Теплопроводность — это вид теплопередачи, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц (молекул, атомов) более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части.
Рассмотрим ряд опытов с нагревом твердого тела, жидкости и газа.
Лучистый теплообмен.
Лучистый теплообмен — это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами.
Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящими-ся вокруг нас.
Так, например, сидя около костра, мы чувствуем, как тепло передается от огня нашему телу. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность (которая у воздуха, находящегося между пламенем и телом, очень мала), ни конвекция (так как конвекционные потоки всегда направлены вверх). Здесь имеет место третий вид теплообмена — лучистый теплообмен .
Возьмем небольшую, закопченную с одной стороны, колбу.
Через пробку в нее вста-вим изогнутую под прямым углом стеклянную трубку. В эту трубку, имеющую узкий канал, введем подкрашенную жидкость. Укрепив на трубке шкалу, получим прибор — термоскоп . Этот прибор позволяет обнаружить даже незначительное нагревание воздуха в закопченной колбе.
Если к темной поверхности термоскопа поднести кусок металла, нагретый до высокой температуры, то столбик жидкости переместится вправо. Очевидно, воздух в колбе нагрелся и расши-рился. Быстрое нагревание воздуха в термоскопе можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела. Как и в случае с костром, энергия здесь передалась не теплопроводностью и не конвективным теплообменом. Энергия в данном случае передалась с помощью невидимых лучей, испускаемых нагретым телом. Эти лучи называют тепловым излучением .
Лучистый теплообмен может происходить в полном вакууме. Этим он отличается от других видов теплообмена.
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например, тело человека, печь, электрическая лампочка. Но чем выше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение. Излученная энергия, достиг-нув других тел, частично поглощается ими, а частично отражается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.
Светлые и темные поверхности поглощают энергию по-разному. Так, если в опыте с термоскопом повернуть колбу к нагретому телу сначала закопченной, а затем светлой стороной, то столбик жидкости в первом случае переместится на большее расстояние, чем во втором (см. рисунок выше). Из этого следует, что тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию (и, следовательно, сильнее нагреваются), чем тела со светлой или зеркаль-ной поверхностью.
Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают, но и лучше излучают энергию.
Способность по-разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в техни-ке. Например, воздушные шары и крылья самолетов часто красят серебристой краской, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами.
Если же нужно использовать солнечную энергию (например, для нагревания некоторых прибо-ров, установленных на искусственных спутниках), то эти устройства окрашивают в темный цвет.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
Институт нефти и газа | |
Кафедра теплотехники | |
131000.62 «Нефтегазовое дело» | |
(код и наименование направления подготовки/специальности) | |
по дисциплине «Термодинамика и теплопередача» | |
Лекция 1. Предмет и метод термодинамики..................................................................... | |
Термодинамическая система............................................................................. | |
Термодинамические параметры состояния..................................................... | |
Уравнение состояния......................................................................................... | |
Термодинамический процесс.......................................................................... | |
Теплоемкость газов........................................................................................... | |
Лекция 2. Смеси идеальных газов.................................................................................... | |
Аналитическое выражение первого закона термодинамики............................ | |
Внутренняя энергия........................................................................................... | |
Работа расширения.......................................................................................... | |
Теплота................................................................................................................ | |
Энтальпия.............................................................................................................. | |
Энтропия.............................................................................................................. | |
Лекция 3. Общая формулировка второго закона.............................................................. | |
Прямой цикл Карно.............................................................................................. | |
Обратный цикл Карно......................................................................................... | |
Изменение энтропии в неравновесных процессах........................................... | |
Лекция 4. Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах......... | |
Лекция 5. Термодинамические процессы реальных газов................................................ | |
Уравнение состояния реальных газов............................................................... | |
Лекция 6. Уравнение первого закона термодинамики для потока................................... | |
Истечение из суживающегося сопла.................................................................. | |
Основные закономерности течения газа в соплах и диффузорах................... |
Расчет процесса истечения с помощью h-s диаграммы.................................... | |
Дросселирование газов и паров.......................................................................... | |
Лекция 7. Термодинамическая Эффективность циклов теплосиловых установок......... | |
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.................................... | |
Циклы газотурбинных установок....................................................................... | |
