Техническая термодинамика
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Теплоэнергетика. Теплотехника
Издательство:
Новосибирский государственный технический университет
Год издания: 2020
Кол-во страниц: 215
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7782-4241-8
Артикул: 779508.01.99
Учебное пособие включает в себя основные понятия и законы технической термодинамики, приложения этих законов к процессам и системам. Оно написано доступно и просто, на высоком научном и методическом уровне, предназначено для студентов направления 13.03.01 - Теплоэнергетика и теплотехника, профиль «Производство тепловой и электрической энергии».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НГТУ» д-р техн. наук, проф. (председатель) А.А. Батаев д-р техн. наук, проф. (зам. председателя) Г.И. Расторгуев д-р техн. наук, проф. С.В. Брованов д-р техн. наук, проф. А.Г. Вострецов д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев д-р техн. наук, проф. Н.В. Пустовой д-р техн. наук, проф. Х.М. Рахимянов д-р филос. наук, проф. М.В. Ромм д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор д-р техн. наук, доц. В.С. Тимофеев д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров
УДК 621.1.016(075.8) Ш 264 Рецензенты: д-р техн. наук, профессор П.А. Щинников канд. техн. наук, доцент С.В. Митрофанов канд. техн. наук, доцент М.В. Горбачев Шаров Ю.И. Ш 264 Техническая термодинамика : учебное пособие / Ю.И. Шаров, О.К. Григорьева, А.А. Францева. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2020. – 215 с. – (Учебники НГТУ). ISBN 978-5-7782-4241-8 Учебное пособие включает в себя основные понятия и законы технической термодинамики, приложения этих законов к процессам и системам. Оно написано доступно и просто, на высоком научном и методическом уровне, предназначено для студентов направления 13.03.01 – Теплоэнергетика и теплотехника, профиль «Производство тепловой и электрической энергии». УДК 621.1.016(075.8) ISBN 978-5-7782-4241-8 © Шаров Ю.И., Григорьева О.К., Францева А.А., 2020 © Новосибирский государственный технический университет, 2020
ÎÃËÀÂËÅÍÈÅ Предисловие ...................................................................................................... 9 Введение ............................................................................................................ 9 Глава 1. Идеальные газы ................................................................................ 15 1.1. Уравнение Клапейрона .................................................................... 15 1.2. Первый закон термодинамики ........................................................ 23 1.3. Смеси идеальных газов .................................................................... 24 Контрольные вопросы ............................................................................ 30 Глава 2. Теплоемкости газов. Влажный воздух ........................................... 31 2.1. Теплоемкости газов .......................................................................... 31 2.2. Влажный воздух ............................................................................... 39 Контрольные вопросы ............................................................................ 42 Глава 3. Термодинамические поверхности идеального и реального газа .................................................................................................... 43 3.1. Термодинамические поверхности .................................................. 43 3.2. Термодинамические диаграммы водяного пара ............................ 46 3.2.1. pv-диаграмма водяного пара ................................................. 50 3.2.2. ts-диаграмма водяного пара .................................................. 54 3.2.3. hs-диаграмма водяного пара ................................................. 56 Контрольные вопросы ............................................................................ 57 Задача ....................................................................................................... 58 Глава 4. Исследование термодинамических процессов .............................. 65 4.1. Политропные термодинамические процессы ................................ 65
4.2. Энтропия идеального газа ............................................................... 74 4.3. Частные термодинамические процессы ......................................... 75 4.4. Первый закон термодинамики для потока газа ............................. 88 4.5. Истечение газов и паров .................................................................. 91 4.6. Дросселирование газов и паров ...................................................... 97 Контрольные вопросы .......................................................................... 100 Задача ..................................................................................................... 100 Глава 5. Второй закон термодинамики ...................................................... 105 5.1. Основные определения .................................................................. 105 5.2. Цикл Карно ..................................................................................... 108 5.3. Энтропия как параметр состояния рабочего тела ....................... 110 5.4. Изменение энтропии термодинамической системы при необратимой теплопередаче .................................................. 112 5.5. Интеграл Клаузиуса ....................................................................... 113 Контрольные вопросы .......................................................................... 116 Глава 6. Максимальная и теряемая работа ................................................. 117 6.1. Максимальная работа .................................................................... 117 6.2. Эксергия .......................................................................................... 119 Контрольные вопросы .......................................................................... 122 Глава 7. Циклы паротурбинных установок (ПТУ) .................................... 123 7.1. Цикл Ренкина .................................................................................. 123 7.2. Цикл Ренкина на перегретом паре ................................................ 124 7.3. Влияние начального давления на КПД цикла Ренкина .............. 125 7.4. Цикл ПТУ на сверхкритических параметрах пара ...................... 126 7.5. Регенеративный цикл ПТУ ............................................................ 129 7.6. Теплофикационный цикл ПТУ ..................................................... 132 Контрольные вопросы .......................................................................... 134 Задача ..................................................................................................... 134
