Ю.А. БУЛЫГИН, А.В. КРЕТИНИН
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Учебное пособие
Воронеж 2003
Министерство образование Российской Федерации Воронежский государственный технический университет
Ю.А. БУЛЫГИН, А.В. КРЕТИНИН
ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Утверждено редакционно-издательский совотом университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2003
УДК 621.1.016.7
Ю.А. Булыгин, А.В. Кретинин Техническая термодинамика; Учеб. пособие. Воронеж ; Воронеж. гос. техн. ун-т, 2003, 158 с.
Учебное пособие включает в себя основные сведения технической термодинамики о законах взаимопревращения теплоты и работы и способствует лучшему усвоению изучаемого материала студентами. Издание соответствует рабочей программе и предназначено для специальности 134000 «Ракетные двигатели».
Табл. 10. Ил. 136. Библиогр. 14 назв.
Научный редактор доктор техн. наук, проф. С.Г. Валюхов.
Рецензенты: кафедра математического моделирования Воронежского государственного университете (зав. кафедрой доктор техн. наук, профессор В.А. Костин); главный конструктор КБ химавтоматики, доктор техн. наук, профессор А.Ф. Ефимочкин.
сБулыгин Ю.А., Кретинин А.В., 2003
сОформление. Воронежский государственный технический университет, 2003
3
ВВЕДЕНИЕ
Развитие народного хозяйства требует всѐ более рационального использования тепловых ресурсов нашей страны, создания более экономичных тепловых установок, двигателей, компрессоров и холодильных машин. Решение этого вопроса во многом зависит от глубины знания и понимания основы теории тепловых машин - технической термодинамики инженерами нашей промышленности, создающими и использующими эту технику. Поэтому будущий специалист ещѐ в студенческой аудитории должен быть настроен на оригинальное, поисковое решение научно-технических задач. Этим объясняется и выбор дедуктивного метода изложения материала: от общих идей и закономерностей (показав пути их реализации, достигнутые результаты и оставшиеся возможности) к проблемной информации. Общеэнергетическую направленность и теоретическую основу курса определяет термодинамика - логическая наука, занимающаяся изучением законов взаимопреобразования и передачи энергии. Термодинамика позволяет установить, в каком направлении могут протекать различные физические и химические процессы в тех или иных системах, непосредственно не оперируя какими-либо моделями строения вещества. В основу термодинамики положены два основных начала (закона), установленных опытным путѐм, используя которые можно получить все основные выводы термодинамики.
Слово "термодинамика" греческого происхождения: "терме" означает тепло, жар, огонь, "динамикос" - силу, движение, а всѐ вместе "движущую силу тепла (огня)". Впервые это словосочетание было применено на французском языке Сади Карно в 1824 г. в работе "Размышления о движущей силе огня и машинах, способных развивать эту силу", с которой и началось развитие термодинамики. Таким образом, термодинамика возникла как теория теплового двигателя. Первое упоминание об использовании "движущей силы огня" относится к 1 в. до н. э., когда Герон Александрийский построил различные паровые машины - игрушки, лучшей из которых являлся Эолопил (Эол - бог ветра). Он представлял собой полый металлический шар с впаянными в него на противоположных полушариях открытыми трубками, загибавшимися в разные стороны. В шар наливалась вода и подогревалась до кипения. Образовавшийся пар выбрасывался из трубок, создавая реактивные силы, под действием которых шар вращался в трубчатых опорах. Прообраз реактивно - турбинного двигателя. Впрочем, ещѐ ранее (во 2 в. до н. э.) Филон из Византии демонстрировал прибор, состоящий из шара с водой и сосуда, соединѐнных трубкой. На солнце воздух расширялся и вытеснял воду из шара, а в тени вода из сосуда возвращалась в шар. В 1597 г. в Падуанском университете Галилео Галилей изготовил первый термоскоп. Гениальная идея Галилея - судить об изменениях температуры по другим измеряемым измерениям в телах - позволила в дальнейшем сконструировать различные термометры. О некоторых из них и температурных шкалах мы поговорим позднее. В средние века господствовали идеалистические представления о природе, явления которой объяснялись не движением материи, а перетеканием в ней особых невесомых жидкостей: нагрев и охлаждение тел объяснялись протеканием теплорода, а горение - перетеканием флогистона, электрические явления - перетеканием особой электрической жидкости и т.п. Наука тогда отставала от практики, и прогресс определялся успехами изобретателей - эмпириков. В 1681г. ассистент физика X. Гюйгенса врач и механик Дени Папен изобретает паровой котел, снабжѐнный предохранительным клапаном, позволяющим регулировать давление пара. Гюйгенс взрывал порох на дне цилиндра под поршнем, который возвращался обратно под действием атмосферного явления. Таким образом, родились два принципа - атмосферной паровой машины и двигателя внутреннего сгорания. В 1690 г. Папен заменил порох водой, подогреваемой до образования пара, после чего он конденсировался вследствие обливания цилиндра холодной водой или впрыскиванием еѐ внутрь.
4
Проблема откачки воды из шахт привела к созданию паровытеснительных насосов, не имеющих движущихся частей, англичанином Эдуардом Сомерсетом (в 1698 г. на это изобретение получил патент Томас Сэвери). В 1705-1712 г.г. английский слесарь Томас Ньюкомен разработал паропоршневые насосы, в которых пар приготавливался в отдельном котле, а поршневой двигатель был отделѐн от откачивающего воду поршневого насоса. Система клапанов регулировала поступление пара и воды в цилиндры. Последняя из этих машин была демонтирована в Англии в 1934г. Историки утверждают, что уже в 1717 г. фонтаны Летнего сада в Петербурге приводились в действие паровой (атмосферной) машиной, сконструированной Жаном-Теофилем Дезагюлье по заказу Петра 1. В 1793 г. русский инженер И. И. Ползунов предложил, а к 1766 г. построил универсальную машину, которая работала на угле, холостой ход исключался с помощью двух цилиндров, работавших на общий вал, парораспределение было автоматическим. Изобретатель умер в 38 лет перед пуском машины и она после небольшой поломки была забыта. В 1769 г. англичанин Джеймс Уатт впервые применил такой элемент как конденсатор и использовал в качестве движущей силы давление упругости пара, подаваемого сверху поршня. В 1782 г. Уатт ввел двойное действие (пар поочерѐдно поступал сверху и снизу поршня), золотниковое парораспределение, преобразование поступательновозвратного движения во вращательное, а в 1788 г. - центробежный регулятор оборотов. Схема установки стала почти современной.
Уже к 1775 г. обилие подаваемых заявок на изобретение различных двигателей, в том числе и "вечных", привело к тому, что Парижская Академия наук первой в мире принимает решение их больше не рассматривать.
В 1801 г. француз Ф. Лебон патентует поршневой двигатель, работающий уже на горючих газах от сухой перегонки древесины с зажиганием их электрической свечой и сгоранием внутри цилиндра. В 1805 г. швейцарец И. Риваз предлагает двигатель на водороде. В 1816 г. английский священник Р. Стирлинг получает патент на универсальную тепловую машину, состоящую из цилиндра с двумя по-разному двигающимися поршнями и регенератора-теплообменника и способную работать на разных топливах как двигатель внешнего сгорания, как холодильник и как тепловой насос (отопитель). В настоящее время эта машина перспективна. В 1824 г. основоположник термодинамики С. Карно предсказывает рабочий цикл четырѐхкратного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В 1860 г. французский механик Ж. Ленуар начинает строить и продавать ДВС, работающий на светильном газе, но без предварительного сжатия воздуха, что ограничило их к.п.д. 3-6 % (как у паровых машин).
И только в 1877 г. немецкий изобретатель-коммерсант Н. Отто создаѐт, наконец, четырѐхкратный ДВС с искровым зажиганием и к.п.д. 16-20 %. В 1892-1897 г.г. немецкий инженер Р. Дизель разрабатывает компрессорный с воспламенением от предварительно сильно сжатого в цилиндре воздуха ДВС, оказавшийся самым экономичным. В 1904 г. в России Г.В. Тринклер создаѐт менее громоздкий и ещѐ более экономичный бескомпрессорный дизель.
Следует выделить изобретение англичанином Ч. Парсонсом в 1824 г. паровой реактивной многоступенчатой турбины. В 1889 г. шведский инженер Г. Лаваль получает в Англии патент на расширяющееся сопло, которое позволяет в отличие от суживающегося превращать в кинетическую энергию потока высокие перепады давления пара. В 1891 г. паротурбинный двигатель (ПТД) снабжается конденсатором, что делает его более экономичным, чем поршневой, при сохранении превосходства над последним и в удельной мощности - основной двигатель электростанций.
Первый газо(паро)турбинный двигатель (ГТД) с процессом горения при постоянном давлении - спроектировал и построил русский инженер П. Д. Кузьминский в 1897 г. В 1906 г. В.В. Караводин разработал, а в 1908 г. построил и испытал более экономичный ГТД - с пульсирующим процессором (горением при постоянном объѐме). В настоящее время широко используются возможности прямого превращения химической и