Циклы паротурбинных установок.................................................................... | |
Цикл Ренкина на перегретом паре...................................................................... | |
Термический КПД цикла.................................................................................... | |
Теплофикация....................................................................................................... | |
Общая характеристика холодильных установок …………………………….. | |
Лекция 8. Основы теории теплообмена............................................................................... | |
Основные понятия и определения ……………………………………………. | |
Теория теплопроводности. Закон Фурье............................................................ | |
Плоская стенка | |
Цилиндрическая стенка.................................................................................... | |
Лекция 9. Теплопередача.................................................................................................... | |
Плоская стенка.................................................................................................... | |
Цилиндрическая стенка...................................................................................... | |
Интенсификация теплопередачи....................................................................... | |
Тепловая изоляция.............................................................................................. | |
Лекция 10. Конвективный теплообмен. Основной закон конвективного теплообмена. | |
Пограничный слой.............................................................................................. | |
Числа подобия..................................................................................................... | |
Лекция 11. Частные случаи конвективного теплообмена. Поперечное обтекание | |
одиночной трубы и пучка труб......................................................................... | |
Течение теплоносителя внутри труб................................................................. | |
Теплоотдача при естественной конвекции........................................................ | |
Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи.............................. | |
Лекция 12. Описание процесса излучения. Основные определения…............................ | |
Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде…........................... | |
Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде….............. | |
Лекция 13. Теплообменные аппараты................................................................................ | |
Типы теплообменных аппаратов........................................................................ | |
Основы теплового расчета теплообменных аппаратов.................................. |
Предметиметодтермодинамики
Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных про-
цессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловы-
ми эффектами. Макроскопической системой называется любой материальный объ-
ект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопических систем несо-
измеримо больше размеров молекул и атомов.
В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химиче-
скую 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 за-
кономерности тепловой формы движения материи, обусловленные наличием огром-
ного числа непрерывно движущихся и взаимодействующих между собой микро-
структурных частиц (молекул, атомов, ионов).
Физические свойства макроскопических систем изучаются статистическими термодинамическим методами. Статистический метод основан на использовании тео-
рии вероятностей и определенных моделей строения этих систем и представляет со-
влечения модельных представлений о структуре вещества и является феномено-
логическим (т. е. рассматривает «феномены» - явления в целом).
При этом все основные выводы термодинамики можно используя только два основных эмпирических закона термодинамики.
В дальнейшем исходя из термодинамического метода мы будем для нагляд-
ности использовать молекулярно-кинетические представления о структуре вещества.
Термодинамическая система
Т е р м о д и н а м и ч е с к а я система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»).
Выбор системы произволен и диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой . Систему отделяют от окру-
жающей среды контрольной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей системы - газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней сре-
дой является окружающий воздух, а контрольными поверхностями служат стенки ци-
линдра и поршень.
Механическое и тепловое взаимодействия термодинамической системы осу-
ществляются через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии самой системой или над системой совершается работа. (В общем случае на систему могут действовать также электрические, магнитные и другие силы, под воздействием которых система будет совершать работу. Эти виды работ также могут быть учтены в рамках термодинамики, но нами в дальнейшем рассматриваться не будут). В нашем примере механическая работа производится при перемещении поршня и сопровож-
дается изменением объема. Тепловое взаимодействие заключается в переходе тепло-
ты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. В
рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра.
В самом общем случае система может обмениваться со средой и веществом
(массообменное взаимодействие). Такая система называется открытой . Потоки газа или пара в турбинах и трубопроводах - примеры открытых систем. Если веще-
ство не проходит через границы системы, то она называется закрытой. В дальней-
шем, если это специально не оговаривается, мы будем рассматривать закрытые сис-
Термодинамическую систему, которая не может обмениваться теплотой с ок-
ружающей средой, называют теплоизолированной или адиабатной. Приме-
ром адиабатной системы является газ, находящийся в сосуде, стенки которого покры-
ты идеальной тепловой изоляцией, исключающей теплообмен между заключенным в
сосуде газом и окружающими телами. Такую изоляционную оболочку называют адиабатной. Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни ве-
ществом, называется изолированной (или замкнутой).
Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осу-
ществляющее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутреннего сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе го-
рючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина.
Термодинамическиепараметрысостояния
Свойства каждой системы характеризуются рядом величин, которые принято называть термодинамическими параметрами. Рассмотрим некоторые из них, используя при этом известные из курса физики молекулярно-кинетические представления об идеальном газе как о совокупности молекул, которые имеют исче-
зающе малые размеры, находятся в беспорядочном тепловом движении и взаимодей-
ствуют друг с другом лишь при соударениях.
Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с по-
верхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа определяется соотношением
где n - число молекул в единице объема;
т - масса молекулы;с 2 - средняя квадратическая скорость поступательного движения молекул.
В Международной системе единиц (СИ) давление выражается в паскалях
(1Па=1 Н/м2 ). Поскольку эта единица мала, удобнее использовать 1 кПа = 1000 Па и
1 МПа=106 Па.
Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров.
Жидкостные и пружинные манометры измеряют избыточное давление, пред-
ставляющее собой разность между полным или абсолютным давлением р изме-
ряемой среды и атмосферным давлением p атм , т.е.p изб p атм p
Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуум-
метрами; их показания дают значение разрежения (или вакуума):
р в р атм р, т. е. избыток атмосферного давления над абсолютным.
Следует отметить, что параметром состояния является абсолютное давление.
Именно оно входит в термодинамические уравнения.
Температурой называется физическая величина, характеризующая сте-
пень нагретости тела. Понятие о температуре вытекает из следующего утверждения:
если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их темпе-
ратур они будут обмениваться теплотой друг с другом, если же их температуры рав-
ны, то теплообмена не будет.
С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано с
где k - постоянная Больцмана, равная 1,380662 10ˉ23 Дж/К. Температура T,
определенная таким образом, называется абсолютной .
В системе СИ единицей температуры является кельвин (К); на практике широ-
ко применяется градус Цельсия (°С). Соотношение между абсолютной Т и стогра-
дусной t температурами имеет вид
T t 273,15.
В промышленных и лабораторных условиях температуру измеряют с помощью жидкостных термометров, пирометров, термопар и других приборов.
Удельный объем v - это объем единицы массы вещества.Если од-
нородное тело массой М занимает объемv, то по определению
v= V/М.
В системе СИ единица удельного объема 1 м3 /кг. Между удельным объемом вещества и его плотность существует очевидное соотношение:
Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях,
вводится понятие «нормальные физические условия»: p =760 мм рт.ст.= 101,325 кПа;T =273,15K.
В разных отраслях техники и разных странах вводят свои, несколько отличные
от приведенных «нормальные условия», например, «технические» (p = 735,6 мм
рт.ст.= 98 кПа, t =15˚C) или нормальные условия для оценки производительности компрессоров (p =101,325 кПа,t =20˚С) и т. д.
Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояниесистемыназываетсяравновесным .
Если между различными точками в системе существуют разности темпера-
тур, давлений и других параметров, то она является неравновесной . В такой системе под действием градиентов параметров возникают потоки теплоты, вещества и другие, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. Опыт показывает, что
изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может. В классической термодинамике рассматриваются только равновесные системы.
Уравнение состояния
Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая называется уравнением со-
стояния . Опыт показывает, что удельный объем, температура и давление про-
стейших систем, которыми являются газы, пары или жидкости, связаны термическим уравнением состояния видаf (p ,v ,T ) 0.
Уравнению состояния можно придать другую форму: p f 1 (v ,T );v f 2 (p ,T );
T f 3 (p, v);
Эти уравнения показывают, что из трех основных параметров, определяющих состояние системы, независимыми являются два любых.
