Лекции ОСД-2011-88-Л-печ. Конспект лекций по курсу введение в строительное дело
 Скачать 4.42 Mb.
|
|
ГЛАВА II. ПРОФЕССИОНАЛЬНО-ОРИЕНТИРОВАННЫЕ ДИСЦИПЛИНЫ В СИСТЕМАХ ТЕПЛОГАЗОСНАБЖЕНИЯ И ВЕНТИЛЯЦИИ ЛЕКЦИЯ 4. ЗАКОНЫ И МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ 4.1. ФОРМИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ МЕХАНИКИ КАК НАУКИ Техническая механика (гидравлика) – наука, изучающая законы равновесия движения жидкостей и разрабатывающая методы применения этих законов для решения различных прикладных задач. Название «гидравлика» произошло от греческих слов «хюдор» - вода и «аулос» - труба, желоб. В начале в понятие «гидравлика» включалось только учение о движении воды по трубам. В настоящее время почти во всех областях техники применяются различные гидравлические устройства, основанные на использовании гидравлических законов. Главнейшие области применения гидравлики – гидротехника, мелиорация и водное хозяйство, гидроэнергетика, водоснабжение и канализация, водный транспорт, машиностроение, авиация и т.д. Первым научным трудом в области гидравлики считается трактат Архимеда (287 – 212 г.г. до н.э.) «О плавающих телах», хотя сведения о некоторых законах гидравлики были, видимо, известны и ранее, так как задолго до Архимеда строились оросительные каналы и водопроводы. древнем Египте, Индии, Китае были построены каналы и водохранилища грандиозных по тем временам размеров. Так, в Индии глубина некоторых водохранилищ достигала 15 м, в Китае около 2500 лет назад был построен великий канал длиной около 1800 км, который соединял приустьевые участки рек страны. В Риме 2300 лет назад был построен первый водопровод. На территории нашей страны также были построены многочисленные каналы и сооружения для добычи и транспортирования воды. Земледелие в 125 районах Кавказа и Средней Азии велось с применением орошения. Некоторые из каналов, построенных в низовьях Амударьи около 2000 лет назад, используются и по сей день (естественно, после многоразовых ремонтов и реконструкций). Старинные летописи и другие источники содержат сведения о строительстве в России различных сооружений на реках, о развитии водных путей, о попытках создания механизмов, использующих энергию водного потока, и о других конструкциях, осуществление которых было бы невозможно без знания основ гидравлики. Так, ещё в X – XI вв. на Руси существовали водопроводы из гончарных и деревянных труб. В 1115 г. был построен наплавной мост через Днепр в г. Киеве. В XIV – XV вв. применялась добыча воды из подземных источников, оборудованных довольно совершенными водопроводными устройствами. средние века в России возводились многочисленные плотины на реках. Так, в 1516 г. была построена плотина из камня на реке Неглинке в Москве. Подъем в развитии гидравлики начался только через 17 веков после Архимеда. Формирование гидравлики как науки на прочной теоретической основе стало возможным только после работ академиков Петербургской Академии наук: М.В. Ломоносова (1711 – 1765 г.г.), Д. Бернулли (1700 – 1782г.г.) и Л.Эйлера (1707 – 1783 г.). М.В. Ломоносов в 1760 г. в диссертации «Рассуждение о твердости и жидкости тел» сформулировал открытые им законы сохранения вещества и энергии. Д. Бернулли в 1738г. опубликовал выведенное им важнейшее уравнение, которое служит основой теоретических построений и практических расчетов в области гидравлики. Л.Эйлер в 1755г. вывел системы дифференциальных уравнений равновесия и движения жидкости. Интересно, что наряду с гениальными теоретическими работами М.В. Ломоносова, Д. Бернулли и Л. Эйлера известны их работы в области создания гидравлических приборов и устройств. М.В. Ломоносов изобрел универсаль-ный барометр, вискозиметр (прибор для исследования вязкости жидкости), 126 прибор для определения скорости течений в море, а также занимался усовершенствованием гидравлических машин и устройств. Д. Бернулли изобрел водоподъемник, установленный в с. Архангельском под Москвой, который поднимает воду на высоту 30м. Л. Эйлер предложил конструкцию турбины, вывел так называемое «турбинное уравнение», создал основополагающие труды в теории корабля. 1791 г. в Петербурге А. Колмаков опубликовал книгу « Карманная книжка для вычисления количества воды, протекающей через трубы, отверстия», которая явилась первым справочником по гидравлике. Первое в России учебное пособие по гидравлике было выпущено в 1836г. П.П. Мельниковым под названием «Основания практической гидравлики или о движении воды в различных случаях». Во второй половине XIXв. в России появляются работы, оказавшие большое влияние на последующее развитие гидравлики. И.С. Громека (1851 – 1889г.) создал основы теории винтовых потоков и потоков с поперечной циркуляцией. Д.И. Менделеев (1834 – 1907 г.) в своей работе «О сопротивлении жидкости и воздухоплавании» в 1880г. привел важные выводы о наличии двух режимов движения жидкости (ламинарного и турбулентного). Далее Н.