В. И. Ляшков
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
ТЕПЛОТЕХНИКИ
В. И. Ляшков
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
ТЕПЛОТЕХНИКИ
Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов" Теплоэнергетика"
Издание второе, стереотипное
МОСКВА "ИЗДАТЕЛЬСТВО МАШИНОСТРОЕНИЕ-1"
УДК 536.7(07) ББК Í 311я73-1 Л99
Р е ц е н з е н т ы:
Кафедра промышленной теплоэнергетики Воронежского государственного технического университета,
Заведующий кафедрой заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор,
В. В. Фалеев
Доктор технических наук, профессор,
С. А. Улыбин
Настоящее издание осуществлено за счет спонсорской помощи ОАО " Тамбовэнерго",
Ляшков В. И.
Л99 Теоретические основы теплотехники: Учеб. пособие.
2-е изд., стер. М.: Изд-во Машиностроение-1, 2005. 260 с.
В учебном пособии лаконично и последовательно изложены теоретические основы теплотехники (основы термодинамики, теории тепло- и массообмена и теории горения), составляющие необходимый и достаточный объем информации для того, чтобы в дальнейшем специалист мог самостоятельно углублять знания в тех или иных областях прикладной теплотехники. Учебный материал изложен отдельными, сравнительно небольшими дозами, структурированность и последовательность изложения которых диктуется внутренней логикой названных наук.
Предназначено для студентов, обучающихся по специальности "Энергообеспечение предприятий". Может быть использовано студентами других специальностей при изучении ими дисциплин теплотехнического профиля.
УДК 536.7(07) ББК Í 311я73-1
ISBN 5-94275-027-0 | Ляшков В. И., 2002 |
"Издательство Машиностроение-1", 2002
Мы работаем для того, чтобы в Вашем доме было тепло и уютно
"Теплосервис",
ООО "Энергострой"
Учебное издание
ЛЯШКОВ Василий Игнатьевич
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ
Учебное пособие
Издание второе, стереотипное
Редактор З. Г. Чернова
Инженер по компьютерному макетированию М. Н. Рыжкова
Подписано в печать 17.03.2005.
Формат 60 × 84 / 16. Бумага офсетная. Печать офсетная.
Гарнитура Times New Roman. Объем: 15,11 усл. печ. л.; 16,0 уч.-изд. л.
Тираж 500 экз. Заказ 165М .
"Издательство Машиностроение-1", 107076, Москва, Стромынский пер., 4
Подготовлено к печати и отпечатано в издательско-полиграфическом центре Тамбовского государственного технического университета,
392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14
Светлой памяти моего Учителя
Александра Силыча Лышевского (1922– 1981) заслуженного деятеля науки и техники Российской Федерации, доктора технических наук, профессора,
посвящается этот скромный труд
есмотря на практически прекратившееся за последние 10 лет учебное книгоиздание по техническим Н дисциплинам, на полках библиотек хранится еще много учебников под названием "Общая теплотехника", "Теплотехника" и т.п., изданных в 60–80 годы. К сожалению, неумолимое время, выдвигая новые задачи и подходы и осваивая новые научные достижения, все более делает их малопригодными для того, чтобы безоговорочно рекомендовать современным студентам, выбравшим благородную жизненную стезю: получив специальность теплоэнергетика, отдать себя решению важнейшей общегосударственной проблемы – предотвращению энергетического кризиса, все более надвигающегося на нашу страну.
Поэтому автор решается опубликовать настоящий труд, согревая себя надеждами, что он существенно облегчит студентам освоение теоретических основ теплотехники, поистине безграничной науки, изучающей принципы работы, основы конструкции и особенности расчета всевозможных машин, аппаратов и устройств, в которых фигурирует тепловая энергия.
Сегодня при организации учебного процесса особое значение придается самостоятельной работе студентов. При этом лекционные курсы все более сокращаются, лекции чаще носят обзорный или проблемный характер. В такой ситуации бывает нелегко правильно отобрать и расположить учебный материал так, чтобы он отражал внутреннюю логику науки, чтобы изложение было целостным, последовательным и доступным для понимания людям, только еще начинающим знакомство с этой наукой.
Учебное пособие отражает многолетний опыт работы автора со студентами второго – третьего курсов. Представляя собою последовательное и лаконичное изложение основ термодинамики, теплопередачи, теории массообмена, теории горения и др., оно написано не для того, чтобы заменить собою названные учебники. Скорее это первые врата в большую и интересную область научных знаний, связанных с теплотехникой. Поэтому в него включен только тот учебный материал, усвоение которого необходимо для приобретения такого уровня теоретической подготовки, который позволит в дальнейшем легко наращивать знания при последующей самостоятельной работе с учебниками, монографиями, справочниками и т.п.
ВВЕДЕНИЕ
Сегодня практически любая область инженерной деятельности во многом связана с проблемами энергосбережения, разработкой, внедрением и эксплуатацией ресурсосберегающих технологий, с вопросами трансформации и передачи энергии. Учебная дисциплина "Теоретические основы теплотехники" призвана вооружить будущего специалиста знаниями общих законов и основанных на этом инженерных методик расчета процессов, возникающих при получении, трансформации и распространении в пространстве тепловой энергии. Структурно сюда входят три отдельные науки: "Термодинамика", "Теплопередача" и "Основы теории горения".
