Міністерство освіти і науки України

ОДЕСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ ХОЛОДУ

Гарачук В.К., Парменова Д.Г.

технічна термодинамІка

та теплотехніка

Посібник для практичних занять

Одеса 2008

Гарачук В.К., Парменова Д.Г. Технічна термодинаміка та теплотехніка. Посібник до практичних занять. Одеська державна академія холоду, 2008. – 60 с.

Курс „Технічна термодинаміка та теплотехніка” є нормативно професійно-орієнтованим курсом. Мета курсу – ознайомлення студентів з основними положеннями технічної термодинаміки, теорії теплообміну і основними визначеннями та рівняннями масообміну.

Посібник до практичних занять призначено для підготовки студентів спеціальності 092501 „Автоматизоване управління технологічними процесами” напряму підготовки „Автоматизація” до контрольних заходів.

Рецензент: д-р технічних наук, професор Ярошенко В.М.

Розглянуто та рекомендовано до друку на засіданні кафедри ТМО

Завідувач кафедри

тепломасообміну

д.т.н., професор В.В.Притула

Зміст

ВСТУП	4
1. ПАРАМЕТРИ СТАНУ ТІЛА	5
2. ІДЕАЛЬНІ ГАЗИ Й ОСНОВНІ ГАЗОВІ ЗАКОНИ	9
3. ТЕПЛОЄМНІСТЬ ГАЗІВ	13
4. ПЕРШИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ	18
5. ОСНОВНІ ГАЗОВІ ПРОЦЕСИ	24
5.1. ІЗОХОРНИЙ ПРОЦЕС	240
5.2. ІЗОБАРНИЙ ПРОЦЕС	24 22
5.3. ІЗОТЕРМІЧНИЙ ПРОЦЕС	25
5.4. АДІАБАТНИЙ ПРОЦЕС	25
6. КРУГОВІ ПРОЦЕСИ	34
6.1. ЦИКЛ КАРНО	34
6.2. ТЕОРЕТИЧНІ ЦИКЛИ ПОРШНЄВИХ ДВИГУНІВ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ	35
7. Оборотні цикли	43
7.1. ЦИКЛИ ХОЛОДИЛЬНИХ УСТАНОВОК	43
7.2. ЦИКЛ ПОВІТРЯНОЇ ХОЛОДИЛЬНОЇ УСТАНОВКИ	43
7.3. ЦИКЛ ПАРОВОЇ КОМПРЕСОРНОЇ ХОЛОДИЛЬНОЇ УСТАНОВКИ	46
7.4. ЦИКЛИ ПАРОСИЛОВИХ УСТАНОВОК	48
7.5. ЦИКЛ ІЗ ВТОРИННИМ ПЕРЕГРІВОМ ПАРИ	53
7.6. ТЕПЛОФІКАЦІЙНИЙ ЦИКЛ	54
7.7. РЕГЕНЕРАТИВНИЙ ЦИКЛ	55
ЛІТЕРАТУРА	59

ВСТУП.

Технічна термодинаміка та тепломасообмін що є базою для теплотехніки та інших перетворювачів різних видів енергії, вивчають різноманітні фізико-хімічні процеси, що супроводжують процеси взаємоперетворень енергії в об’єктах автоматизації, вивчаючи також властивості різних тіл, що беруть участь в цих процесах.

Технічна термодинаміка уявляє собою теоретичну базу для багатьох інженерних дисциплін, які пов’язані з використанням енергії різних видів перш за все з точки зору енергозбереження.

Термодинамічний метод дослідження різноманітних явищ, процесів та циклів базується на застосуванні головним чином двох законів термодинаміки: I та II.

I. закон ТТ – це закон збереження та перетворення енергії;

II. закон встановлює особливості умови, необхідні для перетворення тепла в механічну роботу. Суть II закону ТТ базується на тому факті, що всі реальні процеси незворотні. Це означає, що після завершення таких процесів неможливо повернути систему в стартове положення таким чином, щоб ніде в Природі не залишалось ніяких змін. Односторонній напрям реальних процесів знаходить в термодинаміці відображення в формі закону про існування і зростання особливої функції стану, названого ентропією.

Іншою складовою дисципліни ТТ та ТТ як основи енергетичної освіти фахівців з автоматизованого управління є тепло масообмін, що вивчає загалом процеси, які супроводжують не тільки функціонування різного обладнання, але й безпосередньо кожного із нас в оточуючому середовищі. Таким чином, навіть в рамках доволі короткого за змістом розділу ТМО, майбутні фахівці стануть аналізувати взаємодію обладнання і людського організму з природою.

1. Параметри стану тіла

Величини, що характеризують тіло в даному стані, називаються параметрами стану. Найчастіше стан тіла визначається наступними параметрами: питомим об'ємом, тиском і температурою.

1. Питомий об'єм (v) тіла являє собою об'єм одиниці його маси. У технічній термодинаміці за одиницю маси приймають кілограм (кг), за одиниці об'єму — кубічний метр (м³). Отже, питомий об'єм дорівнює об'єму в кубічних метрах одного кілограма речовини.

Якщо V — об'єм у м³, якій займає тіло масою в m кг, то питомий об'єм

, м³/кг (1.1)

Величина, зворотна питомому об'єму

, кг/м³ (1.2)

являє собою масу одиниці об'єму й зветься густиною.

2. Тиск р вимірюють силою, що діє на одиницю поверхні. Тому що за одиницю сили приймають 1 ньютон, а за одиницю поверхні — квадратний метр, то тиск вимірюють у ньютонах на квадратний метр (Н/м²)тобто у Паскалях. У всіх термодинамічних рівняннях користуються цією одиницею, і тому в застосовувані формули варто підставляти числове значення тиску в Па.

