Теоретические основы теплотехники

Курс лекций для студентов

Специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика»

 

 

МОСКВА 2010

СОДЕРЖАНИЕ

Вводная лекция по дисциплине «Теоретические основы теплотехники»...........………..
ТЕМА 1. Предмет и метод термодинамики.....................................................................
Термодинамическая система.............................................................................
Термодинамические параметры состояния.....................................................
Уравнение состояния.........................................................................................
Термодинамический процесс..........................................................................
Теплоемкость газов...........................................................................................
ТЕМА 2. Смеси идеальных газов....................................................................................
Аналитическое выражение первого закона термодинамки............................
ТЕМА 3. Внутренняя энергия...........................................................................................
Работа расширения..........................................................................................
Теплота................................................................................................................
Энтальпия..............................................................................................................
Энтропия..............................................................................................................
ТЕМА 4. Общая формулировка второго закона..............................................................
Прямой цикл Карно..............................................................................................
Обратный цикл Карно.........................................................................................
Изменение энтропии в неравновесных процессах...........................................
ТЕМА 5. Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах.........
Эксергия................................................................................................................
ТЕМА 6. Термодинамические процессы реальных газов................................................
Уравнение состояния реальных газов...............................................................
ТЕМА 7. Уравнение первого закона термодинамики для потока...................................
Истечение из суживающегося сопла..................................................................
Основные закономерности течения газа в соплах и диффузорах...................
Расчет процесса истечения с помощью h-s диаграммы....................................
Дросселирование газов и паров..........................................................................
ТЕМА 8. Термодинамическая Эффективность циклов теплосиловых установок.........
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания....................................
Циклы газотурбинных установок.......................................................................
Циклы паротурбинных установок....................................................................
Циклы Карно и Ренкина насыщенного пара. Регенерация теплоты...............
Цикл Ренкина на перегретом паре......................................................................
Термический КПД цикла....................................................................................
Теплофикация.......................................................................................................
Общая характеристика холодильных установок……………………………..
Цикл паровой компрессионной холодильной установки…………………….
ТЕМА 9. Основы теории теплообмена………………………………………………… Основные понятия и определения....................................................................
Теория теплопроводности. Закон Фурье...........................................................
Задачи....................................................................................................................
ТЕМА 10. Теплопередача....................................................................................................
Плоская стенка....................................................................................................
Цилиндрическая стенка......................................................................................
Интенсификация теплопередачи.......................................................................
Тепловая изоляция..............................................................................................
Задачи по теплопередаче....................................................................................
ТЕМА 11. Конвективный теплообмен. Основной закон конвективного теплообмена.
Пограничный слой..............................................................................................
Числа подобия.....................................................................................................
Массообмен..........................................................................................................
ТЕМА 12. Частные случаи конвективного теплообмена. Поперечное обтекание одиночной трубы и пучка труб..........................................................................
Течение теплоносителя внутри труб.................................................................
Теплоотдача при естественной конвекции........................................................
Теплоотдача при конденсации............................................................................
Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи..............................
ТЕМА 13. Описание процесса излучения. Основные определения...............................
Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде..............................
Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде.................
ТЕМА 14. Теплообменные аппараты................................................................................
Типы теплообменных аппаратов.......................................................................
Расчетные уравнения..........................................................................................

Вводная лекция по дисциплине

«Теоретические основы теплотехники»

Преподаватели: Раздел «Термодинамика»- Марюшин Леонид Александрович, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой 37 промышленной теплоэнергетики ГОУ МГИУ.

Раздел «Тепломассобмен»- Корнеев Сергей Дмитриевич, д.т.н., профессор кафедры 37 промышленной теплоэнергетики ГОУ МГИУ.

 

В последние годы ученые всего мира со все большим беспокойством говорят о повышении концентрации СО₂ в атмосфере. Если эти опасения подтвердятся, человечеству в не таком уж отдаленном будущем придется резко ограничить потребление углеродсодержащих топлив. Кроме выбросов СО₂ топливосжигающие и теплоэнергетические установки производят тепловые загрязнения (выбросы нагретой воды и газов), химические (оксиды серы и азота), золу и сажу, которые с увеличением масштаба производства также создают серьезные проблемы.

