Основы теплотехники

Литература: [1], с. 290--302.

Вопросы для самопроверки

1. Какие машины называются холодильными? 2. Назовите отрасли промышленности, в которых большое применение находят холодильные установки. 3. Как классифицируются холодильные установки? 4. Чем отличается холодильная установка от теплового двигателя? 5. Что называется холодильным коэффициентом? 6. Приведите определение понятия «холодопроизводительность». 7. Приведите принципиальную схему воздушной холодильной установки и описание ее работы. 8. Изобразите идеальный цикл воздушной холодильной установки в pv- и Ts-диаграммах. 9. Принцип работы пароэжекторных холодильных установок. 10. Объясните понятие «абсорбция». 11. Приведите принципиальную схему абсорбционной холодильной установки и описание ее работы. 12. Почему наибольшее распространение получили паровые компрессорные холодильные установки? 13. Приведите принципиальную схему работы паровой компрессорной установки и описание ее работы. 14. Чем отличается работа теплового насоса от работы холодильных установок?

2. Теория тепло- и массообмена

2.1 Основные понятия и определения

Программа

Предмет и основные задачи теории. Место этой дисциплины в подготовке инженера-технолога. Основные понятия и определения. Виды распространения теплоты: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение. Сложный теплообмен. Понятие о массообмене.

Методические указания

При изучении термодинамики студент не получал никаких указаний на то, каков механизм отвода теплоты от горячего тела к холодному. Теория теплообмена, наоборот, все внимание концентрирует на способах передачи теплоты, раскрывая механизм и физическую сущность их различных видов, и дает оперативные зависимости для расчета параметров как отдельных видов теплообмена, так и их совокупности, называемой сложным теплообменом.

Необходимо понять и запомнить такие основные понятия, как температурное поле, градиент температуры, передаваемая теплота, тепловой поток, поверхностная плотность теплового потока, линейная плотность теплового потока.

Уяснить, что рассмотрение отдельных видов теплообмена, таких, как теплопроводность, конвекция и излучение, является методологическим приемом, вызванным сложностью реального теплообмена, в котором, как правило, одновременно участвуют все перечисленные выше виды распространения теплоты.

Литература: [1], с 306--309.

1. Что такое температурное поле? каковы виды температурного поля?

2. Что такое передаваемая теплота, тепловой поток и поверхностная плотность теплового потока? в каких единицах они выражаются?

3. Что такое температурный градиент, каково его направление и в каких единицах он выражается?

4. На каком законе термодинамики базируется теория теплообмена?

5. Какая разница между поверхностной плотностью теплового потока и линейной плотностью теплового потока?

6. Что такое теплопроводность, конвекция и излучение? каков механизм каждого из этих видов теплообмена?

2.2 Распространение теплоты теплопроводностью

Программа

Основной закон теплопроводности (закон Фурье). Теплопроводность, Дифференциальное уравнение теплопроводности. Условия однозначности. Теплопроводность различных стенок при стационарном режиме. Граничные условия H рода. Определение теплопередачи через стенки. Граничные условия ИТ рода. Коэффициент теплопередачи. Пути интенсификации процесса теплопередачи. Правило выбора материала теплоизоляции. Основные сведения о нестационарной теплопроводности.

Методические указания

Нужно понять значение закона Фурье для решения задач стационарной теплопроводности. Усвоить, что физически теплопроводность представляет собой процесс распространения теплоты путем теплового движения микрочастиц вещества без визуально наблюдаемого перемещения самих частиц. Явление теплопроводности имеет место в твердых телах, неподвижных жидких и газообразных веществах. Если происходит движение жидкости или газа, то теплопроводность в чистом виде имеет место в весьма тонком неподвижном слое, прилегающем к поверхности твердого тела.

Уяснить назначение и состав условий однозначности при решении задач теплообмена. Понять влияние рода граничных условий на решение уравнения теплопроводности при стационарном режиме. Разобраться, как, применяя граничное условие H рода, получают решение по распространению температуры внутри тела, а применяя граничное условие HHH рода, получают решение по передаче теплоты от горячего носителя к холодному через разделяющую их стенку (теплопередача).

Конечная цель решения задач стационарной теплопроводности -- определение теплового потока, т. е. количества теплоты, передаваемой, за 1 с. Надо понимать разницу между линейной и поверхностной плотностями теплового потока, а также между коэффициентом теплопередачи и линейным коэффициентом теплопередачи. Разобраться в способах интенсификации теплопередачи, а также в том, как надо правильно подбирать материалы теплоизоляции цилиндрического теплопровода. Понять, почему критерии Bh и Fo определяют нестационарную теплопроводность при нагревании и охлаждении тела.

Литература: [1], с. 309--322, 326--332, 339.

Вопросы для самопроверки

1. Что понимают под явлением теплопроводности? 2. Напишите уравнение теплопроводности Фурье. Объясните физический смысл входящих в него величин. 3. Каковы границы изменения теплопроводности для металлов, изоляционных и строительных материалов, жидкостей и газов? 4. От чего зависит теплопроводность? 5. Чем отличаются условия однозначности для стационарного и нестационарного режимов теплопроводности? 6. В чем отличие граничных условий H и HHH рода и к чему приводит это отличие при решении уравнений теплопроводности? 7. Напишите выражение теплового потока для теплопроводности через плоскую однослойную и многослойную стенки. 8. Напишите выражение теплового потока для теплопроводности через цилиндрическую однослойную и многослойную стенки. 9. Почему необходимо отличать поверхностную плотность теплового потока от линейной при рассмотрении теплопроводности через стенки трубы? 10. Что такое теплопередача и чем она отличается от теплопроводности? 11. Что называется термическим сопротивлением теплопередачи? 12. Что может происходить при неправильном выборе материала теплоизоляции цилиндрического теплопровода? какое существует правило выбора теплоизоляции для этого случая? 13. Для чего стремятся интенсифицировать теплопередачу и какие для этого существуют пути? 14. Как влияет материал плоской стенки на перепад температур наружной и внутренней поверхностей стенки при теплопередаче?

