Голуб Владимир Олегович

ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

Курс лекций

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................................	5
ЛЕКЦИЯ 1. Предмет и метод термодинамики.....................................................................	6
Термодинамическая система.............................................................................	7
Термодинамические параметры состояния.....................................................	8
Уравнение состояния.........................................................................................	10
Термодинамический процесс..........................................................................	13
Теплоемкость газов...........................................................................................	15
ЛЕКЦИЯ 2. Смеси идеальных газов....................................................................................	20
Аналитическое выражение первого закона термодинамки............................	23
ЛЕКЦИЯ 3. Внутренняя энергия...........................................................................................	26
Работа расширения..........................................................................................	27
Теплота................................................................................................................	30
Энтальпия..............................................................................................................	31
Энтропия..............................................................................................................	33
ЛЕКЦИЯ 4. Общая формулировка второго закона..............................................................	36
Прямой цикл Карно..............................................................................................	39
Обратный цикл Карно.........................................................................................	42
Изменение энтропии в неравновесных процессах...........................................	45
ЛЕКЦИЯ 5. Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах.........	48
Эксергия................................................................................................................	56
ЛЕКЦИЯ 6. Термодинамические процессы реальных газов................................................	58
Уравнение состояния реальных газов...............................................................	68
ЛЕКЦИЯ 7. Уравнение первого закона термодинамики для потока...................................	70
Истечение из суживающегося сопла..................................................................	75
Основные закономерности течения газа в соплах и диффузорах...................	79
Расчет процесса истечения с помощью h-s диаграммы....................................	82
Дросселирование газов и паров..........................................................................	83
ЛЕКЦИЯ 8. Термодинамическая эффективность циклов теплосиловых установок.........	87
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания....................................	90
Циклы газотурбинных установок.......................................................................	93
Циклы паротурбинных установок....................................................................	96
Циклы Карно и Ренкина насыщенного пара. Регенерация теплоты...............	96
Цикл Ренкина на перегретом паре......................................................................	100
Термический КПД цикла....................................................................................	101
Теплофикация.......................................................................................................	104
ЛЕКЦИЯ 9. Основные понятия и определения....................................................................	109
Теория теплопроводности...................................................................................	111
Задачи....................................................................................................................	115
ЛЕКЦИЯ 10. Теплопередача....................................................................................................	118
Плоская стенка....................................................................................................	118
Цилиндрическая стенка......................................................................................	120
Интенсификация теплопередачи.......................................................................	121
Тепловая изоляция..............................................................................................	122
Задачи по теплопередаче....................................................................................	123
ЛЕКЦИЯ 11. Конвективный теплообмен. Основной закон конвективного теплообмена.	127
Пограничный слой..............................................................................................	128
Числа подобия.....................................................................................................	130
Массообмен..........................................................................................................	131
ЛЕКЦИЯ 12. Частные случаи конвективного теплообмена. Поперечное обтекание одиночной трубы и пучка труб..........................................................................	133
Течение теплоносителя внутри труб.................................................................	134
Теплоотдача при естественной конвекции........................................................	134
Теплоотдача при конденсации............................................................................	135
Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи..............................	136
ЛЕКЦИЯ 13. Описание процесса излучения. Основные определения...............................	137
Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде..............................	138
Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде.................	141
ЛЕКЦИЯ 14. Теплообменные аппараты................................................................................	143
Типы теплообменных аппаратов.......................................................................	143
Расчетные уравнения..........................................................................................	145
ЛЕКЦИЯ 15. Термодинамический анализ топливосжигающих устройств.......................	148
Полезная тепловая нагрузка печи.......................................................................	151
Расчет процесса горения топлива в печи............................................................	152
Тепловой баланс печи, коэффициент полезного действия, расход топлива...	155
ЛЕКЦИЯ 16. Котельные установки. Общие сведения........................................................	158
Устройство парового котла..................................................................................	158
Тепловой баланс парового котла. Коэффициент полезного действия.............	160
ЛЕКЦИЯ 17. Состав и основные характеристики жидкого топлива...................................	162
Состав и основные характеристики газообразного топлива.............................	162
Теплота сгорания топлива....................................................................................	163
Количество воздуха, необходимого для горения. Теплота «сгорания» воздуха.................................................................................................................	165
Объемы и состав продуктов сгорания..................................................................	167
ЛЕКЦИЯ 18. Вторичные энергоресурсы. Классификация ВЭР..........................................	169
Методы использования тепловых ВЭР................................................................	169
Установки для внутреннего теплоиспользования...............................................	170
Котлы-утилизаторы..............................................................................................	172
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..............................................................	174

Введение

В последние годы ученые всего мира со все большим беспокойством говорят о повышении концентрации СО₂ в атмосфере. Если эти опасения подтвердятся, человечеству в не таком уж отдаленном будущем придется резко ограничить потребление углеродсодержащих топлив. Кроме выбросов СО₂ топливосжигающие и теплоэнергетические установки производят тепловые загрязнения (выбросы нагретой воды и газов), химические (оксиды серы и азота), золу и сажу, которые с увеличением масштаба производства также создают серьезные проблемы.

Однако экономические факторы стимулируют резкое увеличение степени использования добываемого топлива. Вместе с тем пока еще энергетическая эффективность многих технологических процессов чрезвычайно низка, ибо технологи, разрабатывая соответствующие процессы, зачастую не ставили во главу угла вопросы экономии топлива.

Высокие цены на топливо (прежде всего нефть) на мировом рынке стимулируют разработку энергосберегающих технологий. Главная роль в разработке менее энергоемких технологий принадлежит технологам. Эту задачу невозможно решить без глубоких знаний основных законов теплотехники.

Сегодня выгоднее вкладывать средства не в увеличение добычи топлива, чтобы продолжать расходовать его с низкой эффективностью, а в разработку технологических процессов, обеспечивающих более экономное его использование. В целом более 90 % всей используемой человечеством энергии приходится на ископаемые органические топлива. Это определяет роль теплотехники – общеинженерной дисциплины, изучающей методы получения, преобразования, передачи, и использования теплоты и связанных с этим аппаратов и устройств.

Лекция 1 Предмет и метод термодинамики

Термодинамика изучает зако­ны превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопи­ческих системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Макроскопиче­ской системой называется любой матери­альный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопиче­ских систем несоизмеримо больше разме­ров молекул и атомов.

В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химиче­скую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свой­ства тел, участвующих в этих превраще­ниях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретическим фундаментом теплотехники. На ее основе осуществля­ют расчет и проектирование всех тепло­вых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования.

Рассматривая только макроскопиче­ские системы, термодинамика изучает закономерности тепловой формы движе­ния материи, обусловленные наличием огромного числа непрерывно движущих­ся и взаимодействующих между собой микроструктурных частиц (молекул, ато­мов, ионов).

Физические свойства макроскопиче­ских систем изучаются статистическими термодинамическим методами. Стати­стический метод основан на использова­нии теории вероятностей и определенных моделей строения этих систем и пред­ставляет собой содержание статистиче­ской физики. Термодинамический метод не требует привлечения модельных пред­ставлений о структуре вещества и является феноменологическим (т. е. рассматривает «феномены» — яв­ления в целом).

При этом все основные выводы термодинамики можно получить методом дедукции, используя только два основных эмпирических закона термодинамики.

В дальнейшем исходя из термодина­мического метода мы будем для нагляд­ности использовать молекулярно-кинетические представления о структуре ве­щества.