampfen, Destillieren, Rektifizieren), auf unterschiedlichen Löslichkeiten (Eindampfen, Kristallisieren, Extrahieren, Absorbieren), auf unterschiedlichem Sorptionsverhalten (Adsorption, Desorption, Chromatografie, Trocknen), auf unterschiedlicher Durchlässigkeit durch Membranen (Dialyse, Umkehrosmose, Ultrafiltration, Pervaporation) und auf unterschiedlichen (elektr.) Feldkräften der einzelnen Komponenten $$(a,b,c,\ldots,i,\allowbreak{}\ldots,k)$$ ( a , b , c , … , i , … , k ) beruhen.Beim Trennvorgang gehen eine oder mehrere Komponenten von einer Phase (z. B. feste S- (Solid-), flüssige L- (Liquid‑) oder gasförmige G-(Gas-)Phase) in eine andere Phase über (Tab. 25.1), wobei die Phasenströme im Apparat häufig im Gegenstrom zueinander geführt werden (s. Abschn. 29.1). Stoffaustauschmaschinen mit bewegten Maschinenteilen sind bisher in der Industrie wenig verbreitet.

Stephan Scholl, Alfons Mersmann

26. Chemische Verfahrenstechnik

Mit chemischen Reaktionen verbundene Stoffwandlungsprozesse besitzen in der Verfahrenstechnik eine zentrale Bedeutung. Die offensichtlichsten Anwendungen liegen dabei im Bereich der chemischen Industrie. Die zielgerichtete Nutzung, die sichere Beherrschung und die quantitative Beschreibung chemischer Reaktionen spielen allerdings auch in vielen anderen Industriezweigen eine wichtige Rolle.Hauptgegenstand der Chemischen Verfahrenstechnik ist die quantitative Analyse des Ablaufes chemischer Reaktionen und die Berechnung von Reaktoren. Typische Fragestellungen sind:Ist eine erwünschte chemische Reaktion mit nennenswerten Umsatzgraden durchführbar?Welche Art der Reaktionsführung ist geeignet, um ein gewünschtes Zielprodukt effektiv herzustellen?Welcher Reaktortyp ist für die Aufgabenstellung geeignet?Wie ist ein Reaktor für eine bestimmte Aufgabenstellung zu dimensionieren?Welches sind die optimalen Reaktionsbedingungen?Ist eine angestrebte Reaktion sicher beherrschbar?

Andreas Seidel-Morgenstern

27. Mehrphasenströmungen

In den meisten verfahrenstechnischen Prozessen finden an den Phasengrenzflächen disperser Systeme Wärme- und Stoffaustauschvorgänge, aber auch chemische Reaktionen statt. Diese Vorgänge werden ganz wesentlich von den Strömungsverhältnissen beeinflusst. Fortschritte bei der Verbesserung verfahrenstechnischer Prozesse sind oftmals nur zu erreichen, wenn die Strömungsverhältnisse gezielt beeinflusst werden können. Hierzu bedarf es jedoch guter Kenntnisse der physikalischen Vorgänge, die sich in mehrphasigen Systemen abspielen.

Matthias Bohnet

28. Bioverfahrenstechnik

Mit der Expansion der Industriezweige Biotechnologie und Umwelttechnik bildete sich die Bioverfahrenstechnik (Biochemical Engineering) als eigenständige Ingenieurdisziplin aus. Um biologische und biochemische Stoffumwandlungsprozesse aus dem Labor in den industriellen Maßstab übertragen und technisch realisieren zu können, sind für den Bioverfahrenstechniker, zusätzlich zu seinem Wissen über das der klassischen Verfahrenstechnik hinaus, auch biologische und chemische Kenntnisse erforderlich. Die Bioverfahrenstechnik besitzt somit eine Brückenfunktion zwischen Biologie, Chemie und Technik.Die wesentlichen Aufgaben der Bioverfahrenstechnik im engeren Sinne sind demnach: 1. die quantitative Erfassung von biotechnologischen Prozessen, d. h. von stofflichen Umsetzungen durch Biokatalysatoren (Enzyme, Zellen), 2. der Entwurf geeigneter Bioreaktoren und Apparate und 3. die Anwendung von Laborergebnissen und theoretischen Konzepten in der technischen Praxis (Scale up). Die Bioverfahrenstechnik gewinnt besonders im Zusammenhang mit pharmazeutischen Produkten, Grundchemikalien aus nachwachsenden Rohstoffen, Nahrungsmitteln und Kosmetika sowie in biologischen Verfahren der Umwelttechnik zunehmend an Bedeutung.

