Методические указания по изучению дисциплины Теплотехника и задания для контрольных работ для студентов заочного отделения по специальности 15.02.01 Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования

Опыт показывает, что если на пути потока встречается местное противление в виде суженного сечения, то в процессе течения потока давление рабочего тела понижается. Процесс, проходящий при движении потока через местное сопротивление в канале, связанный с падением давления в направлении течения, называется дросселированием. Дросселирование протекает без подвода (отво­да) теплоты извне и без совершения внешней работы. Этот процесс необратим и сопровождается возрастанием энтропии.

Так как массовый расход в каждом сечении канала не изменяется, а площади проходного сечения до сужения и после него равны, то скорости течения изменяются незначительно. Поэтому можно принять, что при адиабатном дросселировании газа или пара, энтальпия его до и после дросселирования имеет одно и то же значение.

У реальных газов и паров в процессе дросселирования темпе­ратура изменяется в зависимости от изменения давления. Явление изменения температуры рабочего тела в результате адиабатного дросселирования называют эффектом Джоуля-Томсона.

Температура, соответствующая состоянию рабочего тела, при котором она (температура) в процессе адиабатного дроссели­рования не изменяется, называется температурой инверсии. Поскольку про­цесс дросселирования необратим, его можно изображать в Ts и hs- координатах лишь условно. Чаще всего пользуются анализом про­цесса дросселирования на hs - диаграмме. При дросселировании температура пара понижается, влажный пар подсушивается и становится перегретым. Описанный процесс справедлив для паров низкого и среднего давления, но именно такой пар находит при­менение в сельскохозяйственном производстве.

При дросселировании давление рабочего тела падает, и поэ­тому этот процесс приводит на практике к невозобновляемым потерям (потери давления в процессе наполнения цилиндров двигателя при впуске пара в ротор турбины, потеря в газо- и паропроводах и т. д.). В то же время особенности процесса дросселирования используются при решении многих технических задач. Приведем ряд примеров. При регулировании работы паро­силовых установок пар дросселируют. Так как при этом распола­гаемый теплоперепад уменьшаегся, то это приводит к уменьшению технической работы двигателя. Дроссельный способ регулирова­ния используют в карбюраторных двигателях внутреннего сгора­ния. Поскольку при дросселировании температура рабочего тела уменьшается (при условии, что дроссель-эффект положителен), то этот процесс находит применение в холодильной технике.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется открытой системой?

2. Что такое сопло Лаваля?

3. Что называется процессом дросселирования?

4. Что такое температура инверсии?

5. Что называется эффектом Джоуля – Томпсона?

В современной стационарной теплоэнергетике в основном ис­пользуются паровые теплосиловые установки. На долю паротур­бинных электростанций приходится более 80% вырабатываемой электроэнергии. В паровых теплосиловых установках в качестве рабочего тела, как правило, используется водяной пар, что объясняется доступностью и дешевизной воды.

Схема паросиловой установки следующая. Из парового котла ПК перегретый пар с параметрами p₁, T₁, h₁ поступает в паровую турбину Г. При расширении в сопловом аппарате пар приобретает значительную кинетическую энергию, которая в роторе турбины превращается в техническую работу. Механическая энергия турбины превращается в электрогенераторе ЭГ в электрическую энергию. После турбины пар с давлением p₂ и энтальпией h₂ поступает в конденсатор К, представляющий собой

теплообменник, в трубах которого циркулирует вода для охлаждения пара. В конденсатор отводится теплота, в результате чего пар конденсируется. Конденсат подается насосом И в котел, и цикл повторяется вновь. Таким образом, характерная особенность паросиловых установок – фазовое превращение рабочего тела в цикле.

Холодильные установки служат для искусственного охлаж­дения тел ниже окружающей среды. Рабочее тело в холодильных машинах совершает обратный круговой процесс, в котором в противоположность прямому циклу затрачивается работа извне и отнимается теплота от охлаждаемого тела.

Идеальным циклом холодильных машин является обратный цикл Карно. В результате осуществления этого цикла затрачи­вается работа и тепло от холодного тела переносится к более нагретому телу.

Отношение отведенной от охлаждаемого тела теплоты q₀ (произведенного холода) к затраченной работе q-q₀ носит название холодильного коэффициента и является характеристикой эконо­мичности холодильной машины. Количество теплоты, отводимой от охлаждаемого тела за единицу времени (за час), называется холодильной мощностью холодильной установки.

В качестве рабочих тел(холодильных агентов) применяют воздух и жидкости с низкими температурами кипения: аммиак, углекислоту, сернистый ангидрид и фреоны.

В некоторых случаях для повышения давления рабочего тела в цикле холодильной установки целесообразно расходовать не меха­ническую энергию, а теплоту, например пара, электронагревателя, солнечного излучения. В таких холодильных установках в качестве рабочего тела используется бинарная смесь веществ, имеющих разную температуру кипения при одном и том же давлении. Одно из веществ, имеющее более низкую температуру кипения, является хладагентом, а другое – абсорбентом. Обычно в качестве хлада­гента используется аммиак, а в качестве абсорбента – вода.

В абсорбционной холодильной установке вместо сжатия хладагента в компрессоре происходит процесс десорбции, т. е. выделения из раствора при постоянном избыточном давлении хладагента (аммиака) за счет подводимой теплоты q₁.

Отношение теплоты q₂, отнятой от охлаждаемого вещества в испарителе к затраченной теплоте q₁, называется коэффициентом теплоиспользования или тепловым коэффициентом абсорбционной холодильной установки.

Абсорбционные холодильные установки имеют сравнительно низкую термодинамическую эффективность, но вследствие простоты устройства (отсутствие компрессора) и надежности в эксплуатации нашли широкое распространение. Особенно перспективны гелио­абсорбционные холодильные машины, работающие за счет даровой солнечной энергии.

