Параметры состояния термодинамической системы.

ТЕПЛОТЕХНИКА

 

Краткий курс лекций

 

для студентов 2 курса

направления подготовки

Технология

Продукции и организация

Общественного питания

Профиль подготовки

Технология и организация

Ресторанного дела

 

Саратов 2012

УДК 621.1 (075.8)

ББК 31.3 Я 73

К 43

Рецензенты

Доктор технических наук, профессор кафедры «Теплоэнергетика» ГОУ ВПО «СГТУ им. Гагарина Ю.А.» Николаев Ю.Е.

 

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция» ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ им. Н.И. Вавилова» Сидоров В.Е.

 

К43 Теплотехника: краткий курс лекций для студентов 2 курса специальности (направления подготовки) 260800.62 «Технология продукции и организация общественного питания»/ Сост.: Малов В.Т. // ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» - Саратов,2012. – с

Краткий курс лекций по дисциплине «Теплотехника» составлен в соответствии с рабочей программой дисциплины и предназначен для студентов направления подготовки

260800.62 «Технология продукции и организация общественного питания». Краткий курс лекций содержит материал по основным законам термодинамики термодинамическим процессам, циклам тепловых машин, основным положениям теории тепломассообмена, методики расчета теплообменных аппаратов, а также содержит вопросы потребления и сбережения топливно-энергетических ресурсов. Направлен на формирование у студентов знаний по теплотехнике, на применение этих знаний при создании и эксплуатации теплотехнических и теплоиспользующих установок в пищевых производствах.

 

 

УДК 621.1 (075.8)

ББК 31.3Я 73

 

Малов В.Т., 2012

ФГБОУ ВПО «Саратовский ГАУ» 2012

 

Введение

Теплотехника одна из важнейших технических дисциплин. Рациональное использование теплоты в различных хозяйственных отраслях невозможно без знаний основных законов термодинамики, тепломассообмена, теории тепловых процессов, вопросов энергосбережения.

Краткий курс лекций по дисциплине «Теплотехника» предназначен для студентов по направлению подготовки 260800.62 «Технология продукции и организация общественного питания». Он раскрывает основные законы и закономерности теплотехники, являющиеся базой для расчета и проектирования теплотехнических и теплоиспользующих установок. Курс нацелен на формирование ключевых компетенций, необходимых для эффективного решения профессиональных задач и организации профессиональной деятельности.

 

Лекция 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

Термодинамика

Этончука о законах теплового движения и его превращениях в другие виды движения, происходящих в макроскопических равновесных системах и при переходе систем в равновесие.

Все явления и процессы в природе представляют собой различные формы движения материи. Каждая форма движения проявляется в соответствующе виде энергии. Движение всего тела представляет собой механическую энергию движения молекул в теле – тепловую; движение электронов – электрическую; перераспределение атомов в молекулах при химических процессах образования и разложение веществ – химическую энергию и т.д.

Техническая термодинамика базируется на первом и втором законах термодинамики. Она является основой теории тепловых машин, связанных с взаимопревращением теплоты и работы.

Совокупность тел, участвующих в процессе передачи энергии от одних тел к другим, и находящихся во взаимодействии, как между собой, так и с окружающей средой, называется термодинамическая системой.

Внешняя энергия тела обусловлена его видами движением и наличием гравитационного поля Земли, а внутренняя энергия тела – невидимым движением составляющих ей молекул и наличием сил взаимодействия между ними.

Передача энергии от одного тела к другому может происходить двумя способами. Первый их них обусловлен силовым взаимодействием одного тела на другое в процессе движения. В этом случае работа осуществляется макрофизическим путем. При наличии разницы температур между телами энергия переходит от более нагретой тела к менее напряженному без совершения работы. В этом случае передаваемая энергия называется теплоустойчивый, а процесс передачи энергии – теплообменом.

Таким образом, работа есть макрофизическая, а теплота микрофизическая формы передачи энергии.