2.3 Конвективный теплообмен

Программа

Физическая сущность конвективного теплообмена. Формула Ньютона -- Рихмана. Коэффициент теплоотдачи. Основы теории подобия. Гидродинамическое и тепловое подобие. Критерии подобия и принцип их получения. Критериальное уравнение конвективного теплообмена. Определяющие и определяемые критерии подобия. Определяющая температура и определяющий линейный размер. Теплообмен при вынужденном движении жидкости или газа в трубах н каналах. Теплооомен при вынужденном поперечном омывании труб. Теплообмен при свободном движении жидкости. Теплообмен при изменении агрегатного состояния вещества.

Методические указания

При решении задачи стационарной теплопроводности при граничных условиях HHH рода в полученное решение для уравнения теплопередачи входят коэффициенты теплоотдачи, характеризующие теплообмен между теплоносителями и твердой стенкой. В этой задаче численные значения считаются заданными.

Основная задача теории конвективного теплообмена -- разработка зависимости для расчета коэффициента теплоотдачи б. Опыт преподавания показывает, что этот раздел теории тепло- и массообмена является наиболее трудным.

Для того чтобы уяснить, как вычислить б, нужно внимательно изучить материал учебника, в котором разбирается физическая сущность конвективного теплообмена на основе теории Прандтля. Коэффициент теплоотдачи б учитывает тепловое взаимодействие жидкости (или газа) и твердого тела. Поэтому б зависит от большого числа факторов. Существенный момент независимо от режима течения теплоносителя -- конечный акт передачи теплоты теплопроводностью в тонком неподвижном слое жидкости (или газа), прилегающем к стенке. В случае ламинарного движения теплота от ядра потока к стенке передается теплопроводностью. В случае турбулентного потока «питание» теплотой ламинарного неподвижного подслоя осуществляется турбулентно перемещающимися макрочастицами теплоносителя. Совместное действие конвекции и теплопроводности называют конвективным теплообменом. Студент должен понять, что система четырех дифференциальных уравнений второго порядка в частных производных, описывающих конвективный теплообмен, совместно с условиями однозначности в принципе позволяют в результате строгого решения получить величину коэффициента теплоотдачи б. Однако практически при решении этой системы уравнений встречаются непреодолимые математические трудности. С другой стороны, экспериментальное определение величины б на натурном объекте экономически нецелесообразно, так как необходимо провести очень большое число опытов для определения влияния на а каждого из факторов. При этом полученный результат будет пригоден только для объекта, на котором проводится эксперимент.

Теория подобия допускает проведение опытов не на натурном объекте, а на его модели, а результаты опыта позволяют распространять на все подобные явления. Кроме того, базируясь на системе дифференциальных уравнений конвективного теплообмена, теория подобия четко определяет условия подобия физических явлений и процессов. Теория подобия -- теория эксперимента. Нужно хорошо разобраться в материале учебника, посвященном основам теории подобия, и понять суть трех теорем подобия. Усвоить принцип получения критериев подобия конвективного теплообмена из дифференциальных уравнений, описывающих этот процесс. Запомнить, что определяющие критерии стационарного конвективного теплообмена (Re, Pr, Gr) составлены нз параметров, входящих в условия однозначности, а определяемый критерий (Nu) наряду с параметрами, входящими в условия однозначности, включает в себя искомую величину коэффициента теплоотдачи б.

Понять значение второй теоремы подобия, позволяющей для подобных явлений записать общее решение системы дифференциальных уравнений конвективного теплообмена (не решая ее) в виде функции критериев подобия вида . Уравнение получается строго теоретически на основании теории подобия. Для перехода к практике допускают, что полученное общее решение может быть записано в виде

где -- коэффициенты, определяемые на основе экспериментальных данных.

Последнее выражение представляет собой критериальное уравнение (уравнение подобия) в самом общем виде. Это уравнение является полуэмпирическим, так как оно получено на основе общих теоретических соображений, а коэффициенты, входящие в него, находятся из опыта. Имея уравнение подобия, находят определяемый критерий Nu, а по нему искомое значение коэффициента теплоотдачи . После того как найден коэффициент теплоотдачи а, нетрудно рассчитать тепловой поток по формуле Ньютона -- Рихмана.

Для условий теплообмена общее критериальное уравнение упрощается, например, при вынужденном движении жидкости по трубе и а при свободной конвекции . Понять необходимость введения в критериальное уравнение множителя который учитывает влияние на критерии Nu, а следовательно, и на а направления теплового потока при теплоотдаче (нагревание или охлаждение жидкости). Учитывая изложенное, нужно четко уяснить физический смысл основных критериев (Nu, Pr, Gr, Re) и применять при расчетах те критериальные зависимости, которые соответствуют конкретному виду задачи.

Литература: [1], с. 348--385, 388--391, 394--401.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое свободная и вынужденная конвекция? 2. Что такое динамический пограничный слой и тепловой пограничный слой? какая между ними связь? 3. Что называется конвективным теплообменом? 4. Сформулируйте основной закон теплоотдачи конвекцией. 5. От каких факторов зависит коэффициент теплоотдачи? в каких единицах его выражают? 6. В чем суть теории подобия? 7. В чем физический смысл критериев подобия? 8. Чем характеризуется критерий Nu? 9. Что называется критериальным уравнением (уравнением подобия)? 10. Что обозначают индексы у критериев, входящих в уравнение подобия? 11. Как отличить определяющие критерии от определяемых? 12. Какие основные формулы применяют для различных случаев конвективного теплообмена? 13. Что такое «кризис кипения»? 14. Какие факторы отрицательно влияют на теплообмен при конденсации водяного пара?

