Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы термодинамики. Учебное пособие для выполнения практических занятий и расчетно-графической работы
.pdf
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
А. Г. Попов, В. А. Марковцев
ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Учебное пособие
для выполнения практических занятий
и расчетно-графической работы
Ульяновск
УлГТУ
2021
УДК621.783.4.001(075)
П 58
ББК 34.651я7
П 58
Рецензенты:
начальник бюро АО «Ульяновский механический завод», д-р техн. наук,
профессор В. И. Филимонов;
главный метролог АО «АО Авиастар-СП»,
Ю. Г. Чекушкин
Утверждено редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Попов, Анатолий Григорьевич
Основы термодинамики : учебное пособие для выполнения
практических занятий и расчетно-графической работы / А.Г. Попов,
В. А. Марковцев. – Ульяновск: УлГТУ, 2021. – 71 с.
ISBN 978-5-9795-2128-2
Написано в соответствии с учебными планами подготовки бакалавров по
направлению 15.03.01 «Машиностроение», а также в соответствии с рабочей
программой дисциплины «Основы термодинамики».
Учебное пособие предназначено для студентов машиностроительных
специальностей вузов всех форм обучения, облегчит им изучение и освоение
технологических операций связанных с использованием теплотехнического
оборудования, а также специальной дисциплины «Нагрев и нагревательные
устройства».
Подготовлено на кафедре «Материаловедение и обработка металлов
давлением» Ульяновского государственного технического университета.
УДК 621.783.4.001(075)
ББК 34.651я7
Попов А. Г., Марковцев В. А., 2021
ISBN 978-5-9795-2128-2 Оформление. УлГТУ, 2021
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................... 5
1. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ
РАБОТЫ ................................................................................................................................. 6
1.1. Основные понятия и определения ........................................................ 6
1.2. Выбор варианта задания ........................................................................... 15
1.3. Рекомендации по оформлению расчетно-графической
работы ......................................................................................................................... 17
2. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ, ПРОЦЕССЫ В
ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗАХ ................................................................................................... 18
2.1. Примеры оформления решения задачи ............................................. 18
2.2. Задачи и варианты выполнения ............................................................ 21
3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ КОМПРЕССОРА И
ВЕНТИЛЯТОРА ............................................................................................................... 23
3.1. Примеры оформления решения задачи ............................................. 23
3.2. Задачи и варианты выполнения ............................................................ 27
4. РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ ТОПЛИВА ........................................... 29
4.1. Примеры оформления решения задачи ............................................. 29
4.2. Задачи и варианты выполнения ............................................................ 31
5. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ......................................................................................... 33
5.1. Примеры оформления решения задачи ............................................. 33
5.2. Задачи и варианты выполнения ............................................................ 38
6. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН ................................................................. 41
6.1. Примеры оформления решения задачи ............................................. 41
6.2. Задачи и варианты выполнения ............................................................ 44
7. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА .............................................. 46
7.1. Примеры оформления решения задачи ............................................. 46
7.2. Задачи и варианты выполнения ............................................................ 48
3
8. ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ ......................................................................... 50
8.1. Примеры оформления решения задачи ............................................. 50
8.2. Задачи и варианты выполнения ............................................................ 53
9. ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКОЙ ЧАСТИ РАБОТЫ ..................................... 55
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................................. 57
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ..................................................................................... 58
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ..................................................................... 60
ПРИЛОЖЕНИЕ 1.
Физические параметры воды и воздуха для решения задач ........... 61
ПРИЛОЖЕНИЕ 2.
Компрессоры и вентиляторы .......................................................................... 62
ПРИЛОЖЕНИЕ 3.
Газовые горелки пламенных печей .............................................................. 66
ПРИЛОЖЕНИЕ 4.
Тепловое ограждение нагревательных печей ......................................... 68
ПРИЛОЖЕНИЕ 5.
Теплообменные аппараты ................................................................................ 69
4
ВВЕДЕНИЕ
В кузнечно-штамповочном производстве машиностроительного
завода используется сложное нагревательное, теплотехническое и
технологическое оборудование, в котором применяются природный
газ и сжатый воздух, а также водяной пар.
При разработке техпроцессов изготовления листовых заготовок
и поковок инженеру-технологу предстоит решать ряд комплексных
задач, связанных с организацией производства с минимальным
расходом энергоресурсов.
