Dynamik Realer Gase: Grundlagen, Berechnungen Und Daten Für Thermogasdynamik, Strömungsmechanik Und Gastechnik

ISBN-13: 9783642648229 / Niemiecki / Miękka / 2011 / 842 str.

Dieter Rist

Opis

Dieses Werk uber die Dynamik und Thermodynamik industrieller Gase ist wegen seiner Vollstandigkeit und Genauigkeit eine einzigartige Informationsquelle fur Ingenieure in der Gasindustrie, der Triebwerks- und Turbinentechnik, dem Rohrleitungs -und Behalterbau, der chemischen Industrie und verwandter Felder."

Spis treści

1. Einleitung.- 2. Thermodynamische Eigenschaften der Realgase.- 2.1 Gegeniiberstellung Idealgas, halbideales Gas, Realgas.- 2.2 Ideale Gaskonstante, Normgaskonstante und Normdichte.- 2.3 Kritische Zustandsgr often, reduzierte Zustandsgroßen und Korrespondenzprinzip.- 2.4 Realgasfaktor Z und Kompressibilitatszahl K.- 2.5 Gradienten des Realgasfaktors und der Kompressibilitatszahl.- 2.6 Spezifische Warmekapazitaten cp und cu , Isentropenexponent K.- 2.7 Weitere thermodynamischen Gaseigenschaften.- Dynamische und kinematische Viskositat.- Warmeleitfahigkeit.- Taupunktlinie.- Eigenschaften einiger technisch wichtiger Gase.- 3. Thermodynamische Grundlagen.- 3.1 Zustandsgrößien und Zustandsgleichung.- 3.2 Enthalpie- und Entropieänderungen.- 3.3 Beziehungen des Isentropenexponenten und der spezifischen Warmekapazitaten von Realgasen.- 3.4 Polytrope und isentrope Druck-, Temperatur- und Dichteänderungen.- 3.5 Polytropenexponent n.- 3.6 Joule-Thomson-Effekt.- 3.7 Druckwellen- und Schallgeschwindigkeit.- 4. Bewegungsgleichungen der stationären und instationären Strömung.- 4.1 Allgemeine eindimensionale Fluid-Bewegung.- 4.2 Erhaltungssätze (Bewegungsgleichungen).- 4.2.1 Massen-Erhaltungssatz (Kontinuitätsgleichung).- 4.2.2 Impuls-Erhaltungssatz (Impulssatz).- a Druckkräfte.- b Widerstandskräfte.- c Gravitationskraft.- d Innere Formänderungskrafte.- 4.2.3 Energie-Erhaltungssatz (Energiesatz).- A Sekundliche innere Energie.- B Volumenänderungs-Leistung durch die Druckkräfte.- C Dissipationsleistungen.- D Innerer Wärmestrom.- E Äußerer Wärmestrom.- F Mechanische Leistungen.- G Andere Leistungen.- 4.3 Bedeutung der Machzahl.- 4.4 Untersuchung möglicherVereinfachungenderBewegungsgleichungen.- 4.4.1 Schlüsselgleichungen.- 4.4.2 Gradienten der thermogasdynamischen Größen.- a Instationäre Beschleunigung.- b Stationäre Beschleunigung durch Dichteminderung infolge Reibungswirkung (Fanno-Linie).- c Gradienten der Gaseigenschaften.- 4.4.3 Einflufß der Wärmeleitung im Fluid (Gas).- 4.4.4 Einfluß der inneren Reibung im Fluid (Gas).- 4.4.5 Einfluß der äußeren Wärmeübertragung.- a) Frei verlegte Rohrleitung mit freier Luftkonvektion.- b) Frei verlegte Rohrleitung bei stärkerem Wind.- c) Im Erdboden verlegte Rohrleitung.- d) Relativer Einfluß der äußeren Wärmeübertragung.- 4.4.6 Einflufß der Schwerkraft.- 4.5 Vereinfachte Erhaltungssätze (Bewegungsgleichungen).