Основы теплотехники и гидравлики

В. С. Лахмаков
В. А. Коротинский

СНОВЫ 
ТЕПЛОТЕХНИКИ
И ГИДРАВЛИКИ

 
Учебное пособие
 для учащихся учреждений образования, реализующих 
образовательные программы среднего специального 
образования по сельскохозяйственным специальностям

Учебное электронное издание

Минск
РИПО
2019

ISBN 978-985-503-952-6
© Лахмаков В. С., Коротинский В. А., 2019
                                                                                  © Оформление. Республиканский институт 
                                                              профессионального образования, 2019

О

УДК 621.1:621.22(075.32)
ББК 31.3+30.123я723

Л12
А в т о р ы :
директор Буда-Кошелевского филиала УО «Белорусский государственный аграрный 
технический университет», кандидат технических наук, доцент В. С. Лахмаков;
заведующий кафедрой энергетики того же учреждения образования В. А. Коротинский.

Р е ц е н з е н т ы :
цикловая комиссия «Тракторы и автомобили» УО «Марьиногорский  
государственный Ордена “Знак Почета” аграрно-технический колледж 
имени В. Е. Лобанка» П. Н. Романченко;
заведующий кафедрой «Кораблестроение и гидравлика» Белорусского национального  
технического университета, доктор технических наук, профессор И. В. Качанов.

Л12
Лахмаков, В. С.
Основы теплотехники и гидравлики : учебное пособие [Электронный 
ресурс] / В. С. Лахмаков, В. А. Коротинский. – Минск : РИПО, 2019. – 
…220 с. : ил.
ISBN 978-985-503-952-6.

В учебном пособии изложены вопросы основ теплотехники и гидравлики, раскрыты общие понятия, сформулированы определения. Подробно рассмотрены законы термодинамики, процессы получения водяного 
пара, описаны таблицы и диаграммы водяного пара и порядок их использования. Приведены расчеты теплообменных аппаратов, а также простейших гидравлических машин и емкостей для хранения жидкостей. Дано 
описание конструкции, устройства, характеристик и принципа действия 
основных видов динамических насосов. Предложены конкретные мероприятия и указания по обслуживанию, наладке и эксплуатации простейших гидравлических машин, насосов; основные пути повышения экономичности работы паросиловых установок. 
Второе издание дополнено информацией о современных насосах, их 
характеристиках и применении.
Предназначено для учащихся учреждений среднего специального образования. Может быть полезно практическим работникам в области технического и энергетического обеспечения сельскохозяйственного производства.
Текстовое электронное издание
Текст воспроизводится по печатному изданию 2016 г.
Минимальные системные требования:  
Microsoft Internet Explorer, версия 6.0 и выше,  
Adobe Acrobat Professional, версия 7.0 и выше
Для создания электронного издания использованы
Приложение pdf2swf из ПО Swftools, ПО IPRbooks Reader,
разработанное на основе Adobe Air.

Дата подписания к использованию 04.07.2019. Объем 5 Мб.

               © Лахмаков В. С., Коротинский В. А., 2019

               © Оформление. Республиканский институт

   профессионального образования, 2019

ВВЕДЕНИЕ

Различные сферы человеческой деятельности (промышлен
ность, сельское хозяйство, быт, транспорт и др.) неразрывно связаны с производством и потреблением энергии. Энергия необходима для привода станков, машин, агрегатов, а также бытовых 
машин, для освещения, для выполнения сельскохозяйственных 
работ. Она широко используется при обогреве жилых, общественных и производственных помещений, для удовлетворения 
коммунально-бытовых потребителей. Проблемы обеспечения 
энергией решает энергетика.

Энергетика – это топливно-энергетический комплекс стра
ны, охватывающий получение, передачу, преобразование и использование различных видов энергии и энергетических ресурсов. 
Она является точкой пересечения энергетической, экономической 
и социальной составляющих общественного развития и регулирующим фактором в эколого-экономическом пространстве.

Основой современной энергетики является теплотехника.
Теплотехника – это отрасль науки и техники, охватываю
щая методы и устройства для получения, транспортирования, 
преобразования и использования тепловой энергии (теплоты).

