Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Основы технической термодинамики и теплотехники

..pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
15.11.2022
Размер:
1.41 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Пермский национальный исследовательский политехнический университет» Березниковский филиал

Б.С. Дыблин

ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ И ТЕПЛОТЕХНИКИ

Утверждено на заседании кафедры и ученого совета в качестве учебного пособия

Березниковский филиал Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2013

Стр. 1

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

УДК 621.1.016.7 ББК 31.31:31.3я73

Д 87

Рецензенты:

кандидат технических наук Н.П. Нечаев (Пермский национальный исследовательский политехнический университет);

кандидат технических наук Ю.Ф. Трапезников (Пермский институт железнодорожного транспорта)

Дыблин, Б.С.

Д87 Основы технической термодинамики и теплотехники: учеб. пособие / Б.С. Дыблин; Березник. ф-л Перм. нац. исслед. политехн. ун-та. – Пермь, 2013. – 116 с.

ISBN 978-5-398-01043-5

Изложены теоретические основы технической термодинамики и теплотехники. Обобщен опыт работы отечественной и зарубежной практики применения тепловых процессов для создания теплоэнергетических установок.

Учебное пособие подготовлено в соответствии с программой «Техническая термодинамика и теплотехника» и предназначено для студентов всех форм обучения специальности 240301 «Химическая технология неорганических веществ» и направления 240100 «Химическая технология».

УДК 621.1.016.7 ББК 31.31:31.3я73

ISBN 978-5-398-01043-5

© ПНИПУ, 2013

Стр. 2

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

Оглавление

 

Введение…………………………………………………………………………………………… 4

1.Основные законы термодинамики открытых систем...........................................................

5

1.1. Термодинамические системы и их параметры.....................................................................

5

1.2. Способы изменения состояния системы...............................................................................

8

1.3.Уравнение состояния...............................................................................................................

9

1.4. Работа в термодинамике, количество тепла, внутренняя энергия и теплоемкость........

12

1.5.Первый закон термодинамики и его анализ........................................................................

17

1.6. Энтальпия ..............................................................................................................................

20

1.7. Энтропия. ...............................................................................................................................

21

2. Термодинамические процессы в идеальных и реальных газах........................................

23

2.1. Виды процессов, процессы в идеальных газах. .................................................................

23

2.2. Политропные процессы........................................................................................................

27

2.3. Смеси идеальных газов, их состав и термодинамические характеристики. ...................

30

2.4. Процессы в реальных газах..................................................................................................

32

2.5. Процессы в парах и их анализ. ............................................................................................

34

3. Анализ основных процессов в открытых системах. ...........................................................

40

3.1. Условия истечения газов и паров и 1-й закон термодинамики для потока,

 

располагаемая работа. .................................................................................................................

40

3.2. Анализ основных процессов в открытых системах: ступени

 

турбины и компрессора,сопла, эжектора...................................................................................

44

3.3. Истечение газов и паров, скорость и расход истечения газа............................................

46

3.4. Сопло Лаваля….....................................................................................................................48

3.5. Дросселирование...................................................................................................................

49

4. Циклические процессы преобразования теплоты в работу. .............................................

52

4.1. Цикл идеальной тепловой машины и его применение к анализу прямых циклов. ........

52

4.2.Цикл паросиловой установки и цикл Ренкина....................................................................

55

4.3. Обратные циклы и холодильные машины..........................................................................

58

4.4. Тепловой насос......................................................................................................................

61

5. Энергетические методы анализа термодинамических процессов. ..................................

62

5.1. Энтропия и 2-ой закон термодинамики для обратимых и необратимых процессов......

62

5.2. Уравнение теплового баланса..............................................................................................

68

5.3. Эксергетический метод анализа. .........................................................................................

70

6. Вопросы и задачи к разделу «Техническая термодинамика»...........................................

72

7. Основные законы теории теплообмена. ................................................................................

74

7.1. Основные понятия и определения теории теплообмена. ..................................................

75

6.2. Теплопроводность.................................................................................................................

78

7.3. Конвективный теплообмен. .................................................................................................

83

7.4. Основные закономерности расчета коэффициента теплоотдачи.....................................

90

7.5. Лучистый теплообмен. .........................................................................................................

93

7.6. Теплопередача. ......................................................................................................................

98

8. Конструкция и расчет теплообменных аппаратов............................................................

105

8.1. Классификация теплообменных аппаратов......................................................................

105

8.2. Расчет теплообменных аппаратов. ....................................................................................

110

9. Вопросы к разделу «Теплотехника».....................................................................................

112

10. Список литературы...............................................................................................................

115

3

Стр. 3

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

ВВЕДЕНИЕ

Использование теплоты лежит в основе современных технологий в любой сфере человеческой деятельности. Техническая термодинамика и теплотехника – науки, которые изучают закономерности, управляющие процессами получения, переноса и использования теплоты.

Количество производимых и потребляемых человеком энергоресурсов огромно. Оно стало соизмеримым с энергией планетарных процессов. Продолжается неуклонное увеличение потребления всех видов энергоресурсов. По прогнозам, доля потребления нефти будет снижаться в ближайшие годы, но будет расти потребление угля и природного газа. Интенсивно идут поиски возобновляемых источников энергии (биомасса, водород, спирты, эфиры и т.п.) и альтернативных топлив. Перемены, происходящие в мире и связанные с возрастанием потребления энергии, требуют обеспечения ее сбережения, создания методов и средств защиты окружающей среды.

Техническая термодинамика не имеет собственного предмета изучения в отличие, например, геометрии, изучающей плоские фигуры. Это наука методологического плана, вооружающая специфическим методом исследования, основу которого составляет рассмотрение любых процессов материального мира сквозь призму установленных термодинамикой основных законов природы.

Теплотехника как наука сформировалась в 19-м веке в эпоху промышленно – технической революции, которая была обусловлена массовым использованием качественно нового источника энергии – тепловых двигателей. Тепловая энергия была поставлена на службу человека. Отвечая на новые запросы, выдвигаемые современной практикой, наука эта продолжает бурно развиваться, все в большей мере осваивая новые области приложения (атомная энергетика, космическая техника и др.), расширяя и уточняя свои подходы и методы решения возникающих проблем.

4

Стр. 4

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

1.Основные законы термодинамики открытых систем

1.1.Термодинамические системы и их параметры

Окружающий мир материален, материя находится в непрерывном движении. Меру движения материи называют энергией. Наиболее распространенные формы движения материи – механическая и тепловая. В первом случае движение связано с перемещением в пространстве макрообъемов энергии, во втором – с движением только на микроуровне (тепловое движение молекул). Изменения энергии в результате таких движений называют соответственно механической работой и теплотой. Техническая термодинамика 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.

Тело или группу макротел, энергетические свойства которых подлежат изучению, называют термодинамической системой. Все остальные тела, способные взаимодействовать с системой, составляют окружающую среду. Границу между системой и средой называют контрольной поверхностью. Если контрольная поверхность допускает обмен массой между системой и окружающей средой, систему называют открытой, если же такой обмен невозможен, систему называют закрытой. Закрытые системы проще и в дальнейшем, если это специально не оговаривается, мы будем рассматривать закрытые системы. Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутреннего сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе горючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина.

Термодинамическую систему, которая не может обмениваться теплотой с окружающей средой, называют теплоизолированной или адиабатной. Система,

5

Стр. 5

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

не обменивающая с внешней средой ни энергией, ни веществом, называется изолированной (или замкнутой).

Состояния и свойства системы характеризуются рядом физических величин. При взаимодействии с окружающей средой некоторые из них изменяются, их называют параметрами состояния системы. Другие же величины практически не меняют своего численного значения, их называют физическими константами. Физические константы характеризуют свойства вещества, заполняющего систему, а параметры состояния – особенности состояния этого вещества. Примеры параметров: P, T, V (давление, температура, объем); примеры физических констант: ср, r (теплоемкость, теплота парообразования).

Систему называют однородной, если ее параметры не изменяются в пространстве, и равновесной, если они не изменяются во времени. Нулевое правило термодинамики иногда формулируют так: при отсутствии внешних воздействий система рано или поздно приходит к однородному и равновесному состоянию. Рассмотрим параметры состояния.

Давлением вообще называется сила, действующая на единицу поверхности тела перпендикулярно последней. Давление газа есть средний результат силового воздействия громадного числа молекул газа на внутреннюю поверхность сосуда, в котором заключен газ.

В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа определяется соотношением

Р = 2/3 n mc2,

(1.1)

где n – число молекул в единице объема; m – масса молекулы; с2 – средняя квадратичная скорость поступательного движения молекул.

Давление выражается в паскалях (1Па = 1Н/м2). Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров.

В технике различают абсолютное давление, избыточное давление и разряжение. Под абсолютным давлением подразумевается полное давление,

6

Стр. 6

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

под которым находится газ. Под избыточным давлением понимают разность между абсолютным давлением, большим чем атмосферное, и атмосферным давлением. Разряжение (вакуум) характеризуется разностью между атмосферным давлением и абсолютным давлением, меньшим, чем атмосферное. Следует отметить, что параметром состояния является абсолютное давление. Именно оно входит в термодинамические уравнения.

Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Температура тела, являясь мерой хаотического движения его молекул, определяет направление возможного самопроизвольного перехода теплоты от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.

С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано с величиной средней кинетической энергии молекул вещества:

mc2/2 = 3/2kT, (1.2)

где k – постоянная Больцмана; Т – термодинамическая температура Кельвина, используемая в системе Си. Температуру Кельвина выражают в кельвинах. На практике широко применяется градус Цельсия (0С), обозначение t. Связь между температурой Цельсия и термодинамической температурой определяется выражением:

t = Т – 273,15К.

