Основы термодинамики и теплотехники. Теоретические основы теплотехники - рус

ТЕПЛОТЕХНИКА

Учебное пособие

САМАРА 2012

Теплотехника : Метод, указания / Самар. гос. аэрокосм, ун-т; Сост. В.Н. Белозерцев, А.П. Толстоногов. Самара, 2012. 40 с.

Изложены основные вопросы для самостоятельной работы по программе курсов по термодинамике, теплопередаче, изложены методические аспекты рассмотренных тем, контрольные вопросы, материалы для курсовой работы, для самостоятельного изучения, методика выполнения контрольных работ.

Методические указания рекомендуются для студентов, обучающихся по специальности 160301.65 «Авиационные двигатели и энергетические установки», а также направлений подготовки в рамках Федерального государственного образовательного стандарта третьего поколения - 160700.65 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей», 141100.62 «Энергетическое машиностроение», 151900.62 "Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств", 151000.62 "Технологические машины и оборудование", 162300.62 «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей», 190700.62 «Технология транспортных процессов».

Печатаются по решению редакционно-издательского совета Самар­ского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П.Королева

Рецензент: д.т.н. проф. В.Н. Матвеев

1. Теоретические основы теплотехники.......................................................................... 5

2. Теория теплообмена................................................................................................... 10

3. Источники энергии и теплоэнергетическое оборудование авиапредприятий.......... 13

4. Контрольная работа для всех специализаций............................................................ 20

Задание № 1 по курсу теплообмена................................................................................. 21

Задание № 2 Курсовая по термодинамике..................................................................... 22

Список основной литературы......................................................................................... 36

Список дополнительной литературы.............................................................................. 36

Список использованных источников............................................................................. 36

Приложения..................................................................................................................... 37

Специалисту, организатору воздушных перевозок авиапредприя­тия, часто приходится решать проблемы, связанные с требованиями и условиями хранения, перевозки и даже эксплуатации объектов авиатранспор­тирования.

Это могут быть крупные изделия, их блоки, тепловые двигатели, теплоэнергетические установки и системы различного назначения, ком­плексы пневматических и гидравлических систем различных технических устройств.

Одной из многочисленных задач служб воздушных перевозок мо­жет быть обеспечение требуемых условий наземного хранения объектов перевозок перед отправкой адресату. В этом случае специалисту потребу­ются знания систем теплофикации сооружений, холодильных и нагрева­тельных установок, систем кондиционирования. Могут возникнуть, нако­нец, вопросы выбора топлива, применения нетрадиционных источников энергии и энергосбережения.

Цель курса "Теплотехника" - дать выпускникам знания, умения и навыки, достаточные для понимания реализуемых процессов и особенно­стей работы энергетических систем, устройств, агрегатов; систематизиро­вать и довести эти знания до инженерного уровня. Курс, имея общеэнерге­тическую направленность, позволит будущим специалистам проводить энергосберегающую политику на предприятии.

Программа курса состоит из трех разделов, включающих в себя 12 тем. Наряду с теоретическими вопросами в ней представлен большой набор вопросов для самопроверки, а также содержатся методические указания по изучению предмета и выполнению контрольных работ, которые предъяв­ляются на лабораторно-экзаменационной сессии в университете для защи­ты. Для самостоятельного выполнения контрольной работы студенту не­обходимо использовать рекомендуемую основную и дополнительную ли­тературу и материалы, имеющиеся на авиапредприятии по месту работы студента.

По каждой теме всех разделов даются рекомендации для самостоя­тельного изучения, указан материал, которому следует уделить особое внимание, и приведены контрольные вопросы для самостоятельной про­верки качества усвоения темы. Особое внимание в содержании курса уде­ляется раскрытию физической сущности рассматриваемых явлений, увязке их с особенностями надежности и экономичности при их использовании.

В период сессии студенты слушают обзорные лекции по основным вопросам курса, выполняют и защищают лабораторные работы, контроль­ную работу, предлагаемую в конце методических указаний, и затем сдают экзамены или зачет.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

Цели и задачи курса. Краткий обзор энергетических установок и энергетических систем авиапредприятия. Источники энергии.

