Циклы паросиловых установок

Принципиальная схема паросиловой установки. Циклы Карно и Ренкина и их исследование. Влияние начальных и конечных параметров на термический КПД цикла Ренкина. Изображение цикла в - , - и - диаграммах. Пути повышения экономичности паросиловых установок, теплофикационный цикл. Бинарный и парогазовый циклы. Понятие о циклах атомных силовых установок.

Методические указания.

Рассматривая циклы паросиловых установок, следует обратить внимание на вопросы: а) почему для пара цикл Карно не применяется, хотя изотермические процессы с влажным паром осуществляются достаточно просто? б) каковы преимущества цикла Ренкина перед циклом Карно? в) каковы способы повышения экономичности паросиловой установки?

Литература: [1, с. 65—69]; [2, с. 103—121].

Вопросы для самопроверки. 1. Как изображается работа насоса в - диаграмме для цикла Ренкина и цикла Карно? 2. От каких параметров и как зависит цикла Ренкина? 3. Как меняется степень сухости пара за турбиной при увеличении давления пара турбиной при постоянной начальной температуре? В чем вред работы турбины на паре с большой степенью влажности? 4. Как влияет начальная температура перегретого пара на степень сухости его при выходе из турбины? 5. Для чего применяется вторичный перегрев пара? 6. Что дает и как осуществляется регенеративный подогрев питательной воды? 7. Что дает применение парогазовых циклов? 8. Как влияет на КПД цикла Ренкина и на степень сухости пара за турбиной процесс дросселирования перед турбиной? 9. В чем сущность и экономическая целесообразность совместной выработки электроэнергии и теплоты? 10. Какой параметр характеризует экономичность работы теплоэлектроцентрали?

Циклы холодильных машин

Циклы холодильных установок. Холодильный коэффициент и холодопроизводительность. Циклы паровой и воздушной компрессорной холодильной установки. Характеристики холодильных агентов, применяемых в паровых холодильных установках. Понятие об абсорбционных и пароэжекторных холодильных установках.

Методические указания.

При изучении циклов различных холодильных установок следует обратить внимание на то, что как для тепловых двигателей, так и для холодильных машин эталоном является цикл Карно. Термический КПД цикла Карно определяется формулой ,

где — температура холодильника (она же — минимальная температура термодинамической системы); — температура горячего источника (она же — максимальная температура системы). Термические КПД любых циклов сравниваем с цикла Карно в этих же пределах температур. Для холодильных установок холодильником является внешняя атмосфера или охлаждающая вода, у которой температура ниже температуры хладагента, а источником теплоты — содержимое холодильной камеры, у которого температура выше температуры хладагента. Поэтому эквивалентным циклом Карно для холодильной установки будет цикл, осуществляемый не между и (в случае холодильных компрессорных установок — температура хладагента после детандера, а — температура хладагента после компрессора), а между температурами холодильника (воздух, вода) и источника (охлаждаемые предметы в холодильной камере).

Кроме того, необходимо уяснить, почему в воздушных компрессорных установках не применяется процесс дросселирования, почему паровые компрессорные установки имеют холодильный коэффициент значительно больший, чем воздушные.

Литература: [2, с, 151 — 160].

Вопросы для самопроверки. 1. Какой параметр характеризует эффективность холодильной установки? 2. Каковы основные недостатки воздушной компрессорной холодильной установки? 3. Изобразите в - диаграмме цикл воздушной компрессорной холодильной установки и эквивалентный ей обратный цикл Карно. 4. Почему в паровых холодильных установках целесообразно применять процесс дросселирования, а в воздушных — адиабатное расширение в турбине? 5. Какими свойствами должны обладать хладоагенты? 6. Какими способами получают сжиженные газы.

ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМЕНА

Основные понятия и определения

Предмет и задачи теории теплообмена. Значение теплообмена в промышленных процессах. Основные понятия и определения. Виды переноса теплоты. Теплопроводность, конвекция и излучение. Сложный теплообмен.

Литература: [1, с. 72—73]; [2, с. 161 — 163].

