Лашутина - Техническая термодинамика с основами теплопередачи и гидравлики

Лашутина Н. Г. и др.

Техническая термодинамика с основами теплопередачи и гидравлики: Учеб. пособие для учащихся техникумов по  специальности «Холодильно-компрессорные машины и установки»/Н. Г. Лашутина, О. В. Макашова, Р.М.Медведев; Под общ. ред. Р. М. Медведева.— Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1988. —336 с: ил.

В учебнике подробно изложены теоретические основы технической термодинамики, теплопередачи и гидравлики, необходимые для  подготовки учащихся, специализирующихся в области эксплуатации  холодильных компрессорных машин и установок, а также систем  кондиционирования воздуха.

© Издательство «Машиностроение», 1988

ПРЕДИСЛОВИЕ

В «Основных направлениях экономического и  социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года», утвержденных XXVII съездом КПСС, поставлены большие задачи перед холодильным хозяйством агропромышленного комплекса, которыми предусматривается ускоренными темпами внедрять новейшую холодильную технику, развивать сеть холодильников, оснащать отрасли комплекса рефрижераторным транспортом.

В свете реализации продовольственной программы особенно остро стоит проблема ликвидации потерь продукции полей и ферм при уборке, транспортировке, хранении и переработке на основе широкого и эффективного использования искусственного холода.

В реализации поставленных партией задач значительная роль отводится среднему техническому персоналу, призванному не только создавать холодильные объекты на основе последних  достижений науки и техники, но и эффективно их эксплуатировать.

В настоящее время задача обеспечения потребителей холодом нужных параметров наиболее выгодным способом с применением современной технологии в комплексе с автоматизацией и  механизацией производственных процессов, а также задача  дальнейшего развития материально-технической базы холодильных  предприятий, оснащения их современным холодильным  оборудованием, постоянного повышения эффективности его эксплуатации требуют подготовки квалифицированных специалистов со средним специальным образованием в области холодильной техники.

Значительное внимание должно быть уделено изучению  теоретических основ хладотехники по специальности «Холодильно-компрессорные машины и установки», которые являются  содержанием дисциплины «Техническая термодинамика с основами  теплопередачи и гидравлики».

Качество преподавания и подготовки специалистов в  техникумах во многом зависит от наличия специализированных  учебных пособий, предназначенных для средних учебных заведений. Существующие для техникумов учебники по термодинамике и теплообмену ориентированы в основном на подготовку  специалистов-теплотехников. Вопросам термодинамики циклов и  процессов холодильных машин в этих учебниках уделено недостаточно внимания. В них не рассматриваются физические основы  процессов, протекающих в аппаратах холодильных машин, и методы их расчета. Отсутствует также учебник для техникумов, включающий все разделы курса (термодинамики, теплопередачи и гидравлики).

Предлагаемый учебник для техникумов «Техническая  термодинамика с основами теплопередачи и гидравлики» отличается более подробным изложением теоретических основ холодильной техники для подготовки учащихся, специализирующихся в  области эксплуатации холодильных и компрессорных машин и установок, а также систем кондиционирования воздуха. 

Содержание учебника соответствует учебному плану средних  специальных учебных заведений по специальности № 0565 «Холодильно-компрессорные машины и установки».

Главы 1, 8, 14 написаны Н. Г. Лашутиной, главы 2—7, 11, 12 — О. В.Макашовой, главыЭ, 10, 13,15—23 — Р.М.Медведевым.

Замечания и предложения, направленные на улучшение  учебника, будут приняты авторами с благодарностью. Просим  направлять их по адресу: 191065, Ленинград, ул. Дзержинского, 10, Ленинградское отделение издательства «Машиностроение».

ВВЕДЕНИЕ

Теоретические основы процессов холодильных машин и установок, а также систем кондиционирования воздуха  базируются на трех фундаментальных науках: термодинамике, теплопередаче и гидравлике.

Термодинамика — это наука о закономерностях  превращения энергии в различных физических, химических и других процессах, рассматриваемых на макроуровне. Термодинамика основывается на двух фундаментальных законах природы: 

первом и втором началах термодинамики. Эти законы были  сформулированы в XIX в. и явились развитием основ механической  теории теплоты и закона сохранения и превращения энергии,  сформулированных великим русским ученым М. В, Ломоносовым (1711 — 1765).

Наиболее важным направлением термодинамики для  специалистов в области холодильной техники является техническая термодинамика, занимающаяся изучением процессов взаимного превращения теплоты в работу и условий, при которых эти  процессы совершаются наиболее эффективно.

Зарождение технической термодинамики было связано с  изобретением в конце XVIII в. паровой машины и изучением  условий превращения теплоты в механическую работу. Основы  технической термодинамики были заложены французским физиком и инженером Сади Карно (1796—1832), который первый  осуществил термодинамическое исследование тепловых двигателей и указал пути повышения их экономичности. В развитие  ехнической термодинамики огромный вклад внесли крупнейшие ученые Р. Майер, Дж. Джоуль, Г. Гельмгольц, С. Карно, Р, Клаузиус, В. Томсон (Кельвин), Л. Больцман. Их исследования обусловили установление первого и второго начал термодинамики, что создало основу для теоретического изучения и практического применения процессов превращения теплоты в работу. Помимо указанных ученых в развитии термодинамики участвовали Д. И. Менделеев, Г. В. Рихман, Г. Ленц, Ф. Бошнякович, М. П. Вукалович и  многие другие.

