Техническая термодинамика и теплопередача

Т. В. Шитик

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА 
И ТЕПЛОПЕРЕДАЧА

Учебное пособие

Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022

УДК  536:629.5
ББК   31.31+39.455
          Ш64

Рецензенты:
заведующий электромеханическим заочным отделением 
БПОУ ОО «Омский промышленно-экономический колледж» В. В. Исаченко; 
преподаватель высшей квалификационной категории Е. А. Егоров

            Шитик, Т. В. 
Ш64 
   Техническая термодинамика и теплопередача : учебное пособие  / 
 Т. В. Шитик. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. – 184 с.: ил., 
            табл.
     ISBN 978-5-9729-1087-8

       Рассмотрены общие законы статики и динамики жидкостей и газов, основные понятия теории теплообмена, законы термодинамики, характеристики топлив. Представлены особые случаи процессов теплоотдачи, основные законы теплового излучения.
    Для студентов, обучающихся по специальности 26.02.05 «Эксплуатация 
судовых энергетических установок». Может быть полезно инженерно-техническим работникам энергетической отрасли. 

УДК 536:629.5
ББК 31.31+39.455

ISBN 978-5-9729-1087-8   Шитик Т. В., 2022
 Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................6
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ..........................................................................9
РАЗДЕЛ 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА......................................11
1 
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА......................................11
1.1 
Основы технической термодинамики.............................................11
1.2 
Физическое состояние вещества.....................................................11
1.3 
Масса, сила тяжести и вес...............................................................13
1.4 
Количество вещества, молярная масса и молярный объем..........14
1.5 
Плотность, удельный объем и давление........................................14
      1.6     Температура.......................................................................................15
2 
ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ.........................................................................18
2.1 
Законы идеальных газов..........................................................18
2.1.1 
Законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля..................18
2.1.2 
Уравнение состояния идеального газа..................................19
2.1.3 
Закон Авогадро.........................................................................20
      2.1.4     Уравнение Менделеева............................................................21
2.2 
Смеси жидкостей, газов и паров.....................................................24

2.2.1 
Чистые вещества и смеси.......................................................24
2.2.2 
Состав смесей жидкостей, паров и газов..............................25
2.2.3 
Газовые смеси. Закон Дальтона..............................................26
      2.2.4     Объемные доли газовой смеси...............................................27
       2.3    Теплоемкость......................................................................................29
3 
ЦИКЛЫ ТЕПЛОВЫХ МАШИН. ЭНТРОПИЯ..............................34
3.1 
Первое начало термодинамики........................................................34
3.2 
Внутренняя энергия. Закон Джоуля.................................................35
3.3 
Работа изменения давления. Энтальпия.........................................36
      3.4     Термодинамические процессы газов...............................................38
4 
ЦИКЛ КАРНО...................................................................................41
4.1 
Второе начало термодинамики........................................................41
4.2 
Круговые процессы (циклы) тепловых машин..............................42
4.3 
Цикл Карно теплового двигателя.....................................................44
4.4 
Энтропия............................................................................................48
      4.5     Эксергитический метод исследования...........................................50
5 
ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.............53
5.1 
Термические циклы двигателей внутреннего сгорания................53

