D/l - термическое сопротивление слоя.

Соотношение, выражающее первый закон термодинамики, часто записывают в другой форме:

Первый закон термодинамики - количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:

На рис. 3.9.1 условно изображены энергетические потоки между выделенной термодинамической системой и окружающими телами. Величина Q > 0, если тепловой поток направлен в сторону термодинамической системы. Величина A > 0, если система совершает положительную работу над окружающими телами.

Рисунок 3.9.1. Обмен энергией между термодинамической системой и окружающими телами в результате теплообмена и совершаемой работы.

Если система обменивается теплом с окружающими телами и совершает работу (положительную или отрицательную), то изменяется состояние системы, т. е. изменяются ее макроскопические параметры (температура, давление, объем). Так как внутренняя энергия U однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние системы, то отсюда следует, что процессы теплообмена и совершения работы сопровождаются изменением ΔU внутренней энергии системы.

Первый закон термодинамики является обобщением опытных фактов. Согласно этому закону, энергия не может быть создана или уничтожена; она передается от одной системы к другой и превращается из одной формы в другую. Важным следствием первого закона термодинамики является утверждение о невозможности создания машины, способной совершать полезную работу без потребления энергии извне и без каких-либо изменений внутри самой машины. Такая гипотетическая машина получила название вечного двигателя (perpetuum mobile) первого рода. Многочисленные попытки создать такую машину неизменно заканчивались провалом. Любая машина может совершать положительную работу A над внешними телами только за счет получения некоторого количества теплоты Q от окружающих тел или уменьшения ΔU своей внутренней энергии.

3.ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ

       1 закон термодинамики устанавливает только количественную зависимость между теплотой и работой, не ограничиваясь условиями, пр которых возможен переход теплоты в работу, и наоборот.

       2 закон термодинамики, как бы в дополнение к первому, говорит о необратимости всех реальных процессов, об условиях, при которых возможно превращение тепловой энергии в механическую, о направлении протекания того или иного процесса.

ПОСТУЛАТЫ (без доказательств):

1. Теплота не может быть полностью превращена в работу, поэтому КПД теплового двигателя никогда не может быть равна единице.

2. 2. Для получения работы необходимо существование двух тел с разной температурой – теплоотдатчика с высокой температурой и теплоприемника с низкой температурой, куда переходит непревращеннаяв работу энергия.

3. Теплота не может переходить от холодного тела к более нагретому сама собой.

Работа тепловых двигателей возможна при следующих условиях: они всегда должны работать в определенном перепаде температур от Т1 до Т2 и притом циклично, т.е. по принципу непрерывно повторяющихся циклов, возвращающих тело в первоначальное состояние.

4. ВОДЯНОЙ ПАР

Находит большое применение в народном хозяйстве. В энергетической технике он используется в качестве рабочего тела в тепловых двигателях – паросиловых установках. В качестве теплоносителя применяется для отопления помещений и подогрева воды.

Существует два способа парообразования: испарением воды и ее кипением.

Образование пара испарением воды происходит при любой ее тем-ре, отличной от 0, и с открытой поверхности в результате диффузии молекул воды в окружающую среду, если парциальное давление пара в окружающей среде ниже парциального давления пара на поверхности жидкости.

Получение пара при кипении воды происходит по всей ее массе и при строго определенной для данного давления температуре, называемой кипения.

5. ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ

В атмосферном воздухе содержится то или иное количество влаги в виде водяного пара. Такую смесь сухого воздуха с водяным паром называют влажным воздухом.

Сухая часть воздуха содержит по объему около 78% азота, примерно 21% кислорода, около 0,03% углекислоты и незначительное количество инертных газов.

Каждый газ в смеси, в том числе и пар, занимает тот же объем, что и вся смесь. Он имеет температуру смеси и находится под своим парциальным давлением.

В термодинамике атмосферный воздух рассматривают как смесь, состоящую из сухого воздуха и водяного пара, который может быть в перегретом, насыщенном или в сконденсированном взвешенном состоянии в виде капельного или ледяного (при отрицательной температуре) тумана.

Последнее состояние является неустойчивым и изучается обычно при решении некоторых специальных задач, например, в холодильной технике.

При расчетах систем вентиляции и кондиционирования атмосферный воздух считают бинарной гомогенной смесью, в состав которой входят сухой воздух и водяной пар.

