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.
|
|
Министерство сельского хозяйства Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Саратовский государственный аграрный университет имени Н. И. Вавилова» ТЕПЛОТЕХНИКА краткий курс лекций для студентов II курса Направление подготовки 19.03.04 – Технология продукции и организация общественного питания Профиль Технология и организация ресторанного дела Саратов 2016 УДК 536.7 ББК 31.31:31.3 К29 К29 Теплотехника: краткий курс лекций для студентов II курса специальности Технология продукции и организации общественного питания / Сост.: Д.С. Катков, Наумова О.В. // ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ. – Саратов, 2016. – 67 с. Краткий курс лекций по дисциплине «Теплотехника» составлен в соответствии с рабочей программой дисциплины и предназначен для студентов направления подготовки 19.03.04 Технология продукции и организация общественного питания. Краткий курс лекций содержит материал по теоретическим основами работы тепловых двигателей, холодильных машин и тепловых насосов, а также способам теплообмена. Направлен на формирование у студентов навыков в области расчета теплового и холодильного оборудования, теоретических основ его функционирования, происходящих в нем процессов и их использования в профессиональной деятельности. УДК 536.7 ББК 31.31:31.3 © Катков Д.С., 2016 © ФГБОУ ВО Саратовский ГАУ, 2016 Введение. Рациональное использование теплоты в сельском хозяйстве и промышленном производстве невозможно без знания основных законов теплотехники и теории теплопередачи. Различают два вида использования теплоты – энергетическое и технологическое. Энергетическое использование теплоты основывается на процессах, преобразующих теплоту в механическую работу. Эти процессы изучаются технической термодинамикой. Термодинамика представляет собой физическую теорию и изучает закономерности тепловой формы движения материи. Наука, изучающая закономерности теплообмена между телами, называется теорией теплопередачи. Техническая термодинамика и теория теплопередачи составляют теоретическую часть теплотехнической науки. Краткий курс лекций по дисциплине «Теплотехника» предназначен для студентов по направлению подготовки 35.03.06 Агроинженерия. Лекция 1 ВВОДНАЯ ЛЕКЦИЯ. ЦЕЛЬ, ЗАДАЧИ И СТРУКТУРА КУРСА ДИСЦИПЛИНЫ Определение предмета теплотехники как науки. Теплотехника – это область науки и техники, занимающаяся вопросами получения, преобразования и использования энергии. Слово «Термодинамика»происходит от греческого «therme» – тепло и «dynamis» – сила, движение, вместе – «движущая сила тепла». В зависимости от круга рассматриваемых вопросов различают техническую, химическую, лучистого тепла и физическую термодинамику. Техническаятермодинамика– наука, изучающая законы преобразования и эффективность взаимного преобразования теплоты и работы, она непосредственно связана с процессами, протекающими в тепловых двигателях и установках, позволяет оценить их эффективность, а также найти рациональные основы для их построения. Техническая термодинамика является теоретической основой расчета, проектирования и совершенствования тепловых двигателей, компрессорных, сушильных и холодильных установок, воздухо- и паропроводов. Основные понятия и определения технической термодинамики. Энергия– это количественная мера движения различных форм материи. Рабочеетело– это вещество, посредством которого происходит взаимное превращение одного вида энергии в другой. Идеальным газом называется газ, состоящий из упругих молекул, между которыми не действуют силы взаимного притяжения, причем объем, занимаемый молекулами, незначителен по сравнению с объемом межмолекулярного пространства, т.