П. Петров (1836 – 1920) сформулировал закон внутреннего трения в жидкости. Н.Е. Жуковский (1847 – 1921 г.) разработал теорию гидравлического удара в водопроводных трубах, теорию движения наносов в реках и основополагающие предложения в области фильтрации. Труды академика Н.Н. Павловского (1884–1937 г.) в области равномер-ного и неравномерного движения, фильтрации через земляные плотины и под гидротехническими сооружениями явилась весьма большим вкладом в развитие гидравлики и послужили основой наряду с работами его учеников и последова-телей в СССР для создания инженерной гидравлики, широко используемой при расчетах в гидротехнике. настоящее время гидравлические исследования и расчеты вновь возводи- мых гидротехнических сооружений и объектов водохозяйственного и мелиоратив-127 ного строительства проводятся во многих научно-исследовательских и учебных институтах. Гидравлика делится на: –гидростатику; –гидродинамику. Гидростатика изучает законы равновесия жидкостей. В качестве примера условие равновесия можно привести закон Архимеда: сила давления покоящейся жидкости на погруженное в неё тело - архимедова сила – равна весу жидкости ρgW в объеме, вытесненном телом, направлена по вертикали вверх и приложена в центре тяжести этого объема. Гидродинамика изучает законы движения жидкости, например: ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости, число Рейнольдса. При исследовании гидравлических явлений и расчетах в гидравлике применяют аналитический и экспериментальный методы. В аналитическом методе применяют уравнения механики и получают уравнения движения и равновесия жидкости, устанавливающие зависимости между кинематическими и динамическими характеристиками движущейся жидкости. Применение моделей вносит погрешности в результаты аналитических исследований, которые оцениваются экспериментальным путем. Экспериментальные исследования в гидравлике имеют важное значение. Изучение гидравлических явлений на моделях, созданных на основе теории подобия с применением определенных методик моделирования, позволяет получить данные о параметрах, которыми будет характеризоваться явление в натурных условиях. Экспериментальные исследования позволяют в необходи-мых случаях уточнить результаты, полученные в аналитических расчетах, при принятии тех или иных допущений. 4.2. ЖИДКОСТИ И ИХ ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Все вещества в природе имеют молекулярное строение. По характеру молекулярных движений, а также по численным значениям межмолекулярных 128 сил жидкости занимают промежуточное положение между газами и твердыми телами. Свойства жидкостей при высоких температурах и низких давлениях ближе к свойствам газов, а при низких температурах и высоких давлениях – к свойствам твердых тел. газах расстояния между молекулами больше, а межмолекулярные силы меньше, чем в жидкостях и твердых телах, поэтому газы отличаются от жидкостей и твердых тел большей сжимаемостью. По сравнению с газами жидкости и твердые тела малосжимаемы. Молекулы жидкости находятся в непрерывном хаотичном тепловом движении, отличающемся от хаотичного теплового движения газов и твердых тел: в жидкостях это движение осуществляется в виде колебаний (1013колебаний в секунду) относительно мгновенных центров и скачкообразных переходов от одного центра к другому. Тепловое движение молекул твердых тел – колебания относительно стабильных центров. Тепловое движение молекул газа – непрерывные скачкообразные перемены мест. Диффузия молекул жидкостей и газов обусловливает их общее свойство – текучесть. Поэтому термин «жидкость» применяют для обозначения и собственно жидкости (несжимаемая или весьма мало сжимаемая, капельная жидкость), и газа ( сжимаемая жидкость). гидравлике рассматриваются равновесие и движение капельных жидкостей. Капельное жидкое состояние – такое состояние, при котором плотность жидкости ρ почти не зависит от давления Р и температуры t . Гипотеза сплошности. Жидкость рассматривается как деформируемая система материальных частиц, непрерывно заполняющих пространство, в котором она движется. Жидкая частица представляет собой бесконечно малый объем, в котором находится достаточно много молекул жидкости. Например, если рассмотреть кубик воды со сторонами размером 0,001 см., то в объеме будет находиться 3,3·1013 молекул. Частица жидкости полагается достаточно малой по сравнению с размерами области, занятой движущейся жидкостью. При таком предположении жидкость в целом рассматривается как континуум – сплошная 129 среда, непрерывно заполняющая пространство, т.е. принимается, что в жидкости нет пустот или разрывов, все характеристики жидкости являются непрерывными функциями, имеющими непрерывные частные производные по всем своим аргументам. Сплошная среда представляет собой модель, которая успешно используется при исследовании закономерностей покоя и движения жидкости. Правомерность применения модели жидкость – сплошная среда подтверждена всей практикой гидравлики. Плотность жидкости. Плотность однородной жидкости равна отношению массы М жидкости к ее объему W :
