Теоретические основы теплотехники - РУС
..pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ
ДОЦЕНТ ГОРОЖАНКИН С. А.
ПРОФЕССОР ДЕГТЯРЕВ В. И.
Т Е О Р Е Т И Ч Е С К И Е О С Н О В Ы Т Е П Л О Т Е Х Н И К И
К О Н С П Е К Т Л Е К Ц И Й
( ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 7.090258 "АВТОМОБИЛИ И АВТОМОБИЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО")
О Д О Б Р Е Н О:
Кафедрой "Автомобили и автомобильное хозяйство"
Протокол № от 27.04.2001г.
Советом механического факультета Протокол №3 от 10.03.2001г.
М А К Е Е В К А 2001 г.
УДК 536.7 (075.8) |
|
|
ГОРОЖАНКИН С. А., |
ДЕГТЯРЕВ В. И. |
Теоретические основы |
теплотехники (курс лекций). |
Макеевка: Донбасская |
государственная академия |
строительства и архитектуры, - 2001. - 110 с.: 76 илл.
Конспект лекций предназначен для студентов, изучающих курс "Теоретические основы теплотехники"
Конспект лекций посвящен изложению теоретических основ теплотехники в краткой и доходчивой форме с учетом изучения материала студентами специальности автомобили и автомобильное хозяйство. Курс, кроме обеспечения современной энергетической подготовки инженеров-автомобилистов, имеет и свою особую методику обобщенного раскрытия материала, позволяющую сосредоточить главное внимание на выявлении более широких закономерностей и новых возможностей развития энергетики.
Изложены теоретические основы технической термодинамики, теории тепломассообмена, особое внимание уделено термодинамическим циклам тепловых машин. Приводятся общие сведения о теплоснабжении и использовании вторичных энергоресурсов, имеющих целью максимально экономное расходование энергетических ресурсов
Изучение этого курса необходимо для глубокого понимания физической сущности термодинамических процессов тепловых двигателей, ясного представления о закономерностях энергопревращений в двигателях внутреннего сгорания.
Для студентов специальности 7.090258 "АВТОМОБИЛИ И АВТОМОБИЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО".
2
|
|
ОГЛАВЛЕНИЕ |
Стр. |
|
|
|
|
1. |
Введение. Уравнение состояния. Теплоемкость. |
4 |
|
2. |
Первый закон термодинамики |
11 |
|
3. |
Термодинамические процессы идеальных газов |
15 |
|
4. |
Второй закон термодинамики |
21 |
|
5. |
Водяной пар |
29 |
|
6. |
Влажный воздух |
33 |
|
7. |
Общая характеристика компрессоров |
36 |
|
8. |
Двигатели внешнего сгорания |
43 |
|
9. |
Циклы газотурбинных установок |
47 |
|
10. |
Циклы двигателей внутреннего сгорания |
53 |
|
11. |
Основы теплообмена |
59 |
|
12. |
Конвективный теплообмен |
67 |
|
13. |
Теплообмен при фазовых превращениях |
81 |
|
14. |
Теплообмен излучением |
86 |
|
15. |
Теплопередача |
91 |
|
16. |
Теплообменные аппараты |
97 |
|
17. |
Топливо и процессы горения |
103 |
3
1.ВВЕДЕНИЕ. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ. ТЕПЛОЕМКОСТЬ
1.1Теплотехника, ее предмет и метод
Теплотехника - наука, изучающая теорию и средства превращения энергии природных источников в тепловую механическую и электрическую энергии, а также использования тепла для практических целей.
Теоретические основы теплотехники включают термодинамику и теорию тепломассообмена.
Основным методом теплотехники является термодинамический метод. Сущность его состоит в том, что на основе изучения энергоэнтропийных балансов в макроскопических системах устанавливают условие максимальной эффективности тепловых машин и установок. Затем определяют пути приближения к этим условиям.
1.2. Основные понятия и определения термодинамики
Термодинамика - наука о закономерностях превращения энергии в макроскопических физических системах.