е. молекулы можно рассматривать как материальные точки. Примером идеального газа могут служить газы, это продукты сгорания в ДВС, воздух в компрессоре, водяной пар, находящийся в воздухе. Реальнымгазомназывается газ, между молекулами которого действуют силы взаимного притяжения и их размерами нельзя пренебречь. Примером реального газа служат пары жидкостей, это водяной пар в паровых машинах, пары рабочего тела в холодильных установках и т.д. Вопросы для самоконтроля История формирования и понятие теплотехники как науки. Что изучает техническая термодинамика? Понятие термодинамической системы, теплоты, работы. Понятие равновесного состояния термодинамической системы. Понятие рабочего тела. Идеальные и реальные газы. Приведите примеры. 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. Лекция 2 ПАРАМЕТРЫ И УРАВНЕНИЯ СОСТОЯНИЯ РАБОЧЕГО ТЕЛА. СМЕСИ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ. ТЕПЛОЕМКОСТЬ ГАЗОВ И ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ Параметры состояния рабочего тела. Давлением рабочего тела называют величину среднерезультирующего усилия от ударов молекул, приходящуюся на единицу поверхности и действующую по нормали к ней. Различают абсолютное и избыточное давление. Под избыточным давлением понимают разность между абсолютным давлением и давлением окружающей среды. Прибор для измерения избыточного давления называют манометром. Если давление газа в сосуде превышает давление окружающей среды, то абсолютное давление равно: ра= рм+ рб где рм– давление газа в сосуде по манометру; рб– давление окружающей среды по барометру. В технике единицей измерения давления служит паскаль. В системе «Си»: 1 Па = 1 Н/м2 1 Н = 0,1 кг = 100 гр Температура– это мера интенсивности теплового движения молекул вещества. В лабораторных и промышленных условиях температуру измеряют жидкостными термометрами, термопарами и пирометрами. Температуру измеряют либо по термодинамической шкале Кельвина (К) (в системе «Си»), либо по международной практической шкале Цельсия (°С). Соотношение температур Т, К и t, °С, следующее: Т= t + 273,15. Удельныйобъем– это объем, занимаемый единицей массы вещества. Если однородное тело массой Мзанимает объем V, то его удельный объем равен: υ= V/М,[м3 / кг ]. Уравнения состояния газов. На основании законов Бойля – Мариотта, Шарля и Гей – Люссака и основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов выводится уравнение состояниядля1 кг идеальногогаза (уравнениеКлапейрона): р RT, Уравнение состояния дляпроизвольноймассыидеальногогазаМ: рV МRT, Уравнение состояния для1киломолягаза(уравнениеКлапейрона–Менделеева): р RT, где – объем одного киломоля идеального газа, = 22,4 м3/кмоль; R– газовая постоянная, кДж / (кг·K); R– универсальная газовая постоянная, кДж / (кмоль·K); Смеси идеальных газов и способы их задания. Давление, которое оказывает при этом каждый компонент смеси на стенки сосуда, называется парциальным. По законуДальтона, давление газовой смеси Рсм, Па равно сумме парциальных давлений газов, входящих в смесь: pсм=∑ рк, где рк– парциальное давление газа в смеси, Па. Газовая смесь может быть задана массовыми, объемными и мольными долями. Если смесь из двух газов и количество смеси Мсм, кг, то массовая доля первого газа m1равна отношению массы газа, находящегося в смеси М1, к массе газовой смеси Мсм. M m1 1 . M см ∑ mк= 1. Аналогично, если мы имеем газовую смесь, состоящую из двух газов, объем которой равен Vсм, м3 , то объемные доли компонентов смеси будут соответственно равны: r1 V1 Vсм , r2 V2 Vсм , ∑ rк= 1. Теплоемкость газов и газовых смесей. Теплоемкостьюгазаназывают количество теплоты, которое необходимо подвести к 1 кг газа, чтобы изменить его температуру на 1 К. Обозначают:теплоемкость С , кДж/К; удельная теплоемкость с:массовая с, кДж/(кг·К); объемная с´, кДж/(м3·К); молярная μс, кДж/(кмоль·К). Теплоемкость газов зависит от процесса, физических свойств (атомности), структуры, влажности газа и от температуры. Удельная теплоемкость обозначается: в процессе при р = const (изобарная): массовая сp; объемная с´р; молярная μср; в процессе приυ = const (изохорная): массовая сυ; объемная с´υ; молярная μсυ. Формула Майера: ср с R; ср с R; ср k; с ср k; с где R– индивидуальная газовая постоянная; μR– универсальная газовая постоянная, 8314 Дж/(кмоль·К); 22,4– объем одного киломоля при нормальных условиях, м3/кмоль; ρ– плотность газа при нормальных условиях, кг/м3; k– показатель адиабаты. Он всегда больше единицы, т.