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2012 | Buch

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Entropie für Ingenieure

Erfolgreich das Entropie-Konzept bei energietechnischen Fragestellungen anwenden

verfasst von: Heinz Herwig, Tammo Wenterodt

Verlag: Vieweg+Teubner Verlag

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik"

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Über dieses Buch

Für die Realisierung von energietechnischen Prozessen ist der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik entscheidend. Er macht Aussagen über die Wertigkeit von Energie bzw. über die Energieentwertung in energietechnischen Prozessen. Je mehr man darauf angewiesen ist, Energie effektiv zu nutzen, umso mehr müssen solche Überlegungen in den Entwurf, die Planung und die Optimierung energietechnischer Anlagen einbezogen werden. Genau hier setzt das vorliegende Fachbuch an, das anhand von vielen Beispielen den physikalischen Hintergrund erklärt, den Ursachen von Verlusten auf den Grund geht und Möglichkeiten zur Bewertung und zur Verbesserung von Prozessen aufzeigt.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Themenbegrenzung

Zusammenfassung

Entropie für Ingenieure: dahinter verbirgt sich der Versuch bzw. die Hoffnung, dass Ingenieure - gewöhnt an pragmatisches Denken und Handeln - davon überzeugt werden können, auch die Entropie bei der Lösung technischer Probleme zu berücksichtigen. Dies kann nur gelingen, wenn praktische Gesichtspunkte im Vordergrund stehen und allzu abstrakte Ausführungen unterbleiben. Trotzdem verbleibt ein hoher Anspruch an die Bereitschaft und die Fähigkeit des Lesers bestehen, sich auf neue und vergleichsweise abstrakte Herangehensweisen an ein Problem einzulassen.

Heinz Herwig, Tammo Wenterodt

2. Annäherung an einen Begriff: Was ist Entropie?

Zusammenfassung

Was liegt näher, als im vorliegenden Zusammenhang zu fragen „Was ist Entropie?“ Ingenieure sind es gewöhnt, solcherart direkte und vermeintlich zielführende Fragen zu stellen. Sie erwarten dann Antworten der Art „Entropie ist …“. Wenn nun dieses … ein bestimmter Begriff oder einfacher Sachverhalt wäre, so würde „Entropie“ nur ein anderes Wort für einen bereits bekannten und klar umrissenen Sachverhalt sein. Dies ist aber nicht der Fall, weil sich hinter dem Begriff Entropie vielmehr ein physikalisches Konzept mit sehr vielen Facetten verbirgt, das nicht in einen anderen Begriff „übersetzt“, sondern nur in seiner Breite und Bedeutung in den unterschiedlichsten physikalischen Situationen erklärt werden kann. Diese Erklärung, bzw. die Aufnahme dessen, was im Zusammenhang mit der Entropie vermittelt werden kann und muss, ist ein Prozess, genauer ein Lernprozess.

Heinz Herwig, Tammo Wenterodt

3. Mathematische Beschreibung

Zusammenfassung

In diesem Kapitel soll gezeigt werden, wie die Beziehungen für die Entropieproduktion aufgrund von Dissipation mechanischer Energie und von Wärmeleitung als Differentialausdrücke in einem Strömungs- und Temperaturfeld entstehen. Diese Gleichungen (3.15) und (3.16) sind von zentraler Bedeutung. Zusätzlich wird gezeigt, welche Rolle die Dissipation mechanischer Energie in der Energiebilanz (1. Hauptsatz der Thermodynamik) spielt. Zuvor soll aber erläutert werden, unter welchen Voraussetzungen solche Bilanzen aufgestellt und angewandt werden können.

Heinz Herwig, Tammo Wenterodt

Entropie und konzeptionelle Überlegungen

Frontmatter

4. Verluste in technischen Prozessen allgemein

Zusammenfassung

Technische Prozesse verlaufen stets „verlustbehaftet“. In diesem Zusammenhang geht es generell darum, zu klären

worin genau die Verluste bestehen
wie sie quantitativ erfasst werden können
durch welche Maßnahmen sie ggf. verringert werden können.

Heinz Herwig, Tammo Wenterodt

5. Verluste in Strömungsprozessen

Zusammenfassung

Wie im vorigen Kapitel ausgeführt, handelt es sich bei Strömungsverlusten um Exergieverluste. In Strömungsprozessen entstehen diese durch die Dissipation mechanischer Energie unter Berücksichtigung des jeweiligen Temperaturniveaus.

