Grundlagen der Wärmetechnik und Kraftwerke. Theoretische Grundlagen der Wärmetechnik. §2.2. Energieform zur Aufzeichnung des Fourierschen Gesetzes

Das Lehrbuch stellt prägnant und konsequent die theoretischen Grundlagen der Wärmetechnik (Grundlagen der Thermodynamik, Theorie des Wärme- und Stofftransports und Verbrennungstheorie) dar, die das notwendige und ausreichende Minimum darstellen, damit ein Fachmann in Zukunft sein Wissen selbstständig vertiefen kann bestimmte Bereiche der angewandten Wärmetechnik. Das Lehrmaterial wird in separaten, relativ kleinen Unterabschnitten präsentiert, deren Struktur und Reihenfolge durch die interne Logik der genannten Wissenschaften bestimmt wird. Für Studierende der Fachrichtung „Energieversorgung von Unternehmen“ sowie für Studierende anderer Fachrichtungen, die wärmetechnische Fachrichtungen studieren.

Grundbegriffe der Thermodynamik.
Die Welt um uns herum ist materiell, Materie ist in ständiger Bewegung. Das Maß für die Bewegung der Materie wird Energie genannt. Die häufigsten Bewegungsformen der Materie sind mechanische und thermische. Im ersten Fall ist Bewegung mit der Bewegung von Makrovolumina der Materie im Raum verbunden, im zweiten Fall mit Bewegung nur auf Mikroebene (thermische Bewegung von Molekülen). Die aus solchen Bewegungen resultierenden Energieänderungen werden mechanische Arbeit bzw. Wärme genannt.

Ein Körper oder eine Gruppe von Makrokörpern, deren Energieeigenschaften untersucht werden sollen, wird als thermodynamisches System bezeichnet. Alle anderen Körper, die mit dem System interagieren können, bilden die Umgebung. Die Grenze zwischen dem System und der Umgebung wird als Steueroberfläche bezeichnet. Wenn die Steuerfläche den Massenaustausch zwischen dem System und der Umgebung ermöglicht, wird das System als offen bezeichnet. Ist ein solcher Austausch nicht möglich, spricht man von einem geschlossenen System. Geschlossene Systeme sind einfacher und von ihnen aus beginnen wir, die Grundlagen der Thermodynamik zu studieren.

Eines der Axiome der Thermodynamik ist ihre Nullregel: Jegliche Veränderungen in einem System sind nur durch Wechselwirkung mit der Umgebung möglich, und alle zufälligen Veränderungen im System bewirken einen Prozess, der es in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt. Indem man diese Position a priori akzeptiert, werden viele biologische Systeme mit der Fähigkeit zu spontanen Veränderungen oder einzelnen chemischen Reaktionen von den Analyseobjekten ausgeschlossen (siehe beispielsweise das Material im Internet über die Belousov-Zhabotinsky-Oszillationsreaktion).

INHALT
VORWORT
EINFÜHRUNG
1. GRUNDLAGEN DER THERMODYNAMISCHEN ANALYSE
1.1.Allgemeine Konzepte und Gesetze der Thermodynamik
1.1.1.Grundbegriffe der Thermodynamik
1.1.2.Der erste Hauptsatz der Thermodynamik in allgemeiner Form
1.1.3.Thermomechanisches System
1.1.4. Innere Energie von Gas
1.1.5.Enthalpie, ihre physikalische Bedeutung
1.1.6. Andere charakteristische Funktionen. Exergie
1.1.7. Gleichgewichts- und Nichtgleichgewichtsprozesse
1.1.8. Das Prinzip der zunehmenden Entropie. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
1.1.9. Zustandsgleichung. Stabilitätskriterium
1.1.10.Grafische Methode in der Thermodynamik
1.1.11. Wärmekapazitäten von Gasen
1.1.12.Mayer-Gleichung und andere Eigenschaften eines idealen Gases
1.1.13.Formeln zur Berechnung der Entropie
1.2.Ideale thermodynamische Prozesse und Kreisläufe
1.2.1.Polytrope Prozesse
1.2.2.Analyse polytropischer Prozessionen
1.2.3. Allgemeine Konzepte zu Zyklen
1.2.4.Zyklus und Satz von Carnot
1.2.5. Leistungsverlust. Wärmequalitätsfaktor
1.3.Thermodynamik realer Gase
1.3.1.Echte Gase
1.3.2. Wärmekoeffizienten und die Beziehung zwischen ihnen
1.3.3. Zustände und Eigenschaften von Wasser und Wasserdampf
1.3.4. Bestimmung der Wasser- und Dampfparameter
1.3.5.H-s-Diagramm von Wasser und Dampf
1.3.6.Clapeyron-Clausius-Gleichung
1.3.7.Berechnung von Prozessen mit Wasser und Dampf
1.4.Thermodynamik der Gasströmung
1.4.1.Der erste Hauptsatz der Thermodynamik für die Gasströmung
1.4.2.Analyse adiabatischer Strömungen
1.4.3.Durchflussrate und Gasfluss
1.4 4. Ausbreitungsgeschwindigkeit von Druckschwankungen im Gas
1.4.5.Beziehung zwischen Impulsgeschwindigkeit und Schallgeschwindigkeit
1.4.6. Zusammenhang zwischen Gasgeschwindigkeit und Schallgeschwindigkeit
1.4.7. Einfluss der Kanalform auf die Gasgeschwindigkeit
1.4.8.Differenzielle und integrale Drosseleffekte
1.5.Gemische und Vermischung von Gasen
1.5.1.Gasgemische
1.5.2.Mischen von Gasen
1.5.3. Feuchte Luft und Prozesse damit
1.5.4. Mischen von Dampfströmen oder feuchten Luftströmen
1.6.Grundlagen der chemischen Thermodynamik
1.6.1.Chemisches Potenzial
1.6.2. Thermische Wirkung chemischer Reaktionen
1.6.3. Gleichgewichtsbedingungen für komplexe Systeme
1.6.4.Phasengleichgewicht, p-T-Phasendiagramm
1.7.Zyklen realer Maschinen und Anlagen
1.7.1.Zyklen idealer Kompressoren
1.7.2.Zyklus eines echten Kompressors
1.7.3.Zyklen von Kolben-Verbrennungsmotoren
1.7.4.Zyklen von Gasturbineneinheiten
1.7.5. Kreisläufe von Dampfkraftwerken
1.7.6.Steigerung der Effizienz thermischer Kraftwerke
1.7.7.Zyklus einer Luftkältemaschine
1.7.8.Zyklus einer Dampfkompressor-Kältemaschine
1.7.9. Absorptionskühleinheit
1.7.10.Thermotransformatoren
2. THEORIE DER WÄRME- UND STOFFÜBERTRAGUNG
2.1.Grundlegende Konzepte und Gesetze der Wärmeübertragungstheorie
2.1.1. Klassifizierung von Wärmeübertragungsprozessen
2.1.2.Grundbegriffe der Wärmeübertragungstheorie
2.1.3.Grundgesetze der Wärmeübertragung
2.2.Wärmeleitfähigkeit
2.2.1.Die Fähigkeit von Körpern, Wärme zu leiten
2.2.2.Differentiale Wärmegleichung
2.2.3 Bedingungen für Eindeutigkeit bei Wärmeleitungsproblemen
2.2.4. Stationäre Wärmeleitfähigkeit einer flachen Wand bei GU-1
2.2.5. Stationäre Wärmeleitfähigkeit einer flachen Wand bei GU-3
2.2.6. Stationäre Wärmeleitfähigkeit flacher Wände unter gemischten Randbedingungen
2.2.7. Stationäre Wärmeleitfähigkeit einer zylindrischen Wand bei GU-1
2.2.8. Wärmeübertragung durch eine zylindrische Wand
2.2.9. Kritischer Durchmesser der Isolierung. Optimale Isolierung
2.2.10. Wärmeübertragung durch die Rippenwand
2.2.11.Wärmeleitfähigkeit des Zylinders bei Vorhandensein interner Wärmequellen
2.2.12.Numerische Lösung stationärer Wärmeleitungsprobleme
2.2.13. Prozesse instationärer Wärmeleitfähigkeit
2.2.14. Allgemeine Lösung der Differentialwärmegleichung
2.2.15. Instationäre Wärmeleitfähigkeit einer unbegrenzten flachen Wand
2.2.16.Wärmequellenmethode
2.2.17.Numerische Lösung instationärer Wärmeleitungsprobleme
2.3. Konvektive Wärmeübertragung
2.3.1. Hauptfaktoren, die die Intensität der Konvektion bestimmen
2.3.2. Das Konzept der hydrodynamischen und thermischen Grenzschichten
2.3.3.Differentiale Wärmeübertragungsgleichung und andere Differentialgleichungen der thermischen Grenzschicht
2.3.4.Grundlagen der Ähnlichkeitstheorie
2.3.5. Wärmeübertragung bei freier Konvektion
2.3.6. Wärmeübertragung während der Kühlmittelbewegung in Rohren und Kanälen
2.3.7. Wärmeübertragung bei Querströmung um Rohre und in Rohrbündeln
2.3.8. Wärmeübertragung bei der Kondensation
2.3.9. Einzelne Fälle von Kondensation
2.3.10. Wärmeübertragung beim Kochen
2.3.11. Einzelne Siedefälle
2.3.12. Änderung des Temperaturdrucks entlang der Wärmeaustauschfläche
2.3.13. Durchschnittliche logarithmische Temperaturdifferenz
2.3.14. Thermische Berechnung rekuperativer Wärmetauscher
2.3.15.Wege und Methoden zur Intensivierung von Wärmeübertragungsprozessen
2.4.Wärmestrahlung
2.4.1.Allgemeine Konzepte und Definitionen
2.4.2.Grundgesetze der Wärmestrahlung
2.4.3. Strahlungswärmeübertragung zwischen parallelen Wänden
2.4.4.Bildschirme
2.4.5. Strahlungswärmeübertragung zwischen Körpern beliebiger Form
2.4.6. Winkelkoeffizienten
2.4.7. Wärmeübertragung in diathermischen Rändern
2.4.8. Emission und Absorption von Gasen
2.4.9. Komplexe Wärmeübertragung
2.5.Massentransferprozesse
2.5.1.Grundlegende Konzepte und Gesetze
2.5.2.Diffusionsgrenzschicht
2.5.3.Massenleitfähigkeit, Stofftransport, Stofftransport
2.5.4. Kriteriengleichungen für den Stofftransport
2.5.5.Elemente der Trocknungstheorie
2.5.6.Kinetik des Trocknungsprozesses
2.5.7. Mischwärmetauscher
3. EIGENSCHAFTEN VERSCHIEDENER KRAFTSTOFFARTEN. GRUNDLAGEN DER VERBRENNUNGSTHEORIE UND MERKMALE DER WÄRMEÜBERTRAGUNG BEI BRÄNDEN
3.1.Kraftstoff, seine Haupteigenschaften
3.2.Elemente der Reibungstheorie
3.3.Technische Berechnungen der Verbrennung
3.4. Verbrennungsgeräte
3.5.Merkmale des Wärmeaustauschs in Öfen
ABSCHLUSS
REFERENZLISTE.

HEIZUNGSTECHNIK

Lernprogramm

SAMARA 2012

Wärmetechnik: Methode, Anleitung / Samar. Zustand Luft- und Raumfahrt, Universität; Komp. V.N. Belozertsev, A.P. Tolstonogow. Samara, 2012. 40 S.

