Материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления пользователям Интернета и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
© 2018 - 2024
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФИЛИАЛ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УФИМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО НЕФТЯНОГО
ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
КАФЕДРА МЕХАНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
ПРОГРАММА, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
для студентов-заочников
2002
Программа, методические указания и контрольные задания для студентов-заочников всех специальностей вуза.
Настоящие методические указания и контрольные задания, подготовленные в соответствии с рабочей программой по курсу «Теплотехника» (на основании программы Главного учебно-методического управления высшего образования от 1990 года) и составлены с учетом использования их для подготовки по теплотехнике инженеров всех специальностей вуза.
Составитель: ст. преподаватель Мухаметдинова Л.Д
Октябрьский филиал Уфимского Государственного нефтяного технического университета.
ПРОГРАММА, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ИЗУЧЕНИЮ ТЕМ КУРСА И ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
Введение
Теплотехника как общетехническая дисциплина, ее значение в системе подготовки инженера. Главные задачи курса. Проблема экономии топливно-энергетических ресурсов. Рациональное использование вторичных энергоресурсов. Защита окружающей среды.
Методические указания
Теплотехника — общетехническая дисциплина, которая изучает способы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло- и парогенераторов, тепловых и холодильных машин, аппаратов и устройств.
Теоретическими основами теплотехники являются техническая термодинамика и теория тепло- и массообмена.
Теплотехническая подготовка студентов различных специальностей имеет ряд особенностей, которые обусловлены характером их будущей практической деятельности. Большинство технологических процессов, применяемых на предприятиях нефтегазовой промышленности, протекают с выделением или поглощением теплоты, а также с широким использованием электрической и механической энергии, которые вырабатываются в различных теплосиловых установках и тепловых двигателях.
Инженер в своей практической деятельности имеет дело с различными тепловыми процессами и с их конструктивным оформлением в виде теплотехнического оборудования. Поэтому он должен уметь грамотно и эффективно использовать тепловое оборудование и, как руководитель эксплуатацией энерготехнологических систем производства, заниматься выявлением и использованием вторичных энергоресурсов.
Курс теплотехники состоит из трех частей:
1. Техническая термодинамика;
2. Теория тепло- и массообмена;
3. Промышленные теплоэнергетические установки.
Основная задача курса теплотехники – дать необходимую теплотехническую подготовку будущему квалифицированному инженеру.
Ч А С Т Ь I . ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Те м а 1. Основные понятия и определения
Предмет технической термодинамики и ее метод. Термодинамическая система и ее виды. Рабочее тело и внешняя среда. Теплота и работа как формы энергетического взаимодействия внешней среды и рабочего тела. Основные параметры состояния рабочего тела. Термодинамический процесс. Равновесный и неравновесный процессы. Обратимый и необратимый процессы. Графическое изображение обратимых процессов в термодинамических диаграммах. Понятие о круговом обратимом процессе.
Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа.
Смеси идеальных газов. Способы задания газовых смесей. Определение средней молярной массы и удельной газовой постоянной смеси. Парциальные давления и объемы.
Методические указания
Техническая термодинамика – наука, изучающая взаимопревращения теплоты и работы и условия, при которых эти превращения совершаются наиболее эффективно. Она устанавливает взаимосвязь между тепловыми и механическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие и газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях.
Теоретическим фундаментом, на котором базируются все выводы технической термодинамики, являются первый и второй законы термодинамики, представляющие собой обобщение опыта познания человеком природы. Основная особенность метода термодинамики – логически последовательное применение аналитических выражений первого и второго законов термодинамики совместно с уравнением состояния рабочего тела, без использования каких-либо гипотез о внутреннем его строении. Этот метод оказывается эффективным как при теоретических выводах формул, так и при анализе работы различных тепловых и холодильных машин и установок. При изучении темы студент должен внимательно разобрать такие понятия, как термодинамическая система, рабочее тело и внешняя среда, разновесное и неравновесное состояния рабочего тела, термодинамический процесс.
Необходимо усвоить определения и физическую суть таких понятий как равновесный и неравновесный, обратимый и необратимый термодинамические процессы. Понять, что равновесное состояние рабочего тела, так же как равновесный и обратимый процессы, являете научной абстракцией, как некоторые идеализированные модели реальных состояний и процессов. Реальные состояния и процессы приближаются к идеализированным при условии очень малых изменений параметров состояния и когда время между последовательным изменениями состояния достаточно велико. Однако именно введение этих идеализированных понятий позволило построить стройный математический аппарат термодинамики, позволяющий получать результаты, достаточно близкие к практике.
Для усвоения последующего материала необходимо уяснить, что теплота и работа представляют собой определенные формы передачи энергии – тепловую и. механическую, причем работа может переходить в теплоту, а теплота в работу, т. е. они взаимопревращаемы. Работа всегда полностью превращается в теплоту, в то время как переход теплоты в работу имеет определенные ограничения даже в идеальном процессе. Взаимное превращение теплоты и работы в тепловой машине осуществляется с помощью рабочего тела, которое благодаря тепловому и механическому воздействию должно обладать способностью значительно изменять свой объем. Поэтому в качестве рабочего тела в тепловых машинах используется газ или пар. Физическое состояние рабочего тела в термодинамике определяется тремя параметрами: абсолютным давлением р, удельным объемом v и абсолютной температурой Т. Эти три параметра называются основными и связаны между собой уравнением состояния F (р, v, T) = О. Независимые, т. е. выбираемые произвольно, – два любых параметра, а третий определяют из уравнения состояния. Например, если р и v – независимые параметры, то Т = φ (р, v), где φ (р, v) – функция, определяемая при решении уравнения состояния относительно зависимого параметра T.
