Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая теплотехника. Учебное пособие
.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Саратовский государственный технический университет
Э.М. Малая, Д.В. Голиков
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕПЛОТЕХНИКА
Учебное пособие
по курсу «Техническая теплотехника»
для студентов специальности 270109.105
всех форм обучения
Электронное издание сетевого и локального распространения
Саратов 2014
1
УДК 621.1.016.7 (075.8)
ББК 31.31
М 18
Рецензенты:
Кафедра «Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция»,
Саратовского государственного аграрного университета
им. Н.И. Вавилова, доктор технических наук,
профессор В.А. Стрельников
Директор по работе со стратегическими заказчиками
ОАО «Гипрониигаз» Н.Е. Семина
Одобрено
редакционно-издательским советом
Саратовского государственного технического университета
Малая Э.М.
М 18 Техническая теплотехника: учеб. пособие / Э.М. Малая, Д.В. Голи-
ков. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т., 2014. – 90 с.
ISBN 978-5-7433-2749-2
Учебное пособие составлено для студентов направления подготовки специалистов 270.800 «Строительство» и 271.101 «Строительство уникальных зданий
и сооружений».
Пособие состоит из 3 частей: техническая термодинамика, тепломассообмен
и теплогенерирующие установки. Рассматриваются общие вопросы для ознакомления
и понимания, а также комплексного восприятия студентом дисциплины. Первые два
раздела подводят студента к пониманию материала, изложенного в 3-м разделе, касающемся источников теплоснабжения, сетей теплоснабжения, тепловых пунктов
и местных систем. Рассматриваемые вопросы подготавливают будущего специалиста
к решению практических задач.
Материал излагается в доступной для студентов форме. Там, где это необходимо, вопросы рассматриваются более подробно. Комплексное изучение приведенного
материала позволяет студенту создать достаточно ясное представление об источниках
теплоснабжения, их
о влиянии данных процессов на экологическую обстановку, что является весьма актуальным в настоящее время.
устройстве, процессах, происходящих при их работе, а также
Редактор К.А. Кулагина
Компьютерная верстка Т.В. Семёновой
УДК 621.1.016.7 (075.8)
ББК 31.31
© Саратовский государственный
технический университет, 2014
ISBN 978-5-7433-2749-2 © Малая Э.М., Голиков Д.В., 2014
2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ............................................................................................................... 5
Раздел 1. Термодинамика ................................................................................. 6
1.1. Краткое введение в курс .............................................................................. 6
1.2. Термодинамика. Основные понятия и определения ................................. 6
1.3. Понятие о термодинамических потенциалах и координатах.
Энтропия. .............................................................................................................. 7
1.4. Термодинамические системы ...................................................................... 8
1.5. Параметры состояния ТС ............................................................................. 9
1.6. Равновесные и неравновесные термодинамические процессы.
Уравнение состояния ......................................................................................... 10
1.7. Уравнение состояния идеального газа ..................................................... 12
1.8. Внутренняя энергия тела ........................................................................... 13
1.9. Понятие об энтальпии ................................................................................ 14
1.10. Теплота и
работа ....................................................................................... 14
1.11. Первое начало (закон) термодинамики .................................................. 15
1.12. Теплоемкость ............................................................................................ 17
1.13. Графическое отображение термодинамических процессов ................. 18
1.14. Газовые смеси ........................................................................................... 19
1.15. Второй закон термодинамики ................................................................. 20
1.16. Понятие о циклах. Цикл Карно ............................................................... 22
1.17. Термодинамические процессы идеального газа.
