182

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Департамент научно – технологической политики и образования

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

МИЧУРИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Утверждено:

Протокол №______

учебно – методической

комиссией

инженерного факультета

От_____ ________200__г

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

ПО ТЕПЛОТЕХНИКЕ

для студентов очной, заочной форм обучения и дистанционной технологии обучения для направления подготовки специальностей:

110302 – Технология обслуживания и ремонта машин в АПК

110303 – Механизация переработки с/х продукции

110304 – Электрификация и автоматизация с/х

080401 – Товароведение и экспертиза товаров

260501 – Технология продуктов общественного питания

Мичуринск – Наукоград

2008

Составители:

1. Леденёва Галина Александровна – старший преподаватель

2. Леденёва Анна Ивановна – ассистент

3. Астапов Сергей Юрьевич – ассистент

Рецензент – кандидат технических наук, доцент Гурьянов Д.В.

Аннотация:

Данный курс рассматривает основные положения технической термодинамики и тепломассообмена. Каждая тема включает теоретическую часть, дающую определения основных понятий, диаграммы и характеристики процессов и циклов, основные формулы и законы, пояснения к ним, указаны сферы их применения. Рассматривается роль ВЭР и охрана окружающей среды.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………………………6

ЧАСТЬ 1. ТЕРМОДИНАМИКА

Тема 1. Основные понятия и определения ………………………………….7

1.1Предмет и метод термодинамики………………………………….7

1.2.Объект изучения термодинамики…………………………………8

1.3.Параметры состояния термодинамической системы…………….9

1.4.Уравнение состояния идеального газа. Понятие об идеальных и реальных газах…………………………………………………………13

1.5.Газовые смеси……………………………………………………...15

1.6. Термодинамические процессы…………………………………..17

Тема 2.Первый закон термодинамики………………………………………19

2.1.Аналитическое выражение I закона термодинамики. Частные...19 случаи закона.

2.2.Внутренняя энергия системы……………………………………..21

2.3.Работа расширения PV-диаграмма для изображения работы…..23

2.4.Работа и теплота…………………………………………………...25

2.5.Теплоемкость газов………………………………………………..26

2.6.Энтальпия………………………………………………………….30

Тема 3. Второй закон термодинамики…...………………………………….33

3.1Общая характеристика закона…………………………………….33

3.2.Энтропия и математическое выражение второго закона……….33

3.3.III начало термодинамики………………………………………...34

3.4.TS-диаграмма для изображения теплоты………………………..36

3.5.Физический смысл энтропии……………………………………..37

3.6. Основное уравнение термодинамики и вычисление энтропии..38

Тема 4. Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах……………………………………………………………………………..40

