Теоретические основы теплотехники

Учебная программа составлена на основе типовой учебной программы «Теоретические основы теплотехники», утв. «05» июля 2011г., рег. № УД-ЭФ43-17/баз.

Рассмотрена и рекомендована к утверждению в качестве рабочего варианта на заседании кафедры «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника» Белорусского национального технического университета (протокол № ____ от «___»___________ 2012 г.)

Одобрена и рекомендована к утверждению методической комиссией энергетического факультета Белорусского национального технического университета (протокол №____ от ____________ 2012 г.)

356

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Выработка электроэнергии на тепловых электрических станциях связана с эксплуатацией современных паровых и газовых турбин. В малых масштабах она может вырабатываться на комбинированных установках двигатель внутреннего сгорания – электрогенератор.

В производственной деятельности на промышленных предприятиях инженер – энергетик сталкивается с работой систем получения и использования сжатого воздуха для привода механизмов и машин, эксплуатацией заводских газопроводов природного и искусственных газов, очистных устройств, предназначенных для уменьшения выбросов вредных газов и пыли в атмосферу.

Во всех перечисленных установках и системах протекают различные термодинамические процессы изменения состояния газов и паров, применяемых в качестве рабочих тел. Знание основных законов, с помощью которых описываются свойства термодинамических систем поможет инженеру – энергетику грамотно и эффективно эксплуатировать основное оборудования.

Целью дисциплины «Теоретические основы теплотехники» является изучение студентами основных свойств термодинамических систем таких, как газы и водяной пар, методами их получения и использования для выработки тепловой и механической энергии на ТЭС, АЭС, в котельных, в тепловых двигателях внутреннего сгорания, паровых и газовых турбинах, а также с основами теории теплообмена, имеющего место в теплотехнологиях различных отраслей народного хозяйства, в аппаратах, теплоэнергетических установках и устройствах.

Для изучения дисциплины «Теоретические основы теплотехники» необходимы знания в области физики, высшей математики, гидрогазодинамики, химии. В свою очередь, эти знания используются при изучении ряда прикладных инженерных дисциплин.

Задачи дисциплины включают:

-изучение основных законов и положений термодинамики и теплопе - редачи;

-исследование свойств и термодинамических процессов идеального и реального газов;

-исследование замкнутых круговых процессов - термодинамических циклов тепловых

двигателей, цикла и теоремы Карно, циклов холодильных установок и тепловых насосов;

-определение коэффициентов теплопроводности, теплоотдачи, теплопередачи, массоотдачи, температуропроводности;

-исследование законов теплопроводности Фурье, теплоотдачи Ньютона-Рихмана, законов теплового излучения (Планка, Стефана-Больцмана, Ламберта);

-изучение механизмов передачи теплоты и массы в различных видах конвективного тепломассообмена;

Врезультате освоения курса «Теоретические основы теплотехники» студент должен:

знать:

-законы термодинамики;

-основные термодинамические свойства газа и водяного пара;

-методы получения и использования водяного пара и воды;

-методы определения теплотехнических характеристик жидкостей, газов и твердых тел;

уметь:

-применять законы термодинамики при расчете паровых и газовых установок;

-определять термодинамические параметры газов, водяного пара и твердого тела;

357

- выполнять экспериментальное исследование процессов теплообмена при вынужденном движении среды.

Основными методами (технологиями) обучения, отвечающими целям изучения дисциплины, являются:

− элементы проблемного обучения (проблемное изложение, вариативное изложение, частично-поисковый метод), реализуемые на лекционных занятиях;

− элементы учебно-исследовательской деятельности, реализация творческого подхода, реализуемые на практических занятиях (или лабораторных работах)

ипри самостоятельной работе;

−коммуникативные технологии (дискуссия, учебные дебаты, мозговой штурм и другие формы и методы), реализуемые на практических занятиях и

конференциях;

− проектные технологии, используемые при проектировании конкретного объекта, реализуемые при выполнении курсовой работы.

Диагностика компетенции студента.

Для оценки достижений студента используется следующий диагностический инструментарий:

-проведение текущих контрольных вопросов по отдельным темам;

-выступление студента на конференции по подготовленному реферату;

-сдача экзаменов и зачетов.

Изучение дисциплины «Теоретические основы теплотехники» рассчитано на 278 час, в том числе — 198 часов аудиторных занятий.

Примерное распределение аудиторных часов по видам занятий: лекции — 72 часа; практические занятия — 72 часа;

лабораторные занятия — 54 часа.

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.

358

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.

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

иСV 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

иэнтропии 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,

359

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.

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).

360

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.

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

361

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, 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.

362

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.

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.

363