Целью учебного пособия является ознакомление студентов с
конструкцией, принципом действия и методами расчета
теплотехнических устройств, термодинамических и тепловых
процессов в различных технологических операциях для
последующего использования при разработке технологических
процессов нагрева при изготовлении поковок, термообработки и
количественной оценки эффективности предложений по экономии
энергоресурсов в кузнечно-штамповочном производстве.
5
1. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКОЙ
РАБОТЫ
1.1. Основные понятия и определения
Абсолютное давление
где P
P = P
– избыточное давление, измеряемое манометрами и др.
изб
изб
+ P
, (1.1)
атм
приборами;
P
– барометрическое давление, которое принимается равным 1
атм
атм = 105Па.
Уравнение Клапейрона:
PV = (m / μ)RuT, (1.2)
где Р – абсолютное давление рабочего тела в Па;
V – объем рабочего тела в м3;
m – масса рабочего тела в кг;
μ – молекулярная масса рабочего тела (кг / моль).
Ru – универсальная газовая постоянная; Ru = 8,31;
Т – абсолютная температура рабочего тела в К;
Идеальный газ – газ, в котором взаимодействиями между
отдельными молекулами можно пренебречь.
Теплота – форма передачи энергии между материальными
телами с разными температурами Q (Дж).
Работа – форма передачи энергии, при которой происходит
изменение объема или положения рабочего тела L (Дж).
Внутренняя энергия в термодинамике – энергия
поступательного и вращательного движения молекул, колебательного
движения атомов в молекулах, входящих в состав рабочего тела U
(Дж). Внутренняя энергия идеального газа зависит только от
температуры.
Изменение удельной внутренней энергии идеального газа при
изменении температуры
∆u
1-2=Cυ(T2–T1
) (Дж/кг), (1.3)
где Cυ – удельная изохорная теплоемкость рабочего тела.
6
Энтальпия – термодинамический параметр рабочего тела
I=U+pV (Дж). (1.4)
Изменение удельной энтальпии
Δi = CР(T2–T1) (Дж/кг), (1.5)
где CР – удельная изобарная теплоемкость рабочего тела.
Уравнение первого закона термодинамики для 1 кг рабочего тела
q
= u2–u1+ℓ
1-2
1-2+ℓυ
, (1.6)
где u2–u1 – изменение удельной внутренней энергии;
ℓ
1-2 ,ℓυ
– удельные работа расширения и работа, не связанная с
изменением объема.
Теплоемкость – способность рабочего тела изменять
температуру при подводе или отводе теплоты.
C=dq/dT. (1.7)
Теплоемкость идеальных газов для упрощенных расчетов:
Удельная изохорная теплоемкость рабочего тела
Сυ= jRu/2μ. (1.8)
Удельная изобарная теплоемкость рабочего тела
Cp=(j +2)Ru/2μ, (1.9)
где j – число степеней свободы атомов в молекуле газа:
j =3 для 1-атомного газа (x,y,z);
j =5 для 2-атомного газа;
j =6 для 3-атомного газа и более.
Работа расширения идеального газа при изотермическом
процессе:
ℓ = P1υ1ln(P1/P2) = (Ru/μ)Tln(P1/P2) (Дж/кг). (1.10).
Адиабатный процесс характеризуется отсутствием подвода и
отвода теплоты, постоянным параметром рабочего тела является
энтропия S=const; dq=0.
Уравнение состояния рабочего тела при адиабатном
процессе
P·υk=const, (1.11)
7
где k=Cp/Cυ – показатель адиабаты.
Значение показателя адиабаты зависит от числа атомов в
молекуле:
k=1,67 для 1-атомного газа;
k=1,4 для 2-атомного газа;
k=1,3 для 3-атомного газа и более.
Работа расширения идеального газа при адиабатном процессе:
ℓ=RT1/(k–1)[1– (P1/P2)
(k-1)/k
] = (P1υ1–P2υ2)/(k–1) = R(T2–T1)/(k–1)=
= P1υ1/(k–1)(1–T2/T1) (Дж/кг). (1.12)
Тепловой двигатель – термодинамическая машина, в которой
теплота превращается в механическую энергию (работу), реализуется
прямой термодинамический цикл.
Холодильная установка – термодинамическая машина, в
которой происходит передача теплоты от более нагретого тела к
более холодному, реализуется обратный термодинамический цикл.
Термический КПД термодинамического цикла теплового
двигателя
ŋ=ℓ/q1=(q1–q2)/q1, (1.13)
где ℓ=ℓ1–ℓ2 – удельная работа, совершаемая рабочим телом за цикл;
q1, q
– удельные теплоты, подводимая и отводимая от рабочего тела.
