Колпаков Б.А., Лебедев Б.О. Техническая физика. Часть 1 - Теплофизические основы судовой энергетики
Подождите немного. Документ загружается.
Колпаков Б.А.
Лебедев Б.О.
ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
Часть 1 – Теплофизические основы
судовой энергетики
Учебное пособие
Рекомендовано УМО в качестве учебного пособия для
студентов ВУЗов, обучающихся по направлению 652900
«Кораблестроение и океанотехника» и специальности
140200 «Судовые энергетические установки»
Новосибирск , 2002
НГАВТ - Стр 1 из 239
Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта
2
УДК 621
Колпаков Б.А., Лебедев Б.О. Техническая физика. Часть 1 -
Теплофизические основы судовой энергетики. Учебное пособие для
студентов вузов, обучающихся по специальности 140200.
В Государственном стандарте высшего профессионального обра-
зования по специальности 140200 предусматривается изучение дисцип-
лины «Техническая физика», которая состоит из двух частей – теплотех-
нических основ судовой энергетики, гидродинамики и деформации
твёрдого тела. В данном учебном пособии представлен материал по
первой, наиболее объемной части дисциплины, состоящей из двух раз-
делов: «Техническая термодинамика» и «Основы теории теплообмена».
ã Колпаков Б.А., Лебедев Б.О.
НГАВТ - Стр 2 из 239
Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта
3
Содержание
Предисловие 7
Перечень сокращений, принятых в тексте 9
Условные обозначения 9
Раздел первый – Техническая термодинамика
1 Основные понятия и определения 11
1.1 Введение 11
1.2 Параметры состояния 13
1.3 Энергия 15
1.4 Работа изменения объёма 16
1.5 Теплота и теплоёмкость 17
1.6 Начальные сведения об энтропии 19
2 Законы термодинамики 21
2.1 Первый закон термодинамики 21
2.2 Начальные сведения об энтропии 25
2.2 Второй закон термодинамики 26
3 Идеальные газы 29
3.1 Законы идеальных газов 29
3.2 Смеси идеальных газов 32
3.3 Влажный воздух 34
4 Анализ политропных процессов идеальных газов 35
4.1 Особенности политропных процессов 35
4.2 Частные политропные процессы 41
4.3 Круговые диаграммы политропных процессов 46
5 Процессы течения идеальных газов 48
5.1 Преобразование энергии в потоке газа 48
5.2 О форме сопел и диффузоров 49
5.3 Истечение из суживающегося сопла 51
5.4 Сопло Лаваля 57
НГАВТ - Стр 3 из 239
Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта
4
5.5 Нерасчётные режимы истечения газа из сопел 58
5.6 Термодинамические процессы в турбине и компрессоре 60
5.7 Эжектирование 63
6 Поршневые компрессоры 67
7 Водяной пар 73
7.1 Состояния веществ и фазовые переходы 73
7.2 Свойства реальных газов 75
7.3 Диаграммы реальных газов 76
7.4 Анализ обратимых процессов с водяным паром 79
8 Преобразование теплоты в работу 85
8.1 Основные принципы преобразования теплоты в работу 85
8.2 Цикл Карно 88
8.3 Эксергия и анергия 91
8.4 Свойства обратимых и необратимых циклов 93
9 Идеальные циклы ДВС 95
10 Идеальные циклы газотурбинных двигателей 101
11 Циклы пароэнергетических установок 109
11.1 Циклы Карно для ПЭУ 109
11.2 Цикл Ренкина 111
11.3 Повышение эффективности ПЭУ 113
12 Циклы комбинированных двигателей 115
13 Циклы холодильных машин и тепловых насосов 119
13.1 Циклы холодильных машин 119
13.2 Цикл теплового насоса 122
14 Анализ необратимых процессов и циклов 124
14.1 Условия анализа 124
14.2 Частные необратимые процессы 125
14.3 Смешение газов 132
14.4 Необратимый цикл ПЭУ 134
НГАВТ - Стр 4 из 239
Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта
5
Раздел второй – Основы теории теплообмена
Введение
15 Теплопроводность 142
15.1 Закон Фурье 142
15.2 Стационарная теплопроводность плоской стенки 144
15.3 Стационарная теплопроводность
цилиндрической стенки 147
16 Конвективный теплообмен 149
16.1 Закон Ньютона-Рихмана 149
16.2 Основы теории подобия 151
17 Частные случаи конвективного теплообмена 156
17.1 Теплообмен при движении жидкости в трубах 156
