Основы теплотехники. Введение. Дисциплина Теплотехника. Урок 1 Ткачева Е. С
 Скачать 0.52 Mb.
|
Введение.Дисциплина: Теплотехника. Урок №1 Выполнила: Ткачева Е.С. Преподаватель БЛТ Цель:Формировать понятие о дисциплине «Теплотехника» План:Теплотехника Техническая термодинамика. Параметры состояния. Повторение:Какие термины из физики вам напоминают о дисциплине Теплотехника? Как вы считаете, что изучает теплотехника? ТеплотехникаТеплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Теплотехника Техническая термодинамика Теория теплообмена Тепловые процессы и аппараты
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА Базируется на двух основных законах (началах) термодинамики: I закон термодинамики - закон превращения и сохранения энергии; II закон термодинамики – устанавливает условия , необходимые для превращения тепловой энергии в механическую в системах, состоящих из большого количества частиц. Объектом исследования является термодинамическая система. Изолированная система - система не взаимодействующая с окружающей средой. Адиабатная (теплоизолированная) система –имеет адиабатную оболочку, которая исключает обмен теплотой с окружающей средой. Однородная система – система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства. Гомогенная система – однородная система по составу и физическому строению (лед, вода, газы). Гетерогенная система – система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (лед и вода, вода и пар). Параметры состоянияУдельный объем – величина, определяемая отношением объема вещества к его массе. υ = V / m , [м3/кг] , Плотность вещества – величина, определяемая отношением массы к объему вещества. ρ = m / V , [кг/м3], υ = 1 / ρ ; ρ = 1 / υ ; υ.ρ = 1 . Давление – с точки зрения молекулярно-кинетической теории есть средний результат ударов молекул газа, находящихся в непрерывном хаотическом движении, о стенку сосуда, в котором заключен газ. Р = F / S ; [Па] = [Н/м2] Внесистемные единицы давления: 1 кгс/м2 = 9,81 Па = 1 мм.водн.ст. 1 ат. (техн.атмосфера) = 1 кгс/см2 = 98,1 кПа. 1 атм. (физическая атмосфера) = 101,325 кПа = 760 мм.рт.ст. 1 ат. = 0,968 атм. 1 мм.рт.ст. = 133,32 Па. 1 бар = 0,1 МПа = 100 кПа = 105 Па. Первый закон термодинамикиQ = (U2 – U1) + L , где Q - количества теплоты подведенная (отведенная) к системе; L - работа, совершенная системой (над системой); (U2 – U1) - изменение внутренней энергии в данном процессе.
q = Q /m = (u2 – u1) + l . I закон термодинамики - закон превращения и сохранения энергии; Теплоемкость газаС = dQ / dT , [Дж /К] Различают следующие удельные теплоемкости: массовую – с = С / m , [Дж/кг] ; молярную – сμ = С / ν , [Дж/моль] , (где ν – количество вещества моль); объемную – сv = С / V = с·ρ , [Дж/м3] , (где - ρ = m / V - плотность вещества). Различают теплоемкости Ср при постоянном давлении (изобарный) и при постоянном объеме Сv(изохорный). Между изобарными и изохорными теплоемкостями существует следующая зависимость- уравнение Майера: ср - сv = R сpμ- сvμ = Rμ . Средняя теплоемкость в интервале температур от t1 до t2 : Cm = Δq/ΔT q = cm(t2 – t1) Универсальное уравнение состояния идеального газаДля 1 кг массы газа Р·υ = R·Т Для произвольного количества газа массой m : Р·V = m·R·Т Универсальное уравнение состояния для 1 кг газа, которое называют уравнением