2
ŋ < 1 т.к. q2≠0.
Холодильный КПД термодинамического цикла холодильной
установки
E= q2/ℓ. (1.14)
Компрессор – машина, предназначенная для сжатия различных
газов за счет затраты механической энергии на привод (внешней
механической работы).
Объемная производительность компрессора
V′=V2 ·n (м3/с), (1.15)
где V2 – объем газа, нагнетаемого в линию высокого давления за ход
поршня;
n – число двойных ходов или число оборотов привода компрессора за
единицу времени.
8
Массовая производительность компрессора
М =V′·ρ2 (кг/с), (1.16)
где ρ2 =m/V=P2μ/(RuT2) – плотность газа в линии высокого давления.
Удельная работа на привод компрессора при
изотермическом сжатии
ℓ
пр.изот
= –RuT/μ [ln(P2/P1)]= –P1υ1ln(P2/P1) (Дж/кг). (1.17)
Удельная работа на привод компрессора при адиабатном
сжатии
ℓ
= –kRuT/((k–1)μ)[(P2/P1)
пр.ад
(k-1)/k
–1] (Дж/кг). (1.18)
qад=0.
Сравнивая два процесса сжатия в компрессоре:
ℓ
пр.изот
< ℓ
пр.ад
.
Мощность на привод компрессора определяется по удельной
работе по формуле
Nпр= ℓпрM/(ŋ
мехŋоб
), (Вт), (1.19)
где М – массовая производительность компрессора, кг/с;
ŋ
– механический КПД компрессора и привода (от 0,8 до 0,95);
мех
ŋоб – объемный КПД компрессора (от 0,85 до 0,95).
Вентиляторы – устройство для подачи или отвода газа или
воздуха в помещении или в технологические установки, при этом
отношение давления P2/P1≤1,15.
Дымосос – вентилятор, предназначенный для перемещения
продуктов сгорания из пламенных теплотехнических установок
(печей) в окружающую среду.
Мощность привода вентилятора
Nпр= V′∆P/(ŋпрŋВ), (Вт), (1.20)
где V′ – объемный расход воздуха, необходимый для технологических
процессов (м3/с);
∆P = (Р2– Р1) – полное давление, развиваемое вентилятором, или
газодинамическое сопротивление воздуховодов (Па);
ŋпр – КПД привода (от 0,85 до 0,98);
ŋВ – КПД вентилятора (от 0,7 до 0,95).
9
Насос – механическое устройство, предназначенное для
перемещения жидкости с низким давлением Р1 в напорную трубу с
высоким давлением Р2.
Объемная подача насоса
Vн = Vц n (м³/с), (1.21)
где Vц – рабочий объем цилиндра насоса, м³;
n – число оборотов насоса за секунду.
Мощность привода насоса
Nн =Vн·ΔР/(ηпрηн), (Вт), (1.22)
где ΔР=Р2 – Р1 перепад давления между напорной и сливной трубами
(Па);
ηн – КПД насоса (от 0,7 до 0,95);
ηпр– КПД привода (от 0,85 до 0,98).
Горение топлива – процесс быстрого высокотемпературного
окисления горючих веществ, входящих в состав топлива.
Низшая теплота сгорания природного газа Qн может быть
определена по составу газа, с учетом образования при сгорании СО2 и
водяного пара:
Qн = 358·СН4 + 640·С2Н6 + 930·С3Н8 + 1200·С4Н10 (кДж/м3), (1.23)
где СН4 содержание метана в % по объему; С2Н6 – этана; С3Н8 –
пропана; С4Н10 – бутана.
Объем воздуха, необходимый для полного сгорания 1 м3
природного газа:
VВ = 0,0476α (2·СН4 + 3,5·С2Н6 + 5·С3Н8 + 6,5·С4Н10) (м3), (1.24)
где α – избыток воздуха при сжигании топлива, который обычно
принимается в диапазоне от 1,05 до 1,15;
СН4 содержание метана в % по объему; С2Н6 – этана; С3Н8 – пропана;
С4Н10 – бутана.
Объем продуктов сгорания, образующийся при полном
сгорании 1 м3 природного газа:
VПС = αVВ + 0,01 (3·СН4 + 5·С2Н6 + 7·С3Н8 + 9·С4Н10 + СО2 +N2). (1.25)
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]