Каримов З.Ф., Павлов Е.П. Теоретические основы теплотехники. Термодинамика

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра теплотехники и теплоэнергетики

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

ТЕПЛОТЕХНИКИ. ТЕРМОДИНАМИКА

УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Энергетический институт

Специальности:

140101.65 – тепловые электрические станции

140104.65 – промышленная теплоэнергетика

Направление подготовки бакалавра

140100.65 – теплоэнергетика

Санкт – Петербург

Издательство СЗТУ

2009

Утверждено редакционно-издательским советом университета

УДК 536(076)

Теоретические основы теплотехники. Термодинамика: учебно-

методический комплекс/ сост. З.Ф.Каримов, Е.П.Павлов. – СПб.: Изд-во СЗТУ,

2009- 261 с.

Учебно-методический комплекс разработан в соответствии с государст-

венными образовательными стандартами высшего профессионального образо-

вания.

В дисциплине рассматриваются основные законы преобразования тепло-

ты в механическую работу, использование этих законов в термодинамических

циклах поршневых двигателей внутреннего сгорания, газотурбинных и паро-

турбинных установках, а также в циклах холодильных установок и теплового

насоса. Изучаются основные понятия химической термодинамики.

Издательством осуществлено литературное и техническое редактирова-

ние рукописи.

Рассмотрено на заседании кафедры теплотехники и теплоэнергетики

18.06.2008г., одобрено методической комиссией энергетического института

20.06.2008г.

Рецензенты: кафедра промышленной теплоэнергетики Санкт-

Петербургского технологического университета растительных полимеров (зав.

кафедрой А.П. Бельский, д-р техн. наук, проф.); Лабейш В.Г., д-р техн. наук,

проф.

Составители: З. Ф. Каримов, д-р техн. наук, проф.,

Е. П. Павлов, канд. техн. наук, доц.

1. ИНФОРМАЦИЯ О ДИСЦИПЛИНЕ «ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНО-

ВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ. ТЕРМОДИНАМИКА»*

1.1. ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Теоретические основы теплотехники. Термодинамика» изу-

чается студентами специальностей: 140101.65 и 140104.65 всех форм обучения

в двух семестрах. Эта дисциплина включает в себя шесть разделов: Основные

законы термодинамики; Реальные газы. Водяной пар; Компрессоры. Циклы те-

пловых двигателей; Циклы паротурбинных установок; Циклы холодильных и

теплонасосных установок; Элементы химической термодинамики. При изуче-

нии дисциплины предусмотрены: для очно - заочной формы обучения – 44 часа

лекций, 16 часов практических занятий и 20 часов лабораторных работ, для за-

очной формы обучения – 16 часов лекций, 4 часа практических занятий и 12 ча-

сов лабораторных работ. А также шесть тестов – по одному тесту в каждом

разделе и три контрольные работы – две работы в первом семестре и одна рабо-

та во втором семестре.

Целью изучения дисциплины является изучение фундаментальных зако-

нов получения теплоты и её превращение в механическую работу в различных

теплоэнергетических установках.

Задачи изучения дисциплины – приобретение навыков анализа термоди-

намических систем и с помощью математического аппарата термодинамики

разрабатывать новые и совершенствовать существующие системы энергоснаб-

жения.

В результате изучения дисциплины студент должен овладеть основами

знаний, формируемых на нескольких уровнях:

Иметь представление:

- о целях теоретических основ технической термодинамики;

- об областях применения и перспективах развития теории и практики тех-

нической термодинамики.

Знать:

- термодинамическую терминологию, законы получения и преобразования

тепловой энергии;

- методы анализа эффективности использования теплоты;

- методы производства и сбережения теплоты;

Уметь:

- производить термодинамические расчеты тепловых процессов промыш-

ленных энергетических установок и устройств;

- определять значение термодинамических характеристик процессов с одно-

фазными и двухфазными рабочими телами постоянного и переменного состава;

Владеть:

- навыками использования вычислительной техники и программного обес-

печения в решении теоретических и прикладных задач технической термоди-

намики.

* - далее в тексте “Термодинамика”.

Место дисциплины в учебном процессе: Дисциплина «Термодинамика»

базируется на знаниях в области физики, математики, гидрогазодинамики и хи-

мии. Знания, полученные при изучении технической термодинамики, исполь-

зуются при изучении всех прикладных теплотехнических дисциплин, а также

при курсовом и дипломном проектировании.