 

Вопросы для самоконтроля

1) Что называется термодинамической системой?

2) Что понимается под теплообменом?

3) Какие шкалы температуры существуют?

4) В какой взаимосвязи находятся плотность и удельный объем?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1) Шатров М.Т. Теплотехника (М.Т. Шатров, И.Е.Иванов, С.А. Пришвин. – М.: Академия, 2011. – 288с.

2) Луканин В.Н. Теплотехника /В.Н. Луканин, М.Т. Шатров, Г.М. Камфер, С.Т. Нечаев и др. – М.: Высшая школа, 2000. – 671с.

 

Дополнительная

 

1) Анальков А.Ф. Теплотехника /А.Ф. Апальков – Ростов н/д: Феникс, 2008 – 186с.

2) Кирюшатов А.И. А.И. Теплотехника. Курс лекций. /А.И. Кирюшатов. – Саратов, СГАУ, 2001. – 196с.

 

Лекция 2

ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ

2.1.Теплоемкость газов.

Теплоемкостью газа называется количество теплоты, необходимое для повышения его температуры на 1К.

Теплота направления, затрачивая на увеличение температуры единицы количества газа на 1К, называется удельной теплоемкостью.

Различают следующие удельные теплоемкости: массовую С на 1кг, объемную С’ на один нормальный кубический метр и мольную μс на 1 моль. 

Соотношение между удельными теплоемкостями следующее:

с = μс/ μ; с’ = μс/22,4.

В технической литературе принято удельную теплоемкость называть просто теплоемкостью. Теплоемкость газа зависит от его природы (атомность), температуры и характера процесса.

Теплоемкость газов с повышением температуры увеличивается.

Для одного и того же газа теплоемкость определяется характером процесса и теплообмена. Для каждого процесса существует своя теплоемкость, т.е. для изменения состояния рабочего тела на один градус в каждом термодинамическом процессе требуется различное количество теплоты. Пределы значения теплоемкости – от плюс до минус бесконечности.

Наиболее показательными являются теплоемкости изохорного С_v и изобарного С_р процессов. Молярные изохорные и изобарные теплоемкости, кДж /(кмоль*к), в зависимости от атомности имеют следующее значения:

 

Газы	μCv	μCр
Одноатомные	12,6	20,9
Двухатомные	20,9	29,3
Трех – и многоатомные	29,3	37,7

 

Из указанных в таблице данных можно установить важные связи изобарной и изохорной теплоемкостей. Для данного газа отношение теплоемкостей и их разница имеют совершенно определенные значения:

μC_р/μC_v  = C_р/C_v = к

 

                                        μC_р - μC_v = μ R

                                      } закон Майера

                                          C_р - C_v = R

 

В этих соотношения к – показатель адиабаты; μ R – универсальная газовая постоянная, равна 8314,3 Дж/(кмоль); R – индивидуальная газовая постоянная.

В ходе термодинамического процесса теплоемкости газа зависит от параметров его состояния, т.е. C = f (T, P).

Для идеального газа теплоемкость не зависит от давления. Следовательно, теплоемкость этих газов есть C = f (T).

По отношению к температуре различаются теплоемкость постоянная, т.е. не зависимая от температуры C ≠ f (t), и переменная C = f (t). В приближенных расчетах часто пренебрегают зависимостью теплоемкости от температуры и считают ее постоянной.

Переменная теплоемкость может быть представлена как истинная теплоемкость при данной температуре С = dq / dt и как средняя теплоемкость в данном интервале температур Cm = q /∆ t где q – теплота в термодинамическом процессе.

Значение истиной теплоемкости получают при помощи специального анализа. Для этих значений подбирают интерполяционные формулы, указывающие на нелинейнуй зависимость теплоемкости от температуры:

c = a+bt+dt²+….

где a, b, d – постоянные коэффициенты, зависящие от природы газа и характера процесса.

Первый закон термодинамики.

Одним из основных законов природы является закон сохранения энергии.

Первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения и превращения энергии применительно к процессам взаимно превращения различных видов энергии, включая теплоту и работу. Он утверждает: энергия изолированной термодинамической системы остается неизменной, независимо от того, какие процессы в ней протекают.

Термодинамическим процессом принято называть совокупность последовательных состояний рабочего тела при его теплотехническом взаимодействии с окружающей средой. Для того, чтоб термодинамический процесс был равновесным, он должен совершаться бесконечно медленно. Так как все реальные процессы происходят при конечных разностях давлений и температур, то все они неравновесны.

Обратимыми называются такие термодинамические процессы, которые могут быть проведены как в прямом направлении (расширенные), так и в обратном (сжатые) через одну и туже последовательность промежуточных состояний с возвращением в исходное состояние, как самого рабочего тела, так и окружающей среды. Обратимый процесс должен быть равновесным и происходить без трения и вихреобразования, для того чтобы работа не превращалась необратимо в теплоту.

Поскольку в природе все реальные процессы неравновесны, то,следовательно, они и необратимы.

Обратимые процессы являются некоторым пределом, к которому приближаются все необратимые реальные процессы.

При рассмотрении термодинамического процесса в самом общем случае подводимая к рабочему телу теплота расходуется на изменения внутренней энергии ∆u и совершение механической работы L, поэтому математическое выражение первого закона термодинамики для произвольного количества рабочего тела имеет вид

Q = ∆u + L

для 1кг рабочего тела

q = ∆u + e

в дифференциальной форме

dq = du + d e

Внутренняя энергия реального газа является функцией состояния, т.е. функцией его параметров. Поэтому изменение внутренней энергии может выразить функцией двух любых параметров состояния.

∆u = u₂ – u₁

Элементарного процесса du = c_v * dT, где c_v – теплоемкость газа при ʋ = const.

Механическая работа L газа зависит от характера процесса.

Рассмотрим работу произвольного количества газа М в цилиндре при перемещении поршня с площадью f на расстояние ds. Поршень перемещается их точки 1 в точку 2.

 

ds

2

1

0

2

1

dL

dv

2^111111

1^1

P2

P

P1

P

V

 

 

В виду малости ds будем считать давление в цилиндре в процессе этого элементарного перемещения поршня постоянным и равным P. Тогда абсолютная работа, совершаемая газом при расширении, т.е. работа перемещения поршня под действием силы F=f*P равна dL=F*ds=P*f*ds

Произведение = dv – изменение объема, следовательно, dL=P*dv

Графически элементарная работа dL соответствует заштрихованной площадке.

Для 1кг газа элементарная механическая работа газа d e = P*dʋ

Если величина Р переменная, то полную работу на участок 1…2 процесса можно определить как

                                                       v₂

L = S P*dv

                                                       v₁

Работа L на участке 1…2 в PV координатах соответствует площади      1-2-2’-1’, расположенная под кривой характеризующей процесс.

Необходимо учитывать, что полученные для определения механической работы формулы справедливо только для равновесных и обратимых процессов. Площадь, ограниченная кривой, характеризующей процесс в PV координатах, соответствует работе только обратимого процесса.

Таким образом для элементарной механической работы газа дифференциальное выражение первого закона термодинамики записывает в виде:

dq = du+d e =c_vdT+P*dʋ

 

Энтальния.

Если учесть, что дифференциальные выражения работы de = P*dʋ может быть представлено в виде разности pdʋ=d(Pʋ)- ʋdp, то уравнение первого закона термодинамики в дифференциальной форме можно записать в виде

dq = du + d(Pʋ) – ʋdP = d(u+Pʋ) – ʋdP

Сумма внутренней энергии u и произведение Pʋ представляет собой функцию состояния газа, называемую энтальнией:

i = u + Pʋ

где Pʋ – работа проталкивания, численно равная работе, которую необходимо затратить, чтобы объем ʋ «протолкнуть» с давлением P.