Техническая термодинамика - раздел термодинамики, рассматривающий закономерности превращения тепловой энергии в другие виды.
Название "термодинамика" впервые применил Сари Карно (1824 г.) в работе "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу".
"Терме" - тепло, жар, огонь. "Динамикос" - сила, движение.
"Термодинамика" - движущая сила огня - дословный перевод с греческого. В основу термодинамики положены два основных закона (начала),
установленных опытным путем.
-закон характеризует количественную сторону процессов превращения энергии.
-закон характеризует, устанавливает качественную сторону (направленность) процессов в физических системах.
1.3. Термодинамическая система. Термодинамический процесс.
Термодинамическая система - совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией между собой и с окружающей средой.
Термодинамический процесс - совокупность изменений состояния термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое.
1.4. Обратимые и необратимые процессы.
Равновесное состояние тела - такое, при котором во всех точках объема параметры состояния одинаковы.
Равновесный процесс - процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое через равновесные состояния тела в любой момент времени.
Неравновесный процесс - процесс, включающий неравновесные состояния. Обратимый процесс - процесс, который протекает в прямом и обратном
направлении через одни и те же равновесные состояния.
4
Условия обратимости:
1.Отсутствие химических реакций.
2.Отсутствие внутреннего и внешнего трения.
3.Бесконечно медленное изменение состояния рабочего тела. Необратимый процесс - процесс, который самопроизвольно протекает
только в одном направлении.
1.5. Рабочее тело. Термодинамические параметры состояния
Взаимное преобразование теплоты в механическую энергию в тепловых машинах осуществляются при помощи рабочего тела.
В качестве рабочего тела обычно используют пар или газ, т.к. они обладают значительно большим коэффициентом объемного расширения по сравнению с жидкостями и твердыми телами.
Для однозначного определения состояния вещества вводятся физические характеристики состояния вещества - параметры состояния.
Параметры состояния могут быть интенсивными и экстенсивными. Интенсивные параметры не зависят от количества вещества, экстенсивные - зависят. Пример - объем и температура.
Экстенсивные параметры, отнесенные к единице количества вещества, приобретают смысл интенсивных. Их называют удельными.
Термодинамические параметры состояния - интенсивные свойства, определяющие состояние тела или группы тел.
Обычно состояние однородного тела может быть однозначно определено тремя параметрами - давлением, температурой и удельным объемом.
При наличии силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) состояние определяется неоднозначно.
1.6. Давление.
Давление - сила, действующая на единицу поверхности тела по нормали к этой поверхности.
[р] = Па =
H
м2
1 Па величина сравнительно небольшая. Поэтому вводят кратные величины
1 кПа = 103 Па = 103 |
H |
; |
1 кПа = 1 |
кH |
. |
|
м2 |
|
|
м2 |
1 МПа = 106 Па = 103 кПа 1 бар = 105 Па = 102 кПа Внесистемные единицы
1 мм Нg 133.3 Пa.
1 мм вод. ст. 9.81 Па.
Виды давления 1. Абсолютное, т.е. полное давление, отсчитываемое от абсолютного
вакуума.
рабс
5
2.Атмосферное (барометрическое) - абсолютное давление атмосферы Земли
вданной точке
рабс = В.
3. Избыточное давление - разность между абсолютным и атмосферным. Параметром состояния не является.
pизб = pабс – B.
Избыточное давление иногда называют манометрическим (т.к. измеряется манометрами).
4. Вакууметрическое давление - разность между атмосферным и абсолютным.
pвак = B - pабс.
1.7. Температура
Температура характеризует тепловое состояние тела - степень "нагретости"
тела.
Температура - осредненная величина кинетической энергии хаотического движения молекул.
Температура, при которой полностью прекращается движение молекул,
принята за начало отсчета. Температура тройной точки воды принята равной 273,
16 К (0, 010С).
[T]=K - единица измерения абсолютной температуры. Температуру часто измеряют по шкале Цельсия.
