Транспортные двигатели

Источниками загрязнения атмосферы являются транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), с газотурбинными двигателями (ГТД), ракетными двигателями (РД).

Автотранспорт непрерывно растет, увеличивается выброс вредных продуктов в жилых районах, в местах отдыха. В отработавших газах ДВС содержится несколько десятков компонентов: N2, O2, H2O, CO2, H2, CO, NOx, CnHm, альдегиды, сажа, бензапирен и т. д.

Наибольшей токсичностью обладает выхлоп карбюраторных ДВС за счет большего выброса CO, NOx, CnHm. Дизельные ДВС выбрасывают в больших количествах сажу, которая в чистом виде нетоксична, однако обладает высокой адсорбционной способностью и несет на своей поверхности частицы токсичных веществ, в том числе и концерогенных.

Состав отработавших газов ДВС зависит от технического состояния и режима работы двигателя, от коэффицента избытка воздуха, от вида топлива (этилированный или неэтилированный бензин и т. д.).

Мировым парком автомобилей с ДВС ежегодно в атмосферу выбрасывается: СО – 260 млн. т, NOx – 20 млн. т., летучих углеводородов (CnHm) – 40 млн.т.

К способам уменьшения вредных выбросов автомобильным транспортом можно отнести:

· ужесточение требований к техническому состоянию эксплуатируемого транспорта,

· улучшение характеристик топлива,

· создание экологически чистых двигателей.

Газотурбинные двигатели используются в гражданской и военной авиации, на судах морфлота. Выхлопные газы газотурбинных двигателей содержат токсичные компоненты: CO, NOx, углеводороды, сажу, альдегиды и др. Выброс вредных веществ зависит от вида и сорта сжигаемого горючего, способа его подачи, от тонкости распыления горючего форсуночным устройством, от коэффициента избытка воздуха на выходе из камеры сгорания.

Продукты сгорания ракетных двигателей космических кораблей содержат компоненты: H2O, CO2, HCl, CO, NO, Cl, твердые частицы Al2O3. После запуска космического корабля высокотемпературное облако продуктов сгорания может стать причиной кислотных дождей. Ракетные двигатели неблагоприятно воздействуют не только на околоземный слой атмосферы, но и на космическое пространство, разрушая озоновый слой Земли. Ракета-носитель многоразового корабля ШАТТЛ выбрасывает в атмосферу 187 т хлора. Одна молекула хлора способна уничтожить 100 000 молекул озона. По оценкам специалистов, если в год будет 60 запусков ШАТТЛа, то уничтожится 18 % всего стратосферного озона. Необходимо ограничивать число запусков космических кораблей безопасным пределом.

Атомная энергетика

Развитие атомной энергетики предопределено прогнозируемым истощением органического топлива. Только атомная энергетика способна обеспечить возрастающие потребности в электроэнергии.

Очевидные преимущества атомных электростанций, по сравнению с тепловыми, следующие:

· отсутствие вредных выбросов в атмосферу;

· в 3 – 4 раза меньшая площадь отторгаемых земель, необходимая для размещения АЭС;

· независимость от источников энергоресурсов.

Сложными являются проблемы:

· захоронения и хранения радиоактивных отходов;

· риск, связанный с крупными авариями на ядерных реакторах.

Задача снижения риска аварий на АЭС решается путем повышения надежности существующих энергоблоков и разработки реакторов нового поколения, в которых безопасность обеспечивается на основе естественных обратных связей, когда ошибки персонала не приводят к развитию аварий.

Проблема захоронения и хранения радиоактивных отходов существует и решается специалистами всего мира.

С технической точки зрения ядерная энергетика может быть безопасной в любой степени, т. е. это вопрос стоимости, экономичности и конкурентоспособности. Мировой опыт эксплуатации АЭС свидетельствует, что их радиоактивные выбросы при нормальной работе создают дозу облучения, составляющую доли процента от облучения естественным радиоактивным фоном. Это влияние практически не обнаруживается на фоне загрязнения биосферы в результате испытания ядерного оружия.

Более подробные сведения о развитии мировой атомной энергетики, об экономических, экологических, социальных аспектах, связанных с атомной энергетикой, можно получить из [14].

Холодильная техника

Используемые в холодильной технике фреоны вносят определенный вклад в разрушение озонового слоя Земли. Чтобы отказаться от фреонов, необходимо изменить технологию производства искусственного холода. Однако, несмотря на эти меры, решить проблему разрушения озонового слоя (а это экологическая катастрофа) не удастся, т. к. вещества, разрушающие озоновый слой (окислы азота, хлор, фреоны), образуются:

· при ядерных взрывах;

· в камерах сгорания турбореактивных двигателей (гражданская и военная авиация);

· при производстве электроэнергии на ТЭС;

· при производстве сельскохозяйственной продукции (минеральные удобрения при разложении выделяют окислы азота, которые попадают в атмосферу);

· при запусках космической техники;

· при использовании фреонов в холодильной технике, при производстве пенопласта, при изготовлении бытовых аэрозолей и аэрозольных упаковок и т. д.