Для решения задач методами термодинамики совершенно необходимо знать уравнение состояния. Однако оно не может быть получено в рамках термодинамики и должно быть найдено либо экспериментально, либо методами статистической физи-
ки. Конкретный вид уравнения состояния зависит от индивидуальных свойств веще-
Уравнениесостояния идеальныхгазов
Из уравнений (1.1) и (1.2) следует, что p nkT .
Рассмотрим 1 кг газа. Учитывая, что в нем содержится N молекул и, следова-
Постоянную величину Nk, отнесенную к 1 кг газа, обозначают буквойR и на-
зывают газовой постоянной . Поэтому
Полученное соотношение представляет собой уравнение Клапейрона.
Умножив (3) на М, получим уравнение состояния для произвольной массы газа
pV MRT . |
Уравнению Клапейрона можно придать универсальную форму, если отнести га-
зовую постоянную к 1 кмолю газа, т. е. к количеству газа, масса которого в кило-
граммах численно равна молекулярной массе μ. Положив в (1.4) М= μ иV=V μ , полу-
чим для одного моля уравнение Клапейрона - Менделеева:
pV RT .
Здесь V - объем киломоля газа, аR - универсальная газовая постоянная.
В соответствии с законом Авогадро (1811г.) объем 1 кмоля, одинаковый в од-
них и тех же условиях для всех идеальных газов, при нормальных физических усло-
виях равен 22,4136 м3 , поэтому
Газовая постоянная 1 кг газа составляет | ||||||||
Термодинамическийпроцесс
Изменение состояния термодинамической системы во времени называется
термодинамическим процессом . Так, при перемещении поршня в цилиндре объём, а с ним давление и температура находящегося внутри газа будут изменяться,
будет совершаться процесс расширения или сжатия газа.
Как уже отмечалось, система, выведенная из состояния равновесия, и пре-
доставленная при постоянных параметрах окружающей среды самой себе, через не-
которое время вновь придет в равновесное состояние, соответствующее этим пара-
метрам. Такое самопроизвольное (без внешнего воздействия) возвращение системы в состояние равновесия
называется релаксацией , а промежуток времени, в течение которого систе-
ма возвращается в состояние равновесия, называется временем релаксации .
Для разных процессов он различно: если для установления равновесного давления в газе требуется всегда, то для выравнивания температуры в объеме того же газа нуж-
ны десяти; минут, а в объеме нагреваемого твердой тела - иногда несколько часов.
Термодинамический процесс называется равновесным , если все пара-
метры системы при его протекании меняются достаточно медленно по сравнению с соответствующим процессом релаксации. В этом случае система фактически все время находится в состоянии равновесия с окружающей средой, чем и определяется название процесса.
Чтобы процесс был равновесным, скорость изменения параметров системы dA d должна удовлетворять соотношению
dA d c релД A рел
где А - параметр, наиболее быстро изменяющийся в рассматриваемом про-
цессе; с рел - скорость изменения этого параметра в релаксационном процессе;τ рел -
время релаксации.
Рассмотрим, например, процесс сжатия газа в цилиндре. Если время смещения поршня от одного положения до другого существенно превышает время релаксации,
то в процессе перемещения поршня давление и температура успеют выровняться по
всему объему цилиндра.
Это выравнивание обеспечивается непрерывным столкновением молекул, в
результате чего подводимая от поршня к газу энергия достаточно быстро и рав-
номерно распределяется между ними. Если последующие смещения поршня будут происходить аналогичным образом, то состояние системы в каждый момент времени будет практически равновесным. Таким образом, равновесный процесс состоит из непрерывного ряда последовательных состояний равновесия, поэтому в каждой его точке состояние термодинамической системы можно описать уравнением состояния данного рабочего тела. Именно поэтому классическая термодинамика в своих исследованиях оперирует только равновесными процессами. Они являются удобной идеализацией реальных процессов, позволяющей во многих случаях существенно упростить решение задачи. Такая идеализация вполне обоснована, так как условие
(1.8) выполняется на практике достаточно часто. Поскольку механические возму-
щения распространяются в газах со скоростью звука, процесс сжатия газа и цилинд-
ре будет равновесным, если скорость перемещения поршня много меньше скорости звука.