Таким образом, с учетом последнего равенства дифференциальные выражение первого закона термодинамики имеет вид:

 

dq = di – ʋdP = C_p * dT – ʋdP

Это выражение называется второй дифференциальной формулой первого закона термодинамики.

Энтрония.

Энтронией S называется функция состояния рабочего тела, изменение которого термодинамическом процессе удовлетворяет равенству

ds = dg / T

где dg и T – соответственно теплота и температура элементарного процесса.

В любом обратимом термодинамическом процессе с подводом или отводом теплоты изменение энтронии определяют по выражению:

    ₂

∆S= S₂ – S₁ = S dq/T.

    ¹

Отношение dq/T  называется элементарной приведенной теплотой.

Энтрония изолированной системы изменения, если в ней происходят обратимые процессы. Если в изолированной системе происходят необратимые процессы, то ее энергия увеличивается. Таким образом, необратимость процессов вызывает возрастание энтронии и, следовательно, она является функцией состояния рабочего тела, которая при любых процессах в изолированной системе не может уменьшаться. Поскольку все реальные процессы необратимы, то энтрония изолированной системы может только возрастать.

Так как одним из основных проявлений необратимости термодинамических процессов является самопроизвольный переход теплоты от нагретых тел к холодным, то энтрония также является критериям оценки направленная реальных процессов, проходящих в изолированной системе.

Так как энтрония S однозначно определяется состоянием тела, т.е. является функцией состояния, то она может приниматься в качестве одной из параметров при графическом исследовании термодинамических процессов.

 

Вопросы для самоконтроля

1) Что называется теплоемкостью?

2) Как связаны массовая, объемная и мольная теплоемкости?

3) Основные положения закона Майера.

4) Формулировка и математическая запись первого закона термодинамики.

5) Термодинамические параметры – энтальния и энтрония

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1) Шатров М.Т. Теплотехника /М.Т. Шатров, И.Е.Иванов, С.А. Пришвин. – М.: Академия, 2011. – 288с.

2) Луканин В.Н. Теплотехника /В.Н. Луканин, М.Т. Шатров, Г.М. Камфер, С.Т. Негаев и др. – М.: Высшая школа, 2000. – 671с.

 

 

 Дополнительная

1. Кирюшатов А.И. Теплотехника. Курс лекций./А.И. Кирушатов.– Саратов, СГАУ, 2001. – 196с

2. Матвеев Т.А. Теплотехника. / Т.А. Матвеев. – М.: Высшая школа, 1981. – 426с.

 

Лекция 3

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

 

Изохорный процесс.

В P- ʋ – координатах этот процесс изображает прямая 1 – 2 параллельной оси ординат

Управление прямой 1 – 2, называемой изохорой ʋ = const В T-S  координатах логарифмическая зависимость.

T

P

V

2

1

21

2

1

21

S

Зависимость между начальными и конечными параметрами процесса

P₁/P₂ = T₁/T₂ – закон Шарля.

 

Изменение внутренней энергии

∆u_v  = q_v = c_vm(t₂ – t₁)

Если в процессе участвуют М или V_H количество газа, то количество тепла или изменение внутренней энергией газа подсчитывается по формуле

g_ʋ = ∆u_ʋ = M * c_vm (t₂ – t₁) = V_{H *} c_vm * (t₂ – t₁)

где: V_H - количества газа в м³ при нормальных условиях.

В изохорном процессе газ работы не совершает L=0

Изменение энтронии определяется по формуле

∆S_v = S₂ – S₁ = c_v * e _H (T₂/T₁)

Изобарный процесс.

В диаграмме P-ʋ этот процесс изображается прямой 1-2, параллельной оси абсцисс. Уравнение прямой 1-2 называется изобарой. p = const.

В T-S диаграмме изобарный процесс изображается логарифмической функцией. Так c_p>c_v, то в T-S диаграмме изобара идет положе изохоры.

1

2

2^1

V

P

p = const

ʋ – const

1

2

2^1

S

T

Зависимость между начальным и конечным параметрам процесса

ʋ₁/ʋ₂ = T₁/T₂ закон Гей -Люссака

Работа 1кг газа

e = p(ʋ₂ - ʋ₁) = R (T₂ – T₁)

Для М кг газа

∆ = M*p(ʋ₂ - ʋ₁) = p(V₂ – V₁) = MR(t₂ – t₁)

Если в процессе p = const участвует Мкг или V_H м³ газа, то количества тепла подсчитывается по формуле

g_p = M c_pm(t₂ – t₁) = V_H * c_pm * (t₂ – t₁)

где: V_H – количества газа в м³ при нормальных условиях.

Изменение внутренней энергии газа определяется по формуле

∆u = c_vm(t₂ – t₁)

Изменение энтронии находится из выражения

∆S_p = S₂ – S₁ = c_p * e _H (T₂ / T₁).

 

Изотермический процесс.

Кривая изотермического процесса, называемая изотермой, в p-ʋ координатах изображаемая равнобокой гиперболе. Уравнение изотермии pʋ = const. В T-S координатах изотермический процесс изображается прямой, параллельной оси абсцисс. T = const.

T

P   1

 

    

pʋ = const

 

 

2^1      1        2

S

2

V

                               

Зависимость между начальными и конечными параметрами определяется по формулам

P₁/P₂ = Ʋ₂/Ʋ₁ закон Бойля-Мариотта

Работа 1кг идеального газа определяется из уравнений

e = R*T* e _H (Ʋ₂/Ʋ₁);

e = R*T* e _H(P₁/P₂);

e = P₁* Ʋ₁* e _H(Ʋ₂/Ʋ₁);

e = P₁* Ʋ₁* e _H(P₁/P₂);

Если в процессе участвуют М кг газа, то полученные из приведенных выше формул значения нужно увеличить в М раз.

Так как в изотермическом процессе t = const, то для идеального газа

∆u = c_ʋm(t₂ – t₁) = 0

Количество тепла. Подводимого к газу отводимого от него, равно

q_t = e, так как ∆u= 0

 

Изменение энтронии в изотермическом процессе

∆S = S₂ – S₁ = R* e _H*(Ʋ₂/Ʋ₁) = R* e _H*(P₁/P₂)

Теплоемкость изотермического процесса

С_t = ± ∞.

 

Адиабатный процесс.

Уравнение адиабаты в системе P-Ʋ координат при постоянной теплоемкости (C_Ʋ = const) для идеального газа PƲ^K = const

где k = c_p/c_ʋ – показатель адиабаты. 

В адиабатном процессе S = const.

Адиабатный процесс графически изображается следующим образом

PƲ=const(T=const)

2^1     1     2

S

T

2

1

V

P

PƲ^K= const(S=const)

Постольку показатель адиабаты K>1, то в PƲ координатах линия адиабаты идет круче изотермы.

Зависимости между начальными и конечными параметрами процесса следующие

P₂ /P₁= (Ʋ₁/ Ʋ₂)^K,

T₂ / T₁ = (Ʋ₁/ Ʋ₂)^K-1,

T₂ / T₁ = (P₂ /P₁)^K-1/K,

Работа 1кг газа определяется по следующим формулам

e = 1/K-1(P₁ Ʋ₁- P₂ Ʋ₂),

e = P₁ Ʋ₁/ K-1[1- (Ʋ₁/ Ʋ₂)^K-1],

e = R/K-1(T₁-T₂),

e = P₁ Ʋ₁/ K-1[1-(P₂ /P₁)^K-1/K].

Для определения работы М кг газа нужно в приведенных выше формулах заменить удельный объем Ʋ полным объемом V газа. Так как q = const;   dq = 0, то уравнение первого закона термодинамики для адиабатного процесса имеет следующий вид

0 = du+d e;

Следовательно,

du = -d e

или

∆u = - e

т.е. изменение внутренней энергии газа и работа адиабатного процесса равна по величине и противоположны по знаку. Изменение внутренней энергии идеального газа в адиабатном процессе может также быть выражено зависимостью

∆u = c_ʋm(t₂-t₁)

 

Политронный процесс.

