Термодинамика потока рабочего тела

Программа.

Уравнение неразрывности потока рабочего тела (сплошности струи). Уравнение первого закона термодинамики для потока. Понятие о сопловом и диффузорном течении газа и пара. Скорость, секундный расход и теплопадение при адиабатическом истечении рабочего тела. Критические параметры утечки. Сопло Лаваля. Расчет процесса истечения водяного пара с помощью i-s диаграммы.

Дросселирование газов и паров. Сущность процесса. Изменение параметров в процессе адиабатного дросселирования. Особенности дросселирования идеального и реального газа. Изображение процесса дросселирования в рабочей и тепловой диаграммах. Дееспособность рабочего тела, ее потери при дросселировании. Практическое использование процесса дросселирования.

Методические указания. Как правило, в тепловых машинах рабочее тело последовательно проходит через все их элементы, которые имеют разное проходное сечение канала, однако через любое сечение в единицу времени проходит одинаковое количество рабочего тела. При сопловом движении скорость потока увеличивается, а давление уменьшается; при диффузорном– наоборот: скорость уменьшается, а давление растет. И сопла, и диффузоры могут,как сужаться, так и расширяться. Изменение скорости потока рабочего тела приводит к изменению его кинетической энергии, которая может быть преобразована в техническую (полезную) работу. Студент должен четко знать и понимать, что в цилиндрических каналах, скорость потока не может быть больше скорости звука, которая ограничивает возможность преобразования кинетической энергии в полезную. Для получения сверхзвуковых скоростей истечения применяется сопло Лаваля. Оно позволяет все имеющиеся теплопадения превратить в техническую работу. Расчет адиабатного процесса истечения водяного пара проводится только с помощью i-s диаграммы.

Адиабатное дросселирование происходит при i=const (q=0, но D s ¹ 0).Если для идеального газа при i=const и Т=const, то для реальных газов (паров) или жидкости, как правило, процесс дросселирования сопровождается снижением температуры. В результате потери энергии потока рабочего тела на трение, которая после этого превращается в теплоту, энтропия увеличивается(D s>0).

 

Второй закон термодинамики

Программа.

Сущность второго закона термодинамики, его формулировки. Прямые и обратные термодинамические циклы. Прямой и обратный обратимые циклы Карно. Термический КПД и холодильный коэффициент цикла Карно. Теорема Карно.

Методические указания. Второй закон термодинамики указывает направление протекания самопроизвольных тепловых процессов в природе и определяет условия преобразования теплоты в работу, то есть устанавливает максимально возможную границу преобразования теплоты в работу в тепловых машинах. Прямой цикл Карно является «эталоном» при оценке совершенства любых циклов тепловых двигателей. В этом цикле работа расширения будет больше работы сжатия, то есть получается положительная работа. В обратном цикле Карно, наоборот, работа сжатия больше работы расширения: для передачи теплоты от источника с низкой температурой к источнику с высокой температурой расходуется работа. При изучении данной темы студент должен твердо усвоить следующее. Из-за того, что КПД цикла Карно всегда меньше единицы, не зависит от вида рабочего тела и имеет наибольшее значение по сравнению с КПД любых других циклов, ограниченных тем же интервалом температур, то:

• никакими новыми конструкциями тепловых двигателей или применением новых рабочих тел нельзя в цикле всю подведенную теплоту превратить в полезную работу;

• для увеличения КПД нужно стремиться к таким процессам, которые образуют цикл, чтобы средняя температура подвода теплоты была как можно больше, а средняя температура отвода теплоты – как можно меньше.

Характеристиками циклов являются:

термический КПД – для прямого цикла;

холодильный коэффициент (coefficient of performance) – для обратного цикла.

Циклы тепловых машин

Программа.

Поршневые двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Рабочий процесс поршневого ДВС. Теоретические циклы ДВС с изохорным, изобарным и со смешанным подводом теплоты. Термический КПД циклов. Изображения циклов в p-v и T-s диаграммах. Анализ циклов. Способы повышения КПД.

Газотурбинные установки (ГТУ).Принципиальная схема, рабочий процесс и теоретический цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты, его изображение в p-v и T-s диаграммах. Термический КПД цикла. Способы повышения КПД газотурбинных установок.

Паросиловые установки (ПСУ). Принципиальная схема, рабочий процесс и теоретический цикл ПСУ (цикл Ренкина), его изображение в p-v, T-s и i-s диаграммах. Термический КПД цикла. Анализ цикла. Пути повышения эффективности ПСУ.

Холодильные машины. Принципиальная схема, рабочий процесс и теоретический цикл воздушной и паровой компрессорных холодильных машин, его изображение в p-v и T-s диаграммах. Холодопроизводительность и холодильный коэффициент цикла. Способы повышения эффективности компрессорных холодильных машин.

Понятие об абсорбционной и пароэжекторной холодильных машинах. Принципиальная схема и рабочий процесс. Преимущества и недостатки теплоиспользующих холодильных машин.

Тепловой насос, его назначение. Цикл теплового насоса. Коэффициент преобразования теплоты.

Методические указания. Прежде чем приступать к изучению этой темы, студент должен ясно себе представлять, что:

• тепловые машины могут работать по прямым циклам – такие машины называются двигателями (ДВС, ГТУ, РД, ПСУ) и по обратным циклам – холодильные машины и тепловые насосы;

• в тепловых машинах, рабочим телом может быть либо газ (продукты сгорания топлива в ДВС, ГТУ, воздуха в компрессорной холодильной машине), или пар (водяной пар в ПСУ, в пароэжекторной холодильной машине, хладоны в паровых компрессорных холодильных машинах). Соответственно первые называются газовыми, вторые – паровыми тепловыми машинами.

В тепловых машинах процессы сжатия и расширения из-за большой скорости можно приниматьадиабатными. Процессы подвода и отвода теплоты в тепловых машинах могут быть разные, но изотермический процесс – энергетически более выгоден.

Успешное усвоение этой темы невозможно без знаний термодинамических процессов идеальных и реальных газов.

 

Контрольные вопросы по тематике смыслового модуля 2.

 

1. Понятие «реальный» газ (пар). Уравнение Ван-дер-Ваальса.

2. Фазовые диаграммы состояния реальных газов.

3. Построение и расчет изохорного процесса реальных газов.

4. Построение и расчет изобарного процесса реальных газов.

5. Построение и расчет изотермического процесса реальных газов.

6. Построение и расчет адиабатного процесса реальных газов.

7. Параметры воздушной среды, определяющие микроклиматические условия.

8. Определение СКВ.

9. Основные характеристики влажного воздуха.

10. Абсолютная, максимальная, относительная влажность, влагосодержание.

11. i - d диаграмма влажного воздуха.Диаграмма ASHRAE.

12. Анализ процесса нагревания влажного воздуха.

13. Анализ процесса охлаждения влажного воздуха.

14. Анализ процесса сушки влажных материалов влажным воздухом.

15. Анализ процесса смешивания влажного воздуха.

16. Второй закон термодинамики, его формулировки.

17. Какой цикл называется идеальным?

18. Почему процессы сжатия и расширения в идеальных циклах тепловых двигателей называются адиабатными?

19. Что такое сопло и диффузор?

20. Какой процесс называется дросселированием? Что такое адиабатное дросселирование?

21. Как изменяются параметры состояния влажного пара при дросселировании?

22. Прямой и обратный циклы Карно. Как определяется эффективность циклов? Что такое «СОР»?

23. Принципиальная схема и цикл карбюраторного ДВС. Как определяется КПД?

24. Принципиальная схема и цикл инжекторного ДВС. Как определяется КПД?

25. Как влияет показатель политропы на конечную температуру газа в одноступенчатом компрессоре?

26. Принципиальная схема и цикл ГТУ. Как определяется КПД ГТУ?

27. Принципиальная схема и цикл ПСУ. Как определяется КПД ПСУ?

