В. И. Ляшков
ТЕОРЕТИЧЕН
ТОПЛОТЕХНИКИ
В. И. Ляшков
ТЕОРЕТИЧЕН
ТОПЛОТЕХНИКИ
Одобрено от Министерството на образованието на Руската федерация като учебно помагало за студенти от висши учебни заведения, обучаващи се в областта на обучението на дипломирани специалисти "Топлоенергетика"
Второ издание, стереотипно
МОСКВА "МАШИНОСТРОИТЕЛНА ИЗДАТЕЛСКА КЪЩА-1"
УДК 536.7(07) ББК Н 311я73-1 Л99
РЕЦЕНЗЕНТИ:
Катедра по индустриална топлоенергетика, Воронежски държавен технически университет,
Ръководител на катедрата, заслужил деец на науката и технологиите на Руската федерация, доктор на техническите науки, професор,
В. В. Фалеев
Доктор на техническите науки, професор,
С. А. Улибин
Тази публикация стана възможна благодарение на спонсорството на OJSC Tambovenergo,
Ляшков В. И.
L99 Теоретични основи на топлотехниката: Учебник. надбавка.
2-ро изд., изтрито. М .: Издателство Машиностроене-1, 2005. 260 с.
Учебникът кратко и последователно излага теоретичните основи на топлотехниката (основи на термодинамиката, теория на преноса на топлина и маса и теория на горенето), които представляват необходимото и достатъчно количество информация, така че в бъдеще специалистът да може самостоятелно да задълбочи своята познания в определени области на приложната топлотехника. Учебният материал се представя в отделни, сравнително малки дози, чиято структура и последователност на представяне се диктува от вътрешната логика на посочените науки.
Предназначен за студенти, обучаващи се в специалност "Енергоснабдяване на предприятията". Може да се използва от студенти от други специалности при изучаване на топлотехнически дисциплини.
УДК 536.7(07) ББК Н 311я73-1
ISBN 5-94275-027-0 | Ляшков V.I., 2002 |
"Издателство Машиностроение-1", 2002г
Ние работим, за да направим вашия дом топъл и уютен
"Теплосервис"
ООО "Енергострой"
Учебно издание
ЛЯШКОВ Василий Игнатиевич
ТЕОРЕТИЧНИ ОСНОВИ НА ТОПЛОТЕХНИКАТА
Урок
Второ издание, стереотипно
Редактор З. Г. Чернова
Инженер по компютърни прототипи М. Н. Рижкова
Подписано за печат на 17 март 2005 г.
Формат 60 × 84 / 16. Офсетова хартия. Офсетов печат.
Шрифт Times New Roman. Обем: 15,11 условни единици. фурна л.; 16.0 академично изд. л.
Тираж 500 бр. Поръчайте 165M.
"Издателство Машиностроение-1", 107076, Москва, улица Стромински, 4
Подготвен за печат и отпечатан в издателско-печатния център на Тамбовския държавен технически университет,
392000, Тамбов, Советская, 106, сграда 14
В памет на моя Учител
Александър Силич Лишевски (1922–1981) Заслужил деец на науката и техниката на Руската федерация, доктор на техническите науки, професор,
Тази скромна работа е посветена на
Въпреки факта, че издаването на учебни книги по технически дисциплини практически е спряно през последните 10 години, все още има много учебници по рафтовете на библиотеките, озаглавени „Обща топлотехника“, „Топлотехника“ и др., публикувани през 60-80-те години. . За съжаление, неумолимото време, поставяйки нови задачи и подходи и усвоявайки нови научни постижения, все повече ги прави неподходящи за безусловно препоръчване на съвременни студенти, които са избрали благороден път в живота: след като са получили специалност по топлоенергетика, посветете се на решаването на най-важният национален проблем - предотвратяване на енергийната криза, все повече наближава нашата страна.
Ето защо авторът решава да публикува тази работа, затопляйки се с надеждата, че тя значително ще улесни студентите в овладяването на теоретичните основи на топлотехниката, наистина безгранична наука, която изучава принципите на работа, основите на дизайна и изчислителните характеристики на всички видове машини, апарати и устройства, в които се появява топлинна енергия.
Днес при организирането на учебния процес се отдава особено значение на самостоятелната работа на учениците. В същото време лекционните курсове стават все по-кратки, а лекциите по-често имат прегледен или проблемен характер. В такава ситуация може да бъде трудно правилно да изберете и подредите учебния материал, така че да отразява вътрешната логика на науката, така че представянето да е цялостно, последователно и разбираемо за хора, които тепърва започват да се запознават с тази наука.
Учебникът отразява дългогодишния опит на автора в работата със студенти от втори и трети курс. Представлявайки последователно и сбито представяне на основите на термодинамиката, преноса на топлина, теорията на преноса на маса, теорията на горенето и т.н., той не е написан, за да замени гореспоменатите учебници. По-скоро това е първият вход към голяма и интересна област от научни знания, свързани с топлотехниката. Следователно той включва само този учебен материал, чието усвояване е необходимо за придобиване на такова ниво на теоретична подготовка, което ще позволи в бъдеще лесно да се повишат знанията по време на последваща самостоятелна работа с учебници, монографии, справочници и др.