Вклад в разрушение озонового слоя по всем перечисленным позициям, механизм разрушения и возможности уменьшения наносимого вреда обстоятельно и доступно изложены в [12].

ЛИТЕРАТУРА

1. Теплотехника /Под ред. А.П. Баскакова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224 с.

2. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 416 с.

3. Андрющенко А.А. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. – М.: Высш. шк., 1985. - 319 с.

4. Бродянский В. М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. – М.: Энергоатомиздат, 1988. -286 с.

5. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: Машиностроение, 1973. - 344 с.

6. Сборник задач по технической термодинамике: Учеб. пособие для вузов/ Т.Н. Андрианова, Б.В. Дзампов, В.Н. Зубарев, С.А. Ремизов. - М.: Энергоиздат, 1981. -240 с.

7. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства газов: Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 288 с.

8. Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. – М.: Энергия, 1980. - 424 с.

9. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник. Кн. 2. – М.: Энергоатомиздат, 1988. - 559 с.

10. Носков Н.С., Пай З.П. Технологические методы защиты атмосферы от вредных выбросов на предприятиях энергетики. - Новосибирск: Наука, 1996.-156 с.

11. Ребане К. К. Энергия, энтропия, среда обитания. – Таллин: Валгус, 1984. -159 с.

12. Мизун Ю. Г. Озонные дыры: мифы и реальность. – М.: Мысль, 1993. -287 с.

13. Охрана окружающей среды /Под ред. С. В. Белова. – М.: Высш. шк., 1991. -319 с.

14. Маленченко А. Ф. и др. Ядерная энергетика. Общество и природа. – М.: Наука и техника, 1990. -223 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1

Теплоемкость воздуха [5]

T, 0C Истинные теплоемкости Средние теплоемкости для интервала температур 0 – t
p v pm vm сpm сvm Транспортные двигатели - student2.ru Транспортные двигатели - student2.ru
кДж/(кмоль.град) кДж/(кг.град) кДж/(м3.град)
29,07 20,76 29,07 20,76 1,004 0,716 1,297 0,926
29,27 20,95 29,15 20,84 1,006 0,719 1,300 0,929
29,68 21,36 29,30 20,98 1,011 0,724 1,307 0,936
30,27 21,95 29,52 21,21 1,019 0,732 1,317 0,946
30,95 22,63 29,79 21,47 1,028 0,741 1,329 0,958
31,64 23,32 30,09 21,78 1,039 0,752 1,343 0,972
32,30 23,99 30,40 22,09 1,050 0,762 1,356 0,986
32,90 24,58 30,72 22,41 1,060 0,773 1,371 1,000
33,43 25,12 31,03 22,71 1,071 0,784 1,384 1,031
33,90 25,59 31,32 23,01 1,081 0,794 1,398 1,026
34,31 26,00 31,60 23,28 1,091 0,804 1,410 1,039
34,68 26,39 31,86 23,55 1,100 0,813 1,421 1,050
35,00 26,69 32,11 23,79 1,108 0,821 1,433 1,062
35,29 26,98 32,34 24,03 1,117 0,829 1,443 1,072
35,55 27,23 32,56 24,25 1,124 0,837 1,453 1,082
35,77 27,46 32,77 24,46 1,131 0,844 1,462 1,091
35,98 27,66 32,97 24,65 1,138 0,851 1,471 1,100
36,17 27,85 33,15 24,84 1,144 0,857 1,479 1,108
36,35 28,03 33,32 25,00 1,150 0,863 1,487 1,116
36,51 28,19 33,48 25,17 1,156 0,869 1,494 1,123
36,65 28,34 33,64 25,33 1,161 0,874 1,501 1,130
36,80 28,46 33,79 25,47 1,166 0,879 1,507 1,136
36,93 28,61 33,93 25,61 1,171 0,884 1,513 1,143
37,05 28,74 34,06 25,74 1,176 0,889 1,519 1,148
37,17 28,85 34,18 25,87 1,180 0,893 1,525 1,154
37,28 28,96 34,31 26,99 1,184 0,897 1,530 1,159