Теплопроводность

Основные положения учения о теплопроводности. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Механизм передачи теплоты в металлах, диэлектриках, полупроводниках, жидкостях и газах. Дифференциальное уравнение теплопроводности для однородных изотропных тел; условия однозначности. Коэффициент температуропроводности.

Теплопроводность при стационарном режиме. Теплопроводность однослойной и многослойной плоской и цилиндрической стенок при граничных условиях I рода. Теплопроводность сферической стенки. Теплопроводность при стационарном режиме и граничных условиях III рода (теплопередача). Теплопередача через однослойную и многослойную плоскую и цилиндрическую стенки; коэффициент теплопередачи. Пути интенсификации процесса теплопередачи. Критический диаметр тепловой изоляции. Выбор целесообразного материала тепловой изоляции.

Нестационарный процесс теплопроводности. Методы решения задач нестационарной теплопроводности. Охлаждение (нагревание) неограниченной пластины. Граничные условия I, II и III рода. Регулярный режим охлаждения (нагревания) тел. Теплопроводность тела с внутренними источниками теплоты. Основы расчета задач теплопроводности на ЭВМ.

Методические указания.

Рассматривая теплопроводность элементарных тел (пластинка, труба, шар), студент должен уметь применить закон Фурье для каждого случая, т.е. вывести уравнения, определяющие закон распределения температур по толщине стенки и количество теплоты, передаваемой через стенку. При изучении процесса теплопередачи через стенку уметь анализировать влияние отдельных термических сопротивлений на общее сопротивление, а также знать способы уменьшения термических сопротивлений. В нестационарной теплопроводности обратить внимание на решение конкретных задач с помощью критериев и , твердо усвоив их физический смысл и влияние на протекание процессов нагрева или охлаждения.

Литература: [1, с. 73—75, 118—122]; [2, с. 164—177].

Вопросы для самопроверки. 1. Как передается теплота в процессе теплопроводности? 2. Сформулируйте основной закон теплопроводности. 3. Каков закон распределения температуры по толщине плоской и цилиндрической стенок? 4. При каком условии расчет цилиндрической стенки можно заменить расчетом плоской стенки? 5. Всегда ли с увеличением толщины изоляции цилиндрической трубы тепловой поток через нее уменьшается? По какому условию выбирается изоляция трубы? 6. Какова методика расчета нагрева и охлаждения простейших тел с помощью критериев Био и Фурье?

Конвективный теплообмен

Основные положения учения о конвективном теплообмене. Физическая сущность конвективного теплообмена. Уравнение Ньютона — Рихмана.

Основы теории подобия и моделирования. Основные определения. Условия подобия физических явлений. Теоремы подобия. Критериальные уравнения, определяющие критерии. Метод моделирования. Физический смысл основных критериев подобия. Анализ размерностей. Понятие о математическом моделировании.

Теплоотдача при вынужденном движении жидкости. Теплообмен при движении жидкости вдоль плоской поверхности; теплоотдача при ламинарном и турбулентном пограничном слое; расчетные уравнения. Теплоотдача при вынужденном течении жидкости в трубах; теплоотдача при ламинарном и турбулентном течениях жидкости в гладких и шероховатых, прямых и изогнутых трубах, круглого и некруглого сечения. Расчетные уравнения. Теплоотдача при поперечном омывании одиночной круглой трубы. Теплоотдача при поперечном омывании пучков труб коридорно и шахматно-расположенных. Расчетные уравнения.

Теплоотдача при свободном движении жидкости. Теплоотдача при свободном движении жидкости в неограниченном объеме; ламинарная и турбулентная конвекция у вертикальных поверхностей. Естественная конвекция у горизонтальных труб. Расчетные уравнения.

Теплообмен при изменении агрегатного состояния. Теплообмен при конденсации. Пленочная и капельная конденсации. Теплоотдача при конденсации чистых паров. Решение Нуссельта. Расчетные уравнения коэффициента теплоотдачи для вертикальных и горизонтальных труб. Влияние на теплообмен при конденсации присутствующих в паре неконденсирующихся газов.

