Белозерцев В.Н. Теплотехника 2012. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования самарский государственный аэрокосмический университет имени академика сп
 Скачать 1.43 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени академика СП. КОРОЛЕВА (национальный исследовательский университет)» ТЕПЛОТЕХНИКА САМАРА 2012 Таблица ПЗ 2 УДК 532.533 Теплотехника: Метод, указания / Самар. гос. аэрокосм, ун-т; Сост. В.Н. Белозерцев, А.П. Толстоногов. Самара, 2012. 40 с. Изложены основные вопросы для самостоятельной работы по программе курсов по термодинамике, теплопередаче,изложены методические аспекты рассмотренных тем, контрольные вопросы, материалы для курсовой работы для самостоятельного изучения, методика выполнения контрольных работ. Методические указания рекомендуются для студентов, обучающихся по специальности 160301.65 «Авиационные двигатели и энергетические установки», а также направлений подготовки в рамках Федерального государственного образовательного стандарта третьего поколения - 160700.65 «Проектирование авиационных и ракетных двигателей», 141100.62 «Энергетическое машиностроение», 151900.62 "Конструкторско- технологическое обеспечение машиностроительных производств", 151000.62 "Технологические машины и оборудование", 162300.62 «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и двигателей», 190700.62 «Технология транспортных процессов». Печатаются по решению редакционно-издательского совета Самар- ского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П.Королева Рецензент: д.т.н. проф. В.Н. М а т в е е в Таблица ПЗ 3 Содержание 1. Теоретические основы теплотехники ....................................................................... 5 2. Теория теплообмена ..................................................................................................10 3. Источники энергии и теплоэнергетическое оборудование авиапредприятий ..... 13 4. Контрольная работа для всех специализаций ......................................................... 20 Задание № 1 по курсу теплообмена .............................................................................. 21 Задание № 2 Курсовая по термодинамике................................................................... 22 Список основной литературы ....................................................................................... 36 Список дополнительной литературы ........................................................................... 36 Список использованных источников ........................................................................... 36 Приложения ................................................................................................................... 37 Таблица ПЗ 4 *** Специалисту, организатору воздушных перевозок авиапредприятия, часто приходится решать проблемы, связанные с требованиями и условиями хранения, перевозки и даже эксплуатации объектов авиатранспортирования. Это могут быть крупные изделия, их блоки, тепловые двигатели, теплоэнергетические установки и системы различного назначения, комплексы пневматических и гидравлических систем различных технических устройств. Одной из многочисленных задач служб воздушных перевозок может быть обеспечение требуемых условий наземного хранения объектов перевозок перед отправкой адресату. В этом случае специалисту потребуются знания систем теплофикации сооружений, холодильных и нагревательных установок, систем кондиционирования. Могут возникнуть, наконец, вопросы выбора топлива, применения нетрадиционных источников энергии и энергосбережения. Цель курса "Теплотехника" - дать выпускникам знания, умения и навыки, достаточные для понимания реализуемых процессов и особенностей работы энергетических систем, устройств, агрегатов; систематизировать и довести эти знания до инженерного уровня. Курс, имея общеэнергетическую направленность, позволит будущим специалистам проводить энергосберегающую политику на предприятии. Программа курса состоит из трех разделов, включающих в себя 12 тем. Наряду с теоретическими вопросами в ней представлен большой набор вопросов для самопроверки, а также содержатся методические указания по изучению предмета и выполнению контрольных работ, которые предъяв- ляются на лабораторно-экзаменационной сессии в университете для защиты. Для самостоятельного выполнения контрольной работы студенту необходимо использовать рекомендуемую основную и дополнительную литературу и материалы, имеющиеся на авиапредприятии по месту работы студента. По каждой теме всех разделов даются рекомендации