8041

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Л.М. Дыскин, М.С. Морозов

ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ. ПРАКТИКУМ ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКЕ

Учебно-методическое пособие по подготовке к практическим занятиям

(включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Теплотехника»

для обучающихся по направлению подготовки 20.05.01 Пожарная безопасность,

направленность (профиль) Пожарная безопасность

Нижний Новгород

2022

УДК 621

Дыскин Л.М. Основы теплотехники. Практикум по технической термодинамике : учебно-методическое пособие / Л.М. Дыскин, М.С. Морозов ; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет. – Нижний Новгород: ННГАСУ, 2022. – 148 с. : ил. – Текст : электронный.

Ключевые слова: техническая термодинамика, теплопередача, теплофикация, паровые турбины, цикл Ренкина, электрический генератор, удельная выработка электроэнергии, экономия электроэнергии, тепловые станции, тепловая энергия.

Изложены краткие теоретические сведения и расчетные формулы по всем основным разделам дисциплины «Теплотехника», необходимые для выполнения практических задач и самостоятельной работы обучающихся. В конце каждого раздела приведен пример расчета типовой задачи.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Теплотехника» для обучающихся по направлению подготовки 20.05.01 Пожарная безопасность, направленность (профиль) Пожарная безопасность.

© Л.М. Дыскин, М.С. Морозов, 2022 © ННГАСУ, 2022

3

1. ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ ТЕЛА

Величины, характеризующие термодинамическую систему в данном состоянии, называют параметрами состояния. Чаще всего состояние тела определяется следующими параметрами: удельным объемом, давлением и температурой.

1. Удельный объем (v) тела представляет собой объем единицы его массы. В технической термодинамике за единицу массы принимают килограмм

(кг), за единицу объема – кубический метр (м3). Следовательно, удельный объем равен объему в кубических метрах одного килограмма вещества.

Если V – объем в м3, занимаемый телом массой М в кг, то удельный объем

Величина, обратная удельному объему

представляет собой массу единицы объема и носит название плотности. Таким образом, удельный объем измеряют в м3/кг, а плотность – в кг/м3.

Из уравнения (2) следует, что

vρ 1,

V Mv Mρ , м3 и M ρV Vv , кг.

2. Давление (р) в Международной системе единиц (СИ) измеряют в паскалях. Паскаль (Па) – давление, вызываемое силой 1 ньютон (Н),

равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м2;

Таким образом, в единицах СИ паскаль измеряют в ньютонах на квадратный метр (Н/м2). Во всех термодинамических уравнениях пользуются этой единицей, поэтому в формулы следует подставлять числовые значения давления в паскалях.

Так как эта единица очень мала, ею пользуются только при измерении

4

незначительных давлений. Для практических целей давление удобнее измерять в кПа/м2 (килопаскалях на квадратный метр) или в МПа/м2 (мегапаскалях на квадратный метр). Следовательно,

1 кПа = 103 Па = 103 Н/м2; 1 МПа = 106 Па = 106 Н/м2.

Давление можно также измерять высотой столба жидкости (ртути, воды,

спирта и др.), уравновешивающего давление газа (воздуха). На рис. 1

изображен сосуд с газом, к которому припаяна изогнутая трубка, наполненная какой-либо жидкостью. Если давление в сосуде больше атмосферного

(барометрического), то жидкость в правом колене трубки поднимается; если же оно ниже, то жидкость поднимается в левом колене (рис. 2).

ВАнглии и США применяют две системы единиц – Британскую абсолютную систему и Британскую инженерную систему.

ВБританской абсолютной системе в качестве единицы массы принят 1

фунт массы (lbm), а единица силы является производной единицей и определяется как сила, которая сообщает массе в 1 фунт ускорение 1 фут/с2.

Эту единицу силы называют паундаль:

1паундаль = 1 фунт∙фут/с2 = 0,13825 Н.

ВБританской инженерной системе в качестве основной единицы принимают фунт силы (lb–force); единица же массы является производной единицей и определяется как масса, которая под действием силы в 1 фунт получает ускорение 1 фут/с2. Эту единицу массы называют слаг:

5

1 слаг = 1 фунт∙с2/фут = 14,5939 кг.

Давление в Британской системе единиц измеряют в фунтах – силы на квадратный фут (lbf/ft2) или в футах – силы на квадратный дюйм (lbf/in2);

удельный объем измеряют в кубических футах на фунт массы (ft3/lb).