Теплообмен при кипении; механизм процессов теплообмена при пузырьковом и пленочном режимах кипения. Кризисы кипения. Теплоотдача при пузырьковом и пленочном кипении жидкости в большом объеме.

Расчетные уравнения для определения коэффициента теплоотдачи.

Методические указания.

Наиболее трудным для исследования является конвективный теплообмен. Действительно, для расчета передачи теплоты конвекцией необходимо знать числовые значения коэффициента теплоотдачи для каждого конкретного случая, но не является физической константой, так как этот коэффициент характеризует не отдельное тело, а тепловое взаимодействие двух тел: жидкости (или газа) и твердого тела. Поэтому зависит от большого количества факторов. Система уравнений, определяющая конвективный теплообмен и, следовательно, позволяющая (в принципе) определить , может быть решена только для ограниченного числа простейших случаев и то с определенными допущениями. Получение числовых значений из эксперимента на натуре экономически нецелесообразно: необходимо провести громадное количество опытов, чтобы выяснить влияние на каждого из действующих факторов, причем мы получим ответ лишь для частного случая исследуемого объекта. Дело осложняется еще и тем, что различные величины, от которых зависит , часто связаны между собой; например, при изменении температуры меняется вязкость, теплоемкость, коэффициент теплопроводности и др. Выход из положения дает теория подобия. Она, во-первых, дает возможность проводить эксперименты не на натуре, а на модели, и результаты опытов на модели распространить на все подобные явления; во-вторых, основываясь на системе дифференциальных уравнений конвективного теплообмена, она четко определяет условия подобия физических явлений и процессов. Обработка экспериментальных данных в критериальной форме позволяет выявить главные факторы, влияющие на величину , и отбросить второстепенные. Рассматривая, например, вынужденное движение жидкости в трубе и считая температуру жидкости и стенки трубы различными, можно определить тепловой поток между ними. Для этого необходимо знать коэффициент теплоотдачи . Желательно иметь данные по величине не только для выбранной трубы, рода жидкости и ее скорости, но и для других условий. Это оказывается возможным с помощью теории подобия. Определяемый критерий Нуссельта , в который входит ( ), при вынужденном движении жидкости зависит в основном от двух параметров: критерия Рейнольдса , определяющего характер движения жидкости, и критерия Прандтля , определяющего физические свойства жидкости. Следовательно, . Замеряя величины, входящие в критерии, в серии опытов получим таблицы, определяющие величину (а, следовательно, и ) в зависимости от значений и . Результаты эти обычно представляют приближенно в виде степенной функции

По формулам такого типа обычно и рассчитывают коэффициент теплоотдачи . Студент должен четко уяснить физический смысл основных критериев (Рейнольдса, Прандтля, Грасгофа, Нуссельта) и применять при расчетах те критериальные зависимости, которые соответствуют конкретному виду задачи. Переходя к изучению отдельных видов теплообмена, а также конкретных задач, необходимо внимательно изучить те предположения и допущения, на базе которых строится их решение. Поэтому одной из основных задач студента при изучении этой темы является четкое усвоение ответов на следующие вопросы: 1. Каким образом (с помощью каких исходных аналитических зависимостей) находятся определяющие критерии? 2. Какой критериальной зависимостью следует воспользоваться для конкретного случая расчета коэффициента теплоотдачи ? (Для этого нужно определить характер движения — ламинарный или турбулентный и природу его возникновения — свободное или вынужденное.) 3. Каковы определяющий размер и определяющая температура? (За определяющую температуру при экспериментах выбирается или температура поверхности стенки, или средняя температура жидкости и стенки. На выбор той или иной температуры указывает соответствующий индекс у критериев.) 4. Находятся ли параметры задачи в интервале значений критериев, для которого справедлива выбранная формула?

Литература: [1, с. 79—102]; [2, с. 178—206].