ВЪВЕДЕНИЕ
Днес почти всяка област на инженерна дейност е до голяма степен свързана с проблемите на енергоспестяването, разработването, внедряването и експлоатацията на технологии за пестене на ресурси и проблемите на трансформацията и преноса на енергия. Учебната дисциплина "Теоретични основи на топлотехниката" е предназначена да оборудва бъдещия специалист със знания за общите закони и базираните на това инженерни методи за изчисляване на процесите, които възникват по време на получаването, трансформацията и разпределението на топлинна енергия в пространството. В структурно отношение това включва три отделни науки: “Термодинамика”, “Топлообмен” и “Основи на теорията на горенето”.
Термодинамиката изучава законите на трансформация на различни видове енергия в топлина (и обратно, топлината в други видове енергия), както и характеристиките на физическите процеси, съпътстващи тези трансформации. Термодинамиката започва да се оформя като самостоятелна наука в началото на 19 век, въпреки че много от нейните основни положения са открити и формулирани още по-рано в рамките на общата физическа теория. Сред основателите и учените, които имат най-голям принос за развитието на термодинамиката, срещаме известни имена: М. В. Ломоносов, който в своя труд „Размисли за причините за топлината и студа“ (1744) предлага единна теория за топлината и структурата на материята, формулиране на законите за запазване на масата и енергията, Д. Джаул, У. Томсън, Р. Клаузиус, С. Карно, Г. Хес, Л. Болцман,
В. Гибс, М. П. Вукалович, А. А. Гухман и др., Можете да прочетете подробно за историята на развитието на термодинамиката и приноса на отделни учени в тази наука в интересна книга. През повече от сто и петдесетгодишната история на своето развитие тази наука е придобила методологически безупречни форми и строга аксиоматика, така че днес тя заслужено се нарича класическа термодинамика.
Термодинамиката няма собствен предмет на изследване, за разлика например от биологията, която изучава живите организми, или геометрията, която изучава равнинни фигури. Това е методологическа наука, която ни въоръжава със специфичен изследователски метод, чиято основа е разглеждането на всякакви процеси на материалния свят през призмата на основните закони на природата, установени от термодинамиката.
Преносът на топлина, или по-точно теорията за пренос на топлина и маса, е наука, която изучава процесите на топлина (или маса, тъй като е установена ясна аналогия на такива процеси) в космоса. Процесите на разпределение на топлината в пространството с цялото им разнообразие са обект на изучаване на тази наука. Основните понятия и закони на теорията на топлообмена също са формулирани в рамките на общата физическа теория в зората на нейното бързо развитие. Например, основите на аналитичната теория на топлопроводимостта са положени от Ж. Фурие през 1822 г. В средата на 19 век са формулирани основите на теорията на подобието, а през 1915 г. тя е използвана за първи път от W. Nusselt за изследване на процесите на топлообмен. Малко по-рано О. Рейнолдс го прилага в изследването на хидродинамичните процеси, изразявайки идеята за аналогия между отделните термични и хидродинамични
започва да се развива в следвоенните години. Тук решаващият принос е на нашите сънародници, сред които се открояват трудовете на академиците В. М. Кирпичев, М. А. Михеев, С. С. Кутателадзе, Г. Н. Кружилин и др.
Отговаряйки на новите изисквания, поставени от съвременната практика, тази наука продължава да се развива бързо, все повече овладявайки нови области на приложение (ядрена енергия, космически технологии и др.), Разширявайки и усъвършенствайки своите подходи и методи за решаване на възникващи проблеми. И днес голям принос за по-нататъшното развитие на тази наука имат такива авторитетни учени като академиците А. И. Леонтиев, В. П. Скрипов, А. Г. Шашков и професорите Г. Н. Дулнев, Г. А. Драйцер, С. П. Рудобаща и други, както и млади учени, посвещаващи своята дисертация работи за решаване на отделни текущи теоретични и практически проблеми.
Основите на теорията на горенето разглеждат механизма на химическата реакция на горене, открит от нобеловия лауреат академик Н. Н. Семенов и неговите последователи, както и физическите характеристики на горивните процеси при различни условия на горене на най-често срещаните горива. Тук е дадена и методиката за технически изчисления на горенето.
Нека да отбележим още една важна характеристика на всичките тези три науки: те са фокусирани върху конкретна инженерна практика и винаги довеждат своите констатации и заключения до недвусмислени практически препоръки и изчислителни методи.
Бързото развитие на компютърните технологии и информационните технологии предоставя на изследователите мощни инструменти, които правят сравнително лесно извършването на числено моделиране на изследваните явления. Именно този подход за решаване на много проблеми с преноса на топлина се превръща в един от основните днес, тъй като това значително намалява трудовите и финансовите разходи за решаване на проблема.
Абсолютно ясно е, че без задълбочени познания и в трите раздела на нашата академична дисциплина, успешната инженерна дейност е невъзможна и следователно изучаването на теоретичните основи на топлотехниката придобива все по-голямо значение, особено за бъдещите специалисти, пряко свързани с топлоенергетиката инженерство.