Большой вклад в развитие термодинамических основ  холодильных машин внесли также многие советские ученые, на-пример И. С. Бадылькес, В. С. Мартыновский, Л. М. Розенфельд, А. Г. Ткачев и др.

Теплопередачей (или теплообменом) называют науку, изучающую закономерности самопроизвольных необратимых  процессов переноса теплоты в пространстве, который осуществляется теплопроводностью, конвекцией, тепловым излучением или их совокупностью.

Теплопередача — наука сравнительно молодая и является частью общего учения о теплоте, заложенного в середине XVIII столетия М. В. Ломоносовым. Учение о теплоте  беспрестанно разрабатывалось и развивалось. Начиная со второй  половины XIX в., с приобретением опыта эксплуатации паровых  машин, все большее внимание уделяется процессам теплообмена.

В эти годы публикуется ряд основополагающих работ по  теплообмену и среди них работа О. Рейнольдса о единстве процессов  переноса теплоты и количества движения (1874 г.). Окончательно  учение о теплоте сформировалось в самостоятельную науку в  начале XX в. Особенно интенсивно теплопередача развивается в последние десятилетия. Большой вклад в развитие учения о теплообмене внесли советские ученые М. В. Кирпичев, М. А. Михеев, А. А. Гухман, Г. Н. Кружилин, С. С. Кутателадзе, Д. А. Лубанцов и  многие другие. Значительный объем исследований процессов в  аппаратах холодильных машин выполнили А. А. Гоголин, Г. Н.  Данилова, С, С. Будневич, О. П. Иванов и др.

Теплопередача является базовой дисциплиной всех дисциплин, формирующих техника-механика по холодильным установкам и системам кондиционирования воздуха. Знание законов переноса теплоты позволяет, с одной стороны, проектировать современные аппараты, а с другой — обеспечивать их экономичную  эксплуатацию, что приводит к экономии материала и энергии.

Гидравлика — наука, изучающая законы равновесия и движения жидкостей и разрабатывающая методы применения их к решению инженерных задач. Законы гидравлики применяются при решении многих инженерных задач, связанных с  проектированием, строительством и эксплуатацией различных  гидротехнических сооружений, трубопроводов и машин.

Основоположником гидравлики считают древнегреческого  ученого Архимеда, написавшего трактат «О плавающих телах». Гидравлика как наука возникла гораздо раньше, чем  термодинамика и теплопередача, что связано с общественной  деятельностью человека. Многие ее фундаментальные законы были  открыты еще в XV—XVI вв. известными учеными Леонардо да Винчи, С. Стевином, Г. Галилеем, Э. Торричелли, Б. Паскалем, И. Ньютоном. В XVIII в. механикой жидкости занимались Д. Бернулли, Л. Эйлер, Ж. д'Аламбер, которые разработали основные законы движения жидкостей. В XIX в. с развитием техники увеличивается число исследований характера движения            жидкостей, гидравлических сопротивлений. В этот период  плодотворно работают А. Пито, А. Шези, Сен-Венан, Ж- Пуазейль, Дарси, Вейсбах, О. Рейнольде, Л. Прандтль.

Большую роль в развитии гидравлики сыграли русские и советские ученые: Н. П. Петров, Н. Е. Жуковский, Н. Н.  Павловский, И. Д. Чертоусова, Р. Р. Чугаев, И. И. Леви, А. И.  Колмогорова и многие другие.

Построение материальной базы коммунистического общества предполагает широкое развитие энергетики и холодильной техники в народном хозяйстве. Создание стационарных и передвижных холодильных установок, а также систем кондиционирования  воздуха поставило настоятельную задачу подготовки  квалифицированных техников-механиков по эксплуатации, ремонту,  изготовлению и проектированию холодильного оборудования. Поэтому целью настоящего учебника является обучение учащихся  правильно представлять физическую картину происходящих в  аппаратах процессов, уметь их анализировать и делать выводы при эксплуатации и расчете оборудования.

РАЗДЕЛ 1

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ

§ 1.1. УДЕЛЬНЫЙ ОБЪЕМ И ПЛОТНОСТЬ

Процессы взаимного преобразования теплоты и работы в различных тепловых машинах осуществляются с помощью вещества, называемого рабочим телом. Например, в двигателях внутреннего сгорания и в газотурбинных установках рабочим телом является газ (воздух). В паровых двигателях и  холодильных машинах рабочим телом является пар, который может легко переходить в жидкое состояние и, наоборот, из жидкого в  парообразное при определенных условиях.

Физическое состояние рабочего тела характеризуется  величинами, которые называют термодинамическими параметрами  состояния. В качестве основных термодинамических параметров  принимают удельный объем, абсолютное давление и абсолютную  температуру.

Изменение одного или нескольких параметров состояния тела называется термодинамическим процессом. Если параметры не изменяются, то рабочее тело находится в равновесном  состоянии.