Устройства, предназначенные для передачи теплоты от одних тел к другим, имеющим разные температуры, называются термо­трансформаторами. Термотрансформаторы, служащие для передачи теплоты от тел с более низкой температурой к телам с более высокой температурой, называются повышающими. К ним отно­сятся тепловые насосы, которые осуществляют передачу теплоты из окружающей среды к объекту с более высокой температурой. Источником теплоты низкой температуры для теплового насоса могут служить внешняя атмосфера, вода водоемов или термальных вод, теплота земли (геотермальные источники), а также охлажда­ющая вода конденсаторов турбин или компрессоров, выпускные газы двигателей внутреннего сгорания, воздух, удаляемый из помещений фермы, и т.д. Теплоприемником может быть система отопления помещений или различные технологические процессы.

Тепловой насос - это холодильная установка, работающая в иных пределах температур. Так, если для холодильных установок теплоприемник – окружающая среда, то для теплового насоса она служит источником теплоты. Поэтому цикл теплового насоса в принципе не отличается от цикла холодильных машин.

Эффективность теплового насоса оценивают коэффициен­там преобразования, представляющим собой отношение коли­чества теплоты, сообщенной нагреваемому объекту, к затра­ченной работе.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется циклом паросиловой установки?

2. Что называется циклом холодильной установки?

3. Что называется циклом теплового насоса?

4. Что называется коэффициентом использования?

5. Что называется коэффициентом преобразования?

Самопроизвольный необратимый процесс переноса теплоты в пространстве с неоднородным распределением температуры назы­вается теплообменом.

Теплообмен в общем случае может осуществляться тремя различными способами: теплопроводностью (кондуктивный тепло­обмен), конвекцией и тепловым излучением (радиацией). Сово­купность трех перечисленных выше способов теплообмена называ­ется сложным теплообменом.

Массообменом называют самопроизвольный необратимый процесс переноса массы данного компонента в пространстве с неоднородным полем химического потенциала этого компонента (в простейшем случае с неоднородным полем концентрации или парциального давления этого компонента).

Аналогично переносу теплоты теплопроводностью и конвек­тивной теплоотдачей, различают массопроводность – молекулярную диффузию и конвективную массоотдачу – конвективную диффузию.

Перенос теплоты часто сопровождается переносом массы вещества и наоборот; поэтому закономерности этих двух явлений в последнее время рассматривают совместно как теорию тепломас­сообмена. Однако, поскольку с массообменом в чистом виде на практике приходится встречаться гораздо реже, чем с тепло­обменом, основное внимание обычно уделяется последнему.

Исследование многочисленных энергетических процессов связа­но с решением задач переноса теплоты, электричества и вещества. Перенос этих субстанций в твердых телах вне связи их друг с другом подчиняется условно принятым линейным зависимостям, например:

– перенос теплоты – закону Фурье: удельный тепловой поток пропорционален температурному градиенту;

– перенос электричества в металлах – закону Ома: удельный поток электричества пропорционален градиенту электрического потенциала;

– молекулярный перенос вещества – закону Фика: удельный поток вещества пропорционален градиенту концентрации (или разности диффузионных - химических потенциалов).

Перенос энергии и вещества осуществляется одним или нес­колькими материальными носителями. Носителями теплоты могут быть любые вещественные системы: атомы, молекулы, молекуляр­ные комплексы, вихревые образования, гидродинамические потоки, а также кванты акустического (фононы) и электромагнитного (фо­тоны) излучений.

Перенос электричества в металлах осуществляется свобод­ными электронами; в ионных проводниках – ионами; в полу­проводниках – электронами и дырками.

В переносе вещества также участвуют разные носители. Например, при диффузии водяного пара в газообразной среде перенос происходит с помощью отдельных молекул или молекулярных комплексов, или вихрей, или гидродинамического потока.

Любой вид переноса характеризуется одинаковыми поняти­ями: полем, потоком, сопротивлением и т.д.

В общем случае потенциал является функцией координат пространства и времени. Совокупность значений потенциала в данный момент времени для всех точек пространства называют потенциальным полем. Например, если потенциалом является температура, то поле называется температурным.

Если потенциал меняется во времени, то поле называется нестационарным (или неустановившимся); в противном случае – стационарным. Стационарное поле может быть трехмерным, дву­мерным и одномерным. Наиболее простой вид имеют уравнения одномерных стационарных полей.

Соответствующие полю режимы – установившиеся и неуста­новившиеся.

Различают также однородные и неоднородные поля. В первом случае потенциал во всех точках поля в каждый момент времени один и тот же, во втором – нет.

Геометрическое место точек, имеющих одинаковый потен­циал, образует изопотенциальную поверхность. В температурном поле точки с одинаковым значением температуры образуют изо­термическую поверхность. В неоднородном температурном поле возникает перенос теплоты по описанным выше механизмам.

Количество теплоты, проходящее в единицу времени через произвольную поверхность, называется тепловым потоком Ф, Вт. Тепловой поток, равномерно распределенный на единице площади поверхности, называется плотностью теплового потока. Различают местную (локальную) и среднюю по поверхности плотность теп­лового потока.

Тепловой поток и плотность его могут быть выражены как в векторной, так и в скалярной форме. Под вектором плотности теплового потока понимают вектор, проекция которого на произ­вольное направление есть местная плотность теплового потока, проходящего через площадку, перпендикулярную к выбранному направлению.

Распространение теплоты может происходить в какой-либо среде (твердой, жидкой, газообразной) или в вакууме (излуче­нием). Различают следующие среды: сплошные, однофазные, мно­гофазные:

– сплошная среда – это среда, которую можно рассматривать как континуум, пренебрегая ее дискретным строением;

– однофазная среда – это сплошная одно- или многокомпо­нентная среда, свойства которой в пространстве могут изменяться только непрерывно;

– многофазная среда – сплошная одно- или многокомпонентная среда, состоящая из ряда однофазных частей, на границах которых физические свойства изменяются скачкообразно.

Для выражения интенсивности массообмена используют поня­тия потока массы и плотности потока массы.

Под потоком массы данного компонента смеси понимают его массу, проходящую в единицу времени через произвольную поверхность. Если масса вещества выражена в кг, а время в с, то поток массы имеет размерность кг/с.