Процессы, не удовлетворяющие условию dAd cрел Д A рел , протекают с нарушением равновесия, т. е. являютсянеравновесными . Если, например, быстро увеличит температуру окружающей среды, то газ в цилиндре будет постепенно про-
греваться через его стенки, релаксируя к состоянию равновесия, соответствующему новым параметрам окружающей среды. В процессе релаксации газ не находится в равновесии с окружающей средой и его нельзя характеризовать уравнением состоя-
ния хотя бы потому, что в разных точках объема газа температура имеет различные значения.
ЛЕКЦИЯ №1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ И ЕЁ ВИДЫ.
ТЕРМОДИНАМИКА И ЕЁ МЕТОДЫ.
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.
Теплотехника – общетехническая дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло и парогенераторов, тепловых машин, аппаратов и устройств.
Термодинамика (составная часть теплотехники) изучает законы превращения энергии в различных физико-химических процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами.
Известны различные виды энергии: тепловая, электрическая, химическая, магнитная и др.Задачи исследований могут быть различными – это и термодинамика биосистем, техническая термодинамика и т.д. Нас интересует техническая термодинамика, изучающая закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергий (вместе с теорией теплообмена) и потому являющаяся теоретическим фундаментом теплотехники. Без этого теоретического фундамента невозможно рассчитать и спроектировать тепловой двигатель
Метод термодинамики является феноменологическим. Явление рассматривается в целом. Связь между макроскопическими параметрами, определяющими поведение системы, устанавливается двумя началами термодинамики. Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими систему внешними телами.
Термодинамическое состояние тела (например, газа) характеризуется его массой , молярной массой μ, давлением , объемом , температурой (а возможно, и другими величинами, например, определяющими его химический состав). Все эти величины называются термодинамическими параметрами тела. Однако, как будет видно из дальнейшего, такие параметры, как ,имеют смысл только тогда, когда тело находится, хотя бы приближенно, в так называемом состоянии термодинамического равновесия (т.д.р.). Так называется состояние, в котором все термодинамические параметры остаются со временем постоянными (к этому следует добавить еще условие отсутствия стационарных потоков). Если, например, быстро подогревать газ, как это показано на рис. 9.1, температура непосредственно подогреваемой части сосуда А окажется выше температуры части В. Не будут равны и давления в частях А и В. В этом случае не имеет смысла понятие температуры или давления всего газа. Другой пример – впустим в газ пучок быстрых молекул. Ясно, что не имеет смысла говорить о температуре газа до тех пор, пока быстрые молекулы, вследствие ряда столкновений с другими, не приобретут скоростей порядка средней скорости остальных молекул, иначе говоря, пока система не придет в состояние т.д.р.
В состоянии т.д.р. для каждого вещества термодинамические параметры связаны между собой так называемым уравнением состояния:
Здесь R=8,31 Дж/(мольК) – универсальная газовая постоянная, μ - молярная масса. Для углерода (С) величина μ составляет 12г, для водорода (H 2) – 2г, для кислорода (О 2) – 32г, для воды (Н 2 О) – 18г и т.д.
В моле любого вещества содержится одно и то же количество молекул N 0 , называемое числом Авогадро:
Отношение универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро (т.е. универсальная газовая постоянная, приходящаяся на одну молекулу) называется постоянной Больцмана:
Идеальным газом называется газ, настолько разреженный, что он подчиняется уравнению (1.2) или(1.6). Смысл этого определения состоит, очевидно, в том, что для подчинения уравнению (1.6) газ должен быть достаточно разреженным. Если газ, напротив, сжат до достаточно больших плотностей (так называемый реальный газ), то вместо (1.6) имеем
Выбор термодинамической системы произволен. Выбор диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, есть окружающая среда. Разделение термодинамической системы и окружающей среды осуществляет контрольная поверхность. Так, например, для простейшей термодинамической системы цилиндр-газ-поршень, внешняя среда окружающий воздух, а контрольная поверхность оболочка цилиндра и поршень. Механическое и тепловое взаимодействие термодинамической системы осуществляется через контрольные поверхности.