Для измерения давления применяют барометры, манометры и вакуумметры. Барометрами измеряют атмосферное давление, манометры

служат для измерения давления выше атмосферного. Их показания дают избыток давления измеряемой среды над атмосферным давлением – манометрическое (рман) или избыточное (ризб) давление.

В термодинамике параметром состояния рабочего тела является только

абсолютное давление.

Абсолютное давление определяют из соотношения

где В – атмосферное (барометрическое) давление.

Вакуумметры служат для измерения давления ниже атмосферного. По их показаниям судят, насколько давление рассматриваемой среды меньше атмосферного (вакуум, разрежение). Абсолютное давление в этом случае находят из равенства

При измерении давления высотой ртутного столба следует иметь в виду,

что показание прибора (барометра, ртутного манометра) зависит не только от давления измеряемой среды, но и от температуры ртути, так как с изменением последней изменяется также и плотность ртути. При температуре ртути выше

0 °С плотность ее меньше, а следовательно, показания прибора выше, чем при том же давлении и при температуре ртути 0 °С. При температуре ртути ниже

0 °С будут иметь место обратные соотношения. Это следует иметь в виду при переводе давления, измеренного высотой ртутного столба, в другие единицы измерения давления. Проще всего это делается приведением высоты столба ртути к 0 °С путем введения поправок на температуру ртути в приборе.

Величина поправки на 1000 мм рт. ст. для различных температур указана

6

в таблице 1.

При температуре ртути выше 0 °С указанную поправку нужно вычитать из показаний прибора; при температурах ниже 0 °С поправку нужно прибавлять к показаниям прибора.

Приведение показаний ртутного барометра к 0 °С можно легко получить из следующего соотношения:

где В0 – барометрическое давление, приведенное к 0 °С; В – действительное давление при температуре воздуха t °С; 0,000172 – коэффициент объемного расширения ртути.

3. Температура (t) характеризует степень нагретого тела. Ее измеряют или по термодинамической температурной шкале, или по международной практической температурной шкале. Единицей термодинамической температуры является кельвин (К), представляющий собой 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Эта температура равна

273,16 К и является единственной воспроизводимой опытным путем постоянной точкой термодинамической температурной шкалы (реперная точка).

Тройная точка воды – это температура, при которой все три фазы воды

(твердая, жидкая, газообразная) находятся в равновесии. Нижним пределом шкалы является абсолютный нуль. Термодинамическую температурную шкалу называют также абсолютной шкалой. Параметром состояния рабочего тела является абсолютная температура, обозначаемая символом Т и измеренная в кельвинах (К).

Термодинамическая температура может быть также выражена в градусах

7

Цельсия (°С); она обозначается символом t. Температура таяния льда на 0,01°

ниже температуры тройной точки воды. Поэтому температура в градусах Цельсия определяется выражением

t T T0 ,

где Т – абсолютная температура, выраженная в кельвинах; Т0 = 273,15 К.

Цена деления стоградусной шкалы Цельсия равна цене деления абсолютной шкалы Кельвина.

В Международной практической температурной шкале (установлена в

1968 г.) различают международную практическую температуру Кельвина (Т68) и

международную практическую температуру Цельсия (t68). Единицами Т68 и как и для термодинамической температуры Т и температуры Цельсия t являются соответственно кельвин и градус Цельсия. Обычно индекс 68 опускается.

Для практических целей пользуются международной практической температурной шкалой, которая основана на значениях температур определенного числа постоянных и воспроизводимых опытным путем температурах.

В США и Англии для измерения температуры применяют шкалу Фаренгейта. На этой шкале (°F) температура таяния льда и температура кипения воды обозначены соответственно через 32° и 212°. Для перевода показаний этой шкалы в °С и обратно служат соотношения

8

9

Задача

Найти абсолютное давление пара в котле, если манометр показывает

р = 0,13 МПа, а атмосферное давление по ртутному барометру составляет В =

680 мм рт. ст. (90660 Па) при t = 25° С.

Решение

По формуле (3)

pабс рман В.

Показание барометра получено при температуре ртути t = 25 °С. Это показание необходимо привести к 0 °С.

B0 680 4,31 680 680 2,93 677,1 мм рт.ст 90270 Па. 1000

Тот же результат будем иметь, если воспользуемся уравнением (5):

B0 B(1 0,000172t) 90660 0,9957 90270 Па.

Тогда абсолютное давление пара в котле

pабс 0,13 0,09 0,22 МПа.