Запорізький гідроенергетичний коледж

ЗАПОРІЗЬКОЇ ДЕРЖАВНОЇ ІНЖЕНЕРНОЇ АКАДЕМІЇ

 

 

Конспект лекцій

з дисципліни „Теплотехніка”

для студентів другого курсу вищих навчальних закладів

І рівня акредитації зі спеціальності 5.05060103

„Монтаж і обслуговування теплотехнічного устаткування

і систем теплопостачання”

 

 

Розглянуто і затверджено

на засіданні ПЦК

спец. 5.05060103

Протокол № ___ від ______2012 р.

Голова ПЦК____ (Потапова А.О.)

 

Запоріжжя

2012 р.

 

Конспект лекцій з дисципліни „Теплотехніка” для студентів другого курсу вищих

навчальних закладів І рівня акредитації зі спеціальності 5.05060103 „Монтаж і

обслуговування теплотехнічного устаткування і систем теплопостачання”.

/Укл. А.О. Потапова. – Запоріжжя, 2012 р. – 44 с.

 

Укладач: Потапова А.О. – викладач спецдисциплін спец. 5.05060103,

викладач-методист

 

Зміст

 

Вступ........................................................................................................................................................ 4

1 ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА ……………………………………………………………………………. 5

1.1 Мета і задачі дисципліни. Структурні модулі ………………………………………………….. 5

1.2 Перелік рекомендованої літератури …………………………………………………….............. 5

2 ВИКЛАДЕННЯ ТЕОРЕТИЧНОГО МАТЕРІАЛУ ……………………………………………... 6

Лекція 1 Вступ......................................................................................................................................... 6

РОЗДІЛ 1 ОСНОВИ ТЕОРІЇ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ ……………………………………. 6

Тема 1.1 Теплопровідність................................................................................................. 6

Предмет і задачі теорії теплообміну. Види переносу теплоти. Основні положення

теорії теплообміну. Стислі відомості про механізм процесу теплопровідності.

Закон Фур’є ………………………………………………………………………...……. 6

Лекція 2 Тема 1.2 Конвекційний теплообмін …………………… ……………………...………… 9

Основні положення конвекційного теплообміну. Види конвекції. Тепловіддача поміж

стінкою і рідиною. Закон Ньютона – Ріхмана ……………………………........................ 9

Лекція 3 Тема 1.3 Теплообмін випромінюванням ……………………………...……………….. 12

Природа теплового випромінювання. Основні поняття і визначення. Поглинальна,

відбивна і пропускна здібності тіл ………………………………………………………… 12

Лекція 4 Тема 1.4 Теплопередача....................................................................................................... 13

Лекція 5 РОЗДІЛ 2 ТЕХНІЧНА ТЕРМОДИНАМІКА …………………………………………... 15

Тема 2.1 Термодинаміка та її метод. Основні параметри стану робочого тіла........15

Технічна термодинаміка, предмет і метод. Поняття «робоче тіло». Основні

параметри стану робочого тіла ……………………………………………………………. 15

Лекція 6 Тема 2.2 Поняття про термодинамічні процеси. Закони ідеального газу.

Суміші ідеальних газів ………………………………………………............... 18

Поняття про термодинамічний процес, термодинамічну систему. Ідеальний та реальні

гази. Закони ідеального газу. Рівняння стану ідеального газу ………………………….. 18

Лекція 7 Тема 2.3 Теплоємність. Визначення кількості теплоти ……………………………… 21

Поняття про теплоємність, її види. Ізобарна та ізохорна теплоємності. Середня

та істинна теплоємності ……………………………………………………………………. 21

Лекція 8 Тема 2.4 Перший закон термодинаміки. Ентальпія …………………………………. 23

Перший закон термодинаміки, формулювання та аналітичний вираз ………………… 23

Тема 2.5 Термодинамічні процеси …………………………………………….……….. 23

Термодинамічні процеси, їх види. Алгоритм дослідження.........................................…. 23

Лекція 9 Тема 2.6 Другий закон термодинаміки. Ентропія. Тs – діаграма …………….….….. 28

Другий закон термодинаміки, сутність та основні формулювання. Ентропія. Тs –

діаграма. Аналітичне дослідження і графічне зображення термодинамічних

процесів в Тs – діаграмі. Цикл Карно в Т – діаграмі ……………………………..………... 28

Лекція 10 Тема 2.7 Реальні гази. Водяна пара ……………………………………………………. 32

Водяна пара. Основні поняття і визначення. Процес пароутворення в Рv – діаграмі.