- 5. Totalzustand und statischer Zustand einer Strömung.- 5.1 Instationäre Strömung (Instationäre Expansion).- Beispiel: Plötzliche Gasexpansion bei einem Rohrleitungsbruch.- 5.2 Stationäre Strömung.- 5.2.1 Kompressible stationäre Strömung.- Beispiel: Unterschall-Rohrströmung eines Idealgases.- Beispiel: Über- und Unterschallflug von Flugzeugen.- 5.2.2 Inkompressible stationäre Strömung.- 6. Vollständiges System der Strömungs-Grundgleichungen.- 6.1 Strömungsgroßen und Gleichungssystem.- 6.2 Vereinfachungen des Gleichungssystems.- a) Konstante Querschnittsfläche.- b) Adiabate Strömung.- c) Isotherme Strömung.- d) Vernachlässigung der Stromungsneigung.- e) Vernachlässigung der Gasbeschleunigung.- 6.3 Vereinfachung der mathematischen Darstellung der Gaseigenschaften.- 6.4 Korrekturen für Realgaseffekte.- 6.5 Realgaseffekte bei hohen Geschwindigkeiten.- 7. Stationäre Düsenströmung und Durchsatzbegrenzung.- 7.1 Verlustbehaftete Düsenströmung von Idealgas.- 7.1.1 Korrekturfaktoren für Idealgasströmung.- 7.1.2 Expansionsabhängigkeit des Idealgas-Durchsatzes.- 7.1.3 Kritischer Strömungszustand von Idealgas.- 7.1.4 Düsen-Flächenverhältnis für Idealgas.- 7.1.5 Beziehung der Verlustkoeffizienten.- 7.2 Verlustbehaftete Düsenströmung von Realgas.- 7.2.1 Totaltemperatur- und Totaldruckverhaltnis.- 7.2.2 Korrekturfaktoren für Realgasströmung.- 7.2.3 Expansionsabhängigkeit des Realgas-Durchsatzes.- 7.2.4 Kritischer Strömungszustand von Realgas.- 7.2.5 Düsen-Flächenverhältnis für Realgas.- 7.3 Numerische Simulation kompressibler Düsenströmungen.- 8. Stationäre Gasströmung im Rohr.- 8.1 Verlustbehaftete inkompressible Rohrstromung.- 8.2 Verlustbehaftete kompressible Rohrstromung.- 8.2.1 Stationäre Realgas-Rohrströmung.- 8.2.2 Stationäre Idealgas-Rohrströmung.- 8.3 Gasströmung aus großen Hochdruck-Kesseln mit langer Austritts-Rohrleitung.- 8.3.1 Bemerkungen zur Idealisierung der Berechnungsmodelle.- 8.3.2 Blowout aus Erdgassonden.- 9. Gasdynamische Stöße der Rohrströmung.- 9.1 Plötzliche Rohrerweiterung: Borda-Carnot-Stoß.- 9.1.1 Borda-Carnot-Stoß im Idealgas.- 9.1.2 Borda-Carnot-Stoß im Realgas.- 9.1.3 Borda-Carnot-Stoß der inkompressiblen Stromung.- 9.2 Überschall-Unterschall-Sprung: Geradstoß.- 9.2.1 Geradstoß im Idealgas.- 9.2.2 Geradstoß im Realgas.- 9.3 Meßergebnisse zu Stoßen in stationarer Realgasströmung.- 9.4 Stöße instationärer Strömungsvorgänge.- 9.4.1 Allgemeines zu Druckstößen und -wellen.- 9.4.2 Theorie relativ kleiner Druckstöße und -wellen.- 9.4.3 Messungen relativ kleiner Druckstöße und -wellen.- 10. Nichtgleichgewichts- und Zweiphasenströmungen.- 10.1 Thermodynamische Grundlagen.- 10.1.1 Oberer Temperaturbereich.- 10.1.2 Unterer Temperaturbereich.- 10.1.3 Thermodynamischer Zustand.- 10.1.4 Thermodynamische Wirkungen der Reaktionswärmen.- 10.2 Berechnungsgrundlagen von Zweiphasenströmungen.- 10.2.1 Gleichgewichtsströmung und eingefrorene Strömung.