Основные законы термодинамики

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Введение

Методическое пособие предназначено для студентов III курса заочной формы обучения по направлению «Электроэнергетика и электротехника» по дисциплине «Общая энергетика».

Дисциплина «Общая энергетика» является дисциплиной базовой части профессионального блока (Б.3.Б.3) дисциплин и относится к профилю «Электроснабжение».

Целью освоения дисциплины является:

- изучение основных теоретических положений технической термодинамики и тепломассообмена;

- получение знаний в области основ преобразования энергии в тепловых двигателях;

- освоение методов выработки тепловой и электрической энергии на электростанциях;

- изучение использования новых видов энергии и способов их получения.

В процессе изучения этой дисциплины студенты должны усвоить принципы работы теплосилового оборудования, ознакомиться с конструктивными особенностями энергетических машин и аппаратов, их основными показателями и характеристиками, позволяющими решать инженерно-технические задачи, возникающие при выборе и эксплуатации энергетического оборудования промышленных предприятий.

Дисциплина «Общая энергетика» базируется на курсах математического и естественнонаучного цикла дисциплин: «Высшая математика», «Физика», «Химия», «Информатика», «Инженерная и компьютерная графика» и является составляющим компонентом при изучении таких дисциплин как «Энергоснабжение», «Электрические и электронные аппараты», «Электрические станции и подстанции», «Надежность электроснабжения» и др.

Изучение дисциплины «Общая энергетика» направлено на формирование следующих компетенций:

· способность к общению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1);

· готовность к самостоятельной, индивидуальной работе, принятию решений в рамках своей профессиональной компетенции (ОК-7);

· способность и готовность использовать информационные технологии, в том числе современные средства компьютерной графики в своей предметной области (ПК-1);

· готовность выявить естественнонаучную сущность проблем, возникающих в ходе профессиональной деятельности, и способность привлечь для их решения соответствующий физико-математический аппарат (ПК-3);

· способность и готовность анализировать научно-техническую информацию, изучать отечественный и зарубежный опыт по тематике исследования (ПК-6);

· готовность обосновывать технические решения при разработке технологических процессов и выбирать технические средства и технологии с учетом экологических последствий их применения (ПК-21);

· способностью выполнять экспериментальные исследования по заданной методике, обрабатывать результаты экспериментов (ПК-44).

В результате изучения дисциплины студент должен:

Знать:

- законы технической термодинамики, описывающие физическую сущность явлений и процессов, которые лежат в основе преобразования энергии при работе теплосилового оборудования (ОК-1, ПК-3, 6);

- принципы работы и виды оборудования, используемого для выработки тепловой и электрической энергии на электростанциях, с учетом отечественного и зарубежного опыта (ПК-3, 6);

- методы расчета тепловых схем паротурбинных и газотурбинных установок, а также двигателей внутреннего сгорания (ОК-7, ПК-1, 21, 44);

- способы получения и использования нетрадиционных и возобновляемых источников энергии, в том числе и с учетом экологических последствий (ПК-3, 21).

Уметь:

- обосновывать технические решения при анализе и расчете термодинамических и тепломассобменных процессов, протекающих в тепловых двигателях и теполообменных аппаратах (ПК-6, 21);

- ставить цель, намечать путь и выполнять экспериментальные исследования при изучении термодинамических процессов (ОК-1, ПК44);

- принимать правильные технические решения с учетом экологических последствий при анализе влияния начальных и конечных параметров теплоносителя, обеспечивающего работу электростанций (ОК-7, ПК-21).

Владеть:

- способностью анализировать и воспринимать информацию (ОК-1);

- навыками использования различных информационных технологий при изучении принципов работы оборудования, вырабатывающего тепловую и электрическую энергию (ОК-1, ПК-1).

1 программа и методические указания к разделам дисциплины

Методические указания

При изучении основных положений термодинамики следует начать, прежде всего, с основных понятий и определений: термодинамика, термодинамические системы, окружающая среда; рабочее тело, параметры состояния рабочего тела (давление, температура, удельный объем); внутренняя энергия, работа расширения, теплота; идеальный газ.

Студент должен четко определить, что такое термодинамические системы и какие они бывают (открытая, закрытая, теплоизолированная или адиабатическая, изолированная). Преобразование какой-либо энергии при получении механической работы, холода, теплоты осуществляется с помощью рабочего тела, которое может быть газообразным, жидким и плазменным веществом. В термодинамических системах в качестве рабочего тела часто рассматривается идеальный газ – теоретическая модель газа, в которой молекулы принимаются за материальные точки, не имеющие объема и взаимного притяжения. Функциональная связь между параметрами состояния в равновесной термодинамической системе называется уравнением состояния. Следует учитывать, что из трех основных параметров, определяющих состояние системы, независимыми являются два любых. Уравнением состояния идеального газа является уравнение Клапейрона:

или

где - газовая постоянная, характеризующая работу 1 кг идеального газа при постоянном давлении и изменении температуры на 1K

Уравнение Клапейрона можно перевести в универсальную форму, если отнести газовую постоянную к одному киломолю газа, т.е. к количеству газа, масса которого в килограммах численно равна его молекулярной массе . Уравнение состояния для 1 киломоля газа – уравнение Клапейрона - Менделеева:

Студенту необходимо знать, что в реальных газах существенное влияние на их свойства оказывают собственный объём молекул и силы межмолекулярного взаимодействия. Свойства таких газов описываются многочисленными эмпирическими уравнениями. Наиболее простым, качественно правильно отражающим поведение реальных газов, является уравнение Ван-дер-Ваалься:

Рассматривая внутреннюю энергию как функцию состояния системы, следует учесть, что она состоит из:

1) кинетической энергии поступательного, вращательного и колебательного движения частиц;

2) потенциальной энергии взаимодействия частиц;

3) энергии электронных оболочек атомов;

4) внутриядерной энергии.

Внутренняя энергия системы является однозначной функцией двух любых параметров состояния рабочего тела. Изменение не зависит от промежуточных состояний рабочего тела, а определяется только начальным и конечным состоянием системы.

Работа расширения – это работа против сил внешнего давления, связанная с увеличением объёма системы. Работа изменения объёма закрытой системы равна произведению давления на приращение объёма:

Так как - величина положительная, то и всегда имеют одинаковые знаки:

если >0, то и >0, т.е. при расширении работа тела положительна, при этом тело само совершает работу;

если <0, то и <0, т.е. при сжатии работа тела отрицательна – не тело совершает работу, а на его сжатие затрачивается работа извне.

Теплота – это мера микрофизической формы передачи энергии, т.е. осуществляемого на молекулярном уровне обмена энергией между системой и окружающей средой без совершения работы.

Теплота может передаваться при непосредственном контакте между телами – теплопроводностью, конвекцией, или на расстоянии - излучением. Этот процесс возможен только при наличии разницы температур.

Надо твердо усвоить, что: внутренняя энергия – это свойство самой системы, характеризующее состояние системы. Теплота и работа – это энергетические характеристики процессов теплового и механического взаимодействий системы с окружающей средой, характеризующие те количества энергии, которые переданы системе через её границы в определённом процессе.

Поэтому элементарное количество теплоты , так же как и , не является полным дифференциалом в отличие от дифференциала внутренней энергии .

При знакомстве с первым законом термодинамики студент должен понять, что это частный случай всеобщего закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым явлениям.

По первому закону термодинамики теплота, сообщаемая системе, идет на приращение её внутренней энергии и на совершение внешней работы.:

Теплоёмкость тела – это отношение количества теплоты , полученного телом при бесконечно малом изменении его состояния, к связанному с эти изменению температуры тела :

При изучении теплоёмкости следует обратить внимание на то, что обычно теплоёмкость относят к единице количества вещества и в зависимости от выбранной единицы различают:

удельную массовую теплоёмкость , отнесённую к 1 кг газа, ;

удельную объёмную теплоёмкость , отнесённую к количеству газа, содержащегося в 1 м³ объёма при нормальных физических условиях, ;

удельную мольную теплоёмкость , отнесённую к одному киломолю, .

