Кузнецова В.В., Смородова О.В. Лекции по теплотехнике

Подождите немного. Документ загружается.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра «Промышленная теплоэнергетитка»

В.В.Кузнецова, О.В.Смородова

ТЕПЛОТЕХНИКА

Курс лекций специальности

по направлению 657300 (ОКСО 130600)

УФА 2007

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................... 5

ЛЕКЦИЯ 1. Предмет и метод термодинамики..................................................................... 6

Термодинамическая система............................................................................. 7

Термодинамические параметры состояния..................................................... 8

Уравнение состояния......................................................................................... 10

Термодинамический процесс.......................................................................... 13

Теплоемкость газов........................................................................................... 15

ЛЕКЦИЯ 2. Смеси идеальных газов.................................................................................... 20

Аналитическое выражение первого закона

термодинамики............................

ЛЕКЦИЯ 3. Внутренняя энергия........................................................................................... 26

Работа расширения.......................................................................................... 27

Теплота................................................................................................................ 30

Энтальпия.............................................................................................................. 31

Энтропия.............................................................................................................. 33

ЛЕКЦИЯ 4. Общая формулировка второго закона.............................................................. 36

Прямой цикл Карно.............................................................................................. 39

Обратный цикл Карно......................................................................................... 42

Изменение энтропии в неравновесных процессах........................................... 45

ЛЕКЦИЯ 5. Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах......... 48

Эксергия................................................................................................................ 56

ЛЕКЦИЯ 6. Термодинамические процессы реальных газов................................................ 58

Уравнение состояния реальных газов............................................................... 68

ЛЕКЦИЯ 7. Уравнение первого закона термодинамики для потока................................... 70

Истечение из суживающегося сопла.................................................................. 75

Основные закономерности течения газа в соплах и диффузорах................... 79

Расчет процесса истечения с помощью h-s диаграммы.................................... 82

Дросселирование газов и паров.......................................................................... 83

ЛЕКЦИЯ 8. Термодинамическая Эффективность циклов теплосиловых установок......... 87

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.................................... 90

Циклы газотурбинных установок....................................................................... 93

Циклы паротурбинных установок.................................................................... 96

Циклы Карно и Ренкина насыщенного пара. Регенерация теплоты............... 96

Цикл Ренкина на перегретом паре...................................................................... 100

Термический КПД цикла.................................................................................... 101

Теплофикация....................................................................................................... 104

ЛЕКЦИЯ 9. Основные понятия и определения.................................................................... 109

Теория теплопроводности................................................................................... 111

Задачи.................................................................................................................... 115

ЛЕКЦИЯ 10. Теплопередача.................................................................................................... 118

Плоская стенка.................................................................................................... 118

Цилиндрическая стенка...................................................................................... 120

Интенсификация теплопередачи....................................................................... 121

Тепловая изоляция.............................................................................................. 122

Задачи по теплопередаче.................................................................................... 123

ЛЕКЦИЯ 11. Конвективный теплообмен. Основной закон конвективного теплообмена. 127

Пограничный слой.............................................................................................. 128

Числа подобия..................................................................................................... 130

Массообмен.......................................................................................................... 131

ЛЕКЦИЯ 12. Частные случаи конвективного теплообмена. Поперечное обтекание

одиночной трубы и пучка труб.......................................................................... 133

Течение теплоносителя внутри труб................................................................. 134

Теплоотдача при естественной конвекции........................................................ 134

Теплоотдача при конденсации............................................................................ 135

Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи.............................. 136

ЛЕКЦИЯ 13. Описание процесса излучения. Основные определения............................... 137

Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде.............................. 138

Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде................. 141

ЛЕКЦИЯ 14. Теплообменные аппараты................................................................................ 143

Типы теплообменных аппаратов....................................................................... 143

Расчетные уравнения.......................................................................................... 145

ЛЕКЦИЯ 15. Термодинамический анализ топливосжигающих устройств....................... 148

Полезная тепловая нагрузка печи....................................................................... 151

Расчет процесса горения топлива в печи............................................................ 152

Тепловой баланс печи, коэффициент полезного действия, расход топлива... 155

ЛЕКЦИЯ 16. Котельные установки. Общие сведения........................................................ 158