Термодинамика изучает законы превращения различных видов энергии в тепло (и наоборот – тепла в другие виды энергии), а также особенности физических процессов, сопровождающих эти превращения. Как самостоятельная наука термодинамика начала складываться в начале XIX века, хотя многие принципиальные ее положения были открыты и сформулированы еще ранее в рамках общефизической теории. Среди основоположников и ученых, внесших наибольший вклад в развитие термодинамики, мы встречаем известные имена: М. В. Ломоносова, который в работе "Размышления о причинах тепла и холода" (1744 г.) предложил единую теорию теплоты и строения вещества, сформулировав законы сохранения массы и энергии, Д. Джоуля, В. Томсона, Р. Клаузиуса, С. Карно, Г. Гесса, Л. Больцмана,
В. Гиббса, М. П. Вукаловича, А. А. Гухмана и др. Подробно об истории развития термодинамики и вклад отдельных ученых в эту науку можно прочитать в интересной книге . За более чем стопятидесятилетнюю историю своего развития эта наука приобрела методологически безупречные формы и строгую аксиоматику, так что сегодня ее заслуженно называют классической термодинамикой.
Термодинамика не имеет собственного предмета изучения, в отличие, например, от биологии, изучающей живые организмы, или геометрии, изучающей плоские фигуры. Это наука методологического плана, вооружающая нас специфическим методом исследования, основу которого составляет рассмотрение любых процессов материального мира сквозь призму установленных термодинамикой основных законов природы.
Теплопередача, а точнее теория тепло- и массообмена – это наука, которая изучает процессы распространения тепла (или массы, поскольку выявлена явная аналогия таких процессов) в пространстве. Процессы распространения тепла в пространстве, при всем их многообразии, и являются предметом изучения этой науки. Основные понятия и законы теории теплопереноса также были сформулированы в рамках общефизической теории на заре ее бурного развития. Например, основы аналитической теории теплопроводности были заложены Ж. Фурье еще в 1822 году. В середине XIX века были сформулированы основы теории подобия, а в 1915 году она впервые была применена В. Нуссельтом для исследования процессов теплообмена. Несколько раньше О. Рейнольдс применил ее при изучении гидродинамических процессов, высказав идею об аналогии между отдельными тепловыми и гидродинамическими
стала развиваться в послевоенные годы. Здесь решающий вклад был внесен нашими соотечественниками, среди которых выделяются работы академиков В. М. Кирпичева, М. А. Михеева, С. С. Кутателадзе, Г. Н. Кружилина и др.
Отвечая на новые запросы, выдвигаемые современной практикой, наука эта продолжает бурно развиваться, все в большей мере осваивая новые области приложения (атомная энергетика, космическая техника и др.), расширяя и уточняя свои подходы и методы решения возникающих проблем. И сегодня большой вклад в дальнейшее развитие этой науки вносят такие авторитетные ученые как академики А. И. Леонтьев, В. П. Скрипов, А. Г. Шашков и профессора Г. Н. Дульнев, Г. А. Дрейцер, С. П. Рудобашта и др., а также научная молодежь, посвящающая свои диссертационные работы решению отдельных актуальных теоретических и практических задач.
В основах теории горения рассматривается механизм химической реакции горения, раскрытый Нобелевским лауреатом академиком Н. Н. Семеновым и его последователями, а также физические особенности процессов горения при различных условиях сжигания наиболее распространенных топлив. Здесь же дается методика технических расчетов горения.
Отметим еще одну важную особенность всех этих трех наук: они ориентированы на конкретную инженерную практику и всегда доводят свои выводы и заключения до однозначных практических рекомендаций и расчетных методик.
Бурное развитие компьютерной техники и информационных технологий вооружает исследователей мощнейшим инструментарием, позволяющим сравнительно просто проводить численное моделирование изучаемых явлений. Именно такой подход к решению многих вопросов теплопередачи становится сегодня одним из основных, поскольку при этом заметно сокращаются трудовые и финансовые затраты на решение поставленной задачи.
Совершенно ясно, что без глубоких знаний по всем трем этим разделам нашей учебной дисциплины невозможна успешная инженерная деятельность, и поэтому изучению теоретических основ теплотехники придается все возрастающее значение, особенно для будущих специалистов, непосредственно связанных с теплоэнергетикой.
1 ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Принципы термодинамики бросают яркий свет на все явления природы
Д. Максвелл
1.1 ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
1.1.1 Основные термины термодинамики
d x i = 0
кружающий нас мир материален, материя находится в непрерывном движении. Меру движения материи называют энергией. Чаще всего мы встречаемся с механической и тепловой формами движения материи. В первом случае движение связано с перемещением в пространстве макрообъемов материи, а во втором – с движением только на микроуровне (тепловое движение молекул). Изменения энергии в результате таких движений называют соответственно механической работой и теплотой.
