Тепломеханика №1322

2

Методичні вказівки щодо вивчення теплотехнічних дисциплін для студентів заочної форми навчання.Ч.1. / Укладач. О. М.Улітенко, О.В.Єгоров, Н.Є.Рябошапка, ас. – Запоріжжя: ЗНТУ, 2003. – 38 с.

Укладачі: О.М.Улітенко, к.т.н., доцент О.В.Єгоров, к.т.н., доцент Н.Є.Рябошапка, ас.

2.1.1Основні поняття технічної термодинаміки…………….. 6

2.1.5Реальні гази і водяна пара……………………………….. 10

2.1.6Вологе повітря……………………………………………. 10

2.1.7Термодинаміка потоку. Витікання і дроселювання газів

2.2.2Теплопровідність…………………………………………… 14

2.2.3Конвективний теплообмін…………………………………. 15

2.2.4Теплообмін випромінюванням. Складний теплообмін….. 18

2.2.5Основи масообміну (для спеціальності 7.091101)……….. 19 3 Контрольні завдання (для всіх спеціальностей, крім 7.091101)

3.1 Контрольні питання………………………………………….. 19

3.2 Контрольні задачі……………………………………………. 24

4.1Контрольні запитання……………………………………….. 30

4.2Контрольні задачі……………………………………………. 32

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ……….. 38

4

ВСТУП

Збільшення споживання, водночас із збільшенням вартості, па- ливно-енергетичних ресурсів в промисловості зумовлюють проблеми їхнього ефективного використання в комплексі із захистом зовнішнього середовища від так званого “теплового” забруднення, а також забруднення власне продуктами згоряння палива.

Розв’язання вказаних проблем знаходиться у компетенції відповідних спеціалістів у галузі енергетики, зокрема теплотехніки.

Підготовка спеціалістів у галузі виробництва, перетворення, транспортування і використання теплоти за допомогою теплових машин, апаратів та пристроїв визначає мету вивчення теплотехнічних дисциплін.

Після вивчення відповідної теплотехнічної дисципліни студент повинен:

знати теплотехнічну термінологію; закони перетворення енергії і одержання корисного ефекту (те-

плоти або роботи); методи аналізу ефективності використання теплоти, основ конс-

трукцій, роботи галузі використання і потенційних можливостей теплотехнічного обладнання (теплових двигунів, парогенераторів, теплообмінників, печей і т. ін.);

освоїти основи теорії теплообміну та вміти використовувати ці знання для конкретних розрахунків теплопередачі в промисловому обладнанні;

мати навички експериментального визначення основних параметрів процесів, характеристик теплотехнічного обладнання.

5

1 ЗАГАЛЬНІ МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

При вивченні курсу з теплотехнічних дисциплін студентзаочник, керуючись навчальною програмою, самостійно працює над підручниками та учбовими посібниками, виконує відповідні контрольні РГЗ (роботи) і лабораторні роботи.

Основні розділи і найбільш складні теми курсу розглядаються на лекціях, читання яких передбачається в обсязі 4 –12 годин, залежно від спеціальності.

Матеріал курсу треба вивчати за основним підручником (див. список рекомендованої літератури). Для більш детального і глибокого вивчення окремих питань і в допомогу при виконанні контрольних робіт рекомендується додаткова література.

При самостійній роботі над підручниками необхідно домагатись чіткого уявлення фізичної суті явищ і процесів, що вивчаються, а потім переходити до розбирання (упорядковування) їх конкретних особливостей.

При цьому особливу увагу треба приділяти вивченню розділів “Технічна термодинаміка” і “Теорія теплообміну”, які є базою теоретичних основ теплотехніки (для спец. 7.090104 студент-заочник повинен вивчати тільки розділ з теорії теплообміну). При вивченні кожного розділу рекомендується скласти конспект, який буде корисним при повторюванні матеріалу і вирішенні задач контрольних робіт.

Контрольні роботи (завдання) слід виконувати після вивчення відповідних тем курсу. Ці завдання складаються із задач і контрольних запитань, на які студентами-заочниками дається відповідь письмово. Вірність вибору вихідних даних контролюється викладачем, тому на титульному аркуші контрольних робіт необхідно вказувати шифр залікової книжки.

Контрольна робота повинна вміщувати в собі: а) контрольні запитання і повні відповіді на них; б) умови задач;

в) вирішення задач, які супроводжуються стислим пояснювальним текстом із указанням того джерела, звідки взята розрахункова формула;

г) обчислення, які виконані в розгорнутому вигляді (розрахункова формула в загальному, тобто аналітичному вигляді – розрахунко-

6

ва формула в числовому вигляді – кінцевий результат – одиниця вимірювання, тобто розмірність);

д) графіки які виконані на міліметровому папері, із указанням на осях координат розмірності і ціни поділки;

е) стислий аналіз одержаних результатів і відповіді; ж) перелік використаних джерел.