- 10.2.2 Strömungsformen.- 10.2.3 Schlupf zwischen den Phasen.- 10.2.4 Widerstand und Druckverlust in Zweiphasenstromungen.- 10.2.5 Schallgeschwindigkeit bei Gasreaktion und Phasenumwandlung.- 10.3 Transportgleichungen stationärer Zweiphasenströmungen.- 10.3.1 Gleichungen der Molmassen- und Zustandsänderungen.- 10.3.2 Kontinuitätssatz.- 10.3.3 Impulssatz.- 10.3.4 Energiesatz.- 10.3.5 Gleichungen der Schallgeschwindigkeits- und Machzahländerungen.- 10.3.6 Gekoppeltes Gleichungssystem zur Berechnung von Zweiphasenströmungen.- 10.4 Kanalströmungen mit Kondensation.- 10.4.1 Unterschallströmung und kritische Durchströmung.- 10.4.2 Überschallströmung.- 10.5 Laufende Forschung iiber Mehrphasenströmungen und Wärmeübertragung.- 11. Drall in Kanalströmungen.- 11.1 Dreidimensionaler Charakter von Drallströmungen.- 11.2 Zur Berechnung von Drallströmungen.- 11.3 Verluste in Drallströmungen.- 11.4 Drallströmungen in Rohren mit abrupten Querschnittsänderungen.- 12. Instationäre Expansion von Gasen in Kesseln und Rohren.- 12.1 Entleerung von gasgefüllten Kesseln.- 12.1.1 Entleerung eines adiabaten Kessels bei hohem Innendruck.- 12.1.2 Entleerung eines adiabaten Kessels mit Unterschallgeschwindigkeit.- 12.1.3 Isotherme Entleerung eines Kessels bei hohem Innendruck.- 12.1.4 Isotherme Entleerung eines Kessels mit Unterschallgeschwindigkeit.- 12.1.5 Versuchsergebnisse.- 12.2 Instationäre Entleerung von gasgefüllten Rohren.- 12.2.1 Schnelle Rohröffnung.- 12.2.2 Start der instationären Rohrströmung.- 12.2.3 Charakteristikenverfahren für die instationäre, verlustlose Idealgas-Expansion.- 12.2.4 Charakteristikenverfahren für die instationäre, verlustbehaftete Realgas-Expansion.- Numerische Berechnung der instationären Expansion.- Ergänzende Bemerkungen.- 12.2.5 Rohrströmung mit kombinierter instationär-stationärer Expansion.- Numerische Berechnung und Beispiele.- 12.2.6 Der Ludwieg’sche Rohrwindkanal.- 12.2.7 Numerische Integrationsverfahren für instationäre Rohrströmungen.- DSDT-Integrationsverfahren.- Instationäres Verhalten schneller Gas-Rohrstroömungen.- Instationäres Verhalten langsamer Gas-Rohrströmungen.- 12.2.8 Versuchsergebnisse.- 13. Lecks in Gasrohren und Rohrleitungssystemen.- 13.1 Leckentstehung.- 13.2 Auswirkungen der relativen Leckgröße.- 13.3 Berechnung der Auswirkungen eines Leeks in Rohrleitungssystemen.- 13.3.1 Berechnungssystem und EDV-Programme.- Systemgeometrie und Verkniipfungsbedingungen.- Massenkontinuität am Systemknoten.- Statischer Druck am Systemknoten.- Zustandsänderungen in den Einzelrohren.- Gasarten und Gasmischung.- Zusammenflufi verschiedener Gasarten.- Hintereinanderfluß verschiedener Gasarten.- Rohrrauhigkeiten und Reibungsbeiwerte.- Leckarten.- Anfangsbedingungen.- EDV-Programme.- 13.3.2 Berechnungsbeispiele.- 13.4 Änderungen des Durchsatzes und dynamischen Drucks in Rohrleitungssystemen infolge von Leeks.- 13.4.1 Auswirkungen großer und kleiner Leeks.- 13.4.2 Messungen des dynamischen Drucks in einem Rohrleitungssystem.- 13.4.3 Vergleich von Meß- und Berechnungsergebnissen.- 13.4.4 Meßtechnische Grenzen.- 13.5 Absenkung des statischen Drucks in Rohrleitungssystemen infolge von Leeks.- 13.5.1 Messungen des statischen Drucks in einem Rohrleitungssystem.- 13.5.2 Vergleich von Meß- und Berechnungsergebnissen.- 13.5.3 Auswirkungen kleiner Leeks.- 13.6 Gefährdung, Überwachungs- und Sicherheitseinrichtungen an Gashochdruckleitungen.- 13.6.1 Gefährdung durch Rohrleitungslecks.- Brände.- Vergiftungen.- 13.6.2 Überwachungs- und Sicherheitseinrichtungen.- 14. Dynamisch beaufschlagte Systeme.- 14.1 Technische Beispiele.- 14.1.1 Druckmeßleitungen.- 14.1.2 Kundt’sches Rohr.- 14.1.3 Ansaug- und Auspuffrohr von Kolbenmaschinen.- 14.1.4 Einspritzsysteme.- 14.2 Nicht-lineare Theorie der allgemeinen Fluidbewegung.- 14.2.1 Dynamik der Gase.- 14.2.2 Dynamik der Flüssigkeiten und Flüssigkeits-Dampf- Gemische (Kavitation).- 14.2.3 Numerische Berechnungen.- 14.3 Lineare Theorie der allgemeinen Fluidbewegung.- 14.3.1 Reibungsfrei schwingendes axialsymmetrisches System.- 14.3.2 Reibungsbehaftetes eindimensionales System.- 14.4 Vergleich von Meß- und Berechnungsergebnissen.- 15. Erdkrater durch Leitungsbrüche.- 15.1 Kraterformen und -großen.- 15.2 Meßergebnisse und empirische Formeln.- 16. Hochdruck-Freistrahlen.- 16.1 Räumliche Entwicklung von Hochdruck-Freistrahlen.- 16.1.1 Geschwindigkeitsbereiche.- 16.1.2 Wechselwirkung mit der Umgebung.- 16.2 Überschall-Freistrahlen (Unterexpandierte Freistrahlen).- 16.2.1 Expansion einer Überschallströmung.- 16.2.2 Struktur der Überschall-Freistrahlen.- 16.2.3 Verdichtungsstöße in Überschall-Freistrahlen.- 16.2.4 Charakteristikenverfahren für Überschall-Freistrahlen.- Thermogasdynamische Gleichungen.- Gasdynamisches Gleichungssystem.- Potentialgleichung.- Stromfunktionsgleichung.- Charakteristikengleichungen.- Historisches zur Charakteristikenmethode.- Berechnung eines unterexpandierten ebenen Freistrahls.- 16.2.5 Konfiguration von Überschall-Freistrahlen.- 16.2.6 Numerische Stromungsmechanik für Überschall-Freistrahlen.- 16.2.7 Tieftemperaturen und Kondensation in Überschall-Freistrahlen.- 16.3 Freistrahlbereiche und Ausblasebedingungen.- 16.3.1 Freistrahlbereiche.- 16.3.2 Düsenkonfiguration und Abströmbedingungen.- 16.4 Freistrahlen aus kreisrunden Längsdüsen.- 16.4.1 Hochdruck-Freistrahlen.- 16.4.2 Niederdruck-Freistrahlen.- 16.5 Freistrahlen aus kreisrunden Querdüsen.- 16.5.1 Freie Abströmung von Hochdruckstrahlen.- 16.5.2 Hochdruckstrahlen in Wandnähe.- 16.6 Freistrahlen aus Schlitzdüsen.- 16.6.1 Hochdruck-Freistrahlen.- 16.6.2 Ebene Niederdruck-Freistrahlen.- 16.7 Umkehr-Freistrahlen.- 16.7.1 Umkehr-Freistrahlen aus kreisrunden Diisen.- 16.7.2 Umkehr-Freistrahlen aus schlitzformigen Diisen.- 16.8 Freistrahlen und Umgebung aus ungleichen Stoffen bzw. mit ungleichen Temperaturen.- 16.8.1 Querverteilungen und örtliche Durchschnittswerte von Strahlgroßen.- Strahlgeschwindigkeit.- Strahltemperatur (thermische Strahlen).- Stoffkonzentration.- Molmasse.- Dichte.- 16.8.2 Entwicklung der Strahlgrößen in axialer Richtung.- Strahlgeschwindigkeit und -massenstrom.- Strahltemperatur (thermische Strahlen).- Stoffkonzentration.- Molmasse und Dichte.- 16.9 Diffusionsflammen.- 16.10 Fernfeld von Freistrahlen.- 16.10.1 Nahfeld und Fernfeld.- 16.10.2 Strahlimmanente, meteorologische und topographische Einflüsse.- Auftrieb.- Abtrieb, Strahlkulmination, Ziindgrenzen.- Meteorologische und topographische Einflüsse.- Ausbreitungsklassen.- 16.10.3 Berechnung von Abgasfahnen und Meßergebnisse.- Berechnungs- und Meßergebnisse.- 16.10.4 Industrielle und kommerzielle CFD-Software.- Beispiele (10 CFD-Codes).- Bemerkungen.- 17. Kontraktions-, Verlust-, und Durchflußkoeffizienten von Innenströmungen.- 17.1 Literatur mit Datensammlungen.- 17.2 Strömungskontraktion und Durchflußkoeffizienten.- 17.2.1 Phänomenologisches, Definitionen, Normen.- Kompressible Strömung.- Inkompressible Strömung.- Normen.- 17.2.2 Theoretische Arbeiten und Ergebnisse.- Inkompressible Strömung.- Kompressible Strömung.- 17.2.3 Konvergierende axiale Strömungen.- Scharfkantige Öffnungen (Blenden).- Öffnungen mit abgerundetem Einlauf (Düsen).- Realer Massendurchsatz.- 17.2.4 Abströmung aus seitlichen Öffnungen.- 17.2.5 Realgas-Effekte.- 17.2.6 Effekte transienter Strömungen.- 17.3 Verlustkoeffizienten.- 17.3.1 Einflußgrößen und Ähnlichkeiten.- 17.3.2 Reibungswiderstand (Reibungskoeffizient ?R).- Widerstandsgesetze.- 17.3.3 Reibungs- und Formwiderstand.- Düsen und andere Abströmorgane (Geschwindigkeitskoeffizient ?).- Diffusoren (Verlustkoeffizient (?D).- Gekrümmte Rohre und Krümmer (Verlustkoeffizienten ?Kr und ?Kr).- 17.3.4 Formwiderstand.- Plötzliche Erweiterungen und Drosselorgane (Verlustkoeffizienten ?E und ?).- Rohrverengungen (Verlustkoeffizient (?K).- Armaturen (Absperr- und Regelorgane).- Stromungsverzweigungen (Verlustkoeffizienten ?ij).- 18. Literatur und Quellen.- Namenverzeichnis.- Symbolverzeichnis.

O autorze

Der Industriefachmann benötigt viel detaillierteres, aktuelleres und praxisbezogeneres Wissen über das tatsächliche Verhalten von Gasen mit realen Eigenschaften als dies üblicherweise im Studium oder in Lehrbüchern über Gasdynamik vermittelt werden kann. Dieses Werk über die Dynamik und Thermodynamik industrieller Gase ist wegen seiner Vollständigkeit und Genauigkeit eine einzigartige Informationsquelle für Ingenieure in der Gasindustrie, der Triebwerks und Turbinentechnik, dem Rohrleitungs- und Behälterbau, der chemischen Industrie und verwandter Felder. Für Ingenieure im Gasfach, in der Triebwerks- und Turbinentechnik, im Anlagenbau, in der chemischen Industrie und in der Verfahrenstechnik