Теория тепло - и массообмена

Техническая термодинамика

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

Изучение законов взаимного превращения теплоты и работы и установление эффективных способов осуществления этого превращения -одна из важнейших задач курса «Техническая термодинамика».

В основу технической термодинамики положены первое и второе начала (законы) термодинамики. Приступая к их изучению, студент должен чётко представлять себе основные свойства и параметры состояния рабочих тел, используемых в тепловых машинах, и знать законы связи между этими параметрами для идеальных газов, т.е. их характеристические уравнения (уравнения состояния).

В тепловых расчётах, связанных с определением количества теплоты, большое значение имеет теплоёмкость рабочего тела. При изучении этого вопроса необходимо разобраться в различии между истинной и средней теплоёмкостями, обратив особое внимание на зависимость теплоёмкости газов от температуры, а также усвоить разницу между единицами измере­ния массовой, обьёмной и молярной теплоёмкостей. При рассмотрении молярной теплоёмкости газов следует усвоить, что молярные теплоёмкости, если пренебречь их зависимостью от температуры, зависят от характера процесса и атомности газов; все двухатомные газы имеют свою одинаковую для этих газов молярную теплоёмкость в данном процессе; свою одина­ковую для всех газов молярную теплоёмкость имеют и многоатомные газы. Например, в процессе при постоянном объёме молярные теплоёмкости двухатомных газов равны 20,9 кДж/(мольК), трёх и многоатомных газов-29,2 кДж/(мольК).

Следует запомнить разницу между теплоёмкостями в процессах при постоянном объёме и при постоянном давлении, так как эти теплоёмкости наиболее часто встречаются в теплотехнических расчётах.

Необходимо обратить внимание на то, что в отличие от теплоёмкости

твёрдых и жидких тел теплоёмкость газов всецело зависит от вид

а термоди­намического процесса и может изменяться от -∞ до +∞, при это

важно усвоить понятие об отрицательной теплоёмкости (меньше нуля) газов.

Первый закон термодинамики является частным случаем закона сохранения и превращения энергии и имеет большое прикладное значение при решении вопросов анализа тепловых процессов, при составлении их энергетических балансов, то есть соотношения между теплотой, механи­ческой работой и изменением внутренней энергии газа в термодина­мическом процессе.

Необходимо разобраться в физической сущности понятий: внутрен­няя энергия рабочего тела, теплота и работа газа в термодинамическом процессе и иметь чёткое представление о теплоте и работе, как о двух формах передачи энергии, выделив их общее и различное.

На основе первого закона термодинамики и газовых законов техни­ческая термодинамика рассматривает сначала основные частные случаи: изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный процессы, а затем обобщающий политропный процесс.

Изучению политропного процесса следует уделить особое внима­ние. Важно уяснить связь между показателем политропы и характером изменения состояния газа. Это удобно сделать путём графического анализа политропного процесса в системах координат P-V и T-S, так как в этом случае можно наглядно проследить характер процесса при изменении показателя политропы в пределах от -∞до +∞.

Второй закон термодинамики устанавливает условия работы тепловых двигателей и направление самопроизвольного протекания процесса передачи теплоты от горячего тела к холодному. Поэтому особое значение приобретают понятия о циклах, показателях их эффек­тивности, а также об обратимых и необратимых процессах. Необходимо уяснить, что любой самопроизвольный процесс является необратимым.

При изучении работы теплового двигателя (прямого цикла Карно) следует обратить внимание на определение второго закона термодина­мики, согласно которому для возможности превращения теплоты в работу необходимо наличие двух источников теплоты: горячего и холодного, а также на невозможность полного превращения теплоты в работу в непрерывно действующей тепловой машине, прямым следст­вием из которого является понятие о термическом к.п.д. цикла.

При изучении обратного цикла Карно, лежащего в основе работы холодильных машин и тепловых насосов, следует использовать положение второго начала термодинамики о невозможности передачи теплоты от менее нагретого тела к более В тесной связи со вторым законом термодинамики находится поня­тие энтропии. Следует разобраться в математической и физической сторо­нах её и рассмотреть тепловую диаграмму T-S, имея в виду, что с помощью этой диаграммы решаются сложные задачи по расчёту тепловых машин и аппаратов. Необходимо усвоить, что изменение энтропии при любом про­цессе будет пропорционально теплоёмкости газа.