Вопросы для самопроверки. 1. Сформулируйте основной закон теплоотдачи конвекцией. 2. Какой критерий характеризует вынужденную конвекцию? 3. Из каких уравнений выводятся критерии Re, Gr, Pr, Nu? 4. Какой критерий характеризует свободную конвекцию? 5. Что характеризует критерий Нуссельта? 6. Что такое определяющая температура и определяющий размер? 7. Почему при обтекании стенки жидкостью в непосредственной близости от поверхности стенки температурный градиент резко увеличивается? 8. В чем особенности теплоотдачи при кипении воды и конденсации водяного пара? Какие режимы кипения вам известны?

Теплообмен излучением

Общие понятия и определения. Частоты волн теплового излучения, баланс лучистого теплообмена. Основные законы лучистого теплообмена. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрачной средой; коэффициент облученности, теплообмен излучением между телами, произвольно расположенными в пространстве. Защита от излучения. Излучение газов, лучистый теплообмен в топках и камерах сгорания.

Методические указания.

При изучении этой темы студент должен, прежде всего, уяснить принципиальное отличие теплообмена излучением от теплообмена теплопроводностью и конвекцией. В процессе теплообмена излучением осуществляется двойное превращение энергии — сначала тепловой энергии в энергию электромагнитного излучения, а затем энергии электромагнитного излучения в тепловую энергию. Поскольку тела поглощают лишь часть энергии электромагнитного излучения (частично отражая или пропуская ее через себя), основным вопросом при исследовании теплообмена излучением является вопрос о количественном соотношении между отраженной, поглощенной и пропущенной через тело энергиями. Действительно, при защите объектов от лучистой энергии на пути распространения ее нужно ставить экраны, максимально отражающие лучистую энергию. Наоборот, при необходимости получения максимального количества тепловой энергии за счет лучистой нужно телу, воспринимающему лучистую энергию, придать такие свойства, чтобы оно поглощало максимум ее (покрытие поверхности тела краской, шероховатость поверхности тела). И, наконец, если требуется, чтобы максимум лучистой энергии пропускался через твердую стенку (например, свет), то выбирается стенка с соответствующими свойствами. Основные законы излучения и экспериментальные данные свойств отдельных тел позволяют решать конкретные задачи, связанные с лучистым теплообменом. Поэтому студенту необходимо четко усвоить законы Планка, смещения Вина, Кирхгофа, Стефана — Больцмана, методику и границы их применения. Так как на практике, как правило, в теплообмене участвуют все виды переноса тепла (теплопроводность, конвекция и излучение) совместно, то студент при решении тех или иных задач должен достаточно четко представлять себе: а) все ли виды теплообмена имеются в рассматриваемом случае? б) какой из видов теплообмена является преобладающим по сравнению с другими? в) можно ли пренебречь каким-либо видом теплообмена с целью упрощения решения задачи (без больших погрешностей)?

Литература: [1, с. 103—111]; [2, с. 210—218].

Вопросы для самопроверки. 1. Какие длины волн ограничивают видимые и какие — тепловые лучи? 2. Что происходит с лучистой энергией, падающей на поверхность твердого тела? Что такое абсолютно черное, абсолютно белое и диатермическое тело? 3. Что графически изображает закон Планка? Можно ли и как на этом графике показать излучательную способность тела? 4. Сформулируйте закон смещения Вина и объясните его связь с законом Планка. 5. О чем говорит закон Кирхгофа и каково его практическое применение? 6. Сформулируйте закон Стефана — Больцмана и объясните его связь с законом Планка. 7. Дайте определение абсолютно черного и серого тел, поглощательной способности и степени черноты. 8. Докажите, что коэффициент поглощения серого тела равен его степени (коэффициенту) черноты. 9. Что такое «эффективное излучение»? Чем оно отличается от собственного излучения? 10. Для чего нужны экраны и какими свойствами они должны обладать? 11. Как определяется лучистый поток между параллельными плоскими стенками и для тела, находящегося внутри другого полого тела? 12. Что такое сплошной и селективный спектры излучения? У каких тел они наблюдаются? 13. Каковы особенности излучения газов? 14. Какие газы можно считать прозрачными для тепловых лучей? 15. Как определяется степень (коэффициент) черноты газовой среды?