28. Принципиальная схема и цикл воздушной холодильной машины. Как определяется СОР?

29. Принципиальная схема и цикл паровой компрессионной холодильной машины. Как определяется СОР?

 

Смысловой модуль 3.

ТЕОРИЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА

3.1 Основные понятия и определения

Программа.

Предмет и задачи теории теплообмена. Значение теплообмена в технологических процессах предприятий питания. Основные понятия и определения теории теплообмена. Теоремы подобия. Виды переноса теплоты (теплопроводность, конвекция, излучение). Критериальные числа и критериальные уравнения теплового подобия. Сложный теплообмен.Массоперенос.

Методические указания. Материал этой темы составляет комплекс определений и понятий, на базе которых излагаются последующие темы раздела. Прежде всего, нужно не забывать, что теплообмен возможен только тогда, когда есть неодинаково нагретые тела или участки тел, то есть движущей силой любого процесса теплообмена является разница температур. Студент должен четко формулировать и понимать такие понятия, как тепловой поток, удельный тепловой поток, температурное поле, изотермическая поверхность, температурный градиент, стационарный и нестационарный режим теплообмена, знать простые и сложные виды теплообмена, массообмен. Важно понимать, что при теплообмене, как и во многих физических процессах, при прямом воздействии – перенос теплоты, имеет противодействие – термическое сопротивление.

Количественная характеристика теплообмена любого вида подчиняется общей закономерности: Плотность теплового потока (удельный тепловой поток) прямопропорциональна разности температур и обратно пропорциональна термическому сопротивлению: .

Различают линейную q_l (Вт/м), поверхностную q_F (Вт/м²), объемную q_v (Вт/м³) плотность теплового потока.

 

Теплопроводность

Программа.

Физическая сущность теплопроводности. Основной закон теплопроводности (закон Фурье). Коэффициент теплопроводности. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности. Условия однозначности.

Теплопроводность плоской однослойной и многослойной стенки при стационарном режиме. Теплопроводность цилиндрической однослойной и многослойной стенки при стационарном режиме.

Методические указания. Физически теплопроводность представляет собой процесс распространения теплоты путем теплового движения микрочастиц (молекул, атомов или электронов) вещества без перемещения, визуально наблюдаемых, самих частиц. В чистом виде теплопроводность имеет место в твердых телах и в неподвижных слоях газа или жидкости (тонких слоях, прилегающих к поверхности твердого тела). Коэффициент теплопроводности – это физическое свойство газа, жидкости или твердого тела которое представляет собой тепловой поток, проходящий через единицу изотермической поверхности при температурном градиенте, который равен единице

,    [ Вт/(м × К) ].                      (3.1)

 

Конечная цель решения задач стационарной теплопроводности – определение теплоты, проходящей через стенку (между внешними изотермическими поверхностями стенки).

, Дж                           (3.2)

 

где R – термическое сопротивление стенки (плоской, цилиндрической, однослойной, многослойной).

Для плоской однослойной стенки , многослойной – .

Для цилиндрической однослойной стенки , многослойной – .

Нестационарная теплопроводность описывается дифференциальным уравнением Фурье:

                                (3.3)

 

где а – коэффициент температуропроводности, характеризующий скорость изменения температуры в теле, то есть степень теплоинерционных свойств тела (определяется по табл.);Ѳ– оператор Лапласа в декартовой системе координат.

Конвективный теплообмен

Программа.

Физическая сущность конвективного теплообмена. Закон Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Факторы, влияющие на коэффициент теплоотдачи.

Основные положения и определения теории подобия. Условия подобия физических явлений. Числа (критерии) подобия. Критериальные уравнения конвективного теплообмена. Определяемый критерий и определяющие критерии.

Основные положения теории пограничного слоя.

Теплоотдача при вынужденном движении жидкости (вдоль плоской стенки и трубы, при поперечном омовении единичной трубы и пучка труб с коридорным и шахматным расположением, внутри труб). Теплоотдача при свободном движении жидкости в неограниченном и ограниченном объеме около вертикальных и горизонтальных поверхностей.

