Теоретические основы теплотехники

СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Раздел 1. ВВЕДЕНИЕ. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Тема 1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Предмет и метод термодинамики. Техническая термодинамика как теоретическая база специальных инженерных дисциплин. Термодинамическая система и окружающая среда. Равновесные и неравновесные состояния и процессы. Основные положения термодинамики. Термодинамические параметры и функции состояния. Уравнение состояния. Термодинамическая поверхность. Термодинамические диаграммы.

Тема 2. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Первый закон термодинамики как закон сохранения энергии. Различные виды энергии и энергетических воздействий. Теплота и работа – формы передачи энергии. Работа изменения объема. Полезная внешняя работа. Работа проталкивания. Теплота термодинамического процесса. Теплоемкость системы в термодинамическом процессе.

Внутренняя энергия. Внутренняя энергия и энтальпия – термодинамические функции состояния. Аналитические выражения первого закона термодинамики для закрытых систем.

Тема 3. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

Формулировки второго закона термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Термодинамические циклы (прямые и обратные, обратимые и необратимые). Прямой цикл Карно, термический КПД. Обратный цикл Карно, холодильный коэффициент. Теорема Карно. Среднеинтегральная температура подвода (отвода) теплоты и эквивалентный цикл Карно. Доказательство возрастания энтропии при необратимых процессах. Аналитическое выражение второго закона термодинамики. Возрастание энтропии изолированной системы. Уравнение Больцмана.

Эксергия термомеханической системы, эксергия вещества и потоков энергии, потери эксергии. Теорема Гюи-Стодолы.

346

Термодинамическая шкала температур. Философский аспект второго закона термодинамики.

Тема 4. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ СООТНОШЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

Характеристические функции. Энергия Гельмгольца и ее свойства. Энергия Гиббса и ее свойства. Химический потенциал как движущая сила массообменных процессов. Общие условия термодинамического равновесия. Условия фазового равновесия при плоской границе раздела фаз. Основные дифференциальные уравнения термодинамики. Связь между термическими и основными калорическими величинами в V,T- и P,T-переменных. Соотношения Максвелла. Формулировки и аналитическое выражение третьего закона термодинамики. Практические следствия. Абсолютное значение энтропии.

Тема 5. ТЕРМОДИНАМИКА ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

Уравнение состояния Клапейрона - Менделеева. Теоретическая оценка теплоемкостей Ср и СV идеального газа. Внутренняя энергия, энтальпия и энтропия веществ в идеально газовом состоянии. Термодинамические таблицы и диаграммы. Основные термодинамические процессы идеальных газов (изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный и политропный). Сравнительный анализ политропных процессов. Расчет параметров состояния и энергетических характеристик процессов по таблицам энтальпии и энтропии идеальных газов.

Тема 6. ТЕРМОДИНАМИКА РЕАЛЬНОГО ГАЗА

Особенности термодинамической поверхности состояния реальных газов. Фазовые переходы. Правило фаз Гиббса. Фазовые диаграммы для стабильных состояний. Кипящая жидкость и сухой насыщенный пар. Критические условия. Влажный пар. Сухость пара. Перегретая жидкость и переохлажденный пар. Правило Максвелла.

Теплоты фазовых переходов. Уравнение Клапейрона-Клаузиуса. Р,v-, Т,s -, h,s - диаграммы реальных газов. Сверхкритическая область состояний веществ. Вода и водяной пар. Аномалии воды. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. T,s- и h,s - диаграммы. Расчет изотермического, изобарного, изохорного и адиабатных процессов по термодинамическим таблицам и диаграммам. Влажный воздух. Диаграмма Мольера.

Поверхностные явления. Энергия поверхности. Условия фазового равновесия при искривленной границе раздела фаз. Капиллярное давление. Давление пара над искривленной поверхностью жидкости и ее температура. Расчет свойств переохлажденного пара.

Тема 7.ТЕРМОДИНАМИКА ПОТОКА

Термодинамика потока. Основные определения и уравнения: одномерное течение потока, адиабатное течение потока, установившееся течение, уравнения состояния, импульсов, неразрывности, первого закона термодинамики, уравнение энергии для стационарного потока.

