Теплотехника (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ТЕПЛОТЕХНИКА

Программа, методические указания

и контрольные задания

для студентов направления 260600

специальности 260601

заочной формы обучения

Одобрено редакционно-издателъским советом Саратовского государственного технического университета

Саратов 2010

ВВЕДЕНИЕ

Приоритетное развитие перерабатывающих отраслей агропромышленного производства связано с необходимостью совершенствования тепловых технологических процессов и оборудования.

В связи с этим возрастает потребность в улучшении теплотехнической подготовки инженеров-механиков пищевых производств, которая должна базироваться на термодинамических основах преобразования теплоты в работу, теории теплопередачи, а также на изучении термодинамических, теплофизических и других свойств рабочих тел.

Круг указанных вопросов рассматривается в основных разделах технической термодинамики и теплопередачи, являющихся теоретическими основами теплотехники. В прикладную часть изучаемого курса включены разделы, относящиеся к теплоэнергетическим установкам, топливу, топкам, котельным установкам, печам и другому теплотехническому оборудованию.

При изучении курса студенты должны выполнить контрольную работу.

Методические указания содержат программу и контрольные задания, относящиеся к теоретическим основам курса. При выполнении контрольной работы должны соблюдаться следующие требования: выписать условия задачи; решение должно сопровождаться пояснительным текстом, в котором указываются наименование и способы определения исходных и вычисляемых величин, их размерность. В конце работы приводится список используемой учебной и справочной литературы. Все расчеты проводятся с использованием единиц измерения системы СИ.

Учебным планом предусмотрено выполнение лабораторных работ. По окончании курса сдается экзамен для проверки знаний теоретического материала, лабораторного практикума, умения решать практические задачи.

Перечень лабораторных работ:

1.  Определение теплоемкости воздуха.

2.  Определение параметров влажного воздуха.

3.  Определение показателя адиабаты для воздуха.

4.  Определение коэффициента теплопроводности материалов методом цилиндрического слоя.

5.  Теплоотдача горизонтальной трубы при свободном движении воздуха.

6.  Исследование работы воздушного поршневого компрессора.

7.  Исследование работы парокомпрессионной холодильной машины.

ПРОГРАММА И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО РАЗДЕЛАМ КУРСА

1. Введение

Роль теплотехники в общем развитии науки и техники. Техническая термодинамика и теплопередача как теоретические основы теплотехники. Историческое развитие и современный уровень отечественной и мировой теплотехнической науки. Структура курса «теплотехника» и его значение в подготовке инженерных кадров.

Литература: [1] с. 3-7, [2] с. 3-6, [3] с.5-10, [4] с.7-8.

Современная техника требует от инженера глубокого знания тепловых процессов, происходящих в различных тепловых машинах и аппаратах пищевых производств, предусматривает самое широкое использование теплоты для технологических целей.

2.  Техническая термодинамика

2.1. Основные понятия и определения

Назначение и предмет изучения технической термодинамики. Рабочее тело. Термодинамическая система. Основные параметры состояния рабочего тела. Уравнение состояния идеальных газов. Смеси идеальных газов.

Литература: [2] с. 7-12, [3] с.11-32, [4] с.7-13.

При изучении данной темы следует уяснить себе, что теплота представляет собой энергию хаотического поступательного и вращательного движения атомов и молекул вещества. Между тем, термодинамика отвлекается от внутреннего строения вещества и на основе общих закономерностей, не рассматривая квантовую природу тел, получает результаты большой научной и практической ценности.

Взаимопревращения теплоты и работы осуществляются при помощи рабочего тела. В качестве рабочих тел обычно используют газы и пары вследствие больших изменений объемов при изменении давления и температуры.

Основные термические параметры состояния рабочих тел - давление, удельный объем и температура – связаны между собой уравнением состояния.

Необходимо обратить внимание на то, что поскольку параметры связаны одним уравнением, два параметра являются независимыми и могут принимать любые численные значения, при этом третий параметр принимает только одно определенное значение – он зависит от первых двух. Это позволяет изображать термодинамические процессы изменения состояния рабочих тел в двухмерной системе координат, например, в p-v, T-s.

Термодинамика, в отличие от химии, где применяются понятие «моль», вводит единицу вещества «киломоль», величина которой численно равна молекулярной массе вещества в килограммах.

При изучении газовых смесей необходимо хорошо усвоить массовый и объемный способ их задания, переход от одного состава к другому. Необходимо разобраться в понятиях парциальное давление и парциальный объем. Научиться определять молекулярную массу и газовую постоянную смеси.

Вопросы для самопроверки.

1.  В чем общность и различие понятий теплота и работа?

2.  Что такое рабочее тело?

3.  Каковы единицы измерения параметров состояния рабочего тела?

4.  Напишите уравнение Менделеева - Клапейрона и укажите, в каких единицах измеряются величины, входящие в него.

5.  Разъясните физический смысл газовой постоянной.

6.  Какой газ называют идеальным, укажите его отличие от реального.

7.  Что такое парциальное давление и парциальный объем компонентов газовой смеси? Дайте формулировку закона Дальтона.

8.  Как определить кажущуюся молекулярную массу и газовую постоянную газовой смеси?

2.2.  Теплоемкость

Физическая сущность теплоемкости. Массовая, объемная и мольная теплоемкости. Изобарная и изохорная теплоемкости. Истинная и средняя теплоемкости и связи между ними. Определение количества теплоты через среднюю теплоемкость. Зависимость теплоемкости от температуры и давления. Теплоемкость смеси газов.

Литература: [3] с.63-73, [4] с.14-16.

При изучении темы студент должен хорошо усвоить, что в зависимости от единицы измерения количества вещества применяют теплоемкость массовую, объемную и мольную.

Так как количество теплоты зависит от вида процесса изменения состояния, то удельная теплоемкость зависит от процесса. В технической термодинамике наибольшее значение имеют теплоемкости при постоянном давлении ср и при постоянном объеме сv. Не следует путать понятие теплоемкости при постоянном объеме с объемной теплоемкостью.

Необходимо уяснить, что теплоемкости газов в значительно большей степени зависят от температуры, нежели от давления. Поэтому в справочной литературе и учебниках даются интерполяционные формулы или таблицы зависимости теплоемкостей от температуры.

Вопросы для самопроверки.

1.  Что такое удельная теплоемкость веществ? К каким единицам количества вещества относят теплоемкость?

2.  Как перейти от массовой теплоемкости газов к объемной и обратно? От мольной к массовой и объемной?

3.  Какова связь между изобарной и изохорной теплоемкостями? Почему ср > сv?

4.  Что такое истинная и средняя теплоемкости?

5.  Как определить изменение количества теплоты в каком-либо процессе, если известна средняя теплоемкость данного процесса в заданном интервале температур?

2.3. Первый закон термодинамики

Теплота и работа как форма передачи энергии в термодинамическом процессе. Внутренняя тепловая энергия тела. Первый закон термодинамики как частный случай общего закона сохранения и превращения энергии. Аналитическое выражение первого закона термодинамики.

Литература: [3] с.46-61, [4] с.17-36, [5] с.16-28.

Первый закон термодинамики является одной из формулировок универсального закона сохранения и превращения энергии применительно к тепловым явлениям. Он утверждает, что изменение полной энергии термодинамической системы осуществляется в форме теплоты и работы. Следует уяснить, что теплота является результатом передачи внутренней энергии хаотического теплового движения микрофизическим путем, а работа - результат передачи энергии направленного движения макрофизическим путем. В первом случае отсутствует видимое движение тел, во втором случае оно необходимо.

Аналитическое выражение первого закона термодинамики принято записывать в двух формах: dq=du+p×dv=di-v×dp, которые совершено равноправны. Во второй записи закона вводится понятие энтальпии и технической работы. В этой связи необходимо уяснить различия между работой расширения и технической работой, внутренней энергией и энтальпией.

Вопросы для самопроверки.

1.  Дайте формулировку первого закона термодинамики. Какова физическая сущность величин, входящих в аналитическое выражение первого закона?

2.  Почему работа расширения в уравнении первого закона положительна, а техническая работа «– v×dp»?

3.  Что такое энтальпия?

2.4.  Второй закон термодинамики

Обратимые и необратимые процессы. Формулировки второго закона термодинамики. Энтропия как интегрирующий множитель уравнения первого закона термодинамики, как параметр состояния тела и системы тел.

Аналитическое выражение второго закона термодинамики. Энтропия как характеристика вероятностного состояния системы тел. Изменение энтропии в необратимых процессах. Статистическое толкование второго закона термодинамики. Критика теории «тепловой смерти» Вселенной.

Литература: [3] с.73-78, 95-119, [4] с.26-53, [5] с.39-62.

С точки зрения первого закона термодинамики процесс преобразования теплоты в механическую работу и обратный процесс одинаково возможны.

Однако, как показывает практика, все существующие виды энергии направленного движения обладают способностью эквивалентно переходить в теплоту. Обратный же переход теплоты, как энергии хаотического движения, в энергию направленного движения, то есть в работу, требует создания дополнительных условий. Например, создание цикла теплового двигателя с привлечением рабочего тела. Кроме того, переход теплоты в работу не может происходить полностью. Часть ее эквивалентно переходит в работу, согласно первому закону термодинамики, а часть передается холодному источнику, согласно второму закону термодинамики.

При изучении формулировок второго закона термодинамики следует помнить, что они взаимосвязаны и не противоречат друг другу.

Энтропия как параметр состояния тела вместе с внутренней энергией и энтальпией составляет систему калорических параметров и оказывается удобной для анализа и расчетов теплотехнических установок. Вместе с тем, энтропия может характеризовать рабочие тела и системы тел как показатель необратимости процессов.

Вопросы для самопроверки.

1.  Что такое обратимый и необратимый процесс?

2.  Дайте основные формулировки второго закона термодинамики.

3.  Изобразите в p-v и T-s- координатах прямой и обратный циклы Карно.

4.  Сущность статистического толкования второго закона термодинамики.

2.5.  Основные процессы идеальных газов

Основные термодинамические процессы. Метод исследования. Зависимость между параметрами и изменение внутренней энергии, энтальпии, энтропии. Определение работы и теплоты в изохорном, изобарном, изотермическом, адиабатном, политропном процессах.

Литература: [2] с. 71-86, [3] с.79-94, [4] с.138-148.

Основные термодинамические процессы осуществляются в теплотехнических установках, тепловых двигателях, технологических процессах и т. д., поэтому изучению данной темы следует уделить особое внимание. В итоге студент должен уметь выводить уравнения процессов в переменных p-v, T-s и изображать данные процессы графически в координатах p-v, T-s.

Следует обратить внимание на изменение энтропии в идеальном и реальном адиабатном процессе и уяснить, что в данном случае энтропия выступает как мера степени совершенства адиабатного процесса. Чем выше потери на трение в реальном процессе, тем больше рост энтропии, а значит, больше потери энергии и работоспособности.

Вопросы для самопроверки.

Изобразите основные термодинамические процессы в координатах p-v и T-s. Изменяется ли температура газа в адиабатном процессе? Нужно ли отводить теплоту от газа при его изотермическом сжатии? Каковы величины показателя политропы для основных термодинамических процессов? Круче или положе расположена изобара в сравнении с изохорой в координатах T-s? Круче или положе расположена адиабата в сравнении с изотермой в координатах p-v?

2.6.  Реальный газ и водяной пар

Отличие реального газа от идеального. Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изменение состояния реального газа в диаграммах p-v и T-s. Испарение, кипение, конденсация. Плавление и сублимация. Критическая точка. Тройная точка.

Влажный насыщенный, сухой насыщенный и перегретый водяной пар. Таблицы термодинамических свойства воды и водяного пара. Диаграммы p-v, T-s и i-s для воды и водяного пара. Изображение основных процессов изменения состояния воды и пара в диаграммах p-v и T-s.

Литература: [3] с.33-45, 161-179, [4] с.100-125, [5] с.92-103.

В современных технологических процессах, тепловых двигателях и холодильных установках используются рабочие тела, изменяющие свое агрегатное состояние. К ним прежде всего относятся вода и водяной пар, фреоны, аммиак и т. д. Поэтому студенты должны знать поведение веществ при фазовых переходах, уметь рассчитывать параметры рабочих тел, пользуясь таблицами и диаграммами.

Необходимо уяснить понятия влажного насыщенного, сухого насыщенного и перегретого водяного пара. При изучении таблиц и диаграмм воды и водяного пара следует ознакомиться с принципами их построения. Студенты должны уметь изображать изобарный процесс перехода воды в пар и обратно; адиабатный процесс; изотермический процесс и т. д. и особенности их расчета.

Вопросы для самопроверки.

1.  Что такое испарение и конденсация?

2.  Что такое плавление и сублимация?

3.  Что собой характеризует тройная точка?

4.  Что собой характеризует критическая точка? Чему равна теплота парообразования в критической точке?

5.  Изобразите диаграммы p-v и T-s водяного пара и укажите области влажного насыщенного, сухого насыщенного и перегретого пара, кипящей воды, недогретой воды.

6.  Изобразите основные термодинамические процессы водяного пара в диаграммах p-v и T-s.

2.7.  Истечение газов и паров

Основные понятия об истечении. Уравнение движения газового потока. Скорость звука как критическая скорость истечения. Максимальный расход при истечении. Критическое отношение давлений. Сверхзвуковое сопло Лаваля. Определение скорости адиабатного истечения по изменению энтальпии.

Дросселирование. Потеря работоспособности рабочего тела при дросселировании. Изменение энтропии. Смешение газов и паров.

Литература: [3] с.180-203, [4] с.172-211.

При изучении данной темы студент должен уяснить общие закономерности движения сжимаемой жидкости, газа, уравнение движения, изменение конфигурации сопла при переходе через скорость звука. В случае наличия только сужающегося сопла, на его выходе при определенном отношении давлений, называемом критическим, устанавливается критическая скорость, равная скорости звука. При этом через сопло устанавливается максимальный расход. При определении скорости истечения пара нужно умет пользоваться диаграммой i-s. При рассмотрении адиабатного процесса дросселирования необходимо запомнить, что в силу явной необратимости процесса энтропия рабочего тела возрастает. Так как энтальпия тела при этом остается постоянной, а работоспособность его падает, то энтропия в данном случае выступает как мера качества энергии тела.

Следует уяснить, что температура в процессе дросселирования идеального газа остается постоянной. Температура реального газа может увеличиваться, уменьшаться и оставаться постоянной. Температуру, значение которой в процессе дросселирования остается постоянной, называют температурой инверсии.

В разделе смешения газов и паров следует уяснить рост энтропии при смешении различных газов. Здесь энтропия выступает как характеристика вероятностного состояния системы тел. Так как при росте энтропии происходит падение работоспособности системы, то для разделения различных газов необходимо затратить определенное количество работы или энергии.

Вопросы для самопроверки

1.  Для какой цели служит сопло Лаваля?

2.  Что такое критическое отношение давлений при истечении?

3.  Что такое процесс дросселирования?

4.  Как изображаются процессы адиабатного истечения и дросселирования в i-s-диаграмме?

5.  Что такое температура инверсии?

6.  Почему при разделении газов необходимо затрачивать энергию?

2.8.  Циклы паротурбинной установки

Цикл Ренкина простейшей паротурбинной установки и ее схема. Методы повышения эффективности паротурбинных установок. Образцовый цикл. Вторичный перегрев пара, регенерация теплоты.

Термодинамические основы теплофикации. Понятие о парогазовых циклах.

Литература: [2] с. 190-198, [3] с.269-288, [4] с.103-132.

При изучении темы следует уяснить, что главным преимуществом паротурбинных установок, работающих по циклу Ренкина, является низкая работа сжатия воды в насосе. Поэтому реальный цикл Карно проигрывает по эффективности циклу Ренкина. Кроме того, в паротурбинных установках создается наиболее низкая температура отвода тепла. Малые удельные объемы воды и водяного пара позволяют получать большие мощности при сравнительно малых габаритах установки.

Для увеличения эффективности паротурбинных установок применяют промежуточный перегрев пара, регенеративный подогрев питательной воды, что совместно увеличивает начальную температуру подвода теплоты в цикле. Таким образом, цикл паротурбинной установки наиболее приближен к образцовому. Здесь же необходимо обратить внимание на определение образцового цикла, данное в [5].

При изучении теплофикационного цикла необходимо уяснить увеличение общей эффективности выработки тепловой и электрической энергии, несмотря на снижение КПД цикла вследствие увеличения температуры отвода теплоты. Одним из методов увеличения КПД установок является применение бинарных циклов, к которым относятся парогазовые установки. Студенту необходимо представлять причины увеличения КПД в данном случае.

Вопросы для самопроверки

1.  Изобразите простейшую схему паротурбинной установки и ее цикл в p-v и T - s-координатах.

2.  Что такое образцовый цикл теплоэнергетической установки?

3.  Изобразите образцовый цикл паротурбинной установки в p-v и T-s-координатах.

4.  Нарисуйте схему теплофикационной установки.

5.  Изобразите в p-v и T-s-координатах цикл парогазовой установки.

2.9.  Газовые циклы

Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Цикл ДВС с подводом тепла по изохоре, цикл с подводом тепла по изобаре. Цикл ДВС со смешанным подводом тепла. Сравнение циклов.

Компрессоры. Адиабатное, изотермическое, политропное сжатие. Многоступенчатый компрессор с промежуточным охлаждением.

Циклы газовых турбин с подводом тепла при постоянном давлении и при постоянном объеме.

Литература: [2] с. 148-188, [3] с.222-268, [5] с.69-92.

При изучении компрессорных машин следует обратить внимание на то, что несмотря на различные принципы сжатия в машинах статического сжатия (поршневые и ротационные) и динамического сжатия (центробежные, осевые) термодинамические основы остаются одинаковыми. Необходимо запомнить, что при изотермическом сжатии затрачиваемая работа наименьшая в сравнении с другими процессами. Поэтому целесообразно применение политропного многоступенчатого сжатия с промежуточным охлаждением, как процесса, наиболее приближенного к изотермическому.

Студент также должен усвоить принцип и циклы работы газовых турбин. Рекомендуется при этом изучение и сравнение циклов проводить в основном в диаграмме T-s.

Вопросы для самопроверки

1.  Изобразите в диаграммах p-v и T-s адиабатный и изотермический процессы сжатия и покажите экономию работы при изотермическом сжатии.

2.  Изобразите в p-v и T-s - диаграммах ступенчатый процесс сжатия с промежуточным охлаждением и покажите экономию работы в сравнении с одноступенчатым адиабатным сжатием.

3.  Изобразите циклы ДВС в p-v и T-s - диаграммах и сравните их эффективность.

4.  Назовите преимущества газовых турбин в сравнении с поршневыми двигателями внутреннего сгорания.

5.  Изобразите циклы газотурбинных установок в p-v и T-s - диаграммах и их принципиальные схемы.

2.10. Циклы холодильных установок

Холодильные установки и тепловые насосы. Холодильный и тепловой коэффициент. Схема и цикл парокомпрессионной установки. Сравнение циклов. Методы увеличения эффективности. Принципы построения образцового цикла холодильной установки.

Понятие о пароэжекторных и абсорбционных холодильных установках.

Литература: [2] с. 217-225, [3] с.290-301, [5] с.151-160.

Изучение следует начать с газовой холодильной установки. Затем перейти к парокомпрессионной. Уяснить, что вследствие большего приближения циклов парокомпрессионных установок к циклу Карно, они обладают большей эффективностью по сравнению с газовыми, а потому шире применяются. Установить влияние потерь от необратимости при дросселировании и теплообмене в компрессоре. Необходимо запомнить методы увеличения эффективности циклов, такие как применение регенерации тепла, уменьшение работы сжатия, применение многоступенчатых циклов.

Следует уяснить, что не всегда стремление приблизить цикл установки к циклу Карно оправдано. Реальные циклы с потерями тепла и работы на трение необходимо приближать к образцовым циклам. Необходимо получить представление о работе пароэжекторных и абсорбционных установок.

Вопросы для самопроверки.

1.  Что такое холодильный коэффициент?

2.  Каково отличие теплового насоса от холодильной установки?

3.  Что такое тепловой коэффициент?

4.  Изобразите образцовый цикл холодильной установки.

2.11. Влажный воздух

Закон Дальтона применительно к влажному воздуху. Абсолютная и относительная влажность. Влагосодержание. Температура точки росы, мокрого термометра. Энтальпия влажного воздуха.

I-d-диаграмма для влажного воздуха. Процессы во влажном воздухе. Сушка и увлажнение.

Литература: [3] с.210-217, [5] с.147-150.

В пищевой промышленности большое количество теплоты расходуется на сушку продукции.

При изучении влажного воздуха нужно понять, что он с достаточной степенью точности подчиняется законам смеси идеальных газов.

Необходимо усвоить понятия абсолютной и относительной влажности, влагосодержания и пределы их изменения.

Следует приобрести навыки в использовании таблиц и диаграмм влажного воздуха, по I-d-диаграмме научиться определять все параметры влажного воздуха.

Необходимо уяснить, что температура точки росы, адиабатного насыщения и близкая к ним температура мокрого термометра, являются одним параметром в разных физических процессах – температурой насыщения водяного пара при определенном давлении.

Вопросы для самопроверки.

1.  Что такое относительная влажность воздуха и каковы пределы ее изменения?

2.  Что такое влагосодержание, в каких пределах изменяется?

3.  С какой целью ось ординат в I-d- диаграмме развернута под углом 135° к оси абсцисс?

4.  Как определить энтальпию влажного воздуха?

5.  Как проходит линия изоэнтальп в I-d-диаграмме?

6.  Изобразите процесс сушки в I-d-диаграмме.

7.  Какими способами можно перевести воздух в состояние насыщения?

3. Основы теплопередачи

3.1. Основные понятия и определения

Основные виды передачи тепла. Теплопроводность, конвекция, тепловое излучение. Сложный теплообмен.

Литература: [3] с.306-314, [6] с.4-5.

Как показали исследования, передача теплоты является сложным процессом, который условно можно разделить на три элементарных: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. В чистом виде элементарные виды передачи теплоты встречаются редко, в большинстве случаев один вид передачи сопровождается другим.

В теплообменных аппаратах осуществляется процесс теплопередачи. Обычно под теплопередачей понимают передачу теплоты от одной жидкости к другой через разделяющую их стенку. Поэтому теплопередачу следует рассматривать как теплопроводность при граничных условиях 3-го рода.

Вопросы для самопроверки.

1.  Что такое теплопроводность?

2.  Что такое конвекция?

3.  Что такое тепловое излучение?

4.  Что такое теплопередача?

3.2. Теплопроводность

Физический смысл явления теплопроводности. Температурное поле, стационарное и нестационарное. Градиент температур. Закон теплопроводности Фурье. Коэффициент теплопроводности. Теплопроводность металлов, газов, теплоизоляционных материалов. Теплопроводность плоской однослойной стенки, однослойной цилиндрической стенки. Теплопроводность многослойной плоской и цилиндрической стенок.

Литература: [3] с.315-336, [6] с.3-5.

Изучение темы следует начать с понятия о температурном поле, градиенте температур. Затем ознакомиться с основным законом теплопроводности – законом Фурье.

Следует понять физический смысл коэффициента теплопроводности металлов, газов, теплоизоляционных материалов. Должна быть усвоена методика решения задач теплопроводности для плоской и цилиндрической стенок. Необходимо усвоить понятия: количество теплоты, тепловой поток, плотность теплового потока и запись закона Фурье для указанных величин.

Вопросы для самопроверки.

1.  Что такое стационарное и нестационарное температурное поле?

2.  Что такое температурный градиент, его физический смысл?

3.  Дайте формулировку закона Фурье.

4.  Напишите формулу для плотности теплового потока через плоскую многослойную стенку.

5.  Каков механизм процесса передачи теплоты в металлах?

6.  Каков механизм процесса передачи теплоты в теплоизоляционном материале?

7.  Как влияет пористость и влажность на коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов?

3.3. Конвективный теплообмен

Физическая сущность конвективного теплообмена. Закон Ньютона-Рихмана. Факторы, влияющие на интенсивность теплообмена. Дифференциальное уравнение теплообмена. Теория подобия. Критерии подобия. Критериальные уравнения. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости в трубах и каналах. Теплообмен при вынужденном поперечном обтекании пучков труб. Теплоотдача при естественной конвекции. Теплообмен при изменении агрегатного состояния среды.

Литература: [3] с.348-390, [6] с.32-148.

Изучению конвективного теплообмена должно предшествовать повторение таких понятий, как ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости, формирование пограничного слоя при обтекании жидкостью твердых тел.

Конвективный теплообмен решающим образом зависит от режима обтекания стенки: при ламинарном режиме он минимален, при искусственной крупномасштабной турбулентности максимален. Большое влияние на теплообмен при турбулентном омывании оказывает толщина ламинарного пограничного слоя. Чем выше его толщина, тем слабее теплообмен.

Коэффициент теплоотдачи, входящий в уравнение Ньютона-Рихмана, определяется с помощью критериальных уравнений, которые в свою очередь получены с привлечением теории подобия. Поэтому необходимо хорошо разобраться в сущности теории подобия, запомнить основные критерии – Рейнольдса, Грасгофа, Нуссельта, Прандтля, и входящие в них величины.

Для конкретных задач конвективного теплообмена следует уметь подобрать соответствующую форму критериального уравнения. При омывании пучков труб обратить внимание на преимущества и недостатки коридорных и шахматных пучков.

Вопросы для самопроверки.

1.  Какова физическая сущность коэффициента теплоотдачи?

2.  Как влияет скорость и характер процесса омывания на величину коэффициента теплоотдачи?

3.  Запишите основные критерии подобия, определяющие конвективный теплообмен. Какие величины входят в критерии подобия?

4.  Напишите принципиальный вид критериального уравнения для вынужденного и свободного движений жидкости в трубах.

5.  Назовите основные способы интенсификации конвективного теплообмена.

6.  Дайте сравнение интенсивности теплообмена при конденсации на горизонтальных и вертикальных трубах.

7.  Почему в пузырьковом режиме кипения коэффициент теплоотдачи имеет большое значение?

8.  В чем сущность кризиса теплообмена при кипении?

3.4. Лучистый теплообмен

Природа теплового излучения. Поглощательная, отражательная и пропускательная способности тел. Серое тело. Законы Планка, Кирхгофа, Стефана-Больцмана. Теплообмен излучением между телами. Экраны. Лучистый теплообмен газовых сред.

Литература: [3] с.402-422, [6] с.149-179.

Явление теплового излучения – это распространение энергии в виде электромагнитных волн с двойным преобразованием энергии. Наибольшее значение в тепловой технике имеют волны инфракрасного спектра, называемые тепловыми лучами. При изучении материала следует обратить внимание на отличия в понятиях интенсивности спектрального, интегрального излучения и законы Планка, Кирхгофа, Стефана-Больцмана. Затем разобрать излучение между телами. Уяснить способы интенсификации и ослабления лучистого теплообмена.

Касаясь газов, следует уяснить особенности их избирательного излучения и поглощения электромагнитных волн. Поэтому на интенсивность излучения и поглощения газовых объемов влияет насыщение их твердыми частицами.

Вопросы для самопроверки.

1.  Как выглядит график, иллюстрирующий закон Планка?

2.  Как изменяется излучаемая энергия с увеличением температуры тела?

3.  Напишите закон излучения Стефана-Больцмана.

4.  Напишите формулу лучистого теплообмена между двумя серыми параллельными пластинами.

5.  Как количественно снижает интенсивность лучистого теплообмена между телами один экран?

6.  Чем отличается тепловое излучение твердых тел от теплового излучения газов?

3.5. Теплопередача и теплообменные аппараты

Передача теплоты через многослойную плоскую стенку. Выражения для теплового потока, коэффициента теплопередачи, термического сопротивления. Методы интенсификации теплопередачи.

Передача теплоты через цилиндрическую стенку. Критический диаметр изоляции. Оребрение как метод интенсификации теплопередачи.

Классификация теплообменников. Схемы движения теплоносителей. Температурный напор. Сравнение схем движения теплоносителей по температурному напору. Основы теплового расчета теплообменников.

Литература: [3] с.424-432, [6] с.180-204, 228-254.

В данной теме необходимо запомнить выражение коэффициента теплопередачи, основываясь на котором можно делать выводы о методах интенсификации теплопередачи.

В теплообменных аппаратах следует усвоить особенности теплообмена в прямоточных и противоточных теплообменниках, методику определения температурного напора.

Нужно четко представлять основные расчетные формулы, необходимые для расчета теплообменников.

Вопросы для самопроверки.

1.  Какова физическая сущность коэффициента теплопередачи?

2.  Каковы пути и методы интенсификации теплопередачи.

3.  Напишите формулу для определения температурного напора.

4.  В какой из схем движения теплоносителей (прямоточной или противоточной) температурный напор выше?

5.  Напишите уравнения, необходимые для теплового расчета теплообменников.

6.  В чем проявляется преимущества противоточной схемы по сравнению с прямоточной?

После освоения теоретических основ курса следует приступить к последовательному рассмотрению наиболее важных тем прикладной части курса, в которой представлены вопросы расчета и безопасной эксплуатации высокотемпературных теплотехнических установок. Программой курса предусматривается ознакомление с теплотехническими характеристиками различных видов топлива, основами теории горения, расчетами горения твердого, жидкого и газообразного топлива. В раздел «Котельные установки» включены темы топочных устройств и котельных агрегатов. Для специализации по оборудованию пищевых производств представляют особый интерес вопросы теплового расчета и работы промышленных печей хлебопекарного и кондитерского производств.

4. Теплотехнические установки

4. 1. Топливо и основы теории горения

1.1.1. Теплотехнические характеристики топлива

Понятие о топливе и его классификация. Элементарный состав топлива. Теплота сгорания, влажность, зольность, выход летучих веществ. Понятие об условном топливе. Проблемы экономии топлива и экологии при выбросе продуктов горения топлива.

Литература: [5] с.228-239.

До 80% мирового потребления энергоресурсов удовлетворяются за счет теплоты, выделяемой при горении органического топлива. Необходимо уметь определять качество каменных и бурых углей, торфа и мазута, природного газа по его характеристикам. Для сравнения различных видов топлива пользуются понятием условного топлива со стандартной теплотой сгорания. Ознакомиться с экологической проблемой сжигания топлива.

1.1.2. Основы теории горения топлива

Понятие о горении. Физико-химические факторы и их влияние на скорость горения. Кинетическая и диффузионная области горения. Понятие о скорости распространения фронта пламени. Особенности горения углей, мазута, природного газа.

Литература: [1] с. 286-295, [5] с.240-246, [6] с.330-336..

Понятие гомогенного и гетерогенного горения связано с особенностями образования топливо-воздушной смеси при сжигании разных по агрегатному состоянию видов топлива. В зависимости от условий смесеобразования горение может развиваться в кинетической или диффузионной областях, от чего и зависит скорость на фронте горения и полнота сгорания топлива. Например, горение твердого топлива является диффузионным, так как диффузия окислителя на поверхность частицы топлива определяет скорость горения. В этой связи можно понять обоснование путей интенсификации горения.

Вопросы для самопроверки

1.  Чем отличается гомогенное горение от гетерогенного?

2.  Что понимают под скоростью горения на фронте пламени?

3.  В чем различие между кинетическим и диффузионным горением?

4.  Как влияет качество смеси на скорость горения топлива?

5.  Каковы особенности горения твердого, жидкого и газообразного топлив?

1.1.3. Расчеты горения топлива

Определение теоретически необходимого объема воздуха для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива. Коэффициент избытка воздуха. Расчет объемов продуктов сгорания при стехиометрическом горении и при горении с a>1. Энтальпия продуктов сгорания. Теоретическая температура горения. Таблица и диаграмма H- продуктов сгорания.