Теплота вырабатывается в топках котельных установок, 

промышленных и отопительных печах, различных камерах сгорания. При производстве теплоты используются также ядерные 
реакторы, энергия земных недр и излучения солнца. Вопросы 
производства и использования тепловой энергии рассматриваются в теплотехнике как общеинженерной учебной дисциплине, 
которая изучает принцип действия и конструктивные особенности тепловых двигателей, холодильных установок, компрессорных машин, теплообменных аппаратов, котельных устано

Введение

вок, тепловых электрических станций, систем теплоснабжения 
и других аппаратов и устройств.

Теплотехника занимает ведущее место в подготовке высо
коквалифицированных специалистов сельского хозяйства. Знание теплотехники позволяет проанализировать энергетические 
особенности рассматриваемых процессов, разобраться в физической сущности и закономерностях тепловых явлений, сопровождающих практически любой производственный процесс, и 
установить комплекс мероприятий по снижению расхода топлива и энергии.

Учебная дисциплина «Теплотехника» включает три боль
ших раздела: 

Теоретические основы теплотехники (техническая термоди
намика, основы тепло- и массообмена);

Теплоэнергетические установки (котельные установки, те
пловые двигатели, компрессорные машины, тепловые электрические станции);

Теплотехнология (отопление, вентиляция, горячее водо
снабжение производственных и жилых зданий, теплоснабжение 
ферм, комплексов и сооружений защищенного грунта, сушка 
продуктов сельскохозяйственного производства, применение 
холода в сельском хозяйстве).

Мы рассмотрим вопросы только первого раздела «Теорети
ческие основы теплотехники» – техническую термодинамику и 
основы тепло- и массообмена.

В существующей реальности окружающий мир (окружаю
щая среда), все явления природы, жизнедеятельность человека, 
животных непосредственно связаны с гидравликой.

Реки, озера, водохранилища, каналы; питание растений, де
ревьев; душ, баня, сауна; тушение пожаров; опрыскивание сельскохозяйственных растений; топливные системы; системы смазки и охлаждения автомобилей, тракторов, сельскохозяйственной 
техники; охлаждение при металлообработке; речной, автомобильный, железнодорожный, авиационный, гидро- и пневмотранспорт – все это непосредственно связано с гидравликой.

И еще один пример: кровообращение человека и живот
ных – сложная гидравлическая система, в которой роль гидрав

Введение

лического двигателя выполняет сердце, а кровеносные сосуды – 
трубопроводы.

Изучив курс гидравлики, вы сможете не только рассчиты
вать мощность сердца как гидравлического двигателя и сравнить ее с лошадиной силой, но и научиться определять потребность в воде сельскохозяйственных объектов (ферма, поселок), 
перерабатывающих предприятий, заводов, фабрик, собственного коттеджа (дачи); вести расчет и подбирать оборудование 
сложных гидравлических систем и гидроприводов; производить 
конструктивные расчеты гидравлических резервуаров и других 
сооружений.

Что же такое гидравлика? Гидравлика – наука, изучающая 

законы равновесия и движения жидкостей; законы взаимодействия покоящейся и движущейся жидкости с другими телами; 
законы взаимодействия жидкостей между собой, а также применение этих законов для решения задач инженерной практики.

Слово «гидравлика» произошло от греческих слов «hýdōr» 

(вода) и «aulós» (труба); следовательно, гидравлика – вода в трубе, или течение воды по трубам.

Области применения гидравлики – сельское хозяйство, ме
лиорация, водное хозяйство, машиностроение, гидротехника, 
гидроэнергетика, водоснабжение и канализация, металлургическая, авиационна, лесная, горная, нефтеперерабатывающая 
промышленность и многие другие.

Основоположники гидравлики как науки – Архимед (трак
тат «О плавающих телах», Леонардо да Винчи, С. Стевин, Г. Галилей, Б. Паскаль, И. Ньютон, Д. Бернулли, Л. Эйлер, М.В. Ломоносов и др.

Гидравлика как научная (учебная) дисциплина включает 

следующие разделы: гидростатика, динамика, насосы, сельскохозяйственное водоснабжение, гидропривод, мелиорация, гидротранспорт, экология водных ресурсов и некоторые другие.

