Теоретические основы теплотехники презентация

проф., д.т.н., зав каф. ТЭСиТ

Тепловые электрические станции
(Введение в специальность)
Тема 4
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

«Повсюду, где имеется разность температур, может происходить возникновение движущей силы»
(Сади Карно)

и полей) на основе анализа возможных в этих системах превращений энергии без обращения к их микроскопическому строению.
Основное содержание термодинамики – рассмотрение общих свойств физических систем в состоянии термодинамического равновесия, а также общих закономерностей процессов изменения состояния.
Термодинамика вместе с тепломассообменом является составной частью теоретических основ теплотехники, которая в свою очередь является фундаментальной базой всей теплоэнергетики.

занимающуюся приложениями законов термодинамики к химическим и физико-химическим процессам (изучение тепловых эффектов химических реакций, химического равновесия, фазового равновесия и др.);
техническую термодинамику, занимающуюся приложениями законов термодинамики в теплотехнике (разработка теории теплосиловых установок, двигателей и др.);
термодинамику необратимых процессов, в которой изучаются необратимые процессы с помощью термодинамических законов (например, определяются их скорости в зависимости от внешних условий)

и с другими телами энергией и веществом.
Терм. системой является система, обладающая очень большим числом степеней свободы.
Термодинамическая система может быть физически однородной, если ее состав и все физические свойства одинаковы в любых, произвольно выбранных частях.
Термодинамическая система является химически однородной, если она состоит из одного химического вещества.
Материальные тела термодинамической системы разделяются на источники тепла и рабочие тела, которые совершают механическую работу под воздействием источников

связанное с изменением хотя бы одного из ее параметров. Существуют обратимые, необратимые и квазистатические процессы.
Обратимый процесс это процесс перехода системы из одного состояния в другое предполагающий возможный обратный переход, последовательно повторяющий все промежуточные состояния прямого процесса. Процесс обратим, если он является квазистатическим процессом.
Квазистатический процесс это процесс, скорость распространения которого в ограниченной системе столь велика, что за время распространения процесса вдоль всей системы ее состояние не успевает заметно измениться.

термодинамическая система, находящаяся при неизменных внешних условиях. При этом система находится в состоянии механического равновесия, а параметры состояния не изменяются с течением времени, т.е. могут совершать малые колебания около неизменных средних значений, что называется флуктуацией.
Разновидностью термодинамического равновесия является тепловое равновесие, при котором все части системы имеют одну и ту же температуру.

что химическая реакция идет одновременно в двух противоположных направлениях с одинаковой скоростью.
В результате состав системы (например, O2+N2=2NO) остается постоянным, пока сохраняются условия ее существования (температура, давление).
Каждая химическая реакция в состоянии равновесия характеризуется соотношением между концентрациями участвующих в ней веществ – константой равновесия.
Определяя положение равновесия для различных температур и давлений, можно судить, какое их сочетание наиболее благоприятно для практических целей

являются различными формами движения материи и проявления энергии.
Теплота (один из видов энергии) это результат молекулярного и внутримолекулярного хаотического движения частиц материи. Если теплоемкость постоянна, то теплота определяется по уравнению
,
где т – масса тела, кг;
с – теплоемкость, Дж/(кг К);
Т1, Т2 –температуры, К.
Работа (вид механической энергии) – направленное движение тел, происходящего под действием внешних сил. Теплота и работа определяются значениями единицы энергии − 1 Дж = 0,278·10-6 кВт ч; 1 ккал = 4,19 кДж.

частиц, образующих равновесную термодинамическую систему. Абсолютная температура равна
,
где т – масса, кг;
с –скорость поступательного движения молекул, м/с;
в – коэффициент пропорциональности.
Существуют две шкалы температур: Кельвина (абсолютная), К и Цельсия (относительная) 0С; Т (0К) = t(0С) + 273.
Давление – сила, действующая по нормали на единицу поверхности. давление может быть атмосферное рат, абсолютное р, избыточное ризб. Размерность давления 1 Па = 1 н/м2 = 1 (кг·м)/(м2с2); 1 атм = 0,098 МПа. Абсолютное давление окружающего воздуха называется барометрическим давлением рбар. Избыточное давление является относительным давлением: Ризб = р – рбар.