к. ср> сυи μср> μсυ. Удельнуютеплоемкостьгазовойсмесиподсчитывают по выражениям: массовую ссм = ∑ ск mк ; объемную с´см = ∑ с´к rк ; молярную μссм= ∑ μскrк; В данных выражениях ски с´кмогут быть постоянными истинными и средними теплоемкостями. Вопросы для самоконтроля Давление как параметр состояния рабочего тела – понятие, единицы измерения, средства измерения. Температура как параметр состояния рабочего тела – понятие, единицы измерения, средства измерения. Характеристические уравнения состояния идеального газа. Физический смысл универсальной и индивидуальной газовых постоянных. Способы задания газовых смесей. Расчетные выражения. От каких факторов зависит величина теплоемкости газа? 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. Лекция 3 ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ И ФОРМЫ ЕЕ ПЕРЕДАЧИ Первый закон термодинамики. Формулировка первого закона термодинамики: энергия, подводимая к рабочему телу в форме теплоты, в конечном итоге идет на изменение внутренней энергии тела и на совершение внешней работы. Длязакрытыхсистемпервыйзаконтермодинамики, можно записать в следующем виде: для произвольного количества рабочего тела Q=ΔU+L, В данном случае, поскольку центр массы рабочего тела не перемещается, внешняя энергия рабочего тела Ев– будет величиной постоянной, и ее изменение будет равно нулю. Для 1 кг рабочего тела q= Δu + l, где Q,q,ΔU,Δu,L,l–теплота, изменение внутренней энергии, работа. Эти величины могут иметь различные знаки. Внутренняя энергия, энтальпия и энтропия как функции состояния. В технической термодинамике под внутренней энергией принято понимать сумму энергии движения молекул (поступательного и вращательного), энергии колебаний атомов внутри молекулы, а также потенциальной энергии взаимодействия между молекулами (для реальных газов). Внутренняя энергия – U, Дж – является экстенсивным свойством газа, т.е. зависит от массы. Поэтому для большей определенности внутреннюю энергию газа относят к 1 кг массы газа. M uU. В незамкнутом процессе: u с dT с (T2 T1 ). Теплота и работа как формы передачи энергии. Работав термодинамике так же, как и в механике, определяется произведением силы, действующей на рабочее тело, на путь ее действия. 2 l pd; dl pd. 1 Теплота, Q, Дж – есть произведение теплового потенциала Т на изменение тепловой координаты s (энтропии). 2 Q TdS; dQ TdS. 1 Рассмотренные величины U, Q, и Lимеют одинаковую размерность (Дж), но физические понятия, определяющие эти величины глубоко различны. Внутренняя энергия U представляет собой функцию состояния; если рабочее тело изолировано, то запас его энергии не может быть изменен. Изменение количества энергии в рабочем теле может произойти только в случае, если рабочее тело вступит во взаимодействие с другими телами, передавая им часть своей энергии и воспринимая ее от них. Эта передача энергии может быть осуществлена только двумя способами: теплообменом или посредством работы. Суммарные количества теплоты и работы определяют количество энергии, переданное в процессе от одного тела к другому. Вопросы для самоконтроля Первый закон термодинамики: формулировки, математическое описание. Понятие внутренней энергии. Единицы измерения. Внутренняя энергия как функция параметров состояния рабочего тела. Определение ΔU в термодинамических процессах. Понятие работы в технической термодинамике. Единицы измерения. Работа как функция процесса. Определение работы в термодинамических процессах P-υ -диаграмма. Понятие теплоты в технической термодинамике. Единицы измерения. Теплота как функция процесса. Определение теплоты в термодинамических процессах T-S -диаграмма. 