Теплоёмкость является функцией процесса. Одно и то же рабочее тело в зависимости от процесса требует для своего нагревания на 1 K различного количества теплоты. Численно величина теплоемкости изменяется от +∞ до -∞.

Энтальпия – величина суммы внутренней энергии системы и произведения давления системы на её объём :

Так как входящие в неё величины являются функциями состояния, то и сама энтальпия является функцией состояния.

Физический смысл энтальпии заключается в том, что энтальпия – это полная энергия расширенной системы – сумма внутренней энергии системы и потенциальной энергии источника внешнего давления.

При знакомстве с энтропией, как термодинамическим параметром, студент должен узнать, что энтропия – функция состояния системы, для которой выражение при равновесном изменении состояния газа есть полный дифференциал, который обозначается для произвольного количества газа через и измеряется в . Для 1 кг газа энтропия обозначается через , равна и измеряется в .

Следует знать, что энтропия – параметр, который изменяется только от количества переданной теплоты так же, как объём при совершении работы, был предложен Р. Клаузиусом в 1852 г. Энтропия не может быть измерена каким-либо образом. Она определяется только расчётным путём.

Введение энтропии позволило сформулировать второй закон термодинамики: - если в адиабатно-изолированной системе (системе без теплообмена с окружающей средой) осуществляются равновесные процессы, то энтропия системы остается постоянной;

- самопроизвольные (необратимые) процессы в изолированной системе всегда приводят к увеличению энтропии.

Методические указания

При изучении термодинамических процессов студенту необходимо уяснить, что основные процессы: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный – частные случаи политропного процесса. Расчетные формулы, применявшиеся при изучении идеального газа, для реального газа не действительны. Например, для идеального газа в процессе изменение внутренней энергии его равнялось нулю, а для пара при нулю не равно. Линии, изображающие основные термодинамические процессы в и - диаграммах, в общем случае различны для газа и пара. При расчете паров мы не имеем такого простого и точного уравнения состояния, как для идеального газа. Поэтому процессы и циклы с паром рассчитываются с помощью таблиц «Теплофизические свойства воды и водяного пара» и - диаграммы. Студентам необходимо выработать навыки работы с этими таблицами и - диаграммой водяного пара - основного рабочего тела в теплоэнергетике. Общий метод расчета по - диаграмме заключается в следующем: по известным параметрам наносится начальное состояние рабочего тела, затем проводится линия процесса, и определяются его параметры в конечном состоянии, с помощью которых вычисляются изменение внутренней энергии, количества теплоты и работы в заданном процессе.

Студенту необходимо знать, что в инженерной практике часто приходится иметь дело с газообразными веществами, близкими по свойствам к идеальным газам и представляющими собой механическую смесь отдельных компонентов различных газов, химически не реагирующих между собой. Это так называемые газовые смеси. Основным законом, определяющим поведение газовой смеси, является закон Дальтона: полное давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений всех входящих в неё компонентов. Парциальное давление - давление, которое имел бы газ, если бы он один при той же температуре занимал весь объём смеси. Состав газовой смеси задается массовыми, объёмными или мольными долями. Примером газовых смесей, используемых в промышленности, являются продукты сгорания, природный газ, воздух.

Влажный воздух является рабочим телом многих теплоэнергетических машин и представляет собой смесь сухого воздуха с водяным паром. Основные параметры влажного воздуха (плотность, газовая постоянная и др.) подсчитываются по формулам смеси идеального газа. При расчетах процессов сушки, вентиляции и отопления применяется - диаграмма влажного воздуха, отражающая зависимость энтальпии влажного воздуха от его влагосодержания.

При изучении основных законов механики жидкости и газа студент должен обратить внимание на то, что уравнение первого закона термодинамики для потока является основой, на которой строится вся теория истечения. Поэтому студент должен твердо усвоить те предположения и допущения, которые кладутся в основу вывода уравнения энергии для газового потока

Следует твердо знать условия перехода от дозвуковых скоростей потока к сверхзвуковым, уметь рассчитывать сужающееся сопло и сопло Лаваля. Сопло – это канал, в котором расширяется газ с уменьшением давления и увеличением скорости его движения. Сопло имеет узкое сечение канала на его срезе. Сопло Лаваля – комбинированное сопло с сужающейся и расширяющейся частями, применяемое для получения скоростей газа больше скорости звука. Газ, проходя через сопло Лаваля, в его узком сечении имеет критические параметры, связанные со скоростью его истечения

где - показатель адиабаты; - критические параметры газа; - критическая скорость истечения, равная скорости распространения звука в газе с параметрами .

Студенту надо знать, как влияет трение на течение газа или пара, и уметь изобразить процессы течения с трением в и - диаграммах, уметь объяснить, что такое давление и температура заторможенного потока. Нужно уяснить принципиальную разницу между адиабатным дросселированием, при котором , > 0, и адиабатным обратимым процессом расширения, при котором , = 0. Надо знать, что эффект Джоуля-Томсона – это изменение температуры газа в результате адиабатного дросселирования. Процесс дросселирования используется для регулирования работы паросиловых установок, так как с увеличением дросселирования уменьшаются расход рабочего тела и располагаемая работа (теплоперепад).

Компрессор – это устройство, предназначенное для сжатия и перемещения газов. При изучении процесса сжатия в компрессоре нужно понять, что различные по конструкции компрессоры характеризуются одинаковыми, по сути, термодинамическими процессами. Поэтому достаточно рассмотреть процессы, происходящие в одноступенчатом поршневом компрессоре. Многоступенчатые компрессоры используются для сжатия воздуха до высокого давления, между ступенями таких компрессоров устанавливаются теплообменники, обеспечивающие охлаждение воздуха, сжатого в предыдущей ступени, что дает дополнительную экономию в работе.

Методические указания

Студент должен узнать, что для превращения теплоты в работу в непрерывно действующей машине нужно тело, от которого можно получить теплоту (горячий источник) с температурой ; рабочее тело (газ), совершающее термодинамический процесс, и тело с температурой , забирающее от рабочего тела теплоту, не превращенную в работу (холодный источник).

Теплота от горячего источника к рабочему телу подводится изотермически. Охладить рабочее тело от температуры горячего до температуры холодного источника можно путем адиабатного расширения с совершением работы. Процесс теплоотдачи от рабочего тела к холодному источнику - тоже изотермический, а процесс повышения температуры рабочего тела от до - это адиабатное сжатие с затратой работы. Такой цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, называется циклом Карно и является примером цикла идеального теплового двигателя.

Степень совершенства цикла теплового двигателя оценивается коэффициентом полезного действия.

Термический коэффициент полезного действия (КПД) цикла – отношение работы, производимой двигателем за цикл, к количеству теплоты, подведенной за этот цикл от горячего источника:

где - теплота, забираемая рабочим телом от горячего источника;

- теплота, отводимая от рабочего тела к холодному источнику.

При изучении цикла Карно студент должен твердо усвоить, что КПД этого цикла всегда меньше единицы, не зависит от рода рабочего тела и имеет наибольшее значение по сравнению с любых других циклов, ограниченных тем же интервалом температур. Никакими новыми конструкциями тепловых двигателей или применением новых рабочих тел нельзя в цикле всю подведенную теплоту превратить в полезную работу. Для увеличения нужно стремиться к таким процессам, образующим цикл, чтобы средняя температура подвода теплоты была как можно больше, а средняя температура отвода теплоты как можно меньше.

