Политропный процесс

Политропным процессом называется любой произвольный процесс изменения состояния рабочего тела, происходящий при постоянной теплоёмкости с_п.

В политропном процессе dq=c_п·dT.

Для получения графика политропного процесса в p-v координатах будем придерживаться тех же рассуждений, что и при получении графика адиабатного процесса. Заменим в соотношениях, полученных при изучении адиабатного процесса, обозначение теплоёмкости с на с_п и обнаружим, что p·vⁿ=const, а . В дальнейшем всё, что написано об адиабатном процессе, можно распространить на описание политропного процесса, заменяя в выражениях k на n.

Покажем, что адиабатный процесс делит все процессы на две группы: на процессы, в которых теплоёмкость больше нуля, и на процессы, в которых теплоёмкость меньше нуля.

Так как , то можно записать

                  ;     ;     ;     .

Из последнего выражения видно, что при n>k c_п>0, а при k>n>1 c_п<0.

В заключение отметим, что все рассмотренные ранее процессы – это частные случаи политропного процесса.

При n=k имеем адиабатный процесс.

При n=0 имеем р₁·v₁⁰=р₂·v₂⁰, то есть изобарный процесс (p₁=p₂).

При n=1 имеем р₁·v₁= р₂·v₂, то есть изотермический процесс.

При n=∞ имеем или , что равносильно или , то есть изохорный процесс.

Политропным процессом называется процесс, все состояния которого удовлетворяются условию:

P· vⁿ = Const,

где n – показатель политропы, постоянная для данного процесса.

Изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный процессы являются частными случаями политропного процесса (Рис.4.5):

при n = ± ¥ v = Const, (изохорный),

n = 0 P = Const, (изобарный),

n = 1 T = Const, (изотермический),

n = к P· ⁿ = Const, (адиабатный).

Свойства реальных газов

Реальные газы отличаются от идеальных газов тем, что молекулы этих газов имеют объемы и связаны между собой силами взаимодействия, которые уменьшаются с увеличением расстояния между молекулами. При практических расчетах различных свойств реальных газов наряду с уравнением состояния применяется отношение P·v/(R·T)=z, которую называют коэффициентом сжимаемости.

Так как для идеальных газов при любых условиях P·v = R·T, то для этих газов z = 1.

Тогда величина коэффициента сжимаемости выражает отклонение свойств реального газа от свойств идеального. Величина z для реальных газов в зависимости от давления и температуры может принимать значения больше или меньше единицы и только при малых давлениях и высоких температурах она практически равна единице. Тогда реальные газы можно рассматривать как идеальные.

В связи с отличием свойств реального газа от свойств идеального газа нужно иметь новые уравнения состояния, которые связывали бы значения P, v, T и давали бы возможность рассчитывать некоторые свойства газов для разных условий. Были предложены большое число различных уравнений состояния реальных газов, но ни одно из них не решает проблему для общего случая.

При расчете свойств многих реальных газов уравнения такого типа получили большое распространение

Уравнения состояния реального газа

Наиболее простым и качественно верно отображающим поведение реального газа, является уравнение Ван-дер-Ваальса:

(P + a/v²)·(v – b) = R·T .

а, b – постоянные величины, первая учитывает силы взаимодействия, вторая учитывает размер молекул.

a/v² – характеризует добавочное давление, под которым находится реальный газ вследствие сил сцепления между молекулами и называется внутренним давлением.

Уравнение Ван-дер-Ваальса качественно верно отображает поведение жидких и газообразных веществ, для двухфазных состояний оно неприменимо.

На Pv – диаграмме (рис.6.1) показаны изотермы построенные по уравнению Ван-дер-Ваальса. Из кривых видно, что при сравнительно низких температурах имеются волнообразные участки. Чем выше температура, тем короче эти части кривых. Эти волнообразные кривые указывают на непрерывный переход от жидкого состояния в парообразное при данной температуре. Точка А соответствует состоянии жидкости, точка В относится парообразному состоянии вещества.

В действительности переход из жидкого состояния в парообразное всегда происходит через двухфазное состояние вещества. При этом при данной температуре процесс перехода происходит также и при постоянном давлении. Этот действительный переход из жидкого состояния в парообразное изображается прямой линией АВ.

Практически для особо чистых веществ возможно осуществление участков волнообразной кривой AQ и DB. В первом случае имеют место неустойчивые состояния перегретой жидкости, а во втором – переохлажденного пара.

При определенной температуре изотерма уравнения Ван-дер-Ваальса не будет иметь волнообразного участка (точка К). Эту температуру называют критической. Если соединить точки А₁, А₂, А₃ … и В₁, В₂, В₃ ... получим кривую похожую на параболу.

Кривая АК называется нижней пограничной кривой и соответствует состоянию кипения жидкости. Кривая КВ называется верхней пограничной кривой и соответствует состояния сухого насыщенного пара.

Таким образом, для реального вещества P-v – диаграмму можно разбить на 3 области:

1 - область жидкого состояния, расположена левее нижней пограничной кривой;

2 - область двухфазных состояний (влажный пар), расположена между нижней и верхней пограничной кривой);

3 – область перегретого пара, расположена правее верхней пограничной кривой и выше критической точки.

Условно область жидкости ограничивают сверху линией КМ – критическая изобара.

Критическую температуру Д.И.Менделеев называл абсолютной температурой кипения, при которой поверхностное натяжение в жидкости становится равным нулю, т.е. исчезает различие между жидкостью и парообразным состоянием вещества (насыщенным паром).

Понятия о водяном паре

Одним из распространенным рабочим телом в паровых турбинах, паровых машинах, в атомных установках, теплоносителем в различных теплообменниках является водяной пар.

Парообразование – процесс превращения вещества из жидкого состояния в парообразное, протекающий при температуре насыщения (кипения).

Испарение – парообразование, происходящее всегда при любой температуре с поверхности жидкости.

При некоторой определенной температуре, зависящей от природы жидкости и давления, под которым она находится, начинается парообразование во всей массе жидкости. Этот процесс называется кипением.

Обратный процесс парообразования называется конденсацией. Она также протекает при постоянной температуре.

При испарении жидкости в ограниченном пространстве (в паровых котлах) одновременно происходит обратное явление – конденсация пара. Если скорость конденсации станет равной скорости испарения, то наступает динамическое равновесие. Пар в этом случае имеет максимальную плотность и называется насыщенным паром.

Если температура пара выше температуры насыщенного пара того же давления, то такой пар называется перегретым. Разность между температурой перегретого пара и температурой насыщенного пара того же давления называется степенью перегрева. Так как удельный объем перегретого пара больше удельного объема насыщенного пара, то плотность перегретого пара меньше плотности насыщенного пара. Поэтому перегретый пар является ненасыщенным паром.

В момент испарения последней капли жидкости в ограниченном пространстве без изменения температуры и давления образуется сухой насыщенный пар. Состояние такого пара определяется одним параметром - давлением.

Механическая смесь сухого и мельчайших капелек кипящей жидкости называется влажным насыщенным паром.

Массовая доля сухого пара во влажном паре называется степенью сухости – х.

х = m_сп / m_вп ,

m_сп - масса сухого пара во влажном;

m_вп - масса влажного пара.

Характеристики влажного воздуха

Атмосферный воздух, в основном состоящий из кислорода, азота, углекислого газа, содержит всегда некоторое количество водяного пара.

Смесь сухого воздуха и водяного пара называется влажным воздухом.

Влажный воздух при данном давлении и температуре может содержать разное количество водяного пара. Если смесь состоит из сухого воздуха и насыщенного водяного пара, то его называют насыщенным влажным воздухом. В этом случае во влажном воздухе находится максимально возможное для данной температуры количество водяного пара. При охлаждении этого воздуха, будет происходить конденсация водяного пара.

Парциальное давление водяного пара в этой смеси равно давлению насыщения при данной температуре.

Если влажный воздух содержит при данной температуре водяной пар в перегретом состоянии, то он будет называться ненасыщенным. Так как в нем находится не максимально возможное для данной температуры количество водяного пара, то он способен к дальнейшему увлажнению. Поэтому такой воздух используют в качестве сушильного агента в различных сушильных установках.

По закону Дальтона общее давление влажного воздуха равно сумме парциальных давлений сухого воздуха и водяного пара, входящих в его состав:

Р = Р_В + Р_П ,

где: Р_В – парциальное давление сухого воздуха;

Р_П - парциальное давление водяного пара.

Максимальное значение Р_П при данной температуре влажного воздуха t представляет собой давление насыщенного водяного пара - Р_Н.

Для нахождения парциального давления пара пользуются специальным прибором – гигрометром. С помощью этого прибора определяют точку росы, т.е. температуру (t_p), до которой нужно охладить при постоянном давлении воздух, чтобы он стал насыщенным.

Зная точку росы, можно по таблицам определить парциальное давление пара в воздухе как давление насыщения (Р_Н), соответствующее точки росы t_p.

Абсолютной влажностью воздуха называется количество водяных паров, находящихся в 1 м³ влажного воздуха. Абсолютная влажность равна плотности пара при его парциальном давлении и температуре воздуха – t_н .

Отношение абсолютной влажности ненасыщенного воздуха при данной температуре к абсолютной влажности насыщенного воздуха при той же температуре называется относительной влажностью воздуха

j = с_п / с_н или j = с_п / с_н ·100% ,

Для сухого воздуха j = 0, для ненасыщенного j < 1, для насыщенного j = 1 или 100%.

Если водяной пар считать как идеальный газ, то по закону Бойля-Мариотта отношение плотностей можно заменить отношением давлений. Тогда:

j = Р_П / Р_Н или r = Р_П / Р_Н ·100% .

Плотность влажного воздуха слагается из масс, содержащихся в 1 м³ сухого воздуха и водяных паров:

r = r_в + r_п = P_B/(R_B·T) + j/n'' .

Молекулярная масса влажного воздуха определяют по формуле:

m = 28,95 – 10,934j P_Н/P

Значения Р_Н и n'' при температуре воздуха t берутся из таблицы водяного пара, j – по данным психрометра, P - по барометру.

Влагосодержание – представляет собой отношение массы пара к массе сухого воздуха:

d = М_П / М_В ,

где: М_П, М_В – соответственно массы пара и сухого воздуха во влажном воздухе.

Связь между влагосодержанием с относительной влажностью:

d = 0,622 j·Р_Н·/(Р - j·Р_Н).

Газовая постоянная:

R = 8314/м = 8314/(28,95 – 10,934·m·Р_Н/P).

Объем влажного воздуха, приходящегося на 1 кг сухого воздуха:

V_ВЛ.В = R·T/P.

Удельный объем влажного воздуха:

n = V_ВЛ._В/(1 + d).

Удельная массовая теплоемкость паровоздушной смеси:

с_см = с_В + d·с_П .

Циклы паротурбинных установок (ПТУ)

Паротурбинная установка является основой современных тепловых и атомных электростанций. Рабочим телом в таких установках является пар какой-либо жидкости (водяной пар). Основным циклом в паротурбинной установке является цикл Ренкина.

Принципиальная схема ПТУ показана на рис.7.1 и процесс получения работы происходит следующим образом. В паровом котле (1) и в перегревателе (2) теплота горения топлива передается воде. Полученный пар поступает в турбину (3), где происходит преобразование теплоты в механическую работу, а затем в электрическую энергию в электрогенераторе (4). Отработанный пар поступает в конденсатор (5), где отдает теплоту охлаждающей воде. Полученный конденсат насосом (6) отправляется в питательный бак (7), откуда питательным насосом (8) сжимается до давления, равного в котле, и подается через подогреватель (10) в паровой котел (1).

Рассмотрим цикл Ренкина на насыщенном паре. Схема установки отличается от предыдущей схемы тем, что в данном случае будет отсутствовать перегреватель. Поэтому на турбину будет поступать насыщенный пар. На рис.7.2 а изображен цикл Ренкина в TS-диаграмме.

Процессы:

3-1 – подвод теплоты от источника в воде q1, состоит из двух процессов: 3-3/ - кипение воды в котле;

3/-1 – парообразование при постоянном давлении;

1-2 – адиабатическое расширение пара в турбине;

2-2/ – изобарно-изотермическая конденсация с отдачей теплоты q₂ охлаждающей воде;

2/-3 – адиабатическое сжатие конденсата.

Термический к.п.д. цикла Ренкина определяется по уравнению:

ht = (q1 – q2)/q1 . (7.1)

Так как: q1 = h1 – h3 ; q2 = h2 – h2/ ,

То ht = [(h1 – h2) - (h3 – h2/)] /( h1 – h3) = l / q1. (7.2)

Полезная работа цикла равна разности работ турбины и насоса:

l = lт – lн ,

где: lт = h1 – h2 , lн = h3 – h2/ .

В основном lт >> lн , тогда считая h3 = h2/ , можно записать:

ht = (h1 – h2)/( h1 – h3) . (7.3)

Теоретическую мощность турбины рассчитывают по формуле:

Nт = (h1 – h2)·D/3600 , [Вт] (7.4)

где: D = 3600·m – часовой расход, [кг/ч]

m – секундный расход, [кг/с]

Цикл Ренкина на перегретом паре применяется для увеличения термического к.п.д. цикла ПТУ. Для этого перед турбиной ставят перегреватель 2 (Рис.7.1), который увеличивает температуру и давление пара. При этом возрастает средняя температура подвода теплоты в цикле. Диаграмма цикла показана на рис.7.2,б Формулы расчета l, ht, Nт остаются без изменений.

Лекция 7.2: Циклы двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

Циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания подразделяют на три группы:

с подводом теплоты при постоянном объеме (карбюраторные ДВС);

с подводом теплоты при постоянном давлении (компрессорные дизели);

со смешанным подводом теплоты при постоянном объеме и постоянном давлении (безкомпрессорные дизели);

Основными характеристиками или параметрами любого цикла теплового двигателя являются следующие безразмерные величины:

степень сжатия (отношение удельных объемов рабочего тела в начале и конце сжатия)

e = n1 / n2 , (7.5)

степень повышения давления (отношение давлений в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты)

l = Р3 / Р2 , (7.6)

степень предварительного расширения (отношение удельных объемов в конце и в начале изохорного процесса подвода теплоты)

r = n3 / n2 . (7.7)

1). Рассмотрим цикл ДВС с подводом теплоты при постоянном объеме на примере четырехтактного двигателя.

Диаграмма реального двигателя представлена на рис.7.3.

а-1 (1 такт) – в цилиндр через всасывающий клапан поступает смесь воздуха и паров горючего (не термодинамический процесс);

1-2 (2 такт) – адиабатное сжатие (повышается температура);

2-3 – сгорание горючей смеси, давление быстро возрастает при постоянном объеме (подвод теплоты q1);

3-4 (3 такт) – адиабатное расширение (рабочий процесс, совершается полезная работа);

4-а – открывается выхлопной клапан и отработанные газы покидают цилиндр давление цилиндра падает (отводится тепло q2);

1-а (4 такт) – выталкивание оставшихся в цилиндре газов.

Затем процесс повторяется.

Описанный процесс является необратимым (наличие трения, химической реакции в рабочем теле, конечные скорости поршня, теплообмен при конечной разности температур и т.п.).

Для анализа теории тепловых машин термодинамика рассматривает идеальные обратимые циклы. Диаграмма идеального процесса двигателя внутреннего сгорания показана на рис.7.4.

Из этой диаграммы выводится формула для термического к.п.д. цикла с подводом теплоты при постоянном объеме, который имеет следующий вид:

ht = 1 – 1/ek , (7.8)

где: e – степень сжатия (основной показатель работы двигателя, чем выше e, тем выше экономичность ДВС);

k – показатель адиабаты.

2). Идеальный цикл ДВС со смешанным подводом теплоты (безкомпрессорные дизели). Диаграмма цикла показана на рис.7.5.

1-2 - чистый воздух с температурой Т1 сжимается до температуры Т2, которая больше температуры воспламенения топлива. В этот момент в цилиндр через форсунки под давлением впрыскивается топливо.

2-3 – горючая смесь самовоспламеняется и к рабочему телу подводится тепло q1/, давление повышается до Р3.

3-4 – поршень перемешается обратно, поступление и сгорание топлива продолжается при постоянном давлении и подводится тепло q1//.

4-5 – поршень продолжает перемещаться в нижнюю мертвую точку, давление падает (адиабатное расширение);

5-1 – процесс отвода теплоты q2 при постоянном объеме (через выпускной клапан покидают отработанные газы).

Термический к.п.д. цикла определяется по формуле:

ht = l – (l·rk – 1) / ek-1·[(l - 1) + k·l·(r – 1)] . (7.9)

Цикл двигателей с подводом теплоты при постоянном давлении широкое применение не нашли, так как у этих циклов очень большой коэффициент сжатия.

Лекция 7.3: Циклы газотурбинных установок (ГТУ)

Основными недостатками поршневых двигателей внутреннего сгорания являются ограниченность их мощности и невозможность адиабатного расширения рабочего тела до атмосферного давления, которые отсутствуют в газотурбинных установках. ГТУ рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива.

На рис.7.6 дана схема простейшей газотурбинной установки со сгоранием топлива при постоянном давлении. Топливным насосом 5 и компрессором 4 топливо и воздух через форсунки 6 и 7 поступают в камеру сгорания 1. Из камеры продукты сгорания направляются в комбинированные сопла 2, где они расширяются, и поступают на лопатки газовой турбины 3.

На рис.7.7 и рис7.8 представлены идеальный цикл ГТУ на PV и TS диаграммах.

1-2 - адиабатное сжатие до давления Р2;

2-3 – подвод теплоты q1 при постоянном давлении Р2 (сгорание топлива);

3-4 – адиабатное расширение до первоначального давления Р1;

4-1 – охлаждение рабочего тела при постоянном давлении Р1 (отвод теплоты q2);

Характеристиками цикла являются:

степень повышения давления - l = Р2/ Р1 ;

степень изобарного расширения - r = n3 /n2 .

Работа турбины:

lт = h3 – h4 . (7.10)

Работа компрессора:

lн = h2 – h1 . (7.11)

Полезная работа ГТУ равна разности работ турбины и компрессора:

lГТУ = lт – lк . (7.12)

Термический к.п.д. цикла ГТУ имеет вид:

ht = 1 – 1/ l (k-1)/k . (7.13)

Теоретическая мощность газовой турбины, компрессора и установки (ГТУ):

Nт = lт·D/3600 = (h3 – h4)·D/3600 , (7.14)

Nк = lк·D/3600 = (h2 – h1)·D/3600 , (7.15)

NГТУ = lГТУ·D/3600 = [(h3 – h4) (h2 – h1) ]·D/3600 . (7.16)

Действительный цикл ГТУ отличается от теоретического наличием потерь на трение и вихреобразование в турбине и компрессоре. Эффективными методами повышения экономичности газотурбинных установок являются: регенерация теплоты, ступенчатое сжатие и расширение рабочего тела и пр.

Лекция 8.1: Основные понятия и определения

Теория теплообмена изучает процессы распространения теплоты в твердых, жидких и газообразных телах.

Теплота может передаваться тремя способами:

теплопроводностью (кондукцией);

конвекцией;

излучением (радиацией).

