Міністерство освіти і науки України

Державний вищий навчальний заклад

„УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”

Методичні вказівки і контрольні завдання

З КУРСУ

„ЕНЕРГОТЕХНОЛОГІЯ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ”

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ІІІ КУРСУ ТЕХНОЛОГІЧНИХ СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ

ДЕННОЇ І ЗАОЧНОЇ ФОРМ НАВЧАННЯ

Дніпропетровськ ДВНЗ „УДХТУ”

2007

ВСТУП

У своїй практичній діяльності інженер-технолог хімічної промисловості забезпечує здійснення хіміко-технологічних процесів, які йдуть в теплових агрегатах реального призначення (промислові печі, реактори, випарники, теплообмінники, холодильні машини та ін.) і зв’язані з хімічними перетвореннями матеріалів, спалюванням палива, рухом газів і матеріалів, теплопередачею і іншими процесами.

Студенти технологічних спеціальностей, керуючись методичними вказівками, повинні самостійно вивчити рекомендовану літературу і виконати письмові роботи. Зі всіма незрозумілими питаннями слід звертатися на кафедру енергетики. При вивченні теоретичного матеріалу, як і при вирішенні задач, необхідно звертати особливу увагу на одиниці фізичних величин, з якими студенту доведеться проводити математичні операції.

Мета вивчення курсу - засвоїти основні закони термодинаміки, теплообміну, процесів спалювання палива, роботи промислових енергетичних установок, утилізації вторинних енергоресурсів і відходів виробництва, енерготехнологічного комбінування стосовно хіміко-технологічним системам.

Після вивчення курсу студенти повинні: знати основні закони термодинаміки, теплообміну, аналітичній залежності, що зв'язують термодинамічні параметри в різних процесів, способи порівняння ефективності роботи теплових машин і теплоенергетичного устаткування, фізичну суть процесів, які протікають в теплових агрегатах; вміти пояснювати суть основних законів термодинаміки, теплообміну, спалювання палива і записувати аналітичні вирази, застосовуючи їх до аналізу термодинамічних процесів і циклів, порівнювати ефективність роботи різних теплових машин, прогнозувати наслідки при зміні параметрів робочих тіл, вибрати теплові режими теплоенергетичного устаткування, використовувати в розрахунках термодинамічні функції, таблиці і діаграми.

1. Методичні вказівки

1.1.Загальні відомості

Енерготехнологія хіміко-технологічних процесів є загальнотехнічною дисципліною, яка вивчає способи отримання, перетворення, передачі і використання теплоти, а також принципи дії і конструктивні особливості теплових і холодильних машин, апаратів і пристроїв, що забезпечують спалювання палива, здійcнення технологічних процесів, утилізацію вторинних енергоресурсів і енерготехнологічне комбінування в хімічній технології. У зв'язку з цим даний курс складається з трьох розділів: 1) технічна термодинаміка; 2) промислові теплоенергетичні установки; 3) енерготехнологічне комбінування і використання вторинних енергоресурсів.

1.2. Технічна термодинаміка

Технічна термодинаміка - наука, що вивчає перетворення теплоти на роботу, умови, при яких вони здійснюються, і процеси, що відбуваються в газах і парах, а також їх властивості при різних фізичних умовах. Технічна термодинаміка також встановлює взаємозв'язок між тепловими і механічними процесами в теплових і холодильних машинах.

Перший і другий закони термодинаміки, що являють собою узагальнення досвіду пізнання людиною природи, - теоретична основа технічної термодинаміки. Основна особливість методу термодинаміки - логічне послідовне застосування аналітичних виразів першого і другого законів термодинаміки спільно з рівнянням стану робочого тіла без використання будь-яких гіпотез і знань про внутрішню молекулярну його будову.

Перший закон термодинаміки

Студент повинен зрозуміти особливості застосування в термодинаміці загального закону збереження і перетворення енергії. Аналітичний вираз першого закону термодинаміки має дві форми - коли робоче тіло нерухоме, і коли воно рухається із швидкістю w:

і ,або

Другий закон термодинаміки

Безперервне отримання роботи за рахунок підведення теплоти можливе тільки в циклі з підведенням і відведенням теплоти до робочого тіла і неможливе отримання роботи при використанні одного джерела теплоти. Тому слід ретельно вивчити всі питання, що відносяться до циклів, особливо до циклу Карно, який має велике значення в термодинаміці, оскільки з його допомогою виводять всі аналітичні залежності, що відносяться до другого закону термодинаміки, а формула для ККД цього циклу, по суті, - технічний вираз суті другого закону термодинаміки в застосуванні до теплових машин.

Термодинамічні процеси

В термодинаміці перехід робочого тіла з одного рівноважного стану в інший здійснюється в оборотному термодинамічному процесі. Основна задача дослідження термодинамічного процесу - визначення теплоти q_1-2, що бере участь в процесі, і роботи зміни об'єму робочого тіла .Такі величини, як зміна внутрішньої енергіїU_1-2, ентальпії Di_1-2 і ентропії DS_1-2, є допоміжними, які необхідні для вирішення основного завдання.

Загальний метод дослідження термодинамічних процесів універсальний. Він не залежить від природи робочого тіла і базується на застосуванні справедливого для будь-яких робочих тіл рівняння першого закону термодинаміки, записаного в двох рівнозначних формах:

.

Термодинамічний аналіз процесів стиснення газів в компресорах

Через широке розповсюдження в промисловості компресорів термодинамічний аналіз їх роботи має велике значення при навчанні студентів-технологів. Необхідно вміти порівняти ізотермічне, адіабатне і політропне стиснення робочого тіла і витрачену при цьому роботу.

Цикли газотрубних установок (ГТУ)

При розгляді газотрубних установок потрібно звернути увагу на їх переваги перед поршневими двигунами внутрішнього згоряння. Розібрати принцип роботи газотурбінних установок, знати схему установок та вміти аналізувати їх роботу, використовуючи P-VіТ-S - діаграми.

Цикли паросилових установок

Особливу увагу слід приділити основному циклу паросилової установки. Дослідження основного циклу здійснюються за допомогою P-V, Т-S і I- S – діаграм. Розібрати виведення рівняння для визначення термічного ККД циклу Ренкіна. Підвищення ККД досягається шляхом змін в самому циклі, які приводять до створення циклів (найцікавіші цикли з вторинним перегрівом пари, регенеративний, парогазовий, бінарні). Не дивлячись на зниження термічного ККД в теплофікаційному циклі, метод комбінованого вироблення теплової і електричної енергії є найбільш прогресивним. При вивченні теми необхідно ознайомитися із загальними поняттями термодинамічних циклів атомних установок.

Цикли холодильних машин

Засвоївши учбовий матеріал цієї теми, необхідно навчитися аналізувати за допомогою Т-S-діаграми роботу холодильних циклів, визначати холодильні коефіцієнти і холодо-продуктивність установок. Особливу увагу слід звернути на роботу парової компресорної холодильної установки, що набула найбільшого поширення в промисловості. За зворотним циклом працюють не тільки холодильні машини, але і теплові насоси, в яких теплота, що забирається від навколишнього середовища, за допомогою витраченої роботи підвищує енергетичний рівень робочого тіла і при більш високій температурі віддається зовнішньому споживачу. Потрібно з'ясувати поняття коефіцієнта тепловикористання і розібрати принципову схему і роботу теплового насоса.

1.3. Промислові теплоенергетичні установки

Паливо і його характеристика, основи теорії горіння

До палива відносяться кам'яне і буре вугілля, антрацитний дрібняк, торф, продукти перегонки нафти (бензин, дизельне паливо, мазут), природні і штучні гази, які утворюються в технологічних процесах у присутності вуглецю і водню.

Необхідно розрізняти робочу, горючу, суху і органічну маси палива і розбиратися у формулах для перерахунку палива з однієї маси в іншу. Необхідно зрозуміти відмінність між нижчою і вищою теплотою згоряння палива і методику перерахунку при переході від однієї маси тіла до іншої. Потрібно навчитися визначати витрату умовного палива по відомій витраті натурального. Слід з'ясувати, що горіння палива - це фізико-хімічний процес окислення його пальних складових, що супроводжується виділенням теплоти і утворенням продуктів згоряння. Необхідно ознайомитись з впливом сумішоутворення на швидкість розповсюдження полум'я і повноту згоряння палива, а також із шляхами інтенсифікації процесів горіння.

Печі хімічної промисловості

При розгляді типів печей, які застосовуються в хімічній промисловості, особливу увагу слід звернути на вивчення будови і принципу дії елементів паливних печей: топкового пристрою для спалювання палива і організації теплообміну, теплообмінних пристроїв для регенерації теплоти димових газів, утилізаційних установок для використання теплоти відхідних газів, тягових і дуттьових пристроїв. Студент повинен уміти складати тепловий баланс печі, визначати її потужність і теплову продуктивність, питому витрату теплоти і ККД. Слід ознайомиться з аеродинамічним розрахунком опору повітряного і газового трактів печі і методом підбору вентиляторів і димососів.

1.4. Енерготехнологія хіміко-технологічних процесів

Комплексні енерготехнологічні методи використання палива дозволяють значно підвищити коефіцієнт використання теплоти палива та забезпечити економію енергоресурсів і успішно вирішувати задачу захисту навколишнього середовища. В енергохиміко-технологічних системах енергетичне устаткування входить в пряме з'єднання з хіміко-технологічним устаткуванням, складаючи єдину систему.

Потрібно вивчити найпростіші енерготехнічні (ЕТ) схеми використання твердого, рідкого і газоподібного палива. Слід ознайомитися з ЕТ схемами використання теплоти хімічних реакцій і схемами ядерно-технологічних комплексів.

Вторинні енергетичні ресурси (ВЕР) в хімічних виробництвах

Вторинні енергоресурси - використовуваний енергетичний потенціал основної і побічної продукції, відходів, утворених в технологічних агрегатах, який може бути використаний для енергопостачання інших агрегатів. Необхідно знати напрями використання ВЕР різних видів. Уміти визначати можливу виробітку теплоти за рахунок ВЕР, економію палива за рахунок використання ВЕР, коефіцієнт утилізації ВЕР. Ознайомитися з утилізаційним обладнанням для утилізації горючих відходів, високотемпературних і низько потенційних теплових відходів, отримання холоду.