МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

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

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

Термодинамическийпроцесс

Изменение состояния термодинамической системы во времени называется

термодинамическим процессом . Так, при перемещении поршня в цилиндре объём, а с ним давление и температура находящегося внутри газа будут изменяться,

будет совершаться процесс расширения или сжатия газа.

Как уже отмечалось, система, выведенная из состояния равновесия, и пре-

доставленная при постоянных параметрах окружающей среды самой себе, через не-

которое время вновь придет в равновесное состояние, соответствующее этим пара-

метрам. Такое самопроизвольное (без внешнего воздействия) возвращение системы в состояние равновесия

называется релаксацией , а промежуток времени, в течение которого систе-

ма возвращается в состояние равновесия, называется временем релаксации .

Для разных процессов он различно: если для установления равновесного давления в газе требуется всегда, то для выравнивания температуры в объеме того же газа нуж-

ны десяти; минут, а в объеме нагреваемого твердой тела - иногда несколько часов.

Термодинамический процесс называется равновесным , если все пара-

метры системы при его протекании меняются достаточно медленно по сравнению с соответствующим процессом релаксации. В этом случае система фактически все время находится в состоянии равновесия с окружающей средой, чем и определяется название процесса.

Чтобы процесс был равновесным, скорость изменения параметров системы dA d должна удовлетворять соотношению

dA d c релД A рел

где А - параметр, наиболее быстро изменяющийся в рассматриваемом про-

цессе; с рел - скорость изменения этого параметра в релаксационном процессе;τ рел -

время релаксации.

Рассмотрим, например, процесс сжатия газа в цилиндре. Если время смещения поршня от одного положения до другого существенно превышает время релаксации,

то в процессе перемещения поршня давление и температура успеют выровняться по

всему объему цилиндра.

Это выравнивание обеспечивается непрерывным столкновением молекул, в

результате чего подводимая от поршня к газу энергия достаточно быстро и рав-

номерно распределяется между ними. Если последующие смещения поршня будут происходить аналогичным образом, то состояние системы в каждый момент времени будет практически равновесным. Таким образом, равновесный процесс состоит из непрерывного ряда последовательных состояний равновесия, поэтому в каждой его точке состояние термодинамической системы можно описать уравнением состояния данного рабочего тела. Именно поэтому классическая термодинамика в своих исследованиях оперирует только равновесными процессами. Они являются удобной идеализацией реальных процессов, позволяющей во многих случаях существенно упростить решение задачи. Такая идеализация вполне обоснована, так как условие

(1.8) выполняется на практике достаточно часто. Поскольку механические возму-

щения распространяются в газах со скоростью звука, процесс сжатия газа и цилинд-

ре будет равновесным, если скорость перемещения поршня много меньше скорости звука.

Процессы, не удовлетворяющие условию dAd cрел Д A рел , протекают с нарушением равновесия, т. е. являютсянеравновесными . Если, например, быстро увеличит температуру окружающей среды, то газ в цилиндре будет постепенно про-

греваться через его стенки, релаксируя к состоянию равновесия, соответствующему новым параметрам окружающей среды. В процессе релаксации газ не находится в равновесии с окружающей средой и его нельзя характеризовать уравнением состоя-

ния хотя бы потому, что в разных точках объема газа температура имеет различные значения.

ЛЕКЦИЯ №1

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ И ЕЁ ВИДЫ.

ТЕРМОДИНАМИКА И ЕЁ МЕТОДЫ.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ.

Теплотехника – общетехническая дисциплина, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло и парогенераторов, тепловых машин, аппаратов и устройств.

Термодинамика (составная часть теплотехники) изучает законы превращения энергии в различных физико-химических процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами.

Известны различные виды энергии: тепловая, электрическая, химическая, магнитная и др.Задачи исследований могут быть различными – это и термодинамика биосистем, техническая термодинамика и т.д. Нас интересует техническая термодинамика, изучающая закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергий (вместе с теорией теплообмена) и потому являющаяся теоретическим фундаментом теплотехники. Без этого теоретического фундамента невозможно рассчитать и спроектировать тепловой двигатель

Метод термодинамики является феноменологическим. Явление рассматривается в целом. Связь между макроскопическими параметрами, определяющими поведение системы, устанавливается двумя началами термодинамики. Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействии друг с другом и с окружающими систему внешними телами.