Работа проталкивания и располагаемая работа потока. Характерные скорости и параметры адиабатного потока. Скорость звука, уравнение Лапласа. Максимальная и критическая скорости, основные безразмерные числа. Условия перехода скорости потока через скорость звука. Сопло и диффузор. Тепловое, расходное сопла и сопло Лаваля.

Статические параметры и параметры торможения. Соотношение между статическими параметрами и параметрами торможения, выраженные с помощью числа Маха. Критические параметры и критическая скорость потока.

347

Диапазон изменения чисел Маха, скорости потока. Истечение из конического сопла и сопла Лаваля. Расчетные и нерасчетные режимы. Истечение с трением. Коэффициенты скорости и расхода. Некоторые газодинамические функции.

Течение реального газа. Особенности течения сухого и влажного насыщенного пара. Конденсация паров в объеме. Переохлаждение расширяющегося пара. Скачок конденсации. Расчет истечения паров из суживающегося сопла и сопла Лаваля.

Дросселирование. Уравнение процессов адиабатного и изотермического дросселирования. Дифференциальный и интегральный дроссельные эффекты. Температура и кривая инверсии. Техническое применение процессов дросселирования. Смешение паров и жидкостей в потоке и в объеме. Потеря эксергии при смешении. Эжектор.

Тема 8. ТЕРМОДИНАМИКА ГАЗОВЫХ ЦИКЛОВ

Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Теоретические циклы ДВС с изохорным, изобарным и комбинированным подводом теплоты. Цикл ДВС с турбонаддувом и продолженным расширением газов перед турбиной. Термический КПД, мощность и удельные расходы топлива. Сравнение циклов ДВС по средне-интегральным температурам и по среднему давлению.

Циклы газотурбинных установок (ГТУ) с подводом теплоты при постоянном давлении. Отношение работы компрессора к работе турбины. Оптимальное распределение давлений по ступеням многоступенчатого компрессора. Расчет мощности привода компрессора. Термический КПД цикла ГТУ. Увеличение начальной температуры газа перед турбиной, выбор оптимальной степени повышения давления, применение регенеративного подогрева и многоступенчатого сжатия воздуха, ступенчатый подвод теплоты в цикле. Замкнутые схемы ГТУ.

Понятие о термодинамических циклах ракетных и реактивных двигателей. Циклы и термические КПД турбореактивных (ТРД) и прямоточных воздушно-реактивных двигателей (ПВРД).

Тема 9. ТЕРМОДИНАМИКА ПАРОВЫХ ЦИКЛОВ

Циклы паротурбинных установок (ПТУ). Теоретический и действительный циклы ПТУ. Влияние начальных и конечных параметров пара на КПД, удельные расходы пара, теплоты и топлива. Промежуточный перегрев пара и причины его применения. Циклы со вторичным перегревом пара. Регенеративные циклы ПТУ. Схемы регенеративного подогрева с отборами пара. Теплофикация. Парогазовые циклы.

Циклы атомных электрических станций (АЭС) и ядерных энергетических установок (ЯЭУ).

Циклы паровых компрессорных холодильных машин. Термодинамические методы увеличения холодопроизводительности паровых компрессорных холодильных установок (ПКХУ). Принципиальная схема и цикл пароэжекторной холодильной установки (ПЭХУ). Принципиальная схема и цикл абсорбционной холодильной установки (АХУ).

Одно- и двухступенчатая теплонасосная установка (ТНУ). Термодинамический анализ цикла ТНУ. Применение ТНУ в системах теплоснабжения и кондиционирования воздуха.

Термодинамические (турбинные) циклы солнечных, геотермальных и океанских термальных энергетических установок. Комбинированные многоконтурные солнечнотепловые электростанции.

348

Раздел П. ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМЕНА. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Тема 10. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕПЛОМАССООБМЕНА

Предмет курса, общие положения. Основные процессы передачи теплоты: теплопроводность, конвективный и радиационный теплообмен. Теплоотдача. Теплопередача. Основные количественные характеристики процессов переноса теплоты: количество теплоты, тепловой поток, плотность теплового потока, мощность внутренних источников теплоты. Основные положения теории массообмена. Концентрационная, термо- и бародиффузия. Закон Фика. Коэффициент диффузии. Конвективный массообмен как совокупность молярного и молекулярного переноса вещества. Плотность потока массы в процессе конвективного массообмена.

Тема 11. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Механизм процесса теплопроводности в газах, жидкостях, металлах, твердых диэлектриках. Температурное поле. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности, его зависимость от различных факторов. Градиент температуры.

Дифференциальное уравнение теплопроводности. Коэффициент температуропроводности. Краевые условия. Граничные условия первого, второго, третьего и четвертого родов. Закон Ньютона-Рихмана для теплоотдачи.

Общие представления об аналитических и численных методах решения задач теплопроводности.

Тема 12. ТЕОРИЯ ПОДОБИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Применение теории подобия к процессам тепломассообмена. Аналогия процессов тепло- и массообмена.

Приведение дифференциального уравнения теплопроводности и условий однозначности к безразмерному виду. Числа и критерии подобия для процессов тепломассопереноса, их физический смысл. Общие условия подобия физических процессов. Свойства подобных процессов.

Сущность моделирования. Физически однородное и неоднородное моделирование.

Тема 13. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПРИ СТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ

Передача теплоты через плоскую стенку. Распределение температуры в тонкой стенке при постоянном и переменном коэффициенте теплопроводности. Выражения для теплового потока, коэффициента теплопередачи и термического сопротивления, их анализ. Многослойная плоская стенка.

Передача теплоты через цилиндрическую стенку. Распределение температур в стенке длинного цилиндра при постоянном и переменном коэффициентах теплопроводности. Выражения для теплового потока, коэффициента теплопередачи и термического сопротивления, их анализ, приближенные формулы. Многослойная цилиндрическая стенка, критический диаметр тепловой изоляции трубы.

Передача теплоты через шаровую стенку.

Теплопроводность в стержне постоянного поперечного сечения.

Передача теплоты через ребра: прямое ребро постоянной толщины, прямое ребро переменного сечения, круглое ребро постоянной толщины. Интенсификация процесса теплопередачи, теплопередача ребристых стенок.

Тема 14. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНОМ РЕЖИМЕ

Теплопроводность тонкой пластины, бесконечно длинного цилиндра и шара при граничных условиях первого, второго, третьего и четвертого родов. Анализ решений,

349

частные случаи. Нагревание (охлаждение) тел конечных размеров. Графоаналитические методы расчета процессов нестационарной теплопроводности.

Регулярный режим нагревания (охлаждения) тел. Свойства температурного поля в начальный период и в период регулярного режима. Темп охлаждения и его определение. Определение теплофизических характеристик методом регулярного режима.

Численные методы решения задач нестационарной теплопроводности. Исследование процессов теплопроводности методом аналогий.

Тема 15.ТЕПЛООТДАЧА ПРИ ВЫНУЖДЕННОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА

Гидродинамический, тепловой и диффузионный пограничные слои. Определение границ ламинарного и турбулентного пограничных слоев. Теплоотдача при ламинарном пограничном слое. Соотношение толщин гидродинамического и теплового пограничных слоев. Влияние переменности физических параметров и температуры поверхности на теплоотдачу.

Режимы течения в пограничном слое при поперечном омывании цилиндра и их связь с теплоотдачей. Влияние отрыва пограничного слоя. Характер изменения теплоотдачи по окружности цилиндра при различных условиях обтекании. Влияние степени турбулентности набегающего потока и угла атаки. Основные типы пучков труб. Ламинарное и турбулентное течение жидкости в пучках. Ламинарный, смешанный и турбулентный режимы обтекания.