Тема 1. Основные понятия технической термодинамики

Техническая термодинамика и ее основные понятия: рабочее тело, термодинамическая система и процесс. Параметры состояния. Законы иде­альных газов. Объединенный закон Бойля-Мариотта и Гей-Люссака. Урав­нение состояния идеального газа. Теплота, работа, внутренняя энергия, теплоемкость. Первое начало термодинамики. Энтальпия. Р-V -диаграмма и ее свойства. Обратимые и необратимые процессы. Политропные процессы. Частные случаи политропных процессов: изохорный, изобарный, изотер­мический, адиабатный. Графический анализ политропных процессов. Вто­рое начало термодинамики. Понятие о круговых термодинамических про­цессах - циклах. Прямые и обратные циклы. Коэффициенты преобразова­ния энергии в циклах: термический КПД, холодильный коэффициент, ото­пительный коэффициент. Цикл Карно. Теорема Карно. Интеграл Клаузиуса для обратимых и необратимых процессов. Энтропия. T-S - диаграмма и ее свойства. Термодинамическое тождество. Эксергия, ее виды и составляю­щие. Эксергия вещества в замкнутом объеме. Теорема Гюи-Стодолы. Эк­сергия вещества в потоке. Анергия. Эксергетический КПД технических систем. Коэффициенты преобразования и эксергетический КПД.

Материал этой темы содержит необходимый комплекс понятий, на базе которых излагаются последующие темы.

Необходимо четко представить, что взаимопревращения одних форм энергии (теплоты, внутренней энергии, работы) термодинамической системы (ТДС) в другие сопровождаются изменением ее параметров со­стояния. Непрерывное изменение параметров состояния ТДС называют термодинамическим процессом. Изучение процессов следует начать с политропного процесса как обобщающего все процессы, а затем его частных случаев. Теплота и работа служат мерой количества переданной энергии. Количественное соотношение во взаимных превращениях и преобразова­ниях одних форм энергии в другие устанавливает первое начало термоди­намики, а условия, при которых эти преобразования возможны, - второе начало. Кроме того, второе начало устанавливает необходимые условия для реализации циклов периодически действующих тепловых машин. Реко­мендуется написать уравнение первого начала термодинамики для всех частных случаев политропных процессов. При рассмотрении цикла Карно выясните, почему он является идеальным для цикла любого двигателя и холодильной машины. На примере свойств энтропии и термодинамическо­го тождества продемонстрируйте направление прохождения термодинами­ческих процессов.

Студент должен уяснить, что эксергия это свойство термодинами­ческой системы или потока энергии, определяемое количеством работы, которое может быть получено внешним приемником энергии при обрати­мом его взаимодействии с окружающей средой до установления полного равновесия. Однако студент должен понимать, что работа - конечный и необходимый результат действия теплосиловых установок. Для современ­ных условий цели технических систем преобразования вещества и энергии чрезвычайно разнообразны и кроме получения работы состоят в преобра­зовании и получении вещества, теплоты, холода, излучения нужных пара­метров и т.д. Поэтому термин "Эксергия" следует понимать как энергия, не характеризуемая энтропией. Работа, представляющая собой такую энергию в переходе, используется как мера этой энергии, но не как конечная цель энергетических превращений.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Что понимается под термодинамической системой и термодинамиче­ским процессом?

2. Как определить абсолютное давление рабочего тела, если известны показания барометра и манометра (барометра и вакуумметра)?

3. Напишите размерности термодинамических параметров и калориче­ских величин, встречающихся в этом разделе.

4. Перечислите функции состояния, упомянутые в этом разделе. Сфор­мулируйте их свойства.

5. Дайте определение идеального газа.

6. Какой процесс называется политропным? Перечислите основные при­знаки политропного процесса.

7. Перечислите частные случаи политропных процессов. Изобразите их в
P-V- и T-S- координатах.

8. Может ли теплоемкость быть отрицательной в политропном процессе с подводом теплоты? Пояснить.

9. Каков физический смысл газовой постоянной?

10. Запишите первое начало термодинамики для изотермического про­цесса.

11. Какие термодинамические процессы наиболее выгодны с точки зре­ния получения максимальной работы процесса?

12. Перечислите характерные свойства P-V- и T-S- диаграммы. Приведите примеры.

