Федеральное агентство по образованию

ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ВОЛЖСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

Кафедра «ВТМ»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Техническая термодинамика и теплотехника»

Волжский 2011

ЛЕКЦИЯ 1 4

1.1. ОРГАНИЧЕСКИЕ ТОПЛИВА 4

1.1.1. Классификация углеводородных горючих 4

1.1.2. Состав топлив 5

Свойства топлив, целесообразность их использования в значительной мере определяются их химическим составом, который для жидких и твердых топлив задается обычно в процентах по массе. Состав газового топлива задается объемным содержанием в % входящих в него газов. 5

Элементы, входящие в состав топлива, обозначаются соответствующими символами: С – углерод; Н – водород; О – кислород; N – азот; S – сера. Зола и влага, входящие в состав топлива, обозначаются соответственно А и W. 5

Влажность и зольность топлив даже в пределах одного сорта подвержены значительным колебаниям, поэтому для уточнения характеристик вводятся понятия о горючей, сухой и рабочей массах топлива. Обратите внимание на различия уравнений материального баланса для этих случаев. 5

Материальный баланс горючей массы углеводородного топлива 5

Материальный баланс сухой массы: 5

Материальный баланс рабочей массы 5

1.1.3. Характеристики топлив 5

1.1.4. Разновидности горения 7

Горением называется химическая реакция взаимодействия горючего с окислителем, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты и резким повышением температуры. 7

1.1.5. Основные стадии гетерогенного горения 7

1.1.6. Фазы горения 7

ЛЕКЦИЯ 2 9

1.1.7. Скорость горения 9

1.2. РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ 9

1.2.1. Определение потребного количества окислителя 10

для полного сжигания 1кг горючего 10

1.2.2. Определение массы воздуха для сжигания 1кг топлива 11

Массовая доля кислорода в воздухе составляет 0,23. Поэтому количество воздуха, теоретически необходимое для сжигания 1 кг топлива будет равно 11

1.2.3. Коэффициент избытка воздуха 11

1.2.4. Определение количества и состава продуктов сгорания 12

1.2.5. Определение состава продуктов сгорания 12

1.2.6. Определение температуры конца сгорания 13

1.2.7. Упрощенная форма уравнения теплового баланса 13

Лекция 3 15

2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ 15

2.2. ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ 16

2.3. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. РАБОТА И ТЕПЛОТА. 19

2.4. СВОЙСТВА рv – и Тs – ДИАГРАММ 20

Лекция 4 22

2.5. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ 22

2.5.1. Политропный процесс 22

2.5.2. Частные случаи политропного процесса 26

2.5.3. Изохорный процесс 27

2.5.4. Изобарный процесс 28

2.5.5. Изотермический процесс 29

2.5.6. Адиабатный процесс 31

2.5.7. Графическое изображение процессов 33

ЛЕКЦИЯ 5 35

СЖАТИЕ ГАЗОВ В КОМПРЕССОРАХ 35

Работа компрессора. 36

Действительная индикаторная диаграмма компрессора. 37

Объемный КПД компрессора. 38

Гидравлические потери в распределительных органах компрессора. 38

Многоступенчатые компрессоры. 39

ЛЕКЦИЯ 6 43

ИСТЕЧЕНИЕ ГАЗОВ И ПАРОВ 43

Первый закон термодинамики для потока газа. 43

Адиабатное течение идеального газа по горизонтальному каналу 44

Закон геометрического обращения воздействия 45

Определение скорости потока на выходе из канала 46

Массовый секундный расход газа 47

Анализ соплового течения газа через 47

суживающееся сопло 47

Сопло Лаваля 49

ЛЕКЦИЯ 7 50

РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ 50

Устройство pv – диаграммы реального газа 50

Области pv- диаграммы 52

Уравнение состояния реального газа 52

Таблицы водяного пара 54

Определение параметров влажного насыщенного пара 55

Диаграммы водяного пара 55

Расчет процессов изменения состояния реального газа (водяного пара) (рис. 3). 56

ЛЕКЦИЯ 8 58

ТЕПЛООБМЕН И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА 58

ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ 58

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 58

ОНОВНОЙ ЗАКОН ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ. 60

ГИПОТЕЗА ФУРЬЕ. 60

КОНВЕКЦИЯ 62

ОСНОВНОЙ ЗАКОН ТЕПЛООТДАЧИ. 62

УРАВНЕНИЕ НЬЮТОНА – РИХМАНА. 62

ТЕПЛОПЕРЕДАЧА 63

ТЕПЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ 63

Результирующее количества тепла, переданное излучением от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, будет представлять собой разность между этими количествами тепла. 64

ЛЕКЦИЯ 9 65

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ 65

Частные случаи дифференциального уравнения теплопроводности. 67

Краевые условия (условия однозначности). 68

Граничные условия. 68

Рассмотрим пример. 69

Стационарная теплопроводность плоской, однородной, изотропной, бесконечной стенки без внутренних источников теплоты при граничных условиях первого рода. 69

Лекция 1

1.1. Органические топлива

Топлива – это природные вещества которые экономически целесообразно использовать для получения теплоты в больших количествах. Различают химические и ядерные топлива. Мы будем рассматривать только химические органические топлива, применяемые в промышленности и энергетике.

Топливо представляет собой совокупность горючего и окислителя.

К горючим относят водород (Н₂); щелочные металлы: натрий (Na), магний (Mg), алюминий (Al), калий (K); углерод (С) и углеводородные соединения.

К окислителям относят кислород (О₂), соединения с кислородом и элементы гомогенного ряда: фтор (F), хлор (Cl).

В таблице 1.1 приведена классификация углеводородных горючих по происхождению и агрегатному состоянию.

Таблица 1.1

1.1.1. Классификация углеводородных горючих

Происхождение Агрегатное состояние	Природные	Искусственные
Твердое	древесина, торф, бурый уголь, каменный уголь, полуантрацит, антрацит, горючие сланцы	кокс, древесный уголь, брикеты
Жидкое	нефть, газовый конденсат (белая нефть)	продукты переработки нефти: бензин, лигроин, керосин, соляровое масло (газойль), мазут; спирты
Газообразное	природный газ, попутный газ	генераторные газы, газы сухой перегонки, доменный и коксовый газы, светильный газ, биогаз

1.1.2. Состав топлив

Свойства топлив, целесообразность их использования в значительной мере определяются их химическим составом, который для жидких и твердых топлив задается обычно в процентах по массе. Состав газового топлива задается объемным содержанием в % входящих в него газов.

Элементы, входящие в состав топлива, обозначаются соответствующими символами: С – углерод; Н – водород; О – кислород; N – азот; S – сера. Зола и влага, входящие в состав топлива, обозначаются соответственно А и W.

Влажность и зольность топлив даже в пределах одного сорта подвержены значительным колебаниям, поэтому для уточнения характеристик вводятся понятия о горючей, сухой и рабочей массах топлива. Обратите внимание на различия уравнений материального баланса для этих случаев.

Материальный баланс горючей массы углеводородного топлива

C_г + H_г + O_г+ N_г + S_г = 100 %.

Материальный баланс сухой массы:

С_c + H_c + O_c + N_c + S_c + A_c = 100 %.

Материальный баланс рабочей массы

С_p + H_p + O_p + N_p + S_p + A_p + W_p = 100 %.

Совокупность золы и влаги, входящих в состав топлива, называют внешним балластом горючего. Совокупность кислорода и азота, входящих в состав топлива, называют внутренним балластом горючего.

1.1.3. Характеристики топлив

К основным характеристикам, определяющих ценность топлив, относят следующие.

1. Вязкость.

2. Температура воспламенения.

3. Температура вспышки.

4. Токсичность.

5. Температура замерзания.

6. Температура перегонки.

7. Запыленность (для газообразных горючих).

8. Теплота сгорания Q, Дж – это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании горючего.

Для инженерных расчетов процессов горения пользуются понятием - удельная теплота сгорания q, Дж/кг - это количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1кг твердого (жидкого) или одного нормального кубического метра (1 нм³) газообразного горючего.

1 нм³ - это кубический метр при нормальных условиях (t = 0 ­­⁰C, Р = 760 мм. рт. ст.).

Принято различать высшую и низшую теплоту сгорания.

q_в  q_н +0,025 (9H_р + W_p), МДж / кг,

где q_в высшая теплота сгорания – это количество теплоты, выделяющейся при сгорании топлива с учетом теплоты конденсации водяных паров, образующихся при сгорании водорода Н_р и испарении влаги W_p;

q_н  низшая теплота сгорания – теплота сгорания топлива, при условии, что влага, образующаяся при сгорании водорода топлива 9Н_р и влага топлива W_p находятся в парообразном состоянии;

0,025 МДж/кг теплота парообразования воды;

9Н_р – количество влаги, выделяющейся при полном сгорании рабочей массы водорода топлива;

W_р – количество влаги, которое содержится в горючем.

Самым калорийным горючим является  водород (Н₂).

q_н = 140 МДж/кг - для водорода;

q_н = 20-30 МДж/кг - для каменного угля;

q_н = 38 МДж/кг - для мазута.

Условное топливо - это такое эффективное, несуществующее в природе топливо, теплота сгорания которого

q_усл = 29,33 МДж/кг (7000 ккал/кг).

Условный эквивалент - это отношение низшей теплоты сгорания горючего к теплоте сгорания условного топлива:

В_усл = q_н/q_усл.

В России на гражданина приходится примерно около 2 тонн условного топлива в год. В развитых странах (США, Великобритания, Германия) на гражданина приходится примерно около 10 тонн условного топлива в год.