Презентация Теоретические основы теплотехники онлайн

Содержание слайда:

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: 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)

Содержание слайда: 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

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда:

Содержание слайда: Термодинамические параметры

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда:

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: Диаграмма pv воды и водяного пара

Содержание слайда: 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/

Содержание слайда: Основные законы идеальных газов (продолжение)

Содержание слайда: 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

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: 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

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: Термодинамические процессы идеальных газов

Содержание слайда: 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:

Содержание слайда: 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 .

Содержание слайда: 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 .

Содержание слайда: 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 .

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: Термодинамические свойства воды и водяного пара

Содержание слайда: Диаграммы hs- и Ts– для воды и водяного пара.

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: 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

Содержание слайда: 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

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: 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)

Содержание слайда: 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.

Содержание слайда: 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

Содержание слайда: 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

Содержание слайда: 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 ,

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

Содержание слайда: 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

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