Основи термодинаміки та теплотехніки. Теоретичні основи теплотехніки - рус

ТЕПЛОТЕХНІКА

Навчальний посібник

САМАРА 2012

Теплотехніка: Метод, вказівки / Самар. держ. аерокосм, ун-т; Упоряд. В.М. Білозерцев, А.П. Толстоногов. Самара, 2012. 40 с.

Викладено основні питання для самостійної роботи за програмою курсів з термодинаміки, теплопередачі, викладено методичні аспекти розглянутих тем, контрольні питання, матеріали для курсової роботи, для самостійного вивчення, методику виконання контрольних робіт.

Методичні вказівки рекомендуються для студентів, що навчаються за спеціальністю 160301.65 «Авіаційні двигуни та енергетичні установки», а також напрямів підготовки в рамках Федерального державного освітнього стандарту третього покоління – 160700.65 «Проектування авіаційних та ракетних двигунів», 121100. технологічне забезпечення машинобудівних виробництв", 151000.62 "Технологічні машини та обладнання", 162300.62 "Технічна експлуатація літальних апаратів та двигунів", 190700.62 "Технологія транспортних процесів".

Друкуються за рішенням редакційно-видавничої ради Самарського державного аерокосмічного університету ім. академіка С.П.Корольова

Рецензент: д.т.н. проф. В.М. Матвєєв

1. Теоретичні основи теплотехніки............................................. ............................. 5

2. Теорія теплообміну .............................................. .................................................. ... 10

3. Джерела енергії та теплоенергетичне обладнання авіапідприємств.......... 13

4. Контрольна робота для всіх спеціалізацій........................................... ................. 20

Завдання № 1 за курсом теплообміну ............................................ ..................................... 21

Завдання № 2 Курсова з термодинаміки ............................................ ......................... 22

Список основної літератури............................................... .......................................... 36

Список додаткової літератури............................................... ............................... 36

Список використаних джерел............................................... .............................. 36

Програми................................................. .................................................. .................. 37

Фахівцю, організатору повітряних перевезень авіапідприємства часто доводиться вирішувати проблеми, пов'язані з вимогами та умовами зберігання, перевезення і навіть експлуатації об'єктів авіатранспортування.

Це можуть бути великі вироби, їх блоки, теплові двигуни, теплоенергетичні установки та системи різного призначення, комплекси пневматичних та гідравлічних систем різних технічних пристроїв.

Однією з численних завдань служб повітряних перевезень може бути забезпечення необхідних умов наземного зберігання об'єктів перевезень перед відправкою адресату. У цьому випадку спеціалісту знадобляться знання систем теплофікації споруд, холодильних та нагрівальних установок, систем кондиціювання. Можуть виникнути нарешті питання вибору палива, застосування нетрадиційних джерел енергії та енергозбереження.

Мета курсу "Теплотехніка" - дати випускникам знання, вміння та навички, достатні для розуміння реалізованих процесів та особливостей роботи енергетичних систем, пристроїв, агрегатів; систематизувати та довести ці знання до інженерного рівня. Курс, маючи загальноенергетичну спрямованість, дозволить майбутнім спеціалістам проводити енергозберігаючу політику на підприємстві.

Програма курсу складається з трьох розділів, що включають 12 тем. Поряд із теоретичними питаннями в ній представлений великий набір питань для самоперевірки, а також містяться методичні вказівки щодо вивчення предмета та виконання контрольних робіт, які пред'являються на лабораторно-екзаменаційній сесії в університеті для захисту. Для самостійного виконання контрольної роботи студенту необхідно використати рекомендовану основну та додаткову літературу та матеріали, що є на авіапідприємстві за місцем роботи студента.

По кожній темі всіх розділів надаються рекомендації для самостійного вивчення, зазначений матеріал, якому слід приділити особливу увагу, та наведено контрольні питання для самостійної перевірки якості засвоєння теми. Особлива увага у змісті курсу приділяється розкриттю фізичної сутності аналізованих явищ, ув'язування їх із особливостями надійності та економічності за її використанні.

У період сесії студенти слухають оглядові лекції з основних питань курсу, виконують та захищають лабораторні роботи, контрольну роботу, запропоновану наприкінці методичних вказівок, а потім складають іспити чи залік.

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ТЕПЛОТЕХНІКИ

Цілі та завдання курсу. Короткий огляд енергетичних установок та енергетичних систем авіапідприємства. Джерело енергії.