1.2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ

1.2.1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ ПО ГОС

ОПД.Ф.09 Первый закон термодинамики; второй закон термодинамики; ре-

альные газы; водяной пар; термодинамические свойства реальных

газов; фазовая pv - диаграмма; таблицы термодинамических

свойств веществ; истечения из сопел; дросселирование; циклы па-

ротурбинных установок, тепловой и энергетический балансы паро-

турбинной установки; газовые циклы; схемы, циклы и термический

КПД тепловых двигателей и холодильных установок; энергетиче-

ский анализ циклов; основы химической термодинамики; основы

термодинамики необратимых процессов.

1.2.2. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ

Всего часов

Форма обучения

Очно-заочная Заочная

Вид учебной работы

5-й

семестр

6-й

семестр

5-й

семестр

6-й

семестр

Общая трудоемкость дисциплины 240

Работа под руководством преподавателя

(включая ДОТ)

107

45 99

В т.ч.: аудиторные занятия:

лекции

практические занятия (ПЗ)

лабораторный работы (ЛР)

Самостоятельная работа студентов 25 71 30 66

Промежуточный контроль, количество

В т.ч.: контрольная работа (реферат)

Вид итогового контроля (зачет, экзамен) Зачет Экзамен Зачет Экзамен

1.2.3. ПЕРЕЧЕНЬ ВИДОВ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ

Контрольные работы – 3 работы для всех форм обучения.

Практические занятия – для очно – заочной формы – 12 часов,

для заочной формы – 4 часа.

Лабораторные работы – для очно - заочной формы – 20 часов,

для заочной формы – 12 часов.

Тесты (по разделам дисциплины: тренировочные и контрольные) – для

очно – заочной формы – 5, для заочной формы – 5.

Экзамен (зачет) – в пятом семестре – зачет и в шестом семестре - экзамен

для всех форм обучения.

2. РАБОЧИЕ УЧЕБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

2.1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

(объем дисциплины 240 часов)

ВВЕДЕНИЕ (1 час)

[1], с. 3…5; [2], с. 5…7

История развития энергетики в России. Современное состояние тепло-

энергетики. Техническая термодинамика как теоретическая основа теплоэнер-

гетики.

Раздел 1. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ

ТЕРМОДИНАМИКИ (50 часов)

1.1. ТЕРМОДИНАМИКА ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА

[1], с. 6…22; [2], с. 8…16; 22…39

Уравнение состояния идеального газа. Универсальная газовая постоян-

ная. Удельная газовая постоянная. Нормальные физические условия. Молеку-

лярно - кинетическая теория теплоемкости. Элементы квантовой теории тепло-

емкости. Истинная и средняя теплоемкости. Свойства теплоемкостей идеально-

го газа. Связь между изохорной и изобарной теплоемкостями идеального газа

(закон Майера). Эмпирические формулы для теплоемкостей идеального газа.

Таблицы значений истинной и средней теплоемкостей идеального газа. Свойст-

ва внутренней энергии и энтальпии идеального газа. Энтропия как функция со-

стояния. Таблицы термодинамических свойств идеальных газов. Изохорный,

изобарный, изотермический и адиабатный процессы с идеальным газом. По-

литропные процессы и их анализ. Расчет количества теплоты и изменения тем-

пературы по таблицам значений энтальпии и внутренней энергии идеального

газа. Смеси идеальных газов. Закон Дальтона. Теплоемкость газовых смесей.

1.2. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

[1], с. 25…41; [2], с. 17…22, 32 – 51

Термодинамическая система и окружающая среда. Изолированная и не-

изолированная термодинамические системы. Параметры состояния. Уравнение

состояния. Термодинамическая поверхность. Термодинамический процесс.

Равновесные и неравновесные процессы (взаимодействия). Теплота и работа

как функции процесса. Внутренняя энергия и энтальпия как функции состояния

термодинамической системы (рабочего тела). Закон сохранения и превращения

энергии. Первый закон термодинамики. Различные аналитические выражения

первого закона термодинамики. Краткая история открытия первого закона тер-

модинамики.

1.3. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

[1], с. 46…98; [2], с. 51 - 82

Прямые и обратные циклы. Термический КПД, коэффициент трансфор-

мации теплоты, холодильный коэффициент. Цикл Карно и его термический

КПД. Теорема Карно. Регенеративный цикл. Влияние необратимости на про-

цесс преобразования теплоты в работу.

Второй закон термодинамики. Аналитическое выражение второго закона

термодинамики для обратимых и необратимых процессов. Необратимый адиа-

батный процесс. Эксергия как мера работоспособности. Эксергия теплоты. По-

тери эксергии в необратимых процессах. Эксергетический КПД. Статистиче-

ское истолкование второго закона термодинамики. Энтропия и вероятность.

Пределы применимости второго закона термодинамики.

Изменение энтропии идеального газа. Тs - диаграмма идеального газа и ее

свойства; hs - диаграмма идеального газа. Таблицы энтропии идеальных газов.