Для понимания физической сути изучаемых закономерностей термодинамики и принципов работы различных теплотехнических устройств нужно овладеть принципом графического изображения любых процессов, включая круговые (циклы) в термодинамических диаграммах. Необходимо уяснить, что графически можно изобразить только равновесные обратимые процессы и циклы, которые совершаются рабочим телом.
Во всех теплотехнических установках, в которых в качестве рабочего тела используют газ, он считается идеальным, т.е. газом, состоящим из молекул – материальных точек, не имеющих размеров и между которыми отсутствуют силы взаимодействия (притяжения и отталкивания), кроме упругих соударений. Как известно из физики, такой газ подчиняется уравнению состояния Клапейрона, которое может быть записано для m кг газа (р V = mRT). и для 1 кг газа (pv = RТ, где v = V/т – удельный объем газа, м3/кг).
Понятие идеального газа является научной абстракцией, моделью реального газа, дающей хорошую сходимость с практикой, когда состояние газа далеко от состояния сжижения. Применение этой модели позволяет построить достаточно простые аналитические зависимости термодинамики, применение которых к тепловым машинам дает, как правило, приемлемую сходимость с практикой.
Для насыщенного пара, т. е. для состояния, близкого к состоянию сжижения, модель идеального газа неприемлема. В этом случае приходится применять очень сложные модели и уравнения реальных газов, в которых учитывают собственные размеры молекул, а также силы взаимодействия между ними.
Уясните получение уравнения, состояния Meнделeевa – Клапейрона для 1 моля идеального газа. Важно понять различие между удельной газовой постоянной, принимающей определенное значение для каждого газа, и универсальной газовой постоянной, одинаковой для всех газов и равной R = 8,314 кДж/(кмоль К). Запомните связь между этими газовыми постоянными и уясните физический смысл каждой из них.
При изучении газовой смеси необходимо понять, что основным здесь является умение определять газовую постоянную смеси газов, заданной массовым и объемным составом. Знание газовой постоянной смеси позволяет при исследовании термодинамических процессов пользоваться уравнением Клапейрона так же, как и для отдельного газа.
В этой теме раскрывается необходимый комплекс определений и понятий, на основе которых строится все дальнейшее изложение технической термодинамики.
Вопросы для самопроверки
1. Приведите определение термодинамической системы. 2. Что такое рабочее тело? 3. Какое число независимых параметров определяет состояние рабочего тела? Почему? 4. В чем состоит энергетическое воздействие внешней среды на рабочее тело? 5. Какой процесс называют термодинамическим? 6. Какие процессы называют обратимыми, а какие — необратимыми? 7. Какая разница между разомкнутым термодинамическим процессом и круговым (циклом)? 8. Какой газ называют идеальным? 9. Какие известны уравнения состояния идеального газа? 10. Что такое моль газа? Что называют нормальными физическими условиями? 11. Каково соотношение между удельной газовой постоянной и универсальной газовой постоянной и в каких единицах их выражают? 12. Как определяют газовую постоянную смеси идеальных газов, заданную массовыми долями? 13. Как определяют газовую постоянную смеси идеальных газов, заданную объемными долями?
Методические указания
Непрерывное получение работы за счет подведения теплоты возможно только в цикле и невозможно в разомкнутом процессе. Поэтому тщательно изучите все вопросы, относящиеся к циклам, особенно к циклу Карно, который имеет большое значение в термодинамике. С его помощью выводят все аналитические зависимости. Формула для коэффициента полезного действия (к.п.д) цикла Карно, по существу, также является техническим выражением существа второго закона термодинамики в применении к тепловым машинам. Обратимый цикл Карно при выбранных температурах Тmах горячего источника теплоты и Tmhn холодильника имеет наивысший термический к.п.д. среди любых других обратимых циклов.
Первый закон термодинамики не устанавливает условий, при которых теплота в машине превращается в работу. Второй закон термодинамики определяет направление термодинамического процесса. Несмотря на наличие в литературе большого количества формулировок второго закона термодинамики, сущность этого закона сводится к двум положениям: 1) теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему без затраты работы; 2) для превращения теплоты в работу в периодически действующей машине необходимо наличие не менее двух источников теплоты: теплоотдатчика (горячего) и теплоприемника (холодного). При этом только часть теплоты, переданной телу от горячего источника, может быть превращена в работу, остальная часть должна быть отдана холодному источнику.
В отличие от первого закона термодинамики, являющегося абсолютным законом природы, справедливым как для макромира, так и для микромира, второй закон термодинамики таковым не является. Объясняется это тем, что он получен из наблюдений над объектами, имеющими конечные размеры в окружающих нас земных условиях, и не может произвольно распространяться как на бесконечную вселенную, так и на бесконечный микромир.
Если рассматривается изолированная система, состоящая из теплоотдатчика, рабочего тела, совершающего обратимый цикл Карно, и теплоприемника, то: а) в случае обратимых процессов передачи теплоты (т. е. при бесконечно малой разнице температур) от тепло- отдатчика рабочему телу и от него теплоприемнику энтропия системы остается постоянной (Δs = 0); б) в случае, если один из процессов, например теплоотдача от источника к рабочему телу, протекает при конечной разнице температур, энтропия системы возрастает (Δs >0).