Тема 1. Основні поняття технічної термодинаміки

Технічна термодинаміка та її основні поняття: робоче тіло, термодинамічна система та процес. Параметри стану. Закони бездоганних газів. Об'єднаний закон Бойля-Маріотта та Гей-Люссака. Зрівняння стану ідеального газу. Теплота, робота, внутрішня енергія, теплоємність. Перший початок термодинаміки. Ентальпія. Р-V -діаграма та її властивості. Зворотні та незворотні процеси. Політропні процеси. Окремі випадки політропних процесів: ізохорний, ізобарний, ізотермічний, адіабатний. Графічний аналіз політропних процесів. Другий початок термодинаміки. Поняття про кругові термодинамічні процеси - цикли. Прямі та зворотні цикли. Коефіцієнти перетворення енергії у циклах: термічний ККД, холодильний коефіцієнт, опалювальний коефіцієнт. Цикл Карно. Теорема Карно. Інтеграл Клаузіуса для оборотних та незворотних процесів. Ентропія. T-S - діаграма та її властивості. Термодинамічна тотожність. Ексергія, її види та складові. Ексергія речовини у замкнутому обсязі. Теорема Гюї-Стодоли. Ексергія речовини у потоці. Анергія. Ексергетичний ККД технічних систем. Коефіцієнти перетворення та ексергетичний ККД.

Матеріал цієї теми містить необхідний комплекс понять, основі яких викладаються такі темы.

Необхідно чітко уявити, що взаємоперетворення одних форм енергії (теплоти, внутрішньої енергії, роботи) термодинамічної системи (ТДС) на інші супроводжуються зміною її параметрів стану. Безперервну зміну параметрів стану ТДС називають термодинамічний процес. Вивчення процесів слід розпочати з політропного процесу як узагальнюючого всі процеси, а потім його окремих випадків. Теплота і робота є мірою кількості переданої енергії. Кількісне співвідношення у взаємних перетвореннях і перетвореннях одних форм енергії на інші встановлює перший початок термодинаміки, а умови, за яких ці перетворення можливі, - другий початок. Крім того, другий початок встановлює необхідні умови для реалізації циклів теплових машин, що періодично діють. Рекомендується написати рівняння першого початку термодинаміки для всіх окремих випадків політропних процесів. Під час розгляду циклу Карно з'ясуйте, чому він є ідеальним для циклу будь-якого двигуна та холодильної машини. На прикладі властивостей ентропії та термодинамічної тотожності продемонструйте напрямок проходження термодинамічних процесів.

Студент повинен усвідомити, що ексергія це властивість термодинамічної системи або потоку енергії, що визначається кількістю роботи, яка може бути отримана зовнішнім приймачем енергії при оборотній його взаємодії з навколишнім середовищем до встановлення повної рівноваги. Однак студент повинен розуміти, що робота – кінцевий та необхідний результат дії теплосилових установок. Для сучасних умов мети технічних систем перетворення речовини та енергії надзвичайно різноманітні і крім отримання роботи полягають у перетворенні та одержанні речовини, теплоти, холоду, випромінювання необхідних властивостей тощо. Тому термін "Ексергія" слід розуміти як енергія, що не характеризується ентропією. Робота, що є такою енергією в переході, використовується як міра цієї енергії, але не як кінцева мета енергетичних перетворень.

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОПРОВІРКИ

1. Що розуміється під термодинамічною системою та термодинамічним процесом?

2. Як визначити абсолютний тиск робочого тіла, якщо відомі показання барометра та манометра (барометра та вакуумметра)?

3. Напишіть розмірності термодинамічних параметрів та калоричних величин, що зустрічаються у цьому розділі.

4. Перелічіть функції стану, згадані у цьому розділі. Сформулюйте їх властивості.

5. Дайте визначення ідеального газу.

6. Який процес називається політропним? Перелічіть основні ознаки політропного процесу.

7. Перерахуйте окремі випадки політропних процесів. Зобразіть їх у
P-V- і T-S- координати.

8. Чи може теплоємність бути негативною у політропному процесі з підведенням теплоти? Пояснити.

9. Який фізичний сенс газової постійної?

10. Запишіть перший початок термодинаміки для ізотермічного процесу.

11. Які термодинамічні процеси найвигідніші з погляду отримання максимальної роботи процесу?

12. Перерахуйте характерні властивості P-V- і T-S- діаграми. Наведіть приклади.

13. Дайте визначення кругових процесів-циклів. Опишіть зовнішні ознаки прямих та зворотних циклів. Які коефіцієнти використовуються для оцінки їх ефективності?