При механическом взаимодействии самой системы или над нею совершается работа. Следует отметить: работа может совершаться и под действием других сил- электрических, магнитных.
Рассматривая пример с системой цилиндр-поршень можем отметить следующее: механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объёма. Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. В рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра. Для открытой термодинамической системы обмен идёт со средой и веществом (массообменные процессы). В дальнейшем мы будем рассматривать закрытые термодинамические системы. Если система теплоизолирована, то мы называем её адиабатной, например, газ в сосуде с идеальной тепловой изоляцией. Такая система не обменивается с окружающей средой ни теплом, ни веществом и называется замкнутой (изолированной).
Превращение теплоты в работу и наоборот работы в теплоту осуществляется системами представляющими собой газы и пары, их называют рабочими телами.
В развитии термодинамики как науки большой вклад сделали русские учёные: М.В. Ломоносов – определил сущность теплоты как внутреннего движения материи, кроме того, определил сущность, разработанных впоследствии, законов термодинамики, за сто лет до Клаузиуса (1850 г.), дал содержание второго закона термодинамики, количественная оценка была дана Ломоносовым в двух его работах 1750 и 1760 г.г. Можно упомянуть Г.Г. Гесса (1840 г.), который установил закон о тепловом эффекте химической реакции, проф. Шиллера Н.Н. (Киевский университет)- дал более строгое обоснование второго начала термодинамики, проф. Афанасьева-Эренфест Т.А. впервые показала целесообразность раздельного толкования второго начала термодинамики для равновесных и неравновесных процессов. Исследования в прикладном и теоретическом плане проведены учёными МВТУ Гриневецким В.И., Киршем К.В., Мерцаловым Н.И., Рамзиным Л.К., Ошурковым Б.М. Первый советский учебник по термодинамике был написан Ошурковым Б.М. Учёные ВТИ, МЭИ Вукалович М.П., Кириллин В.А., Новиков И.И., Тимрот Д.А., Варгафтик Н.Б. провели обширные исследования по получению новых данных по теплофизическим свойствам ряда новых рабочих тел. Из иностранных учёных огромный вклад в развитие термодинамики внесли Сади Карно, Р.Стирлинг, Р.Майер, Клаузиус, Гельмгольц, Джоуль, Томсон, Рейнольдс и др. Кстати, Р. Стирлинг за 8 лет до С. Карно в 1816 году запатентовал машину, производящую работу за счёт нагретого воздуха.
1 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.......................................................... 1.11.1 Основные 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.......................................................... 2.11.1 Классификация 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, физико- химические, 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
Термодинамический расчёт теплофикационного цикла
Термодинамические основы теплофикации
Как известно, тепловые двигатели, по самому определению, предназначены для преобразования хаотической формы передачи энергии (в виде теплоты) в упорядоченную форму (механическое перемещение, электричество и др.). Однако кроме упорядоченной формы энергии человечество в своей деятельности нуждается также и в теплоте, в частности для отопления и осуществления всевозможных технологических процессов (приготовление пищи, сушка, химическая технология, металлургия и т.д.).
На первый взгляд может показаться, что проблема экономического совершенствования теплоснабжения к технической термодинамике как науке о совершенствовании тепловых двигателей не имеет прямого отношения, однако это не так. Дело в том, что теплота как одна из форм передачи энергии кроме количества, измеряемого в джоулях, обладает также и качеством, а именно потенциалом, т.е. температурой. В самом деле, мало кого заинтересует большое количество теплоты, подводимой в жилое помещение при температуре 10…12 о С. С другой стороны, температура горения большинства из органических топлив, будь то дрова, уголь, газ, нефть и т.д., является слишком высокой для того, чтобы быть непосредственно используемой в целях отопления, либо для других технологических процессов. Техническая термодинамика указывает на один из возможных путей рационального использования «тепловой энергии» (заметим, что это устоявшееся в обиходе словосочетание не является корректным с точки зрения термодинамики; следует иметь в виду, что речь должна идти о передаче энергии в форме теплоты). Поскольку обычно используемый в целях отопления потенциал теплоты (температура) составляет 50…150 о С (330…430 К), а температура горения топлива (температура факела) составляет величину порядка 1500…2000 о С (1800…2300 К), то представляется весьма рациональным осуществить между этими температурными уровнями (потенциалами) цикл какого-либо теплового двигателя, уменьшив тем самым эксергетические потери, т.е. потери, связанные с необратимым теплообменом между обогреваемым помещением и источником теплоты. Такая совместная выработка упорядоченной формы энергии (как правило, электрической) и теплоты для производственных нужд и отопления помещений получила название теплофикация .
