В. В. Кузнецова, О. В. Смородова

ТЕПЛОТЕХНИКА

Курс лекций специальности

По направлению 657300 (ОКСО 130600)

 

 

УФА 2007

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................
ЛЕКЦИЯ 1. Предмет и метод термодинамики.....................................................................
Термодинамическая система.............................................................................
Термодинамические параметры состояния.....................................................
Уравнение состояния.........................................................................................
Термодинамический процесс..........................................................................
Теплоемкость газов...........................................................................................
ЛЕКЦИЯ 2. Смеси идеальных газов....................................................................................
Аналитическое выражение первого закона термодинамики............................
ЛЕКЦИЯ 3. Внутренняя энергия...........................................................................................
Работа расширения..........................................................................................
Теплота................................................................................................................
Энтальпия..............................................................................................................
Энтропия..............................................................................................................
ЛЕКЦИЯ 4. Общая формулировка второго закона..............................................................
Прямой цикл Карно..............................................................................................
Обратный цикл Карно.........................................................................................
Изменение энтропии в неравновесных процессах...........................................
ЛЕКЦИЯ 5. Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах.........
Эксергия................................................................................................................
ЛЕКЦИЯ 6. Термодинамические процессы реальных газов................................................
Уравнение состояния реальных газов...............................................................
ЛЕКЦИЯ 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..........................................................................
ЛЕКЦИЯ 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.......................................................................................................
ЛЕКЦИЯ 9. Основные понятия и определения....................................................................
Теория теплопроводности...................................................................................
Задачи....................................................................................................................
ЛЕКЦИЯ 10. Теплопередача....................................................................................................
Плоская стенка....................................................................................................
Цилиндрическая стенка......................................................................................
Интенсификация теплопередачи.......................................................................
Тепловая изоляция..............................................................................................
Задачи по теплопередаче....................................................................................
ЛЕКЦИЯ 11. Конвективный теплообмен. Основной закон конвективного теплообмена.
Пограничный слой..............................................................................................
Числа подобия.....................................................................................................
Массообмен..........................................................................................................
ЛЕКЦИЯ 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..............................
ЛЕКЦИЯ 13. Описание процесса излучения. Основные определения...............................
Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде..............................
Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде.................
ЛЕКЦИЯ 14. Теплообменные аппараты................................................................................
Типы теплообменных аппаратов.......................................................................
Расчетные уравнения..........................................................................................
ЛЕКЦИЯ 15. Термодинамический анализ топливосжигающих устройств.......................
Полезная тепловая нагрузка печи.......................................................................
Расчет процесса горения топлива в печи............................................................
Тепловой баланс печи, коэффициент полезного действия, расход топлива...
ЛЕКЦИЯ 16. Котельные установки. Общие сведения........................................................
Устройство парового котла..................................................................................
Тепловой баланс парового котла. Коэффициент полезного действия.............
ЛЕКЦИЯ 17. Состав и основные характеристики жидкого топлива...................................
Состав и основные характеристики газообразного топлива.............................
Теплота сгорания топлива....................................................................................
Количество воздуха, необходимого для горения. Теплота «сгорания» воздуха.................................................................................................................
Объемы и состав продуктов сгорания..................................................................
ЛЕКЦИЯ 18. Вторичные энергоресурсы. Классификация ВЭР..........................................
Методы использования тепловых ВЭР................................................................
Установки для внутреннего теплоиспользования...............................................
Котлы-утилизаторы..............................................................................................
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................................

ВВЕДЕНИЕ

 

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.

 

 

ЛЕКЦИЯ 1

Раздел 1 Техническая термодинамика. Основные понятия и определения

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.