13

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уфимский государственный нефтяной технический университет

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»

Ф.Ф. АБУЗОВА, Р.А.МОЛЧАНОВА, М.А.ГИЗЗАТОВ,

В.В.РЕПИН, В.В.КУЗНЕЦОВА

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ

по выполнению курсового проекта

по дисциплине «Теплотехника»

2007

Учебно-методическое пособие предназначено для выполнения курсового проекта по дисциплине «Теплотехника» для подготовки дипломированных специалистов и бакалавров техники и технологии по направлению 130500 «Нефтегазовое дело» специальности 130504 «Ьурений нефтяных и газовых скважин».

Курсовой проект состоит из двух частей: часть 1 – термодинамические процессы с идеальными углеводородными смесями, часть 2 – тепловой расчет теплообменного аппарата. Исходные данные к расчету принять в таблицах исходных данных, расположенных в методических указаниях к каждой части курсового проекта.

В учебно-методическом пособии обобщены многолетний опыт и методические материалы преподавателей кафедры.

Авторы: профессор, д.т.н. Ф.Ф.Абузова;

доцент, канд.техн.наук Молчанова Р.А;

доцент, канд.техн.наук Гиззатов М.А.;

доцент, канд.техн.наук Репин В.В.;

доцент, канд.техн.наук Кузнецова В.В..

СОДЕРЖАНИЕ

	Основные условные обозначения.....................................................................	4
	Введение…………………………………………………………………………	5
1	ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ С ИДЕАЛЬНЫМИ УГЛЕВОДОРОДНЫМИ СМЕСЯМИ...............................................................	5
1.1	Политропный процесс…………………………………………………………..	8
1.2	Изобарный процесс……………………………………………………………...	12
1.3	Изохорный процесс ……………………………………………………………..	15
1.4	Изотермический процесс………………………………………………………..	17
1.5	Адиабатный процесс ……………………………………………………………	19
1.6	Термодинамический расчет процессов с идеальной газовой углеводородной смесью.....................................................................................	23
	Задание для первого раздела………………………………………………….	27
	Сводная таблица результатов термодинамического расчета........................	28
	Исходные данные...............................................................................................	26
	Вопросы для самопроверки...............................................................................	39
	Литература...........................................................................................................	40
	Приложение 1.1......................................................................................................	41
2	РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА......................	44
2.1	Типы теплообменных аппаратов.......................................................................	44
2.2	Методика теплового расчета рекуперативного теплообменного аппарата...	46
2.2.1	Конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата.......................	47
2.2.2	Расчет коэффициента теплоотдачи.................................................................	49
	Задание для второго раздела ………………..................................................	56
	Исходные данные................................................................................................	57
	Вопросы для самопроверки..............................................................................	59
	Литература..............................................................................................................	59
	Приложение 2.1......................................................................................................	61
	Приложение 2.2.....................................................................................................	63
3	Методические указания по оформлению курсового проекта	64
	Приложение 3.1......................................................................................................	66

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

	– теплоемкость политропная, ;
	– теплоемкость изохорная, ;
	– теплоемкость изобарная, ;
	– знак дифференциала;
	– энтальпия удельная, ;
	– показатель адиабаты;
	– работа удельная термодинамическая (закрытой системы), ;
	– работа удельная потенциальная (открытой системы), ;
	– показатель политропы;
	– давление, Па;
	– теплота удельная, ;
	– газовая постоянная, ;
	– энтропия удельная, ;
	– термодинамическая (абсолютная) температура, К;
	– температура, ºС;
	– внутренняя энергия удельная, ;
	– объем удельный, ;
	– коэффициент распределения энергии;
	– знак элементарной величины;
	– знак изменения конечной величины.

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время невозможно назвать ни одну область производственной деятельности человека, где бы ни использовалась теплота.

Бурно развивающаяся мировая экономика требует все больших энергетических затрат, непрерывного роста энерговооруженности стран мира.

Основным источником теплоты является органическое топливо, которое сжигается в топках котельных агрегатов, камерах сгорания двигателей, газотурбинных газоперекачивающих агрегатов, различных печах и т.д. В целом более 90% всей используемой человечеством энергии приходится на ископаемые органические топлива.

Высокие цены на топливо на мировом рынке заставляют резко увеличивать степень использования добываемого топлива.