Смесь сухого воздуха с перегретым водяным паром называется ненасыщенным влажным воздухом, а смесь сухого воздуха с насыщенным водяным паром - насыщенным влажным воздухом. При этом условие насыщения рассматривается как равновесное состояние между водяным паром во влажном воздухе и водой в жидкой или твердой фазах при одинаковой температуре на плоской поверхности раздела.

Количество водяного пара во влажном воздухе изменяется от нуля (сухой воздух) до некоторого максимального значения, которое зависит от температуры и барометрического давления, и в процессах кондиционирования обычно не превышает 3 ... 4%.

В технике вентиляции и кондиционирования свойства влажного воздуха характеризуются следующими основными параметрами: температура по сухому термометру t, влагосодержание d, относительная влажность j, плотность r, температура по мокрому термометру t_м, температура точки росы t_р, барометрическое давление Р_б, удельная теплоемкость с и удельная энтальпия J (здесь и далее используются обозначения, принятые в кондиционировании воздуха).

Согласно закону Дальтона, барометрическое давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара

Р_б = Р_с + Р_п.                                                            (4.1)

Величины Р_б, Р_с и Р_п измеряют в Па или кПа.

Удельный объем  м /кг, воздуха представляет собой объем единицы его массы. Если V - объем, м , занимаемый воздухом массой , кг, то удельный объем                                                

                                                 (3.10)

Величина, обратная удельному объему, представляет собой массу единицы объема и называется плотностью , кг/м , т. е. 

                                                                                                      (3.11)

Плотность сухого воздуха для нормальных условий (t=0 С, В=101325 Па) будет равна                                           

                                                                                                                       (3.12)

Абсолютная влажность воздуха – это масса водяного пара, содержащегося в 1 м  влажного воздуха, или (что то же) плотность пара  при его парциальном давлении и температуре воздуха.

Относительная влажность - отношение абсолютной влажности воздуха при данной температуре к максимально возможной абсолютной влажности  (т. е. при полном насыщении) и данной температуре.

Если температура влажного воздуха t  меньше или равна температуре насыщения водяного пара t  при давлении смеси, то  будет равна плотности насыщенного пара при данной температуре, т. е.  и значение ее определяется по таблицам насыщенного пара. Если же , при давлении смеси, то  будет равна плотности перегретого водяного пара при температуре и давлении смеси. Значения  в этом случае определяют из таблиц для перегретого водяного пара.

Относительная влажность может быть также представлена, как отношение парциального давления водяного пара в ненасыщенном влажном воздухе р_n к парциальному давлению водяного пара при той же температуре и полном насыщении , то есть  

                                                                                          (3.18)

Если , то пар в воздухе перегрет, а следовательно воздух при этом не насыщен.

При обработке воздуха и изменении его свойств в вентиляционном процессе количество сухого воздуха остается неизменным, поэтому при рассмотрении тепловлажностного состояния воздуха все показатели относят к 1 кг сухой части влажного воздуха.

Энтальпия влажного воздуха – это количество теплоты, содержащейся в нем и отнесенной к 1 кг заключенного в нем сухого воздуха, , кДж/кг.

При температуре влажного воздуха ниже 0⁰ его энтальпия имеет отрицательное значение.

6. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТЕПЛООБМЕНА

Работа любой тепловой установки основана на явлении теплообмена между телами.

       Основным условием теплообмена является наличие разности температур. Если температура отдельных частей одного тела или двух соприкасающихся тел неодинакова, то начинается перенос теплоты от тел с более высокой температурой к телам с более низкой. С точки зрения молекулярно-кинетической теории теплообмен между соприкасающимися телами, имеющими разную температуру, может быть объяснен взаимным обменом кинетической энергией между молекулами этих тел. Эти способы теплообмена носят название теплопроводностии конвекции.

       Теплообмен между несоприкасающимися телами, расположенными друн от друга на некотором расстоянии, объясняется преобразованием одного вида энергии в другой при их взаимном обмене. Этот способ передачи теплоты носит название излучения или радиации.

Теплопроводность

Если температура твердого тела или неподвижной жидкости неодинакова, то происходит распространение теплоты теплопроводностью от точек с высокой температурой к точкам с низкой. Теплообмен между отдельными частями тела объясняется взаимным обменом кинетической энергией через молекулярные части, распространением упругих волн, а в металлах также диффузией электронов.