Политропный процесс ....................................................................................... 23
1.18. Реальные газы ............................................................................................ 26
1.19. Водяной пар. p-V, T-S и h-S диаграммы воды и водяного пара .......... 27
1.20. Влажный воздух ........................................................................................ 30
1.21. H-d диаграмма влажного воздуха ........................................................... 32
1.22. Стационарное течение газа
в потоке ...................................................... 33
1.23. Дросселирование ...................................................................................... 35
1.24. Разгон и торможение газа. Сопла и диффузоры. Сопло Лаваля .......... 35
1.25. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) ............. 36
1.26. Циклы газотурбинных установок (ГТУ) ................................................ 39
1.27. Циклы паротурбинных установок (ПТУ). Цикл Ренкина .................... 42
1.28. Компрессоры ............................................................................................. 43
1.29. Холодильная установка. Обратный цикл Карно ................................... 44
Раздел 2. Тепломассообмен ............................................................................ 46
2.1. Основные понятия. Способы передачи тепла .......................................... 46
2.2. Температурное поле ................................................................................... 47
2.3. Температурный градиент ........................................................................... 48
2.4. Количество теплоты. Тепловой поток. Удельные тепловые потоки ..... 49
2.5. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности ...................................... 49
3
2.6. Граничные условия ..................................................................................... 50
2.7. Теплопроводность плоской стенки ........................................................... 51
2.8. Теплопроводность цилиндрической стенки ............................................ 54
2.9. Теплопроводность однородной шаровой стенки .................................... 57
2.10. Конвективный теплообмен. Общие понятия ......................................... 59
2.11. Закон Ньютона-Рихмана .......................................................................... 59
2.12. Дифференциальные уравнения процесса теплопередачи .................... 60
2.13. Основы теории подобия ........................................................................... 61
2.14. Методика определения коэффициента теплопроводности .................. 62
2.15. Основные понятия и определения лучистого теплообмена ................. 63
2.16. Основные законы теплового излучения ................................................. 65
2.17. Сложный теплообмен. Теплопередача через плоскую
стенку ............ 67
2.18. Теплопередача через цилиндрическую стенку ...................................... 69
2.19. Теплообменные аппараты ........................................................................ 71
Раздел 3. Топливо. Теплоэнергетические установки ............................... 74
3.1. Классификация, состав и общие технические
характеристики топлива.. .................................................................................. 74
3.2. Процесс горения твердого, жидкого и газообразного тела .................... 76
3.3. Расчет горения топлива. Действительный и теоретический
расход воздуха .................................................................................................... 77
3.4. Элементы котельной установки ................................................................ 78
3.5. Классификация котельных установок ...................................................... 80
3.6. Принципиальная схема паровой и водогрейной котельных .................. 80
3.7. Тепловой баланс котельного агрегата ...................................................... 82
3.8. Топка. Общие понятия ............................................................................... 83
3.9. Компрессорные установки. Общие понятия и классификация ............. 85
3.10. Токсичные вещества продуктов сгорания и их влияние
на организм человека ......................................................................................... 86
3.11. Парниковый эффект. Влияние выброса токсичных веществ
на экологический баланс. Пути уменьшения антропогенных выбросов ..... 88
Список литературы ......................................................................................... 89
4
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время отрасль теплоснабжения играет весьма важную
роль в поддержании комфортных условий жизни населения. Для того чтобы повысить экономичность и энергоэффективность систем теплоснабжения, в настоящее время все более широкими темпами внедряются ресурсосберегающие технологии, новая автоматика, включающая датчики, контроллеры, позволяющая быстро реагировать на изменяющиеся условия.
Громоздкие тепловые пункты, а также отдельные элементы систем теплоснабжения заменяются современными, более экономичными элементами,
существенно сокращающими монтажные затраты.
Дисциплина «Техническая теплотехника» изучает способы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, принципы работы тепловых и холодильных машин, тепло- и парогенераторов и теплообменных аппаратов. Данный курс позволит студентам сформировать основу
для дальнейшего понимания устройства и эффективной эксплуатации систем теплоснабжения.
Разделами курса являются техническая термодинамика, устанавливающая закономерности взаимного преобразования теплоты и работы
и изучающая свойства газов и паров и процессы изменения их состояния,
тепломассообмен, изучающий закономерности основных процессов переноса теплоты и массы, и теплогенерирующие установки. В последнем разделе рассматриваются источники теплоснабжения, их устройство и последствия работы, а также топливо и его горение.
Качественное изучение дисциплины поможет сформировать добросовестного инженера, чей труд будет полезен для общества.
5
РАЗДЕЛ 1. ТЕРМОДИНАМИКА
1.1. Краткое введение в курс
Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия
и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств.
Различают два направления использования теплоты – энергетиче-
ское и технологическое.
При энергетическом использовании теплота преобразуется в механическую работу, с
помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно
в двигателях внутреннего сгорания.
При технологическом теплота используется для направленного изменения свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения
структуры, механических, физических, химических свойств).
Разделами данного курса
являются техническая термодинамика
и основы тепломассообмена.
Ту часть термодинамики, которая изучает процессы в термомеханических системах, называют технической термодинамикой, подчеркивая
тем самым значение полученных в ней выводов и расчетных методик для
очень многих технических устройств.