Процесс передачи теплоты теплопроводностью происходит при непосредственном контакте тел или частицами тел с различными температурами и представляет собой молекулярный процесс передачи теплоты. При нагревании тела, кинетическая энергия его молекул возрастает, и частицы более нагретой части тела, сталкиваясь с соседними частицами, сообщают им часть своей кинетической энергии.

Конвекция – это перенос теплоты при перемещении и перемешивании всей массы неравномерно нагретых жидкости или газа. При этом перенос теплоты зависит от скорости движения жидкости или газа. Этот вид передачи теплоты сопровождается всегда теплопроводностью. Одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом.

В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.

Процесс передачи теплоты внутренней энергии тела в виде электромагнитных волн называется излучением (радиацией). Этот процесс происходит в три стадии: превращение части внутренней энергии одного из тел в энергию электромагнитных волн, распространение э/м волн в пространстве, поглощение энергии излучения другим телом.

Совместный теплообмен излучением и теплопроводностью называют радиационно - кондуктивным теплообменом.

Совокупность всех трех видов теплообмена называется сложным теплообменом.

Процессы теплообмена могут происходить в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния рабочих сред и т.д.

В зависимости от этого теплообмен протекает по-разному и описывается различными уравнениями.

Процесс переноса теплоты может сопровождаться переносом вещества (массообмен). Например, испарение воды в воздух, движение жидкостей или газов в трубопроводах и.т.п. и.т.д. Тогда процесс теплообмена усложняется, так как теплота дополнительно переносится с массой движущегося вещества.

Лекция 9.1: Температурное поле. Уравнение теплопроводности

Будем рассматривать только однородные и изотропные тела, т.е. такие тела, которые обладают одинаковыми физическими свойствами по всем направлениям. При передачи теплоты в твердом теле, температура тела будет изменяться по всему объему тела и во времени.

Совокупность значений температуры в данный момент времени для всех точек изучаемого пространства называется температурным полем:

t = f(x,y,z,τ) , (9.1)

где: t –температура тела;

x,y,z -координаты точки;

τ - время.

Такое температурное поле называется нестационарным ∂t/∂i ¹ 0, т.е. соответствует неустановившемуся тепловому режиму теплопроводности.

Если температура тела функция только координат и не изменяется с течением времени, то температурное поле называется стационарным:

t = f(x,y,z) , ∂t/∂i = 0 (9.2)

Уравнение двухмерного температурного поля:

для нестационарного режима:

t = f(x,y,τ) ; ∂t/∂z = 0 (9.3)

для стационарного режима:

t = f(x,y) , ∂t/∂z = 0; ∂t/∂i = 0 (9.4)

Уравнение одномерного температурного поля:

для нестационарного режима:

t = f(x,τ) ; ∂t/∂y = ∂t/∂z = 0; ∂t/∂i ¹ 0 (9.5)

для стационарного режима:

t = f(x) ; ∂t/∂y = ∂t/∂z = 0; ∂t/∂i = 0 (9.6)

Изотермической поверхностью называется поверхность тела с одинаковыми температурой.

Рассмотрим две изотермические поверхности (Рис.9.1) с температурами t и t + ∆t.

Градиентом температуры называют предел отношения изменения температуры ∆t к расстоянию между изотермами по нормали, когда ∆n стремится к нулю:

gradt = lim[∆t/∆n]∆n→0 = ∂t/∂n (9.7)

Температурный градиент-это вектор, направленной по нормали к изотермической поверхности в сторону возрастания температуры и численно равный производной температуры t по нормали n:

gradt = ∂t/∂n no , (9.7*)

где: no – единичный вектор.

Количество теплоты, проходящее через изотермическую поверхность F в единицу времени называется тепловым потоком – Q, [Вт=Дж/с].

Тепловой поток, проходящий через единицу площади называют плотностью теплового потока – q = Q / F, [Вт/м2]

Для твердого тела уравнение теплопроводности подчиняется закону Фурье:

Тепловой поток, передаваемая теплопроводностью, пропорциональна градиенту температуры и площади сечения, перпендикулярного направлению теплового потока.

Q = -λ∙F∙ ∂t/∂n, (9.8)

или

q = -λ ∙ ∂t/∂n ∙no = -λ∙gradt , (9.9)

где: q – вектор плотности теплового потока;

λ – κоэффициент теплопроводности, [Вт/(м∙К)].

Численное значение вектора плотности теплового потока равна:

q = -λ∙ ∂t/∂n = -λ∙|gradt| , (9.10)

где: |gradt|- модуль вектора градиента температуры.

Коэффициент теплопроводности является физическим параметром вещества, характеризующим способность тела проводит теплоту, Она зависит от рода вещества, давления и температуры. Также на её величину влияет влажность вещества. Для большинства веществ коэффициент теплопроводности определяются опытным путем и для технических расчетов берут из справочной литературы.

Дифференциальное уравнение теплопроводности для трехмерного нестационарного температурного поля имеет следующий вид:

, (9.11)

где: а = λ/(с·ρ) – коэффициент температуропроводности [м2/с], характеризует скорость изменения температуры.

Для стационарной задачи, дифференциальное уравнение имеет вид:

. (9.12)

Лекция 9.2: Стационарная теплопроводность через плоскую стенку

1. Однородная плоская стенка (Рис.9.2.).

Температуры поверхностей стенки: tст1 и tст2.

Плотность теплового потока:

q = -λ∙ ∂t/∂n = - λ∙ ∂t/∂x = - λ∙ (tcт2 - tcт1)/(xcт2 - xcт1)∙

или

q = λ∙ (tcт2 - tcт1)/(xcт2 - xcт1)∙ Dt/Dx (9.13)

Dt - температурный напор;

δ - толщина стенки.

Тогда

q = λ/δ∙(tст1 – tст2) = λ/δ∙Δt, (9.14)

Если R =δ/λ -термическое сопротивление теплопроводности стенки [(м2∙К)/Вт], то плотность теплового потока:

q = (tст1 – tст2)/R . (9.15)

Общее количество теплоты, которое передается через поверхность F за время τ определяется:

Q = q∙F∙τ = (tст1 – tст2)/R·F∙τ . (9.16)

Температура тела в точке с координатой х находится по формуле:

tx = tст1 – (tст1 – tст2)∙x/ δ . (9.17)

2) Многослойная плоская стенка.

Рассмотрим 3-х слойную стенку (Рис.9.3). Температура наружных поверхностей стенокtст1 и tст2, коэффициенты теплопроводности слоев: λ1, λ2, λ3, толщина слоев: δ1, δ2, δ3.

Плотности тепловых потоков через каждый слой стенки:

q = λ1/δ1∙(tст1 – tсл1) , (9.18)

q = λ2/δ2∙(tсл1 – tсл2) , (9.19)

q = λ3/δ3∙(tсл2 – tст2) , (9.20)

Решая эти уравнения, относительно разности температур и складывая, получаем:

q = (t1 – t4)/(δ1/λ1 + δ2/λ2 + δ3/λ3) = (tст1 – tст4)/Ro , (9.21)

где: Ro = (δ1/λ1 + δ2/λ2 + δ3/λ3) – общее термическое сопротивление теплопроводности многослойной стенки.

Температура слоев определяется по следующим формулам:

tсл1 = tст1 – q∙(δ1/λ1). (9.22)

tсл2 = tсл1 – q·δ2/λ2). (9.23)

Лекция 9.3: Стационарная теплопроводность через цилиндрическую стенку

1) Однородная цилиндрическая стенка.

Рассмотрим однородный однослойный цилиндр длиной l, внутренним диаметром d1и внешним диаметром d2 (Рис.9.4).

Температуры поверхностей стенки: tст1 и tст2.

Уравнение теплопроводности по закону Фурье в цилиндрических координатах:

Q = - λ∙2∙π∙r ·l· ∂t / ∂r (9.24)

или

Q = 2·π·λ·l·Δt/ln(d2/d1), (9.25)

где: Δt = tст1 – tст2 – температурный напор;

λ – κоэффициент теплопроводности стенки.

Для цилиндрических поверхностей вводят понятия тепловой поток, отнесенной к единице длины цилиндрической поверхности (линейная плотность теплового потока), для которой расчетные формулы будут:

ql = Q/l =2·π·λ·Δt /ln(d2/d1), [Вт/м]. (9.26)

Температура тела внутри стенки с координатой dх:

tx = tст1 – (tст1 – tст2) ·ln(dx/d1) / ln(d2/d1). (9.27)

2) Многослойная цилиндрическая стенка.

Допустим цилиндрическая стенка состоит из трех плотно прилегающих слоев (Рис.9.5).

Температура внутренней поверхности стенки tст1, температура наружной поверхности стенки tст2, коэффициенты теплопроводности слоев λ1, λ2, λ3, диаметры слоев d1, d2, d3, d4.

Тепловые потоки для слоев будут:

1-й слой

Q = 2·π· λ1·l·(tст1 – tсл1)/ ln(d2/d1), (9.28)

2-й слой

Q = 2·π·λ2·l·(tсл1 – tсл2)/ ln(d3/d2), (9.29)

3-й слой

Q = 2·π·λ3·l·(tсл2 – tст2)/ ln(d4/d3), (9.30)

Решая полученные уравнения, получаем для теплового потока через многослойную стенку:

Q = 2·π·l·(tст1 – tст2) / [ln(d2/d1)/λ1 + ln(d3/d2)/λ2 + ln(d4/d3)/λ3]. (9.31)

Для линейной плотности теплового потока имеем:

ql = Q/l = 2·π· (t1 – t2) / [ln(d2/d1)/λ1 + ln(d3/d2)/λ2 + ln(d4/d3)/λ3]. (9.32)

Температуру между слоями находим из следующих уравнений:

tсл1 = tст1 – ql·ln(d2/d1) / 2·π·λ1 . (9.33)

tсл2 = tсл1 – ql·ln(d3/d2) / 2·π·λ2 . (9.34)

Лекция 10.1: Факторы, влияющие на конвективный теплообмен

Конвективным теплообменом называется одновременный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью.

В инженерных расчетах часто определяют конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твердого тела. Этот процесс конвективного теплообмена называют конвективной теплоотдачей или просто теплоотдачей.

Основными факторами, влияющими на процесс теплоотдачи являются следующие:

1) Природа возникновения движения жидкости вдоль поверхности стенки.

Самопроизвольное движение жидкости (газа) в поле тяжести, обусловленное разностью плотностей её горячих и холодных слоев, называют свободным движением (естественная конвекция).

Движение, создаваемое вследствие разности давлений, которые создаются насосом, вентилятором и другими устройствами, называется вынужденным (вынужденная конвекция).

2) Режим движения жидкости.

Упорядоченное, слоистое, спокойное, без пульсаций движение называется ламинарным.

Беспорядочное, хаотическое, вихревое движение называется турбулентным.

3) Физические свойства жидкостей и газов.

Большое влияние на конвективный теплообмен оказывают следующие физические параметры: коэффициент теплопроводности (l), удельная теплоемкость (с), плотность (ρ), κ коэффициент температуропроводности (а = λ/cр·ρ), коэффициент динамической вязкости (μ) или кинематической вязкости (ν = μ/ρ), температурный коэффициент объемного расширения (β = 1/Т).

4). Форма (плоская, цилиндрическая), размеры и положение поверхности (горизонтальная, вертикальная).

Лекция 10.2: Закон Ньютона-Рихмана

Процесс теплообмена между поверхностью тела и средой описывается законом Ньютона-Рихмана, которая гласит, что тепловой поток, передаваемый конвективным теплообменом прямо пропорционально разности температур поверхности тела (t'ст) и окружающей среды (t'ж):

Q = α · (t'ст - t'ж)·F , (10.1)

или

q = α · (t'ст - t'ж) , (10.2)

где: коэффициент теплоотдачи [Вт/(м2К)], характеризует интенсивность теплообмена между поверхностью тела и окружающей средой.

Факторы, которые влияют на процесс конвективного теплообмена, включают в этот коэффициент теплоотдачи. Тогда коэффициент теплоотдачи является функцией этих параметров и можно записать эту зависимость в виде следующего уравнения:

α = f1(Х; Ф; lo; xc; yc; zc; wo; θ; λ; а; ср; ρ; ν; β) , (10.3)

где: Х – характер движения среды (свободная, вынужденная);

Ф – форма поверхности;

lo – характерный размер поверхности (длина, высота, диаметр и т.д.);

xc; yc; zc – координаты;

wo – скорость среды (жидкость, газ);

θ = (t'ст - t'ж) – температурный напор;

λ – коэффициент теплопроводности среды;

а – коэффициент температуропроводности среды;

ср –изобарная удельная теплоемкость среды;

ρ –плотность среды;

ν – коэффициент кинематической вязкости среды;

β – температурный коэффициент объемного расширения среды.

Уравнение (10.3) показывает, что коэффициент теплоотдачи величина сложная и для её определения невозможно дать общую формулу. Поэтому для определения коэффициента теплоотдачи применяют экспериментальный метод исследования.

Достоинством экспериментального метода является: достоверность получаемых результатов; основное внимание можно сосредоточить на изучении величин, представляющих наибольший практический интерес.

Основным недостатком этого метода является, что результаты данного эксперимента не могут быть использованы, применительно к другому явлению, которое в деталях отличается от изученного. Поэтому выводы, сделанные на основании анализа результатов данного экспериментального исследования, не допускают распространения их на другие явления. Следовательно, при экспериментальном методе исследования каждый конкретный случай должен служить самостоятельным объектом изучения.

Лекция 10.3: Краткие сведения из теории подобия

Для аналитического метода исследования конвективного теплообмена нужно решить систему дифференциальных уравнений, состоящий из:

1) Уравнения энергии (закон сохранения энергии), которое описывает температурное поле в движущейся среде.

2) Уравнения движения (импульса), которое выводят на основании второго закона Ньютона: сила равна произведению массы на ускорение

3) Уравнения неразрывности (закон сохранения массы).

4) Уравнение теплообмена (условие теплообмена на границе твердого тела и среды):

α = -λ/Δt· ∂t / ∂r n=0 . (10.4)

Решение этих дифференциальных уравнений сложная и трудоемкая задача, и она возможна при ограниченных простых случаев. Поэтому при исследовании конвективного теплообмена применяют метод теории подобия.

Теория подобия – это наука о подобных явлениях. Подобными явлениями называются такие физические явления, которые одинаковы качественно по форме и по содержанию, т.е. имеют одну физическую природу, развиваются под действием одинаковых сил и описываются одинаковыми по форме дифференциальными уравнениями и краевыми условиями.

Обязательным условием подобия физических явлений должно быть геометрическое подобие систем, где эти явления протекают. Два физических явления будут подобны лишь в том случае, если будут подобны все величины, которые характеризуют их.

Для всех подобных систем существуют безразмерные комплексы величин, которые называются критериями подобия.

Основные положения теории подобия формулируют в виде 3-х теорем подобия.

1 теорема: Подобные явления имеют одинаковые критерии подобия.

2 теорема: Любая зависимость между переменными, характеризующая какие-либо явления, может быть представлена, в форме зависимости между критериями подобия, составленными из этих переменных, которая будет называться критериальным уравнением.

3 теорема: Два явления подобны, если они имеют подобные условия однозначности и численно одинаковые определяющие критерии подобия.

Условиями однозначности являются:

наличие геометрического подобия систем;

наличие одинаковых дифференциальных уравнений;

существование единственного решения уравнения пр заданных граничных условиях;

известны численные значения коэффициентов и физических параметров.

Лекция 10.4: Критериальные уравнения конвективного теплообмена

Используя теорию подобия из системы дифференциальных уравнений получить уравнение теплоотдачи (10.3) для конвективного теплообмена в случае отсутствия внутренних источников тепла в следующей критериальной форме:

Nu = f2(Х; Ф; X0; Y0; Z0; Re; Gr; Pr) , (10.5)

где: X0; Y0; Z0 – безразмерные координаты;

Nu = α ·l0/λ - критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи), характеризует теплообмен между поверхностью стенки и жидкостью (газом);

Re = w·l0/ν - критерий Рейнольдса, характеризует соотношение сил инерции и вязкости и определяет характер течения жидкости (газа);

Gr = (β·g·l03·Δt)/ν2 - критерий Грасгофа, характеризует подьемную силу, возникающую в жидкости (газе) вследствие разности плотностей;

Pr = ν/а = (μ·cp)/λ - критерий Прандтля, характеризует физические свойства жидкости (газа);

l0 – определяющий размер (длина, высота, диаметр).

Лекция 10.5: Расчетные формулы конвективного теплообмена

Приведем некоторые основные расчетные формулы конвективного теплообмена (академика М.А.Михеева), которые даны для средних значений коэффициентов теплоотдачи по поверхности стенки.

1. Свободная конвекция в неограниченном пространстве.

а) Горизонтальная труба диаметром d при 103<(Gr··Pr)жd <108.

Nuжdср. = 0,5·(Grжd ·Pr ж)0,25 (Pr ж/Prст)0,25 . (10.6)

б) Вертикальная труба и пластина:

1) ламинарное течение - 103<(Gr ·Pr)ж <109:

Nuжdср. = 0,75· (Grжd ·Pr ж)0,25·(Pr ж/Prст)0,25 . (10.7)

2) турбулентное течение - (Gr ·Pr)ж > 109:

Nuжdср. = 0,15· (Grжd ·Pr ж)0,33 ·(Pr ж/Prст)0,25 . (10.8)

Здесь значения Grжd и Pr ж берутся при температуре жидкости (газа), а Prст при температуре поверхности стенки.

Для воздуха Pr ж/Prст = 1 и формулы (10.6-10.8) упрощаются.

2. Вынужденная конвекция.

Режим течения определяется по величине Re.

а) Течение жидкости в гладких трубах круглого сечения.

1) ламинарное течение – Re < 2100

Nuжdср. = 0,15·Reжd0,33·Prж0,33·(Grжd·Prж)0,1·(Prж/Prст)0,25·εl , (10.9)

где εl - коэффициент, учитывающий изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы и зависит от отношения длины трубы к его диаметру (l/d).

2) переходной режим – 2100 < Re < 104

Nuжdср. = К0·Prж0,43·(Prж/Prст)0,25·εl . (10.10)

3) турбулентное течение – Re > 104

Nuжdср. = 0,021· Reжd0,8·Prж0,43· (Prж/Prст)0,25·εl . (10.11)

б) Обтекание горизонтальной поверхности.

1) ламинарное течение – Re < 4·104

Nuжdср. = 0,66·Reжd0,5·Prж0,33 ·(Prж/Prст)0,25. (10.12)

2) турбулентное течение – Re > 4·104

Nuжdср. = 0,037·Reжd0,5·Prж0,33 ·(Prж/Prст)0,25 . (10.13)

в) Поперечное обтекание одиночной трубы (угол атаки j = 900).

1) при Reжd = от 5 до 103

Nuжdср. = 0,57·Reж0,5·Prж0,38 ·(Prж/Prст)0,25 . (10.14)

2) при Reжd = от 103 до 2·105

Nuжdср. = 0,25 ·Reж0,6·Prж0,38 ·(Prж/Prст)0,25 . (10.15)

Лекция 11.1: Общие сведения о тепловом излучении

Лучистая энергия возникает за счет энергии других видов в результате сложных молекулярных и внутриатомных процессов. Природа всех лучей одинакова. Они представляют собой распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны.