Клапейрона-Менделеева: Р·υ = Rμ·Т/μ , где: μ - молярная (молекулярная) масса газа, (кг/кмоль);Rμ = 8314,20 Дж/кмоль (8,3142 кДж/кмоль) - универсальная газовая постоянная и представляет работу 1 кмоль идеального газа в процессе при постоянном давлении и при изменении температуры на 1 градус Зная Rμ можно найти газовую постоянную R = Rμ/μ. Для произвольной массы газа уравнение Клапейрона-Менделеева Р·V = m·Rμ·Т/μ Смесь идеальных газовГазовая смесь подчиняется закону Дальтона: Общее давление смеси газов равно сумме парциальных давлений отдельных газов, составляющих смесь. Р = Р1 + Р2 + Р3 + . . .+ Рn = ∑ Рi , где Р1, Р2, Р3 . . . Рn – парциальные давления. Состав смеси задается объемными, массовыми и мольными долями, которые определяются соответственно по следующим формулам: r1 = V1 / Vсм ; r2 = V2 / Vсм ; … rn = Vn / Vсм , g1 = m1 / mсм ; g2 = m2 / mсм ; … gn = mn/ mсм , r1′ = ν1 / νсм ; r2′ = ν2 / νсм ; … rn′ = νn / νсм , где V1 ; V2 ; … Vn ; Vсм –объемы компонентов и смеси; m1 ; m2 ; … mn ; mсм – массы компонентов и смеси; ν1 ; ν2 ; … νn ; νсм – количество вещества (киломолей) компонентов и смеси. Для идеального газа по закону Дальтона: r1 = r1 ′ ; r2 = r2 ′ ; … rn = rn′ . Так как V1 +V2 + … + Vn = Vсм и m1 + m2 + … + mn = mсм , то r1 + r2 + … + rn = 1 , g1 + g2 + … + gn = 1. Связь между объемными и массовыми долями следующее: g1 = r1∙μ1/μсм ; g2 = r2∙μ2 /μсм ; … gn = rn∙μn /μсм , где: μ1 , μ2 , … μn , μсм – молекулярные массы компонентов и смеси. Молекулярная масса смеси: μсм = μ1 r1 + r2 μ2+ … + rn μn . Газовая постоянная смеси: Rсм = g1 R1 + g2 R2 + … + gn Rn = = Rμ (g1/μ1 + g2/μ2+ … + gn/μn ) = = 1 / (r1/R1 + r2/R2+ … + rn/Rn) . Удельные массовые теплоемкости смеси: ср см. = g1 ср 1 + g2 ср 2 + … + gnср n . сv см. = g1сv 1 + g2сv 2 + … + gnсv n . Удельные молярные (молекулярные) теплоемкости смеси: срμ см. = r1 срμ 1 + r2 срμ 2+ … + rn срμ n. сvμ см. = r1 сvμ 1 + r2 сvμ 2+ … + rn сvμ n. Второй закон термодинамики1 формулировка (Оствальда): "Вечный двигатель 2-го рода невозможен". 2-я формулировка (Клаузиуса): "Теплота не может самопроизвольно переходит от более холодного тела к более нагретому". 3-я формулировка (Карно): "Там где есть разница температур, возможно совершение работы". Энтропия dS = dQ / T [Дж/К] или для удельной энтропии: ds = dq / T [Дж/(кг·К)] Так как энтропия не зависит от вида процесса и определяется начальными и конечными состояниями рабочего тела, то находят только ее изменение в данном процессе, которые можно найти по следующим уравнениям: Δs = cv·ln(T2/T1) + R·ln(υ 2/υ 1) ; Δs = cp·ln(T2/T1) - R·ln(P2/P1) ; Δs = cv·ln(Р2/Р1) + cр·ln(υ 2/υ 1) . Если энтропия системы возрастает (Δs > 0), то системе подводится тепло. Если энтропия системы уменьшается (Δs < 0), то системе отводится тепло. Если энтропия системы не изменяется (Δs = 0, s = Const), то системе не подводится и не отводится тепло (адиабатный процесс). Цикл и теоремы КарноТермический коэффициент полезного действия (т.к.п.д.). ηt = Lц / Qц , или ηt = (Q1 – Q2) / Q1 . Для обратимого цикла Карно т.к.п.д. определяется по формуле: ηt к = (Т1 – Т2) / Т1 . Основные процессы термодинамики :изохорный, изотермический, изобарный и адиабатный Δu = сvм|0t2·t2 - сvм|0t1·t1, или, при постоянной теплоемкости, ΔU = m·сv·(t2 - t1) Вычисляется работа: L = P·(V2 – V1) Определяется количество теплоты в процессе: q = cx·(t2- t1) Определяется изменение энтальпии : Δi = (i2 – i1) = сpм|0t2·t2 – сpм|0t1·t1, или при постоянной теплоемкости: Δi = сp·(t2 – t1) Определяется изменение энтропии: Δs = cv·ln(T2/T1) + R·ln(υ 2/υ 1) Δs = cp·ln(T2/T1) - R·ln(P2/P1) Δs = cv·ln(T2/T1) + cp·ln(υ 2/υ 1) Все процессы рассматриваются как обратимые Термодинамические процессыИзохорный процесс υ = Const , υ 2 = υ 1. Уравнение состояния: P2 / P1 = T2 / T1 Работа l = 0 : q = Δu = = сv·(t2 - t1); Изобарный процесс P = Const , P2 = P1 Уравнение состояния : v 2 /v 1 = T2 / T1 , Работа процесса: l = P·(v 2 - v 1). q = Δu + l = ср·(t2 - t1); Изотермический процесс Т = Const , Т2 = Т1 Уравнение состояния: P1 / P2 = v 2 / v 1 , Δu = 0 q = l = R·T·ln(v 2/v 1), или q = l = R·T·ln(P1/P2), где R = Rμ/ μ Адиабатный процесс . q =0. Уравнение состояния: P· vk = Const, где k = cp / cv – показатель адиабаты. l = -Δu = -сv·(t2 – t1) = сv·(t1 – t2), l = R·(T1 – T2) / (k -1) l = R·T1·[1 – (v 1/ v 2) k -1) ]/(k – 1) l = R·T2·[1 – (P2/P1) (k -1)/ k)] /(k – 1). Политропный процесс Уравнение состояния: P· vn = Const, где n – показатель политропы при n = ± ∞ v = Const, (изохорный), n = 0 P = Const, (изобарный), n = 1 T = Const, (изотермический), n = k P· vk= Const, (адиабатный). l = R·(T1 – T2) / (n – 1); l = R·T1·[1 – (v 1/ v 2) n-1] /(n – 1); l = R·T2·[1 – (P2/P1) (n-1)/ n] /(n – 1). Теплота процесса: q = cn ·(T2 – T1), где cn = cv ·(n - k)/(n – 1) – массовая теплоемкость политропного процесса. Реальные газы. Водяной пар. Влажный воздухСвойства реальных газов Реальные газы отличаются от идеальных газов тем, что молекулы этих газов имеют объемы и связаны между собой силами взаимодействия P·V/(R·T)=c, где С – коэффициент сжимаемости. P·V = R·[1 - Σv/(v + 1)·Bv / vv] Bv – вириальные коэффициенты, выражаются через потенциальные энергию взаимодействия молекул данного газа и температуру Т. При учете первых двух коэффициентов: P·V = R·(1 – А/V- B/ V2), где А и В - первый и второй вириальные коэффициенты, являющиеся функцией только температуры. Основы теории теплообменаПеренос теплоты может передаваться тремя способами: теплопроводностью; конвекцией; излучением (радиацией). Температурное поле. Уравнение теплопроводности Закон Фурье: Тепловой поток, передаваемая теплопроводностью, пропорциональна градиенту температуры и площади сечения, перпендикулярного направлению теплового потока. Q = -λ∙F∙ ∂t/∂n, или q = -λ ∙ ∂t/∂n ∙no = -λ∙gradt , где: q – вектор плотности теплового потока; λ – κоэффициент теплопроводности, [Вт/(м∙К)]. Однородная плоская стенка Температуры поверхностей стенки –tст1 и tст2. Плотность теплового потока: q = -λ∙ ∂t/∂n = - λ∙ ∂t/∂x = - λ∙ (t cт2 – t cт1)/(xcт2 - xcт1), или q = λ∙ (tcт2 - tcт1)/(xcт2 - xcт1)∙ Δt/Δx Тогда q = λ/δ∙(tст1 – tст2) = λ/δ∙Δt, Если R =δ/λ -термическое сопротивление n теплопроводности стенки [(м2∙К)/Вт], то плотность теплового потока: q = (tст1 – tст2)/R . Общее количество теплоты через поверхность F за время τ : Q = q∙F∙τ = (tст1 – tст2)/R·F∙τ . Температура тела в точке с координатой х : tx = tст1 – (tст1 – tст2)∙x/ δ . Многослойная плоская стенка Температура наружных поверхностей стенок tст1 и tст2, коэффициенты теплопроводности слоевλ1, λ2, λ3, толщина слоев δ1, δ2, δ3 Плотности тепловых потокок через каждый слой стенки: q = λ1/δ1∙(tст1 – tсл1) , q = λ2/δ2 ∙ (tсл1 – tсл2), q = λ3/δ3 ∙ (tсл2 – tст2). Решая эти уравнения, получаем: q = (t1 – t4)/(δ1/λ1 + δ2/λ2+ δ3/λ3) = (tст1 – tст4)/Ro , где: Ro = δ1/λ1 + δ2/λ2+ δ3/λ3 – общее термическое сопротивление теплопроводности многослойной стенки. Температура слоев : tсл1 = tст1 – q∙(δ1/λ1). tсл2 = tсл1 – q·δ2/λ2). Конвективный теплообменФакторы, влияющие на конвективный теплообмен Природа возникновения движения жидкости Режим движения жидкости Физические свойства жидкостей и газов -коэффициент теплопроводности (λ), -удельная теплоемкость (с), -плотность (ρ), -коэффициент температуропроводности (а = λ/cр·ρ), -коэффициент динамической вязкости (μ) или -кинематической вязкости (ν = μ/ρ), -температурный коэффициент объемного расширения (β =1/l. l/dТ). Форма Конвективный теплообменЗакон Ньютона-Рихмана Количество теплоты, передаваемая конвективным теплообменом прямо пропорционально разности температур поверхности тела (t'ст)и окружающей среды (t'ж): Q = α · (t'ст - t'ж)·F , или q = α · (t'ст - t'ж) , где коэффициент теплоотдачи [Вт/(м2К)], характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой. Коэффициент теплоотдачи является функцией этих параметров : α = f1(Х; Ф; lo; xc; yc; zc; wo; θ; λ; а; ср; ρ; ν; β) , где: Х – характер движения среды (свободная, вынужденная); Ф – форма поверхности; lo – характерный размер поверхности (длина, высота, диаметр и т.д.);xc; yc; zc – координаты; wo – скорость среды (жидкость, газ); θ = (t'ст - t'ж) – температурный напор; λ – коэффициент теплопроводности среды; а – коэффициент температуропроводности среды; ср –изобарная удельная теплоемкость среды; ρ –плотность среды; ν – коэффициент кинематической вязкости среды; β – температурный коэффициент объемного расширения среды. Критериальные уравнения конвективного теплообменаNu = f2(Х; Ф; X0; Y0; Z0; Re; Gr; Pr) , где: X0; Y0; Z0 – безразмерные координаты; Nu = α ·l0/λ - критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи), характеризует теплообмен между поверхностью стенки и жидкостью (газом); Re = w·l0/ν - критерий Рейнольдса, характеризует соотношение сил инерции и вязкости и определяет характер течения жидкости (газа); Gr = (β·g·l03·Δt)/ν2 - критерий Грасгофа, характеризует подьемную силу, возникающую в жидкости (газе) вследствие разности плотностей; Pr = ν/а = (μ·cp)/λ - критерий Прандтля, характеризует физические свойства жидкости (газа); l0 – определяющий размер (длина, высота, диаметр). Расчетные формулы конвективного теплообменаСвободная конвекция в неограниченном пространстве Горизонтальная труба диаметром d при 103<(Gr··Pr)жd <108 Nuжdср. = 0,5·(Grжd ·Pr ж)0,25 (Pr ж/Prст)0,25 Вертикальная труба и пластина: 1). ламинарное течение - 103<(Gr ·Pr)ж <109: Nuжdср = 0,75· (Grжd ·Pr ж)0,25·(Pr ж/Prст)0,25 2). турбулентное течение - (Gr ·Pr)ж > 109: Nuжdср. = 0,15· (Grжd ·Pr ж)0,33 ·(Pr ж/Prст)0,25 Значения Grжd и Pr ж берутся при температуре жидкости (газа), а Prст при температуре поверхности стенки. . Вынужденная конвекцияВынужденная конвекция а). Течение жидкости в гладких трубах круглого сечения. 1). ламинарное течение – Re < 2100 Nuжdср = 0,15·Reжd0,33·Prж0,33·(Grжd·Prж)0,1·(Prж/Prст)0,25·εl , где εl - коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы и зависит от отношения длины трубы к его диаметру (l/d). 