1.2. Термодинамика. Основные понятия и определения
Система – это совокупность тел или частиц. Тела взаимодействуют
между
собой, с другими телами. При этом они обмениваются энергией.
Допустим, мы выделяем макроскопическое тело или систему тел для выявления ее свойств, теперь для нас это термодинамическая система (ТС).
Все остальные тела – окружающая среда. Задача термодинамики – их исследование.
Система взаимодействует с окружающей средой, при этом одни ее
величины изменяются
чески не изменяют численного значения (с
– параметры ТС (например, p.T.v), другие практи-
.r – теплоемкость, теплота па-
p
рообразования).
Подсистема – составная часть системы. Пример: система – газ, подсистема – частица или группа частиц.
Число частиц (в дальнейшем будем называть количество вещества)
измеряется в масштабе числа Авогадро. Оно равно N
= 6*1023.
0
Количество вещества (т.н. число частиц) обозначим N, его изменение – dN.
Моль n=N/N
– измеряет количество вещества.
0
6
Систему называют однородной, если параметры ее не изменяются
в пространстве, и равновесной, если они не изменяются по времени.
Нулевое правило термодинамики – при отсутствии внешних воз-
действий система рано или поздно приходит к однородному и равновесному состоянию.
1.3. Понятие о термодинамических потенциалах
и координатах. Энтропия
Параметры состояния ТС делятся на 2 группы:
1. Потенциалы.
Обозначаются
р . Это такие параметры, разница которых в среде
и системе является движущей силой взаимодействия.
Взаимодействие возможно в случае, когда эта разница отлична от 0,
т.е.
pр .
Ai
Bi
Примеры потенциалов: р, Т, Е (электрический потенциал).
2. Координаты.
Обозначаются
ме свидетельствуют о протекании взаимодействия (
В случае
x . Это такие параметры, изменение которых в систе-
i
xd 0
i
xd 0
взаимодействие не совершается даже при наличии
).
i
необходимой разности потенциалов (из-за наличия изоляции системы).
Примеры координат: V, m (при химических взаимодействиях), число элек-
трических зарядов.
В термодинамике принято следующее правило знаков для потенци-
алов: разность
pр считается положительной (т.е.
Ai
Bi
pр ), если при
Bi
Ai
этом возникает процесс взаимодействия с возрастанием соответствующей
координаты состояния (dxi > 0).
Координату теплового состояния называют энтропией. Энтропия S
системы определяется вероятностью ее состояния W. Под вероятностью
состояния системы понимают число способов, которыми можно достичь
данного состояния, начиная от некоторого первоначального.
Минимальной частицей макромира является молекула. Значит, вероятность состояния W характеризует степень упорядоченности (или беспорядка) распределения молекул в объеме термодинамической системы.
Величина энтропии пропорциональна вероятности состояния W и определяется формулой
S = k lnW, (1)
где
k – постоянная Стефана–Больцмана.
При подводе тепла к системе растет интенсивность теплового дви-
жения молекул, растет и степень хаотичности распределения их в про-
7
странстве. Значит, при этом численно возрастают и W, и S. При отводе
тепла все происходит наоборот: энтропия S уменьшается.
Энтропию также можно назвать мерой рассеивания (деградации)
энергии.
Энтропия S определяется выражением:
dS = dQ / T [Дж/К], (2)
или для удельной энтропии:
ds = dq / T [Дж/(кг·К)]/. (3)
Энтропию можно определить как функцию основных параметров со-
стояния:
S = f
(P,V); S = f2(P,T); S = f3(V,T);
1
или для удельной энтропии:
s = f
(P,υ); s = f2(P,T); S = f3(υ,T;
1
Если энтропия системы возрастает (ds > 0), то системе подводится
тепло.
Если энтропия системы уменьшается (ds < 0), то системе отводится
тепло.
Если энтропия системы не изменяется (ds = 0, s = Const), то системе
не подводится и не отводится тепло (адиабатный процесс).
1.4. Термодинамические системы
Как было сказано раньше, ТС – это совокупность макроскопических
тел, обменивающиеся энергией друг с другом и
: т/д система – газ, находящейся в цилиндре с поршнем, а окружающая
мер
окружающей средой. При-
среда – цилиндр, поршень, воздух, стены помещения.
Термодинамическая система позволяет трансформировать тепло
в работу (и наоборот).
Потенциалами такой системы являются -
ветственно,
V и S.