Источником теплового излучения является внутренняя энергия нагретого тела.

Количество лучистой энергии в основном зависит от физических свойств и температуры излучающего тела. Электромагнитные волны различаются между собой длиной волны.

В зависимости от длины волны l лучи обладают различными свойствами.

Наименьшей длиной волны обладают космические лучи l = (0,1 – 10)оА (где оА — ангстрем, единица длины, 1оА = 10-10м). Гамма-лучи, испускаемые радиоактивными веществами, имеют длину волны до 10оА ; лучи Рентгена – l = (10-200) оА; ультрафиолетовые лучи – l = (200оА - 0,4 мк (мк — микрон, 1 мк — 0,001 мм), световые лучи – l = (0,4-0,8)мк, инфракрасные или тепловые лучи – l = (0,8 – 400) мк, радио или электромагнитные лучи - l > 400 мк. Из всех лучей наибольший интерес для теплопередачи представляют тепловые лучи с l = (0,8 – 40) мк.

Лучеиспускание свойственно всем телам, и каждое из них излучает и поглощает энергию непрерывно, если температура его не равна 0°К. При одинаковых или различных температурах между телами, расположенными как угодно в пространстве, существует непрерывный лучистый теплообмен.

Лекция 11.2: Основные законы теплового излучения

Закон Планка. Интенсивности излучения абсолютно черного тела Isl и любого реального тела Il зависят от температуры и длины волны.

Абсолютно черное тело при данной температуре испускает лучи всех длин волн отl = 0 до l = ¥. Если каким-либо образом отделить лучи с разными длинами волн друг от друга и измерить энергию каждого луча, то окажется, что распределение энергии вдоль спектра различно.

По мере увеличения длины волны энергия лучей возрастает, при некоторой длине волны достигает максимума, затем убывает. Кроме того, для луча одной и той же длины волны энергия его увеличивается с возрастанием температуры тела, испускающего лучи (рис.11.1).

Планк установил следующий закон изменения интенсивности излучения абсолютно черного тела в зависимости от температуры и длины волны:

Isl = с1 l-5 / (ес/(lТ) – 1) , (11.5)

где е - основание натуральных логарифмов; с1 = 3,74*10-16 Вт/м2; с2 = 1,44*10-2 м*град; l - длина волны, м; Т - температура излучающего тела, К.

Из рис.11.1 видно, что для любой температуры интенсивность излучения Isl возрастает от нуля (при l=0) до своего наибольшего значения, а затем убывает до нуля (при l=¥). При повышении температуры интенсивность излучения для каждой длины волны возрастает.

Закон смещения Вина. Кроме того, из рис.11.1 следует, что максимумы кривых с повышением температуры смещаются в сторону более коротких волн. Длина волны lms, отвечающая максимальному значению Isl, определяется законом смещения Вина:

lms = 2,9 / T. (11.6)

С увеличением температуры lms уменьшается, что и следует из закона.

Пользуясь законом смещения Вина, можно измерять высокие температуры тел на расстоянии, например, расплавленных металлов, космических тел и др.

Закон Стефана-Больцмана. Планк установил, что каждой длине волны соответствует определенная интенсивность излучения, которая увеличивается с возрастанием температуры. Тепловой поток, излучаемый единицей поверхности черного тела в интервале длин волн от l до l + dl, может быть определен из уравнения

dEs = Isl*dl . (11.7)

Элементарная площадка на рис.11.1, ограниченная кривой Т = const, основанием dl l ординатами l и l + dl (Isl) определяет количество лучистой энергии dEs и называется лучеиспускательной способностью абсолютно черного тела для длин волн dл. Вся же площадь между любой кривой Т = const и осью абсцисс равна интегральному излучению черного тела в пределах от l = 0 до l = ¥ при данной температуре.

Подставляя в уравнение (11.7) закон Планка и интегрируя от от l = 0 до l = ¥, найдем, что интегральное излучение (тепловой поток) абсолютно черного тела прямо пропорционально четвертой степени его абсолютной температуры (закон Стефана-Больцмана).

Es = Сs (Т/100)4 , (11.8)

где Сs = 5,67 Вт/(м2*К4) - коэффициент излучения абсолютно черного тела

Отмечая на рис.11.1 количество энергии, отвечающей световой части спектра (0,4—0,8 мк), нетрудно заметить, что оно для невысоких температур очень мало по сравнению с энергией интегрального излучения. Только при температуре солнца ~ 6000К энергия световых лучей составляет около 50% от всей энергии черного излучения.

Все реальные тела, используемые в технике, не являются абсолютно черными и при одной и той же температуре излучают меньше энергии, чем абсолютно черное тело.

Излучение реальных тел также зависит от температуры и длины волны. Чтобы законы излучения черного тела можно было применить для реальных тел, вводится понятие о сером теле и сером излучении. Под серым излучением понимают такое, которое аналогично излучению черного тела имеет сплошной спектр, но интенсивность лучей для каждой длины волны Il при любой температуре составляет неизменную долю от интенсивности излучения черного тела Isl, т.е. существует отношение:

Il / Isl = e = const. (11.9)

Величину e называют степенью черноты. Она зависит от физических свойств тела.

Степень черноты серых тел всегда меньше единицы.

Большинство реальных твердых тел с определенной степенью точности можно считать серыми телами, а их излучение — серым излучением. Энергия интегрального излучения серого тела равна:

Е = e*Es = С* (Т/100)4 . (11.10)

Лучеиспускательная способность серого тела составляет долю, равную e от лучеиспускательной способности черного тела.

Величину С = e*Es называют коэффициентом излучения серого тела. Величина С реальных тел в общем случае зависит не только от физических свойств тела, но и от состояния поверхности или от ее шероховатости, а также от температуры и длины волны.

Закон Кирхгофа. Для всякого тела излучательная и поглощательная способности зависят от температуры и длины волны. Различные тела имеют различные значения Е и А. Зависимость между ними устанавливается законом Кирхгофа:

Е = Еs/А или Е /А = Еs = Еs/Аs = Сs·(Т/100)4 . (11.11)

Отношение лучеиспускательной способности тела (Е) к его поглощательной способности (А) одинаково для всех серых тел, находящихся при одинаковых температурах и равно лучеиспускательной способности абсолютно черного тела при той же температуре.

Из закона Кирхгофа следует, что если тело обладает малой поглощательной способностью, то оно одновременно обладает и малой лучеиспускательной способностью (полированные металлы). Абсолютно черное тело, обладающее максимальной поглощательной способностью, имеет и наибольшую излучательную способность.

Закон Ламберта. Излучаемая телом лучистая энергия распространяется в пространстве по различным направлениям с различной интенсивностью. Закон, устанавливающий зависимость интенсивности излучения от направления, называется законом Ламберта.

Закон Ламберта устанавливает, что количество лучистой энергии, излучаемое элементом поверхности dF1 в направлении элемента dF2, пропорционально произведению количества энергии, излучаемой по нормали dQn, на величину пространственного угла dw и cosj, составленного направлением излучения с нормалью (рис.11.2):

d2Qn = dQn* dw*cosj. (11.12)

Следовательно, наибольшее количество лучистой энергии излучается в перпендикулярном направлении к поверхности излучения, т. е. при (j = 0). С увеличением j количество лучистой энергии уменьшается и при j = 90° равно нулю. Закон Ламберта полностью справедлив для абсолютно черного тела и для тел, обладающих диффузным излучением при j = 0 - 60°.

Для полированных поверхностей закон Ламберта неприменим. Для них лучеиспускание при угле j будет большим, чем в направлении, нормальном к поверхности.

При температурном равновесии тел количество отдаваемой лучистой энергии будет равно количеству поглощаемой лучистой энергии. Спектр излучения большинства твердых и жидких тел непрерывен. Эти тела испускают лучи всех длин волн от малых до больших.

Спектр излучения газов имеет линейчатый характер. Газы испускают лучи не всех длин волн. Такое излучение называется селективным (избирательным). Излучение газов носит объемный характер.

Суммарное излучение с поверхности тела по всем направлениям полусферического пространства и по всем длинам волн спектра называется интегральным или полным лучистым потоком Q.

Интегральный лучистый поток, излучаемый единицей поверхности по всем направлениям, называется излучательной способностью тела и обозначается

Е = dQ / dF , [вт/м2] (11.1)

где dQ - элементарный лучистый поток, испускаемый элементом

поверхности dF.

Каждое тело способно не только излучать, но и отражать, поглощать и пропускать через себя падающие лучи от другого тела. Если обозначить общее количество лучистой энергии, падающей на тело, через Q, то часть энергии, равная А, поглотится телом, часть, равная R, отразится, а часть, равная D, пройдет сквозь тело. Отсюда

Q = QA + QR + QD , (11.2)

или

A + R + D = 1. (11.3)

Величину А называют коэффициентом поглощения. Он представляет собой отношение поглощенной лучистой энергии ко всей лучистой энергии, падающей на тело.

Величину R называют коэффициентом отражения. R есть отношение отраженной лучистой энергии ко всей падающей. Величину D называют коэффициентом проницаемости. D есть отношение прошедшей сквозь тело лучистой энергии ко всей лучистой энергии, падающей на тело. Для большинства твердых тел, практически не пропускающих сквозь себя лучистую энергию, А + R = 1.

Если поверхность поглощает все падающие на нее лучи, т. е. А = 1, R = 0 и D = 0, то такую поверхность называют абсолютно черной. Если поверхность отражает полностью все падающие на нее лучи, то такую поверхность называют абсолютно белой.

При этом R = 1, А = О, D = 0. Если тело абсолютно проницаемо для тепловых лучей, то D = 1, R = 0 и A = 0. В природе абсолютно черных, белых и прозрачных тел не существует, тем не менее понятие о них является очень важным для сравнения с реальными поверхностями.

Кварц для тепловых лучей непрозрачен, а для световых и ультрафиолетовых лучей прозрачен. Каменная соль прозрачна для тепловых лучей и непрозрачна для ультрафиолетовых лучей. Оконное стекло прозрачно для световых лучей, а для ультрафиолетовых и тепловых почти непрозрачно. Белая поверхность (ткань, краска) хорошо отражает лишь видимые лучи, а тепловые лучи поглощает также хорошо, как и темная. Таким образом, свойство тел поглощать или отражать тепловые лучи зависят в основном от состояния поверхности, а не от ее цвета.

Если поверхность отражает лучи под тем же углом, под которым они падают на нее, то такую поверхность называют зеркальной. Если падающий луч при отражении расщепляется на множество лучей, идущих по всевозможным направлениям, то такое отражение называют диффузным (например поверхность мела).

При исследовании лучистых потоков большое значение имеет распределение лучистой энергии, испускаемой абсолютно черным телом по отдельным длинам волн спектра. Каждой длине волны лучей, при определенной температуре, соответствует определенная интенсивность излучения - Isl. Интенсивность излучения или спектральная (монохроматическая) интенсивность, представляет собой плотность лучистого потока тела для длин волн от l до l+dl, отнесенная к рассматриваемому интервалу длин волн dl;

Isl = dEsl / dl , (11.4)

где Isl - спектральная интенсивность излучения абсолютно черного тела.

Лекция 12.1: Теплопередача через плоскую стенку

Теплопередачей называется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю через стенку, разделяющую эти теплоносители.

Примерами теплопередачи являются: передача теплоты от греющей воды нагревательных элементов (отопительных систем) к воздуху помещения; передача теплоты от дымовых газов к воде через стенки кипятильных труб в паровых котлах; передача теплоты от раскаленных газов к охлаждающей воде (жидкости) через стенку цилиндра двигателя внутреннего сгорания; передача теплоты от внутреннего воздуха помещения к наружному воздуху и т. д. При этом ограждающая стенка является проводником теплоты, через которую теплота передается теплопроводностью, а от стенки к окружающей среде конвекцией и излучением. Поэтому процесс теплопередачи является сложным процессом теплообмена.

При передаче теплоты от стенки к окружающей среде в основном преобладает конвективный теплообмен, поэтому будут рассматриваться такие задачи.

1) Теплопередача через плоскую стенку.

Рассмотрим однослойную плоскую стенку толщиной d и теплопроводностью l (рис12.1).

Температура горячей жидкости (среды) t'ж, холодной жидкости (среды) t''ж.

Тепловой поток, переданный от горячей жидкости (среды) к стенке по закону Ньютона-Рихмана имеет вид:

Q = a1 · (t'ж – t1) · F, (12.1)

где a1 – коэффициент теплоотдачи от горячей среды с температурой t'ж к поверхности стенки с температурой t1;

F – расчетная поверхность плоской стенки.

Тепловой поток, переданный через стенку определяется по уравнению:

Q = l/d · (t1 – t2) · F. (12.2)

Тепловой поток от второй поверхности стенки к холодной среде определяется по формуле:

Q = б2 · (t2 - t''ж) · F, (12.3)

где a2 – коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к холодной среде с температурой t''ж.

Решая эти три уравнения получаем:

Q = (t'ж – t''ж) • F • К, (12.4)

где К = 1 / (1/a1 + / l + 1/a2) – коэффициент теплопередачи, (12.5)

или R0 = 1/К = (1/a1 + d/l + 1/a2) – полное термическое сопротивление теплопередачи через однослойную плоскую стенку. (12.6)

1/a1, 1/a2 – термические сопротивления теплоотдачи поверхностей стенки;

d/l - термическое сопротивление стенки.

Для многослойной плоской стенки полное термическое сопротивление будет определяться по следующей формуле:

R0 = (1/a1 + d1/l1 + d2/l2 + … + dn/ln +1/a2), (12.7)

а коэффициент теплопередачи:

К = 1 / (1/a1 + d1/l1 + d2/l2 + … + dn/ln +1/a2), (12.8)

Лекция 12.2: Теплопередача через цилиндрическую стенку

Принцип расчета теплового потока через цилиндрическую стенку аналогична как и для плоской стенки. Рассмотрим однородную трубу (рис.12.2) с теплопроводностью l, внутренний диаметр d1, наружный диаметр d2, длина l. Внутри трубы находится горячая среда с температурой t'ж, а снаружи холодная среда с температурой t''ж.

Тепловой поток, переданный от горячей среды к внутренней стенке трубы по закону Ньютона-Рихмана имеет вид:

Q = p·d1·a1·l·(t'ж – t1) , (12.9)

где a1 – коэффициент теплоотдачи от горячей среды с температурой t'ж к поверхности стенки с температурой t1;

Тепловой поток, переданный через стенку трубы, определяется по уравнению:

Q = 2·p·l·l·(t1 – t2) / ln (d2/d1). (12.10)

Тепловой поток от второй поверхности стенки трубы к холодной среде определяется по формуле:

Q = p·d2·a2·l·(t1 - t''ж) , (12.11)

где a2 – коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к холодной среде с температурой t''ж.

Решая эти три уравнения получаем:

Q = p l·(t'ж – t''ж) • К, (12.12)

где Кl = 1/[1/(a1d1) + 1/(2lln(d2/d1) + 1/(a2d2)] (12.13)

- линейный коэффициент теплопередачи,

или Rl = 1/ Кl = [1/(a1d1) + 1/(2lln(d2/d1) + 1/(a2d2)] (12.14)

- полное линейное термическое сопротивление

теплопередачи через однослойную цилиндрическую стенку.

1/(a1d1), 1/(a2d2) – термические сопротивления теплоотдачи поверхностей стенки;

1/(2lln(d2/d1) - термическое сопротивление стенки.

Для многослойной (n слоев) цилиндрической стенки полное линейное термическое сопротивление будет определяться по следующей формуле:

Rl = 1/ Кl = [1/(a1d1) + 1/(2l1ln(d2/d1) + 1/(2l3ln(d3/d2) + …

+ 1/(2lnln(dn+1/dn) + 1/(a2dn)] (12.15)

Лекция 12.3: Типы теплообменных аппаратов

Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в котором одна жидкость — горячая среда, передает теплоту другой жидкости - холодной среде. В качестве теплоносителей в тепловых аппаратах используются разнообразные капельные и упругие жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур. По принципу работы аппараты делят на регенеративные, смесительные и рекуперативные.

В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту аккумулирующему устройству, которое в свою очередь периодически отдает теплоту второй жидкости - холодному теплоносителю, т. е. одна и та же поверхность нагрева омывается то горячей, то холодной жидкостью.

В смесительных аппаратах передача теплоты от горячей к холодной жидкости происходит при непосредственном смешении обеих жидкостей, например смешивающие конденсаторы.

Особенно широкое развитие во всех областях техники получили рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячей к холодной жидкости передается через разделительную стенку. Только такие аппараты будут рассмотрены в дальнейшем.

Теплообменные аппараты могут иметь самые разнообразные назначения — паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, приборы центрального отопления и т. д. Теплообменные аппараты в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам.

Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.

В теплообменных аппаратах движение жидкости осуществляется по трем основным схемам.

Если направление движения горячего и холодного теплоносителей совпадают, то такое движение называется прямотоком (рис.12.3,а).

Если направление движения горячего теплоносителя противоположно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется противотоком (рис.12.3,б). Если же горячий теплоноситель движется перпендикулярно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется перекрестным током (рис.12.3,в). Кроме этих основных схем движения жидкостей, в теплообменных аппаратах применяют более сложные схемы движения, включающие все три основные схемы.

Лекция 12.4: Расчет теплообменных аппаратов

Целью теплового расчета является определение поверхности теплообмена, а если последняя известна, то целью расчета является определение конечных температур рабочих жидкостей. Основными расчетными уравнениями теплообмена при стационарном режиме являются уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса.

Уравнение теплопередачи:

Q = k·F·(t1 – t2 ) ,

где Q — тепловой поток, Вт,

k - средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·К), F — поверхность теплообмена в аппарате, м2, t1 и t2 - соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей.

Уравнение теплового баланса при условии отсутствия тепловых потерь и фазовых переходов:

Q = = m1 ·Dt1 = m2·Dt2 ,

или

Q = V1 r1·cр1·(t/1 - t//1) = V2 r2·cр2 ·(t//2 - t/2), (12.16)

где V1·r1, V2·r2 - массовые расходы теплоносителей, кг/с,

cр1 и cр2 - средние массовые теплоемкости жидкостей в интервале температур от tґ до t//,

t/1 и t/2 - температуры жидкостей при входе в аппарат;

t//1 и t//2 - температуры жидкостей при выходе из аппарата.

Величину произведения V·r·cр = W, Вт/К называют водяным, или условным, эквивалентом.

С учетом последнего уравнение теплового баланса может быть представлено в следующем виде:

(t/1 - t//1) / (t//2 - tґ2) = W2 / W1 , (12.17)

W2 , W1 - условные эквиваленты горячей и холодной жидкостей.

При прохождении через теплообменный аппарат рабочих жидкостей изменяются температуры горячих и холодных жидкостей. На изменение температур большое влияние оказывают схема движения жидкостей и величины условных эквивалентов. На рис.12.4 представлены температурные графики для аппаратов с прямотоком, а на рис.12.5 для аппаратов с противотоком.

