Гончарова Н.В. - Основы термодинамики. Курс лекций.

Государственное бюджетное образовательное
учреждение
среднего профессионального образования
«Котовский промышленно-экономический техникум»
(ГБОУ СПО «КПЭТ»)
ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
КУРС ЛЕКЦИЙ
Специальность: 131018 «Разработка и эксплуатация
нефтяных и газовых месторождений»
2013 г.
Содержание.
Введение ...................................................................................................... 4
Лекция №1
Основные характеристики рабочего тела (температура, давление,
плотность). Понятие об идеальном газе. Законы идеальных газов
(Шарля, Авогадро, Гей-Люссака, Бойля-Мариотта)............................... 5
Лекция №2
Чистые вещества и смеси. Схемы смешения. Закон Дальтона. ............ 9
Понятие об истинной и средней теплоемкости. Теплоёмкость газовых
смесей. .......................................................................................................... 9
Лекция №3
Первое начало термодинамики. Энтальпия. Принцип
эквивалентности Джоуля. Классификация и анализ простейших
процессов термодинамики. Политропные процессы. .......................... 15
Лекция №4
Второе начало термодинамики. Энтропия. Свойства диаграмм.
Круговые процессы. Третье начало. ....................................................... 21
Лекция №5
Процесс нагревания, кипения, парообразования. Основные параметры
жидкостей и пара. Графическое изображение. Таблицы паров. ......... 25
Лекция №6
Истечение газов и паров через суживающиеся сопла.
Дросселирование. ..................................................................................... 30
Лекция №7
Основные понятия и формы передачи тепла. Понятие о
теплопроводности. Закон Фурье. ............................................................ 34
Лекция№8
Конвективный теплообмен. Закон Ньютона - Рихмана. Тепловое
излучение. Основные законы и определения. Теплопередача между
носителями через стенку. Назначение и принцип действия основных
теплообменных аппаратов. ...................................................................... 38
Лекция №9
Назначение, устройство и принцип действия поршневых, осевых
центробежных компрессоров. Одноступенчатое сжатие в поршневом
компрессоре. Классификация. Основные параметры.
Термодинамический процесс одноступенчатого компрессора. .......... 44
2
Лекция №10
Цикл многоступенчатого поршневого компрессора. Расчёт мощности
привода компрессора и числа степеней сжатия. ................................... 47
Лекция №11
Классификация поршневых двигателей. Поршневые двигатели в
нефтяной и газовой промышленности. Основные элементы топлива
для ДВС. Термодинамический цикл ДВС со смешанным подводом
теплоты. Тепловой расчёт. Газовые двигатели. Применение в
нефтяной и газовой промышленности Термодинамический цикл ГТУ
с изобарным подводом теплоты. Использование ГТУ при бурении
нефтяных и газовых скважин. ................................................................. 50
Лекция №12
Цикл и схема паросиловой установки. Графическое изображение
цикла. Классификация поршневых двигателей Особенности
устройства паровой, компрессорной и холодильной установок. ........ 57
Лекция №13
Котельная установка, котельный агрегат. Топки и горелки. Виды
топлива Элементарный состав топлива. Теплота сгорания. ................ 59
Лекция №13
Паровые и водогрейные котлы, применяемые на предприятиях
нефтяной и газовой промышленности. .................................................. 66
Лекция №14
Устройство и принцип действия газомазутных котельных агрегатов.
Эволюция конструктивных форм. .......................................................... 72
3
Введение.
Цель дисциплины заключается в изучении основных понятий, законов и
процессов термодинамики и теплопередачи; в ознакомлении с особенностями
эксплуатации конструкций котельных установок, поршневых двигателей
внутреннего сгорания, газотурбинных и теплосиловых установок тепловых
машин, аппаратов и устройств, применяемых в нефтяной и газовой
промышленности, а также в уяснении методов расчёта термодинамических и
тепловых процессов.
При изучении дисциплины соблюдается
единство терминологии,
буквенных обозначений в соответствии с действующими международными
государственными и отраслевыми стандартами.
В основу термодинамики положено несколько экспериментально
установленных физических истин (постулатов). Эти постулаты отражают опыт
познания природы человеком и допускают опытную проверку.
Последовательное математическое развитие исходных постулатов и составляет
содержание курса термодинамики.
В настоящее время термодинамика непрерывно развивается, и
термодинамические методы исследования широко используются в самых
различных направлениях науки и техники.
Теплосиловые и тепловые установки получили широкое распространение в
различных отраслях. Они составляют важнейшую часть технологического
оборудования предприятий нефтяной и газовой промышленности,
применяются на нефтяных и газовых промыслах, при бурении скважин, при
добыче нефти и газа, на нефтеперерабатывающих и газобензиновых заводах, на
предприятиях транспорта нефти и газа. В связи с этим специалист-нефтяник
должен обладать глубокими знаниями об энергетических и технологических
установках.
4
Лекция №1.
Основные характеристики рабочего тела (температура, давление,
плотность). Понятие об идеальном газе. Законы идеальных
газов(Шарля, Авогадро, Гей-Люссака, Бойля-Мариотта).
1.Содержание термодинамики и ее метод.
Термодинамика – наука, которая изучает самые разнообразные явления
природы, сопровождающиеся превращениями энергии в различных физических,
химических, механических и др. процессах.
Возникла она в связи с внедрением тепловых машин, когда появилась острая
необходимость изучения закономерностей превращения тепла в работу. На
базе технической термодинамики построена теория современных тепловых
двигателей, компрессоров и холодильных машин, практически вся
теплоэнергетика.
В основу термодинамики положено несколько экспериментально
установленных физических истин (постулатов). Они отражают опыт познания
природы человеком и допускают опытную проверку. Последовательное
математическое развитие исходных постулатов и составляет содержание курса
термодинамики.
К числу основных законов термодинамики относятся прежде всего, первое
начало термодинамики, которое представляет собой количественное
выражение закона сохранения и превращения энергии, и второе начало
термодинамики,
отражающее
качественную
сторону
процессов и
устанавливающее их направленность. Третье начало термодинамики позволяет
однозначно определять важнейшую термодинамическую функцию состояния
тела – энтропию (это начало имеет частное значение по сравнению со вторым
и, тем более, первым началами термодинамики).
Термодинамика показывает как с помощью немногих понятий (энергия,
энтропия, температура, давление) можно описать различные физические,
химические и другие процессы. Значение термодинамики для изучения
явлений природы и свойств вещества неоднократно подчеркивалось многими
учеными.
2.Основные понятия.
2.1.Термодинамический процесс.
Под
термодинамическим
процессом
понимается
совокупность
последовательных состояний, через которые проходит термодинамическая
система при ее взаимодействии с окружающей средой. Все процессы,
подразделяются на равновесные и неравновесные. Если процесс протекает
медленно, так что в каждый момент устанавливается равновесие, такие
5
процессы называются квазистатическими. Эти процессы обладают свойствами
обратимости.
Неравновесные процессы это такие процессы, при протекании которых система
не находится в состоянии равновесия.
Процесс перехода неравновесного состояния в равновесное называется
релаксацией.
Все реальные процессы являются неравновесными, это обосновывается тем,
что при протекании процесса с какой-то скоростью в рабочем теле не успевает
устанавливаться равновесие.
Термодинамика рассматривает в первую очередь равновесные процессы и
равновесные состояния.
2.2.Основные характеристики рабочего тела.
Состояние любого вещества принято характеризовать рядом величин,
которые в термодинамике называются параметрами состояния. Наиболее
распространенными параметрами состояния являются удельный объем (или
плотность) тела, абсолютное давление, температура. Кроме этого, в
термодинамике пользуются такими понятиями, как масса, сила, работа, тепло
ит. д.
1)Температура – характеризует тепловое состояние тела. Может переходить от
более нагретых тел к телам меньшей температуры. Единицами измерения
температуры в термодинамической шкале являются градус Кельвина и градус
Цельсия.
Температуру измеряют жидкостным и газовыми термометрами, оптическими
пирометрами в которых используется зависимость излучения от температуры
и длины волны. Существуют различные шкалы Цельсия, Фаренгейта, Реомюра.
Особую роль играет шкала. Нуль называют абсолютным нулем. Деления
шкалы называют Кельвинами:
T=t + 273, 15.
2) Давление равно силе действующей по нормам к поверхности тела на единицу
площади этой поверхности (Н/м 2):
P= F н /f, (1.1.)
F н- сила, направленная по нормали;
f- площадь.
Различают барометрическое или атмосферное давление, абсолютное давление
ра и разрежение рр. Разность между абсолютным давлением ра и
барометрическим давлением рв называется избыточным давлением:
Р изб = ра- рб(1.2.)
В том случае, когда ра меньше рб, разность рб и ра представляет собой
разрежение или вакуум:
Р р = р б- ра(1.3.)
Давление измеряется при помощи манометров, барометров и вакуумметров,
устройство которых обычно основывается на уравновешивании усилий,
передающихся от тела, давление которого измеряется.
Пример.
6
Манометр на правом котле показывает 2,5 МПа, атмосферное давление
pо=97,8 кПа. Каково абсолютное давление?
Решение.
p=p ман + pо=2, 5 +97,8*10-3=2,6 МПа
3) Удельный объем – объем единицы количества вещества (м3/кг):
V 1  м3 

. (1.4.),
v 
m   кг 
где V – объём тела, m – масса тела, ρ – плотность вещества
3.Газовые законы.
Идеальными газами принято считать газы, подчиняющиеся уравнению
Клапейрона:
P v=RT,(1.5.)
где v-удельный объем идеального газа;
T-абсолютная температура идеального газа;
р- абсолютное давление идеального газа;
R-характеристическая газовая постоянная идеального газа:
R
R

, где R  8314
Дж
кмоль  К
(1.6.)
Ученье об идеальных газах зародилось на базе экспериментальных исследований
физических свойств реальных газов Бойлем (1662г.), Мариоттом (1676г.), Шарлем
(1737г.), Гей-Люссаком(1823г.). Эти ученые полагали, что газообразное состояние
есть особый вид постоянного физического состояния («газ есть газ при всех
физических условиях»). Сжижение хлора (1823г.) нанесло первый удар по этим
представлениям. В настоящее время можно утверждать, что ни один из реальных
газов не подчиняется этим газовым законам. Тем не менее эти специфические
газовые законы в термодинамике сохранены и учение об идеальных, газах широко
используется в технике. Эти законы несложны и достаточно хорошо
характеризуют поведение реальных газов при невысоких давлениях и не очень
низких температурах, вдали от областей насыщения и критической точки.
Закон Гей-Люссака. Расширение идеальных газов при нагревании и постоянном
давлении ( р =const) прямо пропорционально повышению
температуры:
v=vо (1+αt), (1.7.)
где v-удельный объем газа при температуре f° C и давлении р;
vо- удельный объем таза при температуре ноль и том же давлении р;
α-температурный коэффициент объемного расширения идеальных газов
при 0°С, сохраняющий одно и то же значение при всех давлениях, одинаков
для всех идеальных газов:
α=1/273,15. (1.8.)
7
Сопоставление законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака приводит к
уравнению состояния идеальных газов (уравнение Клапейрона, 1834 г).
3акон Бойля- Мариотта. При неизменной температуре (t=const) произведение
абсолютного давления и удельного объема идеального газа сохраняет
неизменную величину:
Pv =const,(1.9.)
т. е. произведение абсолютного давления и удельного объема зависит только
температуры газа:
p v=f (f); (1.10.)
откуда при f=const имеем:
p2v2=p1v1,(1.11.)
Закон Авогадро (1811 г.). Объем одного моля идеального газа v не зависит от
природы газа и вполне определяется давлением и температурой вещества .
На этом основании можно заключить, что объемы моделей разных газов,
взятых при одинаковых давлениях и температурах, равны между собой.
Пример .
Определить удельный объем кислорода как идеального газа при следующих
условиях: температура газа t=20°С, манометрическое(избыточное) давление
газа в баллоне 5,1 МПа, абсолютное давление воздуха в помещении
Ра=99,08 кПа.
Решение. По уравнению (1.5) абсолютная температура газа
Т= Т о+ t=273,15+ 20 =293, 15 К.
Абсолютное давление газа в баллоне
Р=рман+ро=5,1+99,08*0,0010=5,199МПа
Удельная газовая постоянная кислорода
R=259,81 Дж/(кг К).
Удельный объем кислорода в рассматриваемых условиях
v=RT/ р = 259,81* 293,15/5,2*1000000=0,0146
Удельный молярный объем кислорода в тех же условиях
v= ро =32* 0,0146 =0,4672 м3/к моль.
Контрольные вопросы.
1. Что такое термодинамика и что она изучает?
2.Какие параметры состояния вещества вы знаете?
3.Что такое термодинамический процесс?
4. Какой газ считают идеальным в термодинамике?
5. Что вы знаете о законах идеальных газов?
6. Каков физический смысл удельной газовой постоянной вещества?
7. Чем отличается реальный газ от идеального?
8
Лекция №2.
Чистые вещества и смеси. Схемы смешения. Закон Дальтона.
Понятие об истинной и средней теплоемкости. Теплоёмкость
газовых смесей.
1.Чистое вещество.
В термодинамике довольно часто пользуются понятиями чистого вещества и
смеси (или раствора). Под чистым веществом принято понимать вещество,
все молекулы которого одинаковы. К таким веществам относятся вода, азот,
аммиак, углекислый газ и др.
Чистые вещества, составляющие смесь, принято называть компонентами.
Предполагается, что структура компонентов в смеси не изменяется, в
частности, в процессе смесеобразования молекулярная масса отдельных
компонентов не изменяется.
2.Смеси жидкостей, паров и газов.
Смесь (или раствор) состоит уже из нескольких чистых веществ,
химически не взаимодействующих между собой. Примерами смесей могут
служить воздух, состоящий из азота , кислорода и ряда других газов,
природный газ, состоящий из метана, этана, пропана, бутана и других
углеводородов.
К газовым смесям относятся и продукты сгорания различных видов топлива.
В этом случае в смеси находятся азот, углекислый газ, кислород, пары воды и
другие газы.
Одной из важнейших характеристик смеси является ее состав. Состав смеси
обычно определяют посредством нахождения массовой или молярной
концентрации компонентов, входящих в смесь. Если смесь состоит из массы
G1(кг) первого компонента, массыG2(кг) второго компонента, массы G3(кг)
третьего компонента ит. д., то массовой концентрацией i-гoкомпонента
называется отношение массы данного компонента к массе всей смеси G:
Mi=G i/G (2.1.)
G=G1+G2+G3+…+G n(2.2.)
3.Схемы смешения.
Различают две основные схемы смешения: схему постоянного объема
(V=const) и схему постоянного давления ( р =const).
3.1.Схема постоянного объема (Рис. 2.1.а) представляет собой ряд из
резервуаров разделенных кранами . В каждом резервуаре содержится один
компонент, состояние которого известно, т. е. известны его давление р и
температура Т, масса G i, молекулярная масса и т.п. После открытия кранов в
резервуарах выравниваются давление, температура и концентрация
9
компонентов во всем объеме
термодинамическое равновесие.
смеси,
т.
е.
система
переходит
в
Рис. 2.1.Основные схемы смешения.
При этом полный объем всех резервуаров остается, естественно, неизменным :
V=V1+V2+V3+V a+...+Vn ; (2.3.)
поэтому схема и получила наименование постоянного объема.
3.2.Схема постоянного давления(Рис. 2.1.б)- это схема смешения потоков газа
в трубопроводах. К коллекторному трубопроводу отдельными потоками
подводятся компоненты смеси со своими давлениями р; температурой Т;
массой Gi и т. п., причем поступление каждого компонента регулируется
заслонкой. Давление компонентов после прохождения заслонки (до смешения
компонентов) снижается до уровня давления смеси в общем коллекторе .
4.Закон Дальтона.
В условиях невысокого давления газовая смесь и компоненты этой смеси
обычно рассматриваются как идеальные газы, подчиняющиеся уравнению
Клапейрона. Считается, что такая газовая смесь подчиняется закону
диффузного равновесия, или, как обычно говорят, закону Дальтона,
характеризующего установившееся состояние газовой смеси. Каждый
компонент газовой смеси распространен во всем объеме смеси V и развивает в
этом объеме такое парциальное (т. е. свое) давление р о, какое он развивал бы
в нем при температуре смеси Т, безучастия других компонентов.
Следовательно, для газовой смеси, подчиняющейся закону Дальтона,
справедливы следующие положения.
l. Каждый элемент имеет температуру, равную температуре смеси.