Поток массы, отнесенный к единице площади поверхности, называют плотностью потока массы кг/(м²·с). Поток массы и плотность потока массы могут быть выражены как в скалярной, так и в векторной форме.

Основной закон теплопроводности устанавливает количест­венную взаимосвязь между тепловым потоком, вызванным тепло­проводностью, и температурными неоднородностями в среде.

Основной закон теплопроводности: плотность теплового по­тока прямо пропорциональна градиенту температуры (градиент – вектор, показывающий направление наискорейшего возрастания некоторой функции на единицу длины).

Анализируя уравнение теплопроводности, можно установить физический смысл теплопроводности: теплопроводность – это количество теплоты, проходящее в единицу времени через единицу изотермической поверхности при градиенте температуры, равном единице.

Перенос вещества в смеси, обусловленный тепловым движе­нием микрочастиц (например, молекул), называется молекулярной диффузией. Она может происходить в твердых, жидких и газо­образных средах.

Молекулярную диффузию, вызываемую неоднородным распре­делением концентраций компонентов в смеси, называют концентра­ционной диффузией. Концентрационная диффузия описывается обычно на основе закона, согласно которому плотность потока массы диффундирующего компонента прямо пропорциональна градиенту его концентрации.

Для одномерного случая (перенос вещества вдоль только одной координаты) закон концентрационной диффузии был впер­вые установлен Фиком и поэтому носит его имя. Для трехмерного случая – закон Нернста.

Стационарный (установившийся) режим теплопроводности наиболее часто встречается в производстве (теплопотери через ограждающие конструкции помещений, теплопотери через стенки и теплоизоляцию теплообменных аппаратов и т.д.).

Рассмотрим процесс теплопроводности соответственно в плос­кой и цилиндрической стенке при условии, что температура на поверхности стенки поддерживается постоянной.

Плоская стенка. Допустим, что тепловой поток распростра­няется только в направлении координаты х, а теплопроводность не зависит от температуры.

В стационарном режиме тепловой поток и температура поверх­ности стенок постоянны.

Из анализа уравнения видно, что в стационарном режиме теп­ловой поток через плоскую стенку прямо пропорционален разности температур поверхностей стенки и обратно пропорционален тол­щине стенки.

Величина, численно равная отношению разности температур между двумя изотермическими поверхностями поверхности тела к плотности теплового потока в какой-либо точке на одной из этих поверхностей, называется внутренним термическим сопротивле­нием. Распределение температуры в плоской стенке, следует линейному закону.

Термическое сопротивление плоской многослойной стенки равно сумме термических сопротивлений составляющих ее слоев. В пределах каждого слоя наблюдается линейное распределение температуры, а при переходе от слоя к слою угловой коэффициент меняется вследствие изменения теплопроводности.

Цилиндрическая оболочка. Подвод теплоносителя к потре­бителю обычно осуществляется по трубам, а сами трубы имеют цилиндрический корпус. Рассмотрим цилиндрическую трубу с внутренним диаметром d₁ и наружным d₂. В рассматриваемом случае температура изменяется только вдоль радиуса, и поэтому в цилиндрических координатах эта задача одномерна.

Из уравнения следует, что так же, как и для плоской стенки, тепловой поток через цилиндрическую оболочку прямо пропор­ционален разности температур поверхности стенки. Поэтому при стационарной теплопроводности в цилиндрической оболочке распре­деление температуры подчиняется логарифмическому закону.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется массообменом?

2. Что такое потенциальное поле?

3. Что называется тепловым потоком?

4. Чем измеряется плотность теплового потока?

5. Что называется внутренним термическим сопротивлением?

В промышленности широко применяются различные тепло­обменные устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой (обогрев зданий и сооружений с помощью отопительных приборов, нагрев молока при его пастеризации, нагрев воды и генерация пара в котельных установках, нагрев воздуха в калориферах и т.д.). В этих устройствах, как правило, происходит теплообмен между движущимися средами через поверхность раздела фаз или разделяющую их стенку.

Движущаяся среда, используемая для переноса теплоты, назы­вается теплоносителем.

Конвективный теплообмен между движущейся средой и поверх­ностью раздела с другой средой – твердым телом (например, стенкой), жидкостью или газом - называется теплоотдачей.

Поверхность раздела, через которую происходит перенос теплоты, носит название поверхности теплообмена или тепло­отдающей поверхности.

Интенсивность теплоотдачи в большинстве случаев зависит от скорости движения теплоносителя относительно поверхности тепло­обмена. Движение может быть свободным или вынужденным.

Свободная конвекция жидкости на практике часто происходит за счет разности плотностей нагретых и холодных частиц жид­кости, находящихся в поле гравитационных сил (гравитационная свободная конвекция), а вынужденная конвекция – в результате действия насоса или вентилятора.

В движущейся среде масса переносится одновременно конвекцией (за счет движения самой среды) и диффузией. Массо­обмен, обусловленный совместным действием конвективного переноса вещества и молекулярной диффузии, носит название конвективного массообмена.

В практических задачах большое значение имеет конвективный массообмен между жидкой или твердой поверхностью и окружающей средой. По аналогии с теплоотдачей конвективный массообмен между движущейся средой и поверхностью раздела с другой средой (твер­дым телом, жидкостью или газом) называют массоотдачей.

Для количественного описания теплоотдачи широко исполь­зуется закон теплоотдачи – плотность теплового потока, пере­носимого путем конвекции от поверхности теплообмена в среду (или, наоборот, из среды к поверхности теплообмена), пропор­циональна разности температур поверхности теплообмена t_c и среды t_ж, взятой по абсолютной величине.

Различают местный (локальный) коэффициент теплообмена, который относиться к рассматриваемой точке поверхности тепло­обмена, и средний коэффициент теплообмена, равный всему тепловому потоку Ф (Вт) через поверхность теплообмена А (м²), деленному на средний температурный напор t_cр и площадь поверх­ности теплообмена.