2). переходной режим – 2100 < Re < 104 Nuжdср = К0·Prж0,43·(Prж/Prст)0,25·εl Коэффициент К0 зависит от критерия Рейнольдса Re Обтекание горизонтальной поверхности 1). ламинарное течение – Re < 4·104 Nuжdср = 0,66·Reжd0,5·Prж0,33 ·(Prж/Prст)0,25 2). турбулентное течение – Re > 4·104 Nuжdср = 0,037·Reжd0,5·Prж0,33 ·(Prж/Prст)0,25 Поперечное обтекание одиночной трубы (угол атаки j = 900) 1). при Reжd = 5 - 103 Nuжdср = 0,57·Reж0,5·Prж0,38 ·(Prж/Prст)0,25 2). при Reжd = 103 -2·105 Nuжdср = 0,25 ·Reж0,6·Prж0,38 ·(Prж/Prст)0,25 Тепловое излучениеКосмические лучи l = (0,1 – 10)оА (ангстрем 1оА = 10-10 м). Гамма-лучи имеют длину волны до 10оА ; лучи Рентгена – l = (10-200) оА; ультрафиолетовые лучи – л = (200оА - 0,4 мк (1 мк — 0,001 мм), световые лучи – l = (0,4-0,8)мк, инфракрасные или тепловые лучи – l = (0,8 – 400) мк, радио или электромагнитные лучи - l > 400 мк. Из всех лучей наибольший интерес для теплопередачи представляют тепловые лучи с l = (0,8 – 40) мк. Q = QA + QR + QD , A + R + D = 1 А - коэффициент поглощения. R - коэффициент отражения D - коэффициент проницаемости. Для большинства твердых тел, практически не пропускающих сквозь себя лучистую энергию, А + R = 1. Закон Планка Закон смещения Вина lms = 2,9 / T, где lms - длина волны, отвечающая максимальному значению Isl Интенсивности излучения абсолютно черного тела Isl и любого реального тела Il зависят от температуры и длины волны. Максимумы кривых с повышением температуры смещаются в сторону более коротких волн Основные законы теплового излученияЗакон Стефана-Больцмана Es = Сs (Т/100)4 , где Сs = 5,67 Вт/(м2К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела. Тепловой поток, излучаемый единицей поверхности черного тела в интервале длин волн от l до l + dl: dEs = Isldl . dEs и называется лучеиспускательной способностью абсолютно черного тела для длин волн l+dl. Вся же площадь между любой кривой Т = const и осью абсцисс равна интегральному излучению черного тела в пределах от l = 0 до l = ∞ при данной температуре. Интегральное излучение (тепловой поток) абсолютно черного тела прямо пропорционально четвертой степени его абсолютной температуры Закон Кирхгофа Е = Еs*А или Е /А = Еs = Еs/Аs = Сs*(Т/100)4 Отношение лучеиспускательной способности тела (Е) к его поглощательной способности (А) одинаково для всех серых тел, находящихся при одинаковых температурах и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре. Закон ЛамбертаЗакон Ламберта d2Qn = dQn*dω*cos φ. Наибольшее количество лучистой энергии для абсолютно черного тела и для тел, обладающих диффузным излучением при φ = 0 - 60°излучается в перпендикулярном направлении к поверхности излучения (φ = 0). ТеплопередачаТеплопередача через плоскую стенку Q = (t'ж – t''ж) • F • К, где К = 1 / (1/α1 +d / λ + 1/α2) – коэффициент теплопередачи, или R0 = 1/К = (1/ α 1 + d/λ + 1/ α 2) – полное термическое сопротивление теплопередачи через однослойную плоскую стенку. 1/ α 1, 1/ α 2 – термические сопротивления теплоотдачи поверхностей стенки; d/λ - термическое сопротивление стенки. Закрепление:Теплотехника – это наука о… На какие разделы делится теплотехника? Техническая термодинамика изучает… Перечислите параметры состояния идеального газа. Домашнее задание:Прочитать конспект. Выучить определения. |