Термодинамическое состояние тела (например, газа) характеризуется его массой , молярной массой μ, давлением , объемом , температурой (а возможно, и другими величинами, например, определяющими его химический состав). Все эти величины называются термодинамическими параметрами тела. Однако, как будет видно из дальнейшего, такие параметры, как ,имеют смысл только тогда, когда тело находится, хотя бы приближенно, в так называемом состоянии термодинамического равновесия (т.д.р.). Так называется состояние, в котором все термодинамические параметры остаются со временем постоянными (к этому следует добавить еще условие отсутствия стационарных потоков). Если, например, быстро подогревать газ, как это показано на рис. 9.1, температура непосредственно подогреваемой части сосуда А окажется выше температуры части В. Не будут равны и давления в частях А и В. В этом случае не имеет смысла понятие температуры или давления всего газа. Другой пример – впустим в газ пучок быстрых молекул. Ясно, что не имеет смысла говорить о температуре газа до тех пор, пока быстрые молекулы, вследствие ряда столкновений с другими, не приобретут скоростей порядка средней скорости остальных молекул, иначе говоря, пока система не придет в состояние т.д.р.

В состоянии т.д.р. для каждого вещества термодинамические параметры связаны между собой так называемым уравнением состояния:

Здесь R=8,31 Дж/(мольК) – универсальная газовая постоянная, μ - молярная масса. Для углерода (С) величина μ составляет 12г, для водорода (H 2) – 2г, для кислорода (О 2) – 32г, для воды (Н 2 О) – 18г и т.д.

В моле любого вещества содержится одно и то же количество молекул N 0 , называемое числом Авогадро:

Отношение универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро (т.е. универсальная газовая постоянная, приходящаяся на одну молекулу) называется постоянной Больцмана:

Идеальным газом называется газ, настолько разреженный, что он подчиняется уравнению (1.2) или(1.6). Смысл этого определения состоит, очевидно, в том, что для подчинения уравнению (1.6) газ должен быть достаточно разреженным. Если газ, напротив, сжат до достаточно больших плотностей (так называемый реальный газ), то вместо (1.6) имеем

Выбор термодинамической системы произволен. Выбор диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, есть окружающая среда. Разделение термодинамической системы и окружающей среды осуществляет контрольная поверхность. Так, например, для простейшей термодинамической системы цилиндр-газ-поршень, внешняя среда окружающий воздух, а контрольная поверхность оболочка цилиндра и поршень. Механическое и тепловое взаимодействие термодинамической системы осуществляется через контрольные поверхности.

При механическом взаимодействии самой системы или над нею совершается работа. Следует отметить: работа может совершаться и под действием других сил- электрических, магнитных.

Рассматривая пример с системой цилиндр-поршень можем отметить следующее: механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объёма. Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. В рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра. Для открытой термодинамической системы обмен идёт со средой и веществом (массообменные процессы). В дальнейшем мы будем рассматривать закрытые термодинамические системы. Если система теплоизолирована, то мы называем её адиабатной, например, газ в сосуде с идеальной тепловой изоляцией. Такая система не обменивается с окружающей средой ни теплом, ни веществом и называется замкнутой (изолированной).

Превращение теплоты в работу и наоборот работы в теплоту осуществляется системами представляющими собой газы и пары, их называют рабочими телами.

В развитии термодинамики как науки большой вклад сделали русские учёные: М.В. Ломоносов – определил сущность теплоты как внутреннего движения материи, кроме того, определил сущность, разработанных впоследствии, законов термодинамики, за сто лет до Клаузиуса (1850 г.), дал содержание второго закона термодинамики, количественная оценка была дана Ломоносовым в двух его работах 1750 и 1760 г.г. Можно упомянуть Г.Г. Гесса (1840 г.), который установил закон о тепловом эффекте химической реакции, проф. Шиллера Н.Н. (Киевский университет)- дал более строгое обоснование второго начала термодинамики, проф. Афанасьева-Эренфест Т.А. впервые показала целесообразность раздельного толкования второго начала термодинамики для равновесных и неравновесных процессов. Исследования в прикладном и теоретическом плане проведены учёными МВТУ Гриневецким В.И., Киршем К.В., Мерцаловым Н.И., Рамзиным Л.К., Ошурковым Б.М. Первый советский учебник по термодинамике был написан Ошурковым Б.М. Учёные ВТИ, МЭИ Вукалович М.П., Кириллин В.А., Новиков И.И., Тимрот Д.А., Варгафтик Н.Б. провели обширные исследования по получению новых данных по теплофизическим свойствам ряда новых рабочих тел. Из иностранных учёных огромный вклад в развитие термодинамики внесли Сади Карно, Р.Стирлинг, Р.Майер, Клаузиус, Гельмгольц, Джоуль, Томсон, Рейнольдс и др. Кстати, Р. Стирлинг за 8 лет до С. Карно в 1816 году запатентовал машину, производящую работу за счёт нагретого воздуха.