практике используется понятия удельный объем v, м3/кг и удельного веса: γ = ρ·g= т·g/ V.
Плотность может характеризовать фазу вещества:
для газов − ρ = 0,2 ÷ 2,5 кг/м3; для жидкостей − ρ = 500 ÷ 3000 кг/м3; для твердых веществ − ρ > 1000 кг/м3.
Энтропия − функция состояния термодинамической системы, характеризующая направление протекания процесса теплообмена между системой и внешней средой, S – Дж/(кг·К);
Энтальпия − функция состояния термодинамической системы, определяемая как сумма внутренней энергии системы и произведения давления на объем системы. Удельная энтальпия h имеет размерность − Дж/кг.
Теплоемкость вещества это количество теплоты необходимое для нагрева вещества на 10С. Удельная теплоемкость может быть массовой, объемной и мольной, а также при постоянных давлениях и объемах.

или ,
где R – газовая постоянная, Дж/(кг К);
µ - молекулярная масса вещества.
В уравнение не учитываются силы сцепления между молекулами; молекулы рассматриваются как материальные точки приложения сил, создающих движение молекул; молекулы совершают только поступательные движения.
Для реальных газов используется уравнение Ван-дер-Ваальса:
,
где а − коэффициент, учитывающий межмолекулярные силы;
b − собственный объем молекул.

Переход из одной фазы в другую связан с изменениями параметров при подводе (отводе) тепла.
Процесс перехода воды из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, а обратный процесс конденсацией.
Параметры критической точки К:
давление - 22,115 МПа;
температура – 374,12 0С;
удельный объем – 0,003147 м3/кг;
удельная энтальпия – 2095,2 кДж/кг;
удельная энтропия – 4,4237 кДж/кг.

критическая точка

p·v =const или p1v1 = p2v2 при T = const.
Закон Гей-Люссака выведенный им в 1882 г.:
v/T = const или v1/v2 = T1/T2 при p = const.
А Авогадро установил в 1811 г. - в равных объемах разных идеальных газов при p = const и T = const находится одинаковое количество молекул. Отсюда два следствия:
Следствие 1. Массы газов в одинаковых объемах (V1 = V2) при p = idem и T = idem относятся друг к другу как их молекулярные массы:
Следствие 2. Количество разных газов, находящихся при одинаковых давлениях и температурах, относящиеся между собой как молекулярные массы этих газов, должны иметь одинаковый объем Vµ = idem/

для любых идеальных газов и равен 22,4 м3/кмоль.
Нормальные физические условия: р=0,1014 МПа, Т=273,15 0К.
Тогда в соответствии с уравнением Клапейрона:


Rµ = 8314,33 Дж/(кмоль К) – универсальная газовая постоянная.
Газовая постоянная, R, Дж/(кг К), любого газа определяется из соотношения

вновь, она лишь переходит из одного вида в другой.
Согласно первому началу термодинамики теплота Q, сообщаемая системе, расходуется на изменение внутренней энергии системы ΔU и совершение системой работы против внешних сил :
или ,
2-е опредление Если тело совершает работу большую, чем то количество теплоты, которое к нему подведено, то внутренняя энергия убывает.
Если система находится в движении: в сечении 1-1 газ обладал внутренней u1, потенциальной (p1v1) и кинетической (с12/2 ) энергиями, а в сечении 2-2 соответственно и2, (p2v2) и (с22/2), то по закону сохранения энергии

проталкивания и кинетической энергии.

Это уравнение после дифференцирования можно представить в виде:

Работы зависят от направления процесса 1-2 и не являются параметрами состояния.

Отсюда

где lкин= с2/2 – удельная кинетическая энергия,
d(pv) − изменение работы проталкивания.

