Теплотехника

 
 
 
 
 
 
В. В. ОВЧИННИКОВ, М. А. ГУРЕЕВА 
 
 
 
 
ТЕПЛОТЕХНИКА  
 
 
Учебник  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

УДК 621.1.016 
ББК 31.31 
О-35 
 
 
 
 
 
Рецензенты: 
доктор технических наук, профессор, 
начальник отдела «Конструкционные материалы и функциональные покрытия» 
филиала «ОДК» «НИИД» Абраимов Николай Васильевич; 
кандидат технических наук, доцент,  
заместитель генерального директора ООО «ИнТех»  
по инновациям и разработкам Смирнов Сергей Вячеславович 
 
 
 
 
 
 
Овчинников, В. В. 
О-35  
Теплотехника : учебник / В. В. Овчинников, М. А. Гуреева. – Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 196 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-2100-3 
 
Изложены основные законы термодинамики и методы термодинамического расчета различных процессов и систем, теплопередачи и гидравлики, необходимые для 
подготовки учащихся, специализирующихся в области аддитивных технологий. 
Для студентов, обучающихся по специальностям 15.02.09 «Аддитивные технологии», 15.02.06 «Монтаж, техническая эксплуатация и ремонт холодильно-компрессорных и теплонасосных машин и установок», 26.02.03 «Судовождение», 26.02.05 «Эксплуатация судовых энергетических установок». 
 
УДК  621.1.016 
ББК   31.31 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-2100-3 
” Овчинников В. В., Гуреева М. А., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

ǩȉȌȋȌȔȏȌ 
 
Широкое использование тепловой энергии не только на электрических 
станциях, но и в других отраслях промышленности и на транспорте делает понимание процессов и знание конструктивных схем, применяемых современ- 
ной теплотехникой, необходимыми при подготовке инженеров самых разнообразных специальностей. 
Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств.  
Различают два принципиально различных направления использования 
теплоты – энергетическое и технологическое. При энергетическом использовании теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в ге- 
нераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках 
или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания. При технологическом 
использовании теплота используется для направленного изменения свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, 
физических, химических свойств). 
Историю развития теплотехники можно условно разделить на пять периодов: 
Первый период – начало его теряется в глубине тысячелетий, конец V–VII вв. 
Человек обходился мускульной силой (сначала своей, а потом и животных), теплом Солнца, а позже костра. Источником мускульной силы служила химическая 
энергия пищи. Энергетические ресурсы не только восстанавливались, но их запасы еще и возрастали. Окружающая среда не подвергалась «загрязнению». 
Второй период – с V–VII вв. до XVIII в. Помимо указанных выше источников энергии (ИЭ) стали использоваться новые, тоже возобновляющиеся: движение воды в реках и ветер. Часть работы стали выполнять водяные колеса и 
ветряные крылья. Энергетические ресурсы полностью восстанавливались, окружающая среда оставалась «чистой». 
Третий период – с XVIII в. до середины XX в. В это время основным ИЭ 
в развитых странах становится невозобновляемая химическая энергия органического ископаемого топлива: каменного угля, нефти, природного газа и т. п., 
а основной движущей силой – «движущая сила огня», получаемая в тепловых 
двигателях. Развивается электроэнергетика. Расходуемые энергетические ресурсы уже не восстанавливаются. Происходит все большее «загрязнение» окружающей среды. 
Четвертый период начался в середине XX в. с освоения энергии деления 
ядер урана. Он закончится полным исчерпанием (или использованием в допустимой по соображениям глобальной безопасности степени) ядерного и термоядерного топлива. В этот период будут расходоваться последние запасы невозобновляемых энергетических ресурсов Земли, и проблема охраны окружающей среды 
станет особенно важной. 
3 
 

