Тема 17 Теплообменные аппараты. Горение
Теплообменные аппараты. Типы теплообменных аппаратов. Схемы движения теплоносителей. Среднелогарифмический температурный напор. Основные уравнения расчета теплообменных аппаратов. Горение. Основные понятия. Состав и характеристики топлив.
Литература: [2], с. 61-77; [3], с. 208-217; [5], с. 47-50; [6], с. 52-55.
Вопросы для самоконтроля
1. Какие виды теплообменных аппаратов вы знаете?
2. Какие виды теплообмена можно наблюдать в теплообменных аппаратах? Приведите пример.
3. Как составляется тепловой баланс теплообменного аппарата? Приведите пример.
4. В каких случаях рассчитывается среднелогарифмический температурный перепад?
5. В каких случаях среднелогарифмический температурный перепад заменяется среднеарифметическим?
6. Что такое рекуперативные теплообменники? Назовите области их применения.
7. 10.По каким признакам классифицируется топливо?
8. Из каких элементов состоит твердое и жидкое топливо?
9. Что такое теплотворная способность топлива?
10. Как сера влияет на экологию окружающей среды и хвостовые поверхности котлоагрегатов (дымоходы)?
11. Какое топливо называется условным и как производится пересчет расхода топлива на условное?
12. Что называется горением?
13. Как теоретически рассчитывается количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива?
14. Что такое коэффициент избытка воздуха и как он определяется?
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РГР И КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ
Исходные данные для выполнения выбираются из таблиц, приведенных после каждого условия по двум последним цифрам шифра зачетной книжки.
Контрольную работу необходимо оформлять в соответствии с требованиями «Положения о порядке оформления студенческих работ».
Образец оформления титульного листа контрольной работы в Приложении А.
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА 1
(очная форма обучения, 5 семестр)
Контрольная работа 1
(заочная форма обучения)
Задание 1
В первую ступень двухступенчатого компрессора засасывается Vм3/с воздуха при температуре всасывания t1и давлении р1. Давление сжатого воздуха в ступенях р2 и р3.
Найти температуру и объем воздуха в конце сжатия в каждой ступени и мощность, затрачиваемую на получение сжатого воздуха в трех вариантах: при сжатии по изотерме, адиабате (k= 1,4) и политропе (n= 1,2). Определить степень повышения давления в каждой ступени. Изобразить процессы сжатия воздуха в компрессоре в vp- и sT-диаграммах.
Таблица 1 – Исходные данные к заданию 1 контрольной работы 1
Предпоследняя цифра шифра | V, м3/с | t1, °С | Последняя цифра шифра | р1, МПа | р2, МПа | р3, МПа |
0,20 | 0,10 | 0,80 | 1,6 | |||
0,19 | 0,11 | 0,81 | 1,61 | |||
0,18 | 0,12 | 0,82 | 1,62 | |||
0,17 | 0,13 | 0,83 | 1,63 | |||
0,16 | 0,14 | 0,84 | 1,64 | |||
0,15 | 0,15 | 0,85 | 1,65 | |||
0,21 | 0,09 | 0,79 | 1,59 | |||
0,22 | 0,08 | 0,78 | 1,58 | |||
0,29 | 0,07 | 0,77 | 1,56 | |||
0,24 | 0,06 | 0,76 | 1,57 |
Литература: [1], с. 25-37; [2], с. 38-40; [3], с. 14-35; [4], с. 263-285.
Контрольные вопросы
1. Какой процесс сжатия является самым выгодным и при каком процессе затрачивается наибольшая работа на привод компрессора?
2. Для чего применяется многоступенчатое сжатие и в чем его преимущество?
Методические указания
При решении задач по расчету термодинамических процессов сжатия в поршневых компрессорах полностью используются зависимости параметров при адиабатном, изотермическом и политропном процессах. Вместе с тем необходимо обратить внимание на особенности рабочих процессов в компрессоре по сравнению с круговым процессом.
Определив значения конечных температур, объемов и теоретических мощностей, можно вычислить работу, затрачиваемую на привод компрессора. В общем виде затраченная работа на получение 1 кг сжатого воздуха определяется по формуле:
. (1)
Работа сжатия рабочего тела в компрессоре при сжатии по изотерме:
, (2)
где - степень повышения давления в ступенях и для данной задачи: , - степени повышения давления в І и ІІ ступенях соответственно.
Работа сжатия рабочего тела в компрессоре при сжатии по политропе:
; (3) Работа сжатия рабочего тела в компрессоре при сжатии по адиабате:
. (4)
Мощность определяется по формуле:
,
где - массовый расход рабочего тела, кг/с.
Пример выполнения задания 1
Дано: V=0,2 м3/с; t1= 27 оС; р1= 0,1 МПа; р2 = 0,8 Мпа; р3 = 1,6 МПа.
Р |
v |
T |
s |
Р1 |
Р1 |
Р2 |
Р2 |
Р3 |
Р3 |
2ад |
2ад |
2пд |
2ид |
2пд |
2ид |
3ид |
3ид |
3пд |
3пд |
3ад |
3ад |
Решение
Точка 1. Р1= 0,1МПа, Т1= 27+273 = 300 К, м3/кг.
Степень повышения давления в ступенях:
Iступень: IIступень:
Общая:
Массовый расход воздуха: кг/с.
Изотермическое сжатие:
300 К
м3/кг. 0,054м3/кг.
287,3∙300 кДж/кг.
Мощность:
кВт.
Политропное сжатие:
К.
К
м3/кг. м3/кг кДж/кг.
кВт.
Адиабатное сжатие:
К.
К
м3/кг. м3/кг.
кДж/кг.
кВт
Задание 2
Для идеального цикла двигателя внутреннего сгорания с изохорным (изобарным) подводом теплоты определить параметры рабочего тела в характерных точках цикла, количество подведенной и отведенной теплоты, полученную работу и термический КПД, если начальные параметры рабочего тела р1, t1, степень сжатия eи степень повышения давления l(степень предварительного расширения r), рабочее тело – воздух. Сравнить данный цикл с изохорным (изобарным) процессом подвода теплоты с циклом Дизеля (Отто) при условии равенства отведенной теплоты сравниваемых циклов и степени сжатия циклов ( ). Изобразить циклы в и - координатах.
Принять сvm= 0,72 кДж/кг×К, срm= 1,01 кДж/кг×К.
Таблица 2 – Исходные данные к заданию 2контрольной работы 1
Предпоследняя цифра шифра | p1, МПа | t1, oC | Последняя цифра шифра | e | l | r | Способ подвода теплоты |
0,10 | 4,0 | 3,5 | - | Изохорный | |||
0,11 | 14,0 | - | 1,8 | Изобарный | |||
0,12 | 3,8 | 3,3 | - | Изохорный | |||
0,13 | 13,8 | - | 1,6 | Изобарный | |||
0,14 | 3,6 | 3,0 | - | Изохорный | |||
0,15 | 13,6 | - | 1,4 | Изобарный | |||
0,16 | 3,4 | 2,8 | - | Изохорный | |||
0,17 | 13,4 | - | 1,3 | Изобарный | |||
0,18 | 3,2 | 2,5 | - | Изохорный | |||
0,19 | 13,2 | - | 1,2 | Изобарный |
Литература: [1],с. 42-44; [2], с. 31-34; [3], с. 84-89; [4], с. 503-509.
Контрольные вопросы
1. Изобразите в vp- и sT-диаграммах цикл Тринклера и дайте краткое описание каждого процесса цикла.
2. Чему равен термический КПД двух- и четырехтактных ДВС и каковы пути его повышения?
Методические указания
Расчет идеального цикла двигателя внутреннего сгорания основан на зависимостях параметров термодинамических процессов цикла.
Расчет цикла теплового двигателя следует начинать с изображения его в vp- и sT-диаграммах. За исходную точку принимают начало сжатия воздуха в цилиндре двигателя. Пронумеровав по часовой стрелке все процессы цикла, необходимо дать краткое описание каждого процесса с указанием начальных и конечных параметров его состояния.
Количество подведенного и отведенного тепла q1 и q2, работа цикла l и термический КПД цикла определяются по вычисленным параметрам в характерных точках. Следует произвести сравнение циклов ДВС в соответствии с заданием.
Пример выполнения задания 2
Дано: Р1= 0,17 Мпа; t1= 29 оС; e=3,4; = 2,8; подвод теплоты при ;
R=287,3 Дж/кг∙К, ср=1,01Дж/кг∙К, сv= 0,72 Дж/кг∙К.
Решение
Точка 1. Р1= 0,17 МПа, Т1= 29+273=302 К, м3/кг
Точка 2. м3/кг
= МПа К.
Точка 3. Процесс 2-3 – изохорный. Соотношение параметров в изохорном процессе:
м3/кг
.
К, МПа
Точка 4. =0,51 м3/кг
МПа. К.
Подведенная теплота: кДж/кг
Отведенная теплота: = кДж/кг
Работа цикла: 638- 382 = 256 кДж/кг
Термический КПД цикла: .
В цикле с изобарным подводом теплоты: МПа
К
кДж/кг
<
Задание 3
Для идеального цикла газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты и полной регенерацией определить параметры рабочего тела в характерных точках, количество подведенной и отведенной теплоты, полезную работу, термический КПД, если начальные параметры рабочего тела р1 и t1, степень повышения давления в компрессоре bи температура рабочего тела в конце подвода теплоты t3.
Рабочее тело – воздух. Теплоемкость принять постоянной.
Таблица 3 – Исходные данные к заданию 3контрольной работы 1
Предпоследняя цифра шифра | p1,МПа | t1, oC | Последняя цифра шифра | t3, °С | b |
0,1 | 6,0 | ||||
0,11 | 6,1 | ||||
0,12 | 6,2 | ||||
0,13 | 6,3 | ||||
0,14 | 6,4 | ||||
0,15 | 6,5 | ||||
0,16 | 5,9 | ||||
0,17 | 5,8 | ||||
0,18 | 5,7 | ||||
0,19 | 5,6 |
Литература: [1],с. 49-51; [2], с. 31-34; [3], с. 89-92; [4], с. 509-518.
Контрольные вопросы
1. Что такое полная регенерация?
2. Чему равен термический КПД современной ГТУ и каковы пути его повышения?
Методические указания
Расчет идеального цикла газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты следует начать с определения основных параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла. В циклах ГТУ отвод теплоты от рабочего тела производят не по изохоре, как это имеет место в ДВС, а по изобаре, т.е. продукты сгорания топлива расширяются до атмосферного давления.
При расчете цикла необходимо графически изобразить цикл ГТУ без регенерации и с регенерацией в pv- и sT-диаграммах.
Одним из путей повышения КПД ГТУ является использование регенерации теплоты путем подогрева воздуха в регенераторе отработанными в турбине газами. Если предположить, что охлаждение газов в регенераторе происходит до температуры нагреваемого воздуха, то регенерация будет полной. Степень регенерации зависит от конструкции теплообменника и величины рабочих поверхностей.
Анализ полученных результатов сводится к сравнению термических КПД циклов и оценке его повышения за счет регенерации теплоты.
Пример выполнения задания 3
Дано: р1= 0,1 МПа; t1= 15 оС; b = 6,0; t3 = 600 оС; R=287,3 Дж/кг∙К; ср=1,01Дж/кг∙К
Решение
|
Точка 1. Р1= 0,1 МПа , Т1= 15+273=288К, м3/кг.
Точка 2. МПа.
= м3/кг. К.
Точка 3. Т3 = 600+273 = 873К; 0,6 МПа;
м3/кг.
Точка 4. = 0,1МПа;
К; м3/кг.
В цикле без регенерации:
Подведенная теплота:
=1,01(873-480) = 396,93 кДж/кг.
Отведенная теплота:
= кДж/кг.
Работа цикла:
396,93–237,35= 159,58 кДж/кг.
Термический КПД цикла:
В цикле с регенерацией: ;
Подведенная теплота:
=1,01(873-523) = 353,5кДж/кг.
Отведенная теплота:
= 1,01(480-288)=193,92кДж/кг.
Работа цикла:
353,5 –193,92= 159,58 кДж/кг.
Термический КПД цикла:
Задание 4
В котельной установке при сжигании топлива при температуре t1выделяется q1количества теплоты, необходимой для получения перегретого пара с температурой t1¢. Температура окружающей среды t2.
Определить изменение энтропии, потерю эксергии, и эксергетический КПД в процессе теплообмена между продуктами сгорания и паром, оценить степень термодинамического совершенства котельной установки.
Таблица 4 – Исходные данные к заданию 4контрольной работы 1
Предпоследняя цифра шифра | q1, кДж/кг | t1, °С | Последняя цифра шифра | t1¢, °С | t2, °С |
Литература: [1],с. 37-41; [2], с. 7-9; [3], с. 41-48; [4], с. 144-149.
Контрольные вопросы
1. Назовите виды необратимости в реальных циклах тепловых двигателей. Чем обусловлен каждый из них?
2. Как определяется максимальная работоспособность теплоты и потеря работоспособности в необратимых циклах?
Методические указания
В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов, поэтому анализ циклов теплосиловых установок осуществляется в два этапа: сначала анализируется теоретический (обратимый) цикл, затем реальный (необратимый) цикл с учетом основных источников необратимости.
