Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Теплотехника (курс общей теплотехники)

..pdf
Скачиваний:
13
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
20.09 Mб
Скачать

ТЕ П Л О Т Е Х Н И К А (курс общей теплотехники)

Изд. 2-е, переработанное

Под общей редакцией И. Н. СУШКИНА

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР

в качестве учебника для студентов нетеплоэнергетических специальностей высших учебных заведений

МОСКВА «МЕТАЛЛУРГИЯ» 1973

УДК 621.40.(075.8)

ЩУКИН А.А., СУШКИН И.Н., ЗАХ Р. Г, БАХМАЧЕВСКИЙ Б. И., ЛЫЗО Г. П.

АННОТАЦИЯ

Вучебнике изложены основы термодинамики и тепло- и массообмена, приведены сведения по топливу, теории горения, топкам и котельным установкам, тепловым двигателям и теп­ лосиловым установкам.

Учебник предназначен для студентов нетепл©технических специальностей втузов и написан по программе курса «Об­ щая теплотехника» с учетом возможности самостоятельного его изучения студентами. Может быть полезен ииженерам-тепло- техникам.

© Издательство «Металлургия». 1973.

0331-075

125-73

Т 040(01)-73

 

Предисловие

 

 

 

Стр.

 

 

ЧАСТЬ I

10

 

 

 

 

 

 

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

 

 

 

 

Глава 1

 

 

 

 

Основные понятия

 

Термодинамическая система и ее взаимодействие с окружающей средой. Термо­

11

динамические

процессы.....................................

 

Основные параметры состояния рабочего тела: давление, удельный объем,

12

температура . . . .

:

Энергия рабочего тела

 

14

Идеальные газы......................

 

процессы

15

Равновесные и

обратимые

15

Графическое изображение термодинамических процессов. Диаграмма V—р

17

Работа изменения

объема

газа.................................................

17

Внутренняя энергия и энтальпия газа как функции состояния рабочего тела

18

 

 

 

Глава 2

 

 

 

Первый и второй законы термодинамики

20

Первый закон термодинамики

Второй закон

термодинамики

24

 

 

 

Глава 3

 

Характеристическое

 

Законы идеальных газов

 

уравнение состояния газа. Законы Бойля —Мариотта,

27

Гей-Люссака и Шарля

 

Закон Авогадро.............

 

 

28

Газовые смеси. Закон Дальтона

29

 

 

 

Глава 4

 

Основные определения .

Теплоемкость газов

33

 

Постоянная теплоемкость

 

35

Переменная теплоемкость

 

36

Средняя теплоемкость . . .

37

Теплоемкость газовых смесей

39

 

 

 

Глава 5

 

Исследование основных термодинамических процессов

40

Энтропия как параметр состояния термодинамическойсистемы.Диаграмма 5 —Т

Общие задачи исследования основных термодинамическихпроцессов

42

Политропный процесс

 

42

Изохорный процесс

 

46

Изобарный процесс

 

47

3

Изотермический

процесс

 

 

 

Стр.

. .

 

50

Адиабатный

процесс

 

 

52

Максимальная работа

процесса .

 

56.

Эксергия и эксергетическин баланс

 

59

 

 

 

 

 

 

Глава 6

 

Общее понятие о циклах. Цикл Карно, регенеративный цикл

60

Понятие о круговом процессе, или цикле . . . .

Термический коэффициент полезного действия цикла

61

Прямой цикл Карно

 

 

 

 

61

Обратный цикл Карно.........................

 

 

 

63

Изменение энтропии в обратимых и необратим

64

Цикл Карно на диаграмме $ —Т

 

67

Регенеративный

цикл

 

 

 

 

68

 

 

 

 

 

 

Глава 7

 

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.

 

Процессы поршневых компрессоров. Циклы холодильных установок

70

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Цикл со смешанным подводом тепла

70

Цикл с подводом тепла при постоянном объеме .

74

Цикл с подводом тепла при постоянном давлении . . . .

76

Сравнение циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания

77

Процессы поршневых компрессоров

. . . .

78

Процесс

одноступенчатого

поршневого компрессора

79

Процесс многоступенчатого поршневого компрессора

81

 

 

 

 

 

 

Глава 8

 

Истечение газов

Истечение и дросселирование газов

85

 

 

 

 

Истечение газов через суживающееся сопло .

85

Истечение газов через расширяющееся сопло

89

Дросселирование

(мятие) газов

 

91

 

 

 

 

 

 

Глава 9

 

Идеальные циклы газовых турбин и реактивных двигателей

92

Идеальный

цикл

газовой турбины . . .

Идеальные

циклы реактивных двигателей .........................................

96

Цикл прямоточных воздушно-реактивных двигателей с горением топлива при

96

постоянном давлении.............................

 

. . .

Цикл турбокомпрессорного воздушно-реактивного двигателя

97

Жидкостные

реактивные

двигатели

98

 

 

 

 

 

 

Глава 10

 

Общие сведения

 

 

 

Реальные газы

98

 

 

 

 

 

Водяной пар................................................................................

 

 

 

 

 

99

Процессы парообразования и перегрева водяного пара на диаграмме о —р.

 

Степень

сухости и

влажность

водяного пара. Теплота, внутренняя энергия

99

и энтальпия воды и водяного пара

Энтропия воды и водяного пара

105

Таблицы воды и водяного пара.......................................................

106

Изображение процесса парообразования и перегрева пара на диаграмме 5 —Т

107

Диаграмма 5—I водяного пара

 

109

Паровые

процессы . .

 

 

112

Истечение водяного

пара . .

 

114

Дросселирование водяного пара......................

115

Основной цикл паросиловой установки —цикл Ренкина...........................

117

Влияние начальных давления н температуры пара на величину термического

120

к.п.д. цикла Ренкина

 

. . . .

Цикл с промежуточным перегревом пара

121

Регенеративный цикл

 

 

 

122

Теплофикационный

цикл

 

 

125

4

Циклы холодильных установок

 

 

 

 

 

Стр.

 

 

 

 

 

 

127

Влажный воздух . . .

 

 

 

 

 

 

129

Список литературы к части I

 

 

 

 

 

 

132

 

 

 

 

ЧАСТЬ II

 

 

 

 

 

 

 

ОСНОВЫТЕОРИИ ТЕПЛОИМАССООБМЕНА

 

133

Основные

понятия и определения

 

 

 

 

 

 

Основные

виды

теплообмена

 

 

 

 

 

 

134

 

 

 

 

Глава 11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теплопроводность

 

 

 

136

Температурное поле, градиент температуры и тепловой поток

 

 

Дифференциальное уравнение распространения

тепла .

 

 

139

Условия однозначности, начальные и граничные условия

 

 

 

140

Теплопроводность при стационарном тепловом режиме

 

 

 

142

Теплопроводность плоской стенки

............

 

 

 

 

142

Теплопроводность цилиндрической стенки (трубы)...............

 

 

 

144

Экспериментальное определение

коэффициента

теплопроводности

 

145

Теплопроводность при нестационарном тепловом режиме

 

 

 

145

О подобии физических процессов

 

 

 

 

 

 

147

Критериальные уравнения

теплопроводности . .

 

 

 

149

Нагрев (охлаждение) тела при регулярном режиме

 

 

 

150

 

 

 

 

Глава 12

 

 

 

 

 

Виды движения

 

Конвективный теплообмен

 

 

 

152

теплоносителя .

 

. . .

 

 

 

 

Динамический и

тепловой

пограничный

слой . . . .

 

 

 

154

Критериальные

уравнения

конвективного теплообмена

 

 

 

157

Условия подобия конвектизного теплообмена

............................

 

 

 

160

Моделирование

аэродинамических

процессов и конвективного теплообмена

 

161

 

 

 

 

Глава 13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Конвективная теплоотдача

 

 

 

163

Теплоотдача при вынужденном движении жидкости и газов

 

 

Теплоотдача при движении среды в трубах

 

 

 

 

163

Теплоотдача при внешнем обтекании пучков труб

 

 

 

165

Теплоотдача при свободном движении теплоносителя

. .

 

168

Связь конвективного теплообмена с гидродинамикой

 

171

Теплоотдача при изменении агрегатного состояния вещества

 

 

172

Теплоотдача при конденсации пара

 

 

 

 

 

 

172

Теплоотдача

при кипении

жидкости

 

 

 

 

 

174

Массообмен

 

 

 

 

 

 

 

 

177

 

 

 

 

Глава 14

 

 

 

 

 

Основные

понятия

Лучистый теплообмен

 

 

 

181

 

 

энергии

 

 

 

Поглощение, отражение и пропускание лучистой

 

 

 

182

Виды лучистых потоков.............

 

 

 

 

 

 

183

Основные

законы теплового излученн

 

 

 

 

 

184

- Закон

Планка..............

 

 

 

 

 

 

184

-Закон Стефана —Больцмана

 

 

 

 

 

 

184

Закон Кирхгофа

 

 

 

 

 

 

186

Закон

Ламберта ............................................

 

 

 

 

 

 

186

Лучистый теплообмен между двумя телами в лучепрозрачной среде . .

 

187

Лучистый теплообмен между двумя абсолютночерными поверхностями

 

187

Лучистый теплообмен между двумя серыми поверхностями

. .

 

189

Экраны для

защиты от излучения .

 

 

 

 

190

Излучение и поглощение энергии газами..............................................

 

 

 

 

191

Лучистый теплообмен между газами

и окружающими их стенками (поверхностями)

192

Лучеиспускание

пламени

 

. .

 

 

.

.

194

5

Глава 15 Теплопередача

Теплопередача через плоскую стенку . . . * Теплопередача через цилиндрическую стенку Теплопередача в теплообменных аппаратах

Типы теплообменников....................... а Расчет теплообменных аппаратов . . . . .

Определение среднего температурного напора Сравнение схем теплообменников Сложный теплообмен . . .

Список литературы к части II

ЧАСТЬ III

ТОПЛИВО И ОСНОВЫТЕОРИИ ГОРЕНИЯ

Глава 16 Краткие сведения о топливе

Характеристика отдельных видов топлива. Твердое топливо Жидкое и газообразное топливо . .

Структура топливного баланса СССР

Подготовка топлива к сжиганию . Сухая перегонка твердого топлива

 

 

Глава 17

 

 

Элементы теории горения

Реакция горения и газификации

 

Гомогенное горение................

 

Кинетика

химических реакций

 

Энергия

активации . .

 

Цепные реакции

горения .

 

Воспламенение горючей смеси

 

Распространение

пламени . . .

 

Смесеобразование..........................

. .

Ламинарное и турбулентное горение .

Особенности

горения жидкого топлива . . . .

Горение твердого топлива (гетерогенное горение)

Сгорание углерода в слое......................

 

Горение технического твердого топлива в слое . .

Процесс сгорания топлива во взвешенном состоянии

 

 

Глава 18

 

 

Расчеты горения топлива

Расчеты полного сгорания топлива . . . .

 

Определение

те.мпературы сгорания топлива

 

Список литературы

.

 

ЧАСТЬ IV КОТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ

Глава 19 Принципиальная схема котельной установки

Глава 20 Общие принципы сжигания топлива

Глава 21 Основные типы слоевых топок

Топки с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижным слоем топлива Топки с движущейся колосниковой решеткой

Стр.

195

198

199

199

200

202

203

204

205

211

216

220

221

221

223

224

224

226

226

228

229

232

233

235

236

238

239

240

242

245

249

259

260

6

Технические характеристики слоевых топок

Стр.

262

 

 

 

Глава 22

 

Пылеприготовительные

 

Факельные топки

263

установки

. .

Пылеугольные топки..............................

271

Топки для сжигания мазута и газа................

276

Основные технические характеристики факельных топок

280

 

 

 

Глава 23

 

 

Общие сведения

о котельных агрегатах

 

 

 

 

Глава 24

 

 

Основные типы

котельных агрегатов

287

Вертикально-водотрубные котельные агрегаты

Котельные агрегаты экранного типа

 

288

Котлы-утилизаторы

. .

 

292

 

 

 

Глава 25

 

 

Основные элементы котельных агрегатов

292

Испарительные поверхности

нагрева

 

Пароперегреватели . .

.

 

294

Водяные

экономайзеры

 

.

 

295

Воздухоподогреватели

 

Глава 26

299

 

 

 

 

 

Тепловой баланс котельного агрегата

 

 

 

 

Глава 27

 

 

Газо-воздушный тракт котельного агрегата

 

Теплоотдача в топке

: :

. 1. .......................................

307

Теплоотдача в конвективных поверхностях нагрева

Наружное загрязнение

поверхностей

нагрева . . .

309

Коррозия низкотемпературных поверхностей нагрева

310

 

 

 

Глава 28

 

 

Водопаровой тракт котельного агрегата

311

Движение воды, паро-водяной смеси и пара

Сепарация влаги из пара

 

Глава 29

312

 

 

 

 

 

 

Вспомогательные устройства котельных

 

Тяго-дутьевые устройства

 

 

316

Золоулавливающие устройства и устройства для удаления золы и шлака

Питательные устройства . . .

.

317

Водоподготовнтельные

установки.......................................

321

Поддержание водного режима паровых котлов.....................................

Трубопроводы и арматура, контрольно-измерительные приборы и системы авто­

322

матического регулирования

котельных установок

Список

литературы

ь

:

.

324

 

 

 

ЧАСТЬ V

 

 

 

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

 

 

 

 

Глава 30

 

 

Принципы работы паровых н газовых турбин

331

Преобразование энергии на рабочих лопатках турбины и потери в ступени

 

 

 

Глава 31

 

Одноступенчатые активные

Паровые турбины

340

турбины . .

Активные турбины со ступенями скорости

341

7

Активные турбины со ступенями давления

 

 

 

 

Стр.

 

 

 

 

342

Реактивные паровые турбины

 

 

 

 

 

 

346

Радиальные

паровые турбины..........................................................

 

 

 

 

 

348

Паровые турбины с противодавлением и турбины с отбором пара из промежуточ­

349

ных ступеней

 

.

. .

 

 

 

 

 

 

Классификация паровых турбин.............................

 

 

 

 

 

350

Примеры конструкции основных деталей паровых турбин

351

Смазка паровых турбин

. .

.

. ^

 

 

 

 

354

Примеры

конструкции паровых турбин

 

 

 

 

356

Регулирование

паровых

турбин

 

 

 

 

 

 

356

Конденсаторы

паровых

турбин ....................

 

 

 

 

 

362

Коэффициенты полезного действия паровых турбин

 

365

Определение расхода пара на паровые турбины

 

.......................................

366

Определение количества охлаждающей воды для конденсаторов паровых турбин

368

Список литературы к главам 30 и 31

 

 

 

 

370

 

 

 

 

 

 

Глава 32

 

 

 

 

 

 

Газотурбинные установки и газовые турбины

370

Реальные циклы газотурбинных установок

 

 

 

 

Регенерация

тепла

 

...............................................

 

 

промежуточным охлаждением и по­

372

Ступенчатый подвод и отвод тепла (цикл с

.

374

догревом) .

 

.

. . . .

 

.

 

Газотурбинные установки, работающие по замкнутому циклу

376

Двухвальные

газотурбинные установки

. . . .

.........................

377

Газотурбинные установки для привода воздуходувок на металлургических заводах

378

Газовые утилизационные бескомпрессорные турбины на металлургических

379

заводах

установки

 

 

 

 

 

 

Парогазовые

 

 

 

 

 

 

380

Установки с высоконапорным парогенератором (ВПГ)

380

Установки с обычными котельными агрегатами

............................

381

Установки

 

с котлами-утилизаторами

.

 

382

Примеры конструкций основного оборудования стационарных газотурбин

383

установок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список

литературы

 

 

Глава 33

 

 

385

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

. . . * • *

Компрессорные машины

385

...................

машин

 

 

 

 

Классификация компрессорных ..........................

 

 

 

 

386

Преобразование энергии в компрессорных машинах и их к. п. д.

387

Поршневые компрессоры.............

 

 

 

 

 

,

389

Ротационные компрессорные машины...................................

 

 

 

 

391

Дизель-компрессоры со свободно движущимися поршнями (СПДК)

392

Винтовые компрессорные машины

(ВКМ)

 

 

 

 

393

Струйные компрессоры

 

 

 

 

 

 

 

395

Турбокомпрессоры.................................

 

 

 

 

 

 

 

396

Центробежные турбокомпрессорные машины

 

 

396

Осевые турбокомпрессорные машины

 

 

 

 

403

Регулирование компрессорных ...............................машин ..................

 

 

 

 

408

Компрессорные машины небольшой производительности (одноступенчатые)

409

Компрессорные машины большой производительности

410

Совместная работа компрессорных машин

 

 

 

 

412

Список

литературы

ь

 

Глава 34

 

 

413

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поршневые двигатели внутреннего сгорания

414

Принцип работы и рабочие процессы двигателей

 

. •

Основные

определения..........................................

 

 

 

 

 

 

414

Процесс работы четырехтактного карбюраторного двигателя

415

Отличительные особенности работы четырехтактного дизеля

418

Рабочий процесс двухтактного ..........................двигателя

 

 

418

Действительные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания .

420

Основные сведения по эксплуатации двигателей внутреннего сгорания

421

Охлаждение двигателей

 

.

 

 

. .

421

Смазка двигателей..........................................................

 

 

 

 

 

 

422

Регулирование мощности двигателя и числа оборотов коленчатого вала

422

Пуск двигателя и пусковые устройства

 

 

.

 

423

8

Образование

горючей

смеси .

 

 

 

 

 

Стр.

 

 

 

 

 

423

Питание

карбюраторных двигателей

 

 

 

 

 

424

Способы смесеобразования в дизелях

 

 

 

 

424

Питание

дизелей................................................

 

 

428

Зажигание и сгорание рабочей смеси в цилиндрах двигателей

 

. . . .

429

Зажигание от электрического

искрового

разряда . .

 

429

Процесс сгорания рабочей смеси в цилиндрах карбюраторного двигателя

430

Процесс сгорания топлива в цилиндрах дизеля

 

 

 

431

Параметры, характеризующие работу двигателя

 

 

 

432

Индикаторная мощность

двигателя

 

 

 

 

 

432

Эффективная мощность двигателя.................................................434

Общее представление об определении основных размеров цилиндров двигателя

434

Индикаторный удельный расход топлива и индикаторный к.п.д.

435

Эффективный удельный расход топлива и эффективный к.п.д.

. .

435

Определение индикаторной, эффективной и литровой мощности двигателя

436

Способы повышения мощности и экономичности двигателя

 

 

438

Тепловой баланс двигателя внутреннего сгорания

 

 

 

439

Конструкции двигателей внутреннего сгорания...........................

440

Использование тепла отходящих газов двигателей внутреннего сгорания

444

Список

литературы

 

* :

ЧАСТЬ

VI

.

 

 

445

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТЕПЛОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 35

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Теплосиловые установки

 

 

446

Классификация тепловых электрических станций

. .

 

 

Потребители электрической энергии и тепла .

 

.

446

Тепловые схемы паротурбинных электрических станций . . .

 

449

Коэффициенты, характеризующие экономичность паровых электрических стан

450

Компоновка тепловых электрических станций . . . .

 

 

451

Вспомогательные установки тепловой электрической станции

 

 

454

Топливное хозяйство . .

 

 

 

 

 

 

454

Техническое водоснабжение.............................................

457

Конструкции отдельных аппаратов тепловой схемы электростанций

460

Список

литературы

:

*

 

Глава 36

.

 

 

464

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список

литературы

Атомные электрические станции (АЭС)

 

 

468

 

 

 

Глава 37

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Установки по прямому превращению тепла в электрическую энергию

468

Магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы)

...............

Термоэлектрические генераторы . .

 

. .

 

470

Термоэмиссионные методы преобразования тепла в электрическую энергию

471

Список

литературы

 

 

 

 

 

 

.

 

 

472

 

 

 

 

 

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приложение 1

систем единиц и

другие

473

Пересчет единиц физических величин из одних

 

 

 

 

 

 

Приложение 2

 

 

 

474

Средние массовые теплоемкости газов при

постоянном давлении С

 

Средние массовые теплоемкости

Приложение 3

 

 

 

475

газов при постоянном объеме С

 

Сухой насыщенный

пар

и

вода

Приложение 4

 

 

 

476

по температурам

 

 

Сухой

насыщенный

пар

и

вода

Приложение 5

 

 

 

477

по давлениям

 

 

 

Приложение 6 Диаграмма 5—«водяного пара (вкладка)

9

П р е д и с л о в и е

Со времени выпуска первого издания учебника «Теплотехника» прошло около 9 лет. За это время энергетическая база Советского Сою­ за существенно возросла, и Директивами XXIV съезда КПСС намечено дальнейшее большое развитие ее и наряду с этим значительное повыше­ ние эффективности всех видов установок, в том числе и энергетических.

Сообразно с этим все большее значение приобретает вооружение теоретическими и практическими знаниями всех тех, кто посвятит свой труд развитию отечественной энергетике или в своей деятельности бу­ дет сталкиваться с этой отраслью техники.

В настоящее время в подавляющем большинстве отраслей народ­ ного хозяйства для создания новых установок и машин, модернизации действующих, разработки совершенных технологических процессов, а также для обеспечения грамотной эксплуатации всякого рода устано­ вок и оборудования требуется знание теплотехники в той мере, в какой это определяется условиями того или иного конкретного производства.

Настоящий учебник, как и первое издание его, написан для студен­ тов неэнергетических специальностей втузов, чем и определяется сте­ пень полноты и подробность освещаемых в нем вопросов.

В процессе подготовки второго издания учебник подвергся значи­ тельной переработке, сокращению и обновлению с тем, чтобы обеспе­ чить лучшее и более легкое восприятие студентами изучаемого материа­ ла. Учебник, несмотря на сокращение его объема, пополнен некоторыми новыми разделами и сведениями.

В частности, в него введена новая глава о компрессорных машинах.

Часть

I учебника

«Техническая термодинамика» написана

И. И. СУШКИНЫМ; часть II «Основы теории тепло- и массообмена»

и часть III «Топливо и основы теории горения» — А. А. ЩУКИНЫМ,

часть IV «Котельные установки»— Р. Т. ЗАХОМ; главы 30, 31, 32, 33

части V — Б. И. БАХМАЧЕВСКИМ; глава 34 части V— |Г. П. ЛЫЗО\ ;

часть VI

«Теплосиловые

установки»— Б. И. БАХМАЧЕВСКИМ.

Часть I

отредактирована В. В. МУРЗАКОВЫМ, за что автор ее

приносит ему большую благодарность.