Затем следует рассмотреть циклы, по которым работают компрес­соры, поршневые газовые двигатели (двигатели внутреннего сгорания) и газовые турбины, провести аналитический и графический (в системах координат P-V, T-S) анализы этих циклов.

Обратите внимание на то, что при одинаковых степенях сжатия цикл с подводом теплоты в процессе постоянного объёма является наиболее экономичным по сравнению с циклом, в котором теплота подводится при постоянном давлении и циклом с изохорно-изобарным подводом теплоты. Следует понять, что экономичность этих двигателей всецело зависит от их степени сжатия.

Значительное место в технической термодинамике отводится изуче­нию свойств паров (главным образом водяного пара).

Пары могут менять своё состояние, превращаться в жидкость. При этом законы, которым они подчиняются, в области, близкой к снижению, очень сильно отклоняются от законов идеального газа. Это исключает возможность применения законов идеальных газов для паров.

Аналитическое определение параметров состояния паров затруд­нено тем, что зависимость между этими параметрами (уравнения состо­яния) получается очень сложной. Поэтому параметры состояния опреде­ляются по таблицам или диаграммам. Особенно большое значение имеет h-s-диаграмма для водяного пара, которая в практике используется очень широко. Каждый студент должен уметь пользоваться этой диаграммой, то есть уметь определять параметры состояния рабочего тела и строить в h-s- -диаграмме основные термодинамические процессы (изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный).

Изучение термодинамических циклов паросиловых установок следует начинать с цикла Карно, уяснив себе причины неприменимости его в реальных паросиловых установках. Затем необходимо рассмотреть основной цикл паросиловой установки - цикл Ренкина, после чего переходить к изучению более сложных циклов: цикла с промежуточным перегревом, теплофикационного, регенеративного и парогазового циклов, уделяя при этом вопросам их экономичности.

Рассмотрите циклы газотурбинных установок с подводом тепла при постоянном давлении и при постоянном объёме и сравните их экономи­ческую эффективность.

В заключение следует рассмотреть цикл холодильных установок, которые используются в промышленности и сельском хозяйстве.

При изучении раздела «Техническая термодинамика» студенту необходимо не только понять основные расчётные соотношения и их выво­ды, но и уметь самостоятельно делать эти выводы, а также строить в системах координат p-V, T-s, h-s основные термодинамические процессы и циклы с соответствующими анализами.

Процесс передачи теплоты очень сложный, поэтому при изучении его разделяют на простые явления: теплопроводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение.

Изучение процесса теплопроводности надо начать с усвоения основных понятий: стационарного и нестационарного температурных полей, температурного градиента и теплового потока.

Основной закон теплопроводности - закон Фурье - устанавливает зависимость между величиной теплового потока и градиентом темпера­туры. Коэффициент теплопроводности тел характеризует способность вещества проводить теплоту; надо уметь правильно находить его величину для различных тел.

Работая над разделом «Теплопроводность», студент должен научиться определять количество теплоты, проходящей через однослойную и многослойную плоскую и цилиндрическую стенки при стационарных процессах теплопроводности, усвоить законы изменения температуры внутри таких тел.

В сельском хозяйстве находят широкое применение различные теплообменные аппараты с внутренними источниками тепла, например, электрические водоподогреватели. Поэтому необходимо обратить особое внимание на расчёт процессов теплопроводности тел с внутренними источниками теплоты.

Ознакомьтесь с методами расчёта процессов теплопроводности тел при нестационарном тепловом режиме.

Конвективный теплообмен тесно связан с физическими свойствами теплоносителя и характером его движения. Поэтому изучать конвективный теплообмен нужно после знакомства с основами теории гидроаэродина­мики. В результате этого должно сложиться ясное представление о двух видах движения жидкостей и газов - свободном и вынужденном, и о режимах вынужденного движения: ламинарном и турбулентном, атак же о природе пограничного слоя (гидродинамического и теплового).

Необходимо хорошо разобраться в теории подобия и на основе этого уяснить сущность гидродинамического и теплового подобия.

Интенсивность конвективного теплообмена зависит от самых различных факторов, поэтому конвективный теплообмен изучается в основном экспериментальным путём. Величины коэффициента теплоот­дачи конвекцией определяются на основе функциональной связи между тепловыми и гидродинамическими числами подобия. Обратите внимание на числа подобия, входящие в расчётные формулы, и на метод их нахож­дения по определяющим геометрическим размерам и температурам, при которых физические константы берутся из таблиц. Уясните, как влияют на характер экспериментальных зависимостей режим движения тепло­носителя (ламинарный или турбулентный) и род движения (свободный или вынужденный).

Необходимо научиться вычислять число подобия Рейнольдса и по его величине определять режим движения теплоносителя.

Следует запомнить основные числа подобия, применяемые при расчёте конвективного теплообмена (числа Nu, Re, Pr, Gr), чётко разобрав­шись в их физической сущности, а также запомнить структуру основных критериальных уравнений теплообмена.

Запоминать конкретные эмпирические уравнения не нужно, однако необходимо на основе анализа этих уравнений уметь объяснить механизм теплообмена в различных условиях и давать им сравнительную оценку.

Особое внимание необходимо обратить на пути интенсификации конвективного теплообмена (влияние скорости движения теплоносителя, диаметра труб, формы пучка и т.д.). При изменении агрегатного состояния следует рассмотреть переход от пузырькового режима кипения к плёноч­ному и уяснить физическую природу снижения коэффициента теплоотдачи при появлении на стенке паровой плёнки. В данном случае нужно ясно представить себе опасности, связанные с превышением критической тепло­вой нагрузки.

Изучая вопрос теплопередачи при конденсации пара, особое внима­ние следует обратить на влияние плёнки конденсата и на меры, способ­ствующие её удалению.

Приступая к изучению процессов теплового излучения, прежде всего необходимо понять, что тепловое излучение всегда сопровождается двойным превращением энергии: тепловая энергия излучающего тела переходит в лучистую, а лучистая энергия, поглощённая другим телом, переходит в тепловую.

Изучите классификацию тел по их поглощательной, отражательной и излучательной способностям, а затем разберитесь в основных законах теплового излучения абсолютно чёрного тела и серых тел, рассмотрите основные случаи лучистого теплообмена между телами.

Ознакомьтесь с вопросами поглощения и излучения газов, так как теплообмен в топках и газоходах котельных агрегатов в значительной степени определяется излучением газов.

Разделение теплообмена на три вида переноса теплоты (тепло­проводность, конвективный теплообмен и тепловое излучение) является условным и проведено по методическим соображениям. В дейст­вительности же теплообмен во всякого рода аппаратах и устройствах обычно происходит одновременно всеми тремя видами переноса теплоты.

Теплопередачу нужно рассматривать как сложный процесс тепообмена, уяснив при этом назначение и классификацию теплообменных аппаратов по принципу действия (рекуперативный, регенеративный и смесительные).

Цель теплового расчёта при проектировании новых теплообменных аппаратов заключается в определении величины площади поверхности нагрева. Для работающих аппаратов, когда площадь поверхности известна, целью расчёта является установление оптимального теплового режима работы аппарата, определение конечных температур теплоносителей и коэффициента теплопередачи.

Необходимо ясно представлять различие в схемах прямоточного и противоточного рекуперативных теплообменников, разбираться в вычислениях среднего температурного напора в каждой из схем и уметь давать сравнительную характеристику той или другой схеме, усвоить понятие о среднело-гарифмической и среднеарифметической разностях температур теплоносителей.

Во многих теплообменных аппаратах происходят процессы, сопро­вождающиеся переносом массы. Примерами процессов могут служить такие, как сушка, испарение, абсорбция газов и др. Если теплообмен харак­теризуется выравниванием температур, то массообмен проявляется в выравнивании концентраций вещества. Рассмотрите уравнение закона Фика -закона молекулярной диффузии, обратите внимание на его аналогию с законом Фурье. Разберите понятие плотности потока массы, коэффици­ента молекулярной диффузии.

Массообмен между газообразной и жидкой фазами называют кон­вективной массоотдачей. Необходимо усвоить аналогию дифференциаль­ных уравнений, описывающих тепло- и массообмен, а также чисел подобия.

Дата добавления: 2015-05-29