Как видно из рис. 12.4, при прямотоке конечная температура холодного теплоносителя всегда ниже конечной температуры горячего теплоносителя. При противотоке (рис.12.5) конечная температура холодной жидкости может быть значительно выше конечной температуры горячей жидкости. Следовательно, в аппаратах с противотоком можно нагреть холодную среду, при одинаковых начальных условиях, до более высокой температуры, чем в аппаратах с прямотоком. Кроме того, как видно из рисунков, наряду с изменениями температур изменяется также и разность температуря между рабочими жидкостями, или температурный напор Dt.

Величины Dt и k можно принять постоянными только в пределах элементарной поверхности теплообмена dF. Поэтому уравнение теплопередачи для элемента поверхности теплообмена dF справедливо лишь в дифференциальной форме:

dQ==k·dF·Dt . (12.18)

Тепловой поток, переданный через всю поверхность F при постоянном среднем коэффициенте теплопередачи k, определяется интегрированием уравнения (12.19):

Q = ò k·dF·Dt= k·F·Dtср , (12.19)

где Dtср - средний логарифмический температурный напор по всей поверхности нагрева.

Для случаев, когда коэффициент теплопередачи на отдельных участках поверхности теплообмена значительно изменяется, его усредняют:

kср = (F1·k1 + F2·k2 + … + Fn·kn) / (F1 + F2 + … + Fn).

Тогда при kср = const уравнение (12.9 ) примет вид

Q = òkср Dt ·dF = kср ·Dtср ·F. (12.20)

Если температура теплоносителей изменяется по закону прямой линии (рис.12.6, пунктирные линии), то средний температурный напор в аппарате равен разности среднеарифметических величин:

Dtср = (t/1 + t//1)/2 - (t//2 + t/2)/2 . (12.21)

Однако температуры рабочих жидкостей меняются по криволинейному закону.

Поэтому уравнение (12.21) будет только приближенным и может применяться при небольших изменениях температуры обеих жидкостей. При криволинейном изменении температуры величину Dtср называют среднелогарифмическим температурным напором и определяется по формулам:

для аппаратов с прямотоком

Dtср = [(t/1 - t/2) - (t//1 - t//2)] / ln[(t/1 - t/2)/(t//1 - t//2)] (12.22)

для аппаратов с противотоком

Dtср = [(t/1 - t//2) - (t//1 - t/2)] / ln[(t/1 - t//2)/(t//1 - t/2)] (12.23)

Численные значения Dtср для аппаратов с противотоком при одинаковых условиях всегда больше Dtср для аппаратов с прямотоком, поэтому аппараты с противотоком имеют меньшие размеры.

Лекция 13.1: Происхождение органического топлива

Топливо - горючие вещества, которые экономически целесообразно использовать для получения значительных количеств теплоты.

Органическое топливо - сложные углеродистые и углеводородистые соединения, содержащие некоторые количества минеральных веществ, образовавшиеся из продуктов разложения растительного и животного происхождения, живших на Земле в основном 0,5-500 млн. лет назад, за счет процессов происходящих под давлением и без доступа воздуха на протяжении длительного времени.

Исходный органический материал - несколько групп химических соединений близких по своему строению и свойствам: углеводы, лигнин, белки и липоиды.

Углеводы - главная составная часть стенок растительных клеток. Основные представители этой группы: целлюлоза (клетчатка) и гемицеллюлозы.

Лигнин - высокомолекулярное соединение, заполняющее межклеточное пространство высших растений.

Белки - вещества, входящие в состав протоплазмы клеток всех организмов.

Липоиды - вещества, входящие главным образом в состав кутикулы-пленки образующей внешнюю оболочку одно- и многоклеточных растений: смолы, воски и жиры.

Гумолиты - промежуточный класс горючих ископаемых, образовавшийся из остатков отмерших высших растений в условиях заболоченной суши.

В последствии гумолиты прошли три стадии образования твердых горючих ископаемых: торфа, бурых и каменных углей.

Сапропели - промежуточный класс горючих ископаемых, образовавшийся из органических остатков, в основном, разложившихся одноклеточных организмов, накапливающихся на дне прибрежных зон древних морей и океанов.

Из сапропелей в дальнейшем образовались: некоторые редко встречающиеся угли, горючие сланцы и предположительно нефть и природный газ.

Лекция 13.2: Состав топлива

Элементарный состав твердого или жидкого топлива - процентное содержание в топливе горючих веществ: углерода (С), водорода (Н), летучей серы (SЛ) внутреннего балласта: кислорода (О) и азота (N) и внешнего баласта: минеральных примесей (А) и влаги (W).

Состав газообразного топлива - процентное содержание в топливе горючих соединений: водорода (Н2), метана (СН4),низкомолекулярных летучих углеводородов (СН), сероводорода (Н2S), оксида углерода (СО) и небольшого количества негорючих газов: кислорода (О2), азота (N2), диоксида углерода (СО2) и водяных паров (Н2О):

Углерод - главный элемент топлива, содержащийся в нем в виде сложных соединений с кислородом, азотом и серой. При полном сгорании 1 кг его выделяет 33,65 МДж теплоты, образует СО2, а при неполном -13,6 МДж и образует СО.

В твердом топливе содержание углерода колеблется от 25% у сланцев до 70% у антрацитов. В жидком топливе его содержание достигает 85%.

Водород - элемент с наибольшей теплотой сгорания в горючей массе топлива. При полном сгорании 1кг Н2 с образованием водяных паров выделяется около 121 МДж теплоты.

Содержится в топливе в незначительных количествах: от 1,5% у антрацитов до 14% у природных газов.

Сера - твердое хрупкое вещество желтого цвета с температурой плавления около 113 0С и с теплотой сгорания около 10,5 МДж/кг.

В топливе сера находится в виде различных соединений. Серу подразделяют на: органическую SО, если она связана с углеродом, водородом, азотом; колчеданную SК, связанную с железом (железный колчедан FeS ) и сульфатную SС в виде соединений RSО4. В горючую часть топлива включают только органическую и колчеданную серу, которые участвуют в процессе горения, образуя сернистый (SО2) и серный (SО3) ангидриды. Сульфатную серу относят к негорючей части топлива. В твердом топливе содержание серы достигает 5%, в жидком-3,5%.

Наличие серы в топливе нежелательно, т.к. образующиеся при горении оксиды серы в присутствии влаги образуют слабые растворы кислот, обуславливая коррозионную активность продуктов сгорания и оказывая вредное воздействие на окружающую среду (кислотные дожди).

Кислород - газообразное вещество, находящееся в топливе в виде соединений, в том числе и с горючими элементами, снижая тем самым содержание горючих элементов и уменьшая количество теплоты, выделяемой при горении топлива.

В твердом топливе содержание кислорода колеблется от 15-25% у торфа и дров до 1-2% у антрацитов. В жидких и газообразных топливах его содержится менее 1%. Участвует в процессе горения топлива.

Азот - газообразное вещество, находящееся в топливе в виде соединений. В горении топлива не участвует, но в высокотемпературных топках котельных агрегатов и промышленных печей образует токсичные оксиды NO2. Содержание азота в топливе невелико (0,5-2%).

Минеральные примеси - смесь негорючих минералов, находящихся в свободном состоянии или связанных с топливом. Возникли либо за счет минеральных веществ исходного органического материала, либо вследствие попадания их в массу топлива на стадиях образования или добычи.

Их соответственно подразделяют на первичные, вторичные и третичные или внешние. Основные компоненты: силикаты (глинозем, кремнезем и глина), сульфиды, сульфаты, карбонаты, закиси и окиси различных металлов, соли щелочных и щелочноземельных металлов и т.д. Кроме того в минеральных примесях присутствуют соединения многих редких и рассеянных химических элементов: платины, кобальта, германия, урана и других. О содержании минеральных примесей в топливе судят по его зольности. Присутствие минеральных примесей уменьшает долю горючих элементов в топливе и его теплоту сгорания. Не сгоревшая часть топлива образует очаговые остатки в виде золы и шлака.

Зольность топлива - негорючий остаток , образующийся при полном окислении всех горючих компонентов топлива в стандартных лабораторных условиях при температуре 800 0С, выраженный в процентах исходной массы топлива.

Зольность твердого топлива в зависимости от вида топлива, месторождения и способа добычи меняется в широких пределах: от 0,5% у дров до 60-70% у бурых углей, добываемых открытым способом. Зольность жидкого топлива не превышает 0,5%.

Зола - порошкообразный негорючий остаток, образовавшийся из минеральных примесей после термического воздействия.

Мельчайшие твердые частицы золы захваченные потоком дымовых газов, образуют летучую золу, которая способствует загрязнению и абразивному износу поверхностей нагрева и оказывает вредное воздействие на окружающую среду.

Шлак - минеральные примеси топлива, подвергшиеся высокотемпературному нагреву, в результате которого они расплавились или спеклись, приобретя значительную прочность.

Шлакование - прогрессирующее накопление на трубчатых поверхностях нагрева котельных агрегатов или промышленных печей отложений очаговых остатков, сопровождающееся упрочнением этих отложений, вследствие их оплавления и спекания.

Обладая низкой теплопроводностью, золовой или шлаковый слой на поверхности нагрева увеличивает термическое сопротивление при передаче теплоты от дымовых газов к рабочим телам (воде, водяному пару, воздуху и т.д.), что приводит к уменьшению количества передаваемой теплоты, к повышению температуры уходящих дымовых газов, к снижению КПД и, следовательно, к увеличению расхода сжигаемого топлива.

Влага - как и минеральные примеси относится к внешнему балласту топлива. На испарение влаги топлива затрачивается часть теплоты сгорания топлива.

Влага превращается в процессе горения в пар, отнимая часть теплоты сгоревшего топлива. Влагу разделяют на внешнюю или механическую (WМ) и внутреннюю или гигроскопическую (WГ). Внешняя влага попадает в топливо при его добыче, транспортировке и хранении. Количество её колеблется от 1 до 40%. Эту влагу удаляют из топлива сушкой при обычных температурах. Внутреннюю влагу подразделяют на коллоидную и гидратную. Коллоидная влага составляет большую часть внутренней влаги и присутствует в топливе в виде гелей. Удаляется из топлива при его нагреве до 102-105 0С. Гидратная влага химически связана с минеральными примесями топлива и выводится из топлива при его нагреве до 150-200 0С.

Влага влияет на сыпучесть, смерзаемость и размолотоспособность твердого топлива. В жидком топливе (топочные или печные мазуты) содержание влаги не превышает 3 %.

Рабочая масса топлива - топливо в том состоянии, в котором оно поступает к потребителю. Рабочую массу твердого или жидкого топлива оценивают в процентах по массе:

Аналитическая масса топлива - топливо, подготовленное к проведению его анализа - измельченное и подсушенное до такой влажности, которое при хранении, самопроизвольно не изменяется (воздушно-сухое топливо или рабочая масса топлива без механической влаги)

Сухая масса топлива - совокупность всех частей топлива, кроме влаги

Горючая масса топлива - сухая масса топлива за вычетом минеральных примесей. Наиболее стабильный состав топлива, не зависящий от условий добычи и погодных условий, который приводится в справочной литературе.

Лекция 13.3: Характеристики топлива

Выход летучих на горючую массу - совокупность веществ, которые выделяются из топлива при нагревании его в течении 7 мин без доступа воздуха при температуре 850 0С в процентах от горючей массы топлива. В летучие вещества переходят: кислород О2, азот N2 в виде сложных соединений с другими элементами топлива, водород Н2 , углеводороды СmНn, оксид СО и диоксид СО2 углерода.

Выход летучих веществ начинается при относительно низких температурах: дрова »160 0С, торф »110 0С, бурые угли »130-170 0С, полуантрацит и антрацит »400 0С. Чем выше выход летучих и ниже температура их выделения, тем легче воспламеняется топливо.

Теплота сгорания топлива - количество теплоты, выделяемой при полном сгорании единицы массы, (МДж/кг) или единицы объёма (МДж/м3 ) топлива.

В зависимости от агрегатного состояния водяных паров, находящихся в продуктах сгорания топлива различают: высшую (QВ) и низшую (QН) теплоты сгорания топлива. Высшая теплота сгорания топлива (QВ) учитывает, кроме теплоты, которая выделяется при сгорании горючих элементов топлива и теплоту, которая выделяется при конденсации водяных паров находящихся в продуктах сгорания топлива. Низшая теплота сгорания (QН) - эту теплоту не учитывает. В топках технических устройств температура высока и водяные пары в дымовых газах находятся в парообразном состоянии, поэтому при сжигании топлива выделяется низшая теплота сгорания, МДж/кг:

где М - масса водяных паров, выделившихся при сгорании единицы топлива, кг/кг;

r - удельная теплота парообразования при атмосферном давлении, МДж/кг.

Теплоту сгорания топлива определяют либо опытным путем при помощи колориметра, либо рассчитывают по полуэмпирическим формулам по известному составу топлива.

Условное топливо - топливо, теплота сгорания которого равна Qусл = 29,3 МДж/кг (7000 ккал/кг). Понятие, которым пользуются при определении ресурсов различных видов топлива и проведении технико-экономических расчетов.

Приведенные характеристики твердого и жидкого топлива - характеристики топлив, отражающие соответственно содержание влаги WП, золы АП и серы SП в топливе отнесенные к низшей теплоте сгорания его рабочей массы в % /(МДж/кг).

Абразивность твердого топлива - способность твердого топлива при контакте с другими материалами вызывать их износ.

Твердость твердого топлива - сопротивляемость измельчению (размолу)

Кажущаяся плотность твердого топлива - масса единицы объёма куска топлива с внутренними порами, заполненными воздухом и влагой.

Насыпная плотность твердого топлива - масса единицы объёма топлива заполненная кусками топлива и воздушными прослойками между ними.

Плавкость золы и шлаков - поведение очаговых остатков при высоких температурах: их размягчение, плавление и текучесть образовавшегося расплава.

Оценку плавкости проводят по степени деформации стандартного образца, представляющего собой трехгранную пирамиду из золы со стороной основания 6 мм и высотой 13 мм. Деформация образца при медленном нагревании возникает за счет потери его прочности под действием гравитационных сил. При этом фиксируют следующие температуры: 1) начала деформации t1 , которую определяют по появлению первых признаков оплавления вершины конуса; 2) температуру плавления t2 - при которой образец превращается в полусферу с высотой равной половине основания, и 3) температуру жидко плавкого состояния t3, при которой образец растекается по подставке. Эта характеристика влияет на выбор способа сжигания топлива, тип топочного устройства, конструкцию самого парогенератора, надежность его работы и условия эксплуатации.

Гранулометрический состав твердого топлива - состав, характеризующий распределение частиц в массе топлива по их крупности.

Условная вязкость жидкого топлива - условная величина, характеризующая текучесть жидкого топлива, выраженная в градусах условной вязкости (0ВУ).

Под 0ВУ понимают отношение времени вытекания жидкого топлива с температурой 20 0С из сосуда с калиброванным отверстием ко времени истечения из такого же сосуда такого же объёма воды при той же температуре. При маркировке топочных мазутов после буквенного обозначения указывают величину его условной вязкости при температуре 50 0С.

Температура вспышки жидкого топлива - температура, при которой топливо, будучи нагрето в строго определенных условиях, выделяет достаточное количество паров для того, чтобы смесь этих паров с окружающим воздухом могла вспыхнуть при поднесении к ней пламени.

Температура застывания - температура, при которой нефтепродукт загустевает настолько, что при наклоне пробирки с топливом на 450 к горизонту, его уровень остается неподвижным в течении 1 минуты.

Лекция 13.4: Характеристики отдельных видов твердого топлива

Дрова - топливо из древесины и отходов её переработки (пни, хворост, обрезки, щепа и т.д.).

Относятся к местным видам топлива, т.к. перевозка его на большие расстояния экономически нецелесообразна из-за большого объёма массы и высокой влажности. Теплота сгорания дров составляет в среднем

Торф - буро-землистая или пластичная масса темно желтого или черно бурого цвета, образовавшаяся вследствие разложения под водой мхов и других растений в постепенно зарастающих водоемах.

Наиболее геологически молодое возобновляющееся твердое топливо, характеризующееся невысокой степенью разложения органических остатков, повышенным содержанием летучих веществ (), водорода, кислорода и азота и с относительно низкой теплотой сгорания (), высокой гигроскопичностью и влажностью.

Бурые угли - относительно твердые горючие вещества от темно-бурого до черного цвета, образовавшиеся из остатков органических растений, намного ранее чем торф.

Характеризуются достаточно высоким содержанием летучих веществ (), водорода и кислорода, высокой гигроскопичностью и влажностью. Теплотой сгорания. По содержанию в рабочей массе влаги их делят на 3 группы Б1 с WР > 40%; Б2 с WР = 30 - 40 и Б3 с WР < 30%. При хранении на воздухе они легко выветриваются, теряют механическую прочность и приобретают склонность к самовозгоранию. Их целесообразно сжигать в пылеугольных топках крупных энергетических парогенераторов.

Каменные угли - твердые горючие вещества, представляющие собой черную блестящую однородную массу, а иногда матовую массу без блеска серовато-черного цвета, образовавшуюся в процессе медленного разложения исходных органических веществ под слоем земли без доступа воздуха.

Характеризуются высокой плотностью, большим содержанием углерода и значительной величиной теплоты сгорания (). Классифицируют их по выходу летучих с учетом спекания очагового остатка на: длиннопламенные (Д); газовые (Г); газовые жирные (ГЖ); жирные (Ж); коксовые (К); обогащенные спекающиеся (ОС); слабоспекающиеся (СС); тощие (Т). При этом выход летучих меняется от 42 - 36% у марки Д до 9 - 17% у Т, а содержание влаги WР соответственно уменьшается с 14 до 5%.

Антрациты и полуантрациты - старейшие из ископаемых каменных углей с наибольшей степенью углефикации. Механически прочные, черного цвета, с металлическим блеском в местах излома.

Характеризуются малым выходом летучих (< 9%), высокой теплотой сгорания (). Горят практически без пламени, развивая высокую температуру в слое горящего топлива. Их классифицируют по размеру кусков топлива. Первая буква в маркировке: А - антрацит или ПА - полуантрацит; следующая указывает на класс крупности

Лекция 13.5: Характеристика жидких и газообразных топлив

Жидкие топлива - синтетические вещества, получаемые из нефти методами её термохимического разложения.

При этом используют два метода: 1) термической разгонки, при которой нефть разделяется на узкие фракции по температурам их кипения без разрушения молекулярной структуры этих фракций, и 2) термического крекинга, при котором происходит глубокая переработка углеводородов нефти с разрушением их молекулярной структуры и образованием новых соединений с меньшей молекулярной массой. В зависимости от температуры перегонки нефтепродукты делят на фракции: бензиновые с температурой перегонки до 200 - 225 0С; керосиновые - 140 - 300 0С; дизельные 190 - 350 0С; соляровые - 300 - 400 0С и мазутные - свыше 350 0С. Для бытового потребления промышленность выпускает топливо печное бытовое (ТПБ), а для тепловых электрических станций - мазуты (М) различных марок.

Нефть - природная смесь жидких органических соединений, состоящие из углеводородов трех классов:

1) метановые углеводороды

- метан СН4 , этан С2Н6, пропан С3Н8 и т.д.;

2) нафтеновые углеводороды - циклопентан С5Н10 циклогексан - С6Н12 и др.;

3) ароматические углеводороды - бензол С6Н6, толуол С7Н8, ксилол

и др. Теплота сгорания нефти . Её состав мало меняется в зависимости от месторождения.