5.2    Термический цикл ДВС со смешанным подводом теплоты 
(цикл Тринклера)..............................................................................53
5.3 
Термический цикл ДВС с изохорным подводом теплоты 
          (цикл Отто)........................................................................................55
      5.4     Термический цикл ДВС с изобарным подводом теплоты 
                (цикл Дизеля).....................................................................................58
6 
ПОРШНЕВЫЕ КОМПРЕССОРЫ...................................................61
6.1 
Процессы компрессорных машин...................................................61
6.2 
Процесс идеального одноступенчатого 
          поршневого компрессора.................................................................65
      6.3     Процесс идеального многоступенчатого поршневого 
                компрессора.......................................................................................66
7 
ЦИКЛЫ ХОЛОДИЛЬНЫХ УСТАНОВОК.....................................70
7.1 
Обратный цикл Карно.......................................................................70
7.2 
Циклы воздушной компрессорной холодильной 
          установки...........................................................................................72
7.3 
Цикл паровой компрессорной холодильной 
          установки...........................................................................................73
7.4 
Цикл пароэжекторной холодильной 
          установки...........................................................................................76
7.5 
Цикл абсорбционной холодильной 
          установки...........................................................................................78
      7.6     Тепловой насос..................................................................................79
8 
ЦИКЛ РЕНКИНА..............................................................................83
8.1 
Простейшая схема паросиловой установки...................................83
8.2 
Цикл Ренкина.....................................................................................84
8.3 
Пути повышения экономичности цикла Ренкина..........................86
8.4 
Усложненные циклы паросиловых установок................................90
      8.5     Парогазовый цикл.............................................................................91
9 
ПРОЦЕССЫ ПАРООБРАЗОВАНИЯ 
          И ПЕРЕГРЕВА ПАРА.......................................................................93
9.1 
Термодинамические процессы паров..............................................93
9.2     Изобарный процесс...........................................................................94
9.3     Адиабатный процесс.........................................................................95
9.4 
Изотермический процесс..................................................................98
       9.5     Изохорный процесс.........................................................................100
10 
ИСТЕЧЕНИЕ И ДРОССЕЛИРОВАНИЕ 
          ГАЗОВ И ПАРОВ................. ..........................................................103
10.1 Истечение газов и паров.................................................................103
10.2 Критическая скорость потока и максимальный массовый 
         расход рабочего тела.......................................................................104

10.3  Истечение газов через сопло Лаваля.............................................108
10.4  Расчет истечения газов и паров по is-диаграмме..........................109
 10.5  Истечение газа через диффузоры...................................................110
 10.6  Дросселирование..............................................................................111
РАЗДЕЛ 2. ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ...................................................115
11     ВИДЫ ТЕПЛООБМЕНА.................................................................115
11.1  Теплообмен.......................................................................................115
11.2  Конвективный теплообмен..............................................................117
11.3  Лучистый теплообмен.....................................................................118
11.4  Сложный теплообмен......................................................................121
12     ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ.................................................................123
12.1  Перенос теплоты теплопроводностью сквозь 
   плоскую стенку................................................................................124
12.2  Перенос теплоты теплопроводностью через 
 цилиндрическую и сферическую стенки.......................................123
13     ТЕПЛООТДАЧА...............................................................................127
13.1  Конвективный теплообмен.............................................................127
13.2  Подобие процессов конвективного обмена...................................129
13.3  Числа подобия..................................................................................130
13.4  Особые случаи процессов теплоотдачи.........................................133
14     ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ.........................139
14.1  Движение жидкости вдоль плоской стенки..................................139
14.2 Обтекание одиночной трубы поперечным потоком жидкости...141
14.3 Обтекание пучка труб поперечным потоком жидкости..............142
      14.4  Теплоотдача при свободном движении жидкости........................146
15 
ПЕРЕДАЧА ТЕПЛОТЫ ИЗЛУЧЕНИЕМ......................................148
15.1 Основные законы теплового излучения........................................148
15.2 Теплообмен излучением между твердыми стенками..................153
15.3 Теплообмен излучением между газами и твердой стенкой........156
      15.4   Радиационно-конвективный теплообмен.....................................157
16 
ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ...............................................161
16.1 Основные типы теплообменных аппаратов.................................161
      16.2   Тепловой расчёт теплообменных аппаратов................................162
ГЛОССАРИЙ.................................................................................................171
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...............................................................................179
ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................................................180