ОСНОВЫ

ТЕПЛОТЕХНИКИ

1. ТЕхНИчЕская ТЕРМоДИНаМИка

1.1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ

Термодинамика в широком смысле слова – это наука об 

энергии и закономерностях ее превращения. Техническая термодинамика занимается вопросами преобразования энергии одного вида в другой во время совершения различных технических 
процессов, связанных с использованием теплоты, в первую очередь – преобразованием теплоты в работу с помощью тепловых 
двигателей и поиском оптимальных путей этого преобразования.

Основы термодинамики были заложены М.В. Ломоносовым, 

установившим в своих трудах о механической теории теплоты 
принцип сохранения энергии. Термодинамика стала развиваться особенно быстро после изобретения И.И. Ползуновым в России и Д. Уаттом в Англии паровой машины. Наиболее бурный 
рост этой науки начался в середине ΧXIX в. Этот период связан 
с трудами таких ученых, как Л. Карно, Ю. Майер, Л. Больцман, 
Р. Клаузиус, Э. Томпсон. Немало сделали для развития термодинамики русские и советские ученые: М.Ф. Окатов, М.П. Авенариус, А.Г. Столетов, И.Н. Шиллер, Б.Б. Голицын и другие.

Принцип построения термодинамики прост – в основу по
ложены два основных закона, установленных опытным путем. 
Первый закон термодинамики характеризует количественную 
сторону процессов превращения энергии. Второй закон устанавливает качественную направленность процессов, происходящих 
в физических системах. Используя только эти два закона, методом строгой дедукции можно получить все основные выводы 
термодинамики.

1.1. общие понятия и определения

Как известно из физики, каждое тело состоит из молекул, 

которые находятся в непрерывном движении. Энергия движения 
молекул называется внутренней кинетической энергией. Энергия 
взаимного притяжения молекул носит название внутренней потенциальной энергии. Сумма внутренних кинетической и потенциальной энергий составляет внутреннюю энергию тела.

Поскольку теплота представляет собой часть внутренней 

энергии, передаваемой в термодинамическом процессе, то принято говорить, что теплота подводится или отводится от тела. 
Энергия, отведенная от тела, считается отрицательной, а подведенная – положительной. Характерной особенностью этой 
формы передачи энергии является то, что осуществляется она 
путем энергетического взаимодействия между молекулами участвующих в процессе тел, т. е. при этом отсутствует видимое 
движение тел.

Работа также представляет собой часть внутренней энергии, 

передаваемой в термодинамическом процессе. Но в отличие от 
теплоты передача энергии в форме работы связана с видимым 
перемещением тела и, в частности, с изменением его объема.

Таким образом, теплота и работа являются не особыми ви
дами энергии, а только различными формами передачи внутренней энергии в термодинамическом процессе.

В 1844–1854 гг. английский физик Д. Джоуль провел опыты, 

которым было суждено сыграть большую роль в науке. Цель 
Джоуля состояла в том, чтобы установить соотношение между 
работой, затрачиваемой при выделении теплоты, и количеством 
выделившейся теплоты. В результате серии тщательно проделанных опытов Джоуль установил, что при затрате одного и того же 
количества работы выделяется всегда одно и то же количество 
теплоты. На основании результатов измерений Джоуль вычислил тепловой (А) и механический (J) эквиваленты теплоты: 

А = 0,002345 ккал/кгсΧ⋅м; J = 427 кгсΧ⋅м/ккал

Впоследствии значения теплового и механического эквива
лентов теплоты, полученные Джоулем, были несколько уточнены. Соотношения между единицами работы и теплоты на современном этапе составляют:

1 кДж = 0,23884 ккал ≈ 0,24 ккал;
1 ккал = 4,1868 кДж ≈ 4,19 кДж.

1. Техническая термодинамика

Преобразование теплоты в работу осуществляется с помо
щью рабочего тела и сопровождается изменением его состояния. 
Рабочим телом называется вещество, способное воспринимать 
теплоту и совершать работу. Рабочими телами в тепловых двигателях являются газы и водяной пар. Вещества в жидком или 
твердом состоянии не могут являться рабочими телами, так как 
изменение их объема под влиянием теплового воздействия незначительно. Свойства рабочих тел зависят от их состояния. 
Величины, характеризующие состояние рабочих тел, называются параметрами. Основными параметрами состояния рабочих 
тел являются абсолютное давление, удельный объем и абсолютная 
температура.