Совокупность значений температуры в данный момент времени для всех точек пространства, в котором протекает процесс, называется температурным полем.

Если температура тела для данного отрезка времени постоянно, поле называется стационарным; если температура изменяется во времени, то поле называется нестационарным.

Геометрическое место точек с одинаковой температурой называется изотермической поверхностью.

Изменение температуры на единицу расстояния между изотермическими поверхностями называется температурным градиентом.

Количество теплоты, проходящее между изотермическими поверхностями в сторону понижения температур, называется тепловым потоком. Его выражают в ваттах.

Q=l/d(t₁ – t₂)А (1)

или

 Q = (t₁ – t₂)/ d/lхА, (2)

где l - теплопроводность материала, из которого сооружена стенка, Вт/(м х°С);

d - толщина стенки, м;

t₁ – t₂ – разность температур на поверхностях стенки;

А – площадь поверхности стенки, через которую проходит поток теплоты, м²;

d/l - термическое сопротивление слоя.

Если в формуле (1) d = 1м, А = 1 м², (t₁ – t₂) = 1°С, то Q = l. Следовательно, теплопроводность численно равна тепловому потоку, проходящему через 1 м² поверхности стенки при градиенте температуры 1°С/м.

Для многослойной стенки, состоящей из n слоев, формула (2) приобретает вид

Ф = [t₁ – t_n+1/ d₁/l₁ + d₂/l₂ + ……+d_n/l_n ]А

Тепловой поток, проходящий через многослойную плоскую стенку, прямо пропорционален разности температур поверхностей первого t₁ и последнего слоя t_n+1, площади поверхности_, через которую он проходит, и обратно пропорционален полному термическому сопротивлению многослойной плоской стенки.

 

Перенос теплоты конвекцией.

 

В отличие от твердых тел, молекулы которых имеют определенное положение в пространстве, молекулярные связи в газах незначительны, поэтому их молекулы или атомы могут свободно перемещаться, взаимно диффундировать. При наличии в объеме газа точек с разной температурой, перераспределение энергии происходит в результате столкновения частиц, обладающих разной скоростью движения. Такой способ переноса теплоты относится к конвективному.

Перенос теплоты только одной конвекцией может происходить в жидкостях или газах при условии существования разности температур между отдельными их слоями. Более нагретые слои, имея меньшую плотность, поднимаются вверх, а менее нагретые и тяжелые опускаются вниз. В результате такого перемешивания во всей массе жидкости или газа устанавливается одинаковая температура.

 

Теплопередача

 

Теплообмен между двумя текучими средами через разделяющую их твердую стенку называется теплопередачей.

Представим себе плоскую стенку толщиной d с теплопроводностью l и температурами на противоположных поверхностях t_с^´ и t_с^´´, по обе стороны которых находятся жидкости с температурами t₁ и t₂ . Если t₁ › t₂, то между жидкостями через стенку происходит теплообмен. Тепловой поток q последовательно проходит: сначала путем конвекции от жидкости с температурой t₁ к поверхности стенки с температурой t_с^´ с коэффициентом конвективного теплообмена α₁ , затем через стенку теплопроводностью и, наконец, от противоположной поверхности с температурой t_с^´´ ко второй жидкости вновь путем конвекции с коэффициентом конвективного теплообмена α₂.

Выразим все три вида теплообмена формулами:

· Поток теплоты конвекцией от жидкости к стенке:

 

q ₁ = t₁ - t_с^´деленное на 1/ α₁;

 

· теплопроводность через стенку :

 

q ₂ =   t_с^´- t_с^´´ деленное на d/l;

 

· поток теплоты конвекцией от стенки к жидкости

q ₁ = t_с^´´ - t₂ деленное на 1/ α₂;

Решив три уравнения совместно, получим:

 

q = 1 деленная на 1/ α₁+ d/l+1/ α₂ и все это умноженное на (t₁ – t₂) это выражение называют коэффициентом теплопередачи и обозначают k.

Тогда уравнение примет вид: q = k(t₁ – t₂)

---

Дата добавления: 2018-05-30; просмотров: 196; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

12Следующая ⇒

---

Мы поможем в написании ваших работ!