Краткий курс лекций. Курс лекций по дисциплине Теплотехника составлен в соответствии с рабочей программой дисциплины и предназначен для студентов направления подготовки 19. 03. 04
 Скачать 1.75 Mb.
|
1 1 .t k1 Из данного уравнения следует, что при одинаковых степенях сжатия КПД ГТУ равен КПД поршневого двигателя, но при существенно меньшем максимальном давлении цикла. КПД ГТУ больше КПД поршневого двигателя с подводом теплоты при р= соnst. Вопросы для самоконтроля Схема ГТУ, Принцип работы ГТУ. Показатели эффективности ГТУ. Термодинамический цикл ГТУ. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Основная 1. Федина, В.В. Техническая термодинамика [Текст]: учебное пособие/ В.В. Федина, А.С. Тимофеева, Т.В. Никитченко.– Старый Оскол: ТНТ, 2015. – 144 с. Дополнительная Круглов, Г.А. Теплотехника [Текст]: учебное пособие / Г.А. Круглов, Р.И. Булгакова, Е.С. Круглова. — СПб.: Издательство «Лань», 2010. — 208 с.: ил. – ISBN 978-5-8114-1017-0. Баскаков,А.П.Теплотехника [Текст]: учебник для нетеплоэнергетических вузов (переработанный и дополненный) / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт, Ю.В. Кузнецов, Н.Ф. Филипповский. – М.: Издательский Дом «Бастет», 2010. – 328 с. Кирюшатов, А.И. Теплотехника [Текст]: курс лекций для студентов специальностей 311300, 311400, 311500, 230100 / А.И. Кирюшатов. – Саратов: Сарат. гос. агр. ун-т. им. Н.И. Вавилова, 2001. – 196с. – ISBN 5-7011-0285-8. Лекция 13 ПАРОСИЛОВЫЕ УСТАНОВКИ. ЦИКЛ РЕНКИНА. Назначение ПСУ. Паросиловые установки (ПСУ) работают по прямому циклу и служат для получения электрической энергии за счет совершения работы в паровой турбине при расширении пара. Рабочим телом в ПСУ является пар, обычно водяной, который образуется при нагревании жидкости в паровом котле, установленном в топке. Цикл Ренкина. Идеальными циклами паровых машин являются цикл Карно и цикл Ренкина.  Рисунок 13.1. Цикл Карно для паровой машины в р-υ–координатах. На рисунке 13.1 представлен цикл Карно для паровой машины. Процесс (1–2) изотермно-изобарный процесс парообразования с теплотой r1, температурой Т1и давлением р1= const. В точке 1 степень сухости x0= 0, в точке 2степень сухости x2= 1. Процесс (2 – 3) – адиабатное расширение, в точке 3 степень сухости x3. Процесс (3 – 4) – изобарно-изотермический процесс сжатия влажного пара с отводом теплоты r2, т.е. конденсация пара. Процесс (4–1) – адиабатное сжатие парожидкостной смеси. В точке 4 степень сухость x1. Определив значение полезной теплоты из Т-s– диаграммы найдем значение термического КПД цикла q1 q2 1 q2 r1 (x1 x0 ) r2 (x2 x3 ) T1 T2 1 T2 . t q q r(x x) T T 1 1 1 1 0 1 1 За основу теоретического цикла ПСУ принимается цикл Ренкина. Цикл Ренкина отличается от цикла Карно для насыщенного пара следующим: полной конденсацией отработанного пара, что позволяет вместо громоздкого энергоемкого компрессора применить компактный экономичный насос, а также использованием перегретого пара, что обеспечивает более высокий термический КПД паросиловых установок.  Рисунок 13.2. Цикл Ренкина в р-υ– координатах Рассмотрим цикл Ренкина (рисунок 13.2) в . р-υ– координатах. В паровом котле 1 вода при постоянном давлении нагревается до температуры насыщения (кипения tн) (линия 4 – 5), затем в результате подвода теплоты r происходит изобарно-изотермический процесс парообразования (линия 5 – 6). В пароперегревателе 2 происходит перегрев пара (изобарный процесс 6 – 1) – повышение температуры пара выше tн от состояния сухого насыщенного пара (точка 6) до заданной температуры нагрева (точка 1). В паровой турбине 3 пар расширяется адиабатно (лини 1 – 2) от давления пара р1 до давления р2 в конденсаторе. Допустимая степень сухости отработанного пара (точка 2) должна быть не менее 0,88. В конденсаторе 4 при постоянных давлении и температуре этот пар полностью конденсируется (х2=0), отдавая теплоту охлаждающей воде. Далее конденсат насосом 5 изохорно (в виду несжимаемости воды) перекачивается в паровой котел (линия 3 – 4). Термический КПД цикла t lц h1 h2 , q1 h1 h3 Вопросы для самоконтроля ПСУ на насыщенном водяном паре, теоретическая основа (p-υ-диаграмма), Показатели эффективности ПСУ на насыщенном водяном паре и принцип ее работы. ПСУ на перегретом водяном паре, теоретическая основа (p-υ-диаграмма цикла Ренкина). Показатели эффективности ПСУ на перегретом водяном паре и принцип ее работы. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Основная 1. Федина,В.В.Техническая термодинамика [Текст]: учебное пособие/ В.В. Федина, А.С. Тимофеева, Т.В. Никитченко.– Старый Оскол: ТНТ, 2015. – 144 с. Дополнительная Круглов, Г.А. Теплотехника [Текст]: учебное пособие / Г.А. Круглов, Р.И. Булгакова, Е.С. Круглова. — СПб.: Издательство «Лань», 2010. — 208 с.: ил. – ISBN 978-5-8114-1017-0. Баскаков,А.П.Теплотехника [Текст]: учебник для нетеплоэнергетических вузов (переработанный и дополненный) / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт, Ю.В. Кузнецов, Н.Ф. Филипповский. – М.: Издательский Дом «Бастет», 2010. – 328 с. Кирюшатов, А.И. Теплотехника [Текст]: курс лекций для студентов специальностей 311300, 311400, 311500, 230100 / А.И. Кирюшатов. – Саратов: Сарат. гос. агр. ун-т. им. Н.И. Вавилова, 2001. – 196с. – ISBN 5-7011-0285-8. Лекция 14 ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК. Схема, принцип действия парокомперссорной холодильной установки. На рисунке 14.1 дана схема парокомпрессорнойхолодильнойустановки.  Рисунок 14.1. Схема парокомпрессорной холодильной установки:1– компрессор; 2– конденсатор; 3– редукционный вентиль; 4– испаритель. Компрессор 1, засасывает пары хладагента из испарителя 4, при температуре – 10 °С (для аммиака) и в состоянии, близком к сухому насыщенному пару, сжимает их адиабатно, а затем нагнетает в конденсатор 2. В конденсаторе пары конденсируются в жидкость с температурой + 20 °С. Охлаждающая вода конденсатора нагревается при этом за счет теплоты парообразования хладагента, а далее хладагент поступает в редукционный вентиль 3, где происходит дросселирование (адиабатное расширение), сопровождающееся падением давления и температуры. После дросселирования парожидкостная смесь поступает в испаритель 4. В зависимости от величины открытия вентиля 3 устанавливается более высокая или более низкая температура хладагента. Хладагент испаряется и с паросодержанием, близким к сухому насыщенному пару, снова поступает в компрессор 1. Идеальный цикл парокомперссорной холодильной установки.  Рисунок 14.2. Цикл парокомпрессорной холодильной установки в р-υ – координатах. Цикл парокомпрессорной холодильной установки состоит из четырех процессов (рисунок 14.2): (1 – 2) – адиабатное сжатие; (2 – 3) – изобрано-изотермная конденсация с отводом теплоты q1; (3 – 4) – адиабатное дросселирование при h = const; (4 – 1) – изобарно-изотермное испарение хладагента с подводом теплоты q0. Степень совершенства цикла парокомпрессорной холодильной установки оценивается холодильным коэффициентом q0 lц q0 q1 q0 T0 . T1 T0 Вопросы для самоконтроля Цикл (p-υ) парокомпрессорной холодильной установки. Схема парокомпрессорной холодильной установки. Холодильный коэффициент. Холодильный коэффициент парокомпрессорной холодильной установки. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Основная Федина,В.В.Техническая термодинамика [Текст]: учебное пособие/ В.В. Федина, А.С. Тимофеева, Т.В. Никитченко.– Старый Оскол: ТНТ, 2015. – 144 с. Шатров,М.Г.Теплотехника [Текст]: учебник для студ. высш. учеб. заведений/ М.Г. Шатров, И.Е. Иванов, С.А. Пришвин и др.– 2-е изд., испр. – М.: Издательский центр «Академия», 2012. Дополнительная Круглов, Г.А. Теплотехника [Текст]: учебное пособие / Г.А. Круглов, Р.И. Булгакова, Е.С. Круглова. — СПб.: Издательство «Лань», 2010. — 208 с.: ил. – ISBN 978-5-8114-1017-0. Баскаков,А.П.Теплотехника [Текст]: учебник для нетеплоэнергетических вузов (переработанный и дополненный) / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт, Ю.В. Кузнецов, Н.Ф. Филипповский. – М.: Издательский Дом «Бастет», 2010. – 328 с. Лекция 15 ЦИКЛЫ ТЕПЛОНАСОСНЫХ УСТАНОВОК. Схема, принцип действия идеальной теплонаносной установки.  Рисунок 15.1. Принципиальная схема теплового насоса: 1– компрессор; 2 – конденсатор; 3 – редукционный вентиль; 4 – испаритель; 5 – насос первичного источника теплоты; 6– потребитель теплоты; 7– насос; 8– источник низкопотенциальной энергии (водоем, скважина, геотермальный источник). Принцип действия теплового насоса заключается в следующем (рисунок 15.1). Насосом 5через испаритель 4парокомпрессорной холодильной установки прокачивается вода из водоема 8, теплота которой идет на испарение хладагента. Далее хладагент поступает в компрессор 1, где в результате адиабатного сжатия ему сообщается теплота в количестве равном работе за цикл lц. Хладагент в виде перегретого пара с теплотой поступает в конденсатор 2, где он превращается в жидкость, отдавая свою теплоту теплоносителю, циркулирующему между конденсатором 2 и потребителем теплоты 6с помощью насоса 7. Термодинамический цикл идеальной теплонаносной установки.  Рисунок 15.2. Идеальный термодинамический цикл теплового насоса в Т-S – координатах. Идеальный термодинамический цикл теплового насоса скомбинирован из следующих процессов (рисунок 15.2): 1-2 – изоэнтропийное (адиабатное) сжатие влажного пара от давления в испарителе до давления в конденсаторе с повышением температуры от Ти до Тк за счет совершения работы сжатия в компрессоре; 2-3 – изобарно-изотермическая конденсация со снижением энтальпии в результате отвода теплоты qк от рабочего тела в конденсаторе; 3-4 – изоэнтропийное (при постоянной энтропии) расширение испаряющегося рабочего тела в дросселе до состояния ри, Ти со снижением энтальпии; 4-1 – изобарно-изотермическое испарение с повышением энтальпии в следствие подвода теплоты qи в испарителе. Вопросы для самоконтроля Тепловой насос. Схема, принцип действия. Цикл теплового насоса в T-S-диаграмме. Показатели его эффективности термодинамического цикла теплового насоса. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Основная Федина,В.В.Техническая термодинамика [Текст]: учебное пособие/ В.В. Федина, А.С. Тимофеева, Т.В. Никитченко.– Старый Оскол: ТНТ, 2015. – 144 с. Шатров,М.Г.Теплотехника [Текст]: учебник для студ. высш. учеб. заведений/ М.Г. Шатров, И.Е. Иванов, С.А. Пришвин и др.– 2-е изд., испр. – М.: Издательский центр «Академия», 2012. Дополнительная Круглов, Г.А. Теплотехника [Текст]: учебное пособие / Г.А. Круглов, Р.И. Булгакова, Е.С. Круглова. — СПб.: Издательство «Лань», 2010. — 208 с.: ил. – ISBN 978-5-8114-1017-0. Баскаков,А.П.Теплотехника [Текст]: учебник для нетеплоэнергетических вузов (переработанный и дополненный) / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт, Ю.В. Кузнецов, Н.Ф. Филипповский. – М.: Издательский Дом «Бастет», 2010. – 328 с. Лекция 16 ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОМАССОБМЕНА Основные понятия и определения. Теория тепломассообмена – это учение о процессах переноса и распространения теплоты и вещества, наблюдаемых в природе и технике. На основе этого учения решается ряд вопросов конструирования и создания машин и особенно силовых установок. Теплообмен – самопроизвольный необратимый процесс распространения теплоты в жидких, твердых и газообразных средах, или переноса теплоты от одной среды к другой. Теплообмен может происходить только при наличии разности температур, при этом если процесс происходит в одном теле, то теплота самопроизвольно переходит от точек с более высокой температурой к точкам с более низкой. При теплообмене между телами это положение сохраняется. Под температурнымполемпонимают совокупность мгновенных значений температур во всех точках изучаемого пространства. Математически уравнение температурного поля записывается следующим образом: t= f(x,y,z,τ). Температурное поле, которое изменяется во времени, называется нестационарным. Если температурное поле не изменяется во времени, то такое поле называется стационарным. Предел отношения изменения температуры Δt к расстоянию между изотермами по нормали Δn при условии, что Δn→0, называется температурным градиентом (К/м) (рис.16.1), то есть: 𝑙im t n t n gradt n0  Рисунок 16.1. Температурный градиент. Температурныйградиентесть вектор, за положительное направление которого принимается направление в сторону возрастания температуры. Количество тепла, переносимого в единицу времени называется тепловымпотоком Q. Тепловой поток, отнесённый к единице площади сечения или поверхности, называется удельнымтепловымпотоком, или тепловойнагрузкойсеченияили поверхности нагрева: q =Q, Fгде Q – тепловой поток, Вт; F – поверхность тела, м2; q – удельный тепловой поток, Вт/м2. Величина qявляется вектором, направление которого противоположно направлению вектора grad t, так как тепловая энергия самостоятельно распространяется всегда только в сторону убывания температуры. Способы распространения теплоты. Теплообмен является сложным процессом и включает (в зависимости от физической сущности, природы распространения теплоты) три способа переноса теплоты теплопроводность, конвективный теплообмен и теплообмен излучением. Теплопроводностьюназывается явление переноса теплоты путём непосредственного соприкосновения между частицами тела или между телами с различной температурой. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела. Конвекция– это явление переноса теплоты при перемещении объёмов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективнымтеплообменом. Тепловоеизлучение– это процесс распространения тепловой энергии путём электромагнитных волн. При этом происходит двойное превращение энергии – тепловая энергия излучающего тела переходит в лучистую, а лучистая энергия, поглощаясь теплом, переходит в тепловую. Теплообмен между теплоносителями через разделяющую их стенкой называют теплопередачей. Процесс теплопередачи, включает в себя перенос теплоты теплоотдачей и излучением от одной среды к поверхности стенки, теплопроводностью через стенку и снова теплоотдачей (и излучением) от противоположной поверхности стенки к другой среде. В природе и технике многие процессы переноса теплоты сопровождаются переносом вещества. Например, при испарении воды в воздух помимо теплообмена имеет место и перенос образовавшегося пара. В общем случае перенос пара осуществляется как молекулярным, так и конвективным способами. Совместный конвективный и молекулярный перенос массы называется конвективныммассообменом. Вопросы для самоконтроля Что называется теплообменом? Назовите известные вам виды теплообмена. Что называется теплопроводностью? Каков механизм переноса теплоты теплопроводностью? Что называется температурным полем? Какие виды температурных полей вам известны? Сформулируйте понятие температурного градиента. Что называется тепловым потоком, удельным тепловым потоком? Их обозначение, размерность, направление. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Основная Федина,В.В.Техническая термодинамика [Текст]: учебное пособие/ В.В. Федина, А.С. Тимофеева, Т.В. Никитченко.– Старый Оскол: ТНТ, 2015. – 144 с. Шатров,М.Г.Теплотехника [Текст]: учебник для студ. высш. учеб. заведений/ М.Г. Шатров, И.Е. Иванов, С.А. Пришвин и др.– 2-е изд., испр. – М.: Издательский центр «Академия», 2012. Дополнительная Круглов, Г.А. Теплотехника [Текст]: учебное пособие / Г.А. Круглов, Р.И. Булгакова, Е.С. Круглова. — СПб.: Издательство «Лань», 2010. — 208 с.: ил. – ISBN 978-5-8114-1017-0. Баскаков,А.П.Теплотехника [Текст]: учебник для нетеплоэнергетических вузов (переработанный и дополненный) / А.П. Баскаков, Б.В. Берг, О.К. Витт, Ю.В. Кузнецов, Н.Ф. Филипповский. – М.: Издательский Дом «Бастет», 2010. – 328 с. Кирюшатов,А.И.Тепломассообмен [Текст]: учебно-методическое пособие по изучению дисциплины «Тепломассообмен» для слушателей курсов профессиональной переподготовки/ А. И. Кирюшатов, О.Г. Брюнина; ФГОУ ВПО"Саратовский ГАУ". - Саратов : 2011– 159 с. Лекция 17 ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ Механизм теплопроводности. Закон Фурье. Процесс распространения теплоты вообще и процесс теплопроводности в частности неразрывно связан с распределением температуры в теле. Исследуя теплопроводность твёрдых тел, французский ученый Жан Батист Жозеф Фурье в 1822г. установил, что количествопереданноготеплопроводностьютеплапропорциональнопадениютемпературыиплощадисечения,перпендикулярногонаправлениютеплового потока: Q= – λ tF, n или q =– λgradt. Приведенная формула и есть математическое выражение закона Фурье. Множитель пропорциональности λ, Вт/(м·К), в этом уравнении называют коэффициентомтеплопроводности. Коэффициентом теплопроводности численно равен удельному тепловому потоку в 1 Вт при градиенте температур в 1 градус через поверхность толщиной в 1 м. gradt=1, т.е. при условии, что изменение температуры на единицу длины составляет один градус. Расчет теплового потока теплопроводностью при стационарном режиме. Теплопроводностьоднослойнойплоскойстенки Рассмотрим плоскую однородную, однослойную стенку (рис. 17.1).  Рисунок 17.1. Распределение температуры по толщине однородной плоской стенки. Толщина стенки δ, коэффициент теплопроводности λ.Температура на границах стенки tст1 и tст2, причем tст1 > tст2. Теплораспространяется вдоль оси х. Плотность теплового потока определяется по формуле: q= (tст1 – tст2), |