Rainer Krull, Dietmar Hempel, Thomas Wucherpfennig

Thermischer Apparatebau und Industrieöfen

Frontmatter

29. Industrieöfen

Müssen gasförmige, flüssige oder feste Medien erwärmt oder unter Wärmezufuhr einer stofflichen Umwandlung unterzogen werden, so werden hierzu spezielle auf den Prozess abgestimmte Apparate und Anlagen benötigt. Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal besteht darin, ob die Wärme dezentral erzeugt werden kann oder ob die Wärmeerzeugung mit dem Behandlungsprozess gekoppelt werden muss. Dies hängt vom Temperaturniveau und der thermischen Beständigkeit des Apparatematerials ab. Bei Temperaturen etwa unterhalb 600 ℃ können Wärmeträgermedien wie Dampf zur Wärmezufuhr verwendet werden, die in einem zentralen Kraftwerk erzeugt werden. Die verschiedenen Medien sind dann im Apparat durch Wände getrennt, die in der Regel aus Stahl oder anderen Metallen bestehen. In solchen Apparaten werden organische Stoffprozesse durchgeführt, die in Teil IV der Verfahrenstechnik behandelt werden. Bei Temperaturen oberhalb 600 ℃ können die Medien durch Wände auf Grund von deren begrenzten thermischen Festigkeiten nicht mehr getrennt werden. Die Wärmeerzeugung muss dann direkt mit dem Prozess gekoppelt werden. Diese thermischen Apparate werden als Industrieöfen bezeichnet. Sie werden zentral mit fossilen Brennstoffen oder elektrisch beheizt. In Industrieöfen finden typischerweise anorganische Stoffwandlungsprozesse statt, die in den meisten Fällen zu den Bereichen der Metallurgie und Mineralien gehören.

Eckehard Specht, Friedherz Becker

30. Drehrohröfen

Drehrohröfen werden zur thermischen Behandlung von granular und stückig anfallenden Materialien eingesetzt. Der Größenbereich der Materialien reicht von einigen µm bis hin zu einem Meter wie beispielsweise bei Abfällen. Zum Transport der Materialien werden diese einem leicht geneigten, sich drehendem Rohr zugeführt, worauf der Name gründet. Die Bewegung des Materials ist in Abb. 30.1 veranschaulicht. In Längsrichtung fällt die Betthöhe des Materials kontinuierlich wie bei einer fließenden Flüssigkeit ab. Durch die Abnahme der potentiellen Energie wird die Reibung überwunden. Die Drehung fördert das Fließen des Materials. An der Wand wird das Material angehoben, wobei es relativ zur Wandbewegung in Ruhe bleibt. Auf einer schmalen Schicht rutscht das Material dann wieder abwärts. Nur während dieses Abwärtsfließens wird das Material auf Grund der Neigung in Längsrichtung transportiert. Zwischen Hubregion und Gleitschicht findet ein Queraustausch des Materials statt, was die Durchmischung fördert.

Eckehard Specht, Friedherz Becker

31. Schacht-, Kupol- und Hochöfen

Schachtöfen dienen zur Kalzination von Kalkstein ( $$ \mathrm{CaCO}_3 \to\mathrm{CaO} + \mathrm{CO}_2$$ CaCO 3 → CaO + CO 2 ), Dolomit ( $$ {\mathrm{CaCO}_3 \cdot \mathrm{MgCO}_3 \to\mathrm{CaO} \cdot \mathrm{MgO} + 2\,\mathrm{CO}_2}$$ CaCO 3 ⋅ MgCO 3 → CaO ⋅ MgO + 2 CO 2 ) und Eisenkarbonat (Siderit) ( $$ {\mathrm{FeCO}_3 \to\mathrm{FeO} + \mathrm{CO}_2}$$ FeCO 3 → FeO + CO 2 ) sowie zur Sinterung von Schamotte. Kupolöfen dienen zum Schmelzen von Metallschrotten (Gusseisen, Kupfer, Zink, Blei) sowie Steinen zur Herstellung von Wollen. Hochöfen werden zur Reduktion von Eisenerzen ( $$ {\mathrm{FeO} + \mathrm{CO}\to\mathrm{Fe} + \mathrm{CO}_2}$$ FeO + CO → Fe + CO 2 ) eingesetzt.

Eckehard Specht, Friedherz Becker

32. Öfen für geformtes Gut

Bei Öfen für geformtes Gut unterscheidet man, ob das Gut lediglich erwärmt werden soll oder ob eine Wärmebehandlung durchzuführen ist. In diesem Fall muss das Gut auch wieder definiert abgekühlt werden. Nur erwärmt werden typischerweise metallische Güter wie Brammen, Knüppel, Stäbe, Rohre und Blöcke um diese anschließend zu walzen, pressen, schmieden oder ziehen. Hierzu werden Stoß‑, Hubbalken‑, Drehherd‑, Rollen‑, Herdwagen‐ und Tieföfen eingesetzt. Wärmebehandelt werden metallische Körper zum Härten, Nitrieren, Aufkohlen, Rekristallisieren nach Umformprozessen, usw. Keramische Körper werden stets wärmebehandelt. Diese werden entsprechend ihrer mineralogischen Zusammensetzung zunächst auf definierte Temperaturen erwärmt, um eine Sinterung durchzuführen. Durch die danach auch notwendige Abkühlung sind die Öfen sehr lang (tunnelförmig) oder bei Chargenöfen entsprechend die Behandlungszeiten. Typische Öfen für Wärmebehandlungsverfahren sind Tunnelwagen‑, Rollenherd‑, Herdwagen‑, Hauben‐ und Kammeröfen. Auf einige Öfen wird im Folgenden näher eingegangen.

