Министерство сельского хозяйства рф
Федеральное государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н.Прянишникова»
А.Т. Манташов
ТЕПЛОТЕХНИКА
Часть I
Термодинамика и теплопередача
У ч е б н о е п о с о б и е
Пермь 2009
УДК 631.371 (075.8)
ББК 40.7
М.23
Рецензент:
Кандидат технических наук, доцент Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н.Прянишникова В.С. Кошман
Манташов А.Т.
М 23 Теплотехника. Часть I Термодинамика и теплопередача; Учебное пособие. – Пермь: Изд-во ПГСХА, 2009 – 184 с.
В настоящем учебном пособии изложена часть 1 дисциплины “Теплотехника”, утвержденной Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования, в качестве обязательной при подготовке дипломированного специалиста 660300 Агроинжинерии. В часть 1 дисциплины включены разделы “Техническая термодинамика” и “Основы теории теплообмена”. Учебное пособие предназначено для студентов очного и заочного обучения по специальностям: 110 301 – “Механизация сельского хозяйства”, 280 101 – “Безопасность жизнедеятельности в техносфере”,. 110 304 – “Технология обслуживания и ремонта машин в АПК” и 190603 – “Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (в автомобильном транспорте)”.
Печатается по решению методической комиссии инженерного факультета ПГСХА (протокол № 4 от « 10 » декабря 2008 года)
УДК 631.371 (075.8)
ББК 40.7
© «ФГОУ ВПО. Пермская ГСХА»
|
О г л а в л е н и е Предисловие ………………………………………………………………………………………………. ……... Раздел 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА…………………………………….. .. Глава 1.Законы термодинамики ……………………………………………………………………. 1.1.Исходные определения и понятия …………………………………….. 1.1.1.Термодинамическая система ………………………………………… 1.1.2. Термодинамические параметры …………………………………….. 1.1.3. Состояние термодинамической системы …………………………... 1.1.4. Энергия термодинамической системы ……………………………... 1.1.5. Теплота и работа - формы энергообмена …………………………... 1.2. Законы термодинамик ………………………………………………… 1.2.1. Первый закон термодинамики ………………………………………. 1.2.2. Второй закон термодинамики ……………………………………….. 1.2.3. Энтропия. Математическое выражение второго закона термодинамики ……………………………………………………………... 1.2.4. Эксергия ………………………………………………………………. 1.2.5. Понятие о третьем законе термодинамики ………………………… Глава 2. Термодинамические свойства рабочих тел ……………………... 2.1. Рабочее тело тепловых машин ………………………………………... 2.1.1. Газ как рабочее тело …………………………………………………. 2.1.2. Газовые смеси ………………………………………………………... 2.2. Теплоемкость газов и газовых смесей ……………………………….. 2.2.1. Понятие теплоемкости ……………………………………………… 2.2.2. Теплоемкости сp и сv ………………………………………………. 2.2.3. Зависимость теплоемкости от температуры ……………………….. 2.2.4. Теплоемкость газовых смесей ………………………………………. 2.3. Термодинамические процессы ……………………………………….. 2.3.1. Понятие термодинамического процесса …………………………… 2.3.2. Политропные процессы ……………………………………………… 2.3.3. Изобарный процесс ………………………………………………….. 2.3.4. Изохорный процесс ………………………………………………….. 2.3.5. Изотермический процесс ……………………………………………. 2.3.6. Адиабатный процесс ………………………………………………… 2.3.7. Характерные группы политропных процессов ……………………. 2.3.8. Диаграммы состояния ………………………………………………. Глава 3. Пар и влажный воздух ……………………………………………. 3.1. Парообразование жидкостей ………………………………………….. 3.1.1. Особенности фазовых переходов …………………………………… 3.1.2. Пар и его характеристики ………………………………… 3.2. Влажный воздух ……………………………………………………….. 3.2.1. Параметры влажного воздуха ………………………………………. 3.2.2. Диаграмма id влажного воздуха64 ………………………………… Глава 4. Термодинамика газового потока ………………………………… 4.1. Уравнения и параметры движущегося газа ………………………….. 4.1.1. Уравнение энергии …………………………………………………... 4.1.2. Параметры торможения ……………………………………………... 4.1.3.Уравнение скорости движения газа …………………………………. 4.1.4.