Коэффициент теплообмена – важный теплофизический параметр, необходимый для расчета тепло обменного аппарата. В общем случае он зависит от физических свойств жидкости, конфигурации и раз­меров поверхности теплообмена и от условий обтекания ее жидкос­тью. Коэффициент теплообмена – это расчетная величина, находимая обычно из уравнений, полученных экспериментально.

Для количественного описания массоотдачи используется за­кон массоотдачи (закон Щукарева).

Уравнение массоотдачи является аналогом уравнения теплоотдачи.

Градиент концентрации в диффузионном слое может быть направлен как к поверхности массообмена (сушка, сублимация, испарение со свободной поверхности жидкости, десорбция, раство­рение), так и от нее (конденсация, абсорбция (поглощение газов и паров жидкостями), адсорбция, десублимация). В совместно проте­кающих процессах тепло- и массоотдачи он может либо совпадать по направлению с градиентом температуры в тепловом пограничном слое (конденсация), либо нет (испарение со свободной поверхности жидкости, конвективная сушка).

В процессах испарения со свободной поверхности, сушки, сублимации и конденсации пара из парогазовой смеси, поверх­ность массообмена является полупроницаемой, т. е. проницаемой для пара и непроницаемой для газа. Диффузия пара через погра­ничный слой вызывает встречную диффузию газа (взаимодиф­фузия). Поскольку общее давление парогазовой смеси в погранич­ном слое постоянно, то перемещение газа к поверхности массо­обмена (при испарении, сушке, сублимации) или от нее (конденса­ция, десублимация) должно компенсироваться общим конвектив­ным потоком парогазовой смеси.

Основные положения теории подобия формулируются в виде трех теорем. Первая и вторая теоремы подобия формулируют основные свойства подобных между собой явлений, третья уста­навливает признаки, по которым можно определить, подобны ли рассматриваемые явления.

Сущность теорем подобия:

– первой – в подобных явлениях все одноименные числа подобия (в том числе и критерии подобия) должны быть численно одинаковы;

– второй – зависимость между переменными, характеризу­ющими какой-либо процесс, может быть представлена в виде зависимости между числами подобия;

– третьей – подобны те явления, у которых одноименные критерии подобия одинаковы.

Теория подобия дает возможность на основе анализа матема­тического описания того или иного процесса ответить на вопрос, сколько должно быть критериев в критериальном уравнении, и раскрывает содержание всех критериев, однако не позволяет – найти конкретную функциональную зависимость определяемого критерия от определяющих. Последняя задача решается путем постановки экспериментов, моделирующих исследуемый процесс, и соответ­ствующей обработки полученных данных. Критериальные уравнения используются для расчета искомой величины, входящей в опре­деляемый критерий.

Все критерии подобия безразмерные величины. Их можно умножать и делить один на другой, возводить в степень. Полу­чаемые при этом комплексы безразмерных величин также являя­ются критериями подобия.

В конвективном теплообмене очень часто по критериальным уравнениям рассчитывают коэффициент теплообмена. Определяе­мый критерий, содержащий коэффициент теплообмена, можно по­лучить, переходя к безразмерным переменным в дифференциальном уравнении тепоотдачи. Вводя новые переменные, получим урав­нение с безразмерный комплексом, стоящим в левой части. Он представляет собой безразмерный коэффициент теплоотдачи и называется числом Нуссельта.

Числа подобия, составленные только из заданных параметров математического описания задачи, называются критериями подо­бия. Анализ уравнений конвективного теплообмена позволяет по­лучить следующие основные критерии подобия:

– критерий Рейнольдса, представляющий собой отношение сил инерции к силам вязкости;

– критерий Грасгофа, характеризующий подъемную силу, возникшую вследствие разности плотности жидкости;

– критерий Прандтля, определяющий физические свойства жидкости.

Входящие в эти критерии параметры должны быть заданы условиями однозначности. Конкретный вид уравнения, получа­емого обычно экспериментальным путем, зависит от характера рассматриваемого явления теплоотдачи, геометрических парамет­ров системы и условий проведения процесса.

Вопросы для самопроверки

1. Что конвективным теплообменом?

2. Что такое критерии подобия?

3. Что называется законом теплоотдачи?

4. Что такое критерий Рейнольдса?

5. Что называется числом Нуссельта?

Кипением называется процесс образования пара внутри объема жидкости и на твердой поверхности нагрева, при котором паровые пузырьки образуются в отдельных точках поверхности – центрах парообразования. Различают два режима кипения – пузырьковый и пленочный. Пузырьковое кипение – это такое кипение, при котором пар образуется в виде периодически зарождающихся и растущих пузырей. Пленочным кипением называют кипение, при котором на поверхности нагрева образуется сплошная пленка пара, периодически прорывающегося в объем жидкости.

Изменение механизма (закономерностей) теплоотдачи в начале перехода от пузырькового режима кипения к пленочному или от пленочного к пузырьковому в теплотехнике называют кризисом теплоотдачи при кипении, а максимально возможную (при данных условиях) плотность теплового потока при пузырьковом кипении – первой критической плотностью теплового потока.

По достижении первой критической плотности теплового потока, дальнейшее увеличение температурного напора (разности температур стенки и жидкости) вызывает вначале существенное снижение плотности теплового потока до достижения минимально возможной (при данных условиях) плотности теплового потока при пленочном кипении, называемой второй критической плотностью теплового потока.

На практике стремятся обеспечить режим работы парогене­ратора. Для расчета коэффициента теплообмена при кипении предложено большое количество эмпирических зависимостей.

Конденсацией называют переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твердое. Конденсация насыщенного или перегретого пара происходит при его охлаждении ниже температуры насыщения. Она может протекать в объеме пара или парогазовой смеси либо на поверхности твердого тела или жидкости, с которыми пар (парогазовая смесь) находится в контакте. На поверхности тела или жидкости возможны различные случаи протекания процесса конденсации: пленочная, капельная и смешанная.