13. Дайте определение круговых процессов-циклов. Опишите внешние признаки прямых и обратных циклов. Какие коэффициенты применя­ются для оценки их эффективности?

14. Напишите выражение термического КПД цикла Карно.

15. С помощью T-S- диаграммы докажите, что цикл Карно, реализован­ный при одинаковых максимальной и минимальной температурах лю­бого реального цикла, имеет большее значение термического КПД.

16. С помощью второго начала термодинамики докажите, что изотерма и адиабата могут пересечься только в одной точке.

17. Что такое эксергия, анергия? Может ли эксергия быть равной нулю?

18. Что такое эксергетический КПД?

19. Приведите примеры, каким образом можно использовать эксергетиче­ский баланс для оценки возможности осуществления того или иного термодинамического процесса.

Похожая информация.

March 8th, 2015 , 07:44 pm

До сего момента я касался темы теплотехники применительно к самостоятельному строительству только мимоходом, в контексте других тем. Об этом написаны кучи статей и книг, в том числе и в интернете, с морем формул и схем что, по-видимому, и отпугивает читателей. В результате у индивидуальных застройщиков в этой области самые нажористые заблуждения.
Итак, начнём сначала, с физики: любое твёрдое тело характеризуется двумя интересующими нас теплотехническими характеристиками: теплоёмкостью и теплопроводностью. Теплопроводность способность материала передавать тепловую энергию от более нагретой зоны в менее нагретую. Применительно к ограждающим конструкциям дома, для сохранения тепла, желательна как можно более низкая теплопроводность. Отдельный вопрос о толщине. Увеличение толщины ведёт к пропорциональному увеличению стоимости конструкции, но никак не к пропорциональному улучшению теплоизоляции. Существует некий оптимум толщины для каждого материала и каждой климатической зоны.

Теплоёмкость — способность материала поглощать (аккумулировать) и отдавать тепло при изменении температуры. Здесь всё не так однозначно, большая или малая теплоёмкость может быть и плюсом и минусом в зависимости от конкретных условий.

Резюмируем: материал с низкой теплопроводностью — теплоизолятор, материал с высокой теплоёмкостью — теплоаккумулятор.

Приведём пример: сравним деревянный и кирпичный дом с точки зрения теплотехники. Дерево имеет малую теплопроводность (т. е. является теплоизолятором) и малую теплоёмкость. Кирпич также является теплоизолятором, но имеет большую теплоёмкость, т. е. выступает ещё и как теплоаккумулятор. Деревянный дом хорошо держит тепло, но быстро выстывает, кирпичный держит тепло хорошо и долго. Если дом используется постоянно, то кирпичный комфортнее — дольше держит тепло, сглаживает колебания температуры при периодической топке печи. Если-же дом используется как дача — приехали в пятницу вечером в нетопленый дом и давай топить, то здесь большая теплоёмкость кирпичных стен сыграет в минус. Деревянный дом в этом случае имеет преимущество в скорости нагрева.

Отдельно стоит рассмотреть многослойные конструкции стен. Пример: бетонное здание нужно утеплить пенополистиролом или минераловатными плитами. Бетон сам по себе хороший теплоаккумулятор, но никудышный теплоизолятор. Если теплоизолирующий материал расположить снаружи, бетон будет играть роль теплоаккумулятора что выгодно для дома постоянного проживания. Если расположить теплоизолирующий материал внутри то бетонные стены не будут играть никакой роли в теплодинамике помещения — оно будет быстро нагреваться и быстро остывать.

Ещё пример: чтобы деревянный дом дольше держал тепло его можно оштукатурить изнутри.

Для многослойных конструкций существует немаловажная проблема пароизоляции и связанная с ней «точка росы». Грубо говоря, внутри строительных конструкций может конденсироваться влага. Не углубляясь в дебри, дело здесь в том что воздух внутри отапливаемых жилых помещений всегда более влажный чем снаружи. Поэтому пароизоляция должна располагаться по принципу ближе кнутри — плотнее, кнаружи — проницаемее.

Вкратце всё, точные определения, единицы измерения, формулы, значения параметров конкретных материалов и т.п есть в интернете.