Уравнение расхода …………………………………………………… 4.2. Течение газа в каналах ………………………………………………… 4.2.1. Уравнение обращения воздействия ………………………………… 4.2.2.Течение газа в соплах Лаваля ………………………………………... 4.2.3.Дросселирование газа и пара ………………………………………… Глава 5. Циклы тепловых машин ………………………………………….. 5.1. Цикл Карно ……………………………………………………………... 5.2. Идеальные циклы поршневых ДВС ………………………………….. 5.2.1. Цикл ДВС с изохорным подводом тепла ………………………….. 5.2.2. Цикл ДВС с изобарным подводом тепла ………………………….. 5.3. Идеальный цикл газотурбинного двигателя …………………………. 5.4. Цикл паросиловой установки ………………………………………… 5.5. Цикл универсальной тепловой машины Стирлинга ………………… 5.6. Циклы компрессоров …………………………………………………... 5.6.1. Способы получения высоких давлений газов ……………………... 5.6.2. Поршневой компрессор и его показатели ………………………….. 5.6.3. Идеальный цикл одноступенчатого поршневого компрессора …… 5.6.4. Идеальный цикл многоступенчатого компрессора ……………….. 5.7. Циклы холодильных машин ………………………………………….. 5.7.1.Способы получения низких температур ……………………………. 5.7.2. Цикл паровой компрессорной холодильной машины …………….. 5.7.3. Цикл абсорбционной холодильной машины ………………………. 5.8. Цикл теплового насоса …………………………………………………
Раздел II. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА ………………………... Глава 6. Теплопроводность ………………………………………………… 6.1. Терминология теплообмена …………………………………………… 6.2. Сущность теплопроводности …………………………………………. 6.2.1. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности ……………………. 6.2.2 Дифференциальное уравнение теплопроводности ………………… 6.3. Стационарная теплопроводность ……………………………………... 6.3.1. Теплопроводность однослойной плоской стенки ………………….. 6.3.2. Теплопроводность плоской многослойной стенки …………………
6.4. Некоторые методы решения задач нестационарной тепло- проводности ………………………………………………………….. …….. Глава 7. Конвективный теплообмен ………………………………………. 7.1. Теплоотдача …………………………………………………………….. 7.1.1. Основной закон теплоотдачи ……………………………………….. 7.1.2. Факторы, влияющие на коэффициент теплоотдачи ……………….. 7.2. Основы теории теплового подобия …………………………………… 7.2.1. Подобные процессы теплоотдачи …………………………………... 7.2.2. Критерии теплового подобия ……………………………………….. 7.2.3. Критериальные уравнения …………………………………………... 7.3. Теплоотдача при естественной конвекции ………………………….. 7.4. Теплоотдача при вынужденной конвекции ………………………….. 7.4.1. Теплоотдача в прямолинейных каналах ……………………………. 7.4.2. Теплоотдача на начальном участке канала ………………………… 7.4.3. Теплоотдача в изогнутых каналах ………………………………….. 7.4.4. Теплообмен потока с преградами …………………………………... 7.4.5. Теплоотдача в газоходах ……………………………………………. 7.5. Теплоотдача при изменении агрегатного состояния теплоносителя . 7.5.1. Конвективный теплообмен при кипении …………………………... 7.5.2.Теплоотдача при конденсации пара ………………………………… Глава 8. Лучистый теплообмен ……………………………………………. 8.1. Закономерности лучистого теплообмена …………………………….. 8.1.1.Понятие лучистой энергии ………………………………………….. 8.1.2. Законы теплового излучения ………………………………………... 8.2. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрач- ной средой …………………………………………………………………... 8.3. Лучистый теплообмен в камерах сгорания ………………………….. Глава 9. Теплопередача и теплообменные аппараты …………………….. 9.1. Уравнение теплопередачи …………………………………………….. 9.2. Теплопередача через плоскую и цилиндрическую стенки ………….. 9.3. Теплопередача через оребренную стенку ……………………………. 9.4. Интенсификация теплопередачи ……………………………………… 9.5. Тепловая защита ……………………………………………………..… 9.6. Теплообменные аппараты …………………………………………….. 9.6.1. Устройство и классификация теплообменных аппаратов ………… 9.6.2. Основы теплового расчета теплообменных аппаратов ……………. 9.7.Тепловые трубы ………………………………………………………… Библиографический список ………………………………………………... Приложение …………………………………………………………………