Пленочной конденсацией называют конденсацию в жидкое состоя­ние на лиофильной (хорошо смачиваемой жидкостью) поверхности твердого тела с образованием сплошной пленки конденсата.

Капельная конденсация – это конденсация в жидкое состояние на лиофобной (несмачиваемой жидкостью) поверхности твердого тела с образованием отдельных капель конденсата.

Смешанная конденсация – это конденсация в жидкое сос­тояние на поверхности твердого тела, при которой на различных участках поверхности одновременно наблюдается как пленочная, так и капельная конденсация.

Контактная конденсация происходит непосредственно на по­верхности жидкости (капель, струй и т. д.).

При пленочной конденсации выделяющаяся теплота отводится через охлаждаемую стенку и образовавшуюся на ней пленку кон­денсата. Термическое сопротивление в этом случае складывается из. термического сопротивления пленки конденсата и фазового перехода на границе раздела жидкой и паровой фаз. Коэффициенты теплообмена при пленочной конденсации и прочих равных условиях на порядок меньше, чем при капельной.

Теплота при пленочной конденсации зависит от толщины пленки на поверхности теплообмена, от режима ее течения и от теплопроводности жидкости. На величину коэффициента тепло­обмена при конденсации большое влияние оказывает также при­сутствие в парах неконденсирующихся газов (например, воздуха), приводящее к снижению величины коэффициента теплообмена из-за экранирования поверхности теплообмена газовой прослойкой, имеющей низкую теплопроводность.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется кипением?

2. Что такое кризис теплоотдачи при кипении?

3. Что называется конденсацией?

4. Что называется пленочной конденсацией?

5. Что называется смешанной конденсацией?

Теплообменником называют аппарат, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями или между теплоносителями и твердыми телами (стенкой, насадкой).

Теплообменники можно классифицировать по принципу Дей­ствия, назначению, способу организации движения теплоносителей и другим признакам.

Смесительные теплообменники. В данных теплообменниках теплопередача происходит при непосредственном смешении теплоносителей. Эти аппараты просты» компактны и используются в том случае, если не требуется дальнейшее разделение тепло­носителей (например, нагрев воды водяным паром или горячей водой). Так, при обогреве теплиц, а также в системе водяного отопления зданий горячую воду из котельной или от ТЭЦ смешивают с охлажденной обратной водой, поступающей от потребителя.

Рекуперативные теплообменники. У этого вида теплообмен­ников передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному осуществляется через разделяющую их стенку.

Простейшим рекуперативным теплообменником является теп­лообменник типа «труба в трубе». Простота конструкции, но громоздкость при больших поверхностях теплообмена. Развитием их является кожухотрубный теплообменник. Компактность, воз­можность развивать большие поверхности теплообмена в одном аппарате, но затруднена очистка межтрубного пространства.

В последние годы широкое распространение получили плас­тинчатые рекуперативные теплообменники, которые отличаются компактностью, низким гидравлическим сопротивлением и удоб­ством очистки поверхностей теплообмена.

Регенеративные теплообменники. В данных теплообменни­ках горячий и холодный теплоносители поочередно омывают одну и ту же теплообменную поверхность.

Теплообменники с промежуточным теплоносителем. У этого вида горячий теплоноситель отдает теплоту некоторому проме­жуточному теплоносителю (жидкости или твердому зернистому материалу), а тот, в свою очередь, – холодному теплоносителю.

Теплообменники с внутренними источниками теплоты. В данных теплообменниках нагрев холодного теплоносителя осущест­вляется с помощью тепловыделений в самом аппарате за счет Дей­ствия электронагревателей или генератора токов высокой частоты.

Различают конструктивный и поверочный расчет теплообменника.

Конструктивный:

– известно: расход нагреваемого теплоносителя, начальная и конечная температура обоих теплоносителей;

– выбирают: тип теплообменника, его тепловую мощность, расход горячего теплоносителя, поверхность теплообмена по кото­рой габариты аппарата.

Поверочный расчет:

– известно: тип, размеры теплообменника, поверхносгь тепло­обмена, расход теплоносителей, их начальная температура, удель­ные теплоемкости, коэффициент теплопередачи;

– определяют: тепловую мощность аппарата, конечную темпе­ратуру теплоносителей, то есть проверяется применимость имею­щегося теплообменника при стационарном режиме.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется смесительным теплообменником?

2. Что такое пластинчатые рекуперативные теплообменники?

3. Что называется теплообменником с внутренним источником тепла?

4. Что такое конструктивный расчет?

5. Что такое проверочный расчет?

Теплообменные аппараты. Источники энергии и топливные ресурсы.

Двигатели внутреннего сгорания и их основные характеристики; индикаторная, эффективная и литровая мощность. Паротурбинные установки, принципиальная схема, характеристика, принцип работы. Реактивные двигатели, их устройство, принцип действия. Холодиль­ные машины, схемы, принцип действия. Гидравлические машины; насосы и их основные параметры, гидродвигатели, гидроприводы.

Возобновляемые и невозобновляемые энергоресурсы. Тепловые, атомные, гидравлические электростанции. Экологические вопросы энергетики.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется теплообменным аппаратом?

2. Что такое характеристики двигателей внутреннего сгорания?

3. Что называется паротурбинной установкой?

4. Что такое возобновляемые и невозобновляемые энергоресурсы?

5. Как работает тепловая электростанция?

1. Давление воздуха, измеренное ртутным барометром, равно 765 мм рт. ст. при температуре ртути t = 20 °С. Выразить это дав­ление в Паскалях.

2. Найти абсолютное давление пара в котле, если манометр показывает р = 0,13 МПа, а атмосферное давление по ртутному барометру составляет р_атм = 680 мм рт. ст. (90 660 Па) при t = 25 °С.

3. Определить абсолютное давлений в паровом котле, если манометр показывает 0,245 МПа, а атмосферное давление по ртутному барометру составляет р_атм = 93325 Па (700 мм рт. ст.) при t = 20 °С.