Пятый период начнется после окончания четвертого (в случае, если не 
будут открыты и технически освоены новые ИЭ). Человечеству придется жить 
в состоянии «динамического равновесия», довольствуясь непрерывно возоб- 
новляющимися ресурсами: солнечным излучением, движением вод в реках и мо- 
рях, энергией ветра, теплом недр Земли, химической энергией растений и т. п. 
Окружающая среда будет полностью восстанавливаться. В соответствии с поступающей энергией придется регламентировать население Земли, оснащенность 
его бытовой, культурной, престижной и другой энерготехникой. 
Мы живем в начале четвертого периода, основными энергетическими проблемами которого являются: воспроизводство ядерного топлива делением в реакторах на быстрых нейтронах, техническое освоение контролируемого термоядерного синтеза, все более широкое использование возобновляемых энергоресурсов, повышение доли потребления каменного угля и повышение энергетической эффективности всех типов энергетических установок и энергопотребляющих устройств. 
В начальный период промышленной революции теплотехника отставала 
от практики, которая служила мощным стимулом ее развития. В настоящее 
время прикладное значение теплотехники как науки сводится к следующему: 
x предложения самых различных способов использования теплоты; 
x проведение анализа экономичности процессов, реализуемых в тепловых 
установках; 
x создание комбинации тепловых процессов для повышения их эффективности; 
x создание и совершенствование тепловых агрегатов. 
Настоящий учебник написан в соответствии с требованиями государственного стандарта к содержанию образовательной программы. 
Процессы тепло- и массообмена встречаются во многих технических системах: в помещениях, в ограждающих конструкциях зданий и сооружений, в котельных установках, тепловых сетях, различном теплообменном оборудовании 
электростанций и т. д. Эти процессы могут происходить в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении агрегатного состояния рабочих 
сред и без него. В зависимости от этого процессы тепло- и массообмена протекают по-разному и описываются различными уравнениями. Изучение как простых, так и более сложных процессов переноса теплоты и вещества в различных 
средах и является задачей курса тепломассообмена. 
Целями изучения дисциплины являются получение и углубление знаний 
в области тепломассообмена, создание фундаментальных основ для усвоения и 
изучения дисциплин профессионального цикла по специальностям 15.02.09 «Аддитивные технологии», 15.02.06 «Монтаж, техническая эксплуатация и ремонт 
холодильно-компрессорных и теплонасосных машин и установок», 26.02.03 «Судовождение», 26.02.05 «Эксплуатация судовых энергетических установок». 
 
 
4 
 

В результате изучения дисциплины студент должен: 
x уметь: 
o рассчитывать теплообменные процессы; 
o производить расчеты нагрева и теплообмена в камерах построения 
установок для аддитивного производства; 
x знать: 
o основные законы теплообмена и термодинамики; 
o методы получения, преобразования и использования тепловой энергии; 
o способы переноса теплоты, устройство и принципы действия теплообменных аппаратов, силовых установок и других теплотехнических устройств; 
o тепловые процессы, происходящие в аппаратах и машинах; 
o устройство и принцип действия камер построения установок для 
аддитивного производства; 
o закономерности процессов теплообмена камер построения установок для аддитивного производства. 
Теплообменный (или теплоиспользующий) аппарат является одним из наиболее распространенных и важных элементов энергетических, коммунальнобытовых и технологических установок. Любые преобразования энергии из одного вида в другой, а также передача энергии от одного аппарата либо маши- 
ны к другому сопровождаются переходом некоторой части всех других видов 
энергии в тепловую. Поэтому практически во всех машинах и аппаратах теплообмен имеет важное значение. 
Теплоиспользующие аппараты имеют многообразное назначение. Вместе 
с тем они должны отвечать определенным общим требованиям, которые являются исходными при проектировании аппаратов. К этим требованиям относятся 
обеспечение высокой тепловой производительности, заданных технологических 
условий процесса и высокого качества готового продукта (для промышленных 
технологических установок). Выполнение каждого из этих требований достигается определенными приемами и методами. 
Для понимания влияния различных факторов на изучаемый процесс огромное значение имеет создание его физической модели и ее визуализация в виде 
графической схемы постановки задачи, поэтому в учебнике содержится достаточно большое количество формул, рисунков, схем и графиков. Эти иллюстрации позволяют более ясно представить, какие параметры непосредственно участвуют в описании процесса. 
 
 
 
 
 
5 
 

ǪȒȇȉȇ 
ǵǸǴǵǩȂǹǬǼǴǯǾǬǸDZǵǰǹǬǷdzǵǫǯǴǧdzǯDZǯ 
 
ǹȌȗȓȕȋȏȔȇȓȏȞȌȘȑȇȦȘȏȘșȌȓȇȏșȌȗȓȕȋȏȔȇȓȏȞȌȘȑȏȐȖȗȕȝȌȘȘ 
 
Все явления и процессы в природе представляют собой различные формы 
движения материи. Каждое тел каждая небольшая масса материи обладает 
определенным запасом внутренней энергии, определяющим то или иное состояние этой материи; этой энергией данное тело может обмениваться с другим 
телом и этот обмен представляет собой те процессы, которые происходят в природе. 
В процессах и явлениях природы энергия тел преобразуется из одного вида 
в другой. 
Все виды энергии имеют огромное значение в жизни человека и поэтому 
законы их взаимопревращения требуют самого тщательного изучения, так как 
знание этих законов позволяет использовать энергию с наибольшей эффективностью и с наиболее высоким КПД. 
Наука, занимающаяся изучением законов взаимопреобразования и превращения энергии, называется термодинамикой. 
Предметом изучения термодинамики является изучение законов взаимных 
превращений различных видов энергии, связанных с переходами энергии между 
телами, чаще всего в форме теплоты и работы. 
Феномологическая или классическая термодинамика не связана с представлением о микроструктуре вещества, не интересуется поведение и свойствами отдельных молекул, в ней не детализируются энергетические превращения, происходящие внутри тела, не дифференцируются также виды энергии, присущие телу в данном его состоянии. 
При этом совокупность тел, выделенных из материального мира и являющимися объектами исследования термодинамическими методами, называется 
термодинамической системой. 
Термодинамическая система включает в себя рабочее тело и границу термодинамической системы. 
Все тела, не входящие в состав изучаемой термодинамической системы, 
называются в совокупности окружающей средой. 
Граница между термодинамической системой и окружающей средой называется контрольной поверхностью. Эта поверхность является условным понятием. В ряде случаев она может геометрически совпадать с некоторой реальной 
физической поверхностью. Например, в простейшей термодинамической систе- 
ме – в данном случае газ (рабочее тело) в цилиндре под поршнем (рис. 1.1 а) – 
контрольная поверхность совпадает с внутренними поверхностями цилиндра и 
поршня. Во многих случаях контрольная поверхность является воображаемой. 
Так, при анализе течения газа в сопле рассматривается рабочее тело между 
6 
 

двумя характерными сечениями сопла (входное и выходное). Эти сечения рассматриваются как контрольные поверхности (рис. 1.1 б). Они являются воображаемыми поверхностями. 
Если через контрольную поверхность (или ее часть) переходит вещество, 
то такую термодинамическую систему называют открытой. Примером открытой термодинамической системы может служить газообразная среда, заполняющая при пожаре помещение с открытыми проемами (рис. 1.1 в). 
Окружающая воздушная атмосфера и ограждения помещения являются 
внешней средой по отношению к термодинамической системе, которая выделена 
на рис. 1.1, в замкнутой контрольной поверхностью (показана пунктиром). 
 
 
Рис. 1.1. Термодинамические системы: 
а – закрытая термодинамическая система: 1 – поршень; 2 – цилиндр; 3 – газ; 
р – давление внешней среды; 4 – контрольная поверхность; 
б – проточная термодинамическая система: 1 – газ в сопле; 
А–А и В–В – входное и выходное сечения сопла; 
w1, w2 – скорости газового потока, соответственно, 
на входе и на выходе из сопла, м/с; 
в – открытая термодинамическая система: 1 – газовая среда; 2 – ограждение; 
3 – проемы; 4 – горючий материал; 5 – контрольная поверхность; ȥ – массовый 
расход продуктов пиролиза, кг/с; Gв, Gг – массовые расходы воздуха 
и уходящих газов, соответственно, кг/с; С–С – поверхность горения 
7 
 

Если контрольная поверхность непроницаема для вещества, т. е. между системой и внешней средой отсутствует обмен веществом, то система называется 
закрытой. Примером такой системы может служить рассмотренный выше газ, 
находящийся в цилиндре под поршнем. 
Термодинамическая система называется изолированной, если через контрольную поверхность не происходит передачи энергии и вещества. Понятие 
изолированной системы является научной абстракцией. 
Если закрытая термодинамическая система не может обмениваться теплотой с окружающей средой, то такая система называется адиабатной. 
Система, имеющая во всех своих частях одинаковые свойства, называется 
однородной. Систему, состоящую из одной фазы вещества (или нескольких веществ, находящихся в одной фазе), называют гомогенной. Возможны четыре 
фазы агрегатного состояния вещества – твердая, жидкая, газообразная, плазменная. Системы, содержащие вещество в разных фазах, называют гетерогенными. В зависимости от числа фаз гетерогенные системы называются двухфазными и трехфазными. 
Классификация термодинамических систем бывает следующих видов:  
1)  по виду рабочего тела;  
2)  по обмену энергией с окружающей средой;  
3)  по обмену с окружающей средой веществом.  
Классификация термодинамических систем по виду рабочего тела:  
1)  гомогенные – однородная система, химический состав и физические 
свойства которой во всех частях одинаковы или меняются непрерывно, 
без скачков (между частями системы нет поверхностей раздела); 
2)  гетерогенные – системы, состоящие из нескольких разнородных веществ в различных агрегатных состояниях. Гомогенные части гетерогенной системы, отделенные от остальной ее части видимыми границами, называют фазами.  
Классификация термодинамических систем по обмену энергией с окружающей средой:  
1) термомеханическая – обменивается с окружающей средой энергией 
в форме теплоты и в форме работы;  
2) адиабатная – обменивается с окружающей средой энергией в форме работы (dQ = 0). 
Классификация термодинамических систем по обмену веществом с окружающей средой:  
1) открытая система – система, которая обменивается веществом с окружающей средой;  
2) изолированная система – система, которая не взаимодействует с окружающей средой.  
Существуют различные виды состояний термодинамической системы:  
Равновесное состояние термодинамической системы – состояние, при котором параметры не меняются со временем, при этом постоянство параметров не 
обусловлено каким-либо процессом либо внешним воздействием.  
Стационарное состояние термодинамической системы – постоянство параметров обусловлено каким-либо процессом. 
8 
 