В учебном пособии лаконично и последовательно изложены теоретические основы теплотехники (основы термодинамики, теории тепло- и массообмена и теории горения), составляющие необходимый и достаточный минимум для того, чтобы в дальнейшем специалист мог самостоятельно углублять знания в тех или иных областях прикладной теплотехники. Учебный материал изложен отдельными, сравнительно небольшими подразделами, структурированность и последовательность которых продиктована внутренней логикой названных наук. Для студентов, обучающихся по специальности «Энергообеспечение предприятий», а также для студентов других специальностей при изучении ими дисциплин теплотехнического профиля.

Основные термины термодинамики.
Окружающий мир материален, материя находится в непрерывном движении. Меру движения материи называют энергией. Наиболее распространенные формы движения материи - механическая и тепловая. В первом случае движение связано с перемещением в пространстве макрообъемов материи, во втором - с движением только на микроуровне (тепловое движение молекул). Изменения энергии в результате таких движений называют соответственно механической работой и теплотой.

Тело или группу макротел, энергетические свойства которых подлежат изучению, называют термодинамической системой. Все остальные тела, способные взаимодействовать с системой, составляют окружающую среду. Границу между системой и средой называют контрольной поверхностью. Если контрольная поверхность допускает обмен массой между системой и окружающей средой, систему называют открытой. если же такой обмен невозможен, систему называют закрытой. Закрытые системы проще и именно с них начинают изучение основ термодинамики.

Одну из аксиом термодинамики составляет ее нулевое правило: всякие изменения в системе возможны только в результате взаимодействия с окружающей средой, а любые случайные изменения в системе вызывают процесс, возвращающий ее в первоначальное состояние. Априорно принимая это положение, из объектов анализа исключают многие биологические системы, обладающие способностью самопроизвольных изменений, или отдельные химические реакции (см., например, материал в Интернете о колебательной реакции Белоусова - Жаботинского).

