tot_book

1

ДК 536.7(07) + 536.24

Рецензенты: кафедра “Теплотехника и теплосиловые установки” Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщения (д-р техн. наук, проф. И.Г. Киселев),

профессор Б.С. Фокин (АОО НПО "ЦКТИ им. И.И. Ползунова")

Сапожников С.З., Китанин Э.Л. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебник для вузов. СПб.: Изд-во СПбГТУ,

1999. 319 с.

ISBN 5-7422-0098-6

Изложены основы технической термодинамики и теплопередачи. Представлены начала термодинамики, методы расчета термодинамических процессов с идеальным газом и с реальными рабочими телами, циклов энергетических установок, холодильных машин и тепловых насосов. Описаны процессы стационарной и нестационарной теплопроводности, конвективного теплообмена, теплообмена излучением. Даны основы теплового расчета теплообменников.

Предназначен для бакалавров по направлению 551400 “Наземные транспортные системы”.

I8ВN 5-7422-0098-6

Санкт-Петербургский государственный технический университет, 1999 Сапожников С.З., Китанин Э.Л., 1999

2

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие........................................................................

1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА......................

1.1.Предмет и метод технической термодинамики.......

1.2.Основные понятия термодинамики........................

1.2.1.Термодинамическая система и термодинамические параметры...........................................................

1.2.2.Термодинамическое равновесие и равновесный тер-

модинамический процесс..................................

1.2.3.Термическое уравнение состояния. Термодинамическая поверхность и диаграммы состояний……………………………………………….

1.2.4.Смеси идеальных газов........................................

1.2.5.Энергия, работа, теплота......................................

1.2.6.Теплоемкость.........................................................

1.3.Первое начало термодинамики..................................

1.3.1.Уравнение первого начала...................................

1.4.Анализ процессов с идеальным газом.......................

1.4.1.Изобарный процесс..............................................

1.4.2.Изохорный процесс...............................................

1.4.3.Изотермический процесс......................................

1.4.4.Адиабатный процесс.............................................

1.4.5.Политропные процессы........................................

1.4.6.Сжатие газа в поршневом компрессоре..............

1.5.Второе начало термодинамики...................................

1.5.1.Обратимые и необратимые процессы.................

1.5.2.Циклы и их КПД....................................................

1.5.3.Формулировки второго начала............................

1.5.4.Цикл Карно. Теорема Карно................................

3

1.5.5.Энтропия, ее изменение в обратимых и необрати-

мых процессах.................................................................

1.5.6.Т–s-диаграмма состояний. Изменение энтропии в

1.5.7.Термодинамическая шкала температур..............

1.6.Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.................................................................................

1.6.1.Цикл с изохорным подводом теплоты (цикл Отто)

1.6.2.Цикл с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля)

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

1.6.3.Сравнение эффективности циклов ДВС.............

1.7.Циклы газотурбинных установок..............................

1.7.1.Схема и цикл с изобарным подводом теплоты..

1.7.2.Термический КПД цикла Брайтона...................

1.7.3.Регенеративный цикл ГТУ..............................

1.7.4.Эффективность реальных циклов...................

1.8.Термодинамика реальных рабочих тел....................

1.8.1.Уравнения состояния реальных газов...............

1.8.2.Изменение агрегатного состояния вещества....

1.8.3.Диаграммы и таблицы состояний.....................

1.9.Циклы паросиловых установок.................................

1.9.1.Паровой цикл Карно..........................................

1.9.2.Цикл Ренкина.....................................................

1.10.Циклы холодильных машин и тепловых насосов

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

1.10.2.Цикл парокомпрессионной холодильной машины с перегревом пара и дросселированием.................

1.10.3.Цикл теплового насоса...................................

1.11.Влажный воздух..........................................................

1.11.1Основные понятия и определения...................

1.11.2. h–d-диаграмма влажного воздуха..................

2.ТЕПЛОПЕРЕДАЧА.........................................................

4

2.1.Общие представления о теплопередаче...................

2.2.Теплопроводность........................................................

2.2.1.Основные понятия и определения............

2.2.2.Гипотеза Био-Фурье....................................

2.2.3.Дифференциальное уравнение теплопроводности.

…………………………………………………………

2.2.4. Условия однозначности.................................

2.2.5.Модели тел в задачах теплопроводности......

2.3.Стационарная теплопроводность..............................

2.3.1.Теплопроводность пластин и оболочек.........

2.3.2.Теплопроводность оребренных поверхностей.

2.4.Нестационарная теплопроводность..........................

2.4.1.Теплопроводность термически тонких тел.......

2.4.2.Теплопроводность полуограниченного тела и стержня .......................................................

2.4.3.Нагрев и охлаждение пластины, цилиндра и шара

.

2.4.4.Нагрев и охлаждение тел конечных размеров……..

2.4.5.Регулярный тепловой режим.........................

2.5.Приближенные методы теории теплопроводности..

2.5.1.Электротепловая аналогия.............................

2.5.2.Графический метод........................................

2.5.3.Метод конечных разностей..........................

2.6.Физические основы конвективного теплообмена..

2.6.1.Основные понятия и определения.................

2.6.2.Дифференциальные уравнения конвективного

теплообмена ..............................................................

2.7.Основы теории подобия...............................................

2.7.1.Подобие физических явлений.......................

2.7.2.Теоремы подобия.............................................

2.7.3.Уравнения подобия.........................................

2.7.4.Правила моделирования..................................

2.8.Конвективный теплообмен в однофазной среде.....

2.8.1.Режимы течения жидкостей и газов...............

5

2.8.2. Пограничный слой............................................

2.8.3.Теплообмен в ламинарном пограничном слое на

плоской поверхности.................................................

2.8.4.Теплообмен в турбулентном пограничном слое на плоской поверхности.............................................

2.8.5.Теплообмен при вынужденной конвекции в трубах и каналах...............................

2.8.6.Теплообмен на стабилизированном участке течения.Интеграл Лайона.........................................

2.8.7.Теплообмен при ламинарном течении в трубах

………………………………………………………..

2.8.8.Теплообмен при турбулентном течении в трубах

...

2.8.9.Теплообмен при обтекании труб и трубных пучков..........................................................................

2.8.10.Теплообмен при свободной конвекции........

2.8.11.Теплообмен в псевдоожиженных средах.......

2.9.Конвективный теплообмен при кипении и конденсации...........................................................................

2.9.1.Теплообмен при кипении................................

2.9.2.Теплообмен при конденсации.........................

2.9.3.Тепловые трубы................................................

2.10.Теплообмен излучением............................................

2.10.1.Физические основы излучения......................

2.10.2.Расчет теплообмена излучением...................

2.10.3.Солнечное излучение.....................................

2.10.4.Сложный теплообмен.....................................

2.11.Теплообменники..........................................................

2.11.1Классификация и назначение.........................

2.11.2. Основы теплового расчета............................

2.11.3.Эффективность теплообменников. Реальные

коэффициенты теплопередачи.............................

2.11.4. Гидравлический расчет теплообменников...

Список литературы.............................................................

6

ПРЕДИСЛОВИЕ

“Техническая термодинамика и теплопередача” — один из основных курсов, читаемых бакалаврам по направлению “Наземные транспортные системы”. Он насыщен сведениями и сжат по времени изучения до 1–2 семестров, поэтому большинство фундаментальных учебников мало помогут студентам: они излишне подробны, не сориентированы на круг задач, связанных с транспортными системами и, наконец, просто рассчитаны на курсы значительно большего объема.

Для инженеров-транспортников главное — уяснить предмет и основные идеи термодинамики и теплопередачи, освоить сложившуюся терминологию этих наук. Совершенно необходимо помнить 10–15 основных формул (таких, например, как уравнение состояния идеального газа, формула для расчета теплопередачи через многослойную пластину, закон Стефана–Больцмана и т. д.). Остальные сведения, при всей их важности, нужно просто понять, представить физически, связать с примерами из различных областей жизни и техники. Поэтому главное внимание авторы постарались уделить физической стороне рассматриваемых явлений, а математическому аппарату оставили достойное, но скромное место.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам — кафедре "Теплотехника и теплосиловые установки" Петербургского государственного университета путей сообщения в лице д-ра техн. наук проф. И. Г. Киселева и канд. техн. наук доц. В. И. Крылова, а также д-ру техн. наук проф. Б. С. Фокину — за ценные замечания, позволившие улучшить первоначальный текст. Особая благодарность — канд. техн. наук Г. Г. Гавра за большую помощь в подготовке рукописи; ей принадлежит идея сопоставить N, ε — метод расчета теплообменников с традиционной расчетной схемой. И, конечно, очень ценной оказалась помощь в оформлении книги сотрудниц кафедры “Теоретические основы теплотехники” Санкт-Петербургского государственного технического

7

университета Э. О. Введенской, Р. М. Грозной, аспиранток Ю. В. Бурцевой и Е. М. Ротинян.

С. Сапожников Э. Китанин

8

1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

1.1.ПРЕДМЕТ И МЕТОД ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

Термодинамика — наука о преобразованиях энергии — фундаментальна для инженера-энергомашиностроителя. Зарождение термодинамики совпадает по времени с появлением первых паровых машин. В 1824 г. французский инженер С. Карно рассмотрел энергетическое взаимодействие воды и пара с различными частями двигателя и с окружающей средой, ему принадлежит первая оценка эффективности паровой машины. С тех пор предметом изучения термодинамики стали процессы в энергомашинах, агрегатные превращения веществ, физикохимические, плазменные и другие процессы. В основу этих исследований положен термодинамический метод: объектом исследования могут быть любые тела, входящие в так называемую

термодинамическую систему. Эта система должна быть:

достаточно обширной и сложной, чтобы в ней соблюдались статистические закономерности (движение молекул вещества в некотором объеме, нагрев и охлаждение частиц твердого материала в засыпке и т. д.);

замкнутой, т. е. иметь пределы во всех пространственных направлениях и состоять из конечного числа частиц.

Других ограничений для термодинамической системы нет. Объекты материального мира, не входящие в

термодинамическую систему, называют окружающей средой. Возвращаясь к работам С. Карно, отметим, что вода и

полученный из нее пар являются термодинамической системой. Проследив энерговзаимодействие воды и пара с

окружающими телами, можно оценить эффективность преобразования подведенной к машине теплоты в работу. Но современные энергомашины для преобразования энергии не всегда используют воду. Условимся называть любую среду, которая используется для преобразования энергии, рабочим телом.

9

Таким образом, предметом технической термодинамики

являются закономерности преобразования энергии в процессах взаимодействия рабочих тел с элементами энергомашин и с окружающей средой, анализ совершенства энергомашин, а также изучение свойств рабочих тел и их изменений в процессах взаимодействия.

В отличие от статистической физики, которая изучает физическую модель системы с четкими закономерностями взаимодействия микрочастиц, термодинамика не связана в своих выводах с какой-либо структурой тела и с определенными формами связи между элементами этой структуры. Термодинамика использует законы универсального характера, т. е. справедливые для всех тел, независимо от их строения. Эти законы заложены в основу всех термодинамических рассуждений и носят название

начал термодинамики.

Первое начало выражает закон сохранения энергии — всеобщий закон природы. Оно определяет баланс энергии при взаимодействиях внутри термодинамической системы, а также между термодинамической системой и окружающей средой.

Второе начало определяет направленность энергетических превращений и существенно расширяет возможности термодинамического метода.

Оба начала носят опытный характер и применимы ко всем термодинамическим системам.

Основываясь на этих двух началах, представленных в математической форме, можно выразить параметры энергообмена при различных взаимодействиях, установить связи между свойствами веществ и т. д. Однако для того, чтобы довести результаты до конкретных чисел, одних только "внутренних ресурсов" термодинамики недостаточно. Необходимо использовать экспериментальные или теоретические результаты, которые учитывают природу рабочего тела в реальной термодинамической системе. Если, например, воспользоваться опытными данными о плотности вещества, то с помощью термодинамического анализа можно вычислить его теплоемкость и т. д.

10

Таким образом, термодинамические исследования основываются на фундаментальных законах природы. В то же время инженерные расчеты в термодинамике невозможны без использования данных опытов или результатов теоретических исследований физических свойств рабочих тел.

1.2.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

1.2.1.Термодинамическая система и термодинамические параметры

Мы назвали термодинамической системой любое тело или систему тел, находящихся во взаимодействии между собой и(или) с окружающей средой (в такую систему могут, в частности, входить рабочие тела энергетических машин). В определении не уточняется, что именно считать термодинамической системой, а что — окружающей средой. Можно, например, термодинамической системой считать само рабочее тело, а “все остальное” полагать окружающей средой; можно выделить только часть тела, а окружающей средой считать оставшуюся часть и все другие тела. Можно, наоборот, расширить термодинамическую систему — включить в нее, кроме первого тела, несколько других, а все прочие тела считать окружающей средой. Такое расширение или сужение круга объектов, составляющих термодинамическую систему, позволяет выяснить важные особенности рабочих тел и энергетических взаимодействий между ними.

Известно, что одно и то же вещество может находиться в жидком, газообразном или твердом состоянии. При этом, естественно, различными будут и свойства этого вещества, этой термодинамической системы, например, плотность, коэффициент объемного расширения, магнитная проницаемость, скорость звука и т. д. Все эти, а также другие величины, характеризующие состояние термодинамической системы, называют термодинамическими параметрами состояния. Их очень много; традиционно выделяют