Таблица 2

Термодинамические свойства воздуха [7]

t, 0C h u p0 Q0 s0
кДж/кг - - кДж/(кг.К)
-50 223,1 159,1 0,4930 6,405
-40 233,1 166,2 0,5745 6,449
-30 243,1 173,4 0,6653 6,491
-20 253,1 180,5 0,7658 6,532
-10 263,2 187,6 0,8768 6,571
273,2 194.8 0,9985 6,608
283,2 202,0 1,133 6,644
293,3 209,1 1,279 6,679
303,3 216,3 1.438 6,713
313,4 223,5 1,611 6,745
323,4 230,7 1,798 6,777
333,5 237,8 2,001 6,807
343,6 245,0 2,220 6,837
353,6 252,8 2,455 6,866
363,7 259,4 2,708 6,894
373,8 266,7 2,980 6,922
383,9 273,9 3,270 6,948
394.0 281,2 3,581 6,974
404,1 288,4 3,913 7,000
414,3 295,7 4,267 7,025
424,4 303,0 4,644 7,049
434,6 310,3 5,044 7,073
444,8 317,6 5,470 7,096
455,0 324,9 5,922 7,119
465,2 332,3 6,400 7,141
475,4 339,6 6,906 7,163
485,7 347,0 7,442 1900,3 7,184
495,9 354,4 8,008 1802,5 7,205
506,2 361,8 8,606 1711,4 7,226
516,5 369,3 9,236 1626,3 7,246
526,9 376,7 9,900 1546,8 7,266
537,2 384,2 10,60 1472,2 7,286
547,6 391,7 11,34 1402,5 7,305
558,0 399,2 12,11 1337,0 7,324
568,4 406,7 12,92 1275,5 7,343
578,8 414,3 13,78 1217,6 7,361
589,3 421,9 14,67 1163,2 7,379
599,8 429,5 15,61 1111,9 7,397
610,3 437,1 16,60 1063,6 7,415
620,8 444,8 17,63 1017,9 7,432
631,3 452,5 18,71 974,8 7,449
             

Продолжение таблицы 2

641,9 460,2 19,84 934,0 7,466
652,5 467,9 21,02 895,4 7,482
663,1 475,7 22,26 858,9 7,499
573,8 483,4 23,55 824,3 7,515
684,5 491,2 24,90 791,4 7,531
695,1 499,1 26,30 760,3 7,547
705,8 506,9 27,77 730,6 7,562
705,8 506,9 27,77 730,6 7,562
727,3 522,7 30,89 675,8 7,593
738,1 530,6 32,55 650,3 7,608
748,9 538,5 34,28 626,0 7,623
759,8 546,5 36,08 602,9 7,537
771,7 554,5 37,95 581,0 7,682
781,5 562,5 39,89 559,9 7,696
792,4 570,5 41,92 539,9 7,681

Таблица 3

Свойства насыщенного пара аммиака ( NH3 )

t p v¢¢ s¢¢ h¢¢
0С бар м3/кг кДж/кг×К кДж/кг
-45 0,546 0,001437 2,007 3,377 9,529 215,6 1616,5
-40 0,718 0,001449 1,550 3,473 9,425 237,8 1624,9
-35 0,933 0,001462 1,215 3,567 9,334 260,0 1632,9
-30 1,195 0,001476 0,963 3,66 9,249 282,0 1640,8
-25 1,516 0,001490 0,771 3,751 9,167 304,4 1648,3
-20 1,903 0,001504 0,624 3,841 9,090 327,4 1655,9
-15 2,364 0,001519 0,509 3,929 9,015 1662,6
-10 2,909 0,001534 0,418 4,016 8,944 372,6 1669,3
-5 3,549 0,001550 0,347 4,102 8,976 395,7 1675,1
4,294 0,001566 0,290 4,187 8,809 418,7 1631,0
5,157 0,001583 0,244 4,271 8,746 441,7 1686,4
6,150 0,001601 0,206 4,353 8,684 465,2 1691,1
7,283 0,001619 0,175 4,435 8,624 488,6 1695,7
8,572 0,001693 0,149 4,516 8,655 512,5 1699,4
10,027 0,001759 0,128 4,595 8,509 536,3 1703,2

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................. 3

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ.............................................................. 4

1.1. Предмет термодинамики................................................................................................ 4

1.2. Термодинамическая система......................................................................................... 4

1.3. Термические параметры состояния............................................................................ 4

1.4. Уравнение состояния...................................................................................................... 5

1.5. Расчет термических параметров газовых смесей..................................................... 6

1.6. Термодинамический процесс......................................................................................... 8

1.7. Методические указания. Вопросы и задачи............................................................... 9

1.8. Ответы............................................................................................................................. 10

2. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ.......................................................................... 10

2.1. Внутренняя энергия...................................................................................................... 10

2.2. Работа изменения объема............................................................................................. 11

2.3. Внешняя работа............................................................................................................. 11

2.4. Математическое выражение первого закона термодинамики............................. 12