Независимо от обратимости процесса энтропия рабочего тела в цикле (как функция состояния) всегда остается неизменной (Δs = 0).
Все реальные процессы являются необратимыми, поэтому энтропия изолированной системы, в которой протекают такие процессы, всегда возрастает (Δs > 0). Возрастание энтропии в необратимых процессах само по себе ни о чем не говорит. Однако возрастание энтропии приводит к уменьшению работоспособности изолированной системы. Для количественной оценки потери работоспособности системы вводится понятие удельной эксергии, под которой понимают максимальную удельную работу, совершаемую системой при ее переходе от данного состояния до равновесия с окружающей средой. Следует понимать, почему потеря эксергии, ведущая к уменьшению работоспособности системы из-за необратимости процесса, определяется произведением наименьшей температуры системы на приращение энтропии.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое термодинамический цикл? 2. В чем состоит термическая и механическая необратимости процессов? 3. Что такое прямой и обратный (обратимые) циклы Карно? 4. Что называют термическим к.п.д. и холодильным коэффициентом произвольного цикла, чему они равны для цикла Карно? 5. Почему обратимый цикл Карно является самым эффективным среди других циклов, осуществляемых в заданном интервале температур? 6. В чем сущность второго закона термодинамики? Приведите основные формулировки этого закона. 7.Приведите аналитическое выражение второго закона термодинамики для обратимых и необратимых процессов. 8. Как изменяется энтропия изолированной системы при протекании в ней обратимых и необратимых процессов? 9. Что такое эксергия? Чем определяется уменьшение работоспособности изолированной системы?
Тема 5. Влажный воздух
Определение влажного воздуха. Абсолютная и относительная влажности воздуха, влагосодержание. Психрометр. Температура точки росы. Энтальпия и плотность влажного воздуха. hd-диаграмма влажного. воздуха.
Методические указания
Усвойте основные определения и понятия влажного воздуха. Научитесь определять газовую постоянную влажного воздуха и его энтальпию. Обязательно приобретите навыки в пользовании hd-диаграммой влажного воздуха.
Вопросы для самопроверки
1. Приведите определение влажного воздуха. 2. Что такое абсолютная и относительная влажности? 3. Что такое влагосодержание? 4. В каких пределах может изменяться влагосодержание? 5. Что такое точка росы? 6. Как изображают основные процессы влажного воздуха в hd-.диаграмме?
Методические указания
Тщательно разберите физический смысл отдельных членов уравнения первого закона термодинамики для потока. Уясните, за счет чего совершаются различные виды работ при течении рабочего тела, почему в суживающихся и цилиндрических каналах скорость потока не может превзойти скорости звука. Разберитесь в воздействии профиля канала на скорость потока и проанализируйте изменение параметров рабочего тела при течении его по соплу Лаваля. Поймите принципиальную разницу в расчете скорости истечения идеального газа и водяного пара. Необходимо отчетливо представлять себе влияние трения на адиабатный процесс истечения идеального газа и водяного пара и уметь изображать реальный процесс истечения в Ts - и hs-диаграммах. Из-за явной необратимости адиабатного процесса дросселирования последний нельзя отождествлять с процессом, протекающим при постоянной энтальпии. Уясните принципиальную разницу между адиабатным дросселированием, при котором dq = 0, а Ds>0, и адиабатным обратимым процессом расширения рабочего тела, при котором dq=O и Ds = 0. Понять, почему в результате дросселирования водяного пара температура его может уменьшаться, увеличиваться или оставаться неизменной.
Вопросы для самопроверки
1. Какие допущения лежат в основе вывода уравнения первого закона термодинамики для потока? 2. Объясните физический смысл каждого члена уравнения первого закона термодинамики для потока. 3. На что расходуется работа расширения газа в потоке? 4. Что такое работа проталкивания и какой она может иметь знак? 6. Что такое располагаемая работа, как показать ее на рv -диаграмме? 6. Что такое сопло и диффузор? 7. Каков физический смысл критической скорости? 8. Какая связь между изменением профиля канала, изменением плотности рабочего тела и изменением скорости его течения? 9. Каким условиям должны отвечать диффузор и сопло для дозвукового и сверхзвукового режимов течения? 10. Какой процесс носит название дросселирования? 11. Как протекает процесс адиабатного дросселирования? 12. Как и почему меняется температура водяного пара при его дросселировании? 13. Возможно ли осуществить сжижение газа в процессе дросселирования?
Методические указания
Из-за широкого распространения в промышленности компрессоров термодинамический анализ их работы имеет большое значение в подготовке студентов. Ознакомившись с конструктивной схемой и работой поршневых и центробежных компрессоров, обратите внимание на то, что процессы всасывания и выталкивания, изображенные на индикаторной диаграмме горизонтальными линиями, нельзя рассматривать как изобарные, так как в этих процессах не происходит изменения состояния, а происходит изменение количества всасываемого или выталкиваемого рабочего тела. Уделите внимание изображению термодинамических процессов в pv- и Ts-диаграммах. Сравните изотермическое, адиабатное и политропное сжатие рабочего тела. Уясните влияние вредного пространства на работу поршневого компрессора. В связи с применением высокого давления в некоторых технологических аппаратах разберите принципы работы многоступенчатых компрессоров.