Кількість контрольних робіт, які виконуються студентамизаочниками, залежить від спеціальності (вказані в навчальному графіку студента). Зміст контрольних робіт призначає викладач.

Для поліпшення засвоєння курсу студенти-заочники повинні виконати лабораторні роботи, програми і методичні вказівки, до яких наведені у відповідному розділі.

2 РОБОЧА ПРОГРАМА І МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ЗА ТЕМАМИ ТЕПЛОТЕХНІЧНИХ ДИСЦИПЛІН

2.1 Технічна термодинаміка

(для всіх спеціальностей, крім 7.090104)

2.1.1 Основні поняття технічної термодинаміки

Енергія та її види. Робоче тіло. Метод термодинамічного дослідження. Ідеальний і реальний газ. Термодинамічна система і термодинамічний стан. Параметри термодинамічного стану, їхні загальні властивості. Рівноважний і нерівноважний стани. Основні параметри стану. Внутрішня енергія. Форми енергообміну термодинамічної системи. Теплота і робота. Рівняння стану ідеального газу.

Суміші робочих тіл. Рівняння стану суміші робочих тіл. Способи завдання складу суміші, співвідношення між масовими та об’ємними частками. Визначення параметрів стану суміші, визначення уявної молекулярної маси і газової сталої суміші та парціальних тисків компонентів.

Теплоємність. Масова, об’ємна, молярна теплоємності. Теплоємність при сталому об’ємі і сталому тиску. Залежність теплоємності від температури і тиску. Середня та істинна теплоємності. Формули та таблиця для визначення теплоємності. Теплоємність суміші робочих тіл.

7

Ентальпія. Вільна та зв’язана енергія. Поняття зміни ентропії в термодинамічному процесі. Рівноважні та нерівноважні процеси. Оборотний і необоротний процеси. Графічне зображення стану і процесу.

Методичні вказівки. Матеріали цієї теми, по сутності, являють собою необхідний комплекс понять і означень, на базі яких викладаються інші теми. Тому студент повинен чітко засвоїти ці означення і поняття.

2.1.2 Перший закон термодинаміки

Суть першого закону термодинаміки. Формулювання першого закону термодинаміки. Визначення роботи і теплоти через параметри термодинамічного стану. Рівняння першого закону термодинаміки для закритої і відкритої термодинамічної системи у двох формах запису і його аналізу.

Термодинамічні потенціали. Диференційні рівняння термодинамічних потенціалів та їхній аналіз.

Методичні вказівки. Вивчаючи цю тему, студент повинен звернути увагу на принципіальну різницю між внутрішньою тепловою енергією яка є функцією стану газу і теплотою та роботою які є функціями процесу.Необхідно твердо засвоїти, що якщо внутрішня теплова енергія достатньо визначена для кожного заданого стану газу, то робота і теплота загально не існують для окремого стану, а з’являються лише при наявності процесу (зміні стану) і, природно, залежать від характеру цього процесу.

Треба навчитись аналізувати рівняння першого закону термодинаміки залежно від умов перебігу процесу і зовнішніх енергетичних впливів на термодинамічну систему, тобто складати енергетичний баланс для відповідної системи.

2.1.3 Другий закон термодинаміки

Суть другого закону термодинаміки. Основні формулювання другого закону термодинаміки. Обчислення ентропії та її фізичний зміст. Ентропія та статистичне тлумачення другого закону термодинаміки. Ентропійний метод термодинамічного аналізу систем.

8

Методичні вказівки. Треба засвоїти, що ентропія як функція стану робочого тіла (газ або пара) має конкретну властивість – зміна її при перебігу будь-якого процесу не залежить від характеру процесу, а залежить лише від параметрів тіла в початковому і кінцевому його станах.

Тому зміни її

можуть бути позитивними, негативними або дорівнювати нулеві в залежності від того, чи підводиться теплота від тіла або процес відбувається без теплообміну.

При перебігу оборотних кругових процесів ентропія системи залишається сталою; при необоротних кругових процесах ентропія системи зростає.

Теорія Клаузіуса “теплової смерті” Всесвіту неспроможна. Для цього можливо навести такі докази: а) диференційні співвідношення термодинаміки несправедливі для мікросвіту, в якому відстань між частками матерії порівняна з диференціалом об’єкта, що досліджується; б) вирішення диференційних рівнянь у значній мірі залежить від конкретних умов на межі досліджуваної області, але на межі нескінченого Всесвіту ці умови невідомі; в) у викладенні Больцмана другий закон має статистичне тлумачення, тобто не є абсолютним законом природи; г) експериментальні дані броунівський рух, нові дані астрономії, космічних польотів тощо) також не узгоджуються з “теорією” Клаузіуса.