Давление – это сила, приходящаяся на единицу площади. За 

единицу силы принимается 1 Н (один ньютон), а за единицу площади – 1 м2; тогда давление имеет размерность 1 Н/м2 = 1 Па (один 
паскаль). Так как эта единица очень мала, то используют кратные 
единицы: 1 кПа, 1 МПа или внесистемную – 1 бар = 105 Па. Соотношения между различными единицами измрения давления приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Соотношения между различными единицами измерения давления

Единица 
давления
Па
бар
кгс/см2
мм рт. ст.
мм вод. ст.

Па
1
10-5
1,02Χ⋅10-5
7,5024⋅Χ10-3
0,102

бар
105
1
1,02
7,5024Χ⋅102
1,02⋅Χ104

кгс/см2
9,8067⋅Χ104
0,98067
1
735
104

мм рт. ст.
133
1,33⋅Χ10-3
1,36⋅Χ103
1
13,6

мм вод. ст.
9,8067
9,8067⋅Χ10-5
104
7,35Χ⋅10-2
1

Различают абсолютное и избыточное давление. Абсолютное 

давление – давление рабочего тела внутри сосуда. Избыточное 
давление – разность между абсолютным давлением в сосуде и 
давлением окружающей среды (р0 ). Абсолютное давление может 
быть больше или меньше атмосферного. Избыточное давление и 
разрежение измеряют специальными приборами – манометрами (вакуумметрами) (рис. 1.1).

1.1. общие понятия и определения

Рис. 1.1. Измерение при помощи U-образного манометра 
(вакуумметра): а – избыточного давления; б – разрежения

Удельный объем вещества представляет собой объем едини
цы массы вещества:

,
V
v
M

                                   (1.1)

где V – объем тела, м3;

М – масса вещества, кг. 
Плотность вещества – это масса единицы объема вещества, 

определяемая по формуле

.
M
V
 
                                   (1.2)

Сопоставляя формулы (1.1) и (1.2), видим, что плотность и 

удельный объем вещества – величины взаимно обратные и их 
произведение равно 1.

Объем газообразных тел при большом изменении давления 

или температуры значительно изменяется, при этом изменяются их плотность и удельный объем. Поэтому, когда говорят 
о значении удельного объема газообразного тела, обязательно 
указывают давление и температуру, при которых он определен.

Один из важнейших параметров – абсолютная температура, 

которая является мерой средней кинетической энергии молекул, т. е. мерой скорости их движения.

Создателем первого термометра был немецкий ученый 

Г. Фаренгейт. За начало шкалы своего термометра принял тем
а  
 
 
 
б

p = pu + p0
p = –pвак + p0

Избыточное

давление

p0

hu

Разрежение

p0

hp

1. Техническая термодинамика

пературу таяния смеси, состоящей из нашатыря и тающего льда, 
взятых в одинаковых массах (32 °С), а за конец шкалы – температуру кипения воды при нормальном атмосферном давлении 
(760 мм рт. ст.)* и разделил на 180 частей.

В настоящее время применяются различные температурные 

шкалы, соотношения между которыми приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2

Соотношения между различными температурными шкалами

Наименование

шкалы
Цельсия, °С
Ренкина, °Ra
Фаренгейта, °F
Реомюра, °R

Цельсия, °С
–
5/9T °Ra – 273,15
1/1,8(t °F – 32)
1,25t °R

Ренкина, °Ra
1,8(t °C + 273,15)
–
t °F + 459,67
1,8(1,25t °R + 273,15)

Фаренгейта, °F
1,8 °C + 32
t° Ra – 459,67
–
9/4t °R + 32

Реомюра, °R
0,8t °C
0,8(5/9T °Ra – 273,15)
4/9(t °F – 32)
–

Рис. 1.2. Фазовая диаграмма (тройная точка воды)

В технической термодинамике в качестве основной принята 

термодинамическая температурная шкала, построенная на единственной реперной точке – температуре тройной точки воды 
(рис. 1.2), т. е. когда находятся в равновесии три фазы воды: 
твердая (лед), жидкая (вода) и газообразная (водяной пар).

* Постоянство температуры кипения воды было установлено Х. Гюйгенсом 
в XVII в.

Вода

p
К

Плавление

Затвердевание

Парообразование

Конденсация

Сублимация
Десублимация

PF

0,6108 кПа
F
F – тройная точка

tF
t

Пар

Пар

Лед

0,01 °С

Пар

Вода
Лед