Покажем, что совместная выработка электрической и тепловой энергии (теплофикация) всегда более экономична с термодинамической точки зрения, нежели раздельная выработка. Для этого рассмотрим диаграмму , на которой условно изобразим температурные уровни для различных процессов подвода и отвода теплоты (рис. III.27). Точки над величинами в диаграмме обозначают полную производную по времени, т.е. мы будем сравнивать мощности различных схем выработки тепловой и электрической энергии. При этом мы не будем учитывать неизбежные в таких установках потери, так как их учёт не повлияет на ход рассуждений, хотя заметно усложнит анализ.
Раздельная выработка тепловой и электрической энергии представлена на рис. III.27 диаграммами и . В отопительной котельной продукты сгорания топлива отдают теплоту в процессе в количестве теплоносителю (как правило, воде), который через тепловые сети подаётся потребителю, обеспечивая тепловую нагрузку (без учёта потерь). Электрическая нагрузка N обеспечивается паросиловой установкой, работающей по циклу Ренкина со сбросом теплоты охлаждающей воде в конденсаторе. Такая установка получила название конденсационной .
Общий расход теплоты в котельной и в конденсационной установке при заданных тепловой и электрической нагрузках будет тогда определяться суммой
При совместной выработке тех же количеств тепловой и электрической энергии тепловая мощность парогенератора будет равна (также без учёта потерь)
Разность выражений и даёт экономию тепла (а значит топлива)
Теплофикация получила широкое распространение на тепловых и атомных электростанциях, питающих электроэнергией и теплом большие населённые пункты и крупные энергоёмкие производства. При этом в энергетической практике используются две схемы теплофикационных циклов – с противодавлением и с отбором пара на теплофикацию.
Термодинамический расчёт теплофикационного цикла
С противодавлением
Принципиальная схема теплофикационной установки с противодавлением и диаграмма T–s цикла представлены на рис. III.28.
Схема теплофикационной установки с противодавлением конструктивно не отличается от схемы обычной конденсационной установки за исключением того, что в установке с противодавлением давление отработавшего пара на выходе из турбины поддерживается достаточно большим (отсюда название противодавление ), настолько, чтобы температура отработавшего пара составляла 150…180 о С (давление насыщения при этом составляет 5…10 бар). По этой причине в установке с противодавлением конденсатор заменяется менее громоздким теплообменником, носящим название бойлер (англ.boiler – котёл , кипятильник , испаритель ).
Приведём алгоритм термодинамического расчёта теплофикационного цикла с противодавлением с учётом потерь в парогенераторе, турбине, механических и электрических потерь и потерь в тепловых сетях. Все эти потери численно оцениваются с помощью коэффициентов η пг, , η мех, η эл, η тс.
С помощью диаграммы h–s или с помощью таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара находим стандартным образом удельные энтальпии h 1 , h 2 , h 3 . Далее, исходя из определения относительного внутреннего КПД турбины, находим действительное значение удельной энтальпии отработавшего пара
Считая бойлер идеально теплоизолированным, из его теплового баланса находим массовый расход пара в установке, обеспечивающий заданную тепловую нагрузку,
Мощность установки с учётом перечисленных потерь будет
Подведённое в парогенераторе тепло к рабочему телу
а тепловая мощность парогенератора с учётом потерь η пг будет равна
что позволяет вычислить расход топлива при известном значении его теплотворной способности