Особенности течения и теплообмена в трубах. Ламинарный и турбулентный режимы. Участки гидродинамической и тепловой стабилизации. Стабилизированное течение. Вязкостный и вязкостно-гравитационный режимы течения. Аналитические методы расчета теплоотдачи при стабилизированном течении в трубах. Теплоотдача при ламинарном и турбулентном режимах течения жидкости в гладких трубах круглого поперечного сечения. Расчетные уравнения. Переходный режим. Теплоотдача при течении жидкости в трубах некруглого поперечного сечения и в изогнутых и шероховатых трубах.

Тема 16. ТЕПЛООТДАЧА ПРИ СВОБОДНОМ ДВИЖЕНИИ ЖИДКОСТИ ИЛИ ГАЗА

Факторы, обуславливающие свободное движение. Распределение температур и скоростей. Характер движения жидкости вдоль вертикальной стенки. Изменение коэффициента теплоотдачи по высоте стенки. Характер движения жидкости вблизи горизонтальных труб и пластин. Результаты теоретического расчета теплоотдачи при естественной конвекции. Методика расчета теплоотдачи при естественной конвекции в ограниченном пространстве.

Тема 17. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ

Природа теплового излучения. Основные понятия и определения: поток излучения; поверхностная и спектральная плотность потока излучения; интенсивность (яркость) излучения; поглощательная; отражательная и пропускная способности тела. Виды потоков излучения.

Законы излучения абсолютно черного тела: Закон Планка, закон Вина, закон Стефана-Больцмана. Серое тело. Степень черноты. Закон Кирхгофа для монохроматического и интегрального излучения. Закон Ламберта.

Коэффициенты облученности и взаимные поверхности излучения. Геометрические свойства потоков излучения. Методы определения коэффициентов облученности.

350

Теплообмен излучением в замкнутой системе, состоящей из двух серых тел: общий случай; тела, из которых одно находится в полости другого; тела с плоскопараллельными поверхностями. Применение экранов.

Зональный метод расчета теплообмена излучением. Особенности теплообмена излучением в поглощающих средах. Расчет теплообмена между излучающей средой и поверхностью твердого тела.

Тема 18. РАСЧЕТЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Общие сведения. Назначение теплообменников. Их классификация по принципу действия. Основы теплового и гидравлического расчета теплообменников. Проектный и поверочный расчеты. Уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи.

Средний температурный напор. Определение среднего температурного напора для основных схем движения теплоносителей. Сравнение прямотока и противотока. Вычисление конечных температур теплоносителей.

351

ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

1.Термодинамические параметры состояния

2.Законы и уравнения состояния идеальных газов

3.Термодинамические функции состояния (внутренняя энергия, энтальпия, энтропия)

4.Законы термодинамики

5.Смеси идеальных газов

6.Теплоемкость идеальных газов и их смесей

7.Основные термодинамические процессы идеальных газов

8.Реальные газы, водяной пар, влажный воздух

9.Истечение и дросселирование газов и паров

10.Расчет компрессоров

11.Расчет циклов ДВС

12.Расчет циклов ГТУ и реактивных двигателей

13.Расчет циклов паротурбинных установок

14.Расчет циклов холодильных машин

15.Расчет теплопроводности при стационарном режиме

16.Расчет теплопроводности при нестационарном режиме

17.Расчет нагревания и охлаждения тел

18.Теплоотдача при свободном и вынужденном движении жидкости или газа

19.Теплоотдача в пучках труб

20.Расчет теплообмена излучением тел, произвольно расположенных в пространстве

21.Тепловые и гидродинамические расчеты теплообменных аппаратов

ПРИМЕРНЫЙ ПЕРЕЧЕНЬ ТЕМ ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ

1.Определение универсальной газовой постоянной.

2.Определение показателя адиабаты воздуха.

3.Измерение изобарной теплоемкости воздуха и расчет теплоемкости воздуха.

4.Исследование процесса адиабатного истечения водяного пара и воздуха через суживающееся сопло.

5.Определение зависимости между температурой и давлением воды в состоянии насыщения на кривой парообразования.

6.Определение теплоты парообразования воды на основании зависимости между температурой и давлением воды в состоянии насыщения.

7.Определение энтальпии влажного насыщенного пара.