для самостоя- тельного изучения, указан материал, которому следует уделить особое внимание, и приведены контрольные вопросы для самостоятельной проверки качества усвоения темы. Особое внимание в содержании курса уделяется раскрытию физической сущности рассматриваемых явлений, увязке их с особенностями надежности и экономичности при их использовании. В период сессии студенты слушают обзорные лекции по основным вопросам курса, выполняют и защищают лабораторные работы, контрольную работу, предлагаемую в конце методических указаний, и затем сдают экзамены или зачет. Таблица ПЗ 5 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ Цели и задачи курса. Краткий обзор энергетических установок и энергетических систем авиапредприятия. Источники энергии. Тема 1. Основные понятия технической термодинамики Техническая термодинамика и ее основные понятия: рабочее тело, термодинамическая система и процесс. Параметры состояния. Законы иде- альных газов. Объединенный закон Бойля-Мариотта и Гей-Люссака. Урав- нение состояния идеального газа. Теплота, работа, внутренняя энергия, теплоемкость. Первое начало термодинамики. Энтальпия. Р-V-диаграмма и ее свойства. Обратимые и необратимые процессы. Политропные процессы. Частные случаи политропных процессов: изохорный, изобарный, изотер- мический, адиабатный. Графический анализ политропных процессов. Второе начало термодинамики. Понятие о круговых термодинамических процессах - циклах. Прямые и обратные циклы. Коэффициенты преобразования энергии в циклах: термический КПД, холодильный коэффициент, отопительный коэффициент. Цикл Карно. Теорема Карно. Интеграл Клаузиуса для обратимых и необратимых процессов. Энтропия. T-S-диаграмма и ее свойства. Термодинамическое тождество. Эксергия, ее виды и составляющие. Эксергия вещества в замкнутом объеме. Теорема Гюи-Стодолы. Эксергия вещества в потоке. Анергия. Эксергетический КПД технических систем. Коэффициенты преобразования и эксергетический КПД. Методические рекомендации Материал этой темы содержит необходимый комплекс понятий, на базе которых излагаются последующие темы. Необходимо четко представить, что взаимопревращения одних форм энергии (теплоты, внутренней энергии, работы) термодинамической системы (ТДС) в другие сопровождаются изменением ее параметров состояния. Непрерывное изменение параметров состояния ТДС называют термодинамическим процессом. Изучение процессов следует начать с политропного процесса как обобщающего все процессы, а затем его частных случаев. Теплота и работа служат мерой количества переданной энергии. Количественное соотношение во взаимных превращениях и преобразованиях одних форм энергии в другие устанавливает первое начало термодинамики, а условия, при которых эти преобразования возможны, - второе начало. Кроме того, второе начало устанавливает необходимые условия для реализации циклов периодически действующих тепловых машин. Рекомендуется написать уравнение первого начала термодинамики для всех частных случаев политропных процессов. При рассмотрении цикла Карно выясните, почему он является идеальным для цикла любого двигателя и холодильной машины. На примере свойств энтропии и термодинамического тождества продемонстрируйте направление прохождения термодинамических процессов. Таблица ПЗ 6 Студент должен уяснить, что эксергия это свойство термодинами- ческой системы или потока энергии, определяемое количеством работы, которое может быть получено внешним приемником энергии при обратимом его взаимодействии с окружающей средой до установления полного равновесия. Однако студент должен понимать, что работа - конечный и необходимый результат действия теплосиловых установок. Для современных условий цели технических систем преобразования вещества и энергии чрезвычайно разнообразны и кроме получения работы состоят в преобра- зовании и получении вещества, теплоты, холода, излучения нужных пара- метров и т.д. Поэтому термин "Эксергия" следует понимать как энергия, не характеризуемая энтропией. Работа, представляющая собой такую энергию в переходе, используется как мера этой энергии, но не как конечная цель энергетических превращений. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Что понимается под термодинамической системой и термодинамическим процессом? 2. Как определить абсолютное давление рабочего тела, если известны показания барометра и манометра (барометра и вакуумметра)? 3. Напишите размерности термодинамических параметров и калорических величин, встречающихся в этом разделе. 4. Перечислите функции состояния, упомянутые в этом разделе. Сфор- мулируйте их свойства. 