В книге излагаются основы технической термодинамики и теплопередачи.
В первой части изложены законы термодинамики и их приложение к анализу циклов тепловых двигателей, газотурбинных, паротурбинных и холодильных установок и др.
Во второй части изложены физические основы теплообмена. Рассмотрены элементарные способы передачи теплоты. Кратко изложено приложение общей теории тепло- и массообмеиа к изучению процессов во влажных коллоидных капиллярно-пористых телах.
В книге даны контрольные вопросу и некоторое количество решенных задач. Книга написана с использованием международной системы единиц (СИ).

Часть первая ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Глава I ВВЕДЕНИЕ
§ 1-1. Энергетика и ее значение в народном хозяйстве СССР
С первых дней жизни Советского государства Коммунистическая партия СССР придавала огромное значение претворению в жизнь Ленинского учения об электрификации всей страны.
«Коммунизм, - говорил В. И. Ленин, - это есть советская власть плюс электрификация всей страны», поэтому ленинская идея сплошной электрификации - стержень всей программы, строительства экономики коммунизма.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ко второму изданию.
Предисловие к первому изданию.
Часть первая. Техническая термодинамика
Глава 1. Введение.
Глава II. Уравнение состояния идеальных газов.
Глава III. Смесь идеальных газов.
Глава IV. Реальные газы.
Глава V. Первый закон термодинамики.
Глава VI. Теплоемкость газов. Энтропия.
Глава VII. Термодинамические процессы идеальных газов.
Глава VIII. Второй закон термодинамики.
Глава IX. Характеристические функции и термодинамические потенциалы. Равновесие систем.
Глава X. Дифференциальные уравнения термодинамики.
Глава XI. Водяной пар.
Глава XII. Основные термодинамические процессы водяного пара.
Глава XIII. Истечение газов и паров.
Глава XIV. Дросселирование газов и паров. Смешение газов.
Глава XV. Влажный воздух.
Глава XVII. Циклы двигателей внутреннего сгорания.
Глава XVIII. Циклы газотурбинных установок и реактивных двигателей.
Глава XIX. Циклы паротурбинных установок.
Глава XX. Циклы атомных электростанций, парогазовых и магнитогидродинамических установок.
Глава XXI. Циклы холодильных установок.
Часть вторая. Теплопередача
Глава XXII. Основные положения теплопроводности.
Глава XXIII. Теплопроводность при стационарном режиме и граничных условиях первого рода.
Глава XXIV. Теплопроводность при стационарной режиме и граничных условиях третьего рода. Коэффициент теплопередачи.
Глава XXV. Теплопроводность при нестационарном режиме.
Глава XXVII. Конвективный теплообмен в вынужденном н свободном потоке жидкости.
Глава XXVIII. Теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества.
Глава XXIX. Теплообмен излучением.
Глава XXX. Теплообменные аппараты.
Глава XXXI. Тепло- и массоперенос во влажных телах.
Приложения.
Литература.

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Техническая термодинамика и теплопередача, Нащокин В.В., 1975 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Скачать djvu
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России.

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

ТЕРМОДИНАМИКА И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Учебное пособие

УДК 621.1:536.7(07)

Термодинамика и теплопередача : Учебное пособие / В. Н. Кузнецов, В. В. Овсянников, А. С. Анисимов, М. В. Кокшаров, В. В. Крайнов; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2006. 128 с.