ВВЕДЕНИЕ

История человеческого общества неразрывно связана с развитием 
энергетики. Сначала человек использовал собственную мускульную силу, 
затем силу животных, энергию ветра, воды, пара и т.д. Источники энергии 
постепенно становились всё более мощными. Наконец наступила эра 
тепловых машин.
Стержневое значение в развитии энергетики имела и имеет 
техническая термодинамика, являющаяся теоретической базой создания 
теплоэнергетических машин и установок.
Техническая термодинамика занимается изучением физических 
явлений, связанных с взаимным превращением теплоты и работы в 
тепловых машинах (паровых и газовых турбинах, двигателях внутреннего 
сгорания, холодильных машинах, и т.д.).
Зарождение технической термодинамики вызвано появлением 
в конце XVIII столетия паровых машин. Вначале они были крайне 
неэкономичными: удельный расход топлива, которым в те времена был в 
основном каменный уголь, доходил до 25 кг на 1 кВт/ч (в настоящее время 
составляет около 450 г). Однако это не имело большого значения, так как 
паровые двигатели использовались в качестве приводов насосов, которые 
откачивали воду из каменноугольных шахт, где уголь был не покупной.
Область применения паровых машин, благодаря их несомненным 
преимуществам по сравнению с другими силовыми установками 
того времени (водяными колесами, ветряными крыльями), быстро 
увеличивалась. Они стали применяться на фабриках, заводах и транспорте. 
Число их росло, рос спрос на каменный уголь, а значит и цена на него. Всё 
это вызвало необходимость поиска путей уменьшения удельного расхода 
топлива.
Первым, кто теоретически решил эту задачу, указав пути повышения 
экономичности тепловых двигателей, был французский ученый Никола 
Леонард Сади Карно (1796-1832), который заложил основы технической 
термодинамики и считается одним из основателей и творцом этой науки.
Существенный 
вклад 
в 
развитие 
термодинамики 
внёс 
М.В. Ломоносов (1711-1765). Он открыл и экспериментально доказал закон 
сохранения количества вещества и явился одним из основоположников 
молекулярно-кинетической теории теплоты. В основе его трудов лежит 
представление о первом законе термодинамики, являющемся законом 
сохранения энергии.
Большое значение для становления термодинамики имело открытие 
основных газовых законов: Бойля-Мариотта (1661), Шарля (1737), 

Гей-Люссака (1802), Дальтона (1802), Авогадро (1811) и Клапейрона 
(1834), который дал окончательное выражение уравнения состояния идеального газа. В работах Р. Майера (1814-1878), Дж. Джоуля (1818-1889) 
и Г. Гельмгольца (1821-1894) был установлен принцип эквивалентности 
теплоты и работы, и на его основе сформулирован закон сохранения и 
превращения энергии – первый закон термодинамики. У. Томсон (Кельвин) 
(1824-1907), на основе принципа Карно, ввел понятие абсолютной 
температуры.
Выдающийся вклад в развитие термодинамики внёс Р. Клаузиус 
(1822-1888). На основе эквивалентности теплоты и работы он ввел понятие внутренней энергии рабочего тела, сформулировал второе начало термодинамики и обосновал понятие энтропии.
Дальнейшее развитие этой науки, тесно связанное с усовершенствованием тепловых машин, шло по пути, указанному С. Карно.
Одновременно с открытием основных законов термодинамики 
создавались базовые элементы теплотехники: паровые котлы, паровые 
машины, паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания 
и т.д. В 1769 г. английский механик Д. Уатт получил патент на паровую 
машину, принцип действия которой не отличался от современной.
Используя термодинамические исследования, отечественный  ученый проф. Л.К. Рамзин создал новый тип парового котла, который 
вырабатывал пар сверхкритического давления и температуры (прямоточный котел).
Немецкий ученый Р. Дизель создал в 1898 г. новый тип двигателя, 
названный в честь его, дизелем. В 1899 г. производство дизелей началось 
в России, при этом в них было внесено принципиальное изменение. 
Топливом стал не керосин, как в двигателе Дизеля, а более дешевая нефть.
Усовершенствование  тепловых двигателей ставит перед технической термодинамикой новые задачи, решение которых способствует их 
дальнейшему развитию. Так, применение в паросиловых установках пара 
высокого давления и высокой температуры сделало необходимым глубокое 
изучение свойств такого пара. Широкое распространение двигателей 
внутреннего 
сгорания 
заставило 
произвести 
термодинамические 
исследования процессов, протекающих в условиях, близких к реальным. 
Эту работу выполнил русский ученый В.И. Гриневецкий. В период 
1901-1908 гг. Гриневецкий опубликовал ряд работ, в которых изложил 
термодинамический расчёт паровых котлов, методы анализа рабочего 
процесса паровых машин (с применением энтропийной диаграммы) 
и исследования общих уравнений применительно к водяному пару. 
Гриневецкий заложил начало научно-обоснованной теории двигателей 