Глава 8. Циклы тепловых двигателей ......................................................... 141 8.1. Обобщенный цикл тепловых газовых двигателей ...................... 141 8.2. Цикл ДВС с изохорным подводом теплоты ................................ 143 8.3. Цикл ДВС с изобарным подводом теплоты ................................ 145 8.4. Цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (Тринклера) ....... 146 8.5. Принцип действия ДВС ................................................................. 147 8.6. Циклы газотурбинных установок (ГТУ) ...................................... 152 8.6.1. Цикл ГТУ с изохорным подводом теплоты ...................... 152 8.6.2. Цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты ...................... 154 8.6.3. Регенеративный цикл ГТУ ................................................. 155 8.6.4. Регенеративный цикл ГТУ с промежуточным подводом теплоты и охлаждением .................................... 157 8.7. Комбинированная парогазовая установка (ПГУ) ........................ 159 8.8. Прямое преобразование теплоты в электроэнергию .................. 161 Контрольные вопросы .......................................................................... 164 Задача ..................................................................................................... 165 Глава 9. Циклы холодильных установок и термодинамические процессы компрессоров ................................................................ 173 9.1. Цикл воздушной холодильной установки ................................... 173 9.2. Цикл парокомпрессионной холодильной установки .................. 175 9.3. Абсорбционная холодильная установка ...................................... 177 9.4. Термодинамические процессы компрессоров ............................. 178 Контрольные вопросы .......................................................................... 185 Задача ..................................................................................................... 186 Глава 10. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии ......... 187 10.1. Солнечная энергетика .................................................................. 187 10.2. Ветровая энергетика .................................................................... 193 10.3. Альтернативная гидроэнергетика ............................................... 195 10.4. Гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС) г. Нидерварта ................................................................................ 198
10.5. Геотермальная энергетика ........................................................... 199 10.6. Биоэнергетика ............................................................................... 201 10.7. Водородная энергетика ................................................................ 203 10.8. Энергетика на топливных элементах ......................................... 205 10.8.1. Общемировые тенденции ................................................. 205 10.8.2. Применение топливных элементов в Германии ............. 207 10.9. Термоядерная энергетика [11] .................................................... 210 Контрольные вопросы .......................................................................... 211 Библиографический список ......................................................................... 213
ÂÂÅÄÅÍÈÅ 9 ÏÐÅÄÈÑËÎÂÈÅ астоящее учебное пособие создано для студентов энергетических специальностей НГТУ. При его написании авторы использовали свой опыт преподавания курсов «Теплотехника», «Техническая термодинамика», «Термодинамические основы работы теплоэнергетических установок» в Новосибирском государственном техническом университете. В настоящее время в большинстве отраслей требуется знание теоретических основ теплотехники при создании новых машин и модернизации старых установок. ÂÂÅÄÅÍÈÅ редмет термодинамики. Слово «термодинамика» в переводе с греческого языка означает науку о силах, вызываемых тепловыми явлениями. Так определяли эту науку сто пятьдесят лет назад при ее зарождении. Сегодня под термодинамикой понимают науку об энергии. Но что такое энергия? Это философская категория, определяющая способность материи к непрерывному изменению, взаимодействию в различных проявлениях, т. е. обозначающая способ ее существования [1–4]. Энергию мы наблюдаем только в конкретных проявлениях, которые называем видами энергии: теплота, электрическая энергия, механическая энергия, лучистая энергия, или радиация, и др. Мы довольно хорошо изучили отдельные проявления энергии, разобрались в трансформации одного вида энергии в другой. Техническая термодинамика – это наука о взаимном преобразовании тепловой и механической энергии. Задачи курса «Техническая термодинамика». Механическая энергия легко и полностью преобразуется в тепловую, а для преоб Í Ï
разования тепловой энергии в механическую необходимы тепловые двигатели. К ним относятся двигатели внутреннего сгорания (ДВС), газотурбинные установки (ГТУ) и паротурбинные установки (ПТУ), реактивные и ракетные двигатели. Техническая термодинамика изучает теоретические основы функционирования энергетических установок. Методы исследования и выводы технической термодинамики позволяют создавать эффективные и совершенные инженерные конструкции таких установок. На базе технической термодинамики развита прикладная инженерная наука «Теплотехника» – одна из фундаментальных основ всей современной цивилизации. Таким образом, техническая термодинамика является одной из составляющих теоретических основ теплотехники. Термодинамика – это не только наука, закладывающая основы инженерной подготовки, но и наука мировоззренческая, развивающая у будущего инженера такие качества, как пытливость, любознательность, интеллект. Метод технической термодинамики. Основной метод исследования объектов в термодинамике – феноменологический. Согласно этому методу объект рассматривается как феномен (явление). Если воздействовать на объект со стороны, то можно зарегистрировать его отклики на воздействия. Что происходит при этом внутри объекта – не рассматривается. Задача состоит в том, чтобы установить функциональную зависимость между воздействием и откликом. Это соотношение и есть феноменологическая модель термодинамического объекта. Феноменологические исследования ряда однородных объектов и их обобщение в виде абстрактной модели явления (объекта) позволяют получить систему основных понятий технической термодинамики. К ним относятся: термодинамическая система, рабочее тело, идеальный и реальный газ, политропный термодинамический процесс, идеальный термодинамический цикл и т. п. Краткая история развития технической термодинамики. Начало термодинамики как науки было положено книгой французского инженера Саади Карно «Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу», изданной в 1824 году [5]. В этой книге содержались представления об основных понятиях термодинамики, таких как термодинамическая система, рабочее тело, параметры состояния, термодинамический процесс и цикл тепло