Вода, водяной пар и его свойства

Тема 2. Основы теплотехники.

Теплотехника - это наука, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты. Тепловая энергия получается при сжигании органических веществ, называемых топливом.

Основы теплотехники составляют:

1. Термодинамика - наука, изучающая превращение энергии тепла в другие виды энергии (например: тепловая энергия в механическую, хими­ческую и т. д.)

2. Теплопередача - изучает теплообмен между двумя теплоносите­лями через поверхность нагрева.

Рабочим телом является теплоноситель (водяной пар или горячая вода), который способен передавать теплоту.

В котельной теплоносителем (рабочим телом) является горячая вода и водяной пар с температурой 150°С или водяной пар стемпературой до 250°С. Для отопления жилых и обще­ственных зданий используется горячая вода, это связано, с санитарно-гигиеническими условиями, возможностью легкого изменения ее темпера­туры в зависимости от температуры наружного воздуха. Вода обладает значительной плотностью по сравнению с паром, что позволяет передавать на большие расстояния значительное количество тепла при небольшом объеме теплоносителя. В систему отопления зданий вода подается с тем­пературой не выше 95°С во избежание пригорания пыли на приборах ото­пления иожогов от систем отопления. Пар используется для отопления промышленных зданий и в производственно-технологических системах.

Параметры рабочего тела

Теплоноситель, получая или отдавая тепловую энергию, изменяет свое состояние.

Например: Вода в паровом котле нагревается, превращается в пар, ко­торый имеет определенную температуру и давление. Пар поступает в па­роводяной подогреватель, сам охлаждается, превращается в конденсат. Температура нагреваемой воды увеличивается, температура пара и конден­сата понижается.

Основными параметрами рабочего тела являются температура, давление, удельный объем, плотность.

t, P- определяется приборами: манометрами, термометрами.

Удельный объем и плотность является расчетной величиной.

1. Удельный объем - объем занимаемый единицеймассы вещества при

0°С и атмосферном давлении 760 мм.рт.ст. (при нормальных условиях)

где: V- объем (м³); m- масса вещества (кг); стандартное условие: Р=760мм р.ст. t=20^оС

2. Плотность - отношение массы вещества к его объему. каждое вещество имеет свою плотность:

В практике применяется относительная плотность – отношение плотности данного газа к плотности стандартного вещества (воздуха) при нормальных условиях (t° = 0°С: 760 мм. рт.ст.)

Сравнивая плотность воздуха с плотностью метана, мы можем определить из каких мест брать пробу на наличие метана.

получаем,

газ легче воздуха, значит, он заполняет верхнюю часть любого объема, проба берется из верхней части топки котла, колодца, камер, помещения. Газоанализаторы устанавливаются в верхней части помещений.

(мазут легче, занимает верхнюю часть)

Плотность угарного газа почти, такая как у воздуха, поэтому проба на угарный газ берется в 1.5 метров от пола.

3. Давление - эта сила, действующая на единицу площади поверхности.

Давление силы, равной 1Н, равномерно распределенное на поверх­ности 1м²принято за единицу давления и равно 1Па (Н/м²) в системе СИ (сейчас в школах, в книгах все идет в Па, приборы тоже стали в Па).

Величина Па мала по значению, пример: если взять 1 кг воды разлить на 1 метр получаем 1 мм.в.ст. ,поэтому вводятся множители и приставки- МПа, КПа…

В технике применяются более крупные единицы измерения

1кПа=10³Па; 1МПа=10^бПа; 1ГПа=10⁹Па.

Вне системные единицы измерения давления кгс/м²; кгс/см²;мм.в.ст;мм.р.ст.

1 кгс/м² = 1 мм.в ст =9,8 Па

1 кгс/см² = 9,8^.10⁴ Па ~ 10⁵ Па = 10⁴ кгс/м²

Давление не редко измеряют в физических и технических атмосферах.

Физическая атмосфера - среднее давление атмосферного воздуха на уровне моря при н.у.

(t =P= ).

1атм = 1,01325 ^.10⁵ Па = 760 мм рт.ст. = 10,33 м вод. ст = 1,0330 мм в. ст. = 1,033 кгс/ см².

Техническая атмосфера-давление вызываемое силой в 1кгс равномерно распределенное по нормальной к ней поверхности площадью в 1см² .

