Техническая термодинамика и теплопередача: Учебник для вузов. Лекции термодинамика и теплопередача
Раздел 1. Термодинамика.
Введение.
Основы технической термодинамики.
Безопасность технологических процессов и производств на воздушном транспорте в узком смысле означает обеспечение безопасности полётов (БП), под которой обычно подразумевается способность авиационной транспортной системы (совокупность летательного аппарата (самолёта, вертолёта), экипажа, служб подготовки и обеспечения полётов, управления воздушным движением) осуществлять воздушные перевозки без угрозы для жизни и здоровья людей.
На исход полёта влияет большое количество факторов, закономерности возникновения которых весьма сложны и изучаются в различных науках: теплотехнике, газовой динамике, теории авиационных двигателей и др.
Термодинамика, являясь разделом теоретической физики, представляет собой одну из самых обширных областей современного естествознания – науку о превращениях различных видов энергии друг в друга. Эта наука рассматривает самые разнообразные явления природы и охватывает огромную область химических, механических и физико-химических явлений.
Теплотехника – общая профессиональная (общетехническая) дисциплина, изучающаяметоды получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и рабочие процессы тепловых машин, аппаратов и устройств и др. Теплотехника базируется на сведениях из технической термодинамики, теплообмена и массообмена.
Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и является (вместе с теорией теплообмена и массообмена) теоретическим фундаментом теплотехники. На её основе осуществляется расчёт и проектирование тепловых двигателей – паровых и газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания, а также всевозможного технологического оборудования – компрессоров, сушильных и холодильных установок и т.д.
Газовая динамика изучает открытые термодинамические системы , в которых рабочее тело представляет поток газа. На постулатах и выводах газовой динамики осуществляется конструирование каналов, лопаток турбомашин и других устройств.
Теория авиационных двигателей изучает схемы, принцип действия различных типов газотурбинных и поршневых двигателей (ГТД и ПД) и их элементов, а также эксплуатационные характеристики ГТД и ПД и их элементов. ГТД широко распространены в гражданской авиации вследствие их большой мощности при малых габаритах и массе, а также из-за использования дешёвых сортов топлива (керосина).
Учебная дисциплина «Термодинамика и теплопередача» является составной частью учебного плана подготовки инженера-механика по специальности «Техническая эксплуатация летательных аппаратов и авиадвигателей» для всех форм обучения. Дисциплина состоит из двух самостоятельных разделов:
Техническая термодинамика;
Теплопередача.
Техническая термодинамика является частью термодинамики – раздела теоретической физики. Объектом исследований технической термодинамики являются авиационные двигатели – тепловые машины, в которых изучаются закономерности взаимного превращения теплоты в работу, устанавливается взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, имеющими место в тепловых машинах.
Техническая термодинамика начала развиваться с 20-х годов XIX столетия, но, несмотря на свою сравнительную молодость, она заслуженно занимает в настоящее время одно из центральных мест среди физических и технических дисциплин.
В теоретической части техническая термодинамика является общим отделом, науки об энергии, а в прикладной части представляет собой теоретический фундамент всей теплотехники, изучающей процессы, протекающие в тепловых двигателях.
В термодинамике используются два метода исследования: метод круговых процессов и метод термодинамических функции и геометрических построений. Последний метод был разработан и изложен в классических работах Гиббса. Этот метод получил за последнее время широкое распространение.
В начале второй половины XVIII в. была решена очень важная техническая задача – был создан универсальный тепловой двигатель для промышленности и транспорта. Первую паровую машину изобрел русский инженер И. И. Ползунов. Она была построена уже после его смерти в 1766 г., т. е. почти за 20 лет до паровой машины Джемса Уатта. И. И. Ползунов не только создал первую в мире паровую машину, но и изобрел к ней распределительное устройство и впервые осуществил автоматическое питание парового котла.
До 50-х годов XIX столетия наука рассматривала теплоту как особое, невесомое, неуничтожаемое инесоздаваемое вещество – теплород. Одним из первых, кто опроверг эту теорию, был М. В. Ломоносов. В 1744 г. в своей диссертации «Размышление о причине теплоты и холода» он писал, что теплота состоит во внутреннем движении собственной материи и указывал, что огонь и теплота состоят во вращательном движении частиц, из которых состоят все тела. Тем самым в своих работах М. В. Ломоносов заложил основы механической теории теплоты. Однако Ломоносов не был понят современниками. Еще долгое время физики продолжали толковать о теплороде. Только, к середине XIX в. механическая теория теплоты в результате работ целого ряда ученых находит повсеместное признание, становится основой всей термодинамики.
Теплопередача– это наука, изучающая процессы переноса теплоты (теплообмена) в пространстве с неоднородным температурным полем. В зависимости от характера теплообмена перенос теплоты может быть назван теплопроводностью (например, через стенки корпуса), конвекцией (например, при охлаждении турбинных лопаток воздухом) и излучением (например, при горении топливовоздушной смеси от пламени к стенкам жаровой трубы в камере сгорания).