Eckehard Specht, Friedherz Becker

33. Feuerfestmaterialien

Den überwiegenden materiellen Wert einer Ofenanlage stellen die unterschiedlichen dar. Das hauptsächliche Kriterium für einen langlebigen Einsatz dieser Materialien ist die Anwendungsgrenztemperatur. Man unterscheidet zwischen [1]: feuerbeständigen Produkten, d. h. mit dem Erweichungspunkt unter 1500 ℃ feuerfesten Materialien, d. h. mit dem Erweichungspunkt über 1500 ℃ hochfeuerfesten Erzeugnissen, d. h. mit dem Erweichungspunkt von mindestens 1800 ℃. Die Oxide von Silizium und Aluminium und ihre Verbindungen, die sog. Alumosilikate, bilden die Grundlage für Silika-, Schamotte- und tonerdereiche Steine. Die Abhängigkeit der Eigenschaften von der Zusammensetzung kann aus dem Zweistoffsystem SiO2-Al2O3 abgelesen werden (Abb. 33.1). Die Schmelzkurve weist bei ∼ 94,5 % SiO2‑Gehalt ein Eutektikum mit der Schmelztemperatur 1595 ℃ auf. Feuerfestmaterialien werden deshalb Zusammensetzungen rechts oder links von diesem niedrigsten Punkt aufweisen. Als einzige stabile Verbindung in diesem System tritt bei 78 % Al2O3 der Mullit auf, der sich bei ∼ 1840 ℃ in Korund und Schmelze zersetzt und der ein Hauptbestandteil von Schamottesteinen und tonerdereichen Erzeugnissen ist.

Eckehard Specht, Friedherz Becker

34. Wärmeübertrager

Wärmeübertrager sind Apparate, in denen ein Fluid erwärmt oder abgekühlt wird. In Industrieöfen ist ein Fluid ein fluidisierter granularer Feststoff wie bei Drehrohröfen oder ein transportiertes stückiges Gut. Das Heiz‐ oder Kühlmedium ist in der Regel ein anderes Fluid. Verdampft oder kondensiert ein Fluid dabei, ist der Wärmeübergangskoeffizient so hoch, dass die Wandtemperatur als annähernd konstant angesehen werden kann. Die Temperaturunterschiede im Querschnitt des Fluids können vernachlässigt werden. Dessen Temperatur ändert sich somit nur mit der Strömungslänge.

Lothar Mörl, Eckehard Specht

35. Konstruktionselemente von Apparaten und Rohrleitungen

Lothar Mörl, Horst Gelbe

36. Intensivkühlung heißer Metalle mit Flüssigkeiten

Metalle müssen während ihres Herstellungsweges bei den meisten Prozessen intensiv gekühlt werden. Bei kontinuierlichen Gießvorgängen muss der teilweise erstarrte Strang nach dem Austritt aus der Kokille zur vollständigen Erstarrung gekühlt werden. Zur Härtung werden die Werkstücke auf hohe Temperaturen erwärmt, wie beispielsweise 900 bis 1200 °C bei Stählen und 500 bis 600 °C bei Aluminiumlegierungen. Die Erwärmungstemperaturen von Legierungen aus Kupfer und anderer Metalle liegen dazwischen. Danach müssen die Werkstücke intensiv gekühlt werden, um die geforderten Materialeigenschaften einzustellen (vgl. Bd. 1, Abschn. 29.4).

Eckehard Specht

Backmatter

Kälte-, Klima- und Heizungstechnik

Frontmatter

37. Kältetechnik

Kältetechnische Anlagen wurden zunächst eingesetzt für Brauereien und Eisfabriken, Schlachthäuser, Fleisch- und Fisch-Gefrieranlagen, Malztennen‐ und Hopfenlagerkühlung, Molkereien, Marktkühlhallen, Margarinefabriken, Schokoladenherstellung, Champagnerbereitung, Gummifabriken, Leim- und Gelatinekühlung, Farbstoffherstellung, Glaubersalzkristallisation, Leichenkühlung, Transportkühlung auf Schiene, Straße und auf See, Kühlhäuser aller Art, gewerbliche Kühlräume, Paraffin- und Ölindustrie, Kunsteisbahnen, Schachtabteufen, klimatechnische Anlagen.Weitere Bedarfsfälle mit zum Teil erhöhten Anforderungen an die Regelgenauigkeit kamen hinzu in der chemischen und pharmazeutischen Industrie, der Medizin, bei der Luft- und Drucklufttrocknung, bei der Speiseeisherstellung, bei der Werkzeugkühlung und bei Kältekammern für Industrie und Forschung sowie für die Vielzahl der Kühlmöbel.Zu der Lebensmittelkühlkette zählen u. a. Kühl- und Tiefkühlräume aller Art, Schnellgefrieranlagen, Transportkühlanlagen in Schiffen, Waggons, Kraftfahrzeugen, Flugzeugen und Containern, Kühlmöbel aller Art für Haushalt, Handel und Gewerbe.Die Kühl- und Lagerbedingungen reichen von $$-40\,^\circ\text{C}$$ - 40 ∘ C bei sehr starker Luftbewegung im Schnellgefrierraum (Frosterräume) bis zu $$+18\,^\circ\text{C}$$ + 18 ∘ C bei Reifungs- und Verarbeitungsräumen.