Мазут - тяжелый остаток перегонки нефти или продукт термохимической переработки угля и сланца.

Мазуты, применяемые для производства тепловой энергии, подразделяют на флотские - марки Ф5 и Ф12 (легкие топлива); топочные - М40 (средние); М100 и М200 (тяжелые топлива). Мазут является малозольным и почти безвредным топливом с теплотой сгорания от 39 до 42 МДж/кг, плотностью 0,98 - 1,05 кг/м3 с температурой вспышки 80 - 140 0С, с температурой застывания от -5 до +42 0С и условной вязкостью, определяемой при температурах 50, 80 и 100 0С от 5 до 16 0ВУ. По количеству серосодержащих соединений их разделяют на малосернистые (< 0,5%), сернистые (0,5 - 2%) и высокосернистые ( > 2%).

Топливо печное бытовое - маловязкое жидкое топливо (<1,15 0 ВУ), с теплотой сгорания

, с содержанием серы менее 1,2%, с температурой застывания не выше минус 15 0С и температурой вспышки не ниже +42 0С.

Газообразное топливо - механическая смесь горючих и негорючих газов - (см.п.2.11).

Газообразные топлива подразделяют на природные и искусственные (синтетические).

К природным относят газ, добываемый из чисто газовых месторождений, и попутный газ, добываемый из нефтяных или газоконденсатных месторождений.

К искусственным относят газы, получаемые на заводах по переработке нефти (нефтезаводские газы); в процессе переработка угля (коксовый и полукоксовый); при газификации углей (генераторный); в технологических процессах, связанных с переработкой твердого топлива (доменный, ваграночный и др.), а также сжиженные газы.

Газы, добываемые из чисто газовых месторождений, в основном состоят из метана (84 - 98%) и обладают теплотой сгорания на сухую массу от 33 до 40 МДж/м3.

Попутные газы нефтяных месторождений помимо метана содержат до 60 - 70% более тяжелых углеводородов. Их теплота сгорания достигает 58 МДж/м3.

Наиболее распространенным сжиженным газом является смесь технического пропана и бутана с величиной 46 МДж/кг (91,3 МДж/м3).

Искусственное топливо - топливо, получаемое из органического твердого, жидкого или газообразного сырья путем их целенаправленной переработки либо в виде побочного продукта основного технологического процесса.

Основными моторными топливами являются бензины и дизельные топлива, получаемые путем переработки нефти. Кроме этого также используют сжатые и сжиженные газы; синтетические топлива, получаемые переработкой угля, сланцев, битумонозных песков; спирты; эфиры.

Лекция 14.1: Физико-химические основы процессов горения

Горение - сложный физико-химический процесс взаимодействия химических, тепловых и гидродинамических факторов, сопровождающийся выделением значительного количества теплоты. Основой процесса горения является химическая реакция между окисляемым горючим веществом и окислителем. Для протекания процесса горения необходимы:

- наличие горючего и окислителя;

- контакт между ними на молекулярном уровне;

- тепловые условия, обеспечивающие протекание химических реакций с высокими скоростями.

От родственных процессов окисления горение отличают:

- высокая температура;

- быстротечность во времени;

- неизотермичность;

- переменность концентраций компонентов по мере их взаимодействия;

- изменение структуры и формы поверхности реагирования во времени.

Горение топлива - совокупность химических реакций окисления горючих элементов топлива кислородом воздуха.

В основе процесса горения органического топлива лежат химические реакции взаимодействия чистого углерода и водорода с кислородом, протекающие как с выделением (экзотермические), так и с поглощением (эндотермические) теплоты в МДж/кг:

а) первичные экзотермические реакции полного горения:

(6)

(7)

(8)

б) первичные эндотермические реакции полного горения:

(9)

в) первичные экзотермические реакции неполного горения:

(10)

(11)

г) первичные эндотермические реакции неполного горения:

(12)

д) вторичные реакции полного и неполного горения:

(13)

(14)

(15)

Принципиальной особенностью всех реакций горения является их обратимость. Ни одна из этих реакций не идет до конца, а лишь до состояния химического равновесия, при котором имеют место все компоненты реакции. Состояние химического равновесия зависит от температуры давления и соотношения концентраций реагирующих веществ.

Энергия активации - энергия (Е) необходимая для разрушения первоначальных связей в молекуле.

Превращение исходных веществ в конечные продукты в результате протекания реакции горения происходит вследствие соударения молекул. При этом нормальная составляющая кинетической энергии соударяющихся молекул переходит в потенциальную и может быть затрачена на разрушение первоначальных связей в молекуле. Но не все столкновения молекул, при которых энергия столкновения превышает энергию активации приводят к химической реакции. Необходимо, чтобы соударяющиеся молекулы были сориентированы так, чтобы удар одной молекулы о другую был в наиболее слабом месте её структуры.

Цепная реакция - реакция с разветвленными цепями протекающая не непосредственно между молекулами исходных веществ, а через промежуточные стадии. Это позволяет обойти большой энергетический барьер, который необходимо преодолеть для осуществления прямой реакции между компонентами.

Гомогенное горение - горение, протекающее в объёме между компонентами находящимися в одной, как правило, газообразной фазе. Например, горение хорошо перемешанных газообразных компонентов; горение быстро испаряющихся мелкодисперсных капелек жидкого топлива.

Гетерогенное горение - горение, протекающее на поверхности раздела фаз - твердой или жидкой и газообразной. Например, горение твердых топлив или горение тяжелых жидких топлив при установлении фронта горения на границе раздела паров топлива и окислителя.

Кинетическое горение - горение, при котором суммарная скорость реакции определяется скоростью химического реагирования компонентов и зависит от факторов влияющих на кинетику химической реакции: концентраций горючего и окислителя, давления, температуры и др. Наблюдается, например, при горении предварительно хорошо перемешанных потоков газа и окислителя.

Диффузионное горение - горение, при котором суммарная скорость реакции определяется интенсивностью массопереноса реагирующих компонентов в зону реакции.

Имеет место при недостаточно эффективном перемешивании потоков топлива и окислителя. Как правило, в реальных процессах горение протекает в промежуточном режиме.

Поточный процесс горения - процесс, протекающий при непрерывном подводе горючего и окислителя в зону реакции и непрерывном отводе продуктов сгорания.

Ламинарное горение - горение, протекающее в ламинарном потоке окислителя.

Турбулентное горение - горение, протекающее в турбулентном потоке окислителя.

Лекция 14.2: Расчет процессов горения органического топлива

Расчет процессов горения - расчет, проводимый по стехиометрическим соотношениям и заключающийся в определении объёма воздуха, потребного для горения единицы топлива, а также объёма и состава продуктов сгорания.

Этот расчет предшествует тепловому и гидродинамическому расчету газовоздушного тракта топливосжигающего устройства: определению величины сечения газоходов и воздуховодов; скорости движения воздуха и дымовых газов, а также коэффициентов теплоотдачи конвекцией и излучением. Состав дымовых газов необходимо также знать для осуществления контроля за процессом горения.

Минимальный (теоретический) объём воздуха, - расчетная величина, полученная из стехиометрических соотношений. Складывается из объема воздуха, потребного для полного сжигания углерода, входящего в состав единицы массы или объёма топлива VС, серы VS, водорода VH, за вычетом объёма воздуха VО, эквивалентного содержанию кислорода в единице топлива, м3/кг или м3/м3:

(16)

Изменяется ориентировочно от 4 м3/кг для дров до 8,8 для антрацитов. Для природного газа V0 = 9,5 - 11 м3/м3, а для мазута V0 = 11 - 11,5 м3/кг.

Коэффициент избытка (расхода) воздуха в топке - отношение действительного объема воздуха, подаваемого в топку Vд к теоретически необходимому

Зависит от вида топлива, способа сжигания и типа топочного устройства. Изменяется от 1,3 до 1,7 в слоевых топках при сжигании твердого топлива от 1,05 до 1,15 при сжигании газообразного топлива.

По мере продвижения дымовых газов по газовому тракту коэффициент избытка воздуха увеличивается вследствие присоса воздуха в газоходы.

Теоретический объём дымовых газов, - расчетная величина, показывающая какой был бы объем дымовых газов при полном сгорании единицы топлива при подводе к нему минимального объёма воздуха.

Складывается из объёма сухих трехатомных газов , минимальных объёмов азота и водяных паров , м3/кг или м3/м3

(17)

Действительный объём дымовых газов - объём дымовых газов, образующийся при полном сгорании единицы топлива при подводе к нему действительного объёма воздуха.

Складывается из объёма сухих трехатомных газов, минимального объема азота, действительного объёма водяных паров и объема избыточного воздуха в газоходе , м3/кг или м3/м3.

(18)

Энтальпия теоретического объёма дымовых газов, - теплота, которая может быть отдана теоретическим объемом дымовых газов при изобарном охлаждении их от заданной температуры J до 0С, кДж/кг или кДж/м3:

(19)

Энтальпия теоретического объема воздуха, - теплота, которая может быть отдана теоретическим объемом воздуха при изобарном охлаждении его от заданной температуры J до 0 0С, кДж/кг или кДж/м3.

(20)

В последних двух формулах - средние объёмные изобарные теплоемкости отдельных газов, кДж/(м3 К).

Энтальпия действительного объема дымовых газов, - теплота, которая может быть отдана действительным объёмом дымовых газов при изобарном охлаждении их от заданной температуры J до 0 0С, кДж/кг или кДж/м3:

(21)

При сжигании твердого топлива в пылевидном состоянии энтальпию продуктов сгорания определяют как сумму энтальпий газов и летучей золы Нзл:

(22)

Лекция14.3. Особенности горения отдельных видов органического топлива.

Сжигание органического топлива - совокупность процессов, которые могут накладываться друг на друга, как во времени, так и в пространстве состоящая из:

- подачи топлива;

- подачи окислителя;

- создание смеси горючего и окислителя;

- нагрева образовавшейся смеси до температуры воспламенения;

- воспламенения;

- собственно горения;

- дожигания;

- отвода дымовых газов;

- удаление очаговых остатков.

Горение газообразного топлива - поточный процесс горения при котором оба реагирующих компонента (горючее и окислитель) находятся в одной фазе.

В топочный объём газ, как правило, вводят через сопла относительно малого сечения. Образующаяся турбулентная газовая струя расширяется по направлению движения за счет подсоса (эжектирования) в нее воздуха и газов с высокой температурой из окружающего топочного пространства. В результате нагрева смеси в периферийной зоне струи она воспламеняется, образуя зону горения, расширяющуюся по мере удаления от устья сопла. В этой зоне выгорает до 90% горючего из смеси. остальные 10% горючего вступают в химическую реакцию с кислородом воздуха в зоне догорания, находящейся за зоной горения по ходу струи. Горение протекает в диффузионном режиме. В ядре струи смесь не горит.

Горение предварительно перемешанной до молекулярного уровня газовоздушной смеси протекает в кинетическом или близком к нему режиме. Собственно горение газообразного топлива протекает практически мгновенно, что объясняется цепным характером протекания реакций. Так в пламени горящего водорода имеются промежуточные нестойкие вещества (атомарный кислород О и гидроксил ОН) и возбудитель цепи - атомарный водород.

Реакция горения угарного газа СО также протекает через промежуточные реакции с активными центрами Н и ОН, образующимися при наличии в среде небольших количеств Н2О и Н2.

В пламени газообразных углеводородов также имеются промежуточные продукты: гидроксил ОН, метиловый спирт <![endif]--> и формальдегид СНОН и активные центры: атомарные водород и кислород.

Пламя газообразного топлива считают несветящимся из-за отсутствия в нем твердых частиц и небольшого объёмного содержания трех и более атомных газов.

Горение жидкого топлива - поточный процесс горения, при котором на начальных стадиях горючее и окислитель находятся в разных фазах.

Процесс горения содержит следующие стадии:

- распыливание (пульверизация);

- испарение и термическое разложение тяжелых углеводородов;

- смешивание полученных продуктов с окислителем;

- воспламенение и

- собственно горение

Распыливают топливо с помощью форсунок различных типов: механических, воздушных и паровых. Мелкие капли топлива за счет большой удельной поверхности быстрее испаряются и создают газообразную смесь углеводородов, образовавшихся при термическом разложении, с воздухом. Чем меньше диаметр капель, тем более однородна смесь топлива с воздухом и тем в большей степени процесс горения жидкого топлива приближается к горению газообразного. При грубом распыливании в процессе горения происходит деструкция топлива с образованием как газообразной, так и твердой углеродистой (сажа, кокс) фаз. По этой причине факел жидкого топлива считают светящимся.

Горение твердого топлива - процесс горения термически нестойкого твердого вещества, протекающий через ряд стадий:

- подготовка топлива к горению;

- активное горение и

- дожигание.

Стадия подготовки топлива к горению включает в себя его подсушку и газификацию. На этой стадии загруженное в топку топливо является потребителем тепловой энергии. При повышении температуры топлива из него начинает испаряться влага. Вначале испаряется механически связанная влага, а затем влага внутренняя . Эти процессы заканчиваются при нагреве топлива до 150 - 200 <![endif]-->, когда из топлива улетучивается гидратная влага. Одновременно из топлива начинают выделяться летучие вещества. Выделившиеся летучие вещества образуют с воздухом горючие смеси, которые воспламеняются и горят в топочном пространстве. После воспламенения летучих температура кусочка топлива начинает быстро расти и при достижении 700 - 800 <![endif]--> начинает гореть основной горючий элемент твердого топлива - углерод. Процесс горения переходит в стадию активного горения.

В основе процесса горения частиц углерода лежат гетерогенные реакции взаимодействия углерода с окружающими частицу газами:<![endif]-->, <![endif]-->, <![endif]-->, СО и др.(см. реакции 6, 9, 10, 12, и 15). Основными реакциями считают реакции взаимодействия углерода с кислородом с образованием оксида и диоксида углерода.

Продукты сгорания диффундируют от поверхности частицы в окружающее её пространство. При температурах (700 - 800 0С) происходит одновременное образование СО и<![endif]-->. При более высоких температурах (800 - 1100 0С) возможна вторичная реакция догорания образовавшегося СО вблизи поверхности частицы (13) так, что в топочную среду будет преимущественно отводится<![endif]-->. При температурах 1200 - 1300 <![endif]--> часть образовавшегося <![endif]--> может вновь продиффундировать к поверхности углерода и вступить с ним в эндотермическую реакцию (15) с образованием оксида углерода, который затем догорит в зоне пламени вокруг частицы. При температурах выше 1200 - 1300 0С кислород, как правило не достигает поверхности частицы и процесс горения протекает по гетерогенной реакции (15). Важной отличительной особенностью горения коксового (углеродного) остатка частицы твердого топлива является его высокая пористость, что обеспечивает диффузию внутрь частицы активных по отношению к углероду газов (<![endif]-->, <![endif]--> и <![endif]-->). В ходе реагирования внутренняя поверхность частицы увеличивается за счет испарения влаги, выхода летучих веществ, изменения температуры и других факторов.

По мере выгорания углерода на поверхности частиц топлива образуется зольная оболочка, которая затрудняет диффузию газов к поверхности реагирования. Горение топлива вступает в стадию дожигания, которая играет существенную роль при слоевом сжигании топлива. Слой шлакуется. Для удаления золового нароста проводят шуровку (перемешивание) слоя.

Лекция 14.4: Тепловой баланс топливосжигающего устройства

Топливосжигающее устройство - промышленная установка или устройство составной частью которого является топка. Например: котельный агрегат, промышленная печь, огневая кухонная плита, и др.

Топка - техническое устройство или часть промышленной установки, предназначенные для сжигания топлива с целью получения продуктов сгорания с высокой температурой.

Тепловой баланс - соотношение, связывающее статьи прихода SQприх и расхода теплоты SQрасх в установке или устройстве.

Тепловой баланс котельного агрегата - соотношение, связывающее статьи прихода и расхода теплоты в котельном агрегате, отнесенные к единице массы или объёма сжигаемого топлива, в кДж/кг или кДж/м3:

(23)

где Qр - располагаемая теплота;

Q1 - полезноиспользованная теплота;

- потери теплоты.

Располагаемая теплота Qр - суммарное количество теплоты, внесенное в котельный агрегат. В общем случае ее подсчитывают по формуле, кДж/кг или кДж/м3:

(24)

где - низшая теплота сгорания твердого или жидкого топлива, кДж/кг; - низшая теплота сгорания сухой массы газа, кДж/м 3;

- теплота вносимая в топку с воздухом, подогретом вне котельного

агрегата;

- теплота вносимая топливом.

Полезноиспользованная теплота Q1 - теплота, использованная в котельном агрегате на нагрев воды и превращение ее в пар или только на нагрев воды, кДж/кг или кДж/м3:

(25)

где Qп - теплота, израсходованная на подогрев воды до температуры насыщения при давлении в котельном агрегате;

Qи - теплота, использованная на превращение кипящей жидкости во влажный или сухой насыщенный пар;

Qпе - теплота, затраченная на подсушку влажного насыщенного пара и последующий перегрев сухого насыщенного пара до заданной температуры;

Qо - теплота, затраченная на нагрев в котельном агрегате воды, отдаваемой затем потребителю.

Потери теплоты - суммарные потери теплоты в котельном агрегате, складывающиеся из потерь теплоты, кДж/кг или кДж/м3

- с уходящими дымовыми газами - Q2;

- от химического недожога топлива - Q3;

- от механического недожога твердого топлива - Q4;

- от наружного охлаждения - Q5;

- с физическим теплом шлаков, удаляемых из топки Q6.

Тогда с учетом п.п. 4.4. и 4.5. уравнение теплового баланса (23) записывают в виде: (26)

или принимаемая располагаемую теплоту за 100%:

(27)

Потеря теплоты с уходящими газами q2 возникает вследствие того, что температура удаляемых из котельного агрегата дымовых газов (110 - 300 0С) значительно выше температуры окружающей среды, которую при расчетах принимают равной 30 0С. Обычно q2 составляет 5 - 15% от располагаемой теплоты. Пути снижения q2 состоят в снижении температуры уходящих газов путем утилизации их теплоты в хвостовых поверхностях нагрева: водяных экономайзерах (см. п. 7.12) и воздухоподогревателях (см. п. 7.13) и в уменьшении коэффициента избытка воздуха, путем совершенствования процесса горения и ликвидации присосов воздуха по газовому тракту котельного агрегата.

Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива q3 происходит из-за недостатка воздуха или неправильного его распределения в топочном пространстве, плохого смесеобразования на начальных стадиях процесса горения или низкой температуры в топке. В топках современных паровых котлов при камерном сжигании топлива потеря q3 не превышает 1%, а при слоевом сжигании может достигать 2 - 3%.

Потеря теплоты от механического недожога q4 происходит вследствие провала части топлива через отверстия в колосниковой решетке, уноса летучих частиц несгоревшего топлива в газоходы котельного агрегата и шлакования крупных кусков топлива. В камерных топках q4 не превышает 1,5%, а в слоевых топках при сжигании рядовых углей может достигать 10 -14%.