Техническая термодинамика, применяя основные законы к процессам превращения теплоты в механическую работу и механической работы в теплоту, дает возможность разрабатывать теорию тепловых двигателей, исследовать процессы, протекающие в них, и позволяет выявлять их экономичность для каждого типа отдельно.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
Институт нефти и газа | |
Кафедра теплотехники | |
131000.62 «Нефтегазовое дело» | |
(код и наименование направления подготовки/специальности) | |
по дисциплине «Термодинамика и теплопередача» | |
Лекция 1. Предмет и метод термодинамики..................................................................... | |
Термодинамическая система............................................................................. | |
Термодинамические параметры состояния..................................................... | |
Уравнение состояния......................................................................................... | |
Термодинамический процесс.......................................................................... | |
Теплоемкость газов........................................................................................... | |
Лекция 2. Смеси идеальных газов.................................................................................... | |
Аналитическое выражение первого закона термодинамики............................ | |
Внутренняя энергия........................................................................................... | |
Работа расширения.......................................................................................... | |
Теплота................................................................................................................ | |
Энтальпия.............................................................................................................. | |
Энтропия.............................................................................................................. | |
Лекция 3. Общая формулировка второго закона.............................................................. | |
Прямой цикл Карно.............................................................................................. | |
Обратный цикл Карно......................................................................................... | |
Изменение энтропии в неравновесных процессах........................................... | |
Лекция 4. Термодинамические процессы идеальных газов в закрытых системах......... | |
Лекция 5. Термодинамические процессы реальных газов................................................ | |
Уравнение состояния реальных газов............................................................... | |
Лекция 6. Уравнение первого закона термодинамики для потока................................... | |
Истечение из суживающегося сопла.................................................................. | |
Основные закономерности течения газа в соплах и диффузорах................... |
Расчет процесса истечения с помощью h-s диаграммы.................................... | |
Дросселирование газов и паров.......................................................................... | |
Лекция 7. Термодинамическая Эффективность циклов теплосиловых установок......... | |
Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания.................................... | |
Циклы газотурбинных установок....................................................................... | |
Циклы паротурбинных установок.................................................................... | |
Цикл Ренкина на перегретом паре...................................................................... | |
Термический КПД цикла.................................................................................... | |
Теплофикация....................................................................................................... | |
Общая характеристика холодильных установок …………………………….. | |
Лекция 8. Основы теории теплообмена............................................................................... | |
Основные понятия и определения ……………………………………………. | |
Теория теплопроводности. Закон Фурье............................................................ | |
Плоская стенка | |
Цилиндрическая стенка.................................................................................... | |
Лекция 9. Теплопередача.................................................................................................... | |
Плоская стенка.................................................................................................... | |
Цилиндрическая стенка...................................................................................... | |
Интенсификация теплопередачи....................................................................... | |
Тепловая изоляция.............................................................................................. | |
Лекция 10. Конвективный теплообмен. Основной закон конвективного теплообмена. | |
Пограничный слой.............................................................................................. | |
Числа подобия..................................................................................................... | |
Лекция 11. Частные случаи конвективного теплообмена. Поперечное обтекание | |
одиночной трубы и пучка труб......................................................................... | |
Течение теплоносителя внутри труб................................................................. | |
Теплоотдача при естественной конвекции........................................................ | |
Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи.............................. | |
Лекция 12. Описание процесса излучения. Основные определения…............................ | |
Теплообмен излучением системы тел в прозрачной среде…........................... | |
Перенос лучистой энергии в поглощающей и излучающей среде….............. | |
Лекция 13. Теплообменные аппараты................................................................................ | |
Типы теплообменных аппаратов........................................................................ | |
Основы теплового расчета теплообменных аппаратов.................................. |
Предметиметодтермодинамики
Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных про-
цессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловы-
ми эффектами. Макроскопической системой называется любой материальный объ-
ект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопических систем несо-
измеримо больше размеров молекул и атомов.
В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химиче-
скую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретическим фундаментом теплотехники. На ее основе осуществляют расчет и проектирование всех тепловых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования.
Рассматривая только макроскопические системы, термодинамика изучает за-
кономерности тепловой формы движения материи, обусловленные наличием огром-
ного числа непрерывно движущихся и взаимодействующих между собой микро-
структурных частиц (молекул, атомов, ионов).
Физические свойства макроскопических систем изучаются статистическими термодинамическим методами. Статистический метод основан на использовании тео-
рии вероятностей и определенных моделей строения этих систем и представляет со-
влечения модельных представлений о структуре вещества и является феномено-
логическим (т. е. рассматривает «феномены» - явления в целом).
При этом все основные выводы термодинамики можно используя только два основных эмпирических закона термодинамики.
В дальнейшем исходя из термодинамического метода мы будем для нагляд-
ности использовать молекулярно-кинетические представления о структуре вещества.
Термодинамическая система
Т е р м о д и н а м и ч е с к а я система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»).
Выбор системы произволен и диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой . Систему отделяют от окру-
жающей среды контрольной поверхностью (оболочкой). Так, например, для простейшей системы - газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней сре-
дой является окружающий воздух, а контрольными поверхностями служат стенки ци-
линдра и поршень.
Механическое и тепловое взаимодействия термодинамической системы осу-
ществляются через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии самой системой или над системой совершается работа. (В общем случае на систему могут действовать также электрические, магнитные и другие силы, под воздействием которых система будет совершать работу. Эти виды работ также могут быть учтены в рамках термодинамики, но нами в дальнейшем рассматриваться не будут). В нашем примере механическая работа производится при перемещении поршня и сопровож-
дается изменением объема. Тепловое взаимодействие заключается в переходе тепло-
ты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. В
рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра.
В самом общем случае система может обмениваться со средой и веществом
(массообменное взаимодействие). Такая система называется открытой . Потоки газа или пара в турбинах и трубопроводах - примеры открытых систем. Если веще-
ство не проходит через границы системы, то она называется закрытой. В дальней-
шем, если это специально не оговаривается, мы будем рассматривать закрытые сис-
Термодинамическую систему, которая не может обмениваться теплотой с ок-
ружающей средой, называют теплоизолированной или адиабатной. Приме-
ром адиабатной системы является газ, находящийся в сосуде, стенки которого покры-
ты идеальной тепловой изоляцией, исключающей теплообмен между заключенным в
сосуде газом и окружающими телами. Такую изоляционную оболочку называют адиабатной. Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни ве-
ществом, называется изолированной (или замкнутой).
Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осу-
ществляющее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутреннего сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе го-
рючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина.
Термодинамическиепараметрысостояния
Свойства каждой системы характеризуются рядом величин, которые принято называть термодинамическими параметрами. Рассмотрим некоторые из них, используя при этом известные из курса физики молекулярно-кинетические представления об идеальном газе как о совокупности молекул, которые имеют исче-
зающе малые размеры, находятся в беспорядочном тепловом движении и взаимодей-
ствуют друг с другом лишь при соударениях.
Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с по-
верхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа определяется соотношением
где n - число молекул в единице объема;
т - масса молекулы;с 2 - средняя квадратическая скорость поступательного движения молекул.
В Международной системе единиц (СИ) давление выражается в паскалях
(1Па=1 Н/м2 ). Поскольку эта единица мала, удобнее использовать 1 кПа = 1000 Па и
1 МПа=106 Па.
Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров.
Жидкостные и пружинные манометры измеряют избыточное давление, пред-
ставляющее собой разность между полным или абсолютным давлением р изме-
ряемой среды и атмосферным давлением p атм , т.е.p изб p атм p
Приборы для измерения давлений ниже атмосферного называются вакуум-
метрами; их показания дают значение разрежения (или вакуума):
р в р атм р, т. е. избыток атмосферного давления над абсолютным.
Следует отметить, что параметром состояния является абсолютное давление.
Именно оно входит в термодинамические уравнения.
Температурой называется физическая величина, характеризующая сте-
пень нагретости тела. Понятие о температуре вытекает из следующего утверждения:
если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их темпе-
ратур они будут обмениваться теплотой друг с другом, если же их температуры рав-
ны, то теплообмена не будет.
С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Ее численное значение связано с
где k - постоянная Больцмана, равная 1,380662 10ˉ23 Дж/К. Температура T,
определенная таким образом, называется абсолютной .
В системе СИ единицей температуры является кельвин (К); на практике широ-
ко применяется градус Цельсия (°С). Соотношение между абсолютной Т и стогра-
дусной t температурами имеет вид
T t 273,15.