Уравнение политроны в системе координат P-Ʋ при постоянной теплоемкости

P-Ʋ^m = const

где m – показатель политроны.

Характеристикой политронного процесса является величина φ = ∆ʋ/q, (коэффициент разветвления техники) которая может быть определена из выражения

φ = m-1/m-k,

Где m – показатель политроны, а K = c_p/c_ʋ – показатель адиабаты.

 

m±∞

m=1

a

V

2

1

P

m=0

m=0

m=1

m±∞

m=k

m=k

P

б

 

Пользуясь рис. б, можно по величине показателя политроны определить ее относительное расположение в P-Ʋ координатах, а также выяснить характер процесса, т.е. имеет ли место подвод или отвод тепла и увеличение или уменьшение внутренней энергии газа.

Зависимость между начальными и конечными параметрами политронного процесса следующие:

P₂/P₁= (Ʋ₁/Ʋ₂)^m,

T₂/T₁= (Ʋ₁/Ʋ₂)^m-1, T₂/T₁= (P₂/P₁)^m-1/m,

Работа 1кг газа в политронном процессе определяется по следующим формулам:

e = 1/m-1(P₁Ʋ₁- P₂ Ʋ₂)

e = P₁Ʋ₁/ m-1[ 1- (Ʋ₁/Ʋ₂)^m-1]

e = P₁Ʋ₁/ m-1[ 1- (P₂/P₁)^{m -1/m}]

e = R/m-1(T₁-T₂).

 

Вопросы для самоконтроля

1) Изохорный процесс.

2) Работа газа в изобарном процессе.

3) Связь между параметрами в изотермическом процессе.

4) Политронный процесс – как общий случаю термодинамических процессов.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1. Анальков А.Ф. Теплотехника. / А.Ф. Анальков. – Ростов н/д: Феникс, 2008. – 186с,

Дополнительная

 

1. Захаров А.А. Применение тепла в сельском хозяйстве. / А.А. Захаров. – М.: Колос, 1980. – 173с.

2. Матвеев Т.А. Теплотехника. / Т.А. Матвеев. – М.: Высшая школа, 1981. – 426с.

 

 

Лекция 4

ЦЫКЛЫ ТЕПЛОВЫХ МАШИН

Второй закон термодинамики.

                                                                                    

Первый закон термодинамики, утверждая взаимопревращаемость теплоты энергии не равноценны. Так естественные, самопроизвольны процессы имеют определенную направленность, а именно, они протекают в сторону достижения системой равновесного сочетания. На практике не обнаружено случаев самопроизвольного перехода теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой опыт показывает, что в круговом процессе при непрерывном превращении теплоты в работу, что является основой тепловых двигателей, не вся подведенная к рабочему телу теплота может быть превращена в работу.

Второй закон термодинамики обобщает особенности теплоты как формы передачи при макрофизическом подходе к явлению природы. Он выражает закон о существовании энтронии и определяет закономерность ее изменения при протекании обратимых и необратимых процессов в изолированных системах.

Второй закон термодинамики формулируется следующим образом: некомпенсированный переход (т.е. затраты определенной работы) теплоты от тела с меньшей температурой телу с большей температурой невозможен.  

Водяной пар. Общие положения.

Изобразим в P-Ʋ координатах диаграмму для водяного пара:

 

 

Насыщенность пара

3

K

x=1

x=const

х=0

2

1

V

Р

Ж И Д К О С Т Ь

Л Ё Д

Перегретый пар

 

Кривой 1 – соответствует вода при 0 ⁰с, кривой 2 – вода при температуре кипения (или температуру насыщения) и кривой 3 – сухой насыщенный пар.

Кривую 2 называют нижней пограничной кривой, кривую 3 верхней пограничной кривой, а точку К, разделяющую обе пограничные кривые называют критической.

Кривые 1, 2 и 3 делят всю диаграмму на четыре части: область между кривыми 1 и 2 – жидкость, область между кривыми 2 и 3 – смесь кипящей жидкости и пара, влажный насыщенный пар, и область правее кривой 3 – перегретый пар. Критическая точка K характеризует критическое состояние, при котором исчезает различие в свойствах пара и жидкости.

Критическая температура является наивысшей температурой жидкости и ее насыщенного пара. При температурах выше критической возможно существование только перегретого пара.

Критические параметры водяного пара следующие:

t_кр = 374,15⁰с,

p_кр = 221,29бар,

ʋ_кр =0,00326 м³/кг.

 

Состояние сухого насыщенного пара определяется его давлением или температурой.

Состояние влажного насыщенного пара определяется его давлением или температурой и степенью сухости Х.

Значение Х=0 соответствует воде в состоянии кипения, а Х=1 – сухому насыщенному пару.

Температура влажного пара, есть функция только давления, и определяется так же, как и температура сухого пара. Удельный объем влажного пара зависит от давления и от степени сухости.

Циклы холодных установок.

Холодные установки служат для охлаждения тел ниже температуры окружающей среды. Рабочее тело в холодных машинах совершает обратный круговой процесс, в котором затрачивается работа, подводимая извне, и отнимается тепло от охлажденного тела.

Идеальным циклом холодных машин является обратный цикл Карно.

В результате осуществления этого цикла затрачивается работа e ₀ и тепло q от холодного тела переноситься к более нагретому.

 

1-2 – процесс адиабатного расширения объемного тела; 2-3 – процесс изотермического отвода теплоты; 3-4 - процесс адиабатного сжатия рабочего тела; 4-1 – процесс изотермического подвода теплоты;

S

e 0

T   T   T0

2

q0

4   3

q

 

 

Отношение отведенного от охлаждающего тела тепла q₀ (произведенного холода) к затраченной работе q-q₀ называется холодным коэффициентом и является характеристикой экономичности холодной машины:

ε _x = q₀/ q-q₀ = q₀/ e ₀.

В качестве холодильных хлодоагентов применяют воздух и жидкость с низкими температурами кипения: аммиак, углекислый газ, фреоны.

 

4.6.Цикл воздушной холодильной установки.

Изобразим схему воздушной холодильной установки

P2

1

2

3

4

5  P1   4             1

6 3         2

V

P

 

 

 

Охлаждаемое помещение -1 или холодильная камера, в которой по трубам циркулирует охлажденный воздух; компрессор -2; всасывающий этот воздух и сжимающий его; охладитель -3; в котором охлаждается сжатый в компрессоре воздух; расширительный цилиндр -4; в котором воздух расширяется, совершая при этом работу, и понижали свою температуру. Из расширительного цилиндра воздух направляют в холодильную камеру -1, где он, отнимая тело от охлаждаемых тел, нагревается и вновь поступает в компрессор -2. В дальнейшем этот цикл повторяется.

Приведен теоретический цикл воздушной холодильной установки в P-Ʋ координатах. Точка -1 - характеризует состояние воздуха поступающего в компрессор; линяя 1-2 - процесс адиабатного сжатия в компрессоре; точка -2 - состояние воздуха, поступающего в охладитель; точка -3 – состояние воздуха, поступающего в расширительный цилиндр; линия 3-4 – адиабатный процесс расширения; точка -4 – состояние воздуха, поступающего в холодильную камеру (охлаждаемое помещение), линия 4-1 – процесс нагревания воздуха в этой камере. Площадь 1-2-6-5-1 – работа, затраченная компрессором, на сжатие. Площадь 3-6-5-4-3 работа, полученная в расширительном цилиндре – 4. Следовательно, затрачиваемая работа, в теоретическом цикле воздушной холодильной установки измеряется площадью 1-2-3-4, а количество тепла, воспринятого от охлажденных тел, равно количеству тепла, полученного воздухом в процессе 4-1.

 

Вопросы для самоконтроля

1) Как формулируется второй закон термодинамики? Его математическая запись.

2) Диаграмма водяного пара в P-Ʋ координатах.

3) Цикл назначение установки.

4) Какого назначение холодильных машин. Цикл воздушной холодильной установки.

С ПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

Основная

1) Шатров М.Т. Теплотехника /М.Т. Шатров, И.Е.Иванов, С.А. Пришвин. – М.: Академия, 2011. – 288с.

 

Дополнительная

1) Кирюшатов А.И. Теплотехника. Курс лекций./А.И. Кирушатов.– Саратов, СГАУ, 2001. – 196с.

2) Захаров А.А. Применение тепла в сельском хозяйстве. / А.А. Захаров. – М.: Колос, 1980. – 173с

Лекция 5

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

 

Конвективный теплообмен.

Конвективный теплообмен между движущийся средой (жидкостью или газом) и поверхностью раздела, например стенкой – называется теплоотдачей.

В газах и жидкостях наряду с передачи теплоты теплопроводностью существует и второй вид передачи теплоты конвекцией. Процесс передачи теплоты конвекцией связан с переносом самой средой.

Поверхностная плотность теплового потока, передаваемого конвекцией q =L(t₁-t₂) – закон Ньютона - Рихмана. Где L – коэффициент теплопередачи [Вт/(м³*⁰с)]

t₁-t₂ - разность температуры между газом и твердым телом.

Коэффициент теплопередачи зависит от формы, размера и температуры поверхности твердого тела и от скорости, температуры, теплоёмкости и теплопроводности движущегося газа. Коэффициент теплопередачи учитывает передачу теплоты конвекцией и теплопроводностью.

Коэффициент теплоотдачи при свободном движении газа зависит от расположения поверхности в пространстве.

В связи с трудностями аналитического или численного расчета коэффициента передачи, на практике широкое распространение получила теория подобия.

Геометрическое подобие выражается в пропорциональности сходных линейных размеров тел.

Для подобия явлений требуется, чтобы были подобны поля всех физических величин, существенных для процесса. Для подобных явлений должны быть равны критерии подобия – безразмерные комплексы, составленные из размерных физических величин, существенных для данного процесса.

Теория подобия используется для обобщения результатов экспериментального исследования и получения расчетных зависимостей. Полученные с ее использованием критериальные уравнения справедливы только в исследованном диапазоне изменения определяющих критериев подобия, поэтому их … за указанные пределы может привести к значительным ошибкам в расчетах.

 

Лучистый теплообмен.

Тепловое излучение представляет собой процесс превращения внутренней энергии излучающее тело в энергию электромагнитных колебаний. Излучение электромагнитных волн свойственно всем телам. Они обладают как волновым, так и корпускулярными свойствами, а именно непрерывностью электромагнитных волн и дискретностью испускаемых частиц – фотонов.  

Передача теплоты излучением от одного тела к другому происходит следующим образом. Часть тепловой энергии тела превращается в лучистую энергию и в виде электромагнитных волн распространяются в пространстве со скоростью света. Выделяя на своем пути твердые, жидкие или газообразные тела, тепловые лучи частично поглощаются, частично отражаются и в некоторых случаях частично проходят сквозь эти тела. Поглощенные лучи снова превращаются в тепловую энергию

gд

gk

g0

gА

 

Общее количество теплоты, излучаемое поверхностью F в единицах времени, называют лучистым тепловым потоком g.

Величину лучистого теплового потока, отнесенную к единице поверхности, называют поверхностной плотностью лучистого теплового потока E.

E = g/F.

Допустим, что на тело падает лучистый поток g₀, часть которого g_А поглощается телом, часть g_R – обращается и часть g_Д  - пропускается, т.е.

g_А+ g_R+ g_{Д =} g₀

или

g_А/ g₀₊