Термодинамическая шкала температур. Абсолютный нуль температуры.

Раздел 2. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ.

ВОДЯНОЙ ПАР (40 часов)

2.1.СВОЙСТВА И ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ

РЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ

[1], с. 120…150; 154…197; [2], с. 83 – 88, 92…102

Термодинамические свойства реальных веществ. Фазовая pv - диаграмма.

Уравнение Ван - Дер - Ваальса. Критические параметры веществ. Принцип со-

ответственных состояний. Термодинамическое подобие. рv - р - диаграмма. Ко-

эффициент сжимаемости. Условия равновесия при фазовом переходе. Правило

фаз Гиббса. Парообразование и конденсация. Зависимость давления насыщен-

ного пара от температуры. Теплота фазового перехода. Плавление. Сублима-

ция. Уравнение Клапейрона - Клаузиуса. Фазовая рT - диаграмма. Тройная точ-

ка. Аномалии воды.

2.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПРОЦЕССЫ ВОДЯНОГО ПАРА

[1], с. 164…206; 214…230; [2], с. 103…109;112…126

Степень сухости. Удельный объем, энтальпия и энтропия жидкости,

влажного, сухого насыщенного и перегретого пара. Сверхкритическая область

состояний пара. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара в

состоянии насыщения. Таблицы термодинамических свойств воды и перегрето-

го водяного пара. Фазовая Ts - диаграмма для паров; hs - диаграмма для всех

фаз веществ; фазовая hs - диаграмма для водяного пара.

Расчет изохорного, изобарного, изотермического и адиабатного (изоэн-

тропного) процессов для реальных веществ по таблицам и диаграммам. Урав-

нения состояния реальных газов. Теория ассоциации молекул и уравнение со-

стояния водяного пара. Определение калорических функций газов по уравне-

нию состояния. Зависимость изобарной теплоемкости газов от давления. Равно-

весие фаз при криволинейной поверхности раздела.

2.3. ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ

[1], с. 459…468; [2], с. 126…138

Влагосодержание влажного воздуха. Абсолютная и относительная влаж-

ность. Точка росы. Газовая постоянная и плотность влажного воздуха. Энталь-

пия влажного воздуха, hd - диаграмма для влажного воздуха. Температура мок-

рого термометра. Измерение относительной влажности и точки росы с помо-

щью психрометра и гигрометра.

2.4. ТЕРМОДИНАМИКА ГАЗОВОГО ПОТОКА.

ИСТЕЧЕНИЕ ГАЗОВ ЧЕРЕЗ СОПЛО

[1], с. 269…297; [2], с. 139…174

Уравнение первого закона термодинамики для потока. Уравнение нераз-

рывности потока. Уравнение механической энергии для потока (уравнение Бер-

нулли). Располагаемая работа. Адиабатные течения. Параметры полного адиа-

батного торможения потока. Сопло и диффузор. Скорость истечения газа (пара)

из сужающегося сопла. Расход газа (пара) при истечении из сужающегося со-

пла. Максимальный расход и критическая скорость истечения. Критическое от-

ношение давлений. Скорость звука. Зависимость скорости и расхода от отно-

шения давлений. Условия перехода скорости потока через скорость звука. Ком-

бинированное сопло Лаваля. Расчет скорости истечения водяного пара по изме-

нению энтальпии. Истечение с учетом необратимости. Коэффициент скорости и

расхода. Принцип обращения воздействия. Понятие о тепловом, механическом

и расходном соплах. Течение с трением. Течение по длинным трубам. Смеше-

ние потоков газа.

2.5. РАСЧЕТ ПРОЦЕССОВ ДРОССЕЛИРОВАНИЯ

[1], с. 236…251

Дросселирование. Уравнение процесса. Условное изображение процесса

дросселирования на hs - диаграмме. Потеря эксергии при дросселировании. Из-

менение параметров при дросселировании. Дифференциальный адиабатный

дроссель - эффект. Температура инверсии. Кривая инверсии. Использование

процесса дросселирования в технике.

Раздел 3.КОМПРЕССОРЫ.

ЦИКЛЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

(50 часов)

3.1. ВИДЫ КОМПРЕССОРОВ

И ПРОЦЕССЫ В КОМПРЕССОРЕ

[1], с. 257…269; [2], с. 174…183

Компрессоры. Виды и назначение компрессоров. Работа, затрачиваемая

на привод одноступенчатого поршневого компрессора. Изотермическое, адиа-

батное и политропное сжатие. Вредное пространство. Преимущества многосту-

пенчатого сжатия. Оптимальное распределение перепада давления по ступеням

многоступенчатого компрессора. Теоретическая и индикаторная диаграммы

компрессора и их изображение в координатах р, v и T, s. Отводимая теплота.