2.4 Теплообмен излучением

Программа

Основные понятия и определения. Основные законы теплового излучения. Теплообмен излучением между твердыми телами. Защита от теплового излучения. Тепловое излучение газов.

Методические указания

Нужно прежде всего уяснить принципиальную разницу между теплообменом излучением и двумя уже известными видами теплообмена--теплопроводностью и конвекцией.

В процессе теплообмена излучением происходит двойное превращение энергии -- сначала внутренняя энергия превращается в энергию электромагнитных волн, которые, попадая на другое тело, вновь превращаются во внутреннюю энергию этого тела. Разобраться в количественном соотношении между поглощенной, отраженной и пропущенной сквозь тело энергией электромагнитного излучения.

Понимание этого вопроса позволит грамотно управлять тепловым излучением в нужном для практики направлении. Так, например, при защите объектов от лучистой энергии на пути ее распространения ставят экраны, максимально отражающие лучистую энергию. Наоборот, если необходим максимальный нагрев за счет лучистой энергии, объекту необходимо придать такие свойства, при которых осуществляется максимум поглощения лучистой энергии (покрытие краской, шероховатость и др.)- Для получения максимальной пропускающей способности лучистой энергии (например, света) необходимо выбрать стенку с соответствующими свойствами. Основные законы излучения и экспериментальные данные по свойствам отдельных тел дают возможность решать конкретные задачи, связанные с лучистым теплообменом. Поэтому студенту необходимо усвоить законы Планка, Вина, Кирхгофа, Стефана -- Больцмана, методику и границы их применения. Практически в теплообмене участвуют одновременно все три его вида, поэтому при решении конкретных задач нужно различать «весомость» того или иного вида теплообмена, с тем чтобы уметь сознательно упрощать решение задачи с допускаемой погрешностью.

Литература: [1], с. 402--420.

Вопросы для самопроверки

1. Какие длины волн характерны для тепловых лучей? 2. Что такое абсолютно черное, абсолютно белое и диатермичное тело? 3. Что такое лучистый поток, излучательность, спектральная излучательность? в каких единицах их выражают? 4. Сформулируйте законы теплового излучения. 5. Что такое «эффективное излучение»? чем оно отличается от собственного излучения? 6. Как определяют лучистый поток между параллельными плоскими стенками? чему равен приведенный коэффициент излучения для этого случая? 7. Как определяют лучистый поток при расположении одного тела внутри другого? чему равен приведенный коэффициент излучения для этого случая? 8. Для чего нужны экраны и какими свойствами они должны обладать? 9. Что такое сплошной и селективный спектры излучения? 10. Каковы особенности излучения газов по сравнению с твердыми телами? 11. Какие газы излучают и поглощают энергию излучения? 12. Как определяют коэффициент черноты газовой среды?

2.5 Сложный теплообмен. Теплообменные аппараты

Программа

Сложный теплообмен. Суммарный коэффициент теплоотдачи. Типы тепло-обменных аппаратов. Уравнение теплового баланса и теплопередачи. Основные схемы движения теплоносителей. Среднеарифметический и среднелогарифмический напоры. Основы теплового расчета рекуперативных теплообменных аппаратов. Методы интенсификации теплообмена в рекуперативных теплообмен никах.

Методические указания

Обычно передача теплоты от теплоносителя с высокой температурой к теплоносителю с низкой температурой происходит через разделительную стенку. В этом процессе, как правило, участвуют все виды теплообмена -- теплопроводность, конвекция и излучение, которые были изучены в предыдущих темах.

Теплообмен, учитывающий все виды теплообмена, называется сложным. Практически сложность теплообмена выражается в суммарном коэффициенте теплоотдачи as, который в силу независимости по своей природе излучения и конвективного теплообмена представляет собой сумму обоих видов теплового воздействия, а именно as = aK + аи.

Нужно уметь оценить, какой из видов теплообмена является превалирующим. Для этого уже известными методами определяют ак, а величина коэффициента теплоотдачи за счет излучения может быть оценена по формуле

аи ^0,23 * е ^ ----g-j »

гДе е -- приведенный коэффициент черноты системы;

Тг и Тст -- температура газа и стенки соответственно.

Теплообменными аппаратами называют всякое устройство, в котором осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Уяснить их классификацию по принципу действия, обратив внимание на рекуперативные теплообменники, как наиболее распространенные. Уметь изображать схематично для рекуперативного теплообменника характер изменения температур рабочих жидкостей в функции поверхности нагрева для случаев прямотока и противотока в зависимости от соотношения между водяными эквивалентами.

Запомнить, в каких случаях необходимо применение среднелогарифмиче-ского температурного напора, а в каких случаях можно ограничиться среднеарифметическим температурным напором.

Понять основной принцип расчета теплообменного аппарата, связанный с уравнением теплопередачи и уравнением теплового баланса. Особое внимание обратить на особенности теплообменников, в которых происходит измене-кие агрегатного состояния одного из теплоносителей (испарение или конденсация), уяснив, почему в этих случаях направление тока не влияет на эффективность работы теплообменника. Студент должен понимать, почему для вычисления среднелогарифмического напора, независимо от схемы включения (прямоток или противоток) справедлива формула

где и -- наибольший и наименьший температурный напор соответственно.

Разобраться в методах интенсификации теплообмена в рекуперативных теплообменных аппаратах и понять, для чего нужна интенсификация. Литература: [1], с. 421--422, 424--429.