Christian Hainbach

38. Klimatechnik

Sylvia Schädlich

39. Systeme und Bauteile der Heizungstechnik

Einzelheizgeräte haben zur Wärmeerzeugung entweder einen Feuerraum zur Verbrennung von festen Brennstoffen, Öl oder Gas (Öfen), oder elektrische Heizleiter. Wegen des veränderlichen Wärmebedarfs ist die Wärmeerzeugung bzw. die Heizleistung der Außenwitterung entsprechend zu regulieren. Je nach Konstruktion des Heizgeräts überwiegt die Wärmeabgabe durch Konvektion oder Strahlung. Der Strahlungsanteil macht eine freie Aufstellung im Raum erforderlich. Wegen der Verbrennungsabgabe ist der Anschluss an einen Schornstein oder eine Abgasleitung nötig, was meist zur Innenwandaufstellung zwingt, Abb. 39.1. Geräte, die an einen Wärmeträger angeschlossen sind und bei denen keine Wärmeerzeugung im Raum stattfindet, werden nicht zu den Einzelheizgeräten gerechnet.In größeren Räumen und Hallen treten anstelle der Öfen treten Luftheizgeräte, meist mit Öl‐ oder Gasfeuerung. Die Wärmeleistung der Großraumgeräte geht bis zu 1000 kW, wobei im Gerät eingebaute Ventilatoren die Luftumwälzung im Raum sicherstellen, Abb. 39.2. Bei Heizgeräten mit stark injizierenden Weitwurfdüsen wird die Luft bis auf 150 ℃ an der Düse erwärmt. Die Feuerung hat meist Gebläsebrenner, bei Gas auch atmosphärische Brenner. Anstelle eines großen Geräts werden zur besseren Wärmeverteilung und Regelung oft mehrere Geräte in Werkhallen längs der beiden Außenwände in Form von Wandheizgeräten angeordnet. Aus Gründen des Umweltschutzes werden heutzutage mehrere kleine Schornsteine auf einem Werksgelände nicht mehr zugelassen (TA-Luft).

Christian Hainbach

Biomedizinische Technik

Frontmatter

40. Einführung

Stephan Klein, Marc Kraft

41. Einteilung von Medizinprodukten

Die direkte Anwendung und Wirkung medizintechnischer Systeme am lebenden Objekt kann generell mittels verschiedener Charakteristika beschrieben werden, anhand derer auch eine Einteilung von Medizinprodukten möglich ist [1]. Zu den Einteilungskriterien gehören: die Invasivität der Informationserfassung bzw. des Eingriffs: invasiv (dringt durch Körperoberfläche oder über eine Körperöffnung ganz oder teilweise in den Körper ein), z. B. Herzschrittmacherimplantation, Messung des zentralvenösen Blutdrucks, tiefe Hirnstimulation, nichtinvasiv, z. B. Ultraschallbildgebung, Oberflächen‐EKG, nach dem Ort der Anwendung bzw. der Art des Verfahrens: in vivo (im/am lebenden Objekt), z. B. Operationsmikroskopie, in situ (in natürlicher Lage im Körper), z. B. Stent‐Implantation, ex vivo (außerhalb des Körpers, z. B. nach Entnahme), z. B. Spektroskopie am Tumor‐Schnellschnitt, in vitro (im Reagenzglas), z. B. Züchtung von Stammzellen, in silico (am Computer): z. B. Computersimulation der Erregungsbildung und ‐leitung am Herzen für die Ableitung eines Therapievorschlages, nach der Dauer der Anwendung: Vorübergehend (weniger als 60 min), z. B.: Operationsinstrumentarium, Kurzzeitig (bis zu 30 Tagen), z. B. Beatmung für die Dauer einer Woche, Langzeitig (mehr als 30 Tage), z. B. Herzschrittmacher, Ununterbrochen, z. B. künstliche Herzklappe (günstigenfalls lebenslang) [1].