(1.3)

Удельный объем (v) – это объем единицы массы вещества, он измеряется в м3/кг. Молекулярно-кинетическая теория устанавливает понятие объема (V), занимаемого газом как пространства, в котором перемещаются его молекулы. Объем газа измеряется в кубических метрах. Количество газа (М) определяется его массой, выраженной в килограммах. Таким образом, справедливо

выражение:

 

v = V/М.

(1.4)

7

Стр. 7

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

Кроме рассмотренных основных параметров газа существуют и другие параметры состояния: энтропия (S), внутренняя энергия (U) и энтальпия (Н). Эти параметры будут рассмотрены дальше.

1.2. Способы изменения состояния системы

При изменении хотя бы одного из параметров системы изменяется и состояние самой системы, т.е. происходит термодинамический процесс, представляющий совокупность изменяющихся состояний. Термодинамические процессы разделяются на равновесные и неравновесные.

Равновесными называются такие процессы, при которых система переходит последовательно из одного состояния равновесия в другое. При этом все параметры системы меняются достаточно медленно по сравнению с соответствующим процессом релаксации. Самопроизвольное (без внешнего воздействия) возвращение системы в состояние равновесия называется релаксацией, а промежуток времени, в течение которого система возвращается в состояние равновесия, называется временем релаксации. Под состоянием равновесия термодинамической системы понимается такое состояние, к которому она стремится, принимая при этом минимальное значение общей энергии. В состоянии равновесия параметры системы при отсутствии внешнего воздействия остаются постоянными.

Неравновесными называются такие процессы, которые не сопровождаются состояниями равновесия. Для неравновесных процессов характерно, что различные части системы имеют различные термодинамические параметры. Равновесное состояние является предельным случаем неравновесного, если скорость процесса стремится к нулю. Теоретически все термодинамические процессы являются неравновесными, практически же многие из них можно считать равновесными с определенным приближением. Классическая термодинамика в своих исследованиях оперирует только равновесными процессами. Они являются удобной идеализацией реальных процессов, позволяющей во многих случаях существенно упростить

8

Стр. 8

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

решение задачи. Например, так как механические возмущения распространяются в газах со скоростью звука, процесс сжатия газа в цилиндре будет равновесным, если скорость перемещения поршня много меньше скорости звука.

Если при равновесном процессе температура системы остается постоянной, то такой процесс является изотермическим. Примером такого процесса является хранение сжиженных газов в подземных изотермических хранилищах.

Равновесный процесс, при котором постоянным является давление, называется изобарным. Примером изобарного процесса является подземная газификация твердого топлива, когда за счет горного давления и давления воздуха, нагнетаемого в пласт угля, общее давление в газовых продуктах сгорания остается постоянным.

Если при равновесном процессе остается постоянным объем, то такой процесс называется изохорным. Примером изохорного процесса может служить термическое и электротермическое дробление негабаритов горных пород.

Если при равновесном процессе отсутствует теплообмен системы с окружающей средой, то такой процесс называется адиабатным. В природе таких процессов практически не существует. Некоторые термодинамические процессы в горных породах можно лишь с некоторым приближением отнести к квазиадиабатным.

1.3. Уравнение состояния

Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая называется уравнением состояния. Опыт показывает, что удельный объем, температура и давление простейших систем, которыми являются газы, пары или жидкости, связаны термодинамическим уравнением состояния вида f (p, v, T) = 0. Уравнению состояния можно придать другую форму: p = f1 (v, T); v = f2 (p, T); T = f3 (p,v).

9

Стр. 9

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)

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. Из уравнений (1.1) и (1.2) следует, что p = = nkT.

Возьмем 1 кг идеального газа. Учитывая, что в нем содержится N молекул и, следовательно, n = N/v, получим: pv/T = Nk = const.

Полученную величину Nk, отнесенную к 1 кг газа, обозначают R и называют газовой постоянной. Поэтому

pv/T = R или pv = RT (1.5)

Полученное соотношение представляет собой уравнение Клапейрона. Умножив (1.5) на М, получим уравнение состояния для произвольной массы газа М:

pV = MRT.

(1.6)

Уравнению Клапейрона можно придать универсальную форму, если отнести газовую постоянную к 1 молю газа, т.е. к количеству газа, масса которого в килограммах численно равна молекулярной массе μ. Положив в (1.6) М = μ и V = Vμ, получим для одного моля уравнение Клапейрона – Менделеева:

pVμ = μRT.

(1.7)

Здесь Vμ - объем киломоля газа, а μR – универсальная газовая постоянная. В соответствии с законом Авагадро объем 1 кмоля, одинаковый в одних и тех же условиях для всех идеальных газов, при нормальных физических

условиях равен 22,4136 м3, поэтому

μR = рVμ/Т = 101,325* 22,4136/273,15 = 8314Дж/(кмоль*К).

 

Газовая постоянная 1 кг газа составляет:

 

R = 8314/μ.

(1.8)

10

Стр. 10

ЭБ ПНИПУ (elib.pstu.ru)