Тело или группу макротел, энергетические свойства которых подлежат изучению, называют термодинамической системой. Все остальные тела, способные взаимодействовать с системой, составляют окружающую среду. Границу между системой и средой называют контрольной поверхностью. Если контрольная поверхность допускает обмен массой между системой и окружающей средой, то систему называют открытой, если же такой обмен невозможен, – систему называют закрытой. Закрытые системы проще и именно с них начинают изучение основ термодинамики.
Одну из аксиом термодинамики составляет ее нулевое правило: всякие изменения в системе возможны только в результате взаимодействия с окружающей средой. Априорно принимая это положение, мы исключаем из объектов анализа многие биологические системы, обладающие способностью самопроизвольных изменений.
Состояния и свойства системы характеризуются рядом физических величин. При взаимодействии с окружающей средой некоторые из них изменяются, и их называют параметрами состояния системы. Другие же величины при этом практически не меняют своего численного значения и их называют физическими константами. Физконстанты характеризуют свойства вещества, заполняющего систему, а параметры состояния – особенности состояния этого вещества. Примеры параметров: р ,Т ,V (давление, температура, объем); примеры физконстант:с р ,r (теплоемкость, теплота парообразования).
Систему называют однородной, если параметры ее не изменяются в пространстве, и равновесной, если они не изменяются по времени. Нулевое правило термодинамики иногда формулируют и так: при отсутствии внешних воздействий система рано или поздно приходит к однородному и равновесному состоянию.
Параметры состояния можно разделить на две группы. Потенциалами p называют такие параметры, разница которых в среде и системе является движущей силой взаимодействия. Приp н i = p в i взаимодействие i -го рода невозможно. Взаимодействие в принципе возможно только приp н i ≠ p в i . Примеры потенциалов:р, Т, Е (электрический потенциал). Координатамиx i называют такие параметры, изменение которых в системе свидетельствует о протекании взаимодействия. Еслиd x i ≠ 0 , то взаимодействие совершается, при взаимодействие не совершается даже при наличии необходимой разности потен-
циалов (из-за наличия частичной или полной изоляции системы). Примеры координат:V ,m (при химических взаимодействиях), число электрических зарядов, протекающих при электрических взаимодействиях и др. Вдумчивый анализ позволяет обнаружить для любого типа взаимодействий и потенциал, и координату состояния.
По аналогии с математической теорией поля в термодинамике принято следующее правило знаков для потенциалов: разность p н i − p в i считается положительной (т.е.p н i > p в i ), если при этом возникает
процесс взаимодействия с возрастанием соответствующей координаты состояния (d x i > 0 ).
Координату теплового состояния называют энтропией. Сложность этого параметра в том, что он носит статистический характер и не обнаруживается непосредственным опытом или измерениями. Энтропия системы определяется вероятностью ее состояния. Под вероятностью состояния системы понимают число способов, которыми можно достичь данного состояния, начиная от некоторого первоначального. Поэтому вероятность состояния системы в числовой форме отражает меру хаотичности расположения элементов, ее составляющих. Минимальной частицей макромира является молекула. Значит, вероятность состояния характеризует степень упорядоченности (или беспорядка) распределения молекул в объеме термодинамической системы. Л. Больцман показал, что величина энтропии пропорциональна вероятности состояния W и определяется формулойS = k ln W , гдеk – постоянная Стефана-
Больцмана (одна из универсальных физических констант).
При подводе тепла к системе растет интенсивность теплового движения молекул, растет и степень хаотичности распределения их в пространстве. Значит при этом численно возрастают и W , иS . При отводе тепла все происходит наоборот: энтропияS уменьшается.
Заканчивая параграф, отметим, что изложенный подход при введении понятия об энтропии сложился сравнительно недавно. Для более подробного изучения этот раздела термодинамики можно пореко-
мендовать только учебные пособия или , поскольку в большинстве учебников и пособий это излагается несколько по-другому, на основе подхода, предложенного Р. Клаузиусом.
1.1.2 Первый закон термодинамики в общем виде
Отыщи всему начало, и ты многое поймешь К. Прутков
ервый закон термодинамики устанавливает количественные соотношения при трансформации различ- П ных форм энергии друг в друга. Пусть некоторая термодинамическая система (см. рис. 1.1) обладает способностью совершать одновременно несколько видов взаимодействий с окружающей средой, например, механическое, тепловое, химическое и др. В результате такого сложного взаимодействия, при котором из среды в систему (или наоборот) передаются потоки энергии разных видов∆ Е 1 ,∆ Е i , …,∆ Е n. .