Плотность ρ во всех точках однородной жидкости одинакова. Единица плотности (плотности массы ) в системе СИ принята кг/м3. Удельный вес γ однородной жидкости определяется как отношение веса G жидкости к ее объему W:
Учитывая, что G = Mg, получим зависимость, используемую в расчетах:
В системе СИ единица удельного веса принята Н/м3. Отметим, что значение ускорения свободного падения g изменяется от 9,831 м/с2 (на полюсе) до 9,781 м/с2 (на экваторе). Плотность жидкостей и газов зависит от температуры и давления. Все жидкости, кроме воды, характеризуются уменьшением плотности с ростом температуры. Плотность воды максимальна при t=4оС и уменьшается при понижении температуры до 0оС. Поэтому лед всплывает. А вода, как известно, при любой температуре всегда находится внизу. Плотность морской воды при t= 0оС равна 1020 – 1030, нефти и нефте-продуктов – 650 - 900, чистой ртути – 13596 кг/м3. 130 При изменении давления плотность жидкостей изменяется незначительно. Для условий работы гидротехнических сооружений плотность воды можно считать постоянной, ρ = 1000 кг/м3. Сравните: плотность воздуха при t= 0оС и атмосферном давлении равна 1,29 кг/м3. Температура, при которой плотность воды максимальная, с увеличением давления уменьшается. Так, при давлении 14 МПа вода имеет максимальную плотность при 0,6оС. Сжимаемость – свойство жидкостей изменять объем при изменении давления – характеризуется коэффициентом объемного сжатия (сжимаемости) βw, Па-1, представляющим относительное изменение объема жидкости W , м3, при изменении давления р, Па, на единицу:
Коэффициент объемного сжатия βw определяет также относительное изменение плотности жидкости при изменении давления на единицу. Сжимаемость воды весьма незначительна. При увеличении давления на 9,81 МПа объем воды уменьшается на 1/20000 первоначального объема. В то же время сжимаемость воды примерно в 100 раз больше сжимаемости стали. Условия работы гидротехнических сооружений позволяют считать воду несжимаемой средой. Но не следует забывать, что такое допущение правомерно лишь в тех случаях, когда изменения давления невелики. Так, сжимаемость воды существенно сказывается на положении уровня водной поверхности 131 Мирового океана. Если бы вода была абсолютно несжимаема, то отметки уровня воды в океанах поднялись бы примерно на 30 м. практике эксплуатации гидравлических систем имеются случаи, когда вследствие действия того или иного возмущения (например, резкого закрытия или открытия запорного устройства в трубопроводе) в жидкости значительно изменялось давление. В таких случаях пренебрежение сжимаемостью приводит существенным погрешностям. Температурное расширение – свойство жидкостей изменять объем при изменении температуры – характеризуется температурным коэффициентом объемного расширения, представляющим относительное изменение объема жидкости при изменении температуры на единицу (на 1оС) и при постоянном давлении:
Для большинства жидкостей коэффициент βt с увеличением давления уменьшается. Для воды с увеличением давления при температуре до 50оС βt растет, а при температуре выше 50оС уменьшается. Вязкость - свойство жидкости оказывать сопротивление относительному сдвигу ее слоев. Вязкость проявляется в том, что при относительном перемещении слоев жидкости на поверхностях их соприкосновения возникают силы сопротивления сдвигу, называемые силами внутреннего трения, или силами вязкости. Благодаря этим силам медленнее движущийся слой жидкости «тормозит» соседний слой, движущийся быстрее, и наоборот. Силы внутреннего трения появляются вследствие наличия межмолекулярных связей между движущимися слоями. Силы внутреннего трения в жидкости впервые были обнаружены Ньютоном. Он установил пропорциональность между силой внутреннего трения, площадью соприкосновения слоев и относительной скоростью перемещения слоев. 132 Растворение газов. Все жидкости в той или иной мере поглащают и растворяют газы. Согласно закону Генри – Дальтона при давлениях до 30 МПа постоянной температуре относительный объем Wг/Wж растворенного газа равен постоянной величине Kр , называемой коэффициентом растворимости. Коэффициент растворимости зависит от температуры. Кипение – процесс перехода жидкости в газообразное состояние, происходящий внутри жидкости. Жидкость можно довести до кипения повышением температуры до значений, больших температуры кипения при данном давлении, или понижением давления до значений, меньших давления насыщенных паров рн.п жидкости при данной температуре. Обычно при понижении давления до давления насыщенных паров жидкости (при данной температуре) в жидкости образуются пузырьки, заполненные парами жидкости или газами, выделившимися из жидкости, т.е. происходит так называемое «холодное кипение». При нормальном атмосферном давлении (р=760 мм рт. столба) вода кипит при температуре 100оС, но при изменении давления температура кипения также будет меняться. Поверхностное натяжение. Известно, что молекулы жидкости, находящиеся на границе с газом, твердым телом или между двумя несмешивающимися жидкостями, испытывают со стороны остальных молекул жидкости не уравновешенное извне воздействие. Под влиянием этого воздействия поверхность жидкости стремится принять форму, соответствующую наименьшей площади. Малые массы жидкости в воздухе стремятся к шарообразной форме, образуя капли. Чтобы увеличить поверхность жидкости, необходимо частЬ внутренних молекул вывести на поверхность, для чего придется совершить работу. Это можно представить как наличие сопротивления граничной поверхности жидкости растяжению и считать, что по поверхности распределены силы, препятствующие растяжению. Эти силы действуют по касательным к поверхности направлениям и называются силами поверхностного натяжения. 133 Добавка в жидкость поверхностно-активных веществ (ПАВ)может заметно уменьшить поверхностное натяжение. Влияние поверхностного натяжения необходимо учитывать при изучении потоков с малой глубиной, при захвате окружающего воздуха движущейся жидкостью (аэрация жидкости), в капиллярах и т.д. трубках малого диаметра (капиллярах) наблюдается искривление свободной поверхности, граничащей с газом или с парами этой же жидкости. Если поверхность трубки смачивается, свободная поверхность жидкости в капилляре вогнутая. Если нет смачивания, свободная поверхность выпуклая. В этих случаях силы поверхностного натяжения обусловливаются дополнительные напряжения в жидкости. Поднятие воды в капиллярах в почве и грунтах является важным фактором в распространении воды. Высота капиллярного поднятия в грунтах изменяется от нуля (галечники) почти до 5 м (глины). При этом с увеличением минерализации воды высота капиллярного поднятия увеличивается. Поверхностное натяжение и капиллярные эффекты определяют закономерности движения жидкости в условиях невесомости. Особые свойства воды. Вода обладает чрезвычайно большой теплоемкостью, например, в 10 раз большей, чем железо, в 33 раза большей, чем ртуть, в 3,3 раза большей, чем спирт и глицерин, и т.д. Вода обладает очень высокой теплотой испарения и скрытой теплотой плавления. Например, теплота испарения воды в 8 раз, а скрытая теплота плавле-ния в 27 раз больше, чем теплота спирта. При атмосферном давлении для пере-хода воды в пар из окружающей среды требуется в 6,75 раза больше теплоты, чем при плавлении льда при том же давлении. При конденсации влаги (образовании тумана) выделяется значительное количество теплоты. Это используется в установках, создающих искусственный туман; такие установки помимо орошения могут использоваться для предохранения растений от заморозков. Электропроводность сухого льда и снега гораздо меньше электропроводности воды, причем электропроводность воды сильно зависит от 134 наличия примесей, а на электропроводность льда они влияют очень мало. Электропроводность воды, естественно, зависит от количества растворенных в ней солей. Поэтому электропроводность морской воды на 2-3 порядка больше, чем электропроводность пресной речной воды, а по сравнению с химически чистой водой при 18оС – примерно в 12 раз. Вода является сильным растворителем. Эта способность воды характе-ризуется относительной диэлектрической проницаемостью, которая довольно высока и при 0о С составляет около 87. С ростом же температуры она уменьшается и достигает 55,7 при 100о С. Таким образом, по сравнению с воздухом и водяным паром, диэлектрическая проницаемость которых равна 1, эта характеристика для воды гораздо больше (для льда она равна 3,2 ). связи с наличием в воде растворенного воздуха, богатого кислородом, и ряда агрессивных компонентов вода воздействует на материалы, из которых возведены сооружения. При этом может происходить коррозия. Растворенные воде соли И взвешенные в ней твердые частицы могут привести к «зарОстанию» стенок, например, трубопроводов, вследствие чего пропускная способность таких труб может существенно уменьшиться. Контрольные вопросы Дайте определение технической механики (гидравлике). Область применения гидравлики. Какие методы применяют в гидравлике. Перечислите и дайте характеристику основным физическим свойствам жидкости. Назовите особые свойства воды. 135 ЛЕКЦИЯ 5. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ И ТЕПЛОПЕРЕДАЧЕ 5.1. ВВЕДЕНИЕ Теплотехника — область науки и техники, занимающаяся вопросами использования тепла. Различают два вида использования: энергетическое и технологическое. Энергетическое использование тепла основывается на процессах, преоб-разующих тепло в механическую работу. Эти процессы изучаются технической термодинамикой. Энергетические устройства, в которых осуществляется преоб-разование тепла в работу, называют тепловыми двигателями. Технологическое использование тепла основывается на реализации тепла непосредственно для процессов нагревания (или охлаждения) при осуществлении различных технологических процессов. К устройствам, в которых непосред-ственный подход или отвод тепла используется для технологических целей, относятся различные печи, сушилки, отопительные приборы, калориферы и т. д. Наука, изучающая закономерности теплообмена между телами, на-зывается теорией теплопередачи. Техническая термодинамика и теория тепло-передачи составляют теоретическую часть теплотехнической науки. XVIII и XIX вв. в результате систематических исследований, проводимых русскими учеными, а также учеными западноевропейских стран и Америки, накапливались научные данные, способствовавшие развитию теплотехники как науки. Русские ученые были и есть пионеры в решении многих важнейших проблем теплотехники. При решении вопросов современного строительства зданий видное место отводится строительной теплотехнике. В СССР пионером в создании строительной теплотехники является проф. В. Д. Мачинский. Его книга «Теплотехнические основы гражданского строительства» (1925г.) была первым фундаментальным трудом в этой области. Технической термодинамикой называется наука о свойствах тепловой энергии и законах взаимопреобразования тепловой и механической энергии. Техническая термодинамика положена в основу изучения и усовершенствова-ния всех тепловых двигателей. Как известно из практики, во взаимопреоб-разовании тепловой и механической энергии участвует рабочее тело, в роли 136 которого, как правило, выступают газообразные тела — газы и пары. Использование в качестве рабочего тела газов и паров объясняется тем, что они, обладая большим коэффициентом теплового расширения, могут при нагревании совершать гораздо большую работу, чем жидкости и твердые тела. термодинамике введено два понятия о газе. Газы, молекулы которых обладают силами взаимодействия и имеют конечные, хотя и весьма малые геометрические размеры, называются реальными газами. Газы, молекулы которых не обладают силами взаимодействия, а сами молекулы представляют собой материальные точки с ничтожно малыми объемами, называются идеальными газами.Понятие об идеальном газе введено для упрощения изучениятермодинамических процессов и получения более простых расчетных формул. Водяной пар рассматривают как реальный газ, к которому нельзя применять законы, установленные для идеальных газов. Все реальные газы являются парами тех или иных жидкостей; при этом чем ближе газ к переходу в жидкое состояние, тем больше его свойства отклоняются от свойств идеального газа. 5.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ ГАЗА И ИХ ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ основным параметрам состояния газов относятся: давление, абсолют-ная температура и удельный объем. Давление. Давлением вообще называется сила, действующая на единицу площади поверхности тела перпендикулярно последней. Давление газа есть средний результат силового воздействия громадного числа молекул газа на внутреннюю поверхность сосуда, в котором заключен газ. Молекулы газа, находясь все время в движении, ударяются о поверхность сосуда и тем самым «давят» на его стенки. В технике различают абсолютное давление Рабс, избыточное давление Ризб разрежение (вакуум) Рв. Под абсолютным давлением подразумевается полное давление, под которым находится газ. Под избыточным давлением понимают разность между абсолютным давлением, большим, чем атмосферное, и атмосферным давлением. Разрежение (вакуум) характеризуется разностью между атмосферным давлением абсолютным давлением, меньшим, чем атмосферное. 137 Температура — параметр, характеризующий тепловое состояние тела. Температура тела определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой. Для измерения температур принята стоградусная шкала (ГОСТ 8550—61) и абсолютная термодинамическая шкала Кельвина. В стоградусной шкале при рб= 101,325 кПа (760 мм рт. ст.) за 0° принимается температура таяния льда, а за 100° С — температура кипения воды. Градус этой шкалы обозначается через ° С. абсолютной термодинамической шкале Кельвина за нуль принято состоя-ние тела, при котором тепловое движение молекул теоретически отсутствует. Из физики известно, что такое состояние наступает при температуре на 273,16° (273° С) ниже 0° С. Величина градуса по шкале Кельвина принимается равной градусу по стоградусной шкале: 1о К= 1° С, следовательно: Т = t Связь между указанными шкалами устанавливается следующим соотношением: То К = tо С+273о Удельный объем. Молекулярно-кинетическая теория устанавливает понятие объема, занимаемого газом, как пространства, в котором пере-мещаются его молекулы. Объем газа измеряется в кубических метрах. Количество газа определяется его массой, выраженной в килограммах.
является плотностью, представляющей собой количество вещества, заключен-ного в 1 м3, т. е. массу единицы объема. Кроме рассмотренных основных параметров газа существуют и другие параметры состояния: энтропия S, внутренняя энергия U и энтальпия i Эти параметры будут рассмотрены дальше. 5.3. ТЕПЛОЕМКОСТЬ, КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛА Теплоемкостью тела называется количество тепла, необходимое для нагрева тела на 1° С. 138 Рис. 5.1 - Схема, поясняющая понятие «энтальпия газа» Теплоемкость измеряется энергетическими единицами — джоулем (Дж) на градус стоградусной шкалы температур. В технических расчетах чаще применяется более крупная единица— килоджоуль (кДж). Если теплоемкость относят к какой-либо единице количества вещества (кг, нм3, кмоль), то такая теплоемкость называется удельной и ее единица соответственно будет кДж/(кгК ), кДж/(нм3К ), кДж/(кмольК ). 5.4. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА технической термодинамике под величиной внутренней энергии понимают запас .энергии в теле, обусловленный тепловым (хаотическим) движением молекул. Таким образом, внутренняя энергия зависит от интенсивности поступательного и вращательного движения молекул, внутримолекулярных колебательных движений атомов молекул и от взаимного расположения (взаимодействия) молекул. Кинетическая энергия поступательного и вращательного движения молекул, также энергия внутримолекулярных колебательных движений атомов, как это доказывается в кинетической теории вещества, зависят только от температуры. Если принять, что влияние сил взаимодействия между молекулами равно нулю, т.е. рассматривать идеальный газ, то величина внутренней энергии
где u — внутренняя энергия 1 кг массы газа 5.5. ЭНТАЛЬПИЯ ГАЗА  Понятию «энтальпия» можно дать следующее пояснение. Пусть в цилиндре под поршнем (рис. 5.1) находится 1 кг газа. На поршень сверху положен груз G, уравновешивающий давление газа р. Очевидно, что G=рf, где f — площадь поршня. Вся система находится в равновесии. В этом случае энергия системы (1 кг газа и
Gh — потенциальная энергия груза, поднятого на высоту h. Так как fh=v, т.е. объему 1кг газа в цилиндре, то полная энергия системы равна и+рV, т. е. величине энтальпии газа 139 5.6. ПРОЦЕССЫ ИЗМЕНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ термодинамике вначале рассматривают так называемые основные процессы изменения состояния идеального газа. Таких процессов четыре: изохорный (протекающий при постоянном объеме); изобарный (протекающий при постоянном давлении); изотермический (протекающий при постоянной температуре); адиабатный (протекающий без теплообмена с окружающей средой). Затем рассматривают обобщающий процесс (политропный), по отношению к которому перечисленные процессы являются частными случаями. Рассмотренным процессам придают математическое выражение и отображают их графически, определяя количество участвующего тепла, величину совершенной работы и изменение внутренней энергии, а также выявляют связь между параметрами состояния газа в начале и в конце процесса. 5.7. СУЩНОСТЬ ФОРМУЛИРОВОК ПЕРВОГО И ВТОРОГО ЗАКОНОВ ТЕРМОДИНАМИКИ Первый закон термодинамики определяет количественные соотношения в процессе взаимопревращения тепловой и механической энергии, но не устанавливает условий, при которых такое взаимопревращение возможно. Условия, необходимые для превращения тепла в механическую энергию, раскрываются вторым законом термодинамики, который представляет собой, таким образом, очень важное дополнение к первому закону термодинамики. В основу современного учения о термодинамике положены оба эти закона. Имеется целый ряд формулировок закона термодинамики, выражающих определенное свойство тепловой энергии в разных формах. Приводим две характерные формулировки. Тепло само собой переходит лишь от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, но никогда наоборот; некомпенсированный переход тепла от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой невозможен (Клаузиус). Нельзя осуществить тепловой двигатель, единственным результатом действия которого было бы превращение тепла какого-либо тела в работу без того, чтобы часть тепла не передавалась другим телам (Томсон). 140 Рис 5.2 - Схема дросселирования пара или газа в трубопроводе 5.8. ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ПАРА ИЛИ ГАЗА  Резкое сужение в трубопроводе (дроссель-клапан, заслонка, калиброван-ная шайба и т. п.) снижает давление пара или газа при прохождении их через это сужение; давление пара или газа р2 за местом сужения всегда меньше давления р1 перед сужением (рис. 5.2). Потеря давления р1— р2 тем больше, чем больше сужение. Такое понижение давления называется дросселированием (а также мятием или редуцированием). дросселированием на практике приходится встречаться очень часто. Любой вентиль, кран или задвижка, установленные в трубопроводе, при неполном их открытии тоже вызывают дросселирование пара или газа и, следовательно, падение давления. Дросселированием пара или газа широко пользуются в различных теплогазо-потребляющих системах, которые снабжены для этой цели специально сконструированными клапанами. 5.9. ПОРШНЕВЫЕ ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Поршневые двигатели внутреннего сгорания классифицируют по следующим основным признакам: –по способу осуществления рабочего цикла - четырехтактные, двухтактные; –по способу смесеобразования и воспламенения рабочей смеси — с внешним смесеобразованием и воспламенением топлива от искры (карбюраторные, газовые); с внутренним смесеобразованием и воспламенением топлива от сжатия (дизели бескомпрессорные и компрессорные); –по роду топлива — работающие на газообразном топливе, работающие на жидком топливе; –по назначению — стационарные, передвижные, автотракторные, авиацион-ные, судовые, для железнодорожного транспорта; –по конструктивному исполнению — с вертикальным расположением цилиндров, с горизонтальным расположением цилиндров, с расположением цилиндров под углом (V-образные, W-образные, звездообразные, с оппозитивным расположе- ниемцилиндров). 141 5.10. КОМПРЕССОРЫ Компрессором называется машина, предназначенная для сжатия и перемещения воздуха, газов и паров. Выпускаемые промышленностью компрессоры различаются по следую- щим основным признакам: 1) по создаваемому давлению — низкого давления pизб = 0,2—1 МПа; среднего давления ризб = 1—10 МПа; высокого давления ризб = 10—100 МПа; пределы давления даны для воздуха; по принципу работы — объемные (поршневые, ротационные, зубчатые), лопастные (центробежные, осевые), струйные; по роду сжимаемого газа — воздушные, газовые (кислородные, фреоновые и др.) и паровые; по расположению оси цилиндра — горизонтальные, вертикальные, U-образные, W-образные; по числу ступеней — одноступенчатые, двухступенчатые, многоступенчатые; по числу цилиндров — одноцилиндровые, двухцилиндровые, многоцилиндровые; по способу охлаждения цилиндров и промежуточных холодильников — с воздушным охлаждением (небольшие передвижные компрессоры), с водяным охлаждением (стационарные компрессоры); по способу установки — стационарные и передвижные. Контрольные вопросы Дайте определение теплотехники. Какие процессы изучаются технической термодинамикой. Что такое техническая термодинамика. Раскройте сущность энергетического и технологического использования тепла. Перечислите и охарактеризуйте основные параметры состояния газа. Что такое теплоёмкость. Какие основные процессы изменения состояния идеального газа. Что такое дросселирование пара или газа. Принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Что такое компрессор. 142 ЛЕКЦИЯ 6. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА 6.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Теория теплообмена — это наука о процессах переноса тепла. С теплооб-меном связаны многие явления, наблюдаемые в природе и технике. Ряд важных вопросов проектирования и строительства зданий и сооружений решается на осно-ве теории теплообмена или некоторых ее положений. Знание закона теплообмена позволяет инженеру-строителю увязать толщину и материал ограждающих кон-струкций с отопительными устройствами, разработать новые строительные материалы и конструкции, более экономичные и способные надежно защищать человека от холода, решить и другие вопросы, которые возникают в процессе развития строительной техники. 6.2. ВИДЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛА Теплообмен представляет собой сложный процесс, который можно рас-членить на ряд простых процессов. Различают три элементарных принципиально отличных один от другого процесса теплообмена — теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. Процесс теплопроводности происходит при непосредственном соприкос-новении (соударении) частиц вещества (молекул, атомов и свободных электронов), сопровождающемся обменом энергии и их теплового движения. Такой процесс теплообмена может происходить в любых телах, но механизм переноса тепла зависит от агрегатного состояния тела. Теплопроводность жидких и в особенности газообразных тел незначительна. Твердые тела обладают различной теплопроводностью. Тела с малой тепло-проводностью называют теплоизоляционными. Процесс конвекции происходит лишь в жидкостях и газах и представляет собой перенос тепла в результате перемещения и перемешивания частиц жидкости или газа. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Если перемещение частиц жидкости или газа обусловливается разностью их плотностей, то такое перемещение называют естественной конвекцией. При естественной конвекции нагретые объемы теплоносителя поднимаются, охладившиеся — опускаются. Например, отопительный прибор системы цен- 143 трального отопления соприкасается с воздухом, который получает от него тепло и поднимается, уступая место более холодному воздуху. Таким образом, тепло вместе с воздухом передается от прибора в другие части помещения. Если жидкость или газ перемещается с помощью насоса, вентилятора, эжектора и других устройств, то такое перемещение называют вынужденной конвекцией. Теплообмен происходит в этом случае значительно интенсивнее, чем при естественной конвекции. Процесс теплового излучения состоит в переносе тепла от одного тела к другому электромагнитными волнами, возникающими в результате сложных молекулярных и атомных возмущений. Лучистая энергия возникает в телах за счет других видов энергии, главным образом тепловой. Электромагнитные волны распространяются от поверхности тела во все стороны. Встречая на своем пути другие тела, лучистая энергия может ими частично поглощаться, превращаясь снова в теплоту (повышая их температуру). Теплообмен излучением может происходить между телами, находящимися на больших расстояниях друг от друга. Отличным примером этого явления служит излучение Солнца на Землю. технике теплообмен излучением имеет место в котлах, в системе отопления зданий, в сушильных агрегатах и т.п. При высоких температурах теплообмен излучением преобладает над остальными видами теплообмена и имеет в связи с этим важное значение. При изучении отдельных видов теплообмена используют следующие общие понятия и определения. Перенос тепла от одного тела к другому, а также между частицами данного тела происходит только при наличии разности температур и направлен всегда в сторону более низкой температуры. 6.3. ЗАКОН ФУРЬЕ И КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ Закон Фурье (1822 г.) является основным законом теплопроводности. Коэффициент теплопроводности является важной теплофизической характеристикой вещества: чем больше λ, тем большей теплопроводностью обладает вещество. Коэффициент теплопроводности зависит от природы вещества, его структуры, влажности, наличия примесей, температуры и других 144 факторов. В практических расчетах коэффициент теплопроводности строительных материалов следует принимать по СНиПу. 6.4. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА теплотехнике часто тепловой поток от одной жидкости (или газа) к другой передается через стенку. Такой суммарный процесс теплообмена, в котором теплоотдача соприкосновением является необходимой составной частью, называется теплопередачей. Расчетные уравнения теплопередачи зависят от формы стенки, разделяющей теплоносители 6.5. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому. В качестве теплоносителей в них используют пар, горячую воду, дымовые газы и другие тела. По принципу действия и конструктивному оформлению теплообмен-ники разделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные. рекуперативных теплообменниках теплопередача от греющего тепло-носителя к нагреваемому происходит через разделяющую их твердую стенку, например стенку трубы. Процесс теплообмена в них протекает обычно при стационарном режиме. зависимости от взаимного направления движения теплоносителей теплообменники этого типа подразделяются на противоточные, прямоточные и перекрестные. Если теплоносители движутся навстречу друг к другу, то такие теплообменники называются противоточными; при движении теплоносителей в одном направлении — прямоточными; наконец, если теплоносители движутся перекрестном направлении — перекрестными. Встречаются и более сложные схемы взаимного направления движения теплоносителей. К числу рекуперативных теплообменников относятся паровые котлы, водонагреватели, приборы системы центрального отопления и др. Пример рекуперативного теплообменника — противоточный скоростной водонагрева-тель, применяемый в системах отопления. В нем нагреваемая вода проходит в межтрубном пространстве, а нагревающая — по трубам. 145 регенеративных теплообменниках процесс теплообмена происходит в условиях нестационарного режима. В этих теплообменниках поверхность нагрева представляет собой специальную насадку из кирпича, металла или другого материала, которая сначала аккумулирует тепло, а затем отдает его нагреваемому теплоносителю. По такому принципу работают, например, регенераторы стеклоплавильных печей. Отопительные печи также относятся к группе регенеративных теплообменников. смесительных теплообменниках процесс теплообмена осуществляется при непосредственном соприкосновении и перемешивании теплоносителей. Примером такого теплообменника является башенный охладитель (градирня), предназначенный для охлаждения воды воздухом. Рекуперативные и регенеративные теплообменники называют поверх-ностными, поскольку теплопередача в них связана с поверхностью нагрева или охлаждения, а смесительные — контактными. Тепловые расчеты теплообменников разделяются на проектные и по-верочные. Проектные (конструктивные) тепловые расчеты выполняют при проектировании новых аппаратов для определения необходимой поверхности нагрева. Поверочные тепловые расчеты выполняют в том случае, если известна поверхность нагрева теплообменника и требуется определить количество переданного тепла и конечные температуры теплоносителей. Контрольные вопросы Что такое теория теплообмена. Для чего нужны знания законов теплообмена. Назовите три вида теплообмена. Сформулируйте закон Фурье. Что такое теплообменный аппарат. Какие бывают теплообменные аппараты. 146 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||