Устройство парового котла.................................................................................. 158

Тепловой баланс парового котла. Коэффициент полезного действия............. 160

ЛЕКЦИЯ 17. Состав и основные характеристики жидкого топлива................................... 162

Состав и основные характеристики газообразного топлива............................. 162

Теплота сгорания топлива.................................................................................... 163

Количество воздуха, необходимого для горения. Теплота «сгорания»

воздуха................................................................................................................. 165

Объемы и состав продуктов сгорания.................................................................. 167

ЛЕКЦИЯ 18. Вторичные энергоресурсы. Классификация ВЭР.......................................... 169

Методы использования тепловых ВЭР................................................................ 169

Установки для внутреннего теплоиспользования............................................... 170

Котлы-утилизаторы.............................................................................................. 172

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.............................................................. 174

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы ученые всего мира со все большим беспокойством говорят

о повышении концентрации СО

в атмосфере. Если эти опасения подтвердятся,

человечеству в не таком уж отдаленном будущем придется резко ограничить

потребление углеродсодержащих топлив. Кроме выбросов СО

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

Предмет и метод термодинамики

Т е р м о д и н а м и к а

изучает законы превращения энергии в различных

процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся

тепловыми эффектами. Макроскопической системой называется любой матери-

альный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопических

систем несоизмеримо больше размеров молекул и атомов.

В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химиче-

скую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д. Техническая

т е р м о д и н а м и к а

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

ф е н о м е н о л о г и ч е с к и м

(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 нагляд-

ности использовать молекулярно-кинетические представления о структуре вещества.

Термодинамическая система

Т е р м о д и н а м и ч е с к а я с и с т е м а 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 окру ж а ю щ е й

с р е д о й

. Систему отделяют от

окружающей среды к о н т р о л ь

ной п о в е р х н о с т ь ю

(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 осу-

ществляются 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 о т к р ы т о й

. Потоки

газа или пара в турбинах и трубопроводах — примеры открытых систем. Если

вещество не проходит через границы системы, то она называется з а к р ы той. В

дальнейшем, если это специально не оговаривается, мы будем рассматривать

закрытые системы.

Термодинамическую систему, которая не может обмениваться теплотой с

окружающей средой, называют теп л о и з о л и р о в а н н о й

или адиаб а т н о й .

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 и з о л и р о в а н

ной (или замкнутой).

Простейшей термодинамической системой является р а б о ч е е тело,

осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутрен-

него сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе

горючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина.

Термодинамические параметры состояния

Свойства каждой системы характеризуются рядом величин, которые принято

называть т е р м о д и н а м и ч е с к и м и п а р а м е т р а м и . Рассмотрим некоторые из

них, используя при этом известные из курса физики молекулярно-кинетические

представления об идеальном газе как о совокупности молекул, которые имеют

исчезающе малые размеры, находятся в беспорядочном тепловом движении и

взаимодействуют друг с другом лишь при соударениях.

Д а в л е н и е

обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с по-

верхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности

тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярно-кинетической теорией

давление газа определяется соотношением

np 

, (1.1)

где n — число молекул в единице объема;

т — масса молекулы; с

— средняя квадратическая скорость поступательного

движения молекул.

В Международной системе единиц (СИ) давление выражается в паскалях (1

Па=1 Н/м

). Поскольку эта единица мала, удобнее использовать 1 кПа = 1000 Па и 1

МПа=10

Па.

Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров.

Жидкостные и пружинные манометры измеряют избыточное давление, пред-

ставляющее собой разность между полным или абсолютным давлением р изме-

ряемой среды и атмосферным давлением pатм, т.е.

ppp

атмизб



Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуум-

метрами; их показания дают значение разрежения (или вакуума):

ррр

атмв



, т. е. избыток атмосферного давления над абсолютным.

Следует отметить, что параметром состояния является абсолютное давление.

Именно оно входит в термодинамические уравнения.

Т е м п е р а т у р о й называется физическая величина, характеризующая

степень нагретости тела. Понятие о температуре вытекает из следующего утвер-

ждения: если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их

температур они будут обмениваться теплотой друг с другом, если же их

температуры равны, то теплообмена не будет.

С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть

мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано с

величиной средней кинетической энергии молекул вещества:



, (1.2)

где k — постоянная Больцмана, равная 1,380662•10ˉ

Дж/К. Температура T,

определенная таким образом, называется а б с о л ю т н о й

В системе СИ единицей температуры является кельвин (К); на практике широ-

ко применяется градус Цельсия (°С). Соотношение между абсолютной Т и стогра-

дусной I температурами имеет вид

15,273tT

В промышленных и лабораторных условиях температуру измеряют с помощью

жидкостных термометров, пирометров, термопар и других приборов.

У д е л ь н ы й

о б ъ е м

v — это объем единицы массы вещества. Если

однородное тело массой М занимает объем v, то по определению

v= V/М.

В системе СИ единица удельного объема 1 м

/кг. Между удельным объемом

вещества и его плотность существует очевидное соотношение:



v

Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях,

вводится понятие «нормальные физические условия»:

p=760 мм рт.ст.= 101,325 кПа; T=273,15 K.

В разных отраслях техники и разных странах вводят свои, несколько отличные

от приведенных «нормальные условия», например, «технические» ( p= 735,6 мм

рт.ст.= 98 кПа , t=15˚C) или нормальные условия для оценки производительности

компрессоров (p=101,325 кПа, t=20˚С ) и т. д.

Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы

во всех точках системы, то такое состояние системы называется р а в н о

в е с н ы м

Если между различными точками в системе существуют разности темпера-

тур, давлений и других параметров, то она является н е р а в н о в е с н о й

. В такой

системе под действием градиентов параметров возникают потоки теплоты, вещества

и другие, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. Опыт показывает, что

изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия

и никогда самопроизвольно выйти из него не может. В классической термодинамике

рассматриваются только равновесные системы.

Уравнение состояния

Для равновесной термодинамической системы существует функциональная

связь между параметрами состояния, которая называется у р а в н е н и е м

со -

с т о я н и я

. Опыт показывает, что удельный объем, температура и давление про-

стейших систем, которыми являются газы, пары или жидкости, связаны

тер

мическим

у р а в н е н и е м

со сто яния вида

0),,( Tvpf

Уравнению состояния можно придать другую форму:

);,(

Tvfp 

);,(

Tpfv 

);,(

vpfT 

Эти уравнения показывают, что из трех основных параметров, определяющих

состояние системы, независимыми являются два любых.

Для решения задач методами термодинамики совершенно необходимо знать

уравнение состояния. Однако оно не может быть получено в рамках термодинамики

и должно быть найдено либо экспериментально, либо методами статистической

физики. Конкретный вид уравнения состояния зависит от индивидуальных свойств

вещества.

Уравнение состояния идеальных газов

Из уравнений (1.1) и (1.2) следует, что

nkTp 

Рассмотрим 1 кг газа. Учитывая, что в нем содержится N молекул и, следова-

тельно,

n 

, получим:

constNk



Постоянную величину Nk, отнесенную к 1 кг газа, обозначают буквой R и

называют г а з о в о й

п о с т о я н

ной . Поэтому



, или

RTpv 

. (1.3)

Полученное соотношение представляет собой уравнение Клапейрона.

Умножив (1.3) на М, получим уравнение состояния для произвольной массы

газа М:

MRTpV 

. (1.4)

Уравнению Клапейрона можно придать универсальную форму, если отнести

газовую постоянную к 1 кмолю газа, т. е. к количеству газа, масса которого в

килограммах численно равна молекулярной массе μ. Положив в (1.4) М=μ и V=V μ,

получим для одного моля уравнение Клапейрона — Менделеева:

RTpV





Здесь



— объем киломоля газа, а



— универсальная газовая постоянная.

В соответствии с законом Авогадро (1811г.) объем 1 кмоля, одинаковый в

одних и тех же условиях для всех идеальных газов, при нормальных физических

условиях равен 22,4136 м

, поэтому

Ккмоль

Дж







 8314

15,273

4136,22325,101



Газовая постоянная 1 кг газа составляет



8314

R

Уравнение состояния реальных газов