Вопросы для самопроверки
1. Каково назначение компрессоров? 2. Какова классификация компрессоров? 3. Каковы принципы действия поршневого компрессора и изображение работы компрессора в pv-диаграмме? 4. Какой процесс сжатия в поршневом компрессоре наиболее выгодный?
5. Можно ли получить газ высокого давления в одноступенчатом компрессоре? 6. Как определяют работу, затрачиваемую на привод компрессора? 7. Как определяют техническую работу компрессора? 8. Чем вызвано применение нескольких ступеней сжатия в многоступенчатом компрессоре? 9. Чем отличаются центробежные компрессоры от поршневых? 10. Приведите описание многоступенчатого компрессора. 11. Как влияет вредное пространство на работу компрессора? 12. Как определяют эффективную мощность, затрачиваемую на привод компрессора? 13. Как определяют внутренний относительный к.п.д. компрессора?
Т е м а 8. Циклы двигателей внутреннего сгорания. Циклы газотурбинных установок. Классификация поршневых двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Изображение циклов ДВС в рv- и Ts -диаграммах. Анализ и сравнение циклов поршневых двигателей внутреннего сгорания. Определение термического к.п.д. и влияние параметров цикла ДВС на увеличение к.п.д. Преимущества газотурбинных установок по сравнению с поршневым ДВС. Циклы газотурбинных установок. Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном давлении. Цикл газотурбинной установки с подводом теплоты при постоянном объеме. Изображение циклов в pv- и Ts-диаграммах. Анализ и сравнение циклов газотурбинных установок. Определение термического к.п.д. и методы повышения к.п.д. газотурбинных установок. Методы анализа циклов теплоэнергетических установок. Эксергетический метод анализа циклов.
Методические указания
Термодинамический анализ циклов двигателей внутреннего сгорания проводится при допущении термодинамической обратимости процессов, составляющих цикл. Для простоты анализа циклов ДВС в качестве рабочего тела принимают идеальный газ с постоянной теплоемкостью. Разность температур между источником теплоты и рабочим телом считают бесконечно малой, а подвод теплоты к рабочему телу осуществляют от внешних источников теплоты, а не за счет сжигания топлива. Следует научиться анализировать различные циклы, пользуясь при этом рv и- и Ts-диаграммами. При рассмотрении действительных процессов обратите внимание на отличие индикаторных диаграмм от теоретического идеального цикла. Проанализируйте уравнение для определения термического к.п.д. различных циклов и влияние основных параметров на термический к.п.д.
Разберитесь в экономичности циклов ДВС. При сравнении экономичности рассматриваемых циклов при одинаковых степенях сжатия следует помнить, что наиболее экономичным будет цикл с изохорным подводом теплоты. Если же сравнение экономичности производить при одинаковых максимальных давлениях и температурах, то максимальный к.п.д. имеет цикл с изобарным подводом теплоты, а наименьший — цикл с изохорным подводом теплоты.
При рассмотрении газотурбинных установок (ГТУ) обратите внимание на преимущества их перед поршневыми двигателями внутреннего сгорания. Уясните принцип работы газотурбинных установок, запомните схемы установок и научитесь анализировать их работу, используя pv - и Ts-диаграммы. Поймите принцип получения уравнения термического к.п.д., внутреннего относительного к.п.д. и эффективного к.п.д. газотурбинных установок, обратите внимание на физический смысл этих понятий. Запомните, что при сравнении циклов ГТУ при различных степенях повышения давлений и одинаковых максимальных температурах наибольший к.п.д. имеет цикл с изобарным подводом теплоты. Разберите методы повышения термического к.п.д. и запомните, что регенерация теплоты, ступенчатое сжатие и ступенчатый подвод теплоты значительно повышают к.п.д. газотурбинной установки, а идеальный цикл при этом приближается к обобщенному циклу Карно.
Вопросы для самопроверки
1. Приведите определение понятия «двигатель внутреннего сгорания». 2. Как классифицируют теоретические циклы двигателей внутреннего сгорания? 3. Изобразите тепловой процесс цикла ДВС с подводом теплоты при v = const в рv и- и Ts-диаграммах. 4. Как определить термический к.п.д. цикла ДВС с подводом теплоты при v = const? 5. Почему в циклах ДВС с подводом теплоты при v = const нельзя применять высокие степени сжатия? 6. Изобразите идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания с подводом теплоты при р = const в рv- и Ts-диаграммах. 7. Как определить термический к.п.д. цикла ДВС с подводом теплоты при р = const? 8. Изобразите идеальный цикл двигателя внутреннего сгорания со смешанным подводом теплоты в pv- и Ts-диаграммах. 9. Как определить термический к.п.д. и полезную работу в цикле? 10.Почему термический к.п.д. цикла ДВС при р = const больше, чем в цикле при v = const ? 11. Какие преимущества имеют газотурбинные установки по сравнению с двигателями внутреннего сгорания? 12. Приведите принципиальную схему газотурбинной установки с подводом теплоты при v = const. Изобразите тепловой процесс в pv- и Ts-диаграммах. 13. Приведите принципиальную схему газотурбинной установки с подводом теплоты при р = const. Изобразите тепловой процесс в pv- u Ts-диаграммах. 14. Что называют внутренним относительным к.п.д. газотурбинной установки и как его определяют? 15. Что называют эффективным к.п.д. газотурбинной установки и как его определяют? 16. Назовите методы повышения термического к.п.д. газотурбинной установки. 17. Приведите сравнительную характеристику идеальных циклов газотурбинных установок. 18. В чем сущность эксергетического метода анализа циклов?
Вопросы для самопроверки
1. В чем принципиальное отличие паросиловой установки от двигателей внутреннего сгорания? 2. Приведите принципиальную схему паросиловой установки. 3. Изобразите идеальный цикл Ренкина в pv-диаграмме. 4. Изобразите идеальный цикл Ренкина в Ts-диаграмме. 5. Изобразите идеальный цикл Ренкина в hs-диаграмме. 6. В чем отличие цикла Ренкина от цикла Карно? 7. Как определить термический к.п.д. цикла Ренкина? 8. Как и почему измеряется термический к.п.д. цикла Ренкина при увеличении начальных параметров водяного пара? 9. Каково влияние конечных параметров водяного пара на термический к.п.д. цикла Ренкина? 10. Покажите с помощью hs-диаграммы, как изменяется влажность пара в конце адиабатного расширения при повышении начального давления при неизменной начальной температуре и конечном давлении пара? 11. Для каких целей в паросиловой установке используют вторичный перегрев пара? 12. Объясните работу регенеративного цикла паросиловой установки с помощью hs-диаграммы. 13. Приведите описание бинарного цикла. 14. Что такое внутренний относительный к.п.д. паросиловой установки и как его определяют? 15. В чем преимущество комбинированной выработки теплоты и электроэнергии? 16. Как определяют удельный расход пара в паросиловой установке? 17. Как определяют эффективный к.п.д. паросиловой установки? 18. В чем сущность парогазового цикла?
Вопросы для самопроверки
1. Что такое температурное поле? Каковы виды температурного поля? 2. Что такое передаваемая теплота, тепловой поток и поверхностная плотность теплового потока? В каких единицах они выражаются? 3. Что такое температурный градиент, каково его направление и в каких единицах он выражается? 4. На каком законе термодинамики базируется теория теплообмена? 5. Какая разница между поверхностной плотностью теплового потока и линейной плотностью теплового потока? 6. Что такое теплопроводность, конвекция и излучение? Каков механизм каждого из этих видов теплообмена?
Методические указания
Нужно понять значение закона Фурье для решения задач стационарной теплопроводности. Усвойте, что физически теплопроводность представляет собой процесс распространения теплоты путем теплового движения микрочастиц вещества без визуально наблюдаемого перемещения самих частиц. Теплопроводность наблюдается в твердых телах, неподвижных жидких и газообразных веществах. Если происходит движение жидкости или газа, то теплопроводность в чистом виде имеет место в весьма тонком неподвижном слое, прилегающем к поверхности твердого тела.
Уясните назначение и состав условий однозначности при решении задач теплообмена. Поймите влияние рода граничных условий на решение уравнения теплопроводности при стационарном режиме. Разберитесь, как, применяя граничное условие 1 рода, получают решение по распространению температуры внутри тела, а применяя граничное условие III рода, получают решение по передаче теплоты от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их стенку (теплопередача).
Конечная цель решения задач стационарной теплопроводности - определение теплового потока, т. е. количества теплоты, передаваемой за 1 с. Необходимо понять разницу между линейной и поверхностной плотностями теплового потока, а также между коэффициентом теплопередачи и линейным коэффициентом теплопередачи. Разберитесь в способах интенсификации теплопередачи, а также в том, как надо правильно подбирать материалы теплоизоляции цилиндрического теплопровода. Уясните, почему критерии Bi и Fo определяют нестационарную теплопроводность при нагревании и охлаждении тела.
Вопросы для самопроверки
1. Что понимают под явлением теплопроводности? 2. Напишите уравнение теплопроводности Фурье. Объясните физический смысл входящих в него величин. 3. Каковы границы изменения теплопроводности для металлов, изоляционных и строительных материалов, жидкостей и газов? 4. От чего зависит теплопроводность? 5. Чем отличаются условия однозначности для стационарного и нестационарного режимов теплопроводности? В чем отличие граничных условий І и III рода и к чему приводит это отличие при решении уравнений теплопроводности? 7. Напишите выражение теплового потока для теплопроводности через плоскую одно- и многослойную стенки. 8. Напишите выражение теплового потока для теплопроводности через цилиндрическую одно- и многослойную стенки. 9.Почему необходимо отличать поверхностную плотность теплового потока от линейной при рассмотрении теплопроводности через стенки трубы? 10. Что такое теплопередача и чем она отличается от теплопроводности? 11. Что называют термическим сопротивлением теплопередачи? 12. Что может происходить при неправильном выборе материала теплоизоляции цилиндрического теплопровода? Какое существует правило выбора теплоизоляции для этого случая? 13. Для чего стремятся интенсифицировать теплопередачу и какие для этого существуют пути? 14. Как влияет материал плоской стенки на перепад температур наружной и внутренней поверхностей стенки при теплопередаче?
Вопросы для самопроверки
1. Что такое свободная и вынужденная конвекция? 2. Что такое динамический пограничный слой и тепловой пограничный слой? Какая между ними связь? 3. Что называется конвективным теплообменом? 4. Сформулируйте основной закон теплоотдачи конвекцией.
5. От каких факторов зависит коэффициент теплоотдачи? В каких единицах его выражают?
6. В чем суть теории подобия? 7. В чем физический смысл критериев подобия? 8. Чем характеризуется критерий Nu? 9. Что называется критериальным уравнением (уравнением подобия)? 16. Что обозначают индексы у критериев, входящих в уравнение подобия? 11. Как отличить определяющие критерии от определяемых? 12. Какие основные формулы применяют для различных случаев конвективного теплообмена? 13. Что такое «кризис кипения»? 14. Какие факторы отрицательно влияют на теплообмен при конденсации водяного пара?
Методические указания
Обычно передача теплоты от теплоносителя с высокой температурой к теплоносителю с низкой температурой происходит через разделительную стенку. В этом процессе, как правило, участвуют все виды теплообмена – теплопроводность, конвекция и излучение, которые были изучены в предыдущих темах. Теплообмен, учитывающий все виды теплообмена, называется сложным. Практически сложность теплообмена выражается в суммарном коэффициенте теплоотдачи αΣ, который в силу независимости по своей природе излучения и конвективного теплообмена представляет собой сумму обоих видов теплового воздействия, а именно:
α Σ = αк+ αи
Нужно уметь оценить, какой из видов теплообмена является превалирующим. Для этого уже известными методами определяют αк, а коэффициент теплоотдачи за счет излучения может быть оценен по формуле
αи = 0,23 • ε [ (Тг +Тст ) / 2 ]
где ε – приведенный коэффициент черноты системы; Тг и Тст – температура газа и стенки соответственно.
Теплообменными аппаратами называют всякое устройство, в котором осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Уясните классификацию аппаратов по принципу действия, обратив внимание на рекуперативные теплообменники как наиболее распространенные. Научитесь изображать схематично для рекуперативного теплообменника характер изменения температур рабочих жидкостей в функции поверхности нагрева для случаев прямотока и противотока в зависимости от соотношения между водяными эквивалентами.
Запомните, в каких случаях необходимо применение среднелогарифмического температурного напора, а в каких случаях можно ограничиться среднеарифметическим температурным напором.
Поймите основной принцип расчета теплообменного аппарата, связанный с уравнением теплоотдачи и уравнением теплового баланса. Особое внимание обратите на особенности теплообменников, в которых происходит изменение агрегатного состояния одного из теплоносителей (испарение или конденсация), уяснив, почему в этих случаях направление тока не влияет на эффективность работы теплообменника. Нужно понять, почему для вычисления среднелогарифмического напора независимо от схемы включения (прямоток или противоток) справедлива формула
Δtcр.лог = ( Δtб – Δtм ) ∕ ln (Δtб ∕ Δtм )
где Δtб, Δtм – наибольший и наименьший температурный напор соответственно.
Разберитесь в методах интенсификации теплообмена в рекуперативных теплообменных аппаратах и для чего нужна интенсификация.
Вопросы для самопроверки
l. Что называют сложным теплообменом? 2. Почему возможно суммировать коэффициент теплоотдачи, определяемой конвективным теплообменом, и коэффициент теплоотдачи, определяемый излучением? 3. Что называют теплообменным аппаратом и какие существуют типы аппаратов? 4. Как составляют тепловой баланс и уравнение теплопередачи для рекуперативного теплообменника? 5. Почему рекуперативный теплообменник с противоточной схемой при одинаковой начальной температуре холодной жидкости всегда компактнее, чем теплообменник с прямоточной схемой включения? 6. В каких случаях необходимо вычислять среднелогарифмический температурный напор? Когда можно применять среднеарифметический температурный напор? 7. Как проводится усреднение коэффициента теплопередачи? 8. Что является целью конструктивного теплового расчета рекуперативного теплообменника, а что является целью проверочного расчета? 9. Для чего нужно стремиться к интенсификации теплопередачи в теплообменниках и каковы методы интенсификации? 10. В чем особенность рекуперативных теплообменников, в которых один из теплоносителей изменяет свое агрегатное состояние? 11. Какая формула применяется для определения среднелогарифмического температурного напора независимо от схемы «прямоток» или «противоток»? 12. Почему, несмотря на габаритные преимущества схемы «противоток», на практике находит применение схема «прямоток»?
Методические указания
Котельные установки предназначены для получения водяного пара. В них происходит преобразование химической энергии топлива в физическую теплоту продуктов сгорания, которая через металлические поверхности нагрева передается воде для ее испарения и пару для его перегрева. Основные элементы котельной установки — котельный агрегат и вспомогательные устройства. Котельный агрегат состоит из топки, парового котла, пароперегревателя, водяного экономайзера, воздухоподогревателя, каркаса и обмуровки. К вспомогательным устройствам котельной установки относятся агрегаты и механизмы, предназначенные для транспортировки и подготовки топлива и воды, тягодутьевые устройства, контрольно-измерительные и регулирующие приборы. Уясните назначение основных элементов котельного агрегата и принципиальную схему компоновки оборудования современной котельной.
Вопросы для самопроверки
1. Что называют котельной установкой? 2. Из каких основных элементов состоит котельная установка? Что относится к вспомогательным устройствам котельной установки?
3. Приведите классификацию котельных установок по производительности и давлению пара. 4. Какова принципиальная схема компоновки оборудования современной котельной установки? 5. Назовите основные характеристики котельной установки.