8.Определение степени сухости влажного насыщенного пара.

9.Определение энтальпии перегретого пара.

10.Определение изобарной теплоемкости водяного пара при атмосферном давлении.

11.Определение коэффициента теплопроводности материалов методом плоского слоя.

12.Определение коэффициента теплопроводности методом трубы

13.Определение коэффициента теплопроводности методом шара

14.Определение зависимости коэффициента теплопроводности твердых материалов от температуры методом пластины при математическом моделировании процесса теплообмена.

15.Исследование процесса нагрева тел различной конфигурации

16.Определение коэффициента теплоотдачи при свободном и вынужденном движении воздуха.

17.Теплоотдача вертикального цилиндра при естественной конвекции

18.Теплоотдача горизонтального цилиндра при естественной конвекции.

352

19.Теплоотдача при вынужденном движении воздуха в трубе.

20.Определение коэффициента излучения твердого тела калориметрическим методом.

21.Определение коэффициента теплового излучения электропроводящего материала методом математического моделирования.

22.Исследование работы теплообменного аппарата.

353

ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА

10.Кириллин, В.А. Техническая термодинамика : [учебник для теплоэнергетических специальностей вузов] / Кириллин В.А., Сычев В.В.,Шейндлин А.Е.. - 4-е изд.- Москва: Энергоатомиздат, 1983. - 416 с. : ил.

11.Исаченко, В.П. Теплопередача : [учебник для теплоэнергетических специальностей втузов] / Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. . - Изд. 4-е, перераб. и доп.. – Москва : Энергоиздат, 1981. – 417 с. : ил.

12.Хрусталев, Б.М. Техническая термодинамика : [учебник для строительных и

энергетических специальностей вузов]: в 2 ч./ Б.М. Хрусталев, А.П. Несенчук, В.Н. Романюк.- Минск: Технопринт, 2004 - Ч.1./ Б.М. Хрусталев. – 2004

Несенчук А.П. - Минск : БНТУ, 2007 - Ч.1 ./ Б.М. Хрусталев [и др.]. - 2007. - 607 с. : ил.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

5.Есьман, Р.И. Термодинамика, теплопередача и двигатели внутреннего сгорания/ Р.И. Есьман [и др.] - Минск : Вышэйшая школа, 1985. - 271 с. : ил.

6.Краснощеков, Е.А. Задачник по теплопередаче : [учебное пособие для теплоэнергетических специальностей вузов] / Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. . -4-

еизд., перераб. - Москва : Энергия, 1980. - 287 с. :ил.

7.Сборник задач по технической термодинамике : [учебное пособие для теплоэнергетических специальностей вузов] / Андрианова Т.Н., Дзампов Б.В., Зубарев В.Н., Ремизов С.А. . - 3-е изд., перераб. и доп.. -Москва : Энергоиздат,198

1.- 240 с. : ил.

8.Андрющенко, А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок : [учебное пособие для теплоэнергетических специальностей вузов] / Андрющенко А.И. . - Изд. 3-е, перераб. и доп.. - Москва : Высшая школа, 1985. - 319 с. : ил.

9.Ривкин, С.Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара: справочник /

Ривкин С.Л., Александров А.А. . - 2-е изд., перераб. и доп.. - Москва : Энергоатомиздат, 1984. - 80 с. : ил. ; прил.

10.Термодинамика. Терминология. - вып.103. – М.: Наука, 1984. – 39 с.

11.Теория теплообмена. Терминология. – вып. 83.- М. : Наука, 1971.- 42с.

12.Юдаев, Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача.: Учебник для неэнергетических специальностей втузов. – М.: Высшая школа, 1988. – 479 с.: ил.

354

12.Учебная программа по дисциплине «Теоретические основы теплотехники»

Белорусский национальный технический университет

УТВЕРЖДАЮ

Декан энергетического факультета

________________ С.М. Силюк

____________________

Регистрационный № УД-________/р.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

Учебная программа для специальности

1-43 01 05 Промышленная теплоэнергетика

Факультет энергетический

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника»

355