Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Теплотехника. Учебное пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
КЕМЕРОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Л.В. Лифенцева
ТЕПЛОТЕХНИКА
Учебное пособие
Для студентов вузов
Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим
центром высшего профессионального образования
для межвузовского использования в качестве учебного пособия
для студентов, обучающихся по специальностям направления
подготовки 260300 «Технология сырья и продуктов
животного происхождения»
Кемерово 2010
2
Охраняется законом об авторском
праве, не может быть использовано
любым незаконным способом
без письменного договора
УДК 621.1(075)
ББК 31.3я75
Л64
Рецензенты:
Е.И. Харлампенков, зав. кафедрой организации и технологии
коммерции Кемеровского института (филиала) Российского
государственного торгово-экономического университета,
доцент, канд. техн. наук;
В.И. Петров, ведущий специалист ООО «Еврохолод»,
доцент, канд. техн. наук
Рекомендовано редакционно-издательским советом
Кемеровского технологического института
пищевой промышленности
Лифенцева, Л.В.
Л64 Теплотехника : учеб. пособие / Л.В. Лифенцева; Кеме-
ровский технологический институт пищевой промышленности. – Изд. 2-е, перераб. и доп. – Кемерово, 2010. – 188 с.
ISBN 978-5-89289-658-0
Изложены положения технической термодинамики и теплообмена.
Рассмотрены основные законы термодинамики, термодинамический процесс, реальные газы и пары, а также передача теплоты в пространстве.
Рассмотрены основные процессы холодильной технологии, прин-
ципы консервирования холодом. Большое внимание уделено вопросам
охлаждения, замораживания, хранения, отепления и размораживания
мясных и молочных продуктов.
Предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальностям 260301 «Технология мяса и мясных продуктов», 260303 «Технология молока и молочных продуктов», всех форм обучения.
УДК 621.1(075)
ББК 31.3я75
ISBN 978-5-89289-658-0
©КемТИПП, 2007
©КемТИПП, 2010, с изменениями
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемое учебное пособие построено в соответствии
с рабочей программой по термодинамике, теплопередаче и холодильной технологии пищевых продуктов для студентовтехнологов мясной и молочной промышленности.
В первой части учебного пособия излагаются основные
законы термодинамики, термодинамические процессы, реальные газы и пары, рассматриваются циклы холодильных машин.
В результате изучения теплопередачи студенты овладевают не только теорией, но и методами расчета основных процессов теплообмена. В связи с этим отдельные вопросы теплопередачи сопровождаются рекомендуемыми расчетными формулами, с помощью которых решаются основные задачи теплообмена. При этом будущий инженер должен достаточно глубоко понимать физические особенности рассматриваемых процессов и
уметь математически описать исследуемое явление.
В настоящее время невозможно представить существование человечества без искусственного холода. Это относится и к
сфере обитания человека, и ко многим производственным процессам.
Искусственный холод, т.е. температура ниже окружающей
среды, находит все более широкое применение во многих отрас-
лях народного хозяйства.
Вторая часть учебного пособия посвящена использованию
искусственного холода в пищевой промышленности, что обеспечивает хранение скоропортящихся продуктов в охлажденном
и замороженном виде.
Особое внимание уделено видам холодильной обработки
мясных и молочных продуктов. Широкое, все более возрастающее применение искусственного холода требует комплексного
изучения и разработки вопросов холодильной технологии пищевых продуктов, а улучшение подготовки инженеровтехнологов является одним из основных условий повышения
научно-технического уровня применения холода во всех звеньях
непрерывной холодильной цепи.
4
ВВЕДЕНИЕ
Теплотехника – общетехническая дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные
особенности тепло- и парогенераторов, тепловых машин, аппаратов и устройств.
Данная дисциплина включает в себя термодинамику и
теплопередачу. Термодинамика изучает законы превращения
энергии в различных физико-химических процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловым эффектом.
Одним из направлений термодинамики является техническая термодинамика, которая изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и является
(вместе с теорией теплообмена) теоретическим фундаментом
теплотехники. На ее основе осуществляют расчет и проектирование всех тепловых двигателей – паровых и газовых турбин,
реактивных и ракетных двигателей, а также всевозможного технологического оборудования – компрессорных машин, сушильных и холодильных установок и т.д.
Зарождение технической термодинамики было связано с
изобретением в конце XVIII века паровой машины, работа которой была основана на превращении тепловой энергии в механическую работу. Основы технической термодинамики были заложены французским физиком Сади Карно, учеными Р.Ю.Э.