Главная роль в разработке энергосберегающих технологий принадлежит проектировщикам-технологам – неэнергетикам. Ее невозможно решить без глубоких знаний основных законов теплотехники.

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств.

Теоретическими разделами теплотехники являются:

1 - термодинамика;

2 - теплообмен.

1 Термодинамические процессы с идеальными углеводородными смесями

Простейшими процессами в термодинамике являются: изохорный ( ); изобарный ( ); изопотенциальный ( ); последний называется изотермическим, поскольку для идеального газа , где – удельная газовая постоянная. Уравнение процесса может быть задано условием о равенстве нулю какого-либо эффекта в этом термодинамическом процессе (например, равенство нулю теплоты – адиабатный процесс и т.п.)

Рассмотрим задачи и методы исследования на примере политропного процесса.

0. 1.1 Политропный процесс

1.1.1 Уравнение процесса

Для вывода уравнения обратимого политропного процесса идеального газа запишем уравнение первого начала – затрату элементарной теплоты в любом процессе

или
,	(1)
или
,	(2)

кроме того, можно выразить теплоту через политропную теплоемкость :

(3)

Заменив в левой части уравнения (1) и (2) по выражению (3) и преобразовав их, имеем

	(4)
	(5)

Разделив уравнение (5) на (4), получим

(6)

Обозначим

–

(7)

показатель политропы.

Таким образом, из (6):

.

(8)

Это значит, что постоянный показатель политропы равен отношению элементарных или конечных значений потенциальной работы к термодинамической работе. Как зивестно, конечные потенциальная и термодинамическая работы определяются соответствующими площадями в P-v-координатах (рис. 1.1):

площадь ,

площадь .

Используя далее , можно получить

.

(9)

Последовательно интегрируя и потенцируя, получим уравнение политропы в P-v-координатах (10):

.

(10)

Показатель политропы для данного процесса величина постоянная, но может иметь любые числове значения от до .

Поскольку рассматриваемый газ идеальный, может быть использовано уравнение состояния

(11)

Используя совместно уравнения (10) и (11), получим уравнение политропы в T-v-координатах:

.

(12)

и в P-T-координатах:

.

(13)

0. 1.1.2 Взаимосвязь между параметрами в разных состояниях

Записав уравнение (10) в виде

,

(14)

получим и аналогично из (12) и (13):

.

(15)

0. 1.1.3 Работа расширения (термодинамическая) политропного процесса

Из выражения (8) , поэтому, с одной стороны:

,

(16)

с другой стороны,

.

(17)

Используя (16) и (17), получим

(18)

или

.

(19)

1. 1.1.4 Изменение внутренней энергии

Для идеального газа

,	(20)
.	(21)

Из (21) имеем: – в политропном процессе изменение внутренней энергии идеального газа при изменении температуры на один градус остается неизменным.

0. 1.1.5 Изменение энтальпии

Для идеального газа :

.

(22)

Из (22) – в политропном процессе изменение энтальпии идеального газа при изменении температуры на один градус остается неизменным.

0. 1.1.6 Теплота процесса

Используя (3), получим

.	(23)

0. 1.1.7 Изменение энтропии

Известно, что

.

(24)

Используя (24) совместно с (3), имеем

.

(25)

0. 1.1.8 Теплоемкость политропного процесса

Уравнение (1) в конечных величинах

.

(26)

Используем уравнения (19), (21) и (23) и поставим их в выражение (26):

.

(27)

После сокращения на получим и, учитывая, что , после преобразований имеем окончательно

.

(28)

1.1.9. Коэффициент распределения энергии

показывает долю внешней теплоты, затраченной на изменение внутренней энергии:

.

(29)

Используя (21) и (23) совместно с (29) и (28), получим

.

(30)

1.1.10. Показатель политропы

В данной работе будут рассматриваться процессы, для которых показатель политропы величина постоянная для каждого конкретного процесса, но может иметь любые численные значения от до .

В логарифмических координатах политропа (10) с постоянным показателем представляет собой прямую линию (рис. 1.2), причем показатель равен тангенсу угла наклона этой линии в координатах . Из уравнения (10) имеем

.

(31)

Анализ различных термодинамических процессов показывает, что не все процессы в координатах изображаются прямой линией, т.е. не все имеют постоянный показатель. Подробнее о процессах с переменным показателем можно узнать в [3].