В промышленных и лабораторных условиях температуру измеряют с помощью жидкостных термометров, пирометров, термопар и других приборов.
Удельный объем v - это объем единицы массы вещества.Если од-
нородное тело массой М занимает объемv, то по определению
v= V/М.
В системе СИ единица удельного объема 1 м3 /кг. Между удельным объемом вещества и его плотность существует очевидное соотношение:
Для сравнения величин, характеризующих системы в одинаковых состояниях,
вводится понятие «нормальные физические условия»: p =760 мм рт.ст.= 101,325 кПа;T =273,15K.
В разных отраслях техники и разных странах вводят свои, несколько отличные
от приведенных «нормальные условия», например, «технические» (p = 735,6 мм
рт.ст.= 98 кПа, t =15˚C) или нормальные условия для оценки производительности компрессоров (p =101,325 кПа,t =20˚С) и т. д.
Если все термодинамические параметры постоянны во времени и одинаковы во всех точках системы, то такое состояниесистемыназываетсяравновесным .
Если между различными точками в системе существуют разности темпера-
тур, давлений и других параметров, то она является неравновесной . В такой системе под действием градиентов параметров возникают потоки теплоты, вещества и другие, стремящиеся вернуть ее в состояние равновесия. Опыт показывает, что
изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние равновесия и никогда самопроизвольно выйти из него не может. В классической термодинамике рассматриваются только равновесные системы.
Уравнение состояния
Для равновесной термодинамической системы существует функциональная связь между параметрами состояния, которая называется уравнением со-
стояния . Опыт показывает, что удельный объем, температура и давление про-
стейших систем, которыми являются газы, пары или жидкости, связаны термическим уравнением состояния видаf (p ,v ,T ) 0.
Уравнению состояния можно придать другую форму: p f 1 (v ,T );v f 2 (p ,T );
T f 3 (p, v);
Эти уравнения показывают, что из трех основных параметров, определяющих состояние системы, независимыми являются два любых.
Для решения задач методами термодинамики совершенно необходимо знать уравнение состояния. Однако оно не может быть получено в рамках термодинамики и должно быть найдено либо экспериментально, либо методами статистической физи-
ки. Конкретный вид уравнения состояния зависит от индивидуальных свойств веще-
Уравнениесостояния идеальныхгазов
Из уравнений (1.1) и (1.2) следует, что p nkT .
Рассмотрим 1 кг газа. Учитывая, что в нем содержится N молекул и, следова-
Постоянную величину Nk, отнесенную к 1 кг газа, обозначают буквойR и на-
зывают газовой постоянной . Поэтому
Полученное соотношение представляет собой уравнение Клапейрона.
Умножив (3) на М, получим уравнение состояния для произвольной массы газа
pV MRT . |
Уравнению Клапейрона можно придать универсальную форму, если отнести га-
зовую постоянную к 1 кмолю газа, т. е. к количеству газа, масса которого в кило-
граммах численно равна молекулярной массе μ. Положив в (1.4) М= μ иV=V μ , полу-
чим для одного моля уравнение Клапейрона - Менделеева:
pV RT .
Здесь V - объем киломоля газа, аR - универсальная газовая постоянная.
В соответствии с законом Авогадро (1811г.) объем 1 кмоля, одинаковый в од-
них и тех же условиях для всех идеальных газов, при нормальных физических усло-
виях равен 22,4136 м3 , поэтому
Газовая постоянная 1 кг газа составляет | ||||||||
Термодинамическийпроцесс
Изменение состояния термодинамической системы во времени называется
термодинамическим процессом . Так, при перемещении поршня в цилиндре объём, а с ним давление и температура находящегося внутри газа будут изменяться,
будет совершаться процесс расширения или сжатия газа.
Как уже отмечалось, система, выведенная из состояния равновесия, и пре-
доставленная при постоянных параметрах окружающей среды самой себе, через не-
которое время вновь придет в равновесное состояние, соответствующее этим пара-
метрам. Такое самопроизвольное (без внешнего воздействия) возвращение системы в состояние равновесия
называется релаксацией , а промежуток времени, в течение которого систе-
ма возвращается в состояние равновесия, называется временем релаксации .
Для разных процессов он различно: если для установления равновесного давления в газе требуется всегда, то для выравнивания температуры в объеме того же газа нуж-
ны десяти; минут, а в объеме нагреваемого твердой тела - иногда несколько часов.
Термодинамический процесс называется равновесным , если все пара-
метры системы при его протекании меняются достаточно медленно по сравнению с соответствующим процессом релаксации. В этом случае система фактически все время находится в состоянии равновесия с окружающей средой, чем и определяется название процесса.
Чтобы процесс был равновесным, скорость изменения параметров системы dA d должна удовлетворять соотношению
dA d c релД A рел
где А - параметр, наиболее быстро изменяющийся в рассматриваемом про-
цессе; с рел - скорость изменения этого параметра в релаксационном процессе;τ рел -
время релаксации.
Рассмотрим, например, процесс сжатия газа в цилиндре. Если время смещения поршня от одного положения до другого существенно превышает время релаксации,
то в процессе перемещения поршня давление и температура успеют выровняться по
всему объему цилиндра.
Это выравнивание обеспечивается непрерывным столкновением молекул, в
результате чего подводимая от поршня к газу энергия достаточно быстро и рав-
номерно распределяется между ними. Если последующие смещения поршня будут происходить аналогичным образом, то состояние системы в каждый момент времени будет практически равновесным. Таким образом, равновесный процесс состоит из непрерывного ряда последовательных состояний равновесия, поэтому в каждой его точке состояние термодинамической системы можно описать уравнением состояния данного рабочего тела. Именно поэтому классическая термодинамика в своих исследованиях оперирует только равновесными процессами. Они являются удобной идеализацией реальных процессов, позволяющей во многих случаях существенно упростить решение задачи. Такая идеализация вполне обоснована, так как условие
(1.8) выполняется на практике достаточно часто. Поскольку механические возму-
щения распространяются в газах со скоростью звука, процесс сжатия газа и цилинд-
ре будет равновесным, если скорость перемещения поршня много меньше скорости звука.
Процессы, не удовлетворяющие условию dAd cрел Д A рел , протекают с нарушением равновесия, т. е. являютсянеравновесными . Если, например, быстро увеличит температуру окружающей среды, то газ в цилиндре будет постепенно про-
греваться через его стенки, релаксируя к состоянию равновесия, соответствующему новым параметрам окружающей среды. В процессе релаксации газ не находится в равновесии с окружающей средой и его нельзя характеризовать уравнением состоя-
ния хотя бы потому, что в разных точках объема газа температура имеет различные значения.