Таблиці термодинамічних властивостей води і водяної пари. Визначення

термодинамічних параметрів води і водяної пари ……………………... ……………... 32

Лекція 11 Тема 2.8 Вологе повітря …………………………………………………………………. 38

Вологе повітря. Абсолютна і відносна вологості повітря. Характеристики вологого

вологого повітря. Іd– діаграма. Графічне зображення термодинамічних процесів із

вологим повітрям на Іd– діаграмі та їх розрахунок ……………………………….…... 38

 

Вступ

Мета написання конспекту лекцій з дисципліни „Теплотехніка” для студентів другого курсу спеціальності 5.05060103 „Монтаж і обслуговування теплотехнічного устаткування і систем теплопостачання” Запорізького гідроенергетичного коледжу Запорізької державної інженерної академії є надання допомоги з опрацювання теоретичного матеріалу через наявність великої кількості підручників. Конспект лекцій є стислим, але достатнім і повним викладенням матеріалу згідно вимог до знань і вмінь у відповідності до освітньо-кваліфікаційної характеристики (ОКХ) освітньо-професійної програми (ОПП) молодшого спеціаліста – техніка-теплотехніка.

Конспект лекцій є допомогою при підготовці до:

- практичних і лабораторних занять;

- семінарських занять;

- модульних контрольних робіт;

- комплексної контрольної роботи (ККР);

- екзамену.

ЗАГАЛЬНА ЧАСТИНА

Мета і задачі дисципліни. Структурні модулі

Теплотехніка – це наука, яка вивчає закономірності перетворення енергії. Вивчення теоретич-них основ теплотехніки (технічної термодинаміки і теплопередачі) має за мету створення загальної бази для наступного засвоєння особливостей улаштування і роботи теплоенергетичних установок і систем. Вивченням останніх займаються спеціальні дисципліни, котрі мають більш конкретний при-кладний характер.

Завданням „Теплотехніки” є отримання знань про процеси, що відбуваються в теплових дви-гунах, компресорних машинах, сушильних та холодильних установках, про підвищення їх економіч-ності і властивості робочих тіл.

В результаті вивчення дисципліни студенти повинні знати:

- основні параметри стану робочого тіла, визначення та одиниці вимірювання;

- закони і рівняння стану ідеального газу;

- види теплоємностей;

- термодинамічні процеси;

- перший і другий закони термодинаміки;

- властивості водяної пари і вологого повітря як робочих тіл і теплоносіїв;

- цикли паросилових установок;

- теплообмінні апарати;

- закономірності теплообміну між тілами;

повинні вміти:

- визначати параметри стану робочого тіла, газових сумішей при їх заданні різними способами;

- застосовувати закони і рівняння стану ідеального газу при розв’язку задач;

- розраховувати різні види теплоємностей і визначати кількості теплоти при нагріванні

(охолодженні);

- аналітично розглядати термодинамічні процеси, досліджувати їх в термодинамічних діаграмах;

- застосовувати графічний і табличний методи розрахунку процесів з водяною парою і вологим

повітрям;

- визначати теплові потоки, температури при передачі теплоти теплопровідністю, конвекційним

теплообміном, випромінюванням і теплопередачею.

Дисципліна „Теплотехніка” є базовою технічною дисципліною для вивчення усіх фахових і профілюючих дисциплін. Отримані студентами знання і вміння використовуються при вивченні дис-циплін „Котельні установки і водопідготовка”, „Гідравліка. Гідравлічні машини”, „Опалення, венти-ляція і кондиціювання повітря”, „Теплотехнічне обладнання”, „Теплопостачання” тощо.
Контролюючими заходами з дисципліни є усні опитування під час семінарських і практичних занять, включення питань курсу дисципліни, винесених на самостійну роботу, в модульні і підсумко-вий контроль.

 

Перелік рекомендованої літератури

1 Костерев Ф.М., Кушнырев В.И. Теоретические основы теплотехники. – М.: Энергия, 1978. - 360 с.

2 Чернов А.В. и др. Основы гидравлики и теплотехники. – М.: Энергия, 1975. - 416 с.

3 Лариков Н.Н. Общая теплотехника. – М.: Стройиздат, 1966. - 446 с.

4 Кузовлев В.А. Техническая термодинамика и основы теплопередачи. /Под ред. Л.Р. Стоцкого. –

М.: Высшая школа, 1983. – 335 с.

5 Лабай В.Й. Тепломасообмін. – Львів: Тріада Плюс, 2004. – 260 с.

 

 

ВИКЛАДЕННЯ ТЕОРЕТИЧНОГО МАТЕРІАЛУ

Лекція 1

 

Вступ

 

Наука, яка займається дослідженням методів використання хімічної енергії палива, вивченням законів перетворення цієї енергії в теплову і механічну, вивченням речовин, що беруть участь в цих перетвореннях (паливо, вода, продукти згоряння палива – димові гази, водяна пара, повітря тощо), називається теплотехнікою (ТТ).

Теплотехніка

 

 

Термодинаміка (ТД) Теорія теплопередачі

(або теорія теплообміну)

 

Теоретичний розділ теплотехніки, в якому вивчаються закони перетворення і властивості теплової енергії, називається термодинамікою.

Теоретичний розділ теплотехніки, в якому займаються вивченням процесів безпосереднього використання теплоти, називається теорією теплопередачі.

Теплова енергія = теплота

Механічна енергія = робота

 

РОЗДІЛ 1 ОСНОВИ ТЕОРІЇ ТЕПЛОПЕРЕДАЧІ

Тема 1.1 Теплопровідність

План

1 Предмет і задачі теорії теплообміну. Види переносу теплоти.

2 Основні положення теорії теплообміну.

3 Стислі відомості про механізм процесу теплопровідності. Закон Фур’є.

 

1 Теплообмін – це наука про самочинні незворотні процеси перенесення теплоти в просторі, тобто про обмін внутрішньою енергією між окремими елементами і ділянка-ми розгляданого середовища.

Самочинний процес перенесення теплоти в просторі виникає під дією різниці температур і скерований в напрямку її зменшення. Закономірності перенесення тепло-ти і кількісні характеристики цього процесу є предметом дослідження теорії тепло-обміну (теплоперенесення). Теплота може поширюватись у будь–яких речовинах і навіть через вакуум. Перенесення теплоти здійснюється 3 основними способами:

1) теплопровідністю; 2) конвекцією; 3) тепловим випромінюванням (або радіацією).

Теплопровідність – це процес перенесення теплоти (енергії) мікрочастками в ті-лах (або між ними), зумовлений змінністю температури в розгляданому просторі. У всіх речовинах теплота поширюється теплопровідністю. Молекули, атоми, електрони та інші мікрочастки, які містяться в речовині, рухаються зі швидкостями, пропорцій-ними їх температурі, і переносять енергію з зони з вищою температурою в зону з ниж-чою. Теплопровідність в чистому вигляді частіше зустрічається в твердих тілах.

Конвекція теплоти – це процес перенесення теплоти під час переміщення мак-роскопічних об’ємів рідини або газу (текучого середовища) в просторі з зони з однією температурою в зону з іншою. При цьому перенесення теплоти конвекцією нерозрив-но пов’язано з перенесенням самого середовища (рідини або газу). Конвекція можли-ва лише в текучому середовищі. Завжди супроводжується теплопровідністю. Спіль-ний процес перенесення теплоти конвекцією і теплопровідністю називається к онвек-ційним теплообміном. Конвекцією можна переносити теплоту на великі відстані. Наприклад, від ТЕЦ (теплоелектроцентралі) теплота переноситься завдяки трубам ру-хомою гарячою водою на десятки кілометрів для опалення житлових будинків і про-мислових споруд. Рухоме середовище (в даному випадку – гаряча вода), яке викорис-товується для перенесення теплоти на відстань, називається теплоносієм. На практиці часто зустрічається конвекційний теплообмін між потоками рідини або газу і поверх-нею твердого тіла. Цей процес отримав назву конвекційна тепловіддача, або просто тепловіддача (теплота віддається рідиною або газом поверхні або навпаки).

Теплове випромінювання – це процес перенесення теплоти електромагнітними хвилями, зумовлений тільки температурою і оптичними властивостями випроміню-вального тіла. При цьому внутрішня енергія тіла (середовища) перетворюється в енер-гію випромінювання. Процес перетворення внутрішньої енергії речовини в енергію випромінювання, перенесення випромінювання і його поглинання речовиною назива-ється теплообмін випромінюванням. Завдяки випромінюванню теплота переноситься у всіх промене-прозорих середовищах, зокрема у вакуумі, наприклад, в космосі, де це єдино можливий спосіб перенесення теплоти між тілами.

В природі і техніці елементарні процеси перенесення теплоти – теплопровід-ність, конвекція і випромінювання – часто відбуваються разом. Процеси теплопровід-ності і конвекційного теплообміну може супроводжувати теплообмін випромінюван-ням. Теплообмін, зумовлений спільним перенесенням теплоти випромінюванням і теп-лопровідністю, називають радіаційно – кондуктивним. Якщо перенесення теплоти здійснюється додатково і конвекцією, такий процес називають радіаційно – конвек-ційним теплообміном. Іноді радіаційно – кондуктивне і радіаційне – конвекційне перенесення теплоти називають складним теплообміном.