5. Дайте определение идеального газа. 6. Какой процесс называется политропным? Перечислите основные при- знаки политропного процесса. 7. Перечислите частные случаи политропных процессов. Изобразите их в P-V- и T-S- координатах. 8. Может ли теплоемкость быть отрицательной в политропном процессе с подводом теплоты? Пояснить. 9. Каков физический смысл газовой постоянной? 10. Запишите первое начало термодинамики для изотермического процесса. 11. Какие термодинамические процессы наиболее выгодны с точки зрения получения максимальной работы процесса? 12. Перечислите характерные свойства P-V- и T-S- диаграммы. Приведите примеры. 13. Дайте определение круговых процессов-циклов. Опишите внешние признаки прямых и обратных циклов. Какие коэффициенты применяются для оценки их эффективности? 14. Напишите выражение термического КПД цикла Карно. 15. С помощью T-S-диаграммы докажите, что цикл Карно, реализованный при одинаковых максимальной и минимальной температурах любого реального цикла, имеет большее значение термического КПД. Таблица ПЗ 7 16. С помощью второго начала термодинамики докажите, что изотерма и адиабата могут пересечься только в одной точке. 17. Что такое эксергия, анергия? Может ли эксергия быть равной нулю? 18. Что такое эксергетический КПД? 19. Приведите примеры, каким образом можно использовать эксергетический баланс для оценки возможности осуществления того или иного термодинамического процесса. Тема 2. Тепловые двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего подвода теплоты Классификация поршневых, двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Теоретические циклы поршневых ДВС с изохорным, изобарным и смешанным подводом теплоты. Термический КПД цикла и его зависимость от параметров рабочего процесса. Основные индикаторные и эффективные показатели поршневых ДВС. Способы повышения их мощности и экономичности. Сравнение циклов ДВС по их эффективности при ɛ max =idem, T cu =idem, T cu =idem.Сравнение двигателей по экономичности, нагрузкам, массам и габаритам. Назначение и основные устройства систем авиационных поршневых двигателей. Энергетический анализ эффективности двигательной силовой установки. Анализ мер энергосбережения в работе систем авиационных поршневых двигателей. Двигатели внешнего подвода теплоты. Регенеративный цикл Стирлинга. Регенерация тепла как пример энергосбережения и условие повышения эффективности цикла. Использование нетрадиционных и вторичных источников энергии для работы цикла. Методические рекомендации Усвоение данного материала следует начинать с анализа идеальных циклов поршневых ДВС, являющихся аналогами соответствующих реальных циклов. Необходимо изобразить указанные циклы в P-V- диаграмме, выяснить назначение и особенности прохождения каждого процесса и закончить сравнением термического КПД между ними и циклом Карно при равных максимальных температурах, степенях сжатия, среднеинтегральных температурах. Сравнивая циклы двигателей легкого (карбюраторных) и тяжелого топлива (дизелей) видно, что основное различие заключено на участках сжатия и подвода теплоты. Невысокая степень сжатия из-за детонационных свойств бензина является причиной более низкой топливной эффективности карбюраторных двигателей. После рассмотрения основных показателей ДВС обратите внимание на величину полезно используемой энергии топлива и составляющие потерь. Таблица ПЗ 8 На основе анализа формулы мощности ДВС укажите способы повышения мощности, обратив внимание на основной широко применяемый способ наддува, при котором в цилиндр поступает большее количество воздуха и с большим начальным давлением. Запомните размерности и порядок основных величин, характеризующих эффективность ДВС легкого и тяжелого топлива (двигателя Отто и Дизеля). Говоря о конструктивном исполнении ДВС, следует указать на разнообразие конструктивных схем у наземных ДВС и их однотипность (со звездообразным расположением цилиндров) у авиационных ДВС. На примере двигателя Стерлинга продемонстрировать аспекты энергосбережения при осуществлении рабочих процессов внутреннего и внешнего контуров, а также возможность использования нетрадиционных и вторичных источников энергии. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Укажите основные конструктивные узлы ДВС. 2. С ростом какого параметра увеличивается термический КПД любого цикла? 3. Что такое степень сжатия? 4. Что такое такт, литраж поршневого двигателя, рабочий и полный объем цилиндра? 5. Почему и до каких пределов ограничена степень сжатия в двигателях Отто и Дизеля? 