Потеря теплоты от наружного охлаждения q5 происходит из-за того, что температура наружной поверхности обмуровки и элементов котельного агрегата больше чем температура окружающей среды и часть теплоты отдается ей конвекцией и излучением. Эта потеря зависит от конструкции котельного агрегата и его мощности и изменяется от 0,2% у мощных котельных агрегатов до 3,5% у котлов малой мощности.

Потеря с физическим теплом шлаков q6 возникают вследствие того, что удаляемые из топки шлаки имеют температуру 600-700 0С и безвозвратно передают теплоту окружающей среде. Обычно эта потеря не превышает 1%.

КПД топливосжигающего устройства - отношение полезноиспользованной теплоты Q1 к располагаемой теплоте Qр, %:

(28)

КПД может быть найден как по прямому балансу (28), так и по обратному балансу, %:

(29)

Лекция 15.3: Теплотехнические показатели работы топок

Тепловое напряжение топочного объема - основной показатель, характеризующий работу топки, численно равный тепловой мощности, выделяемой горящим топливом на единицу объема топочной камеры, кВт/м3:

, (30)

где В - секундный расход топлива, кг/с или м3/с;

Vт - активный объем топочной камеры, м3.

Оптимальное значение qV лежит в пределах 140 - 460 кВт/м3 и зависит от конструкции топки, качества топлива и способа сжигания.

Тепловое напряжение зеркала горения - показатель, характеризующий работу топки, численно равный тепловой мощности, выделяемой горящим топливом на единицу площади колосниковой решетки, кВт/м2:

, (31)

где R - площадь колосниковой решетки, на которой происходит горение топлива от стадии зажигания до стадии догорания, м3

Значения qR находятся в пределах от 900 до 3000 кВт/м2 и зависят от характеристик топлива и типа топочного устройства.

КПД топки - отношение полезно использованной теплоты в топке ко всей располагаемой теплоте, определяемое, как правило, по уравнению обратного баланса, %:

, (32)

где - потери теплоты топкой в окружающую среду.

При расчете котельных агрегатов и промышленных печей принимают что потери от наружного охлаждения составляют 50% от аналогичных потерь всего топливосжигающего устройства.(см. также п. 4.7).

Теплообмен в топке - сложный процесс лучистого теплообмена горящего и, как правило, движущегося топлива с ограждающими конструкциями топки.

Современный метод расчета теплообмена в топке, разработанный русскими учеными, основан на приложении теории подобия к топочным процессам. Метод основан на совместном решении двух уравнений: тепловосприятия по балансу и безразмерного (критериального) уравнения теплообмена. Различают два вида расчета теплообмена в топке: конструкторский и поверочный.

Целью конструкторского расчета является определение лучевоспринимающей поверхности топки, обеспечивающей охлаждение продуктов сгорания до температуры принятой по условиям оптимального теплового режима работы топки, и её габаритов.

Нижний предел температуры установлен из условий устойчивого горения топлива (800 - 900 0С). Верхний предел ограничивается необходимостью предотвращения шлакования поверхностей нагрева, расположенных в выходном окне топочной камеры.

При сжигании твердых топлив эта температура должна быть не выше средней температуры начала деформации золы. При сжигании жидкого и газообразного топлива эта температура определяется технико-экономическими показателями и не превышает 1200 - 1250 0С.

Поверочный расчет проводят для существующей топки в случае перехода на другое топливо или изменения режимов работы котельного агрегата. В этом случае определяют температуру дымовых газов на выходе из топки, тепловосприятие топки и тепловые напряжения объема топки и зеркала горения, которые должны быть ниже допустимых величин для данного типа топки и вида сжигаемого топлива.

Лекция 15.4: Эксергетический баланс топливосжигающего устройства

Эксергия (работоспособность) - максимальная работа, которую может совершать система в обратимом процессе при переходе от данного состояния до равновесия с окружающей средой, кДж/кг

(33)

В общем случае эксергию подразделяют на физическую и химическую.

Физическая эксергия вещества не равна нулю, если параметры его состояния (р и Т) отличаются от параметров окружающей среды (р0 и Т0 ).

Химическая эксергия вещества с параметрами (р и Т) определяется работой, которая может быть получена в обратимом процессе установления равновесия компонентов вещества с соответствующими компонентами окружающей среды.

Эксергия топлива (химическая) - максимальная работа, получаемая в обратимом процессе, в котором принимают участие горючие элементы топлива с кислородом воздуха. Продукты сгорания при этом должны находится в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой, и водяные пары в продуктах сгорания будут сконденсированы и иметь нулевую эксергию.

Для многих топлив численное значение эксергии практически совпадает с высшей теплотой сгорания.

Эксергия теплоты - максимальная работа, которая может быть получена от теплоты Q, переданной горячим источником с температурой Т окружающей среде с температурой Т0 и численно равная работе обратного цикла Карно, осуществленного в интервале температур Т1 - Т0, кВт:

(34)

Эксергетический баланс котельного агрегата - соотношение, оценивающее качество вырабатываемой теплоты, по отношению к параметрам окружающей среды, включающее, как в тепловом балансе, слагаемые: химическую эксергию топлива Эхт, физическую эксергию топлива Эфт и воздуха Эфв, эксергию получаемого теплоносителя (пара или горячей воды) Эпол и эксергии составляющих потерь теплоты SЭq и потерь эксергии вследствие необратимости процесса горения Эгор, необратимости теплообмена Этепл и смешения потоков Эсм, кВт:

, или (35)

(36)

Величины составляющих эксергетического баланса в первую очередь зависят от превышения температуры теплоносителя над температурой окружающей среды.

Эксергетический КПД - отношение полезноусвоенной эксергии Эпол к эксергии Эзатр, затраченной на выработку теплоты, %:

(37)

Как правило, эксергетический КПД не превышает половины теплового КПД. Это связано с тем, что при высокой температуре горения топлива, равной 1800...2200 0С, и образовании продуктов сгорания высокого теплового потенциала, получаемый в котельном агрегате теплоноситель-водяной пар имеет значительно меньшую температуру - 460 - 500 0С, что снижает его энергетическую ценность

Лекция 16.1: Котельный агрегат и его элементы

Котельный агрегат - устройство в котором для получения пара или горячей воды требуемых параметров используют теплоту, выделяющуюся при сгорании органического топлива.

В производственных и энергетических котельных по давлению получаемого пара котельные агрегаты разделяются на следующие: низкого давления (0,8-1,6 МПа), среднего (2,4-4 МПа), высокого (10-14МПа) и сверхвысокого давления (25-31Мпа). Паровые котельные агрегаты стандартизированы (ГОСТ 3619-76) по параметрам вырабатываемого пара (Р и Т) и мощности.

Котельные агрегаты производительностью 0,01-5,5 кг/с относятся к котлам малой мощности, производительностью до 30 кг/с к котлам средней мощности и более 30 кг/с (до 500-1000 кг/с) – к котлам большой мощности.

Водогрейные котлы унифицированы по теплопроизводительности на восемь типов: 4, 6,5, 10, 20, 30, 50, 100 и 180 Гкал/ч. Котлы теплопроизводительностью ниже 30 Гкал/ч предназначаются для работы только в одном режиме (основном). Котлы теплопроизводительностью 30 Гкал/ч и выше допускают возможность работы как в основном, так и в пиковом режимах, т.е. в период максимального теплопотребления при наиболее низких температурах наружного воздуха.

Для котлов теплопроизводительностью до 30 Гкал/ч температура воды на выходе принимается 432 К, а давление воды на входе в котел – 1,6 МПа. Для котлов теплопроизводительностью 30 Гкал/ч и выше максимальная температура воды на выходе принимается 450-470 К, а давление воды на входе – 2,5 МПа.

Более совершенными являются водотрубные паровые котлы. Они имеют развитые поверхности нагрева, состоящие из труб, заполненных внутри водой и пароводяной смесью, а снаружи обогреваемых продуктами сгорания топлива. Котлы относятся к горизонтально-водотрубным, если трубы расположены под углом к горизонту не более 25о, и к вертикально-водотрубным, если трубы идут более круто или вертикально. В этих котлах путем изменения числа труб в пучках и числа самых пучков удалось увеличить площадь поверхности нагрева, не увеличивая диаметр их барабанов, что в свою очередь дало возможность получить в этих котлах пар высокого давления.

При работе парового котла очень важно обеспечить надежное охлаждение поверхностей нагрева, в которых происходит парообразование. Для этого необходимо соответствующим образом организовать движение воды и пароводяной смеси в испарительных поверхностях нагрева. По характеру организации движения рабочего тела в испарительных поверхностях котельные агрегаты делятся на три типа:

1. с естественной циркуляцией (рис 14.2,а);

2. с принудительной циркуляцией (рис 14.2,б);

3. прямоточные.

Принципиальная схема прямоточного котла показана на рис 14.3.

Питательная вода подается в конвективный экономайзер 6, где она подогревается за счет тепла газов, и поступает в экранные трубы 2, выполненные в виде параллельно включенных змеевиков, расположенных на стенах топочной камеры. В нижней части змеевиков вода нагревается до температуры насыщения. Парообразование до степени сухости 70-75% происходит в змеевиках среднего уровня расположения. Пароводяная смесь затем поступает в переходную конвективную зону 4, где происходит окончательное испарение воды и частичный перегрев пара. Из переходной зоны пар направляется в радиационный перегреватель 2, затем доводится до заданной температуры в конвективном перегревателе 3 и поступает на турбину. В опускной шахте котлоагрегата расположены первая (по ходу газов) и вторая ступени 5 и 7 воздухоподогревателя.

Состав котельного агрегата. Котельный агрегат в общем случае состоит из:

- топки;

- поверхностей нагрева: топочных экранов, фестона, кипятильных пучков, пароперегревателя, водяного экономайзера и воздухоподогревателя;

- арматуры;

- гарнитуры;

- каркаса;

- обмуровки.

Поверхности нагрева - трубчатые поверхности, которые с одной стороны получают теплоту от раскаленного слоя топлива или факела, заполняющего топку, или от движущихся продуктов сгорания с высокой температурой, а с другой стороны отдают теплоту или движущемуся пару, или воде, или воздуху.

Поверхности нагрева подразделяют по преобладающему способу тепловосприятия на радиационные и конвективные, а по происходящим процессам преобразования рабочего тела различают нагревательные (экономайзерные), испарительные (парообразующие или кипятильные) и пароперегревательные поверхности.

Топочные экраны (экранные трубы) - радиационные поверхности, расположенные в одной плоскости возле внутренней поверхности стен топочной камеры и способствующие уменьшению теплового потока от продуктов сгорания к обмуровке.

Они являются наиболее интенсивно работающими парообразующими поверхностями нагрева, поскольку воспринимают теплоту излучения от горящего слоя или факела топлива, которая в условиях топки является наиболее эффективным способом теплопереноса.

Фестон - полурадиационная поверхность нагрева, располагаемая в выходном окне топки и образованная, как правило, трубами заднего экрана, разведенными в несколько рядов.

Кипятильный (котельный) пучок - система параллельно включенных труб конвективной парообразующей поверхности котельного агрегата, соединенных общими коллекторами или барабанами.

Коллектор - горизонтально расположенная, как правило, труба, к которой приварен ряд или ряды труб топочного экрана, фестона или пароперегревателя и имеющая больший диаметр, чем трубы перечисленных поверхностей нагрева, предназначенная для разделения потока рабочего тела (воды или пара) наряд параллельных потоков или их объединения.

Барабан - горизонтально расположенный толстостенный полый стальной цилиндр большого диаметра имеющий ряды отверстий цилиндрической формы, в которые вварены или завальцованы трубы кипятильного пучка.

Нижний барабан котельного агрегата полностью заполнен водой с температурой насыщения и кроме объединения труб кипятильного пучка выполняет роль шлакоотстойника.

Верхний барабан кроме объединения труб кипятильного пучка выполняет роль сепаратора (разделителя) потоков пароводяной смеси поступающей по трубам на влажный насыщенный пар и кипящую воду. Из верхней его части отводят пар в пароперегреватель или к потребителю, а из нижней части вода поступает в опускные трубы контуров циркуляции.

Пароперегреватель - устройство состоящее из двух или более коллекторов соединены стальными трубами змеевиками и предназначенное для подсушки влажного насыщенного пара и последующего перегрева сухого насыщенного пара до требуемой температуры.

По способу тепловосприятия пароперегреватели могут быть радиационными, полурадиационными и конвективными.

В зависимости от взаимного направления движения продуктов сгорания и водяного пара их подразделяют на прямоточные, противоточные и пароперегреватели со смешанным током.

Водяной экономайзер - устройство состоящее из двух или более коллекторов соединенных стальными трубами змеевиками или из чугунных оребренных труб последовательно соединенных фасонными патрубками-калачами предназначенное для предварительного подогрева питательной воды, поступающей в верхний барабан парового котельного агрегата или нагрева воды, циркулирующей в системах отопления ,вентиляции и горячего водоснабжения.

Вода подогревается продуктами сгорания, отходящими из котла, благодаря чему уменьшаются потери теплоты с уходящими дымовыми газами, повышается КПД, и, следовательно, уменьшается расход топлива.

Чугунные экономайзеры применяют в котельных агрегатах с номинальным давлением пара не выше 2,4 МПа. Они относятся к экономайзерам не кипящего типа, в которых вода может нагреваться только до температуры ниже температуры насыщения на 20 - 40 0С.

Стальные экономайзеры применяют при давлении выше 2,4 МПа. Они могут быть как не кипящими, так и кипящими, в которых вода может не только нагреваться до температуры насыщения, но и превращаться в пар (до 20%).

Воздухоподогреватель рекуперативный - устройство состоящее из стального корпуса, тонкостенных труб, двух стальных досок (трубных решеток), к которым приварены концы труб, и двух патрубков один для подачи холодного воздуха, другой для выхода горячего воздуха и предназначенное для подогрева воздуха, подаваемого в топку, за счет теплоты уходящих дымовых газов.

Арматура - устройства, устанавливаемые на трубопроводах или сосудах для управления потоками воды или пара путем изменения проходных сечений с помощью перемещения (поворота) рабочего органа (затвора).

К арматуре относят: вентили, задвижки, обратные и предохранительные клапаны и т.п., которые по способу соединения с трубопроводами подразделяют на фланцевые, муфтовые и сварные. По назначению различают арматуру:

- запорную, предназначенную для перекрытия потока;

- регулирующую для изменения расхода среды;

- распределительно-смесительную для распределения среды по определенным направлениям или для смешивания потоков;

- предохранительную для защиты оборудования при отклонении параметров среды за допустимые пределы;

- обратную, автоматически предотвращающую обратное движение среды:

- фазораспределительную, обеспечивающую автоматическое разделение рабочей среды по фазовому состоянию (конденсатоотводчики).

Гарнитура - устройства, установленные на стенах топки и газоходов, которые обеспечивают возможность наблюдения за топкой и поверхностями нагрева во время работы котельного агрегата, облегчают проникновение во внутрь его и проведение ремонта.

Это лазы, лючки, гляделки, взрывные клапаны и др.

Лазы устанавливают в топке и газоходах для обеспечения проникновения людей и подачи материала и инструмента при внутренних осмотрах и при ремонте. Их изготавливают, как правило, круглого сечения с внутренним проходом (450 - 500) мм.

Лючки предназначены для ввода в газоходы измерительной и диагностической аппаратуры, инструмента и приспособлений, используемых при ремонте и эксплуатации котельного агрегата.

Гляделки используют для проведения измерений во время испытания котельного агрегата и для визуального наблюдения за протеканием процесса горения и за состоянием внутренних поверхностей топки.

Взрывные клапаны устанавливают на боковых и потолочных стенах топки и газоходов с целью устранения или уменьшения разрушений обмуровки при хлопках и взрывах в топочной камере.

Каркас - пространственная рамная металлоконструкция предназначенная для крепления поверхностей нагрева и трубопроводов, ограждений, изоляции, площадок обслуживания и других элементов котельного агрегата.

Обмуровка - многослойная конструкция из кирпичей и плит изготовленных из термостойких низко теплопроводных материалов, предназначенная для уменьшения потерь теплоты в окружающую среду, для защиты обслуживающего персонала от ожогов и обеспечения газовой плотности агрегата.

В качестве жаростойких (1300 - 1600 0С) применяют`шамотные изделия. Диатомовые изделия применяют до температуры 900 0С, а при более низких температурах применяют перлитные, асбовермикулитные, асбодуритные материалы, асбест, красный кирпич и др

Лекция 16.2: Котельная установка и ее системы

Котельная установка - совокупность устройств, предназначенная для получения водяного пара (горячей воды) заданных параметров.

По назначению котельные установки делят на энергетические, производственные и отопительно-производственные. В энергетических котельных установках вырабатывают пар для привода турбин, в производственных для технологических нужд, а в отопительно-производственных вырабатывают пар или горячую воду для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения жилых и производственных зданий.

Состав котельной установки - котельная установка состоит из одного или нескольких котельных агрегатов и вспомогательных устройств, обеспечивающих беспрерывную и надежную работу .К вспомогательным устройствам относят:

- питательные насосы для непрерывной подачи воды в котельный агрегат;

- дутьевые вентиляторы и дымосос для подачи воздуха в котельный агрегат и удаления из него в атмосферу продуктов сгорания;

- топливоприготовительные и топливоподающие устройства для непрерывного приготовления и подачи топлива в котельный агрегат;

- золоулавливающее и золошлакоудаляющее оборудование для очистки дымовых газов от эоловых частиц с целью охраны окружающей среды от загрязнения и для организованного отвода шлака и уловленной золы;

- водоподготовительные установки для обеспечения обработки исходной (сырой) воды до заданного качества;

- контрольно-измерительную аппаратуру для контроля и автоматического регулирования режима работы котельного агрегата;

- соединительные трубопроводы.

Питательные насосы - электроприводные поршневые или центробежные, а также паровые поршневые или паротурбинные насосы, предназначенные для подачи в паровые котельные агрегаты питательной водой и поддержания нормального уровня воды в верхнем барабане.

В каждой котельной устанавливают не менее двух групп питательных насосов с независимым приводом: основные и резервные. В качестве основных применяют, как правило, центробежные насосы с электроприводом с суммарной подачей не менее 110% номинальной паропроизводительности котельной. Резервные - насосы с паровым приводом. Их подача должна быть не менее 50% номинальной паропроизводительности.

Дутьевой вентилятор - центробежное устройство, установленное в начале воздушного тракта, подающее воздух в топку и создающее напор, необходимый для преодоления сопротивлений воздухоподогревателя, воздуховодов, горелок или колосниковой решетки.

Дымосос - центробежное устройство, установленное на газовом тракте за котельным агрегатом, создающее на всасывающей стороне разрежение способствующее продвижению продуктов сгорания по газоходам, а на нагнетательной стороне напор, необходимый для преодоления сопротивлений золоуловителя, дымохода и дымовой трубы.

Естественная тяга - движущая сила, обусловленная разностью статических давлений между поступающим в топку воздухом и покидающими котельную установку продуктами сгорания, создаваемая дымовой трубой.

Эта сила расходуется на преодоление аэродинамических сопротивлений газового тракта котельной установки.

Искусственная тяга - движущая сила создаваемая совместным действием дымососа и вентилятора.

Топливоприготовление - совокупность устройств по подготовке топлива для сжигания.

Процесс подготовки твердого топлива для сжигания в камерной топке состоит из следующих стадий:

- удаление металла и щепы с предварительным грубым дроблением в дробильной установке;

- подсушка и размол до состояния пыли с размером частичек от 1 мкм до 300 - 500 мкм в системе пылеприготовления и

- подача готовой пыли в топочные устройства.

Мазутное хозяйство котельной состоит из:

- приемно-сливного устройства;

- мазутонасосной станции, где производится грубая и тонкая очистка топлива от механических примесей;

- мазутохранилища

- теплообменников для разогрева мазута до температуры (80 - 120) 0С перед подачей к горелочным устройствам.

Газовое хозяйство котельной несложно, относительно невысокой стоимости, надежно в эксплуатации. Газ высокого давления от 0,3 до 0,6 МПа подают к районным газораспределительным станциям (ГРС), где давление его понижают (редуцируют) до 0,005 - 0,3 МПа. Затем газ среднего давления распределяют по районным или промышленным газораспределительным пунктам (ГРП). Здесь происходит дальнейшее дросселирование газа до давления до 0,003 - 0,005 МПа, которое автоматически поддерживают постоянным независимо от его расхода.

Золоулавливание - совокупность устройств по улавливанию летучей золы, находящейся в продуктах сгорания, с целью охраны окружающей среды от загрязнения.

При выбросе из дымовых труб частицы золы рассеиваются в атмосфере и выпадают с течением времени на поверхность земли. Максимальная концентрация твердых частиц наблюдается на расстоянии 8 - 18 Н от источника выброса (здесь: Н - высота дымовой трубы).

Золоуловители, применяемые в энергетике, разделяют на следующие основные группы:

- механические сухие инерционные золоуловители, в которых частицы золы отделяются от газа под действием центробежных, инерционных или сил тяжести;

- мокрые золоуловители, в которых частицы золы удаляются из газа промывкой или орошением его водой с последующим осаждением частиц золы на смачиваемых поверхностях или улавливанием частиц на водяной пленке;

- электрофильтры, в которых частицы золы улавливают осаждением их на электродах под действием электрических сил;

- комбинированные золоуловители, в которых используют различные способы очистки.

Золошлакоудаление - совокупность механизмов и устройств по удалению из помещения котельной золы и шлака.

Основными способами золошлакоудаления являются: ручное, механизированное, пневматическое и гидравлическое.

Ручное золошлакоудаление применяют в небольших отопительно-производственных котельных. При этом используют узкоколейные вагонетки с опрокидывающимся кузовом.

При механизированном золошлакоудалении применяют скреперные установки, скиповые подъёмники, скребковые транспортеры, шлаковыгружатели.

При пневмошлакоудалении шлак и золу удаляют по двум схемам: нагнетательной и всасывающей. В первой схеме шлак и золу транспортируют воздухом, который подают высоконапорным вентилятором, а во второй схеме используют различные вакуумные механизмы.

При гидрошлакоудалении применяют или низконапорные багерные насосы, перекачивающие гидромассу, или высоконапорные гидроаппараты, смывающие золу и шлак в специальные резервуары.

Лекция 16.3: Водоподготовка в котельных установках

Водоподготовка - совокупность оборудования и устройств для обеспечения высокой степени чистоты пара и воды с целью предотвращения образования отложений на поверхностях нагрева и защиты их от коррозии.

До поступления в котельные агрегаты сырая вода проходит через ряд установок, в которых происходит:

- осветление (отстаивание и фильтрация) - удаление механических и органических примесей;

- умягчение - удаление из воды солей жесткости, осаждающихся на внутренних поверхностях нагрева в виде накипи;

- дегазация (деаэрация) - удаление растворенных в воде газов.

Кроме того в энергетических котельных установках могут производить также обескремнивание воды и её общее обессоливание (для прямоточных котельных агрегатов).

Осветление воды - удаление из воды грубодисперсных (механических) и коллоидных примесей.

От механических примесей (песка, кусочков глины, ила и т.д.) сырую воду очищают в специальных фильтрах, которые по конструкции подразделяют на самотечные (открытые) и напорные (закрытые).

Коллоидные примеси (мельчайшие частицы органических веществ) из воды удаляют методом коагуляции.

Коагуляция - процесс удаления из воды очень мелких примесей, не поддающихся отстаиванию путем добавления в нее коагулянтов (сернокислого алюминия, железного купороса или хлористого железа), создающих в воде мельчайшие частицы, заряженные противоположным (положительным) по отношению к частицам примесей, электрическим зарядом. Теряя заряд, частицы слипаются, образуют крупные хлопья и оседают на дно специальных отстойных резервуаров.

Накипь - твердые и низкотеплопроводные отложения солей кальция и магния на поверхностях нагрева котельного агрегата.

Накипь увеличивает термическое сопротивление передаче теплоты от продуктов сгорания к воде, что приводит к уменьшению коэффициента теплопередачи в газоходе, увеличению температуры продуктов сгорания по газовому тракту, увеличению потери теплоты с уходящими дымовыми газами, уменьшению КПД и, следовательно, к перерасходу топлива. Например, при толщине накипи в 1 мм расход топлива увеличивается на (3 - 4)%.

Шлам - выпавшие в осадок и не связанные с поверхностями нагрева взвешенные частицы, выделяющиеся из котловой воды.

Шлам, как правило, периодически удаляют из нижних точек контуров естественной циркуляции котельного агрегата.

Жесткость воды - свойство воды содержать в своем составе накипеобразующие соли.

Различают общую жесткость ЖО, характеризуемую содержанием всех солей кальция и магния (хлоридов, сульфитов, биокарбонатов, нитратов, силикатов); карбонатную (временную) жесткость ЖК, обусловленную наличием бикарбонатов кальция и магния, разлагающихся при нагревании с выделением рыхлых осадков (шлама), и некарбонатную (постоянную) жесткость ЖНК, обусловленную наличием всех остальных солей кальция и магния. Единица жесткости - миллиграмм эквивалент кальция или магния в 1 кг воды (мг-экв/кг), что соответствует содержанию 20,04 мг/кг кальция или 12,16 мг/кг магния.

Воду считают мягкой, если ее жесткость не превышает 2 мг-экв/кг; от 2 до 5 мг-экв/кг - средней жесткости; от 5 до 10 мг-экв/кг - жесткой.

Умягчение воды - комплекс мероприятий по уменьшению жесткости сырой воды.

Умягчение воды производят или методом осаждения или методом ионного обмена.

Метод осаждения - метод докотловой обработки воды, заключающийся в том, что при добавлении в воду извести или соды происходит химическое взаимодействие, в результате которого образуются новые соединения, малорастворимые в воде и выпадающие в осадок. Эти осадки удаляют из воды отстаиванием или фильтрацией.

Этот метод не дает глубокого умягчения воды и широкого распространения не получил.

Метод ионного обмена - метод докотловой обработки воды, основанный на способности некоторых нерастворимых в воде материалов (катионитов) поглощать присутствующие в воде катионы кальция и магния, отдавая воде или катионы натрия Na, или водорода Н или аммония NH3, которыми предварительно насыщают материал.

При фильтрации воды через слой катионита общая жесткость её может быть снижена до 0,02 - 0,04 мг-экв/кг.

В промышленных котельных широкое распространение получил метод Na-катионирования.

Na-катионирование - метод ионного обмена, заключающийся в фильтровании воды через слой естественного или искусственного натриевого материала (катионита). При этом вместо кальциевых и магниевых солей в обрабатываемой воде образуются эквивалентные количества легко растворимых натриевых солей, удаляемых из котельного агрегата непрерывной продувкой.

Обычно в качестве катионита, кроме естественных минералов: глауконита или сульфированных углей (сульфоуголя), используют искусственные катиониты, получаемые сплавлением соды, кварца и каолина, называемые пермутитом.

Процесс умягчения воды в Na-катионитовой установке состоит из следующих повторяющихся операций: умягчения, взрыхления уплотненного слоя катионита, регенерации и отмывки. Взрыхление осуществляютобратным восходящим потоком воды. Регенерацию осуществляют раствором технической поваренной соли NaCl в течение 14 - 16 мин. Отмывку катионита проводят после регенерации в течение 25 - 30 мин.

Na-катионитовая установка состоит, как правило, из двух фильтров диаметром 700 - 3400 мм, в которых размещают катионит, бака для сбора отмывных вод предыдущей регенерации, используемых при взрыхлении; бака - солерастворителя для приготовления соляного раствора; наружных трубопроводов и арматуры.

В последние годы появились новые способы очистки воды, основанные на мембранных технологиях: электродиализ, ультрафильтрация и обратный осмос.

Электродиализ - ионообменный процесс, отличающийся тем, что иѾнный слой заменен ионитными мембранами, получаемых полимеризацией смеси реагентов и обладающих способностью пропускать только катионы или анионы.

Обычно этот метод используют для опреснения соленых вод под действием постоянного электрического тока. При этом поток соленой воды разделяется на обессоленную воду и рассол.

Ультрафильтрация - способ очистки воды от солей, заключающийся в продавливании воды через пористый материал, размеры пор которого меньше размера задерживаемых частиц загрязнителя.

Обратный осмос - процесс самопроизвольного перехода растворителя (чистой воды) через пористые анизотропные мембраны, проницаемые для молекул воды и непроницаемые для ионов растворенных веществ, из камеры раствора в камеру растворителя, происходящий при создании в камерах определенной разности гидростатических давлений.

По назначению установки обратного осмоса делят: на опреснительные; обессоливающие; для очистки промышленных сточных вод; для очистки бытовых сточных вод; для концентрирования полезных веществ.

Деаэрация (дегазация) воды - процесс удаления из воды растворенных в ней газов (кислорода, диоксида углерода, аммиака, азота и др.) способствующих развитию химической коррозии питательных трубопроводов, поверхностей нагрева котельного агрегата и тепловых сетей.

Деаэрацию можно осуществить электрохимическим, химическим или термическим способом.

Электрохимический способ основан на связывании кислорода органическими фильтрующими материалами.

При химическом способе воду пропускают через фильтрующий слой железных опилок или стружек. Этот способ получил широкое применение в малых котельных низкого давления.

Термическая - деаэрация основной способ удаления газов из воды - основана на использовании закона растворимости газов в жидкости (закона Генри), согласно которому массовое количество газа, растворенного в единице объема воды, прямо пропорционально парциальному давлению газа в изотермических условиях. Это означает, что растворимость газов с повышением температуры снижается и для любого давления при температуре кипения равна нулю.

Термический деаэратор - устройство, состоящее из горизонтально расположенного бака цилиндрической формы и деаэраторной колонки, установленной вертикально в центральной части последнего.

Деаэратор работает следующим образом: вода поступает на распределительную тарелку, расположенную в верхней части колонки, с которой отдельными и равномерными струйками распределяется по всему её сечению и стекает вниз последовательно через ряд расположенных одна под другой промежуточных тарелок с мелкими отверстиями. Пар вводят в нижнюю часть колонки под водяную завесу, образующуюся при стекании воды с тарелки на тарелку. Расходясь по всему сечению колонки пар поднимается навстречу питательной воде, нагревая её до температуры кипения. Выделяемый воздух вместе с остатками несконденсировавшегося пара уходит через вестовую трубу, расположенную в верхней части головки, непосредственно в атмосферу или в охладитель выпара, а из него в атмосферу. Освобожденная от газов вода, стекает в бак деаэратора, откуда ее подают в котельные агрегаты.

На деаэраторе устанавливают предохранительные клапаны во избежание значительного повышения давления и гидравлический затвор на случай образования в нем разрежения.

Лекция 16.4: Контрольно-измерительные приборы (КИП) в котельной установке

Контрольно-измерительные приборы (КИП) - приборы для измерения давления, температуры, расхода различных сред, уровня жид костей и состава газов, а также приборы безопасности, установленные в котельной.

Измерительный прибор - техническое средство измерения, обеспечивающее выработку сигнала измерительной информации в удобной для наблюдателя форме.

Различают показывающие и самопишущие индикаторные приборы. Приборы характеризуют диапазоном, чувствительностью и погрешностью измерений.

Приборы для измерения давления. Давление измеряют манометрами, тягонапомерами (малые давления и разряжения), барометрами и анероидами (атмосферное давление). Измерения производят с использованием явления деформации упругих элементов, изменения уровней жидкости, на которую воздействует давление и др.

Манометры и тягонапоромеры деформационного типа содержат упругий элемент (гнутые полые пружины или плоские мембраны или мембранные коробки), перемещающиеся под действием давления среды, передающегося от измерительного зонда во внутреннюю полость элемента через штуцер. Перемещение упругого элемента передается через систему тяг, рычагов и зубчатых зацеплений стрелке, фиксирующей на шкале измеряемую величину. К трубопроводам воды манометры присоединяют посредством прямого штуцера, а к паропроводам посредством изогнутой сифонной трубки (конденсатора). Между сифонной трубкой и манометром устанавливают трехходовой кран, позволяющей сообщать манометр с атмосферой (стрелка покажет ноль) и продуть сифонную трубку.

Жидкостные манометры изготавливают в виде прозрачных (стеклянных) трубок, частично заполненных жидкостью (подкрашенным спиртом) и соединенных с источниками давлений (сосуд-атмосфера). Трубки могут устанавливать вертикально (U-образный манометр) или наклонно (микроманометр). О величине давления судят по перемещению уровней жидкости в трубках.

Приборы для измерения температуры. Измерение температуры осуществляют с помощью жидкостных, термоэлектрических термометров, оптических пирометров, термометров сопротивления и др.

В жидкостных термометрах под действием теплового потока происходит расширение (сжатие) нагреваемой (охлаждаемой) жидкости внутри запаянной стеклянной трубки. Чаще всего в качестве заполняющей жидкости используют: ртуть от -35 до +600 0С и спирт от -80 до +600С. Термоэлектрические термометры (термопары) выполняют в виде сваренных между собой с одного конца электродов (проволок) из разнородных материалов помещенных в металлический корпус и изолированных от него. При нагревании (охлаждении) на стыке термоэлектродов (в спае) возникает электродвижущая сила (ЭДС) и на свободных концах появляется разность потенциалов - напряжение, которое измеряют вторичным прибором. В зависимости от уровня измеряемых температур применяют термопары: платинородий - платиновые (ПП) - от -20 до +1300 0С, хромель-алюмелевые (ХА) - от -50 до +1000 0С, хромель-копелевые (ХК) - от -50 до +600 0С и медь - константановые (МК) - от -200 до +200 0С.

Принцип действия оптических пирометров основан на сопоставлении светимости измеряемого объекта (например, факела горящего топлива) со светимостью нити, нагреваемой от источника тока. Их применяют для измерения высоких температур (до 6000 0С).

Термометр сопротивления работает на принципе измерения электрического сопротивления чувствительного элемента (тонкой проволоки намотанной на каркас или полупроводникового стрежня) под действием теплового потока. В качестве проволочных термометров сопротивления применяют платиновые (от -200 до +75 0С) и медные (от -50 до +180 0С); в полупроводниковых термометрах (терморезисторах) используют медно-марганцевые (от -70 до +120 0С) и кобальт - марганцевые (от -70 до +180 0С) чувствительные элементы.

Приборы для измерения расхода. Измерение расхода жидкости или газа в котельной осуществляют или дроссельными или суммирующими приборами.

Дроссельный расходомер с переменным перепадом давления состоит из диафрагмы, представляющей собой тонкий диск (шайбу) с отверстием цилиндрической формы, центр которого совпадает с центром сечения трубопровода, прибора измеряющего перепад давлений и соединительных трубок.

Суммирующий прибор определяет расход среды по частоте вращения установленного в корпусе или рабочего колеса или ротора.

Приборы для измерения уровня жидкости. Водоуказательные приборы (стекла) предназначены для постоянного наблюдения за положением уровня воды в верхнем барабане котельного агрегата.

Для этой цели на последнем устанавливают не менее двух водоуказательных приборов прямого действия с плоскими, гладкими или рифлеными стеклами. При высоте котельного агрегата более 6 м устанавливают также сниженные дистанционные указатели уровня воды.

Приборы безопасности - устройства автоматически прекращающие подачу топлива к горелкам при снижении уровня воды ниже допустимого. Кроме того паровые и водогрейные котельные агрегаты, работающие на газообразном топливе, при подаче воздуха в горелки от дутьевых вентиляторов оборудуют устройствами, автоматически прекращающими подачу газа в горелки при падении давления воздуха ниже допустимого.

Лекция 17.1: Вредные выбросы котельных установок и ДВС

Вредные газообразные выбросы котельной установки - компоненты продуктов сгорания органического топлива, которые, накапливаясь в атмосфере в больших количествах, приводят к нарушением экологического равновесия и вызывают серьезные последствия для окружающей среды. К ним относят: оксиды серы, азота, углерода и ванадия, сероводород, бензапирены и др.

В настоящее время ежегодно в мире сжигается свыше 10 млрд. т. у. т. (тонн условного топлива), что приводит к выбросу в атмосферу около 1014 м3 продуктов сгорания, содержащих перечисленные вещества.

Вредные жидкие сбросы - сбрасываемые в водоемы без достаточной очистки стоки с золоотвалов и из систем промышленной канализации, вода с крыш зданий и территорий, продувочные воды, дренажи и т.д., содержащие в себе различные вредные для окружающей среды химические соединения.

Ежегодно на нужды теплоэнергетики расходуют свыше 250 куб. км воды, из которых около 15 куб. км теряется безвозвратно, а остальные сбрасывают в окружающую среду. Вследствие этого в реках и озерах постоянно возрастают солесодержание и концентрация различных химически активных веществ, вредно влияющих на флору и фауну водоемов.

Вредные твердые выбросы - совокупность частиц несгоревшего твердого топлива, золы и дисперсного углерода (сажи) выбрасываемые вместе с дымовыми газами в окружающую среду.

В золе некоторых твердых топлив может содержаться незначительные количества радиоактивных элементов, мышьяка, диоксида кремния, свободного оксида кальция и других элементов и соединений способных оказывать отрицательное воздействие на человека и окружающую среду.

Тепловое загрязнение - избыточное количество теплоты в продуктах сгорания органического топлива и теплота, отбираемая при охлаждении воды, циркулирующей через конденсаторы паровых турбин тепловых и атомных электрических станций.

Предельно-допустимая концентрация вредного вещества (ПДК) - концентрация вещества в атмосферном воздухе (мг/м3) или в воде (мг/кг) водоема, которая при ежедневном воздействии в течение длительного времени на организм человека не вызывает каких-либо патологических изменений и заболеваний, обнаруживаемых современными методами исследований.

В нашей стране приняты три вида норм ПДК:

1) в рабочей зоне,2) максимальные разовые, которые могут иметь место во время пуска или резкого изменения нагрузки теплоэнергетического оборудования,

3) днесуточные, назначение которых не допустить неблагоприятного влияния в результате длительного воздействия.

Для каждого промышленного предприятия в населенном пункте устанавливают, с учетом обеспечения ПДК вредных веществ, нормативные значения предельно допустимых выбросов (ПДВ) в атмосферу и предельно допустимых сбросов (ПДС) в водные объекты.

Лекция 17.2: Методы снижения и подавления вредных выбросов

Методы снижения и подавления выбросов оксидов серы. Суммарный выброс оксидов серы (SO2 и SO3) определяется содержанием серы в топливе.