1ат = 735 мм рт. ст. = 10 м. в. ст. = 10.000 мм в. ст. = =0,1 МПа= 1 кгс/см²

1 мм в. ст. - сила, равная гидростатическому давлению водяного сто­лба высотой в 1 мм на плоское основание 1мм в. ст = 9,8 Па.

1 мм. рт. ст - сила, равная гидростатическому давлению столба ртути высотой 1 мм на плоское основание. 1 мм рт. ст. = 13,6 мм. в. ст.

В технических характеристиках насосов вместо давления употреб­ляется термин напор. Единицей измерения напора является м. вод. ст. Например: Напор создаваемый насосом равен 50 м вод. ст. это значит, он может поднять воду на высоту 50 м.

Виды давления: избыточное, вакуум (разрежение, тяга), абсолютное, атмосферное.

Если стрелка отклоняется в строну большую нуля то это избыточное давление, в меньшую – разряжение.

Абсолютное давление:

Р_абс=Р_изб+Р_атм

Р_абс=Р_вак+Р_атм

Р_абс=Р_атм-Р_разр

где: Р_атм=1 кгс/см²

Понятия:

Атмосферное давление - среднее давление атмосферного воздуха на уровне моря при t° =0°С и нормальном атмосферном Р =760 мм. рт. ст.

Избыточное давление - давление выше атмосферного (в замкнутом объеме). В котельных под избыточным давлением находятся вода, пар в котлах и трубопроводах. Р_изб. измеряется приборами манометрами.

Вакуум (Разрежение) - давление в замкнутых объемах меньше атмосферного (вакуум). Топки и дымоходы котлов находятся под разрежением. Разрежение измеряется приборами тягомерами.

Абсолютное давление - избыточное давление или разрежение с уче­том атмосферного давления.

По назначению давление бывает:

1). Русловное - наибольшее давление при t=20^oС

2). Ррабочее – максимально избыточное давление в котле, при котором обеспечивается длительная работа котла при нормальных условиях эксплуатации (указывается в производственной инструкции).

3). Рразрешенное - максимально допустимое давление, установленное по результатам технического освидетельствования или контрольного расчета на прочность.

4). Ррасчетное – максимально избыточное давление, на котором производится расчет прочность элементов котла.

5). Рпробное - избыточное давление, при котором производят гидравлические испытания элементов котла на прочность и плотность (один из видов технического освидетельствования).

4. Температура - это степень нагретости тела, измеряется в градусах. Определяет направление самопроизвольной передачи тепла от более нагретого к менее нагретому те­лу.

Передача тепла будет иметь место до того момента пока температуры не станут равными, т. е. наступит температурное равновесие.

Используются две шкалы: международная - Кельвина и практическая Цельсия t °С.

За ноль в этой шкале принята температура плавления льда, за сто градусов – температура кипения воды при атм. давлении (760 мм рт. ст.).

За начало отсчета в термодинамической шкале температур Кельвина применят абсолютный нуль (низшая теоретически возможная температура, при которой отсутствует движение молекул). Обозначается Т.

0K=-273,16°С

1 Кельвин по величине равен 1° шкалы Цельсия

Температура таяния льда равна 273К. Температура кипения воды равна 373К

Т=t + 273; t = T-273

Температура кипения зависит от давления.

Например, При Р_абc =1,7 кгс/см². Вода кипит при t =115°С.

5. Теплота - энергия, которая может передаваться от более нагретого те­ла к менее нагретому.

В системе СИ единицей измерения теплоты и энергии является Джоуль (Дж). Внесистемная единица измерения теплоты - калория (кал.).

1 кал. - количество теплоты необходимое для нагрева 1 г Н₂О на 1°С при

Р =760 мм. рт.ст.

1 кал. =4,19Дж

6.Теплоемкость –способность тела поглощать теплоту. Для того чтобы два различных вещества с одинаковой массой нагреть до одинаковой температуры, нужно затратить различное количество теплоты.

Удель­ная теплоемкость воды – количество тепла которое необходимо сообщить единицей вещества чтобы повысить его t на 1°С, равна 1 ккал/кг град.

Способы передачи теплоты.

Различают, три способа переноса теплоты:

1.теплопроводность;

2.излучение (радиация);

3.конвекция.

Теплопроводность-

- перенос теплоты вследствие теплового движе­ния молекул, атомов и свободных электронов.

Каждое вещество имеет свою теплопроводность, она зависит от хими­ческого состава, структуры, влажности материала.

