Soojustehnika teoreetilised alused MSJ 0310 Dotsent Alar Konist

Soojustehnika teoreetilised alused - MSJ 0310 Dotsent Alar Konist Soojustehnika instituut Hoone U 06, kabinet 136 Ehitajate tee 5, Tallinn, 19086 +372 620 3907 alar. konist@ttu. ee http: //staff. ttu. ee/~akonist/sti/Oppetoo. html

Õppeaine eesmärgid 1. Anda üliõpilasele põhiline erialane, kutsealane ja ametialane ettevalmistus soojustehniliste protsesside planeerimise ja korraldamise, energia kasutamise ja ülekande valdkonnas. 2. Tagada üliõpilase teadmised ja oskused põhiliste soojustehniliste protsesside jätkusuutliku ja säästliku planeerimise alal 3. Tagada üliõpilaste piisav ettevalmistus soojustehniliste protsesside juhtimiseks ja mõistmiseks. 4. Kujundada üliõpilastes õiged hoiakud erialaliseks loominguliseks tegutsemiseks, vastutuse kandmiseks ja elukestvaks enesetäiendamiseks. 5. Aidata lõpetajatel mõista soojustehnika probleeme ja selle kohta jätkusuutliku ühiskonna arengus.

Õppeaine õpiväljundid Lõpetajatel on piisavad teadmised soojustehniliste protsesside planeerimise ja korraldamise, ja ülekande valdkonnas toimuvast, inseneri kutsealast ja tööturu väljavaadetest oma ametialal. Suudab analüüsida, hinnata ja pakkuda innovatiivseid lahendusi soojustehnika tehnilistele ja tehnoloogilistele probleemidele. Oskab koguda teaduslik-tehnoloogiaalast informatsiooni, seda loovalt tõlgendada ning kasutada probleemide lahendamisel ja enesetäiendamiseks. Oskab näha erinevate protsesside vahelisi seoseid ja oskab rakendada teoreetilisi teadmisi protsesside planeerimisel ja kasutamisel kujundada õiged hoiakud erialaliseks loominguliseks tegutsemiseks, vastutuse kandmiseks ja elukestvaks enesetäiendamiseks. On ettevalmistatud töötamiseks soojusenergeetika protsesside arenduse vallas või muul kvalifitseeritud tegevusalal, näidates seejuures algatusvõimet ja vastutustunnet. Tunneb ja oskab hinnata säästva energeetika probleeme ja kohta jätkusuutliku ühiskonna arengus.

Õppeaine sisu lühikirjeldus Termodünaamika põhimõisted, termodünaamilised parameetrid, suletud ja avatud süsteem, energia vormid. Termodünaamika esimene ja teine seadus. Termodünaamilised põhiprotsessid. Soojusjõuseadmete ringprotsessid. Pöördringprotsessid. Kütused, kütuste liigid, kütuste omadused. Kütteväärtuse mõiste. Põlemisreaktsioonide stöhhiomeetria. Põlemisfüüsika alused. Soojus-massilevi alused. Soojusjuhtivus, konvektiivne soojuslevi, soojuskiirgus. Soojusläbikanne, soojusvahetite põhitüübid ja arvutuse alused. Soojust kasutavad seadmed. Katla tööpõhimõte ja põhielemendid, kolded. Sisepõlemismootor, auruturbiin ja gaasiturbiin. Tööstusahi. Soojuselektrijaamad. Soojuselektrijaama termodünaamiliste ringprotsesside analüüs- kondensatsioon- termofiktsioonelektrijaamad; kombineeritud jõuseadmed. Nende ringprotsesside realiseerimise võimalused tänapäeval ja tulevikus.

Õppekirjandus 1. Arvo Ots. Soojustehnika aluskursus. Tallinn 2011 2. CRC handbook of energy efficiency. Boca Raton (Calif. ) [etc. ] : CRC Press, 1997 3. The CRC handbook of thermal engineering. Boca Raton (Fla. ) : Heidelberg : CRC Press ; Springer, c 2000

Nõuded aine sooritamiseks 1. Kodutöö õigeaegselt esitatud 2. Kirjalik eksam

Nõuded aine sooritamiseks Kirjalik eksam. Eksamile pääseb kui kodutöö on esitatud. „ 0“- Kodutöö on tähtaegselt esitamata. „ 1“- Üldjoontes orienteerub aines käsitletud põhimõistetes. Kodutöö esitatud, kuid mittetähtaegselt. Vastused jäävad ebaselgeks ja esineb vigu põhimõistetes. Üliõpilane ei oska leida vajalikke seoseid ega tuua näiteid. „ 2“- Üldjoontes orienteerub aines käsitletud põhimõistetes. Kodutöö esitatud, kuid mittetähtaegselt. Lisaks tunneb kursuse temaatikat loengutes käsitletud teemade raames. Vastused pole alati selged ja esineb vigu. Üliõpilane ei oska leida vajalikke seoseid ega tuua näiteid. „ 3“- Hinde „ 2“ kriteeriumid. Lisaks tunneb ka seminarides käsitletud temaatikat. Vastused on selged, kuid esineb üksikuid vigu. Üliõpilase seostamise ja näidete toomise oskus pole piisav. „ 4“- Kodutöö õigeaegselt esitatud. Valdab kursuse temaatikat loengutes ja seminarides käsitletud teemade raames. Vastused on selged ja korrektsed. Üliõpilane ilmestab oma vastuseid näidetega. „ 5“- Hinde „ 4“ kriteeriumid. Lisaks omab kõiki õppeaine programmis välja toodud „suurepärase“ hinde eelduseks olevaid teadmisi. Üliõpilase teadmised on suurepärased, vastused on selged ja täpsed. Ilmestab vastuseid asjakohaste näidetega ja oskab vajalikke seoseid leida.

Lõpphinde kujunemine Hinne kujuneb 30% ulatuses semestri tööde baasil (kirjalik kodutöö) ja 70% ulatuses kirjaliku eksamitöö tulemusest semestri lõpul.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Kordamisküsimused aines - Soojustehnika teoreetilised alused MSJ 0310 Nimetada termodünaamika kaks põhiprintsiipi/seadust. Mida uurib statistiline, klassikaline ja tehniline termodünaamika? Mida mõistame termodünaamilise süsteemi all, homogeese, heterogeense ja isoleeritud süsteemi? Termodünaamilise keha mõiste. Soojusjõuseadme mõiste. Millist kahte “keha” on vaja, et muundada soojust tööks? Mida mõistetakse termodünaamiliste parameetrite all, intensiivsed parameetrid, ekstensiivsed parameetrid? 8. Nimetage termilised olekuparameetrid, mida nendega iseloomustatakse. 9. Mida iseloomustavad soojuslikud parameetrid? Näited soojuslikest parameetritest. 10. Millal on termodünaamiline süsteem termodünaamilises tasakaalus? 11. Mida mõistetakse süsteemi termodünaamilise tagastamatuse printsiibi all? 12. Ideaalse gaasi mõiste. 13. Boltzmanni konstandi mõiste. 14. Ideaalse gaasi termilise oleku võrrand 1 kg kohta (Clapeyroni võrrand). 15. Mis on universaalne gaasikonstant R 0 ja gaasikonstant R? 16. Daltoni seadus. Gaasisegude suhtelise osamahu, osamassi ja osa ehk partsiaalrõhu mõiste. 17. Reaalse gaasi põhiomadused. 18. Nimetage 7 võimalikku termodünaamilist protsessi. 19. Ringprotsessi mõiste, ringprotsessi teostamise eesmärk. 20. Milline on entroopia muutus ringprotsessis? 21. Avaldada entroopia muutuse kaudu termodünaamilise keha ringprotsessist osavõtt ja kujutada seda T-S diagrammil. 22. Millal me loeme termodünaamilisi protsesse tagastatavateks?

23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. Termodünaamilise protsesside tagastamatuse olemus. Mida tehakse termodünaamilise kehaga soojusjõumasina katkematu töö tagamiseks? Millal saadakse soojusjõumasinas kasulikku tööd? Kasuliku töö kujutamine T-s ja p-v diagrammil. Ringprotsessi termiline kasutegur. Carnot ringprotsess ja selle kujutamine T-s ja p-v diagrammil (põhiprotsesside äramärkimisega) Carnot ringprotsessi termiline kasutegur Soojuse transformatsiooniprotsessi üldine iseloomustus? Külmutusprotsessid? Soojuspumpprotsessid? Teoreetilise jahutusteguri mõiste? Ideaalse soojuspumba teoreetiline soojusetegur? Hüdrodünaamika põhimõisted, voolamise vormid aja suhtes? Mis on vabavool, survevool, märgpermimeeter, voolu ristlõige, hüdrauliline raadius, voolu hulk? Kuidas leitakse voolu keskmine kiirus? Pidevuse võrrand? Bernoulli võrrand hõõrdevabale voolule? Vedeliku voolamise režiimid? Kirjutada Reynoldsi arv? Valem hõõrdesurvekao arvutamiseks? Valem kohtsurvekao arvutamiseks? Millest sõltub kohttakistustegur? Mida tähendavad mõisted siletoru, kriitiline piirkond, silehõõrdejoon, eelruuttakistuspiirkond, ruuttakistuspiirkond? Mis on Moody diagramm? Torude ekvivalentkareduse mõiste? Bernoulli võrrandi rakendamine voolukiiruse ja vooluhulga mõõtmisel?

38. Soojusjuhtivus- Fourier' seadus? Soojusjuhtivustegur mõiste? 39. Soojusülekanne konvektsioonil, põhimõisted (konvektiivülekande liigid), üldistatud arvutusvalem ehk Newtoni jahtumisseadust? 40. Keskmise soojusülekandeteguri määramiseks kasutusel olev sarnasusarvudel põhinev üldistatud valem? Kirjutada välja Nu arv? Mida iseloomusta Pr arv? 41. Keskmise temperatuuride vahe määramine/arvutamine konvektiivsel soojusülekande leidmisel? 42. Kütuse liigid, kütuse koostis. 43. Kütuse tarbimisaine, kuivaine, orgaaniline aine. 44. Kütuse kütteväärtus, alumine ja ülemine kütteväärtus. 45. Tingkütus, söe ja õli ekvivalendid.

Sissejuhatus Nimetus „termodünaamika“ tuleneb kreekakeelsetest sõnadest therme – soojus ja dynamis – jõud, viidates seega soojuse jõule. Tänapäevases käsituses hõlmab see mõiste kõiki energiaga ja energia muundusega kaasnevaid nähtuseid, sealhulgas protsesse soojusjõu- ja külmutusseadmetes, samuti ka aine soojusfüüsikalisi omadusi. Niisiis, termodünaamika nüüdisaegses tõlgenduses koondab endasse teatud füüsikaharu koos rakendusliku osaga. Termodünaamikat käsitlev füüsikaharu tegeleb alusküsimuste uurimisega, sellest johtuvate järelduste ja tõlgendustega. Sama suunda taotleb ka aine termodünaamiliste omaduste uurimine.

Termodünaamika on füüsika haru, mis käsitleb soojusnähtusi ja nende seost aine füüsikaliskeemiliste omadustega. Termodünaamika aluseks on vaatlus- ja katseandmete üldistamise abil sõnastatud 3 printsiipi: • Termodünaamika esimene printsiip on energia jäävuse seadus, millest järeldub siseenergia U kui olekufunktsiooni olemasolu. Kui ainehulk on jääv, siis siseenergia muutus ΔU=ΔQ-ΔW, kus ΔQ on süsteemi sisestatud soojushulk ja ΔW süsteemi tehtud töö. • Termodünaamika teine printsiip määrab iseeneslike protsesside suuna Selle esialgse sõnastuse esitas 1824 N. L. S. Carnot. Klassikalised sõnastused, mille kohaselt soojus ei saa iseenesest minna külmemalt kehalt soojemale ja ei ole võimalik ehitada perioodiliselt töötavat soojusjõumasinat, mille tegevuse ainus tulemus on soojuse muundumine tööks, pärinevad R. Clausiuselt (1850) Ja W. Thomsonilt (1851). Termodünaamika teisest printsiibist järeldub entroopia kui olekufunktsiooni olemasolu.

• Termodünaamika kolmas printsiip määrab termodünaamilises tasakaalus olevate süsteemide käitumise absoluutse nullpunkti ligidal: tasakaalulises süsteemis on entroopia absoluutse nullpunkti juures süsteemi olekust sõltumatu. (W. H. Nernst, 1906). Termodünaamika kolmandast printsiibist järeldub absoluutse nullpunkti põhimõtteline saavutamatus. Statistiline füüsika seostab termodünaamika põhimõisted ja printsiibid aine atomistliku ehituse ja soojusliikumisega. Eriti saab selgemaks termodünaamika teise printsiibi tähendus: igasugune korrastatud liikumine püüab spontaanselt muutuda korrastamata liikumiseks. Klassikaline termodünaamika, mis uurib tasakaalulistes süsteemides kehtivaid seaduspärasusi, kujunes 19 saj II poolel ja 20 saj alguses ning selle põhimeetodid on Carnot' ringprotsessi ja termodünaamiliste potentsiaalide meetod.

TERMODÜNAAMIKA ON TEADUS ENERGIATE VASTASTIKUSTEST SEOSTEST JA MUUNDUMISTEST. Ajalooliselt tekkis termodünaamika kui teadus soojuse mehaaniliseks tööks muundamise vajadusest ning on saanud sellest ka oma nimetuse. Sõna «termodünaamika» tuleneb kreekakeelsetest sõnadest therme — soojus ja dynamis — jõud. Termodünaamika osa, mis käsitleb ainult soojuse ja mehaanilise töö vastastikuseid seoseid, tuntakse TEHNILISE TERMODÜNAAMIKANA. Tehnilise termodünaamika põhieesmärgiks on aluste loomine soojusjõuseadmete, soojusetransformaatorite jt. soojustehniliste seadmete teooriale.

S. Carnot (1796— 1836), Aurumasinas toimuvate termodünaamiliste protsesside esimeseks, uurijaks oli prantsuse insener ja õpetlane S. Carnot (1796— 1836), S. Carnot' uurimused avasid tee aurumasina kasuteguri tõstmiseks ning soojusenergeetika edasiseks progressiks. S. Carnot' uurimuste tähtsus ületas kaugelt nende kitsama eesmärgi. Üldistavate järelduste põhjal formuleeris S. Carnot 1824. a. termodünaamika teise põhiseaduse. Carnot võttis esimesena kasutusele ka sellised termodünaamika põhimõisted nagu ringprotsess, tagastatav protsess, soojusjõuseadme ideaalne ringprotsess jt. Seega loetakse S. Carno'd termodünaamika kui teaduse rajajaks. 19. sajandi 40— 50 -ndatel aastatel /. R. Mayer (1814— 1878), /. P. Joule (1818— 1889) ja H. Helmholtz (1821— 1894), uurides eksperimentaalselt mehaanilise töö ja soojuse vastastikust vahekorda, määrasid soojuse mehaanilise ekvivalendi arvväärtuse. See andis aluse termodünaamika esimese seaduse formuleerimiseks

TERMODÜNAAMIKA ESIMESEKS PÕHISEADUSEKS ON SEEGA ENERGIA JÄÄVUSE JA MUUNDUMISE SEADUS. TERMODÜNAAMIKA ESIMENE SEADUS ON ABSOLUUTSEKS LOODUSSEADUSEKS.

Termodünaamika teine seadus määrab kindlaks meid ümbritsevas looduses toimuvate makroprotsesside kulgemise suuna. Termodünaamika teine põhiseadus, väljendades ainult meid ümbritsevas keskkonnas toimuvate protsesside suunda, on termodünaamika esimesest põhiseadusest piiratum. Ta on suhteline seadus. Lähtudes Carnot' uuringutest ning energia jäävuse ja muundumise seadustest, formuleerisid R. Clausius (1868— 1926) ja W. Thomson-Kelvin (1824— 1907) lõplikult termodünaamika teise seaduse ja võtsid kasutusele entroopia ja absoluutse temperatuuri mõisted. Termodünaamika ja soojustehnika arengut on mõjutanud samuti ideaalsete gaaside seaduste avastamine R. Boylei (1627— 1691), E. Mariotte'i (1620— 1684), L. J. Gay-Lussaci (1778— 1850), J. Dailtoni (1766— 1844), A. Avogadro (1776— 1856), B. Clapeyroni (1799— 1864) jt. poolt.

Möödunud sajandil pandi alus ka veeauru ja reaalsete gaaside termodünaamiliste omaduste uurimisele. Seejuures tuleb eelkõige mainida. Regneult' (1810— 1878), G. A. Hirni (1815— 1890), W. J. Rankine'i (1820— 1872), J. D. van der Waalsi (1837— 1923), R. Mollier' (1863— 1935) jt. uuringuid. Erilise koha termodünaamika arengus omandasid W. Gibbsi (1839 -1903) tööd. Nendest töödest loodi uus termodünaamiline meetod - potentsiaalide meetod 1906 aastal termodünaamika kolmas printsiip, Nersti printsiip (absoluutse nullpunkti põhimõtteline saavutamatus)

1. 1 Termodünaamiline süsteem ja väliskeskkond Termodünaamika uurimisobjektiks on termodünaamilises süsteemis toimuvad protsessid ja nende seos väliskeskkonnaga. Termodünaamilise süsteemi all mõistetakse kehade kogu, mis võivad olla nii omavahel kui ka väliskeskkonnaga energeetilises vastasmõjus. Väliskeskkonnaks nimetatakse termodünaamilist süsteemi ümbritsevat suure mahtuvusega (energia mahtuvusega) keskkonda, mille teatud olekuparameetrid (näiteks temperatuur, rõhk jne. ) ei muutu, kui süsteem mõjutab teda soojuslikul, mehaanilisel või mõnel muul viisil.

Termodünaamilised süsteemid jagunevad : homogeenseteks ja heterogeenseteks. Homogeenne süsteem on selline, mille füüsikalis-keemilised omadused on kõigis punktides ühesugused. Sellise süsteemi näiteks on gaas, vesi, jää jne. Heterogeenseks nimetatakse süsteemi, mille üksikutel osadel on erinevad füüsikalised omadused. Seejuures on süsteemi osad üksteisest eraldatud lahutuspindadega. Heterogeenseks süsteemiks on näiteks vesi ja jää, aur ja vesi, aur ja jää jne. Heterogeense süsteemi erinevate füüsikaliste omadustega osi nimetatakse faasideks. Vastavalt aine kolmele võimalikule agregaatolekule eristatakse gaasilist, vedelat ja tahket faasi. Iga heterogeense süsteemi faas on homogeenne.

Termodünaamiline süsteem ja väliskeskkond võivad teineteist vastastikku mitmeti mõjutada (mehaaniliselt, soojuslikult, keemiliselt, elektriliselt, magnetiliselt jne. ). Termodünaamilise süsteemi ja väliskeskkonna vastastikust mõjutamist nimetatakse termodünaamilise süsteemi ja väliskeskkonna vastasmõjuks. Tehniline termodünaamika kui termodünaamika osa tegeleb juhtumitega, kus termodünaamilise süsteemi ning väliskeskkonna vastastikune mõju on ainult mehaaniline ja soojuslik, s. t. esineb ainult mehaaniline ja soojuslik vastasmõju.

Vaatleme näiteks lihtsat termodünaamilist süsteemi. Selleks olgu vabalt liikuva kolviga silindris asuv gaas. Niisugusel juhul võib väliskeskkond mõjutada süsteemi näiteks siis, kui silindris olevalt gaasilt kolvile mõjuv jõud erineb väliskeskkonna poolt kolvile mõjuvast jõust. Selle tagajärjel silindrit täitva gaasi maht kas suureneb või väheneb. Nagu näeme, piirdub vaadeldaval juhul süsteemi ja väliskeskkonna vastasmõju mehaanilise mõjuga. Sama termodünaamiline süsteem ja väliskeskkond võivad olla ka soojuslikus vastasmõjus, mille all mõistetakse soojuse ülekandumist süsteemilt (gaasilt) väliskeskkonnale või vastupidi. See on võimalik siis, kui süsteemi temperatuur erineb väliskeskkonna temperatuurist. Termodünaamilise süsteemi ja väliskeskkonna vahel võib esineda samaaegselt nii mehaaniline kui ka soojuslik vastasmõju.

Termodünaamilist süsteemi, millel puudub soojusvahetus väliskeskkonnaga (ka siis, kui süsteemi temperatuur erineb väliskeskkonna temperatuurist), nimetatakse soojuslikult isoleeritud ehk adiabaatiliseks süsteemiks, soojuse ülekannet tõkestavaid pindu aga adiabaatilisteks pindadeks. Süsteem, mis on väliskeskkonnast eraldatud samaaegselt adiabaatiliste ja mehaaniliselt absoluutselt jäikade pindadega, kannab suletud ehk isoleeritud termodünaamilise süsteemi nime. Isoleeritud termodünaamilise süsteemi ja väliskeskkonna vahel puudub nii soojuslik kui ka mehaaniline vastasmõju.

Tänan tähelepanu eest!