р и Т, а координатами, соот-
Первый закон термодинамики в этом случае запишется так:
dU = TdS – pdV;
или в сокращенной форме:
dU = dQ − dL,
где
dQ и dL – обозначения тепла и работы за элементарный процесс взаи-
модействия.
Последняя формула позволяет понять и ту формулировку, которая
утверждает невозможность вечного двигателя. Действительно, чтобы
двигатель работал вечно, внутренняя энергия его рабочего тела не должна изменяться (т.е. у вечного двигателя dU = 0). Тогда видно, что не подводя тепла (dQ = 0), мы не получим и работы (dL = 0 – 0 = 0).
8
Изолированная система – ТС, не взаимодействующая с окружаю-
щей средой.
Теплоизолированная (адиабатическая) система – ТС, имеющая
адиабатную оболочку, которая исключает теплообмен с окружающей средой.
Однородная система – система, имеющая одинаковый состав и фи-
зические свойства.
Гомогенная система – однородная система по составу и физическому строению, внутри которой нет поверхностей раздела (лед, вода,
газы
).
Гетерогенная система – система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных
одна от другой видимыми поверхностями раздела (лед и вода, вода
и пар).
Система отделяется от окружающей среды границей – контрольной
поверхностью.
1.5. Параметры состояния ТС
Величины, которые характеризуют физическое состояние тела,
называются термодинамическими параметрами состояния. Такими
метрами являются
удельный объем, абсолютное давление, абсолютная
пара-
температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, теплоемкость
и т.д. При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) термодинамическое состояние однофазного тела можно
однозначно определить тремя параметрами – уд. объемом
рой
(Т), давлением (Р).
(v), температу-
Удельный объем – величина, определяемая отношением объема ве-
щества к его массе:
v = V / m [м
3
/кг], (4)
Плотность вещества – величина, определяемая отношением массы
к объему вещества.
ρ = m / V [кг/м
3
], (5)
v = 1 / ρ; ρ = 1 / v; v * ρ = 1. (6)
Давление с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть
средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенку сосуда, в котором заключен газ.
р = F / S [Па] = [Н/м
5
1 бар = 10
Па.
2
]; (7)
Различают избыточное и абсолютное давление.
Избыточное давление (Р
) – разность между давлением жидкости
и
или газа и давлением окружающей среды.
9
Абсолютное давление (Р) – давление, отсчитываемое от абсолютного нуля давления или от абсолютного вакуума. Это давление является т/д
параметром состояния.
Абсолютное давление определяется:
1. При давлении сосуда больше атмосферного:
Р = Р
+ Р0 = (Р – Р0) + Р0. (8)
и
2. При давлении сосуда меньше атмосферного:
Р = Р
где Р
– атмосферное давление; Рв – давление вакуума.
0
+ Рв. (9)
0
Температура характеризует степень нагретости тел, представляет
собой меру средней кинетической энергии поступательного движения его
молекул. Чем больше средняя скорость движения, тем выше температура
тела.
За т/д параметр состояния системы принимают
ратуру
При температуре абсолютного нуля
(Т). Она всегда положительна.
(Т=0) тепловые движения пре-
абсолютную темпе-
кращаются и эта температура является началом отсчета абсолютной температуры.
1.6. Равновесные и неравновесные термодинамические
процессы. Уравнение состояния
Определение термодинамического процесса:
1. Под термодинамическим процессом понимается совокупность
последовательных состояний, через которые проходит ТС при ее взаимодействии с окружающей средой.
2. Взаимодействие системы со средой, в результате которого
няются термодинамические (
p, v, T) и калорические (s, u, h и др.) парамет-
изме-
ры рабочего тела, называют термодинамическим процессом.
Термодинамические процессы бывают равновесные и неравновесные.
Если процесс проходит через равновесные состояния, то он называется равновесным.
Равновесным называют такое состояние системы, при котором во
всех точках ее объема все параметры состояния (p, V, Т) и физические
свойства одинаковы.
Т.е. если движущая сила процесса, определяемая разницей потенциалов p
очень мала, то процесс будет проходить вяло, медленно, малои-
н-pв
нерционно. В каждом конкретном состоянии в течение такого процесса
система будет оставаться практически однородной и равновесной. Она
как бы проходит последовательно ряд следующих друг за другом равновесных состояний, отличающихся бесконечно малыми изменениями параметров. Такие абстрактные, длящиеся бесконечно долго, процессы
при-
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]