Количественной характеристикой теплопроводности является коэф­фициент теплопроводности этоколичество теплоты, передаваемые через единицу поверхности нагрева в единицу времени при разности t в ^оС и толщине стенки в 1 метр.

Коэффициент теплопроводности ( ):

_медь= 330 ккал ^. м/м ^2.ч ^. град

_чугун= 5 4 ккал ^. м/м ^2.ч ^. град

_сталь =39 ккал ^. м/м ^2.ч ^. град

Видно что: хорошей теплопроводностью обладают металлы, лучше всего медь.

_асбест=0,15 ккал ^. м/м ^2.ч ^. град

_сажа=0,05-0, ккал ^. м/м ^2.ч ^. град

_накипь=0,07-2 ккал ^. м/м ^2.ч ^. град

_воздух=0,02 ккал ^. м/м ^2.ч ^. град

Слабо проводят теплоту пористые тела (асбест, сажа, накипь).

Сажа затрудняет передачу тепла от топочных газов к стенке котла (проводит тепло хуже стали в 100 раз), что приводит к перерасходу топлива, снижению выработки пара или горячей воды. При наличии сажи повышается температура уходящих газов. Все это ведет и уменьшению КПД котла. При работе котлов ежечаснопо приборам (логометр) контролируется t_{ух.газов}, значения которых указаны в режимной карте котла. Если t_{ух.газов} повысилась то производится обдувка поверхности нагрева.

Накипь образуется внутри труб (в 30-50 раз хуже проводит тепло, чем сталь), тем самым уменьшает теплопередачу от стенки котла к воде, в резуль­тате стенки перегреваются, деформируются, разрываются (разрыв труб котла). На­кипь в 30-50 раз хуже проводит тепло, чем сталь

Конвекция -

- перенос теплоты перемешиванием или перемещением частиц между собой (характерна только для жидкостей и газов). Различают конвекцию естественную и принудительную.

Естественная конвекция - свободное движение жидкости или газов за счет разности плотностей неравномерно нагретых слоев.

Принудительная конвекция - вынужденное движение жидкости или газов за счет давления или разрежения, создаваемых насосами, дымосо­сами и вентиляторами.

Способы увеличения конвективного теплообмена:

§ Увеличение скорости потока;

§ Турбулизация (завихрение);

§ Увеличение поверхности нагрева (за счет установки ребер);

§ Увеличение разности температур между греющей и нагреваемой средами;

§ Противоточное движение сред (противоток) .

Излучение (радиация)-

- теплообмен между телами находящимися на расстоянии друг от друга за счет лучистой энергии, носителями которой являются электромагнитные колебания: происходит превращение тепловой энергии в лучистую и наоборот, из лучистой в тепловую.

Излучение наиболее эффективный способ передачи теплоты, особенно если изучающее тело имеет высокую температуру, а лучи на­правлены перпендикулярно к нагреваемой поверхности.

Для улучшения теплообмена излучением в топках котлов выкладываются из огнеупорных материалов специальные щели, которые одновременно являются излучателями теплоты и стабилизаторами горения.

Поверхность нагрева котла – поверхность, с которой с одной стороны омывается газами с другой стороны водой.

Рассмотренные выше 3 вида теплообмена в чистом виде встреча­ются редко. Практически один вид теплообмена сопровождается другим. В котле присутствуют все три вида теплообмена, который называется сложным теплообменом.

В топке котла:

А) от факела горелки к внешней поверхности труб котла- излучением.

Б) от образующихся дымовых газов к стенке –конвекцией

В) от внешней поверхности стенки трубы к внутренней- теплопроводностью.

Г) от внутренней поверхности стенки трубы к воде, циркуляцией вдоль поверхности – конвекцией.

Перенос теплоты от одной среды к другой через разделительную стенку называется теплопередачей.

Вода, водяной пар и его свойства

Вода простейшая устойчивая в обычных условиях химическое соединение водорода с кислородом, наибольшая плотность воды 1000кг/м³ при t=4^оС.

Вода, как и всякая жидкость, подчиняется гидравлическим законам. Она почти не сжимается, поэтому обладает способностью передавать давление, оказываемое на нее во все стороны с одинаковой силы. Если несколько сосудов разной формы соединить между собой, то уровень воды будет одинаковый везде (закон сообщающихся сосудов).