- •Вводная лекция по дисциплине «Теоретические основы теплотехники»
- •Основная литература
- •Дополнительная литература
- •Тема 1 Предмет и метод термодинамики
- •Термодинамическая система
- •Термодинамические параметры состояния
- •Уравнение состояния
- •Уравнение состояния идеальных газов
- •Уравнение состояния реальных газов
- •Термодинамический процесс
- •Теплоемкость газов
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 2 Смеси идеальных газов
- •Аналитическое выражение первого закона термодинамики
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 3 Внутренняя энергия
- •Работа расширения
- •Теплота
- •Энтальпия
- •Энтропия
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 4 Общая формулировка второго закона термодинамики
- •Обратный цикл Карно
- •Изменение энтропии в неравновесных процессах
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 5 Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах
- •Так как для политропы в соответствии с (5.1)
- •Эксергия
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 6 Термодинамические процессы реальных газов
- •Уравнение состояния реальных газов
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 7 Уравнение первого закона термодинамики для потока
- •Истечение из суживающегося сопла
- •Основные закономерности течения газа в соплах и диффузорах
- •Разделив уравнение на pv, найдем
- •Расчет процесса истечения с помощью h,s-диаграммы
- •Дросселирование газов и паров
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 8 Термодинамическая эффективность циклов теплосиловых установок
- •Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания
- •Циклы газотурбинных установок
- •Циклы паротурбинных установок
- •Цикл Ренкина на перегретом паре
- •Термический кпд цикла
- •Теплофикация.
- •Общая характеристика холодильных установок
- •Цикл паровой компрессионной холодильной установки
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 9 Основы теории теплообмена
- •Основные понятия и определения
- •Теория теплопроводности. Закон Фурье
- •О t днослойная плоская стенка
- •Многослойная плоская стенка
- •Однородная цилиндрическая стенка
- •Многослойная цилиндрическая стенка
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 10 Теплопередача
- •Плоская стенка
- •Цилиндрическая стенка
- •Интенсификация теплопередачи
- •Тепловая изоляция
- •Задачи по теплопередаче
- •Тема 11 Конвективный теплообмен (теплоотдача) Основной закон конвективного теплообмена
- •Пограничный слой
- •Числа подобия
- •Массообмен
- •Числа подобия конвективного массообмена
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 12 Частные случаи конвективного теплообмена Поперечное обтекание одиночной трубы и пучка труб
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 13 Описание процесса излучения. Основные определения
- •Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде
- •Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде
- •Вопросы для самопроверки
- •Тема 14 Теплообменные аппараты Типы теплообменных аппаратов
- •Расчетные уравнения
- •Вопросы для самопроверки
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Московский государственный индустриальный университет
Кафедра промышленной теплоэнергетитки
С.Д. Корнеев, Л.А. Марюшин
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ
Курс лекций для студентов
специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика»
МОСКВА 2010
СОДЕРЖАНИЕ
Вводная лекция по дисциплине «Теоретические основы теплотехники»...........……….. |
4 |
ТЕМА 1. Предмет и метод термодинамики..................................................................... |
8 |
Термодинамическая система............................................................................. |
9 |
Термодинамические параметры состояния..................................................... |
10 |
Уравнение состояния......................................................................................... |
12 |
Термодинамический процесс.......................................................................... |
15 |
Теплоемкость газов........................................................................................... |
17 |
ТЕМА 2. Смеси идеальных газов.................................................................................... |
25 |
Аналитическое выражение первого закона термодинамки............................ |
28 |
ТЕМА 3. Внутренняя энергия........................................................................................... |
33 |
Работа расширения.......................................................................................... |
34 |
Теплота................................................................................................................ |
37 |
Энтальпия.............................................................................................................. |
38 |
Энтропия.............................................................................................................. |
40 |
ТЕМА 4. Общая формулировка второго закона.............................................................. |
45 |
Прямой цикл Карно.............................................................................................. |
48 |
Обратный цикл Карно......................................................................................... |
51 |
Изменение энтропии в неравновесных процессах........................................... |
54 |
ТЕМА 5. Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах......... |
59 |
Эксергия................................................................................................................ |
67 |
ТЕМА 6. Термодинамические процессы реальных газов................................................ |
71 |
Уравнение состояния реальных газов............................................................... |
81 |
ТЕМА 7. Уравнение первого закона термодинамики для потока................................... |
85 |
Истечение из суживающегося сопла.................................................................. |
90 |
Основные закономерности течения газа в соплах и диффузорах................... |
94 |
Расчет процесса истечения с помощью h-s диаграммы.................................... |
97 |
Дросселирование газов и паров.......................................................................... |
98 |
ТЕМА 8. Термодинамическая Эффективность циклов теплосиловых установок......... |
104 |
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.................................... |
107 |
Циклы газотурбинных установок....................................................................... |
110 |
Циклы паротурбинных установок.................................................................... |
113 |
Циклы Карно и Ренкина насыщенного пара. Регенерация теплоты............... |
113 |
Цикл Ренкина на перегретом паре...................................................................... |
117 |
Термический КПД цикла.................................................................................... |
118 |
Теплофикация....................................................................................................... |
122 |
Общая характеристика холодильных установок…………………………….. |
125 |
Цикл паровой компрессионной холодильной установки……………………. |
126 |
ТЕМА 9. Основы теории теплообмена………………………………………………… Основные понятия и определения.................................................................... |
133 134 |
Теория теплопроводности. Закон Фурье........................................................... |
135 |
Задачи.................................................................................................................... |
139 |
ТЕМА 10. Теплопередача.................................................................................................... |
144 |
Плоская стенка.................................................................................................... |
144 |
Цилиндрическая стенка...................................................................................... |
146 |
Интенсификация теплопередачи....................................................................... |
147 |
Тепловая изоляция.............................................................................................. |
148 |
Задачи по теплопередаче.................................................................................... |
149 |
ТЕМА 11. Конвективный теплообмен. Основной закон конвективного теплообмена. |
153 |
Пограничный слой.............................................................................................. |
154 |
Числа подобия..................................................................................................... |
156 |
Массообмен.......................................................................................................... |
157 |
ТЕМА 12. Частные случаи конвективного теплообмена. Поперечное обтекание одиночной трубы и пучка труб.......................................................................... |
161 |
Течение теплоносителя внутри труб................................................................. |
162 |
Теплоотдача при естественной конвекции........................................................ |
162 |
Теплоотдача при конденсации............................................................................ |
163 |
Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи.............................. |
164 |
ТЕМА 13. Описание процесса излучения. Основные определения............................... |
166 |
Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде.............................. |
167 |
Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде................. |
170 |
ТЕМА 14. Теплообменные аппараты................................................................................ |
173 |
Типы теплообменных аппаратов....................................................................... |
173 |
Расчетные уравнения.......................................................................................... |
175 |
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.