внутреннего сгорания и теплового расчета рабочего процесса. Эта работа 
оказала огромное влияние на развитие отечественного двигателестроения.
В настоящее время ведутся интенсивные термодинамические 
исследования по прямому преобразованию теплоты в электрическую 
энергию, минуя промежуточную стадию – превращение теплоты в 
механическую работу в тепловых двигателях. Термодинамические 
исследования 
установок 
по 
прямому 
превращению 
теплоты 
в 
электроэнергию являются еще одним шагом вперед в развитии технической 
термодинамики. 
Ученые всего мира продолжают исследования по термодинамике, 
так как источником теплоты является природное топливо, а запасы его не 
безграничны, вследствие чего значение технической термодинамики не 
ослабевает.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

С – теплоемкость, Дж/К;

с – удельная массовая теплоемкость, Дж/(кг·К);

сμ – удельная молярная теплоемкость, Дж/(моль·К);

сʹ– удельная объемная теплоемкость, Дж/(м3·К);

сν – удельная массовая изохорная теплоемкость, Дж/(кг·К);

сp – удельная массовая изобарная теплоемкость, Дж/(кг·К);

сμν – удельная молярная изохорная теплоемкость, Дж/(моль·К);

сμp – удельная молярная изобарная теплоемкость, Дж/(моль·К);

ссм – удельная массовая теплоемкость смеси, Дж/(кг·К);

с смμ – удельная молярная теплоемкость смеси, Дж/(моль·К);

d – влагосодержание, г/кг;

d0 – удельный расход топлива, кг/Дж;

F – сила, Н;

I – энтальпия, Дж;

i – удельная энтальпия, Дж/кг;

k – показатель адиабаты;

L – работа изменения объема, Дж;

М – молярная масса, кг/моль;

m – масса вещества, кг;

ṁ – массовый расход, кг/с;

n – количество вещества, моль; показатель политропы;

p – давление, Па;

Q – подводимая или отводимая в процессе теплота, Дж;

q – удельная теплота, Дж/кг; плотность теплового потока, Вт/м2;

qp – удельная теплота регенерации, Дж/кг;

R – удельная газовая постоянная, Дж/(кг·К); 

R – термическое сопротивление стенки, м2·К/Дж;

R0 – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К);

r – удельная теплота парообразования, Дж/К;

S – площадь, м2; энтропия, Дж/К;

s – удельная энтропия, Дж/(кг·К);

Т – абсолютная температура, К;

t – температура в градусах Цельсия, °С;

U – внутренняя энергия, Дж;

u – удельная внутренняя энергия, Дж/кг;

Vm – молярный объем, м3/моль;

V – объем вещества, м3;

V – объемный расход, м3/с;

v – удельный объем, м3/кг;

W – работа изменения давления, Дж;

w – массовые доли смеси газов;

x – молярные доли газовой смеси;

α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·К);

ε – степень сжатия; степень черноты тела;

λ – степень повышения давления; теплопроводность, Вт/(м·К);

ρ – плотность, кг/м3; степень предварительного расширения;

ηt – термический КПД;

Xt – холодильный КПД;

Ф – тепловой поток, Кт.