[t]=C - единицы измерения температуры в обеих шкалах численно равны. Температура по шкале Цельсия термодинамическим параметром состояния
не является.
|
|
|
|
T=t+273,15 |
|
|
|
|
|
t =T-273,15 |
t= T |
За рубежом иногда пользуются шкалами температур Фаренгейта, Реомюра и |
|||||
Ренкина. |
|
|
|
|
|
1.8. Удельный объем. |
|
||||
Удельный объем - объем единицы массы газа. |
|
||||
v |
V |
v |
м3 |
|
|
m |
кг |
|
|||
|
|
|
Плотность - величина обратная удельному объему.
1 m; кг. |
|
v V |
м3 |
1.9. Уравнение состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона
Идеальный газ - модель газа, в которой молекулы не имеют объема и не взаимодействуют друг с другом.
Совместное рассмотрение законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака позволило Клапейрону в 1834 г. вывести уравнение состояния идеального газа
pv=RT - уравнение для 1 кг. газа (уравнение Клапейрона) R - газовая постоянная
6
R |
p v |
|
H м3 |
|
H м |
|
Дж |
. |
T |
|
|
|
|||||
|
|
м2 кг К кг К кг К |
Бойль Роберт (1627-1691). Англия. Физика, химия. Совместно с Мариоттом не работал.
Мариотт Эдм (1620-1684). Франция. Механика жидкости и газа. Оптика. Гей-Люссак Жозеф-Луи (1778-1850). Франция. Физика, химия.
Клапейрон Бенуа Поль Эмиль (1799-1864). Франция. Вывел уравнение Клапейрона-Клаузиуса для водяного пара. Первым обратил внимание на работы С.Карко, в которых был установлен II закон термодинамики.
pV=mRT- уравнение для газа массой m.
pV = RT- уравнение для 1 киломоля(уравнение Менделеева). V - объем киломоля газа
R=8315 |
Дж |
- универсальная газовая постоянная. |
кмоль К
R 8315 - формула для вычисления газовой постоянной.
1.10. Особенности реальных газов. Уравнение состояния реальных газов Ван-дер-Ваальса
Уравнение состояния идеального газа можно применять в расчетах для реактивных газов при низких давлениях и высоких температурах. При нормальных условиях оно применимо для:
H2, He, O2, N2.
Углекислый газ (СО2) и некоторые другие дают отклонение до 2-3%. Уравнение состояния реальных газов, учитывающие размер молекул, силы
взаимодействия между ними, образование комплексов молекул (ассоциаций) и пр. имеют сложный вид.
Впрактике обычно используются таблицы и номограммы, построенные на основе этих уравнений.
Вобщей форме в 1937-46 г. в СССР (Н.Н.Богомолов) и США (Дж.Мейер) были выведены уравнения состояния реальных газов.
Наиболее простым, качественно правильно отображающим поведение реальных газов, является уравнение Ван-дер-Ваальса (1873 г.).
(p a )(v b) RT, v2
где b - поправка на объем молекул газа;
a
v2
- поправка на давление газа, учитывающая силы взаимодействия
молекул.
Уравнение Ван-дер-Ваальса позволяет качественно анализировать поведение газов вблизи границ фазовых переходов.
1.11. Смеси идеальных газов. Законы Дальтона и Амага
Парциальное давление - давление отдельного компонента смеси газов.
7
n
pсм pi - закон Дальтона
i 1
Абсолютное давление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов смеси.
n
Vсм Vi - закон Амагá
i 1
Полный объем смеси газов равен сумме приведенных к давлению и температуре смеси объемов компонентов (парциальных объемов).
Законы Дальтона и Амагá позволяют получить уравнение состояния смеси
газов.
pсмVсм=mсмRсмTсм ,
8314
где Rсм см .