Прежде чем приступить к решению задачи необходимо изучить виды необратимостей реальных тепловых двигателей. как известно, возрастание энтропии изолированной системы, в которой протекают необратимые процессы, неразрывно связано с потерей работоспособности. При этом следует определить максимальную работоспособность за счет теплоты (эксергию теплоты) термодинамической системы:
, (5)
затем найти работоспособность системы с учетом необратимости:
. (6)
Потерю эксергии (работоспособности) определить по разности эксергий:
. (7)
Возрастание энтропии определяется из уранения Гюи-Стодолы:
. (8)
В заключение определяют эксергетический КПД котельной установки:
. (9)
Пример выполнения задания 4
Дано: t1= 1900 оС; q1 = 32000 кДж/кг; t1¢= 500 оС; t2= 20 оС. .
Решение
1900+273=2173 К; 500+273=773 К; 20+273 = 293 К. Максимальная работоспособность (эксергия) обратимого цикла Карно в интервале температур от до :
кДж/кг.
Работоспособность необратимого цикла Карно в интервале температур от до :
кДж/кг.
Потеря работоспособности:
кДж/кг.
Возрастание энтропии:
кДж/кг∙К.
эксергетический КПД: .
Задание 5
Определить параметры рабочего тела в характерных точках цикла Ренкина, количество подведенной и отведенной теплоты, работу цикла, теоретическую мощность турбины, термический КПД, если давление в котле р1, температура пара перед турбиной и t1, давление конденсации пара р2, расход пара М.
Таблица 5 – Исходные данные к заданию 5контрольной работы 1
Предпоследняя цифра шифра | p1, МПа | р2, МПа | Последняя цифра шифра | t1, oC | М, т/ч |
10,0 | 0,0060 | ||||
11,0 | 0,0080 | ||||
12,0 | 0,0095 | ||||
13,0 | 0,010 | ||||
14,0 | 0,012 | ||||
9,5 | 0,0055 | ||||
9,0 | 0,0050 | ||||
8,5 | 0,0045 | ||||
8,0 | 0,0040 | ||||
8,5 | 0,0070 |
Литература: [1], с. 56-60; [2], с. 34-36; [3], с. 92-95; [4], с. 518-525.
Контрольные вопросы
1. Чем отличается цикл Ренкина от цикла Карно?
2. Чему равен термический КПД действующих паросиловыхустановок (ПСУ) и каковы пути его повышения?
Методические указания
В отличие от газовых циклов (ДВС, ГТУ) в паровых циклах паросиловых установок в качестве рабочего тела используется водяной пар, агрегатное состояние которого изменяется в зависимости от параметров рабочего тела (вода, влажный пар, перегретый пар). Теоретическим циклом ПСУ является цикл Ренкина.
Параметры в характерных точках цикла необходимо определять с помощью таблиц водяного пара (Приложение Б) и si-диаграммы (Приложение В).
При расчете подведенной теплоты следует помнить, что подвод теплоты осуществляется при постоянном давлении в процессе подогрева воды до кипения, при парообразовании и перегреве пара, т.е. по теплоперепаду в конце перегрева пара и в начале подогрева воды.
Работу цикла можно принять равной работе турбины ввиду малости работы, затрачиваемой на привод питательного насоса, поэтому работа турбины тоже будет оцениваться по теплоперепаду пара на входе и на выходе из турбины.
При вычислении теоретической мощности турбины расход пара следует брать в килограммах в секунду. Расчет цикла сопровождается графическим изображением цикла в vp- и sT-диаграммах с показом на графике нижней и верхней пограничных кривых и соответствующих степеней сухости.
Также следует нанести видимую часть цикла на si-диаграмму.
Пример выполнения задания 5
Дано: р1 = 10 МПа; t1= 500 оС; р2 = 0,0060 МПа; М =1200 т/ч.
Решение
Точка 1. Пар перегретый (по si-диаграмме)
Р1= 10 МПа, t1= 500 оС, i1 = 3375 кДж/кг, s1= 6,6кДж/кг∙К.
Точка 2 . Пар влажный (по si-диаграмме)s2=s1=6,6кДж/кг∙К, р2 = 0,006МПа,
i2 = 2030кДж/кг, v2 = 18,5м3/кг, t2= 36,16оС.
Точка 3. Конденсат (по таблице водяного пара)Р3= р2 = 0,006МПа, s3=0,52кДж/кг∙К,
i3 = 151,5 кДж/кг, v2 = 0,001м3/кг, t3= t2=36,16оС.
i'3≈i3= 151,5 кДж/кг.