Вопросы для самопроверки
1. Какие существуют типы топок? 2. Какие требования предъявляют к топкам? 3. Какие существуют способы сжигания топлива в топках котельных агрегатов? 4. Какие существуют типы камерных топок для сжигания жидкого, газообразного и пылевидного топлива? 5. Какие причины вызывают потери теплоты с механической и химической неполнотой сгорания топлива, каково значение этих потерь для различных типов топок? В. Каковы особенности топок с твердым и жидким шлакоудалением? 7. Что такое тепловое напряжение площади колосниковой решетки и топочного объема? Каковы значения теплового напряжения топочного объема камерных топок для различных видов топлива? 8. Чем отличаются пылеугольные топки от топок жидкого и газообразного топлива? Какие существуют типы мельниц для размола топлива? 9. Объясните назначение и устройство горелок для пылевидного и газообразного топлива и форсунок для мазута.
Тема 3. Котельные агрегаты
Паровые котлоагрегаты с естественной и принудительной циркуляцией. Водогрейные котлы и котлы-утилизаторы. Пароперегреватели. Водяные экономайзеры и воздухоподогреватели. Тягодутьевые устройства. Устройство для очистки продуктов сгорания. Питательные устройства. Водоподготовка и борьба с образованием накипи в паровых котлах. Сепарационные устройства паровых котлов. Тепловой баланс, коэффициенты полезного действия и расход топлива котельного агрегата. Понятие о расчете конвективных поверхностей нагрева котельного агрегата. Современные тенденции повышения тепловой эффективности котлоагрегатов. *Правила Гостехнадзора и техники безопасности.
Методические указания
Уясните сущность процессов парообразования в экранных и конвективных поверхностях нагрева котла, естественной циркуляции воды и сепарации пара. При рассмотрении топок паровых котлоагрегатов, применяемых в промышленности, особое внимание обратите на изучение устройства и принципа действия вертикально-водотрубных котлов малой и средней паропроизводительности, выполняемых в виде цилиндрических безбарабанных, двухбарабанных и однобарабанных агрегатов. Изучая устройство и принцип действия таких элементов котлоагрегатов, как пароперегреватель, водяной экономайзер и воздухоподогреватель, нужно понять, что применение этих элементов в котлоагрегате вызвано стремлением повысить экономичность топливоиспользования и уменьшить тепловые потери в котельном агрегате. Разберите назначение и устройство элементов тягодутьевого устройства. Уясните необходимость очистки подаваемой в котлоагрегат питательной воды от механических и коллоидных примесей и накипеобразующих солей освобождения от растворенных в ней коррозионно-активных газов, а также поддержания водного режима паровых котлов путем осуществления их продувки. Нужно уметь составить тепловой баланс котлоагрегата, привести определение всех составляющих, входящих в уравнение теплового баланса, определить коэффициент полезного действия, расчетный расход топлива и расход натурального топлива. Ознакомьтесь с расчетом конвективных поверхностей нагрева котельного агрегата. Изучите правила Гостехнадзора и техники безопасности при эксплуатации котлоагрегатов.
Вопросы для самопроверки
1. Какие процессы протекают в современном котельном агрегате при превращении в нем воды в перегретый пар? 2. В чем физическая сущность естественной циркуляции? Что такое кратность циркуляции? 3. Из каких основных элементов состоит котельный агрегат? 4. Что называют паропроизводительностью котла и поверхностью нагрева? 5. Какие существуют типы пароперегревателей и водяных экономайзеров? 6. Чем обеспечивается естественная и искусственная тяга в газовоздушном тракте котлоагрегата? 7. Почему сырая вода без обработки непригодна для питания паровых котлов? 8. При каких условиях возникает образование накипи в паровых котлах и каковы пути предотвращения этого вредного явления? 9. В чем сущность процесса сепарации пара в паровом котле? 10. Каково назначение продувки паровых котлов? Что такое периодическая и непрерывная продувка? 11. Из каких статей составляется тепловой баланс котельного агрегата? 12. Чем характеризуется экономичность котельного агрегата? 13. Перечислите арматуру паровых котлов. Для чего она предназначена? 14. Каковы основные правила Гостехнадзора и техники безопасности при эксплуатации котлоагрегатов?
Тема 1. Паровые турбины
Схема устройства и принцип работы турбины. Преобразование энергии в сопловом аппарате и на лопатках турбины. Активный и реактивный принципы работы потока пара в ступени. Многоступенчатые турбины. Тепловые потери. Коэффициенты полезного действия и тепловые потери. Регулирование мощности паровых турбин. Типы паровых турбин: конденсационные турбины без регулируемых отборов пара и с регулируемыми отборами пара, турбины с противодавлением. Конденсационные устройства турбин. Тепловой баланс конденсатора.
Методические указания
Паровые турбины получили широкое распространение благодаря ряду преимуществ перед другими тепловыми двигателями и прежде всего благодаря высокой экономичности, надежности и возможности получения больших мощностей в одном агрегате.
Уясните принцип действия турбины. Превращение тепловой энергии пара в механическую работу в турбине осуществляется в два этапа: сначала потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую при истечении пара из сопл, а затем кинетическая энергия потока пара на рабочих лопатках преобразуется в механическую работу вращения вала турбины. Изучите особенности процессов превращения тепловой энергии в механическую работу в активной и реактивной ступенях, а также в ступени скорости, используя для этого hs-диаграмму. Разберите устройство многоступенчатых турбин и порядок расположения в них различных ступеней. Эффективность работы турбины зависит от тепловых потерь в ней, поэтому необходимо учитывать и потери, возникающие в турбине. Научитесь определять коэффициенты полезного действия турбины, ее мощность и расход пара на турбину. При рассмотрении конструкции турбин обратите внимание на то, как в многоступенчатых турбинах происходит отбор пара из промежуточных ступеней. Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии, как известно, значительно повышает коэффициент использования теплоты. Обратите особое внимание на теплофикационные турбины, т. е. конденсационные турбины с регулируемым отбором пара и турбины с противодавлением.