17.2 Теплоотдача при поперечном обтекании
одиночной трубы 159
17.3 Теплоотдача в пучках труб 160
17.4 Теплоотдача при вынужденном движении
потока вдоль горизонтальной пластины 161
17.5 Теплоотдача при естественной конвекции 161
17.6 Теплоотдача при кипении и конденсации 163
18 Дифференциальные уравнения теплопроводности
и конвективного теплообмена 167
18.1 Дифференциальное уравнение теплопроводности 167
18.2 Распределение температур в однослойной
плоской стенки 169
18.3 Теплопроводность при нестационарном режиме 170
18.4 Дифференциальные уравнения конвективного
теплообмена 174
18.5 Условия гидродинамического подобия 175
18.6 Тепловое подобие 177
19 Теплопередача при конвективном теплообмене
19.1 Теплопередача через плоскую стенку 179
НГАВТ - Стр 5 из 239
Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта
6
19.2 Теплопередача через цилиндрическую стенку 181
19.3 Теплоизоляция труб 183
19.4 Теплопередача через ребристую стенку 185
20 Лучистый теплообмен 188
20.1 Основные понятия и законы лучистого теплообмена 188
20.2 Лучистый теплообмен между параллельными
пластинами 191
20.3 Использование экранов для защиты от теплового
излучения 193
20.4 Теплообмен излучением между телами, одно
из которых находится внутри другого 194
20.5 Излучение в поглощающей среде 195
20.6 Излучение газов 196
21 Теплообменные аппараты 198
21.1 Типы теплообменных аппаратов 198
21.2 Схемы движения теплоносителей в ТА 200
21.3 Основы расчёта теплообменников 202
21.4 Гидравлический расчёт ТА 207
Литература 209
НГАВТ - Стр 6 из 239
Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта
7
Предисловие
Судовая энергетическая установка (СЭУ) представляет собой
сложный комплекс, в состав которого входят тепловые двигатели, теп-
лообменные аппараты, устройства вентиляции и кондиционирования,
котлы, насосы, компрессоры и другое оборудование. Каждый из выше-
названных агрегатов является преобразователем (трансформатором)
энергии. Так, в тепловых двигателях происходит превращение тепловой
энергии, полученной при сжигании топлива, в механическую энергию,
которая используется для вращения главного рабочего органа - гребного
винта или ротора электрогенератора, являющихся, в свою очередь, тоже
трансформаторами энергии. В теплообменных аппаратах (охладителях
воды и масла, подогревателях топлива и пр.) энергия в форме теплоты
передаётся от одной жидкой или газообразной среды к другой. В насо-
сах и компрессорах механическая энергия движущегося ротора или
поршня преобразуется в энергию потока жидкости или газа.
Анализируя происходящие в этих механизмах и устройствах про-
цессы преобразования энергии, можно заметить, что в одних случаях
происходит трансформация одного вида энергии в другой, а в некото-
рых случаях вид энергии не изменяется, но происходит изменение вы-
ходных характеристик по отношению к входным. Преобразования энер-
гии первого рода происходят, например, в дизельном двигателе, где
теплота сгоревшего топлива преобразуется в работу. Энергетическим
преобразователем второго рода является теплообменный аппарат или
котёл, где теплота одного теплоносителя с определёнными параметрами
передаётся другому теплоносителю, но уже на иной уровень параметров
(температур, давлений). Похожие преобразования происходят в механи-
ческих редукторах, где форма энергии остаётся неизменной, но меняют-
ся параметры: крутящий момент и частота вращения.
Общим для всех вышеперечисленных примеров является то, что
любые преобразования энергии сопровождаются потерями. В природе
есть процессы, которые происходят со стопроцентным преобразованием
одной энергии в другую, все эти процессы роднит одно - вторичной
энергией в них всегда является теплота. Все виды энергии могут полно-
стью трансформироваться в теплоту. Мало того, потери энергии в лю-
бых преобразованиях есть, в конечном итоге, та же самая теплота.
НГАВТ - Стр 7 из 239
Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта
8
Следует отметить ещё одну особенность реальных процессов
трансформации энергии - в котлах, теплообменниках, механических
редукторах, электрогенераторах и электродвигателях потери могут со-
ставлять 5-10%, то есть коэффициент их полезного действия может быть
и зачастую равен 90-95%, но в самом совершенном тепловом двигателе
современности кпд не превышает 60%. В чём причина столь низкой
экономичности дизелей, паротурбинных и газотурбинных двигателей и
других преобразователей теплоты в работу? На этот и другие вопросы,
связанные с процессами трансформации энергии, будет даны ответы в
первом разделе учебного пособия, который называется “Техническая
термодинамика”.
Важное место среди физических процессов, происходящих в эле-
ментах судового оборудования, имеют процессы передачи теплоты.
Формы передачи теплоты объяснены во втором разделе курса, который
называется “Основы теории теплообмена”. Здесь изложен материал,
объясняющий методы расчёта при передаче теплоты теплопроводно-
стью, конвективном и лучистом теплообмене. Значительное место уде-
лено разъяснению сущности теории подобия для изучения теплообмен-
ных процессов.
Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся очно
или заочно по специальности 140200 (Судовые энергетические установ-
ки). Оно может быть использован студентами, обучающимися по родст-
венным специальностям, где программы курсов по тематике и объёму
близки.
НГАВТ - Стр 8 из 239
Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта
9
Перечень сокращений, принятых в тексте
СЭУ - судовая энергетическая
установка
ДВС - двигатель внутреннего
сгорания
ГТД - газотурбинный двигатель
ПЭУ - пароэнергетическая ус-
тановка
КМ - компрессор
КН - конденсатор
КС - камера сгорания
НА - нагрузочный агрегат
ПКХМ - парокомпрессорная
холодильная машина
ВХМ - воздушная холодильная
машина
ТН - тепловой насос
ТО - теплообменник
КПД - коэффициент полезного
действия
ГТ газовая турбина
ПТ - паровая турбина
ПГ - парогенератор
НС - насос
ПП - пароперегреватель
ОВ - охладитель воздуха
ДТ - детандер
ОП - охлаждаемое помещение
ДР - дроссельный клапан
ИП - испаритель
ТА - теплообменный аппарат
ГЭС - гидроэлектростанция
АЭС - атомная электростанция
ГТН - горячий теплоноситель
ХТН – холодный теплоноситель
ТЭЦ – теплоэлектроцентраль
РГ - регенератор
КР- корпус
СА – сопловый аппарат
РТ- диск ротора турбины
РЛ – лопатки ротора
Основные условные обозначения
Q - теплота, Дж
Е - энергия, Дж
L - работа , Дж
Ex - эксергия, Дж
Аn - анергия, Дж
H - энтальпия, Дж
U - внутренняя энергия, Дж
q,e,l,ex,an,h,u - удельные значения теплоты, энергии,
эксергии, анергии, энтальпии и внутренней энергии, Дж/кг
T - термодинамическая температура, К
t - температура по шкале Цельсия ,
°
С
р - давление, Па
НГАВТ - Стр 9 из 239
Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта
10
V - объём,
3
м
v - удельный объём, кгм /
3
S - энтропия, Дж/К
s - удельная энтропия, Дж/(кг К)
с - теплоёмкость массовая, Дж/(кг К)
С’- теплоёмкость объёмная, )/( КмДж ×
3
с̃ - теплоёмкость молярная, Дж/(моль· К)
R - удельная газовая постоянная, Дж/(кг· К)
F - сила, Н
r
- плотность, кг/м
3
; степень предварительного расширения
l
- теплопроводность, Вт/(м·К), степень повышения давления
α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м
2
К)
к – коэффициент теплопередачи, Вт/(м
2
К)
к
l
– линейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м·К)
А - площадь,
2
м
m - масса, кг; коэффициент эжекции
g - ускорение свободного падения,
2
cм /
r - удельная теплота парообразования, Дж/кг
w – скорость, м/с
а - скорость звука, м/с; температуропроводность, м
2
/с
e
- степень сжатия
ν - вязкость кинематическая, м
2
/с
b
- степень повышения давления в компрессоре,
отношение давлений
t
h
- термический коэффициент полезного действия
s
- отопительный коэффициент, степень регенерации
k - показатель адиабаты
п – показатель политропы
НГАВТ - Стр 10 из 239
Новосибирская Государственная Академия Водного Транспорта