2. Каждый компонент равномерно распространен во всем объеме смеси, и,
следовательно, объем каждого компонента равен объему смеси.
3. Каждый из компонентов смеси и смесь - в целом подчиняются уравнению
Клапейрона.
Записав уравнения состояния в форме уравнения Клапейрона для,
компонента и для смеси в целом, получим :
Рv=GIRT; (2.4.)
pi= ri pm (2.5.)
Это значит, что парциальное давление piкомпонента 1вравновесной смеси
равно произведению молярной концентрации этого компонента ri на полное
давление смеси р m .
10
Пример.
Определить удельную газовую постоянную смеси, состоящей из азота с
приведенным объемом 0,35 мз и кислорода с приведенным объемом 0,15 мз, а
также парциальные давления компонентов смеси, если давление смеси в целом
равно 0,1 МПа,
Решение. 1. Общий объем смеси:
V= VN2+Vo2=0,35+ 0,15 =0,5 м3.
2. Объемные или молярные концентрации компонентов :
R N2= VN2/ V= 0,35 /0,50=0,70
rо2= Vо2/ V= 0,15 /0,50=0,30
3. Контрольное уравнение :
R N2+ rо2=0,70+0,30 =1,0
4. Молярная масса смеси :
µm=∑ µr=0,70*28,01+ 0,30 *32 =29,21 кг/к моль.
5. Удельная газовая постоянная смеси:
R=R/ µ =8314/29,21 =284,63 Дж/(кг К).
6. Парциальные давления компонентов:
рN2=r N2/ р m =0,70* 0,1= 0,070 МПа;
р о2=rо2/ рm =0,30* 0,1= 0,03МПа
7. Контрольное уравнение :
р = рN2+ р о2=0,070+ 0,03 =0,1МПа.
5.Понятие о теплоёмкости.
Теплоемкостью тела принято называть количество тепла, необходимого
для нагрева единицы количества вещества на один градус в определенном
процессе z.Теплоемкость принято обозначать символом С. Из приведенного
определения удельной теплоемкости следует, что:
Czm=q/(t2-t1),(2.6.)
где t1 ,t2-начальная и конечная температуры;q-тепло, подведенное к единице
количества вещества в процессе нагрева от температурыt1до температуры t2.
Величина q в уравнении зависит не только от интервала температур , но и от
вида процесса подвода тепла. Поэтому величина q снабжается индексом,
характеризующим вид процесса, z. Индекс z обозначает тот параметр, который
сохраняется постоянным в данном процессе.
Наиболее часто на практике используются теплоемкости изобарного (z=р
=const) и изохорного(z=V=const) процессов; теплоемкости называются
изобарной и изохорной и обозначаются соответственно Сp и Сv.
Теплоемкость в общем случае величина переменная, зависящая от
температуры и давления, а для идеальных газов только от температуры.
Поэтому теплоемкость, определяемую по формуле, указанной выше называют
средней теплоемкостью и обозначают Czm , в отличии от так называемой
истинной теплоемкости, определяемой для заданной температуры и
обозначаемой соответственно Сp и Сv.
В тепловых расчётах используют следующие понятия:
11
1.
2.
3.
4.
Массовой теплоемкостью называется количество тепла, необходимое
для нагрева единицы массы вещества (обычно 1кг или 1г) на один
градус в данном процессе.
Молярной называется теплоемкость, отнесенная к одному молю (или к
киломолю ) вещества .
Объемной.называется теплоемкость, отнесенная к единице объема
вещества (обычно 1м3) .
Наиболее часто в расчетах используется массовая теплоемкость,
которую в дальнейшем будем называть просто теплоемкостью.
6.Определение истинных и средних теплоемкостей.
Истинные и средние теплоемкости определяют двумя способами:
графическим (по диаграммам) и табличным (с использованием специальных
таблиц ).
Рис. 2.2. Определение истинных и средних теплоёмкостей.
4.2.1.Графический способ. В диаграмме C - tпо оси абсцисс откладываются
значения температур, а по оси ординат – теплоемкость тела. Ординаты 1- 3 и 24вмасштабе определяют значения истинных теплоемкостей соответственно при
температурах t1иt2. Если площадь четырехугольника 1342 заменить площадью
равновеликого прямоугольника 1562, то ордината1-5будет в масштабе
определять среднюю теплоемкость процесса Czm, в интервале температур t1 –t2.
Площадь этого прямоугольника, определяемая как произведение ординаты Czm,
на основание (t2-t1), определяет количество тепла, подведенного (или
отведенного) в этом процессе на единицу количества вещества:
q= Czm(t2-t1).(2.7.)
Если зависимость изменения теплоемкости от температуры представить в
виде прямой линии, то средняя теплоемкость тела в интервале температур t2t1определяется как истинная при среднеарифметической температуре
процесса:t=(t2+t1)/2. Иными словами, чтобы определить среднюю теплоемкость
Czm необходимо найти среднюю температуру процесса и
по графику
определить искомую теплоемкость. Найденная теплоемкость Czm, будет
средней для интервала температур t2-t1 и истинной для средней температуры
процесса. Таким же образом определяются все теплоемкости (молярная,
объемная, массовая).
12
4.2.2. Аналогичным образом определяются теплоёмкости с помощью
специальных таблиц. (таб. 2.1)
Таб. 2.1. Массовая теплоемкость некоторых газов
при постоянном давлении (кДж/ кг° С)
П ример.
Определить количество тепла, необходимого для нагрева воздуха массой
1кг при постоянном давлении с температурой t1=200°Сдо t2=600 °С.
Решение. Количество тепла, необходимого для нагрева воздуха,
находим по уравнению :
q= Czm(t2-t1).
Значение теплоемкости определяем по табл. 4.1. при средней температуре процесса. Средняя температура процесса:
T = ( t2+t1)/2=(200+600)/2=400°С,
а теплоемкость при этой температуре 1,03 кДж/ (кг ° С). Следовательно,
количество тепла, необходимого для нагрева воздуха:
q=С(t2-t1)=1,03*(600-200)=412кДж/кг.
Если количество воздуха будет не 1кг, а G кг, то количество
тепла для его нагрева в данном интервале температур составит:
Q=G q=4126 кДж.
7. Теплоемкости смесей
Если состав газовой смеси задан массовыми концентрациями отдельных
компонентов m1, m2, ..., m n их теплоемкости соответственно Czm1,Czm2,…,Czmn,
томассовая теплоемкость смеси определяется уравнением:
Czm=m1Czm1+m2Czm2+…+m n Czmn; (2.8.)
т. е. удельная массовая теплоемкость смеси равна сумме произведений
массовых концентраций компонентов смеси и их удельных теплоемкостей в
соответствующем процессе. Если же состав смеси задан молярными
концентрациями компонентов r1,r2,..., r nих теплоемкости соответственно Czm1,
Czm2,…,Czmn,то средняя молярная теплоемкость смеси равна сумме
13
произведений молярных концентраций компонентов смеси на их молярные
теплоемкости в соответствующих процессах (z=Vили z= р ):
Czm=r1Czm1+r2Czm2+…+r n Czmn. (2.9.)
Если газовая смесь задана объёмными концентрациями, то объемную
теплоемкость смеси при нормальных физических условиях можно найти по
уравнению пориведенному выше, с той лишъ разницей, что уравнение надо
разделить на величину этого объёма, одинакового для всех газов и равного
22,4 м3/кмоль.
Контрольные вопросы.
1.Что такое чистое вещество, смесь?
2.Какие схемы смешения вы знаете?
3.Дайтепонятие теплоёмкости?
4.Какие виды теплоёмкостей вы знаете? Как они определяются.
5.Перечислите способы определения теплоёмкости .
14
Лекция №3.
Первое начало термодинамики. Энтальпия. Принцип
эквивалентности Джоуля. Классификация и анализ простейших
процессов термодинамики. Политропные процессы.
1.Закон сохранения энергии.
Первое начало термодинамики представляет собой приложение к тепловым
явлениям закона сохранения и превращения энергии, являющегося наиболее
общим, универсальным законом природы, применимым ко всем явлениям и
процессам.
Существует множество различных видов энергии, например, кинетическая
энергия, связанная с движением тела как целого, электрическая энергия,
связанная с движением электрических зарядов, внутренняя энергия, связанная с
молекулярным и внутримолекулярным движениями, и др. Энергия данного
вида, в результате взаимодействия тел может превращаться или переходить в
любой другой вид энергии, причем в изолированной системе сумма всех видов
энергии является величиной постоянной.
Другими словами, энергия изолированной системы при любых
происходящих в системе процессах не меняется; энергия не уничтожается и не
создается (закон сохранения и превращения энергии).
Понятие энергии неразрывно связано с движением материи: энергия есть
физическая мера движения материи. Различие отдельных видов энергии
обусловлено качественным различием конкретных форм движения
материальных тел. Взаимные превращения энергии тел отражают
безграничную способность движения переходить из одних форм в другие;
следовательно, выражает собой факт неуничтожимое движения материального
мира.
Закон сохранения и превращения энергии в историческом аспекте
является дальнейшим развитием и конкретизацией всеобщего закона
сохранения материи и движения М. В. Ломоносова.
После Ломоносова обоснованием и развитием закона сохранения и
превращения энергии занимались русский академик Гесс (1840 г.), Джоуль,
Майер (1842 г.), Гельмгольц (1847 г.).
2.Принцип Эквивалентности Джоуля.
Экспериментальным подтверждением первого закона термодинамики
явился известный опыт Джоуля. В этом опыте впервые было осуществлено
полное превращение механической работы в теплоту и тем самым доказана
эквивалентность тепла и работы.
Принцип эквивалентности характеризует взаимные превращения тепла и
работы, являющиеся основными формами передачи энергии между телами.
Принцип эквивалентности состоит в том, что превращение тепла в работу и
15
работы в тепло осуществляется в строго постоянном соотношении, которое
характеризуется тепловым эквивалентом.
Установление принципа эквивалентности было наиболее трудным этапом в
формировании первого начала термодинамики. Впервые тепловой эквивалент
был определен английским физиком
Джоулем в1843-1850 гг. по
тепловыделению при трении и немецким ученым Р. Майером в 1842г. по
разности теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме.
В результате серии тщательно поставленных опытов Д. Джоуль установил,
что между затраченной работой L и количеством полученного тепла Q
существует прямая пропорциональность:
Q=AL, (3.1)
Где А - коэффициент пропорциональности.
Джоуль установил, что этот коэффициент А сохраняет постоянное значение
независимо от того, как получено тепло, каков вид работы, какова температура
тела ит. П. К такому же выводу в середине прошлого столетия пришли Р.
Майер (1842г.) и Ленц (1844г.).
3.Первое начало в математическом выражении.
Исходное уравнение первого начала термодинамики формулируется как
математическое выражение закона сохранения энергии, являющегося
фундаментальным законом природы и имеющего всеобщий характер. Этот
закон утверждает, что энергия не исчезает и не возникает вновь, а лишь
переходит из одного вида в другой в различных процессах. Он означает, что
изменение внутренней энергии тела равно алгебраической сумме подведенных
количеств тепла и работы, или можно сказать, что тепло, полученное телом
извне , идет последовательно на изменение внутренней энергии тела и на
совершение внешней полезной работы:
U=Q1,2-L1,2(3.2.)
Q1,2= U+ L1,2,(3.3.)
где Q1,2-тепло, которое сообщено телу извне при изменении от состояния 1 до
состояния 2;
U- это изменение внутренней энергии тела. L1,2 -внешняя (эффективная) работа,
подведенная к телу в процессе 1- 2.
В термодинамике принято, что тепло, подводимое к телу, считается
положительным, а отводимое от тела – отрицательным. Соответственно
работу, производимую телом или системой тел, считают положительной, а
работу, которую подводят к телу или которая совершается над телом,
считают отрицательной. Этим и объясняется знак «минус» у работы на
рисунке, где показано, что в данном случае работа подводится к телу извне.
Рис 3.1.Внешний баланс термодинамической системы.
16
3.Энтальпия.
При изучении процессов перемещения тел из области одного давления в
область другого используются понятия потенциальной работы и энтальпии.
Энтальпия определяется как сумма внутренней энергии системы U и
произведение давления системы p на объём V:
J=U+ p V (3.4.)
Или удельная массовая энтальпия (отнесённая к единице массы вещества):
I= J/ G = u+ p v (3.5.)
Энтальпия играет важную роль в самых разнообразных термодинамических
расчётах и измеряется в тех же единицах, что и тепло, и работа, и внутренняя
энергия.
6. Аналитическое выражение первого начала термодинамики
для идеальных газов. Закон Майера.
Аналитическим принято называть такое уравнение, в котором входящие в
него переменные величины допускают возможность их непосредственного
измерения с помощью различного вида приборов.
Идеальные газы подчиняются уравнению Клапейрона : p v=RT. Для
идеальных газов справедлив закон Джоуля, который утверждает, что
внутренняя энергия зависит только от температуры или, как принято говорить,
является функцией только температуры :
u=f(t)(3.6.).
Энтальпия по уравнению:
I=u + р v(3.7.)
Используя уравнение Клапейрона:
I= u+ p v=f(t+ р v) + RТ(3.8.).
Оба слагаемых правой части уравнения зависят только от температуры.
Следовательно, можно утверждать, что энтальпия как и внутренняя энергия для
идеальных газов зависит тоже только от температуры:
i=f(t) (3.9.)
Используя уравнение Клапейрона, получим
Cpm – Cvm=( р2 v2-р1v1)/(t2-t1)= R(Т2- Т1)/ (Т2- Т1)=R(3.10.)
Т =t+ 273,2;
Это уравнение, полученное Р. Майером впервые в1842 г., называется
законом Майера. Формула показывает, что теплоемкостьCpвсегда численно
больше теплоемкости Cv,что разность этих теплоемкостей равна
характеристической постоянной газа R. Разность молярных теплоемкостей
идеальных газов равна универсальной газовой постоянной:
Cpm – Cvm=R=8314(3.11.)
Уравнение позволяет при проведении инженерных расчетов и лабораторных
работ определить значение только одной теплоемкости, другая при
необходимости может быть найдена из уравнения .
17
5.Общие сведения о простейших термодинамических процессах.
Ранее указывалось, что термодинамическим процессом принято называть
любое изменение системы. При этом уравнение процесса может определяться
условием о постоянном значении в этом процессе какой-либо функции
состояния (например, i=const,р =const, t=constит. п.) .
Отсюда следует, что с помощью уравнений термодинамики можно изучать
самые разнообразные процессы. На практике обычно выделяют четыре
основных процесса: изохорный, изобарный, изотермический, адиабатный.
Кроме этого, в термодинамике часто пользуются обобщенным понятием
политропного процесса.
Слово политропа происходит от греческих слов «поли»-много, и « тропас »путь. Политропный процесс( Рис. 3.3.)-это в принципе любой процесс, где
одновременно могут изменяться все параметры рабочего тела (давление,
объем, температура), осуществляться подвод или отвод тепла ит. п.
Политропный процесс объединяет все указанные процессы, которые, как будет
показано далее, являются его частными случаями.
Рассмотрим основные термодинамические процессы и установим
соотношения, связывающие между собой параметры состояния вещества в этих
процессах.
5.1.Изохорный процесс.
Изохорным принято называть такой процесс, или такое изменение состояния
тела, при котором удельный объем остается постоянным:
v=const.
Процесс этот может происходить только в замкнутом пространстве
постоянного объема при подводе или отводе тепла.
При изохорном процесс в координатах р -v от состояния 1 и 2, идеального газа
на изохоре связаны между собой соотношением :
P2/p1=T2/T1(3.12.)
5.2.Изобарный процесс.
Изобарным называется такой процесс или такое изменение состояния
тела, при котором давление. Остается постоянным (p=const). Этот процесс
может быть осуществлен, например, в цилиндре с подвижным поршнем. Как и
в случае изохорного процесса, параметры газа в любой точке процесса могут
быть определены с помощью диаграмм состояния или с помощью приведенных
соотношений с учетом того, что давление в процессе остается неизменным.
Рассмотрим изобарный процесс в координатах р –v из состояния системы в
точке 1 до состояния системы в точке 2. Если известны параметры состояния вт
очке 1, для определения параметров тела в точке 2необходимо знать только
один из параметров системы в точке 2. Параметры состояния идеального газа в
изобарном процессе связаны между собой следующим соотношением:
v1 /v2=T2/T1 (3.13.)
18
Из уравнения, приведённого выше следует, что чем выше температура газа
Т2вконце процесса, тем больше удельный объем газа v2.
Рис.3.1.Изобарный процесс в координатах p-v.
Это значит, что расширение газа в изобарном процессе сопровождается
повышением температуры газа.
Удельная термодинамическая работа изменения объёма в изобарном процессе:
L1,2=PM(v2-v1)(3.14.)
Количество тепла, подводимого системе при нагревании тела (или
охлаждении):
q1,2 = i2-i1 ,(3.15.)
а для идеальных газов:
q1,2 = C pm(t2- t1)(3.16.) ,
Q1`2 = G C pm(t2- t1)(3.17.)
5.3.Изотермический процесс.
Изотермическим называется такой процесс, или такое изменение состояния
тела, при котором температура его остается постоянной (T=const). Изотермы
идеального газа в координатах р-v имеют вид
гипербол. Чем выше
температура процесса, тем выше располагается соответствующая линия
процесса. Давления и объемы в любых точках на изотерме идеального газа
связаны уравнением Бойля-Мариотта :
P1v1 =P2 v2 =P v=Const(3.18.)
Рис. 3.2.Изотермы идеального газа.
19
5.4.Адиабатный процесс.
Адиабатным называется такой процесс, в котором к телу не подводится
тепло и не отводится от него (δ q=0). В координатах р - v этот процесс
отличается от изотермы несколько большим наклоном коси абсцисс, т. е.
адиабата идет более круто, чем изотерма.
Термодинамическую систему, в которой протекает обратимый адиабатный
процесс (q=q1,2=0,иq=0), можно представить как какое-либо тело, например
газ, ограниченный идеальной теплоизоляционной оболочкой, абсоллютно
непропускающей тепло. В реальных условиях этот процесс следует считать
внешне адиабатным . Действительно, при течении реального газа, например, по
газопроводу с идеальной внешней изоляцией, теплообмен между газом и
внешней средой отсутствует. Но поскольку течение газа в трубопроводе будет
сопровождаться трением, возникнет тепло внутреннего теплообмена , которое
идет на нагрев этого тела.
6.Политропный процесс.
Политропными процессами принято называть термодинамические процессы,
подчиняющиеся уравнению:
P vn =const=С (3.19.)
или уравнению:
р 1/nv=const=C1, (3.20.)
где n– это показатель политропы, являющийся в данном процессе величиной
постоянной, но который может иметь любые частные значения как
положительные (от 0до + ∞), так и отрицательные (от 0до- ∞); С, C1постоянные, характеризующие прохождение политропы через какую-либо
точку процесса, например через начальную точку 1или конечную точку 2 :
С= p1v1n=p2v2n(3.21.)
C1 = р11/nv1 = р21/nv2. (3.22.)
Уравнение политропы по внешнему виду сходно с уравнением адиабаты .
Однако между этими процессами имеется существенная разница. В уравнении
адиабаты показатель процесса может в общем случае изменяться в процессе,
здесь показатель nостается только постоянным. Кроме того, на политропе
может подводиться или отводиться тепло .
Рис. 3.3.Политропный процесс.
20
Политропный процесс обобщает все ранее рассмотренные обратимые
термодинамические процессы. Из уравнения политропы вытекает, что процесс
с показателем n=0 представляет собой обычный изобарный процесс :
Pv0=p=const. (3.23.)
При n=+-∞ это будет изохорный процесс, при n=к -адиабатный процесс.
Контрольные вопросы.
I. Сформулируйте принцип эквивалентности в термодинамике?
2.Каково принципиальное отличие между понятиями теплоты и работы в условиях их
взаимодействия?
3.Что такое энтальпия? Как она определяется?
4.В чем отличие уравнения первого начала термодинамики для потока от уравнения
первого начала для замкнутого пространства?
5.Как формулируется закон Майера? Каково его практическое значение?
6.Что такое термодинамический процесс? Какие процессы вы знаете.
Лекция №4.
Второе начало термодинамики. Энтропия. Свойства диаграмм.
Круговые процессы. Третье начало.
1.Формулировка второго начала термодинамики как
выражения принципов существования ивозрастания
энтропии.
Очень часто вучебниках термодинамики второе начало преподносится как
объединенный принцип существования и возрастания энтропии.
𝑑𝑄
Значение интеграла ∫ называют энтропией системы в состоянии А.
𝑑𝑇
Принцип возрастания энтропии сводится кутверждению, что энтропия
изолированных систем неизменно возрастает при всяком изменении их
состояния иостается постоянной лишь при обратимом течении процессов:
dSизол ≥0(4.1.)
Энтропия обладает рядом свойств:
𝑑𝑄
1.Для обратимого кругового процесса∫ =0 ,откуда вытекает, что для двух
𝑑𝑇
обратимых процессов величина интеграла должна быть одинаковой.
2.Энтропия всякой изолированной системы тел не может уменьшаться, а
может оставаться постоянной или увеличиваться.
21
3.Энтропия системы есть сумма энтропий всех тел этой системы.
В действительности принципы существования и возрастания энтропии
ничего общего не имеют . Физическое содержание: принцип существования
энтропии характеризует термодинамические свойства систем, а принцип
возрастания энтропии характеризует наиболее вероятное течение реальных
процессов. Математическое выражение принципа существования энтропии равенство, а принципа возрастания - неравенство.
Области применения: принцип существования энтропии и вытекающие из
него следствия используются для изучения физических свойств веществ, а
принцип возрастания энтропии - для суждения она иболее вероятном течении
физических явлений. Философское значение этих принципов также различно.
Вывод о существовании абсолютной температуры Т и энтропии S как
термодинамических функций состояния любых тел и систем составляет
основное содержание второго начала термостатики и распространяется на
любые процессы - обратимые и необратимые.
2.Общие свойства энтропийных диаграмм.
Энтропийными, принято называть такие диаграммы, в которых на одной из
осей координат откладываются значения удельной энтропии s, а на другой любой другой параметр состояния, например абсолютная температура Т или
удельная энтальпия i . Соответственно эти диаграммы так и называются:
диаграммы Т-Sили i-s.
Ценность диаграммы Т-s заключается прежде всего в том, что она дает
возможность графически определить количество тепла, сообщаемого телу или
отводимого от него. Количество тепла, характеризующее термодинамический
теплообмен, измеряется в координатах Т –S величиной площади между линией
процесса 1-2ординатами, проведенными через точки 1 и 2 и осью S. Знак
теплообмена определяется направлением изменения энтропии тела.
Если процесс идет в сторону возрастания энтропии, т. е. слева направо в
координатах Т-S, то он характеризует подвод тепла к телу .
Если процесс идет справа налево, т. е. в сторону уменьшения энтропии, то
он характеризует отвод тепла от тела .
Рис 4.1.Сообщение иотвод тепла в термодинамических процессах.
На Т-S диаграмме изотермический и адиабатный процессы изображаются в
виде прямых линий. Изотермический процесс идет параллельно оси абсцисс S,
а равновесный адиабатный процесс параллельно оси ординат (оси Т), так как в
адиабатном процессе изменение энтропии равно нулю, т. е.
22
S1-S2=0 (4.1.)
3.Круговые процессы.
Одним из важнейших понятий термодинамики является понятие об
обратимых и необратимых процессах. Мы уже говорили, что обратимыми
называются такие процессы, при совершении которых в прямом и обратном
направлениях, термодинамическая система возвращается в исходное состояние
и при этом в окружающей среде не происходит никаких изменений. Это
значит, например, что если к системе при совершении прямого процесса
изменения состояния вещества подводится какое-либо, количество тепла, то
при совершении обратного процесса от системы отводится то же количество
тепла.
Естественно, что в необратимых (реальных) процессах система уже не
возвращается в исходное состояние при совершении обратного процесса.
Круговыми процессами или циклами, которые осуществляются в различных
тепловых, машинах, называются замкнутые процессы, характеризующиеся
возвратом рабочих тел в исходное состояние. Круговые процессы в тепловых
машинах осуществляются как процессы периодически повторяющиеся. Все
тепловые машины можно разделить на два больших класса - тепловые
двигатели и холодильные машины. Качественной характеристикой тепловых
двигателей является
их коэффициент полезного действия (КПД),
определяемый как отношение полученной работы L к затраченному количеству
тепла Q1:
КПД=L /Q1 =1- q2/ q1(4.2.)
КПД цикла характеризует степень его совершенства; чем больше КПД,
тем совершеннее цикл, тем больше работа, получаемая при подводе одного
итого же количества тепла.
Качественной характеристикой холодильных машин является холодо
производительность, которая определяется как отношение количества тепла,
отнимаемого от источника низших температур Q2, к количеству подведенной
извне работы L:
Х= Q2/L=Q2/(Q1-Q2) (4.3.)
4.Цикл Карно.
В 1824г. французский инженер С. Карно предложил - обратимый цикл
тепловых машин, осуществляемый между двумя источниками постоянных
температур нагревателем T1и холодильником Т2. В качестве рабочего тела в
цикле используется идеальный газ. На всех стадиях цикла количество газа одно
и то же.
Цикл Карно как термодинамический цикл теплового двигателя
осуществляется следующим образом. В процессе 1-2 к рабочему телу с
температурой Т1подводится тепло от горячего источника, имеющего тоже
температуру Т1. Рабочее тело расширяется, совершая полезную работу,
например, перемещая поршень машины из точки 1в точку 2. При этом процесс
23
подвода тепла происходит таким образом, что температура газа на участке 1-2
все время остается неизменной, несмотря на увеличение объема и снижение
давления, т. е. процесс подвода тепла, компенсирует снижение температуры
газа при расширении. Таким образом, процесс на участке 1-2 осуществляется
как изотермический (T=const ) с подводом к рабочему телу удельного тепла. В
точке 2 подвод тепла к рабочему телу прекращается.
Дальнейшее расширение газа осуществляется уже по адиабате 2-3 при
полной тепловой изоляции рабочего тела от внешней среды. Так как на участке
2-3нет подвода тепла к рабочему телу, то при
расширении газа его
температура уменьшается до Т2, равной температуре холодного источника, В
точке 3тепловая изоляция рабочего тела прекращается и рабочее тело начинает
сжиматься по линии 3- 4таким образом, что его температура остается
неизменной (T2=const) за счет отвода тепла к холодному источнику, т. е. сжатие
газа осуществляется по изотерме3-4. После того как газ придет в состояние 4,
отвод тепла прекращается и дальнейшее сжатие происходит уже по адиабате 41сповышением температуры до Т1. Цикл замыкается в точке 1 и далее
повторяется тем же самым способом. Таким образом, цикл Карно состоит из
двух изотермических процессов 1-2 и 3-4 и двух адиабатных 2-3 и 4-1.
Рис 4.3.Цикл Карно в координатах P-v:а-теплового двигателя; б-холодильной машины.
Контрольные вопросы.
1. В чем состоит физический смысл второго закона термодинамики?
2.Что такое термодинамическая шкала абсолютных температур?
3.Как изображаются процессы подвода и отвода теплоты в энтропийных
диаграммах?
4.Как изображается цикл Карно в координатах Т-s? Показать на диаграмме
количество подведенной, отведенной теплоты и работу в цикле.
5.Что такое цикл теплового двигателя и холодильной машины?
6.Какие показатели являются качественной характеристикой теплового
двигателя и холодильной машины? Как они определяются?
7.Из каких процессов состоит цикл Карно? Как определяется его к. п. д.?
24
Лекция №5
Процесс нагревания, кипения, парообразования. Основные
параметры жидкостей и пара. Графическое изображение.
Таблицы паров.
1. Процессы нагревания и кипения.
Рис 5.1.Процесс парообразования в координатах P-v
В теплотехнике часто используют разного рода жидкости и их пары аммиак, фреон, углекислота. В дальнейшем мы ограничимся рассмотрением
парообразованием воды имеющее очень важное значение.
Процесс парообразования можно проследить на следующем примере.
Возьмем один кг воды 0°С и удельным давлением р и будем её нагревать.
Если при р = const нагревать жидкость, то t-а будет повышаться . При этом
молекулы преодолевая силы сцепления вылетают в окружающее пространство
идет процесс парообразования. Он сильнее, чем выше температура.
В некоторый момент температура воды достигнет температуры кипения
(точка b). При кипении пар образуется во всей массе жидкости. Имея меньшую
плотность, чем жидкость, пузырьки пара устремляются к поверхности, и
начинается интенсивное испарение жидкости с сильным увеличением объема
смеси. Таким образом, отрезок изобары соответствует процессу нагревания
жидкости при постоянном давлении от 0°Сдо температуры кипения
t.Температуру кипения, при которой вода начинает превращаться в пар,
иногда называют температурой насыщения, а пар, образующийся при этом,
влажным насыщенным паром.
При дальнейшем подводе тепла количество жидкой фазы уменьшается, а
количество пара увеличивается. Температура смеси остается постоянной, так
как все подводимое тепло идет на испарение жидкой фазы. Этот процесс
парообразования в координатах р -v изображается линией b' -с", которая
одновременно является и изобарой, и изотермой. Следовательно, процесс
парообразованияb' -с"является изобарно-изотермическим. При переходе смеси
в состояние, характеризуемое на диаграмме точкой с" последняя капля воды
превращается в пар, который называется сухим насыщенным паром.
25
Следовательно, сухой насыщенный - это пар, полностью освобожденный от
примесей воды. На графике чем правее точка, тем суше пар.
Влажность пара определяется по уравнению:
y = 1-x, (5.1.)
где x-сухость пара
На графике в точке B΄ х=0 и в точке С̕ х=1. Тепло, расходуемое на превращение
1кг воды, предварительно нагретой, до температуры кипения в пар называют
скрытой теплотой парообразования.
На графике можно определить (.)d – состояние перегретого пара.
Перегретый пар- это пар температура, которого выше температуры сухого
пара.
Если рассматривать несколько процессов, то:
АВ - значение удельных объемов.
МК - состояние кипящей жидкости.
КN- состояние сухого пара.
(.) К является критической у воды и пара одинаковые параметры.
На диаграмме парообразования в координатах р – v соответствует состоянию
перегретого пара и в зависимости от температуры может находиться на разных
расстояниях от точки c". Таким образом, перегретым называется пар,
температура которого выше температуры сухого насыщенного пара, при
том же давлении.
Соединяя одноименные точки между собой, получим линии АВ, МК и УК.
Линия АВ характеризует значение удельных объемов жидкости
при.Температуре0°С, линия МК-состояние кипящей жидкости, а линия
КУ - состояние сухого насыщенного пара. Таким образом, линии АВ, МК и УК
делят диаграмму на три области.
Область, лежащая в криволинейном треугольнике МКУ, соответствует
влажному насыщенному пару (область насыщения). Состоянию перегретого
пара соответствует область, лежащая правее и над верхней пограничной кривой
КМ.
2.Параметры состояния пара.
Для обозначения величин, относящихся к различным состояниям воды и
пара, принята следующая индексация: величина с индексом «0» относится к
начальному состоянию воды при 0°С и давлении р; величина с индексом « ' »-к
воде, нагретой до температуры кипения при давлении р; величина с индексом
«"» - к сухому насыщенному пару при давлении р; величина с индексом « х» к
влажному насыщенному пару; величина без индекса – к перегретому пару.
Параметры:
1. Удельный объем влажного насыщенного пара
Vх = хV˝ + (1-х)V̕= V̕+ х (V˝- V̕)
Если V̕пренебречь, то Vх ≈ х V˝
2. Удельная энтальпия влажного пара, как для смеси пара и жидкости
ίх =хί˝ + (1-х) ί̒=ί̒ + х (ί˝-ί̒)= ί̒ + х r,
26
где r - cкрытая теплота парообразования, равная количеству тепла,
необходимого для превращения 1кг воды, нагретой до температуры кипения
при данном давлении, в сухой насыщенный пар той же температуры (r=i" -i').
3. В критической точке К:
ркр≈22,56 МПа
tкр≈374,15 °С
Vкр≈0,00326м3/кг
4. Подведенное тепло:
q1,2= ί̒ - ίо≈ ί̒
5. Энтропия:
Sх= S̒+ x r/TS
6. Теплоемкость:
q1,2 = cрт*(Т-Тs)
3.Диаграммы паров.
Изобара и изотерма, совпадающие в области насыщенного пара при входе в
область перегретого пара, переходят в кривые, причем изобара располагается
выше изотермы. Изотерма, как и изобара, поднимается слева направо, но
гораздо слабее, причем подъем ее уменьшается по мере удаления от
пограничной кривойх=1иона асимптотически приближается к горизонтали.