СОДЕРЖАНИЕ
ПРЕДИСЛОВИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
1.1.Общие понятия и законы термодинамики
1.1.1.Основные термины термодинамики
1.1.2.Первый закон термодинамики в общем виде
1.1.3.Термомеханическая система
1.1.4.Внутренняя энергия газа
1.1.5.Энтальпия, ее физический смысл
1.1.6.Другие характеристические функции. Эксергия
1.1.7.Равновесные и неравновесные процессы
1.1.8.Принцип возрастания энтропии. Второй закон термодинамики
1.1.9.Уравнение состоянии. Критерий устойчивости
1.1.10.Графический метод в термодинамике
1.1.11.Теплоемкости газов
1.1.12.Уравнение Майера и другие свойства идеального газа
1.1.13.Формулы для вычисления энтропии
1.2.Идеальные термодинамические процессы и циклы
1.2.1.Политропные процессы
1.2.2.Анализ политропных процессии
1.2.3.Общие понятия о циклах
1.2.4.Цикл и теорема Карно
1.2.5.Потери работоспособности. Коэффициент качества теплоты
1.3.Термодинамика реальных газов
1.3.1.Реальные газы
1.3.2.Термические коэффициенты и связь между ними
1.3.3.Состояния и свойства воды и водяного пара
1.3.4.Определение параметров воды и пара
1.3.5.Диаграмма h-s воды и пара
1.3.6.Уравнение Клапейрона- Клаузиуса
1.3.7.Расчет процессов с водой и паром
1.4.Термодинамика газового потока
1.4.1.Первый закон термодинамики для потока газа
1.4.2.Анализ адиабатных течений
1.4.3.Скорость истечения и расход газа
1.4 4. Скорость распространения колебаний давления в газе
1.4.5.Связь между скоростью импульса и скоростью звука
1.4.6.Связь между скоростью газа и скоростью звука
1.4.7.Влияние формы канала на скорость газа
1.4.8.Дифференциальный и интегральный дроссель-эффекты
1.5.Смеси и смешивание газов
1.5.1.Газовые смеси
1.5.2.Смешивание газов
1.5.3.Влажный воздух и процессы с ним
1.5.4.Смешивание потоков пара или потоков влажного воздуха
1.6.Основы химической термодинамики
1.6.1.Химический потенциал
1.6.2.Тепловой эффект химических реакций
1.6.3.Условия равновесия сложных систем
1.6.4.Фазовое равновесие, фазовая диаграмма р-Т
1.7.Циклы реальных машин и установок
1.7.1.Циклы идеальных компрессоров
1.7.2.Цикл реального компрессора
1.7.3.Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
1.7.4.Циклы газотурбинных установок
1.7.5.Циклы паросиловых установок
1.7.6.Повышение эффективности теплосиловых циклов
1.7.7.Цикл воздушной холодильной машины
1.7.8.Цикл парокомпрессорной холодильной машины
1.7.9.Абсорбционная холодильная установка
1.7.10.Термотрансформаторы
2. ТЕОРИЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА
2.1.Основные понятия и законы теории теплообмена
2.1.1.Классификация процессов теплообмена
2.1.2.Основные термины теории теплообмена
2.1.3.Основные законы теплообмена
2.2.Теплопроводность
2.2.1.Способность тел проводить теплоту
2.2.2.Дифференциальное уравнение теплопроводности
2.2.3.Условия однозначности в задачах теплопроводности
2.2.4.Стационарная теплопроводность плоской стенки при ГУ-1
2.2.5.Стационарная теплопроводность плоской стенки при ГУ-3
2.2.6.Стационарная теплопроводность плоских стенок при смешанных граничных условиях
2.2.7.Стационарная теплопроводность цилиндрической стенки при ГУ-1
2.2.8.Теплопередача через цилиндрическую стенку
2.2.9.Критический диаметр изоляции. Оптимальная изоляция
2.2.10.Теплопередача через ребристую стенку
2.2.11.Теплопроводность цилиндра при наличии внутренних источников теплоты
2.2.12.Численное решение задач стационарной теплопроводности
2.2.13.Процессы нестационарной теплопроводности
2.2.14.Общее решение дифференциального уравнения теплопроводности
2.2.15.Нестационарная теплопроводность неограниченной плоской стенки
2.2.16.Метод источников теплоты
2.2.17.Численное решение нестационарных задач теплопроводности
2.3.Конвективный теплообмен
2.3.1.Основные факторы, определяющие интенсивность конвекции
2.3.2.Понятие о гидродинамическом и тепловом пограничных слоях
2.3.3.Дифференциальное уравнение теплоотдачи и другие дифференциальные уравнения теплового пограничного слоя
2.3.4.Основы теории подобия
2.3.5.Теплоотдача при свободной конвекции
2.3.6.Теплоотдача при движении теплоносителя в трубах и каналах
2.3.7.Теплоотдача при поперечном обтекании труб и в трубных пучках
2.3.8.Теплоотдача при конденсации
2.3.9.Отдельные случаи конденсации
2.3.10.Теплоотдача при кипении
2.3.11.Отдельные случаи кипения
2.3.12.Изменение температурного напора вдоль поверхности теплообмена
2.3.13.Среднелогарифмический температурный напор
2.3.14.Тепловой расчет рекуперативных теплообменников
2.3.15.Пути и способы интенсификации процессов теплопередачи
2.4.Тепловое излучение
2.4.1.Общие понятия и определения
2.4.2.Основные законы теплового излучения
2.4.3.Лучистый теплообмен между параллельными стенками
2.4.4.Экраны
2.4.5.Лучистый теплообмен между телами произвольной формы
2.4.6.Угловые коэффициенты
2.4.7.Теплообмен в диатермических ободочках
2.4.8.Излучение и поглощение газов
2.4.9.Сложный теплообмен
2.5.Массообменные процессы
2.5.1.Основные понятия и законы
2.5.2.Диффузионный пограничный слой
2.5.3.Массопроводность, массоотдача, массопередача
2.5.4.Критериальные уравнения массоотдачи
2.5.5.Элементы теории сушки
2.5.6.Кинетика процесса сушки
2.5.7.Смесительные теплообменники
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗЛИЧНЫХ ВИДОВ ТОПЛИВА. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ И ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В ТОПКАХ
3.1.Топливо, его основные характеристики
3.2.Элементы теории трения
3.3.Технические расчеты горения
3.4.Топочные устройства
3.5.Особенности теплообмена в топках
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.