Вопросы для самопроверки

1, Что называется сложным теплообменом? 2. Почему возможно суммировать коэффициент теплоотдачи, определяемый конвективным теплообменом, и коэффициент теплоотдачи, определяемый излучением? 3. Что называется теплообменным аппаратом и какие существуют типы аппаратов? 4. Как составляются тепловой баланс и уравнение теплопередачи для рекуперативного теплообменника? 5. Почему рекуперативный теплообменник с противоточной схемой при одинаковой начальной температуре холодной жидкости всегда компактнее, чем теплообменник с прямоточной схемой включения? 6. В каких случаях необходимо вычислять среднеарифмический температурный напор? когда можно применять среднеарифметический температурный напор? 7. Как производится усреднение коэффициента теплопередачи? 8. Что является целью конструктивного теплового расчета рекуперативного теплообменника, а что является целью проверочного расчета? 9. Для чего нужно стремиться к интенсификации теплопередачи в теплообменниках и каковы методы интенсификации? 10. В чем особенность рекуперативных теплообменников, в которых один из носителей изменяет свое агрегатное состояние? 11. Какая формула примекяется для определения среднелогарифмического температурного напора независимо от схемы «прямоток» или «противоток»? 12. Почему, несмотря на габаритные преимущества схемы «противоток», на практике находит применение н схема «прямоток»?

3. Промышленные теплоэнергетические установки

3.1 Топливо и основы теории горения

топливо теплоэнергетический промышленность тело

3.1.1 Виды сжигаемого топлива и их характеристики

Программа

Понятие о топливе и классификация топ л ив. Элементарный состав топлива. Теплотехнические характеристики топлива: теплота сгорания, влажность, зольность и выход летучих веществ. Условное топливо. Характеристики отдельных видов твердого, жидкого и газообразного топлива. Перспективы применения различных видов топлива в промышленности. Структура топливного баланса СССР. Проблема экономии топлива. Проблема защиты окружающей среды от выброса продуктов сгорания топлива.

Методические указания

Источник теплоты, используемой для получения пара в котельных агрегатах и для совершения механической работы в тепловых двигателях, -- топливо. К нему относятся недефкцитные каменные угли, бурые угли, антрацитовая мелочь, торф, продукты перегонки нефти (бензин, дизельное топливо и мазут) и природный газ. В связи с быстрым ростом потребления топлива, oпeрежающим его добычу, одной из важнейших народнохозяйственных задач является экономия топлива. Качество топлива зависит от его элементарного состава. Поэтому нужно знать влияние отдельных составляющих топлива на его качество и свойства. Необходимо различать рабочую, горючую, сухую и органическую массы топлива и разбираться в формулах для пересчета топлива из одной массы в другую. Важнейшая теплотехническая характеристика топлива -- его теплота сгорания. Необходимо понять различие между низшей и высшей теплотой сгорания топлива и методику их пересчета при переходе от одной массы топлива к другой. Разобраться в структуре формулы Д. И. Менделеева для определения низшей теплоты сгорания топлива по его составу. Для сравнения тепловой ценности различных видов топлива пользуются понятием условного топлива. Поэтому нужно уметь определять расход условного топлива по известному расходу натурального топлива. При изучении других теплотехнических характеристик топлива следует обратить внимание на определение величин приведенной влажности и зольности топлива. Рассматривая характеристики твердого, жидкого и газообразного топлива, необходимо знать особенности каждого вида топлива, перспективы его дальнейшего использования в промышленности и его влияние на структуру топливного баланса страны.

Ознакомиться с проблемой защиты среды от" выброса продуктов сгорания топлива.

Литература: [2], с 206--211, 214--220.

Вопросы для самопроверки

1. По каким признакам классифицируют топлива? 2. Какие элементы входят в состав твердого и жидкого топлива? 3. Как производится пересчет состава топлива из одной массы в другую? 4. Почему сера и влага являются нежелательными элементами топлива? что такое приведенная влажность и как она определяется? 5. Почему зола является нежелательной примесью топлива? что такое приведенная зольность и как она определяется? 6. Назовите основные теплотехнические характеристики топлива. 7. Что называют теплотой сгорания топлива? в чем различие между низшей и высшей теплотой сгорания топлива? 8. Зависит ли значение теплоты сгорания топлива от его состава? 9. Какое топливо называется условным? как определяется расход условного топлива? 10. Что такое энергетическое и технологическое топливо? 11. Какова структура топливного баланса СССР?

3.1.2 Основы теории горения топлива

Программа

Понятие о горении и основных условиях его осуществления. Гомогенное и гетерогенное горение. Влияние физических и химических факторов на скорость горения. Кинетическое и диффузионное горение. Понятие о фронте пламени и скорости его распространения. Особенности горения газообразного, жидкого и твердого топлива.

Методические указания

Горение топлива -- это физико-химический процесс окисления его горючих составляющих, сопровождающийся выделением теплоты и образованием продуктов сгорания. В зависимости от характера протекающих при горении топлива физико-химических процессов различают гомогенное и гетерогенное горение. Необходимо ознакомиться с влиянием смесеобразования на скорость распространения пламени и на полноту сгорания топлива. Изучая горение газообразного и жидкого топлива, нужно понять, что топливо и окислитель находятся в одном агрегатном состоянии и в зависимости от способа смесеобразования горение может протекать как в кинетической, так и в диффузионной областях.

Рассматривая горение твердого топлива, необходимо знать, что его процесс протекает в диффузионной области и состоит из тепловой подготовки топлива, смесеобразования летучих топлив с воздухом и их сгорания.

В заключение следует ознакомиться с путями интенсификации процессов горения.

Литература: [2], с. 222--240,

Вопросы, для самопроверки

1. Что называют горением? 2. В чем различие между гомогенным и гетерогенным горением? 3. Что называется скоростью горения топлива и фронтом пламени? от каких факторов зависит скорость горения топлива? 4. В чем различие между кинетическим и диффузионным горением? 5. Каково влияние качества смесеобразования на скорость горения топлива? 6. В чем отличие горения газообразного топлива от горения твердого топлива?

3.1.3 Расчеты горения твердого, жидкого и газообразного топлива

Программа

Определение теоретически необходимого количества воздуха для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива. Коэффициент избытка воздуха (б_T) и его численное значение при сжигании твердого, жидкого и газообразного топлива. Определение объема продуктов сгорания при б_T = 1 и б_T > 1 Расчет энтальпии продуктов сгорания. Теоретическая температура горения. Диаграмма продуктов сгорания.

Методические указания

Восстановить в памяти известные из химии реакции окисления углерода, водорода и серы, являющиеся основой термохимических расчетов для определения объемов теоретически необходимого количества воздуха и продуктов сгорания. При протекании процесса горения с теоретически необходимым количеством воздуха на практике не удается достигнуть полного сгорания из-за несовершенства процесса смесеобразования топлива с окислителем. Уяснить, что процесс горения ведется с некоторым избытком воздуха. Нужно уметь пользоваться формулами для определения теоретически необходимого количества воздуха для полного сгорания твердого, жидкого и газобразного топлива и объемов продуктов сгорания при коэффициенте избытка воздуха б_T = 1 и б_T > 1. Студент должен научиться рассчитывать энтальпии продуктов полного сгорания и определять теоретическую температуру горения топлив с помощью диаграммы.

Литература: [2], с. 241--245.

Вопросы для самопроверки

1. Напишите формулу для определения теоретически необходимого количества воздуха для полного сгорания 1 кг твердого и жидкого топлива. 2. Что называют коэффициентом избытка воздуха и каковы его значения для различных видов топлива? 3. Как определяются объемы сухих газов при коэффициенте избытка воздуха б_T = 1 и б_T > 1для твердого, жидкого и газообразного топлива? как определяются объемы водяных паров при б_T = 1 для твердого, жидкого и газообразного топлива? 4. Как определяется объем продуктов полного сгорания при б_T > 1 для твердого, жидкого и газообразного топлива? 5. Как определяется энтальпия продуктов полного сгорания топлива? 6. Что такое теоретическая температура горения топлива и как она определяется с помощью -диаграммы?

3.2 Котельные установки

3.2.1 Понятие о котельной установке

Программа

Назначение и схема котельной установки, ее основные элементы и их компоновка. Основные характеристики котельной установки.

Методические указания

Котельные установки предназначены для получения водяного пара. В них происходит преобразование химической энергии топлива в физическую теплоту продуктов сгорания, которая через металлические поверхности нагрева передается воде для ее испарения и пару для его перегрева. Основные элементы котельной установки -- котельный агрегат и вспомогательные устройства. Котельный агрегат состоит из топки, парового котла, пароперегревателя, водяного экономайзера, воздухоподогревателя, каркаса и обмуровки. К вспомогательным устройствам котельной установки относятся агрегаты и механизмы, предназначенные для транспортировки и подготовки топлива и воды, тягодутьевые устройства, контрольно-измерительные и регулирующие приборы. Уяснить назначение основных элементов котельного агрегата и принципиальную схему компоновки оборудования современной котельной.

Литература: [2], с. 250--253

Вопросы для самопроверки

1. Что называют котельной установкой? 2. Из каких основных элементов состоит котельная установка? что относится к вспомогательным устройствам котельной установки? 3. Приведите классификацию котельных установок по производительности и давлению пара. 4. Какова принципиальная схема компоновки оборудования современной котельной установки? 5. Назовите основные характеристики котельной установки.

3.2.2 Топочные устройства (топки)

Программа

Классификация топочных устройств и требования, предъявляемые к ним. Слоевой, факельный и вихревой способы сжигания топлива. Тепловые характеристики топочных устройств. Лучевоспринимающие поверхности топок. Слоевые топки и их конструктивные схемы. Камерные топки -- факельные и вихревые. Пылеугольные топки? Топки для жидкого и газообразного топлива. Форсунки и горелки. Понятие о расчете теплообмена в топках.

Методические указания.

Уяснить сущность процессов горения топлива в слое, факеле и вихре. Для сравнительной оценки слоевых и камерных топок следует знать тепловые характеристики топок. Обратим внимание на определение значения теплового напряжения площади колосниковой решетки, топочного объема и коэффициента полезного действия топки. Разобрать устройство и принцип действия полумеханизированных и механизированных слоевых топок и камерных топок для сжигания газа и мазута. Сделать сравнительный анализ их типов и конструкций, стремясь уяснить области применения каждого типа по роду топлива и производительности котельного агрегата. Ознакомиться с классификацией, устройством и принципом действия горелок для газа и форсунок для мазута. Уяснить принципы расчета теплообмена в топках.

Литература: [2], с. 253--281.

Вопросы для самопроверки

1. Какие существуют типы топок? 2. Какие требования предъявляются к топкам? 3. Какие существуют способы сжигания топлива в топках котельных агрегатов? 4. Какие существуют типы камерных топок для сжигания жидкого, газообразного и пылевидного топлива? 5. Какие причины вызывают потери теплоты с механической и химической неполнотой сгорания топлива, каково значение этих потерь для различных типов топок? 6. Каковы особенности топок с твердым и жидким шлакоудалением? 7. Что такое тепловое напряжение площади колосниковой решетки и топочного объема? каковы значения теплового напряжения топочного объема камерных топок для различных видов топлива? 8. Чем отличаются пылеугольные топки от топок для жидкого и газообразного топлива? какие существуют типы мельниц для размола топлива? 9. Объясните назначение и устройство горелок для пылевидного и газообразного топлива и форсунок для мазута?

3.2.3 Котельные агрегаты.

Программа

Паровые котлоагрегаты с естественной и принудительной циркуляцией. Водогрейные котлы и котлы-утилизаторы. Пароперегреватели. Водяные экономайзеры и воздухоподогреватели. Тягодутьевые устройства. Устройство для очистки продуктов сгорания. Питательные устройства. Водоподготовка и борьба с образованием накипи в паровых котлах. Сепарационные устройства паровых котлов. Тепловой баланс, коэффициенты полезного действия и расход топлива котельного агрегата. Понятие о расчете конвективных поверхностей нагрева котельного агрегата. Современные тенденции повышения тепловой эффективности котлоагрегатов. Правила Гостехнадзора и техники безопасности.

Методические указания

Уяснить сущность процессов парообразования в экранных и конвективных поверхностях нагрева котла, естественной циркуляции воды и сепарации пара. При'рассмотрении типов паровых котлоагрегатов, применяемых в промышленности, особое внимание обратить на изучение устройства и принципа действия вертикально-водотрубных котлов малой и средней паропроизводителыюсти, выполняемых в виде цилиндрических безбарабанных, двухбарабанных и однобарабанных агрегатов. Изучая устройство и принцип действия таких элементов котлоагрегатов, как пароперегреватель, водяной экономайзер и воздухоподогреватель, студент должен понять, что применение этих элементов в котлоагрегате вызвано стремлением повысить экономичность топливоиспользования и уменьшить тепловые потери в котельном агрегате. Разобрать назначение и устройство элементов тягодутьевого устройства. Уяснить необходимость очистки подаваемой в котлоагрегат питательной воды от механических и коллоидных примесей и накипеобразующих солей, освобождения от растворенных в ней коррозионно-активных газов, а также поддержания водного режима паровых котлов путем осуществления их продувки. Студент должен уметь составить тепловой баланс котлоагрегата, дать определение всех составляющих, входящих в уравнение теплового баланса, определить коэффициент полезного действия, расчетный расход топлива и расход натурального топлива. Ознакомиться с расчетом конвективных поверхностей нагрева котельного агрегата. Изучить правила Гостехнадзора и техники безопасности при эксплуатации котлоагрегатов.

Литература: [2], с. 282--288, 292--324.

Вопросы для самопроверки

1. Какие процессы протекают в современном котельном агрегате при превращении в нем воды в перегретый пар? 2. В чем физическая сущность естественной циркуляции? что такое кратность циркуляции? 3. Из каких основных элементов состоит котельный агрегат? 4. Что называют паропроизводительностыо котла и поверхностью нагрева? 5. Какие существуют типы пароперегревателей и водяных экономайзеров? 6. Чем обеспечивается естественная и искусственная тяга в газовоздушном тракте котлоагрегата? 7. Почему сырая вода без обработки непригодна для питания паровых котлов? 8. При каких условиях возникает образование накипи в паровых котлах и каковы пути предотвращения этого вредного явления? 9.. В чем сущность процесса сепарации пара в паровом котле? 10. Каково назначение продувки паровых котлов? что такое периодическая и непрерывная продувка? 11. Из каких статей составляется тепловой баланс котельного агрегата? 12. Чем характеризуется экономичность котельного агрегата? 13. Перечислите арматуру паровых котлов. Для чего она предназначена? 14. Каковы основные правила Гостехнадзора и техники безопасности при эксплуатации котлоагрегатов?

3.3 Паровые и газовые турбины

3.3.1 Паровые турбины

Программа

Схема устройства и принцип работы турбины. Преобразование энергии в сопловом аппарате и на лопатках турбины. Активный и реактивный принципы работы потока пара в ступени. Многоступенчатые турбины. Тепловые потери. Коэффициенты полезного действия и тепловые потери. Регулирование мощности паровых турбин. Типы паровых турбин: конденсационные турбины без регулируемых отборов пара и с регулируемыми отборами пара, турбины с противодавлением. Конденсационные устройства турбин. Тепловой баланс конденсатора.

Методические указания

Паровые турбины получили широкое распространение благодаря ряду существенных преимуществ перед другими тепловыми двигателями и прежде всего благодаря высокой экономичности, надежности и возможности получения больших мощностей в одном агрегате.

Уяснить принцип действия турбины. Превращение тепловой энергии пара в механическую работу в турбине осуществляется в два этапа: сначала потенциальная энергия пара преобразуется в кинетическую при истечении пара из сопл, а затем кинетическая энергия потока пара на рабочих лопатках преобразуется в механическую работу вращения вала турбины. Изучить особенности процессов превращения тепловой энергии в механическую работу в активной и реактивной ступенях, а также в ступени скорости, используя для этого ts-диаграмму. Разобрать устройство многоступенчатых турбин и порядок расположения в них различных ступеней. Эффективность работы турбины зависит от величины тепловых потерь в ней, поэтому необходимо учитывать и потери, возникающие в турбине. Уметь определять коэффициенты полезного действия турбины, ее мощность и расход пара на турбину. При рассмотрении конструкции турбин обратить внимание на то, как в многоступенчатых турбинах происходит отбор пара из промежуточных ступеней. Комбинированная выработка тепловой и электрической энергии, как известно, значительно повышает коэффициент использования теплоты. Обратить особое внимание на теплофикационные турбины, т. е. конденсационные турбины с регулируемыми отборами пара и турбины с противодавлением.

Для нормальной работы турбины большое значение имеет регулирование ее мощности, поэтому необходимо уделить должное внимание рассмотрению основных способов регулирования мощности турбин А. Поскольку все конденсационные турбины снабжены установками, обеспечивающими конденсацию отработавшего в турбине пара и создание глубокого вакуума за турбиной, необходимо ознакомиться с устройством и принципом действия поверхностных конденсаторов, применяемых в паротурбинных установках.

Литература: [2], с. 327--330, 340--350, 357--366.

Вопросы для самопроверки

1. Как осуществляется преобразование тепловой энергии пара в механическую работу" в паровых турбинах? 2. В чем разница между активной и реактивной ступенями турбины? 3. Почему современные паровые турбины выпускают многоступенчатыми? 4. Чем отличаются профили лопаток активной и реактивной ступеней? 5. Что называют степенью реактивности ступени и как она определяется? 6. Как определяется действительная скорость истечения пара из сопл? 7. Какими коэффициентами полезного действия характеризуется работа паровой турбины? 8. Что называют эффективной мощностью турбины и как она определяется? 9. Для чего осуществляется регулирование мощности паровых турбин? 10. По каким признакам классифицируются паровые турбины? 11. Какие турбины называют конденсационными и теплофикационными? 12. Какие существуют типы конденсаторов? почему в современных паровых турбинах устанавливают конденсаторы поверхностного типа?

Тема 2. Газовые турбины и газотурбинные установки (ГТУ)

Схемы устройства и принцип работы газовой турбины и ГТУ. Тепловые потерн, коэффициенты полезного действия, мощность и расход топлива ГТУ. Регенерация теплоты отработавших газов. Современные конструкции ГТУ. Технико-экономические показатели ГТУ.

Методические указания

Газотурбинные установки, получающие все более широкое распространение в энергетике, имеют ряд существенных преимуществ перед паротурбинными установками благодаря малой массе, компактности и простоте в обслуживании.

Разобрать схему простейшей газотурбинной установки с непрерывным сгоранием при постоянном давлении, действительный цикл этой установки, коэффициенты полезного действия и способы повышения ее экономичности. Эффективность работы ГТУ зависит от величины тепловых потерь в газовой турбине, компрессоре и камере сгорания, поэтому необходимо разобраться с потерями, возникающими в ГТУ. Нужно уметь определить коэффициент полезного действия ГТУ, ее мощность и расход топлива. Ознакомиться с конструкциями газовых турбин и ГТУ, используемых в народном хозяйстве.

Литература: [2], с. 370--374.

Вопросы для самопроверки

1. Как осуществляется преобразование тепловой энергии в механическую работу в газовых турбинах? 2. Какими тепловыми потерями оценивается внутренний к. п. д. ГТУ? 3. Как определяется удельный эффективный расход топлива и удельный расход воздуха ГТУ? 4. Что называется степенью регенерации и как она определяется? 5. Перечислите способы повышения экономичности ГТУ. 6. Как определяется внутренний к. п. д. ГТУ с регенерацией теплоты? 7. Какие преимущества и недостатки ГТУ по сравнению с паротурбинной установкой?

4. Компрессорные установки

Тема 1. Поршневые компрессоры, вентиляторы и турбогенераторы

Устройство и работа поршневого компрессора. Определение производительности и мощности поршневого компрессора. Объемный коэффициент компрессора. Коэффициент подачи компрессора. Коэффициенты полезного действия. Многоступенчатые компрессоры. Принцип действия центробежных и осевых вентиляторов. Производительность, к. п. д. и мощность вентилятора. Классификация вентиляторов. Многоступенчатые центробежные и осевые машины. Процессы сжатия в турбокомпрессорах. Коэффициенты полезного действия и затрата мощности на привод компрессора. Классификация турбокомпрессоров. Технико-экономические показатели.

Методические указания

Применение различных типов компрессоров (поршневых, центробежных, осевых и др.) обусловливается двумя различными факторами, которые не удается совместить ни в одном из типов, а именно производительностью и степенью повышения давления в ступени. Основное назначение компрессора <-- сжатие, а вентилятора -- перемещение газа, поэтому они работают при различных давлениях. Ознакомиться с рабочими процессами и конструкцией реальных машин. В процессе изучения устройства и работы реального поршневого компрессора следует уяснить различие между теоретическими и действительными процессами. Необходимо знать методы определения производительности, мощности и коэффициентов полезного действия компрессора.

Рассмотреть устройство и принцип действия центробежных и осевых вентиляторов, а также влияние формы лопаток колеса центробежного вентилятора на его характеристики. Нужно уметь определять напор, коэффициенты полезного действия и мощность вентилятора. Рассматривая устройство и работу турбокомпрессоров, обратить внимание на особенность сжатия в них воздуха. Необходимо уметь находить затраты мощности на привод компрессоров и коэффициенты полезного действия турбокомпрессоров. Ознакомиться с характеристиками турбогенераторов.

Литература: [2], с. 385--391, 396--408.

Вопросы для самопроверки

1. Чем отличается действительный рабочий процесс поршневого компрессора от теоретического? 2. Почему действительная производительность компрессора меньше теоретической? как определяется действительная производительность компрессора? 3. Что называют индикаторной мощностью компрессора и как она определяется? 4. Что называют объемным коэффициентом компрессора и от каких факторов он зависит? 5. Чем отличаются центробежные компрессоры от осевых? 6. Что называют вентилятором и каково его назначение? 7. Как определяется теоретический и действительный напор, развиваемый вентилятором? 8. Как определяется мощность, потребляемая вентилятором? 9. Как влияет форма лопаток колеса центробежного вентилятора на его напор? 10. Объясните сущность процессов сжатия воздуха в турбокомпрессоре. 11. Как определяется мощность привода центробежного и осевого компрессоров? 12. Какими коэффициентами полезного действия характеризуется работа турбокомпрессоров?

5. Тепловые электростанции

Типы электростанций и их роль в развитии энергетики СССР. Классификация тепловых электростанций (ТЭи). Паротурбинные конденсационные электростанции (КЭС) и электростанции с комбинированной выработкой теплоты и электрической энергии (ТЭЦ), их принципиальные схемы и показатели тепловой эффективности. Регенеративный подогрев питательной воды. Теплофикания и ее развитие в СССР. Дизельные и газотурбинные электростанции, томные электростанции (АЭС). Технико-экономические показатели электростанций.

Методические указания

Преобразование теплоты в электрическую энергию осуществляется в основном на тепловых электростанциях, где используется теплота, выделяющаяся при сгорании топлива и при распаде ядерного горючего. Основное количество электрической энергии, получаемое на тепловых электростанциях, вырабатывается паровыми турбогенераторами, поэтому основное внимание следует уделить изучению паротурбинных ТЭС. При этом должны быть рассмотрены как конденсационные электростанции, отпускающие только электрическую энергию, так и теплоэлектроцентрали, отпускающие теплоту и электроэнергию. Изучить принципиальные тепловые схемы этих электростанций, а также показатели экономичности их работы и уяснить пути дальнейшего повышения экономичности тепловых электростанций. При рассмотрении дизельных и газотурбинных электростанций уяснить особенности этих станций, область их применения и перспективы использования дизельных и газотурбинных двигателей в качестве пиковых турбогенераторов.