Es werden die Hauptfragen für die selbstständige Bearbeitung des Studiengangs Thermodynamik, Wärmeübertragung dargelegt, die methodischen Aspekte der betrachteten Themen, Prüfungsfragen, Materialien für die Studienarbeit, für das Selbststudium, Methoden zur Durchführung von Prüfungen skizziert.

Richtlinien werden für Studierende der Fachrichtung 160301.65 „Flugzeugtriebwerke und Kraftwerke“ sowie Ausbildungsbereiche im Rahmen des Landesbildungsstandards der dritten Generation – 160700.65 „Konstruktion von Flugzeug- und Raketentriebwerken“, 141100.62 „empfohlen. Energietechnik“, 151900.62 „Konstruktion und technologische Unterstützung der Maschinenbauproduktion“, 151000.62 „Technologische Maschinen und Geräte“, 162300.62 „Technischer Betrieb von Flugzeugen und Triebwerken“, 190700.62 „Technologie von Transportprozessen“.

Veröffentlicht durch Beschluss des Redaktions- und Verlagsrates der Samara State Aerospace University. Akademiker S.P. Korolev

Gutachter: Doktor der technischen Wissenschaften Prof. V.N. Matwejew

1. Theoretische Grundlagen der Wärmetechnik................................................ ......... ................................. 5

2. Theorie der Wärmeübertragung................................................ ....................................................... ............. ... 10

3. Energiequellen und Wärmekraftausrüstung von Luftfahrtunternehmen.......... 13

4. Test für alle Spezialisierungen................................................ ........ ................. 20

Aufgabe Nr. 1 zum Wärmeaustauschkurs................................................. ........... .................................... 21

Aufgabe Nr. 2 Kursarbeit zur Thermodynamik............................................. ......... ........................ 22

Liste der Grundlagenliteratur................................................ ........... ....................................... .... 36

Liste weiterführender Literatur................................................ ............................................ 36

Liste der verwendeten Quellen................................................ ........... ........................ 36

Anwendungen................................................. ....................................................... ................. .................... 37

Ein Spezialist, der Lufttransporte für eine Fluggesellschaft organisiert, muss häufig Probleme im Zusammenhang mit den Anforderungen und Bedingungen der Lagerung, des Transports und sogar des Betriebs von Lufttransporteinrichtungen lösen.

Dies können große Produkte, deren Blöcke, Wärmekraftmaschinen, Wärmekraftwerke und -systeme für verschiedene Zwecke, Komplexe pneumatischer und hydraulischer Systeme verschiedener technischer Geräte sein.

Eine der vielen Aufgaben von Lufttransportdiensten kann darin bestehen, die erforderlichen Bedingungen für die Bodenlagerung von Transportgegenständen sicherzustellen, bevor diese an den Empfänger versandt werden. In diesem Fall benötigt der Fachmann Kenntnisse über Gebäudeheizungssysteme, Kühl- und Heizgeräte sowie Klimaanlagen. Schließlich können Fragen zur Wahl des Brennstoffs, zur Nutzung nicht-traditioneller Energiequellen und zur Energieeinsparung auftauchen.

Der Zweck des Studiengangs „Wärmetechnik“ besteht darin, den Absolventen Kenntnisse, Fähigkeiten und Fertigkeiten zu vermitteln, die ausreichen, um die durchgeführten Prozesse und die Betriebseigenschaften von Energiesystemen, -geräten und -einheiten zu verstehen; systematisieren und bringen Sie dieses Wissen auf die technische Ebene. Der Kurs mit allgemeinem Energieschwerpunkt ermöglicht künftigen Fachkräften die Umsetzung energiesparender Maßnahmen im Unternehmen.

Das Kursprogramm besteht aus drei Abschnitten mit 12 Themen. Neben theoretischen Fragen stellt es einen umfangreichen Fragenkatalog zur Selbstprüfung vor und enthält auch methodische Hinweise zum Studium des Faches und zur Durchführung von Prüfungen, die bei der Laborprüfungssitzung an der Universität zur Verteidigung vorgelegt werden. Für die selbstständige Absolvierung des Tests ist die Nutzung der empfohlenen Grundlagen- und Zusatzliteratur und Materialien erforderlich, die bei der Fluggesellschaft am Arbeitsplatz des Studierenden erhältlich sind.

Zu jedem Thema in allen Abschnitten werden Empfehlungen zum eigenständigen Studium gegeben, auf Materialien hingewiesen, denen besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden sollte, und Kontrollfragen zur unabhängigen Überprüfung der Qualität der Beherrschung des Themas bereitgestellt. Besonderes Augenmerk wird bei den Kursinhalten darauf gelegt, das physikalische Wesen der betrachteten Phänomene aufzuzeigen und sie mit den Merkmalen der Zuverlässigkeit und Effizienz ihrer Nutzung zu verknüpfen.

Während der Sitzung hören die Studierenden Übersichtsvorlesungen zu den Hauptthemen des Kurses, führen Laborarbeiten durch und verteidigen diese, einen am Ende der Richtlinien angebotenen Test und legen anschließend Prüfungen oder einen Test ab.

THEORETISCHE GRUNDLAGEN DER HEIZUNGSTECHNIK

Ziele und Ziele des Kurses. Ein kurzer Überblick über Flugkraftwerke und Energiesysteme. Energiequellen.

Thema 1. Grundbegriffe der technischen Thermodynamik

Technische Thermodynamik und ihre Grundkonzepte: Arbeitsmedium, thermodynamisches System und Prozess. Zustandsparameter. Gesetze idealer Gase. Kombiniertes Boyle-Mariotte- und Gay-Lussac-Gesetz. Zustandsgleichung eines idealen Gases. Wärme, Arbeit, innere Energie, Wärmekapazität. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik. Enthalpie. P-V -Diagramm und seine Eigenschaften. Reversible und irreversible Prozesse. Polytrope Prozesse. Sonderfälle polytroper Prozesse: isochor, isobar, isotherm, adiabatisch. Grafische Analyse polytropischer Prozesse. Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik. Das Konzept der kreisförmigen thermodynamischen Prozesse – Kreisläufe. Vorwärts- und Rückwärtszyklen. Energieumwandlungskoeffizienten in Zyklen: thermischer Wirkungsgrad, Kühlkoeffizient, Heizkoeffizient. Carnot-Zyklus. Satz von Carnot. Clausius-Integral für reversible und irreversible Prozesse. Entropie. T-S - Diagramm und seine Eigenschaften. Thermodynamische Identität. Exergie, ihre Arten und Komponenten. Exergie eines Stoffes in einem geschlossenen Volumen. Das Guy-Stodola-Theorem. Exergie eines Stoffes in einer Strömung. Anergie. Exergieeffizienz technischer Systeme. Umwandlungskoeffizienten und Exergieeffizienz.

Das Material zu diesem Thema enthält die notwendigen Konzepte, auf deren Grundlage nachfolgende Themen vorgestellt werden.

Man muss sich klar vorstellen, dass die Umwandlung einiger Energieformen (Wärme, innere Energie, Arbeit) eines thermodynamischen Systems (TDS) in andere mit einer Änderung seiner Zustandsparameter einhergeht. Die kontinuierliche Änderung der Zustandsparameter des TDS wird als thermodynamischer Prozess bezeichnet. Die Untersuchung von Prozessen sollte mit dem polytropischen Prozess als Verallgemeinerung aller Prozesse und dann mit seinen Sonderfällen beginnen. Wärme und Arbeit messen die übertragene Energiemenge. Der quantitative Zusammenhang bei gegenseitigen Umwandlungen und Umwandlungen einiger Energieformen in andere begründet den ersten Hauptsatz der Thermodynamik, und die Bedingungen, unter denen diese Umwandlungen möglich sind, bilden den zweiten Hauptsatz. Darüber hinaus legt der zweite Hauptsatz die notwendigen Voraussetzungen für die Umsetzung von Kreisläufen periodisch arbeitender Wärmekraftmaschinen fest. Es wird empfohlen, für alle Sonderfälle polytroper Prozesse eine Gleichung des ersten Hauptsatzes der Thermodynamik zu schreiben. Finden Sie beim Betrachten des Carnot-Zyklus heraus, warum er der ideale Zyklus für jeden Motor oder jede Kältemaschine ist. Demonstrieren Sie am Beispiel der Eigenschaften Entropie und thermodynamische Identität die Richtung thermodynamischer Prozesse.

Der Student muss verstehen, dass Exergie eine Eigenschaft eines thermodynamischen Systems oder Energieflusses ist, die durch die Menge an Arbeit bestimmt wird, die von einem externen Energieempfänger während seiner reversiblen Wechselwirkung mit der Umgebung aufgenommen werden kann, bis ein vollständiges Gleichgewicht hergestellt ist. Der Student muss jedoch verstehen, dass Arbeit das letzte und notwendige Ergebnis des Betriebs von Wärmekraftwerken ist. Die Ziele technischer Systeme zur Umwandlung von Materie und Energie sind für moderne Verhältnisse äußerst vielfältig und bestehen neben der Gewinnung von Arbeit in der Umwandlung und Gewinnung von Materie, Wärme, Kälte, Strahlung der erforderlichen Parameter usw. Daher ist der Begriff „Exergie“ als Energie zu verstehen, die nicht durch Entropie gekennzeichnet ist. Die Arbeit, die eine solche Energie im Wandel darstellt, wird als Maß für diese Energie verwendet, nicht jedoch als Endziel von Energietransformationen.

FRAGEN ZUM SELBSTTEST

1. Was versteht man unter einem thermodynamischen System und einem thermodynamischen Prozess?

2. Wie lässt sich der absolute Druck des Arbeitsmediums bestimmen, wenn die Messwerte von Barometer und Manometer (Barometer und Vakuummeter) bekannt sind?

3. Schreiben Sie die Dimensionen der in diesem Abschnitt vorkommenden thermodynamischen Parameter und kalorischen Größen auf.

4. Listen Sie die in diesem Abschnitt erwähnten Zustandsfunktionen auf. Formulieren Sie ihre Eigenschaften.

5. Definieren Sie ein ideales Gas.

6. Welcher Prozess wird als polytrop bezeichnet? Listen Sie die Hauptmerkmale eines polytropen Prozesses auf.

7. Listen Sie Sonderfälle polytroper Prozesse auf. Stellen Sie sie sich vor
P-V- Und T-S- Koordinaten

8. Kann die Wärmekapazität in einem polytropen Prozess mit Wärmeeintrag negativ sein? Erklären.

9. Welche physikalische Bedeutung hat die Gaskonstante?

10. Schreiben Sie den ersten Hauptsatz der Thermodynamik für einen isothermen Prozess auf.

11. Welche thermodynamischen Prozesse sind im Hinblick auf die Erzielung maximaler Prozessarbeit am vorteilhaftesten?

12. Listen Sie die charakteristischen Eigenschaften auf P-V- Und T-S- Diagramme. Nenne Beispiele.

13. Geben Sie eine Definition von zirkulären Prozesszyklen an. Beschreiben Sie die äußeren Anzeichen von Vorwärts- und Rückwärtszyklen. Welche Koeffizienten werden zur Bewertung ihrer Wirksamkeit verwendet?

14. Schreiben Sie einen Ausdruck für den thermischen Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus.

15. Mit T-S- Diagramme beweisen, dass der Carnot-Zyklus, der bei den gleichen Maximal- und Minimaltemperaturen wie jeder reale Zyklus implementiert wird, einen höheren thermischen Wirkungsgrad aufweist.

16. Beweisen Sie mithilfe des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, dass sich Isotherme und Adiabat nur in einem Punkt schneiden können.

17. Was ist Exergie, Anergie? Kann Exergie Null sein?

18. Was ist Exergieeffizienz?

19. Nennen Sie Beispiele dafür, wie die Exergiebilanz verwendet werden kann, um die Möglichkeit der Umsetzung eines bestimmten thermodynamischen Prozesses zu beurteilen.

Verwandte Informationen.

Ministerium für Bildung und Wissenschaft der Ukraine

DONBASS STAATLICHE AKADEMIE FÜR BAU UND ARCHITEKTUR

ASSOZIIERTER PROFESSOR GOROZHANKIN S. A.

PROFESSOR DEGTYAREV V.I.

T H E O R E T H I C H N I K I

VORLESUNGSNOTIZEN

(FÜR SPEZIALITÄT 7.090258 „AUTOS UND AUTOMOBILWIRTSCHAFT“)

O O B R E N O:

Abteilung „Automobil- und Automobilindustrie“

Protokoll Nr. vom 27. April 2001.

Protokoll Nr. 3 des Rates der Fakultät für Mechanik vom 10. März 2001

M A K E E V K A 2001

Bau und Architektur, - 2001. - 110 S.: 76 Abb.

Das Vorlesungsskript richtet sich an Studierende der Lehrveranstaltung „Theoretische Grundlagen der Wärmetechnik“

Das Vorlesungsskript widmet sich der prägnanten und verständlichen Darstellung der theoretischen Grundlagen der Wärmetechnik unter Berücksichtigung der Auseinandersetzung mit dem Stoff durch Studierende der Fachrichtung Automobil- und Automobilindustrie. Der Kurs bietet nicht nur eine moderne Energieausbildung für Automobilingenieure, sondern verfügt auch über eine eigene spezielle Methodik zur allgemeinen Offenlegung von Material, die es Ihnen ermöglicht, sich auf die Identifizierung umfassenderer Muster und neuer Möglichkeiten für die Energieentwicklung zu konzentrieren.

Es werden die theoretischen Grundlagen der technischen Thermodynamik und der Theorie des Wärme- und Stofftransports erläutert, wobei den thermodynamischen Kreisläufen von Wärmekraftmaschinen besondere Aufmerksamkeit gewidmet wird. Bietet allgemeine Informationen zur Wärmeversorgung und zum Einsatz sekundärer Energieressourcen mit dem Ziel, den sparsamen Einsatz von Energieressourcen zu maximieren

Das Studium dieses Kurses ist notwendig für ein tiefes Verständnis des physikalischen Wesens der thermodynamischen Prozesse von Wärmekraftmaschinen und ein klares Verständnis der Muster der Energieumwandlungen in Verbrennungsmotoren.

Für Studierende der Fachrichtung 7.090258 „AUTOS UND AUTOMOBILWIRTSCHAFT“.

	Einführung. Staatsgleichung. Wärmekapazität.
	Erster Hauptsatz der Thermodynamik
	Thermodynamische Prozesse idealer Gase
	Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik
	Wasserdampf
	Nasse Luft
	Allgemeine Eigenschaften von Kompressoren
	Externe Verbrennungsmotoren
	Gasturbinenzyklen
		Zyklen von Verbrennungsmotoren
		Grundlagen der Wärmeübertragung
		Konvektive Wärmeübertragung
		Wärmeübertragung bei Phasenumwandlungen
		Wärmeübertragung durch Strahlung
		Wärmeübertragung
		Wärmetauscher
		Kraftstoff- und Verbrennungsprozesse

1. EINFÜHRUNG STAATSGLEICHUNG. WÄRMEKAPAZITÄT

1.1 Wärmetechnik, ihr Thema und ihre Methode

Wärmetechnik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Theorie und den Mitteln zur Umwandlung von Energie aus natürlichen Quellen in thermisch-mechanische und elektrische Energie sowie mit der praktischen Nutzung von Wärme beschäftigt.

Zu den theoretischen Grundlagen der Wärmetechnik gehören die Thermodynamik sowie die Theorie des Wärme- und Stofftransports.

Die Hauptmethode der Wärmetechnik ist die thermodynamische Methode. Sein Kern liegt darin, dass auf der Grundlage der Untersuchung von Energie-Entropie-Gleichgewichten in makroskopischen Systemen die Voraussetzung für maximale Effizienz von Wärmekraftmaschinen und -anlagen geschaffen wird. Anschließend werden Wege ermittelt, wie diese Bedingungen angegangen werden können.

1.2. Grundbegriffe und Definitionen der Thermodynamik

Thermodynamik ist die Wissenschaft von den Gesetzen der Energieumwandlung in makroskopischen physikalischen Systemen.

Die technische Thermodynamik ist ein Teilgebiet der Thermodynamik, das die Muster der Umwandlung thermischer Energie in andere Arten untersucht.

Der Name „Thermodynamik“ wurde erstmals von Sari Carnot (1824) in seinem Werk „Reflexionen über die treibende Kraft des Feuers und über Maschinen, die diese Kraft entwickeln können“ verwendet.

„Terme“ – Wärme, Hitze, Feuer. „Dynamikos“ – Kraft, Bewegung.

„Thermodynamik“ – die treibende Kraft des Feuers – wörtliche Übersetzung aus dem Griechischen. Die Thermodynamik basiert auf zwei Grundgesetzen (Prinzipien):

empirisch festgestellt.

- Das Gesetz charakterisiert die quantitative Seite von Energieumwandlungsprozessen.

- Das Gesetz charakterisiert und legt die qualitative Seite (Richtung) von Prozessen in physikalischen Systemen fest.

1.3. Thermodynamisches System. Thermodynamischer Prozess.

Ein thermodynamisches System ist eine Ansammlung makroskopischer Körper, die untereinander und mit der Umgebung Energie austauschen.

Ein thermodynamischer Prozess ist eine Reihe von Zustandsänderungen eines thermodynamischen Systems beim Übergang von einem Zustand in einen anderen.

1.4. Reversible und irreversible Prozesse.

Der Gleichgewichtszustand eines Körpers liegt vor, wenn die Zustandsparameter an allen Punkten des Volumens gleich sind.

Ein Gleichgewichtsprozess ist der Prozess des Übergangs eines thermodynamischen Systems von einem Zustand in einen anderen durch die Gleichgewichtszustände eines Körpers zu jedem Zeitpunkt.

Ein Nichtgleichgewichtsprozess ist ein Prozess, der Nichtgleichgewichtszustände umfasst. Reversibler Prozess – ein Prozess, der in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung abläuft

Richtung durch die gleichen Gleichgewichtszustände.

Reversibilitätsbedingungen:

1. Keine chemischen Reaktionen.

2. Keine innere oder äußere Reibung.

3. Unendlich langsame Änderung des Zustands des Arbeitsmediums. Irreversibler Prozess – ein Prozess, der spontan abläuft

nur in eine Richtung.

1.5. Arbeitsflüssigkeit. Thermodynamische Zustandsparameter

Die gegenseitige Umwandlung von Wärme in mechanische Energie erfolgt bei Wärmekraftmaschinen mithilfe eines Arbeitsmediums.

Als Arbeitsmedium wird meist Dampf oder Gas verwendet, weil Sie haben im Vergleich zu Flüssigkeiten und Feststoffen einen deutlich höheren Volumenausdehnungskoeffizienten.

Um den Zustand eines Stoffes eindeutig zu bestimmen, werden physikalische Eigenschaften des Zustandes eines Stoffes eingeführt – Zustandsparameter.

Zustandsparameter können intensiv oder umfangreich sein. Intensive Parameter sind nicht von der Stoffmenge abhängig, umfangreiche Parameter hingegen schon. Ein Beispiel sind Volumen und Temperatur.

Umfangreiche Parameter, die sich auf eine Einheitsmenge eines Stoffes beziehen, erhalten die Bedeutung „intensiv“. Sie werden spezifisch genannt.

Thermodynamische Zustandsparameter sind intensive Eigenschaften, die den Zustand eines Körpers oder einer Gruppe von Körpern bestimmen.

Typischerweise kann der Zustand eines homogenen Körpers durch drei Parameter eindeutig bestimmt werden – Druck, Temperatur und spezifisches Volumen.

Bei Vorhandensein von Kraftfeldern (Gravitation, Elektromagnetik etc.) wird der Zustand mehrdeutig bestimmt.

1.6. Druck.

Druck ist eine Kraft, die pro Flächeneinheit eines Körpers senkrecht zu dieser Fläche wirkt.

1 Pa ist ein relativ kleiner Wert. Daher werden mehrere Werte eingeführt

1 kPa = 103 Pa = 103

1 MPa = 106 Pa = 103 kPa 1 bar = 105 Pa = 102 kPa Systemfremde Einheiten

1 mm Hg 133,3 Pa.

1 mm Wasser. Kunst. 9,81 Pa.

Druckarten 1. Absolut, d.h. Gesamtdruck gemessen vom Absolutwert

r abs

2. Atmosphärisch (barometrisch) – absoluter Druck der Erdatmosphäre

an dieser Stelle

rabs = V.

3. Überdruck – der Unterschied zwischen absolutem und atmosphärischem Druck. Es handelt sich nicht um einen Zustandsparameter.

pizb = pab – B.

Überdruck wird manchmal auch genannt manometrisch(da es mit Manometern gemessen wird).

4. Vakuumdruck – der Unterschied zwischen atmosphärischem und absolutem Druck.

pvac = B-pabs.

1.7. Temperatur

Die Temperatur charakterisiert den thermischen Zustand des Körpers – den Grad der „Wärme“

Die Temperatur ist der Durchschnittswert der kinetischen Energie der chaotischen Bewegung von Molekülen.

Die Temperatur, bei der die Bewegung der Moleküle vollständig aufhört

als Ausgangspunkt genommen. Die Temperatur des Tripelpunkts von Wasser wird mit 273 angenommen,

16 K (0,010 °C).

[T]=K – Maßeinheit der absoluten Temperatur. Die Temperatur wird oft auf der Celsius-Skala gemessen.

[t]=C – Temperatureinheiten in beiden Skalen sind numerisch gleich. Die Temperatur auf der Celsius-Skala ist ein thermodynamischer Zustandsparameter

ist nicht.

Im Ausland werden teilweise die Temperaturskalen Fahrenheit, Réaumur und Réaumur verwendet.
1.8. Bestimmtes Volumen.
Das spezifische Volumen ist das Volumen einer Gasmasseneinheit.

Die Dichte ist der Kehrwert des spezifischen Volumens.

1m; kg.

1.9. Mendeleev-Clapeyrons ideale Gaszustandsgleichung

Ein ideales Gas ist ein Gasmodell, in dem die Moleküle kein Volumen haben und nicht miteinander interagieren.

Eine gemeinsame Betrachtung der Boyle-Mariotte- und Gay-Lussac-Gesetze ermöglichte es Clapeyron 1834, die Zustandsgleichung eines idealen Gases abzuleiten

pv=RT – Gleichung für 1 kg. Gas (Clapeyron-Gleichung) R – Gaskonstante

			H m3
			m2 kg K kg K kg K

Boyle Robert (1627–1691). England. Physik Chemie. Funktionierte nicht mit Marriott.

Marriott Edme (1620-1684). Frankreich. Mechanik von Flüssigkeiten und Gasen. Optik. Gay-Lussac Joseph-Louis (1778-1850). Frankreich. Physik Chemie.

Clapeyron Benoit Paul Emile (1799-1864). Frankreich. Er leitete die Clapeyron-Clausius-Gleichung für Wasserdampf ab. Er machte als erster auf die Arbeiten von S. Carco aufmerksam, in denen der Zweite Hauptsatz der Thermodynamik begründet wurde.

pV=mRT – Gleichung für Gas mit der Masse m.

pV = RT – Gleichung für 1 Kilomol (Mendelejew-Gleichung). V – Volumen eines Kilomols Gas

R 8315 – Formel zur Berechnung der Gaskonstante.

1.10. Merkmale realer Gase. Van-der-Waals-Zustandsgleichung für reale Gase

Die ideale Gaszustandsgleichung kann bei Berechnungen für reaktive Gase bei niedrigen Drücken und hohen Temperaturen verwendet werden. Unter normalen Bedingungen gilt es für:

H2, He, O2, N2.

Kohlendioxid (CO2) und einige andere ergeben eine Abweichung von bis zu 2-3 %. Zustandsgleichung realer Gase unter Berücksichtigung der Größe der Moleküle und Kräfte

Wechselwirkungen zwischen ihnen, die Bildung molekularer Komplexe (Assoziationen) usw. haben eine komplexe Form.

IN In der Praxis werden meist Tabellen und Nomogramme verwendet, die auf diesen Gleichungen basieren.

In allgemeiner Form wurden 1937-46 die Zustandsgleichungen realer Gase in der UdSSR (N.N. Bogomolov) und den USA (J. Meyer) abgeleitet.

Die einfachste, die das Verhalten realer Gase qualitativ korrekt widerspiegelt, ist die Van-der-Waals-Gleichung (1873).

(p a )(v b) RT, v 2

wobei b die Korrektur für das Volumen der Gasmoleküle ist;

Korrektur des Gasdrucks unter Berücksichtigung der Wechselwirkungskräfte

Die Van-der-Waals-Gleichung ermöglicht eine qualitative Analyse des Verhaltens von Gasen in der Nähe der Grenzen von Phasenübergängen.

1.11. Gemische idealer Gase. Daltons und Amags Gesetze

Der Partialdruck ist der Druck einer einzelnen Komponente eines Gasgemisches.

p cm p i - Daltons Gesetz

Der absolute Druck eines Gasgemisches ist gleich der Summe der Partialdrücke der Komponenten des Gemisches.

V cm V i - Amags Gesetz

Das Gesamtvolumen eines Gasgemisches ist gleich der Summe der auf den Druck und die Temperatur des Gemisches reduzierten Volumina der Komponenten (Teilvolumina).

Die Gesetze von Dalton und Amag ermöglichen es uns, die Zustandsgleichung einer Mischung zu erhalten

p cmV cm=m cmR cmT cm,

wobei R cm cm.

Die scheinbare Molmasse der Mischung wird aus der Gleichung bestimmt

cm i r i , wobei ri die Volumenanteile der Komponenten sind

Beispiel: Angenommen, die Luft besteht zu 80 % aus N2 und zu 20 % aus O2

Luft = 0,8 · 28 + 0,2 · 32 = 28,8 kg/mol Die Gaskonstante der Mischung kann aus der Gleichung ermittelt werden

	R cmg iR i		Dabei sind gi die Massenanteile der Gemischkomponenten.
	Das Verhältnis zwischen Massen- und Volumenanteilen wird bestimmt
	Ausdruck
				Dabei sind ri die Volumenanteile der Gemischkomponenten.

Das sollte immer beachtet werden

gi 1; ri 1.

1.12. Wärmekapazität von Gasen und Gasgemischen. Wahre, durchschnittliche und spezifische Wärmekapazität. Abhängigkeit der Wärmekapazität von der Temperatur

Die Wärmekapazität ist die Wärmemenge, die benötigt wird, um einen Körper um 1 K zu erwärmen.

Die spezifische Wärmekapazität ist die Wärmemenge, die erforderlich ist, um eine Einheitsmenge eines Stoffes um 1 K zu erhitzen.

Typischerweise werden folgende spezifische Wärmekapazitäten unterschieden: 1. Masse - c

[c] = J

kg K

2. Lautstärke - s"

Die wahre Wärmekapazität wird durch den folgenden analytischen Ausdruck bestimmt

c dq. dt

Aus der Beziehung wird die mittlere Wärmekapazität im Temperaturbereich t1 – t2 ermittelt

q C m t2 - t1 .

Im Allgemeinen ist die Wärmekapazität eine Funktion der Temperatur und nimmt normalerweise mit der Temperatur zu.

Abbildung 1.1 zeigt die lineare Abhängigkeit der spezifischen Wärmekapazität von der Temperatur und Abbildung 1.2 zeigt die Abhängigkeit vom Potenzgesetz.

Wenn die Abhängigkeit der Wärmekapazität von der Temperatur einen komplexen nichtlinearen Charakter hat (wie in Abb. 1.3 dargestellt), dann wird die durchschnittliche Wärmekapazität im Temperaturbereich t1 -t2 aus dem Ausdruck bestimmt:

t2 bis t2 ist gegeben durch: Diese Formel gilt für Massen-, Volumen- und Molwärmekapazitäten. Das Erhitzen von Gasen oder Dämpfen kann unter verschiedenen Bedingungen erfolgen. Dazu gehören: 1. Erhitzen bei konstantem Volumen; 2. Erhitzen bei konstantem Druck. IN Im ersten Fall wird die Wärmekapazität des Prozesses als isochor bezeichnet, im zweiten Fall als isobar. Isobare und isochore Wärmekapazitäten hängen durch die Gleichungen zusammen: Сp - Сv = Mayer's R S R K - Poisson LEBENSLAUF ZU - Poissonzahl. Für einatomig - "" - zweiatomig (7/5) Theoretisch triatomisch Werte mehratomig Normalerweise wird K=1,29 angenommen. Die Wärmekapazität von Gasgemischen wird anhand der Wärmebilanzgleichung berechnet, woraus folgt: 1. Für die Massenwärmekapazität der Mischung: C cm C ii g i . 2. Für die volumetrische Wärmekapazität der Mischung: C cm / C / i r i.

V. I. Lyashkov

THEORETISCH

HEIZUNGSINGENIEURE

V. I. Lyashkov

THEORETISCH

HEIZUNGSINGENIEURE

Vom Bildungsministerium der Russischen Föderation als Lehrmittel für Studierende höherer Bildungseinrichtungen zugelassen, die im Bereich der Ausbildung zertifizierter Fachkräfte „Wärmeenergietechnik“ studieren.

Zweite Auflage, stereotyp

MOSKAU „MACHINE ENGINEERING PUBLISHING HOUSE-1“

UDC 536.7(07) BBK Í 311ya73-1 L99

REZENSIONEN:

Abteilung für industrielle Wärmeenergietechnik, Staatliche Technische Universität Woronesch,

Leiter der Abteilung, Verdienter Arbeiter für Wissenschaft und Technologie der Russischen Föderation, Doktor der technischen Wissenschaften, Professor,

V. V. Faleev

Doktor der technischen Wissenschaften, Professor,

S. A. Ulybin

Diese Veröffentlichung wurde durch das Sponsoring von Tambovenergo OJSC ermöglicht,

Lyashkov V. I.

L99 Theoretische Grundlagen der Wärmetechnik: Lehrbuch. Zuschuss.

2. Aufl., gelöscht. M.: Verlag Mashinostroenie-1, 2005. 260 S.

Das Lehrbuch stellt prägnant und konsequent die theoretischen Grundlagen der Wärmetechnik (Grundlagen der Thermodynamik, Theorie des Wärme- und Stofftransports und Verbrennungstheorie) dar, die die notwendige und ausreichende Menge an Informationen darstellen, damit ein Fachmann seine Kenntnisse in Zukunft selbstständig vertiefen kann Kenntnisse in bestimmten Bereichen der angewandten Wärmetechnik. Das Lehrmaterial wird in einzelnen, relativ kleinen Dosen präsentiert, deren Struktur und Reihenfolge der Präsentation durch die interne Logik der genannten Wissenschaften bestimmt wird.

Gedacht für Studierende der Fachrichtung „Energieversorgung für Unternehmen“. Kann von Studierenden anderer Fachrichtungen im Rahmen des Studiums der wärmetechnischen Fachrichtungen genutzt werden.

UDC 536.7(07) BBK Í 311я73-1

ISBN 5-94275-027-0

Lyashkov V. I., 2002

„Verlag Mashinostroenie-1“, 2002

Wir arbeiten daran, Ihr Zuhause warm und gemütlich zu machen

„Teploservis“

LLC „Energostroy“

Bildungsausgabe

LJASCHKOW Wassili Ignatjewitsch

THEORETISCHE GRUNDLAGEN DER HEIZUNGSTECHNIK

Lernprogramm

Zweite Auflage, stereotyp

Herausgeber Z. G. Chernova

Computer-Prototyping-Ingenieurin M. N. Ryzhkova

Unterzeichnet zur Veröffentlichung am 17. März 2005.

Format 60 × 84 / 16. Offsetpapier. Offsetdruck.

Schriftart Times New Roman. Volumen: 15,11 konventionelle Einheiten. Ofen l.; 16,0 akademische Ausgabe. l.

Auflage 500 Exemplare. Bestellen Sie 165M.

„Verlag Mashinostroenie-1“, 107076, Moskau, Stromynsky Gasse, 4

Zum Druck vorbereitet und im Verlags- und Druckzentrum der Staatlichen Technischen Universität Tambow gedruckt.

392000, Tambow, Sovetskaya, 106, Gebäude 14

In liebevoller Erinnerung an meinen Lehrer

Alexander Silych Lyshevsky (1922–1981) Verdienter Arbeiter für Wissenschaft und Technologie der Russischen Föderation, Doktor der technischen Wissenschaften, Professor,

Diese bescheidene Arbeit ist gewidmet

Trotz der Tatsache, dass die Veröffentlichung von Lehrbüchern in technischen Disziplinen in den letzten 10 Jahren praktisch eingestellt wurde, gibt es in den Regalen der Bibliotheken immer noch viele Lehrbücher mit den Titeln „Allgemeine Wärmetechnik“, „Wärmetechnik“ usw., die in den 60er bis 80er Jahren veröffentlicht wurden . Leider macht die unaufhaltsame Zeit, neue Aufgaben und Ansätze vorzuschlagen und neue wissenschaftliche Errungenschaften zu meistern, sie zunehmend ungeeignet, um modernen Studenten, die einen edlen Lebensweg gewählt haben, bedingungslos zu empfehlen: Nachdem sie eine Spezialisierung in thermischer Energietechnik erhalten haben, widmen sie sich der Lösung des Problems Wichtigstes nationales Problem – die Verhinderung der Energiekrise, die sich unserem Land zunehmend nähert.

Daher beschließt der Autor, dieses Werk zu veröffentlichen, in der Hoffnung, dass es den Studierenden die Beherrschung der theoretischen Grundlagen der Wärmetechnik, einer wirklich grenzenlosen Wissenschaft, die die Funktionsprinzipien, die Grundlagen des Designs und die Berechnungsfunktionen untersucht, erheblich erleichtern wird von Maschinen, Apparaten und Geräten aller Art, in denen thermische Energie auftritt.

Bei der Gestaltung des Bildungsprozesses wird heute besonderer Wert auf das selbstständige Arbeiten der Studierenden gelegt. Gleichzeitig werden die Vorlesungen immer kürzer und die Vorlesungen haben häufiger Wiederholungs- oder Problemcharakter. In einer solchen Situation kann es schwierig sein, Lehrmaterial richtig auszuwählen und anzuordnen, damit es die interne Logik der Wissenschaft widerspiegelt, damit die Präsentation ganzheitlich, konsistent und für Menschen verständlich ist, die gerade erst anfangen, sich mit dieser Wissenschaft vertraut zu machen.

Das Lehrbuch spiegelt die langjährige Erfahrung des Autors in der Arbeit mit Studierenden des zweiten und dritten Studienjahres wider. Es stellt eine konsistente und prägnante Darstellung der Grundlagen der Thermodynamik, Wärmeübertragung, Stoffübergangstheorie, Verbrennungstheorie usw. dar und wurde nicht als Ersatz für die oben genannten Lehrbücher geschrieben. Vielmehr ist dies der erste Zugang zu einem großen und interessanten wissenschaftlichen Wissensgebiet rund um die Wärmetechnik. Daher umfasst es nur das Lehrmaterial, dessen Aneignung zum Erwerb eines solchen Niveaus der theoretischen Ausbildung erforderlich ist, das es in Zukunft ermöglicht, das Wissen bei der späteren selbstständigen Arbeit mit Lehrbüchern, Monographien, Nachschlagewerken usw. problemlos zu erweitern.

EINFÜHRUNG

Nahezu alle Bereiche der Ingenieurtätigkeit sind heute weitgehend mit den Problemen der Energieeinsparung, der Entwicklung, Implementierung und dem Betrieb ressourcenschonender Technologien sowie Fragen der Energieumwandlung und -übertragung verbunden. Die Ausbildungsdisziplin „Theoretische Grundlagen der Wärmetechnik“ soll dem angehenden Fachmann Kenntnisse über allgemeine Gesetze und darauf aufbauende ingenieurwissenschaftliche Methoden zur Berechnung von Prozessen vermitteln, die bei der Aufnahme, Umwandlung und Verteilung von Wärmeenergie im Raum entstehen. Strukturell umfasst dies drei separate Wissenschaften: „Thermodynamik“, „Wärmeübertragung“ und „Grundlagen der Verbrennungstheorie“.

Die Thermodynamik untersucht die Gesetze der Umwandlung verschiedener Energiearten in Wärme (und umgekehrt Wärme in andere Energiearten) sowie die Merkmale der physikalischen Prozesse, die diese Umwandlungen begleiten. Als eigenständige Wissenschaft nahm die Thermodynamik zu Beginn des 19. Jahrhunderts Gestalt an, obwohl viele ihrer grundlegenden Bestimmungen bereits früher im Rahmen der allgemeinen physikalischen Theorie entdeckt und formuliert wurden. Unter den Begründern und Wissenschaftlern, die den größten Beitrag zur Entwicklung der Thermodynamik geleistet haben, finden wir berühmte Namen: M. V. Lomonosov, der in seinem Werk „Reflexionen über die Ursachen von Hitze und Kälte“ (1744) eine einheitliche Theorie der Wärme und der Struktur vorschlug der Materie, Formulierung der Gesetze zur Erhaltung von Masse und Energie, D. Joule, W. Thomson, R. Clausius, S. Carnot, G. Hess, L. Boltzmann,

V. Gibbs, M. P. Vukalovich, A. A. Gukhman und andere. In einem interessanten Buch können Sie ausführlich über die Entwicklungsgeschichte der Thermodynamik und den Beitrag einzelner Wissenschaftler zu dieser Wissenschaft lesen. Diese Wissenschaft hat sich im Laufe ihrer mehr als einhundertfünfzigjährigen Entwicklungsgeschichte methodisch einwandfreie Formen und eine strenge Axiomatik angeeignet, so dass sie heute zu Recht als klassische Thermodynamik bezeichnet wird.

Die Thermodynamik hat kein eigenes Studienfach, anders als beispielsweise die Biologie, die lebende Organismen untersucht, oder die Geometrie, die ebene Figuren untersucht. Hierbei handelt es sich um eine methodische Wissenschaft, die uns mit einer spezifischen Forschungsmethode ausstattet, deren Grundlage die Betrachtung aller Prozesse der materiellen Welt durch das Prisma der durch die Thermodynamik aufgestellten Grundgesetze der Natur ist.

Die Wärmeübertragung, oder genauer gesagt die Theorie der Wärme- und Stoffübertragung, ist eine Wissenschaft, die die Prozesse der Wärme (oder Masse, da eine klare Analogie solcher Prozesse identifiziert wurde) im Raum untersucht. Gegenstand der Untersuchung dieser Wissenschaft sind die Prozesse der Wärmeverteilung im Raum in ihrer ganzen Vielfalt. Auch die Grundbegriffe und Gesetze der Theorie der Wärmeübertragung wurden im Rahmen der allgemeinen physikalischen Theorie zu Beginn ihrer rasanten Entwicklung formuliert. Die Grundlagen der analytischen Theorie der Wärmeleitfähigkeit wurden beispielsweise bereits 1822 von J. Fourier gelegt. Mitte des 19. Jahrhunderts wurden die Grundlagen der Ähnlichkeitstheorie formuliert und 1915 erstmals von W. Nusselt zur Untersuchung von Wärmeübertragungsprozessen eingesetzt. Etwas früher wandte O. Reynolds es bei der Untersuchung hydrodynamischer Prozesse an und drückte die Idee einer Analogie zwischen individuellen thermischen und hydrodynamischen Prozessen aus

begann sich in den Nachkriegsjahren zu entwickeln. Den entscheidenden Beitrag leisteten hier unsere Landsleute, unter denen die Werke der Akademiker V. M. Kirpichev, M. A. Mikheev, S. S. Kutateladze, G. N. Kruzhilin und anderer hervorstechen.

Als Reaktion auf neue Anforderungen der modernen Praxis entwickelt sich diese Wissenschaft rasant weiter, beherrscht zunehmend neue Anwendungsbereiche (Kernenergie, Raumfahrttechnik etc.) und erweitert und verfeinert ihre Ansätze und Methoden zur Lösung aufkommender Probleme. Und heute leisten so maßgebliche Wissenschaftler wie die Akademiker A. I. Leontiev, V. P. Skripov, A. G. Shashkov und die Professoren G. N. Dulnev, G. A. Dreitser, S. P. Rudobashta und andere sowie junge Wissenschaftler, die ihre Dissertation widmen, einen großen Beitrag zur Weiterentwicklung dieser Wissenschaft arbeitet an der Lösung individueller aktueller theoretischer und praktischer Probleme.

Die Grundlagen der Verbrennungstheorie untersuchen den Mechanismus der chemischen Verbrennungsreaktion, die vom Nobelpreisträger Akademiker N. N. Semenov und seinen Anhängern entdeckt wurde, sowie die physikalischen Merkmale von Verbrennungsprozessen unter verschiedenen Verbrennungsbedingungen der gängigsten Brennstoffe. Hier wird auch die Methodik für technische Berechnungen der Verbrennung angegeben.

Beachten wir noch ein weiteres wichtiges Merkmal all dieser drei Wissenschaften: Sie sind auf die konkrete Ingenieurpraxis ausgerichtet und bringen ihre Erkenntnisse und Schlussfolgerungen stets in eindeutige praktische Empfehlungen und Berechnungsmethoden ein.

Die rasante Entwicklung der Computer- und Informationstechnologie stattet Forscher mit leistungsstarken Werkzeugen aus, die es relativ einfach machen, numerische Modellierungen der untersuchten Phänomene durchzuführen. Dieser Ansatz zur Lösung vieler Probleme der Wärmeübertragung wird heute zu einem der wichtigsten, da er den Arbeits- und Finanzaufwand für die Lösung des Problems erheblich reduziert.

Es ist völlig klar, dass ohne fundierte Kenntnisse in allen drei dieser Bereiche unserer akademischen Disziplin eine erfolgreiche ingenieurwissenschaftliche Tätigkeit nicht möglich ist, weshalb dem Studium der theoretischen Grundlagen der Wärmetechnik insbesondere für zukünftige Fachkräfte mit direktem Bezug zur Wärmeenergie zunehmende Bedeutung beigemessen wird Maschinenbau.

1 GRUNDLAGEN DER THERMODYNAMISCHEN ANALYSE

Die Prinzipien der Thermodynamik werfen ein helles Licht auf alle Naturphänomene

D. Maxwell

1.1 ALLGEMEINE KONZEPTE UND GESETZE DER THERMODYNAMIK

1.1.1 Grundbegriffe der Thermodynamik

d x i = 0

Die Welt um uns herum ist materiell, Materie ist in ständiger Bewegung. Das Maß für die Bewegung der Materie wird Energie genannt. Am häufigsten treffen wir auf mechanische und thermische Formen der Materiebewegung. Im ersten Fall ist Bewegung mit der Bewegung von Makrovolumina der Materie im Raum verbunden, im zweiten Fall mit Bewegung nur auf Mikroebene (thermische Bewegung von Molekülen). Die aus solchen Bewegungen resultierenden Energieänderungen werden mechanische Arbeit bzw. Wärme genannt.

Ein Körper oder eine Gruppe von Makrokörpern, deren Energieeigenschaften untersucht werden sollen, wird als thermodynamisches System bezeichnet. Alle anderen Körper, die mit dem System interagieren können, bilden die Umgebung. Die Grenze zwischen dem System und der Umgebung wird als Steueroberfläche bezeichnet. Wenn die Steuerfläche den Massenaustausch zwischen dem System und der Umgebung ermöglicht, wird das System als offen bezeichnet. Wenn ein solcher Austausch jedoch nicht möglich ist, wird das System als geschlossen bezeichnet. Geschlossene Systeme sind einfacher und von ihnen aus beginnen wir, die Grundlagen der Thermodynamik zu studieren.

Eines der Axiome der Thermodynamik ist ihre Nullregel: Jegliche Veränderungen in einem System sind nur durch Wechselwirkung mit der Umgebung möglich. Indem wir diese Position a priori akzeptieren, schließen wir viele biologische Systeme, die sich spontan verändern können, von den Analyseobjekten aus.

Die Zustände und Eigenschaften des Systems werden durch eine Reihe physikalischer Größen charakterisiert. Bei der Interaktion mit der Umgebung ändern sich einige von ihnen und werden als Systemzustandsparameter bezeichnet. Andere Größen ändern ihren Zahlenwert praktisch nicht und werden physikalische Konstanten genannt. Physikalische Konstanten charakterisieren die Eigenschaften des das System füllenden Stoffes und Zustandsparameter charakterisieren die Zustandsmerkmale dieses Stoffes. Beispiele für Parameter: p, T, V (Druck, Temperatur, Volumen); Beispiele für physikalische Konstanten: с р,r (Wärmekapazität, Verdampfungswärme).

Ein System heißt homogen, wenn sich seine Parameter räumlich nicht ändern, und Gleichgewicht, wenn sie sich zeitlich nicht ändern. Die Nullregel der Thermodynamik wird manchmal so formuliert: Ohne äußere Einflüsse gelangt das System früher oder später in einen homogenen Gleichgewichtszustand.

Statusparameter können in zwei Gruppen unterteilt werden. Potentiale p sind jene Parameter, deren Unterschied in der Umgebung und im System die treibende Kraft der Wechselwirkung ist. Wenn i = p in i, ist eine Interaktion der i-ten Art unmöglich. Interaktion ist grundsätzlich nur möglich, wenn i ≠ p in i. Beispiele für Potenziale: p, T, E (elektrisches Potenzial). Koordinaten x i sind jene Parameter, deren Änderungen im System auf das Auftreten einer Wechselwirkung hinweisen. Wenn d x i ≠ 0, dann findet die Wechselwirkung statt, aber die Wechselwirkung findet nicht statt, selbst wenn die notwendige Potenzialdifferenz vorhanden ist

Probleme (aufgrund einer teilweisen oder vollständigen Isolierung des Systems). Beispiele für Koordinaten: V ,m (für chemische Wechselwirkungen), die Anzahl der während elektrischer Wechselwirkungen fließenden elektrischen Ladungen usw. Eine sorgfältige Analyse ermöglicht es, sowohl das Potenzial als auch die Zustandskoordinate für jede Art von Wechselwirkung zu ermitteln.

In Analogie zur mathematischen Feldtheorie in der Thermodynamik gilt für Potentiale die folgende Vorzeichenregel: Die Differenz p n i − p in i gilt als positiv (d. h. p n i > p in i), wenn dies auftritt

Prozess der Wechselwirkung mit einer Erhöhung der entsprechenden Zustandskoordinate (d x i > 0).

Die thermische Zustandskoordinate wird Entropie genannt. Die Schwierigkeit bei diesem Parameter besteht darin, dass er statistischer Natur ist und nicht durch direkte Erfahrung oder Messungen erfasst werden kann. Die Entropie eines Systems wird durch die Wahrscheinlichkeit seines Zustands bestimmt. Unter der Wahrscheinlichkeit eines Systemzustands versteht man die Anzahl der Möglichkeiten, wie ein gegebener Zustand ausgehend von einem Anfangszustand erreicht werden kann. Daher spiegelt die Wahrscheinlichkeit des Zustands des Systems in numerischer Form den Grad des Chaos in der Anordnung der Elemente wider, aus denen es besteht. Das kleinste Teilchen des Makrokosmos ist ein Molekül. Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit eines Zustands den Grad der Ordnung (oder Unordnung) der Verteilung von Molekülen im Volumen eines thermodynamischen Systems charakterisiert. L. Boltzmann zeigte, dass der Entropiewert proportional zur Wahrscheinlichkeit des Zustands W ist und durch die Formel S = k ln W bestimmt wird, wobei k die Stefan-Konstante ist

Boltzmann (eine der universellen physikalischen Konstanten).

Wenn dem System Wärme zugeführt wird, erhöht sich die Intensität der thermischen Bewegung der Moleküle und auch der Grad der Zufälligkeit ihrer Verteilung im Raum. Das bedeutet, dass sowohl W als auch S numerisch zunehmen. Bei der Wärmeabfuhr geschieht das Gegenteil: Die Entropie S nimmt ab.

Zum Abschluss des Absatzes stellen wir fest, dass der skizzierte Ansatz zur Einführung des Konzepts der Entropie erst vor relativ kurzer Zeit entwickelt wurde. Für eine detailliertere Untersuchung dieses Abschnitts der Thermodynamik können Sie empfehlen

Mendate nur in Lehrbüchern oder, da dies in den meisten Lehrbüchern und Handbüchern etwas anders dargestellt wird, in Anlehnung an den von R. Clausius vorgeschlagenen Ansatz.

1.1.2 Der erste Hauptsatz der Thermodynamik in allgemeiner Form

Finden Sie den Anfang von allem, und Sie werden viel verstehen, K. Prutkov

Der erste Hauptsatz der Thermodynamik stellt quantitative Zusammenhänge bei der Umwandlung verschiedener Energieformen ineinander her. Lassen Sie ein thermodynamisches System (siehe Abb. 1.1) die Fähigkeit haben, gleichzeitig mehrere Arten von Wechselwirkungen mit der Umgebung durchzuführen, beispielsweise mechanische, thermische, chemische usw. Als Ergebnis einer solchen komplexen Wechselwirkung werden Strömungen übertragen die Umgebung zum System (oder umgekehrt) Energien unterschiedlicher Art∆ E 1,∆ E i, …,∆ E n. .

			Umgebung							Die Energie des Systems, wir nennen es innere Energie, verändert sich
			Kontrollfläche							verringert sich um den Wert ∆U. Gemäß dem Energieerhaltungssatz
									∆E 1.	gy (Energie verschwindet nicht und erscheint nicht wieder, ihre Menge ist immer
										bleibt konstant) die Summe aller Energieänderungen ist gleich
			Thermodynamisch							liu. Deshalb
										∆U +∑ ∆E i =0.
∆Q n			∆U
						∆Qi
									∆Ei	ich= 0
∆ E n . . . . . . . . . . . . . . . . . . .										Leider kann Formel (1.1) im Ingenieurwesen nicht verwendet werden
										Praxis, da die darin enthaltenen Mengen nicht messbar sind.
			Komplexe Inter-							Tatsächlich kann der Wert von U nicht gemessen werden, weil
Aktion zwischen der Umgebung										Es ist nur die philosophische Definition von Energie bekannt und es gibt keine Technik
Werte ∆ E i										Definition (es werden nur einzelne Energieformen definiert).
			unmöglich zu messen, da die Umgebung nicht klar spezifiziert ist (aufgrund von

nur eine seiner Grenzen ist bekannt - die Steuerfläche). Bei der Umsetzung von Formel (1.1) befinden wir uns also in einer heiklen Situation, wie man sie aus Kindermärchen kennt: „Geh dorthin, ich weiß nicht wohin, messe das, ich weiß nicht was.“

Um dies zu entscheiden, führen wir das Konzept der Auswirkungsmenge eines gegebenen Typs ∆ Q i ein, so nennen wir ihn

Die Energiemenge einer bestimmten Art, die ein System bei der Interaktion mit der Umgebung empfängt (oder abgibt). Nach dieser Definition ist ∆ Q i = −∆ E i . Da das System eindeutig beschrieben ist, wird es berücksichtigt

dass darin beliebige Messungen möglich sind, auch solche, die es ermöglichen, die Werte von ∆ Q i zu bestimmen. Nun nimmt Formel (1) die Form an

Normalerweise analysieren wir in der Thermodynamik infinitesimale Wechselwirkungen, also gehen wir von endlichen Inkrementen ∆ U und ∆ Q i zu den infinitesimalen Inkrementen dU und ∆ Q i über. Dann schreiben wir Formel (1.2) wie folgt um

dU = ∑ dQi

ich= 1

und lassen Sie uns schlussfolgern: Die Änderung der inneren Energie wird durch die Summe der während der Wechselwirkung ausgeübten Einflussmengen bestimmt. Anhand einiger einfacher Beispiele betrachten wir, wie die Einflussgrößen dQ i für verschiedene Arten von Interaktionen bestimmt werden.

Das erste Beispiel (siehe Abb. 1.2): eine Feder, die mit einer äußeren Kraft F n belastet wird. Hier ist das Potential die Kraft F n und die Koordinate der Betrag der linearen Koordinaten. Ändert sich das äußere Potential Fn um einen bestimmten Wert dF, so kommt es zu einer mechanischen Wechselwirkung, bei der sich die Koordinaten um den Wert dx ändern (siehe Abb. 1.2,b). Bei dieser Wechselwirkung ist die Stoßmenge die von der Feder geleistete mechanische Arbeit:

durchschnittlicher Kraftweg

dQ = − dLmech = − 0,5 [ Fn + (Fn + dF) ] dx = 0,5 [ Fv + (Fv + dF) ] dx = = Fv dx + 0,5 dFdx.

Reis. 1.4 Einfacher Stromkreis

Reis. 1.3 De-

x–dx

P+dp, V+dV

B)

p,V

Wenn wir den zweiten Term als Größe zweiter Ordnung der Kleinheit vernachlässigen, sehen wir, dass die Größe des Einflusses durch das Produkt des internen Potentials F in und der Änderung der Zustandskoordinate dx bestimmt wird.

Betrachten wir nun die Wechselwirkung in einem Deformationssystem, bei dem es sich um einen Zylinder mit beweglichem Kolben handelt (siehe Abb. 1.3). Die Zustandskoordinate ist hier das Volumen des Systems und das Potential, wenn wir die bisher akzeptierte Vorzeichenregel für Potentiale berücksichtigen, ist der Druck, angenommen mit dem umgekehrten Vorzeichen p = − p.

Nehmen wir an, dass der Druck pn um dp zunimmt. Dann entsteht eine Wechselwirkung zwischen dem System und der Umgebung, wodurch sich der Kolben um den Betrag -dx bewegt, der Druck im System um dp ansteigt und ein neues Gleichgewicht entsteht.

stehend (siehe Abb. 1.3, b). Wie im vorherigen Beispiel ist die Stärke des Aufpralls während der Verformung des Systems die mechanische Arbeit, die auf das System ausgeübt wird, wenn es mit der Umgebung interagiert:

dQ = dLmech = 0,5 [ pв + (pв + dp) ] S(− dx) = − pdV− 0,5 dpdV.

durchschnittlicher Kraftweg

Als Ergebnis erhielten wir erneut das Produkt aus dem internen Potential und der Koordinatenänderung (unter Berücksichtigung von Sdx = dV, dpdV = 0).

Betrachten wir ein weiteres Beispiel und analysieren die elektrische Wechselwirkung in U R des einfachsten Stromkreises (siehe Abb. 1.4). Das Potential ist hier die Spannung U der Stromquelle und die Koordinate die Anzahl der elektrischen Ladungen Q,

A im Kreislauf fließen. Das Ausmaß der Auswirkung ist in diesem Fall Arbeit

elektrischer Strom Q = L el = U i τ , wobei i der Strom ist, per Definition gleich der Zahl

pro Zeiteinheit fließende elektrische Ladungen i =∆ Q /τ und daher Q = U ∆ Q . Wenn wir von einem unendlich kleinen Prozess sprechen, erhalten wir aus der vorherigen Formel

wobei dQ= U dQ.

Wenn wir die Ergebnisse der betrachteten Beispiele zusammenfassen, können wir folgende Schlussfolgerung ziehen: Die Größe eines solchen Einflusses wird durch das Produkt aus dem internen Potenzial und dem Inkrement der entsprechenden Koordinate bestimmt:

dQi = pi dxi .

Somit kann der erste Hauptsatz der Thermodynamik (Formel (1.3)) in erweiterter Form geschrieben werden

dU = ∑ pi dxi .

ich= 1

In den allermeisten Fällen lassen sich die Größen von Potentialen und Koordinaten in der Praxis recht einfach messen (ohne Entropie).

1.1.3 Thermomechanisches System

Jeder ist auf seine Art ein toller Kerl. Russisches Sprichwort

Ein thermomechanisches System ist ein System, in dem thermische und mechanische Wechselwirkungen gleichzeitig auftreten können. Sie werden in der Praxis häufig eingesetzt und bilden die Grundlage für Wärmekraftwerke, Kühlanlagen, Kompressoranlagen und viele andere technologische Geräte. Im Allgemeinen enthält ein solches System: eine Wärmequelle,

in der Umgebung befindliches Expansionselement (z. B. ein Zylinder mit Kolben, eine Turbine usw.), ein mechanisches Gerät, ein Wärmeempfänger in der Umgebung (siehe Abb. 1.5). Die das System füllende Substanz wird als Arbeitsflüssigkeit bezeichnet. Als Arbeitsmedium werden typischerweise Luft, Gasgemische im idealen Gaszustand, Wasserdampf, Dämpfe verschiedener organischer Verbindungen usw. verwendet. Aufgrund ihrer guten Kompressibilität und hohen Wärmeausdehnung sind sie im Vergleich zu anderen flüssigen oder festen Stoffen thermodynamisch günstig.

Die Wärmequelle und der Wärmeempfänger können kontinuierlich oder periodisch betrieben werden, wodurch verschiedene Maschinentypen mithilfe eines thermomechanischen Systems realisiert werden können. Angenommen, das Arbeitsmedium empfängt Wärme von einer Quelle Q 1 und überträgt Wärme an den Empfänger Q 2, etwas weniger als Q 1. Dann wird die Differenz Q 1 –Q 2 zur Erwärmung des Arbeitsmediums genutzt. Durch die Wärmeausdehnung des Arbeitsmediums erhöht sich der Druck im Zylinder, wodurch eine Kraft entsteht, die den Kolben leicht nach rechts bewegt. In diesem Fall verrichtet das System Arbeit, die über ein mechanisches Gerät an die Umgebung übertragen wird. So haben wir den Betrieb einer Wärmekraftmaschine simuliert, mit deren Hilfe Wärme in Arbeit umgewandelt wird.

Das thermomechanische System ermöglicht auch eine Rücktransformation. Stellen Sie sich vor, dass Wärmequelle und -senke zunächst ausgeschaltet waren (Q 1 =Q 2 = 0). Wenn mit einer mechanischen Vorrichtung Arbeit auf das System ausgeübt wird, sodass sich der Kolben nach links bewegt und das Arbeitsmedium komprimiert, dann erhöhen sich durch die Wechselwirkung die innere Energie und die Temperatur des Arbeitsmediums. Lassen Sie uns nun den Wärmeempfänger einschalten und das Arbeitsmedium auf seine ursprüngliche Temperatur abkühlen lassen. Dann gibt das Arbeitsmedium Q 2 Wärme an den Empfänger ab und seine innere Energie erhält den gleichen Wert. Das bedeutet, dass wir die geleistete Arbeit in Wärme umwandeln konnten.

Somit ermöglicht das thermomechanische System die Umwandlung von Wärme in Arbeit (und umgekehrt).

Die Potentiale eines solchen Systems sind -p und T und die Koordinaten sind V bzw. S. Der erste Hauptsatz der Thermodynamik (Formel (1.4)) wird in diesem Fall wie folgt geschrieben

Dabei sind dQ und dL die Bezeichnungen für Wärme und Arbeit für einen elementaren Wechselwirkungsprozess.

Die letzte Formel erleichtert das Verständnis der aus dem Schulphysikkurs bekannten Formulierung, die die Unmöglichkeit eines Perpetuum Mobile behauptet. Damit ein Motor dauerhaft arbeitet, sollte sich die innere Energie seines Arbeitsmediums tatsächlich nicht ändern (d. h. für ein Perpetuum mobile ist dU = 0). Dann ist klar, dass wir ohne Wärmezufuhr (dQ = 0) keine Arbeit bekommen (dL = 0 – 0 = 0). Der Teil der Thermodynamik, der Vorgänge in thermomechanischen Systemen untersucht, wird als technische Thermodynamik bezeichnet und unterstreicht damit die Bedeutung der daraus gewonnenen Erkenntnisse und Berechnungsmethoden für viele technische Geräte.

1.1.4 Innere Energie von Gas

Wir haben zuvor die im System enthaltene Energie als intern bezeichnet und sie als die Summe aller Energiearten dargestellt, die alle das System füllenden Teilchen besitzen. Was Gase betrifft, so ist dies zwar bis zu einem gewissen Grad sowohl für Flüssigkeiten als auch für Feststoffe akzeptabel, wir stellen jedoch fest, dass der Wert von U durch die kinetische Energie der Moleküle bei ihren Translations-, Rotations- und Vibrationsbewegungen sowie durch die Energie der intermolekularen Kraft bestimmt wird Wechselwirkung - die potentielle Energie des Moleküls:

U = E kin + E Schweiß.

Die kinetische Energie von Molekülen hängt von der durchschnittlichen Bewegungsgeschwindigkeit und der Masse der Moleküle ab, die jeweils proportional zu den Makroparametern Tp (Temperatur und Dichte) des Gases sind. Der Wert von E Schweiß hängt vom durchschnittlichen Abstand zwischen den Molekülen und ihrer Masse ab; Der intermolekulare Abstand wird unter sonst gleichen Bedingungen durch den Gasdruck bestimmt. Deshalb können wir schreiben

E kin= f 1(T, ρ) und E pot= f 2(p, ρ),

Grundlagen der Wärmetechnik. Wärmeleitfähigkeit.

Wärmeleitfähigkeit als physikalisches Phänomen ist die Übertragung von Wärme durch zufällig bewegte Mikropartikel in direktem Kontakt miteinander. Moleküle bewegen sich in Gasen und Flüssigkeiten, Atome vibrieren im Kristallgitter von Festkörpern und freie Elektronen diffundieren in Metallen. Das Grundgesetz der Wärmeleitfähigkeit umfasst das Fouriersche Gesetz

wobei q1 die Wärmestromdichte W/m2 ist; g – Wärmeleitfähigkeitskoeffizient, W/(m-K); t - Temperatur, K; n - Koordinate senkrecht zur Wärmeübertragungsfläche, m.

Auf der rechten Seite von Gleichung (1.1) steht ein Minuszeichen, da die Wärmestromvektoren qt und der Temperaturgradient dt/dn in entgegengesetzte Richtungen gerichtet sind.

Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient ist die Wärmemenge, die pro Zeiteinheit bei einem Temperaturgradienten von Eins durch eine Oberflächeneinheit übertragen wird. Gleichung (1.1) gilt unter stationären Bedingungen, wenn die Temperatur nicht von der Zeit dt/дn≠0 abhängt, a

Im allgemeineren Fall, unter instationären Bedingungen, wenn sich die Temperatur zeitlich und koordinatenmäßig ändert, d. h. dt/dn≠0 und

Die Wärmeübertragung durch Wärmeleitfähigkeit wird durch die Fourier-Gleichung beschrieben:

Im Körperinneren kann Wärme entstehen oder absorbiert werden, beispielsweise durch chemische Reaktionen. In solchen Fällen wird das Problem mit einer internen Wärmequelle (positiv bzw. negativ) betrachtet und Gleichung (1.2) wird zur Gleichung

wobei Iq die Wärmequelle J/(m3-s) ist.

Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient a ist ein Merkmal der Trägheitseigenschaften eines Körpers aufgrund der Wärmeausbreitung durch Wärmeleitfähigkeit. Ein Körper mit einem größeren a erwärmt sich schneller und kühlt schneller ab.

Der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient eines nassen Materials – der äquivalente Wärmeleitfähigkeitskoeffizient – ​​ist ein summativer Wert:

wobei lc der Wärmeleitfähigkeitskoeffizient des trockenen Feststoffskeletts des Materials ist; Lkond ist der Leitfähigkeitskoeffizient (Wärmeleitfähigkeitskoeffizient) eines Flüssigkeits- und Dampf-Luft-Gemisches in einem stationären (unbeweglichen) Zustand in den Poren des Materials; lkonv – Koeffizient, der die Wärmeübertragung aufgrund der Luftkonvektion im Material charakterisiert; ll - Strahlungswärmeleitfähigkeitskoeffizient; ln – Koeffizient, der die Wärmeübertragung aufgrund der Massen- (Feuchtigkeits-) Übertragung innerhalb des Materials charakterisiert.

Es gibt Hinweise darauf, dass bei einem Porendurchmesser von weniger als 0,5 mm die Werte von lconv und ll vernachlässigt werden können.

Die Wärmeleitfähigkeit von Lebensmitteln ist in Form von LEQ-Werten recht gut untersucht und wird in Form von Tabellen und Berechnungsformeln in der Referenzliteratur dargestellt.

Wärmeerzeugende Geräte

Allgemeine Informationen zu thermischen Geräten

In den meisten Fällen wird bei der Zubereitung von Speisen gekocht, gebraten, gedünstet, d. h. einer Wärmebehandlung unterzogen. Unter dem Einfluss einer bestimmten Wärmemenge verändern Produkte ihre physikalischen und chemischen Eigenschaften: Fette schmelzen, Proteine ​​​​koagulieren, Geschmack, Farbe, Geruch und 1L verändern sich. Darüber hinaus wird unter dem Einfluss hoher Temperaturen die pathogene Mikroflora in verarbeiteten Produkten zerstört .

Bei der Wärmebehandlung kommt es zu einer natürlichen spontanen Wärmeübertragung von der Quelle auf das erhitzte Produkt, da die Wärmequelle immer heißer als das Produkt ist.

Wärmequellen in Geräten können Kraftstoff, Strom und Kühlmittel sein. In der Praxis werden hauptsächlich Dampf, Wasser und Öl als Kühlmittel eingesetzt. Die Hauptmethoden der thermischen Verarbeitung von Lebensmitteln sind Kochen und Braten. Das Kochen von Produkten kann auf verschiedene Arten erfolgen: in einem flüssigen Medium, in Autoklaven und in Gefäßen mit reduziertem Druck. Alle Gararten zeichnen sich durch zwei Stufen aus: schnelles Erhitzen des flüssigen Mediums und niedriges Erhitzen. In einigen Fällen werden Stauwärme und Garen mit „heißem Dampf“ verwendet. Das Garen von Produkten mit „heißem Dampf“ erfolgt durch den Kontakt von Sattdampf mit dem verarbeiteten Produkt.

Das Frittieren von Lebensmitteln erfolgt ohne Zugabe eines flüssigen Mediums. Das Frittieren der Produkte erfolgt in einer flachen Schüssel – einer Bratpfanne – und in tiefem Fett, wenn das Produkt vollständig in heißes Fett gefüllt ist.

In Gastronomiebetrieben kommen auch Hilfsmethoden zur Wärmebehandlung von Produkten zum Einsatz. Dazu gehören: Dünsten, Brühen, Sengen sowie die Verarbeitung von Produkten mit Ultrahochfrequenz- und Infraroterhitzung.

Eine neue Methode zur Wärmebehandlung von Produkten ist die Verarbeitung in einem elektromagnetischen Feld mit ultrahoher Frequenz. In solchen Fällen werden die Produkte im gesamten Volumen erhitzt. Es ist zu beachten, dass das CB-Feld nur die Lebensmittel erhitzt und die Arbeitskammer, das Geschirr und die Luft nicht erhitzt werden. Das Erhitzen mit Mikrowellen hat einen großen Vorteil gegenüber herkömmlichen Methoden zum Garen von Speisen. Die Garzeit verkürzt sich um das Zehnfache und beträgt bei den meisten Produkten nicht mehr als 5 Minuten. Geschmack und Aussehen der zubereiteten Produkte werden deutlich verbessert. Wir müssen bedenken, dass im Mikrowellengerät Geschirr aus Dielektrika verwendet wird, d.h. Glas, Porzellan, Kunststoffe und Keramik. Die Verwendung von Metallutensilien ist strengstens verboten, weil... Es deaktiviert den Generator dieses Geräts.

Das Konzept der Wärmeübertragung

Die Übertragung von Wärme von einem Medium auf ein anderes nennt man Wärmeübertragung. Es gibt zwei Hauptarten der Wärmeübertragung: Kontakt und Strahlung. Bei der Wärmeübertragung durch Kontakt wird Wärme von einem Körper, der stärker erhitzt ist, direkt durch Kontakt auf einen anderen, weniger erhitzten Körper übertragen. Die Wärmeübertragung durch Strahlung ist mit einer doppelten Energieumwandlung verbunden. Die Wärmeenergie einer heißeren Oberfläche wird in Strahlungsenergie umgewandelt, die den Raum durchdringt und beim Erreichen einer kälteren Oberfläche wieder in Wärmeenergie umgewandelt wird. Solche Wärmeübertragungen treten beispielsweise bei Infrarotlampen oder beim Grillen auf einem Grill auf. Der Wärmeaustausch in Flüssigkeiten und Gasen wird Konvektion genannt. Dies geschieht, wenn die unteren Schichten der Flüssigkeit erhitzt werden, nach oben steigen, Wärme übertragen und die weniger erhitzten Schichten nach unten fallen, d. h. es kommt zu einer Vermischung von beheizten und unbeheizten Schichten.

Der Wärmeaustausch innerhalb von Körpern wird als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet. Wenn sich der Boden eines Kochgeschirrs aus Metall erwärmt, heizen sich auch die Wände schnell auf. Kochgeschirr und Geräte aus Dielektrika haben einen deutlich niedrigeren Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten als Kochgeschirr aus Metall.

Wärme und ihre Zusammensetzung

In der Technik ist Kraftstoff eine komplexe organische Verbindung, die bei der Verbrennung eine erhebliche Menge an Wärmeenergie freisetzen kann. Kraftstoffe werden je nach Aggregatzustand in feste, flüssige und gasförmige Stoffe unterteilt. Zu den festen Brennstoffen zählen Brennholz, Torf, Kohle und Schiefer. Zu den flüssigen Brennstoffen zählen Öl und seine Derivate – Benzin, Kerosin, Heizöl und Heizöl. Zu den gasförmigen Brennstoffen zählen natürliche und künstliche Gase. Die Zusammensetzung des Kraftstoffs umfasst brennbare und nicht brennbare Elemente. Zu den brennbaren Elementen gehören Kohlenstoff, Wasserstoff und Schwefel. Zu den nicht brennbaren Elementen zählen Stickstoff, Asche und Feuchtigkeit. Sauerstoff ist kein brennbares Element, aber er unterstützt den Prozess.

Fester Brennstoff. Kohle ist ein kalorienreicher Brennstoff, hat einen hohen Kohlenstoffgehalt, einen geringen Feuchtigkeitsgehalt und eine geringe Menge flüchtiger Stoffe.

Brennholz gilt aufgrund seines geringen Heizwerts als lokaler Brennstoff. Die Ausbeute an flüchtigen Stoffen ist groß, was zu einer guten Brennbarkeit des Brennholzes führt. Der Aschegehalt von Holz ist unbedeutend.

Torf ist die unvollständige Zersetzung organischer Substanzen pflanzlichen Ursprungs bei übermäßiger Feuchtigkeit und sehr geringem Luftzugang.

Ölschiefer ist ein kalorienarmer Brennstoff; es wird empfohlen, ihn nach der Verarbeitung und in der Nähe von Bergbaustandorten zu verwenden.

Flüssiger Brennstoff – der Hauptbestandteil des flüssigen Brennstoffs ist Ofenheizöl, das bei der Ölraffinierung gewonnen wird. Es hat einen hohen Gehalt an Kohlenstoff und Wasserstoff. Beim Verbrennen hat es einen hohen Heizwert.

Gasförmiger Kraftstoff – als Kraftstoff werden natürliche brennbare und künstliche Dosen verwendet, die allen anderen Arten qualitativ überlegen sind. Erdgas wird aus Gasfeldern oder als Nebenprodukt aus Ölfeldern gewonnen. Zu den künstlichen Gasen zählen Hochofen-, Koksofen- und Flüssiggas. Die Hauptvorteile von gasförmigem Brennstoff sind: hohe Effizienz von Gasgeräten, die Möglichkeit des Einsatzes automatischer Geräte, die die thermischen Bedingungen regeln und Sicherheitsvorkehrungen beim Betrieb von Gaswärmegeräten gewährleisten. Der Einsatz von Gas verbessert die Produktionsstandards sowie die hygienischen und hygienischen Arbeitsbedingungen und beseitigt die Luftverschmutzung in besiedelten Gebieten durch Ruß und Rauch.

Gaskraftstoff hat auch negative Eigenschaften. In bestimmten Beziehungen mit Luft bildet es ein explosionsfähiges Gemisch. Das Gas ist giftig und daher führt unsachgemäßer Umgang mit dem Gas zu Unfällen.

Am bequemsten und hygienischsten ist jedoch die elektrische Beheizung. Derzeit werden in öffentlichen Gastronomiebetrieben mehr als 90 % aller Heizgeräte mit Strom betrieben. Die Vorteile elektrischer Geräte im Vergleich zu Geräten mit anderen Wärmequellen sind: einfache Wartung, gute hygienische und hygienische Arbeitsbedingungen und geringere Brandgefahr; die Möglichkeit, Geräte im Automatikmodus zu betreiben und eine höhere Effizienz.

Konzept des Verbrennungsprozesses

Der Brennstoffverbrennungsprozess basiert auf der chemischen Reaktion der Verbindung von Luftsauerstoff mit brennbaren Brennstoffelementen. Bei der Kraftstoffverbrennung handelt es sich um einen Prozess der schnellen Oxidation des brennbaren Teils des Kraftstoffs, wobei eine erhebliche Menge Wärme freigesetzt wird. Ein Teil der Wärme wird für die Aufrechterhaltung einer hohen Temperatur des Brennstoffs aufgewendet, ohne die eine Verbrennung nicht möglich ist. Die Verbrennung von Kraftstoff ist möglich, sofern ausreichend Luft zugeführt wird und der Kraftstoff auf Zündtemperatur erhitzt wird. Die Kraftstoffverbrennung kann vollständig oder unvollständig sein. Bei einer unvollständigen Verbrennung entsteht Kohlenmonoxid, und es wird nicht mehr als 1/3 der gesamten Wärmemenge freigesetzt, die bei einer vollständigen Verbrennung des Kraftstoffs freigesetzt werden könnte. Bei der vollständigen Verbrennung entsteht aus Kohlenstoff Kohlendioxid, Wasserstoff wird zu Wasser und die größte Wärmemenge wird freigesetzt. Gas sollte nur in Bewegung verbrannt werden. Befindet sich das Gas-Luft-Gemisch in Ruhe, erfolgt die Verbrennung sofort in Form einer Explosion. Ein wichtiges qualitatives Merkmal von Kraftstoff ist seine Verbrennungswärme oder sein Heizwert – die Wärmemenge in kcal, die von einer Gewichtseinheit (1 kg) oder einer Volumeneinheit (1 Kubikmeter) Kraftstoff bei vollständiger Verbrennung freigesetzt wird. Die Verbrennungswärme verschiedener Kraftstoffarten ist nicht gleich. Um verschiedene Kraftstoffarten vergleichen und das Problem des Ersetzens einer Kraftstoffart durch eine andere lösen zu können, wurde daher das Konzept des „konventionellen Kraftstoffs“ eingeführt. Mit „Standardkraftstoff“ meinen wir solchen Kraftstoff, dessen Heizwert 7000 kcal/kg beträgt.

Maßnahmen zur Kraftstoffeinsparung

Die Wahl des sparsamsten Brennstoffs und eines geeigneten Heizgeräts zum Kochen ist eine der effektivsten Möglichkeiten, Kosten zu senken und hilft, die Kosten für Lebensmittel zu senken.

In allen öffentlichen Gastronomiebetrieben werden organisatorische und technische Maßnahmen zur Einsparung von Kraftstoff, Wärme und Strom entwickelt. Die Hauptthemen der Veranstaltung zur Einsparung von Treibstoff- und Energieressourcen sind:

Aufrechterhaltung der Kontrolle über den rationellen und wirtschaftlichen Einsatz von Brennstoff- und Energieressourcen und die Nutzung jeder Ausrüstung des Unternehmens;

Systematische Überwachung des technischen Zustands der Ausrüstung;

Rechtzeitiges Ein- und Ausschalten von Geräten unter Berücksichtigung der Unzulässigkeit ihres Betriebs außerhalb der Arbeitszeit,

Durchführung einer systematischen Reinigung von Dampferzeugern, Behältern, Pumpen, Rohren oder Spulen von Warmwasserbereitern von Kalkablagerungen;

Erhöhung der Belastung des Arbeitsvolumens der Ausrüstung während des Betriebs;

Unter indirekter Erwärmung versteht man die Übertragung von Wärme über ein Zwischenmedium (Dampf-Wasser-Mantel des Kessels). Je nach technologischem Zweck werden Heizgeräte in Universal- (Elektroherd) und Spezialgeräte (Kaffeemaschine, Bäcker) unterteilt.

Basierend auf den Wärmequellen werden Heizgeräte in Strom, Gas, Feuer und Dampf unterteilt.

Wärmegeräte können auch nach dem Funktionsprinzip klassifiziert werden – kontinuierliche und periodische Wirkung.

Je nach Automatisierungsgrad werden Wärmegeräte in nicht automatisierte Geräte, die von einem Servicemitarbeiter gesteuert werden, und automatisierte Geräte unterteilt, bei denen die Kontrolle über den sicheren Betrieb und den Wärmebehandlungsmodus durch das Wärmegerät selbst mithilfe von Automatisierungsgeräten erfolgt.

In öffentlichen Gastronomiebetrieben können Heizgeräte nicht sektional oder sektional, moduliert eingesetzt werden.

Nicht-sektionale Geräte sind Geräte, die sich in Größe, Design und architektonischer Gestaltung unterscheiden. Solche Geräte sind nur für die individuelle Installation und den individuellen Betrieb ohne Kopplung mit anderen Gerätetypen bestimmt. Nicht-sektionale Geräte für ihre Installation erfordern erheblichen Produktionsraum, weil Die Wartung solcher Geräte erfolgt von allen Seiten.

Derzeit beherrscht die Branche die Serienproduktion sektionalmodulierter Geräte, deren Einsatz in großen öffentlichen Gastronomiebetrieben sinnvoll ist. Der Vorteil sektionsmodulierter Anlagen besteht darin, dass sie in Form von separaten Sektionen hergestellt werden, aus denen verschiedene Produktionslinien zusammengestellt werden können. Sektionalmodulierte Geräte haben einheitliche Abmessungen in Länge, Breite und Höhe. Solche Geräte werden linear entlang des Umfangs oder in der Mitte des Raums installiert und der installierte Abschnitt trägt zur Steigerung der Arbeitsproduktivität und der allgemeinen Produktionskultur bei.

Für alle Arten von thermischen Geräten wurden GOSTs entwickelt und genehmigt, die für alle Fabriken und Unternehmen, die mit der Herstellung oder dem Betrieb von Geräten verbunden sind, verbindlich sind.

GOST spezifiziert Informationen über das Gerät: den Namen des Geräts und seine Indizierung, Parameter, Anforderungen an Sicherheit, Schutz und Arbeitshygiene, Vollständigkeit sowie Anforderungen an Transport, Verpackung und Lagerung.

Alle Wärmegeräte verfügen über eine alphanumerische Indizierung, deren erster Buchstabe dem Namen der Gruppe entspricht, zu der dieses Wärmegerät gehört. Zum Beispiel: Kessel – K, Schrank – W,

Herd - P usw. Der zweite Buchstabe entspricht dem Namen des Gerätetyps: Küchenmaschinen - P, kontinuierlich - N usw. Der dritte Buchstabe entspricht dem Namen des Kühlmittels: elektrisch – E, Gas – G usw. Die Zahlen geben die Hauptparameter der thermischen Ausrüstung an. Beispiel: KPP-160 ist ein Dampfkochkessel mit einem Fassungsvermögen von 160 Litern.