2.1.4 Дослідження розімкнених термодинамічних процесів в ідеальних газах

Характеристика термодинамічних процесів. Загальні методи дослідження процесів зміни стану довільних робочих тіл. Основні термодинамічні процеси: ізохорний, ізобарний, ізотермічний, адіабатний та політропні процеси. Визначення і рівняння процесів; їхнє графічне зображення в рυ- і Ts- координатах; співвідношення параметрів стану для процесів. Розрахунки енергетичних характеристик процесів: кількість теплоти і роботи процесів, змін внутрішньої теплової енергії, ентальпії та ентропії в процесах.

9

Складання схеми енергетичного балансу процесів; визначення часток теплоти, які витрачаються на зміну внутрішньої теплової енергії і на виконання роботи. Основні термодинамічні процеси як окремі випадки політропного процесу. Три групи політропних процесів та їхній аналіз.

Методичні вказівки. Задачею аналізу будь-якого термодинамічного процесу є установлення закономірностей зміни параметрів стану тіла (системи) та з’ясування особливостей перетворення енергії в процесі.

Математичний аналіз процесів треба виконувати на основі термічного (характеристичного) рівняння Клапейрона і першого закону термодинаміки для закритої системи.

Аналіз термодинамічних процесів треба проводити в такій послідовності: виведення рівняння процесу і зображення його в рυ- і Тsкоординатах, тобто установлення аналітичних та графічних залежностей між параметрами стану, що змінюються в процесі; розрахунок енергетичних характеристик процесу ∆и, I, q, ∆h, ∆s, Io; визначення часток теплоти, що втрачаються на зміну внутрішньої теплової енергії і виконання механічної роботи; складення схеми енергетичного балансу; аналіз результатів розрахунку з точки зору організації доцільного для розглянутих умов термодинамічного процесу.

2.1.5 Реальні гази та водяна пара

Водяна пара як реальний газ. Властивості реальних газів. Рівняння стану реальних газів. Водяна пара. Основні означення. Фазова рівновага і фазові переходи. Теплота фазових переходів. рυ-, Ts- і hs- діаграми водяної пари. Потрійна і критична точки. Таблиці термодинамічних властивостей води і водяної пари. Термодинамічні процеси водяної пари; розрахунок змін параметрів стану та характеристик процесів; зображення процесів водяної пари в рυ-, Ts- і hs- діаграмах.

Методичні вказівки. При розгляді окремих видів рівнянь стану реального газу (рівняння Ван-дер-Ваальса, рівняння ВукаловичаНовікова і інші) необхідно ясно уявити, на якому фізичному фундаменті будувались ці рівняння і як із них одержати рівняння стану ідеального газу. При цьому рівняння Ван-дер-Ваальса достатньо описує поведінку реального газу тільки з якісного боку і тому не може бути за-

10

діяно для точних розрахунків; одним із найбільш точних рівнянь стану реального газу є рівняння Вукаловича-Новікова.

Необхідно засвоїти такі поняття як фаза, лінії фазового переходу, теплота фазового переходу, які характерні для реальних газів, парів і рідин.

2.1.6 Вологе повітря

Визначення поняття “вологе повітря”. Основні величини, які характеризують стан вологого повітря. hd - діаграма вологого повітря. Розрахунок основних процесів вологого повітря (підігрівання, сушіння); суміші повітря і різних парів.

Методичні вказівки. Необхідно вивчити основні поняття, які характеризують вологе повітря. Набути навички практичного застосування таблиць і hd- діаграми вологого повітря.

2.1.7Термодинаміка потоку. Витікання

ідроселювання газів і парів

Основні положення. Рівняння першого закону термодинаміки для потоку. Рівняння витікання. Наявна робота. Короткі канали змінного перерізу: сопла, дифузори. Основні закономірності течії газу в коротких каналах змінного перерізу. Швидкість витікання і секундна витрата при витіканні. Зв’язок критичної швидкості витікання з місцевою швидкістю розповсюдження звуку. Критичне співвідношення тисків. Розрахунок швидкості витікання і секундної масової витрати для критичного режиму. Умови переходу через критичну швидкість. Сопло Лаваля. Розрахунок процесу витікання водяної пари за допомогою hs- діаграми. Дійсний процес витікання.

Дроселювання газів і парів. Суть процесу дроселювання і його рівняння. Зміна параметрів у процесі дроселювання. Поняття про ефект Джоуля-Томсона. Особливості дроселювання ідеального і реального газів. Температура інверсії. Практичне використання процесу дроселювання. Умови відображення процесу дроселювання на hs- діаграмі.

Методичні вказівки. Вивчаючи теорію витікання, необхідно розібратись у тих допущеннях, на основі яких записується рівняння першого закону термодинаміки для потоку середовища. Необхідно з’ясувати, в яких випадках використовуються дифузори, а в яких – сопла. Необхідно знати умови переходу від дозвукових швидкостей потоку