Техническая термодинамика и тепломассообмен

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ю. В. Видин, В. С. Злобин 
 
 
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА 
И ТЕПЛОМАССООБМЕН 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2020 

УДК 621.1.016.7(07) 
ББК 31.311я73 
В421 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
С. В. Голдаев, доктор физико-математических наук, профессор 
НОЦ им. И. Н. Бутакова Инженерной школы энергетики Национального исследовательского Томского политехнического университета; 
А. А. Федяев, доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой 
«Промышленная теплоэнергетика» Братского государственного университета 
 
 
 
 
 
 
 
 
Видин, Ю. В. 
В421 
 
Техническая термодинамика и тепломассообмен : учеб. пособие / Ю. В. Видин, В. С. Злобин. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 
2020. – 332 с. 
ISBN 978-5-7638-4212-8 
 
Рассмотрены основы технической термодинамики, термодинамические 
процессы, реальные газы и пары, приложение законов термодинамики 
к анализу циклов тепловых двигателей, паротурбинных, газотурбинных 
и холодильных установок, а также основные законы тепломассообмена 
и расчета теплообменных аппаратов. Приведены решения конкретных задач 
переноса тепла и массы. Пособие снабжено большим количеством примеров 
и учебных заданий.  
Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению «Теплотехника». 
 
Электронный вариант издания см.: 
УДК 621.1.016.7(07) 
http://catalog.sfu-kras.ru 
ББК 31.311я73 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-4212-8 
© Сибирский федеральный  
университет, 2020  

Введение 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Настоящее учебное пособие состоит из двух разделов: «Техническая 
термодинамика» и «Тепломассообмен». 

Техническая термодинамика – это наука о взаимном преобразовании 

теплоты и работы. Задачей термодинамики является изучение законов этих 
превращений, знание которых необходимо для понимания работы тепловых двигателей, процессов получения тепловой и электрической энергии. 
Использование процесса превращения теплоты в работу началось с изобретения «огненной машины» И. И. Ползуновым и парового двигателя 
Д. Уаттом. Благодаря универсальности законов термодинамика вышла за 
пределы теплоэнергетики и стала широко применяться в других областях 
науки и техники, в частности при изучении свойств веществ, процессов 
изменения их состояний и др. 

В первом разделе пособия содержится ряд контрольных расчетных 

заданий, выполнение которых должно способствовать закреплению приобретенных теоретических знаний по основным разделам дисциплины: «Тепловые двигатели», «Поршневые компрессоры», «Циклы холодильных установок». Приведенные теоретические сведения касаются идеальных циклов 
ДВС, газотурбинных и паротурбинных установок, а также холодильных 
машин. Особое внимание уделяется определению параметров, характеризующих эффективность работы тепловых машин, и исследованию тепловых процессов с целью выявления возможностей экономии энергетических 
ресурсов. 

Значительная часть заданий и учебных примеров предназначена для 

самостоятельной работы студентов. Характер заданий соответствует тем 
проблемам, с которыми постоянно сталкиваются инженеры в своей практической деятельности. Их решение требует достаточного объема теоретических знаний, а также умений и навыков по их реализации. Содержание 
тестовых заданий и их методический уровень соответствуют современным 
требованиям, предъявляемым к объему знаний студентов технических вузов по данной дисциплине. 

Тепломассообмен – это наука о закономерностях процессов переноса 

теплоты и вещества в пространстве. Важное значение процессов тепломассообмена как в природе, так и в технике обусловлено большим количеством различных факторов. Одним из них, в частности, является то, что многие свойства материалов и конструкций существенно зависят от температуры, т. е. от теплового состояния. Поэтому решению разнообразных 
инженерных задач теплообмена уделяется повышенное внимание. 

3 

Введение 

Во втором разделе пособия изложены признанные и проверенные 
данные и методики расчетов по теплопроводности, конвективному и лучистому теплообмену, а также тепловой и гидромеханический расчеты теплообменных аппаратов. Приведенный материал соответствует учебной 
программе дисциплины «Теоретические основы теплотехники. Тепломассообмен» и может быть использован студентами теплоэнергетических специальностей при решении практических задач, а также инженерами и аспирантами, специализирующимися в различных областях теплотехники 
и теплофизики.  
В пособии имеется приложение, в котором представлены таблицы 
физических свойств различных веществ и других величин, помогающих 
решать теоретические и практические задачи. 
Книга содержит некоторые оригинальные аналитические результаты, 
полученные авторами. Кроме этого, были устранены опечатки и неточности, обнаруженные в ряде изданий, на которые приведены ссылки. 
Авторы будут весьма признательны за все конструктивные замечания и пожелания, направленные на улучшение содержательной части пособия. 
 