Кажущаяся молярная масса смеси определяется из уравнения
n
см i ri , где ri - объемные доли компонентов
i 1
смеси
Пример: Полагая, что в воздухе 80% N2 и 20% О2
возд = 0,8 28 + 0,2 32 = 28,8 кг/моль Газовая постоянная смеси может быть установлена из уравнения
Rсм giRi |
, где gi - массовые доли компонентов смеси. |
|||
Соотношение между массовыми и объемными долями определяется |
||||
выражением |
|
|
|
|
g i |
i |
ri |
, где ri - объемные доли компонентов смеси. |
|
|
||||
|
|
|
Следует отметить, что всегда
n n
gi 1; ri 1.
i 1 i 1
1.12. Теплоемкость газов и газовых смесей. Истинная, средняя и удельная теплоемкость. Зависимость теплоемкости от температуры
Теплоемкость - количество тепла, необходимое для нагрева тела на 1 К.
С
Дж
К
8
Удельная теплоемкость - количество тепла, необходимое для нагрева единицы количества вещества на 1К.
Обычно различают следующие удельные теплоемкости: 1. Массовая - c
[c] = Дж
кг К
2. Объемная - с'
[c'] = Дж |
|
м3 К |
|
Объем газа при этом должен быть приведен к нормальным условиям. |
|
3. Мольная - с, где - молекулярная масса. |
|
[ c] = |
Дж . |
кмоль К
Истинная теплоемкость определяется следующим аналитическим выражением
c dq . dt
Средняя теплоемкость в интервале температур t1 - t2 определяется из соотношения
q Cm t2 - t1 .
В общем случае теплоемкость является функцией температуры, причем обычно она возрастает с ростом температуры.
На рис.1.1 показана линейная зависимость удельной теплоемкости от температуры, на рис.1.2 - степенная.
Если зависимость теплоемкости от температуры имеет сложный нелинейный характер (как это показано на рис.1.3), то средняя теплоемкость в интервале температур t1-t2 определяется из выражения:
|
|
|
|
t2 |
|
|
|
|
|
C(t)dt |
|
Cm |
t2 |
|
|
t |
1 |
t1 |
9 |
t2 t1 |
|||
|
|
|
|||
|
|
|
|
В справочной литературе обычно приводятся значения истинной теплоемкости при различных температурах, либо средние значения теплоемкости в интервале температур 00С до t0C.
Тогда среднее значение теплоемкости в интервале температур от t1 до t2 определяется выражением:
|
|
|
Cm |
t |
2 |
t2 |
Cm |
|
t1 |
t1 |
Cm |
t2 |
|
t |
0 |
|
t0 |
||||
|
|
|
|
|
||||||
t1 |
|
|
t2 |
t1 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
Эта формула применяема к массовой, объемной и мольной теплоемкостям. Нагрев газов или паров может осуществляться при различных условиях.
Среди них можно выделить: 1. Нагрев при постоянном объеме;
2.Нагрев при постоянном давлении.
Впервом случае теплоемкость процесса называют изохорной, во втором - изобарной.
V=Const |
|
p=Const |
|
||
qv = CV . t |
|
qp = CP. t |
Во втором случае требуется подвод большего количества тепла, чем в первом, т.к. в процессе подвода теплоты при постоянном давлении совершается работа против внешних сил.
|
qv < qp. |
Тогда соответственно |
Сv < Сp |
Изобарная и изохорная теплоемкости связаны уравнениями: Сp - Сv = R- Майера
СР K - Пуассона
СV
К- коэффициент Пуассона.
Для одноатомных |
газов |
К=1,67 |
|
(5/3) |
||||
- '' - двухатомных |
- '' - |
К=1,40 |
(7/5) Теоретические |
|||||
- |
'' |
- |
трехатомных |
и |
значения |
|||
|
многооатомных |
- '' - |
К=1.33 |
(4/3) |
Обычно принимают К=1,29.
Теплоемкость газовых смесей вычисляется на основе уравнения теплового баланса, из которого следует:
n
1. Для массовой теплоемкости смеси: Cсм Cii gi .
i 1
n
2. Для объемной теплоемкости смеси: Cсм/ C/i ri .
i 1
10