Лекции термодинамика и теплопередача.

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.

Ó

Омский гос. университет путей сообщения, 2006

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.

1 ДК 536.7(07) + 536.24 Рецензенты: кафедра “Теплотехника и теплосиловые установки” Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщения (д-р техн. наук, проф. И.Г. Киселев), профессор Б.С. Фокин (АОО НПО "ЦКТИ им. И.И. Ползунова") Сапожников С.З., Китанин Э.Л. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебник для вузов. СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. 319 с. ISBN 5-7422-0098-6 Изложены основы технической термодинамики и теплопередачи. Представлены начала термодинамики, методы расчета термодинамических процессов с идеальным газом и с реальными рабочими телами, циклов энергетических установок, холодильных машин и тепловых насосов. Описаны процессы стационарной и нестационарной теплопроводности, конвективного теплообмена, теплообмена излучением. Даны основы теплового расчета теплообменников. Предназначен для бакалавров по направлению 551400 “Наземные транспортные системы”. I8ВN 5-7422-0098-6 Санкт-Петербургский государственный технический университет, 1999 Сапожников С.З., Китанин Э.Л., 1999 2 СОДЕРЖАНИЕ Предисловие........................................................................ 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА...................... 1.1. Предмет и метод технической термодинамики....... 1.2. Основные понятия термодинамики........................ 1.2.1. Термодинамическая система и термодинамические параметры........................................................... 1.2.2. Термодинамическое равновесие и равновесный тер- модинамический процесс.................................. 1.2.3. Термическое уравнение состояния. Термодинамическая поверхность и диаграммы состояний………………………………………………. 1.2.4. Смеси идеальных газов........................................ 1.2.5. Энергия, работа, теплота...................................... 1.2.6. Теплоемкость......................................................... 1.3. Первое начало термодинамики.................................. 1.3.1. Уравнение первого начала................................... 1.3.2. Внутренняя энергия как функция состояния......................................................................... 1.3.3. Энтальпия и ее свойства...................................... 1.3.4. Уравнение первого начала для идеального газа......................................................................................... 1.4. Анализ процессов с идеальным газом....................... 1.4.1. Изобарный процесс.............................................. 1.4.2. Изохорный процесс............................................... 1.4.3. Изотермический процесс...................................... 1.4.4. Адиабатный процесс............................................. 1.4.5. Политропные процессы........................................ 1.4.6. Сжатие газа в поршневом компрессоре.............. 1.5. Второе начало термодинамики................................... 1.5.1. Обратимые и необратимые процессы................. 1.5.2. Циклы и их КПД.................................................... 1.5.3. Формулировки второго начала............................ 1.5.4. Цикл Карно. Теорема Карно................................ 3 1.5.5. Энтропия, ее изменение в обратимых и необрати- мых процессах................................................................. 1.5.6. Т–s-диаграмма состояний. Изменение энтропии в процессах идеального газа.................................................................................... 1.5.7. Термодинамическая шкала температур.............. 1.6. Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания................................................................................. 1.6.1. Цикл с изохорным подводом теплоты (цикл Отто) 1.6.2. Цикл с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля) ........................................................................................................... 1.6.3. Сравнение эффективности циклов ДВС............. 1.7. Циклы газотурбинных установок.............................. 1.7.1. Схема и цикл с изобарным подводом теплоты.. 1.7.2. Термический КПД цикла Брайтона................... 1.7.3. Регенеративный цикл ГТУ.............................. 1.7.4. Эффективность реальных циклов................... 1.8. Термодинамика реальных рабочих тел.................... 1.8.1. Уравнения состояния реальных газов............... 1.8.2. Изменение агрегатного состояния вещества.... 1.8.3. Диаграммы и таблицы состояний..................... 1.9. Циклы паросиловых установок................................. 1.9.1. Паровой цикл Карно.......................................... 1.9.2. Цикл Ренкина..................................................... 1.10. Циклы холодильных машин и тепловых насосов 1.10.1.Обратный цикл Карно.................................... 1.10.2. Цикл парокомпрессионной холодильной машины с перегревом пара и дросселированием................. 1.10.3. Цикл теплового насоса................................... 1.11. Влажный воздух.......................................................... 1.11.1 Основные понятия и определения................... 1.11.2. h–d-диаграмма влажного воздуха.................. 2.ТЕПЛОПЕРЕДАЧА......................................................... 4 2.1. Общие представления о теплопередаче................... 2.2. Теплопроводность........................................................ 