14. Напишіть вираз термічного ККД циклу Карно.

15. За допомогою T-S- діаграми доведіть, що цикл Карно, реалізований за однакових максимальної та мінімальної температури будь-якого реального циклу, має більше значення термічного ККД.

16. За допомогою другого початку термодинаміки доведіть, що ізотерма та адіабату можуть перетнутися лише в одній точці.

17. Що таке ексергія, анергія? Чи може ексергія дорівнювати нулю?

18. Що таке ексергетичний ККД?

19. Наведіть приклади, як можна використовувати ексергетичний баланс з метою оцінки можливості здійснення тієї чи іншої термодинамічного процесу.

Подібна інформація.

March 8th, 2015 , 07:44 pm

До цього моменту я стосувався теми теплотехніки стосовно самостійного будівництва лише мимохідь, в контексті інших тем. Про це написано купи статей і книг, у тому числі і в інтернеті, з морем формул і схем, що, мабуть, і відлякує читачів. У результаті в індивідуальних забудовників у цій галузі найнажерливіші помилки.
Отже, почнемо спочатку, з фізики: будь-яке тверде тіло характеризується двома теплотехнічними характеристиками, що нас цікавлять: теплоємністю і теплопровідністю. Теплопровідність здатність матеріалу передавати теплову енергію від більш нагрітої зони менш нагріту. Що стосується огороджувальних конструкцій будинку, для збереження тепла, бажана якомога нижча теплопровідність. Окреме питання про товщину. Збільшення товщини веде до пропорційного підвищення вартості конструкції, але не до пропорційного поліпшення теплоізоляції. Існує певний оптимум товщини для кожного матеріалу та кожної кліматичної зони.

Теплоємність - здатність матеріалу поглинати (акумулювати) та віддавати тепло при зміні температури. Тут все не так однозначно, велика або мала теплоємність може бути плюсом і мінусом залежно від конкретних умов.

Резюмуємо: матеріал з низькою теплопровідністю - утеплювач, матеріал з високою теплоємністю - теплоакумулятор.

Наведемо приклад: порівняємо дерев'яний та цегляний будинок з погляду теплотехніки. Дерево має малу теплопровідність (тобто є утеплювачем) і малу теплоємність. Цегла також є утеплювачем, але має велику теплоємність, тобто виступає ще й як теплоакумулятор. Дерев'яний будинок добре тримає тепло, але швидко встигає, цегляний тримає тепло добре і довго. Якщо будинок використовується постійно, цегляний комфортніше - довше тримає тепло, згладжує коливання температури при періодичній топці печі. Якщо будинок використовується як дача — приїхали в п'ятницю ввечері в нетоплений будинок і давай топити, то тут велика теплоємність цегляних стін зіграє в мінус. Дерев'яний будинок у цьому випадку має перевагу у швидкості нагріву.

Окремо варто розглянути багатошарові конструкції стін. Приклад: бетонну будівлю потрібно утеплити пінополістиролом або мінераловатними плитами. Бетон сам по собі добрий теплоакумулятор, але нікудишній утеплювач. Якщо теплоізолюючий матеріал розташувати зовні, бетон відіграватиме роль теплоакумулятора, що вигідно для будинку постійного проживання. Якщо розташувати теплоізолюючий матеріал усередині то бетонні стіни не відіграватимуть жодної ролі в теплодинаміці приміщення - воно буде швидко нагріватися і швидко остигати.

Ще приклад: щоб дерев'яний будинок довше тримав тепло, його можна оштукатурити зсередини.

Для багатошарових конструкцій існує важлива проблема пароізоляції та пов'язана з нею «точка роси». Грубо кажучи, всередині будівельних конструкцій може конденсуватись волога. Не заглиблюючись у нетрі, річ тут у тому що повітря всередині опалюваних житлових приміщень завжди більш вологе ніж зовні. Тому пароізоляція повинна розташовуватися за принципом ближче досередини - щільніше, назовні - проникніше.

Коротко все, точні визначення, одиниці виміру, формули, значення параметрів конкретних матеріалів тощо є в Інтернеті.