Необратимое адиабатное сжатие в компрессоре. Центробежные компрессоры.

3.2. ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДВС)

[1], с. 319…330; [2], с. 183…192

Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Индикаторная диаграм-

ма и идеальный цикл ДВС. Цикл с изохорным подводом теплоты (цикл Отто).

Цикл с изобарным подводом теплоты (цикл Дизеля). Цикл со смешанным под-

водом теплоты (цикл Тринклера). Сравнение термических КПД циклов ДВС.

Термодинамический анализ КПД циклов по средним температурам подвода и

отвода теплоты. Удельный расход топлива.

3.3. ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ

УСТАНОВОК (ГТУ)

[1], с. 330…346; [2], с. 192…204

Циклы газотурбинных установок (ГТУ). Принципиальная схема и цикл

ГТУ с изобарным подводом теплоты. Термический КПД цикла. Методы повы-

шения термического КПД ГТУ. Отношение работы, затрачиваемой на привод

компрессора, к работе турбины. Регенерация теплоты в цикле ГТУ. Многосту-

пенчатое сжатие в компрессоре и ступенчатый подвод теплоты. Замкнутые

схемы ГТУ. Рабочие тела замкнутых схем. Цикл ГТУ с изохорным подводом

теплоты.

3.4. ЦИКЛЫ РЕАКТИВНОГО

И РАКЕТНОГО ДВИГАТЕЛЕЙ

[1], с. 346…356; [2], с. 200…204

Циклы реактивных двигателей. Схема, цикл и термический КПД прямо-

точного и турбореактивного двигателей. Схема и цикл ракетного двигателя.

РАЗДЕЛ 4. ЦИКЛЫ ПАРОТУРБИНННЫХ

УСТАНОВОК (ПТУ)

(60 часов)

4.1. ИДЕАЛЬНЫЕ И ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЕ ЦИКЛЫ ПТУ

[1], с. 303…312; 356…359; [2], с. 207…215

Принципиальная схема паротурбинной установки (ПТУ). Идеальный

цикл ПТУ (цикл Ренкина) в координатах р, v; Т, s и h, s. Работа турбины. Рабо-

та, затрачиваемая на привод питательного насоса. Термический КПД цикла

ПТУ. Расчет термического КПД цикла по таблицам термодинамических

свойств водяного пара и по hs - диаграмме. Нецелесообразность практической

реализации цикла Карно в области влажного насыщенного пара. Методы по-

вышения термического КПД ПТУ. Влияние начальных и конечных параметров

пара на термический КПД цикла. Применение пара высоких параметров. Дей-

ствительный цикл с необратимым адиабатным расширением пара в турбине.

Абсолютный эффективный КПД ПТУ. Удельные расходы пара и топлива.

4.2. ЦИКЛЫ ПТУ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ПЕРЕГРЕВОМ И РЕГЕНЕ-

РАТИВНЫМ ОТБОРОМ ПАРА

[1], с. 367..395; [2], с. 216…220

Промежуточный (вторичный) перегрев пара. Причины применения про-

межуточного перегрева пара. Принципиальная схема установки с промежуточ-

ным перегревом. Цикл ПТУ с промежуточным перегревом пара. Циклы ПТУ со

сверхкритическими параметрами водяного пара. Циклы ПТУ с двумя промежу-

точными перегревами пара.

Регенеративные циклы. Регенеративный подогрев питательной воды.

Предельная регенерация. Схема установки с регенеративными отборами пара.

Смешивающие и поверхностные подогреватели питательной воды. Изображе-

ние регенеративных циклов в координатах T, s.

Термический КПД регенератив-

ного цикла. Влияние числа отборов на КПД регенеративного цикла.

4.3. ЦИКЛЫ ПАРОГАЗОВОЙ И АТОМНОЙ УСТАНОВОК

[1], с. 395…402; [2], с. 221…235

Комбинированные циклы. Преимущества и недостатки водяного пара как

рабочего тела. Принципиальная схема бинарной ПТУ. Термический КПД паро-

газовых циклов. Термодинамические циклы атомных электростанций. Термо-

динамические основы теплофикации. Экономия топлива в теплофикационных

установках. Установки с противодавленческими турбинами, турбинами с регу-

лируемым теплофикационным отбором пара.

4.4. ЦИКЛЫ И УСТРОЙСТВА

ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

ТЕПЛОТЫ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЮ

[1], с. 402…426; [2], с. 235…243

Методы непосредственного преобразования теплоты в электроэнергию.

Схема, цикл и КПД магнитогидродинамической установки (МГДУ). Термо-

электрические и термоэмиссионные преобразователи. Термодинамические ос-

новы преобразования энергии в топливных элементах.