Термодинамический расчёт теплофикационного цикла
Термодинамические основы теплофикации
Как известно, тепловые двигатели, по самому определению, предназначены для преобразования хаотической формы передачи энергии (в виде теплоты) в упорядоченную форму (механическое перемещение, электричество и др.). Однако кроме упорядоченной формы энергии человечество в своей деятельности нуждается также и в теплоте, в частности для отопления и осуществления всевозможных технологических процессов (приготовление пищи, сушка, химическая технология, металлургия и т.д.).
На первый взгляд может показаться, что проблема экономического совершенствования теплоснабжения к технической термодинамике как науке о совершенствовании тепловых двигателей не имеет прямого отношения, однако это не так. Дело в том, что теплота как одна из форм передачи энергии кроме количества, измеряемого в джоулях, обладает также и качеством, а именно потенциалом, т.е. температурой. В самом деле, мало кого заинтересует большое количество теплоты, подводимой в жилое помещение при температуре 10…12 о С. С другой стороны, температура горения большинства из органических топлив, будь то дрова, уголь, газ, нефть и т.д., является слишком высокой для того, чтобы быть непосредственно используемой в целях отопления, либо для других технологических процессов. Техническая термодинамика указывает на один из возможных путей рационального использования «тепловой энергии» (заметим, что это устоявшееся в обиходе словосочетание не является корректным с точки зрения термодинамики; следует иметь в виду, что речь должна идти о передаче энергии в форме теплоты). Поскольку обычно используемый в целях отопления потенциал теплоты (температура) составляет 50…150 о С (330…430 К), а температура горения топлива (температура факела) составляет величину порядка 1500…2000 о С (1800…2300 К), то представляется весьма рациональным осуществить между этими температурными уровнями (потенциалами) цикл какого-либо теплового двигателя, уменьшив тем самым эксергетические потери, т.е. потери, связанные с необратимым теплообменом между обогреваемым помещением и источником теплоты. Такая совместная выработка упорядоченной формы энергии (как правило, электрической) и теплоты для производственных нужд и отопления помещений получила название теплофикация .
Покажем, что совместная выработка электрической и тепловой энергии (теплофикация) всегда более экономична с термодинамической точки зрения, нежели раздельная выработка. Для этого рассмотрим диаграмму , на которой условно изобразим температурные уровни для различных процессов подвода и отвода теплоты (рис. III.27). Точки над величинами в диаграмме обозначают полную производную по времени, т.е. мы будем сравнивать мощности различных схем выработки тепловой и электрической энергии. При этом мы не будем учитывать неизбежные в таких установках потери, так как их учёт не повлияет на ход рассуждений, хотя заметно усложнит анализ.
Раздельная выработка тепловой и электрической энергии представлена на рис. III.27 диаграммами и . В отопительной котельной продукты сгорания топлива отдают теплоту в процессе в количестве теплоносителю (как правило, воде), который через тепловые сети подаётся потребителю, обеспечивая тепловую нагрузку (без учёта потерь). Электрическая нагрузка N обеспечивается паросиловой установкой, работающей по циклу Ренкина со сбросом теплоты охлаждающей воде в конденсаторе. Такая установка получила название конденсационной .
Общий расход теплоты в котельной и в конденсационной установке при заданных тепловой и электрической нагрузках будет тогда определяться суммой
При совместной выработке тех же количеств тепловой и электрической энергии тепловая мощность парогенератора будет равна (также без учёта потерь)
Разность выражений и даёт экономию тепла (а значит топлива)
Теплофикация получила широкое распространение на тепловых и атомных электростанциях, питающих электроэнергией и теплом большие населённые пункты и крупные энергоёмкие производства. При этом в энергетической практике используются две схемы теплофикационных циклов – с противодавлением и с отбором пара на теплофикацию.
Термодинамический расчёт теплофикационного цикла
С противодавлением
Принципиальная схема теплофикационной установки с противодавлением и диаграмма T–s цикла представлены на рис. III.28.
Схема теплофикационной установки с противодавлением конструктивно не отличается от схемы обычной конденсационной установки за исключением того, что в установке с противодавлением давление отработавшего пара на выходе из турбины поддерживается достаточно большим (отсюда название противодавление ), настолько, чтобы температура отработавшего пара составляла 150…180 о С (давление насыщения при этом составляет 5…10 бар). По этой причине в установке с противодавлением конденсатор заменяется менее громоздким теплообменником, носящим название бойлер (англ.boiler – котёл , кипятильник , испаритель ).
Приведём алгоритм термодинамического расчёта теплофикационного цикла с противодавлением с учётом потерь в парогенераторе, турбине, механических и электрических потерь и потерь в тепловых сетях. Все эти потери численно оцениваются с помощью коэффициентов η пг, , η мех, η эл, η тс.
С помощью диаграммы h–s или с помощью таблиц термодинамических свойств воды и водяного пара находим стандартным образом удельные энтальпии h 1 , h 2 , h 3 . Далее, исходя из определения относительного внутреннего КПД турбины, находим действительное значение удельной энтальпии отработавшего пара
Считая бойлер идеально теплоизолированным, из его теплового баланса находим массовый расход пара в установке, обеспечивающий заданную тепловую нагрузку,
Мощность установки с учётом перечисленных потерь будет
Подведённое в парогенераторе тепло к рабочему телу
а тепловая мощность парогенератора с учётом потерь η пг будет равна
что позволяет вычислить расход топлива при известном значении его теплотворной способности
Теплопроводность — это вид теплопередачи, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц (молекул, атомов) более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части.
Рассмотрим ряд опытов с нагревом твердого тела, жидкости и газа.
Лучистый теплообмен.
Лучистый теплообмен — это теплообмен, при котором энергия переносится различными лучами.
Это могут быть солнечные лучи, а также лучи, испускаемые нагретыми телами, находящими-ся вокруг нас.
Так, например, сидя около костра, мы чувствуем, как тепло передается от огня нашему телу. Однако причиной такой теплопередачи не может быть ни теплопроводность (которая у воздуха, находящегося между пламенем и телом, очень мала), ни конвекция (так как конвекционные потоки всегда направлены вверх). Здесь имеет место третий вид теплообмена — лучистый теплообмен .
Возьмем небольшую, закопченную с одной стороны, колбу.
Через пробку в нее вста-вим изогнутую под прямым углом стеклянную трубку. В эту трубку, имеющую узкий канал, введем подкрашенную жидкость. Укрепив на трубке шкалу, получим прибор — термоскоп . Этот прибор позволяет обнаружить даже незначительное нагревание воздуха в закопченной колбе.
Если к темной поверхности термоскопа поднести кусок металла, нагретый до высокой температуры, то столбик жидкости переместится вправо. Очевидно, воздух в колбе нагрелся и расши-рился. Быстрое нагревание воздуха в термоскопе можно объяснить лишь передачей ему энергии от нагретого тела. Как и в случае с костром, энергия здесь передалась не теплопроводностью и не конвективным теплообменом. Энергия в данном случае передалась с помощью невидимых лучей, испускаемых нагретым телом. Эти лучи называют тепловым излучением .
