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About this book

Die Technische Thermodynamik ist die tragende Säule der Klimaneutralität, weil auf ihren Hauptgebieten, Energieumwandlung und Energieübertragung in technischen Systemen, die Energieformen Wärme und Arbeit, ihr Austausch und die Verbrennung sowohl klassischer als auch recyclebarer Energieträger analysiert, berechnet und optimiert werden.

Das Hauptanliegen dieses Lehrbuches ist, Studenten und Entwicklungsingenieuren in den Bereichen Maschinen- und Kraftfahrzeugbau geeignete Werkzeuge und phänomenologische Methoden zu verschaffen die sie in die Lage versetzen, umweltfreundliche technische Systeme und Prozesse zu gestalten.

Die Formeln werden stets vom physikalischen Vorgang bis zur Endform abgeleitet, Formelbrüche und Koeffizienten ohne Zusammenhang mit der Ableitung werden streng vermieden – damit wird das logische Denken angeregt und gefördert.

In jedem Kapitel werden gelöste Übungen, aber auch Fragen und Aufgaben mit Antworten und Lösungen am Kapitelende angeboten.

Das Buch enthält, für alle dargestellten Prozesse und Systeme zahlreiche konkrete Beispiele mit Farbbildern von entsprechenden Anlagen: Motoren- und Turbolader Schnitte, Klimaanlagen, Kraftwerke, Brennräume mit Flammenvisualisierung, zahlreiche Maschinenbaukomponenten.

Ein Kapitel wird der modernen, dreidimensionalen Prozesssimulation in Maschinen- und Fahrzeugmodulen gewidmet.

Der Autor

Prof. Dr.-Ing. habil. Prof. E. h. Dr. h. c. mult. Cornel Stan lehrt Technische Thermodynamik, Verbrennungsmotoren und Alternative Antriebssysteme an den Universitäten Paris (F), Pisa (I), Perugia (I), Berkeley (USA) sowie an der Westsächsischen Hochschule Zwickau (D), an der er auch als Vorstandsvorsitzender des dortigen Forschungs- und Transferzentrums wirkt. Die Forschungsgebiete von Professor Stan, der Luftfahrttechnik studierte, die Promotion auf dem Gebiet der Verbrennungsmotoren und die Habilitation in der Kraftfahrzeugtechnik erlangte, umfassen die Kraftfahrzeug-Antriebssysteme, die Direkteinspritzverfahren, die Simulation thermodynamischer Vorgänge, die Verbrennungsprozesse, die alternativen Kraftstoffe und das Energiemanagement im Kraftfahrzeug. Er ist Autor oder Mitautor zahlreicher Bücher, Artikel und Patente.

Prof. Stan ist Doctor Honoris Causa der Universität Transilvania von Kronstadt, Rumänien und Fellow of the Society of Automotive Engineers - SAE International.

Table of Contents

Frontmatter

Kapitel 1. Grundlagen der Technischen Thermodynamik

Zusammenfassung
Die Technische Thermodynamik hat sich im letzten Jahrhundert zu einer eigenständigen Wissenschaft entwickelt, deren Hauptgebiete.
Cornel Stan

Kapitel 2. Energiebilanz: Der erste Hauptsatz der Thermodynamik

Zusammenfassung
Der 1.Hauptsatz der Thermodynamik (1.HS) entspricht dem aus der Physik bzw. der Mechanik bekannten Satz der Erhaltung und Umwandlung der Energie. Er wird in der Thermodynamik für die Systeme angewandt, die mit der Umgebung Wärme und Arbeit austauschen.
Cornel Stan

Kapitel 3. Arbeitsmedien: Gase und Gasgemische

Zusammenfassung
Die Arbeitsmedien, die zur Durchführung oder Steuerung von Prozessen in Kraftfahrzeugmodulen eingesetzt werden, sind zum überwiegenden Teil Fluide. Sie können in folgenden Phasen auftreten.
Cornel Stan

Kapitel 4. Energieumwandlung: Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik

Zusammenfassung
Der erste Hauptsatz der Thermodynamik (1. HS) führt zu der Erkenntnis, dass beim Ablauf einer beliebigen Zustandsänderung innerhalb eines energetisch dichten Systems dessen gesamte Energie unverändert bleibt.
Cornel Stan