Співвідношення між різними одиницями виміру тиску представлені в таблиці 1.

Таблиця 1. Співвідношення між одиницями виміру різних систем.

Величина	Співвідношення між одиницями виміру
Тиск	Па	бар	тех.атм	фіз.атм	мм.рт.ст	мм.вод.ст
Па	1	10-5	1,02 10-5	0,99 10-5	7,5 10-3	0,102
бар	105	1	1,02	0,99	750,06	10,2103
тех.атм	98100	0,981	1	0,968	785,6	104
фіз.атм	101325	1,01325	1,03323	1	760	10332
мм.рт.ст.	133,322	1,33322 10-3	1,35951 10-3	1,31579 10-3	1	13,595
мм.вод.ст	9,81	0,981 10-4	10-4	0,968 10-4	735,6 10-4	1

Манометри служать для виміру тиску вище атмосферного. Їх показання дають надлишок тиску вимірюваного середовища над атмосферним тиском — манометричний (р_ман), або надлишковий (р_надл), тиск.

Абсолютний тиск визначається зі співвідношення

р_абс = р_надл + В, (1.3)

де В — атмосферний або барометричний тиск.

Вакуумметри служать для виміру тиску нижче атмосферного. За їх показниками судять, наскільки тиск розглянутого середовища менше атмосферного (вакуум, розрідження). Абсолютний тиск у цьому випадку визначається з рівності

р_абс=В — р_вак. (1.4)

3. Третьою основною величиною, що характеризує стан тіла, є температура. Її вимірюють або по термодинамічній температурній шкалі, або по міжнародній практичній температурній шкалі. Температури по кожній з них можуть бути виражені, залежно від початку відліку Кельвінах (К) і градусах Цельсію (°С). У якості єдиної відтвореної дослідним шляхом постійної точки термодинамічної температурної шкали (реперної точки) узята потрійна точка води, який привласнені значення 273,16 К и 0,01°С. Потрійна точка води - це температура, при якій всі три фази води (тверда, рідка й газоподібна) перебувають у рівновазі. Нижньою межею шкали є абсолютний нуль. Термодинамічну температурну шкалу називають також абсолютною шкалою.

Для практичних цілей користуються міжнародною практичною температурною шкалою, що заснована на шести постійних і відтворених дослідним шляхом температурах, з яких основними є температури танення льоду й кипіння води при нормальному атмосферному тиску (відповідно 0 і 100°С).

Температуру по міжнародній практичній температурній шкалі, відлічувану від 0°С, позначають через t, а температуру по абсолютній шкалі, відлічувану від температури абсолютного нуля, позначають через Т и називають абсолютною температурою.

Зі зроблених визначень випливає залежність

T К = t°С + 273,15. (1.5)

У США та Англії для вимірювання температури використовують шкалу Фаренгейта. У цієї шкали (^оF) температура танення льоду й кипіння води визначені через 32^о та 212^о. Для переводу покажчиків цієї шкали у ^оС та навпаки слугують співвідношення:

; .

Приклади.

1. У посудині об’ємом 3 м³ є 40 кг газу при надлишковому тиску р_ман=2,4МПа. Визначити абсолютний тиск газу, його питомий об’єм, густину, якщо барометричний тиск р_бар=100кПа.

Рішення.

Абсолютний тиск газу

або

Питомий об’єм газу

Густина (маса одиниці об’єму)

2. Водяна пара перегріта на 45^оС. Чому відповідає цій перегрів по термометру Фаренгейта?

Рішення.

При перекладі різниці температур, вираженої градусами шкали Цельсія, в градуси Фаренгейта та навпаки треба виходити тільки з ціни ділення того та іншого термометрів. Тому одержуємо

.

Отже, для нашого випадку

.

Завдання.

1. Тиск у паровому котлі по манометру р=3МПа, розрідження в конденсаторі по вакуумметру р_вак=708,2 мм.рт.ст. Визначити абсолютний тиск в котлі та конденсаторі, якщо показання барометру р_бар=735 мм.рт.ст.

Відповідь: Р_{абс.котла}=3,98МПа; р_{абс.конд.=}0,0036МПа.

2. Визначити абсолютний тиск газу у резервуарі, якщо вакуумметр показує розрідження р_в=225 мм.рт.ст., а барометричній тиск р_б=750 мм.рт.ст.

Відповідь: р_абс=0,7·10⁵ Па.

3. При барометричному тиску 760 мм.рт.ст. манометр, встановлений на балоні з газом, показує 0,2бар. Як зміниться показання манометра, якщо барометричний тиск знизиться до 730 мм.рт.ст.

Відповідь: р_м2=0,24 бар.

4. Чому дорівнює абсолютний тиск в резервуарі, якщо при температурі 30^оС ртутний манометр показує 1200 мм.рт.ст., а ртутний барометр 755мм.рт.ст. Теплове поширення ртуті враховувати по формулі .

Відповідь: р_абс=2,595·10⁵Па.

5. Визначити, яке буде показання ртутного вакуумметра приєднаного до конденсатору парової турбіни при барометричному тиску 750 мм.рт.ст., якщо абсолютний тиск в конденсаторі 0,035 бар, а температура в місці встановлення вакуумметра 28^оС.

Відповідь: р_в=737,5 мм.рт.ст.

6. В балоні місткістю 0,3м³ знаходиться повітря, густина якого дорівнює 2,86 кг/м³. Визначити масу повітря в балоні.

Відповідь: m=0,86кг.

7. Маса 1м³ метану при визначених умовах становить 0,7 кг. Визначити густину та питомий об’єм метану при цих умовах.

Відповідь: =0,7 кг/м³; =1,429м³/кг.