Лучистый теплообмен может происходить в полном вакууме. Этим он отличается от других видов теплообмена.
Излучают энергию все тела: и сильно нагретые, и слабо, например, тело человека, печь, электрическая лампочка. Но чем выше температура тела, тем сильнее его тепловое излучение. Излученная энергия, достиг-нув других тел, частично поглощается ими, а частично отражается. При поглощении энергия теплового излучения превращается во внутреннюю энергию тел, и они нагреваются.
Светлые и темные поверхности поглощают энергию по-разному. Так, если в опыте с термоскопом повернуть колбу к нагретому телу сначала закопченной, а затем светлой стороной, то столбик жидкости в первом случае переместится на большее расстояние, чем во втором (см. рисунок выше). Из этого следует, что тела с темной поверхностью лучше поглощают энергию (и, следовательно, сильнее нагреваются), чем тела со светлой или зеркаль-ной поверхностью.
Тела с темной поверхностью не только лучше поглощают, но и лучше излучают энергию.
Способность по-разному поглощать энергию излучения находит широкое применение в техни-ке. Например, воздушные шары и крылья самолетов часто красят серебристой краской, чтобы они меньше нагревались солнечными лучами.
Если же нужно использовать солнечную энергию (например, для нагревания некоторых прибо-ров, установленных на искусственных спутниках), то эти устройства окрашивают в темный цвет.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Министерство Российской Федерации
по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий
ФГБОУ ВПО Ивановский институт Государственной противопожарной службы МЧС России
Кафедра физики и теплотехники
К онтрольная работа
по дисциплине «Теплотехника»
Тема: «Термодинамика и теплопередача»
Выполнил: Ханипов А.Ф.
факультет «Пожарная безопасность»,
11 курс, 112 учебная группа
Руководитель: старший преподаватель,
капитан внутренней службы, к.т.н.
Г.Е. Назаров
ИВАНОВО 2014
Введение
В настоящее время теплосиловые и тепловые установки получили широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства. На промышленных предприятиях они составляют основную важнейшую часть технологического оборудования.
Наука, изучающая методы использования энергии топлива, законы процессов изменения состояния вещества, принципы работы различных машин и аппаратов, энергетических и технологических установок, называется теплотехникой. Теоретическими основами теплотехники являются термодинамика и теория теплообмена.
Термодинамика опирается на фундаментальные законы (начала), которые являются обобщением наблюдений над процессами, протекающими в природе независимо от конкретных свойств тел. Этим объясняется универсальность закономерностей и соотношений между физическими величинами, получаемых при термодинамических исследованиях.
Первый закон термодинамики характеризует и описывает процессы превращения энергии с количественной стороны и дает все необходимое для составления энергетического баланса любой установки или процесса.
Второй закон термодинамики, являясь важнейшим законом природы, определяет направление, по которому протекают термодинамические процессы, устанавливает возможные пределы превращения теплоты в работу при круговых процессах, позволяет дать строгое определение таких понятий, как энтропия, температура и т.д. В этой связи второй закон термодинамики существенно дополняет первый.
В качестве третьего начала термодинамики принимается принцип недостижимости абсолютного нуля.
В теории теплообмена изучаются закономерности переноса теплоты из одной области пространства в другую. Процессы переноса теплоты представляют собой процессы обмена внутренней энергией между элементами рассматриваемой системы в форме теплоты.
При наличии в некоторой среде неоднородного поля температур в ней неизбежно происходит процесс переноса тепла. В соответствии со вторым началом термодинамики этот перенос осуществляется в направлении уменьшения температуры (из области с большей температурой в область с меньшей). Точно так же при наличии в среде неоднородного поля концентраций некоторого i-го компонента смеси происходит процесс переноса массы этой примеси. Этот перенос также происходит в направлении уменьшения концентрации примеси. Процессы переноса тепла и массы (тепло и массообмен) могут осуществляться за счет различных механизмов. За счет хаотического теплового движения или тепловых колебаний микрочастиц (молекул, атомов, ионов) осуществляется молекулярный (микроскопический) перенос тепла (теплопроводность) или массы (молекулярная диффузия). В движущейся жидкости или газе за счет перемещения объемов среды из области с одной температурой или концентрацией в область с другой происходит конвективный (макроскопический) перенос тепла или массы, который всегда сопровождается процессом молекулярного переноса.
При турбулентном движении жидкости или газа процессы конвективного переноса тепла и массы приобретают настолько специфический характер, что их можно выделить в самостоятельный вид переноса. Этот перенос, обусловленный пульсационным характером турбулентного движения, осуществляется за счет поперечного перемещения турбулентных молей и называется турбулентной или молярной теплопроводностью (диффузией).
Теоретический вопрос №1
Термодинамический процесс -- переход термодинамической системы из одного состояния в другое, который всегда связан с нарушением равновесия системы.
Например, чтобы уменьшить объем газа, заключенного в сосуде, нужно вдвинуть поршень. При этом газ будет сжиматься и в первую очередь повысится давление газа вблизи поршня -- равновесие будет нарушено. Нарушение равновесия будет тем значительнее, чем быстрее перемещается поршень. Если двигать поршень очень медленно, то равновесие нарушается незначительно и давление в разных точках мало отличается от равновесного значения, отвечающего данному объему газа. В пределе при бесконечно медленном сжатии давление газа будет иметь в каждый момент времени определенное значение. Следовательно, состояние газа все время будет равновесным, так что бесконечно медленный процесс окажется состоящим из последовательности равновесных состояний. Такой процесс называется равновесным или квазистатическим.
Обратимый процесс (равновесный) -- термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений.
Необратимый процесс (неравновесный) называется процесс, который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния. Все реальные процессы необратимы. Примеры необратимых процессов:
диффузия, термодиффузия, теплопроводность, вязкое течение и др.
Переход кинетической энергии макроскопического движения через трение в теплоту, то есть во внутреннюю энергию системы, является необратимым процессом.
Рис.1 Изохорный процесс
Изохорный процесс (рис.1) -- термодинамический процесс, который происходит при постоянном объёме. Для осуществления изохорного процесса в газе или жидкости достаточно нагревать (охлаждать) вещество в сосуде, который не изменяет своего объёма.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Рис.2 Изобарный процесс
Изобарный процесс (рис.2) -- термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении и постоянной массе идеального газа. Согласно закону Гей-Люссака, при изобарном процессе в идеальном газе
Рис.3 Изотермический процесс
Изотермический процесс (рис.3) -- термодинамический процесс, происходящий в физической системе при постоянной температуре.
Рис.4 Адиабатный процесс
Адиабатный процесс (рис.4) -- термодинамический процесс в макроскопической системе, при котором система не обменивается теплотой с окружающим пространством.
Общий метод исследования - метод, использующий законы (начала) ТД и следствия из них (ТД построена дедуктивно: следствия, частные выводы получены из двух законов). Существует другой подход - статистический, в основе которого лежит молекулярно-кинетическая теория, квантовая механика и т.д. При термодинамическом методе исследования не рассматривается внутреннее строение изучаемых тел, а анализируются условия и количественные соотношения при различных превращениях энергии, происходящих в системе. Раздел физики, в котором физические свойства макроскопических систем изучаются с помощью термодинамического метода, называется термодинамикой. Заметим, что статистическая физика и термодинамика при малом числе частиц теряют смысл.
Термодинамика имеет дело с термодинамической системой - совокупностью макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией, как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Состояние системы задается термодинамическими параметрами (параметрами состояния). Обычно в качестве параметров состояния выбирают: - объем V, м3; давление Р, Па, (Р=dFn /dS, где dFn - модуль нормальной силы, действующей на малый участок поверхности тела площадью dS, 1 Па=1 Н/м2); термодинамическую температуру Т, К (Т=273.15 +t). Отметим, что термодинамическая температура прежде именовалась абсолютной температурой. Понятие температуры, строго говоря, имеет смысл только для равновесных состояний. Под равновесным состоянием понимают состояние системы, у которой все параметры состояния имеют определенные значения, не изменяющиеся с течением времени. Параметры состояния, термодинамические параметры -- физические величины, характеризующие состояние термодинамической системы: температура, давление, удельный объём, намагниченность, электрическая поляризация и др. Различают экстенсивные параметры состояния, пропорциональные массе системы: объём, внутренняя энергия, энтропия, энтальпия, энергия Гиббса, энергия Гельмгольца (свободная энергия), и интенсивные параметры состояния, не зависящие от массы системы: давление, температура, концентрация, магнитная индукция и др. Не все параметры состояния независимы, так что равновесное состояние системы можно однозначно определить, установив значения ограниченного числа параметров состояния. Равновесный тепловой процесс -- тепловой процесс, в котором система проходит непрерывный ряд бесконечно близких равновесных термодинамических состояний. Равновесный тепловой процесс называется обратимым, если его можно провести обратно и в телах, окружающих систему, не останется никаких изменений. Реальные процессы изменения состояния системы всегда происходят с конечной скоростью, поэтому не могут быть равновесными. Реальный процесс изменения состояния системы будет тем ближе к равновесному, чем медленнее он совершается, поэтому равновесные процессы называют квазистатическими. Примеры равновесных процессов Изотермический процесс, при котором температура системы не изменяется (T=const) Изохорный процесс, происходящий при постоянном объёме системы (V=const) Изобарный процесс, происходящий при постоянном давлении в системе(P=const).
Теоретический вопрос №2
Конвективный теплообмен - совместный процесс конвекции и теплопроводности, т.к. при движении жидкости (под термином «жидкость» здесь и далее подразумевается капельная жидкость (несжимаемая жидкость) и газ (сжимаемая жидкость)) или газа неизбежно происходит соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры.
Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твердого тела называют конвективной теплоотдачей, которая часто сопровождается теплоотдачей излучением.
К основным факторам, определяющим количество тепла, передаваемого в конвективном теплообмене, относятся:
1) причины возникновения движения жидкости. Самопроизвольное движение жидкости (газа) в поле тяжести, обусловленное разностью плотностей её горячих и холодных слоев, называют свободным движением (естественная конвекция). Движение, создаваемое вследствие разности давлений, которые создаются насосом, вентилятором и другими устройствами, называется вынужденным (вынужденная конвекция).
2) режим движения жидкости. Упорядоченное, слоистое, спокойное, без пульсаций движение называется ламинарным. Беспорядочное, хаотическое, вихревое движение называется турбулентным.
3) физические свойства жидкости. В жидкостях в зависимости от их физических свойств процесс теплообмена протекает различно. На процесс теплообмена влияют следующие физические параметры жидкости: коэффициент теплопроводности (л), теплоемкость (Ср), плотность (с), коэффициент температуропроводности (аф), вязкость (н). Эти физические параметры для каждой жидкости имеют свои определенные значения и зависят, как правило, от температуры, а некоторые из них и от давления.
4) форма и размеры поверхности, участвующей в конвективном теплообмене. Существенное влияние на плотность теплового потока в конвективном теплообмене оказывают форма и размеры теплообменивающейся поверхности. Например, при движении жидкости в прямой гладкой трубе при числах Рейнольдса, меньших критического, теплообмен обуславливается ламинарным режимом движения жидкости. Если же труба имеет изгибы, местные сужения или расширения, т.е. турбулирующие факторы, то теплообмен при той же скорости движения становится более интенсивным. Интенсивность теплообмена зависит также от того, движется ли жидкость внутри замкнутого пространства или поверхность тела со всех сторон омывается жидкостью.
5) Направление теплового потока. Опыт показывает, что интенсивность конвективного теплообмена зависит от того, в каком направлении передается тепло: от жидкости к стенке или, наоборот, от стенки к жидкости. Опытные данные показывают, что теплообмен от стенки к жидкости идет интенсивнее.
Таким образом, на конвективный теплообмен влияет много факторов. В общем случае количество переданного тепла зависит от скорости и температуры жидкости, физических параметров жидкости - коэффициентов теплопроводности и температуропроводности, теплоемкости ср, плотности, вязкости, формы, размеров канала, температуры поверхности и других факторов.
Для удобства практических расчетов Ньютоном введена формула, по которой определяется плотность теплового потока в конвективном теплообмене:
где - температура стенки, - температура жидкости, - коэффициент теплоотдачи, характеризующий условия теплообмена между жидкостью и стенкой. (ВТ/м2).
Эта формула действует, если тепловой поток идет от стенки к жидкости, т.е. Если же тепловой поток идет от жидкости к стенке, тогда используется следующая формула:
Представленные уравнения носят название уравнение Ньютона - Рихмана.
При кажущейся простоте это уравнение лишь немного облегчает расчеты. Основная трудность вычисления q по формуле Ньютона - Рихмана заключается в определении коэффициента теплообмена. Чтобы из большого количества процессов выделить рассматриваемый процесс и определить его однозначно, к системе дифференциальных уравнений нужно присоединить условия однозначности, т.е. условия, которые выделяют интересующий нас процесс из числа других процессов конвективного теплообмена. Условия однозначности дают математическое описание частных особенностей рассматриваемого процесса.
Тепловые экраны - это технические устройства, устанавливаемые между излучающей и облучаемой поверхностями и служащие для защиты облучаемой поверхности от лучистой энергии.
По принципу действия тепловые экраны подразделяются на отражающие экраны и поглощающие экраны. О принципе действия говорит название экранов.
Отражающие экраны своей поверхностью отражают тепловые лучи. В качестве материала для отражающих экранов используют тонкие листы полированных металлов.
Поглощающие экраны используют принцип поглощения лучистой энергии или защищают вследствие собственного маленького теплопроводности. В качестве материала для поглощающих экранов используют кирпичную кладку, штукатурку, изоляционные материалы (совелит, вермикулит и т.д.), зеленые насаждения. Хорошим поглощающим экраном является мелкодисперсная распыленная вода. Вода нашла свое применение в качестве экрана из-за своей доступности, дешевизны, безвредности для здоровья человека (рис. 1 а).
Тепловые экраны используются для защиты объектов от лучистой энергии излучающего тела (в том числе и факела). Экраны применяются и при защите 69 бойцов пожарной охраны во время тушения пожара (рис. 1 б). Наиболее известным применением экрана в реальных условиях является применение теплоотражающих костюмов (ТОК) (рис.2). Принцип действия ТОК заключается в отражении инфракрасного (теплового) излучения от факела пожара.
Методика расчёта отражающих экранов.
При рассмотрении задач отражающих экранов расчётными величинами являются температура экрана, необходимое число экранирующих слоёв, а также плотность теплового потока при применении 1 экрана (рис.3).
Как было отмечено выше, принцип действия тепловых экранов заключается в отражении падающей на него тепловой энергии. Это достигается за счёт свойства поверхности. При воздействии на экран высоких температур металл может потускнеть, вследствие чего утратит отражающие способности. Поэтому необходимо уметь рассчитывать температуру экрана и после сравнения с допустимой температурой для данного материала экрана сделать вывод о целесообразности его использования. Расчёт ведётся из условия, что излучающая поверхность, экран и облучаемая поверхность представляют собой систему плоскопараллельных тел.
Система плоскопараллельных тел, разделенных экраном
Опуская некоторые преобразования, приходим к формуле (1) для расчёта температуры экрана:
где: Т1 - температура излучающей поверхности;
Т2 - температура облучаемой поверхности;
Приведенная степень черноты системы «поверхность 1 - экран»;
Приведенная степень черноты системы «экран - поверхность 2».
Приведенные степени черноты соответственно рассчитываются как:
1. Плотность теплового потока с учетом 1 экрана
Целью использования экрана является снижение плотности теплового потока ниже критической плотности теплового потока.
Для расчёта теплового потока при использовании 1 экрана применяется формула, которую мы приведём без вывода.
Задача №1
Баллон с газом емкостью 85 л при давлении 6 атм. оказался в зоне очага пожара. Определить, каково будет давление газа, если его температура через некоторое повысилась до:
|
масса, кг |
температура, 0C |
||
P1=6 атм.=6·105Па
V=85 л =85·10-3м3
Найти: P2 - ?
P 1 V 1 =mRT 1 ;
P 2 V 2 =mRT 2 ;
Из (1) получим:
Ответ: давление газа в баллоне равно 829 кПа.
Задача №2
Компрессор подает сжатый воздух в резервуар, причем за время работы компрессора давление в резервуаре повышается от атмосферного до P2, а температура от 200С до t2. Объем резервуара 700л. Барометрическое давление, приведенное к 00С, равно 760 мм рт.ст. Определить массу воздуха, поданного компрессором в резервуар:
Найти: P2 - ?, в - ?
Ответ: Конечное давление равно 199,7 кПа; степень сжатия равна 1,88.
Задача №4
3 кг газа при давлении 400 кПа и температуре 1200С расширяется до давления 87 кПа. Определить конечную температуру, количество тепла и совершаемую работу, если расширение происходит:
|
термодинамический процесс |
||
|
изохорный |
Cl2 т.к. V=const;
P1=400 кПа Q=?U;
Найти: T2 - ?; Q - ?; L - ?
U=CVm·(T2-T1);
U=0,295·(86-393)=-90,565 кДж/кг;
Q=90,565·3=271,695 кДж
Ответ: совершаемая работа равна 0; конечная температура равна 86 К; количество тепла равно 271,695 кДж.
Заключение
Теплопередача является частью общего учения о теплоте, основы которого были заложены еще М. В. Ломоносовым в середине XVIII в., создавшим механическую теорию теплоты и основы сохранения и превращения материи и энергии. С развитием техники и ростом мощности устройств и машин роль процессов переноса тепла в различных теплообменных аппаратах значительно возросла. Окончательное учение о теплоте - теория тепломассообмена сформировалось в самостоятельную научную дисциплину лишь в начале XX в. Значительный вклад в ее формирование внесли русские ученые М. В. Кирпичев, А. А. Гухман и советские Г. М. Кондратьев, М. А. Михеев, С. С. Кутателадзе. Большое развитие в нашей стране получила теория подобия, являющаяся по существу теорией эксперимента. Теория теплообмена - это наука о процессах переноса теплоты в пространстве с неоднородным распределением температуры. Наблюдения за процессами распространения теплоты показали, что теплообмен - сложное явление, которое можно расчленить на ряд простых, принципиально отличных друг от друга процессов: теплопроводность; конвекция; излучение.
Теплопроводность - процесс переноса теплоты (внутренней энергии), происходящий при непосредственном соприкосновении тел (или частей тела) с различной температурой. Обмен энергией осуществляется микрочастицами,
из которых состоят вещества: молекулами, атомами, свободными электронами. За счет взаимодействия друг с другом быстродвижущиеся микрочастицы отдают свою энергию более медленным, перенося таким образом теплоту из зоны с более высокой в зону с более низкой температурой. Явление теплопроводности наблюдается во всех телах: жидких, твердых и газообразных.
Конвекция - процесс переноса теплоты, происходящий за счет перемещения больших масс (макромасс) вещества в пространстве, поэтому наблюдается только в жидких и газообразных телах. Объемы жидкости или газа, перемещаясь из области с большей температурой в область с меньшей
температурой, переносят с собой теплоту.
Конвективный перенос может осуществляться в результате свободного или вынужденного движения теплоносителя. Свободное движение или естественная конвекция вызывается действием массовых (объемных) сил: гравитационной, центробежной, за счет протекания в объеме жидкости электрического тока. В приближении сплошной среды под жидкостью мы понимаем любую текучую среду (то, что отлично от твердого тела). Чаще всего в технических устройствах естественная конвекция вызывается подъемной силой, обусловленной разностью плотностей холодных и нагретых частей жидкости. Возникновение и интенсивность свободного движения определяется тепловыми условиями процесса и зависит от рода жидкости, разности температур и объема пространства, в котором происходит конвекция. Вынужденная конвекция вызывается работой внешних агрегатов (насос, вентилятор). Движущая сила при этом непосредственно связана с разностью давлений на входе и выходе из канала, по которому перемещается жидкость.