ǹȌȗȓȕȋȏȔȇȓȏȞȌȘȑȏȌȖȗȕȝȌȘȘȢ 
 
Термодинамическим процессом называется изменение состояния термодинамической системы. Изменение состояния системы сопровождается изменением параметров состояния. Реальные процессы обусловлены нарушением термодинамического равновесия, поэтому являются неравновесными. Однако, если 
в ходе процесса имеют место лишь бесконечно малые отклонения состояния 
системы от равновесного, то в каждый момент времени состояние рабочего тела 
является квазиравновесным. Такой процесс называют равновесным. 
В равновесном процессе система проходит непрерывный ряд равновесных 
состояний, каждое из которых описывается уравнением состояния и изображается соответствующей точкой на термодинамической поверхности, например, точкой В (см. рис. 1.2). Последовательная совокупность этих точек образует на термодинамической поверхности линию (в общем случае пространственную), называемую линией (или кривой) процесса (например, линия АВ на рис. 1.2). При графическом анализе процессов на практике используют плоские диаграммы, на которых изображаются проекции линии процесса (например, линия А1В1 на рv-плоскости, см. рис. 1.2). 
 
 
Рис. 1.2. Термодинамическая поверхность 
 
Можно дать следующие определения различным видам термодинамических процессов: 
Равновесными процессами называются такие процессы, когда система в ходе процесса проходит ряд последовательных равновесных состояний.  
Квазистатическими называются процессы, когда в т. д. с. в каждый момент времени устанавливается равновесие. Квазистатические процессы могут 
быть обратимыми.  
9 
 

Обратимый процесс – направление процесса может измениться на противоположное.  
Неравновесные процессы – процессы, при протекании которых система не 
находится в состоянии равновесия (различные части системы имеют различные 
параметры состояния). 
Процесс, протекающий при постоянном давлении, называется изобарным. 
Проекция линии этого процесса на рv-плоскость показана на рис. 1.3 а. Линия 
этого процесса называется изобарой. В качестве примера можно привести процесс нагревания газа, проходящего по каналу с горячими стенками. Если пренебречь потерями на трение, то можно считать давление газа на входе в канал и на 
выходе из него одинаковым. Температура газа по мере продвижения вдоль канала растет, увеличивается также удельный объем газа. 
Процесс, протекающий при постоянном объеме, называется изохорным. 
Проекция линии этого процесса на рv- и vТ-плоскость показана на рис. 1.3 а, в. 
Линия этого процесса называется изoхорой. Примером такого процесса является 
нагревание газа в закрытом баллоне. 
Процесс, протекающий при постоянной температуре, называется изотермическим. Проекция линии этого процесса на рТ- и vТ-плоскости показана на 
рис. 1.3 б, в. Линия этого процесса называется изотермой. Примером такого процесса может служить процесс кипения воды в открытом сосуде. Температура 
воды в процессе кипения остается практически постоянной. 
 
 
Рис. 1.3. Термодинамические процессы: 
а – диаграмма рv: 1–2 – изобарный процесс; 1'–2' – изохорный процесс; 
б – диаграмма рТ: 1"–2" – изотермический процесс; I–II – круговой процесс; 
в – диаграмма vТ: 1'–2' – изохорный процесс; 1"–2" – изотермический процесс 
 
Среди различных термодинамических процессов особое значение для анализа работы тепловых машин имеют круговые (замкнутые) процессы. Круговым 
(замкнутым) процессом называется процесс, при котором рабочее тело, выйдя 
из некоторого начального состояния и претерпев ряд изменений, снова воз- 
вращается в начальное состояние. Круговой процесс называют термодинамическим циклом. Проекция цикла на рТ-плоскость показана на рис. 1.3, б. На лю10