В довкіллі відбуваються процеси теплообміну між різними рідинами, розділени-ми твердою стінкою. Процес перенесення теплоти від гарячої рідини (газу) до холод-

ної через розподільну стінку називається теплопередачею. Теплопередача здійснюєть-ся різними процесами теплоперенесення. Так, наприклад, парогенерувальні труби ко-тельного агрегату отримують теплоту від продуктів згоряння палива внаслідок радіа-ційно - конвекційного теплообміну. Через шар зовнішнього забруднення, металеву стінку і шар накипу теплота переноситься теплопровідністю. Від внутрішньої поверхні труби до рідини, котра її обмиває, теплота переноситься конвекційним теплообміном (тепловіддачею).

Процеси теплообміну можуть відбуватися в різних середовищах і різних сумі-шах, під час зміни і без зміни агрегатного стану робочих середовищ тощо. Залежно від цього теплообмін відбувається по різному і описується різними рівняннями.

 

2 Перенесення теплоти теплопровідністю залежить від розподілення температури в об’ємі тіла. Одним з основних понять є т емпературне поле -сукупність значень температури у всіх точках тіла в даний момент часу. Загалом температура є функцією трьох просторових координат і часу. Тому математичне описання температурного по-ля матиме вигляд:

(1.1)

Часто температурне поле змінюється тільки по одній або двох просторових ко-ординатах, відповідно температурне поле буде одномірним () або двомірним (). Крім цього, розрізняють стаціонарне (усталене або стале) поле, коли температура у всіх точках тіла не змінюється з часом , і нестаціонарне (неус-талене або нестале), коли . Температурне поле може також бути однорідним і неоднорідним. Однорідне температурне поле – це поле однакових температур, коли всі точки тіла характеризуються одним і тим же значенням температури. Для здій-нення перенесення теплоти теплопровідністю необхідне неоднорідне температурне поле, коли в різних точках тіла температура різна.

При переході від точки до точки в тілі температура змінюється не стрибком, а більш–менш плавно. Завжди можна знайти декілька точок з однаковою температурою. З’єднавши такі точки, отримують поверхню однакової температури, котра носить наз-ву ізотермічної. Кожній ізотермічній поверхні відповідає своє значення температури. Можна побудувати в тілі багато ізотермічних поверхонь, така картина дасть наочну уяву про температурне поле в тілі. Ізотерми ніколи не перетинаються, бо в цьому ви-падку точка перетину буде мати дві різні температури, що фізично неможливо. Уздовж ізотерми температура не змінюється, значить, і перенос теплоти в цьому напрямку не відбувається. Найбільш сильно температура змінюється в напрямку, нормальному (тобто перпендикулярно до дотичної) до даної ізотермічної поверхні. Інтенсивність зміни характеризується величиною, яка носить назву градієнта температури () – це вектор, направлений по нормалі до ізотермічної поверхні в бік зростання темпера-тури (рисунок 1.1). Він є межею відношення зміни температури () між двома су-сідніми ізотермічними поверхнями до відстані () по нормалі, якщо :

. (1.2)

Для характеристики інтенсивності поширення теп-

лоти в температурному полі введено поняття щіль-

ність теплового потоку () – це кількість теплоти

(Дж), яка передається через одиницю площі ізотер-

мічної поверхні (1 ) за одиницю часу (1с):

.

Рисунок 1.1 - До визначення Щільність теплового потоку – вектор, направлений

щільності теплового потоку по нормалі до ізотермічної поверхні, але в бік змен-

шення температури (рисунок 1).

Загальну кількість теплоти, яка передається через поверхню впродовж часу, можна визначити по формулі

, Дж (1.3)

 

3 Цей закон встановлює кількісний зв’язок між температурним полем в тілі та інтен-сивністю поширення в ньому теплоти шляхом теплопровідності (за рахунок руху мік-рочасток). Закон визначає зв’язок вектору щільності теплового потоку з вектором гра-дієнту температури. Згідно закону Фур’є вектор щільності теплового потоку про-порційний вектору градієнту температури, але направлений в протилежний бік

, (1.4)

де знак „мінус” показує, що вектори направлені в протилежні боки;

- коефіцієнт пропорційності, який називають коефіцієнтом теплопро-

відності. Є індивідуальною фізичною властивістю кожної речовини.

Чисельно дорівнює щільності теплового потоку при градієнті темпе-

ратури 1 : , (1.5)

Закон Фур’є був встановлений дослідним шляхом в результаті вимірювання кількості теплоти , Дж, котра проходила за час при стаціонарному режимі експе-риментальної установки через стіну невеликої товщини з площею при різниці тем-ператур на її поверхнях , яка також підтримувалася невеликою. Результати дослідів показали, що величина визначається виразом:

, (1.6)

де коефіцієнт теплопровідності залишається постійним, якщо середня температура

стінки змінюється в дослідах не дуже сильно. На підставі цих дослідів був сфор-

мульований закон, який використовується в розрахунках процесів теплопровід-

ності.

 

Лекція 2