6. В чем различие между эффективной и индикаторной мощностью? 7. Как обеспечивается высокое качество распыления топлива в современных дизелях? 8. Укажите, какие топлива используются в карбюраторных двигателях и дизелях? 9. Какие функции выполняют системы охлаждения, смазки, топливная и пусковая? 10. Приведите численные значения эффективного КПД и удельного расхода топлива современных поршневых двигателей. Тема 3. Термодинамика газовых потоков и гидравлика Понятие жидкости в широком смысле. Основные физические и ме- ханические свойства жидкости. Уравнение неразрывности для жидкости и газа, уравнение Эйлера, уравнение Бернулли. Уравнение момента количества движения. Первое начало термодинамики для газовых потоков (уравнение энергии). Давление и температура заторможенного потока. Режимы течения. Число Рейнольдса. Сопло, диффузор и их геометрическая форма. Скорость истечения и расход из сопла. Критический режим течения, критические параметры. Закон обращения воздействия. Таблица ПЗ 9 Методические рекомендации Приступая к изучению этой темы необходимо рассмотреть различие и общность между капельной жидкостью и газом как несжимаемой и сжимаемой жидкостью. Различать свойства вязкой и невязкой жидкости. При рассмотрении уравнения Эйлера и Бернулли следует обратить внимание на особенности их записи для различных типов жидкостей. Следует обратить внимание на то, что напор в этом уравнении выражается в метрах столба той жидкости, которая движется через данное сечение. Необходимо разобраться на основе анализа уравнения Бернулли, почему по мере движения в канале жидкости или газа механическая энергия ее уменьшается. Изучая движение газа по каналам, установите, почему в зависимости от значения числа Маха на входе канал одной и той же геометрической формы может быть соплом или диффузором. Необходимо знать, какое гео- метрическое воздействие следует оказать на дозвуковой поток, чтобы разо- гнать его до звуковой или сверхзвуковой скорости. Обратите внимание, что скорость истечения из сопла не зависит от площади его выходного сечения. Рассмотрите на графике три режима истечения: докритический, критический и сверхкритический. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какое движение воды на рабочем участке считается установившимся? 2. Почему расход жидкости в трубе переменного сечения правомочно определять по любому сечению? 3. Как будут соотноситься между собой уровни жидкости в двух открытых сообщающихся внизу сосудах различного диаметра? Объясните причину. 4. Напишите уравнение неразрывности потока для газа и жидкости. 5. Почему в движущейся воде давление торможения больше статического давления в этой же точке? Тема 4. Реальные газы Уравнения реального газа: уравнение Ван-дер-Ваальса, Вукалови-ча- Новикова, коэффициент сжимаемости. Изотерма реального газа. Понятие сухого, влажного насыщенного, перегретого пара. Линия насыщения. Критическая температура. Теплота парообразования (скрытая теплота кон- денсации). Степень сухости. Влагосодержание. T-S- иH-S- диаграммы воды и водяного пара. Влажный воздух. Насыщенный и ненасыщенный влажный воздух. Перегретый воздух. Точка росы. Абсолютная и относительная влажность. Влагосодержание воздуха, H-d- диаграмма влажного воздуха. Таблица ПЗ 10 Методические рекомендации Изучая этот материал нужно помнить, что уравнение идеального газа непригодно в большинстве случаев для анализа рабочих тел, находящихся при условиях фазового перехода (газ-жидкость). Связь между параметрами более сложная. Кривые одноименных процессов в P-V-иT-S-диаграммах для идеального газа и пара различаются. Для расчетов циклов с водяным паром и воздухом его параметры берутся по H-S - и H-d- диаграммам. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1. Какую температуру называют критической? 2. Что характеризуют собой коэффициенты а и вв уравнении Ван-дер- Ваальса? 3. Что называют тройной точкой реального газа? 4. Что означают собой объемы vи bв таблицах термодинамических свойств веществ? 5. Какой пар называется насыщенным? 6. Чем отличаются понятия температура кипения и температура насыщения? 7. Что называется теплотой парообразования? 8. В чем различие внутренней и внешней теплоты парообразования? 9. Можно ли перегретый пар при температуре больше Т КР перевести в жидкое состояние? 10 В чем принципиальное различие в изохорном нагреве реального газа, когда его объем соотносится с критическим объемом: V>V к р ; V < V к р ; V = V к р . Пояснить с помощью Р-Т-диаграммы. 2. ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМЕНА |