&quot

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИИ
Морской государственный университет имени адмирала Г.И. Невельского
А. И. САМСОНОВ
ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
Учебное пособие
ВЛАДИВОСТОК
2006
УДК 621.1.016(075):629.12-8
Самсонов А.И. Транспортная энергетика: Учебное пособие. Владивосток:
Мор. гос. ун-т, – 80 с.
Предназначено для студентов специальности «Организация перевозок и управление на транспорте (морском)»
Ил. – 48, табл. – 5, библиогр. – 8 назв.
Рецензенты:
С. В. Чехранов, зав. каф. судовых энергетических установок Дальневосточного гос. техн. рыбохозяйственного ун-та, д-р. техн. наук, проф.
С.П. Соловьёв, доцент кафедры судовых двигателей внутреннего сгорания и
установок Дальневосточного гос. техн. ун-та, доцент, канд. техн. наук.
© А.И. Самсонов, 2006 г.
© Морской государственный университет им. адм Г.И. Невельского
2
1. ТЕРМОДИНАМИКА
1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ
Термодинамика – это наука о закономерностях превращения энергии. Основы термодинамики были заложены в Х1Х веке, когда в связи с развитием
тепловых двигателей возникла необходимость изучения закономерностей превращения тепла в работу. Затем метод термодинамики перешагнул пределы
теплотехники и нашёл широкое применение в физике, химии и других областях
науки.
Принцип построения термодинамики прост. В основу термодинамики положены два основных закона, установленных опытным путём. Первый закон
термодинамики характеризует количественную сторону превращения энергии,
а второй закон устанавливает направленность процессов происходящих в физических системах.
Параметры состояния
Вещества обычно прибывают в одном из трёх основных состояний: газ,
жидкость, твёрдое тело.
Чтобы определить конкретные физические условия, при которых рассматривают вещество и тем самым однозначно определить состояние рассматриваемого вещества, вводятся удобные характеристики состояния вещества, так
называемые параметры состояния. Наиболее удобными и поэтому наиболее
распространёнными параметрами состояния являются абсолютная температура,
абсолютное давление и удельный объём (или плотность) тела.
Тепловое состояние тела характеризует температура. Каждый прибор, используемый для измерения температуры, должен быть отградуирован (оттарирован) в соответствии с твёрдо-установленной температурной шкалой. Применяется различные шкалы – Цельсия, Фаренгейта, Реомюра, Ренкина, термодинамическая.
Соотношения между температурами
t Ф  32
t ºС =
; t ºФ = 1,8 t ºС+32; Т К = t ºС +273,15.
1,8
Абсолютное давление – сила, действующая по нормам к поверхности
тела и отнесённая к единице площади этой поверхности. Для измерения принимаются различные единицы: Па, техническая атмосфера (1 кгс/см2),
мм. рт. ст., мм. вод.ст.
Н
Па = 2 ; 1бар = 105 Па; 1кгс/см2 = 9,81·104Па ≈ 100 Па
м
1 мм.рт.ст. = 133 Па, 1мм.вод.ст. = 9,81 Па.
Удельный объём – это объём занимаемый единицей массы вещества.
3
V 3
1
м /кг. Плотность ρ = кг/м3 .
G
v
Иногда используется понятие удельный вес вещества ν – вес вещества в
единице его объёма.
Gg
g
γ=
= ρg = ; где g = 9,81 м/c2 - ускорение свободного падения.
V
v
Любые три параметра состояния (например, Р, v, и Т) чистого вещества
однозначно связаны между собой. Можно записать V = f (P,T); Т = φ (Т, ν);
Р = ψ (Т,ν); или в виде уравнения состояния
F = (P, ν ,T) = 0.
Для каждого вещества характер функциональной связи между P, ν и T
(или значения констант, входящих в эту связь) индивидуален, т.е. термодинамические свойства описываются своим для каждого вещества уравнением состояния.
ν=
Термодинамический процесс
Совокупность материальных тел, взаимодействующих как между собой,
так и с окружающей средой называют термодинамической системой. Всё что
находится за границами рассматриваемой системы, называют окружающей
средой.
Если хотя бы один из параметров состояния меняется, то изменяется состояние системы, т.е. происходит термодинамический процесс, представляющий собой совокупность изменяющихся состояний рассматриваемой системы.
Все процессы, происходящие в термодинамической системе можно разделить
на равновесные и неравновесные.
Равновесными называются процессы, представляющие собой непрерывную последовательность равновесных состояний системы. Оно характеризуется
в частности тем, что все части системы имеют одинаковую температуру и одинаковое давление.
Неравновесными называют процессы при протекании которых система не
находится в состоянии равновесия т.е. при протекании процесса различные части системы имеют различные Т, Р, ρ, ν.
Любой реальный процесс в большей или меньшей степени является
неравновесным. Равновесный процесс является предельным случаем неравновесного при стремлении скорости этого процесса к нулю. Равновесные процессы иногда называют квазистационарными.
Процесс перехода системы из состоянии 1 (где вещество имеет параметры, Р1, ν1, Т1) в состояние 2 (с параметрами Р2, ν2, Т2) практически изображается
на диаграмме состояния кривой 1-2 рис. 1. Диаграмма состояния – изображение состояния термодинамической системы на плоскости: по осям х и у – 2 параметра состояния. Значение третьего параметра определяют для каждой пары
заданных параметров из уравнения состояния или эксперимента.
4
Равновесный процесс, протекающий при Т = const, называется изотермическим (кипение воды в открытом сосуде), линия процесса на диаграмме называется изотермой.
Равновесный процесс протекающий
при Р = const называется изобарным
(нагрев воды в открытом сосуде).
Равновесный процесс, протекающий
при ν = const называется изобарным
(нагрев воды в закрытом сосуде).
Равновесный процесс, в котором к
термодинамической системе не подводится и не отводится тепло, называется адиабатным. Кривая процесса называется
адиабатой.
Рис.1.Изображение термодинамического процесса
1.2. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ. ЗАКОНЫ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА
В ХV11 – X1X столетиях исследователями, изучавшими поведение газов
при давлениях, близких к атмосферному, эмпирическим путём был установлен
Р
ряд важных закономерностей. Было установлено, что
= const.
Т
Постоянная величина в этом уравнении не зависит от состояния газа. Она
зависит только от свойств газа и является индивидуальной для каждого газа.
Называется она газовой постоянной R.
Pν = RT - уравнение состояния идеального газа (уравнение Клайперона).
Газ, строго подчиняющийся этому уравнению называют идеальным газом. Идеальный газ – это предельное состояние реального газа при ρ → 0.
Авогадро в 1811 г. сформулировал закон Авогадро: в равных объёмах
разных идеальных газов, находящихся при одинаковых Т и Р, заключено равное
число молекул.
Отсюда
G1 N1m1
G1 1
G1= N1m1; G2 = N2m2; m1/m2 = μ1/μ2;

;
 .
G 2 N 2m2
G 2 2
т.е. отношение массовых количеств разных идеальных газов заключённых в
равных объёмах и находящихся при равных давлениях и температурах равно
отношению молекулярных масс этих газов.
Здесь G1 – масса в первом объёме; G2 – масса вещества (газа) во втором
объёме; m1, m2 масса молекул; m1/m2 = μ1/μ2 - молекулярные массы.
Молем называется количество вещества в граммах, численно равное его
молекулярной массе. Киломолем – количество вещества в килограммах, численно равное его молекулярной массе. Например, киломоль кислорода (О2) ра5
вен 32 кг, киломоль водорода (Н2) – 2 кг. (Более строго моль определяется как
количество вещества, в котором содержится столько молекул, сколько атомов
углерода содержится в 12 граммах изотопа углерода 12С.)
Объём одного моля, одинаковый в одних и тех же условиях для всех
идеальных газов, при нормальных условиях (Р = 101,325 кПа, t = 0 ºС) равен
22,4 л/моль; или μν = 22,4 м3/кмоль.
371  22,4 8344
P 101,325
R=
, μR = 8314

 = 371 ν; R =

T
273 .15


Дж/(кмоль·К) – универсальная газовая постоянная.
1.3. ТЕПЛОЁМКОСТЬ
Теплоёмкостью тела называется количество тепла, необходимого для
нагрева тела на один градус.
Средняя теплоёмкость
t2
 Cdt
С=
q1 2
t
; Сm = 1
;
t 2  t1
t 2  t1
истинная
dq
С=
= tgα; q1-2 =
dt
t2
 Cdt .
t1
Теплоёмкость, отнесенная к единице количества вещества, называется удельной. Различают массовую удельную теплоёмкость – с,
мольную – μс, и объёмную – С.
С = ρc.
В зависимости от характера процесса подвода тепла количество тепла,
которое необходимо подвести к телу, для того чтобы повысить его температуру
на 1 градус будет различным. Поэтому, когда говорят о теплоёмкости, уточняют о каком процессе подвода тепла идёт речь. Теплоёмкость изобарного процесса (изобарная теплоёмкость) обозначается ср, изохорная теплоёмкость – сv.
Соотношения между ними:
cp
ср - сv = R,
= k,
cv
где R – газовая постоянная, k – показатель адиабаты.
Рис. 2. Зависимость количества тепла, подведенного к
телу, от температуры
6
1.4. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Фундаментальным законом природы, имеющим всеобщий характер, является закон сохранения и превращения энергии – энергия не исчезает и не возникает вновь, она лишь переходит из одного вида в другой в различных физических и химических процессах. Закон сохранения и превращения энергии
устанавливает однозначную связь между всеми видами энергии в процессе их
взаимопревращений. В теплотехнике этот закон называют первым законом
термодинамики, т.е. первый закон термодинамики имеет всеобщий характер.
Подведённое к телу тепло расходуется на увеличение внутренней энергии
тела U и на совершение работы L
Q1-2 = ∆U1-2 + L1-2 ,
где Q1-2 – тепло, подведённое к телу при нагревании от состояния 1 до состояния 2; ∆U1-2 – изменение внутренней энергии тела в том же процессе; L1-2 – работа, совершаемая телом в процессе 1-2.
В дифференциальной форме dQ = dU + dL.
Изменение внутренней энергии в термодинамическом процессе равно
разности внутренних энергий в начальной и конечной точках процесса
∆U1-2 = U2-U1.
Работа L против сил внешнего давления, связанная с увеличением объёма
системы называется работой расширения. Работа расширения осуществляется
системой над окружающей средой
v2
∆L = Pdv; L1-2 =
 Pdv .
v1
где P – давление в системе
v2
dq = du +P d v; q1-2 = u2 – u1+  Pdv ;
v1
V2
Q1-2 = (U2 – U1) +  PdV ; dQ = du + PdV.
V1
q, u, v - значения для единицы количества вещества (т.е. удельные величины
тепла, внутренней энергии, объёма). Q1-2, U, V – значения для всей системы в
целом.
1.5. ЭНТАЛЬПИЯ
Важную роль в самых разнообразных термодинамических расчётах играет величина равная сумме внутренней энергии и произведения давления системы на величину объёма системы U+PV=I – она называется энтальпией. Раньше
её называли теплосодержанием.
I = iG,
где i – удельная массовая энтальпия.
7
i = u + Pν
Энтальпия измеряется в тех же единицах, что и теплота, работа, внутренняя энергия.
Поскольку энтальпия скомбинирована из величин, являющиеся функциями состояния (i, P, ν), то, следовательно, энтальпия также является функцией
состояния. Так же как и внутренняя энергия, энтальпия чистого вещества может быть представлена в виде функции двух любых параметров состояния,
например давления и температуры
i = f(P,T).
(Преобразование типа хdy = d(xy)-ydx[d(xy) = xdy+ydx] в математике
называют преобразованиями Лежандра.) Воспользовавшись ими можно записать
Pdν = d(Pν) – νdP.
Уравнение первого закона термодинамики
dq = du+ d(Pν) – νdP; dq = d(u+ Pν) - νdP; dq = di - νdP.
Если dP = 0, т.е. P = const (изобарный процесс), то dqр = di.
dq p
Так как Ср =
; di = Ср dТ.
dT
Для изохорного процесса dν = 0 первый закон термодинамики
dq
dqν = du ; Сν =  ;
dT
(Закон Джоуля – внутренняя энергия идеального газа не зависит от объёма.)
du = Сν dТ.
1.6. УРАВНЕНИЕ ПЕРВОГО ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ ДЛЯ ПОТОКА
Рассмотрим течение жидкости или газа в канале произвольной формы
рис. 3.
Кинетическая энергия потока
Екин =
GW 2
,
2
где G – масса вещества в потоке, w –
скорость потока. Если между двумя
сечениями на длине канала (1 и 2)
скорость потока меняется, то изменение кинетической энергии.
W 2
W2 
∆Екин = G  2  1  .
2 
 2
Уравнение первого закона
термодинамики
Q1-2 = (U2 – U1) + L1-2;
Рис.3. К выводу уравнения первого
закона термодинамики для потока
8
Выясним, какие виды работы производит поток L1-2.
Между сечениями 1 и 2 может быть подведено некоторое количество
тепла Q1-2. Площадь канала ∑1, массовый расход стационарного потока G =
const для любого сечения канала.
При протекании газа с расходом G через участок канала между произвольно выбранными сечениями 1 и 2 за единицу времени совершается работа,
равная алгебраической сумме работы L2, которую производит поршень 2
(условный) и работы L1, которая производится над поршнем (условным) 1. Эта
работа носит название работы проталкивания.
Lпрот= L1 - L2 ;
L1-2 = Р1 ∑1х1, где х1 – длина пути потока за единицу времени через сечение ∑1, (скорость потока).
V1 – объём газа, поступившего в рассматриваемый участок канала за единицу времени.
V1 = х1 ∑1= ν1 G1, где ν1 – удельный объём газа в сечении 1.
L1 = - Р1 ν1 G – работа, производимая над потоком, берётся со знаком «- ».
L2 = Р2 ν2; V2 = ν2 G; L2 = Р2 ν2 G. Следовательно Lпрот= (Р2 ν2 - Р1 ν1) G.
Для изменения кинетической энергии потока также будет сообщена или
отобрана энергия, которая входит в состав работы, совершаемой потоком
 W22 W12 
 .
∆Екин = G 

2
2


Если сечения 1 и 2 расположены на разной высоте (h1 , h2) то изменение
потенциальной энергии потока Lпот = Gg(h1 - h2) – третья составляющая работы
потока.
В общем случае поток может совершать и другие виды работы на пути
между рассматривающими сечениями (например, вращать колесо турбины).
Этот вид работы назовём технической работой Lтехн.. Она может отбираться от
потока или подводиться.
Пятой составляющей работы потока является работа на преодоление сил
трения на стенках канала Lтр. Таким образом, работа, которую совершает движущийся поток
 W22 W12 
 + Gg (h2 - h1)+ Lтехн +Lтр.

2
2


L1-2 = G(Р2 ν2 - Р1 ν1) + G 
Подставляя в первый закон термодинамики
 W22 W12 
 + Gg (h2 - h1) + Lтехн + Lтр ,

2 
 2
Q1-2 = (U2 – U1) + G(Р2 ν2 - Р1 ν1) + G 
и разделив на G, получаем для единицы массы потока
 W22 W12 
 + g(h2 - h1) + lтехн +lтр.

2
2


q1-2 = (U2 – U1) + (Р2 ν2 - Р1 ν1) + 
В дифференциальной форме
dq = du + d (Pv) + wdw + gdh + dlтехн.+ dlтр..
Учитывая, что i = u+ Pv
9
Dq = d I + wdw + gdh + dlтехн.+ dlтр.
Уравнение первого закона термодинамики в общем виде dq = du+ Pdv.
Приравнивая правые части уравнения первого закона термодинамики и
уравнения потока получим
Pdv = d(Pv) + wdw + gdh +dlтехн.+ dlтр.
Работа, расходуемая на проталкивание потока d(Pv), на изменение кинетической энергии потока wdw, на изменение потенциальной энергии потока
gdh, на преодоление сил трения dlтр , и техническая работа dlтехн. совершаются
за счёт работы расширения газа (жидкости) движущейся в потоке, Pdv.
1.7. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
Циклы
Работа производимая газом при расширении от давления Р1 до Р2
V2
L 1факт
 V1 Pdv.
2 =
Для того, чтобы вновь повторить тот же процесс расширения газа и вновь
получить работу L 1расш
2 , нужно возвратить газ в исходное состояние 1, т. е. сжать
газ. При этом газ совершит круговой процесс (цикл). На сжатие должна быть
затрачена работа.
V1
V2
L сж
 V2 Pdv или L сж
 V1 Pdv.
21 =
21 =
Сходство выражений для работы расширения и сжатия кажущееся – работа зависит от пути, по которому идёт процесс расширения между одними и
теми же точками 1 и 2, рис. 4.
Если процесс расширения и процесс сжатия будут происходить по одному и тому же пути, то суммарная работа в результате такого кругового процесса
будет равна нулю. Чтобы получить положительную работу за цикл, нужно путь
процесса сжатия выбрать таким, чтобы работа сжатия по абсолютной величине
была меньше работы расширения.
Циклические процессы, в результате которых производится работа, осуществляются в различных тепловых двигателях. Работа цикла удобно интерпретируется в Рv диаграмме, рис. 4.
Площадь под кривой 1а 2 – эквивалентна работе расширения, под кривой 2 в
1 – работе сжатия. Уравнение первого закона термодинамики dQ = dU+dL,
для
произвольного цикла
 dQ =  dU+  dL.
Рис.4. Цикл тепловой машины
Так как интеграл по замкнутому контуру для внутренней энергии равен 0, получаем  dQ =  dL или Qц = Lц ;
10

Q = Qц;

dL = Lц т.е. работа цикла Lц равна количеству тепла, подведён-
ного извне к рабочему телу.
На одних участках цикла тепло к рабочему телу подводится, а на других
отводится.
Отвод определённого количества тепла от рабочего тела на некоторых
участках цикла является неотъемлемым условием осуществимости цикла любого теплового двигателя.
Qц = Q1 – Q2,
где Q1 – тепло, подводимое к рабочему телу, в цикле; Q2 – отводимое тепло
Lц = Q1 – Q2.
Термический к.п.д.
Термическим к.п.д. цикла называется отношение работы цикла к количеству тепла, подведённого к рабочему телу в цикле
L
Q  Q2
ηт = ц  1
.
Q1
Q1
Следовательно, термический к.п.д. цикла показывает какая доля подведенного тепла преобразуется в работу. Термический к.п.д. цикла характеризует
степень совершенства того или иного цикла: чем больше величина η т, тем совершеннее цикл.
Циклы, в которых линия процесса расширения в Р,v – диаграмме идет
выше линии процесса сжатия, т. е. циклы, где производится работа, отдаваемая
внешнему потребителю (рис. 5), называются прямыми. Обратными называются
циклы, в котором работа сжатия превышает работу расширения и за счет подведенной работы тепло передается от нижнего источника к верхнему.
Термодинамический
процесс представляет собой совокупность непрерывно изменяющихся
состояний
термодинамической
системы (см. выше).
Обратимыми
называются
процессы в результате совершения которых в прямом и обратном
направлениях термодинамическая
система возвращается в исходное
состояние, т.е. совокупность пряРис. 5. Циклы: а) – прямой; б) - обратный
мого и обратного процессов не
вызывает в окружающей среде никаких изменений.
Все естественные самопроизвольные процессы необратимы. Необратимыми называются процессы, при проведении которых в прямом и обратном
направлениях система не возвращается в исходное состояние.
11
В принципе можно систему возвратить в исходное состояние, но для проведения такого обратного процесса окружающая среда должна совершить компенсирующий процесс (с затратой энергии: тепла или работы).
Формулировки второго закона термодинамики
Первый закон термодинамики характеризует процессы превращения
энергии с количественной стороны. Второй закон характеризует качественную
сторону.
Наиболее общая формулировка второго закона: «Любой реальный самопроизвольный процесс является необратимым».
Формулировка Р. Клаузиуса 1850 г.: «Теплота не может сама собой переходить от более холодного тела к более нагретому».
В. Томсон (лорд Кельвин) 1851г.: невозможно при помощи неодушевлённого материального агента получить от какой либо массы вещества механическую работу путём охлаждения её ниже температуры самого холодного из
окружающих предметов.
М. Планк: «Невозможно построить периодически действующую машину, всё действие которой сводилось бы к поднятию некоторого груза и охлаждению теплового источника».
1.8. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ
Чем выше давление и ниже температура, тем сильнее реальные газы отличаются от идеального газа.
Получить чисто теоретически уравнение состояния для реального газа,
справедливого в достаточно широкой области состояний реального газа весьма
сложно. Поэтому на практике обычно используют экспериментальные данные,
представленные в виде таблиц и диаграмм.
Основным рабочим телом современной теплоэнергетики является водяной пар. Он используется также во многих технологических процессах. Данные по свойствам воды и водяного пара, предназначенные для практического
использования в различных расчётах, обычно суммируются в виде подробных
таблиц термодинамических свойств. Эти таблицы рассчитываются, как правило, по уравнениям состояния, коэффициенты которых определены на основе
экспериментальных данных. При этом в некоторых областях, наиболее трудных
для описания с помощью уравнения состояния (это околокритическая область,
а также область вблизи линии насыщения), расчёт ведётся непосредственно по
экспериментальным данным.
Наиболее распространёнными в Российской Федерации таблицами термодинамических свойств воды и водяного пара являются таблицы, составленные под руководством М.П. Вукаловича.
12
Для изучения и расчетов различных термодинамических процессов, в которых рабочим веществом является насыщенный и перегретый пар (реальный
газ), особенно удобна is – диаграмма, рис. 6. На диаграмме показаны: изобары,
изотермы, линии постоянной сухости пара и т. п.
Двухфазная смесь «жидкостьпар» называется влажным паром; насыщенный пар, не содержащий влаги – сухим насыщенным паром; т.е. влажный
пар – это смесь сухого насыщенного пара и жидкости. Пар, температура которого превышает температуру насыщения при данном давлении, называется
перегретым паром. Степенью сухости
называется отношение массы сухого
насыщенного пара, содержащегося в
смеси Gп, к общей массе смеси G:
х=
Gп
;
G
x=
Gп
Gж
; 1-x =
.
Gж - Gп
Gп  Gж
Величина (1-х) называется степенью влажности. Состояние х = 1 (верхняя пограничная кривая) соответствует
сухому насыщенному пару, а х = 0 – насыщенной жидкости (нижняя пограничная кривая).
Рис. 6. is-диаграмма
Влажный воздух
Влажный воздух – это смесь сухого воздуха и водяного пара.
Для практики особый интерес представляет влажный воздух при атмосферном давлении и температурах не ниже - 60 ºС. При этих параметрах сухой
воздух может находиться только в газообразном состоянии, а вода - в паровой,
жидкой или твёрдой фазе в зависимости от температуры смеси. Т.е. водяной
пар при снижении температуры может переходить в другую фазу, жидкую или
твёрдую и выпадать из смеси. При анализе термодинамических свойств влажного воздуха можно использовать закономерности, полученные для идеального
газа.
В соответствии с законом Дальтона (каждый газ ведёт себя в газовой смеси так, как будто он один при температуре смеси занимает весь объём смеси)
сумма парциальных давлений газов, входящих в газовую смесь, равна общему
давлению газовой смеси. Парциальным давлением называется давление, которое имел бы газ, входящий в смесь, если бы он один занимал весь объём смеси.
Р = Рвозд + Рп = В,
где Р – давление влажного воздуха, Рвозд – парциальное давление сухого воздуха, Рп – парциальное давление водяного пара, В – атмосферное давление.
13
Парциальное давление водяного пара во влажном воздухе не может быть
выше величины Рs – давления насыщения при данной температуре, т.е. Рп ≤ Рs.
Влажный воздух, в котором Рп ≤ Рs
называют ненасыщенным, а влажный
воздух, у которого Рп = Рs насыщенным
влажным воздухом. Водяной пар, который находится в ненасыщенном воздухе
– перегретый. Если понижать температуру влажного ненасыщенного воздуха t1
до t2, то перегретый пар в точке 2 рис. 7
станет насыщенным и при дальнейшем
понижении температуры из влажного
воздуха будет выпадать влага (туман, роРис. 7. Рv – диаграмма воды и
са).
водяного пара
Поэтому температура, при которой
давление Рп = Рs и из воздуха начинает
выпадать влага (роса) называется точкой росы.
Влагосодержание
Массовым влагосодержанием d называется отношение массового количества влаги, содержащейся во влажном воздухе Gводы к массовому количеству
сухого воздуха Gвозд.
d=
G воды
; т.е. d – масса влаги в кг в (1+ d) кг влажного воздуха или в 1 кг
G возд
сухого воздуха.
Относительная влажность
Относительной влажностью называется отношение парциального давления водяного пара, содержащегося во влажном воздухе, к давлению насыщенного водяного пара при данной температуре, (т.е. к максимально возможному
парциальному давлению водяного пара при этой температуре)
φ=
Рп
; обычно в %.
Рs
Для сухого воздуха φ = 0, для насыщенного воздуха φ = 100 %.
Психрометр
Служит для измерения влажности. Состоит из двух ртутных термометров
(влажного, иногда говорят мокрого, и сухого). Разность между tсух и tмокр. пропорциональна влажности воздуха, чем суше воздух, тем больше разница
tсух - tмокр. Если же воздух насыщен, то tсух = tмокр.
14
id – диаграмма влажного воздуха
Значительно
упростить
расчёты, связанные с влажным
воздухом, позволяет id – диаграмма влажного воздуха рис. 8.
На ней по оси абсцисс откладывается влагосодержание d
г/кг сухого воздуха, а по оси ординат - удельная энтальпия
влажного воздуха. Через деления
на оси абсцисс проведены вертикальные прямые постоянного
влагосодержания (d = const). Через точки на оси ординат проведены линии i = сonst под углом
135º к линиям d = const., т.е. id
диаграмма является косоугольной. На диаграмме нанесены
Рис. 8. id-диаграмма влажного воздуха
также изотермы и кривые
φ=const.
Линия насыщения
влажного воздуха асимптотически приближается к изотерме 100 ºС. Слева от
неё область ненасыщенного воздуха, справа - насыщенного (туман). В нижней
части id - диаграммы наносят линию парциальных давлений водяного пара Р п,
содержащегося в воздухе.
1.9. ПОЛИТРОПНЫЕ ПРОЦЕССЫ
Политропными называются обратимые термодинамические процессы,
удовлетворяющие уравнению Рvn = const.
n – показатель политропы, может принимать для различных политропных
процессов значения от + ∞ до - ∞.
Кривая политропного процесса в диаграмме состояния (рис. 9) называется политропой. Политропные процессы удобны для аппроксимации действительных процессов расширения и сжатия газов в двигателях.
Реальные процессы сжатия в двигателях и компрессорах часто не являются ни адиабатными, ни изотермическими, а занимают промежуточное положение, имея показатель политропы 1 < n < k.
Для любых точек на политропе можно записать
n
Р 2  1 
Р1 v1 =
,
= 
Р1   2 
Уравнение Клайперона для идеального газа Р1v1 = RT1; Р2v2 = RT2;
n
Р2 v2n
15
Т 2 Р2 2
Т2
=
;
Т1 Р11
Т1
Т 2  Р2 
= 
Т1  Р1 
n 1
n
n -1
 
=  1  ;
 2 
Р11n
; ℓ= ∫1 Рdv; P = v n ;
1
2
Р11n
ℓ = ∫1Рdv; Р =
;
n
1
2
Рис.9. Политропные процессы
n 1


n 1


 v1 
Р1v1
P1v1   P2  n 
1  
ℓ1-2 =
.
1     =
n - 1   v 2   n  1   P1  




Для идеального газа
n 1
RT1   v1 
ℓ1-2 =
1   
n  1   v 2 

Для изотермического

R
1
P1v1  P2 v 2  .
(T1  T2 ) 

n 1
 n  1
процесса
Р
ℓ1-2 = RTln 1 = P1v1ln v 2 .
v1
Р2
Количество тепла подводимого (или отводимого) от системы
q2-1 = (U2 –U1) +ℓ1-2
kn
 R

 C V T1  T2  = v
q2-1 = 
T1  T2  = Cn(T2-T1).
n 1
 n 1

1
Cn = Cv

n .
1
1
n
1.10. ПРОЦЕССЫ ТЕЧЕНИЯ ГАЗОВ И ЖИДКОСТЕЙ
Уравнение Бернулли
Из уравнения первого закона термодинамики для потока, выведенного
нами ранее, для обратимого адиабатного потока несжимаемой жидкости можно
получить уравнение, называемое уравнением Бернулли
w 12
w 22
Р1 +
+ ρgh1 = Р2 +
+ ρgh2 ,
2
2
где h – высота.
Если h1 = h2
w 12
w 22
Р1 +
= Р2 +
.
2
2
16
w 12
Комплекс
называют динамическим давлением (напором), в отличие
2
от величины Р1 называемой статическим давлением. Сумма статического давления и динамического называется полным давлением. Уравнение показывает,
что в обратимом адиабатном потоке несжимаемой жидкости при h = const полное давление постоянно по длине потока. Статическое давление – это то давление, которое показывает манометр, движущийся вместе с потоком. При торможении потока (w = 0) статическое давление становится равным полному давлению.
Скорость звука
Скоростью звука называется скорость распространения в среде малых
возмущений (малыми называются такие возмущения среды, в которых местное
изменение давления среды в точке возмущения, т.е. амплитуда давления, пренебрежимо мало по сравнению с общим давлением).
α = кP .
С учётом Рv =RТ, α = кRТ .
Истечение из суживающихся сопл
Для увеличения скорости потока применяют специально спрофилированные каналы, которые называют соплами. Рассмотрим процесс обратимого, т.е.
без трения, адиабатного истечения газа из сопла, соединённого с газовым резервуаром большого объёма, рис. 10.
Р2 – давление газа на выходе из сопла – равно давлению среды, в которую
поступает газ. Скорость газа на входе в сопло – w1, на выходе – w2.
Для адиабатного потока уравнение первого закона термодинамики для
потока di + wdw = 0, откуда, интегрируя между двумя точками потока
2
w 2 = 2i1  i 2   w1 .
Перепад энтальпий i1 - i2 можно определить, например, по i - s диаграмме
или аналитически
k 1

k 

Р  
k
Р11 1   2    w12 .
w2 = 2
k 1
  Р1  


Если w1 пренебрежимо мала, то
Рис. 10. К истечению
газа из сопла
17
k 1

k 

Р  
k
Р11 1   2    2i1  i 2  ,
w= 2
k 1
  Р1  


т.е. скорость истечения газа из сопла w тем больше, чем меньше величина отношения давления Р2/Р1.
Расход газа через сопло
Объёмный расход V = Σw, м3/с, где Σ – площадь сопла (выходного сечения), массовый расход
w
 кг 
  w   .
G=
2
с
Из уравнения адиабаты
1
k
1  Р2
1
  
;
 2  Р1  1
G=
1
k
 w  Р2
 
1  Р1 
или
2
k 1


k
k Р1  Р 2   Р 2  k 
   
G=Σ 2
.
k  1 1  Р1   Р1  


Это уравнение связывает между собой величину массового расхода идеального газа при обратимом адиабатном течении через сопло с площадью выходного сечения сопла и величинами Р1, v1, Р2. С помощью этого уравнения
можно решить и обратную задачу – найти, какой должна быть площадь выходного сечения сопла, чтобы обеспечить заданный расход G газа через сопло при
заданных параметрах газа на входе в сопло и на выходе из него.
Р
Характер зависимости расхода G от Ψ = 2
Р1
по этой формуле показан на рис. 11 (кривая 1-к-0).
Экспериментальные данные этому противоречат. Правая ветвь кривой (1-к) совпадает с экспериментальной. Но уменьшение давления ниже
 Р2 
  кр не влияет на расход. Т.е. при сколь угодно
 Р1 
низких давлениях среды за соплом, меньшим Р 2 =
ΨкрР1 давление газа в выходном сечении суживающего сопла остаётся постоянным и равным Р 2 .
Скорость газа на выходе из сопла растёт точно до тех пор пока Р2 уменьшается
до Р 2х . Дальнейшее снижение давления за соплом не приводит к росту w.
Рис.11. Зависимость расхода газа через сопло от
перепада давлений
k
 2  k 1
Ψкр = 
 .
 k  1
18
2
W* =
k Р1  2  k 1
k
.
2
Р11 , Gmax =  2


k  1 1  k  1 
k 1
Заменим Р1 и v1 из уравнения адиабаты на Р * v * получим w *= kР** ,
т.е. w* = α. Величина максимальной скорости равна местной скорости звука в
выходном сечении.
Любое слабое возмущение, в том числе и изменение давления, распространяется в сжимаемой среде со звуковой скоростью. Когда давление среды, в
которую истекает газ Р2 = Р*, скорость истечения равна местной скорости звука.
При дальнейшем снижении давления Р2 < Р*, волна разрежения не сможет распространяться вверх по соплу, так как её относительная скорость α – w = 0,
вследствие w = α. т. е. поток в сопле «не знает», что давление за соплом снизилось.
Сопло Лаваля
При течении газа (жидкости) в канале для любого сечения канала справедливо уравнение.
w
G=
,

где G – массовый расход, Σ – площадь сечения канала, w – скорость, v – удельный объём.
При стационарном режиме течения массовый расход одинаков в любом
сечении потока
w
w
= const=
.


Это уравнение называют уравнением неразрывности.
Логарифмируя это уравнение, получим ℓn Σ + ℓnw - ℓn v = const.
d  d  dw
Дифференцируя, получим
- уравнение неразрывности в




w
дифференциальной форме.
d 1  1


Из него можно вывести уравнение в виде
 2  1dР
 kP  M

dw d 
или (М2 - 1)
.

w

w
Здесь М =
число Maxa (отношение скорости течения к местной скоа
рости звука).
При дозвуковых скоростях (М < 1) сужение канала (dΣ < 0) соответствует
снижению давления в потоке вдоль канала (dР < 0) т.е. случай рассмотренного
выше суживающего сопла. При сужении канала скорость увеличивается
(dw>0).
19
Если при дозвуковом течении канал расширяется, то скорость потока
снижается (dw < 0), а давление в потоке вдоль канала возрастает (dР > 0). Расширяющиеся каналы применяют для торможения потока, то есть для превращения кинетической энергии потока в потенциальную энергию сжатого газа.
Устройства, предназначенные для превращения кинетической энергии потока в
потенциальную энергию (повышения давления за счет снижения скорости потока) называют диффузорами.
При М > 1 течение в расширяющемся канале (dw > 0) происходит с
уменьшением давления вдоль потока (dР < 0) и с увеличением скорости,
(dw > 0), в суживающемся канале (dΣ < 0) сверхзвуковой поток замедляется
(dw < 0), а его давление возрастает (dР > 0). Т.е. сверхзвуковое сопло представляет собой расширяющийся канал, а сверхзвуковой диффузор – сужающийся
канал.
Перечень каналов для различных режимов течения
Вид потока
Дозвуковой М<1
Сверхзвуковой М>1
Вид канала
Сопло (ускорение потока,
Диффузор (торможение потока,
падение давления вдоль
увеличение давления вдоль
потока)
потока)
Суживающееся
Расширяющийся
Расширяющееся
Суживающийся
Из этого анализа очевидно как осуществить дальнейшее ускорение потока, который при Рс ≤ Р* приобрёл на выходе из суживающегося сопла звуковую
скорость.
Сопло должно спрофилировано так,
чтобы канал суживался до тех пор, пока
давление в канале не станет равным критическому Р*. Затем канал должен расширяться рис. 12. Такое комбинированное
сопло впервые было применено для получения сверхзвуковых скоростей шведским
инженером Лавалем (1880 годы). Называется соплом Лаваля.
Рис.12. Cопло Лаваля
1.11. ДРОССЕЛИРОВАНИЕ
Эффект падения давления струи рабочего тела в процессе протекания через сужение в канале называется дросселированием.
Физически падение давления за местным сопротивлением обусловлено
диссипацией энергии потока, расходуемой на преодоление этого сопротивления.
20
Рассмотрим процесс течения газа (жидкости) через трубу, имеющую
местное сопротивление, например диафрагму рис.13.
Сечение трубы до и после диаграммы одинаково, вследствие чего
можно пренебречь изменением кинетической энергии потока. Рассмотрим адиабатное дросселирование.
Площадь сечения трубы – Σ.
Рис.13. Дросселирование
Представим, что сечения газа (или
невесомые поршни) 1 и 11 перемещаются вдоль трубы. За некоторый промежуток времени поршень 1 переместится на ℓ1, поршень 11 на длину ℓ2 > ℓ1, так как Р2 и ρ2 < Р1, ρ1.
Чтобы переместить поршень 1 на расстояние ℓ1 нужно совершить работу
L1 = Р1 ℓ1Σ.
V1 = ℓ1Σ – объём газа, вытесненный поршнем 1 за рассматриваемый промежуток времени через диафрагму.
V1 = ν1 G1 где G – масса газа, прошедшего через дроссель.
L1 = Р1ν1G1 .
Работа, которую производит поршень 11
L2 = Р2ν2G.
При перемещении рассматриваемой массы газа за определённый промежуток времени совершается работа, равная разности работы L2, которую производит поршень 11 и работы L1, которая производится над поршнем 1 L=L2- L1
или L = (Р2 ν2 –Р1 ν1)G.
Работа в адиабатном процессе может быть произведена только за счёт
уменьшения внутренней энергии системы.
Следовательно L = (u1 – u2) G.
Приравнивая два последних уравнения
(Р2 ν2 –Р1 ν1)G = (u1 – u2) G;
u1 +Р2 ν2 = u2 +Р2 ν т. е. i1= i2.
В результате адиабатного дросселирования значения энтальпий рабочего
тела до и после местного сопротивления
одинаковы. На рис. 14 показан процесс
дросселирования в координатах i - s.
1 - 21 – уменьшение энтальпии в дросселе, 21 - 2 – процесс торможения потока за
дросселем, в результате которого кинетическая энергия потока уменьшается, а энтальпия восстанавливается до постоянной величины. В адиабатном потоке тепло, выделяющиеся при торможении (тепло трения) цеРис.14. Процесс дросселирования ликом усваивается рабочим телом.
в is - диаграмме
Таким образом, в рассмотренном необратимом процессе i1 = i2 , но di ≠ 0.
21
1.12. ОБРАТНЫЕ ТЕПЛОВЫЕ ЦИКЛЫ И ПРОЦЕССЫ.
ХОЛОДИЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ
Охлаждение тел до температуры, лежащей ниже температуры окружающей среды, осуществляется с помощью холодильных установок, работающих
по обратному тепловому циклу.
Обратным называется цикл, в котором работе сжатия превышает работу
расширения и за счёт подведённой работы тепло передаётся от холодного источника к горячему рис. 15. Горячему источнику в обратном процессе передается
тепло q1 равное сумме тепла q2, отбираемого от холодного источника и тепла, экРис.15. Обратные циклы
вивалентного подводимой в цикле работе ℓц, q1 = q2 + ℓц.
Холодильная установка включает в себя устройство для сжатия рабочего
тела (рабочее тело холодильных установок называется хладоагентами) – компрессор или насос, и устройство, в котором происходит расширение рабочего
тела. Машины, применяемые в холодильных установках для охлаждения хладоагента в процессе его расширения с совершением работы, называются детандерами. Детандеры подразделяют на поршневые и турбинные (турбодетандеры).
Для характеристики эффективности цикла холодильной установки применяется так называемый холодильный коэффициент
q
q2
ε= 2 =
.
 ц q1  q 2
Холодильные установки по виду хладоагентов делятся на две основные
группы:
1. Газовые (в частности воздушные) холодильные установки (газ в состоянии далёком от линии насыщения).
2. Паровые холодильные установки, где в качестве хладоагентов пары
различных веществ.
Паровые холодильные установки подразделяются на парокомпрессионные, пароэжекторные и абсорбционные.
Цикл воздушной холодильной установки
Схема воздушной холодильной установки представлена на рис. 16. Воздух расширяется в детандере от давления Р1 до Р2 совершая работу, отдаваемую детандером (например электрогенератору).
22
Воздух, охлаждённый в результате адиабатного расширения до температуры Т2, поступает в охлаждаемую камеру и, где он отбирает тепло в изобарном процессе.
По выходе из охлаждаемой камеры воздух поступает в компрессор, его
давление повышается до Р1, температура до Т4. Сжатый воздух поступает в
охладитель. Цикл воздушной холодильной установки в Р - v и T - s диаграммах
показан на рис.17.
Рис.17. Цикл воздушной холодильной
установки: а) – в координатах Pv;
б) – в координатах TS
Рис. 16. Схема воздушной холодильной установки: 1-детандер;2охлаждаемаякамера; 3-компрес
сор; 4–охладитель
Холодильный коэффициент ε =
Т2
q2
=

q 1  q 2 Т1  Т 2
1
k 1
 k
;
 Р1
   1
 Р2 
Холодильный коэффициент обратного цикла Карно при одном и том же
значении Т1
Т11
εк =
, где T11  Т3; εк > ε.
Т1  Т11
Цикл парокомпрессионной холодильной установки
Осуществить в холодильной установке подвод и отвод тепла по изотермам удаётся в том случае, если в качестве хладоагента используется влажный
пар какой либо легкокипящей жидкости, т.е. жидкости, у которой температура
кипения при атмосферном давлении
ts ≤ 0 ºС.
Схема холодильной установки с влажным паром показана на рис.18.
Сжатый в компрессоре 3 влажный пар поступает в охладитель 4, где за
счёт отдачи тепла охлаждающей воде происходит конденсация пара. Процесс
23
конденсации происходит по изобаре-изотерме 4 - 1, так, что из охладителя выходит жидкость.
Когда процесс отвода тепла происходит по изотерме, разность температур конденсирующегося пара и охлаждающей воды может быть весьма малой.
Создание детандера, в котором расширяется и совершает работу
не газ, а жидкость –
трудная задача.
Поэтому здесь детандеры, как правило,
не применяются. Вместо
процесса расширения с
отдачей внешней работы используется процесс расширения без отРис. 18. Схема и цикл парокомпрессионной холодачи внешней работы,
дильной установки: 1 -дроссель (редукционный) вент.е. процесс дросселиротиль, 2 – охлаждаемая камера, 3 – компрессор, 4 вания. Дросселирование
охладитель (конденсатор)
влажного пара всегда
происходит с понижением температуры. Процесс адиабатного дросселирования
сопровождается ростом энтропии дросселируемого вещества, энтальпия вещества при этом не меняется. Необратимый процесс дросселирования в редукционном вентиле на диаграмме ТЗ - ср.1- 2.
Изобарно-термический процесс подвода тепла к хладоагенту в испарителе от охлаждаемой камеры изображается линией 2 - 3. Давление Р2 выбирается
таким образом, чтобы соответствующая этому давлению температура насыщения была несколько ниже температуры охлаждаемого объёма.
q
i i
ε= 2 = 3 2 ;
ℓкомп = i4 – i3 = ℓц;
q2 = i3 – i2 .
 ц i4  i3
По сравнению с воздушной холодильной установкой парокомпрессионная имеет значительный больший холодильный коэффициент и большую холодопроизводительность. При малых температурных интервалах выгоднее парокомпрессионные холодильные установки. При больших температурных интервалах выгоднее газовые холодильные установки.
Верхняя температура цикла парокомпрессионной установки определяется
температурой охлаждающей воды, поступающий в охладитель (конденсатор) 4.
Нижняя температура цикла Т2 задаётся в зависимости от назначения холодильной установки.
Выбор хладоагента определяется величиной интервала температур в которой работает установка, т.е. чтобы в этом интервале температур мог существовать влажный пар хладоагента.
24
Во вторых нужно, чтобы в этом интервале температур давление насыщенных паров хладоагента было с одной стороны не слишком низким (чтобы
не иметь дело с глубоким вакуумом), с другой стороны не слишком высоких,
что требует высокой плотности и прочности и также усложняет установку. Желательно, чтобы при нижней температуре цикла Т2 давление насыщенных паров
хладоагента было близко атмосферному.
Этим условиям хорошо удовлетворяют «фреоны» - фторхлорироизводные
простейших углеводородов (в основном метана) фреон 14 (СF4), фреон 13
(ССℓF3), фреон 22 (СРСℓF2), фреон 12 (ССℓ2F2), но экология (озоновые дыры).
25
2. ОСНОВЫ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
Теплообмен – сложный процесс, в котором перенос тепла осуществляется одновременно тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием (тепловым излучением).
Теплопроводность – это передача тепла при непосредственном соприкосновении частиц, имеющих различную температуру тел. Кинетическая энергия микрочастиц, составляющих тело (молекул, атомов, электронов) передаётся от более подвижных частиц к менее подвижным. В чистом виде теплопроводность может наблюдаться только в твёрдых телах.
Конвекция – это перенос тепла достаточно большими (макроскопическими) частицами жидкости или газы при взаимном перемещении этих частиц. Более нагретые частицы сталкиваются с менее нагретыми и отдают им
часть своей энергии теплопроводностью. Передача тепла конвекций в сочетании с теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Частным
случаем конвективного теплообмена является теплообмен между жидкостью и
стенкой.
Тепловое излучение - это процесс распространения энергии в виде электромагнитных волн. Сопровождается двойным превращением энергии – тепловой в лучистую, и, обратно, лучистой в тепловую.
Передача тепла теплопроводностью через стенку - количество тепла, проходящего через стенку, определяется по закону Фурье
t t
Φ = λ 1 2 F1

где Ф – тепловой поток, Вт; λ- коэффициент
теплопроводности, Вт/(мК); t1 и t2 - температура
наружных поверхностей стенки; δ – толщина
стенки, м (рис. 19); F – площадь поверхности
стенки, м2.
Коэффициент теплопроводности – это
количество тепла прошедшее единицу длины, в
Рис. 19. Передача тепла
единицу времени через единицу поверхности
теплопроводностью
тела при разности температур равном единице.
Ф

Вт
Величину
= q – называют плотностью потока, 2 : q = ( t1- t2).

F
м

Величину
называют тепловой проводимостью, а обратную ей величи
ну δ/λ - термическим сопротивлением, м2 К/Вт.
26
Передача тепла через многослойную стенку
Рассмотрим стенку из трёх слоёв различных материалов. Плотность теплового потока q для всех слоёв одинакова



q = 1 ( t1- t’), q = 2 ( t’- t”), q = 3 ( t”- t2)
1
2
3
Отсюда можно получить

 

t1- t2 = q  1  2  3  ;
 1  2  3 
Рис. 20. Изменение температур
в многослойной стенке




1
 (t - t )
q =
 1  2  3  1 2






3 
2
 1
Закон изменения температур в многослойной стенке показан на рис. 20.
2.2. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕН
Рассмотрим случай, когда плоская стенка омывается потоком жидкости,
рис. 21.
Температура стенки меньше температуры
жидкости.
Величина теплового потока Ф при конвективном теплообмене прямо пропорциональна
площади F и разности температур стенки и жидкости t.
Ф =  (t- tст)F,
где  – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К).
Рис. 21. К конвективному
1
теплообмену
tст = t - q ;

Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов, поэтому он меняется для одного и того же вещества в больших пределах.
На него влияют:
1. Физические свойства жидкости или газа (вязкость, плотность, теплопроводность, теплоёмкость).
2. Скорость движения жидкости или газа. С увеличением скорости λ возрастает.
3. Форма омываемой поверхности.
4. Шероховатость стенки
5. Характер движения жидкости или газа (турбулентное, т.е. завихренное, или ламинарное, т.е. слоистое).
27
Пример турбулентного движения – горный поток, ламинарного – течение
реки на равнине.
При ламинарном движении теплообмен между жидкостью и стенкой
осуществляется только теплопроводностью. Теплообмен при ламинарном движении меньше, чем при турбулентном.
2.3. ЛУЧИСТЫЙ ТЕПЛООБМЕН
Особенностью лучистого теплообмена - отсутствие непосредственного
соприкосновения тел. Теплообмен может приходить при большом расстоянии
друг от друга.
Носителем лучистой энергии являются электромагнитные колебания с
различной длиной волн. В зависимости от длины волны различают рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, γ - лучи, инфракрасные и т.п. В теплообмене большое значение имеют тепловые (инфракрасные лучи).
Тепловое излучение свойственно всем телам. Лучистая энергия, падающая на тело Qo, частично им поглощается QA, частично отражается от него QR,
частично пропускается телом QD рис. 22.
Qo = QA+ QR + QD
Тело, полностью поглощающее лучистую
энергию, называется абсолютно чёрным (сажа, чистый углерод, чёрный бархат поглощают 97 %
энергии).
Тело, полностью отражающее всю падающую на тело лучистую энергию, называется абсолютно белым или зеркальным.
Тело, полностью пропускающее лучистую
энергию, называется прозрачным.
Абсолютно чёрных, белых и прозрачных тел
Рис.22. Баланс падающего
в природе нет: близки к абсолютно белым полирона тело излучения
ванные металлы (97 %), к абсолютно прозрачным одноатомные и двухатомные газы.
 Т1  4  Т 2  4 
Ф = Спр 
 
 F ,
100
100



 

1
где Спр =
приведённый коэффициент лучеиспускания,
1
1
1


С1 С2 С0
Вт
Со = 5,67 2 4 константа излучения абсолютно чёрного тела.
м K
28
2.4. СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН
Теплопередача через плоскую стенку
Сложный теплообмен, или теплопередача – это процесс передачи тепла
от одного теплоносителя к другому через разделительную стенку, рис. 23. Весь
процесс передачи тепла можно расчленить на простейшие виды теплообмена:
1. Конвективный теплообмен между греющей средой и поверхностью
стенки;
2. Передача тепла теплопроводностью через стенку;
3. Конвективный теплообмен между внутренней поверхностью стенки и
нагреваемой средой.
В сложном теплообмене наряду с конвективным может осуществляться и лучистый теплообмен.
Величина теплового потока, переданного от
греющей среды к стенке, определяется уравнением Ньютона - Рихмана
Ф = α1 (t1 - t 1ст )F, Вт.
Величина теплового потока, переданного
теплопроводностью через стенку, определяется
законом Фурье:

Рис.23 Теплопередача
Ф = ( t 1ст - t "ст )F

через стенку
Величина теплового потока, переданного от
внутренней поверхности стенки к нагреваемой среде
Ф = α2(t "ст - t2)F.
При установившемся режиме эти величины одинаковы. Разделив эти
уравнения на F, и почлено сложив, получим
 1  1 
t1 - t2 = q     , откуда
 1  2 
1
q=
(t1- t2); q = К (t1- t2); Ф = К (t1- t2)F;
1  1
 
1  2
1
Вт
где К =
- коэффициент теплопередачи, 2 .
1  1
м K
 
1  2
Коэффициент теплопередачи численно равен величине теплового потока,
передаваемого через стенку площадью 1 м2, при разности температур между
греющей и нагреваемой средами, равной 1 ºС.
29
При наличии в теплопередаче, кроме конвекции, лучистого теплообмена
необходимо определять общий коэффициент теплоотдачи
α = αк+ α л,
где αк – конвективный коэффициент теплоотдачи; αл - условный коэффициент
теплоотдачи излучением.
 Т 1  4  Т 2  4 
С пр 
 
 
 100  
qл
 100 
Вт
αл =
,
.

t1 - t 2
t1 - t 2
м2 K
30
3. СУДОВЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ УСТАНОВКИ
3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СЭУ
Судовая энергетическая установка – это комплекс взаимосвязанных элементов энергетического оборудования предназначенный для выработки всех
необходимых на судне видов энергии. Элементами СЭУ являются: генераторы
рабочих тел, первичные и вторичные двигатели, передачи и валопроводы к
движителям, механизмы, аппараты, устройства, ёмкости и трубопроводы, средства регулирования, контроля и управления установкой. В состав СЭУ включается также оборудование, облегчающее эксплуатацию установки, подъёмнотранспортные средства, оборудование судовой мастерской, трапы, площадки в
помещениях энергетической установки.
Основное назначение энергетической установки на судах и кораблях –
обеспечение движения судов и кораблей с заданными скоростями хода. Поэтому часть СЭУ предназначенная в основном для выработки механической энергии и передачи её движителям, называется главной или пропульсивной установкой, а её элементы – главными (например, главный двигатель, главный котёл). Остальная часть СЭУ, обеспечивающая многочисленные другие судовые
потребители энергии называется вспомогательной энергетической установкой,
а её элементы – вспомогательными.
Важнейшими потребителями механической энергии, кроме судовых движителей являются насосы, компрессоры, вентиляторы, палубные механизмы и
др. Их привод зачастую более удобен от электродвигателей, а не от тепловых.
Поэтому в составе вспомогательной энергетической установки всегда имеется
достаточно мощная электростанция, оборудованная дизель – или турбогенераторами.
Соотношение мощностей главных двигателей и двигателей судовой электростанции зависит от назначения и размеров судна. Например, в СЭУ БМРТ
типа «Маяковский» это отношение равно 0,6; в установках танкеров типа «Ленинский Комсомол» - 0,125.
Взаимосвязь элементов СЭУ осуществляется её системами. Системы СЭУ
предназначены для снабжения СЭУ топливом, маслом, питания парогенераторов водой и т.д. В зависимости от назначения различают: топливную, масляную, охлаждения, воздухоподачи, газоотвода, сжатого воздуха, кондесатнопитательную и др.
СЭУ классифицируют по следующим основным признакам:
- по роду топлива – на использующие органические топливо (продукты
перегонки нефти, уголь) и использующие ядерное топливо.
На морских транспортных судах в настоящее время используют в основном продукты перегонки нефти;
- по типу главных двигателей - с поршневыми и турбинными двигателями. На судах имеются установки с поршневыми ДВС, с газо и паротурбинны-
31
ми двигателями. Своё название СЭУ получают по типу главных двигателей:
СЭУ с ДВС (теплоходы), ПТУ, ГТУ.
- по способу передачи энергии движителям - с прямой и не прямой передачей. В случае не прямой передачи между двигателем и движителем имеется
промежуточное передаточное звено (механическая, электрическая или гидравлическая передача).
- по числу судовых валопроводов - одно и многовальное.
На июнь 1971 г. состав мирового торгового флота:
Пароходы: количество – 7350 = 13 %.
Валовая вместимость, рег. т. - 87518130 ≈ 35 %.
Теплоходы – количество - 47691
Валовая вместимость, рег. т. - 159684504.
Состав танкерного флота на середину 2002 года представлен на рис. 24.
Рис. 24.Состав танкерного флота
Классификация танкеров показана в таблице 1.
Основные типы транспортных судов показаны на рис.25. На рис. 26 представлено пассажирское судно с дизель-электрической установкой.
Благодаря рациональному использованию химической энергии топлива,
без применения какого-либо промежуточного рабочего тела (например, пара) и
вследствие большой разности температур между максимальной температурой
при сгорании (1800-2000 К) и минимальной в конце процесса расширения (9001000 К) эффективный коэффициент полезного действия (е) современных ДВС
значительно выше е других типов тепловых двигателей.
3600 N e 3600
B

g e  ч ; e 
,
BчQнр
geQнp
Ne
где gе – удельный эффективный расход топлива, кг/(кВтч);
Вч – часовой расход топлива;
Q нр – низшая теплота сгорания топлива;
Nе – эффективная мощность двигателя.
32
Таблица 1
Характеристика танкеров и каналов
Tanker Type
Dimensions
Small tankers
Handysize
Scantling draught up to
Handymax
Overall ship length
Panamax
Ship breadth equal to
Overall ship length up to (re port facilities)
Overall ship length up to (re canal lock
chamber)
Passing ship draught up to
Aframax
AFRA – American Freight Rate Assessment Ship breadth
Suezmax
Ship draught up to
Ship breadth up to
Draught x breadth up to
Overall ship length up to
VLCC –Very large Crude Carrier
Overall ship length
ULCC – Ultra Large Crude Carrier
Panama Canal
Suez Canal
approx. 10m
Ship size
(scanting)
up to 10,000 dwt
10,000- 29,999 dwt
approx. 180 m
30,000 -50,000 dwt
max.:
32.2/32.3m (106ft)
228.6m (750 ft)
289.6 m (950 ft)
60,000-75,000 dwt
12.04 m (39.5 ft)
approx. 41-44m
max.:
21.3m/(70ft)
70m
approx.820 m2
500 m
above 300 m
80000-120000 dwt
125,000-170,000
dwt
250,000-320,000
dwt
more than
350,000 dwt
The Lock chambers are 305m long and 33,5 m wide, and the
largest depth of the canal is 12.5-13.7 m.
The canal is about 86 km long, and passage takes eight hours.
At present the canal two lanes, but a possible third lane with an
increased lock chamber size is under consideration.
The canal is about 163 km long and 80-135 m wide, and does not
have lock chambers. Most of the canal has only a single traffic
lane with several passing bays.
33
Рис. 25. Типы транспортных судов
34
Рис. 26. Пассажирское судно
Значения удельного расхода топлива и КПД современных судовых ДВС:
МОД
СОД
ВОД
gе,
г/(кВт·ч)
155-210
160-215
190-230
е
44-52
43-52
38-45
Двигатель внутреннего сгорания – самый распространенный тип двигателя. В СССР в 1980 г. суммарная мощность в 7 раз превышала суммарную мощность тепловых и гидроэлектростанций (2,4 млрд кВт – ДВС, 320 млн кВт
мощность электрических станций). ДВС сжигали 66 млн т бензина, 114 млн т
дизельного топлива, 4,6 млн т моторного масла. (В США - 299 млн тонн бензина, 136 млн т дизельного топлива, 8 млн т моторного масла). В СССР выпускалось 3,860 млн шт. ДВС в год, 60 базовых моделей, 600 модификаций.
На рис. 27 показана главная пропульсивная установка с малооборотным
двигателем внутреннего сгорания, а на рис. 28 – с высоко оборотным ДВС. Дизель-редукторный агрегат, собранный на фундаменте показан на рис. 29.
Рис. 27. Главная пропульсивная установка с МОД
35
Рис. 28. Главная пропульсивная установка с ВОД
Рис. 29. Дизель-редукторная установка
36
3.2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ ПОРШНЕВЫХ ДВС
Циклом теплового двигателя называют круговой термодинамический
процесс, в котором теплота превращается в работу. Все термодинамические
процессы действительного цикла, осуществляемого в реальном двигателе, в той
или иной степени необратимы. Необратимость процессов, например, связана с
наличием трения в потоке газа, на преодоление которого затрачивается работа.
На практике широко распространен анализ обратимых термодинамических
циклов, вследствие их наглядности, простоты анализа и расчетов. Обратимый
цикл является как бы эталонным циклом, обладающим максимальным термическим к.п.д. т при тех же параметрах. При их исследовании принимают следующие допущения:
1. Рабочее тело – идеальный газ.
2. Масса рабочего тела неизменная и одинаковая во всех процессах;
3. Изменением теплоемкости рабочего тела пренебрегают или учитывают
изменение теплоемкости в зависимости от температуры и состава смеси газов.
4. Подвод теплоты к рабочему телу осуществляется ее отдачей от горячего источника.
5. Процессы газообмена заменяют обратимым процессом с отводом теплоты от рабочего тела холодному источнику.
6. Процессы сжатия и расширения принимают адиабатными.
ДВС – тепловая машина, в которой подвод тепла к рабочему телу осуществляется за счет сжигания топлива внутри самого двигателя. Рабочим телом
в таких двигателях является на первом этапе воздух или смесь воздуха с легко
воспламеняющимся топливом, а на втором − продукты сгорания этого жидкого
или газообразного топлива.
В ДВС давления рабочего тела не слишком высоки и температуры его
намного превышают критические, что позволяет с хорошим приближением
рассматривать рабочее вещество как идеальный газ; что существенно упрощает
термодинамический анализ цикла.
ДВС обладают двумя существенными преимуществами по сравнению с
другими типами тепловых двигателей. Во-первых, нет необходимости в больших теплообменных поверхностях, через которые осуществляется подвод тепла
от горячего источника к рабочему телу. Во-вторых, в ДВС предельное значение непрерывно меняющейся температуры рабочего тела, получающего тепло
не через стенки двигателя, а за счет тепловыделения в объеме самого рабочего
тела может существенно превосходить предел допустимости для конструкционных материалов. К тому же стенки цилиндра и головки двигателя удобно
охлаждать, что позволяет расширить температурные границы цикла и тем самым увеличить его термический к.п.д.
Различают три основных вида циклов поршневых ДВС: цикл Отто (сгорание при V = const), цикл Дизеля (сгорание при Р = const), цикл Тринклера
(сгорание при V = const, и затем при Р = const).
37
Цикл Отто, (рис. 30) названный по имени немецкого конструктора Н. А.
Отто, осуществившего этот цикл в 1876 году. В процессе а - 1 поршень движется вниз и в цилиндре создается разрежение, происходит впуск воздуха с парами
топлива (карбюраторный двигатель). В точке 1 всасывающий клапан закрывается и в процессе 1- 2 происходит сжатие горючей смеси. В точке 2 смесь зажигается свечой. Сгорание мгновенное, поршень не успевает переместиться, давление растет до точки 3.
Под действием давления поршень перемещается вниз, совершая работу
расширения, отдаваемую потребителю. В точке 4 открывается выхлопной клапан, давление снижается до Р5. Затем поршень идет вверх, выталкивая оставшийся газ.
б)
а
Рис.30. Цикл Отто: а) индикаторная диаграмма; б) идеализированный цикл
Термодинамический анализ цикла Отто удобно производить, рассматривая идеализированный цикл. Реальный цикл ДВС − разомкнутый цикл.
Поскольку в горючей смеси, подаваемой в цилиндр, топлива немного по
сравнению с воздухом, то можно считать, что цикл ДВС является замкнутым,
рабочим телом является воздух, количество которого в двигателе остается
неизменным, а подвод тепла к рабочему телу осуществляется от внешнего горячего источника через стенку цилиндра в изохорном процессе 2 - 3 и отвод
тепла в изохорном процессе 4 - 1. С точки зрения термодинамического анализа
такой замкнутый цикл не отличается от разомкнутого цикла Отто.
Процессы сжатия 1 - 2 и расширения 3 - 4 происходят за весьма короткие
промежутки времени, в течение которых не успевает произойти заметного теплообмена с окружающей средой и с хорошим приближением эти процессы
можно считать адиабатными.
q1  C v (T3  T2 ).
Термический к.п.д. цикла Отто:
q 2  C v (T4  T1 ).
T4
1
q2
C v (T4  T1 )
T
T1
T  1 
1
1
 1.
T3
q1
C v (T3  T2 )
 1 T2
T2
38
(3)
Для идеального газа в адиабатном процессе:
k 1
v
T1  v 2 
1
    k 1 , где   1 степень сжатия – отношение полного объема циT2  v1 

v2
линдра к объему камеры сгорания.
Для адиабат 1 - 2 и 3 - 4:
k
k
k
k
P1 v 1  P2 v 2 . P4 v 4  P3 v 3 .
Разделив почленно и учитывая, что v 2  v 3 и v 4  v 1 , получим:
(4)
1
T4 T3
P4 P3
и
(5)
T  1  k 1 .
 ,
 ,
P1 P2
T1 T2

Термический к.п.д. цикла Отто зависит только от степени сжатия рабочего тела в адиабатном процессе 1 - 2, причем, чем выше степень сжатия , тем
выше к.п.д. двигателя. Практически осуществить сжатие до слишком высоких
значений , сопровождающееся значительным повышением температуры и
давления, не удается, так как происходит самовоспламенение горючей смеси,
детонация и разрушение элементов двигателя. Обычно  = 7  12. Величина
степени сжатия зависит от качества топлива, повышаясь с улучшением антидетонационных свойств, характеризуемых октановым числом;  − можно повысить, если сжимать не горючую смесь, а чистый воздух, а затем, после окончания процесса сжатия, вводить в цилиндр горючее. На этом принципе построен
цикл Дизеля (рис. 31), по имени немецкого инженера Рудольфа Дизеля, построившего в 1896 году двигатель, работающий по этому принципу (патент
№ 67207 с 1892г.).
Рис. 31. Цикл Дизеля: а) индикаторная диаграмма; б) идеализированный цикл
Введем понятие «степень предварительного расширения».
v
  3 - отношение объема цилиндра в конце изобарного процесса подv2
вода теплоты к объему камеры сгорания.
Из общего выражения для термического к.п.д. цикла
39
T4
1
C v (T4  T1 )
q2
T1
1 T1
T  1 
 1
 1
.
q1
C v (T3  T2 )
k T3
T2
1
T2
В изобарном процессе идеального газа:
T3 v 3

.
T2 v 2
Из уравнений адиабаты для процессов 1 - 2, 3 - 4 следует:
P1 v 1  P2 v 2 ; P4 v 4  P3 v 3 ,
с учетом того, что v4  v1 и P2  P3 почленно деля, получаем:
k
k
k
k
(6)
(7)
(8)
k
P4  v 3 
  .
(9)
P1  v 2 
Заменяя Р1 и Р4 на изохоре v4 = v1 по уравнению Клайперона -Менделеева,
T4
 k
T1
(10)
и, подставляя отношение температур, получим
1 k  1 1
T  1 
.
(11)
k   1  k 1
К.п.д. цикла Дизеля тем выше, чем больше степень сжатия ε (как и в цикле Отто) и чем меньше величина ρ.
Двигатель Дизеля не нуждается в карбюрировании топлива, может работать на более низкосортном топливе. Недостаток - относительная тихоходность из-за медленного сгорания топлива.
Цикл со смешанным сгоранием, или цикл
Тринклера (рис. 32) по имени Российского инженера Г.В. Тринклера, впервые предложившего
этот цикл в 1904 г.)
T  1 
Рис. 32. Цикл Тринклера
q2
, q1  q1  q11
1 ,
q1
q11  C v T5  T2 , q11
1  C p T3  T5 
T4
1
C v T4  T1 
T1
T1
.
T  1 
1
C v T5  T2   C p T3  T5 
T


 T5

T T

 1  k 5  3  1 2
T2  T5
 T2


40
(12)
Для изохоры 4 - 1 из уравнения Клайперона-Менделеева
T4 P4
P
, 4   k ,

P1
T1 P1
где  = Р5 /Р2 − степень повышения давления в изохорном процессе сгорания
(отношение максимального давления цикла к давлению в конце сжатия в циv
линдре),   3 - степень предварительного расширения в изобарном процессе
v5
сгорания.
С учетом этого соотношения получаем:
T
T5
T4
T
1
 k ;
  ; 3   ; 1  k 1 .
T2 
T1
T2
T5
 k 1
1
T  1 
.
  1  k  1  k 1
(13)
При ρ = 1 (отсутствие изобарного процесса) уравнение превращается в
уравнение для цикла Отто, а при  = 1 (отсутствие изохорного процесса) уравнение превращается в уравнение для цикла Дизеля.
Сравнение термического к.п.д. цикла Тринклера с термическими к.п.д.
циклов Отто и Дизеля показывает, что при одинаковых степенях сжатия  (рис.
33, а)
TD  Тр
Т  T ,
O
а при одинаковых максимальных температурах цикла Т3 (рис. 33, б):
O
TD  Tp
T  T .
Указанные соотношения наглядно объясняются Т- s диаграммой (рис. 6).
а)
б)
Рис. 33. Сравнение циклов:
а)при одинаковой степени сжатия;
б)при одинаковых максимальных
температурах цикла
Так для всех трех циклов теплота q2 равна и в координатах Т - s эквивалентна площади а -1- 4 - б - а. Работа цикла, которая соответствует площади,
ограниченной линиями процессов цикла, у всех циклов разная. При одинаковой
41
степени сжатия она максимальна у цикла Отто, а при одинаковой наибольшей
температуре цикла она максимальна у цикла Дизеля.
3.3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ КОМБИНИРОВАННЫХ ДВС
Применяемые на морском флоте главные дизели и дизель-генераторы работают по циклу с предварительным сжатием воздуха в турбокомпрессорах и
дополнительным последующим расширением продуктов сгорания в газовой
турбине и отводом теплоты с газами при p = cоnst. Кроме того, в цикле предусмотрено промежуточное охлаждение воздуха в охладителе перед поступлением в цилиндры. Такой цикл реализуется в судовом дизеле с газотурбинным
наддувом, состоящем из поршневого двигателя и систем турбин, компрессоров
и охладителей воздуха. В таких двигателях, которые часто называют комбинированными, осуществляется сжатие воздуха сначала в компрессорах, затем в
цилиндрах.
Теоретический цикл, приведенный на рис. 34, характерен для рабочих
циклов судовых двигателей с газотурбинным наддувом и промежуточным
охлаждением наддувочного воздуха. На диаграмме отдельные линии обозначают следующие процессы (в скобках – соответственно процессы в действительном цикле):
1 – 2 – предварительное внецилиндровое адиабатное сжатие идеального
газа (политропное сжатие воздуха, поступившего из окружающей среды, в турбокомпрессоре);
2 – 3 – отвод теплоты Q 2/ при p = cоnst от адиабатически сжатого идеального газа вне цилиндра (промежуточное охлаждение воздуха в охладителе наддувочного воздуха при p = cоnst с отводом теплоты Q 2/ в охлаждающую забортную воду);
3 – 4 – адиабатное сжатие идеального газа ( политропное сжатие заряда
воздуха в цилиндре до давления p4 = pс, где pс – давления сжатия, соответствующее минимальному объему рабочего тела);
4 – 5 – подвод теплоты Q 1/ при V = cоnst (сгорание впрыснутого в цилиндр топлива при постоянном объеме);
5 – 6 – подвод теплоты Q 1"' к идеальному газу при p = cоnst (сгорание
топлива в цилиндре дизеля при pΖ = pmax= cоnst, где pΖ – максимальное давление
рабочего цикла);
6 – 7 – адиабатное расширение идеального газа (политропное расширение
продуктов сгорания – газов в цилиндре двигателя с совершением работы, т. е.
рабочий ход поршня);
7 – 8 – отвод теплоты Q "2 при V= cоnst (процесс выпуска газов из цилиндра в коллектор при V7-8 =VВ= cоnst, где VВ – объем цилиндра в начале выпуска газов);
42
8 – 9 – подвод теплоты Q 1"' при p = cоnst (часть кинетической энергии выпускных газов в выпускном коллекторе переходит в тепловую энергию, что повышает температуру газов перед газовой турбиной; происходит как бы подвод
теплоты Q 1"' к рабочему телу при p8-9 = pт= cоnst, где pт − давление газов перед
турбиной);
Рис. 34. Цикл комбинированного дизеля
9 – 10 – адиабатное расширение газов (расширение газов в газовой турбине при начальном давлении p8-9, равном давлению pт);
10 – 1 – отвод теплоты Q "2' к холодному источнику согласно второму закону термодинамики (отвод теплоты отработавших в турбине выпускных газов
в окружающую среду или утилизирующие теплоту устройства).
Условились считать, что теплота Q "2' , отводимая из цилиндров на участке
цикла 7 – 8, полностью подводится к турбине на участке 8 – 9 в виде теплоты
Q 1"' в результате перехода кинетической энергии газов в тепловую, т. е. Q "2' = Q 1"' .
К основным соотношениям приведенного цикла следует отнести (в дополнение к приведенным по циклу поршневого двигателя ε, λ, ρ)
ε1 = V1/V2 – степень сжатия в компрессоре;
ε0 = ε 1 ε – общую степень сжатия комбинированного двигателя;
ω = V2/V3 – степень уменьшения объема при промежуточном охлаждении; при отсутствии промежуточного охлаждения V2 = V3 и ω = 1;
φ1 = V3/V8 – степень изменения объема газа (практически в четырехтактных дизелях ) φ1 = 1, в двухтактных φ1 = 0,9 ÷ 0,8);
τ = p3/p8 – степень уменьшения давления (в выпускном трубопроводе дизеля перед турбиной);
πк = p2/p1 – степень повышения давления (в компрессоре);
z – степень понижения давления (в турбине);
так как р8 = р9; р2 = р3; р1 = р10, то z = πк /τ.
43
С учетом изложенных соотношений и равенств, термический к.п.д. цикла
комбинированного двигателя в общем виде
Q '  Q "2'
ηт = 1 - 2'
.
(14)
Q1  Q1"
При подстановке в это уравнение выражений для Q, представленных через параметры цикла, получим выражение для ηт в развернутом виде, позволяющее сделать выводы о влиянии отдельных параметров на экономичность
цикла комбинированного двигателя:
( k 1) / k
k 1
 k k  1 k

 1 (  1)  k 1    1   k
1
.
ηт = 1(15)
k 1




1

k

(


1
)
0
Для двигателя без промежуточного охлаждения воздуха формула (15)
остается в силе при условии ω = 1. По результатам анализа уравнения можно
сделать следующие выводы:
термический к.п.д. цикла с промежуточным охлаждением воздуха после
сжатия в компрессоре ниже, чем цикла без охлаждения. При этом разность
между значениями к.п.д.  ηт = ηт – ηтохл возрастает с увеличением степени повышения давления в компрессоре πк. Следует учитывать, что в реальном двигателе при охлаждении наддувочного воздуха эффективный к.п.д. ηе понижается
меньше, а иногда даже растет, чем термический к.п.д. ηт в теоретическом цикле, так как повышается индикаторный ηi и механический ηм к.п.д.
Значение ηi повышается вследствие уменьшения потерь теплоты в охлаждающую среду от стенок цилиндров. Механический к.п.д. ηм повышается
вследствие того, что индикаторная мощность повышается в большей степени,
чем растут механические потери.
В практике дизелестроения путем наддува стремятся повысить мощность
дизеля при сохранении теплонапряженности на уровне, предельно допустимом
для длительной работы дизеля. Согласно опытным данным, охлаждение наддувочного воздуха на каждые 10 К позволяет повысить мощность дизеля на
2,5  3 % при сохранении теплонапряженности на прежнем уровне.
При газотурбинном наддуве существует два основных способа использования энергии выпускных газов поршневого ДВС:
1) с турбиной постоянного давления (давление газов перед турбиной
Рт = const);
2) с импульсной турбиной (давление газов перед турбиной Рт = var).
При работе турбины на газах переменного давления, Р т = var, можно использовать часть кинетической энергии выпускных газов. На рис.7 этот процесс
изображен тонкой линией 7 – 11 – 10. В этом случае выпускную систему разделяют на несколько коротких трубопроводов малого сечения и объема, к которым подключают выпускные газы от группы (2, 3, 4) цилиндров.
Линия 9 - 10 (рис.7) соответствует процессу расширения газов в турбине
постоянного давления. Выпускные газы из всех цилиндров направляются в об44
щий выпускной коллектор достаточно большой емкости, поэтому перед турбиной устанавливается почти постоянное давление. Большая часть кинетической
энергии газов расходуется на потери при перетекании газов из цилиндра в коллектор, дросселирования в газовыпускных органах, вихреобразования и других
факторов. Часть кинетической энергии превращается в теплоту, благодаря чему
объем газов увеличивается на ∆V (с точки 11 до 9), повышается температура
газов перед турбиной.
Известно, что на диаграмме Р,V площадь под линией процесса определяет удельную работу процесса, площадь цикла - полезную работу цикла, чем
выше крутизна процесса расширения в турбине или процесса сжатия в компрессоре, тем выше адиабатный к.п.д. турбомашины. Отсюда можно заключить, что при изобарном наддуве по сравнению с импульсным за счет повышения к.п.д. турбины получается выигрыш энергии равной площади 11 – 9 – 10,
но теряется кинетическая энергия газов равная площади 7 – 8 – 11. При повышении наддува линия 8 – 9 рис. 7 перемещается выше, площадь 11 – 9 – 10
растет, а площадь 7 – 8 – 11 уменьшается. Поэтому при малых давлениях наддува термический к.п.д. цикла с постоянным давлением газов перед турбиной
примерно на 4  8 % ниже термического к.п.д. цикла с пульсирующим потоком
(импульсная система наддува). При повышении величины πк разница между
значениями термического к.п.д. циклов уменьшается. При давлении наддува
больше 200 кПа эффективней становится изобарный наддув.
Расширение пределов изменения объема рабочего тела при осуществлении цикла (увеличение степени сжатия  0 и последующего расширения) обеспечивает увеличение термического к.п.д. Анализ основных показателей термодинамических циклов показывает, что при степени сжатия двигателя ε = 12÷13
и степени повышения давления в компрессоре πк = 2 ÷ 3 для комбинированного
двигателя ηт = 0,7 ÷ 0,72.
При увеличении отношения давления τ = р3/р8 = 1 ÷ 1,4 (чему соответствует отношение рs/рт в реальном двигателе) термический к.п.д. цикла
уменьшается примерно на 4  5%.
При увеличении степени изменения объема газа в цилиндре φ1 = 0,8 ÷ 1,2
к.п.д. цикла ηт увеличивается на 5  6%.
Термический к.п.д., а следовательно, и экономичность цикла со смешанным подводом теплоты возрастают с увеличением доли теплоты Q 1' , подведенной при постоянном объеме, и уменьшением доли теплоты Q 1"' , подведенной
при постоянном давлении. Другими словами, при ρ = 1,2 ÷ 1,4 к.п.д. ηт и среднее индикаторное давление цикла меньше, чем при ρ = 1,0, примерно на 1 %,
однако максимальное давление цикла рz (давление сгорания топлива), а следовательно, и механическая напряженность двигателя при этом значительно ниже, что приводит к более высокому значению механического к.п.д. ηm. Поэтому
эффективный к.п.д. двигателя ηе, среднее эффективное давление ре при ρ = 1,4
могут быть выше, чем при ρ = 1. Исходя из этого, нормальная эксплуатация дизеля обеспечивается при ρ = 1,3 ÷ 1,4, а не при ρ = 1.
45
Действительный цикл двигателя сопровождается тепловыми, гидравлическими и механическими потерями. Турбокомпрессор наддува ДВС представлен
на рис. 35.
Рис. 35. Турбокомпрессор наддува ДВС
3.4. СХЕМЫ РАБОТЫ ДВС
Четырехтактный ДВС
Рассматривать работу ДВС удобно по индикаторным диаграммам, представляющим в координатах Р,V зависимость давления от объема цилиндра по
ходу поршня от ВМТ к НМТ и наоборот.
Первый такт – наполнение (рис. 36, а). Поршень движется от ВМТ к
НМТ. Через впускной клапан (1) турбокомпрессор подает в цилиндр воздух
под давлением.
Для обеспечения максимального наполнения цилиндра воздухом впускной клапан открывается до прихода поршня в ВМТ с некоторым углом опережения впуска оп.вп  20  50 ПКВ и закрывается с некоторым углом запаздывания после НМТ зап  20  45 ПКВ. Полный угол положения впускного клапана в открытом состоянии составляет вп  220 ÷ 280 ПКВ. На индикаторной
46
диаграмме этому соответствует линия rа. В конце процесса наполнения воздух
в цилиндре имеет следующие параметры: Ра  130  400 кПа; Та  40  130 С.
Второй такт - сжатие (рис. 36, б). Поршень движителя от НМТ к ВМТ,
сжимает воздух, поступивший в цилиндр за первый такт. В процессе сжатия
необходимо повысить параметры сжимаемого воздуха до значений, надежно
обеспечивающих самовоспламенение топлива. Давление и температура в конце
сжатия: Рс  4,5  8,0 МПа; Тс  530 ÷ 730 С. Эта температура превышает температуру самовоспламенения топлива на 160  200 С. Процесс сжатия на индикаторной диаграмме изображен линией ас.
Топливо в цилиндр впрыскивается с некоторым опережением до ВМТ
при высоком давлении, обеспечивающем качественное распыливание топлива.
Опережение впрыскивания топлива обеспечивает подготовку его к самовоспламенению в момент прихода поршня к ВМТ. На номинальном режиме угол
опережения впрыска топлива
0 т  8  16 ПКВ.
Третий такт – сгорание и расширение (рис. 36, в). Такт является рабочим,
на протяжении которого в дизеле совершается полезная работа – превращение
тепловой энергии газа в механическую работу. Участок индикаторной диаграммы сz соответствует периоду сгорания. Максимальное давление в цилиндре Рz  6  19 МПа, температура газов Тz  1700 - 2000 К. Процессу расширения газов на диаграмме соответствует линия zв.
Рис. 36. Схема работы четырехтактного ДВС: а) наполнение; б) сжатие;
в) сгорание и расширение; г) выпуск
47
Четвертый такт - выпуск (рис. 36, г). Поршень движется от НМТ к ВМТ.
Выпуск начинается в момент открытия выпускного клапана (2), до прихода
поршня в НМТ на угол оп.вып .  40  55 ПКВ. Выпуск газов продолжается в
течение всего хода поршня и заканчивается после закрытия выпускного клапана за ВМТ. Запаздывание закрытия выпускного клапана относительно ВМТ
зап.вып.  40  70 ПКВ. На индикаторной диаграмме процесс выпуска соответствует линии вr. Выпускные газы поступают в газовую турбину, где их энергия
используется для привода компрессора, подающего воздух в цилиндры.
Двухтактный ДВС
У двухтактного ДВС наполнение цилиндра воздухом и очистка от продуктов производятся в конце хода расширения и в начале сжатия. Газы из цилиндра отводятся через выпускные окна в нижней части цилиндра или через
выпускные клапаны в крышке цилиндра. Воздух поступает в цилиндр через
продувочные окна, размещенные в нижней части цилиндра. Открытие и закрытие окон производит поршень.
Первый такт – продувка и сжатие рис. 37, а. Такт начинается движением поршня от НМТ к ВМТ. В
начале продувочные окна (1) остаются открытыми, воздух поступает в
цилиндр из ресивера (3), продолжаются продувка и выпуск продуктов
сгорания через выпускные окна (2)
(или клапаны) в коллектор (4) выпускных газов. Конец продувки и зарядки цилиндров воздухом (участок
а′а на индикаторной диаграмме)
определяется моментом закрытия
продувочных и выпускных окон (или
клапанов). После закрытия органов
газообмена начинается процесс сжатия (линия ас), который заканчивается в ВМТ. В конце сжатия (точка с)
давление сжатия Рс = 4,5  8,0 МПа,
температура Тс = 800  1000 К.
Второй такт - сгорание, расширение, выпуск и продувка, (рис. 37,б)
- соответствует ходу поршня от ВМТ
Рис. 37. Схема работы двухтактного к НМТ. За 3  35 ПКВ (в зависимоДВС: а)продувка и сжатие;
сти от типа дизеля) до прихода
б)сгорание и расширение
поршня к ВМТ происходит впрыск
топлива в цилиндр, которое самовос48
пламеняется и сгорает (линия сz).
Под действием давления газов поршень движется к НМТ, идет процесс
расширения газов (рабочий ход), что соответствует линии zа′ на диаграмме.
В момент открытия выпускных окон, за 65  75 ПКВ до НМТ (для выпускных
клапанов за 70  95 ПКВ до НМТ) начинается выпуск продуктов сгорания
(точка в) из цилиндра в выпускной коллектор (4), из которого газы поступают
в газовую турбину. Продувочные окна открываются поршнем после открытия
выпускных окон, когда давление в цилиндре становится примерно равным (несколько меньшим) давлению воздуха в ресивере (3).
С открытием продувочных окон начинаются продувка и наполнение цилиндра свежим зарядом воздуха. Продувка продолжается вплоть до закрытия
поршнем продувочных окон при его движении к ВМТ. На индикаторной диаграмме (рис. 37, б) показаны процессы рабочего цикла: ас – сжатие, сz – сгорание топлива, zв – расширение (рабочий ход), ва′а – газообмен.
По диаграмме можно установить характерные объемы цилиндра: Vs – рабочий, Vс – камеры сгорания, V s' – неполный, определяющий момент начала
сжатия до ВМТ и конец расширения после ВМТ,  Vs – потерянный, занятый
выпускными и продувочными окнами, Vа – полный. Мощность двухтактного
ДВС при одинаковых объемах цилиндров в 1,75  1,85 раза больше мощности
четырехтактного ДВС. При прочих равных условиях рост в 2 раза обусловлен
большим количеством рабочих ходов в единицу времени. Но у двухтактных
ДВС хуже очистка цилиндров от продуктов сгорания, наполнение цилиндров
свежим зарядом воздуха; часть рабочего объема цилиндра теряется на окна.
На рис. 38 показан поперечный разрез 4-тактного двигателя внутреннего
сгорания.
49
Рис. 38. Поперечный разрез 4-тактного ДВС
3.5. СОСТАВ И СВОЙСТВА ТОПЛИВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ДВС
Основным топливом для ДВС являются продукты переработки нефти.
Топливо, применяемое в судовых ДВС, делится на два класса – дистиллятное и
тяжелое. Дистиллятное топливо – продукт перегонки (дистилляции) нефти (Дл.,
Дс., Дз). Это топливо имеет малую вязкость, используется в высоко - и среднеоборотных ДВС, иногда в МОД на режимах пуска и маневрирования, а также
как добавка к тяжелому топливу для понижения его вязкости. Тяжелое топливо
- смесь крекинг-остатков с дистиллятами. Подразделяется на средне – и высоковязкие сорта. Средневязкие – моторное топливо ДТ, получаемое смешиванием мазута с дистиллятами, флотские мазуты Ф-5, Ф-12, обычно состоящие из
50
60 - 70 % маловязкого мазута прямой перегонки, 15-20 % солярового масла и
20 - 30 % крекинг-мазута.
К высоковязкому остаточному топливу относится моторное топливо; ДМ,
мазут М-0,9; М-1,5 и М-2,0 , топочный мазут М40 и М40 В.
Тяжелое топливо обладает значительно худшими показателями и его
применение требует дополнительных затрат на топливоподготовку, но использование в судовых МОД и СОД является экономически оправданным. Они в
1,5 ÷ 2,0 раза дешевле дистиллятных. Кроме нефтяного можно использовать и
другое топливо.
Элементарный состав топлива нефтяного происхождения изменяется
примерно в следующих пределах:
состав в % С – 83 - 87;
Н – 12 - 14;
S – 0,1 - 5,0;
O – 0,1 - 1,0;
N – 0,1 - 0,2.
Теплота сгорания – количество теплоты (энергии) выделяющейся при
полном сгорании 1 кг. топлива. Разделяется на высшую и низшую. Вторая не
учитывает теплоту, выделяющуюся при конденсации паров воды.
Плотность топлива – масса единицы объема. У дизельного топлива
плотность  = 830  890 кг/м3, у тяжелых доходит до 990 кг/м3 (моторное 900910, мазуты 950 - 990). При увеличении температуры плотность уменьшается,
и это нужно учитывать при определении запасов топлива на судне по формуле


 T   T20   t  20  C ,
где  = (0,712 ÷ 0,528) – поправочный коэффициент.
Испаряемость (фракционный состав) указывает температурные пределы
постепенного выкипания различных фракций топлива. Фракционный состав
топлива оказывает влияние на качество смесеобразования. Широкий фракционный состав вызывает ухудшение качества распыливания. Высококачественное топливо характеризуется узким диапазоном фракций. В тяжелом топливе
наличие фракций, кипящих при температуре  350 С, приводит к возрастанию
периода задержки воспламенения и снижению интенсивности сгорания.
Вязкость (внутреннее трение) топлива – свойство оказывать сопротивление при перемещении частиц вещества под действием внешней силы. Является важнейшей физической характеристикой, определяющей качество распыливания, характер и дальнобойность топливной струи, текучесть топлива по
трубопроводам. Различают кинематическую, динамическую и условную вязкость.
Единицей кинематической вязкости  является Стокс (Ст), см2/с, сотая
часть которого именуется сантистоксом (сСт) мм2/с. В основных единицах СИ
кинематическая вязкость измеряется в м2/с 1Ст = 10-4 м2/с.
Условной вязкостью (ВУ) принято считать отношение времени истечения
200 мл топлива из вискозиметра при температуре испытания t ко времени исте0C
51
чения 200 мл дистиллированной воды при 20 С. Единица измерения ВУ (градус вязкости условной) соответствует Е − градусу Енглера.
Динамическая вязкость −   Пac.
Вязкость дизельного топлива 3 ÷ 6 мм2/с, тяжелого топлива 36 ÷180 мм2/с,
начинает доходить до 700 мм2/с. Измеряется для дизельного топлива при 20 С,
для тяжелых 50 С.
Коксуемость – способность топлива к отложению нагара, выражается в
процентах. Коксовым числом называется процентное количество твердого
остатка, которое остается после выпаривания топлива. Твердые частицы нагара
оказывают абразивное действие на детали ЦПГ.
Кислотность – оценивается количеством миллиграммов КОН, необходимого для нейтрализации кислот, содержащихся в 1 мл топлива. Кислотность
вызывает коррозию. Допускаемая кислотность не более 5 мг КОН.
Температура вспышки, Твсп – минимальная температура, при которой
топливо, испаряясь, вспыхивает при соприкосновении с открытым пламенем.
Регистр России допускает использовать на судах топливо, температура вспышки которого в закрытом тигле не ниже 61 С. Твсп – является показателем пожарной опасности.
Температура самовоспламенения – минимальная температура, при которой топливо воспламеняется в присутствии воздуха и продолжает гореть без
воздействия постороннего источника зажигания.
Температура застывания – температура, при которой теряется способность текучести. Для топлив судовых ДВС находится в диапазоне +5 ÷ - 60 °С.
Цетановое число - Ц.Ч. характеризует склонность топлива к самовоспламенению. Продолжительность периода задержки самовоспламенения определяется по совпадению периода задержки самовоспламенения эталонного и
испытуемого топлива, т.е. цетановым числом называется показатель воспламеняемости топлива, численно равный такому процентному ( по объему) содержанию цетана (С16 Н34) в смеси с  - метилнафталином (С10Н7СН3), при
котором периоды задержки воспламенения этой смеси и испытуемого топлива будут одинаковы. (Цетан – легковоспламеняющееся,  - метилнафталин –
трудно воспламеняющееся вещество. Цетановое число его = 0).
Ц.Ч. = 40÷60 – дизельное топливо, у тяжелого топлива Ц.Ч. = 25 ÷ 40.
Зависимость продолжительности периода задержки воспламенения от
цетанового числа показана на рис. 39.
Октановое число характеризует антидетонационные свойства топлива.
Октановое число для бензинов 66 - 94.
Зольность топлива определяется количеством остатков веществ минерального происхождения, образующихся в результате сжигания топлива.
Наиболее вредными зольными элементами являются пятиокись ванадия V2O5,
соли Nа, так как у них низкая температура плавления (550-600 °С) и они прилипают к металлическим поверхностям.
52
Рис. 39. Задержка воспламенения в зависимости от цетанового числа топлива (заштрихована область дизельных топлив): – время от момента начала поступления
топлива в цилиндр до момента самовоспламенения
Содержание золы должно быть меньше (0,01 ÷ 0,02) % в дизельном топливе и меньше 0,15 % в тяжелом. Механические примеси в топливе разрушают сопловые отверстия форсунок, что увеличивает длину факела. Возможно
зависание плунжеров топливной аппаратуры. Особенно опасны частицы размером более 5 мкм. Механические примеси  0,5 % для тяжелого топлива.
Вода снижает теплоту сгорания топлива, вызывает электрохимическую
коррозию плунжерных пар. Содержание воды в топливе для МОД должно
быть меньше 1 %, в ВОД – недопустимо.
Сера – в тяжелом топливе доходит до 5 %. Вызывает коррозию, усиливает
нагарообразование. При горении сера окисляется до сернистого ангидрида
(SO2) и серного ангидрида (SO3). Реагируя с водяными парами, они образуют
пар H2SO4. Реакция усиливается в присутствии ванадия или никеля (которые
являются катализаторами). При температуре верхнего пояса цилиндра  150 °С
на нем конденсируются пары H2SO4 и способствуют активной электрохимической коррозии цилиндра и поршневых колец. Для борьбы необходимо поддерживать высокую температуру воды в зарубашечном пространстве и применять
высокощелочные масла, которые нейтрализуют кислоту.
3.6. СМАЗОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ДВС
Смазочные материалы разделяются на жидкие, пластичные и твердые.
Жидкие смазочные материалы (масла) применяются в высокоскоростных
подшипниках с гидродинамическим режимом трения, и в гидростатических
подшипниках. Кроме собственно смазочного действия, они обеспечивают отвод
теплоты из зоны трения. Пластичные (консистентные) смазки применяются:
- в открытых, негерметизированных узлах трения;
- в труднодоступных местах;
53
- при одновременном использовании в качестве материала для консервации;
- для герметизации подвижных уплотнений и сальников;
- при высоких нагрузках и малых скоростях, ударных нагрузках, периодической работе и частых остановках;
- при вынужденном контакте узла трения с водой.
Твердые смазки используются как: присадки к пластичным смазкам;
наполнители материалов на полимерной основе и твердосмазочные покрытия;
компоненты материалов, получаемых методом порошковой металлургии.
Основным компонентом жидких и пластичных смазочных материалов
является хорошо очищенное базовое масло. Его получают из мазута. Мазут перегоняют на масла в вакууме в присутствии водяного пара.
Различают масляные дистилляты (продукты перегонки) и остаток или полугудрон. Из дистиллятов получают дистиллятные масла, а из остатка - остаточные (масла с повышенной вязкостью). Жидкие смазочные материалы – это
базовые масла, легированные присадками. Присадки в базовые масла вводят в
строго определенных количествах, в результате получаются легированные смазочные материалы, значительно отличающиеся по своим свойствам от исходных природных масел.
Основные типы присадок:
- антиокислительные – тормозят окисление масел;
- антикоррозионные – образуют на смазываемых поверхностях гидрофобные пленки, защищающие поверхности от контакта с водой;
- противопенные – диспергированные частицы полисилоксановой жидкости присоединяются к пузырькам воздуха и разрушают их;
- моющие – предотвращают образование отложений на поверхностях, соприкасающихся с маслом, препятствуют коагуляции продуктов окисления;
- антиэмульсионные – разрушают водомасляные эмульсии;
- вязкостные – повышают вязкость масел и уменьшают ее зависимость от
температуры;
- депрессорные – понижают температуру застывания масла, т.к. препятствуют образованию кристаллической решетки при застывании парафинов;
- противозадирные и противоизносные – образуют сульфидные, хлоридные, фосфатные пленки железа, которые препятствуют задиру трущихся поверхностей и уменьшают изнашиваемость;
- противоскачковые – снижают разность между силой трения покоя и силой трения движения.
Смазочные масла подразделяются в зависимости от применения на моторные, индустриальные и специальные (компрессорные, турбинные и др.). Характеристики смазочных масел делятся на обязательные для всех видов масел и
обязательные для отдельных видов масел. К обязательным для всех видов масел относятся следующие: вязкость, температуры застывания и вспышки, содержание водорастворимых кислот и щелочей, содержание воды и механических примесей.
54
Моторные масла
Раньше моторные масла классифицировали по области их применения
(автотракторные, авиационные, дизельные). В настоящее время в соответствии
с новой классификацией все моторные масла разделены на шесть групп А, Б, В,
Г, Д, Е, каждая из которых включает масла, различающиеся по вязкости от
6 10-6 до 20 10-6 м2/с при 100 °С.
Группа А включает масла без присадок, Б – до 3 ÷ 4 % антиокислительных присадок, В – 4 ÷ 7 % композиций присадок, Г–7 ÷ 12 %, Д – 18÷20 %,
Е до 25 % композиций присадок. Допустимая жесткость условий эксплуатации
растет от А к Е. Индекс при букве в обозначении масла: 1−для карбюраторных
двигателей; 2 − для дизелей; без индекса – масло применимо для тех и других
двигателей.
Моторные масла должны обладать хорошей смазочной способностью,
пологой вязкостно-температурной характеристикой, стабильностью при работе,
минимальной склонностью к нагарообразованию, лако - и осадкообразованию,
низкой испаряемостью, отсутствием коррозионного действия.
Масла судовых ДВС в зависимости от их назначения подразделяются на
циркуляционные и цилиндровые: Ц - циркуляционные, Л - цилиндровые (лубрикаторные). Циркуляционные масла используют в циркуляционной системе
ДВС. Масло здесь должно:
- создавать устойчивую пленку для предотвращения соприкосновения деталей и отводить тепло от поверхностей трения;
- отводить тепло от поршня, не вызывая образования и скопления углеродистых отложений в полостях охлаждения;
- обеспечивать защиту деталей от коррозии;
- не давать отложений в картере и на деталях движения;
- обладать хорошей способностью к водоотделению, не образовывать с
водой стойких эмульсий.
В циркуляционных системах смазки тронковых двигателей масло предназначено также служить для смазки цилиндров. Отсюда масло для тронковых
ДВС еще должны обладать:
- более высокой термической стабильностью и стойкостью против окисления;
- способностью нейтрализации минеральных кислот не только в объеме
масла, но также на стенках цилиндров в зоне поршневых колец;
Масло в циркуляционной системе крейцкопфного двигателя должно за
сутки дважды пройти через сепаратор, а тронкового – 4 раза.
Цилиндровые масла должны обладать особенно высокой термической
стабильностью и хорошей смазывающей способностью. В их функции входит:
- смазывать и охлаждать поверхности трения цилиндра, поршня и поршневых колец, препятствуя непосредственному контакту металлических поверхностей и возникновению перегретых участков;
55
- перекрывать зазоры между соприкасающимися поверхностями, способствуя уплотняющему действию колец;
- защищать металл от коррозии, нейтрализуя соединения, образующиеся
при сгорании сернистого топлива;
- поддерживать в чистоте поверхности трения, растворяя, диспергируя и
удаляя нагар.
Современные цилиндровые масла имеют вязкость 14 ÷ 16 сСт мм2/с при
100 °С. Этот уровень соответствует хорошему сочетанию несущей способности, прочности масляной пленки в сопряжении кольцо-цилиндр и скорости растекания масла по смазываемым поверхностям. Высокая вязкость повышает несущую способность, но ухудшается растекание и увеличивается склонность к
образованию отложений. По уровню щелочности цилиндровые масла делятся
на два класса: среднещелочные – 30 ÷ 40 мг КОН/г, высокощелочные – 60 ÷ 70
мг КОН/г. Первые применяются при содержании серы в топливе меньше 2 %.
Для смазки ГТН в основном применяют турбинные масла. Окружные
скорости поверхностей трения 40 ÷ 120 м/с. Остальные условия менее напряженные, чем для моторных. Температура трущихся поверхностей 40 ÷ 125 °С,
удельное давление 0,6 ÷ 5,0 МПа. Необходимо, чтобы турбинные масла обладали высокой стабильностью против окисления, были стойкими к аэрации.
Для смазки вспомогательного оборудования применяют индустриальные
масла. Используют их обычно в закрытых помещениях. Разделяются на масла
для малонагруженных механизмов (И - 5А, И- 8А), средненагруженных (И-40А,
И - 50А) и высоконагруженных (цилиндровое 24 и 52). Характеристики некоторых масел приведены в таблице 2.
Таблица 2
Характеристики масел
Показатель
М-8Б М10В
при 80,5 11 1
Вязкость
100 °С мм2/с
Вязкость при 50 °С
Щелочное число
мг КОН/г
Температура
застывания
Температура
вспышки, ºС
Зольность %
М-10Г
110,5
М16Е Тп-60
22
15-17
-
Тп30
-
20-23 28-32
Тп-46
-
И40А
-
44-48
35-45
-
3,5
9,0-10,5
60
-25
-15
-15
-12
-15
-10
-10
-15
190
200
200
190
186
190
195
200
0,42
-
1,4
-
0,005 0,005
0,005
0,005
Для смазки узлов трения поршневых компрессоров применяются компрессорные масла К - 12, К - 20, К - 19. Эти масла имеют повышенную вязкость
при высоких температурах, повышенную стойкость против окисления и высокую температуру вспышки.
56
Классификация масел
Классификация SAE (Society of Automotive Engineers) подразделяет
масла на 10 вязкостных классов: шесть зимних и 4 летних сорта, табл. 3.
Соответствие между Российской классификацией масел по вязкости и
классификацией SAE показано в табл. 4.
Классификация моторных масел по уровню эксплуатационных свойств,
предложенная АРI (American Petroleum Institute), делит масла на две категории
– для карбюраторных и дизельных двигателей.
S – карбюраторные.
SA – двигатели, работающие в легких условиях.
SB – двигатели, работающие при умеренных нагрузках.
SC – двигатели с повышенной нагрузкой выпуска до 1964 года.
SD – модели выпуска до 1968 года.
SE – выпуска до 1972 года.
SF – двигатели, работающие на неэтилированном бензине
Таблица 3
Характеристики масел по SAE
Зимние классы
OW
SW
10 W
15 W
20 W
25 W
Летние классы
20
30
40
50
Предельная температура прокачиваемости, ºС
-35
-30
-25
-20
-15
-10
Кинематическая вязкость, в мм2/с при
100 °С
не менее
не более
3,8
3,8
4,1
5,0
5,6
9,3
-
-
5,6
9,3
12,5
16,3
9,3
12,5
16,3
21,9
Температура застывания на 5 °С ниже температуры прокачивания.
Таблица 4
Соответствие вязкостных классов масел различных классификаций
РФ 3З 63
6 20 33/8
43/6 43/8 43/10
53/12
53/14 63/10 63/16
SAE SW 20W 20 50 5W20 10W 20
10W20 10W30 15W40 20W30 20W40
Категория С – дизели.
CА – малые нагрузки, малосернистое топливо.
CB – без наддува, повышенные нагрузки, сернистое топливо.
CC – в тяжелых условиях, умеренный наддув.
57
CД – высокий наддув, тяжелые условия.
Дробная маркировка, например SE/CD, можно использовать и в карбюраторных двигателях и в дизельных.
Соответствие между Российской классификацией масел по уровню эксплуатационных свойств и классификацией API показано в табл. 5.
Таблица 5
Соответствие масел различных классификаций
РФ
АРI
А
SB
Б
SC/SA
Б1
SC
Б2
СA
В
SD/CВ
В1
SD
В2
Г
CB SE/CC
Г1
SE
Г2
CC
Д
CD
Е
SF
3.7. СУДОВЫЕ УСТРОЙСТВА И СИСТЕМЫ
Для обеспечения различного рода эксплуатационных потребностей, а
также безопасности судна и находящихся на нём людей служат судовые
устройства, дельные вещи и судовые системы.
К важнейшим судовым устройствам нужно отнести: рулевое; якорное и
швартовное; буксирное, шлюпочное; грузовое устройство и люковые механизированные закрытия; мачтовое и леерное устройства.
К дельным вещам, т.е. к соединённым с корпусом судна изделиям судового обихода, относятся: двери; крышки сходных люков и горловины; иллюминаторы; трапы и ограждения.
К числу важнейших судовых систем относятся: осушительная и водоотливная; балластная; противопожарные; бытового водоснабжения; сточнофановые; отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха; специальные
системы танкеров.
В зависимости от назначения судна оно снабжается и другими специальными устройствами и системами помимо указанных.
Рулевое устройство является основным средством управления судном. В
состав рулевого устройства входят перо руля, баллер, т.е. вертикальный вал для
поворота пера руля, главный и
вспомогательный рулевые приводы, а также тормозное устройство.
В зависимости от расположения
оси вращения пера руля различают
обыкновенные, балансирные и полубалансирные рули (рис. 40)
Баллер руля имеет опорный и
упорный подшипники, а для его
ввода в кормовой подзор корпуса
служит гельмопортовая труба и
Рис.40. Типы рулей: а - обыкновенный;
б - полубалансирный; в- балансирный
подвесной
58
уплотнительное устройство (рис. 41)
Наиболее распространенным типом рулевого привода на современных судах является
электрогидравлический привод, однако на судах небольшого водоизмещения находят также применение электроприводы с механической передачей и ручные приводы.
В
частности, вспомогательный привод может
быть ручным при диаметре баллера менее 230
мм.
Для увеличения поворотливости совреРис.41. Рулевое устройство:
менные суда часто имеют помимо рулевого
1- перо руля; 2 – баллер;
также одно или несколько подруливающих
3 – гельмортовая труба;
устройств. В
качестве
подруливающих
4 – уплотнительное устройустройств,
преимущественно
используют
ство; 5 – опорный-упорный
вспомогательный гребной винт, имеющий саподшипник; 6 – верхний подмостоятельный привод и размещенный в трубе,
шипник; 7 – рулевая машина
расположенной перпендикулярно ДП судна.
Изменение направления упора этого винта предусматривают либо за счёт поворота его лопастей, либо за счёт изменения направления его вращения (рис. 42,
а).
Управлению судами ограниченного размера иногда осуществляют за
счёт изменения направления
упора его движителей. Это достигается либо при использовании поворотной направляющей
насадки гребного винта (рис.
Рис.42. а) - подруливающее устройство;
б) - поворотная насадка
42, б), либо при установке гребного винта
крыльчатым движителем. Во всех этих случаях необходимость установки руля отпадает.
Якорное устройство служит для удержания судна в удалении от берега с помощью
опущенного на грунт якоря и соединяющий
якорь с судном якорной цепи. Размещаемые в
районе носовой части судна становые якори
предназначены для удержания судна на ме59
Рис.43. Якорное устройство:
1- брашпиль; 2- якорная цепь;
3 – винтовой стопор; 4 –
якорный клюз; 5 – якорь; 6 –
цепная труба; 7 – цепной
ящик; 8 – устройство для
крепления якорной цепи; 9 –
привод для быстрой отдачи
якорной цепи; 10 – пост
управления брашпиля;11 – цеп-
сте, а вспомогательный якорь, или стоп-анкер, располагаемый в районе кормовой части судна, служит для удержания судна в заданном направлении. На современных судах обычно применяют бесштоковые якори с поворотными лопастями, обеспечивающие возможность их быстрой отдачи, подъёма и убирания в
клюз.
Отдают и поднимают якорь с помощью якорной машины – брашпиля или
якорного шпиля. Брашпиль обслуживает два становых якоря и имеет горизонтальное расположение осей цепных звёздочек. Помимо этого он приспособлен
для выбирания швартовных тросов и снабжен для указанной цели швартовными
турачками – барабанами для выбирания троса. Якорный шпиль обслуживает
только один якорь и имеет вертикальное расположение вращающейся оси. Он
также имеет барабан для выбирания швартовных тросов.
Схема якорного устройства с брашпилем приведена на рис. 43. Убранный
якорь находится в якорном клюзе, якорная цепь размещена в цепном ящике и
застопорена винтовым и цепными стопорами, а цепная звёздочка заторможена.
Для отдачи якоря якорная цепь должна быть освобождена от стопоров и цепная
звёздочка расторможена. Тормозное устройство позволяет регулировать длину
вытравленной якорной цепи. При подъёме якоря цепную звёздочку при помощи
муфты соединяют с грузовым валом брашпиля, который приводится во вращение от двигателя брашпиля.
Швартовное устройство предназначено для удержания судна у причальной стенки или у борта другого судна. Схема швартовки судна лагом у
причальной стенки приведена на рис. 44.
Для проводки швартовов на судне предусматривают швартовные клюзы и
киповые планки, а для крепления швартовов – кнехты. Выбирание швартовов производят с помощью брашпиля, якорного
шпиля или с помощью специальных
швартовных лебедок или шпилей. В качестве швартовов применяют стальные,
растительные или синтетические тросы.
Все самоходные морские суда
снабжают
буксирным
устройством,
предназначенным для буксировки в случаях необходимости других судов и плаРис.44. Схема швартовки судна и
элементы швартовного устройвучих объектов. В состав этих устройств,
ства:1- брашпиль со швартовным
входят буксирные тросы, буксирные кнебарабаном; 2 – кнехт; 3- швартовхты и клюзы. Буксирные и спасательные
ная лебедка; 4- швартовный клюз;
суда кроме того, снабжаются специаль5 – киповая планка; 6 - швартовный
ными буксирными лебедками, буксирнышпиль; 7- продольные швартовы;
ми гаками и буксирными дугами для
8 – прижимные швартовы; 9 - коркрепления этих гаков буксирными арками
мовой и носовой шпринги
и тросовыми стопорами.
60
Шлюпочное устройство включает спасательные и рабочие шлюпки,
разъездные катера, а также шлюпбалки и шлюпочные лебёдки для подъёма и
спуска на воду шлюпок.
Вопросам защиты человеческой жизни при пожаре или гибели судна
уделяют особое внимание. В последнее время значительно усовершенствованы
конструкции спасательных шлюпок и шлюпбалок, созданы надёжные надувные
спасательные плоты, которые во многих случаях могут заменить спасательные
шлюпки. Общая вместимость судовых спасательных средств должна быть не
менее общего числа людей на судне.
Грузовое устройство предназначено для выполнения погрузочноразгрузочных операций судовыми средствами. К грузовому устройству относятся грузовые стрелы и лебёдки, грузовые краны и другие подъёмнотранспортные средства и средства внутритрюмной механизации, а также механизированные люковые закрытия.
В связи с развитием портов и портового
подъёмнотранспортного оборудования многие современные грузовые
суда не имеют собственных погрузочноразгрузочных средств
и грузовые операции
на таких судах осуществляется
портовыми средствами. Это
относится к большей
Рис. 45. Грузовая стрела: 1 – стрела; 2 – мачта;
части судов для нава3 – башмак шпора; 4 – вертлюг шпора; 5 – обух топенанта; 6 – блок топенанта; 7 – топенант; 8 – обух лочных грузов и ко
нока; 9 – грузовой блок; 10 – противовес; 11 – вертмногим контейнерным
люг; 12 – гак; 13 – оттяжка; 14 – тали оттяжки;
судам. Одновременно
15 – грузовой шкентель; 16 – направляющий блок;
с этим для некоторых
17 – конец к грузовой лебедке; 18 – грузовая лебедка;
новых типов грузовых
19 – конец к топенантной лебедке
судов
характерно
применение высокопроизводительных грузовых устройств, отличающихся разнообразием технических решений, как это имеет место, например, на лихтеровозах. Это позволяет
обеспечить наибольшую интенсивность погрузочно-разгрузочных операций,
сократить продолжительность стоянок судов и тем самым повысить их эксплуатационную эффективность. К одним из наиболее распространенных судовых
подъёмно-транспортных средств относятся грузовые стрелы и лебёдки, грузоподъёмность которых в отдельных случаях достигает, 200 т и которые могут
работать при значительных кренах и дифферентах судна. Схема простейшей
61
грузовой стрелы приведена на рис.45. Как видно из рисунка, опорой для стрелы
служит судовая мачта или специально предусмотренная вертикальная грузовая
колонка. Стрела удерживается в вертикальной плоскости с помощью стального
троса, называемого топенантом, для выбирания или стравливания которого используется топенантная лебедка. Для перемещения стрелы в горизонтальной
плоскости служат оттяжки. Подъём и опускание груза происходит с помощью
стального троса, называемого шкентелем, который наматывается на барабан
грузовой лебёдки.
Мачты на современных судах служат для размещения отличительных
огней и других средств связи и сигнализации, а также часто используются для
поддержания грузовых стрел. Носовая мачта носит название фок-мачты, кормовая – бизань-мачты и средняя – грот-мачты. Для увеличения высоты мачты
могут делаться составными. Первая надставка называется стеньгой, вторая –
брам-стеньгой. Последняя стеньга вверху заканчивается клотиком. Мачты лёгкой конструкции дополнительно укрепляют с помощью системы стальных тросов или так называемого стоячего такелажа (рис. 46)
Назначением леерного устройства
является ограждение палуб в тех местах,
где отсутствует фальшборт. К элементам
леерного устройства относятся леерные
стойки, поручни и пропущенные через
леерные стойки лееры, т.е. стальные
прутки или тросы. Лееры могут устанавливаться и для безопасности передвижения людей в штормовую погоду.
Помимо рассмотренных выше
устройств корпус судна оборудуют закрытиями дверных вырезов и других отРис. 46. Одиночная мачта и её
верстий в переборках, палубах и в
крепление: 1 1 – мачта; 2 – рей;
надводной части наружного борта, кото3 – стеньга; 4 – клотик; 5 – ванты;
рые служат для доступа в помещения и
6 – бакштаги; 7 –фордуны;8 – штаг
отсеки судна и для естественного осве-карнак; 9 -штаг
щения помещений, а также трапами. В
зависимости от места установки применяют судовые двери нескольких типов:
- легкие створчатые металлические двери, деревянные двери и двери из
пластмасс для жилых, общественных и служебно-хозяйственных помещений;
- огнезащитные створчатые металлические двери для внутренних противопожарных переборок;
- наружные створчатые металлические водогазонепроницаемые двери
для надстроек и рубок;
- тяжёлые водонепроницаемые металлические двери подъёмного или задвижного типа для водонепроницаемых переборок ниже главной палубы (палубы, переборок).
62
Откидные металлические крышки сходных люков в зависимости от мест
установки также могут быть водогазонепроницаемыми или лёгкого типа.
Крышки горловин для доступа в цистерны и коффердамы делают плоскими
съёмными металлическими на шпильках с установкой уплотнительных прокладок.
Для закрытия вырезов в наружной обшивке судна выше ватерлинии,
предусматриваемых для горизонтальной погрузки различного вида грузов,
служат лацпорты, представляющие собой металлические закрытия створчатого
или задвижного типа.
Иллюминаторы для естественного освещения судовых помещений могут
быть глухими и створчатыми с открывающимся стеклом. Круглые бортовые
иллюминаторы с металлическими штормовыми крышками, предусмотренными
на случай повреждения стекла, устанавливают в надводной части наружной
обшивки, а также в надстройках и рубках нижнего яруса. Прямоугольные рубочные иллюминаторы устанавливают на верхних ярусах надстроек и рубок.
Судовые трапы делают наклонными с углом наклона 60-70 º и вертикальными, обычно вспомогательного назначения. Тетивы, ступени и поручни трапов изготовляют из стали или из лёгких сплавов. Для подъёма людей на судно
предусматривают убираемый забортный трап.
Судовые системы служат для перемещения воды, воздуха и других сред,
необходимых для нормальной эксплуатации судна. К конструктивным элементам судовых систем относятся:
- механизмы, обеспечивающие движение среды (насосы, вентиляторы);
- ёмкости для хранения жидкостей (цистерны) и для хранения газов (баллоны);
- теплообменные аппараты (подогреватели, охладители);
- очистные устройства для очистки среды от загрязняющих примесей
(фильтры, сепараторы);
- трубы и их соединения;
- арматура, предназначенная для управления движением среды (клапаны,
задвижки, заслонки, захлопки, краны).
Осушительная система служит для удаления небольших масс воды, попадающей в корпус в условиях нормальной эксплуатации, например, в результате конденсации содержащихся в воздухе паров воды. Это система должна
предусматриваться на всех судах и обслуживаться, по крайней мере, двумя
насосами. Важным условием является очистка удаляемой из корпуса судна воды. С этой целью устанавливают сетки и грязевые коробки на приёмных трубах
к осушительным насосам и специальные сепараторы для отделения от воды загрязняющих её нефтепродуктов (сепараторы трюмных вод).
Водоотливная система предназначена для удаления из корпуса больших
масс воды в результате аварии или при тушении пожара водой. Водоотливные
средства устанавливают на судах работающих в особых условиях, например, на
буксирах, на спасательных судах, на ледоколах.
63
Балластная система служит для приёма водяного балласта (забортной
водой) в балластные цистерны, для перекачки водяного балласта и для откачки
его за борт. С помощью этой системы регулируют осадку и поперечную остойчивость, выравнивают крен и деферент при различных условиях загрузки судна. На отдельных современных судах количество принимаемого водяного балласта может достигать более 1/3 его полного водоизмещения (танкеры, суда для
навалочных грузов при ходе порожнем в балласте). Водяной балласт принимают через забортные приёмные клапаны, называемые кингстонами. Для откачки
и перекачки балласта служит балластный насос, причём предусматривается
возможность его использования в качестве резервного осушительного насоса.
Ледоколы иногда оборудуют специальными креновой и дифферентной
системами, имеющими соответствующие насосы и цистерны. Эти системы позволяют создавать крены и дифференты, облегчающие движение судна в тяжёлых льдах.
Действие противопожарных систем основано на использование различных способов тушения пожара, а именно:
- снижении температуры очага пожара до уровня, при котором горение
прекращается (система водотушения);
- изоляции очага пожара от воздушной среды (системы пенотушения);
- заполнении объёма в районе очага пожара инертными газами или парами, не поддерживающими горение (объёмные системы – углекислотного тушения, паротушения, жидкостного тушения).
Систему водотушения предусматривают на всех судах, причём для её
обслуживания устанавливают обычно не менее двух пожарных насосов.
Помимо тушения пожара водяными струями применяют также тушение
распыленной водой и, в частности, спринклерную систему с установкой спринклеров, т.е. распыляющих насадок, автоматически включающихся при повышении температуры в охраняемом помещении до установленного предела (70-80
ºС). Спринклерная система требует постоянного поддержания давления воды в
пожарной магистрали независимо от её расхода. Во избежание необходимости
постоянной работы насоса для поддержания этого давления устанавливают так
называемые пневмоцистерны, т.е. цистерны относительно небольшой ёмкости с
воздушной подушкой (рис. 47)
При работе насоса и поступлении
воды в цистерну воздух в ней сжимается и
при достижении определённого давления
насос автоматически останавливается.
Магистраль в этом случае будет находиться под давлением со стороны воздуха.
Снижение этого давления при расходе воРис. 47. Схема водонапорной магиды до определённого минимального знастрали с пневмоцистерной:
чения вызывает автоматическое включе1 - электронасос; 2 – трубопровод
ние насоса.
приема воды из запасных цистерн;
3- напорная магистраль; 4 – пневмоцистерна; 5 - реле давления,
управляющее работой электронасоса
64
Тонкий распыл воды с доведением её до туманообразного состояния может быть успешно использован для тушения пожара нефтепродуктов. Тушение
водяными струями в этом случае применять нельзя, равно как и в случае возгорания электрооборудования.
Наиболее эффективным способом тушения пожара нефтепродуктов является воздушно-механическое пенотушение. Образование пены в этой системе
происходит при взаимодействии пенообразующей жидкости с водой и воздухом при приведении системы в действие.
Огнегасительным средством в системе паротушения служит водяной
насыщенный пар низкого давления. Система паротушения применяется при
тушении пожара в котельных отделениях, в грузовых трюмах, а также в цистернах, предназначенных для нефтепродуктов. Недостатками этой системы
являются опасность для людей и возможность порчи груза при тушении пожара.
Система углекислотного тушения лишена последнего недостатка. Углекислота в системе углекислотного тушения хранится в сжатом состоянии в баллонах, заряженных на берегу и установленных в специально выделяемом на
судне помещении станции углекислотного тушения. Углекислоту для тушения
пожара применяют в машинных отделениях, в помещениях для хранения легковоспламеняющихся материалов и в сухогрузных трюмах. Недостатками системы является необходимость хранения значительных количеств углекислоты
при высоком давлении и опасность её утечки через неплотности.
Свободной от указанных недостатков является система жидкостного тушения. Огнегасительным средством в этой системе служат пары легкоиспаряющихся жидкостей, не поддерживающие горения, например, смеси бромистого
этила и тетрафтордиброметана (система СЖБ). Распыл жидкости осуществляется с помощью распыливающих насадок, к которым она подается под давлением.
Своевременное и эффективное применение средств пожаротушения требует наличия систем пожарной сигнализации, обеспечивающих подачу сигнала
с места возникновения пожара, уведомление находящихся на судне людей о
возникновении пожара и предупреждении о включении объёмной системы пожаротушения.
Для предупреждения пожара в нефтяных цистернах и в цистернах хранения нефтепродуктов в последнее время часто применяется система инертных
газов, обеспечивающая заполнение инертными газами свободных объёмов в
указанных цистернах. В качестве инертных газов при этом используют охлаждённые и прошедшие очистку дымовые газы судовых парогенераторов, содержание кислорода в которых составляет обычно менее
5 %, а содержание углекислого газа – более 12 %.
Система водоснабжения обеспечивают снабжение экипажа и пассажиров
судна водой для бытовых нужд. К таким системам относятся система питьевой
воды, системы мытьевой холодной и горячей воды и система забортной воды.
Каждая из этих систем обслуживается насосом с пневмоцистерной. Подогрев
65
воды производят преимущественно в паровых подогревателях. Пополнение запасов питьевой и мытьевой воды на морских судах во время рейса предусматривают за счёт опреснения забортной воды.
Сточная система служит для отвода сточных вод от умывальников,
ванн, душевых кабин, а также от сточных шпигатов внутренних помещений, а
фановая система – для отвода фекальных вод. Сбор сточных и фекальных вод
производят в сточно-фекальную цистерну, из которой их удаляют в плавучие
или береговые ёмкости, а также в открытое море в разрешенных для этого районах.
Шпигатная система открытых палуб служит для непосредственного
стока воды с палуб за борт или в сточные колодцы, из которых ее затем удаляют осушительным насосом.
Системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха предназначены для поддержания в судовых помещениях заданных температуры,
влажности и чистоты воздуха. Это достигается с помощью воздухообмена с
воздушной средой, подогрева или охлаждения воздуха, его увлажнения или
осушения, а в некоторых случаях также путём очистки воздуха в гигиенических
фильтрах-поглотителях.
Для воздухообмена служит естественная или искусственная система вентиляции. Действие системы естественной вентиляции основано на использовании разности плотностей холодного и теплого воздуха, а также на использовании встречных потоков наружного воздуха. В системе искусственной вентиляции используют вентиляторы с электроприводом. В настоящее время на судах
применяют преимущественно системы искусственной вентиляции. По принципу действия система искусственной вентиляции может быть приточной, вытяжной или приточно-вытяжной. В первом случае вентилятор нагнетает свежий
воздух, создавая в помещении небольшое избыточное давление, за счёт которого воздух из помещения вытесняется наружу. Во втором случае вентилятор
обеспечивает вытяжку воздуха из помещения, создавая в нем небольшое разрежение и обеспечивая тем самым приток свежего воздуха. В приточновытяжной вентиляции используют оба принципа, причём обычно предусматривают преобладание притока над вытяжкой.
Воздух подогревают либо непосредственно в помещениях при установке
в последних грелок (системы парового, водяного или электрического отопления), либо в отдельно устанавливаемых подогревателях (система воздушного
отопления).
Для охлаждения воздуха служат воздухоохладители, причём для отвода
теплоты используют либо забортную воду, либо холодильную установку. При
охлаждении воздуха предусматривают его осушение.
Для улучшения комфортных условий в жилых, общественных и служебных помещениях в последнее время применяют системы кондиционирования,
позволяющие поддерживать оптимальные параметры воздуха и его чистоту
независимо от внешних условий. Схема подобной системы в качестве примера
приведена на рис. 48.
66
Специальные системы танкеров служат для приёма и выдачи жидкого
груза, его подогрева, для мойки танков и создания взрывобезопасной атмосферы в танках.
Рис.48. Схема высоконапорной двухканальной системы кондиционирования
воздуха: 1- вентиляторы;2 –регулирующие заслонки; 3 – трубопровод рециркуляции воздуха; 4- приём наружного воздуха; 5 – фильтр; 6 – первичный воздухонагреватель; 7 ь- воздухоохладитель; 8 – воздухоувлажнитель; 9 – влагоотделитель;
10 – вторичный воздухонагреватель; 11 - канал теплого воздуха; 12 – канал холодного воздуха
67
Контрольные вопросы
1. Основные понятия термодинамики. Термодинамический процесс.
2. Параметры состояния: температура, давление, удельный объем.
3.Давление абсолютное, манометрическое. Соотношения между различными
размерностями давления.
4. Идеальный газ.
5. Что такое моль?
6. Законы идеального газа.
7. Теплоемкость. Каковы соотношения между изобарной и изохорной теплоемкостью.
8. Первый закон термодинамики.
9. Энтальпия.
10. Уравнение первого закона термодинамики для потока.
11. Второй закон термодинамики.
12. Термодинамические циклы. Термический к.п.д. цикла.
13. Реальные газы.
14. Водяной пар. Диаграммы и таблицы водяного пара.
15. h-s (энтальпия-энтропия) диаграмма водяного пара.
16. Влажный воздух.
17. i – d диаграмма влажного воздуха.
18. Политропные процессы.
19. Адиабатный процесс.
20. Изобарный процесс.
21. Изохорный процесс.
22. Изотермический процесс.
23. Уравнение Бернулли.
24. Скорость звука.
25. Истечение из суживающих сопл.
26. Сопло Лаваля.
27. Дросселирование.
28. Обратные тепловые циклы.
29. Обратный цикл Карно.
30. Воздушная холодильная установка - ее схема и цикл.
31. Парокомпрессионная холодильная установка.
32. Преимущества и недостатки воздушных и парокомпрессионных холодильных установок.
33. Что такое «теплообмен»?
34. Передача тепла теплопроводностью через стенку.
35. Лучистый теплообмен.
36. Теплопередача через плоскую стенку.
68
37. Что такое коэффициент теплопередачи?
38. Судовая энергетическая установка. Назначение, состав.
39. Системы СЭУ.
40. Классификация СЭУ.
41. Классификация судовых ДВС.
42. Циклы ДВС.
43. Цикл Отто.
44. Цикл Дизеля.
45. Цикл Тринклера.
46. Сравнение циклов ДВС при одинаковой степени сжатия (ε = const.).
47. Сравнение циклов ДВС при одинаковой максимальной температуре цикла
(Tmax = const.).
48. Уравнение теплового баланса лучистой энергии, падающей на тело.
49. Факторы, влияющие на коэффициент теплоотдачи.
50. Циклы комбинированных ДВС.
51. Тепловой баланс судовых ДВС.
52. Уравнение внешнего теплового баланса судового ДВС.
53. Состав и свойства топлив, применяемых в СЭУ.
54. Смазочные материалы в СЭУ.
55. Моторные масла.
56. Типы присадок к маслам.
57. Классификация масел.
58. Грузовое устройство.
59. Судовые подъёмно-транспортные средства.
60. Швартовное устройство.
Вопросы к контрольной работе № 1
1. Что такое термодинамика?
2. Сформулируйте закон сохранения энергии?
3. Назовите основные параметры состояния вещества.
4. Что такое давление?
5. Напишите соотношение между удельным объёмом и плотностью.
6. Напишите уравнение, связывающее абсолютную температуру с температурой по шкале Цельсия.
7. Какова связь между температурой по шкале Цельсия и по шкале Фаренгейта?
8. Какова связь между удельным весом вещества и его плотностью?
9. Что такое термодинамический процесс?
10. Что такое термодинамическая система?
11. Какие термодинамические процессы называются равновесными?
12. Какие термодинамические процессы называются неравновесными?
13. Что такое диаграмма состояния.
14. Какой процесс называется изотермическим?
15. Приведите пример изотермического процесса.
69
16. Какой процесс называется изобарным?
17. Приведите пример изобарного процесса?
18. Какой процесс называется изохорным?
19. Приведите пример «изохорного процесса».
20. Какой термодинамический процесс называется адиабатным?
21. Напишите уравнение Бернулли?
22. Приведите пример адиабатного процесса.
23. Что такое идеальный газ?
24. Напишите уравнение состояния для идеального газа.
25. Закон Авогадро?
26. Что такое кмоль?
27. Что такое «киломоль»?
28. Какой объём занимает один моль идеального газа в нормальных условиях.
29. Напишите значение и размерность универсальной газовой постоянной.
30. Напишите уравнение первого закона термодинамики.
31. Напишите выражение для определения работы расширения термодинамической системы.
32. Что такое «теплоёмкость»?
33. Что такое «средняя теплоёмкость»?
34. Какая теплоёмкость называется массовой?
35. Что такое «мольная» теплоёмкость?
36. Что такое объёмная теплоёмкость?
37. Каково соотношение между изобарной теплоёмкостью и изохорной?
38. Что такое изохорная теплоёмкость?
39. Что такое изобарная теплоёмкость?
40. Чему равен для идеального газа показатель адиабаты (изоэнтропы).
41. Что такое энтальпия?
42. Что такое скорость звука?
43. Сформулируйте закон Джоуля.
44. Запишите уравнение первого закона термодинамики для потока
45. Что такое термический к.п.д. цикла.
46. Какие термодинамические процессы называются обратными.
47. Какие термодинамические процессы называются необратимыми?
48. Сформулируйте второй закон термодинамики.
49. Назовите формулировку второго закона термодинамики, предложенную
Клаузиусом.
50. Что такое влажный пар?
51. Что такое «насыщенный пар»?
52. Какой пар называется перегретым?
53 Что такое «степень сухости пара»?
54. Что такое «степень влажности пара»?
55. Сколько и какие параметры насыщенного пара нужно знать, чтобы по диаграмме i-s для водяного пара найти остальные параметры состояния.
56. Что такое «влажный воздух»?
70
57. Закон Дальтона?
58. Что такое «точка росы»?
59. Что такое влагосодержание воздуха?
60. Что такое относительная влажность воздуха?
61. Какие процессы называются политропными.
62. Что такое «дециБелл»?
63. Чему равна работа изобарного процесса?
64. Масса 1 м3 метана составляет 0,7 кг. Определить плотность, удельный
объём и удельный вес метана при этих условиях.
65. Плотность воздуха равна 1,293 кг/м3. Определить удельный объём
воздуха и удельный вес.
66. Давление воздуха по ртутному барометру равно 770 мм.рт.столба.
Выразите это давление в единицах СИ.
67. Найти абсолютное давление пара в котле, если манометр показывает
Р= 0,13 МПа, а атмосферное давление по барометру В= 680 мм.рт.столба.
68. Определить абсолютное давление в сосуде, если показание присоединённого к нему манометра 66,7 кПа, а атмосферное давление по барометру
100 кПа.
69. Определить абсолютное давление в паровом котле, если манометр показывает 0,245 МПа, а атмосферное давление 700 мм. рт. столба.
70. Давление в паровом котле р = 0,04 МПа при барометрическом давлении 725
мм. рт. столба. Чему будет равно избыточное давление в котле, если атмосферное давление повысится до 785 мм. рт. столба, а состояние пара в котле останется прежним.
71. Какая высота водяного столба соответствует 10 Па?
72. Определить абсолютное давление в конденсаторе паровой турбины, если
показание присоединенного вакуумметра 705 мм. рт. столба и показание барометра 99,6 кПа.
73. Ртутный вакуумметр, присоединенный к сосуду показывает разрежение 420
мм. рт. столба. Атмосферное давление 102,4 кПа. Определить абсолютное давление в сосуде.
74. В трубке вакуумметра высота столба ртути – 750 мм. Над ртутью
находится столб воды высотой 37 мм. Атмосферное давление 97,1 кПа. Найти
абсолютное давление в сосуде.
75. Присоединённый к газоходу парового котла тягометр показывает разрежение, равное 80 мм. вод. столба. Определить абсолютное давление дымовых газов, если показание барометра В = 102658 Па.
76. Определить удельный объём кислорода при давлении р= 2,3 МПа и температуре t = 280 ºС.
77. Плотность воздуха при нормальных условиях  = 1,293 кг/м3. Чему
равна плотность воздуха при давлении р = 1,5 МПа и температуре t = 20 ºС.
78. Найти газовую постоянную для водорода и азота?
79. Какой объём будут занимать 11 кг воздуха при давлении р= 0,44 МПа
и температуре t = 13 ºС
71
80. Какой объём занимают 10 кмолей азота при нормальный условиях?
81. Сжатый воздух в баллоне имеет температуру 17 ºС давление
р = 5МПа. Во время пожара температура воздуха в баллоне поднялась до 427
ºС. Взорвётся ли баллон, если известно, что при этой температуре он может
выдержать давление не более 10 МПа.
82. Сосуд ёмкостью 4,2 м3 наполнен 15 кг окиси углерода. Определить давление в сосуде, если температуре газа в нём t = 27 ºС.
83. Для автогенной сварки использован баллон кислорода ёмкостью 100л.
Найти массу кислорода, если его давление р = 12 МПа а температура t = 16 ºС.
84. Во сколько раз больше газа (по массе) вмещает резервуар при 7°С, чем при
27°С, если давление остается неизменным?
Вопросы к контрольной работе № 2
1. Какие процессы называются политропными?
2. Напишите уравнение изобарного процесса.
3. Напишите уравнение изохорного процесса.
4. Напишите уравнение изотермическорго процесса.
5. Напишите уравнение адиабатного процесса.
6. Напишите уравнение для работы политропного процесса.
7. Напишите уравнение для определения подводимого (отводимого) тепла в
политропном процессе.
8. Чему равна теплоемкость идеального газа в политропном процессе, Cn
(уравнение для определения теплоемкости через cv, k, n).
9. Напишите уравнение Бернулли.
10. Что такое динамическое давление (напор)?
11. Что такое полное давление для потока?
12. Что такое скорость звука?
13. Напишите уравнение для определения скорости звука?
14. Чему равен расход газа через сопло (запишите уравнение).
15. Изобразите характер зависимости расхода газа через сопло от отношения
P2/P1?
16. Чему равно критическое отношение (P2/P1) кр.
17. Чему равна критическая скорость газа при истечении из сопла?
18. Изобразите форму сопла Лаваля.
19. Для чего применяется сопло Лаваля?
20 Что такое диффузор?
21. Что такое дросселирование?
22. Изобразите процесс дросселирования в координатах iS.
23. Как изменяется энтальпия при адиабатном дросселировании?
24. Какие циклы называются обратными?
25. Что такое детандер?
26. Что такое холодильный коэффициент?
27. Какие холодильные установки вы знаете?
72
28. Изобразите схему воздушной холодильной установки.
29. Изобразите в координатах PV цикл воздушной холодильной установки.
30 Изобразите в координатах TS цикл воздушной холодильной установки.
31. Изобразите схему парокомпрессионной холодильной установки.
32. Зачем в парокомпрессионной холодильной установке в качестве хладагента используется влажный пар?
33. Изобразите в координатах TS цикл парокомпрессионной холодильной
установки.
34. Почему в парокомпрессионных холодильных установках обычно используется дроссельный вентиль, а не детандер?
35. Чем обусловлен выбор хладагента для парокомпрессионной холодильной
установки?
36. Что такое «фреоны»?
37. Что такое «теплопроводность»?
38. Что такое «конвекция»?
39. Что такое «тепловое излучение»?
40. Запишите закон Фурье?
41. Напишите уравнение для теплового потока через плоскую стенку?
42. Напишите размерность коэффициента теплопроводности
43. Что такое коэффициент теплопроводности?
44. Что такое тепловой поток?
45. Что такое плотность теплового потока?
46. Что такое тепловая проводимость?
47. Что такое термическое сопротивление?
48. Какова размерность термического сопротивления?
49. Изобразите на рис. закон изменения температуры в многослойной
стенке.
50. Чему равна плотность теплового потока через многослойную стенку (запишите уравнение через δ и х)?
51. Напишите уравнение для теплового потока при конвективном теплообмене?
52. Что такое коэффициент теплоотдачи?
53. Какова размерность коэффициента теплоотдачи.
54. От чего зависит коэффициент теплоотдачи?
55. Какое движение называется ламинарным?
56. Какое движение называется турбулентным?
57. Какие тела называются абсолютно черными?
58. Назовите пример абсолютно черного тела (близкого к нему).
59. Какие тела называются абсолютно белыми?
60. Назовите пример абсолютно белого тела?
61. Какие тела называются абсолютно прозрачными?
62. Назовите пример абсолютно прозрачного тела?
63. Напишите уравнение баланса лучистой энергии, падающей на тело.
73
64. Напишите уравнение для теплового потока, между двумя телами, передаваемого излучением.
65. Что такое теплопередача?
66. Напишите уравнение теплопередачи через стенку.
67. Напишите уравнение для коэффициента теплопередачи.
68. Какова размерность коэффициента теплопередачи?
69. Что такое коэффициент теплопередачи?
70. Чему равна работа в изобарном процессе?
71. Чему равно изменение внутренней энергии в изохорном процессе?
72. Изобразите в координатах TS обратный цикл Карно.
73. Каков должен быть канал, чтобы ускорить дозвуковой поток газа?
74. Каков должен быть канал, чтобы замедлить дозвуковой поток газа?
75. Каков должен быть канал, чтобы ускорить сверхзвуковой поток газа?
76. Газ при давлении P1 = 1МПа и температуре t1 = 27 ˚С нагревается при
постоянном объеме до t2 = 327 ˚С. Найти конечное давление газа.
77. В закрытом сосуде заключён газ при давлении P1 = 2,8 МПа и температуре 127 ˚С. Чему будет равно конечное давление Р2, если температура
снизится до t2 = 27 ˚С.
78. До какой температуры t2 нужно нагреть газ при v = const, если начальное давление газа Р1 = 0,2 МПа и температуре t1 = 27 ˚С , а конечное
давление Р2 = 0,5 МПа.
79. Определить количество теплоты, необходимое для нагрева 2000 кг воздуха при постоянном давлении от температуры t1 = 127 ˚С до t2 = 627 ˚С.
Теплоёмкость воздуха принять постоянной Ср = 1 кДж/(кг ·К).
74
Рекомендуемая литература
1. Кириллин В.Н., Сычёв В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. М. Энергия, 1974 г. – 448 с.
2. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебн.
пособие для вузов. 3 –е изд. – М., Высшая школа. 1980 г. – 469 с.
3. Теплотехника. Под ред. В.Н. Луканина. М., Высшая школа, 2003 г. –
672 с.
4. Акимов П.П. Судовые автоматизированные энергетические установки.
М. Транспорт. 1980 г. – 352 с.
5. Козлов В.Н. Титов П.И., Юдицкий Ф.Л. Судовые энергетические установки. Л. Судостроение. 1969 г. – 496 с.
6. Судовые установки с двигателями внутреннего сгорания // Ваншейдт
В.Н. и др. Л. Судостроение. 1978 г. – 368 с.
7. Самсонов А.И. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Владивосток. ДВГТУ, 2003г. – 148с.
8. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. М.
Машиностроение, 1973 г. – 344 с.
75
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1. Термодинамика ……………………………………………………… 3
1.1. Основные понятия термодинамики …………………………….. 3
1.2. Идеальный газ. Законы идеального газа ……………………….. 5
1.3. Теплоёмкость………………………………………………………6
1.4. первый закон термодинамики ……………………………………7
1.5. Энтальпия ………………………………………………………… 7
1.6. Уравнение первого закона термодинамики для потока ………. 8
1.7. Второй закон термодинамики …………………………………... 10
1.8. Реальные газы ……………………………………………………. 12
1.9. Политропные процессы …………………………………………. 15
1.10. Процессы течения газов и жидкостей ………………………….. 16
1.11. Дросселирование ………………………………………………… 20
1.12. Обратные тепловые циклы и процессы. Холодильные установки..22
2. Основы теплопередачи ……………………………………………… 26
2.1. Основные понятия ……………………………………………….. 26
2.2. Конвективный теплообмен ……………………………………… 27
2.3. Лучистый теплообмен …………………………………………… 28
2.4. Сложный теплообмен …………………………………………… 29
3. Судовые энергетические установки ………………………………. 31
3.1. Классификация СЭУ ……………………………………………. 31
3.2. Термодинамические циклы поршневых ДВС …………………. 37
3.3. Термодинамические циклы комбинированных ДВС ………… 42
3.4. Схемы работы ДВС ………………………………………………. 46
3.5. Состав и свойства топлив, применяемых в ДВС ………………. 50
3.6. Смазочные материалы для ДВС ………………………………… 53
3.7. Судовые устройства и системы …………………………………. 59
Контрольные вопросы ……………………………………………………69
Рекомендуемая литература …………………………………………….. 76
76