Kapitel 5. Prozesse in thermischen Maschinen

Zusammenfassung
In Wärmekraftmaschinen werden rechtslaufende Kreisprozesse realisiert, um – wie im Kapitel 4.6.1 erläutert – zugeführte Wärme in Arbeit umzuwandeln. Dabei wird eine maximale Umwandlung angestrebt, was durch den thermischen Wirkungsgrad – gemäß Gl. (4.3) – ausgedrückt wird. Wie im Zweiten Hauptsatz der Thermodynamik formuliert, resultiert die Kreisprozessarbeit aus der Differenz zwischen der zugeführten und der abgeführten Wärme, die für die Rückkehr des Arbeitsmediums in den ursprünglichen Zustand als Vorraussetzung eines zyklischen Vorgangs unumgänglich ist.
Cornel Stan

Kapitel 6. Arbeitsmedien: Dämpfe und Gas-Dampf-Gemische

Zusammenfassung
Wie im Kap. 3.1 erwähnt, werden zur Durchführung oder Steuerung von Prozessen in Kraftfahrzeugmodulen überwiegend Fluide eingesetzt, die in einer oder mehreren Phasen auftreten können. Für eine übersichtliche Betrachtung von Energieumwandlungsprozessen und Zustandsänderungen wurden in den bisherigen Kapiteln zunächst nur Arbeitsmedien mit einer einzigen Phase – als Gas – einbezogen. Ein Energieaustausch bzw. eine Zustandsänderung in einem solchen Arbeitsmedium erfolgt gleichmäßig in seinem ganzen Volumen (Isotrop).
Cornel Stan

Kapitel 7. Verbrennung

Zusammenfassung
Die Wärmezufuhr in Brennräume von Wärmekraftmaschinen für stationäre oder mobile Anwendungen und in Feuerungsanlagen allgemein erfolgt als Umwandlung der chemischen Energie eines zugeführten Brennstoffs in Wärme infolge einer chemischen Reaktion mit Sauerstoff aus der angesaugten Luft. Bild 7.1 zeigt beispielhaft einen solchen Vorgang – als Zustandsänderung BC – innerhalb eines idealen Ottokreisprozesses in einem Kolbenmotor. Die Änderung der spezifischen Kreisprozessarbeit wK entsprechend der angeforderten Last erfolgt bei Verbrennungsmotoren grundsätzlich durch die Variation der zugeführten Brennstoffmenge und somit der zugeführten Wärme (Zustandsänderung BC` statt BC).
Cornel Stan

Kapitel 8. Wärmeübertragung

Zusammenfassung
Eine Grundeigenschaft der Materie ist ihre Fähigkeit, wärmedurchlässig zu sein. Jedes materielle System ist im Sinne des Energieaustausches ein Träger von Wärmeübertragungen: einerseits gehört zu den Haupterscheinungsformen der Materie neben Masse auch Energie, andererseits ist die Wärme eine Form der Energie. Eine Wärmeübertragung erfolgt grundsätzlich, wenn ein Temperaturunterschied vorhanden ist, und zwar von höherer zu niedrigerer Temperatur, entsprechend jedem natürlichen Ausgleichsprozess.
Cornel Stan

Kapitel 9. Messung thermodynamischer Größen

Zusammenfassung
Die thermodynamischen Messgrößen in der Technik sind nach den Untersuchungszielen und -methoden sowie nach Art des entwickelten Moduls einteilbar.
Cornel Stan

Kapitel 10. Grundlagen und Beispiele der Prozesssimulation

Zusammenfassung
Die Gestaltung, Optimierung und Anpassung thermodynamischer Prozesse in technischen Systemen, so zum Beispiel im Kraftfahrzeug, für alle gegebenen Fahrzustände und Umgebungsbedingungen betreffen insbesondere die folgenden Funktionsmodule (Bild 10.1).
Cornel Stan

Kapitel 11. Klimaschutz durch Thermodynamik

Zusammenfassung
Die Vermeidung der Erderwärmung, die im Wesentlichen von Treibhausgasen in der Atmosphäre verursacht wird, ist zu einem existentiellen Problem der Menschen geworden.
Cornel Stan

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