1 ОСНОВИ НА ТЕРМОДИНАМИЧНИЯ АНАЛИЗ
Принципите на термодинамиката хвърлят ярка светлина върху всички природни явления
Д. Максуел
1.1 ОБЩИ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНИ НА ТЕРМОДИНАМИКАТА
1.1.1 Основни термини на термодинамиката
d x i = 0
Светът около нас е материален, материята е в непрекъснато движение. Мярката за движение на материята се нарича енергия. Най-често срещаме механични и топлинни форми на движение на материята. В първия случай движението се свързва с движението на макрообемите на материята в пространството, а във втория - с движение само на микро ниво (топлинно движение на молекулите). Промените в енергията в резултат на такива движения се наричат съответно механична работа и топлина.
Тяло или група от макротела, чиито енергийни свойства трябва да се изследват, се нарича термодинамична система. Всички други тела, които могат да взаимодействат със системата, съставляват околната среда. Границата между системата и околната среда се нарича контролна повърхност. Ако контролната повърхност позволява обмен на маса между системата и околната среда, тогава системата се нарича отворена, но ако такъв обмен е невъзможен, системата се нарича затворена. Затворените системи са по-прости и от тях започваме да изучаваме основите на термодинамиката.
Една от аксиомите на термодинамиката е нейното нулево правило: всякакви промени в системата са възможни само в резултат на взаимодействие с околната среда. Приемайки тази позиция априори, ние изключваме от обектите на анализ много биологични системи, които имат способността да се променят спонтанно.
Състоянията и свойствата на системата се характеризират с редица физични величини. При взаимодействие с околната среда някои от тях се променят и се наричат параметри на състоянието на системата. Останалите величини практически не променят числовата си стойност и се наричат физически константи. Физическите константи характеризират свойствата на веществото, запълващо системата, а параметрите на състоянието характеризират характеристиките на състоянието на това вещество. Примери за параметри: p, T, V (налягане, температура, обем); примери за физични константи: с р,r (топлинен капацитет, топлина на изпарение).
Системата се нарича хомогенна, ако нейните параметри не се променят в пространството, и равновесна, ако не се променят във времето. Нулевото правило на термодинамиката понякога се формулира по следния начин: при липса на външни влияния системата рано или късно достига до хомогенно и равновесно състояние.
Параметрите на състоянието могат да бъдат разделени на две групи. Потенциалите p са тези параметри, чиято разлика в средата и системата е движещата сила на взаимодействието. Когато i = p в i, взаимодействие от i-ти вид е невъзможно. Взаимодействието по принцип е възможно само когато i ≠ p в i. Примери за потенциали: p, T, E (електрически потенциал). Координатите x i са тези параметри, чиито промени в системата показват възникването на взаимодействие. Ако d x i ≠ 0, тогава взаимодействието се осъществява, но взаимодействието не се осъществява, дори ако има необходимата разлика в потенциала
cials (поради наличието на частична или пълна изолация на системата). Примери за координати: V ,m (за химични взаимодействия), броят на електрическите заряди, протичащи по време на електрически взаимодействия и т.н. Внимателният анализ прави възможно откриването както на потенциала, така и на координатата на състоянието за всеки тип взаимодействие.
По аналогия с математическата теория на полето в термодинамиката се приема следното правило за знака за потенциалите: разликата p n i − p in i се счита за положителна (т.е. p n i > p in i), ако това се случи
процес на взаимодействие с нарастване на съответната координата на състоянието (d x i > 0).
Координатата на топлинното състояние се нарича ентропия. Трудността с този параметър е, че той е статистически по природа и не може да бъде открит чрез директен опит или измервания. Ентропията на една система се определя от вероятността за нейното състояние. Вероятността за състояние на системата се разбира като броя на начините, по които дадено състояние може да бъде постигнато, като се започне от някакво първоначално. Следователно вероятността за състоянието на системата в числова форма отразява степента на хаос в подреждането на елементите, които я съставят. Минималната частица на макрокосмоса е молекула. Това означава, че вероятността за състояние характеризира степента на ред (или безпорядък) на разпределението на молекулите в обема на термодинамична система. Л. Болцман показа, че стойността на ентропията е пропорционална на вероятността на състоянието W и се определя от формулата S = k ln W, където k е константата на Стефан
Болцман (една от универсалните физични константи).
Когато се подава топлина към системата, интензивността на топлинното движение на молекулите се увеличава и степента на произволност на тяхното разпределение в пространството също се увеличава. Това означава, че и W, и S нарастват числено. Когато топлината се отстрани, се случва обратното: ентропията S намалява.
Завършвайки параграфа, отбелязваме, че очертаният подход за въвеждане на концепцията за ентропия се разви сравнително наскоро. За по-подробно проучване на този раздел на термодинамиката можете да препоръчате
Мендат само учебници или, тъй като в повечето учебници и ръководства това е представено малко по-различно, въз основа на подхода, предложен от Р. Клаузиус.
1.1.2 Първият закон на термодинамиката в общ вид
Намерете началото на всичко и ще разберете много К. Прутков
Първият закон на термодинамиката установява количествени връзки по време на трансформацията на различни форми на енергия една в друга. Нека някаква термодинамична система (виж фиг. 1.1) има способността едновременно да извършва няколко вида взаимодействия с околната среда, например механични, топлинни, химични и т.н. В резултат на такова сложно взаимодействие, при което потоците се прехвърлят от околната среда към системата (или обратно) енергии от различни видове∆ E 1,∆ E i, …,∆ E n. .
Заобикаляща среда | Енергията на системата, ще я наречем вътрешна енергия, се променя |
||||||||||
Контролна повърхност | намалява със стойността ∆U. В съответствие със закона за запазване на енергията |
||||||||||
∆E 1. | gy (енергията не изчезва и не се появява отново, нейното количество е винаги |
||||||||||
остава постоянна) сумата от всички енергийни промени е равна на |
|||||||||||
Термодинамика | Лю. Ето защо | ||||||||||
∆U +∑ ∆E i =0. | |||||||||||
∆Qn | ∆U | ||||||||||
∆Qi | |||||||||||
∆Ei | i= 0 | ||||||||||
∆ E n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . | За съжаление, формула (1.1) не може да се използва в инженерството |
||||||||||
практика, тъй като количествата, включени в него, не могат да бъдат измерени. |
|||||||||||
Сложни интер- | Наистина стойността на U не може да бъде измерена, т.к |
||||||||||
действие между окол | знае се само философската дефиниция на енергията и няма инженерство |
||||||||||
Стойности ∆ E i | определение (дефинират се само отделни форми на енергия). |
||||||||||
невъзможно за измерване, тъй като средата не е ясно определена (поради |
|||||||||||
известна е само една негова граница – контролната повърхност). И така, когато се опитваме да приложим формула (1.1), се озоваваме в деликатна ситуация, позната от детска приказка: „Отидете там, не знам къде, измерете това, не знам какво.“
За да решим, нека въведем концепцията за количеството на въздействието от даден тип ∆ Q i , така че да го наречем
Количеството енергия от определен тип, получено (или дадено) от система при взаимодействие с околната среда. Съгласно тази дефиниция ∆ Q i = −∆ E i . Тъй като системата е описана недвусмислено, тя се разглежда
че са възможни всякакви измервания в него, включително тези, които позволяват да се определят стойностите на ∆ Q i . Сега формула (1) приема формата
Обикновено в термодинамиката анализираме безкрайно малки взаимодействия, така че от крайните нараствания ∆ U и ∆ Q i преминаваме към безкрайно малките dU и ∆ Q i . След това пренаписваме формула (1.2), както следва
dU = ∑ dQi |
i= 1
и нека заключим: промяната във вътрешната енергия се определя от сумата на количествата въздействия, извършени по време на взаимодействие. Използвайки редица прости примери, ще разгледаме как се определят количествата на въздействие dQ i за различни видове взаимодействия.
Първият пример (виж фиг. 1.2): пружина, натоварена с външна сила F n. Тук потенциалът е силата F n, а координатата е големината на линейните координати. Ако външният потенциал Fn се промени с определена стойност dF, тогава ще възникне механично взаимодействие, при което координатите ще се променят със стойност dx (виж фиг. 1.2,b). При това взаимодействие количеството удар е механичната работа, извършена от пружината:
път със средна сила
dQ = − dLmech = − 0,5 [ Fn + (Fn + dF) ] dx = 0,5 [ Fv + (Fv + dF) ] dx = = Fv dx + 0,5 dFdx.
Ориз. 1.4 Проста електрическа верига
Ориз. 1.3 Де-
x–dx
P+dp, V+dV
б)
p ,V
Пренебрегвайки втория член като величина от втори порядък на малкост, виждаме, че размерът на влиянието се определя от произведението на вътрешния потенциал F in и промяната в координатата на състоянието dx.
Нека сега разгледаме взаимодействието в деформационна система, която е цилиндър с подвижно бутало (виж фиг. 1.3). Координатата на състоянието тук е обемът на системата, а потенциалът, ако вземем предвид приетото преди това знаково правило за потенциалите, е налягането, взето с противоположния знак p = − p.
Да приемем, че налягането pn нараства с dp. Тогава възниква взаимодействие между системата и околната среда, в резултат на което буталото ще се премести с величина -dx, а налягането в системата ще се увеличи с dp и ще настъпи ново равновесие.
стои (виж фиг. 1.3, b). Както в предишния пример, количеството удар по време на деформация на системата е механичната работа, извършена върху системата при взаимодействие с околната среда:
dQ = dLmech = 0,5 [ pв + (pв + dp) ] S(− dx) = − pdV− 0,5 dpdV.
път със средна сила
И отново в резултат на това получихме произведението на вътрешния потенциал и промяната в координатата (като се има предвид, че Sdx = dV, dpdV = 0).
Нека разгледаме друг пример, анализирайки електрическото взаимодействие в U R на най-простата електрическа верига (виж фиг. 1.4). Потенциалът тук е напрежението U на източника на ток, а координатата е броят на електрическите заряди Q,
А протичащи във веригата. Размерът на въздействието в този случай е работа
електрически ток Q = L el = U i τ , където i е токът, равен по дефиниция на числото
електрически заряди, протичащи за единица време i =∆ Q /τ и следователно Q = U ∆ Q . Говорейки за безкрайно малък процес, от предишната формула получаваме
където dQ= U dQ.
Обобщавайки резултатите от разгледаните примери, можем да направим следното заключение: размерът на влиянието от този вид се определя от произведението на вътрешния потенциал и увеличението на съответната координата:
dQi = pi dxi.
По този начин първият закон на термодинамиката (формула (1.3)) може да бъде написан в разширена форма
dU = ∑ pi dxi . |
i= 1
В по-голямата част от случаите величините на потенциалите и координатите се измерват доста лесно на практика (с изключение на ентропията).
1.1.3 Термомеханична система
Всеки е страхотен човек по свой начин. Руска поговорка
Термомеханичната система е система, в която топлинните и механичните взаимодействия могат да възникнат едновременно. Те намират широко приложение в практиката, като са в основата на топлоелектрически централи, хладилно оборудване, компресорно оборудване и много други технологични устройства. Като цяло, такава система съдържа: източник на топлина,
разположен в околната среда, разширителен елемент (например цилиндър с бутало, турбина и т.н.), механично устройство, топлинен приемник в околната среда (виж фиг. 1.5). Веществото, запълващо системата, се нарича работна течност. Като работен флуид обикновено се използват въздух, газови смеси в състояние на идеален газ, водна пара, пари от различни органични съединения и др. Притежавайки добра свиваемост и високо термично разширение, те са термодинамично по-благоприятни в сравнение с други течни или твърди вещества.
Източникът на топлина и приемникът могат да работят непрекъснато или периодично, което позволява да се реализират различни видове машини с помощта на термомеханична система. Нека, например, работната течност получава топлина от източник Q 1 и пренася топлина към приемника Q 2, малко по-малко от Q 1. Тогава разликата Q 1 – Q 2 ще се използва за загряване на работния флуид. В резултат на термичното разширение на работния флуид, налягането в цилиндъра ще се увеличи, създавайки сила, която ще премести буталото леко надясно. В този случай системата ще извършва работа, която се предава на околната среда с помощта на механично устройство. Така симулирахме работата на топлинна машина, с помощта на която топлината се трансформира в работа.
Термомеханичната система позволява и обратна трансформация. Представете си, че източникът на топлина и мивката първоначално са били изключени (Q 1 = Q 2 = 0). Ако с помощта на механично устройство се приложи работа към системата, така че буталото да се движи наляво, компресирайки работния флуид, тогава в резултат на взаимодействието вътрешната енергия и температурата на работния флуид ще се увеличат. Нека сега включим топлинния приемник и оставим работния флуид да се охлади до първоначалната си температура. Тогава работният флуид ще отдаде Q 2 топлина на приемника и неговата вътрешна енергия ще получи същата стойност. Това означава, че успяхме да преобразуваме доставената работа в топлина.
Така термомеханичната система позволява трансформирането на топлината в работа (и обратно).
Потенциалите на такава система са -p и T, а координатите съответно V и S. Първият закон на термодинамиката (формула (1.4)) в този случай ще бъде написан, както следва
където dQ и dL са обозначенията на топлина и работа за елементарен процес на взаимодействие.
Последната формула улеснява разбирането на формулировката, известна от училищния курс по физика, която твърди невъзможността на машина за вечно движение. Наистина, за да работи един двигател вечно, вътрешната енергия на неговия работен флуид не трябва да се променя (т.е. за вечен двигател dU = 0). Тогава е ясно, че без доставяне на топлина (dQ = 0), няма да получим работа (dL = 0 – 0 = 0). Тази част от термодинамиката, която изучава процесите в термомеханичните системи, се нарича техническа термодинамика, като по този начин се подчертава значението на заключенията и изчислителните методи, получени в нея за много технически устройства.
1.1.4 Вътрешна енергия на газа
По-рано нарекохме енергията, съдържаща се в системата, вътрешна и я представихме като сбор от всички видове енергия, притежавани от всички частици, изпълващи системата. Говорейки за газове, въпреки че до известна степен това е приемливо както за течности, така и за твърди вещества, отбелязваме, че стойността на U се определя от кинетичната енергия на молекулите при техните транслационни, ротационни и вибрационни движения, както и енергията на междумолекулната сила взаимодействие - потенциалната енергия на молекулата:
U = E kin + E пот.
Кинетичната енергия на молекулите зависи от средната скорост на движение и масата на молекулите, които са пропорционални съответно на макропараметрите Tp (температура и плътност) на газа. Стойността на E пот зависи от средното разстояние между молекулите и тяхната маса; междумолекулното разстояние при равни други условия се определя от налягането на газа. Следователно можем да пишем
E kin= f 1(T, ρ) и E pot= f 2(p, ρ),
Основи на топлотехниката. Топлопроводимост.
Топлопроводимостта като физическо явление е пренасянето на топлина от произволно движещи се микрочастици в пряк контакт една с друга. Молекулите се движат в газове и течности, атомите вибрират в кристалната решетка на твърдите тела, а свободните електрони дифундират в металите. Основният закон за топлопроводимостта включва закона на Фурие, според който
където q1 е плътността на топлинния поток, W/m2; g - коефициент на топлопроводимост, W/(m-K); t - температура, K; n - координата, перпендикулярна на топлообменната повърхност, m.
В дясната страна на уравнение (1.1) има знак минус, тъй като векторите на топлинния поток qt и температурният градиент dt/dn са насочени в противоположни посоки.
Коефициентът на топлопроводимост е количеството топлина, пренесено през единица повърхност за единица време с температурен градиент, равен на единица. Уравнение (1.1) е вярно при стационарни условия, когато температурата не зависи от времето dt/дn≠0, a
В по-общ случай, при нестационарни условия, когато температурата се променя във времето и координатата, т.е. dt/dn≠0 и
преносът на топлина чрез топлопроводимост се описва с уравнението на Фурие:
Топлината може да се генерира или абсорбира в тялото, например чрез химични реакции. В такива случаи се разглежда проблемът с вътрешен източник на топлина (съответно положителен или отрицателен) и уравнение (1.2) се превръща в уравнение
където Iq е източникът на топлина, J/(m3-s).
Коефициентът на топлопроводимост a е характеристика на инерционните свойства на тялото, дължаща се на разпространението на топлина чрез топлопроводимост. Тяло с по-голямо a се нагрява и охлажда по-бързо.
Коефициентът на топлопроводимост на мокър материал - еквивалентният коефициент на топлопроводимост - е сумарна стойност:
където lc е коефициентът на топлопроводимост на сухия твърд скелет на материала; Lkond е коефициентът на проводимост (топлопроводимост) на течност и паровъздушна смес в неподвижно (неподвижно) състояние в порите на материала; lkonv - коефициент, характеризиращ пренос на топлина поради въздушна конвекция вътре в материала; ll - коефициент на радиационна топлопроводимост; ln - коефициент, характеризиращ пренос на топлина поради пренос на маса (влага) вътре в материала.
Има индикации, че когато диаметърът на порите е по-малък от 0,5 mm, стойностите на lconv и ll могат да бъдат пренебрегнати.
Топлопроводимостта на хранителните продукти е проучена доста добре под формата на стойности на leq и е представена под формата на таблици и формули за изчисление в референтната литература.
Уреди за генериране на топлина
Обща информация за термично оборудване
В повечето случаи при приготвянето на храна храната се вари, пържи, задушава, т.е. подложени на топлинна обработка. Под въздействието на определено количество топлина продуктите променят своите физични и химични свойства: мазнините се топят, протеините се коагулират, променят се вкуса, цвета, мириса и 1 л. Освен това под въздействието на висока температура се унищожава патогенната микрофлора в преработените продукти .
По време на термичната обработка има естествен спонтанен пренос на топлина от нейния източник към нагрятия продукт, тъй като източникът на топлина винаги е по-горещ от продукта.
Източници на топлина в устройствата могат да бъдат гориво, електричество и охлаждащи течности. На практика основните използвани охлаждащи течности са пара, вода и масло. Основните методи за термична обработка на хранителните продукти са варенето и пърженето. Варенето на продуктите може да се извърши по няколко начина, в течна среда, автоклави и в съдове с понижено налягане. Всички видове готвене се характеризират с два етапа: бързо нагряване на течната среда и слабо нагряване. В някои случаи се използва акумулирана топлина и готвене с „гореща пара". Варенето на продуктите с „гореща пара" се осъществява в резултат на контакт на наситена пара с обработвания продукт.
Процесът на пържене на храната се извършва без добавяне на течна среда. Пърженето на продуктите се извършва в плитък съд - тиган и в дълбока мазнина, когато продуктът е напълно зареден в гореща мазнина.
В заведенията за обществено хранене се използват и спомагателни методи за топлинна обработка на продуктите. Те включват: задушаване, попарване, изпичане, както и обработка на продукти с ултрависокочестотно и инфрачервено нагряване.
Нов метод за термична обработка на продуктите е обработката им в електромагнитно поле с ултрависока честота. В такива случаи продуктите се нагряват в целия обем. Трябва да се отбележи, че CB полето загрява само храната, а работната камера, съдовете и въздухът не се нагряват. Микровълновото нагряване има голямо предимство пред традиционните методи за готвене на храна. Времето за готвене се намалява 10 пъти, като за повечето продукти е не повече от 5 минути. Значително се подобряват вкусът и външният вид на приготвените продукти. Трябва да помним, че в микровълновия апарат използват съдове, изработени от диелектрици, т.е. стъкло, порцелан, пластмаса и керамика. Използването на метални прибори е строго забранено, тъй като... той деактивира генератора на това устройство.
Концепцията за пренос на топлина
Преносът на топлина от една среда към друга се нарича топлообмен. Има два основни типа топлообмен: контактен и радиационен. Пренос на топлина чрез контакт е, че топлината от едно тяло, по-нагрято, се прехвърля към друго, по-малко нагрято, директно чрез контакт. Преносът на топлина чрез излъчване е свързан с двойно преобразуване на енергията. Топлинната енергия на по-гореща повърхност се преобразува в лъчиста енергия, която преминава през пространството и при достигане на по-студена повърхност отново се превръща в топлинна енергия. Такива преноси на топлина възникват например при инфрачервени лампи или готвене на барбекю на скара. Топлообменът в течности и газове се нарича конвекция. Това е, когато долните слоеве на течността се нагряват, издигайки се нагоре, пренасят топлина, а по-малко нагрятите слоеве падат надолу, т.е. възниква смесване на нагрети и ненагрети слоеве.
Топлообменът в телата се нарича топлопроводимост. При нагряване на дъното на металния съд бързо се нагряват и стените му.Диелектричните съдове и уреди имат значително по-нисък коефициент на топлопроводимост от металните.
Топлина и нейният състав
В технологиите горивото е сложно органично съединение, което може да освободи значително количество топлинна енергия при изгаряне. Според агрегатното състояние горивата се делят на твърди, течни и газообразни. Твърдите горива включват дърва за огрев, торф, въглища и шисти. Течните горива включват петрол и неговите производни - бензин, керосин, мазут и мазут. Газообразните горива включват природни и изкуствени газове. Съставът на горивото включва горими и незапалими елементи. Запалимите елементи включват въглерод, водород, сяра. Незапалимите елементи включват азот, пепел и влага. Кислородът не е запалим елемент, но поддържа процеса.
Твърдо гориво. Въглищата са висококалорично гориво, имат високо съдържание на въглерод, ниско съдържание на влага и малко количество летливи вещества.
Дървата за огрев, поради ниската си калоричност, се считат за местно гориво. Добивът на летливи вещества е голям, което дава добра запалимост на дървата за огрев. Съдържанието на пепел в дървесината е незначително.
Торфът е непълно разлагане на органични вещества от растителен произход с излишна влага и много малък достъп на въздух.
Маслените шисти са нискокалорични горива, препоръчително е да се използват след преработка и в близост до минни обекти.
Течно гориво - основният принос на течното гориво е мазутът, получен от нефтопреработката. Има високо съдържание на въглерод и водород. При изгаряне има висока калоричност.
Газообразно гориво - като гориво се използват естествени горими и изкуствени кутии, които превъзхождат по качество всички останали видове. Природните газове се добиват от газови находища или като страничен продукт от нефтени находища. Изкуствените газове включват доменни пещи, коксови пещи и втечнен газ. Основните предимства на газовото гориво са: висока ефективност на газовите уреди, възможност за използване на автоматични устройства, които регулират топлинните условия и осигуряват предпазни мерки при работа с газови отоплителни уреди. Използването на газ подобрява стандартите на производство, санитарно-хигиенните условия на труд и премахва замърсяването на въздуха в населените места със сажди и дим.
Газовото гориво има и отрицателни свойства. При определени отношения с въздуха образува експлозивна смес. Газът е отровен и поради това неправилното боравене с него води до инциденти.
Най-удобното и хигиенично оборудване обаче е електрическото отопление. В момента в заведенията за обществено хранене повече от 90% от всички отоплителни уреди работят на електричество. Предимствата на електрическото оборудване в сравнение с устройствата с други източници на топлина са: лекота на поддръжка, добри санитарно-хигиенни условия на работа и намалена опасност от пожар; възможност за работа на устройствата в автоматичен режим и по-висока ефективност.
Понятие за горивния процес
Процесът на изгаряне на гориво се основава на химическа реакция на свързване на кислород от въздуха с горими горивни елементи. Изгарянето на горивото е процес на бързо окисляване на горимата част на горивото, при което се отделя значително количество топлина. Част от топлината се изразходва за поддържане на висока температура на горивото, без което изгарянето е невъзможно. Изгарянето на горивото е възможно при наличие на достатъчен въздушен поток към него и нагряване на горивото до температурата на запалване. Изгарянето на горивото може да бъде пълно или непълно. При непълно изгаряне се отделя въглероден окис, като се отделя не повече от 1/3 от общото количество топлина, което може да се отдели при пълното изгаряне на горивото. При пълно изгаряне въглеродът образува въглероден диоксид, водородът се превръща във вода и се отделя най-голямо количество топлина. Газът трябва да се изгаря само когато е в движение. Ако сместа от газ и въздух е в покой, тогава горенето възниква моментално, под формата на експлозия. Важна качествена характеристика на горивото е неговата топлина на изгаряне или калоричност - количеството топлина в kcal, което се отделя от една единица тегло (1 kg) или обем (1 кубичен m) гориво при пълно изгаряне. Топлината на изгаряне на различни видове гориво не е една и съща, следователно, за да се сравнят различни видове гориво и да се реши проблемът с замяната на един вид гориво с друг, беше въведена концепцията за „конвенционално гориво“. Под „стандартно гориво“ разбираме такова гориво, чиято калоричност е 7000 kcal/kg.
Мерки за пестене на гориво
Изборът на най-икономичния вид гориво и подходящ нагревателен уред за готвене е един от ефективните начини за намаляване на разходите и помага за намаляване на разходите за храна.
Във всички заведения за обществено хранене се разработват организационни и технически мерки за икономия на гориво, топлина и електроенергия. Основните теми на събитието за пестене на горива и енергийни ресурси са:
Поддържане на контрол върху рационалното и икономично използване на горивните и енергийните ресурси и използването на всяко оборудване на предприятието;
Систематичен мониторинг на техническото състояние на оборудването;
Своевременно включване и изключване на оборудването, като се има предвид недопустимостта на работата им в извънработно време,
Извършване на системно почистване на парогенератори, съдове, помпи, тръби или намотки на бойлери от образуване на котлен камък;
Увеличаване на натоварването върху работните обеми на оборудването по време на работа;
Непрякото нагряване е пренос на топлина през междинна среда (парово-водна риза на котела). Според технологичното предназначение отоплителното оборудване се разделя на универсално (електрическа печка) и специализирано (кафемашина, пекарна).
Въз основа на източниците на топлина отоплителното оборудване се разделя на електрическо, газово, огън и пара.
Термичните устройства могат да бъдат класифицирани и според принципа на действие - непрекъснато и периодично действие.
Според степента на автоматизация термичните апарати се разделят на неавтоматизирани, които се управляват от сервизен работник, и автоматизирани, при които контролът върху безопасната работа и режима на термична обработка се осигурява от самия термичен апарат с помощта на устройства за автоматизация.
В заведенията за обществено хранене отоплителното оборудване може да се използва като несекционно или секционно, модулирано.
Несекционното оборудване е оборудване, което се различава по размер, дизайн и архитектурен дизайн. Това оборудване е предназначено само за индивидуална инсталация и работа, без блокиране с други видове оборудване. Несекционното оборудване за неговото инсталиране изисква значително производствено пространство, т.к Поддръжката на такова оборудване се извършва от всички страни.
В момента индустрията овладява серийното производство на секционно модулирано оборудване, чието използване е препоръчително в големи заведения за обществено хранене. Предимството на секционно модулираното оборудване е, че се произвежда под формата на отделни секции, от които могат да се сглобяват различни производствени линии. Секционното модулирано оборудване има еднакви размери по дължина, ширина и височина. Такова оборудване се монтира линейно по периметъра или в центъра на помещението, а инсталираната секция спомага за повишаване на производителността на труда и общата култура в производството.
GOST са разработени и одобрени за всички видове термични апарати, които са задължителни за всички фабрики и предприятия, свързани с производството или експлоатацията на оборудване.
GOST определя информация за устройството: името на устройството и неговото индексиране, параметри, изисквания за безопасност, сигурност и промишлена хигиена, комплектност, както и изисквания за транспортиране, опаковане и съхранение.
Всички термични устройства имат буквено-цифров индекс, чиято първа буква съответства на името на групата, към която принадлежи това термично устройство. Например: котел - K, шкаф - W,
печка - P и т.н. Втората буква съответства на името на вида оборудване: кухненски процесори - P, непрекъснати - N и др. Третата буква съответства на името на охлаждащата течност: електрически - E, газ - G и т.н. Цифрите показват основните параметри на топлинното оборудване. Например: KPP-160 е котел с парен дигестер с капацитет 160 литра.
8 март 2015 г., 19:44 ч
Досега съм засягал темата за топлотехниката във връзка със самостоятелното строителство само мимоходом, в контекста на други теми. За това са написани купища статии и книги, включително в Интернет, с море от формули и диаграми, което очевидно плаши читателите. В резултат на това отделните разработчици в тази област имат най-арогантните погрешни схващания.
И така, нека започнем от самото начало, с физиката: всяко твърдо тяло се характеризира с две топлинни характеристики, които ни интересуват: топлинен капацитет и топлопроводимост. Топлинната проводимост е способността на материала да пренася топлинна енергия от по-нагрята зона към по-слабо нагрята. По отношение на ограждащите конструкции на къщата, за да се запази топлината, е желателна възможно най-ниската топлопроводимост. Отделен въпрос за дебелината. Увеличаването на дебелината води до пропорционално увеличение на цената на конструкцията, но не и до пропорционално подобряване на топлоизолацията. За всеки материал и всяка климатична зона има определена оптимална дебелина.
Топлинният капацитет е способността на материала да абсорбира (акумулира) и да отделя топлина при промяна на температурата. Тук всичко не е толкова просто, голям или малък топлинен капацитет може да бъде както плюс, така и минус, в зависимост от конкретните условия.
Да обобщим: материал с ниска топлопроводимост е топлоизолатор, материал с висок топлинен капацитет е топлинен акумулатор.
Нека дадем пример: сравнете дървена и тухлена къща от гледна точка на топлотехниката. Дървесината има ниска топлопроводимост (т.е. тя е топлоизолатор) и нисък топлинен капацитет. Тухлата също е топлоизолатор, но има голям топлинен капацитет, т.е. действа и като топлинен акумулатор. Дървената къща запазва топлината добре, но бързо изстива, докато тухлената къща запазва топлината добре и за дълго време. Ако къщата се използва постоянно, тухлената е по-удобна - задържа топлината по-дълго, изглажда температурните колебания, когато пещта се запалва периодично. Ако къщата се използва като лятна вила - пристигнахме в петък вечерта в неотопляема къща и нека я затоплим, тогава високият топлинен капацитет на тухлените стени ще играе в минус. В този случай дървена къща има предимство при скоростта на отопление.
Отделно, струва си да се обмислят многослойни стенни конструкции. Пример: бетонна сграда трябва да бъде изолирана с експандиран полистирол или плочи от минерална вата. Самият бетон е добър акумулатор на топлина, но лош топлоизолатор. Ако топлоизолационният материал се постави навън, бетонът ще играе ролята на топлинен акумулатор, което е от полза за постоянно жилище. Ако поставите топлоизолационен материал вътре, тогава бетонните стени няма да играят никаква роля в термодинамиката на помещението - бързо ще се нагрее и бързо ще се охлади.
Друг пример: за да може дървена къща да запази топлината по-дълго, тя може да бъде измазана отвътре.
За многослойните структури съществува важен проблем с бариерата срещу пара и свързаната с нея „точка на оросяване“. Грубо казано, влагата може да кондензира вътре в строителните конструкции. Без да навлизаме в дивата природа, важното тук е, че въздухът в отопляемите жилищни помещения винаги е по-влажен, отколкото навън. Следователно пароизолацията трябва да бъде разположена на принципа по-близо до вътрешността - по-плътна, навън - по-пропусклива.
Накратко, всичко, точни дефиниции, мерни единици, формули, стойности на параметри за конкретни материали и т.н. са достъпни в интернет.