4 

Глава 1. Расчет теоретического цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания 

Раздел I

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА 
 
 
 
 
Глава 1 

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ ЦИКЛ ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ 
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 
 
 
1.1. Расчет теоретического цикла  
поршневого двигателя внутреннего сгорания 
 
Тепловые двигатели, рабочим телом которых являются газообразные 
продукты сгорания топлива, сжигаемого непосредственно внутри цилиндра двигателя, называются поршневыми двигателями внутреннего сгорания 
(ДВС) [1−7]. 
Поршневые ДВС делят на двухтактные, у которых один рабочий ход 
приходится на два хода поршня, и четырехтактные – с одним рабочим ходом на четыре хода поршня. Кроме того, поршневые ДВС подразделяют на 
двигатели с подводом теплоты при постоянном объеме (быстрого сгорания), двигатели с подводом теплоты при постоянном давлении (постепенного сгорания) и двигатели, работающие по циклу со смешанным подводом тепла. 
Идеализируя рабочий цикл как двухтактных, так и четырехтактных 
карбюраторных двигателей внутреннего сгорания, получают термодинамический цикл, называемый циклом Отто (рис. 1.1, а). В этом цикле процесс 
сжатия горючей смеси происходит по адиабате 1–2. Изохора 2–3 соответствует горению топлива, воспламененного от электрической искры, и подводу 
теплоты q1. Рабочий ход, осуществляемый при адиабатном расширении 
продуктов сгорания, изображен линией 3–4. Отвод теплоты qi осуществляется по изохоре 4–1, соответствующей в четырехтактных двигателях выпуску газов и всасыванию новой порции рабочей смеси, а в двухтактных – выпуску и продувке цилиндра. 

5 

Раздел I. Техническая термодинамика 

Термический КПД рассматриваемого цикла вычисляют по формуле 
 

 
(
)
(
)
2

1

2

3

1

4

2
3

1
4

2
3

1
4

1

2

1

1
1
1
1
1
T
T

T
T
T
T

T
T
T
T
T
T
c
T
T
c
q
q
t
−

−
−
=
−
−
−
=
−
−
−
=
−
=
η
υ

υ
. 
(1.1) 

 
Сравнив адиабаты 1–2 и 3–4, можно показать, что 
 

2

3

1

4
T
T
T
T =
. 

Следовательно, получим 

 

2

1
1
T
T
t
−
=
η
. 
(1.2) 

 
Отношение всего объема цилиндра υ1 к объему камеры сгорания υ2 
называется степенью сжатия  
 
 
ε = υ1 / υ2. 
(1.3) 
 
Степень сжатия является одной из основных конструктивных характеристик поршневого ДВС. 
Учитывая, что для адиабаты 1–2 между υ и Т существует зависимость 
 
1
2
2
1
1
1
−
−
υ
=
υ
k
k
T
T
, 
(1.4) 

 
окончательно имеем 

 
1
1
1
−
ε
−
=
η
k
t
. 
(1.5) 

 
Из выражения (1.5) следует, что термический КПД двигателей, рабо
тающих по циклу Отто, зависит только от степени сжатия ε и возрастает 
с её увеличением. Понятно, что температура в конце сжатия Т2 не должна 
достигать температуры самовоспламенения горючей смеси. Поэтому степень сжатия в реальных двигателях такого типа составляет обычно 7–10 
или несколько больше в зависимости от антидетонационных свойств применяемого топлива. В большинстве случаев показатель адиабаты k практически остаётся неизменным, равным приблизительно 1,4. 

Степень сжатия в цикле ДВС может быть повышена, если сжимать 

не горючую смесь, а воздух, и затем, получив высокое давление и температуру, обеспечить самовоспламенение распыленного в цилиндре топлива. 
В этом случае процесс горения затягивается, а двигатели такого типа ха
6 

Глава 1. Расчет теоретического цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания 

рактеризуются постепенным (медленным) сгоранием топлива при постоянном давлении. Идеализированный цикл такого двигателя внутреннего 
сгорания называется циклом Дизеля (рис. 1.1, б). Рабочее тело (воздух) 
сжимается по адиабате 1–2, а изобарный процесс 2–3 соответствует процессу горения топлива, т. е. подводу теплоты q. Рабочий ход выражен 
адиабатным расширением продуктов сгорания 3–4. Наконец, изохора 4–1 
характеризует отвод теплоты q2, заменяя для четырехтактных двигателей 
выпуск продуктов сгорания, а для двухтактных выпуск и продувку цилиндра. 
Формула для расчета термического КПД в этом случае принимает 
вид 

 
(
)
(
)
(
)
2

1

2

3

1

4

2
3

1
4

2
3

1
4

1

2

1

1
1
1
1
1
T
T

T
T
k

T
T

T
T
k
T
T
T
T
c
T
T
c
q
q

p
t









−

−
−
=
−
−
−
−
−
−
=
−
=
η
υ
. 
(1.6) 

