tot_book
.pdf1
ДК 536.7(07) + 536.24
Рецензенты: кафедра “Теплотехника и теплосиловые установки” Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщения (д-р техн. наук, проф. И.Г. Киселев),
профессор Б.С. Фокин (АОО НПО "ЦКТИ им. И.И. Ползунова")
Сапожников С.З., Китанин Э.Л. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебник для вузов. СПб.: Изд-во СПбГТУ,
1999. 319 с.
ISBN 5-7422-0098-6
Изложены основы технической термодинамики и теплопередачи. Представлены начала термодинамики, методы расчета термодинамических процессов с идеальным газом и с реальными рабочими телами, циклов энергетических установок, холодильных машин и тепловых насосов. Описаны процессы стационарной и нестационарной теплопроводности, конвективного теплообмена, теплообмена излучением. Даны основы теплового расчета теплообменников.
Предназначен для бакалавров по направлению 551400 “Наземные транспортные системы”.
I8ВN 5-7422-0098-6
Санкт-Петербургский государственный технический университет, 1999 Сапожников С.З., Китанин Э.Л., 1999
2
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие........................................................................
1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА......................
1.1.Предмет и метод технической термодинамики.......
1.2.Основные понятия термодинамики........................
1.2.1.Термодинамическая система и термодинамические параметры...........................................................
1.2.2.Термодинамическое равновесие и равновесный тер-
модинамический процесс..................................
1.2.3.Термическое уравнение состояния. Термодинамическая поверхность и диаграммы состояний……………………………………………….
1.2.4.Смеси идеальных газов........................................
1.2.5.Энергия, работа, теплота......................................
1.2.6.Теплоемкость.........................................................
1.3.Первое начало термодинамики..................................
1.3.1.Уравнение первого начала...................................
1.3.2. |
Внутренняя |
энергия |
как |
функция |
состояния......................................................................... |
|
|
|
|
1.3.3. Энтальпия и ее свойства...................................... |
|
|
||
1.3.4. |
Уравнение первого начала |
для |
идеального |
|
газа......................................................................................... |
|
|
|
|
1.4.Анализ процессов с идеальным газом.......................
1.4.1.Изобарный процесс..............................................
1.4.2.Изохорный процесс...............................................
1.4.3.Изотермический процесс......................................
1.4.4.Адиабатный процесс.............................................
1.4.5.Политропные процессы........................................
1.4.6.Сжатие газа в поршневом компрессоре..............
1.5.Второе начало термодинамики...................................
1.5.1.Обратимые и необратимые процессы.................
1.5.2.Циклы и их КПД....................................................
1.5.3.Формулировки второго начала............................
1.5.4.Цикл Карно. Теорема Карно................................
3
1.5.5.Энтропия, ее изменение в обратимых и необрати-
мых процессах.................................................................
1.5.6.Т–s-диаграмма состояний. Изменение энтропии в
процессах |
идеального |
газа.................................................................................... |
|
1.5.7.Термодинамическая шкала температур..............
1.6.Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.................................................................................
1.6.1.Цикл с изохорным подводом теплоты (цикл Отто)
1.6.2.Цикл с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля)
...........................................................................................................
1.6.3.Сравнение эффективности циклов ДВС.............
1.7.Циклы газотурбинных установок..............................
1.7.1.Схема и цикл с изобарным подводом теплоты..
1.7.2.Термический КПД цикла Брайтона...................
1.7.3.Регенеративный цикл ГТУ..............................
1.7.4.Эффективность реальных циклов...................
1.8.Термодинамика реальных рабочих тел....................
1.8.1.Уравнения состояния реальных газов...............
1.8.2.Изменение агрегатного состояния вещества....
1.8.3.Диаграммы и таблицы состояний.....................
1.9.Циклы паросиловых установок.................................
1.9.1.Паровой цикл Карно..........................................
1.9.2.Цикл Ренкина.....................................................
1.10.Циклы холодильных машин и тепловых насосов
1.10.1.Обратный цикл Карно....................................
1.10.2.Цикл парокомпрессионной холодильной машины с перегревом пара и дросселированием.................
1.10.3.Цикл теплового насоса...................................
1.11.Влажный воздух..........................................................
1.11.1Основные понятия и определения...................
1.11.2. h–d-диаграмма влажного воздуха..................
2.ТЕПЛОПЕРЕДАЧА.........................................................
4
2.1.Общие представления о теплопередаче...................
2.2.Теплопроводность........................................................
2.2.1.Основные понятия и определения............
2.2.2.Гипотеза Био-Фурье....................................
2.2.3.Дифференциальное уравнение теплопроводности.
…………………………………………………………
2.2.4. Условия однозначности.................................
2.2.5.Модели тел в задачах теплопроводности......
2.3.Стационарная теплопроводность..............................
2.3.1.Теплопроводность пластин и оболочек.........
2.3.2.Теплопроводность оребренных поверхностей.
2.4.Нестационарная теплопроводность..........................
2.4.1.Теплопроводность термически тонких тел.......
2.4.2.Теплопроводность полуограниченного тела и стержня .......................................................
2.4.3.Нагрев и охлаждение пластины, цилиндра и шара
.
2.4.4.Нагрев и охлаждение тел конечных размеров……..
2.4.5.Регулярный тепловой режим.........................
2.5.Приближенные методы теории теплопроводности..
2.5.1.Электротепловая аналогия.............................
2.5.2.Графический метод........................................
2.5.3.Метод конечных разностей..........................
2.6.Физические основы конвективного теплообмена..
2.6.1.Основные понятия и определения.................
2.6.2.Дифференциальные уравнения конвективного
теплообмена ..............................................................
2.7.Основы теории подобия...............................................
2.7.1.Подобие физических явлений.......................
2.7.2.Теоремы подобия.............................................
2.7.3.Уравнения подобия.........................................
2.7.4.Правила моделирования..................................
2.8.Конвективный теплообмен в однофазной среде.....
2.8.1.Режимы течения жидкостей и газов...............
5
2.8.2. Пограничный слой............................................
2.8.3.Теплообмен в ламинарном пограничном слое на
плоской поверхности.................................................
2.8.4.Теплообмен в турбулентном пограничном слое на плоской поверхности.............................................
2.8.5.Теплообмен при вынужденной конвекции в трубах и каналах...............................
2.8.6.Теплообмен на стабилизированном участке течения.Интеграл Лайона.........................................
2.8.7.Теплообмен при ламинарном течении в трубах
………………………………………………………..
2.8.8.Теплообмен при турбулентном течении в трубах
...
2.8.9.Теплообмен при обтекании труб и трубных пучков..........................................................................
2.8.10.Теплообмен при свободной конвекции........
2.8.11.Теплообмен в псевдоожиженных средах.......
2.9.Конвективный теплообмен при кипении и конденсации...........................................................................
2.9.1.Теплообмен при кипении................................
2.9.2.Теплообмен при конденсации.........................
2.9.3.Тепловые трубы................................................
2.10.Теплообмен излучением............................................
2.10.1.Физические основы излучения......................
2.10.2.Расчет теплообмена излучением...................
2.10.3.Солнечное излучение.....................................
2.10.4.Сложный теплообмен.....................................
2.11.Теплообменники..........................................................
2.11.1Классификация и назначение.........................
2.11.2. Основы теплового расчета............................
2.11.3.Эффективность теплообменников. Реальные
коэффициенты теплопередачи.............................
2.11.4. Гидравлический расчет теплообменников...
Список литературы.............................................................
6
ПРЕДИСЛОВИЕ
“Техническая термодинамика и теплопередача” — один из основных курсов, читаемых бакалаврам по направлению “Наземные транспортные системы”. Он насыщен сведениями и сжат по времени изучения до 1–2 семестров, поэтому большинство фундаментальных учебников мало помогут студентам: они излишне подробны, не сориентированы на круг задач, связанных с транспортными системами и, наконец, просто рассчитаны на курсы значительно большего объема.
Для инженеров-транспортников главное — уяснить предмет и основные идеи термодинамики и теплопередачи, освоить сложившуюся терминологию этих наук. Совершенно необходимо помнить 10–15 основных формул (таких, например, как уравнение состояния идеального газа, формула для расчета теплопередачи через многослойную пластину, закон Стефана–Больцмана и т. д.). Остальные сведения, при всей их важности, нужно просто понять, представить физически, связать с примерами из различных областей жизни и техники. Поэтому главное внимание авторы постарались уделить физической стороне рассматриваемых явлений, а математическому аппарату оставили достойное, но скромное место.
Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам — кафедре "Теплотехника и теплосиловые установки" Петербургского государственного университета путей сообщения в лице д-ра техн. наук проф. И. Г. Киселева и канд. техн. наук доц. В. И. Крылова, а также д-ру техн. наук проф. Б. С. Фокину — за ценные замечания, позволившие улучшить первоначальный текст. Особая благодарность — канд. техн. наук Г. Г. Гавра за большую помощь в подготовке рукописи; ей принадлежит идея сопоставить N, ε — метод расчета теплообменников с традиционной расчетной схемой. И, конечно, очень ценной оказалась помощь в оформлении книги сотрудниц кафедры “Теоретические основы теплотехники” Санкт-Петербургского государственного технического
7
университета Э. О. Введенской, Р. М. Грозной, аспиранток Ю. В. Бурцевой и Е. М. Ротинян.
С. Сапожников Э. Китанин
8
1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
1.1.ПРЕДМЕТ И МЕТОД ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
Термодинамика — наука о преобразованиях энергии — фундаментальна для инженера-энергомашиностроителя. Зарождение термодинамики совпадает по времени с появлением первых паровых машин. В 1824 г. французский инженер С. Карно рассмотрел энергетическое взаимодействие воды и пара с различными частями двигателя и с окружающей средой, ему принадлежит первая оценка эффективности паровой машины. С тех пор предметом изучения термодинамики стали процессы в энергомашинах, агрегатные превращения веществ, физикохимические, плазменные и другие процессы. В основу этих исследований положен термодинамический метод: объектом исследования могут быть любые тела, входящие в так называемую
термодинамическую систему. Эта система должна быть:
достаточно обширной и сложной, чтобы в ней соблюдались статистические закономерности (движение молекул вещества в некотором объеме, нагрев и охлаждение частиц твердого материала в засыпке и т. д.);
замкнутой, т. е. иметь пределы во всех пространственных направлениях и состоять из конечного числа частиц.
Других ограничений для термодинамической системы нет. Объекты материального мира, не входящие в
термодинамическую систему, называют окружающей средой. Возвращаясь к работам С. Карно, отметим, что вода и
полученный из нее пар являются термодинамической системой. Проследив энерговзаимодействие воды и пара с
окружающими телами, можно оценить эффективность преобразования подведенной к машине теплоты в работу. Но современные энергомашины для преобразования энергии не всегда используют воду. Условимся называть любую среду, которая используется для преобразования энергии, рабочим телом.
9
Таким образом, предметом технической термодинамики
являются закономерности преобразования энергии в процессах взаимодействия рабочих тел с элементами энергомашин и с окружающей средой, анализ совершенства энергомашин, а также изучение свойств рабочих тел и их изменений в процессах взаимодействия.
В отличие от статистической физики, которая изучает физическую модель системы с четкими закономерностями взаимодействия микрочастиц, термодинамика не связана в своих выводах с какой-либо структурой тела и с определенными формами связи между элементами этой структуры. Термодинамика использует законы универсального характера, т. е. справедливые для всех тел, независимо от их строения. Эти законы заложены в основу всех термодинамических рассуждений и носят название
начал термодинамики.
Первое начало выражает закон сохранения энергии — всеобщий закон природы. Оно определяет баланс энергии при взаимодействиях внутри термодинамической системы, а также между термодинамической системой и окружающей средой.
Второе начало определяет направленность энергетических превращений и существенно расширяет возможности термодинамического метода.
Оба начала носят опытный характер и применимы ко всем термодинамическим системам.
Основываясь на этих двух началах, представленных в математической форме, можно выразить параметры энергообмена при различных взаимодействиях, установить связи между свойствами веществ и т. д. Однако для того, чтобы довести результаты до конкретных чисел, одних только "внутренних ресурсов" термодинамики недостаточно. Необходимо использовать экспериментальные или теоретические результаты, которые учитывают природу рабочего тела в реальной термодинамической системе. Если, например, воспользоваться опытными данными о плотности вещества, то с помощью термодинамического анализа можно вычислить его теплоемкость и т. д.
10
Таким образом, термодинамические исследования основываются на фундаментальных законах природы. В то же время инженерные расчеты в термодинамике невозможны без использования данных опытов или результатов теоретических исследований физических свойств рабочих тел.
1.2.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
1.2.1.Термодинамическая система и термодинамические параметры
Мы назвали термодинамической системой любое тело или систему тел, находящихся во взаимодействии между собой и(или) с окружающей средой (в такую систему могут, в частности, входить рабочие тела энергетических машин). В определении не уточняется, что именно считать термодинамической системой, а что — окружающей средой. Можно, например, термодинамической системой считать само рабочее тело, а “все остальное” полагать окружающей средой; можно выделить только часть тела, а окружающей средой считать оставшуюся часть и все другие тела. Можно, наоборот, расширить термодинамическую систему — включить в нее, кроме первого тела, несколько других, а все прочие тела считать окружающей средой. Такое расширение или сужение круга объектов, составляющих термодинамическую систему, позволяет выяснить важные особенности рабочих тел и энергетических взаимодействий между ними.
Известно, что одно и то же вещество может находиться в жидком, газообразном или твердом состоянии. При этом, естественно, различными будут и свойства этого вещества, этой термодинамической системы, например, плотность, коэффициент объемного расширения, магнитная проницаемость, скорость звука и т. д. Все эти, а также другие величины, характеризующие состояние термодинамической системы, называют термодинамическими параметрами состояния. Их очень много; традиционно выделяют