Применяют следующие методы снижения выбросов соединений серы:

- удаление серы из топлива до его сжигания;

- совершенствование организации топочных процессов;

- очистка от соединений серы продуктов сгорания.

Первый метод осуществляют путем:

- гидроочистки нефти на нефтеперерабатывающих заводах;

- обогащением углей;

- гидротермическим обессериванием углей, заключающемся в обработке измельченного топлива в автоклавах при давлении 1,75МПа и температуре 300 0С щелочными растворами, содержащими гидраты оксидов натрия и калия;

- термической обработки топлива с использованием окислителей (газификация) или без них (пиролиз).

Эти пути сложны в техническом исполнении и дорогостоящи.

Второй метод заключается:

- в организации сжигания жидкого топлива с минимальным избытком воздуха;

- в сжигании твердого топлива в кипящем слое размолотого известняка при 900 0С.

Так, при сжигании мазута снижение коэффициента избытка воздуха в топке с 1,05 до 1,01 снижает выход оксидов серы примерно на 30%, а при сжигании твердого топлива в кипящем слое выход оксидов серы уменьшается на 90% за счет реакций:

(38)

(39)

Известные способы улавливания оксидов серы из продуктов сгорания разделяют на два класса: сухие и мокрые.

При сухом методе продукты сгорания контактируют с магнезитом, известняком, активированным углем или оксидами марганца. При этом протекают следующие реакции: при использовании извести

(40)

при использовании известняка

(41)

При мокром способе предварительно готовят суспензию известняка. Продукты сгорания, проходя через мокрый скруббер (очиститель) контактируют с известняком по реакции (33).

Очистка от оксидов серы по любому из методов увеличивает себестоимость энергии на 15 - 30%, а единицу установленной мощности на 40 - 50%.

Методы снижения выбросов оксидов азота. Основные пути снижения концентрации оксидов азота в выбросах:

- рециркуляция продуктов сгорания;

- двух стадийное сжигание топлива;

- применение специальных горелочных устройств;

- снижение коэффициента избытка воздуха в топке;

- понижение температуры подаваемого в топку воздуха;

- уменьшение нагрузки агрегата;

- химическое воздействие на факел присадками.

Рециркуляция продуктов сгорания наряду со снижением уровня температур в топке ведет к уменьшению концентрации окислителя в зоне горения. При осуществлении этого метода продукты сгорания с температурой 300 - 400 0С специальным дымососом подают в горелки.

При двухстадийном сжигании топлива в первичную зону горения подают воздуха меньше, чем это необходимо для сжигания топлива (<![endif]-->). В этой зоне происходит неполное сжигание топлива с частичной его газификацией при пониженной температуре и, следовательно, сниженном содержании оксидов азота. Во вторичной зоне происходит дожигание продуктов сгорания при более низкой температуре и нормальном избытке воздуха. Количество оксидов азота уменьшается на 25 - 30%.

Применение специальных горелочных устройств для систем двухстадийного горения или многоярусная компоновка горелок с организацией большей подачи топлива с недостатком воздуха в нижние горелки, а также организация растянутого по длине топочной камеры факела позволяет снизить содержание азота на 30 - 50%.

Снижение коэффициента избытка воздуха уменьшает концентрацию оксидов азота на 50 - 70% при уменьшении aТ с 1,2 до 1,02.

Снижение температуры горячего воздуха подаваемого в топку на 100 0С уменьшает выброс оксидов азота на 15%.

При снижении нагрузки котельного агрегата понижается уровень температуры в топке и уменьшается концентрация оксидов азота.

Метод химического воздействия на факел присадками еще недостаточно разработан и не имеет широкого применения.

Все перечисленные методы дороги и не достаточно освоены, хотя им в последние годы уделяют повышенное внимание. Наиболее применимым остается метод снижения вредных газообразных выбросов путем рассеивания продуктов сгорания с помощью высотных дымовых труб.

Лекция 18: Холодильные и криогенные установки

Холодильная установка - устройство, предназначенное для придания рабочему телу (хладон) низкой температуры и последующего использования последнего для охлаждения и хранения пищевых продуктов в быту, в пищевой и других отраслях промышленности, при кондиционировании воздуха промышленных предприятий и при строительстве подземных сооружений (замораживание грунта).

Хладон - рабочее тело в холодильной установке, которое при давлениях близких к атмосферному, кипит при низких температурах. В качестве хладонов используют: аммиак NH3 (температура кипения -33,5 0С), сернистый ангидрид (-10 0С), углекислый газ (-78 0С), хлористый метил <![endif]--> (-25 0С) и фреоны - фторхлорпроизводные углеводороды <![endif]--> (-30...-40 0С).

Воздушная холодильная установка - установка, состоящая из воздушного компрессора, теплообменника, расширителя (детандера) и холодильной камеры.

Детандер (расширитель) - устройство, в котором осуществляется адиабатное расширение сжатого газа с отдачей внешней работы.

Парокомпрессорная холодильная установка - установка, состоящая из хладонового компрессора, конденсатора, расширителя или дроссельного устройства и испарителя, установленного в охлаждаемой камере (рефрижераторе).

Эжектор (струйный компрессор) - устройство для сжатия и перемещения газа, пара и жидкости, принцип действия которого основан на передаче энергии от одной среды движущейся с большой скоростью (рабочая среда) другой среде (подсасываемая среда), состоящее из патрубка для всасывания газа, сопла для рабочей среды, камеры смешивания и диффузора.

Пароэжекторная холодильная установка - установка, состоящая из эжектора, конденсатора, дроссельного вентиля, испарителя, теплообменника, расположенного в охлаждаемом помещении, двух насосов и парогенератора.

Применяется, как правило, в агрегатах для кондиционирования воздуха. В качестве рабочего тела используют воду.

Абсорбция - процесс поглощения пара жидким веществом - абсорбентом.

Температура пара при этом может быть ниже температуры абсорбента, поглощающего пар. Например, при О0 С в одном объёме воды растворяется 1148 объёмов парообразного аммиака и при этом выделяется теплота растворения - около 1220 кДж/кг.

Абсорбционная холодильная установка - установка, состоящая из абсорбера, генератора пара, конденсатора, дросселя, испарителя, теплообменника, расположенного в охлаждаемом помещении, перепускного вентиля и двух насосов: для перекачки аммиачного раствора и рассола, имеющего низкую температуру.

Тепловой насос - установка, предназначенная для поглощения теплоты из окружающей среды (воздуха, воды, грунта) или сбросных вод промышленного предприятия и передачи её объекту с более высокой температурой.

Термотрансформатор - устройство, позволяющее передавать теплоту от объекта с одной температурой к объекту с другой температурой.

Термотрансформатор, предназначенный для получения теплоты при более низкой температуре, чем исходная, называется понижающим, а предназначенный для получения теплоты при более высокой температуре, чем исходная, повышающим. При этом работоспособности начального и конечного количества теплоты будут равны между собой.

Дроссельное устройство - устройство, состоящее из патрубков и местного сопротивления, расположенного между ними, предназначенное для понижения температуры хладона.

Лекция 19.1: Отопление промышленных предприятий

Система отопления - комплекс оборудования и устройств, пред назначенных для получения, переноса и передачи необходимого количества теплоты для обеспечения требуемых соответствующими строительными нормами и правилами температур во всех точках обогреваемого помещения и поддержания температур внутренних поверхностей наружных ограждений и отопительных приборов на определенном уровне.

Каждая система отопления, как правило, состоит из теплогенератора, системы теплопроводов и отопительных приборов, передающих теплоту от теплоносителя воздуху и ограждениям помещения. Теплогенератором в системе отопления может служить паровой или водогрейный котельный агрегат или любой другой теплообменный агрегат, использующий иной, чем в системе отопления, теплоноситель.

Классификация систем отопления. Классификацию систем отопления проводят по ряду признаков:

- по взаимному расположению основных элементов (центральные и местные);

- по виду теплоносителя (водяные, паровые, воздушные и комбинированные);

- по способу циркуляции теплоносителя (с естественной и искусственной циркуляцией);

- по параметрам теплоносителя [водяные низкотемпературные с водой нагретой до 100 0С и высокотемпературные с температурой воды более 100 С; паровые системы низкого (р = 0,1¸0,17 МПа), высокого (р = 0,17¸0,3 МПа) давления и вакуум-паровые с давлением пара менее 0,1 МПа].

Центральная система отопления - система отопления, предназначенная для отопления нескольких помещений из одного теплового пункта, находящегося за пределами отапливаемого помещения.

Например, система водяного отопления здания от близрасположенной котельной.

Местная система отопления - система отопления, в которой тепло генератор, теплопроводы и отопительные приборы конструктивно объединены в одном устройстве, установленном в обогреваемом помещении.

Например, печное отопление, отопление газовыми и электрическими приборами, а также воздушно-отопительными агрегатами.

Водяное отопление - наиболее широко применяемая система отопления в гражданских и промышленных зданиях.

Обеспечивает равномерность температуры в относительно небольших по объёму помещениях. Ограничивает верхний предел температуры поверхности отопительных приборов (80 0С), что исключает термическое разложение и сухую возгонку органической пыли. Характеризуется простотой регулирования теплоотдачи отопительных приборов путем изменения температуры воды в зависимости от температуры наружного воздуха (качественное регулирование). Но имеет и ряд недостатков: значительное гидростатическое давление; тепловую инерционность, опасность замораживания воды в случае остановки теплогенератора или циркуляционного насоса при отрицательной температуре наружного воздуха.

Паровое отопление - система отопления промышленных зданий, в основном складских помещений и цехов с небольшим количеством обслуживающего персонала.

Имеет незначительное гидростатическое давление, небольшой расход металла на отопительные приборы вследствие высокой теплоотдачи, меньшую, чем у водяного отопления, опасность замораживания. Но высокая температура труб и поверхностей отопительных приборов (больше 100 0С) не отвечает санитарно-гигиеническим требованиям. Невозможность центрального качественного регулирования (применяют регулирование пропусками, периодическим включением и выключением) делает её неэкономичной.

Воздушное отопление - система отопления больших по объему производственных и гражданских помещений.

Характеризуется отсутствием в отапливаемом помещении отопительных приборов. Имеет возможность совмещения с системой вентиляции. Гигиенична, поскольку в системе возможна очистка нагреваемого воздуха от пыли. Но имеет малую теплоаккумулирующую способность и большие потери теплоты при прокладке воздуховодов (коробов) через неотапливаемые помещения.

Дежурное отопление - система отопления, поддерживающая во вне рабочее время в производственных помещениях температуру не менее 5 0С.

Лекция 19.2: Вентиляций промышленных предприятий

Вентиляция - комплекс мероприятий по искусственному оздоровлению воздушной среды в гражданских и промышленных помещениях.

К факторам, вредное действие которых устраняят с помощью вентиляции, относят: избыточную теплоту; избыточную влагу; газы и пары химических веществ общетоксичного или раздражающего действия; токсичную и нетоксичную пыль; радиоактивные вещества.

Воздухообмен - частичная или полная замена воздуха, содержащего вредные выделения, чистым атмосферным воздухом.

Кратность воздухообмена - отношение количества воздуха, подаваемого или удаляемого за 1 час из помещения, к его внутренней кубатуре.

Классификация систем вентиляции. Классификацию проводят по ряду признаков:

- по назначению (приточные и вытяжные);

- по способу перемещения воздуха (естественная и искусственная);

- по способу организации воздухообмена (общеобменные, местные, смешанные, аварийные и противодымные).

Приточная вентиляция - система вентиляции обеспечивающая подачу в помещение наружного воздуха, подогреваемого в холодный период года.

Вытяжная вентиляция - система вентиляции обеспечивающая удаление из помещения воздуха, содержащего вредные выделения.

Естественная вентиляция - воздухообмен в помещениях, происходящий под влиянием разности давлений наружного и внутреннего воздуха и действия ветра через неплотности ограждающих конструкций, а также при открывании форточек, фрамуг и дверей.

Искусственная (механическая) вентиляция - воздухообмен в помещениях, происходящий с помощью вентиляторов.

Общеобменная вентиляция - система вентиляции, создающая одинаковые условия воздушной среды во всем помещении.

Местная вентиляция - система вентиляции удаляющая загрязненный воздух из мест его загрязнения (вытяжная) или подающая чистый атмосферный воздух в виде струи непосредственно на рабочее место (приточная).

Лекция 19.3: Кондиционирование воздуха

Система кондиционирования воздуха (СКВ) - системы механической вентиляции, автоматически поддерживающие в помещениях метеорологические условия на уровне заданных независимо от изменяющихся параметров внешней воздушной среды.

Система кондиционирования состоит из комплекса технических устройств для обработки воздуха (фильтрации, подогрева, сушки, охлаждения и увлажнения), перемещения и распределения его, средств автоматического регулирования, контроля и управления.

Кондиционер - устройство, в котором осуществляется требуемая тепловлажностная обработка воздуха и его очистка.

Классификация СКВ - классификацию производят, как правило, по следующим признакам:

- по назначению (комфортные, технологические и комфортно-технологические);

- в зависимости от использования наружного и рециркуляционного воздуха (прямоточные, частично рециркуляционные и рециркуляционные). Кроме того, системы кондиционирования воздуха разделяют на центральные и местные, круглогодичные и сезонные.

Лекция 19.4: Теплоснабжение промышленных предприятий

Тепловое потребление - использование тепловой энергии в технологических процессах, для отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. горячего водоснабжения и разнообразных коммунально-бытовых нужд.

Система теплоснабжения - система состоящая из источника теплоты, тепловых сетей и потребителей теплоты, предназначенная для обеспечения потребителя тепловой энергии требуемых параметров.

При проектировании и эксплуатации систем теплоснабжения учитывают:

- вид теплоносителя (вода или пар);

- параметры теплоносителя (давление и температуру);

- максимальный расход теплоты;

- изменение потребления теплоты в течении суток (суточный почасовой график);

- годовой расход теплоты;

- изменение потребления теплоты в течении года (годовой помесячный график);

- характер использования теплоносителя у потребителя (непосредственный забор его из тепловой сети или только отбор теплоты).

Сезонные потребители теплоты - потребители, использующие теплоту не круглый год, а только в течение какой-то его части сезона.

К сезонным потребителям относят системы отопления, вентиляции (с подогревом воздуха в калориферах), некоторые пищевые производства (сахарные заводы, консервные заводы, винзаводы и др.). Расход теплоты у сезонных потребителей в течение суток сезона меняется мало, а годовой график имеет резко переменный характер.

Круглогодовые потребители теплоты - потребители, использующие теплоту в течение всего года.

К этой группе относят: системы горячего водоснабжения коммунально-бытовых потребителей и некоторые пищевые производства (хлебозаводы, мясокомбинаты, молокозаводы и др.). Расход теплоты у таких потребителей зависит от многих факторов: технологии производства, вида выпускаемой продукции, типа оборудования, режима работы предприятия и т.д. Круглогодичные потребители теплоты часто имеют переменный суточный и сравнительно постоянный годовой график теплопотребления.

Централизованная система теплоснабжения - система, в которой один источник теплоты (ТЭЦ или котельная) обслуживает теплоиспользующие установки потребителей (заводов, комбинатов), расположенных раздельно.

Местная система теплоснабжения - система, в которой каждый потребитель (завод, комбинат) имеет собственный источник теплоты (котельную или ТЭЦ - на сахарном заводе).

Лекция 20: Основы энерготехнологии

Энерготехнология - комплекс мероприятий по организации взаимосвязи и взаимообусловленности технологических и энергетических процессов данного производства с целью экономии топливно-энергетических ресурсов и создания практически безотходных производств по сырью, материалам и теплоте.

Основное направление разработки энерготехнологических схем (ЭТС) - создание схем в которых энергетическое оборудование (тепло и парогенераторы, котлы утилизаторы, паровые и газовые турбины, теплоиспользующие аппараты, холодильные установки, тепловые насосы и термотрансформаторы) входило бы в прямое соединение с технологическим оборудованием, составляя единую систему.

Создание ЭТС невозможно без её термодинамического анализа, который позволяет:

- получить картину происходящих в схеме энергетических превращений

- иметь возможность провести оптимизацию различных параметров ЭТС с целью получения максимальной термодинамической и экономической эффективности.

Термодинамический анализ ЭТС проводят используя энтропийный и эксергетический методы анализа

Лекция 21.1: Основы энергосбережения

Основные направления экономии энергоресурсов в промышленности.

К основным направлениям относят:

- внедрение новых технологических процессов и оборудования (для решения задач перспективного планирования экономии топливно-энергетических ресурсов) например, разработка циклонного принципа организации технологических процессов, использование принципа теплового насоса и др.;

- совершенствование существующих технологических процессов и оборудования (для решения задач текущего планирования экономии ТЭР), например, совершенствование сушильных установок, конструкций теплообменников и др.;

- рациональное использование энергоносителей (пара, горячей воды, природного газа, сжатого воздуха и др.);

- использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР);

- улучшение технико-экономических показателей работы собственных источников энергоснабжения;

- выравнивание графика нагрузок тепловых и электрических;

- оптимизация структуры энергетического баланса промышленного узла, цеха и предприятия в целом;

- совершенствование работ по анализу энергоиспользования (учет и нормирование расхода энергоресурсов, составление и анализ энергобалансов процессов и установок);

- совершенствование методов и форм организации и управления системой выявления резервов экономии топлива и энергии.

При этом составляют основную техническую и энергетическую характеристику технологических процессов и установок, в которую входят:

- описание схемы материальных и энергетических потоков и паспорта энергетического и технологического оборудования;

- режимные карты ведения энергетических и технологических процессов;

- производительность агрегатов и установок;

- часовой расход энергоресурсов;

- виды, параметры и стоимость потребляемых энергоресурсов;

- утвержденные или проектные нормы и фактические удельные расходы энергоресурсов на производство продукции;

- графики тепловой и электрической нагрузок на уровне установок, процессов и т.д.;

- эксплуатационные параметры оборудования;

- виды, параметры и агрегаты-источники ВЭР, в том числе и низкопотенциальных;

- удельный выход ВЭР;

- доля и место использования ВЭР;

- технические и энергетические характеристики утилизационного оборудования.

Лекция 21.2: Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР)

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР). Под ВЭР понимают химически связанную теплоту, физическую теплоту и потенциальную энергию избыточного давления продукции, отходов, промежуточных и побочных продуктов производства, образующихся в технологических агрегатах (установках, процессах), которые не используются в самых агрегатах, но могут быть использованы для энергоснабжения других агрегатов.

Горючие (топливные) ВЭР - горючие отходы технологических процессов, непригодные для дальнейшей технологической переработки.

Например, подсолнечная лузга на маслозаводах; шелуха зерновых культур на зерноперерабатывающих предприятиях и т.п.

Тепловые ВЭР - физическая теплота отходящих газов промышленных печей, основной, побочной, промежуточной продукции и отходов основного производства, физическая теплота рабочих тел систем принудительного охлаждения технологических агрегатов и установок, физическая теплота горячей воды и пара, прошедших через технологические агрегаты или системы отопления, теплота, удаляемого из производственного помещения воздуха и др.

ВЭР избыточного давления - потенциальная энергия газов и жидкостей, покидающих технологический агрегат с избыточным по сравнению с атмосферным давлением.