У навчальному посібнику лаконічно та послідовно викладено теоретичні основи теплотехніки (основи термодинаміки, теорії тепло- та масообміну та теорії горіння), що становлять необхідний та достатній мінімум для того, щоб надалі фахівець міг самостійно поглиблювати знання у тих чи інших областях прикладної теплотехніки. Навчальний матеріал викладено окремими, порівняно невеликими підрозділами, структурованість та послідовність яких продиктована внутрішньою логікою названих наук. Для студентів, які навчаються за спеціальністю «Енергозабезпечення підприємств», а також для студентів інших спеціальностей щодо вивчення ними дисциплін теплотехнічного профілю.

Основні терміни термодинаміки.
Навколишній світ матеріал, матерія знаходиться в безперервному русі. Міру руху матерії називають енергією. Найбільш поширені форми руху матерії - механічна та теплова. У першому випадку рух пов'язаний із переміщенням у просторі макрооб'ємів матерії, у другому - з рухом тільки на мікрорівні (тепловий рух молекул). Зміни енергії в результаті таких рухів називають відповідно механічною роботою та теплотою.

Тіло чи групу макротіл, енергетичні властивості яких підлягають вивченню, називають термодинамічною системою. Всі інші тіла, здатні взаємодіяти із системою, становлять довкілля. Кордон між системою та середовищем називають контрольною поверхнею. Якщо контрольна поверхня допускає обмін масою між системою та довкіллям, систему називають відкритою. якщо такий обмін неможливий, систему називають закритою. Закриті системи простіші і саме з них починають вивчення основ термодинаміки.

Одну з аксіом термодинаміки становить її нульове правило: всякі зміни в системі можливі тільки в результаті взаємодії з навколишнім середовищем, а будь-які випадкові зміни в системі викликають процес, що повертає її до початкового стану. Апріорно приймаючи це положення, з об'єктів аналізу виключають багато біологічних систем, що мають здатність довільних змін, або окремі хімічні реакції (див., наприклад, матеріал в Інтернеті про коливальну реакцію Білоусова - Жаботинського).

