Реферат: Технічна термодинаміка та теплові процеси технології будівельних матеріалів

Міністерство освіти і науки України

Національний університет водного господарства і природокористування

В.Л. Шестаков

Задачі та вправи з технічної термодинаміки та теплових

процесів технології будівельних матеріалів

Навчальний посібник

Рекомендовано

Рівне - 2006

УДК 536.7: 621.036; 666.9.013

ББК 38.626.2 - 5873

Ш 52

Рекомендовано

Відповідальний редактор:

Рецензенти:

В.Л. Шестаков

Задачі та вправи з технічної термодинаміки та теплових процесів технології будівельних матеріалів. Навчальний посібник. - Рівне: НУВГП, 2006

ISBN 966-7447-99-5

Даний посібник призначений для студентів, які вивчають "Термодинаміка" та "Технологічне обладнання підприємств з виробництва будівельних матеріалів і виробів" за спеціальністю "" Технологія будівельних конструкцій, виробів і матеріалів. Посібник може бути використаний для теплотехнічних розрахунків в курсовому та дипломному проектуванні теплових агрегатів і технологічних ліній з виготовлення будівельних матеріалів, виробів і конструкцій.

Для студентів спеціальностей будівельного профілю, також хіміко-технологічних спеціальностей виробництва силікатних будівельних матеріалів.

ISBN 966-7447-99-5

УДК 536.7: 621.036; 666.9.013

ББК 38.626.2 - 5873

В.Л. Шестаков, 2006

НУВГП, 2006

Зміст

Передмова

І. Термодинаміка

1.1 Параметри стану робочих тіл (газ, пара) визначаються температурою t, тиском Р, об’ємом V і питомим об’ємом W

1.2 Рівняння стану

1.3 Теплоємність газів. Змішування.

1.4 Аналітичний вираз І законуну термодинаміки має вигляд:

1.5 Процес підведення або відбирання теплоти

1.6 Ентропія згідно із ІІ законом термодинаміки для обернених процесів складає

1.7 Круговий процес або цикл

2. Теплопередача

2.1 Теплопровідність у стаціонарному режимі при сталій температурі

2.2 Нестаціонарномий режим

2.3 Конвективний теплообмін

2.4 Випромінювання газової фази

2.5 Фізичні властивості водяної пари

ІІ. Завдання до самостійної роботи

Задачі

Додатки - таблиці

Передмова

Посібник містить в кожному розділі теоретичні посилання, приклади розв’язання задач і вправ, також перелік задач, вправ і тестів для самостійної роботи студентів і самоконтролю знань з технічної термодинаміки і теплотехніки.

В розділі 1 розглядаються теоретичні і практичні питання з технічної термодинаміки, в розділі 2-3 теплопередачі; розділ 3 присвячений розрахункам горіння палива, розділ 4 - розрахункам газодинамічного тракту руху гріючих газів, розділ 5 - теплообміну в теплових апаратах (печі, сушили, установки тепловологісної обробки) виробництва будівельних матеріалів і виробів.

Посібник включає необхідні графічні матеріали, таблиці за текстом та значний табличний матеріал в додатках про необхідні теплофізичні характеристики основних газів, повітря, водяної пари, основних видів палива родовищ України, характеристики місцевих опорів руху повітря тощо.

Приклади розрахунків в значній мірі адаптовані до теплотехнічних апаратів промисловості будівельних матеріалів та теплових ситуацій, що в них виникають.

Задачі і вправи базуються на сучасних технологіях теплової обробки матеріалів з використанням галузевого досвіду з виготовлення цементу, будівельної кераміки, залізобетону та ін.

Посібник може бути використаним для проведення теплотехнічних розрахунків в курсовому і дипломному проектуванні теплових агрегатів, комплектуючих технологічні лінії з виготовлення будівельних матеріалів, виробів і конструкцій.

І. Термодинаміка

Основні теоретичні положення. Приклади розв'язання задач з термодинаміки.

1.1 Параметри стану робочих тіл (газ, пара) визначаються температурою t, тиском Р, об’ємом V і питомим об’ємом W

Абсолютний тиск в котлах складає: Рабс = Рман+В, у вакуумних установках - Рабс = В - Рман, де Рабс, Рман - показники тиску за показанням манометра або вакуумметра, В - атмосферний (барометричний) тиск.

Приведений показник ртутного барометра (до 00С) складає: В0=В (1-0,000172t), (1.1)

В - дійсне показання барометра при температурі t0С, 0,000172 - коефіцієнт об'ємного розширення ртуті.

Приклад 1-1. Визначити абсолютний тиск пари в котлі, якщо манометр показує Р=0,13 МПа, а атмосферний тиск по ртутному барометру складає В=680мм рт. ст. (90660Па) при t=250С.

Рабс = РМАН+В.

Показання барометра, приведене до 00С, складає

В0 = В (1-0,000172t) = 99660 (1-0,000172∙25) = 90270 Па.

Тоді абсолютний тиск пари в котлі

Рабс = 0,13 + 0,09 = 0,22 МПа.

Приклад 1-2. Тиск у паровому котлі Р = 0,04 МПа при барометричному тиску Во1 = 96660 Па (725 мм рт. ст). Чому дорівнює надлишковий тиск в котлі, якщо показання барометра підвищаться до В02 = 104660 Па (785 мм рт. ст), а стан пари залишиться таким, як був. Барометричний тиск приведений до 00С.

Абсолютний тиск в котлі

Рабс = 40000 + 96660 = 136660 Па.

Надлишковий тиск

Рнад = 136660 - 104660 = 0,032 МПа.

1.2 Рівняння стану

Якщо температура газу є сталою (T-const), то згідно закону Бойля-Маріотта РV = const.

Якщо тиск газу є сталим (Р = const), згідно закону Гей-Люссана або

Для газів, які мають однакову температуру і тиск, на основі закону Авогардо (тут М - молекулярна маса газу), або MV = const.

Нормальні умови відповідають тиску Р = 101325 Па, Т = 273,15 К (760 мм рт. ст., 00С). Об’єм 1 кмоля ідеальних газів = 22,4136. Звідси н = М/22,4, кг/м3, а = 22,4/М, м3/кг.

Характеристичне рівняння ідеального газу:

, або PV = MRT (1.2)

Де R - газова стала, V - об’єм, M - маса газу.

Газова стала відносно 1 кг газу складає: . Дж ⁄ (кг/∙K)

Виходячи із характеристичного рівняння дійсним є

Приклад 1-3. Тиск газу за показанням манометра складає 0,3 МПа при температурі 60 0С, об’єм газу 2,5 м3. Визначити об’єм газу для нормальних умов.

Виходячи із рівняння визначаємо V0:

Р0 = 760 мм рт. ст. (0,101МПа). Рнад = 0,3 + 0,101 = 0,401 МПа.

нм3

Іноді технічні розрахунки спрощують, якщо тиск газу мало відрізняється від атмосферного:

V0 = V.

Приклад 1-4. Суміш газів має об'ємний склад (%): СО2 - 12, N2 - 74, H2O - 6, О2 - 7, СО - 1. Тиск суміші 0,1 МПа (750 мм рт. ст) Визначити молекулярну масу, газову сталу, густину суміші при температурі 10000С і парціальний тиск окремих газів.

3) із рівняння стану для 1 кг газу

Pv = RT, або звідси

4) Рі = Р∙аі (тут аі - об'ємна частка газу)

Р CO2 = 0.1∙0.12 = 0.012 МПа = 12 кПа,

Р N2 = 0.1∙0.74 = 0.074 МПа = 74 кПа,

Р Н2О = 0,1∙0,06 = 0,006 МПа = 6кПа,

Р О2 = 0,1∙0,07 = 0,007 МПа = 7кПа,

Р СО = 0,1∙0,01 = 0,001 МПа = 1 кПа.

Приклад 1-5. Балон із киснем ємністю 20 л перебуває під тиском 10 МПа при 150С. Після витрати частини кисню тиск знизився до 7,6 МПа, а температура впала до 100С. Визначити масу витраченого кисню.

Із характеристичного рівняння (1.2)

. Перед витратами маса кисню була , а після витрат .

Витрати кисню склали 2,673 - 2,067 = 0,606 кг.

Приклад 1-6. Посудина ємністю V = 10 м3 заповнена 25 кг СО2. Визначити абсолютний тиск в посудині, якщо t = 270C.

Із характеристичного рівняння

Приклад 1-7. Атмосферне повітря має наступний масовий склад: mo2 = 23.2%, mN2 = 76.8%. Визначити об'ємний склад повітря, його газову сталу уявну молекулярну масу, парціальний тиск О2 і N2, якщо тиск повітря (барометричний) В = 101325 Па.

Уявна молекулярна маса

Мсум = rO2 MO2 + rN2MN2 = 0.21∙32 + 0.79∙28.02 = 28.9, або

, звідки .

Парціальний тиск РО2 = rО2∙Р = 0,21∙101325 = 21278 Па,

РN2 = rN2∙Р = 0,79∙101325 = 80047 Па.

1.3 Теплоємність газів. Змішування

Розрізняють мольну теплоємність М∙С , масову теплоємність С , об'ємну теплоємність C' .

Масова теплоємність , об'ємна С' = .

С' = С ( - густина газу в нормальних умовах)

Середня теплоємність в межах t1... t2 дорівнює:

Ст = q/ (t2 - t1), а дійсна (істинна) теплоємність

тут q - кількість тепла, переданого до одиниці кількості газу.

Між мольною теплоємністю при Р = const і при V = const є зв’язок: МСР - МСV = МR = 8.314 кДж/ (кмоль*К), а СР /СV = К (для одноатомних газів К = 1,67; для двоатомних К = 1,4; для трьохатомних і багатоатомних К = 1,29). Залежність теплоємності від температури є нелінійною:

C = a + bt + dt2, (1.3)

де a, b, d - константи для кожного газу. В розрахунках часто нелінійну залежність заміняють близькою до неї лінійною:

C = a + bt,

а середня теплоємність при зміні температури від t1 до t2 складає:

В табл. .1.1 наведені формули для підрахунку середніх значень масової та об'ємної теплоємності газів за лінійним законом зміни температури.

Таблиця 1.1 Середня масова та об'ємна теплоємність газів (лінійна залежність)

Газ

Теплоємність за масою, кДж/ (кг∙K)

Об'ємна теплоємність, кДж/ (кг∙K)

О2

Сpm = 0.9203 + 0.0001065t

CVm = 0.6603 + 0.0001065t

Сpm = 1.3188 + 0.00001577t

CVm = 0.9429 + 0.0001577t

Сpm = 1.024 + 0.00008855t

CVm = 0.7272 + 0.00008855t

Сpm = 1.2799 + 0.0001107t

CVm = 0.9089 + 0.0001107t

Повіт-ря

Сpm = 0.9956 + 0.00009299t

CVm = 0.7088 + 0.00008855t

Сpm = 1.2866 + 0.0001201t

CVm = 0.9157 + 0.0001201t

Н2О

Сpm = 1.833 + 0.0003111t

CVm = 1.3716 + 0.0003111t

Сpm = 1.4733 + 0.0002498t

CVm = 1.1024 + 0.0002498t

СО2

Сpm = 0.8654 + 0.0002443t

CVm = 0.6764 + 0.0002443t

Сpm = 1.699 + 0.0004798t

CVm = 1.3281 + 0.0004798t

Приклад 1-8. Визначити середню теплоємність Сpm повітря при Р = const в межах 200...8000С, виходячи із нелінійної залежності теплоємності від температури.

Кількість теплоти, яка передається від t1 до t2 складає:

qp = Cpm2∙t2 - Cpm1∙t1, a

Табульовані значення теплоємності (табл. Д4, табл. ХІІ 4)

, тоді

При змішуванні газів, які не реагують хімічно, мають різні температури та тиск, розрізняють 2 випадки:

1 - змішування при V = const (сумарний об’єм газів перед і після змішування). Параметри стану визначаються за формулами:

(1.4)

(1.5)

(1.6)

Для газів із однаковими мольними теплоємностями (та однаковими значеннями К).

, .

2 - змішування газових потоків (масові витрати Мі - , об'ємні витрати Vi - м3/год, тиск Рі, температура - Ті) при відношенні теплоємностей окремих газів К1, К2... Кn:

(1.7)

(1.8)

при температурі Т, тиску Р.

Якщо гази перебувають під однаковим тиском, то

, .

Приклад 1-9. У двох посудинах утримуються гази: посудина А - 50 л азоту, при Р1 = 2МПа, t1 = 2000С; посудина В - 200 л диоксиду вуглецю при Р2 = 0,5МПа, t2 = 6000С. Визначити тиск і температуру, які будуть встановлені після приєднання посудин.

Значення ;

;

1.4 Аналітичний вираз І законуну термодинаміки має вигляд:

dQ = dU + dL,

де dQ - кількість теплоти, яку робоче тіло отримало зовні,

dU - зміна внутрішньої енергії робочого тіла,

dL - робота, яку здійснило робоче тіло ("зовнішня робота розширення").

Для нескінчено малої зміни стану робочого тіла

dq = du + pdu =

= d (u+ pu) - udp.

I = u + pu є параметром стану, має назву ентальпії.

Для ідеального газу

(1.9)

де Сpm - середня масова теплоємність при р = const в межах 0...Т.

Для теплотехнічних розрахунків необхідно знати зміну ентальпії, а не її абсолютне значення. При р = const кількість теплоти qp = i2 - i1, тобто різниця ентальпій кінцевого і вихідного стану.

Приклад 1-10. В котельній електростанції за 20 год. спалено 62т кам’яного вугілля, яке має теплоту згорання 28900 кДж/кг. Визначити середню потужність станції, якщо в електричну енергію перетворено 18% теплоти, отриманої від спалення вугілля.

Кількість теплоти, яка перетворена в електричну енергію, складає:

Q = 62*1000*28900*0,18кДж.

Еквівалентна електрична енергія або робота

Середня електрична потужність станції

1.5 Процес підведення або відбирання теплоти

Процес може бути ізохорним (V = const), ізобарним (р = const), ізотермічним (t = const), адіабатним (dq = 0), політропним (PVm = const, де m - стала величина, показник політропи).

При V = const залежність між параметрами початкового і кінцевого стану має вигляд:

, а (1.10)