2.2.1. Основные понятия и определения............ 2.2.2. Гипотеза Био-Фурье.................................... 2.2.3.Дифференциальное уравнение теплопроводности. ………………………………………………………… 2.2.4. Условия однозначности................................. 2.2.5.Модели тел в задачах теплопроводности...... 2.3. Стационарная теплопроводность.............................. 2.3.1. Теплопроводность пластин и оболочек......... 2.3.2. Теплопроводность оребренных поверхностей. 2.4. Нестационарная теплопроводность.......................... 2.4.1. Теплопроводность термически тонких тел....... 2.4.2. Теплопроводность полуограниченного тела и стержня....................................................... 2.4.3. Нагрев и охлаждение пластины, цилиндра и шара. 2.4.4. Нагрев и охлаждение тел конечных размеров…….. 2.4.5. Регулярный тепловой режим......................... 2.5. Приближенные методы теории теплопроводности.. 2.5.1. Электротепловая аналогия............................. 2.5.2. Графический метод........................................ 2.5.3. Метод конечных разностей.......................... 2.6. Физические основы конвективного теплообмена.. 2.6.1. Основные понятия и определения................. 2.6.2.Дифференциальные уравнения конвективного теплообмена.............................................................. 2.7. Основы теории подобия............................................... 2.7.1. Подобие физических явлений....................... 2.7.2. Теоремы подобия............................................. 2.7.3. Уравнения подобия......................................... 2.7.4. Правила моделирования.................................. 2.8. Конвективный теплообмен в однофазной среде..... 2.8.1. Режимы течения жидкостей и газов............... 5 2.8.2. Пограничный слой............................................ 2.8.3.Теплообмен в ламинарном пограничном слое на плоской поверхности................................................. 2.8.4. Теплообмен в турбулентном пограничном слое на плоской поверхности............................................. 2.8.5. Теплообмен при вынужденной конвекции в трубах и каналах............................... 2.8.6.Теплообмен на стабилизированном участке течения.Интеграл Лайона......................................... 2.8.7. Теплообмен при ламинарном течении в трубах ……………………………………………………….. 2.8.8. Теплообмен при турбулентном течении в трубах... 2.8.9. Теплообмен при обтекании труб и трубных пучков.......................................................................... 2.8.10. Теплообмен при свободной конвекции........ 2.8.11. Теплообмен в псевдоожиженных средах....... 2.9. Конвективный теплообмен при кипении и конденсации........................................................................... 2.9.1. Теплообмен при кипении................................ 2.9.2. Теплообмен при конденсации......................... 2.9.3. Тепловые трубы................................................ 2.10. Теплообмен излучением............................................ 2.10.1. Физические основы излучения...................... 2.10.2. Расчет теплообмена излучением................... 2.10.3. Солнечное излучение..................................... 2.10.4. Сложный теплообмен..................................... 2.11. Теплообменники.......................................................... 2.11.1 Классификация и назначение......................... 2.11.2. Основы теплового расчета............................ 2.11.3.Эффективность теплообменников. Реальные коэффициенты теплопередачи............................. 2.11.4. Гидравлический расчет теплообменников... Список литературы............................................................. 6 ПРЕДИСЛОВИЕ “Техническая термодинамика и теплопередача” - один из основных курсов, читаемых бакалаврам по направлению “Наземные транспортные системы”. Он насыщен сведениями и сжат по времени изучения до 1–2 семестров, поэтому большинство фундаментальных учебников мало помогут студентам: они излишне подробны, не сориентированы на круг задач, связанных с транспортными системами и, наконец, просто рассчитаны на курсы значительно большего объема. Для инженеров-транспортников главное - уяснить предмет и основные идеи термодинамики и теплопередачи, освоить сложившуюся терминологию этих наук. Совершенно необходимо помнить 10–15 основных формул (таких, например, как уравнение состояния идеального газа, формула для расчета теплопередачи через многослойную пластину, закон Стефана–Больцмана и т. д.). Остальные сведения, при всей их важности, нужно просто понять, представить физически, связать с примерами из различных областей жизни и техники. Поэтому главное внимание авторы постарались уделить физической стороне рассматриваемых явлений, а математическому аппарату оставили достойное, но скромное место. Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам - кафедре "Теплотехника и теплосиловые установки" Петербургского государственного университета путей сообщения в лице д-ра техн. наук проф. И. Г. Киселева и канд. техн. наук доц. В. И. Крылова, а также д-ру техн. наук проф. Б. С. Фокину - за ценные замечания, позволившие улучшить первоначальный текст. Особая благодарность - канд. техн. наук Г. Г. Гавра за большую помощь в подготовке рукописи; ей принадлежит идея сопоставить N, ε - метод расчета теплообменников с традиционной расчетной схемой. И, конечно, очень ценной оказалась помощь в оформлении книги сотрудниц кафедры “Теоретические основы теплотехники” Санкт-Петербургского государственного технического 7 университета Э. О. Введенской, Р. М. Грозной, аспиранток Ю. В. Бурцевой и Е. М. Ротинян. С. Сапожников Э. Китанин 8 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА 1.1.