Наблюдаемые в природе и технике явления теплообмена включают в себя, как правило, все элементарные способы переноса теплоты. Иногда
интенсивность некоторых способов переноса тепла невелика по сравнению
с другими, ею можно пренебречь, и тогда можно говорить об элементарном процессе теплообмена в чистом виде. Сочетание любых комбинаций элементарных процессов переноса тепла называют сложным теплообменом. Рассмотрим некоторые сложные явления теплообмена, часто встречающиеся на практике.
Теплоотдача или конвективный теплообмен - процесс обмена энергией между движущейся средой и поверхностью твердого тела является сочетанием передачи тепла теплопроводностью в твердой стенке и конвекцией в жидкой среде.
В реальных условиях конвекция теплоты всегда сопровождается молекулярным переносом теплоты, а иногда и лучистым теплообменом. Экспериментальное исследование процесса теплоотдачи позволило установить пропорциональность этого процесса разности температур между стенкой и жидкостью. Коэффициент пропорциональности получил название коэффициента теплоотдачи, который не является теплофизическим свойством вещества, как теплоемкость или плотность, значения которых представлены в справочных таблицах функцией температуры. Факторами, влияющими на коэффициент теплоотдачи, кроме температуры среды, являются, наличие вынужденной или свободной конвекции, их взаимное влияние; внешнее обтекание тела или движение жидкости в канале (трубе); наличие фазового перехода (кипение, конденсация); род жидкости, свойства стенки.
Теплопередача - процесс передачи тепла между двумя жидкими средами через разделяющую их твердую стенку. Как и в случае теплоотдачи, процесс теплопередачи пропорционален разности температур между двумя жидкими средами, его интенсивность характеризуется коэффициентом теплопередачи, который тоже не является теплофизическим свойством. Для передачи тепла от одной жидкой среды к другой применяют устройства - поверхностные теплообменные аппараты, одним из этапов проектирования которых является определение коэффициентов теплопередачи.
термодинамический конвективный теплообмен
Список использованной литературы
1) Кошмаров Ю.А., Теплотехника. - Москва: ИКЦ «Академкнига», 2006. - 501 с.: ил.
2) Cырбу А.А., - Термодинамика газовых систем. Учебное пособие. / Сырбу А.А. - Иваново: ООНИ ИвИ ГПС МЧС России, 2009. - 113 с.
3) Багажков И.В., Первый закон термодинамики. Учебное пособие. / Багажков И.В., Сторонкина О.Е. - Иваново: ООНИ ИвИ ГПС МЧС России, 2011- 69 с.
4) Сторонкина О.Е. Методические указания для выполнения курсовой работы по теплотехнике. / Сторонкина О.Е., Маршалов М.С. - Иваново: ООНИ ИвИ ГПС МЧС России, 2013. - 39 с.
5) Анализ обстановки с пожарами и последствий от них на территории Российской Федерации за 12 месяцев 2013 года. / Аналитические материалы. -М.: Департамент надзорной деятельности МЧС России, 2013.
6) Багажков И.В. Водяной пар. Учебное пособие / И.В.Багажков, О.Е.Сторонкина.-Иваново: ИвИ ГПС МЧС России, 2011.-84с. Багажков И.В. Водяной пар. Учебное пособие / И.В.Багажков, О.Е.Сторонкина.-Иваново: ИвИ ГПС МЧС России, 2011.-84с.
7) Сырбу А.А. Термодинамика газовых потоков. Учебное пособие - Иваново: Ивановский институт ГПС МЧС России, 2009. -113 с.
8) Сырбу А.А. Теплопередача. Учебное пособие. / Сырбу А.А., Сторонкина О.Е. - Иваново: ООНИ ИвИ ГПС МЧС России, 2012. - 114 с.
9) Ульев Д.А. Теплофизика. Лучистый теплообмен. Учебное пособие. / Ульев Д.А., Назаров Г.Е., Маршалов М.С. - Иваново: ООНИ ИвИ ГПС МЧС России, 2014. - 86 с.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Основной закон конвективного теплообмена. Уравнение Ньютона-Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Критерий Нуссельта. Уравнение Фурье-Кирхгофа. Получение критериев подобия. Характеристика температурного поля и гидродинамические характеристики потока.
презентация , добавлен 24.06.2014
Изучение понятия теплоотдачи, теплообмена между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Конвективный перенос теплоты. Анализ основного закона конвективного теплообмена. Уравнение Ньютона-Рихмана. Получение критериев теплового подобия.
презентация , добавлен 09.11.2014
Обратимые и необратимые термодинамические процессы. Диссипативные динамические системы. Термодинамическая энтропия. Флуктуация основных термодинамических величин. Закон сохранения энергии в адиабатическом процессе. Средние квадраты флуктуации энергии.
реферат , добавлен 18.12.2013
Первый закон термодинамики. Обратимые и необратимые процессы. Термодинамический метод их исследования. Изменение внутренней энергии и энтальпии газа. Графическое изображение изотермического процесса. Связь между параметрами газа, его теплоемкость.
лекция , добавлен 14.12.2013
Сущность и дифференциальные уравнения конвективного теплообмена. Критерии теплового подобия. Определение коэффициента теплоотдачи. Теплопередача при изменении агрегатного состояния теплоносителей (кипении и конденсации). Расчет ленточного конвейера.
курсовая работа , добавлен 31.10.2013
Конвективный теплообмен при вынужденном продольном обтекании плоской поверхности. Теплообмен излучением между газом и твердой поверхностью. Процессы прогрева или охлаждения тел. Процесс нестационарной теплопроводности. Толщина теплового пограничного слоя.
реферат , добавлен 26.11.2012
Понятие теплоотдачи как процесса теплообмена между поверхностью твёрдого тела и жидкой (газообразной) средой при их соприкосновении. Подобие процессов теплоотдачи. Процесс переноса энергии в виде электромагнитных волн. Лучистый теплообмен между телами.
презентация , добавлен 29.09.2013
Конвективный теплообмен - одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью. Основные факторы, влияющие на процесс теплоотдачи. Свободная конвекция в неограниченном пространстве. Вынужденная конвекция. Уравнения конвективного теплообмена.
реферат , добавлен 26.01.2012
Анализ и изображение изотермического процесса. Закон Ньютона–Рихмана. Свободная и вынужденная конвекция. Физический смысл коэффициента теплоотдачи, его зависимость от различных факторов. Основные особенности дизельных и карбюраторных двигателей.
контрольная работа , добавлен 18.11.2013
Определение коэффициента теплоотдачи при сложном теплообмене. Обмен теплотой поверхности твёрдого тела и текучей среды. Использование уравнения Ньютона–Рихмана при решении практических задач конвективного теплообмена. Стационарный тепловой режим.