Рассматривая циклы паротурбинных установок, необходимо обратить внимание на следующие вопросы:

1) почему для пара цикл Карно не применяется?;

2) сопоставить цикл Ренкина с циклом Карно, в чем преимущество первого цикла?;

3) каким образом можно повысить термический КПД паротурбинного цикла?

Необходимо рассмотреть методы повышения термического КПД паротурбинного цикла; каким образом и с какой целью на ТЭЦ осуществляется комбинированная выработка тепловой и электрической энергии.

При изучении идеальных циклов газовых двигателей нужно обратить внимание на то, что все процессы являются обратимыми и протекают с одним и тем же количеством рабочего тела, химический состав которого постоянен. Принимается, что теплоемкость рабочего тела не зависит от температуры. В качестве рабочего тела целесообразно использовать газы, получающиеся при сгорании топлива. Это удается осуществить в двигателе внутреннего сгорания (ДВС), сжигая топливо непосредственно в его цилиндрах.

В связи с тем, что технические процессы, протекающие с большими скоростями, можно в первом приближении считать адиабатными, процессы расширения и сжатия в любых газовых двигателях (в поршневых и газотурбинных) можно принимать адиабатными.

Принципиально циклы газотурбинных установок отличаются от циклов двигателей внутреннего сгорания лишь процессом отвода теплоты. В газотурбинных установках и реактивных двигателях осуществляется полное расширение газов до давления окружающей среды, поэтому процесс отвода теплоты принимается изобарным. В поршневых двигателях газы выбрасываются из цилиндра с давлением в 2 – 4 раза большим атмосферного. Поэтому процесс отвода теплоты принимается изохорным. Процесс подвода теплоты не характеризует принадлежность рассматриваемого теплового двигателя к той или иной группе (как для газотурбинного, так и для поршневого он может быть и изохорным). Термический КПД любого цикла растет с увеличением степени сжатия. Анализ термодинамических циклов различных тепловых двигателей показывает, что любой цикл может рассматриваться, как частный случай обобщенного цикла. При изучении циклов различных холодильных установок следует обратить внимание на то, что как для тепловых двигателей, так и для холодильных машин эталоном является цикл Карно. Холодильный цикл используется для передачи теплоты от тел менее нагретых к более нагретым при помощи холодильных установок или тепловых насосов. Необходимо уяснить, почему в воздушных компрессорных установках не применяется процесс дросселирования, почему паровые компрессорные установки имеют холодильный коэффициент значительно больше, чем воздушные.

Теория тепломассообмена

Способы передачи теплоты. Теплопроводность, закон Фурье. Конвективный теплообмен, уравнение Ньюто-Рихмана. Виды теплоотдачи. Расчеты коэффициентов теплоотдачи с помощью теории подобия. Лучистый теплообмен. Теплопередача. Тепловая изоляция.

Методические указания

При знакомстве с теорией тепломассообмена студент должен понять, что процессы передачи теплоты представляют собой процессы обмена внутренней энергией между элементами рассматриваемой системы в форме теплоты. Согласно второму закону термодинамики самопроизвольный процесс переноса теплоты в пространстве возникает под действием разности температур и направлен в сторону уменьшения температуры. Теплота может распространяться в любых веществах и даже через вакуум. При этом поверхность, во всех точках которой температура одинакова, называется изотермической. Существуют три различных по своей природе элементарных вида теплообмена: теплопроводность, конвективный теплообмен и лучистый теплообмен.

Теплопроводность в чистом виде встречается только в твёрдых телах. Перенос теплоты в этом случае происходит как за счёт распространения упругих колеблющихся атомов и молекул, так и перемещения свободных электронов и колебания атомов кристаллической решетки. Согласно закону Фурье - основному закону теплопроводности - вектор плотности теплового потока, передаваемого теплопроводностью, пропорционален градиенту температуры

где - коэффициент теплопроводности.

Это уравнение - аналитическое выражение основного закона теплопроводности. Рассматривая теплопроводность элементарных тел (пластинка, труба, шар), студент должен уметь применять закон Фурье для каждого случая, т.е. вывести уравнения, определяющие закон распределения температур по толщине стенки и количество теплоты, передаваемой через стенку. При изучении процесса теплопроводности через стенку нужно уметь анализировать влияние отдельных термических сопротивлений на общее сопротивление, а также знать способы уменьшения термических сопротивлений. Рассмотреть теплопроводность одно- и многослойной стенки.

Процесс конвективного теплообмена определяется переносом теплоты в движущейся среде и описывается системой дифференциальных уравнений. Уравнение сплошности или непрерывности выводится из баланса масс, втекающих в дифференциально малый объем. Дифференциальное уравнение энергии выводится аналогично уравнению сплошности, но на основе закона сохранения энергии. Дифференциальное уравнение движения для несжимаемой жидкости физически представляет собой запись второго закона Ньютона, в котором сила инерции вещества в единичном объеме приравнена к сумме сил тяжести, давления и вязкости, действующих на этот объект. Студент должен уяснить, что система дифференциальных уравнений описывает практически любой процесс конвективного теплообмена. Для выделения конкретной задачи из множества необходимо задать условия однозначности, включающие:

1) физические условия, характеризующие теплофизические свойства среды ;

2) геометрические условия, определяющие форму и размеры системы, в которой протекает процесс;

3) временные (или начальные) условия, задающие состояние системы в определенный (обычно начальный) момент времени;

4) граничные условия, определяющие протекание процесса на внешних границах рассматриваемой системы.

Граничные условия могут быть заданы тремя способами. Граничное условие первого рода задается распределением температуры на поверхности тела для любого момента времени. Граничное условие второго рода задается поверхностной плотностью теплового потока в каждой точке поверхности тела для любого момента времени. Граничное условие третьего рода задается температурой среды, окружающей тело, и законом теплоотдачи между поверхностью тела и окружающей средой. Необходимо получить понятие о гидродинамическом и тепловом пограничных слоях.

Конвективный теплообмен наиболее труден для исследования. Для расчета передачи теплоты конвекцией необходимо знать числовые значения коэффициента теплоотдачи . Он характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой, для каждого конкретного случая. При этом не является физической константой, так как этот коэффициент характеризует тепловое взаимодействие двух тел. Система уравнений, определяющая конвективный теплообмен и, следовательно, позволяющая (в принципе) определить , может быть решена только для ограниченного числа простейших случаев и то с определенными допущениями. Получение числовых значений из эксперимента на натуре экономически нецелесообразно. Выход из положения дает теория подобия. Она, во-первых, дает возможность проводить эксперименты не на натуре, а на модели, и результаты опытов на модели распространить на все подобные явления. Во-вторых, основываясь на системе дифференциальных уравнений конвективного теплообмена, она четко определяет условия подобия физических явлений и процессов. Обработка экспериментальных данных в критериальной форме позволяет выявить главные факторы, влияющие на величину , и отбросить второстепенные. Конвективный теплообмен характеризуется следующими числами (критериями) подобия: (Нуссельта); Pr (Прандтля); (Грасгофа) и Re (Рейнольдса). Число характеризует конвективный теплообмен между жидкостью и поверхностью твердого тела и содержит неизвестный коэффициент теплоотдачи. Число Pr определяет физические свойства жидкости. Число характеризует соотношение подъемной силы, возникающей вследствие разности плотностей жидкости и силы молекулярного подобия. Число Re представляет собой соотношение сил инерции и сил вязкости и определяет характер течения жидкости. Существует еще целый ряд других критериев подобия, характеризующих более конкретные условия течения жидкости и протекания процесса теплообмена. При конвективном теплообмена уравнения подобия могут быть представлены в следующем виде:

Зависимость между числами подобия, в основном, определяется опытным путем. В случае вынужденного движения жидкости им при развитом турбулентном режиме свободная конвекция в сравнении с вынужденной очень мала, поэтому уравнение подобия теплоотдачи упрощается:

При свободном движении жидкости, когда вынужденная конвекция отсутствует, вместо числа Re в уравнение подобия теплоотдачи необходимо ввести критерий , тогда получим:

С учетом направления теплового потока с помощью отношения общее уравнение подобия для конвективного теплообмена принимает следующий вид:

В такой форме можно представить все уравнения для частных случаев. Количественная связь между критериями подобия определяется экспериментально. Студент должен четко уяснить физический смысл основных критериев и применять при расчетах те критериальные зависимости, которые соответствуют конкретному виду задачи: теплоотдача при свободной и вынужденном движении теплоносителя; продольное и поперечное омывание труб; теплоотдача при кипении и конденсации жидкости.