4. Давление в паровом котле р = 0,04 МПа при барометрическом давлении р_атм1 = 96 660 Па (725 мм рт. ст.). Чему будет равно избыточное давление в котле, если показание барометра повысится до р_атм2 = 104 660 Па (785 мм рт. ст.), а состояние пара в котле останется прежним? Барометрическое давление приведено к 0 °С.

5. Разрежение в газоходе парового котла измеряется тягомером с наклонной трубкой и равно р_вак = 38 кПа,.

Определить абсолютное давление газов, если показание ртутного барометра, приведенное к 0 °С, р_атм = 98,7 кПа.

6. Для предупреждения испарения ртути, пары которой ока­зывают вредное действие на человеческий организм, обычно при пользовании ртутными манометрами над уровнем ртути наливают слой воды.

Определить абсолютное давление в сосуде, если разность столбов ртути в U-образном манометре составляет 580 мм при температуре ртути 25 °С, а высота столба воды над ртутью равна 150 мм. Атмосферное давление по ртутному барометру ратм = = 102,7 кПа при t = 25 °С.

7. Во сколько раз объем определенной массы газа при – 20 °С меньше, чем при +20 °С, если давление в обоих случаях оди­наково?

8. Во сколько раз изменится плотность газа в сосуде, если при постоянной температуре показание манометра уменьшится от р₁ = = 1,8 Мпа до р₂ = 0,ЗМПа?

Барометрическое давление принять равным 0,1 МПа.

9. В воздухоподогреватель парового котла подается вентиля­тором 130 000 м² / ч воздуха при температуре 30°С. Определить, объемный расход воздуха на выходе из воздухоподогревателя, если он нагревается до 400 °С при постоянном давлении.

10. Какой объем занимает 1 кг азота при температуре 70 °С и давлении 0,2 МПа?

11. Определить массу кислорода, содержащегося в баллоне ем костью 60 л, если давление кислорода по манометру равно 1,08 МПа, а показание ртутного барометра – 99325 Па при температуре 25 °С.

12. В сосуде находится воздух под разрежением 10 кПа при температуре 0 °С. Ртутный барометр показывает 99725 Па при температуре ртути 20 °С. Определить удельный объем воздуха при этих условиях.

13. Какой объем будут занимать 11 кг воздуха при давлении р = 0,44 МПа и температуре t = 18 °С?

14. В 1 м³ сухого воздуха содержится примерно 0,21 м³ кисло­рода и 0,79 м³ азота.

Определить массовый состав воздуха, его газовую постоянную парциальные давления кислорода и азота.

15. Смесь газов состоит из водорода и окиси углерода. Мас­совая доля водорода m_Н2= 0,67 %.

Найти газовую постоянную смеси и ее удельный объем при нормальных условиях.

16. Определить газовую постоянную смеси газов, состоящей из 1 м³ генераторного газа и 1,5 м³ воздуха, взятых при нормальных условиях, и найти парциальные давления составляющих смеси. Плотность генераторного газа ρ принять равной 1,2 кг/м³.

17. Объемный состав сухих продуктов сгорания топлива (не содержащих водяных паров) следующий: СО₂ = 12,3 %; О₂ = 7,2 %; N₂ = 80,5 %.

Найти кажущуюся молекулярную массу и газовую постоян­ную, а также плотность и удельный объем продуктов сгорания при р_атм = 100 кПа и t = 800°С.

18. Определить значение массовой теплоемкости кислорода при постоянном объеме и постоянном давлении, считая с = const.

19. Вычислить значение истинной мольной теплоемкости кислорода при постоянном давлении для температуры 1000 °С, считая зависимость теплоемкости от температуры линейной. Найти относительную ошибку по сравнению с табличными данными.

20. Найти среднюю теплоемкость с*_рт и с*_νт для воздуха преде­лах 400 – 1200 °С, считая зависимость теплоемкости от темпера­туры нелинейной.

21. Найти среднюю теплоемкость срm и с*_рm углекислого газа в пределах 400 – 1000 °С, считая зависимость теплоемкости от температуры нелинейной.

22. Определить среднюю массовую теплоемкость при посто­янном объеме для азота в пределах 200 – 800 °С, считая зави­симость теплоемкости от температуры нелинейной.

23. Найти часовой расход топлива, который необходим для работы паровой турбины мощностью 25 МВт, если теплота сгора­ния топлива Q^p_n = 33,85 МДж/кг и известно, что на превращение тепловой энергии в механическую используется только 35% теп­лоты сожженного топлива.

24. В котельной электрической станции за 20 ч работы сожжены 62 т каменного угля, имеющего теплоту сгорания 28 900 кДж/кг.

Определить среднюю мощность станции, если в электрическую энергию превращено 18 % теплоты, полученной при сгорают угля.

25. Мощность турбогенератора 12 000 кВт, КПД генератора 0,97. Какое количество воздуха нужно пропустить через генератор для его охлаждения, если конечная температура воздуха не должна превышать 55 °С? Температура в машинном отделении равна 20 °С; среднюю теплоемкость воздуха срм принять равной 1,0 кДж/(кг·К).

26. Первая в мире атомная электростанция, построенная в СССР, превращает атомную энергию, выделяющуюся при реак­циях цепного деления ядер урана, в тепловую, а затем в электри­ческую энергию. Тепловая мощность реактора атомной электро­станции равна 30 000 кВт, а электрическая мощность электростан­ции составляет при этом 5000 кВт.

Найти суточный расход урана, если выработка электроэнергии сутки составила 120000 кВт·ч. Теплоту сгорания урана принять равной 22,9·106 кВт-ч/кг. Определить также, какое количество угля, веющего теплоту сгорания 25800 кДж/кг, потребовалось бы для выработки того же количества электроэнергии на тепловой электро­станции, если бы ее к. п. д. равнялся к. п. д. атомной электростанции.

27. Теплоемкость газа при постоянном давлении опытным путем может быть определена в проточном калориметре. Для этого через трубопровод пропускают исследуемый газ и нагревают его электронагревателем. При этом измеряют количество газа, опуска­емое через трубопровод, температуры газа перед и за электронагре­вателем и расход электроэнергии. Давление воздуха в трубо­проводе принимают неизменным.

Определить теплоемкость воздуха при постоянном давлении методом проточного калориметрирования, если расход воздуха рез трубопровод М = 690 кг/ч, мощность электронагревателя N = 0,5 кВт, температура воздуха перед электронагревателем t₁ = 18 °С, а температура воздуха за электронагревателем t₂ = 20,6 °С.

28. Метод проточного калориметрирования, описанный в пре­дыдущей задаче, может быть также использован для определения количества газа или воздуха, протекающего через трубопровод.

Найти часовой расход воздуха М кг/ч, если мощность электродвигателя N_эл = 0,8 кВт, а приращение температуры воздуха t₂ – t₁ = 1,8 °С. Определить также скорость воздуха с в трубопроводе за электронагревателем, если давление воздуха 120 кПа, температура его за электронагревателем 20,2 °С, а диаметр трубопровода 0,125 м.

29. При испытании двигателей внутреннего сгорания широко распространены так называемые гидротормоза. Работа двигателя при торможении превращается в теплоту трения, и для уменьшения нагрева тормозного устройства применяют водяное охлаждение.

Определить часовой расход воды на охлаждение тормоза, если мощность двигателя N = 33 кВт, начальная температура воды t_в1 = = 15 °С, конечная t_в2 = 60 °С; принять, что вся теплота трения передается охлаждающей воде.

30. Сосуд емкостью 90 л содержит воздух при давлении 0,8 МПа и температуре 30 °С. Определить количество теплоты, которое необходимо сообщить воздуху, чтобы повысить его давление при v = const до 1,6 МПа. Принять зависимость с = f(t) нелинейной.

31. До какой температуры нужно охладить 0,8 м³ воздуха с начальным давлением 0,3 МПа и температурой 15 °С, чтобы давление при постоянном объеме понизилось до 0,1 МПа? Какое количество теплоты нужно для этого отвести? Теплоемкость воздуха принять постоянной.

32. Сосуд объемом 60 л заполнен кислородом при давлении p₁ = 12,5 МПа.

Определить конечное давление кислорода и количество сообщенной ему теплоты, если начальная температура кислорода t₁ = 10 °С, а конечная t₂ = 30 °С. Теплоемкость кислорода считать постоянной.

33. В цилиндре диаметром 0,4 м содержится 80 л воздуха при давлении p₁ = 0,29 МПа и температуре t₁ = 15 °С.

Принимая теплоемкость воздуха постоянной, определить, до какой величины должна увеличиться сила, действующая на поршень, чтобы последний оставался неподвижным, если к воздуху подводятся 83,7 кДж теплоты.

34. В резервуаре, имеющем объем V = 0,5 м³, находится угле­кислый газ при давлении p₁ = 0,6 МПа и температуре t₁ = 527 °С.

Как изменится температура газа, если отнять от него при пос­тоянном объеме 436 кДж? Зависимость теплоемкости от темпера­туры считать линейной.

35. В калориметрической бомбе емкостью 300 см³ находится кислород при давлении p₁ = 2,6 МПа и температуре t₁ = 22 °С.

Найти температуру кислорода t₂ после подвода к нему теплоты в количестве 4,19 кДж, считая зависимость теплоемкости от температуры линейной.

36. Какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы нагреть 2 м³ воздуха при постоянном избыточном давлении p = 0,2 МПа от t₁ = 100 °С до t₂ = 500 °С? Какую работу при этом совершит воздух? Давление атмосферы принять равным 101 325 Па

37. Определить количество теплоты, необходимое для нагре­вания 2000 м³ воздуха при постоянном давлении р = 0,5 МПа от t₁ = 150 °С до t₂ = 600 °С. Зависимость теплоемкости от темпе­ратуры считать нелинейной.

38. В установке воздушного отопления внешний воздух при t₁ = -15 °С нагревается в калорифере при p = const до 60 °С. Какое количество теплоты надо затратить для нагревания 1000 м³ наружного воздуха? Теплоемкость воздуха считать постоянной. Давление воздуха принять равным 101 325 Па.

39. В цилиндре находится воздух при давлении р = 0,5 МПа и температуре t₁ = 400 °С. От воздуха отнимается теплота при посто­янном давлении таким образом, что в конце процесса устанавли­вается температура t₂ = 0 °С. Объем цилиндра, в котором находится воздух, равен 400 л.

Определить количество отнятой теплоты, конечный объем, изменение внутренней энергии и совершенную работу сжатия. Зависимость теплоемкости от температуры считать нелинейной.

40. 0,2 м³ воздуха с начальной температурой 18 °С подогревают в цилиндре диаметром 0,5 м при постоянном давлении p = 0,2 Мпа до температуры 200 °С.

Определить работу расширения, перемещение поршня и коли­чество затраченной теплоты, считая зависимость теплоемкости от температуры линейной

41. В цилиндре двигателя внутреннего сгорания находится воздух при температуре 500 °С. Вследствие подвода теплоты конечный объем воздуха увеличился в 2,2 раза. В процессе расширения воздуха давление в цилиндре практически оставалось постоянным.

Найти конечную температуру воздуха и удельные количества теплоты и работы, считая зависимость теплоемкости от темпера­туры нелинейной.

42. Воздух, выходящий из компрессора с температурой 190 °С, охлаждается в охладителе при постоянном давлении p = 0,5 МПа до температуры 20 °С. При этих параметрах производительность компрессора равна 30 м³ / ч.

Определить часовой расход охлаждающей воды, если она нагревается на 10 °С.

43. 1 кг воздуха при температуре t₁ = 30 °С и начальном давлении p₁ = 0,1 МПа сжимаегся изотермически до конечного давления p₂ = 1 МПа.

Определить конечный объем, затрачиваемую работу и количество теплоты, отводимой от газа.

44. Воздух в количестве 0,5 кг при p₁ = 0,5 МПа и t₁ = 30 °С расширяется изотермически до пятикратного объема.

Определить работу, совершаемую газом, конечное давление и количество теплоты, сообщаемой газу.

45. Для осуществления изотермического сжатия 0,8 кг воздуха при p₁ = 0,1 МПа и t = 25 °С затрачена работа в 100 кДж.

Найти давление p₂ сжатого воздуха и количество теплоты, которое необходимо при этом отвести от газа.

46. 8 м³ воздуха при p₁ = 0,09 МПа и t₁ = 20° С сжимаются при постоянной температуре до 0,81 МПа.

Определить конечный объем, затраченную работу и количество теплоты, которое необходимо отвести от газа.

47. При изотермическом сжатии 0,3 м³ воздуха с начальными параметрами p₁ = 1 МПа и t₁ = 300 °С отводится 500 кДж теплоты. Определить конечный объем V₂ и конечное давление р₂ .

48. Воздуху в количестве 0,1 м³ при p₁ = 1 МПа и t₁ = 200 °С сообщается 125 кДж теплоты; температура его при этом не изменяется.

Определить конечное давление p₂, конечный объем V₂ и получаемую работу L.

49. 0,5 м³ кислорода при давлении р₁ = 1 МПа и температуре t₁ = 30 °С сжимаются изотермически до объема в 5 раз меньше начального.

Определить объем и давление кислорода после сжатия, работу сжатия и количество теплоты, отнятой у газа.

50. 1 кг воздуха при начальной температуре t₁ = 30 °С и давлении р₁ = 0,1 МПа сжимается адиабатно до конечного давле­ния p2 = 1 Мпа.

Определить конечный объем, конечную температуру и затра­чиваемую работу.

51. 1 кг воздуха при температуре t₁ = 15 °С и начальном давлении р₁ = 0,1 МПа адиабатно сжимается до 0,8 МПа.

Найти работу, конечный объем и конечную температуру.

52. Воздух при давлении р₁ = 0,45 МПа, расширяясь адиабатно до 0,12 МПа, охлаждается до t₂ = - 45 °С.

Определить начальную температуру и работу, совершенную 1 кг воздуха.

53. 1 кг воздуха, занимающий объем v₁ = 0,0887 мЗ/кг при p₁ = 1 МПа, расширяется до 10-кратного объема. Получить конеч­ное давление и работу, совершенную воздухом, в изотермическом и адиабатном процессах.

54. Воздух при температуре t₁ = 25 °С адиабатно охлаждается до t₂ = -55 °С; давление при этом падает до 0,1 МПа.

Определить начальное давление и работу расширения 1 кг воздуха.

55. Воздух в количестве 3 м³ расширяется политропно от p₁ = 0,54 МПа и t₁ = 45 °С до р₂ = 0,15 МПа. Объем, занимаемый при этом воздухом, становится равным 10 м³.

Найти показатель политропы, конечную температуру, полу­ченную работу и количество подведенной теплоты.

56. В цилиндре двигателя с изобарным подводом теплоты сжимается воздух по политропе с показателем п = 1,33.

Определить температуру и давление воздуха в конце сжатия, если степень сжатия (ε = V₁ / V₂ ) равна 14, t₁ = 77 °С и p₁ = 0,1 МПа.

57. В процессе политропного расширения воздуху сообщается 83,7 кДж тепла.

Найти изменение внутренней энергии воздуха и произве­денную работу, если объем воздуха увеличился в 10 раз, а давление его уменьшилось в 8 раз.

58. Воздух расширяется по политропе, совершая при этом работу, равную 270 кДж, причем в одном случае ему сообщается 420 кДж теплоты, а в другом – от воздуха отводится 92 кДж теплоты.

Определить в обоих случаях показатели политропы.

59. 2 м3 воздуха при давлении p₁ = 0,2 МПа и температуре t₁ = 40 °С сжимаются до давления p₂ = 1,1 МПа и объема V₂ = 0,5 м³.

Определить показатель политропы, работу сжатия и количество отведенной теплоты.

60. Находящийся в цилиндре двигателя внутреннего сгорания воздух при давлении p₁ = 0,09 МПа и t₁ = 100 °С должен быть так сжат, чтобы конечная температура его поднялась до 650 °С.

Определить, какое должно быть отношение объема камеры сжатия двигателя к объему, описываемому поршнем, если сжатие происходит по политропе с показателем п = 1,3.

4. Алексеев Г. Н. Общая теплотехника. – М.: Высш. школа, 1980. – 552 с.

5. Башта Т. М. и др. Гидравлика, гидромашины и гидропри­воды. – М.: Машиностроение, 1982. – 423 с.

6. Рабинович О. М. Сборник задач по технической термодина­мике. – М.: Машиностроение, 1973. – 344 с.

7. Лариков Н. Н. Теплотехника. – М.: Стройиздат, 1985. – 432 с

I. Общие методические указания 3

II. Методические указания по изучению содержания разделов дисциплины 5

Основные понятия и определения 5

1. Основы технической термодинамики 7

1.1. Основные параметры термодинамической системы 7

1.2. Уравнение состояния идеального газа. Необходимость введения понятий об идеальных и реальных газах 9

1.3. Газовые смеси 10

1.4. Термодинамический процесс 11

1.5. Первый закон термодинамики 12

1.6. Второй закон термодинамики 16

1.7. Термодинамические процессы идеальных газов
в закрытых системах 19

1.8. Круговые процессы 21

1.9. Водяной пар 25

1.10. Влажный воздух 27

1.11. Термодинамика потока газов и паров 29

1.12. Циклы паросиловых и холодильных установок
и теплового насоса 33

2. Основы теплообмена 36

2.1. Основные понятия тепломассообмена 36

2.2. Конвективный теплообмен и массообмен 41

2.3. Теплоотдача при фазовых переходах 45

2.4. Основы теплового расчета теплообменных аппаратов 48

3. Общие сведения об энерготехнологических установках 50

III. Задания для выполнения контрольной работы 50

Рекомендуемая литература 60