Для нормальной работы турбины большое значение имеет регулирование ее мощности, поэтому необходимо обратить внимание на основные способы регулирования мощности турбины. Поскольку все конденсационные турбины снабжены установками, обеспечивающими конденсацию отработавшего в турбине пара и создание глубокого вакуума за турбиной, ознакомьтесь с устройством и принципом действия поверхностных конденсаторов, применяемых в паротурбинных установках.
Вопросы для самопроверки
1. Как осуществляется преобразование тепловой энергии пара. в механическую работу в паровых турбинах? 2. В чем разница между активной и реактивной ступенями турбины? 3. Почему современные паровые турбины выпускают многоступенчатыми? 4. Чем отличаются профили лопаток активной и реактивной ступеней? 5. Что называют степенью реактивности ступени и как она определяется? 6. Как определяется действительная скорость истечения пара из сопл? 7. Какими коэффициентами полезного действия характеризуется работа паровой турбины? 8. Что называют эффективной мощностью турбины и как она определяется?
9. Для чего осуществляется регулирование мощности паровых турбин? 10. По каким признакам классифицируют паровые турбины? 11. Какие турбины называют конденсационными и теплофикационными? 12. Какие существуют типы конденсаторов? Почему в современных паровых турбинах устанавливают конденсаторы поверхностного типа?
Вопросы для самопроверки
1. Что называют вторичными энергоресурсами? 2. По каким признакам классифицируют ВЭР? 3. Какова роль ВЭР в топливо- и тепло- потреблении страны? 4. Каковы источники ВЭР и их использование? 5. Какова экономическая эффективность использования ВЭР?
ЛИТЕРАТУРА
1. А. П. Баскаков и др. Теплотехника. М., Энергоатомиздат, 1991
2. М. М. Хазен и др. Общая теплотехника М., Высшая школа,1966
3. А. А. Щукин и др. Теплотехника. М., «Металлургия», 1973.
4. В. В Нащокин. Техническая термодинамика и теплопередача. М., 1980.
5. Нигматуллин, И.Н. Ценев, П.Н. Шляхин. Тепловые двигатели. М., Высшая школа, 1974.
6. Теория двигателей внутреннего сгорания/Под ред. Н.Х. Дьяченко.- Л.:, Машиностроение, 1974
7. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. - М.: Машиностроение, 1973.
8. Сборник задач по технической термодинамике и теплопередаче. Под ред. Б. Н. Юдаева. М.,
9. Краснощеков,Е. A., Сукомел А. С, Задачник по теплопередаче. - М.: Энергия, 1980.
.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ФИЛИАЛ ГОСУДАРСТВЕННОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
УФИМСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО НЕФТЯНОГО
ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
КАФЕДРА МЕХАНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ МАШИНОСТРОЕНИЯ
ПРОГРАММА, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
для студентов-заочников
2002
Программа, методические указания и контрольные задания для студентов-заочников всех специальностей вуза.
Настоящие методические указания и контрольные задания, подготовленные в соответствии с рабочей программой по курсу «Теплотехника» (на основании программы Главного учебно-методического управления высшего образования от 1990 года) и составлены с учетом использования их для подготовки по теплотехнике инженеров всех специальностей вуза.
Составитель: ст. преподаватель Мухаметдинова Л.Д
Октябрьский филиал Уфимского Государственного нефтяного технического университета.
ПРОГРАММА, МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ИЗУЧЕНИЮ ТЕМ КУРСА И ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
Введение
Теплотехника как общетехническая дисциплина, ее значение в системе подготовки инженера. Главные задачи курса. Проблема экономии топливно-энергетических ресурсов. Рациональное использование вторичных энергоресурсов. Защита окружающей среды.
Методические указания
Теплотехника — общетехническая дисциплина, которая изучает способы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло- и парогенераторов, тепловых и холодильных машин, аппаратов и устройств.
Теоретическими основами теплотехники являются техническая термодинамика и теория тепло- и массообмена.
Теплотехническая подготовка студентов различных специальностей имеет ряд особенностей, которые обусловлены характером их будущей практической деятельности. Большинство технологических процессов, применяемых на предприятиях нефтегазовой промышленности, протекают с выделением или поглощением теплоты, а также с широким использованием электрической и механической энергии, которые вырабатываются в различных теплосиловых установках и тепловых двигателях.
Инженер в своей практической деятельности имеет дело с различными тепловыми процессами и с их конструктивным оформлением в виде теплотехнического оборудования. Поэтому он должен уметь грамотно и эффективно использовать тепловое оборудование и, как руководитель эксплуатацией энерготехнологических систем производства, заниматься выявлением и использованием вторичных энергоресурсов.
Курс теплотехники состоит из трех частей:
1. Техническая термодинамика;
2. Теория тепло- и массообмена;
3. Промышленные теплоэнергетические установки.
Основная задача курса теплотехники – дать необходимую теплотехническую подготовку будущему квалифицированному инженеру.
Дата: 2018-12-21, просмотров: 409.