 
Кроме степени сжатия ε цикл Дизеля имеет еще одну характеристику – 
степень предварительного расширения 
 
 
ρ = υ3 / υ2. 
(1.7) 
 

Для изобары 2–3 можно записать 
3
3

2
2

T
T
υ =
υ
. Рассматривая изохору 4–1 

и учитывая, что 
k
k
P
P
3
3
4
4
υ
=
υ
, 
k
k
P
P
2
2
1
1
υ
=
υ
 и υ4 = υ1, получаем 

 

 
k
k

k

k

k

P

P

P
P
P
P
T
T
ρ
=
υ

υ
=
υ
υ
=
=

2
2

3
3

1
1

4
4

1

4

1

4
. 
(1.8) 

 

Окончательно, с учетом соотношения 
1
12
2
1
1
1
−
−
υ
=
υ
k
k
T
T
, формула для расчета 

термического КПД цикла Дизеля принимает вид 
 

 
(
)
1
1
1
1
−
ε
−
ρ
−
ρ
−
=
η
k

k

t
k

. 
(1.9) 

 
Выражение (1.9) показывает, что основным фактором, определяющим экономичность двигателей, работающих по циклу Дизеля, также является степень сжатия ε, с увеличением которой термический КПД цикла 
возрастает. Нижний предел для величины ε обусловлен необходимостью 
получения в конце сжатия температуры воздуха, значительно превышающей температуру самовоспламенения топлива. 

7 

Раздел I. Техническая термодинамика 

а 
 

 
 
б 
 
Рис. 1.1. Термодинамический цикл поршневого ДВС с подводом тепла:  
а – при постоянном объеме υ = const (цикл Отто);  
б – при постоянном давлении Р = const (цикл Дизеля) 

8 

Глава 1. Расчет теоретического цикла поршневого двигателя внутреннего сгорания 

 
 
Рис. 1.1. Окончание. Термодинамический цикл поршневого ДВС:  
в – со смешанным подводом тепла (цикл Тринклера) 

 
Верхний предел ε (до 20) ограничен допустимым давлением в цилиндре, превышение которого приводит к утяжелению конструкции двигателя и увеличению потерь энергии на трение. Повышение степени предварительного расширения ρ вызывает снижение термического КПД цикла. 
Отсюда следует, что с увеличением нагрузки и удлинением процесса горения топлива экономичность двигателя уменьшается. Это следует учитывать наряду с другими обстоятельствами при определении оптимального 
режима работы двигателя. 
Цикл Тринклера, или цикл со смешанным подводом теплоты, по которому работают современные бескомпрессорные дизели (рис. 1.1, в), 
осуществляется по следующей схеме. На рис. 1.1, в адиабата 1–2 соответствует сжатию в цилиндре воздуха до температуры, превышающей температуру самовоспламенения топлива, впрыскиваемого в цилиндр, а изобара 
3–4 характеризует процесс горении остальной части топлива по мере поступления его из форсунки. Расширение продуктов сгорания происходит 
по адиабате 4–5, а изохора 5–1 соответствует выпуску отработавших газов 
в атмосферу. Таким образом, теплота q1 подводится в двух процессах: 2–3 
(изохорном) и 3–4 (изобарном): 
 
 
1
1
2
q
q
q
′
′
=
+
. 
(1.10) 

9 

Раздел I. Техническая термодинамика 

Приведем без вывода выражение для термического КПД цикла со 

смешанным подводом теплоты: 
 

 
(
)
(
)
1
1
1
1
1
1
−
ε
−
ρ
λ
+
−
λ
−
λρ
−
=
η
k

k

t
k
. 
(1.11) 

 
Параметр λ называют степенью повышения давления и рассчитывают по формуле 
 
λ = P3 / P2. 
(1.12) 
 
В двигателях, работающих по циклу Тринклера, распыление жидкого 
топлива, поступающего в камеру сгорания от плунжерного насоса, производится специальными форсунками. Иногда топливный насос объединяют 
с распылителем (насос-форсунка). У этих ДВС в отличие от двигателей, работающих по циклу Дизеля, отсутствует громоздкий воздушный компрессор. 
Степень сжатия ε в рассматриваемом цикле может достигать 18 и более. 
Легко показать, что математическое выражение термического КПД 
цикла со смешанным подводом теплоты является общим для циклов 
поршневых ДВС и при λ = 1 переходит в соответствующую формулу (1.9) 
для термического КПД цикла с подводом теплоты при постоянном давлении, а при ρ = 1 в зависимость (1.5). 
 
 

 
 
Рис. 1.2. Циклы ДВС на T–s-диаграмме:  
1234 – цикл Отто; 12″34 – цикл Дизеля; 12′3′4 – цикл Тринклера 

10