|
6 8 9 9 9 11 13 14 17 20 20 22
26 27 29 31 31 31 35 37 37 38 40 41 42 42 44 48 50 51 53 54 56 58 58 58 60 62 62 64 68 68 68 69 70 71 71 71 72 74 77 77 80 80 82 85 87 89 91 91 94 96 97 99 99 100 103 104 105 107 107 109 109 110 113 113 115
116 118 118 118 119 123 123 125 126 129 131 131 132 133 134 135 137 137 140 141 141 142 143
146 148 153 153 154 155 157 158 161 161 163 165 168 169 |
Предисловие
Современный сельскохозяйственный комплекс – это сложный технический и технологический объект. Он оснащен различного рода энергетическими установками, тепловыми машинами, техническими системами и т.п. Их функционирование связано с такими видами энергии, как химическая, тепловая, механическая и др.
Для освоения этой техники, грамотной ее эксплуатации и готовности к замене модифицированными образцами необходимо знать:
– законы и способы преобразования природных энергоресурсов в непосредственно используемые виды энергии: тепловую, механическую и др.;
– закономерности взаимопреобразования двух форм энергообмена – теплоты и работы в технических устройствах и системах;
– сущность и закономерности процессов, происходящих с рабочими веществами, участвующими в энергообмене;
– принцип действия и оценку эффективности машин и аппаратов для преобразования или передачи тепловой энергии;
– основы теории и инженерные методы расчетов теплопередачи в теплонапряженных устройствах и конструкциях машин и технических систем.
Содержание перечисленного рассматривается в дисциплине “Теплотехника”.
Т е п л о т е х н и к о й называют научную дисциплину и отрасль техники, охватывающие методы и способы преобразования различных видов энергии в теплоту, ее транспортирование и использование при помощи тепловых машин, аппаратов и установок.
Для специалистов сельскохозяйственного производства дисциплина “Теплотехника” по своему содержанию делится на две сомостоятельные части: – теоретические основы теплотехники (термодинамика и теплопередача) и – теплоэнергетика сельскогохозяйственного производства.
Автор настоящей книги, на основе многолетнего опыта чтения курса “Термодинамика и теплопередача” сделал попытку создать краткое учебное пособие по первой части дисциплины “Теплотехника”, соответсвующее в полном объеме ее программе по специальности 660300 Агроинженерии.
Целью данного пособия является получение будущими специалистами теоретических знаний по части программы дисциплины, включающей техническую термодинамику и основы теории теплообмена.
В разделе первом предложен своеобразный подход к понятию термодинамической системы, к изложению термодинамических и калорических параметров состояния; подробно рассмотрены термодинамические процессы, диаграммы состояния систем и их прикладное значение; проведен анализ циклов наиболее распространенных тепловых двигателей. Рассмотрен принцип работы и цикл одного из перспективных тепловых двигателей – двигателя стирлинга.
Во втором разделе при рассмотрениии видов переноса тепла в пространстве (теплопроводности, конвективноого и лучистого теплообменов) существенное внимание уделено природе этих процессов и их методам расчета; подробно проанализированы способы теплозащиты, теплоизоляции и интенсификации теплопередачи.
В приложении приведены данные справочного характера, позволяющие рассмотреть конкретные прикладные задачи.
Наименования величин и единиц, их определения и обозначения соответствуют государственному стандарту “Единицы физических величин”, сборникам рекомендованных терминов Комитета научно-технической терминалогии АН РФ по термодинамике и теплообмену.
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность за редакторскую работу над данным учебным пособием О.К. Корепановой и Е.А. Граевской.
Замечания читателей, направленные на улучшение учебного пособия, будут приняты автором с признательностью.
Автор