Клаузиусом, Ю.Р. Майером, Дж. П. Джоулем и др.
Рассматривая только макроскопические тела, термодинамика изучает закономерности тепловой формы движения материи, обусловленные наличием огромного числа непрерывно
движущихся и взаимодействующих между собой микроструктурных частиц (молекул, атомов, ионов).
Физические свойства макроскопических систем изучаются
статистическим и термодинамическим методами. Статистический метод основан на использовании теории вероятностей и
определенных моделей строения этих систем и представляет
собой содержание статистической физики. Термодинамический
5
метод не требует привлечения модельных представлений о
структуре вещества и является феноменологическим (т.е. рас-
сматривает «феномены» – явления в целом). При этом связь
между макроскопическими параметрами, определяющими поведение изучаемых систем, устанавливается двумя основными законами (началами) термодинамики, которые сформулированы
на основании огромного числа экспериментальных данных.
Теплопередачей называется наука, изучающая закономерности самопроизвольных необратимых процессов переноса теплоты в пространстве, который осуществляется теплопроводностью, конвекцией, тепловым излучением или их совокупностью.
Теплопередача – это сравнительно молодая наука, заложенная в середине XVIII века М.В. Ломоносовым. Особенно
интенсивно теплопередача развивалась в XIX веке. Большой
вклад внесли советские ученые М.В. Кирпичев, М.А. Михеев,
Г.Н. Кружилин и др.
6
Часть первая
ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
И ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
Глава первая
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ
1.1. Термодинамическая система
Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими систему
внешними телами.
Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой. Систему отделяют от окружающей среды контрольной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей системы – газа, заключенного в тонком цилиндре под поршнем,
внешней средой является окружающий воздух, а контрольными
поверхностями служат стенки цилиндра и поршень.
Механическое и тепловое взаимодействие термодинамической системы осуществляется через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии самой системой или над
системой совершается работа. В нашем примере механическая
работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объема. Тепловое взаимодействие заключается в
переходе теплоты между отдельными телами системы и между
системой и окружающей средой. В рассматриваемом примере
теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра.
Термодинамическая система является изолированной, если она не допускает обмена с окружающей средой ни теплотой,
ни работой. Полуизолированной, если она допускает обмен либо
теплотой, либо работой, и неизолированной, если она допускает
обмен со средой и теплотой, и работой.
7
Система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства, называется физически однородной.
Однородная термодинамическая система, внутри которой нет
поверхности раздела, называется гомогенной (лед, вода, пар), в
противном случае – гетерогенной (лед и вода, вода и пар и др.).
В технической термодинамике изучаются системы, осуществляющие взаимное превращение теплоты и работы. Обычно это газы и пары. Их называют рабочими телами.
1.2. Основные термодинамические
параметры состояния
Состояние любого вещества в известном агрегатном состоянии (жидком, твердом, газообразном) характеризуется различными физическими величинами. Эти физические величины,
поддающиеся непосредственному измерению, получили название параметров состояния.
Для характеристики состояния системы (рабочего тела)
достаточно трех основных параметров. К ним относятся удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура.
Удельный объем v (м3/кг) – это объем единицы массы
вещества:
v = V/m,
где V – полный объем вещества, м3;
m – масса вещества, кг.
Величина, обратная удельному объему, называется плотностью ρ (кг/м3). Это есть масса вещества, содержащаяся в единице объема тела:
ρ = 1/v = m/V.
Давление определяется силой, действующей по нормали
на единицу поверхности:
р = Fн/S,
где р – давление (Па = Н/м2);
Fн – нормальная составляющая силы, Н;
S – площадь поверхности, нормальной к действующей силе, м2.
8
Величина паскаль очень мала, и поэтому удобнее использовать для практического применения 1 кПа = 103 Па и 1 МПа =
106 Па. Часто используют и внесистемную единицу 1 бар = 105 Па.
До настоящего времени в технике используется также
старая единица измерения удельного давления – техническая
атмосфера (ат), представляющая собой силу в 1 кгс, действующую на 1 см2 площади:
1 ат = 1 кгс/см2 = 104 кгс/м2 = 9,81 · 104 Па = 735,6 мм рт. ст.
Существует несколько систем измерения давлений, отличающихся началом отсчета.