На диаграмме i-sводяного пара наносятся также линии постоянного объема
v= const:изохоры. Изохоры идут несколько круче, чем изобары. Большим
достоинством диаграммы i-sявляется то, что количество тепла и работа в ней
изображаются отрезками - разностью ординат конечной и начальной точек
процесса. Эти свойства диаграммы и обеспечили ей широкое распространение
на практике. Для практических целей диаграмма i-s выполняется не для всей
области насыщения, а только для части ее вблизи верхней пограничной кривой,
что позволяет увеличить масштаб диаграммы и нанести подробную сеть
изобар, изохор, изотерм и кривых постоянной сухости х =const.
Рис. 5.2.
Изобары пара.
27
Рис.5.3.
Диаграмма водяного пара.
При проведении расчетов параметры жидкости, сухого насыщенного или
перегретого пара находят обычно по специальным таблицам, где приводятся
эти данные (v', v", i', i", s', s" ит. п.), вычисленные на основе опытов и
теоретических исследований. Обычно эти параметры состояния приводятся в
зависимости от давления (табл. 8.1) или от температуры.
Пример8.1.Определить состояние водяного пара с давлением 1,02 МПа,
если его энтальпия равна 2680 кДж/ кг.
Решение. Из табл. видно, что при давлении пара р=1,0МП а энтальпия
сухого насыщенного пара , i"=2777,8 кДж/кг, что больше i=2680 кДж/кг.
Следовательно, пар влажный. Степень его сухости можно определить по
уравнению :
iХ = + x r,
отсюда
x=(iХ-i')/r=(2680-762,4)/2015,3=0,95
Пример8.2.Определить массу иэнтальпию0,6 м3 пара влажностью у = 1 х=0,2 при давлении р = 0,3МПа.
Решение. По табл. сухого насыщенного пара v'=0,6055 мз/кг. Удельный
объем данного пара можно определить по уравнению
vХ= х v"=(1 —0,2) 0,6055 =0,4844 м3/кг,
а его масса:
G=v/ vХ=0,6/0,4854=1,24
Энтальпия пара массой G:
G ix= G(i' +x r) =1,24(561,7+0,8*2163,9)=2843,1кДж.
28
Таб 5.1.Параметры сухого насыщенного пара и воды в зависимости от давления на кривой
насыщения.
Контрольные вопросы.
1.Какпроисходитпроцесспарообразования?2.Что такое влажный и сухой насыщенный пар?
Каковы его основные характеристики?
3.Что называется теплотой парообразования? Как она определяется?
4.Как'изображаются процессы парообразования в координатах p-v
5.Как изображаются процессы в координатах p-v; T-s.
29
Лекция №6.
Истечение газов и паров через суживающиеся сопла.
Дросселирование.
1.Общие сведения об истечение газов и паров.
Изучение вопроса об истечении газов и паров имеет огромное значение
для решения большого числа технических задач. В частности, процессы,
совершающиеся в паровых и газовых турбинах, центробежных и осевых
компрессорах, связаны с переходом газа или пара из области одного давления в
область другого давления, сопровождающуюся различными преобразованиями
энергии. Процессы истечения газов и паров обычно сопровождаются быстрыми
изменениями параметров состояния вещества, в результате чего необратимые
потери достигают заметной величины. Для получения основных расчетных
соотношений процессов истечения как процессов перемещения паров из
области одного давления pl в область другого давления р2целесообразно
воспользоваться уравнением потенциальной работы для обратимого процесса
в условиях, когда изменение высоты центра тяжести потока не играет
существенной роли (h2-hl). Из уравнения имеем :
W1,2=с22/2- с12/2 ; (6.1.)
где W1,2-потенциальная работа; с2 ,с1-конечная и начальная скорость
истечения.
2.Режимы истечения
Рис 6.1. Режимы истечения
.
Форма поперечного сечения сопла не оказывает существенного влияния
на его работу. Бывают сопла круглые, квадратные прямоугольные, и все они
практически работают хорошо. Наиболее важным оказывается вопрос, каким
должно быть сопло в продольном направлении. Истечения в суживающихся
соплах, а также истечения через отверстия в тонких стенках
характеризуются следующими особенностями: при постоянном начальном
давлении р1= constснижение противодавления на выходе из сопла р2приводит к
заметному возрастанию массовой скорости и2. Этот режим называется
докритическим режимом истечения и характеризуется условием:
р2=рнар≥ р2βкр. (6.2.)
30
Вершина кривой истечения и = икр соответствует прекращению
истечения в суживающихся соплах и через отверстия в тонких стенках. Этот
режим истечения называется критическим режимом и характеризуется
условием:
р2=рнар = р1βкр. (6.3.)
Дальнейшее уменьшение р нар в суживающихся соплах приводит к тому, что в
устье сопла устанавливается постоянное критическое давление ркр независимо
от уменьшающегося давления наружной среды рнар. Соответственно
неизменному давлению ркр неизменными в устье сопла окажутся удельный
объем и температура Ткр, скорость и массовый расход.
Таб. 6.1.Характеристики критического истечения паров и газов
Для подсчёта линейной критической скорости скр можно использовать
следующую формулу:
(6.4.)
Такой же формулой определяется скорость распространения звука в
среде.
Значения характеристик
приведены втабл.6.1.
критического
истечения
паров
и
газов
3.Сопло Лаваля
Для обеспечения расширения за пределы критического режима
необходимо дополнить суживающееся сопло расширяющейся частью в
соответствии с уменьшением массовой скорости (см. область пунктирной ветви
кривой истечения ). Такие сопла называются соплами Лаваля (рис.6.2.) и
служат они для закритического режима истечения. Сопло Лаваля обеспечивает
полное расширение газа или пара в диапазоне давлений от pl до ркр без потерь
энергии на выходе сопла. На рис 6.1. показан процесс истечения газа из сопла
Лаваля в координатах р - v. Часть работы (верхняя заштрихованная площадь)
превращается в кинетическую энергию в суживающемся элементе сопла, а
31
другая часть этой работы (нижняя заштрихованная площадь) – в
расширяющемся элементе. Сопло Лаваля применяется только при истечении
газа в сверхзвуковой области, т. е. когда необходимо, получить высокие
скорости истечения газа на выходе из сопла, например в соплах сверхзвуковых
самолетов. В наименьшем сечении (горловине сопла) достигается критическая
скорость, и параметры здесь ркр, vкр.Ткр.
В расширяющейся части сопла, скорость газа еще увеличивается с≥ скр,
соответственно этому уменьшается давление р ≤ р кр увеличивается удельный
объем v≥vкр. Если длину расширяющейся части сопла l выбрать
соответствующим образом, то в выходном сечении сопла можно получить
давление, равное давлению окружающей среды, т. е. осуществить полное
расширение. Однако для осуществления при этом работы сопла Лаваля без
значительных необратимых потерь при расширении угол его конусностиαне
должен превышать 8-12°. В противном случае струя истекающего газа будет
отрываться от стенок сопла, что приведет к образованию вихрей и,
следовательно, к появлению необратимых потерь. При меньших углах
раскрытия сопла его расширяющаяся часть излишне велика, что увеличивает
потери газа на трение о стенки и уменьшает скорость истечения.
Рис 6.2.Характеристика процесса при истечении газа из сопла Лаваля.
4 . Дросселирование газа и пара.
Если на пути движения газа и пара в трубопроводе встречается
местное сопротивление, например вентиль или кран, оно вызывает падение
давления . Этот процесс называется дросселированием или мятием рабочего
тела. Внезапное сужение потока можно рассматривать как прохождение его
через плохо спрофилированное сопло. Проходя через узкое сечение, поток
разгоняется за счет уменьшения давления. Истечение через сужение связано с
большими потерями на трение, в результате чего значительная часть
кинетической энергии превращается в тепло. Для процесса дросселирования
можно отметить две характерные особенности: во-первых, процесс
дросселирование протекает настолько быстро, что теплообмен между рабочим
32
телом и внешней средой практически отсутствует, т. е. q1,2=0 и во-вторых,
процесс дросселированиея протекает без совершения внешней полезной
работы, т. е. W 1,2=0.
В соответствии с этим уравнение первого начала термодинамики по
внешнему балансу тепла и работы принимает вид:
ί2- ί1=0 илиί2= ί1=const, (6.5.)
т. е. удельная энтальпия пара или газа при дросселировании потока газа
не изменяется. Поэтому этот процесс называют еще изоэнтальпийным. Для
идеальных газов постоянство энтальпиипри дросселировании означает, что
температура газа остается постоянной t1= t2.
Большая часть реальных газов при дросселировании охлаждается, если
их температура перед дросселем не особенно велика (не выше 600°С). При
высоких температурах дросселирование реальных газов, наоборот, приводит
ких разогреву.
Дросселирование пара на различных местных сопротивлениях
неэкономично, потому что приводит к потере части располагаемой работы.
Правда, иногда дросселирование специально используется для регулирования
работы двигателя. Хотя такое регулирование и неэкономично, оно
используется в силу своей простоты.
В специальных холодильных установках дросселированиешироко
используется, когда необходимо уменьшить давление газа или пара перед
агрегатом или когда надо охладить рабочее тело, например в установках для
получения глубокого холода.
Рис. 6.3. Дросселирование газа.
Контрольные вопросы.
1.Что такое процесс истечения и чем он характеризуется?
2.Какие режимы истечения вы изучили? От чего они зависят?
3.Что такое сопло Лаваля? Какова область его применения?
4.Какой процесс называется дросселированием газа?
33
Лекция №7.
Основные понятия и формы передачи тепла. Понятие о
теплопроводности. Закон Фурье.
1.Основные понятия.
Теория теплопередачи изучает законы переноса тепла в твердых, жидких и
газообразных телах. Различают следующие формы передачи тепла:
теплопроводность, конвекцию и излучение.
Теплопроводность
–
это
процесс
переноса
тепла
(энергии)
соприкасающимися,
беспорядочно
движущимися
(колеблющимися)
структурными
частицами
вещества
(молекулами,
атомами,
электронами).Структурные частицы более нагретой части тела, обладающей
большей энергией, соприкасаясь с окружающими частицами, передают им
часть своей энергии. Такой теплообмен может осуществляться в любых
термически неравновесных телах или в системах тел. Механизм переноса
энергии зависит от физического состояния тел.
В жидкостях, в твердых телах перенос тепла осуществляется путем
непосредственной передачи теплового движения молекул и атомов соседним
частицам вещества.
В металлах перенос тепла осуществляется путем движения (диффузии)
свободных электронов; передача тепла за счет упругих колебаний
кристаллической решетки второстепенна.
В газообразных телах распространение тепла теплопроводностью
происходит вследствие обмена энергией при соударении молекул, имеющих
различную скорость теплового движения (путем диффузии молекул и атомов).
Конвекиия представляет собой перенос тепла при перемещении объемов
текущей среды (жидкости или газа) в пространстве из области с одной
температурой в область с другой.
Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, так как при этом
соприкасаются частицы, имеющие различные температуры. Совместный
перенос тепла конвекцией и теплопроводностью называется коллективным
теплообменом. Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и
поверхностью твердого тела называется теплоотдачей.
Тепловое излучение - процесс переноса тепла в виде электромагнитных
волн. На поверхности тела его внутренняя энергия превращается в энергию
электромагнитных волн различной длины, распространяющихся в
пространстве со скоростью света.
Распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны могут
поглощаться другими телами, превращаясь при этом во внутреннюю энергию
этих тел.
34
Теплообмен излучением - это процесс превращения внутренней энергии тел
в энергию излучения, переноса излучения и его поглощения телом.
Рассмотренные формы переноса тепла во многих случаях осуществляются
совместно.
2.Закон Фурье.
В основу теории теплопроводности положен закон Фурье - тепловой поток
прямо пропорционален температурному градиенту и площади поверхности
тела. Закон Фурье для плоской однослойной стенки (рис.7.1. ) записывается
следующим образом:
Θ1−Θ2
Θ1−Θ2
Q=λ
Η=
Η, (7 .1.)
δ
R
где Q- это тепловой поток (количество передаваемого тепла в единицу
времени), Вт; ( Θ1 − Θ2 )/ δ -температурный градиент, характеризующий
изменение температуры на единицу длины пути потока, °С/м; Δ Θ=Θ1 − Θ2изменение температуры на пути теплового потока (температурный напор), т.
е.разность температур поверхностей плоской стенки, °С; δ - толщина
стенки(пути теплового потока), м; Н—площадь поверхности стенки, м2.
Рис.7.1. Передача тепла теплопроводностью в плоской однослойной стенке.
Отношение теплового потока к площади поверхности теплопроводности
называется плотностью теплового потока:
Ġ=Q/ Н.(7 .2.)
Для каждого тела коэффициент теплопроводности имеет свое численное
значение и зависит от природы, пористости, влажности, давления, температуры
и других параметров. Численное значение определяется опытным путем. В
практических расчетах используют значения коэффициента теплопроводности,
которые приводятся в справочных таблицах. При выводе уравнения (7.1.)
принято, что k не зависит от температуры и является постоянной величиной.
Наихудшими
проводниками
тепла
являются
газы.
Коэффициенттеплопроводности газов возрастает с увеличением температуры и
изменяется в пределах 0,005 -0,5 Вт/(м °С).Коэффициент теплопроводность
жидкостей лежит в пределах 0,07-0,7 (Вт/ м °С) и, как правило (за исключением
воды и глицерина), уменьшается увеличением температуры.
35
Наилучшими проводниками тепла являются металлы, у которых λ = 16- 418
(Вт/м °С). У большей части металлов с возрастанием температуры он
уменьшается.
3.Передача тепла теплопроводностью через многослойные
стенки.
Поверхности теплообменных аппаратов, трубчатых печей и котельных
установок с обеих сторон покрыты загрязнениями, стенки трубопроводов
покрываются тепловой и антикоррозийной изоляцией, стенки кладки топок
паровых котлов и трубчатых печей состоят из нескольких слоев обычного и
огнеупорного кирпича ит. д. Тепловой поток, проходя через такую стенку,
преодолевает сопротивление нескольких слоев.
Рассмотрим передачу тепла теплопроводностью через плоскую трехслойную
стенку (рис.7.2.) при условиях: толщина слоев стенки δ1, δ2, δз, коэффициенты
теплопроводности материалов соответственно контакт между слоями
идеальный, т. е. контактное термическое сопротивление отсутствует и
температура на границе смежных слоев одинакова.
Рис7.2 .Передача тепла теплопроводностью через плоскую трехслойную стенку.
В общем случае для стенки состоящей из нескольких слоев плотность
теплового потока:
Θ1−Θn+1 Θ1−Θn+1
ġ = δί
=
, ( 7 .3.)
∑λί
∑ 𝑅ί
где
R-термическое
сопротивление
многослойной
стенки
Выражение можно привести к виду уравнения теплопроводности для плоской
однослойной стенки. При замене плоской многослойной стенки
условно(эквивалентной) однослойной принимают, что их термические
сопротивления равны (R=RЭ) и толщина эквивалентной однослойной стенки
равна толщине многослойной стенки:
Δ=∑ δ ί= δ1 + δ2 + ⋯ + δn(7.4.)
Контрольные вопросы.
1.Назовите три формы передачи теплоты, чем они отличаются?
36
2.Какие процессы переноса теплоты называются стационарными?
3.Как формулируется закон Фурье?
4.Дайте определение теплового потока и его плотности?
5.Что такое температурный градиент и термическое сопротивление
теплопроводности?
6.Каково физическое содержание коэффициента теплопроводности и его
значение для газов, жидкостей и металлов?
7.От чего зависит тепловой поток при передаче теплоты теплопроводностью
(от температуры или ее изменения в теле) через плоскую стенку?
37
Лекция№8.
Конвективный теплообмен. Закон Ньютона-Рихмана. Тепловое
излучение. Основные законы и определения. Теплопередача
между носителями через стенку. Назначение и принцип действия
основных теплообменных аппаратов.
1.Основной закон конвективного теплообмена.
Наибольший интерес в инженерных расчетах, как уже говорилось,
представляет конвективный теплообмен между жидкостью и поверхностью
твердого тела, называемый теплоотдачей. Теплоотдачу принято рассчитывать
по формуле Ньютона -Рихмана:
Q=ά (Θ-τ)Η,( 8 .1.)
А плотность теплового потока:
ġ= ά(Θ-τ), ( 8 .2.)
где Q–тепловой поток, Вт; τ-температура твёрдого тела и холодной жидкости °С ;
Η –поверхность теплоотдачи; ά-коэффициент, характеризующий условия
теплообмена между жидкостью и поверхностью твердого тела, называемый
коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м2С).
Важнейшими факторами, оказывающими влияние на коэффициент
теплоотдачи, являются следующие:
 природа возникновения движения жидкости у поверхности
теплообмена, режим движения жидкости,
 физические свойства жидкости,
 форма, размеры, положение в пространстве и состояние поверхности
теплообмена.

2.Возникновение движения жидкости у поверхности
теплообмена.
Процесс теплоотдачи протекает по-разному в зависимости от природы
возникновения движения жидкости. Для осуществления движения жидкости
необходимо действие сил. Силы, действующие на жидкость, разделяются на
массовые (объемные) и поверхностные. Массовые - это такие силы, которые
приложены ко всем частицам жидкости и обусловлены внешними силовыми
полями (гравитационным, электрическим).
Поверхностные - это такие силы, которые приложены к поверхности
объема жидкости и возникают вследствие действия на этот объем
окружающей жидкости или твердых тел. Такими силами являются силы
внешнего давления, создаваемого работой насосов, компрессоров и
вентиляторов, и силы трения.
Свободной конвекцией называется движение жидкости, вызванное
неоднородным распределением массовых сил, обусловленное разностью
38
плотности нагретых и холодных слоев, находящихся в поле тяготения. В этом
случае нагретые слои жидкости испытывают действие архимедовой силы и
движутся вверх и на оборот, охлажденные слои движутся вниз. Свободная
конвекция, в отличие от вынужденной, не может осуществляться без
теплообмена.
Вынужденной конвекцией называется движение жидкости, вызванное
действием внешних поверхностных сил, создаваемых работой насосов,
компрессоров ит. д.
Примером вынужденной конвекции может служить перенос тепла от
горячей воды к внутренней поверхности батареи водяного отопления.
Движение горячей воды по секциям батареи происходит под действием работы
водяных насосов. От внешней поверхности батареи к окружающему воздуху
помещения тепло передается в условиях свободной конвенции. Движение
воздуха около внешней поверхности батареи осуществляется вследствие
разности плотностей нагретого (около поверхности батареи поднимающегося
вверх) и холодного (вдали от поверхности опускающегося вниз) воздуха.
3.Режимы движения жидкости.
Различают ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости.
Ламинарным называется такое движение жидкости, при котором отдельные
струи перемещаются параллельно друг другу и стенкам канала, не
перемешиваясь (рис. 8.1.). При таком режиме перенос тепла от одной струйки к
другой
происходит
только
теплопроводностью.
Коэффициент
теплопроводности жидкостей (капельных и газов) невелик, поэтому
теплоотдача будет сравнительно мала.
Турбулентным называется такое движение, при котором отдельные
частицы жидкости перемещаются беспорядочно (хаотично), т. е. частицы
жидкости перемещаются как вдоль, так и поперек канала.
Однако на границе жидкости и стенки сохраняется струйное ламинарное
движение (см. рис. 8 .1.). Участок, где сохраняется ламинарное движение
жидкости, называется вязким подслоем. Толщина этого подслоя очень мала. В
турбулентном ядре частицы жидкости перемешиваются, и перенос тепла
осуществляется конвекцией. При перемешивании неизбежны столкновения
частиц, обладающих различной энергией, поэтому, естественно, происходит
перенос тепла и теплопроводностью. В вязком подслое передача тепла
осуществляется теплопроводностью. На рис.8 .1 показано распределение
скоростей и температур при ламинарном и турбулентном движении; причем
видно, что наибольшее падение температуры происходит в вязком подслое.
Форма размеры положение в пространстве и состояние поверхности
теплообмена. Форма поверхности (плита, одиночная труба или пучок
труб),положение в пространстве (вертикальное или горизонтальное,
коридорное или шахматное расположение труб в пучке), характер омывания
поверхности создает специфические условия для распределения скорости и
температуры в при стенной области, и в конечном счете для теплотдачи.
39
Рис 8. 1.Строение ламинарного и турбулентного пограничных слоёв. Распределение
температур и скоростей в слое.t0 ,ω0—температура и скорость набегающего потока; tстемпература стенки; δт-толщина турбулентного пограничного слоя; δл-толщина
ламинарного слоя; δлп -толщина ламинарного подслоя; а х -изменение коэффициента
теплоотдачи при ламинарном переходном и турбулентном течениях.
Формирование и распределение скоростей и температур определяются
теплофизическими свойствами жидкостей: вязкостью р, коэффициентом
теплопроводности Х, теплоемкостью С, плотностью р.
4.Теплообмен излучением.
Любое тело, имеющее температуру, отличную от абсолютного нуля, передаёт
теплоизлучением, т. е. существует поток тепла, передаваемый излучением от тел
более нагретых к менее нагретым и обратный - поток энергии от тел менее
нагретых к более нагретым.
Баланс такого обмена и представляет собой количество тепла, передаваемого
излучением. Теплообмен излучением связан с двойным превращением:
внутренняя энергия тела порождает поток электромагнитных колебаний
(лучистой энергии), в свою очередь поток энергии электромагнитных колебаний
при поглощении их другим телом вновь превращается во внутреннюю энергию.
Электромагнитные колебания возникают вследствие сложных внутриатомных и
молекулярных процессов. Существуют различные виды электромагнитного
излучения: космическое излучение, рентгеновское излучение, радиоволны и др.
Большинство твердых и жидких тел имеет сплошной спектр излучения, т. е.
излучают энергию во всем диапазоне длин волн. Некоторые тела (чистые
металлы, газы и др.) характеризуются выборочным, селективным излучением. С
увеличением температуры излучение увеличивается, так как увеличивается
внутренняя энергия тела.
Количество энергии, излучаемое поверхностью тела во всем интервале длин
волн (от λ=0 доλ = ∞) в единицу времени, называется полным (интегральным)
лучистым потоком Q(Вт). Излучение, соответствующее узкому интервалу длин
волн, называется монохроматическим. Количество энергии, излучаемое
единицей поверхности тела в единицу времени, называется избирательной
40
способностью тела Е (Вт/м), или плотностью интегрального излучения.
Излучательная способность тела, отнесенная к определенной волне излучения,
называется интенсивностью излучения J(Вт/м).
Лучистый поток, падающий на тело Q, частично им поглощается Q,
частично отражается QR, частично проходит сквозь тело :
Q=QA+QR+QD(8.3.)
Разделив обе части равенства на Q:
1 =A+ R+D. (8.4.)
Коэффициенты: А, R, D характеризуют соответственно поглощательную,
отражательную и пропускную (прозрачность) способности тела. В связи с этим
они именуются коэффициентами поглощения, отражения и пропускания. Эти
коэффициенты для различных тел могут меняться от 0 до 1.
Тела, которые всю падающую на них лучистую энергию поглощают,
называются абсолютно черными.
Если тело всю падающую на него лучистую энергию отражает , такое
тело называют абсолютно белым или зеркальным.
Если тело всю падающую на него лучистую энергию пропускает , такое
тело называют абсолютно прозрачным.
5.Законы теплообмена излучением.
Закон смещения Вина гласит, что длина волны, которой соответствует
максимальное
значение
интенсивности
излучения
(J=max),обратно
пропорциональна абсолютной температуре :
λ =2,9/(Т*103) (8. 5.)
Закон Стефана-Больцмана формулируется следующим образом: плотность
суммарного излучения абсолютно черного тела прямо пропорциональна
абсолютной температуре в четвертой степени:
Ес=с Т4 = с с(Т/100)4 ,( 8.6.),
где с, с с- коэффициенты пропорциональности(постоянная излучения различия
; с = 5,67 х10-8Вт/(M2К4); сс =5, 67 Вт/(M2К4)
Этот закон опытным путем был установлен чешским ученым Стефаном в1879г.
И теоретически обоснован австрийским ученым Больцманомв1881г.
Плотность суммарного излучения реальных (серых) тел принято определять, по
уравнению:
Е = с (Т/100) 4(8.7.)
Сопоставление плотностей суммарного излучения серого и абсолютно
черного тел при одинаковой температуре приводит к характеристике,
называемой степенью черноты ℇ:
ℇ = Е/Ес(8 .8.).
41
6.Теплопередача через плоскую и криволинейную
однослойную и многослойную стенку.
Рис 8 .2.Теплопередача через многослойную криволинейную стенку.
Процесс теплопередачи состоит из процессов теплоотдачи от
нагревающей(горячей) жидкости к поверхности стенки, передачи тепла
теплопроводностью через многослойную (или однослойную) стенку и процесса
теплоотдачи от поверхности стенки к нагреваемой (холодной) жидкости. При
установившемся процессе теплопередачи тепловой поток во всех
перечисленных стадиях сохраняет неизменное значение (q=idem). В связи с
этим для многослойной криволинейной (цилиндрической и сферической)
стенки (рис. 8.2.) можно написать ряд равенств, характеризующих
установившийся процесс теплопередачи:
𝜆1
𝜆2
𝜆n
Q= ά1 H(t-Θ 1)=
H1*( Θ 1- Θ 2)= (d2 H2*( Θ 2- Θ 3)=…= dn Hn*( Θ n–
d1
d2
Θ n + 1)(8.9.)
В этом ряду равенств первое уравнение определяет количество тепла,
передаваемого конвекцией (и излучением) от горячей жидкости 1кстенке;
второе уравнение -то же количество тепла, передаваемого теплопроводностью
через первый слой стенки; третье уравнение и последующие характеризуют
передачу одного итого же количества тепла теплопроводностью через все
последующие слои стенки и уравнение передачу того же самого количества
тепла конвекцией (и излучением) от стенки к холодной жидкости есть
величина, обратная полному термическому сопротивлению, называется
водяным эквивалентом поверхности теплопередачи, Вт / С.
Интенсифицировать теплообмен можно следующими путями:
42
1) повышением меньшего коэффициента теплоотдачи; 2)повышением обоих
коэффициентов или любого из них.
Помимо увеличения коэффициентов теплоотдачи интенсифицировать
процесс теплопередачи можно за счет оребрения поверхности теплоотдачи.
Оребряется та поверхность, со стороны которой а меньше. Теоретическим
пределом оребрения является равенство термических сопротивлений
теплоотдачи, в итоге при этом увеличивается произведение k*H и повышается
Q:
Температура слоев стенки вычисляется по формулам :
Θ1=t-R1Q;
Θ2= Θ1-Rс1Q;
Θ3= Θ2-Rс2Q;
Θn+1= Θn-RсnQ;(8.10.)
Контрольные вопросы.
1.От чего зависит тепловой поток при передаче теплоты теплопроводностью
(от температуры или ее изменения в теле) через плоскую стенку?
2.Сформулируйте условия замены плоской многослойной стенки, эквивалентной (расчетной) однослойной.
3.От чего зависит тепловой поток при передаче теплоты теплопроводностью
через криволинейные стенки?
4.Что такое линейная плотность теплового потока и от чего она зависит?
5.От чего зависит тепловой поток в условиях теплоотдачи (как формулируется основной закон)?
6.Каков физический смысл коэффициента теплоотдачи, и от каких факторов
главным образом он зависит?
7.Каково строение потока при ламинарном, турбулентном режимах течения
и как осуществляется теплоотдача в этих условиях?
8.Как происходит теплообмен излучением?
43
Лекция №9.
Назначение, устройство и принцип действия поршневых, осевых
центробежных компрессоров. Одноступенчатое сжатие в
поршневом компрессоре. Классификация. Основные параметры.
Термодинамический процесс одноступенчатого компрессора.
1.Классификация и назначение компрессоров.
Понятие компрессорные машины охватывает все возможные типы
машин, предназначенных для сжатия газов и паров. По принципу действия
компрессоры можно разделить на три основные группы: объемные, лопаточные и струйные. К объемным компрессорам относятся поршневые,
ротационные и винтовые. К лопаточным компрессорам относятся
центробежные и осевые. Струйные компрессоры из-за весьма низкого КПД не
получили широкого распространения в промышленности.
Поршневые компрессоры нашли широкое применение в народном
хозяйстве нашей страны. Основными их преимуществами являются
длительный срок службы, способность работать в широком диапазоне
давлений, возможность регулирования подачи за счет изменения числа
оборотов ит. д. К недостаткам этих машин относятся: большие вес и размеры,
что требует для них мощных фундаментов, неравномерность подачи газа ит. п.
2.Устройство и принцип
поршневого компрессора.
действия
одноступенчатого
Поршневой одноступенчатый компрессор состоит из цилиндра 1, поршня
2, совершающего возвратно-поступательное движение, двух клапанов 3всасывающего и нагнетательного.
Компрессор работает следующим образом. При движении поршня 2слева
направо давление газа в цилиндре становится меньше давления во
всасывающем патрубке. Всасывающий клапан открывается, и по мере
движения поршня в крайнее правое положение полость цилиндра заполняется
газом теоретически по линии п1. При обратном движении поршня справа
налево всасывающий клапан закрывается и поршень сжимает газ в цилиндре
теоретически по кривой 12, пока давление в цилиндре не достигает давления р2,
равного давлению газа в нагнетательной линии трубопровода. Открывается
нагнетательный клапан, и поршень выталкивает газ в нагнетательную линию
трубопровода при постоянном давлении р2 (линия 2-3). В начале нового хода
поршня слева направо вновь открывается всасывающий клапан, давление в
цилиндре падает с р2 до p1 теоретически мгновенно (линия 3п) и процесс
повторяется. Площадь 123п характеризует работу, расходуемую идеальным
компрессором на сжатие газа за один оборот его вала.
44
Рис 9 .2.Принципиальная схема одноступенчатого поршневого комрессора.Индикаторная
диаграмма.
Процессы, протекающие в реальных компрессорах, достаточно сложны,
так как при этом приходится учитывать влияние вредного пространства,
обусловленного тем, что поршень не может доходить в левом крайнем
положении вплотную до крышки цилиндра и поэтому между поршнем и
крышкой цилиндра всегда остается некоторый объем. В реальных
компрессорах приходится учитывать потери давления при течении газа через
клапаны, трение поршня о стенки цилиндра, утечки газа через неплотности и т.
д. Все это вместе взятое сильно изменяет вид индикаторной диаграммы
поршневого компрессора. В частности, из-за наличия сжатого газа во вредном
пространстве при движении поршня слева направо давление газа в цилиндре
изменяется по линии 3-4, а не мгновенно по линии 3-п.
3.Основные параметры.
Основными, параметрами, характеризующими работу компрессорных
машин, можно считать соотношение давлений сжатия, определяемое как
отношение за компрессором к давлению перед компрессором и их подачу.
Под подачей принято понимать секундное или часовое количество газа или
пара, которое нагнетает компрессор, выраженное в кубических метрах газа
или пара при параметрах, которые они имеют на входе в компрессор. При
анализе термодинамического процесса сжатия газа в компрессоре основной
интерес обычно представляет определение работы, затрачиваемой на сжатие
газа, конечной температуры процесса сжатия. Удельную работу процесса
сжатия можно найти из уравнения первого начала термодинамики. При этом
предполагают, что процесс сжатия в компрессоре происходит при следующих
условиях: теплообмен с окружающей средой весьма мал и, следовательно,
q1, 2=0; скорости движения газа во всасывающем и нагнетательных патрубках
равны с1= с2, изменением высоты центра тяжести потока можно пренебречь
h1=h2, необратимые потери отсутствуют. При этих условиях уравнение
упрощается и удельная работа, затрачиваемая на сжатие 1кг газа или пара в
компрессоре, будет определяться соотношением :
45
W1,2= ί1- ί2 , (9.1.)
W1,2—удельная потенциальная (или техническая) работа сжатия.
Если обозначить G(кг/c) расход газа через компрессор, то можно
определить мощность, которую затрачивают на сжатие газа в компрессоре:
N=G (i2–i1). (9.2.)
Полученные уравнения справедливы как для поршневых, так и для
лопаточных машин.Отсюда мы имеем:
(9.3.)
4.Осевые компрессоры
Осевые и центробежные компрессоры различаются между собой
направлением основного потока в рабочем колесе. В осевом компрессоре
направление потока совпадает с осью вращения рабочего колеса. Рабочее
колесо , в центробежном компрессоре осевого компрессора поток движется в
радиальном направлении. Осевые компрессоры обычно выполняются
многоступенчатыми. Каждая ступень состоит из рабочего колеса 1с рабочими
лопатками и неподвижного направляющего аппарата 2. Газ по выходе из
рабочего колеса первой ступени поступает в направляющий аппарат второй
ступени, затем в следующий ряд рабочих лопаток этой ступени ит. д. Рабочие
колеса ступеней вместе с валом, на котором они насажены, образуют ротор
компрессора 3. Направляющие аппараты с корпусом, в котором они
закреплены, составляют статор 4. Осевые и центробежные компрессоры
характеризуются уравновешенностью в работе, плавной подачей газа и находят
широкое применение на магистральных газопроводах как составные элементы
газотурбинных установок.
Рис.9.3.Рабочее
колесо
осевого
компрессора
Рис.9.4.Схема многоступенчатого осевого компрессора.
46
Контрольные вопросы.
1.Что такое компрессорная машина?
2.Перечислите основные типы компрессорных машин? В чем их различие?
3.Поясните принцип работы одноступенчатого компрессора?
4.Какая величина является главной характеристикой компрессоров?
5.Поясните принцип работы осевых центробежных компрессоров?
Лекция №10.
Цикл многоступенчатого поршневого компрессора. Расчёт
мощности привода компрессора и числа степеней сжатия.
1.Общие сведения.
Многоступенчатый компрессор применяется для получения сжатого
газа высокого давления. Он представляет собой совокупность нескольких
последовательно
работающих
одноступенчатых
компрессоров
с
промежуточным охлаждением сжимаемого газа между ступенями.
Производительность одноступенчатого поршневого компрессора убывает с
увеличением давления и при достаточно большом отношении конечного и
начального давлений обращается в нуль. Увеличение числа ступеней сжатия
понижает отношение давлений в каждой из ступеней и тем самым повышает
объемный к. п. д. компрессора и его производительность. В центробежном
компрессоре, где давление газа пропорционально квадрату окружной скорости
колеса, для сжатия газа до значительных давлений в одной ступени
потребовались бы чрезмерно большие числа оборотов, поэтому и в этом случае
необходимо применить многоступенчатое сжатие. Кроме того, переход к
многоступенчатым компрессорам с промежуточным охлаждением газа
позволяет снизить температуру газа в конце сжатия, что улучшает условия
работы компрессора и делает его эксплуатацию более надежной.
При высоких давлениях сжатия газа в одноступенчатом компрессоре в конце
процесса температура газа достигает весьма высокого значения, что
нежелательно, в частности, из-за опасности воспламенения компрессора,
поэтому
для
получения
газа
высокого
давления
используются,
многоступенчатые
компрессоры,
представляющие
собой
несколько
последовательно соединенных одноступенчатых компрессоров.
Между
отдельными
ступенями
устанавливаются
теплообменники,
обеспечивающие охлаждение газа, сжатого на предыдущей ступени.
47
Рис 10.1.Сжатие газа в двухступенчатом компрессоре.
На рис. 10.2. показана схема двухступенчатого компрессора с одним
промежуточным холодильником газа, а процесс сжатия в таком компрессоре
изображен на рис. 10.1. Газ при давлении p1через впускной клапан поступает в
компрессор низкого давления 1, где, сжимается политропно по линии 12снекоторым отводом тепла при сжатии через стенки компрессора.
Сжатый воздух поступает в холодильник 2, где, проходя по змеевику, он
охлаждается проточной водой до первоначальной температуры Т1(линия 2-2') и
входит в компрессор высокого давления 3. Здесь газ вновь сжимается с
некоторым отводом тепла (процесс 2' -3) и выбрасывается выкидную линию.
Промежуточное охлаждение газа в холодильнике дает существенный
выигрыш в работе, измеряемой площадью 22'33' в координатах р - v (рис. 10.1).
Тепло, отданное газом в холодильнике, определяется площадью в22' c b в
координатах Т-s. Для получения наименьшей работы сжатия при
проектировании многоступенчатых компрессоров стремятся, во-первых,
обеспечить равенство температур газа на входе во все ступени компрессора и,
во- вторых, обеспечить равенство работ сжатия по всем ступеням компрессора.
Последнее условие можно выполнить, если степень повышения давления в
каждой ступени компрессора одинакова.
Под степенью повышения давления понимается отношение давления газа на
выходе из ступени, к давлению на входе в ступень, т. е.:
X1= Р2/ Р21=Х2= Р3/ Р2 (10.1.)
W1= W11(10.2.)
Если в компрессоре не две, а т ступеней, то распределение давлений между
ступенями компрессора должно отвечать условию:
X1= X2=…= Xn (10.3)
Рис 10.2..Схема двухступенчатого компрессора.
48
Таким образом, зная начальное конечное давление газа в компрессоре, можно
определить общее соотношение давлений сжатия х = рк/рn и подсчитать
давления сжатия по ступеням. Затем, подсчитать работу сжатия в каждой
ступени и, просуммировав работы сжатия по ступеням, определить общую
работу сжатия по компрессору в целом. Чем больше ступеней сжатия в
компрессоре, тем ближе процесс приближается к изотермическому, тем
сложнее и дороже компрессор.
Кроме того, переход к многоступенчатым компрессорам с промежуточным
охлаждением газа позволяет снизить температуру газа в конце сжатия, что
улучшает условия работы компрессора и делает его эксплуатацию более
надежной.
Одним из важных преимуществ многоступенчатых компрессоров
является меньший расход энергии на привод компрессора, т. е. снижение
работы сжатия. Как уже указывалось, изотермическое сжатие газа в
компрессоре является наиболее экономичным, так как затраты работы при
изотермическом сжатии значительно меньше, чем при адиабатическом или
политропном сжатии. Однако самое совершенное охлаждение стенок цилиндра
не приближает в достаточной мере процесс сжатия к изотермическому. Более
эффективное охлаждение достигается, если процесс сжатия газа. Вследствие
охлаждения газа в промежуточном холодильнике объем газа уменьшается по
сравнению с объемом газа в конце сжатия впервой ступени на величину V и
точка, изображающая состояние газа в начале сжатия во второй ступени,
располагается на исходной изотерме U. При переходе на двухступенчатое
сжатие получается экономия работы, определяемая заштрихованной
площадкой 2: 1'2Г2".Процесс сжатия в двухступенчатом компрессоре
изображается ломаной линией 1 2 V 2'. Если представить себе компрессор с
очень большим числом ступеней сжатия при промежуточном охлаждении до
первоначальной температуры, то такой компрессор по своей экономичности
будет близок к компрессору с изотермическим сжатием. На рис.
10.1.представлена теоретическая индикаторная диаграмма для компрессора с
большим числом ступеней.
Контрольные вопросы.
1.Для чего применяются многоступенчатые компрессоры?
2.В чём различие термодинамических процессов в одноступенчатом и многоступенчатом компрессорах?
3.В чём состоит преимущество многоступенчатого компрессора перед
односупенчатым?
49
Лекция №11.
Классификация поршневых двигателей. Поршневые двигатели в
нефтяной и газовой промышленности. Основные элементы
топлива для ДВС. Термодинамический цикл ДВС со смешанным
подводом теплоты. Тепловой расчёт. Газовые двигатели.
Применение в нефтяной и газовой промышленности
Термодинамический цикл ГТУ с изобарным подводом теплоты.
Использование ГТУ при бурении нефтяных и газовых скважин.
1. Классификация поршневых двигателей.
Поршневые
двигатели
внутреннего
сгорания
могут
быть
классифицированы по различным признакам.
1. По термодинамическому признаку поршневые двигатели внутреннего
сгорания делятся на три группы: карбюраторные и газовые двигатели;
двигатели, компрессорные дизели с пневматическим распыливанием топлива;
двигатели, дизели с механическим распыливанием топлива.
2. По виду применяемого топлива различают:
 поршневые двигатели жидкого топлива - карбюраторные, дизели;
газовые двигатели;
 двигатели бинарного топлива – газодизели, т. е. такие двигатели,
которые работают на газообразном топливе и в качестве запального
топлива (для самовоспламенения) используется жидкое (7-25% от
цикловой подачи);
 многотопливные двигатели, которые могут работать на любом жидком
топливе.
3. По способу смесеобразования различают двигатели с внешним и
внутренним смесеобразованием.
Двигатели с внешним смесеобразованием - это такие, у которых приготовление
топливно-воздушной смеси осуществляется вне цилиндра в специальном
приборе- карбюраторе (карбюраторные двигатели) или смесителе (газовые
двигатели).
У двигателей с внутренним смесеобразованием приготовление топливновоздушной смеси производится в цилиндре. Сюда относятся дизели,
бензиновые и азовые двигатели с подачей топлива непосредственно в цилиндр.
Дизели по смесеобразованию делятся: на двигатели с объемным ( с
непосредственным впрыском, предкамерные, вихрекамерные и воздушнокамерные) и пленочным смесеобразованием.
4. По способу газообмена поршневые двигатели внутреннего сгорания
подразделяются на четырехтактные и двухтактные. Очистка цилиндра от
50
отработавших газов и заполнение его свежим зарядом называются
газообменом. У четырехтактных двигателей рабочий процесс осуществляется
за четыре хода поршня (за два оборота коленчатого вала), у двухтактных - за
два хода поршня (за один оборот коленчатого вала). Кроме того поршневые
двигатели могут быть: простого (рабочий процесс осуществляется по одну
сторону поршня (рис. 13.1, а) и двойного действия ( рабочий процесс
осуществляется по обе стороны поршня, рис, 13.1, б).
Рис. 11.1.Схемы поршневых двигателей внутреннего сгорания.
5. По способу наполнения рабочего цилиндра различают двигатели без
наддува и с наддувом.
Наддув применяется для повышения мощности поршневых двигателей
внутреннего сгорания.
6. По способу воспламенения горючей смеси поршневые двигатели внутреннего
сгорания делятся на двигатели с воспламенением от постороннего источника
энергии (от электрической искры - карбюраторные, газовые; от раскаленной
поверхности ) и с самовоспламенением (дизели, газовые дизели).
7. По конструкции кривошипно-шатунного механизма: тронковые (с
цилиндровой мощностью до 450 кВт) и крейцкопфные(тихоходные двигатели
большой мощности рис. 11.1).
51
Рис. 11.2. Схемы многорядных двигателей внутреннего сгорания: а—двухрядные (Vобразные); б — трехрядные(W-образные); в —четырехрядные (Х-образные и H-образные)
б
в
а
7. По числу цилиндров и их расположению: одноцилиндровые и
многоцилиндровые (рис.11.2), с вертикальным, горизонтальным и
наклонным расположением цилиндров причем, двигатели могут быть:
o Однорядными
o Двухрядными (v-образное расположение цилиндров);
o трехрядными(W-образное),
o четырех рядными (Х- и Н- образное расположение) и
o звездообразными (одной многорядные).
9. По степени быстроходности:
 тихоходные (двигатели со средней скоростью поршня до 10 м/с) и
 быстроходные (со средней скоростью поршня больше 10 м/с);
10. По направлению вращения коленчатого вала -правого и левого вращения,
реверсивные и нереверсивные двигатели (вращение осуществляется по часовой
или против часовой стрелки).
11. По способу охлаждения-двигатели воздушного и жидкостного охлаждения.
12. По назначению двигатели делятся:
-стационарные
промышленного назначения (электростанции; заводы,
насосные
и компрессорные станции магистральных нефтепроводов
и газопроводов),
-наземно-транспортные
(тепловозные,
автомобильные,
тракторные,
передвижные, дорожные, транспортно-погрузочные),
-судовые (главные и вспомогательные).
2.Маркировка ДВС.
Для стационарных и судовых дизелей различных типов по ГОСТ 4393 - 74
для маркировки двигателей приняты обозначения, состоящие из букв и цифр.
Буквы обозначают: Ч - четырехтактные, Д - двухтактные, ДД – двухтактные
двойного действия, Р - реверсивные, С- судовые с реверсивной муфтой, П –с
редукторной передачей, К -крейцкопфные, Н – с наддувом. Цифрами – в
переди буквенных обозначений указывается число цилиндров, после
буквенных обозначений, в числителе диаметр цилиндра в сантиметрах, в
знаменателе ход поршня в сантиметрах. Например, 6ЧН10,5/13шестицилиндровый, четырехтактный двигатель с наддувом; диаметр цилиндра
10,5 см и ход поршня13см.
52
3. Тепловой расчёт.
Задачей теплового расчета поршневых ДВС являются определение
параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла, нахождение
среднего индикаторного давления, определение основных размеров и
показателей экономичности. Среднее индикаторное давление (р1) -такое
условное постоянное давление, которое, действуя на поршень, в течение хода
расширения совершает работу, равную индикаторной работе двигателя Li:
Li= рiVн(11.1.)
Для определения р при проектировании последовательно строят процессы
газообмена(впуска и выпуска), сжатия, сгорания и расширения по параметрам
состояния рабочего тела конечных точек и получают теоретическую диаграмму
Затем находят среднее давление р, соответствующее этому условному
процессу, а после внесения поправок получают среднее индикаторное давление
р; действительного процесса поршневого двигателя. В теоретической
диаграмме рабочего процесса поршневого двигателя внутреннего сгорания
линия сжатия подчиняется политропному закону с постоянным средним
показателем п1, предполагается, что процесс сгорания идет при V=idem и р
=idem у дизелей и V=idemу карбюраторных и газовых двигателей; Линия
расширения подчиняется политропному закону с постоянным средним
показателем п2. Затраты работы на газообмен (насосные потери) относятся к
механическим потерям.
Рис. 11.2. Теоретическая индикаторная диаграмма.
Среднее давление теоретической диаграммы рабочего процесса в
соответствии сего определением рассчитывается по уравнению :
Рm=Lm/V m(11.2.)
Действительные индикаторные диаграммы отличаются от теоретических
тем, что процесс сгорания отклоняется от линий V=idemиp=idem,начинается с
некоторым опережением, и протекает во времени; выпускной клапан (в
четырехтактных двигателях и двухтактных с прямоточной продувкой) или окна
(в двухтактных двигателях) открываются с опережением, вследствие чего
начальный процесс выпуска не соответствует линии =idem;процессы сжатия и
расширения отклоняются от политропы со средними показателями
п1ипв.Перечисленные отклонения действительных диаграмм от теоретических
приводят к тому, что площадь действительной диаграммы получается меньше
53
и соответственно несколько меньше будет среднее индикаторное давление р. В
термодинамическом расчете рабочего процесса указанные отклонения не могут
быть определены, поэтому они учитываются на основе опытных данных путем
введения коэффициента полноты индикаторной диаграммы  .
Для четырехтактных двигателей:
Pi=pm(11.3.)
Для двухтактных двигателей :
Pi=pm(1-) (11.4.),
где-коэффициент полноты индикаторной диаграммы =0,92:0,98;
-относительная высота окон в двухтактных двигателях.
Значение среднего индикаторного давления при номинальной нагрузке для
основных типов двигателей колеблется в следующих пределах:
Индикаторная мощность ДВС с учётом тактности:
Ni= (Li п*2)/103*60*i(11.5.)
Индикаторная работа за цикл в одном цилиндре определяется по уравнению:
Li=рiVн(11.6.)
Эффективная мощность на валу двигателя Nебудет меньше индикаторной на
величину мощности механических потерьNм Работа газов в единицу
Четырехтактные дизели без наддува
0,6-1,0МПа
Четырехтактные дизели с наддувом
0,8-1,8 МПа
Двухтактные дизели
0,6-0,9 МПа
Четырехтактные карбюраторные двигатели
0,7-1,2 МПа
Четырехтактные газовые двигатели
0,6-0,9 МПа
Эффективная мощность на валу двигателя :
Nе=Ni-Nм (11.7.)
Мощность механических потерь состоит из мощностей, затрачиваемых на
трение (Nтр ), на насосные потери (N нac),на привод вспомогательных
механизмов (Nвсп),и на привод продувочного и наддувочного агрегатов (Nпр):
Nм=Nтр.+ Nнac.+Nвсп.+ Nпр.(11.8.)
Наибольшими потерями из всех слагаемых являются потери на трение
поршня о стенки цилиндра и в подшипниках; эти потери составляют до 75% от
всех механических потерь.
Аналогично соотношению между мощностями
можно написать
соотношение между средними давлениями:
ре= р i-рм;(11.9.)
где ре- среднее эффективное давление, рм- среднее давление механических
потерь.
Установлено, что рм зависит от типа двигателя, средней скорости поршня,
отношения хода поршня к диаметру цилиндра (S/D),числа и размера
цилиндров, нагрузки и от других факторов. Принято в практических расчетах р
определять по эмпирическим зависимостям вида:
рм= а +bСм(11.10.)
54
4. Газовые двигатели.
Рис. 11.3. Простейшая схема ГТУ..
Газотурбиновой установкой принято называть такой двигатель, где в
качестве рабочего тела используется неконденсирующийся газ (воздух,
продукты сгорания топлива), а в качестве тягового двигателя применяется
газовая турбина.
Основными элементами ГТУ являются: компрессоры, регенераторы, камеры
сгорания и газовые турбины.
В стационарных ГТУ для сжатия циклового воздуха применяют осевые
компрессоры, в авиационных - центробежные. В этих компрессорах допускается
высокая скорость потока, поэтому они приспособлены для нагнетания больших
объемов воздуха. В связи с этим размеры их невелики, а частота вращения
соответствует частоте вращения газовых турбин, что допускает работу их на одном
валу. Важная особенность осевых компрессоров - сравнительно высокий к. п.д.,
достигающий 90%. Газовые турбины по конструктивному выполнению подобны
паровым. В отличие от паровых турбин, срабатываемый перепад в газовых
турбинах невелик, поэтому число ступеней газовых турбин меньше. Массовые и
объемные расходы газа, протекающие через проточную часть, получаются
большими. Это приводит к большой высоте лопаток, к повышению к.п.д. турбины
и ограничению ее агрегатной мощности по условиям пропуска газа. Характерная
особенность ГТУ - отсутствие регулирующих клапанов между компрессором и
газовой турбиной, следовательно, нет и потери давления.
Высокая температура газов перед турбиной затрудняет ее использование и
обусловливает применение жаропрочных сталей и сплавов. Для регенерации тепла
в ГТУ применяют специальные теплообменные аппараты. Поверхности нагрева
теплообменных аппаратов образуют большое число труб малого, диаметра или
волнообразные пластины. Между двумя волнистыми пластинами образуются
каналы, по которым проходит нагреваемый воздух. С внешней стороны стенки
этих каналов омываются отработавшими газами газовых турбин.
55
В энергетике ГТУ получили пока небольшое применение. Перестройка
топливного баланса страны на использование газа и мазута устраняет одну из
причин, ограничивающих применение ГТУ в энергетике.
Значительное увеличение экономичности ГТУ достигается использованием тепла
отработавших газов для теплофикации. ГТУ применяют в металлургической
промышленности, на железнодорожном и автомобильном транспорте, в качестве
судовых двигателей. Широкое распространение ГТУ получили в нефтяной и
газовой промышленности в качестве энергоприводов газоперекачивающих
агрегатов на компрессорных станциях магистральных газопроводов и силовых
агрегатов буровых установок.
Контрольные вопросы
1.Перечислите виды поршневых двигателей?
2.По каким признакам классифицируются ДВС?
3.Какие виды топлива используются для ДВС?
4.В чём заключаются задачи теплового расчёта?
5.Где применяются поршневые двигатели?
6.Как маркируются двигатели?
56
Лекция №12
Цикл и схема паросиловой установки. Графическое изображение
цикла. Классификация поршневых двигателей. Особенности
устройства паровой, компрессорной и холодильной установок.
1.Паросиловая установка.
В паросиловых установках в качестве рабочего тела используются пары
различных жидкостей (вода, ртуть ит. п.), но чаще всего водяной пар, а в
качестве топлива для котельных установок - практически все промышленные
виды топлива. Преимущественное использование водяного пара в паросиловых
установках объясняется, во-первых, широким распространением воды в
природе и, во-вторых, хорошими термодинамическими свойствами водяного
пара. Дело в том, что в процессе парообразования объем воды значительно
увеличивается, а это дает возможность получить при расширении пара
значительную полезную работу. Простейшая схема паросиловой установки
представлена на рис 12.1. Работает такая установка следующим образом. В
паровом котле 1 за счет подвода тепла образуется пар при постоянном
давлении. В пароперегревателе 2 он дополнительно нагревается и переходит в
состояние перегретого пара. Из пароперегревателя пар поступает в паровой
двигатель 3 (например, в паровую турбину с электрогенератором), где
полностью или частично расширяется до давления р2сполучением полезной
работы L .Отработанный пар направляется в холодильник-конденсатор 4, где
он полностью или частично конденсируется. Конденсация пара происходит в
результате теплообмена между отработавшим паром и охлаждающей
жидкостью, протекающей через холодильник 4. Сконденсированный пар
поступает на вход насоса 5, в котором давление жидкости повышается до
первоначального. Цикл установки замыкается.
Рис 12.1 .Паросиловая установка.
Если в холодильнике 4 происходит частичная конденсация отработавшего
пара, то в паросиловой установке вместо насоса 5 используется компрессор, где
давление пароводяной смеси также повышается с р2 до р1. Однако для того,
чтобы уменьшить работу на сжатие, целесообразно полностью
сконденсировать пар конденсаторе и сжимать затем в насосе - компрессоре
не пароводяную смесь, а выходящую из конденсатора воду. Такой цикл
называется циклом Ренкина.
57
2.Пути повышения эффективности паросиловых установок.
Существуют два пути повышения экономичности паросиловых установок: за
счет повышения параметров пара перед турбиной, т. е. за счет повышения его
начальной температуры и давления и за счет усложнения схем паросиловых
установок. Эффективность использования паросиловой установки можно
значительно повысить за счет дальнейшего использования теплоты отработавшего
пара для отопления, горячего водоснабжения, сушки материалов и т. д. С этой
целью охлаждающую воду, нагретую в конденсаторе, не выбрасывают в водоем, а
прокачивают через отопительные установки теплового потребителя. В таких
установках станция вырабатывает механическую энергию в виде полезной работы
L.Такие станции называют теплоэлектроцентралями (ТЭЦ). Комбинированная
выработка тепловой и электрической энергии один из основных методов
повышения эффективности тепловых установок.
3.Особенности устройства паровой компрессорной холодильной
установок.
В холодильной установке тела охлаждаются до температуры, которая ниже
температуры окружающей среды. Чтобы осуществить это, необходимо от тела
отнять тепло и передать его в окружающую среду. Сделать это можно только
за счет работы, подводимой извне.
Холодильные
установки
широко
распространены
в
пищевой
промышленности, в быту: они широко используются при замораживании
грунта при строительстве подземных сооружений ит. п. Теоретически наиболее
выгодным циклом холодильной установки является обратный цикл Карно.
Однако цикл Карно в холодильных установках не используется из-за
конструктивных трудностей, которые возникают при реализации этого цикла,
и, кроме того, влияние потерь из-за трения настолько велико, что сводит на нет
преимущества цикла Карно.
Для получения неглубокого холода наибольшее распространение получили
паровые компрессионные установки. Схема такой установки приведена
рис.12.2. и ее цикл в координатах Т-s.
В качестве рабочего тела в таких установках используются низкокипящие
жидкости такие, как аммиак, фреон и др.
Холодильная установка состоит из холодильной камеры 1, где должна быть
температура ниже температуры окружающей среды, компрессора II,
испарителя III, конденсатора IV и регулирующего (дроссельного) вентиля V.
Работает установка следующим образом. Компрессор IIзасасывает из
испарителя ПI при постоянном давлении p=const холодильный агент в виде
влажного или сухого пара при давлении, выше атмосферного и отрицательной
температуре (точка 1), и сжимает его по адиабате 1-2 до более высокого
давления р2. При этом температура агента на диаграмме в точке 2 становится
уже положительной и превышает температуру охлаждающей воды, которая в
данной установке играет роль окружающей среды.
58
Рис.12.2. Схема и цикл паровой компрессионной холодильной установки.
Вследствие этого пар при давлении p=const полностью конденсируется (точка
4). Конденсат проходит через вентиль V, в котором он дросселируется до
давления р и поступает в испарительIII, где испаряется (на диаграмме процесс
5-1), отнимая тепло от охлаждаемых тел и вновь засасывается компрессором .
Цикл повторяется.
До последних лет в холодильной технике использовались в качестве
холодильных агентов: хлористый метил (СН3С1), углекислота (СО2) и наиболее
часто аммиак (NH3).
За исключением аммиака, применявшиеся ранее холодильные
агенты
вытесняются в настоящее время группой веществ, называемых фреонами.
Контрольные вопросы.
1. Почему в паросиловых установках в качестве рабочего тела используются
лары жидкости, например воды?
2.Каковы характерные особенности цикла Ренкина?
3.Каковы основные характеристики паросиловой установки?
4. Каковы основные способы повышения экономичности паросиловых
установок?
5. Что такое холодильная установка? Каким показателем и как оценивается
эффективность работы холодильных установок?
Лекция №13.
Котельная установка, котельный агрегат. Топки и горелки. Виды
топлива Элементарный состав топлива. Теплота сгорания.
1.Понятия о котельной установке и котельном агрегате.
59
Водяной пар соответствующего давления и температуры (или горячую воду
заданной температуры) получают в котельной установке, представляющей
собой совокупность устройств и механизмов для сжигания топлива и
получения пара. Котельная установка состоит из одного или нескольких
рабочих и резервных котельных агрегатов и вспомогательного оборудования,
размещаемого в пределах котельного цеха или вне eго.
Общее представление о рабочем процессе котельного агрегата на жидком
или газообразном топливе дает схема котельного агрегата с основными
вспомогательными устройствами (рис. 13.1.).
Жидкое или газообразное топливо по проводам котельной 1 и котельного
агрегата 2 подается в мазутные форсунки или газовые горелки 4 и по мере
выхода из них сгорает в виде факела в топочной камере.
Стены топочной камеры покрыты трубами 5, называемыми топочными
экранами. В результате непрерывного горения топлива в топочной камере
образуются нагретые до высокой температуры газообразные продукты
сгорания. Продукты сгорания снаружи омывают экранные трубы и излучением
(радиацией) и частично конвективным путем передают тепло воде и
пароводяной смеси, циркулирующим внутри этих труб.
Продукты сгорания, охлажденные в топке до температуры 1000-1200° С,
непрерывно двигаясь по газоходам котельного агрегата, омывают вначале
разреженный пучок кипятильных труб 7, называемый фестоном, затем трубы
пароперегревателя 9, экономайзера 12 и воздухоподогревателя 14,
охлаждаются до температуры 150 -200°С и дымососом через дымовую трубу 17
удаляются в атмосферу.
Движение воздуха и продуктов сгорания по газоходам котельного агрегата
обеспечивается работой тягово-дутьевой установки (вентилятора 15, дымососа
и дымовой трубы 17). Питательная вода (конденсат и добавочная
предварительно подготовленная вода) после подогрева питательным насосом
подается в коллектор водяного экономайзера 12. В экономайзере вода
нагревается до температуры, близкой к температуре кипения и направляется в
барабан 8 котла, к которому присоединены трубы топочных экранов 5 и
фестона 7. Из этих труб в барабан котла поступает образовавшаяся
пароводяная смесь.
В барабане происходит отделение (сепарация) пара от воды. Насыщенный пар
затем направляется в сборный коллектор 11и пароперегреватель 9, где он
перегревается до заданной температуры. Перегретый пар из змеевиков
пароперегревателя поступает в сборный коллектор 10. Отсюда он через
главный запорный вентиль по паропроводу котельного агрегата 18
направляется в главный паропровод 19 котельной к потребителям.
Для уменьшения потерь тепла в окружающую среду и защиты
обслуживающего персонала от ожогов все горячие поверхности котельного
агрегата и трубопроводов покрывают тепловой, изоляцией. Управление
рабочим процессом котельных агрегатов, нормальная и бесперебойная их
60
эксплуатация обеспечиваются установкой необходимых контрольноизмерительных приборов, арматуры, гарнитуры и средств автоматики.
Рис. 13.1 .Схема котельного агрегата.
Последним
элементом
котельного
агрегата
по
ходу
газообразных
продуктов
сгорания
является
воздухоподогреватель 14. Воздух в него
подается дутьевым вентилятором 15 и
после
подогрева
до
заданной
температуры по воздухопроводу 3
направляется в топку.
2.Использование водяного пара.
Самыми распространенными теплоносителями являются водяной пар и
вода. Водяной пар в бурении используется для отопления промысловых зданий
и сооружений, для подогрева бурового раствора и смазочного масла, обогрева
приемных и выкидных линий буровых насосов, двигателей внутреннего
сгорания при их запуске, разогрева бурильных труб и замков при
спускоподъемных операциях.
Водяной пар и горячую воду используют при добыче нефти для нагнетания
в пласты с целью увеличения нефтеотдачи месторождений, разогрева
эксплуатационных скважин, отопления промысловых зданий и сооружений.
Водяной пар на нефтеперерабатывающих заводах (НПЗ) используют в паровых
турбинах заводских ТЭЦ, в паровых турбинах и машинах центробежных и
поршневых насосов, в поршневых и турбокомпрессорах.
Водяной пар применяют также для ведения технологических процессов
нефтепереработки и нефтехимии для подачи в ректификационные колонны,
реакторы, для транспорта катализатора и подогрева нефти и нефтепродуктов.
Кроме того, в общезаводском хозяйстве водяной пар используют для
отопления, вентиляции и противопожарной защиты.
Широко используют водяной пар и горячую воду на нефтебазах при
приемке, хранении и отпуске нефтепродуктов.
Водяной пар соответствующего давления и температуры (или горячую воду
заданной температуры) получают в котельной установке .
3.Топки и показатели их работы.
Топкой, или топочным устройством, называется часть котельного агрегата,
где осуществляется сжигание топлива с образованием высоко нагретых
61
продуктов сгорания и с одновременным их охлаждением за счет передачи
тепла поверхностям нагрева, окружающим камеру .
Таким образом, топка является топливо – сжигающим и теплообменным
аппаратом. Существуют три способа сжигания топлива: слоевой, факельный и
факельно-слоевой.
В соответствии с этим и различают три группы топок: слоевые, камерные и
комбинированные.
Слоевые топки предназначены для сжигания твердого топлива в слое на
колосниковой решетке. В камерных топках твердое в виде пыли, жидкое и
газообразное топлива сжигаются в объеме топки во взвешенном состоянии.
Камерные топки в зависимости от аэродинамики подразделяются на факельные
(прямоточные) и вихревые (циклонные). В комбинированных топках крупные
куски топлива сжигаются в слое, а мелочь во взвешенном состоянии.
При слоевом сжигании твердое топливо лежит неподвижно на колосниковой
решетке или медленно перемещается по ней вместе с ней. Необходимый для
горения воздух подается к слою топлива через колосниковую решетку.
При факельном способе сжигания в топочную камеру подается смесь
топлива и воздуха 1, 2. Топливо воспламеняется, двигается с воздухом и горит
на лету в топочном пространстве. В факельных топках можно сжигать любое
топливо - газообразное (без подготовки), жидкое (предварительно
распыленное) и твердое (предварительно размолотое).
При вихревом способе сжигания камеры горения топок выполняются в
виде горизонтальных или вертикальных цилиндров.
Для характеристики работы топок служат показатели: видимое тепловое
напряжение зеркала горения, тепловое напряжение топочного пространства,
коэффициент полезного действия (КПД) топки и коэффициент избытка
воздуха.
Рис13.2. . Схема слоевого(а), факельного (б) и вихревого (в) способов сжигания топлива.
4.Топливо и его горение.
Топливом называется любое вещество, которое при сгорании (окислении)
выделяет значительное количество тепла на единицу массы или объема и
доступно для массового использования.
62
Возможность применения тех или иных горючих веществ в качестве топлива
обосновывается
технико-экономическими
расчетами
и
плановыми
соображениями. Эти расчеты учитывают имеющиеся запасы, стоимость
добычи и транспортировки к потребителю, тепловыделения на единицу массы
или объема, реакционную способность (активность соединения с окислителем),
состав продуктов сгорания, наличие вредных газов, содержание негорючих
примесей (золы, воды), доступность для широкого использования, и т. д.
Таб.13.1.Видытоплива.
Тепловыделение при реакциях распада атомов ядер некоторых тяжелых
элементов используется в промышленности. Эти элементы условно называются
ядерным топливом. В топках котельных агрегатов предприятий
нефтехимической и газовой промышленности сжигается жидкое и газообразное
топливо. Нефть после отгонки легких фракций дает мазут, который
используется как топливо.
5.Элементарный состав топлива.
Любое топливо состоит из углерода, водорода, кислорода; азота, летучей
серы, а твердые и жидкие топлива из золы (минеральные остатки) и влаги.
Топливо в том виде, в каком оно подается в топку котельного агрегата и
сгорает, называется рабочим топливом.
Элементарный состав рабочего топлива характеризуется содержанием
следующих элементов:
Ср+Н р +О р +S р + N р + А р +Wр=100%(13.2.)
Индекс «р» при элементах топлива указывает на то, что это уравнение
относится к«рабочему топливу».Важнейшими горючими элементами топлива
являются углерод С и водород Н. Так, при сгорании 1кг углерода выделяется
33,7 МДж тепла, а при сгорании 1кг водорода 120 МДж .Сера при сгорании
также выделяет тепло (9 МДж/кг),но это нежелательный горючий элемент
63
котельного топлива. При горении летучей серы образуется сернистый газ SOS,
который вызывает коррозию металла труб котельного агрегата и, попадая с
уходящими газами в атмосферу, вредно действует на окружающую среду.
Зола А и влага W нежелательные примеси, составляющие внешний балласт
топлива. Содержание золы и влаги в топливе определяется главным образом
внешними факторами способом добычи, хранением, доставкой ит. д
Наличие золы и влаги уменьшает количество выделяемого тепла при
сгорании 1кг,топлива. Кроме того, часть тепла бесполезно теряется, так как
расходуется на нагревание золы и шлака, которые в нагретом состоянии
удаляются из котельного агрегата; тепло также расходуется на испарение
влаги, содержащейся в топливе (около 2,51 МДж на 1кг влаги).
Зола ускоряет износ оборудования, загрязняет поверхности нагрева и
газоходы, уменьшает коэффициент теплопередачи, требует установки
специальных устройств золоудаления и золоулавливания.
Влага ухудшает процесс воспламенения топлива; за счет водяных паров
возрастает количество уходящих газов, вследствие чего увеличивается расход
электроэнергии на работу дымососов.
Топливо, освобожденное от влаги, называется сухой массой. Элементарный
состав сухой массы топлива характеризуется уравнением:
Сс+Нс + Ос +Sс +Nс+Ас=100%(13.3.)
Безводная и беззольная масса топлива называется горючей массой.
Уравнение дает элементарный состав горючей массы топлива:
С г+ Н г + Ог +Sг + Nг+Аг=100%(13.4)
5. Теплота сгорания топлива и ее определение.
Важной теплотехнической характеристикой топлива является его удельная
теплота сгорания (теплотворная способность).
Удельной теплотой сгорания топлива называется количество тепла, которое
выделяется при полном сгорании единицы количества вещества (1 кг, 1м,
1кмольтоплива).
Зная элементарный состав твердого и жидкого топлива, удельную теплоту
сгорания его можно определить по приближенной формуле Д. И. Менделеева:
Qнр=0,338Cр+1,035Hр-0,108(Oр-Sр-25Wр) (13.5.)
Пример.
Определить низшую теплоту сгорания малосернистого мазута М=100 по
формуле Д. И. Менделеева; состав мазута , % с углерод Cр=85,2; водород
Hр=10,2; кислород Oр=0,4; азот Nр=0,4; сера Sр0,5; зола Ар=0,3; влага Wр=3.
Решение. Низшая теплота сгорания мазута по формуле :
Qнр=0,338Cр+1,035Hр-0,108(Oр-Sр-25Wр)=
= 0,338×85,2+ 1,025×10,2-0,108×(0,4-0,5)-0,025 ×3= 39,2 МДж/ кг.
Точное значение теплоты сгорания мазута М=100.
64
Qнр=38,9 МДж/кг. Таким образом, расхождение между полученным
значением удельной теплоты сгорания по формуле и точным значением
достигает 0,3 МДж/ кг т. е. 0,77%.
Контрольные вопросы.
1. Назовите области использования водяного пара в нефтяной и газовой
промышленности?
2Как осуществляется работа котельного агрегата и из каких основных элементов
он состоит?
3.Что называется топливом? Какие виды топлива вы знаете?
4.Каков элементарный состав топлива?
5.Кто вывел формулу расчёта теплоты сгорания топлива?
6.Что называется топкой, и какие виды вы знаете?
65
Лекция №13.
Паровые и водогрейные котлы, применяемые на предприятиях
нефтяной и газовой промышленности.
1.Вертикальные водотрубные котлы.
В период 1938-1940 гг. сложилась схема одно- и двухбарабанных котлов
экранного типа, которая осталась неизменной и в настоящее время.
Поверхность нагрева современного парового котла составляют развитые
топочные экраны.
Парообразование заканчивается полностью в топочных экранах за счет
радиационной теплопередачи от факела горящего топлива Дальнейшее
охлаждение продуктов сгорания после пароперегревателя осуществляется в
газоходах экономайзера.
Распространенным котельным агрегатом П-образной схемы является БГ-35-39
(рис.13.1.)
паропроизводительностью 35т/час, при давлении 3,9 МПа и
температуре 450 градусов. Он оборудован для сжигания природного газа или
жидкого топлива. Основные газовые горелки расположены на фронтовой
стороне топочной камеры. Верхняя часть труб разделена на три ряда.
Пароперегреватель двухступенчатый. Водяной экономайзер выполнен из труб
диаметром
32мм.
Поверхности
нагрева
составляют
554
2
м .Воздухоподогреватель изготовлен из труб диаметром 40 мм и расположен в
отдельном газоходе.
K этому же типу котлов относятся: БГ-20 и БГ-15 ( паропроизводительностью
20 и 15т/час).
Дальнейшее совершенствование и развитие газомазутных котельных агрегатов
привело к созданию котла. Е -25-14ГМ паропроизводительностью25т/час.
Многообразие конструкций газомазутных котлоагрегатов объясняется
поисками рациональных конструкций, позволяющих наиболее надежно и
экономично сжигать мазут и газ.
2.Котлы ДКВ.
Большое распространение на предприятиях нефтехимической и газовой
промышленности получили транспортабельные двухбарабанные водотрубные
котлы (ДКВ). Их паропроизводительность 2—10 т/ч, причем котлы пар о
производительностью 2 т/ч предназначены для производства насыщенного
пара, котлы паропроизводительностью 4—10 т/ч выпускались по требованию
потребителей как с пароперегревателями, так и без них.
Вся серия котлов ДКВ унифицирована и имеет общую конструктивную схему.
Передвижная парогенераторная установка ППГУ-4/120 располагается на двух
платформах базовых шасси. На одной платформе размещают горизонтальный
парогенератор, деаэратор с блоком питательных насосов, бустерный насос,
66
кабину обслуживания; на второй платформе остальное оборудование: блок
водоподготовки, насосы, баки воды.
Парогенератор ППГУ-4/120 М (рис.13.4.) состоит из фронтового щита с
воздушным коробом, горелочного устройства, трубной системы, двойной
металлической обшивки, заднего щита и опорной рамы с четырьмя опорами.
Для депарафинизации подземного и наземного оборудования скважин
(трубопроводов, мерников, манифольдов и др.), а также для снабжения паром
потребителей на нефтепромыслах используются передвижные парогенераторные
установки. Оборудование этих установок смонтировано на монтажной раме,
установленной на шасси автомобиля КРАЗ. На нефтяных промыслах страны
эксплуатируют три вида передвижных парогенераторных установок ППУ-3, ППУЗМ и ППУА-1200/100.
Рис. 13.1.. Паровой котел БГ-35/39 с газомазутной топкой:
1 - лаз; 2 - газомазутные горелки; 3 - гляделки; 4 - обмуровка; 5 - экранированная топка; 6каркас; 7 - водоукаэательный прибор; 8 - манометр; 9 - барабан; 10- предохранительный
клапан; Л - выходной коллектор пароперегревателя; 12 - регулятор пароперегрева; 13 пароперегреватель; 14 - взрывные клапаны; 15 - змеевиковый водяной экономайзер; 16 трубчатый воздухоподогреватель.
67
Рис.13.2 Газомазутный котельный агрегатЕ-25-14.
68
Рис.13.3.Двухбарабанный вертикально водотрубный котёл ДКВР6,5-13 на жидком топливе:
I- низконапорная воздушная форсунка ОЭН; 2-предохранительный взрывной клапан; 3 короб предохранительного клапана; 4 - легкоплавная пробка; 5 -верхний барабан; 5 экранные трубы; 7 - паровой предохранительный клапан; 8 - питательные линии; 9 кипятильные трубы; 10 - пламенная перегородка; 11 - патрубок для выхода газа из котла;12 трубопровод обдувки; 13 - обдувочный прибор; 14 - нижний барабан; 15 - спускная линия
69
Рис.13.4. Парогенератор ппгу 4-120.
4.Защита от загрязнения окружающей среды.
Для снижения количества выбросов в атмосферу продукты сгорания
очищают в различных золоуловителях, а затем выбрасывают через высокие
дымовые трубы в атмосферу. В настоящее время используют инерционные,
мокрые золоуловители и электрофильтры.
В инерционных золоуловителях под действием центробежных сил
частицы прижимаются к стенкам внешнего цилиндра, а затем под действием
силы тяжести ссыпаются в общий бункер. Очищенный газ поднимается через
внутренний цилиндр вверх. Для повышения эффективности инерционные
золоуловители (циклоны) объединяют в батареи.
Мокрые золоуловители (скрубберы) отличаются от сухих
инерционных тем, что для лучшего улавливания и отвода золы в них на
внутреннюю стенку наружного цилиндра подается вода в виде пленки. Степень
улавливания в мокрых золоуловителях 0,82-0,90.
Наиболее перспективными по своей эффективности являются' электрофильтры
(степень улавливания 0,99-0,995). В электрофильтрах продукты сгорания
70
двигаются в каналах между осадительными и коронирующими электродами. К
электродам подводится постоянный ток высокого напряжения: плюс к
осадительным и минус к коронирующим. Частицы золы заряжаются
отрицательным зарядом и притягиваются к осадительным электродам.
Периодически, электроды специальным устройством встряхивают частицы
золы под действием тяжести ссыпаются в бункер.
Для уменьшения выбросов в атмосферу сернистых соединений топливо до его
сжигания в котле перерабатывают, удаляя из него серу, и очищают продукты
сгорания от оксидов серы.
В настоящее время наиболее эффективными способами уменьшения
образования оксидов азота являются методы, приводящие к снижению
концентрации кислорода и температуры в зоне горения.
Методы снижения вредного влияния ядерного топлива сводятся к устройству
приточно-вытяжной вентиляции.
Контрольные вопросы.
1.На какие три группы можно разделить котлы с естественной циркуляцией, и каковы
их показатели?
2.Каково конструктивное оформление и особенности котлов ДКВ и ДКВР?
3.Каковы особенности и показатели котлов типа ДЕ?
4.Каковы показатели парогенераторных установок, используемых для паротепловой
обработки пластов?
5.Каковы характеристики передвижных парогенераторных установок, применяемых для
депарафинизации оборудования скважин?
6.Какие существуют способы защиты от загрязнения окружающей среды.
71
Лекция №14.
Устройство и принцип действия газомазутных котельных
агрегатов. Эволюция конструктивных форм.
1.Газомазутные котлагрегаты.
Многообразие конструкций газомазутных котлоагрегатов объясняется
поисками рациональных конструкций, позволяющих наиболее надежно и
экономично сжигать мазут и газ.
Большое распространение на предприятиях нефтехимической и газовой
промышленности получили транспортабельные двухбарабанные водотрубные
котлы (ДКВ). Их паропроизводительность 2-10 т/ч, причем котлы паро
производительностью 2 т/ч предназначены для производства насыщенного
пара, котлы паропроизводительностью 4-10 т/ч выпускались по требованию
потребителей как с пароперегревателями, так и без них.
Вся серия котлов ДКВ унифицирована и имеет общую конструктивную
схему. Это двухбарабанные котлы с продольным расположением барабанов с
разворотом продуктов сгорания в горизонтальной плоскости. Верхний
удлиненный барабан в своей передней части трубами соединен с нижними
коллекторами. Эти трубы образуют в топке два боковых экрана. Экранные
коллекторы питаются водой по опускным трубам, проложенным в обмуровке,
из верхнего барабана и по трубам из нижнего барабана. Верхний и нижний
барабаны соединены трубами (51 мм), которые образуют конвективную
поверхность нагрева котла.
Трубы располагаются в коридорном порядке с шагом вдоль оси барабана 115
мм и поперек его оси 130 мм. Со стороны топки конвективная часть котла
отделена огнеупорной перегородкой с амбразурой для прохода газов, кроме
того, устанавливается одна чугунная перегородка, разделяющая кипятильный
пучок на два газохода. Пароперегреватель состоит из труб диаметром 38 мм,
располагается обычно между первым и вторым газоходами в зоне относительно
низких температур. При отсутствии пароперегревателя на его место
устанавливают кипятильные трубы.
Напряжение поверхности нагрева котла 30 кг/(м2*ч); температура газов на
выходе из котла примерно 380 °С.
В зависимости от длины верхнего барабана котлы типа ДКВР выпускают в
двух модификациях. У котлов паропроизводительностью 2,5; 4; 6,5 т/ч и
раннего выпуска длина верхнего барабана значительно больше длины нижнего.
Схема движения продуктов сгорания в реконструированных котлах такая же,
как в котлах ДКВ. Для улучшения условий омывания и теплопередачи в
котлах ДКВР вдоль, боковых стенок и газоходов предусмотрены коридоры.
Взамен котлов ДКВР были разработаны и выпускаются газомазутные котельные
агрегаты серий ДЕ паропроизводительностью 4,0; 6,5; 10; 16 и 25 т/ч при
72
абсолютном давлении пара 1,4 МПа. Они предназначены для выработки
насыщенного или слабо перегретого пара для технологических нужд
промышленных предприятий.
Паровые котлы малой производительности применяют при небольших
потребностях в паре для технологических процессов при производстве
строительных работ, отоплении и т. д. Эту группу составляют вертикальные
цилиндрические водотрубно - газотрубные и вертикально- водотрубные котлы.
Затрата металла на изготовление современных однобарабанных котлов
экранного типа больше расхода металла на изготовление прямоточных котлов
для тех же параметров пара на 15-20%. К качеству питательной воды и
режимным условиям работы для водотрубных котлов с естественной
циркуляцией предъявляют несоизмеримо менее жесткие требования. По этим
причинам прямоточные котлы для средних параметров пара не применяются.
При повышении давления пара требования к качеству питательной воды для
котлов с естественной циркуляцией и прямоточных сближаются, а различие в
расходе металла на изготовление увеличивается. В связи с этим при повышении
давления пара область применения прямоточных котлов расширяется.
При давлениях, близких к критическому (для воды параметры критической
точки: абсолютное давление 22,5 МПа, температура 374,15 °С), естественная
циркуляция пароводяной смеси исключается и получение пара в этих условиях
возможно только в прямоточных котлах.
2.Эволюция конструктивных форм.
Рис.14.1. Эволюция конструктивных форм паровых котлов (а -цилиндрический котёл; б
-батарейный котёл; в -котёл с жаровой трубой; г -газотрубный котёл).
Промышленное использование паровых котлов относится ко времени
появления паровой машины, т. е. к началу XVIII в. Свое развитие современные
котлы начали от простого цилиндрического котла. Вначале основное внимание
было обращено на создание прочных и безопасных конструкций в эксплуатации. В дальнейшем по мере развития и роста производственной базы более
серьезное внимание уделяют технологии изготовления паровых котлов,
73
появляется стремление повысить их производительность и давление, снизить
массу затрачиваемого металла и уменьшить внешние размеры. Развитие
конструктивных форм паровых котлов пошло по двум направлениям : по пути
размещения дополнительной поверхности на одно - и двухжаротрубные,
возные и оборотные, вертикальные; и по пути размещения дополнительного
барабана
(горизонтально-водотрубные,
камерные,
Шухова-Берлина,
секционные с продольными и поперечными барабанами и вертикальноводотрубные).
В конце XIX и начале XX века при проектировании котельных агрегатов
принимаются меры не только по экономии металла но и топлива. С целью
повышения КПД увеличивают число газоходов, начинается установка
экономайзеров и воздухоподогревателей, разрабатываются рациональные
методы сжигания топлива и т.д.
Вертикально-водотрубные котлы постепенно вытесняют горизонтальноводотрубные и занимают ведущее
место в производственной котельной
технике.
Рис.14.. Эволюция конструктивных форм водотрубных котлов (а – камерный
Штеймюллера; б –камерный Шухова; в -камерный Шухова-Берлина; г -секционный).
Контрольные вопросы.
1.Какие существуют пути эволюции конструктивных форм паровых
котлов?
74
2.Каково конструктивное оформление и особенности котлов ДКВ и ДКВР?
3.Каковы особенности и показатели котлов типа ДЕ?
4.Каковы особенности прямоточных котлов и их технологической схемы?
5.Каковы характеристики передвижных парогенераторных установок, применяемых
для депарафинизации оборудования скважин?
75