Heinz Herwig, Tammo Wenterodt

6. Verluste bei der Wärmeübertragung

Zusammenfassung

Exergieverluste in Wärmeübertragungsprozessen entstehen aufgrund von Wärmeleitung in Richtung abnehmender Temperatur. In diesem Zusammenhang wird hier nur die zugehörige Entropieproduktion im Temperaturfeld betrachtet. Handelt es sich um einen konvektiven Wärmeübergang in einem Strömungsfeld, so tritt zusätzlich noch Entropieproduktion durch Dissipation auf. Grundsätzliche Überlegungen dazu sind bereits im vorherigen Abschnitt angestellt worden. Sie werden deshalb hier nicht erneut aufgegriffen.

Heinz Herwig, Tammo Wenterodt

Entropie und die Bestimmung von Verlusten

Frontmatter

7. Bestimmung von Verlusten in Strömungsprozessen

Zusammenfassung

In Kapitel 5 war bereits beschrieben worden, dass Verluste in Strömungsprozessen als Exergieverluste in Folge der Dissipation von mechanischer Energie auftreten. Bei diesem Dissipationsprozess wird Entropie erzeugt, Exergie vernichtet und damit die Energie entwertet. Aus energetischer Sicht handelt es sich bei diesem Dissipationsprozess um einen internen Umverteilungsprozess zwischen mechanischer und innerer Energie, der die Gesamtenergie zunächst unverändert lässt, s. dazu die Ausführungen nach Gleichung (3.23). Erst wenn ein System die neu entstandene innere Energie in Form von Wärme (u.U. nur teilweise) an die Umgebung abführt, kommt es zu einer Reduktion der Energie im System. Solange keine Energie aus dem System abgeführt wird, verändert also ein Dissipationsprozess nur die Energiequantität (’Entwertung) aber nicht die Energiequantität.

Heinz Herwig, Tammo Wenterodt

8. Bestimmung von Verlusten bei der Wärmeübertragung

Zusammenfassung

In Kap. 6 war beschrieben worden, dass Exergieverluste bei der Wärmeleitung stets dann auftreten, wenn dabei lokal ein Wärmestrom in Richtung abnehmender Temperatur auftritt. Die zur Bestimmung dieser Exergieverluste entscheidende lokale Entropieproduktionsrate gemäß Gl. (3.15) bzw. (6.3) soll hier noch einmal aufgeführt werden.

Heinz Herwig, Tammo Wenterodt

Entropie und die Bewertung und Optimierung von Prozessen

Frontmatter

9. Bewertung von komplexen Gesamtprozessen

Zusammenfassung

Im Eingangskapitel zur Themenbegrenzung (Kap. 1) war eine Beschränkung auf energietechnische Prozesse bzw. Strömungsprozesse mit Energieumsatz vorgenommen worden. In solchen Gesamtprozessen wird stets ein „energetischer Nutzen“ und ein „energetischer Aufwand“ zu identifizieren sein. Beide Größen können dann anschließend im Sinne eines Wirkungsgrades oder eines Nutzungsgrades ins Verhältnis gesetzt werden. Dieses Verhältnis kann prinzipiell für die Bewertung von energietechnischen Prozessen herangezogen werden, wobei generell davon auszugehen ist, dass ein möglichst großer Wert dieses Verhältnisses angestrebt wird.

Heinz Herwig, Tammo Wenterodt

10. Bewertung von Einzelprozessen

Zusammenfassung

In energietechnischen Prozessen treten vielfach konvektive Wärmeübergänge auf, wie z.B. im Kessel und im Kondensator einer Dampfkraftanlage. In diesem Zusammenhang möchte man einerseits einen guten Wärmeübergang im Sinne einer hohen Nußelt-Zahl realisieren, um die Übertragungsflächen möglichst klein zu halten, andererseits soll die Entropieproduktion im System aber auch so gering wie möglich sein, weil jedwede Vernichtung von Exergie eine Reduktion des Wirkungsgrades der Gesamtanlage zur Folge hat. Dies ist eine durchaus anspruchsvolle Aufgabe, weil mit Maßnahmen zur Verbesserung des Wärmeübergangs in der Regel auch eine Erhöhung der Strömungsverluste verbunden ist.

Heinz Herwig, Tammo Wenterodt

11. Optimierung von Prozessen

Zusammenfassung

An mehreren Stellen in den bisherigen Ausführungen war bereits der Begriff der Optimierung verwendet worden, um zunächst noch unsystematisch eine jeweils „beste Situation“ ins Auge fassen zu können. Dies soll jetzt präzisiert werden, indem der Begriff der Prozessoptimierung definiert wird.

Heinz Herwig, Tammo Wenterodt

Backmatter

Titel: Entropie für Ingenieure
verfasst von: Heinz Herwig
Tammo Wenterodt
Verlag: Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN: 978-3-8348-8628-6
Print ISBN: 978-3-8348-1714-3
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-8348-8628-6

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