Земной шар окружен слоем воздуха толщиной приблизительно 80 км. Воздух имеет массу и под действием сил притяжения Земли (гравитационные силы) создает давление, называемое атмосферным или барометрическим. Это давление непостоянно и изменяется в зависимости от температуры воздуха,
влажности и других параметров окружающей среды. Оно зависит также от высоты над уровнем земли, причем с увеличением
высоты давление понижается.
На уровне моря, принятом за нулевую отметку высоты,
атмосферное давление составляет 101 325 Па и называется нормальным атмосферным давлением.
В разных системах для отсчета давления принимается абсолютный вакуум или атмосферное давление.
Если давление измеряют от абсолютного вакуума, то такое давление называют абсолютным давлением.
На практике чаще всего измеряют давление, превышающее атмосферное, т.е. за начало отсчета принято атмосферное
давление, оно называется избыточным.
Если давление жидкости или газа в сосуде будет ниже атмосферного, то такое давление называется вакуумметрическим,
а сосуд находится под разрежением или вакуумом.
Избыточное и вакуумное давление связаны с абсолютным
соотношениями:
Р
абс
= Р
атм
+ Р
изб
; Р
абс
= Р
атм
– Р
(1.1)
вак.
9
Температура – величина, характеризующая степень
нагретости тела. Из физики известно, что температура служит
мерой энергии движения молекул вещества. Причем, чем больше энергия движущихся молекул, тем выше его температура.
В конце ХVIII века М.В. Ломоносовым было предсказано,
что должна существовать такая температура, при которой движение молекул полностью должно прекратиться. Причем эта
температура должна быть минимально возможной и дальнейшее
понижение температуры тела невозможно. Абсолютный нуль
температур недостижим, так как тепловое движение молекул –
неотъемлемый атрибут материи, и прекращение этого движения
приводит к нарушению закона сохранения материи.
Впоследствии английский ученый У. Томсон (Кельвин)
предложил назвать эту температуру «абсолютным нулем» и
начинать от него отсчет температуры.
В настоящее время в отечественной и зарубежной практике используются три основные температурные шкалы: Кельвина, Цельсия и Фаренгейта.
Шкала Кельвина является основной шкалой в системе СИ.
Единицей измерения является Кельвин (К), величина которого
равна 1/100 части температурного диапазона между температурой таяния водного льда (273,15 К) и температурой кипения воды (373,15 К). В шкале Кельвина отсутствуют отрицательные
температуры.
За начало отсчета в шкале Цельсия (0 oC) принята температура
таяния льда (t0 = 0 oC) и температура кипения воды (t
Для тройной точки воды температура равновесия трех фаз
при давлении 610,8 Па установлена 273,16 К, или 0,01 oC. Между температурами, выраженными в Кельвинах и в градусах
Цельсия, имеется следующее соотношение:
Т = t + 273,15. (1.2)
Если все термодинамические параметры системы не изменяются во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояние называется равновесным.
Если между различными точками в системе существуют
разности температур, давлений и т.д., то она является неравно-
= 100 оС).
к
10
весной. В такой системе под действием изменения параметров
возникают потоки теплоты, вещества и т.д., стремящиеся вернуть
ее в состояние равновесия. Опыт показывает, что изолированная
система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может. В термодинамике рассматриваются только равновесные системы.
1.3. Уравнение состояния идеального газа
Для упрощения выводов в термодинамике введено понятие идеального газа. Идеальным называется газ, в котором отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, а сами молекулы рассматриваются как материальные точки, не имеющие
объема.
Идеальный газ описывается уравнением состояния:
рv = RT, (1.3)
где R – удельная газовая постоянная (Дж/(кг·К)), отнесенная к
массе газа, равной 1 кг; представляет собой удельную работу изменения объема, совершаемую 1 кг рабочего тела при
изменении его температуры на 1 К в изобарном процессе.
Для М (кг) газа уравнение состояния имеет вид:
PV = МRT (1.4)
Для одного кмоля газа
PVμ = μRT, (1.5)
где Vμ – объем киломоля газа;
μR–универсальная газовая постоянная (Дж/(кмоль·К)), от-
несенная к 1 кмолю, это есть работа изменения объема, совершаемая 1 кмолем газа при изменении его температуры
на 1 К в изобарном процессе.
В соответствии с законом Авогадро объем 1 кмоля, одинаковый в одних и тех же условиях для всех идеальных газов,
при нормальных физических условиях равен 22,4136 м3, поэто-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]