Точка 4. Кипящая жидкость (по таблице водяного пара)Р4=Р1=10МПа, s4=3,4кДж/кг∙К,
i3 = 1408кДж/кг, v3 = 0,00145м3/кг, t4= 311 оС.
Точка 5. Сухой насыщенный пар (по таблице водяного пара)Р5=Р1=10МПа,
s5=5,6кДж/кг∙К, i5 = 2725 кДж/кг, v2 = 0,018м3/кг, t5=t4= 311 оС.
Подведенная теплота:
3375-151,5=3223,5 кДж/кг.
Отведенная теплота: 2030-151,5= 1878,5кДж/кг.
Работа цикла: 3223,5–1878,5= 1345кДж/кг.
Термический КПД цикла:
Теоретическая мощность турбины:
МВт.
Задание 6
Воздушная холодильная установка работает при давлениях р1 и р2 и при холодопроизводительности Q2 поддерживает температуру в охлаждаемом помещении t1. Температура окружающей среды t3.
Определить мощность двигателя и детандера, расход воздуха, холодильный коэффициент цикла, полагая, что воздух перед компрессором нагревается до температуры охлаждаемого помещения, перед детандером охлаждается до температуры окружающей среды.
Рабочее тело – воздух. Принять срm= 1,01 кДж/кг×К.
Таблица 6– Исходные данные к заданию 6 контрольной работы 1 | ||||||
Предпоследняя цифра шифра | р1, МПа | р2, МПа | Последняя цифра шифра | t1, °С | t3, °С | Q2, кВт |
0,10 | 0,40 | |||||
0,11 | 0,39 | 0,5 | ||||
0,12 | 0,38 | 1,0 | ||||
0,13 | 0,37 | 1,5 | ||||
0,14 | 0,36 | 2,0 | ||||
0,15 | 0,35 | -0,5 | ||||
0,16 | 0,34 | -1,0 | ||||
0,17 | 0,33 | -1,5 | ||||
0,18 | 0,32 | -2,0 | ||||
0,19 | 0,31 | -2,5 |
Литература: [1], с. 60-61; [2], с. 36-38; [3], с. 103-105; [4], с. 531-540.
Контрольные вопросы
1. Назовите способы получения “машинного” холода в судовых условиях.
2. В чем различие между влажным и сухим процессом в компрессорной холодильной установке?
Методические указания
В отличие от тепловых двигателей холодильные установки работают не по прямому, а по обратному циклу, в котором работа расширения рабочего тела меньше работы сжатия, поэтому для осуществления обратного цикла требуется затрата работы внешнего источника.
В воздушной холодильной установке используется охлаждающий эффект расширения сжатого воздуха. В процессе его расширения в детандере температура воздуха опускается значительно ниже температуры окружающей среды. Работа компрессора и детандера соответственно:
; (10)
. (11)
Работа, затраченная на совершение цикла, равна разности работ компрессора и детандера.
Цикл воздушной холодильной установки состоит из адиабатного сжатия воздуха в компрессоре, изобарного охлаждения сжатого воздуха в охладителе, адиабатного расширения воздуха в детандере и изобарного подвода теплоты к воздуху тел, подлежащих охлаждению. Определение параметров цикла в характерных точках в указанных процессах аналогично определению параметров газовых циклов.
Пример выполнения задания 6
Дано: р1= 0,1 МПа; р2 = 0,4 МПа; Q2 = 200 кВт; t1 = 0 оС; t3 = 17 оС; срm= 1,01 кДж/кг×К.
Решение
Р |
v |
T |
s |
q1 |
q2 |
q1 |
q2 |
Точка 1. Р1= 0,1 МПа К
Точка 2. 0,4МПа
К.
Точка 3. 0,4МПа К.
Точка 4. 0,1МПа.
К.
Теплота, отданная воздухом в окружающую среду:
117,16 кДж/кг.
Теплота, полученная воздухом от охлаждаемых тел:
78,78 кДж/кг.
Затраченная в цикле работа:
117,16-78,78 =38,38 кДж/кг.
Холодильный коэффициент:
Массовый расход воздуха:
Работа компрессора:
134,33 кДж/кг.
Работа детандера:
95,95 кДж/кг.
Работа двигателя:
- =134,33 –95,95 = 38,38 кДж/кг.
Мощность двигателя:
кВт.
Мощность детандера:
кВт.