Stephan Klein, Marc Kraft

42. Ausgewählte Beispiele wichtiger medizintechnischer Geräte

Medizinische Bildgebung ist die Kombination technischer und algorithmischer Verfahren zur Gewinnung orts‐ und evtl. zeitverteilter morphologischer oder physiologischer Größen, deren Kenntnis der Erhaltung oder Wiederherstellung der Gesundheit dient.

Stephan Klein, Marc Kraft, Henrik Botterweck, Jürgen Manigel, Martin Ryschka, Harald Hanke, Peter Schouwink, Jochim Koch

43. Entwicklung und Marktzugang von Medizinprodukten

Der gesamte Produktlebenszyklus eines Medizinprodukts von der Entwicklungsinitiierung bis zur Abkündigung vom Markt wird wegen der spezifischen regulatorischen Anforderungen in verschiedene Phasen strukturiert und muss sehr weitgehend dokumentiert werden. Die weltweite Zulassung von Medizinprodukten ist jedoch nicht einheitlich geregelt.Innerhalb der EU erfordert das Inverkehrbringen auf dem Unionsmarkt – hierunter wird die erstmalige Bereitstellung eines Produkts, mit Ausnahme von Produkten für Leistungsstudien verstanden [1, Artikel 2] – vom Hersteller die erfolgreiche Durchführung eines sog. Konformitätsbewertungsverfahrens. Der Hersteller weist dadurch die Konformität seines Produktes mit den einschlägigen Regularien nach, eine explizite Zulassung durch eine Behörde findet in der EU nicht statt.

Stephan Klein, Marc Kraft, Folker Spitzenberger

44. Aufbereitung

Wiederverwendbare Medizinprodukte, die bestimmungsgemäß keimarm oder steril zur Anwendung kommen, müssen vor der erneuten Anwendung aufbereitet werden. Diese Aufbereitung umfasst die Reinigung, die Desinfektion und die Sterilisation einschließlich der damit zusammenhängenden Arbeitsschritte sowie die Prüfung und Wiederherstellung der technisch-funktionellen Sicherheit [1]. Umsetzungshinweise zur Aufbereitung von Medizinprodukten finden sich in der gemeinsamen Empfehlung der Kommission für Krankenhaushygiene und Infektionsprävention beim Robert Koch‐Institut und des Bundesinstituts für Arzneimittel und Medizinprodukte [2].

Marc Kraft

45. Telemedizin

Die rasante Entwicklung der Informations‑ und Kommunikationstechnologien ist auch in der Medizin ein Technologietreiber und wird im Trend der Computerisierung und Vernetzung der Medizintechnik deutlich [1]. Der Stellenwert der medizinischen Informationserfassung, ‑verarbeitung, ‑sicherung und ‑präsentation sowie des Informationsaustausches in komplexen medizintechnischen Systemlösungen steigt ständig. Die Telemedizin ist eine spezifische Nutzungsform der Informations‑ und Kommunikationstechnologien in der Medizin und wird dem Bereich eHealth (electronic Health) zugeordnet. Sie dient der Überbrückung einer räumlichen Distanz zwecks diagnostischer oder therapeutischer Interaktion zwischen Ärzten oder zwischen Patienten und Ärzten [2].

Marc Kraft

46. Physiologische Regelkreise

Physiologisch geschlossene Regelkreise bilden eine spezielle Klasse von Medizinprodukten (PCLC Physiological Closed‐Loop Controlled Medical Devices), bei denen der menschliche Körper einen wesentlichen Teil des Systems darstellt [1]. PCLCs unterstützen oder ersetzen dabei in der Regel Aufgaben des menschlichen Körpers zur Aufrechterhaltung des inneren Milieus (z. B. pH‐Wert, Körperkerntemperatur, Hormongehalt etc.) welches ein Überleben der Zellen im menschlichen Körper sicherstellt.In einem gesunden menschlichen Körper hält der Prozess der Homöostase diese Körperfunktionen aufrecht. Trotz schwankender Versorgung sowie sich verändernder äußerer und innerer Rahmenbedingungen sorgen zahlreiche sich gegenseitig beeinflussende Regelkreise im menschlichen Körper dafür, dass die wesentlichen physiologischen Größen in engen Grenzen gehalten werden. Die Struktur dieser homöostatischen Regelkreise ähnelt dem Aufbau eines klassischen Regelkreises. Die zu regelnde Größe wird über einen Rezeptor erfasst und entweder „leitungsgebunden“ über Nervenbahnen oder „kabellos“ über Hormone an den Regler übertragen. Der dort ermittelte Stelleingriff kann anschließend von einem Stellglied umgesetzt werden. Dieses besteht je nach Regelkreis z. B. aus einem Muskel (Atmung) oder einem hormonproduzierenden Organ wie der Schilddrüse, der Bauchspeicheldrüse oder der Nebenniere [2].