ЗМІСТ
ПЕРЕДМОВА
ВСТУП
1. ОСНОВИ ТЕРМОДИНАМІЧНОГО АНАЛІЗУ
1.1.Загальні поняття та закони термодинаміки
1.1.1.Основні терміни термодинаміки
1.1.2.Перший закон термодинаміки у загальному вигляді
1.1.3.Термомеханічна система
1.1.4.Внутрішня енергія газу
1.1.5.Ентальпія, її фізичний зміст
1.1.6.Інші характеристичні функції. Ексергія
1.1.7.Рівноважні та нерівноважні процеси
1.1.8.Принцип зростання ентропії. Другий закон термодинаміки
1.1.9.Рівняння стані. Критерій стійкості
1.1.10.Графічний метод у термодинаміці
1.1.11.Теплоємності газів
1.1.12.Рівняння Майєра та інші властивості ідеального газу
1.1.13.Формули для обчислення ентропії
1.2.Ідеальні термодинамічні процеси та цикли
1.2.1.Політропні процеси
1.2.2.Аналіз політропної процесії
1.2.3.Загальні поняття про цикли
1.2.4.Цикл та теорема Карно
1.2.5.Втрати працездатності. Коефіцієнт якості теплоти
1.3.Термодинаміка реальних газів
1.3.1.Реальні гази
1.3.2.Термічні коефіцієнти та зв'язок між ними
1.3.3.Стани та властивості води та водяної пари
1.3.4.Визначення параметрів води та пари
1.3.5.Діаграма h-s води та пари
1.3.6.Рівняння Клапейрона-Клаузіуса
1.3.7.Розрахунок процесів з водою та парою
1.4.Термодинаміка газового потоку
1.4.1.Перший закон термодинаміки для потоку газу
1.4.2.Аналіз адіабатних течій
1.4.3.Швидкість закінчення та витрата газу
1.4 4. Швидкість поширення коливань тиску у газі
1.4.5. Зв'язок між швидкістю імпульсу та швидкістю звуку
1.4.6. Зв'язок між швидкістю газу та швидкістю звуку
1.4.7.Вплив форми каналу на швидкість газу
1.4.8.Диференційний та інтегральний дросель-ефекти
1.5.Суміші та змішування газів
1.5.1.Газові суміші
1.5.2.Змішування газів
1.5.3.Вологе повітря та процеси з ним
1.5.4.Змішування потоків пари або потоків вологого повітря
1.6.Основи хімічної термодинаміки
1.6.1.Хімічний потенціал
1.6.2.Тепловий ефект хімічних реакцій
1.6.3.Умови рівноваги складних систем
1.6.4.Фазова рівновага, фазова діаграма р-Т
1.7.Цикли реальних машин та установок
1.7.1.Цикли ідеальних компресорів
1.7.2.Цикл реального компресора
1.7.3.Цикли поршневих двигунів внутрішнього згоряння
1.7.4.Цикли газотурбінних установок
1.7.5.Цикли паросилових установок
1.7.6.Підвищення ефективності теплосилових циклів
1.7.7.Цикл повітряної холодильної машини
1.7.8.Цикл парокомпресорної холодильної машини
1.7.9.Абсорбційна холодильна установка
1.7.10. Термотрансформатори
2. ТЕОРІЯ ТЕПЛО-І МАСООБМІНУ
2.1.Основні поняття та закони теорії теплообміну
2.1.1.Класифікація процесів теплообміну
2.1.2.Основні терміни теорії теплообміну
2.1.3.Основні закони теплообміну
2.2.Теплопровідність
2.2.1.Здатність тіл проводити теплоту
2.2.2.Диференційне рівняння теплопровідності
2.2.3.Умови однозначності у завданнях теплопровідності
2.2.4.Стаціонарна теплопровідність плоскої стінки при ГУ-1
2.2.5.Стаціонарна теплопровідність плоскої стінки при ГУ-3
2.2.6. Стаціонарна теплопровідність плоских стінок при змішаних граничних умовах
2.2.7.Стаціонарна теплопровідність циліндричної стінки при ГУ-1
2.2.8.Теплопередача через циліндричну стінку
2.2.9. Критичний діаметр ізоляції. Оптимальна ізоляція
2.2.10.Теплопередача через ребристу стінку
2.2.11.Теплопровідність циліндра за наявності внутрішніх джерел теплоти
2.2.12. Чисельне вирішення завдань стаціонарної теплопровідності
2.2.13.Процеси нестаціонарної теплопровідності
2.2.14.Загальне рішення диференціального рівняння теплопровідності
2.2.15.Нестаціонарна теплопровідність необмеженої плоскої стінки
2.2.16.Метод джерел теплоти
2.2.17.Чисельне вирішення нестаціонарних завдань теплопровідності
2.3.Конвективний теплообмін
2.3.1.Основні фактори, що визначають інтенсивність конвекції
2.3.2.Поняття про гідродинамічний та тепловий прикордонні шари
2.3.3.Диференціальне рівняння тепловіддачі та інші диференціальні рівняння теплового прикордонного шару
2.3.4.Основи теорії подоби
2.3.5.Тепловіддача при вільній конвекції
2.3.6.Тепловіддача при русі теплоносія в трубах та каналах
2.3.7.Тепловіддача при поперечному обтіканні труб та в трубних пучках
2.3.8.Тепловіддача при конденсації
2.3.9. Окремі випадки конденсації
2.3.10.Тепловіддача при кипінні
2.3.11. Окремі випадки кипіння
2.3.12.Зміна температурного напору вздовж поверхні теплообміну
2.3.13.Середньологарифмічний температурний напір
2.3.14.Тепловий розрахунок рекуперативних теплообмінників
2.3.15.Шляхи та способи інтенсифікації процесів теплопередачі
2.4.Теплове випромінювання
2.4.1.Загальні поняття та визначення
2.4.2.Основні закони теплового випромінювання
2.4.3.Променевий теплообмін між паралельними стінками
2.4.4.Екрани
2.4.5.Променевий теплообмін між тілами довільної форми
2.4.6.Кутові коефіцієнти
2.4.7.Теплообмін у діатермічних ободочках
2.4.8.Випромінювання та поглинання газів
2.4.9.Складний теплообмін
2.5.Масообмінні процеси
2.5.1.Основні поняття та закони
2.5.2.Дифузійний прикордонний шар
2.5.3.Масопровідність, масовіддача, масопередача
2.5.4.Критеріальні рівняння масовіддачі
2.5.5.Елементи теорії сушіння
2.5.6.Кінетика процесу сушіння
2.5.7.Змішувальні теплообмінники
3. ХАРАКТЕРИСТИКИ РІЗНИХ ВИДІВ ПАЛИВА. ОСНОВИ ТЕОРІЇ ГОРЕННЯ ТА ОСОБЛИВОСТІ ТЕПЛООБМІНУ У ТОПКАХ
3.1.Паливо, його основні характеристики
3.2.Елементи теорії тертя
3.3.Технічні розрахунки горіння
3.4.Топкові пристрої
3.5.Особливості теплообміну в топках
ВИСНОВОК
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ.