Теоретические основы теплотехники презентация

Что такое термодинамика Термодинамика это наука, изучающая физические свойства макроскопических систем (тел 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.

Виды термодинамики В инженерной практике различают: общую или физическую термодинамику; химическую термодинамику, 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)

Термодинамическая система Термодинамическая система это совокупность тел (субстанций), могущих обмениваться между собой 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

Термодинамические процессы Термодинамический процесс это всякое изменение, происходящее в термодинамической системе и 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.

Термодинамическое равновесие Термодинамическое равновесие это состояние, в которое, в конце концов, приходит 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.

Термодинамические параметры

Термодинамические параметры (продолжение) Температура - интенсивность теплового движения атомов, молекул и других 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.

Термодинамические параметры (продолжение) Плотность , кг/м3, - отношение массы к объему; В практике используется понятия удельный объем v, м3/кг и удельного веса: γ = ρ·g= т·g/ V. Плотность может характеризовать фазу вещества: для газов   = 0,2 ÷ 2,5 кг/м3; для жидкостей   = 500 ÷ 3000 кг/м3; для твердых веществ   > 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.

Состояние веществ Любое вещество может находиться в газообразном, жидком и твердом состоянии. 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.

Диаграмма pv воды и водяного пара

Основные законы идеальных газов Закон Бойля-Мариота (открыт в 1662-1676 г.): 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/

Основные законы идеальных газов (продолжение)

Первое начало термодинамики 1-е опредление. Энергия не исчезает и не возникает 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

Первое начало термодинамики (продолжение) Таким образом, внешняя работа это сумма изменений работы проталкивания и кинетической энергии. Это уравнение после дифференцирования можно представить в виде: Работы зависят от направления процесса 1-2 и не являются параметрами состояния.

Свойства термодинамических процессов Равновесные и неравновесные процессы. Процесс, при котором изменение какого-либо 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

Свойства термодинамических процессов (продолжение) Термодинамические процессы могут быть стационарными и нестационарными. Если 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.

Термодинамические процессы идеальных газов

Термодинамические процессы идеальных газов (продолжение) Закономерности изменения параметров могут быть описаны следующими 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:

Изохорный и изобарный процессы 1. Изохорный процесс: v = const. 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 .

Изотермический и адиабатический процессы 3. Изотермический процесс: Т = const. - 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 .

Политропный процесс 5. Политропный процесс – общий процесс, объединяющий все вышеперечисленные. 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 .

Термодинамические процессы Политропный процесс можно рассматривать как обобщающий все остальные термодинамические процессы: при n = 0 – изобарический процесс; при n = 1 – изотермический; при n = k – адиабатический; при n =  - изохорный процесс.

Термодинамические свойства воды и водяного пара

Диаграммы hs- и Ts– для воды и водяного пара.

Термодинамические циклы Цикл (круг, от греч.) совокупность процессов в системе периодически повторяющихся явлений, при которых объект, подвергающийся изменению в определенной последовательности, вновь приходит в исходное положение.

Работа цикла При процессе расширения работа (тепло) подводится к рабочему телу и 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.

Второй закон термодинамики Для осуществления термодинамического цикла необходимо иметь не только источник 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

Термодинамические циклы Если процессы расширения располагаются выше процессов сжатия ( ), 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

Цикл Карно Цикл Карно состоит в преобразовании тепла в работу при наличии 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.

Цикл Ренкина На всех ТЭС и АЭС активно используется цикл, открытый шотландским 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)

Общие понятия о процессе теплообмена Теплообменом называется необратимый самопроизвольный процесс переноса тепловой 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.

Теплопроводность Теплопроводность –теплообмен, при котором перенос тепловой энергии в неравномерно нагретой среде 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

Конвективный теплообмен Конвективный теплообмен – процесс переноса теплоты в неравномерно нагретой жидкой, 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

Теплопередача через стенку Этапы теплопередачи через стенку 1. Теплопередача от более горячей движущейся 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 ,

Тепловой баланс Температурный напор при расчете теплопередачи в теплообменниках определяется как осредненное значение от входного до выходного сечений.

Теплообмен излучением Электромагнитное излучение с длиной волны от 8·10-10 до 8·10-4 м создает тепловое воздействие. Такой теплообмен возникает за счет хаотического движения молекул одного тела, которое передается другому телу, вызывая в нем аналогичные колебания молекул

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) Благодарю за внимание Ефимов Николай Николаевич – проф., д.т.н., зав каф. ТЭС