Однако экономические факторы стимулируют резкое увеличение степени использования добываемого топлива. Вместе с тем пока еще энергетическая эффективность многих технологических процессов чрезвычайно низка, ибо технологи, разрабатывая соответствующие процессы, зачастую не ставили во главу угла вопросы экономии топлива.

Высокие цены на топливо (прежде всего нефть) на мировом рынке стимулируют разработку энергосберегающих технологий. Главная роль в разработке менее энергоемких технологий принадлежит технологам. Эту задачу невозможно решить без глубоких знаний основных законов теплотехники.

Сегодня выгоднее вкладывать средства не в увеличение добычи топлива, чтобы продолжать расходовать его с низкой эффективностью, а в разработку технологических процессов, обеспечивающих более экономное его использование. В целом более 90 % всей используемой человечеством энергии приходится на ископаемые органические топлива. Это определяет роль теплотехники – общеинженерной дисциплины, изучающей методы получения, преобразования, передачи, и использования теплоты и связанных с этим аппаратов и устройств.

 

Цели и задачи учебной дисциплины

Дисциплина "Теоретические основы теплотехники" изучается студентами специальности "Промышленная те­плоэнергетика".

Целью введения дисциплины является получение знаний по расчету, работе, совершенствованию теплотехнического оборудования, широко ис­пользуемого в промышленности и энергетике: газотурбинных двигателей и установок, паротурбинных установок, ядерных энергетических установок, компрессоров, холодильного и теплообменного оборудования, тепловых на­сосов.

Задачей учебной дисциплины является:

• изучение основных законов термодинамики и переноса теплоты;

• изучение аналитических и экспериментальных методов исследования процессов тепло - и массообмена;

• овладение методами расчета параметров и процессов идеального газа и реальных рабочих тел;

• овладение количественными и качественными методами термодинамического анализа процессов и циклов тепловых двигателей и аппаратов с целью повышения тепловой экономичности, уменьшения капитальных затрат, уменьшения отрицательного воздействия на окружающую среду;

• умение произвести необходимые тепловые расчеты при проектно -
конструкторских, производственно - технологических, экспериментально -
исследовательских видах профессиональной деятельности.

Общие методические указания

Курс "Теоретические основы теплотехники" включает в себя две дисци­плины: "Техническая термодинамика" и "Теплопередача". Обе дисциплины являются фундаментальными в системе подготовки инженеров-теплотехников.

Техническая термодинамика изучает закономерности превращения энергии.

Теплопередача изучает законы самопроизвольного переноса теплоты.

На основе этих дисциплин осуществляется расчет и проектирование всех тепловых двигателей - паровых и газовых турбин, реактивных и ракет­ных двигателей, двигателей внутреннего сгорания, а также всевозможного технологического оборудования - компрессоров, сушильных и холодильных установок, тепловых насосов и т.д.

Дисциплина "Теоретические основы теплотехники" является базовой для изучения прикладных теплотехнических дисциплин.

При изучении дисциплины рекомендуется руководствовать­ся программой курса и методическими указаниями к ней, самостоятельно овладеть теорией по учебникам и выполнить 3 контрольные работы, каждая из которых содержит 4-5 задач (обязательных) и 4 вопроса.

Ниже приводится список литературы, который включает в себя ос­новные учебники, справочные таблицы, которые содержат краткие теоретические осно­вы, необходимые для решения контрольных работ, примеры решения задач, пояснения к решению контрольных задач и ответы на контрольные вопросы.

Таблицы необходимы для нахождения параметров технически важных газов (воздуха, азота, углекислого газа и др.) а также воды и водяно­го пара.

Перед выполнением контрольных работ рекомендуется прослушать об­зорные лекции по основным разделам курса, которые читаются в период эк­заменационных сессий. В это же время студенты выполняют лабораторно -практические задания под руководством преподавателя. Цель их - более глубокое усвоение теоретического материала и приобретение практических навыков в проведении эксперимента.

Требования, предъявляемые на экзамене по дисциплине - знание теории и понимание физической сущности рассматриваемых в курсе вопросов, а также умение применить теоретические знания к решению практических задач.