В первых трех разделах настоящего учебного пособия рассмотрены состояние газа, газовые процессы и газовые циклы с анализом эффективности работы двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных установок. В четвертом разделе представлены свойства воды и водяного пара, циклы паросиловых установок, пути повыше­ния их экономичности; приведены сведения о циклах холодильных установок и свойствах влажного воздуха. Пятый раздел посвящен изучению закономерностей основных видов теплопереноса – теплопроводности, конвективного теплообмена и лучеиспускания. В приложениях приведены справочные данные, необходимые для решения теплотехнических задач.

Пособие предназначено для студентов нетеплотехнических специальностей.

Библиогр.: 7 назв. Табл. 4. Рис. 90.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор В. И. Гриценко;

доктор техн. наук, профессор А. С. Ненишев;

доктор техн. наук, профессор Е. И. Сковородников.

Введение.. 5

1. Основные понятия и определения. Состояние газа... 7

1.1. Метод термодинамики. Термодинамическая система. Рабочее тело... 7

1.2. Основные параметры состояния, их измерение.. 8

1.3. Законы идеального газа... 11

1.4. Смеси идеальных газов... 14

1.5. Понятие теплоемкости газов... 17

2. Первый закон термодинамики. Газовые процессы.... 19

2.1. Виды энергии, внутренняя энергия, внешняя работа... 19

2.2. Уравнение первого закона термодинамики. Энтальпия газа... 21

2.3. Энтропия. Свойства Т, s-диаграммы.... 24

2.4. Термодинамические процессы, их исследование.. 26

2.5. Процессы сжатия в компрессоре.. 38

3. Второй закон термодинамики. Газовые циклы.... 42

3.1. Цикл, его термический КПД. Понятие обратного цикла... 42

3.2. Цикл Карно. Формулировки второго закона термодинамики... 45

3.3. Энтропия необратимых процессов... 49

3.4. Циклы двигателей внутреннего сгорания... 51

3.5. Циклы газотурбинных установок... 58

4. Водяной пар... 62

4.1. Свойства воды и водяного пара. Диаграммы состояния р, v; T, s; h, s 62

4.2. Истечение и дросселирование газов и паров... 69

4.3. Цикл Ренкина. Пути повышения КПД паросиловых установок... 79

4.4. Цикл холодильной установки... 87

4.5. Влажный воздух... 88

5. Основы теплообмена... 93

5.1. Теплопроводность... 96

5.2. Конвективный теплообмен... 101

5.3. Теплопередача... 107

5.4. Теплообмен излучением.... 110

5.5. Теплообменные аппараты.... 116

Библиографический список... 121

Приложение. Таблицы физических свойств различных веществ... 122

Введение

Настоящее пособие предназначено для студентов высших учебных заведений Федерального агентства железнодорожного транспорта, обучающихся по тепловозной, вагонной и машиностроительной специальностям механического факультета, а также для специальности «Подвижной состав электрического транспорта» электромеханического факультета.

Курс «Термодинамика и теплопередача» предполагает подготовку студентов по теоретическим основам теплотехники. Первые четыре раздела посвящены изучению свойств газов и паров, процессов изменения их состояния, термодинамических циклов различных тепловых двигателей и холодильных установок. В пятом разделе рассматриваются основы теплообмена, способы интенсификации передачи тепла в тепломассообменных аппаратах.

Основным содержанием технической термодинамики является изучение процессов взаимного преобразования тепловой и механической энергии. В основу термодинамики положены два основных закона, установленных многовековым опытом деятельности человечества. Первый закон термодинамики характеризует балансовую сторону процессов превращения энергии. Он является количественным выражением закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым процессам. Второй закон термодинамики устанавливает направленность протекания процессов.

Цикличность протекания процессов в реальных теплосиловых установках позволяет ввести понятие цикла и его термического коэффициента полезного действия. Такой метод термодинамики дает возможность оценки эффективности тепловых двигателей, применяемых на предприятиях промышленности и транспорта, наметить пути повышения их экономичности и надежности.

Разработка и эксплуатация теплогенерирующих и теплопотребляющих установок связана с вопросами увеличения мощности теплового потока через единицу площади поверхности стенки, снижения тепловых потерь в окружающую среду, улучшения свойств теплопроводящих и теплоизоляционных материалов, выбора оптимальных характеристик теплоносителей и рациональной конструкции теплообменных аппаратов. В основе решения этих вопросов лежит учение о теплообмене, под которым понимают перенос тепла от одних частей системы к другим при наличии разности температур между ними.