Переходя к изучению отдельных видов теплообмена необходимо внимательно изучить те предложения и допущения, на базе которых строится их решение. Поэтому одной из основных задач студента при изучении этой темы является четкое усвоение ответов на следующие вопросы:

1. С помощью каких исходных аналитических зависимостей находятся определяющие критерии?

2. Какой критериальной зависимостью следует воспользоваться для конкретного случая расчета коэффициента теплоотдачи? (Для ответа на этот вопрос необходимо определить характер (ламинарное или турбулентное) и природу возникновения (естественное или вынужденное) движения).

3. Каковы определяющий размер и определяющая температура? (За определяющую температуру при экспериментах выбирается температура поверхности стенки или средняя температура жидкости и стенки. Соответствующий выбору индекс должен проставляться у критериев).

4. Находятся ли параметры задачи в интервале значений критериев, для которого справедлива выбранная формула?

При изучении лучистого теплообмена студент должен, прежде всего, уяснить принципиальное отличие теплообмена излучением от теплообмена теплопроводностью и конвекцией. В процессе теплообмена излучением осуществляется двойное превращение энергии – сначала тепловая энергия переходит в энергию электромагнитного излучения, а затем энергия электромагнитного излучения в тепловую. Так как тела частично поглощают энергию электромагнитного излучения, а также частично отражают и пропускают её через себя, то основным вопросом при исследовании лучистого теплообмена является вопрос о количественном соотношении между отраженной, поглощенной и пропущенной через тело энергиями. Решать конкретные задачи, связанные с лучистым теплообменом позволяют основные законы излучения (Планка, Вина, Кирхгофа, Стефана-Больцмана) и экспериментальные данные свойств отдельных тел. Студенту необходимо изучить методику и границы их применения.

Разделение общего процесса переноса теплоты на элементарные составляющие (теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение) сделано для облегчения расчетов. На практике эти явления протекают одновременно.

Сочетание различных видов теплообмена может быть весьма разнообразным, и роль их в общем процессе неодинакова. Это так называемый сложный теплообмен. Процесс теплообмена между стенкой и омывающим её газом является типичным примером сложного теплообмена - совместного действия конвекции, теплопроводности и теплового излучения.

В теплотехнических расчетах при сложном теплообмене часто пользуются общим (суммарным) коэффициентом теплоотдачи - суммой коэффициентов теплоотдачи конвекцией и излучением .

В теплотехнике часто тепловой поток от одной жидкости (или газа) к другой передается через стенку. Такой суммарный процесс теплообмена называется теплопередачей. Передача теплоты в этом случае – процесс сложного теплообмена, состоящего из трех этапов: теплоотдача от нагретой среды (жидкости или газа) к левой поверхности стенки, теплопроводность через стенку и теплоотдача от правой поверхности стенки к холодной среде. Плотности тепловых потоков на всех этапах одни и те же (стенка плоская и режим теплообмена стационарный). Интенсивность такого процесса характеризуется коэффициентом теплопередачи, представляющим собой мощность теплового потока, проходящего от более нагретой среды к менее нагретой через 1 м² поверхности стенки за 1 с. при разнице температур между средами 1ºС.

Для уменьшения потерь теплоты многие сооружения, агрегаты, коммуникации приходится теплоизолировать, покрывая стенки слоем материала с малой теплопроводностью . Такие материалы называют тепловой изоляцией.

Методические указания

Теплообменные аппараты (теплообменники) – это устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды (жидкости или газа) к другой, т.е. нагревания одного теплоносителя за счет охлаждения другого. В электронагревателях и реакторах происходит внутреннее выделение тепла в самом аппарате, которое идет на нагрев теплоносителя.

Теплообменники с двумя теплоносителями в зависимости от способа передачи теплоты от одного теплоносителя к другому делятся на: рекуперативные, регенеративные, смесительные и с промежуточным теплоносителем.

Приступая к изучению основ расчета теплообменных аппаратов, студент должен:

· обратить внимание на способы интенсификации процесса теплообмена в теплообменниках;

· понять методику вывода формулы среднего температурного напора для рекуперативных теплообменников;

· знать ограничения, допущенные при выводе формулы;

· уметь рассчитывать теплообменники при различных схемах движения теплоносителей (противоток и прямоток, перекрестный ток);

· анализировать полученные результаты.

Общее уравнение при расчете теплообменника любого типа – это уравнение теплового баланса (уравнение сохранения энергии).

Тепловой поток , отданный в теплообменнике горячим теплоносителем (индекс 1) при его охлаждении от температуры до , равен

где - массовый расход теплоносителя.

Несколько процентов (от 1% до 10%) от теряется в окружающую среду через стенки теплообменника, а основная часть (КПД теплообменника учитывает потери) передается второму теплоносителю (индекс 2).

Тепловой поток, получаемый холодным теплоносителем, равен

Уравнение теплового баланса позволяет найти один неизвестный параметр: либо расход одного из теплоносителей, либо одну из температур. Все остальные параметры должны быть известны.

Поверхность , необходимая для передачи теплового потока от горячего теплоносителя к холодному, определяется из уравнения

В расчете нужно использовать среднеинтегральную по длине теплообменника разность температур теплоносителей:

Если ввести и - перепады температур между теплоносителями на концах теплообменника, то в прямоточном теплообменнике значение равно разности температур теплоносителей на входе, а - на выходе; а в противоточном теплообменнике при движении теплоносителей навстречу друг другу значения на концах определяются по разности температур на входе греющего и выходе нагреваемого теплоносителя.

При соотношении <2 для расчета используется среднеарифметическое значение .

При соотношении ≥2 для расчета используется среднелогарифмическое значение

При перекрестном движении теплоносителей и других сложных схемах их движения при расчете вначале определяют для противоточного движения, а затем вводят поправки, взятые из справочника.

Виды теплового расчета теплообменников – конструктивный и поверочный. При конструктивном расчёте теплообменника известны начальные и конечные параметры теплоносителей, и необходимо рассчитать поверхность теплообменника. При поверочном расчёте известна конструкция теплообменника, т.е. заданы: площадь поверхности теплообмена , начальные параметры теплоносителей. Необходимо рассчитать конечные параметры, т.е. проверить пригодность данного теплообменника для технологического процесса.

Методические указания

Энергетическим топливом называются горючие вещества, которые экономически целесообразно использовать для получения в промышленных целях больших количеств тепла. Основными его видами являются органические топлива: торф, горючие сланцы, угли, природный газ, продукты переработки нефти. По способу получения различают природные и искусственные топлива. К природным относятся натуральные топлива: уголь, сланцы, торф, нефть, природные газы. Из твердых топлив к искусственным относятся кокс, брикеты угля, древесный уголь. Из жидких - мазут, бензин, керосин, соляровое масло, дизельное топливо. Из газовых — газы доменный, генераторный, коксовый, подземной газификации.

В состав органического топлива входят различные соединения горючих и негорючих элементов. Твердое и жидкое топливо содержит такие горючие вещества, как углерод , водород , летучую серу (органическую и колчеданную ) и негорючие вещества – кислород O, азот , золу , влагу . Твердые и жидкие топлива характеризуются:

рабочей массой

;

сухой массой

;

горючей массой

Газообразное топливо приводится к сухой массе в объёмных долях:

Горение топлива – это химическая реакция, протекающая с выделением большого количества тепла – теплоты сгорания. Различают низшую и высшую теплоту сгорания топлива. Низшая теплота сгорания топлива меньше высшей на величину теплоты парообразования влаги, имеющейся в топливе или образующейся в результате сгорания водорода топлива.

Помимо теплоты сгорания важнейшими техническими характеристиками топлива являются содержание золы и влаги, выход летучих веществ, свойства нелетучего остатка (кокса). Надо знать, что для сравнительных экономических расчётов топливоиспользующих устройств, работающих на различных видах топлива, используется понятие условного топлива.

При проектировании теплотехнических агрегатов нужно знать количество воздуха, необходимого для горения топлива, и количество образующихся в этом процессе газов, чтобы правильно рассчитать воздуховоды и газоходы, дымовую трубу, выбрать устройства для транспортировки этих газов (вентиляторы и дымососы). Расчетные количества этих газов относят к единице количества топлива (на 1 кг твёрдого и жидкого и на 1 м³ газообразного). При расчете необходимого для горения топлива количества воздуха определяют теоретический объём сухого воздуха , необходимый для полного сгорания топлива, и действительный объём воздуха , который необходимо подавать в пространство, где должно гореть топливо. В реальных условиях требуется подавать воздуха больше теоретически необходимого на величину коэффициента избытка воздуха . Значение коэффициента избытка воздуха зависит от вида топлива и способа его сжигания, обычно . Объём продуктов сгорания делят на объём сухих газов , состоящих из трёхатомных и двухатомных газов, и объём водяных паров

Чрезвычайное разнообразие топлив требует такого же разнообразия способов их сжигания. Во всех случаях пространство, в котором в результате сжигания топлива получается теплота, называется топочной камерой или камерой сгорания. В энергетических и промышленных установках твёрдое топливо сжигается в слое и во взвешенном состоянии, для сжигания газообразного и жидкого топлива используется факельное горение. Студенты должны познакомиться с условиями протекания этих процессов. Составить представление о конструкциях горелок, применяемых для сжигания различных видов топлива.

Методические указания

Ознакомление с котлоагрегатами необходимо начать с принципиальной схемы. По схеме очень удобно разобраться во взаимодействии различных элементов и систем конструкции, в том числе проследить движение воды, воздуха, топлива, дымовых газов, пара. Устройство современного котлоагрегата следует изучить на примере барабанного парового котла с естественной циркуляцией, состоящего топочной камеры и газоходов, барабана, поверхностей нагрева, находящихся под давлением рабочей среды (испарительных поверхностей, пароперегревателей, экономайзеров), воздухоподогревателей, соединительных трубопроводов и воздуховодов.

Тепловой баланс парового котла характеризуется равенством между количествами подведенной и расходуемой теплоты . Тепловой баланс составляется на 1 кг твёрдого (жидкого) топлива или на 1 м³ газообразного топлива. Подведенная теплота - располагаемая теплота, состоящая из низшей теплоты сгорания рабочей массы твёрдого и жидкого топлива и сухой массы газообразного топлива , физической теплоты топлива , теплоты, вносимой в топку с воздухом , теплоты, вносимой в топку с паровым дутьём , теплоты, затраченной на разложение карбонатов при сжигании сланцев . Расходуемая теплота складывается из теплоты, полезно использованной в котлоагрегате на получение пара , потери теплоты с уходящими газами , потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива , потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива , потери теплоты в окружающую среду и потери теплоты с физической теплотой шлака . Анализируя тепловой баланс котла, определяют долю теплоты, использованной в котлоагрегате – коэффициент полезного действия брутто , подсчитанный без учета затрат энергии на собственные нужды.

Паровые и газовые турбины

Истечение пара в активных и реактивных ступенях паровых турбин. Классификация паровых и газовых турбин. Принципиальные схемы паротурбинных и газотурбинных установок.

Методические указания

Паровые и газовые турбины – это тепловые расширительные турбомашины, в которых потенциальная энергия нагретого и сжатого рабочего тела при его расширении в лопаточном аппарате превращается в кинетическую энергию, а затем в механическую работу на вращающемся валу. Вращающиеся лопатки, закрепленные на роторе турбомашины, изменяют полную энтальпию рабочего тела. Рабочим телом в паровых машинах является пар, в газовых турбинах – газ. Турбинная ступень – это совокупность неподвижного соплового аппарата (система сопловых лопаток) и вращающегося рабочего колеса с рабочими лопатками. Сопловая и рабочая решетки – совокупность расположенных определенным образом сопловых и рабочих лопаток. Для выбора профилей таких лопаток понадобится располагаемый теплоперепад. В паровой и газовой турбине располагаемый теплоперепад равен идеальной работе адиабатного расширения рабочего тела. Для классификации турбинных ступеней необходимо понятие «степень реактивности ступени». Степень реактивности ступени – это отношение части располагаемого теплоперепада ступени, срабатываемого в рабочей решетке, к полному располагаемому теплоперепаду ступени. Если степень реактивности ступени равна нулю и в каналах рабочих лопаток не происходит дополнительного расширения пара, то такая ступень называется чисто активной. Когда степень реактивности невелика (до 0,2÷0,25), то ступень принято также называть активной. Если степень реактивности значительна (0,4÷0,6), то ступень называется реактивной.

В зависимости от начальных параметров паровые турбины подразделяются на до- и сверхкритические. На конструкцию работы турбины влияет режим её работы: базовый, пиковый или полупиковый. По внутренним конструктивным признакам турбины делят на активные и реактивные. Паровые турбины, в которых отработавший в них пар для конденсации направляется в конденсатор, относятся к конценсационным. В противодавленческих турбинах отработавший пар подаётся технологическим потребителям. Конденсационные турбины, имеющие только нерегулируемые (регенеративные) отборы, предназначены для выработки только электрической энергии. Турбины, имеющие кроме нерегулируемых еще один или два регулируемых отбора, называют теплофикационными. Пар из таких регулируемых отборов направляется на нужды теплофикации и производственным потребителям. Конденсационные турбины мощностью до 50 МВт, выполняются одноцилиндровыми. При больших мощностях турбины включают цилиндр высокого давления (ЦВД), цилиндр среднего давления (ЦСД) и один или несколько цилиндров низкого давления (ЦНД).

Конструкции газотурбинных установок и двигателей зависят от выбранной конструктивной схемы – взаимного расположения компрессоров, камер сгорания, турбин, воздухоохладителей и регенераторов. По одновальной схеме выполняют энергетические пиковые ГТУ и ГТУ вспомогательного назначения, приводящие электрогенератор. Для транспортных ГТУ малой мощности (до 1÷1,5 МВт) используется двухвальная схема. Трехвальная схема применяется для транспортных газотурбинных двигателей большой мощности ( свыше 5 МВт).

Методические указания

При изучении темы необходимо рассмотреть основные методы производства электрической и тепловой энергии на ТЭС, АЭС и ГЭС; роль энергетического топлива, гидроэнергетических ресурсов и ядерного горючего в топливно-энергетическом балансе России; трансформацию видов энергии при энергоснабжении промышленных предприятий, городов и сельскохозяйственных объектов.

Основная часть электроэнергии производится на электростанциях: ТЭС, АЭС и ГЭС.

ТЭС – тепловая электростанция, преобразующая химическую энергию топлива (угля, нефти, газа) в электрическую энергию и теплоту. Различают теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и конденсационные электростанции (КЭС), в том числе государственные районные электростанции (ГРЭС).

АЭС – атомные электростанции, преобразующие энергию расщепления ядер атомов тяжелых элементов в электрическую и тепловую энергию.

ГЭС – гидроэлектростанции, преобразующие механическую энергию водного потока в электрическую энергию.

При рассмотрении топливно-энергетического баланса России следует отметить, что в настоящее время среди различных источников энергии органическое топливо продолжает играть ведущую роль.

К нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии относятся: солнечная энергия, энергия ветра, энергия биотоплива, энергия приливов и волн, геотермальная энергия.

2 рекомендуемая литература

1. Теплотехника: Учеб. пособие для вузов / А.П. Баскаков, А.В. Берг, О.К Витт и др.; Под ред. А.П. Баскакова. – 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991. – 224 с.

2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Высшая школа, 1973.

3. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. – М.: Высшая школа, 1980. – 548 с.

4. Теплотехника / М.М. Казен, В.А. Матвеев, М.Е. Грядевский, Ф.П. Казакевич – М.: Высшая школа, 1981. – 479 с.

5. Нащокин В.В. Техническая теплотехника и теплопередача. – М.: Аз-book, 2008. – 469 с.

6. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: Высшая школа.

7. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. – М.: Энергия, 1980. – 288 с.

8. Авчухов В.В., Паюсте Б.Я. Задачник по процессам тепломассообмена: Учеб пособие для ВУЗов. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 141 с.

9. Андриянова Т.Н., Дзампов Б.В., Зубарев В.Н. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: ИЭИ, 2008. – 354 с.

3 контрольные задания

Общие методические указания

По курсу выполняется одна контрольная работа. Она состоит из ответов на 2 вопросы и решения 6 задач. Решать задачи и отвечать на вопросы необходимо, строго придерживаясь своего варианта, номер которого определяется по таблице в зависимости от двух последних цифр учебного шифра студента. Работы, выполненные не по своему варианту, не рассматриваются.

К решению задач контрольного задания следует приступать только после изучения соответствующего раздела курса. При выполнении контрольных задач необходимо выписать условие задачи и исходные данные. Формулировки вопросов также переписываются полностью. Решения задач должны сопровождаться кратким пояснительным текстом и подробными вычислениями. При использовании справочных данных и формул необходимо указать литературный источник, откуда они взяты.

В процессе решения задач необходимо сначала привести формулы, лежащие в основе вычисления, затем подставить соответствующие числовые значения и произвести вычисления. Нужно указывать размерности величин как заданных в условии задач, так и полученных в результате их решения. При решении задач и в ответах на вопросы следует придерживаться принятых в учебниках системы обозначений, терминов и Международной системы (СИ). После решения задачи нужно дать краткий анализ полученных результатов и сделать выводы. Ответы на вопросы должны быть исчерпывающими, хотя и не пространными. Лаконичные ответы, также как и ответы, списанные с учебника без переработки, не допускаются.

В конце работы необходимо привести список использованной литературы и поставить свою подпись. Контрольная работа выполняется в тетради или на листах белой бумаги формата А4. Для заметок рецензента при оформлении в тетради оставляются поля шириной 30 – 40 мм и в конце работы не менее 2 – 3 чистых страниц. При оформлении на листах А4 необходимо в конце контрольной работы добавить 2 – 3 чистых листа. Исправления по замечаниям рецензента должны быть записаны отдельно на чистых листах в той же работе после заголовка «Исправления по замечаниям». Вычисления производить до не менее 3-х значащих цифр.

Таблица 1

Таблица вариантов для ответов на вопросы контрольной работы

Номер варианта	Номер вопросов в каждом задании	Номер варианта	Номер вопросов в каждом задании	Номер варианта	Номер вопросов в каждом задании
00 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35	1, 21 2, 22 3, 23 4, 24 5, 25 6, 26 7, 27 8, 28 9, 29 10, 30 11, 31 12, 32 13, 33 14, 34 15, 35 16, 36 17, 37 18, 38 19, 39 20, 40 1, 22 2, 23 3, 24 4, 25 5, 26 6, 27 7, 28 8, 29 9, 30 10, 31 11, 32 12, 33 13, 34 14, 35 15, 36 16, 37	36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71	17, 38 18, 39 19, 40 20, 22 1, 23 2, 24 3, 25 4, 26 5, 27 6, 28 7, 29 8, 30 9, 31 10, 32 11, 33 12, 34 13, 35 14, 36 15, 37 16, 38 17, 39 18, 40 19, 29 20, 38 1, 37 2, 36 3, 35 4, 34 5, 33 6, 32 7, 31 8, 30 9, 29 10, 28 11, 27 12, 26	72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99	13, 25 14, 24 15, 23 16, 22 17, 21 18, 23 19, 33 20, 37 1, 36 2, 35 3, 34 4, 33 5, 32 6, 31 7, 30 8, 31 9, 32 10, 33 11, 34 12, 35 13, 36 14, 37 15, 38 16, 39 17, 40 18, 21 19, 27 20, 34

3.2 Контрольные вопросы

1. Какие составляющие входят в топливно–энергетический баланс России? Как и где вырабатывается электрическая и тепловая энергия?

2. Что такое параметры состояния? Дайте их описание.

3. Что такое идеальный газ? Каким законам он подчиняется и какими уравнениями описывается?

4. Выведите и сформулируйте первый закон термодинамики для процесса расширения газа и газового потока.

5. Внутренняя энергия и энтальпия идеального газа. Уравнение первого закона термодинамики для газового потока.

6. Смеси идеальных газов. Как задается состав смеси? Что такое «парциальное давление»? Сформулируйте закон Дальтона.

7. Теплоемкость идеальных газов и смеси идеальных газов. Уравнение Майера.

8. Опишите основные процессы идеального газа. Приведите соотношения между параметрами.

9. Рассмотрите изобарный, изохорный, адиабатный и изотермический процессы как частные случаи политропного процесса.

10. Круговые термодинамические процессы и циклы. Цикл Карно. Термодинамический КПД цикла.

11. Второй закон термодинамики. Формулировки и аналитическое выражение.

12. Рассмотрите параметры рабочего тела при различных фазовых состояниях. Парообразование воды при постоянном давлении. Уравнение Клапейрона – Клаузиуса. Исследование процесса парообразования с помощью и - диаграмм.

13. Цикл Ренкина. КПД цикла ПТУ и пути его повышения. Регенеративный цикл ПТУ.

14. Циклы газотурбинных установок (ГТУ). Принципы работы. Преимущества и недостатки.

15. Циклы холодильных машин. Холодильный коэффициент и холодопроизводительность. Рабочее тело холодильных циклов.

16. Преимущества и недостатки парокомпрессионной и воздушной компрессионной холодильных установок. Их идеальные циклы в - диаграмме.

17. Обобщенный цикл тепловых двигателей.

18. Работа газа в процессе истечения. Определение расхода и скорости газа в процессе истечения.

19. Влияние геометрической формы сопла на характер истечения газа. Комбинированное сопло (сопло Лаваля). Действительный процесс истечения паров и газов.

20. Дросселирование паров и газов. Как оно протекает и чем характеризуется?

21. Основные положения теории теплопроводности. Температурное поле. Градиент температуры. Краевые условия.

22. Основной закон и уравнение теплопроводности. Коэффициент теплопроводности.

23. Теплопроводность через одно- и многослойную плоскую стенку как теплопроводность при стационарном режиме при граничных условиях первого рода.

24. Теплопроводность через одно- и многослойную цилиндрическую стенку как теплопроводность при стационарном режиме при граничных условиях первого рода.

25. Какой процесс характеризуется коэффициентом теплоотдачи? Передача теплоты через одно- и многослойную стенку плоской и цилиндрической формы.