 

Основная литература

1. Баскаков А.П. Теплотехника.-М.:Энергоатомиздат, 1991.-244 с.

2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Энергия,1971

3. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. Высшая школа.1980.

4. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. Справочник.-М.: Издательство МЭИ, 19994.- 168 с.

5. Сборник задач по технической термодинамике. / Андрианова Т.Н. и др. -М.: Энергоиздат, 1981.

 

Дополнительная литература

1. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства газов. -М.: Энергоиздат, 1987.

2. Вукалович М.П., Ривкин С.Л., Александров А.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. - М.: Издательство стандартов, 1969.

3. Кириллин В.А., Сычев В.В, Шейндлин А.Е. Техническая термодинами­ка. -М.: Энергоатомиздат, 1983.

4. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. -М.: Энергия, 1980.

 

 

ТЕМА 1

Предмет и метод термодинамики

Термодинамика изучает зако­ны превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопи­ческих системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Макроскопиче­ской системой называется любой матери­альный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопиче­ских систем несоизмеримо больше разме­ров молекул и атомов.

В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химиче­скую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свой­ства тел, участвующих в этих превраще­ниях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретическим фундаментом теплотехники. На ее основе осуществля­ют расчет и проектирование всех тепло­вых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования.

Рассматривая только макроскопиче­ские системы, термодинамика изучает закономерности тепловой формы движе­ния материи, обусловленные наличием огромного числа непрерывно движущих­ся и взаимодействующих между собой микроструктурных частиц (молекул, ато­мов, ионов).

Физические свойства макроскопиче­ских систем изучаются статистическими термодинамическим методами. Стати­стический метод основан на использова­нии теории вероятностей и определенных моделей строения этих систем и пред­ставляет собой содержание статистиче­ской физики. Термодинамический метод не требует привлечения модельных пред­ставлений о структуре вещества и является феноменологическим (т. е. рассматривает «феномены» — яв­ления в целом).

При этом все основные выводы термодинамики можно получить методом дедукции, используя только два основных эмпирических закона термодинамики.

В дальнейшем исходя из термодина­мического метода мы будем для нагляд­ности использовать молекулярно-кинетические представления о структуре ве­щества.

Термодинамическая система

Термодинамическая система представляет собой совокуп­ность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодей­ствиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»).

Выбор системы произволен и дикту­ется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окру­жающей средой. Систему отделя­ют от окружающей среды контроль­ной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей систе­мы — газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней средой является окру­жающий воздух, а контрольными повер­хностями служат стенки цилиндра и по­ршень.

Механическое и тепловое взаимодей­ствия термодинамической системы осу­ществляются через контрольные повер­хности. При механическом взаимодейст­вии самой системой или над системой совершается работа. (В общем случае на систему могут действовать также элек­трические, магнитные и другие силы, под воздействием которых система будет со­вершать работу. Эти виды работ также могут быть учтены в рамках термодина­мики, но нами в дальнейшем рассматри­ваться не будут). В нашем примере ме­ханическая работа производится при пе­ремещении поршня и сопровождается изменением объема. Тепловое взаимо­действие заключается в переходе тепло­ты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. В рассматриваемом примере теплота мо­жет подводиться к газу через стенки ци­линдра.

В самом общем случае система мо­жет обмениваться со средой и веществом (массообменное взаимодействие). Такая система называется открытой. Пото­ки газа или пара в турбинах и трубопро­водах — примеры открытых систем. Если вещество не проходит через границы системы, то она называется закры­той. В дальнейшем, если это специально не оговаривается, мы будем рассматри­вать закрытые системы.

Термодинамическую систему, кото­рая не может обмениваться теплотой с окружающей средой, называют теп­лоизолированной или адиа­батной. Примером адиабатной систе­мы является газ, находящийся в сосуде, стенки которого покрыты идеальной теп­ловой изоляцией, исключающей теплооб­мен между заключенным в сосуде газом и окружающими телами. Такую изоляци­онную оболочку называют адиабатной. Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни ве­ществом, называется изолирован­ной (или замкнутой).

Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутрен­него сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе горючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина.