М. С. Курбангалеев, А. А. Мухамадиев, И. Х. Хайруллин
 Скачать 401.42 Kb.
|
|
Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технологический университет Теплотехника. Техническая термодинамика. Теплопередача. Методические указания) Казань 2006 Составители ст.преп. И.З.Вафин, доц. М.С.Курбангалеев, доц. А.А.Мухамадиев, доц. И.Х.Хайруллин Теплотехника. Техническая термодинамика. Теплопередача. Метод. указания Казан. гос. технол. унт Сост. И.З.Вафин, М.С.Курбангалеев, А.А.Мухамадиев, И.Х.Хайруллин Казань, 2006. 54 с. Содержат контрольные задания и тематику теоретических разделов рабочих программ по дисциплинам Теплотехника, Техническая термодинамика, «Теплопередача». Составлены с учетом требований ГОС ВПО второго поколения (2000 г) по направлениям подготовки дипломированных специалистов. Представлена необходимая справочная информация – таблицы термодинамических и теплофизических свойств газов и жидкостей и соответствующие диаграммы. Предназначены для студентов заочной формы обучения механического профиля. Имеется электронная версия пособия, помещенная на сайте КГТУ (www.kstu.ru) Подготовлены на кафедре Теоретические основы теплотехники. Печатаются по решению методической комиссии института химического и нефтяного машиностроения. Рецензенты доц. П.И.Бударин, доц. Д.И.Сагдеев Дисциплина Теплотехника относится к блоку общепрофес- сиональных дисциплин (ОПД), которая изучает способы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, принципы работы тепловых и холодильных машин, тепло- и парогенераторов и теплообменных аппаратов. Теоретическими основами теплотехники являются техническая термодинамика и теория тепло- и массообмена, или теплопередача. Термодинамика – наука о закономерностях превращения энергии. Ее основы заложены в XIX в, когда в связи с развитием тепловых двигателей возникла необходимость изучения закономерностей превращения теплоты в работу. В основу термодинамики положены два основных закона, установленных опытным путем. Первый закон термодинамики характеризует количественную сторону процессов превращения энергии, а второй закон устанавливает качественную сторону (направленность) процессов, происходящих в физических системах. Теплопередача – учение о процессах распространения тепла, осуществляемого тремя различными элементарными способами теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением. Часто процессы теплообмена происходят между различными средами, разделенными твердой стенкой. Процесс передачи тепла от горячей среды к холодной через разделяющую их стенку называется теплопередачей. Процесс теплопередачи осуществляется различными способами теплопереноса, протекающими одновременно. Основная задача изучаемого курса – дать необходимую теплотехническую подготовку будущему инженеру, который должен уметь грамотно и эффективно использовать тепловое оборудование, применяемое в данной отрасли, совершенствовать его, выявлять и использовать вторичные энергоресурсы (ВЭР). Теплотехника 1. Техническая термодинамика Энергетика и её значение в народном хозяйстве. Тепловые установки и их роль в энергетике страны. Топливные ресурсы России как база отечественной теплоэнергетики. Атомная энергетика и перспективы её развития. 1.1. Основные понятия и определения Предмет, задачи и метод термодинамики. Термодинамическая система (закрытая и открытая. Рабочее тело (идеальный газ и реальные газы. Термодинамические параметры состояния, термодинамический процесс. Равновесный параметр, равновесный процесс. Вопросы для самоконтроля 1. Чем отличается идеальный газ от реальных газов 2. Размерности термодинамических параметров p, v, T, u, h, s и их физический смысл. 1.2. Идеальный газ Уравнение состояния идеального газа. Газовая постоянная. Универсальная газовая постоянная. Смеси идеальных газов. Способы задания состава газовых смесей. Определение средней кажущейся) молекулярной массы газовой постоянной смеси и парциального давления её компонентов. Уравнения состояния реальных газов. Уравнение Ван- дер-Ваальса. Приведенные уравнения состояния реальных газов. z π - диаграмма. Элементы теории ассоциации. Вириальные коэффициенты и их физическое содержание. Вопросы для самоконтроля 1. Уравнение состояния идеального газа (Клапейрона- Менделеева). 2. Уравнение состояния реальных газов. 3. Определение газовой постоянной R, газовых смесей см. Универсальная газовая постоянная µ R. Размерности. 1.2.1. Первый закон термодинамики Закон сохранения и превращения энергии. Теплота и работа как различные формы передачи энергии. Понятие о внутренней энергии. Аналитическое выражение работы в процессе. р- диаграмма и её свойства. Аналитические выражения и формулировки Первого закона термодинамики. Вопросы для самоконтроля 1. Что такое теплота, работа, внутренняя энергия 2. Первый закон термодинамики, формулировка. Аналитические выражения Первого закона термодинамики. 3. Аналитическое выражение работы. Представление работы в диаграмме. 1.2.2. Теплоемкость газов Физическая сущность теплоемкости. Удельные теплоемкости, их размерности. Температурная зависимость теплоемкости. Средняя и истинная теплоемкости. Элементы молекулярно-кинетической теории теплоемкости идеальных газов. Зависимость теплоемкости от характера процесса подвода тепла. Изохорная и изобарная теплоемкости. Уравнение Майера. Теплоемкость смеси идеальных газов. Вопросы для самоконтроля 1. Массовая, объемная и мольная удельные теплоемкости и их размерности. 2. Определение средних теплоемкостей. 3. Теплоемкость смеси идеальных газов. 1.2.3. Термодинамические процессы изменения состояния идеального газа Изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный и политропный процессы. Уравнение процессов. Теплота и работа в процессах. Изображение процессов в pv- и диаграммах. Свойство диаграмма. Вопросы для самоконтроля 1. Уравнение изохорного (v=const), изобарного (p=const), изотермического (T=const), адиабатного (dq=0) и политропного процессов и их изображение на pv- и диаграммах. 2. Расчетные соотношения для определения q, l, ∆ u, ∆ h ив этих процессах. 1.2.4. Второй закон термодинамики Несимметричность взаимопревращения теплоты и работы. Принцип работы периодически действующей тепловой установки. Выводы (постулаты) Карно об условиях преобразования теплоты в работу. Круговые термодинамические процессы или циклы. Прямой и обратный циклы. Термический коэффициент полезного действия (кпд. Обратимый цикл Карно и его кпд. Условия проведения обратимых циклов. Обобщенный (регенеративный) цикл Карно. Необратимый цикл Карно и его кпд. Сущность Второго закона термодинамики и его формулировки. Общие математические свойства произвольных обратимых и необратимых циклов. Аналитическое выражение Второго закона термодинамики – интегралы Клаузиуса. Изменение энтропии в обратимых и необратимых процессах. Статистические толкование Второго закона термодинамики, физический смысл энтропии. Понятие о качестве энергии. Потеря работоспособности вследствие необратимости. Максимальная работа и понятие об эксергии. Выражение Первого и Второго законов термодинамики с использованием эксергии. Эксергетический кпд. Вопросы для самоконтроля 1. Основные постулаты Карно. Формулировка Второго закона термодинамики Карно. 2. Понятие о круговых процессах – циклах. Термический кпд. цикла. 3. Обратимый цикл Карно и его кпд. Необратимый цикл Карно и его кпд. 4. Изменение энтропии в обратимых и необратимых процессах. 5. Что такое эксергия Понятие о качестве энергии. 1.2.5. Дифференциальные уравнения термодинамики Значение дифференциальных уравнений термодинамики. Дифференциальное уравнение состояния. Дифференциальные выражения для теплоты, внутренней энергии, энтальпии и энтропии. Дифференциальные соотношения для теплоемкостей. Применение дифференциальных уравнений к идеальным газам. Вопросы для самоконтроля 1. Понятие о термических и калорических параметрах. 2. Понятие о коэффициентах изобарного расширения, изохорной упругости и изотермической сжимаемости. 1.3. Реальные газы 1.3.1. Водяной пар, состояния и параметры Опыт Эндрюса. Процессы парообразования в pv- и Ts- диаграммах. Термодинамические параметры кипящей жидкости, влажного и сухого насыщенного пара. Теплота парообразования. Параметры перегретого пара. Таблицы термодинамических свойств водяного пара (ТСВП) на линии насыщения и перегретого пара. диаграмма водяного пара. Расчет теплоты и работы в основных термодинамических процессах с помощью hs- диаграммы и таблиц ТСВП. Вопросы для самоконтроля 1. pv- и диаграммы водяного пара. Состояние водяного пара. Сухой насыщенный пар, влажный насыщенный пар, кипящая жидкость и перегретый пар. 2. Таблицы термодинамических свойств водяного пара. 3. диаграмма. Основные термодинамические процессы с водяным паром. Расчет q, l, ∆ u, ∆ h и ∆ s по диаграмме. 1.3.2. Влажный воздух Определение влажного воздуха. Абсолютная и относительная влажности воздуха, влагосодержание. Психрометр. Температура точки росы. Определение энтальпии и влагосодержа- ния влажного воздуха по диаграмме, сушка воздухом. Вопросы для самоконтроля 1. Относительная влажность и влагосодержание воздуха. 2. Температура точки росы. 3. диаграмма влажного воздуха. 4. Сушка воздухом влажных материалов. 1.4. Сжатие газов в компрессорах Назначение и классификация компрессоров. Принцип работы компрессора. Работа идеального одноступенчатого поршневого компрессора и изображение ее в pv- и диаграммах. Изотермическое, адиабатное и политропное сжатие. Многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением. Определение мощности, затрачиваемой на привод компрессора. Вопросы для самоконтроля 1. Работа одноступенчатого идеального поршневого компрессора. 2. Многоступенчатое сжатие с промежуточным охлаждением. 1.5. Термодинамика открытых систем 1.5.1. Течение идеальных и реальных газов Уравнение Первого закона термодинамики для движущегося газа – потока. Адиабатное истечение из сосуда неограниченных размеров. Скорость истечения. Критическое отношение давлений. Расчет скорости истечения и секундного массового расхода для критического режима. Воздействие на поток геометрии канала. Сопло, диффузор. Сопло Лаваля. Скорость истечения водяного пара. Влияние потерь на скорость истечения. Вопросы для самоконтроля 1. Уравнение Первого закона термодинамики для газового потока. 2. Истечение газа из сосуда. Скорость истечения и секундный расход. 3. Воздействие на параметры потока геометрии канала. Сопло. Диффузор. 1.5.2. Дросселирование газов и паров Изменение параметров рабочего тела при дросселировании. Понятие об эффекте Джоуля-Томсона. Температура инверсии, кривая инверсии. Техническое применение процесса дросселирования. Условное изображение процесса дросселирования водяного пара в диаграмме. Потеря работоспособности водяного пара при дросселировании. Вопросы для самоконтроля 1. Дросселирование газов и паров. Эффект Джоуля- Томсона. 2. Характер изменения температуры газов при дросселировании. 1.6. Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) Изображение циклов ДВС в pv – и диаграммах. Анализ и сравнение поршневых двигателей внутреннего сгорания с подводом теплоты при v=const, p=const и смешенным подводом теплоты. Определение термического кпд. циклов и влияние параметров цикла ДВС на величину кпд. Циклы газотурбинных установок (ГТУ). Преимущества ГТУ по сравнению с поршневыми ДВС. Изображение циклов ГТУ в pv – и диаграммах. Анализ цикла ГТУ с подводом теплоты при p=const и регенеративного цикла. Определение термического кпд. и методы его повышения. Вопросы для самоконтроля 1. Преобразование тепловой энергии в механическую. 2. Циклы ДВС с подводом тепла при v=const, p=const и смешанным подводом тепла. 3. Циклы ГТУ. Преимущества перед поршневым ДВС. 1.7. Циклы паросиловых установок (ПСУ) Цикл Карно и его недостатки. Основной цикл ПСУ – цикл Ренкина. Принципиальная схема ПСУ. Изображение идеального цикла Ренкина в pv–, Ts- и диаграммах. Определение термического кпд. цикла Ренкина. Способы повышения экономичности ПСУ. Цикл с вторичным перегревом пара, регенеративный цикли парогазовые циклы. Основы теплофикации. Понятие о внутреннем, относительном и эффективном кпд. ПСУ. Вопросы для самоконтроля 1. Циклы паросиловых установок. Циклы Карно и Ренкина. Их достоинства и недостатки. 2. Способы повышения кпд. циклов ПСУ. 1.8. Циклы холодильных машин Обратные циклы. Принципы работы холодильных установок и тепловых насосов. Понятия о холодильном коэффициенте и холодопроизводительности. Циклы воздушной холодильной машины и абсорбционной холодильной установки. Цикл паровой компрессионной холодильной установки, принципиальная схема и изображение цикла в pv–, Ts- диаграммах. Принципиальная схема работы теплового насоса. Понятие о коэффициенте трансформации. Использование тепловых насосов для утилизации тепловых вторичных энергоресурсов (ВЭР). Вопросы для самоконтроля 1. Принцип работы холодильных установок. Холодильный коэффициент. 2. Принцип работы теплового насоса. Коэффициент трансформации. 1.9. Парогенерирующие устройства – котельные установки, схемы Паровой котел и вспомогательное оборудование (топка, барабан, пароперегреватель, экономайзер, воздухоподогрева- тель). Понятие о топливе, виды топлива. Состав топлива. Теплота сгорания. Условное топливо. Характеристика твердого, жидкого и газообразного топлив. Проблема экономии топлива. Основы теории горения топлива. Определение теоретически необходимого количества воздуха. Стехиометрические уравнения химических реакций. Коэффициент избытка воздуха. Определение объема продуктов сгорания. Теоретическая температура продуктов сгорания. диаграмма продуктов сгорания. Вопросы для самоконтроля 1. Котельные установки. Назначение топки, барабана па- роперегревателя, экономайзера, воздухоподогревателя. 2. Состав топлива. Теплота сгорания. 3. Основы теории горения. Химические реакции горения. Расход воздуха на горение. 1.10. Термодинамика необратимых процессов Предмет и метод термодинамически необратимых процессов. Основные феноменологические соотношения. Уравнение Гиббса. Поток энтропии. Обобщенные потоки и обобщенные силы. Скорость изменения энергии Гиббса и энергии Гельм- гольца. Минимум производства энтропии в стационарном состоянии. Феноменологические соотношения. Вопросы для самоконтроля 1. Понятие о равновесных и неравновесных, обратимых и необратимых процессах. 2. Понятие об энтропии, как термодинамическом параметре, характеризующем протекание необратимых процессов (переноса теплоты, массы, количества движения. 1.11. Вторичные энергоресурсы (ВЭР) Виды ВЭР. Источники ВЭР. Экономическая эффективность использования ВЭР. Утилизационные установки, котлы утилизаторы. Методы утилизации низкопотенциальных ВЭР. Принципы экономии энергоресурсов. Вопросы для самоконтроля 1. Понятие ВЭР. Виды ВЭР. 2. Методы утилизации ВЭР. Котлы-утилизаторы. 2. Теория теплообмена Роль процессов переноса теплоты и массы. Понятия о теплопроводности, конвективном теплообмене, теплообмене излучением. Понятие о массообмене. Вопросы для самоконтроля 1. Теплопроводность, физическая сущность и механизм переноса теплоты в жидкостях и газах, в твердых телах и металлах. 2. Конвективный перенос тепла, механизм 3. Перенос теплоты излучением, механизм. 4. Физическая сущность и механизм массообменных процессов. 2.1. Теплопроводность Основные понятия температурное поле, температурный градиент, тепловой поток, плотность теплового потока. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Дифференциальное уравнение теплопроводности. Условия однозначности геометрические, физические, временные и граничные условия I, II ирода. Вопросы для самоконтроля 1. Закон теплопроводности Фурье. Физическое содержание и размерности величин, входящих в закон Фурье. 2. Коэффициент теплопроводности жидкостей и газов, металлов и изоляционных материалов. 2.1.1. Стационарная теплопроводность через одно- и многослойную плоские стенки, через одно- и многослойную цилиндрические стенки (приграничных условиях I рода. Вопросы для самоконтроля 1. Уравнения теплопроводности через плоские и цилиндрические стенки. Однослойная стенка. 2. Уравнения теплопроводности через многослойные плоские и цилиндрические стенки. 2.2. Конвективный теплообмен Основные факторы, определяющие интенсивность конвективного теплообмена. Закон Ньютона-Рихмана. Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена. Условия однозначности. Основы теории подобия. Масштабные преобразования. Дифференциальные уравнения в безразмерном виде. Числа подобия. Теоремы подобия. Уравнения подобия. Моделирование. Вопросы для самоконтроля 1. Коэффициент теплоотдачи, его зависимость от параметров процесса. 2. Что характеризуют числа подобия 3. Обобщение опытных данных, установление явного вида зависимости между числами подобия. Уравнение подобия. 4. Выбор уравнений подобия при расчете коэффициента теплоотдачи. 2.2.1. Теплоотдача при свободном движении среды вдоль вертикальной плоской стенки Ламинарный и турбулентный режимы движения среды. Расчетные соотношения. Теплоотдача при вынужденном движении среды вдоль плоской стенки. Ламинарный и турбулентный режимы движения среды. Расчетные соотношения. Вопросы для самоконтроля 1. Понятия о тепловом и гидродинамическом пограничных слоях. Их роль в процессе теплообмена. 2. Влияние режимов движения среды на теплообмен. |