Течение струйки

параметра происходит одновременно во всех точках тела, называются равновесными.
Обратимые и необратимые процессы. Это такие процессы, которые можно провести в обратном направлении, так что и рабочее тело и окружающая среда пройдут через те же точки и промежуточные состояния в той же последовательности, что и прямом направлении.
Различают внутренние и внешние обратимые процессы. Внутренние обратимые процессы возможны, когда они равновесны и нет обмена энергиями с окружающей средой.
В реальных условиях изменение параметров распространяется последовательно по точкам от места возмущения, и поэтому такие процессы называются неравновесными.
Все реальные процессы неравновесные и необратимые

процесс изменяется во времени, то он называется нестационарным или неустановившимся, и, наоборот, если происходит изменение параметров термодинамического процесса во времени, то он называется стационарным или установившимся.

форме имеет вид:
.
Это уравнение дает возможность определять один параметр при двух других известных в любой точке процесса.
Первый закон термодинамики


устанавливает для любой точки процесса соотношение между dq, du и pdv. При этом не оговаривается характер термодинамического процесса.
Однако для определения q или работы lp необходимо знать закономерность изменения любых двух параметров состояния.

процессами:
изохорный (v = const);
изобарный (p = const);
изотермический (Т = const);
адиабатический (ds = 0; dq = 0);
политропный процесс (параметры изменяются)
Для каждого из этих процессов справедливы следующие соотношения:

dv = 0; dq = du;
p1/T1 = p2/T2 - уравнение Шарля.
Учитывая уравнения первого начала термодинамики получим:
.
2. Изобарный процесс: p = const.
v1/T1 = v2/T2 - уравнение Гей-Люссака.
При получим
.
Если принять, что , то .
- уравнение Майера.
Если первый закон термодинамики выразить уравнением
, то при p = const dq = dh и тогда ср(Т2 – Т1)= h2 – h1 .

- уравнение Бойля-Мариотта. ;
Тогда или .
4. Адиабатный процесс – это процесс без теплообмена: dq = 0.
Тогда из первого закона термодинамики получим:
или
С другой стороны или
Последнее уравнение разделим на выражение сvТ и обозначим отношение ср/сv через коэффициент адиабаты - k. Получим
. Отсюда или .
Используя уравнение Клапейрона, получим
.

Обозначим ,
где с – теплоемкость, которая, учитывая последнее обозначение, определяется по уравнению .
Следовательно, , а .
Тогда или .
После интегрирования последнее уравнение представляется в виде:

Проведем некоторые преобразования:
где п – показатель политропы.
Таким образом, можно придти к виду: ,
или .

n = 0 – изобарический процесс;
при n = 1 – изотермический;
при n = k – адиабатический;
при n = ∞ - изохорный процесс.

–диаграмме.
1 – область, полезно используемая в паросиловых установках

х определяет соотношение между газообразной и жидкой фазами рабочей среды.
В энергетике используется политропный процесс h=const, который называется дросселированием. Это движение пара при потерях на трение, но без совершения полезной работы. При малых давлениях процесс h=const близок к T=const. Дросселирование является необратимым процессом.

при которых объект, подвергающийся изменению в определенной последовательности, вновь приходит в исходное положение.

Термодинамические циклы

Непрерывность действия тепловой
машины обеспечивается тем, что рабочее тело с параметрами p, V, T , пройдя последовательно ряд состояний процесса расширения на пути 1а2, а затем ряд состояний сжатия 2б1 вновь возвращается в исходную точку и цикл может быть повторен.

тогда:

Для осуществления процесса сжатия тепло отводится:

Так как внутренняя энергия является функцией состояния, т.е. величиной не зависящей от пути процесса, то для любого кругового цикла:
Следовательно
Таким образом, полезная работа равна разности количеств тепла, подведенного и отведенного при совершении цикла.

тепла (теплоотдатчик) qподв , но и холодильник (теплоприемник) qотв , без которого невозможен возврат рабочего тела в исходную точку. Это условие и составляет содержание второго начала термодинамики.
В то время как первый закон термодинамики характеризует процессы превращения энергии с количественной стороны, второй закон определяет качественную сторону этих процессов.
Теплота горячего источника в круговом процессе (цикле) не может быть полностью превращена в работу, так как часть подведенного тепла должна быть передана более холодному источнику (холодильнику
Второй закон термодинамики обычно записывается уравнением

), то такие циклы называются прямыми. Для них работа цикла – положительная величина. Прямые циклы осуществляются в теплоэнергетических установках. Если же процессы располагаются наоборот - обратные циклы. Здесь работа цикла – величина отрицательная. В таких циклах работа подводится извне и в результате совершения цикла превращается в тепло, т.е. здесь осуществляется перенос тепла от холодного источника к горячему. Такой цикл используется в холодильных установках и тепловых насосах.
Оценкой совершенства прямых циклов является термический коэффициент полезного действия

только двух источников тепла: верхнего с температурой Т1 и нижнего с температурой Т2 (Т2< Т1). Цикл Карно используется как эталонный цикл. Он имеет наивысший для данной разности температур термический к.п.д.

инженером-физиком У. Ренкином в Х1Х веке.







Обратимый докритический цикл Ренкина описывается в Тs –диаграмме процессами abcdefa, необратимый цикл – ab1cdef1a, где процессы аb осуществляются в насосах (7, а); bcde – в котле (1, последовательно в водяном экономайзере, испарительных поверхностях нагрева и пароперегревателе); ef – в паровой турбине (3, 4); fa – в конденсаторе (6)

энергии в пространстве с неоднородным полем температуры.
Существуют три основных способа передачи тепловой энергии:
теплопроводность;
конвективный теплообмен;
теплообмен излучением.
Теплопроводность –обмен энергией при соприкосновении отдельных частиц тела, имеющих различную температуру (в твердых телах).
Конвекция – теплообмен в реальных жидкостях или газах в форме переноса тепла при перемещении частиц или объемов веществ из одной области в другую.
Излучение – теплообмен путем распространения лучистой энергии, т.е. электромагнитных волн определенной длины.

имеет атомно-молекулярный характер.
В газах перенос энергии осуществляется хаотически движущимися молекулами, в металлах – в основном электронами проводимости, в диэлектриках – за счет связанных колебаний частиц, образующих кристаллическую решетку.
Закон Фурье, согласно которому вектор плотности теплового потока

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)
λ для: стали - 63 Вт/(м·К); вода – 0,53 Вт/(м·К);
воздух (газ) – 0,025 Вт/(м·К)
Для многослойных стенок тепловой поток

газообразной или сыпучей среде, осуществляющийся вследствие движения среды и ее теплопроводности. Различают:
конвективный теплообмен при естественной (свободной) конвекции, когда движение среды обусловлено только действием силы тяжести на неравномерно нагретую среду;
конвективный теплообмен при вынужденной конвекции, когда движение среды вызывается действием на нее механизмов.
Тепловой поток при конвективном теплообмене определяется уравнением Ньютона:
α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К)

Коэффициент
теплоотдачи

среды к поверхности стенки, осуществляемая конвективным теплообменом:
2. Теплопроводность через твердую стенку:
3. Теплопередача от поверхности стенки
к более холодной движущейся среде.
Суммарная теплопередача через стенку:



Полное количество теплоты, передаваемого
через стенку в единицу времени:


- температурный напор
,

,

значение от входного до выходного сечений.

При расчете теплообмена в подогревателях используется уравнение теплового баланса, которое имеет следующий вид:

создает тепловое воздействие. Такой теплообмен возникает за счет хаотического движения молекул одного тела, которое передается другому телу, вызывая в нем аналогичные колебания молекул

Для практических расчетов процесса лучистого теплообмена используется теория Стефана-Больцмана (1884 г.), согласно которой энергия излучения абсолютно черного тела равна


Для любого серого тела:

С0 = 5,67, Вт/( м2К4) – коэффициент излучения абсолютно черного тела
ε = С/С0 – степень черноты тела

С = 0÷5,67 Вт/( м2К4) - коэффициент излучения серого тела
Полная тепловая энергия,
полученная телом при
лучистом теплообмене

Николаевич – проф., д.т.н., зав каф. ТЭС