ПРЕДМЕТ И МЕТОД ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ Термодинамика - наука о преобразованиях энергии - фундаментальна для инженера-энергомашиностроителя. Зарождение термодинамики совпадает по времени с появлением первых паровых машин. В 1824 г. французский инженер С. Карно рассмотрел энергетическое взаимодействие воды и пара с различными частями двигателя и с окружающей средой, ему принадлежит первая оценка эффективности паровой машины. С тех пор предметом изучения термодинамики стали процессы в энергомашинах, агрегатные превращения веществ, физико- химические, плазменные и другие процессы. В основу этих исследований положен термодинамический метод: объектом исследования могут быть любые тела, входящие в так называемую термодинамическую систему. Эта система должна быть: достаточно обширной и сложной, чтобы в ней соблюдались статистические закономерности (движение молекул вещества в некотором объеме, нагрев и охлаждение частиц твердого материала в засыпке и т. д.); замкнутой, т. е. иметь пределы во всех пространственных направлениях и состоять из конечного числа частиц. Других ограничений для термодинамической системы нет. Объекты материального мира, не входящие в термодинамическую систему, называют окружающей средой. Возвращаясь к работам С. Карно, отметим, что вода и полученный из нее пар являются термодинамической системой. Проследив энерговзаимодействие воды и пара с окружающими телами, можно оценить эффективность преобразования подведенной к машине теплоты в работу. Но современные энергомашины для преобразования энергии не всегда используют воду. Условимся называть любую среду, которая используется для преобразования энергии, рабочим телом. 9 Таким образом, предметом технической термодинамики являются закономерности преобразования энергии в процессах взаимодействия рабочих тел с элементами энергомашин и с окружающей средой, анализ совершенства энергомашин, а также изучение свойств рабочих тел и их изменений в процессах взаимодействия. В отличие от статистической физики, которая изучает физическую модель системы с четкими закономерностями взаимодействия микрочастиц, термодинамика не связана в своих выводах с какой-либо структурой тела и с определенными формами связи между элементами этой структуры. Термодинамика использует законы универсального характера, т. е. справедливые для всех тел, независимо от их строения. Эти законы заложены в основу всех термодинамических рассуждений и носят название начал термодинамики. Первое начало выражает закон сохранения энергии - всеобщий закон природы. Оно определяет баланс энергии при взаимодействиях внутри термодинамической системы, а также между термодинамической системой и окружающей средой. Второе начало определяет направленность энергетических превращений и существенно расширяет возможности термодинамического метода. Оба начала носят опытный характер и применимы ко всем термодинамическим системам. Основываясь на этих двух началах, представленных в математической форме, можно выразить параметры энергообмена при различных взаимодействиях, установить связи между свойствами веществ и т. д. Однако для того, чтобы довести результаты до конкретных чисел, одних только "внутренних ресурсов" термодинамики недостаточно. Необходимо использовать экспериментальные или теоретические результаты, которые учитывают природу рабочего тела в реальной термодинамической системе. Если, например, воспользоваться опытными данными о плотности вещества, то с помощью термодинамического анализа можно вычислить его теплоемкость и т. д. 10 Таким образом, термодинамические исследования основываются на фундаментальных законах природы. В то же время инженерные расчеты в термодинамике невозможны без использования данных опытов или результатов теоретических исследований физических свойств рабочих тел. 1.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ 1.2.1. Термодинамическая система и термодинамические параметры Мы назвали термодинамической системой любое тело или систему тел, находящихся во взаимодействии между собой и(или) с окружающей средой (в такую систему могут, в частности, входить рабочие тела энергетических машин). В определении не уточняется, что именно считать термодинамической системой, а что - окружающей средой. Можно, например, термодинамической системой считать само рабочее тело, а “все остальное” полагать окружающей средой; можно выделить только часть тела, а окружающей средой считать оставшуюся часть и все другие тела. Можно, наоборот, расширить термодинамическую систему - включить в нее, кроме первого тела, несколько других, а все прочие тела считать окружающей средой. Такое расширение или сужение круга объектов, составляющих термодинамическую систему, позволяет выяснить важные особенности рабочих тел и энергетических взаимодействий между ними. Известно, что одно и то же вещество может находиться в жидком, газообразном или твердом состоянии. При этом, естественно, различными будут и свойства этого вещества, этой термодинамической системы, например, плотность, коэффициент объемного расширения, магнитная проницаемость, скорость звука и т. д. Все эти, а также другие величины, характеризующие состояние термодинамической системы, называют термодинамическими параметрами состояния. Их очень много; традиционно выделяют

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.

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства