Soojustehnika teooria eksamiks (13)

1.Termodünaamiline keha. Termodünaamilises süsteemis asuvat keha või kehi, mille vahendusel toimub energiate vastastikune muundumine nim. termodün.kehaks. Termodün.kehaks on veel keha, mille kaudu toimub soojuse muundumine mehaaniliseks tööks või töö muundamine soojuseks. Tdk võivad olla nii tahked , vedelad kui gaasilised kehad. Soojusjõumasinates nagu sisepõlemismootor soojuse muundumisel mehaaniliseks tööks on tdk tavaliselt kütuse põlemisgaasid. Aurujõuseadmetes on enamikul juhtudel tdk veeaur.
2.Töötava keha olekuparameetrid . Nende all mõistetakse füüsikalisi makrosuurusi, mis määravad kindlaks töötava keha oleku. Intensiivseteks nim. selliseid töötava keha parameetreid, mis ei sõltu termodün.süsteemis oleva keha massist või osakeste arvust. Intensiivne parameeter on nt. rõhk ja temp. Aditiivseteks e. ekstensiivseteks termodün parameetriteks on parameetrid , mis on proport-sionaalsed süsteemis olevate kehade massiga või osakeste arvuga. Nt. maht, energia, entroopia , entalpia . Parameetreid, mille kaudu iseloomustatakse soojuse ja töö vastastikust muundumist, nim. termilisteks olekuparameetriteks. Termodünaamilise keha termilisteks olekuparameetriteks on erimaht (tihedus), rõhk ja temp. Soojuslikeks olekuparameetriteks on aga suurused, mis iseloomustavad termodünaamilise süst. energeetilist olukorda. Nendeks on: siseenergia u,[J/kg]; entalpia h,[J/kg]; entroopia s,[J/kg]. Sõltumatud olekuparameetrid on: 1.Erimaht(keha massiühiku maht) v=1/, [m3/kg]. 2.Tihedus(on erimahu pöördväärtus)=M/V=1/v, [kg/m3].3. Rõhk (pinnaühikule normaalisihis mõjuv jõud) p [N/m2,Pa]. 4.Temperatuur(iseloomustab antud keha kuumenemise astet mingi teise keha suhtes ja määrab nendevahelise soojusvoo suuna).
3. Soojus ja töö. 1.Energia ülekanne töö vormis- on seotud kehade ümberpaiknemisega ruumis või süsteemiväliste parameetrite muutusega. 2.Energia otsest üleminekut ühelt kehalt teisele ilma väliste parameetrite muutusteta (kõrgema temp. kehalt madalama temp. kehale), sellist ülekande vormi nim. soojuseks. Soojusvahetus , levi- soojusevormis ülekantud energiat nim. soojushulgaks. Tähistatakse Q- [J]. q=Q/M [J/kg].
4.Ideaalne gaas . Selle all mõistetakse gaasi, mis koosneb elastsetest molekulidest, mille vahel puuduvad jõud. Ideaalse gaasi molekulide endi maht on tühiselt väike, mis võimaldab neid vaadelda materiaalsete punktidena. Gaasi molekulid on pidevas liikumises. Sellist aineosakeste liikumist nimetatakse soojuslikuks liikumiseks. Ideaalses gaasis liigub sirgjooneliselt seni kuni ta põrkub kokku naabermolekuli või gaasi piirava pinnaga. Põrked põhjustavad rõhu. Loodudes sellist gaasi ei esine. Selle põhjal saame välja kirjutada valemeid.
5.Ideaalse gaasi olekuvõrrandid. Termodünaamilise keha termiliseks oleku- ehk karaktervõrrandiks nim. võrrandit, mis seob omavahel termodünaamilises tasakaalus oleva süsteemi termilised olekuparameetrid. 1. Ideaalsete gaaside olekuvõrrand on tuletatav moleku-laarkineetilise teooria põhivalemist p=2/3n(mw2)/2, kus n- molekulide arv mahuühikus, m- gaasimolekuli mass, w2- gaasimolekuli ruutkeskmine kiirus, p- rõhk. 2. Teiseks ideaalse gaasi molekulaarkineetilise teooria võrrandiks, mis seob gaasimolekuli keskmise kineetilise energia temperatuuriga, on võrrand: 2/3(mw2/2)=kT, kus k- Boltzmanni konstant(k=1,38•10-23 J/K). 3. Avogadro seadus pv=NkT, kus V- gaasi maht, N- mahus V olev molekulide koguarv(N=nV). Tähist moolmassi  (kg/kmol) ja tih  (kg/m3), on vastavalt Avogadro s-le /=v= const , kus v=V nim. gaasi moolmahuks. pV=NokT, kus Nok=R- nim. ideaalse gaasi universaalkonstandiks (=8314 J/kmol). pV=MRT Mendelejevi võrrand(ideaalse gaasi olekuvõrrand). pV= RT – Clapeyroni võrrand, kus R- ideaalse gaasi erikonstant.
6.Ideaalgaaside segud . Daltoni seadus. Gaaside segud on nt. õhk, põlemisgaasid, gaaskütus jne. Gaasisegude iseloom. kasut. kahte liiki suurusi: 1) suurusi, mis iseloom. gaasisegu üksikuid komponente, 2) suurusi, mis iseloom. gaasisegu tervikuna . Olgu mahus V soojusliku tasakaalu olekus ideaalsete gaaside segu. Tähistades üksikute segus olevate gaasikomponentide molekulide arvu N1,N2,…,Nn on võrrandi pV=NkT põhjal pV=(N1+N2+ …+Nn)kT=NkT. Järelikult gaasi kogurõhk p=N1/V*kT+N2/V*kT+…+Nn/V*kT. Selle võrrandi liikmed [(N1kT)/V, (N2kT)/V,…]väljendavad rõhku ,nn. komponendi osa- ehk partsiaalrõhku, mida omaks antud gaasikomponentsegu temperatuuril, kui ta hõivaks kogu gaasisegu mahu. Tähistades üksikute gaasikomponentide partsiaalrõhud vastavalt p1=(N1kT)/V, p2=(N2kT)/V,…, saame p=p1+p2+…+pn. Järelikult, üksikute gaasikomponentide partsiaalrõhkude summa võrdub gaas-segu kogurõhuga (DALTONI seadus)
7.Termodünaamiline süsteem ja väliskeskkond. Termodünaamiline protsess. Väliskeskkonna all mõistetakse kõigi teatud ruumi osas paiknevate meelevaldsete füüsikalis-keemiliste omadustega kehade kompleksi. Termodünaamiline süsteem on väliskeskkonnast kindlate geomeetriliste pindadega eraldatud kehade kogu. Termodünaamilise süsteemi ja väliskeskkonna vaheline vastasmõju võib olla kas mehaaniline (nt soojuse ülekandumine välis-keskkonnast süsteemi) või soojuslik (soojuse ülekandumine väliskeskkonnast süsteemi). Väliskeskkonna soojusliku vastasmõju puudumisel on termodünaamiline süst. soojuslikult isoleeritud e. adiabaatne . Termodünaamilised süst. jag. veel materjaalselt suletuiks ja avatuiks. Materjaalselt suletud süst. puudub massivahetus väliskeskkonnaga. Termodünaamiliseks protsessiks nim. termod .süs. toimuvaid järjestikulisi olekumuutusi. Td protsessi käiku väljendatakse tavaliselt mingite olekuparameetrite seosena, mis antakse kas analüütiliselt või graafiliselt.
8.Mehaaniline töö. Mehaanilist tööd teeb materjaalselt suletud termodünaamiline süsteem üleminekul algolekust lõppolekusse. Tavaliselt arvutatakse mehaaniline töö l termodünaamilise keha 1kg-le l=integr.v1-v2ni pdv [J/kg]. Mehaaniline töö kui protsessi funktsioon sõltub sellest, kuidas td süst. läheb üle algolekust lõppolekusse. Mehaaniline töö loetakse posit. td süst. paisumisel (mahu suurenemisel ), negatiivseks aga komprimeerimisel (mahu väh.).
Joonised:
9.Tehniline töö. Tehnilist tööd sooritab materiaalselt avatud td süst. Tehniline töö lt avaldatakse keha 1kg-le: lt=-p1stp2ni• vdp [J/kg]. kus p1 ja p2 on vastavalt keha rõhk süsteemi sisenemisel ja süsteemist väljumisel. Tehniline töö kui protsessifunktsioon sõltub keha algolekust lõppolekusse ülemineku tingimustest. Tehniline töö loetakse positiivseks td keha rõhu vähenemisel ning negatiivseks rõhu suurenemisel.
10.Siseenergia. Td kehas sisalduvat energia hulka nim. siseenergiaks , mis on keha molekulide kulg -ja pöörlemisliikumiseenergia, aatomite võnkumisenergia jt. energiate summa. siseenergia antakse tavaliselt keha 1kg kohta. Siseenergia on ekstensiivne suurus. Siseen. kui olekufunktsiooni väärtuse määravad keha kaks meelevaldset olekuparameetrit, sagedamini valitakse nendeks temp ja rõhk. Ideaalgaasi siseen. sõltub ainult temperatuurist. Tavaliselt võetakse gaasi siseenergia normaaltingimustel võrdseks nulliga. E=k + A + U, kus U on siseenergia [J/kg].
11.Termodünaamika I seadus. Termodünaamika esimeseks seaduseks on energia jäävuse ja muundumise seadus. Mingisse kehasse kantud energia võib muunduda sise- või välisenergiaks. Q = dU + dL, [J]; q = du + dl, [J/kg], kus q- soojushulk ; du- siseenergia muutus, muutub tehtud töö arvel; dl- mehaniiline töö.
12.Termodünaamilise keha erisoojused . Termodünaamilise keha erisoojuseks nimetatakse soojushulka, mis on vaja anda teatud kogusele ainele temperatuuri tõstmiseks 1 K võrra: c=dq/dT.
Eristame 3-e erisoojust: 1.Masserisoojus c. Erisoojust 1kg aine kohta nim. masserisoojuseks [J/kg•K] . 2. Mahterisoojus c` [J/m3•k]. Mahterisoojus kuumutamise tulemusena ei muutu . 3.Moolerisoojus C=c [J/(kmol•K).]. Kahte viimast kasutatakse peamiselt gaasiliste kehade puhul. Temperatuuri kasvades erisoojus kasvab. Tõeliseks erisoojuseks- nim. erisoojust, mida keha omab c=dq/dt = limq/t.
13.Termodünaamilise keha entalpia. Entalpia h on siseen u ja rõhuenergia pv summa: h=u+pv [J/kg]. Arvuliselt on võrdne tööga, mis on vaja, et viia gaas mahuga v vaakumist ruumi rõhuga p. Entalpia antakse keha 1kg kohta. Entalpia on ekstensiivne suurus. Entalpia kui olekufunktsiooni määravad kaks meelevaldset olekuparameetrit. Ideaalse gaasi entalpia sõltub üksnes temp. Tavaliselt võetakse gaasi entalpia normaaltingimustel võrdseks nulliga. Termodünaamilise keha entalpia antud rõhul: h=0t-ni•(cpdt). Soojushulk on määratud entalpia ja tehnilise tööga q=du + l =dh + lt .
14.Termodünaamilise keha entroopia. s on soojushulga ja absoluutse temp. suhe, mille muutus delta s=int.1st-2ni dq/T [J/(kg*K)]. Entroopia on ekstensiivne suurus. Entroopia kui olekufunktsiooni väärtuse määravad kaks meelevaldset olekuparameetrit. Gaasi entroopia väärtus normaaltingimustel loetakse nulliks. Kui lugeda erisoojust sõltumatuks temperatuurist, siis: c=const, s=cvln(T/To)+Rln(v/vo).
15.Termodünaamilised protsessid ideaalgaasidega.
1).Isohooriline protsessiks nim. sellist protsessi, kus termodünaamilise süsteemi soojuslikul mõjutamisel selle maht ei muutu. (v=const, dv=0). p1v1=RT1; p2v2=RT2—erimaht=> p1/T1•v=R=p2/T2•v => p1/p2=T1/T2.so isohoorse protsessi põhivõrrand. Olekuparameetrite vaheline seos isohoorses protsessis.
S2-S1=Cvln(p2/p1)=Cvln(T2/T1), (entroopia).
q=∆u+l, l=0
2) Isobaarne protsess on protsess, mis toimub püsival rõhul. (p=const ja p=0). v2/v1=T2/T1 Gay-Lussaci võrrand. Siin termodünaamilises süsteemis tehnilist tööd ei tehta ning termodün. keha üleminekuks olekust 1 olekusse2 vajalik soojushulk q=cp(t2-t1). Seega on isobaarilises td protsessis keha poolt juurdesaadav või äraantav soojushulk võrdne protsessis esineva entalpia muutusega.
Joonis:
3). Isotermiline protsess on selline td pr, mis toimub püsival temperatuuril. (T=const, T=0). p1v1=p2v2 => p1/p2=v2/v1— Boyle -Mariotte´i seadus. Siin mehaaniline ja tehniline töö on omavahel võrdsed. Seega muundub isotermilisse protsessi antav soojus täielikult tööks. Ts- diagrammil väljendub isotermiline protsess horisontaalse joonena.
Joonis:
4). Adiabaatne protsess on selline td prot. mis toimub soojuslikult isoleeritud tingimustes. (dq=0, q=0). k=Cp/Cv.
5). Polütroopne protsessiks nim. sellist protsessi, mille käigus erisoojus ei muutu. s.t. sellist protsessi, mis allub võrrandile T•ds/dT=c=const. Polütroopse protsessi põhivõrrand on –pvN =const
16.Termodünaamilised protsessid reaalsete gaasidega. Reaalset gaasi on võimalik teatud tingimustel kondenseerida e. veeldada. Suur temperatuur, suur ruumala ja väike rõhk. Olenevalt olekuparameetritest saab aine olla, kas gaasilises, vedelas, tahkes faasis või parameetrite muutusel üle minna ühest faasist teise. Samuti on võimalik aine olek mitmes faasis korraga. Kolmikpunkt— kolmes agregaatolekus korraga. Kolmikpunkti parameetrid on Vesi: p=610,8Pa; T=273,18K; v=0,0010002m3/kg.
Joonis: ,Vee kolmikpunkt`.
17.Faasimuutuse diagrammid . Sõltuvalt tingst (rõhk, temp.) võib aine olla erinevates agregolekutes või samaaegselt mitmes faasis korraga. Nt. normaalrõhul 760mmHg esineb vesi vedelas faasis temp. vahemikus 0-100C, alla 0 on ta tahkes ja üle 100 gaasilises. Aine faasilise oleku väljendamiseks kasut. faasimuutuse diagramme . Nt. pt- diagramm, Ts- diag., Pv, hs- diag.
18.Veeaurutabelid ja diagrammid. 1.küllastunud veeaur I(rõhu järgi). 2.Tabel temperatuuri järgi. 3. Vee- ja ülekuumendatud auru tabel. Diagrammid: pv; Ts ja hs.
19.Vee isobaarne kuumutamine . Vee kuumut all mõistame vee temp. tõstmist algolekust kuni antud rõhule vastava küllastustempini. Sagedamini vee kuumut käigus tema rõhk ei muutu= isobaariline protsess. Seda seletab Ts-diagramm.
Joonis:
20.Vee aurustumine . Vee aurustumise all mõistetakse sellist TD pr, kus küllastustempl olev vesi muudetakse isobaarilises kuumutamisprotsessis kuivaks küllastunud auruks. Aurustumissoojus r : r=h``-h`=(u``-u`)+p(v``-v`).
21.Veeauru ülekuumendamine. Selle all mõistetakse auru isobaarilist kuumutamist küllastustemplt antud temperatuurini.
22.Põhiprotsessid veeauruga.Põhiprotsesse on neli:
1). Isohooriline protsess. Maht pr. jooksul ei muutu. Auru isohoorsel kuumut temp tõuseb. Sõltuvana algolekust aur isohoorilisel jahtumisel kas kuivab või niiskub. Isohoorilises protsessis aurule juurdeantud soojushulk q=u=u2-u1=(i2-i1)-v(p2-p1) J/kg. kui isohoorse protsessi lõpppunkt on niiske auru piirkonnas, siis auru kuivusaste protsessi lõpul x=vx-v’/v2’’-v2’.
2). Isobaariline protsess. p=const. Niiske auru isobaarsel kuumutamisel aurutemp. ei muutu. Ülekuumendatud auru isobaarsel kuumutamisel temp. tõuseb. Isobaarses protsessis on aurule juurdeantav soojushulk q=i2-i1. Kui isobaarses kuumutusprotsessis aur läheb niiskest olekust ülekuumendatud olekusse, siis protsessist osavõttev soojushulk q=(1-x)r+(i2-I’’)=(1-x)(I’’-I’)+(i2-I’’) J/kg, Mehaaniline töö on isobaarses protsessis l=p(v2-v1).
3). Isotermiline protsess. Niiske auru isotermilisel kuumutamisel rõhk ei muutu. Ülekuumutatud auru isotermsel kuumutamisel rõhk väheneb. Vajalik soojushulk auru isotermsel kuumutamisel on q=(s2-s1)T J/kg. Mehaaniline töö isotermses protsessis on l=q-u=(s2-s1)T-[(i2-i1)-(p2v2-p1v1)] J/kg. Tehniline töö lt=q-i=(s2-s1)T-(i2-i1) J/kg.
4). Isoentroopne protsess veeauruga.
23.Termodünaamiline ringprotsess ja Termodünaamika II seadus. Termodünaamika II seadus määrab termodünaamiliste protsesside suuna—väiksema tõenäosusega olekust suurema tõenäosusega olekusse. Def: Soojus võib iseenesest suunduda ainult kõrgema temp. kehalt madalama temp. kehale. Ringprotsess- TD pr. Kus töötav keha perioodiliselt paisub ja komprimeerimis protsessiga taandatakse tema algolek . Kasutegur: t= lo/q1=q1-q2/q1 –TD II seadus.
24. Carnot ’ ringprotsess.
Kujutan Carnot’ ringprotsessi Ts-diagrammil. Td keha paisub olekust 1 olekusse 2 isotermiliselt, mis Ts-diag väljendub pindalana q1=A12BA. Isotermilisele paisumisele järgneb adiabaatne paisumine2—3. Termodünaamiline keha tuuakse olekust 3 olekusse 1 kahejärgulise komprimeerimisega, kus 3—4 toimub isotermselt ja 4—1 isoentroopselt. Isotermilisel komprimeerimisel jahutajale üleantav soojushulk avaldub diagrammil pindalana q2=B34AB. Jooniselt järeldub et soojusallikalt ringprotsessi antud soojushulk q1=sT1, ning ringpr jahutajale üleantud soojushulk q2=sT2. Carnot’ rp. termiline kasutegur on c=1-q2/q1=1-T27T1, kus T1 ja T2 on soojusallika ja jahutaja absoluutsed temp
25.Sisepõlemismootorite ringprotsessid. Sisepõlemismootorite põhiliseks protsessiks, kus toimub soojuse protsessi juhtimine(kütuse põemine) on silinder, seal kütus põleb ning see muutub paisumiseks. Toimub kõrgel temperatuuril üle 1000 oC. Max temp. võib tunduvalt ületada materjali piirtemperatuure. Kasu-tegur on seda suurem, mida kõrgem on gaaside temperatuur. Tänapäeval on rõhk 1,5-10Mpa ning Carnot ei toimi, protsess oleks väga aeglane. 1). v=const Otto mootorid. 2).p=const Diesel. 3). V=const. P=const. Sabath -Trinkler.
26.Otto ringprotsess. Kolbmootorite rpr., kus soojus suunatakse protsessi püsival mahul v=const , nim. Otto ringp. Otto rp. töötavates mootorites kasut. kergeid vedel-ja gaas kütuseid. Õhu ja kütuse segu süüdatakse elektri sädemega. Siin on soojuse eraldumine vaadeldav püsivmahulisena. Protsessi kujutame Ts diagrammil: 1-2 –adiabaatiline komprimeerimine. a.s.s.->ü.s.s. (ülemine- ja alumine surnudseis) . =v1/v2 – mootori kompressiooni e. surveaste. 2-3 isogoor, põlemine. - isogoorne rõhutõusuaste. 3-4 –adiabaatne paisumine . 4-1 jahtumine, v= const. Lo=lp-lk=□B34AB-□A12BA. q1=□A23BA, q2=□B41Ab. Pvk=const. Otto mootoritel on kasutegur määratav ainult surveastmega. t=1-1/k-1.
27.Aurujõuseadme ringprotsess ( Rankine ’i rp). Rankine’i rp-s kondenseerub aur kondensaatoris täielikult. Protsessi osas3—4 komprimeeritakse vett. joon1—2 kujutab auru isoentroopilist paisumist soojusjõumasinas algrõhult p1 kuni kondensaatori rõhuni p2. 2—3 auru täielikku isobaar -isotermilist kondenseerumist kondensaatoris. 3—3´vee tagastatavat adiabaatset komprimeerimist, 3´-4 vee isobaarilist kuumutamist aurugeneraatoris, 4—4´vee isobaar-isotermilist aurustumist aurugeneraatoris ja 4´-1 veeauru isobaarilist ülekuumendamist. Rankie’i rp. on tänapäeva aurujõuseadmete põhiringprotsessiks. q1=qk+qr+qü, qk=□A3(3´)4BA=h`1-h`2, qr=□B44`CB=h``1-h=r, qü=□C4`1DC=h1-h``, q2=□23AD2=h2-h`2. Kasutegur: t=l/q1=h/q1=h1-h2/h1-h`2 (näitab, seda kasuliku tööd, mida masinas tehakse, tavaliselt, mitte üle 40%).
28.Elektrienergia ja soojuse koostootmine e. termofikatsioon. Nim. selliseid el. jaamu, kus toimub el. energia ja soojuse koostootmine. Võimsust, saab hinnata ka väljastatava soojushulga järgi. Efektiivsust väljendatakse: K=l+qt/q1=t+K`; K`=qt/q1 –tarbijale antud soojus, q1- ringprotssi suunatud soojus(kuumutamiseks, aurustamiseks jne. Antud soojus). Termofikatsioon- Elektrijaamade auruturbiinidest saadava auru soojusenergia kasutamine tsentraliseeritud soojusvarustuseks.
29.Soojusvahetus, Temperatuuriväli, gradient ja soojusvoog. Soojusvahetuseks nim. teadust soojuse leviku protsessidest. Soojus, saab levida termodünaamilise tasakaalu puudumisel T=f(x,y,z,)- mittestatsionaarne . Temp.väljaks nim. temperatturi väärtusi kõigis vaadeldava keha või süsteemi punktides. Kui sealjuures temp muutub ka olenevalt ajast, siis nim. soojuse levikut mittestatsionaarseks, vastupidi, aga statsionaarseks(kui ei sõltu ajast, vaid ainult ruumi asukohast t=f(x,y,z)). Temp.gradiendiks mingis keha punktis A nim. selle punkti juures esineva temp. muutuse ja muutusele vastava isotermide vahelise ristlõigu n pikkuse suhete piirväärtust limt/n=t/n=gradt[K/m]. Soojuse levikut iseloom. Soojusvooluga ja tähist.Q[W]. Soojusvool on levisuunas risti olevat pinda ühes ajaühikus läbiv soojushulk Q. Soojusvoolu väärtust ühe pinnaühiku kohta nim. soojusvooks q[W/m2]. q=Q/A.
30. Fourier ’ seadus ja soojusjuhtivustegur . Soojusjuhtivuseks nim. nähtust, mille juures soojuse levik kehades toimub keha väikeste osakeste omavahelise vahetu kontakti teel. Fourier’ 1822.a. uuris soojusjuhtivust tahketes kehades ja tuli järeldusele, et soojusvoog kehades on võrdeline temp. gradiendiga. q=-gradt[W/m2]. Soojusvoog ja temp. gradient on vastupidise suunaga. Gaasides on soojust edasi kandvateks osadeks molekulid, kus temp. mõjutab soojusjuhtivust. Vedelikes oleneb see füüsikalistest omadustest ja temp. Tahketes ainetes kannab energiat edasi helikvandid e. fonoonid. Metallides aga peamiselt vabad elektronid. Wiedemann -Franzi seadus—parimad soojusjuhid on need metallid, mis juhivad paremini ka elektrit. Soojusjuhtivusteguri lamda näiteid: Mänd-(pikisuunas 0,36 ja ristisuunas 0,15[W/mK]; Õhk 0C 0,024, 500C-0,057; grafiit -5,0; vask-370.
31.Konvektiivne soojusülekanne ja Newtoni valem. Konvektsiooniks nim. soojuse levikut, mis tekib teatava soojussisaldusega vedeliku või gaasiosakeste edasiliikumise ja segunemise tulemusena. Soojusüle-kanne on väga komplitseeritud, mida mõjutavad vooluse iseloom, kiirus, seadme geomeetriline iseloom ja füüsikalised omadused. Newtoni valem: q=t [W/m2]. Soojusvoog seina ja voolava vedeliku või gaasi vahel on võrdeline seina ja vedeliku vahega t. -soojusülekandetegur. Nt. Õhu kuumutamine ja jahtumine: =1—50 [W/m2*K], Vee kuum. ja jaht.: 20—10000, õlide kuum. ja jaht. 5—1500.
32.Soojuskiirgus ja Stefan -Boltzmanni seadus. S-B seadust kasutatakse hallide kehade omakiirguse arvutamiseks, kasutades mustavärvusastet või halli keha kiirgustegurit. S-B seadus annab soojusvoo väärtuse, mille pind kiirgab välja kõikides suundades. Iga suund on iseloomustatav nurgaga , mille ta moodustab pinna normaaliga n. Seadus: abs. musta keha kiirgusvoog on võrdline abs. temp-i neljanda astmega. Eo=oT4 , =E/Eo- nim. mustuse astmeks.
33. Soojusjuhtivus tasapinnalises seinas. Vaatame ,kui soojuse levik on statsionaarne :
Joonis:
q=-gradt=-dt/dx. Ükski punkt seinas ei soojene, ega jahtu. Igasse x- teljega risti olevasse seinakihti saabub ja väljub ühesugune kogus soojust. Gradt=dt/dx=const=ts2-ts1/x2-x1=ts2-ts1/. q=/(ts1-ts2), [W/m2].
34.Soojusläbikanne tasapinnalises seinas. Soojusläbikanne- soojus levib järjestikku konvektsiooni ja kiirguse teel seinapinnale, läbib soojustjuhtiva seina ja väljub teise keskonda .
Soojusvoog soojusläbikande korral: q=t1-t2/(1/1+/+1/2, [W/m2]. q=t/Rt. q=kt, k-soojus-läbikandetegur sõltub soojusjuhtivust mõjutavatest teguritest ja soojusläbikandest.
35.Soojusvahetid. Soojusvahetiks nim. seadet , mis on ehitatud soojuse ülekandmiseks ühelt keskkonnalt või kehalt teisele. Seal toimuvad protsessid: aurustumine, keemine , kondenseerumine, veeldumine, tahkumine, paljud kombineetitud protsessid. Nendes pr. võib osaleda kaks või enamat keha. Need on soojuskandjad, mis annavad soojust ära ja võtavad seda vastu. Soojuskandjad võivad olla vedelad, gaasilised kui ka tahked. Nt: Veeaur, vesi, suitsugaasid, orgaanilised ained, sulametallid jne. 1)Kasutusala järgi liigitatakse soojusvaheteid: Eelsoojendid, kondensaatorid, auruti, aurumuundid, gradiirid, regeneraatorid, külmutid jne. 2)Tööprinsiibi järgi jagunevad: pind- ja segamistüüpi soojusvahetid. Pindsoojusvahetis ümbritsevad igat soojuskandjat tahked seinad, mis võtavad soojusvahetusest osa kas osaliselt või täielikult. Pinnaosa, mille kaudu toimub soojusvahetus nim. küttepinnaks. Pindsoojusvahetid jagunevad rekuperatiivseteks ja regeneratiivseteks. Rekuperatiivses soojusvahetis toimub soojusvahetus läbi soojuskandvaid eraldava pinna ning soojusvoo suund igas punktis jääb protsessi kestel muutumatuks. Regeneratiiv soojusvahetis muutuvad ühe ja sama küttepinna kaks või enam soojuskandjat vaheldumisi . Kuumutava soojuskandja soojus akumuleerub küttepinnas esimesel perioodil, kuumutatav soojuskandja kuumeneb teisel perioodil küttepinnaga kokkupuutudes ja soojusvoo suund on teisel perioodil vastupidine . Segamissoojusvahetites on kuumutav ja kuumutatav soojuskandja vahetus kontaktis, ning toimub nende osaline või täielik segunemine .
36.Pindsoojusvahetite dimensiooniarvutus.
On olemas 2. liiki : I . On antud aparaadi soojustootlikus, soojuskandjad ja nende alg- ja lõppparameetrid ja on vaja määrata küttepind ja soojusvaheti põhimõõtmed seda nim. konstruktsiooni ehk dimensiooniarvutuseks. II . Ette on antud konstruktsioon ja ka aparaadi mõõtmed, soojuskandjad ja nende algparameetrid ning tuleb määrata soojuskandjate lõpp-parameetrid, sellist nim. kontrollarvutuseks. Projekteerimisel: 1. Soojusarvutus, 2. Tulemused seostatakse aparaadi hüdromehaanilise arvutusega, 3. Tugevusarvutus (kuna on väga suured kiirused).
Rekuperatiivsoojusvaheti soojusbilanss ja dimensioneerimine :
1)Q=G1c1 (t´1 -t´´1)= G2c2 (t´´2 -t´2) Q-soojuskoormus; G-mass; c- erisoojus; -kaotegur;1-kuumutav kk.; 2-kuumutatavkk.
2)Q=kFt k-soojusläbikande tegur, F- küttepinna suurus, t- keskmine temperatuurilang. Ühesoojuskandja agregaatoleku muutusega
Q=D1 (h´1 –cp1 t´´1)= G2c2 (t´´2 -t´2) h-entalpia Mõlemasoojuskandja agregaatoleku muutusega
Q=D1 (h´1 –cp1 t´´1)= D2 (h´´2 –cp2 t´2) Keskmine temp. lang oleneb sellest, millise suunaga on tegemist. Eristatakse kahte suunda: Pärivoolusuund ja Vastuvoolusuund. Vältimaks soojusvaheti liigset suurenemist pole vedelate soojusvahetite temperatuuride vahe alla 15 oC, soovitatav on gaasidel 50-80 oC. Soovitatakse kasutada vastuvooluskeemi, siis tuleb soojusvaheti väiksema küttepinnaga. Soojus-vahetitele esitatavad nõuded: majanduslikkus, suur soojustootlikus, etteantud tehnoloogilise protsessi ja kvaliteedi tagamine, lihtne konstruktsioon, kompaktsus, seadme väike mass ja remont ning töökindlus ettenäht ekspluatatsioonile, praegune tehniline ja esteetiline tase.
37.Kütused. Kütuse põlemine. Kütus on aine, mille keemilisel ühinemisel oksüdeeriaga (hapnik) eraldub suurel hulgal soojust. Kütuseks loetakse aineid, mis täidavad järgmisi tingimusi: küllaldane reageerimiskiirus hapnikuga, põlemisproduktide esinemine gaasidena, lihtne tootmine ja küllaldane levik looduses. On olemas looduslikke ja tehiskütuseid. Agregaatoleku järgi jaotatakse tahke-, vedel- ja gaaskütused. Kütus koosneb põlev- ja mineraalosast ning niiskusest. Põlevosa omakorda koosneb org. ainest ja püriidsest väävlist. Org. osa on moodustatud: süsinikust, vesinikust, hapniku, lämmastiku ja väävli kõrgmolekulaarsetest ühenditest. Ct +Ht +Ot +Nt +St +At +Wt=100%, kus s- tuhk , w- niiskus, t- tarbimisaine. Tahke kütuse suurenemisega suureneb nende C sisaldus kusjuures hapniku ja vesiniku sisaldus väheneb. Vedelkütuses esineb S org.te ühenditena, gaaskütustes aga kas vesiniksulfiidina või vääveldioksiidina. Väävlit loetakse kahjulikuks lisandiks, tema põlemisel eraldub 3x vähem soojust kui C põlemisel. Väävliühendid põhjustavad ka korrosiooni. Gaasiline kütus antakse komponentidena: CO+H2+CH4+H2S+CO2+SO2+N2+…=100% .
38.Kütuse niiskus, mineraalosa ja tuhk. Niiskus on kütuse kahjulik komponent , mis vähendab kütteväärtust, suurendab põlemis-gaasi mahtu, halvendab süttimist jne. Kütuse niiskus koosneb välisest e. mehaanilisest ja sisemisest e. hügroskoopsest niiskusest ning hüdraatveest. Väline niiskus eraldub kütuse loomulikul kuivamisel õhus. Hügroskoopse niiskuse hulk sõltub kütuse sisemisest struktuurist. Hügroskoopne niiskus eraldub täielikultkütuse kuumutamisel üle 100C. Hüdraatvesi läheb üle kuumutamisel 500 oC juures. Suure hügroskoopse niiskusega on puit, turvas ja kivisöed niiskust 8-15%(va. Kivisüsi). Kütuse mineraalosa moodustavad kütuses olevad mineraalühendid. Tuhk on kütuse põlemisel tekkinud tahke jääk. Kütuse mineraalosa põhikomponendid on savi (Al2O3, 2SiO2), ränioksiid, karbonaadid , sulfaadid, sulfiidid , leelismetallide soolad jt nad lagunevad põlemisel ja tekib endotermiline soojus (mineraalosa tuhk). Vedelkütustes mineraalosa on 0,15%. Looduslikus gaasis mineraalseid lisandeid ei ole. Tuhaks nim. kütuse täielikul põlemisel järele jäävat tahket jääki.Kütuste tuhad jaotatakse kolme klassi: raskesti sulav tuhk (t3>1425C), keskmiselt sulav tuhk (t3=1200…1425C) ja kergesti sulav tuhk (t3