Сапожников С.З. Китанин Э.Л. Техническая термодинамика и теплопередача

Подождите немного. Документ загружается.

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

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................................

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.........................................................

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...............

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.............................................................

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

университета Э. О. Введенской, Р. М. Грозной, аспиранток Ю.

В. Бурцевой и Е. М. Ротинян.

С. Сапожников Э. Китанин

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.

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.

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