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Thermodynamik der Apparate und Maschinen

Modulbezeichnung: Thermodynamik der Apparate und Maschinen
Studiengang: Maschinenbau / Produktionstechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2021
Code: DBMAB-310
SWS/Lehrform: -
ECTS-Punkte: 5
Studienjahr: 3
Pflichtfach: ja
Arbeitssprache:
Deutsch
Prüfungsart:
• Benotete Modulklausur (Dauer 90 Min., 100 Pkt.)
  o Die Klausur wird im 5. Semester (Block 5A) gemäß Prüfungsplan geschrieben.

[letzte Änderung 06.09.2021]
Verwendbarkeit / Zuordnung zum Curriculum:
DBMAB-310 Maschinenbau / Produktionstechnik, Bachelor, ASPO 01.10.2021, 3. Semester, Pflichtfach
Arbeitsaufwand:
Der Gesamtaufwand des Moduls beträgt 150 Arbeitsstunden.
Empfohlene Voraussetzungen (Module):
Keine.
Sonstige Vorkenntnisse:
Formal: keine
Inhaltlich: Naturwissenschaftliche Grundlagen, Grundlagen der Thermodynamik

[letzte Änderung 06.09.2021]
Als Vorkenntnis empfohlen für Module:
Modulverantwortung:
Prof. Dr.-Ing. Jan Christoph Gaukler
Dozent: Prof. Dr.-Ing. Jan Christoph Gaukler

[letzte Änderung 11.06.2021]
Lernziele:
„Thermodynamik der Apparate und Maschinen“ ist ein interdisziplinäres Modul an der Schnittstelle zwischen Physik, Chemie, Energie-, Verfahrens- und Werkstofftechnik.
Die Studierenden verfügen über erweiterte Grundlagen der Thermodynamik (Hauptsätze, Entropie,
thermodynamische Hauptgleichungen, irreversible Prozesse, Wirkungsgrade, Exergie und Anergie
sowie reale Einstoffsysteme). Sie verstehen thermodynamische Phänomene, Konzepte und Zusammenhänge sowie das Betriebsverhalten und die Funktionsweise thermodynamischer Apparate und
Maschinen. Sie können Zustandsänderungen und reversible Kreisprozesse mit idealen Gasen und
Dämpfen berechnen, Energiebilanzen idealer Prozesse aufstellen und Maschinen, die auf Basis eines
Wärmekraftprozesses bzw. eines Kälte- bzw. Wärmepumpenprozesses arbeiten, beschreiben. Sie sind
in der Lage, thermodynamische Fragestellungen und ingenieurwissenschaftliche Probleme mittlerer
Komplexität unter Anwendung mathematischer Methoden selbstständig zu beantworten, indem sie z.B.
thermodynamische Prozesse bewerten bzw. optimieren.
Das Modulelement „Thermodynamik der Apparate und Maschinen“ dient der Erweiterung und der Stärkung der fachlichen Kompetenz „Wissen und Verstehen“ (Wissensverbreiterung) und der instrumentalen Kompetenz sowie dem Aufbau der systemischen Kompetenz, Probleme unter Berücksichtigung
naturwissenschaftlich-technischer, ethischer, gesellschaftlicher und ökologischer Sachverhalte zu betrachten und zu lösen.

[letzte Änderung 06.09.2021]
Inhalt:
• Funktionsweise thermodynamischer Apparate und Maschinen
  o Carnot-Prozess: Wärmekraftprozess, Kälte- bzw. Wärmepumpenprozess
  o Otto- und Dieselmotor: Funktionsweise, Indikatordiagramm, Seiliger-Prozess und seine Grenzfälle „Otto-Prozess
    (Gleichraumverbrennung)“ und „Diesel-Prozess (Gleichdruckverbrennung)“, Verdichtungsverhältnis,
    Einspritzverhältnis, Drucksteigerungsverhältnis, Wirkungsgrade, Mitteldruck, reale Prozesse
  o Stirlingmotor: Funktionsweise, Stirling-Prozess, Wirkungsgrad, Mitteldruck, realer Prozess, Bauformen,
    Merkmale, Anwendungen
  o Heißgasmotor: Funktionsweise, Ericson-Prozess, Wirkungsgrad, Mitteldruck
  o Offene und geschlossene Gasturbinenanlagen ohne / mit Wärmerückführung: Anlagenschema, Joule-Prozess,
    Wirkungsgrad, Mitteldruck, mehrstufige Gasturbinenprozesse mit angenähertem Ericson-Prozess, realer Prozess
  o Verdichter: Funktionsweise, Indikatordiagramm, Vergleichsprozess, Arbeit, Leistung, Wirkungsgrade,
    Schadraumanteil, Füllungsgrad, Liefergrad, Anwendungen, mehrstufige Verdichter
  o Gaskältemaschinen
 
• Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik – Vertiefung
  o Formulierungen und Folgesätze
  o Entropie: Definition, Hauptgleichungen der Thermodynamik, thermodynamische Beziehungen und ihre Anwendung
    (spezifische Wärmekapazität, Kompressibilität, Ausdehnungskoeffizient, Spannungskoeffizient,
    Drosselkoeffizienten, Bestimmung der Entropie von Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen und der
    Entropieänderung an Phasenübergängen))
  o Entropiezunahme bei irreversiblen Prozessen: Strömung mit Reibung, Drosselung, Vermischung, Wärmeübertragung
  o Wirkungsgrade von Turbinen und Verdichtern
  o Exergie und Anergie: Exergie geschlossener Systeme, Exergie offener, stationärer Systeme, Exergieverlust,
    exergetischer Wirkungsgrad, Exergie-Anergie-Flussbilder
  
• Einstoffsysteme
 o Grundlagen, Gibbs’sche Phasenregel
 o Zustandsgrößen im Zweiphasengebiet: Dampfgehalt, spezifisches Volumen, spezifische, innere Energie, Enthalpie
   und Entropie
 o T,v-Diagramm, p,v-Diagramm, p,T-Diagramm, Zustandsfläche im thermodynamischen Raum, T,s-Diagramm, h,s-Diagramm,
   log p,h-Diagramm
 o Reale Gase: Realgasfaktor, Virialgleichung, Van-der-Waals-Gleichung, Prinzip der übereinstimmenden Zustände,
   kalorische Zustandsgleichungen
 o Einfache Zustandsänderungen im Zweiphasengebiet
 o Clausius-Clayperon-Gleichung für den Phasenübergang „flüssig / gasförmig“
 o Kreisprozesse mit Dämpfen: Dampfkraftprozesse (Carnot- u. Clausius-Rankine Prozess), Kaltdampfprozesse
  (Carnot-, Kälte- und Wärmepumpenprozess)
 o Dreiphasengebiet: Zustandsdiagramme, Clausius-Clayperon-Gleichung für die Phasenübergänge „fest / flüssig“ und
  „fest / gasförmig“
 o Klassifizierung von Phasenübergängen nach Ehrenfest

[letzte Änderung 06.09.2021]
Weitere Lehrmethoden und Medien:
Vorlesungen: Vortrag (darbietend), Demonstration (darbietend), Frage- und Impulsunterricht (erarbeitend), Unterrichtsgespräch (erarbeitend) insb. zur ganzheitlichen Betrachtung einer Problemstellung
aus naturwissenschaftlich-technischer, ethischer, gesellschaftlicher und ökologischer Sichtweise, Bearbeitung konkreter Problemstellungen in Gruppenarbeit (erarbeitend)
Übungen: Bearbeitung konkreter Problemstellungen in Gruppenarbeit (erarbeitend)

[letzte Änderung 06.09.2021]
Sonstige Informationen:
Keine.

[letzte Änderung 06.09.2021]
Literatur:
• H.D. Baehr, St. Kabelac: Thermodynamik – Grundlagen und technische Anwendung (Springer)
• F. Bosnjakovic, K.F. Knoche: Technische Thermodynamik – Teil I (Springer)
• G. Cerbe, G. Wilhelms: Technische Thermodynamik – Theoretische Grundlagen und praktische
Anwendungen (Carl Hanser Verlag)
• D. Flottmann, D. Forst, H. Roßweg: Chemie für Ingenieure (Springer)
• J. Hoinkis, E. Lindner: Chemie für Ingenieure (Wiley-VCH)
• P. W. Atkins, J. de Paula: Physikalische Chemie (Wiley-VCH)

[letzte Änderung 06.09.2021]
[Wed Aug 10 10:21:39 CEST 2022, CKEY=atdaum, BKEY=aswmpt, CID=DBMAB-310, LANGUAGE=de, DATE=10.08.2022]