26. Основные положения теории конвективного теплообмена. Дифференциальное уравнение теплообмена.

27. Описание процесса конвективного теплообмена с помощью теории подобия. Критериальные уравнения и критерии подобия основных тепловых и гидродинамических процессов.

28. Теплообмен при естественной конвекции.

29. Теплообмен при движении жидкости в трубах.

30. Теплообмен при вынужденном движении жидкости вдоль пластины.

31. Теплообмен при поперечном омывании одиночной трубы и пучков труб.

32. Теплообмен при кипении жидкости.

33. Теплообмен при конденсации пара.

34. Теплообмен излучением. Основные законы теплового излучения.

35. Теплообмен излучением между твердыми телами.

36. Излучение газов.

37. Процесс массообмена. Основные понятия, определения, законы.

38. Типы теплообменных аппаратов.

39. Определение конечных температур теплоносителей.

40. Теплообмен при наличии массопереноса. Внешний тепло- и массоперенос.

Контрольные задачи

Задача № 1

Поршневой двигатель внутреннего сгорания, используя в качестве рабочего тела воздух (с показателем адиабаты ), работает по идеальному циклу. Определить параметры цикла в характерных точках, полезную работу, термический КПД, количество подведенного и отведенного тепла, если начальное состояние воздуха и , степень сжатия , степень повышения давления или степень предварительного расширения . По результатам расчета построить цикл в и - диаграммах. Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы П. 1.1. приложения 1.

Примечание. 1.Теплоемкость воздуха принять постоянной, воспользовавшись таблицей П. 2.1. приложения 2.

2. Принять кажущуюся молекулярную массу воздуха .

Задача № 2

В одноступенчатом поршневом компрессоре воздух с начальными параметрами и сжимается до давления . Сжатие может происходить изотермически, адиабатно (при ) и политропно с показателем . Определить для каждого из трех процессов сжатия конечную температуру газа , количество теплоты , отведенное от газа охлаждающей водой, и теоретическую мощность двигателя для привода компрессора, имеющего производительность . Результаты расчетов свести в таблицу. Изобразить процессы сжатия в и - диаграммах. Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы П. 1.2 приложения 1.

Задача № 3

Водяной пар с начальным давлением и степенью сухости поступает в пароперегреватель, где нагревается на . После перегревателя пар поступает в турбину для изоэнтропного расширения до давления . Определить: 1) параметры пара во всех характерных точках процесса; 2) количество теплоты, подведенное к 1 кг пара в пароперегревателе; 3) работу цикла Ренкина; 4) термический КПД цикла. Определить работу цикла и конечную степень сухости, если после пароперегревателя пар дросселируется до давления . При решении задачи воспользоваться - диаграммой для водяного пара. Изобразить процессы преобразования параметров пара в - диаграмме. Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы П. 1.3. приложения 1.

Задача № 4

Электропровод диаметром покрыт изоляцией толщиной . По проводу проходит ток силой . Температура окружающего воздуха , а коэффициент теплоотдачи . Найти температуры на поверхности провода и изоляции, мощность внутренних источников теплоты. Удельное электросопротивление алюминия , меди . Коэффициент теплопроводности резины , винипласта , полиэтилена Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы П. 1.4. приложения 1.

Задача № 5

Электропроводящая шина прямоугольного сечения , расположенная на ребре, охлаждается свободным потоком воздуха с температурой . В условиях длительной нагрузки температура шины не должна превышать . Вычислить коэффициент теплоотдачи , на поверхности шины и допустимую силу тока в шине для указанных условий. Удельное электросопротивление материала шины ρ=0,13 Ом·мм²/м. Как изменяется коэффициент теплоотдачи и допустимая сила тока, если температура шины должна оставаться , а эксплуатация системы электропередачи ведется в зимних условиях со средней температурой окружающего воздуха, равной . Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы П. 1.5. приложения 1.

Задача № 6

Выполнить тепловой расчет и определить основные размеры вертикального четырехходового пароводяного трубчатого теплообменника, предназначенного для нагрева воды от , до . Вода движется внутри латунных трубок диаметром со скоростью . Греющим теплоносителем служит сухой насыщенный водяной пар с давлением , который конденсируется на внешней поверхности трубок. При расчете тепловые потери в окружающую среду принять равными 2% количества подводимой теплоты. Схема теплообменника представлена на рисунке 1. Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы П. 1.6. приложения 1.

Примечание. При решении задачи следует использовать метод последовательных приближений.

пар

конденсат

Рисунок 1. Вертикальный четырехходовой пароводяной трубчатый теплообменник

Приложения

Приложение 1

Таблица П 1.1

Исходные данные для задачи 1

Предпоследняя цифра шифра		Последняя цифра шифра				Цикл
0	20	0	5,0	1,5	-	Отто
1	22	1	12,0	-	2,0	Дизеля
2	24	2	6,0	1,6	-	Отто
3	26	3	13,0	-	2,0	Дизеля
4	18	4	7,0	1,7	-	Отто
5	16	5	14,0	-	2,0	Дизеля
6	30	6	8,0	1,8	-	Отто
7	40	7	15,0	-	2,0	Дизеля
8	35	8	9,0	1,8	-	Отто
9	45	9	16,0	-	2,0	Дизеля

Таблица П. 1.2.

Исходные данные для задачи 2

Последняя цифра шифра		Предпоследняя цифра шифра
0	1,28	0	1,0	1,3
1	1,26	1	0,97	1,2
2	1,27	2	0,85	1,1
3	1,25	3	0,83	1,0
4	1,24	4	0,95	0,9
5	1,20	5	0,90	0,8
6	1,21	6	0,87	0,7
7	1,23	7	0,85	0,6
8	1,22	8	0,93	0,5
9	1,30	9	0,95	0,4

Таблица П. 1.3.

Исходные данные для задачи 3

Последняя цифра шифра				Предпоследняя цифра шифра
0	3,0	0,95	245	0	3,0	0,30
1	4,0	0,94	250	1	4,0	0,50
2	2,0	0,90	240	2	4,5	0,40
3	5,0	0,95	235	3	5,0	0,22
4	3,5	0,96	230	4	3,5	0,24
5	4,5	0,93	225	5	4,0	0,26
6	2,2	0,91	220	6	4,5	0,28
7	2,4	0,92	213	7	3,5	0,35
8	2,6	0,93	210	8	5,0	0,45
9	2,8	0,97	205	9	3,0	0,20

Таблица П. 1.4.

Исходные данные для задачи 4

Последняя цифра шифра	Материал провода	d , мм	α₁, Вт/(м²· K )	Предпоследняя цифра шифра	Материал изоляции	δ, мм	t _в ,° C	I ,А
0	алюминий	2,0	10	0	резина	1,0	20	8
1	медь	0,5	6	1	винипласт	1,5	10	6
2	алюминий	1,0	15	2	полиэтилен	2,0	5	3
3	медь	1,0	11	3	резина	2,0	12	4
4	алюминий	3,0	8	4	винипласт	1,0	16	8
5	медь	5,0	14	5	полиэтилен	1,0	0	15
6	алюминий	0,5	16	6	резина	1,5	8	11
7	медь	2,5	12	7	винипласт	0,5	6	7
8	алюминий	4,0	13	8	полиэтилен	1,0	15	9
9	медь	3,0	15	9	резина	0,5	18	13

Таблица П. 1.5.

Исходные данные для задачи 5

Последняя цифра шифра		Предпоследняя цифра шифра
0	22	0	-16
1	20	1	-23
2	18	2	-15
3	23	3	-20
4	25	4	-5
5	24	5	-10
6	21	6	-25
7	19	7	-28
8	16	8	-29
9	17	9	-26

Таблица П. 1.6.

Исходные данные для задачи 6

Последняя цифра шифра			Предпоследняя цифра шифра
0	40	15	0	95	14/12	0,4
1	50	10	1	95	16/14	0,4
2	60	5	2	95	20/17	0,4
3	70	20	3	95	22/20	0,4
4	80	23	4	130	28/25	0,8
5	90	18	5	130	30/27	0,8
6	45	13	6	130	22/20	0,8
7	55	8	7	150	14/12	0,8
8	65	6	8	150	20/18	0,8
9	75	17	9	150	24/21	0,8

Приложение 2

Таблица П. 2.1.

Приближенные значения мольных теплоемкостей при постоянном объеме и постоянном давлении

Газы
Газы
Одноатомные	12,56	20,93
Двухатомные	20,93	29,31
Трех- и многоатомные	29,31	37,68

Таблица П. 2.2.

Физические свойства сухого воздуха

	ρ, кг/м³	c_p, кДж/ ( кг·° C )	λ· 10², Вт/(м·° C )	a·10⁶, м²/с	µ·10⁶, Па·с	ν·10⁶, м²/с	Pr
-50	1,584	1,013	2,04	12,7	14,6	9,23	0,728
-40	1,515	1,013	2,12	13,8	15,2	10,04	0,728
-30	1,453	1,013	2,20	14,9	15,7	10,80	0,723
-20	1,395	1,009	2,28	16,2	16,2	12,43	0,716
-10	1,342	1,009	2,36	17,4	16,7	12,79	0,712
0	1,293	1,005	2,44	18,8	17,2	13,28	0,707
10	1,247	1,005	2,51	20,0	17,6	14,16	0,705
20	1,205	1,005	2,59	21, 4	18,1	15,06	0,703
30	1,165	1,005	2,67	22,9	18,6	16,00	0,701
40	1,128	1,005	2,76	24,3	19,1	16,96	0,699
50	1,093	1,005	2,83	25,7	19,6	17,95	0,698
60	1,060	1,005	2,90	26,2	20,1	18,97	0,696
70	1,029	1,009	2,96	28,6	20,6	20,02	0,694
80	1,000	1,009	3,05	30,2	21,1	21,09	0,692
90	0,972	1,009	3,13	31,9	21,5	22,10	0,690
100	0,946	1,009	3,21	33,6	21,9	23,13	0,688
120	0,898	1,009	3,34	36,8	22,8	25,45	0,686
140	0,854	1,013	3,49	40,3	23,7	27,80	0,684
160	0,815	1,017	3,64	43,9	24,5	30,09	0,682
180	0,779	1,022	3,78	47,5	25,3	32,49	0,681
200	0,746	1,026	3,93	51,4	26,0	34,85	0,680
250	0,674	1,038	4,27	61,0	27,4	40,61	0,677
300	0,615	1,047	4,60	71,6	29,7	48,33	0,674
350	0,566	1,059	4,91	81,9	31,4	55,46	0,676
400	0,524	1,068	5,21	93,1	33,0	63,09	0,678
500	0,456	1,093	5,74	115,3	36,2	79,38	0,687
600	0,404	1,114	6,22	138,3	39,1	96,89	0,699
700	0,362	1,135	6,71	163,4	41,8	115,4	0,706
800	0,329	1,156	7,18	188,8	44,3	134,8	0,713

Таблица П. 2.3.

Физические свойства воды на линии насыщения

	p ·10 ^-5, Па	ρ, кг/м³	λ· 10², Вт/(м·° C )	a·10⁶, м²/с	µ·10⁶, Па·с	ν·10⁶, м²/с	Pr
0	1,013	999,9	55,1	13,1	1788	1,789	13,67
10	1,013	999,7	57,4	13,7	1306	1,306	9,52
20	1,013	998,2	59,9	14,3	1004	1,006	7,02
30	1,013	995,7	61,8	14,9	801,5	0,805	5,42
40	1,013	992,2	63,5	15,3	653,3	0,659	431
50	1,013	988,1	64,8	15,7	549,4	0,556	3,54
60	1,013	983,2	65,9	16,0	469,9	0,478	2,98
70	1,013	911,8	66,8	16,3	406,1	0,415	2,55
80	1,013	971,8	67,4	16,6	355,1	0,365	2,21
90	1,013	965,3	68,0	16,8	314,9	0,326	1,95
100	1,013	958,4	68,3	16,9	282,5	0,295	1,75
110	1,43	951,0	68,5	17,0	259,0	0,272	1,60
120	1,98	943,1	68,6	17,1	237,4	0,252	1,47
130	2,70	934,8	68,6	17,2	217,8	0,233	1,36
140	3,61	926,1	68,5	17,2	201,1	0,217	1,26
150	4,76	917,0	68,4	17,3	186,4	0,203	1,17
160	6,18	907,4	68,3	17,3	173,6	0,191	1,10
170	7,92	897,3	67,9	17,3	162,8	0,181	1,05
180	10,03	886,9	67,4	17,2	153,0	0,173	1,00
190	12,55	876,0	67,0	17,1	144,2	0,165	0,96
200	15,55	863,0	66,3	17,0	136,4	0,158	0,93
210	19,08	852,8	65,5	16,9	130,5	0,153	0,91
220	23,20	840,3	64,5	16,6	124,6	0,148	0,89
230	27,98	827,3	63,7	16,4	119,7	0,145	0,88
240	33,48	813,6	62,8	16,2	114,8	0,141	0,87
250	39,78	799,0	61,8	15,9	109,9	0,137	0,86
260	46,94	784,0	60,5	15,6	105,9	0,135	0,87
270	55,05	767,9	59,0	15,1	102,0	0,133	0,88
280	64,19	750,7	57,4	14,6	98,1	0,131	0,90

Таблица П. 2.4.

Температура кипения воды в зависимости от давления

p ·10 ^-5 , Па	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
	99,64	120,23	133,54	143,62	151,84	158,84	164,96	170,42	175,35	179,88

Введение

Целью освоения дисциплины является:

- изучение основных теоретических положений технической термодинамики и тепломассообмена;

- получение знаний в области основ преобразования энергии в тепловых двигателях;

- освоение методов выработки тепловой и электрической энергии на электростанциях;

- изучение использования новых видов энергии и способов их получения.

Изучение дисциплины «Общая энергетика» направлено на формирование следующих компетенций:

· способность к общению, анализу, восприятию информации, постановке цели и выбору путей ее достижения (ОК-1);

В результате изучения дисциплины студент должен:

Знать:

Уметь:

Владеть:

- способностью анализировать и воспринимать информацию (ОК-1);

1 программа и методические указания к разделам дисциплины

Основные законы термодинамики

Термодинамические система и параметры состояния. Уравнение состояния идеального и реального газа. Внутренняя энергия, работа расширения, теплота. Теплоемкость газов, энтальпия. Первый и второй законы термодинамики.

Методические указания

или

Рассматривая внутреннюю энергию как функцию состояния системы, следует учесть, что она состоит из:

1) кинетической энергии поступательного, вращательного и колебательного движения частиц;

2) потенциальной энергии взаимодействия частиц;

3) энергии электронных оболочек атомов;

4) внутриядерной энергии.

Так как - величина положительная, то и всегда имеют одинаковые знаки:

если >0, то и >0, т.е. при расширении работа тела положительна, при этом тело само совершает работу;

удельную массовую теплоёмкость , отнесённую к 1 кг газа, ;

удельную мольную теплоёмкость , отнесённую к одному киломолю, .

Энтальпия – величина суммы внутренней энергии системы и произведения давления системы на её объём :

- самопроизвольные (необратимые) процессы в изолированной системе всегда приводят к увеличению энтропии.

Дата: 2019-02-19, просмотров: 209.

12 3 4 5 6 7 Следующая ⇒