4.1 Изохорный процесс……………………………………………….40

4.2.Изобарный процесс……………………………………………….42

4.3.Изотермический процесс…………………………………………44

4.4. Адиабатный процесс……………………………………………..45

4.5.Политропный процесс……………………………………………47

Тема 5. Термодинамические циклы………………………………...……….51

5.1.Круговые процессы……………………………………………….51

5.2. Термодинамическая схема теплового двигателя……………....53

5.3.Прямой цикл Карно……………………………………………....57

5.4.Обратный цикл Карно……………………………………………60

Тема 6. Цикл паросиловых, холодильных установок и теплового

насоса………………………………………………………………………….63

6.1.Циклы паросиловых установок. Цикл Ренкина……………......63

6.2.Циклы холодильных установок…………………………………66

6.3.Цикл теплового насоса…………………………………………..71

6.4.Эксергия. Эксергический анализ………………………………..73

Тема 7. Теоретические циклы ДВС (двигателей внутреннего

сгорания)………………………………………………………………………75

7.1.Цикл Отто………………………………………………………...76

7.2.Цикл Дизеля……………………………………………………...77

7.3.Цикл Тринклера………………………………………………….78

Тема 8. Термодинамика потока газов и паров…………………………….79

8.1.Уравнение первого закона термодинамики для потока……….79

8.2.Истечение и газов и паров……………………………………….83

8.3.Дросселирование. Температура инверсии……………………...86

ЧАСТЬ 2. ТЕОРИЯ ТЕПЛО - И МАССООБМЕНА

Тема 9. Основа теории теплообмена………………...………………………90

9.1.Введение. Теплопроводность…………………………………….90

9.2.Закон Фурье - основной закон теплопроводности……………...91

9.3.Теплопроводность плоской, однородной, однослойной

стенки………………………………………………………………….93

9.4.Теплопроводность многослойной стенки………………………95

9.5.Теплопроводность цилиндрической стенки……………………99

Тема 10. Конвективный теплообмен……………..……………………….100

10.1.Понятие теплообмена. Закон Ньютона – Рихмана…………..100

10.2.Критерипи подобия……………………………………………103

10.3. теплоотдача при вынужденном движении теплоносителя...106

10.4.Теплоотдача при свободном движении теплоносителя…….107

10.5.Теплоотдача при кипении…………………………………….108

10.6.Теплоотдача при конденсации пара………………………….109

Тема 11. Теплопередача через стенку………...…………………………...111

11.1.Понятие теплопередачи, теплопередача через плоскую

стенку………………………………………………………………..111

11.2.Уравнение теплопередачи…………………………………….113

11.3.Теплопередача через цилиндрическую стенку……………...114

Тема 12. Лучистый теплообмен………………………...………………….115

12.1.Понятие лучистого теплообмена……………………………..115

12.2.Законы лучистого теплообмена………………………………117

12.3.Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде…119

Тема 13. Водяной пар……………………………………………..…………122

13.1.Процесс парообразования в PV-координатах………………..123

13.2.TS и HS диаграммы водяного пара…………………………...124

13.3.Параметры состояния жидкости и пара……………………...126

Тема 14. Влажный воздух…………………………………...………………131

14.1.Понятие влажного воздуха, его характеристики…………….131

14.2.Hd-диаграмма влажного воздуха……………………………..133

14.3.Сушка материала………………………………………………136

Тема 15. Топливо…………………...………………………………………...137

15.1.Классификация топлива……………………………………….137

15.2. Состав топлива………………………………………………...139

15.3.Характеристики топлива………………………………………141

15.4.Примеры твердого, жидкого, газообразного топлива……….143

15.5.Процесс горения топлива……………………………………...145

15.6.Состав и объем продуктов сгорания………………………….147

15.7.Нефтяные топлива……………………………………………...149

15.8.Понятия детонации, октанового числа и цетанового числа…148

Тема 16. Котельные установки……………..………………………………149

16.1.Понятие котла и котельной установки………………………..149

16.2.Паровой котел и его основные элементы……………………..149

16.3.Паровые и водогрейные котлы………………………………...155

16.4.Вспомогательное оборудование……………………………….162

16.5.Топка, топочные устройства………………………………...…164

16.6.Котлы- утилизаторы……………………………………………167

16.7.Тепловой баланс горения………………………………………169

Тема 17. Использование вэр и охрана окружающей среды………..…..170

17.1.Понятие ВЭР…………………………………………………….170

17.2.Классификация ВЭР в промышленности. Общая характеристика ВЭР промышленных предприятий………………………………172

17.3.Использования вторичной энергии ресурсов

Промышленности…………………………………………………….174

17.4.Расчет ВЭР на экономическую эффективность………………175

Заключение……………………………………………………………………..180

Литература……………………………………………………………………...181

Введение

Тепловая энергия – основной вид энергии потребляемой в мире. Она обеспечивает работу и развитие промышленности и транспорта, создает условия для жизни людей.

Значительна роль тепловой энергии и в сельском хозяйстве. Её доля в общем, энергетическом балансе сельского энергопотребления – 80%.

Изучением методов получения тепла, преобразования, передачи, накопления и использования тепловой энергии и связанных с этим аппаратов и устройств, занимается теплотехника, как научная дисциплина, так и отрасль техники.

Одна из существенных проблем современности – экономия энергетических ресурсов. Наиболее перспективные пути экономии теплоты и топлива основаны на использовании возобновляемых и вторичных источников энергии. Весьма важно, что нетрадиционные источники энергии фактически не загрязняют окружающую среду.

Часть 1. Термодинамика

Тема 1. Основные понятия и определения

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 статистическим и 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 (начала) термодинамики.

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