Окружающая среда | Энергия системы, будем называть ее внутренней энергией, изме- |
||||||||||
Контрольная поверхность | нится на величину ∆ U . В соответствии с законом сохранения энер- |
||||||||||
∆E 1 . | гии (энергия не исчезает и не возникает вновь, количество ее всегда |
||||||||||
остается постоянным) сумма всех изменений энергии равняется ну- |
|||||||||||
Термодинамическая | лю. Поэтому | ||||||||||
∆U +∑ ∆E i =0. | |||||||||||
∆Q n | ∆U | ||||||||||
∆Q i | |||||||||||
∆E i | i= 0 | ||||||||||
∆ E n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | К сожалению, формулу (1.1) нельзя использовать в инженерной |
||||||||||
практике, ибо не поддаются измерениям входящие в нее величины. |
|||||||||||
Сложное взаимо- | Действительно, величину U невозможно измерить, потому что из- |
||||||||||
действие между окружаю- | вестно лишь философское определение энергии и нет ее инженер- |
||||||||||
Величины ∆ Е i | ного определения (определены лишь отдельные формы энергии). |
||||||||||
невозможно измерить потому, что не оговаривается однозначно окружающая среда (из- |
|||||||||||
вестна лишь одна ее граница – контрольная поверхность). Так что при попытке реализовать формулу (1.1) мы попадаем в деликатную ситуацию, знакомую из детской сказки: "Пойди туда, не знаю куда, измерь то, не знаю что".
Чтобы определиться, введем понятие о количестве воздействия данного рода ∆ Q i , называя так ко-
личество энергии определенного вида, полученное (или отданное) системой при взаимодействии со средой. Согласно такому определению ∆ Q i = −∆ E i . Поскольку система описана однозначно, считается,
что любые измерения в ней возможны, включая и те, которые позволяют определять величины ∆ Q i . Теперь формула (1) принимает вид
Обычно в термодинамике проводится анализ бесконечно малых взаимодействий, поэтому от конечных приращений ∆ U и∆ Q i перейдем к бесконечно малымdU и∆ Q i . Тогда формулу (1.2) перепишем так
dU = ∑ dQi |
i= 1
и сделаем заключение: изменение внутренней энергии определяется суммой количеств воздействий, совершенных при взаимодействии. На ряде простых примеров рассмотрим, как определяются количества воздействия dQ i при различных видах взаимодействий.
Первый пример (см. рис. 1.2): пружина, нагруженная внешней силой F н . Здесь потенциалом является силаF н , а координатой – величина линейной координатых . Если внешний потенциалF н изменить на некоторую величинуdF , то произойдет механическое взаимодействие, при котором координатах изменится на величинуdx (см. рис. 1.2,б ). При таком взаимодействии количество воздействия – это механическая работа, совершаемая пружиной:
средняя сила путь
dQ = − dLмех = − 0,5 [ Fн + (Fн + dF) ] dx= 0,5 [ Fв + (Fв + dF) ] dx= = Fв dx+ 0,5 dFdx.
Рис. 1.4 Простая электрическая цепь
Рис. 1.3 Де-
х–dx
P+dp , V+dV
б )
p ,V
Пренебрегая вторым слагаемым, как величиной второго порядка малости, видим, что количество воздействия определяется произведением внутреннего потенциала F в на изменение координаты состоянияdx .
Рассмотрим теперь взаимодействие в деформационной системе, представляющей собою цилиндр с подвижным поршнем (см. рис. 1.3). Координатой состояния здесь является объем системы, а потенциалом, если учесть принятое ранее правило знаков для потенциалов, давление, взятое с обратным знаком p = − p .
Допустим, что давление p н увеличивается наdp . Тогда возникает взаимодействие между системой и средой, в результате которого поршень переместится на величину -dx , а давление в системе возрастет наdp и наступит новое равновесие со-
стояние (см. рис. 1.3, б ). Как и в предыдущем примере количество воздействия при деформации системы – это механическая работа, совершаемая над системой при взаимодействии со средой:
dQ = dLмех = 0,5 [ pв + (pв + dp) ] S(− dx) = − pdV− 0,5 dpdV.
средняя сила путь
И опять в результате мы получили произведение внутреннего потенциала на изменение координаты (учитывая, что Sdx = dV , dpdV = 0 ).
Рассмотрим еще один пример, анализируя электрическое взаимодействие в U R простейшей электрической цепи (см. рис. 1.4). Потенциалом здесь является напряжениеU источника тока, а координатой – число электрических зарядовQ ,
A протекающих в цепи. Количеством воздействия в данном случае является работа
электрического тока Q = L эл = U i τ , гдеi – ток, равный по определению числу
электрических зарядов, протекающих в единицу времени i =∆ Q /τ и значитQ = U ∆ Q . Говоря о бесконечно малом процессе, из предыдущей формулы полу-
чим dQ= U dQ.
Обобщая результаты рассмотренных примеров, сделаем следующее заключение: количество воздействия данного рода определяется произведением внутреннего потенциала на приращение соответствующей координаты:
dQi = pi dxi .
Таким образом, первый закон термодинамики (формулу (1.3)) в развернутом виде можно записать
dU = ∑ pi dxi . |
i= 1
В абсолютном большинстве случаев величины потенциалов и координат достаточно легко измеряются на практике(исключаяэнтропию).
1.1.3 Термомеханическая система
Каждый молодец на свой образец. Русская пословица
ермомеханической системой называют систему, в которой одновременно могут протекать тепловое и Т механическое взаимодействия. Они находят самое широкое распространение на практике, являясь основой теплоэнергетических установок, холодильной техники, компрегирующего оборудования и многих других технологических устройств. В общем случае такая система содержит: источник тепла,
расположенный в окружающей среде, расширительный элемент (например, цилиндр с поршнем, турбину и др.), механическое устройство, приемник тепла в окружающей среде (см. рис. 1.5). Вещество, заполняющее систему, называют рабочим телом. Обычно в качестве рабочего тела используются воздух, газовые смеси в идеальногазовом состоянии, водяной пар, пары различных органических соединений и т.п. Обладая хорошей сжимаемостью и большим тепловым расширением, они являются термодинамически благоприятными по сравнению с другими жидкими или твердыми веществами.
Источник и приемник тепла могут работать непрерывно или периодически, и это позволяет с помощью термомеханической системы реализовать различные виды машин. Пусть, например, рабочее тело получает от источника Q 1 тепла, а отдает приемникуQ 2 , несколько меньшее, чемQ 1 . Тогда разницаQ 1 –Q 2 пойдет на нагрев рабочего тела. В результате теплового расширения рабочего тела давление в цилиндре будет возрастать, создавая силу, которая переместит поршень несколько вправо. При этом система совершит работу, которая с помощью механического устройства передается в окружающую среду. Таким образом, мы смоделировали работу теплового двигателя, с помощью которого тепло трансформируется в работу.
Термомеханическая система позволяет реализовать и обратную трансформацию. Представьте, что источник и приемник тепла первоначально были отключены (Q 1 =Q 2 = 0). Если с помощью механического устройства подвести к системе работу, так, чтобы поршень переместился влево, сжимая рабочее тело, то в результате взаимодействия внутренняя энергия и температура рабочего тела возрастут. Включим теперь приемник тепла и позволим рабочему телу охлаждаться до первоначальной температуры. Тогда рабочее тело отдаст приемникуQ 2 тепла, а его внутренняя энергия получит прежнее значение. Значит, нам удалось преобразовать подведенную работу в тепло.
Таким образом, термомеханическая система позволяет трансформировать тепло в работу (и наоборот).
Потенциалами такой системы являются -р иТ , а координатами, соответственноV иS . Первый закон термодинамики (формула (1.4)) в этом случае запишется так
где dQ иdL – обозначения тепла и работы за элементарный процесс взаимодействия.
Последняя формула позволяет легко понять и ту, известную из школьного курса физики, формулировку, которая утверждает невозможность вечного двигателя. Действительно, чтобы двигатель работал вечно, внутренняя энергия его рабочего тела не должна изменяться (т.е. у вечного двигателя dU = 0). Тогда видно, что не подводя тепла (dQ = 0), мы не получим и работы (dL = 0 – 0 = 0). Ту часть термодинамики, которая изучает процессы в термомеханических системах, называют технической термодинамикой, подчеркивая тем самым значение полученных в ней выводов и расчетных методик для очень многих технических устройств.
1.1.4 Внутренняя энергия газа
нергию, заключенную в системе, ранее мы назвали внутренней и представляем ее как сумму всех видов энергии, которой обладают все частицы, заполняющие систему. Говоря о газах, хотя в определенной мере это приемлемо и для жидкостей, и для твердых тел, отметим, что величина U определяется кинетической энергией молекулE кин при их поступательном, вращательном и колебательном движениях, а также энергией межмолекулярного силового взаимодействия – потенциальной энергией молекулЕ пот :
U = E кин+ E пот.
Кинетическая энергия молекул зависит от средней скорости движения и массы молекул, которые пропорциональны, соответственно, макропараметрам Т ир (температура и плотность) газа. ВеличинаЕ пот зависит от среднего расстояния между молекулами и их массы; межмолекулярное расстояние при прочих равных условиях определяется давлением газар . Поэтому можно записать
E кин= f 1(T , ρ ) и Е пот= f 2(p , ρ ) ,
Основы теплотехники. Теплопроводность.
Теплопроводность как физическое явление представляет собой перенос тепла беспорядочно движущимися микрочастицами, непосредственно соприкасающимися друг с другом. В газах и жидкостях передвигаются молекулы, в кристаллической решетке твердых тел колеблются атомы, в металлах диффундируют свободные электроны. К основному закону теплопроводности относится закон Фурье, в соответствии с которым
где q1 - плотность теплового потока, Вт/м2; г - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); t - температура, К; п - координата, перпендикулярная поверхности переноса тепла, м.
В правой части уравнения (1.1) стоит знак минус, так как векторы теплового потока qt и градиент температуры dt/dn направлены в противоположные стороны.
Коэффициент теплопроводности представляет собой количество теплоты, переносимой через единицу поверхности в единицу времени при градиенте температуры, равном единице. Уравнение (1.1) верно в стационарных условиях, когда температура не зависит от времени дt/дn≠0, a
В более общем случае, в нестационарных условиях, когда температура изменяется во времени и по координате, т. е. dt/dn≠0 и
перенос тепла теплопроводностью описывается уравнением Фурье:
Внутри тела может генерироваться или поглощаться тепло, например за счет химических реакций. В таких случаях рассматривается задача с внутренним источником тепла (соответственно положительным или отрицательным) и уравнение (1.2) превращается в уравнение
где Iq -источник тепла, Дж/(м3-с).
Коэффициент температуропроводности а является характеристикой инерционных свойств тела, обусловленных распространением теплоты теплопроводностью. Тело с большим а быстрее нагревается и охлаждается.
Коэффициент теплопроводности влажного материала - эквивалентный коэффициент теплопроводности - является суммирующей величиной:
где лc - коэффициент теплопроводности сухого твердого скелета материала; лконд -коэффициент кондукции (теплопроводности) жидкости и паровоздушной смеси, находящихся в стационарном (неподвижном) состоянии в порах материала; лконв - коэффициент, характеризующий перенос тепла за счет конвекции воздуха внутри материала; лл - коэффициент лучистой теплопроводности; лн - коэффициент, характеризующий перенос тепла за счет переноса массы (влаги) внутри материала.
Имеются указания на то, что при диаметре пор меньше 0,5 мм величинами лконв и лл можно пренебречь.
Теплопроводность пищевых продуктов изучена достаточно хорошо в виде значений лэкв и а представлена в форме таблиц и расчетных формул в справочной литературе.
Теплогенерирующие устройства
Общие сведения о тепловом оборудовании
В большинстве случаев при приготовлении пищи продукты варят, жарят, тушат, т.е. подвергают тепловой обработке. Под действием определенного количества тепла продукты изменяют физико-химические свойства: жиры плавятся, белки свертываются, меняется вкус, цвет, запах и 1Л Кроме того, под действием высокой температуры уничтожается в продуктах переработки болезнетворная микрофлора.
При тепловой обработке происходит естественный самопроизвольный переход тепла от его источника к нагреваемому продукту, поскольку источник тепла всегда более нагрет, чем продукт.
Источники тепла в аппаратах могут быть топливо, электроэнергия и теплоносители. На практике применяются в основном такие теплоносители, как водяной пар, вода, масло. Основные способы тепловой обработки пищевых продуктов - варка и жарка. Варка продуктов может осуществляться несколькими способами, в жидкой среде, автоклавах и в сосудах с пониженным давлением. Для всех видов варки характерны две стадии, быстрый нагрев жидкой среды и слабый нагрев. В. некоторых случаях используют аккумулированное тепло и варку "острым паром» Варка продуктов "острым паром" осуществляется в результате соприкосновения насыщенного пара с обрабатываемым продуктом.
Процесс жарки продуктов осуществляется без добавления жидкой среды. Жарку продуктов производят в неглубокой посуде - сковороде и во фритюре, когда продукт полностью загружают в горячий жир.
На предприятиях общественного питания используют и вспомогательные способы тепловой обработки продуктов. К ним относятся: тушение, ошпаривание, опаливание, а также обработка продуктов сверх-высокочастотным и инфракрасным обогревом.
Новым способом тепловой обработки продуктов является обработка его в электромагнитном поле сверхвысокой частоты. В таких случаях происходит нагрев продуктов по всему объему. Надо отметить, что СВ-поле нагревает только продукты, а рабочая камера, посуда и воздух не нагревается. СВЧ-нагрев имеет большое преимущество по сравнению с традиционными способами тепловой обработки продуктов. Время приготовления сокращается в 10 раз, а для большинства продуктов оно составляет не более 5 минут. Значительно улучшаются вкусовые качества и внешний вид приготовляемых продуктов. Надо помнить, что в СВЧ-апларате применяют посуду из диэлектриков, т.е. стекла, фарфора, пластмасс и керамики. Использовать металлическую посуду категорически запрещается, т.к. она выводит из строя генератор этого аппарата.
Понятие о теплообмене
Передача тепла от одной среды к другой называется теплообменом. Различают два основных вида теплообмена: соприкосновением и излучением. Теплообмен соприкосновением заключается в том, что тепло от одного тела, более нагретого, передается другому, менее нагретому, непосредственно соприкосновением. Теплообмен излучением связан с двойным превращением энергии. Тепловая энергия более нагретой поверхности превращается в лучистую, которая проходит через пространство, попадая на более холодную поверхность вновь превращается в тепловую энергию. Такие передачи тепла происходят например, лампами инфракрасного излучения или приготовления шашлыка на мангале. Теплообмен в жидкостях и газах называется конвекцией. Это когда нижние слои жидкости нагреваются, поднимаясь вверх, переносят тепло, а менее нагретые слои опускаются вниз, т.е. происходит перемешивание нагретых и ненагретых слоев.
Теплообмен внутри тел называется теплопроводностью. Когда нагревается дно металлической посуды, быстро нагреваются и ее стенки, Посуда и аппараты, изготовленные из диэлектриков, имеют значительно меньший коэффициент теплопроводности, чем металлические.
Тепло и его состав
Топливом в технике называют сложное органическое соединение, способное при горении выделить значительное количество тепловой энергии. По физическому состоянию топливо подразделяется на твердое, жидкое и газообразное. К твердому топливу относятся - дрова, торф, уголь и сланцы. К жидкому топливу относятся - нефть и продукты ее переработки - бензин, керосин, мазут и печное топливо. К газообразному топливу относятся - природный и искусственный газы. В состав топлива входят горючие и негорючие элементы. К горючим элементам относятся - углерод, водород, сера. К негорючим элементам относятся - азот, зола и влага. Кислород - не горючий элемент, но поддерживает процесс.
Твердое топливо. Уголь - является высококалорийным топливом, имеет большое содержание углерода, малое содержание влаги и незначительное количество летучих веществ.
Дрова из-за низкой теплоты сгорания, относятся к местному топливу. Выход летучих веществ большой, что дает хорошую воспламеняемость дров. Зольность древесины незначительная.
Торф - это неполное разложение органических веществ растительного происхождения при избытке влаги и очень малом доступе воздуха.
Горючие сланцы - это [низкокалорийное топливо, применять рекомендуется после переработки и вблизи мест добычи.
Жидкое топливо - основным вкладом жидкого топлива используют печной мазут, получаемый при переработке нефти. Он имеет большое содержание углерода и водорода. При сгорании имеет высокую теплоту сгорания.
Газообразное топливо - как топливо, используются природные горючие и искусственные тазы, которые по своим качествам превосходят все остальные виды. Природные газы добывают из газовых месторождений или попутно из нефтяных месторождений. К искусственным газам относятся доменный, коксовый и сжиженный газ. Основным преимуществами газообразного топлива являются: высокий КПД газовых аппаратов, возможность использования автоматических устройств, регулирующих тепловой режим и обеспечивающий технику безопасности при работе газовых тепловых аппаратов. Использование газа улучшает культуру производства, санитарно-гигиенические условия работы, исключает загрязненность воздушного бассейна населенных пунктов копотью и дымом.
Газовое топливо обладает и отрицательными свойствами. В определенных отношениях с воздухом образует взрывоопасную смесь. Газ ядовит, и поэтому неправильное обращение с газом приводит к несчастным случаям.
Однако, наиболее удобным и гигиеническим является оборудование с электрическим обогревом. В настоящее время на предприятиях общественного питания более 90% всего теплового оборудования работает на электроэнергии. К преимуществам электрического оборудования, по сравнению с аппаратами, имеющими другие источники тепла, являются: простота обслуживания, хорошие санитарно-гигиенические условия труда и снижение пожарной опасности Возможность работы аппаратов в автоматическом режиме и более высокий КПД.
Понятие о процессе горения
Процесс горения топлива основан на химической реакции соединения кислорода воздуха с горючими элементами топлива. Горением топлива называют процесс быстрого окисления горючей части топлива с выделением значительного количества тепла. Часть тепла затрачивается на поддержание высокой температуры топлива, без которой горение невозможно. Горение топлива возможно при условии достаточного притока к нему воздуха и нагрева топлива до температуры воспламенения. Горение топлива может быть полным или неполным. При неполном сгорании образуется угарный газ, и при этом выделяется не более 1/3 общего количества тепла, которое могло бы быть выделено при полном сгорании топлива. При полном сгорании углерод образует углекислоту, водород превращается в воду, при этом выделяется наибольшее количество тепла. Газ нужно сжигать только в состоянии движения. Если смесь газа с воздухом находится в покое, то сгорание происходит мгновенно, в виде взрыва. Важной качественной характеристикой топлива служит его теплота сгорания или теплотворная способность - количество тепла в ккал, которое выделяется одной весовой (1 кг) или объемной (1 куб. м) единицей топлива при полном сгорании. Теплота сгорания различных видов топлива неодинакова, поэтому для сопоставления различных видов топлива и решения вопроса о замене одного вида топлива другим, введено понятие "условное топливо". Под "условным топливом" понимают такое топливо, теплота сгорания которого составляет 7000 к кал/кг.
Мероприятия по экономии топлива
Выбор наиболее экономичного вида топлива и соответствующего теплового аппарата для приготовления пищи является одним из эффективных путей снижения издержек и способствует удешевлению питания.
Организационно-технические мероприятии по экономии топлива, тепловой и электрической энергии разрабатываются на всех предприятиях общественного питания. Основными вопросами мероприятии по экономии топливно-энергетических ресурсов, являются:
Ведение контроля за рациональным и экономическим использованием топливно-энергетических ресурсов и разрезе каждого оборудования предприятия;
Систематический контроль за техническим состоянием оборудования;
Своевременное включение и выключение оборудования, имея в виду недопустимость их работы в нерабочее время,
Проведение систематической очистки парогенераторов, сосудов, тс нов, трубок или змеевиков водонагревателей от накипеобразований;
Увеличение загрузки рабочих объемов оборудования при эксплуатации;
Косвенный обогрев - это передача теша через промежуточную среду (пароводяная рубашка котла). По технологическому назначению тепловое оборудование делится на универсальное (эл.плита) и специализированные (кофеварка, пекарский шкаф).
По источникам тепла тепловое оборудование делится на электрическое, газовое, огневое и паровое.
Тепловые аппараты можно еще классифицировать по принципу действия - непрерывного и периодического действия.
По степени автоматизации тепловые аппараты подразделяются на неавтоматизированные, контроль за которыми осуществляет обслуживающий работник, и автоматизированные, где контроль за безопасной работой и режимом тепловой обработки обеспечивает сам тепловой аппарат при помощи приборов автоматики.
На предприятиях общественного питания тепловое оборудование может использоваться как несекционное или секционное, модулированное.
Несекционное оборудование, это оборудование, которое различно по габаритам, конструктивному исполнению и архитектурному оформлению. Такое оборудование предназначено только для индивидуальной установки и работы с ним, без учета блокировки с другими видами оборудования. Несекционное оборудование для своей установки требует значительных производственных площадей, т.к. обслуживание такого оборудования осуществляется со всех сторон.
В настоящее время промышленность осваивает серийное производство секционного модулированного оборудования, применение которого целесообразно на больших предприятиях общественного питания. Преимущество секционного модулированного оборудования в том, что выпускается оно в виде отдельных секций, из которых можно комплектовать различные технологические линии. Секционное модулированное оборудование имеет единые размеры по длине, ширине и высоте. Такое оборудование устанавливается линейно по периметру или по центру помещения и установленная секция способствует повышению производительность труда и обшей культуры на производстве.
На все виды тепловых аппаратов разработаны и утверждены ГОСТы, которые являются обязательными для всех заводов и предприятий, связанных с выпуском или эксплуатацией оборудования.
ГОСТ указывает сведения аппарата: наименование аппарата и его Индексацию, параметры, требования ТБ, БТ и производственной санитарки, комплектность, а также требования к транспортировке, упаковке и хранению.
Все тепловые аппараты имеют буквенно-цифровую индексацию, первая буква которой соответствует наименованию группы, к которой относится данный тепловой аппарат. Например: котел - К, шкаф - Ш,
плита - П и т.д Вторая буква соответствует наименованию вида оборудования: пищеварочные - П, непрерывного действия - Н и т.д. Третья буква соответствует наименованию теплоносителя: электрические - Э, газовые - Г и т.д. Цифрами обозначают основные параметры теплового оборудования. Например: КПП-160 - котел пищеварочный, паровой, вместимостью 160 л.
March 8th, 2015 , 07:44 pm
До сего момента я касался темы теплотехники применительно к самостоятельному строительству только мимоходом, в контексте других тем. Об этом написаны кучи статей и книг, в том числе и в интернете, с морем формул и схем что, по-видимому, и отпугивает читателей. В результате у индивидуальных застройщиков в этой области самые нажористые заблуждения.
Итак, начнём сначала, с физики: любое твёрдое тело характеризуется двумя интересующими нас теплотехническими характеристиками: теплоёмкостью и теплопроводностью. Теплопроводность способность материала передавать тепловую энергию от более нагретой зоны в менее нагретую. Применительно к ограждающим конструкциям дома, для сохранения тепла, желательна как можно более низкая теплопроводность. Отдельный вопрос о толщине. Увеличение толщины ведёт к пропорциональному увеличению стоимости конструкции, но никак не к пропорциональному улучшению теплоизоляции. Существует некий оптимум толщины для каждого материала и каждой климатической зоны.
Теплоёмкость — способность материала поглощать (аккумулировать) и отдавать тепло при изменении температуры. Здесь всё не так однозначно, большая или малая теплоёмкость может быть и плюсом и минусом в зависимости от конкретных условий.
Резюмируем: материал с низкой теплопроводностью — теплоизолятор, материал с высокой теплоёмкостью — теплоаккумулятор.
Приведём пример: сравним деревянный и кирпичный дом с точки зрения теплотехники. Дерево имеет малую теплопроводность (т. е. является теплоизолятором) и малую теплоёмкость. Кирпич также является теплоизолятором, но имеет большую теплоёмкость, т. е. выступает ещё и как теплоаккумулятор. Деревянный дом хорошо держит тепло, но быстро выстывает, кирпичный держит тепло хорошо и долго. Если дом используется постоянно, то кирпичный комфортнее — дольше держит тепло, сглаживает колебания температуры при периодической топке печи. Если-же дом используется как дача — приехали в пятницу вечером в нетопленый дом и давай топить, то здесь большая теплоёмкость кирпичных стен сыграет в минус. Деревянный дом в этом случае имеет преимущество в скорости нагрева.
Отдельно стоит рассмотреть многослойные конструкции стен. Пример: бетонное здание нужно утеплить пенополистиролом или минераловатными плитами. Бетон сам по себе хороший теплоаккумулятор, но никудышный теплоизолятор. Если теплоизолирующий материал расположить снаружи, бетон будет играть роль теплоаккумулятора что выгодно для дома постоянного проживания. Если расположить теплоизолирующий материал внутри то бетонные стены не будут играть никакой роли в теплодинамике помещения — оно будет быстро нагреваться и быстро остывать.
Ещё пример: чтобы деревянный дом дольше держал тепло его можно оштукатурить изнутри.
Для многослойных конструкций существует немаловажная проблема пароизоляции и связанная с ней «точка росы». Грубо говоря, внутри строительных конструкций может конденсироваться влага. Не углубляясь в дебри, дело здесь в том что воздух внутри отапливаемых жилых помещений всегда более влажный чем снаружи. Поэтому пароизоляция должна располагаться по принципу ближе кнутри — плотнее, кнаружи — проницаемее.
Вкратце всё, точные определения, единицы измерения, формулы, значения параметров конкретных материалов и т.п есть в интернете.