Теплоотдача при изменении агрегатного состояния жидкости. Теплообмен при пленочной и капельной конденсации на вертикальных и горизонтальных трубах. Влияние на теплообмен присутствующих в паре неконденсированных газов. Теплообмен при пузырьковом и пленочном режимах кипения. Кризис кипения.

Методические указания. Эта тема конечно более трудна в изучении. Трудность заключается в том, что для каждого случая теплообмена требуется знать числовое значение коэффициента теплоотдачи a,который не является физической константой, поскольку характеризует не отдельное тело, а тепловое взаимодействие двух тел – жидкости (или газа) и твердого тела, которые имеют свои конкретные свойства. Коэффициент теплоотдачи – это количество теплоты, отданное в единицу времени единицей поверхности стенки при разности температур между стенкой и жидкостью в 1 К (или градус).

, Вт /(м²К).                            (3.4)

 

Коэффициент теплоотдачи является сложной функцией различных величин, характеризующих этот процесс.

.

 

Это не позволяет результаты экспериментальных исследований, полученных при определенных условиях, применять в расчетах теплообменных процессов, которые характеризуются другими условиями.

Теория подобия как раз и позволяет результаты экспериментального метода исследования (в частности конвективного теплообмена) переносить (распространять) на класс подобных явлений. Согласно первой теории подобия, у подобных явлений числа подобия численно равны. Числа (константы) подобия– это безразмерные соотношения параметров, характеризующих процесс.

Конвективный теплообмен описывается четырьмя числами подобия: Рейнольдса (), Грасгофа (), Прандтля () и Нуссельта ().

В формулу числа Нуссельта входит числовое значение коэффициента теплоотдачи, поэтому он является числом, которое определяется, так как, зная его значение, можно определить коэффициент теплоотдачи . Другие три числа (критерия)–являются такими, которые определяют, т.е. Nu = f (Re, Gr, Pr), поэтому они называются определяющими.

В общем случае критериальное уравнение конвективного теплообмена имеет вид:

,                         (3.5)

 

где значение с, n, m, b – коэффициенты, зависящие от особенностей условий взаимодействия жидкости и твердой стенки; – учитывает направление теплового потока; – коэффициент, зависящий от отношения длины трубы к диаметру (для плоских поверхностей не учитывается).

При вынужденном движении жидкости Gr = 1, тогда

 

.                           (3.6)

 

При свободном движении жидкости Re = 1, тогда

.                          (3.7)

 

В формулах (3.5) -(3.7) определяющая температура – температура жидкости на расстоянии от стенки, определяющий размер – полная длина стенки по направлению потока (l) или диаметр (d).

 

Теплообмен излучением

Программа.

Общие понятия и определения. Баланс лучевого теплообмена. Основные законы лучистого теплообмена: закон Планка, закон Кирхгофа, закон Вина, закон Стефана-Больцмана, закон Ламберта. Теплообмен излучением между телами. Сводный коэффициент излучения. Защита от излучения.

Методические указания. В процессе теплообмена излучением осуществляется двойное преобразование энергии: сначала на поверхности одного тела тепловая энергия превращается в энергию электромагнитного излучения (лучевую энергию), а затем на поверхности второго тела энергия электромагнитного излучения преобразуется в тепловую энергию. Поскольку тела поглощают только часть энергии электромагнитного излучения (частично отражая или пропуская через себя), основным вопросом при исследовании теплообмена излучением является вопрос о количественном соотношении между отраженной, поглощенной и пропущенной через тело энергией. Понимание этого вопроса позволит грамотно управлять тепловым излучением в нужном для практики направлении.

Спектральное излучение абсолютно черного тела и любого серого тела зависит от температуры и длины волны. Удельный тепловой поток при излучении пропорционален четвертой степени абсолютной температуры

 

,                                (3.8)

 

где Т₁ – абсолютная температура поверхности тела, К; с_о = 5,67 Вт/(м²К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного тела, e – степень черноты тела.