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. Лекция 4 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ Методика исследования термодинамических процессов. При изучении термодинамических процессов идеальных газов должны быть решены две задачи: первая задача сводится к определению уравнения процесса, устанавливающего закономерность изменения состояния рабочего тела в процессе; вторая – к выявлению особенностей преобразования подведенного к рабочему телу количества теплоты и распределения ее между изменением внутренней энергии и совершаемой рабочим телом работой. Основой решения первой задачи является уравнение первого закона термодинамики, записанное при соблюдении условий, присущих рассматриваемому процессу, и уравнения состояния идеального газа. Для решения второй задачи определяют изменение внутренней энергии. Для всех процессов она определяется одинаково: du c dT. (4.1) Если известна теплоемкость сυ, то u c (T2 Т1 ). (4.2) Изохорный процесс. Изохорныйпроцесс Изохорный процесс происходит при нагревании или охлаждении газа в постоянном объеме. Соотношение между параметрами состояния в изохорном процессе в соответствии с законом Шарля (давление газа фиксированной массы и фиксированного объема прямо пропорционально его температуре) для идеальных газов будет p1 T1 , p2 T2 т.е. давление всегда остается пропорциональным температуре. 2 Работа при dυ = 0не совершается, и l pd 0. 1 При нагревании газа q>0, его давление и температура повышаются, а при охлаждении q < 0 – уменьшаются. Так как в изохорном процессе l = 0, то теплота, подводимая к рабочем телу, определиться из выражения: q u u2 u1 c (T2 Т1 ). Распределение теплоты в изохорном процессе выражается схемой (рисунок 4.4), которая показывает, что вся теплота, подведенная к рабочему телу, q > 0, расходуется на изменение внутренней энергии. Изобарный процесс. Изобарныйпроцесс Изобарныйпроцесспроисходит при нагревании или охлаждении газа при постоянном давлении. По законуГей–Люссака(при постоянном давлении объем постоянной массы идеального газа пропорционален абсолютной температуре) изменение объема в процессе с постоянным давлением прямо пропорционально изменению температуры, т.е. 2 T2 . 1 T1 Изменение внутренней энергии в изобарном процессе определяют по выражению u c (T2 Т1 ). Работа газа в изобарном процессе определяется выражением 2 l pd р(2 1 ) R(T2 T1). (*) 1 Если сР=const,то qP сp(T2 Т1 ) h2 h1. Из данного выражения видно, что теплота, подведенная к рабочему телу в изобарном процессе, идет на увеличение энтальпии. Изотермический процесс. Изотермическийпроцесс Изотермическийпроцесспроисходит при расширении или сжатии газа при постоянной температуре. Изотермический процесс протекает при условии dT=0, следовательно, в этом процессе du=0и dh=0. Соотношение между начальными и конечными параметрами в изотермическом процессе определяется закономБойля-Мариотта(при постоянной температуре и массе идеального газа произведение его давления и объема постоянно): р2 1 . р1 2 Работа газа в изотермическом процессе может быть получена из выражения: 1 2 2 d 2 d l pd RT RT RTln2, 1 1 1 q Т(s2 s1). Адиабатный процесс. Адиабатныйпроцесс Адиабатныйпроцесспроисходит при расширении или сжатии газа без теплообмена с внешней средой. Адиабатный процесс протекает при условии ds=0и q=0. Уравнения адиабатного процесса pυk=const. Здесь k– показатель адиабаты. k ср. Причем kвсегда больше 1. с Соотношение между параметрами состояния в адиабатном процессе может быть получено по уравнению адиабаты с учетом уравнения состояния газа: k р2 1 Т2 1 k1 Т2 k1 р2 k р ; Т |