Philipp Rostalski

Backmatter

Energietechnik und -wirtschaft

Frontmatter

47. Grundsätze der Energieversorgung

Um eine nachhaltige Energiewirtschaft zu schaffen, sollten Energiepolitik und Wirtschaft darauf ausgerichtet sein, Verbrennungsprozesse einzuschränken, Solar‑ und Windenergie verstärkt einzusetzen und die erforderliche Energie so rationell wie möglich zu nutzen. Tab. 47.1 zeigt den Primärenergieverbrauch in Deutschland aus dem Jahr 2018. In den Industrieländern ist der Energieverbrauch seit 1980 zwar rückläufig, jedoch in den restlichen Ländern steigt er weiter an. Der Einsatz der verschiedenen Primärenergien zeigt Abb. 47.1. Dabei ist anzumerken, dass neben den SI-Einheiten weltweit im Energiebereich noch länder- oder sektorspezifische Einheiten verwendet werden. Als Beispiel ist in Abb. 47.1 der Weltenergieverbrauch in der in Deutschland gebrauchten Einheit t SKE angegeben.Die EU verpflichtete sich freiwillig, ihre CO2‐Emissionen bis zum Jahr 2000 auf dem Niveau von 1990 zu stabilisieren. Dieses Ziel hat sie zum gegenwärtigen Zeitpunkt erreicht.Im Rahmen des Kyoto‐Protokolls von 1997 einigten sich die 15 Länder, aus denen die EU damals bestand, darauf, bis 2012 ihre gesamten Treibhausgasemissionen um 8 % unter das Niveau von 1990 zu reduzieren. Dieses Gesamtziel wurde für jeden Mitgliedstaat – je nach dessen Fähigkeit, die Emissionen einzudämmen – in ein konkretes, rechtsverbindliches Ziel umgesetzt (s. Tab. 47.2).

Hermann-Josef Wagner, Hendrik Hasenclever, Kathrin Hoffmann

48. Primärenergien

Die in den Brennstoffen als chemische Energie gespeicherte Sonnenenergie wird durch Oxidation der brennbaren Bestandteile Kohlenstoff, Wasserstoff und andere Elemente wieder in Wärme umgesetzt. Als Oxidationsmittel dient meist Luft, mitunter auch mit Sauerstoff angereichert, seltener reiner Sauerstoff. Verbrennungsvorgang s. Bd. 1, Abschn. 44.1. Einen Vergleich auf der Basis Steinkohleneinheiten (SKE), Joule und kcal zeigt Tab. 48.7.

Hermann-Josef Wagner, Christian Bratfisch, Hendrik Hasenclever, Kathrin Hoffmann

49. Wandlung von Primärenergie in Nutzenergie

Zur Gewinnung der Nutzenergie, die entweder als Strom, Wärme oder mechanische Energie abgesetzt wird, sind traditionell Verbrennungsprozesse unter Einsatz von Primärenergie wie Kohle, Öl, Gas und Kernenergie erforderlich. Dabei ist die vielseitigste verwendbare Nutzenergie der Strom. Der Umwandlungswirkungsgrad, welcher derzeit bei der ungekoppelten Stromerzeugung mit bis zu 50 % zu veranschlagen ist, ist direkt mit dem CO2‐Ausstoß verbunden. Daher sind die zukünftigen Verbesserungen in der Kraftwerkstechnik für eine Erhöhung auf über 50 % anzustreben, was durch die Kombination eines Gas‑ mit einem Dampfkraftwerkes (GuD‐Kraftwerk) oder der gekoppelten Nutzung mit der entstehenden thermischen Wärme erreicht werden kann, der Kraft‐Wärme‐Kopplung (KWK). Der Verbesserung des Wirkungsgrades wirkt der notwendige, erhöhte Aufwand für die Rauchgasreinigung bis hin zur CO2‐Reduzierung entgegen. In den letzten Jahren hat die Bedeutung der erneuerbaren Energien am deutschen Energiemix durch die Energiewende deutlich zugenommen.

Hermann-Josef Wagner, Christian Bratfisch, Hendrik Hasenclever, Kathrin Hoffmann

50. Verteilen und Speicherung von Nutzenergie

Neben den leitungsgebundenen Energien von Erdgas, Strom und Fernwärme spielen die Primärenergietransporte von Kohle und Öl eine bedeutende Rolle. Für den Ausbau der Energietransportsysteme sind entscheidend die Lage heimischer Energievorkommen, die Importabhängigkeit und die dazu räumlich sich ergebenden Verbraucherschwerpunkte. Für den wirtschaftlichen Transport spielt die Entfernung die entscheidende Rolle.Flüssige und gasförmige Brennstoffe und Fernwärme werden in Stahlrohren bis zu 1420 mm Durchmesser bei einem Druck bis zu 75 bar transportiert [1]. Stahlrohre sind gegen Korrosionen zu schützen, da bei Erdverlegung Sauerstoff und Säuren im Boden vorhanden sind, die das Rohrmaterial angreifen. Beim Gastransport kann es auch auf der Innenseite zu Korrosionen durch ausfallende feuchte Stoffe kommen. Unzulässige Betriebszustände sollen durch Schnellauslösung selbsttätig zur Abschaltung der Anlage und Meldung an die Betriebszentrale führen. Alle elektrischen Anlageteile und Betriebsmittel sind „explosionsgeschützt“ zu installieren.Während die Kohle auf dem Wasser‑ und Schienenweg transportiert wird, erfolgt der Mineralöltransport vielfach in Komponentenpipelines von den Seehäfen zu den Raffinerien.Die Rohölversorgung der deutschen Raffinerien per Rohrleitung erfolgt zum größten Teil über deutsche Häfen sowie über Rotterdam, Antwerpen und über die Häfen Genua und Triest.

Hermann-Josef Wagner, Hendrik Hasenclever, Kathrin Hoffmann

51. Feuerungen

In der Feuerung eines Dampferzeugers wird die chemisch gebundene Energie des Brennstoffs (Kohle, Öl, Gas, Biomasse, Abfall u. a.) freigesetzt und in fühlbare Enthalpie (Energie) des Rauchgases überführt. Mit diesem heißen Rauchgas (tRG ca. 1000 bis 1200 °C) wird im nachgeschalteten Dampferzeuger Wasser verdampft. Dieser Dampf wird in die Dampfturbine geleitet, dort entspannt und abgekühlt. Dabei wird seine thermische Energie in mechanische Rotationsenergie des Turbinenläufers umgewandelt. An diesen Läufer ist der Generator angeflanscht. In ihm wird dann der Strom erzeugt. Der Dampf wird im nachgeschalteten Kondensator, der über den Kühlturm gekühlt wird, vollständig kondensiert und über die Speisepumpe wieder dem Dampferzeuger zugeführt. Damit ist der Wasser‐Dampf‐Kreislauf geschlossen. Das abgekühlte Rauchgas muss vor seiner Ableitung in die Atmosphäre über die Rauchgasreinigung gereinigt werden, da zum Schutz der Umwelt nur gewisse Emissionswerte zulässig sind. Abb. 51.1, linker Teil zeigt diesen Prozess sehr vereinfacht, im rechten Teil sind deutlich mehr Details dargestellt.

Klaus Görner

52. Dampferzeuger

Bei der ursprünglichen Bauart der Dampfkessel waren die Rauchgase von Wasser umgeben (Flammrohr‐Rauchrohrkessel (vgl. Abschn. 52.2.1)). Ihr Wasserinhalt ist zwangsläufig im Verhältnis zur Dampferzeugung groß, d. h. gleich oder größer als die stündlich erzeugte Dampfmenge (Großwasserraumkessel). Der große Wasserinhalt erhöht die Speicherwirkung bei Druckschwankungen, aber auch die Abkühlungsverluste bei Stillstand und die Anfahrzeit. Da sie für höhere Drücke ungeeignet waren, wurden die Wasserrohrkessel entwickelt, bei denen die Rauchgase die wassergefüllten Siederohre umgeben. Hier sind die Wasserinhalte kleiner als die stündliche Dampferzeugung. Zunächst wurden sie als Schrägrohrkessel mit geraden Rohren (zur besseren Reinigung) gebaut, später als Steilrohrkessel mit zwischen zwei Trommeln eingebauten Rohrbündeln, auch hier zunächst mit geraden Rohren, später mit gebogenen Rohrbündeln. Da hier noch ungekühlte Feuerräume vorgebaut wurden, erfolgte die Wärmeübertragung im Rohrbündel vor allem durch Rauchgasberührung. Je mehr jedoch der Feuerraum durch Siederohre gekühlt wurde, desto mehr wurde Wärme durch Strahlung übertragen (Strahlungskessel). Die Siederohre der Wasserrohrkessel werden von einem Wasser‐Dampf‐Gemisch gekühlt, das im Naturumlauf durchströmt (s. Abschn. 52.2.2). Zum Vermeiden dadurch gegebener Einschränkungen der Konstruktion wurden die Zwangumlaufkessel entwickelt, bei denen das Wasser mit einer Umwälzpumpe durch die Rohre gedrückt wird. Bei beiden Bauarten muss das Wasser‐Dampf‐Gemisch in einer Trommel getrennt werden. Diese mit steigendem Druck und höherer Leistung immer teurer werdende Trommel entfällt beim . Wegen des verringerten Wasserinhalts ist dieser Dampferzeuger schneller reaktionsfähig und im Aufbau einfacher. Grundform ist das beheizte , deshalb auch genannt, in das Wasser eingespeist wird und aus dem (überhitzter) Dampf austritt.

Gerd Oeljeklaus

Fahrzeugtechnik

Frontmatter

53. Kraftfahrzeugtechnik

Kraftfahrzeuge sind selbstfahrende, maschinell angetriebene Landfahrzeuge, die nicht an Gleise gebunden sind. Sie dienen dem Transport von Personen und Gütern und sind die Basis für eine weiträumige und feingliedrige Arbeitsteilung. Sie erlauben die vielfältig differenzierte Darstellung von Statusansprüchen und dienen auch dem Vergnügen. Eine fast unübersehbare Vielfalt von Varianten und speziellen Ausführungen ist entstanden.Die UN‐ECE (United Nation – Economic Commission for Europe) hat ein Gliederungsschema für Kfz festgelegt, das vor allem in der europäischen Gesetzgebung viel verwendet wird [1, 2]. Die wichtigsten Fahrzeugkategorien sind danach:Leichte Fahrzeuge [3]:Kfz mit mindestens vier Rädern für die Beförderung von Personen: Für Busse wird weiter danach unterschieden, ob stehende Passagiere erlaubt sind oder nicht.Kfz mit mindestens vier Rädern für den Transport von Gütern (Lkw):Die Kategorien O1 bis O4 beschreiben verschiedene Ausführungsformen von Anhängern.Außer Einzelfahrzeugen sind Gespanne aus Zugmaschine und einem Anhänger bzw. Sattelauflieger zugelassen (§ 32a StVZO Straßenverkehrs‐Zulassungs‐Ordnung).

Volker Schindler, Steffen Müller

54. Schienenfahrzeuge

Zwei gesellschaftliche Entwicklungen führen zu einer Renaissance des Schienenverkehrs.Dies ist zum einen die Verstädterung und zum anderen der Klimawandel.Bei beiden präsentiert der Schienenverkehr große Vorteile gegenüber den anderen Verkehrsträgern. Die sehr große Leistungsfähigkeit und Emissionsfreiheit vor Ort ermöglicht Bahnsysteme mit z. B. 70 000 Personen pro Stunde und Richtung mit 2000 Pers/Zug und 100 sec Zugfolgezeit, automatisch fahrerlos auf 4 m breitem Fahrweg als U‐Bahn in Megastädten. Zwischen den Stadtzentren ermöglich die Schiene mit bis 400 km/h schnellen Doppelstockzügen auf Strecken von 1000 km und mehr schnelleren Transport als mit dem Flugzeug.Die Herausforderung CO2‐freien Transport bei geringem Energieverbrauch können Bahnsysteme bereits heute voll erfüllen. Grüne Elektroenergie vermeidet CO2‐Emission auch global. Dies ist eine Chance für den Schienenverkehr generell, auch den Güterverkehr. Wegen der Spurführung lässt er sich leicht automatisieren und kann so die Ergebnisse der Digitalisierung integrieren.Die Struktur von Bahnsystemen ist stark von technisch betrieblichen Randbedingungen geprägt, Abb. 54.1. Dies gilt sowohl für Bahnsysteme, bei denen alle Systemelemente in einem Unternehmen vereinigt sind (klassische integrierte Bahnsysteme) als auch neue im Rahmen der Europäischen Union geforderte Randbedingungen mit Trennung von Netz und Betrieb [1].

Markus Hecht, Oldrich Polach, Ulrich Kleemann

55. Luftfahrzeuge

Sich frei und willkürlich durch den Luftraum zu bewegen, das ist seit jeher ein Menschheitstraum. Das Wort Flugzeug ist erst etwas mehr als ein Jahrhundert alt. Otto Lilienthal nannte als Erster seine Gleitflugapparate Flugzeug. 1891 führte er den ersten gesteuerten Menschenflug von einem aufgeschütteten Fliegeberg in Lichtenfelde bei Berlin durch.Nach der Definition der International Civil Aviation Organisation (ICAO) umfasst die Allgemeine Luftfahrt (General Aviation) alle Zweige, die nicht zum Linienverkehr, zum planmäßigen Gelegenheitsverkehr (Charter) oder zur Militärluftfahrt gehören [1].Mit einem statistischen Mittel der letzten Jahre von fast 90 % des Flugzeugbestandes hat die Allgemeine Luftfahrt weltweit zahlenmäßig den größten Anteil an der zivilen Luftfahrt.Dazugehörende Bereiche sind der Reiseflugverkehr mit Privatflugzeugen, der Geschäftsreiseverkehr, Einsätze in Land- und Forstwirtschaft, die Sportluftfahrt, Versorgungs‑ und Rettungsflüge sowie die Regierungsflüge.Weltweit gibt es rund 400 000 Flugzeuge der Allgemeinen Luftfahrt und über 1,2 Millionen Piloten mit zivilen Motorfluglizenzen. Ihnen stehen etwa 36 000 Flugplätze zur Verfügung.Zu Beginn der Verkehrsluftfahrt steht nicht das Flugzeug sondern das Luftschiff. 1909 wird die DELAG, die Deutsche Luftschiffahrts‐Aktiengesellschaft, als erste Luftverkehrsgesellschaft der Welt, gegründet. Die DELAG betrieb bis Kriegsbeginn 1914 sieben Luftschiffe.

Rudolf Voit-Nitschmann, Thomas Keilig

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