Ознакомиться с устройством атомных электростанций и их принципиальной тепловой схемой. Изучить виды атомных реакторов и типы реакторов. Для оценки экономичности работы электрических станций нужно знать, как определяются коэффициенты полезного действия, удельный расход условного топлива и удельный расход теплоты на выработку электроэнергии.

Литература: [2], с. 446--452, 464--471.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите виды электрических станций по типу устанавливаемых тепловых двигателей. 2. Каково назначение конденсационной электростанции и теплоэлектроцентрали? 3. Изобразите принципиальные тепловые схемы КЭС и ТЭС. 4. Для чего осуществляется регенеративный подогрев питательной воды в паросиловых установках? 5. Какие основные показатели характеризуют экономичность паротурбинных электростанций? 6. Каковы преимущества и недостатки дизельных и газотурбинных электростанций?

6. Теплоснабжение предприятий промышленности

Характеристика потребителей тепловой энергии на предприятиях отрасли народного хозяйства. Характеристика предприятий как потребителей теплоты. Производственное теплопотребление. Расход теплоты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Схемы теплоснабжения и их анализ. Теплоснабжение предприятий.

Методические указания.

Теплоснабжение предприятий включает производство тепловой энергии, ее транспортирование и экономное распределение теплоты между потребителями. Потребители теплоты предприятий -- технологическое оборудование и технологические процессы, система горячего водоснабжения для технологических и хозяйственно-бытовых нужд, системы отопления и вентиляции. Теплоснабжение потребителей обеспечивается, как правило, горячей водой и паром. Горячая вода надежно и экономно обеспечивает теплотой системы отопления, вентиляции, хозяйственно-бытовые нужды и некоторые технологические процессы производства. Пар обеспечивает экономное протекание многих технологических процессов. Теплоснабжение предприятий связано со значительными трудозатратами, которые изменяются в зависимости от схемы теплоснабжения. Поэтому необходимо изучить схемы теплоснабжения предприятий при использовании горячей воды и пара в качестве теплоносителей. Обратить внимание на тип установки (паровая котельная, водогрейная котельная или теплоэлектроцентраль) и на параметры теплоснабжения. Нужно уметь определять расход теплоты на технологические нужды, отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.

Литература: Шираке 3. Э. Теплоснабжение. М., 1979, с. 4--12, 61--68, 135--142.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите виды теплопотребления и источники теплоснабжения предприятий. 2. Как определяют расход теплоты на технологические нужды? 3. Как определяют расход теплоты на отопление? 4. Как определяют расход теплоты на вентиляцию? 5. Как определяют расход теплоты на горячее водоснабжение?

7. Вторичные энергоресурсы

Общие положения и классификация вторичных энергоресурсов (БЭР). Экономическая эффективность использования ВЭР. Роль ВЭР в топливо и теплопотреблении страны. Источники ВЭР отрасли и их использование. Утилизационные установки, показатели их работы и влияние их на эффективность использования ВЭР. Перспективы использования ВЭР в отрасли промышленности.

Методические указания

Для нужд теплоснабжения кроме топлива используют отходы теплоносителей от производственных процессов. Отходы теплоносителей в виде уходящих газов, пара и горячей воды называют вторичными энергоресурсами (ВЭР). ВЭР могут быть весьма значительными. Так, например, уходящие газы промышленных печей содержат до 40% подведенного к печи количества топлива. Вторичные энергоресурсы в виде уходящих газов и горячей воды подразделяют на группы по температурному признаку. Поэтому нужно знать, что уходящие газы характеризуются высокими температурами и энтальпией, а горячая вода -- низкими температурами и энтальпией. Теплоту уходящих газов целесообразно использовать в специально установленных котлах -- утилизаторах, вырабатывающих производственный пар, и подогревателях горячей воды для теплоснабжения. Не используемые предприятием вторичные энергоресурсы ведут к потерям теплоты, выбросу ее в атмосферу, что снижает экономические показатели предприятия, создает непроизводительный расход топлива и загрязняет окружающую среду. Ознакомиться с перспективами использования ВЭР.

Литература: Семененко А. Н. Вторичные энергоресурсы и энерготехнологическое комбинирование. М., 1979.

Вопросы для самопроверки

!. Что называют вторичными энергоресурсами? 2. По каким признакам классифицируют ВЭР? 3. Какова роль ВЭР в топливно- и теплопотреблении страны? 4. Каковы источники ВЭР и их использование? 5. Какова экономическая эффективность использования ВЭР?

Контрольные задания

Общие методические указания

Согласно учебному плану студент-заочник выполняет две контрольные работы. Первая -- по разделам термодинамики и теплопередачи -- состоит из четырех задач и четырех вопросов. Вторая -- по разделу теплоэнергетические установки -- состоит из трех задач и четырех вопросов.

Решать задачи и отвечать на вопросы необходимо, строго придерживаясь своего варианта (работы, выполненные не по своему варианту, не рецензируются). Номер варианта определяют по таблице вариантов в зависимости от двух последних цифр учебного шифра студента. Например, при шифре 156 студент выполняет 56-й вариант задания, для которого в таблице соответственно указаны номера задач и вопросов: 6, 11, 27, 31. Условия задач и формулировки контрольных вопросов должны быть переписаны полностью. Решения задач сопровождать краткими пояснениями и подробными вычислениями. При вычислении какой-либо величины нужно словами указать, какая величина определяется и по какой формуле. Необходимо указывать единицы величин как заданных в условии задач, так и полученных в результате их решения.