2.5. Теплоемкость газов....................................................................................................... 13

2.6. Методические указания. Вопросы и задачи............................................................. 15

2.7. Ответы............................................................................................................................. 17

3. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ........................................................................... 17

3.1. Формулировки и математическое выражение второго закона
термодинамики.............................................................................................................. 17

3.2. T-s-диаграмма................................................................................................................ 19

3.3. Круговые процессы (циклы)....................................................................................... 19

3.4. Понятия средних термодинамических температур подвода и отвода тепла..... 21

3.5. Эксергия теплоты.......................................................................................................... 21

3.6. Эксергия потока рабочего тела................................................................................... 23

3.7. Связь работы обратимого процесса с эксергией. Потеря эксергии
реальных процессов...................................................................................................... 23

3.8. Эксергетический КПД.................................................................................................. 24

3.9. Методические указания................................................................................................ 24

3.10. Вопросы и задачи......................................................................................................... 25

3.11. Ответы........................................................................................................................... 25

4. ПАРАМЕТРЫ И ПРОЦЕССЫ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ И ИХ СМЕСЕЙ.................. 26

4.1. Расчет калорических параметров.............................................................................. 26

4.2. Расчет процессов идеального газа.............................................................................. 28

4.2.2. Изохорный процесс................................................................................................. 30

4.2.3. Изотермический процесс........................................................................................ 31

4.2.4. Адиабатный процесс............................................................................................... 32

4.2.5. Политропные процессы.......................................................................................... 35

4.3. Методические указания................................................................................................ 37

4.4. Задачи............................................................................................................................... 37

4.5. Ответы............................................................................................................................. 39

5. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ И ПАРЫ............................................................................................. 40

5.1. Фазовая p-v-T-диаграмма воды и водяного пара.................................................... 40

5.2. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара............................. 41

5.3. Расчет параметров мокрого пара............................................................................... 42

5.4. Диаграммы p-v, T-s, h-s воды и водяного пара........................................................ 43

5.5. Процессы воды и водяного пара................................................................................ 44

5.5.1. Изохорный процесс................................................................................................. 45

5.5.2. Изобарный процесс................................................................................................. 46

5.5.3. Изотермический процесс........................................................................................ 47

5.5.4. Адиабатный процесс............................................................................................... 48

5.6. Методические указания................................................................................................ 48

5.7. Вопросы и задачи........................................................................................................... 49

5.8. Ответы............................................................................................................................. 49

6. ТЕРМОДИНАМИКА ПОТОКА......................................................................................... 50

6.1. Первый закон термодинамики для потока............................................................... 50

6.2. Связь изменения скорости и параметров состояния в потоке............................. 51

6.3. Параметры торможения.............................................................................................. 51

6.4. Скорость звука............................................................................................................... 52

6.5. Закон изменения сечения адиабатного потока......................................................... 52

6.6. Расчет сопел.................................................................................................................... 54

6.7. Выбор формы сопла...................................................................................................... 55

6.8. Необратимое истечение................................................................................................ 56

6.9. Дросселирование газов и паров.................................................................................. 57

6.10. Методические указания и вопросы.......................................................................... 58

6.11. Задачи............................................................................................................................. 59

6.12. Ответы........................................................................................................................... 61

7. ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ........................................................................................................... 61

7.1. Характеристики влажного воздуха............................................................................ 62

7.2. Расчет параметров влажного воздуха....................................................................... 63

7.3. h-d- диаграмма влажного воздуха.............................................................................. 64

7.4. Процессы во влажном воздухе.................................................................................... 64

7.4.1.Нагрев воздуха......................................................................................................... 64

7.4.2. Охлаждение воздуха................................................................................................ 65

7.4.3. Сушка материалов................................................................................................... 66

7.4.4. Смешение потоков влажного воздуха................................................................... 66

7.5. Методические указания................................................................................................ 67

7.6. Задачи............................................................................................................................... 67

8. ПРОЦЕССЫ КОМПРЕССОРОВ...................................................................................... 69

8.1. Одноступенчатое сжатие.............................................................................................. 69

8.2. Многоступенчатое сжатие............................................................................................ 71

8.3. Оценка эффективности работы компрессоров........................................................ 73

8.4. Методические указания................................................................................................ 74

8.5. Задачи............................................................................................................................... 74

8.6. Ответы............................................................................................................................. 76

9. ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ И ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК..................... 76

9.1. Методы термодинамического анализа циклов........................................................ 76

9.2. Циклы газотурбинных двигателей и установок...................................................... 77

9.2.1. Схема и цикл ГТД со сгоранием топлива при постоянном давлении............... 77

9.2.2. Действительный цикл газотурбинного двигателя. Метод КПД........................ 78

9.2.3. Схема и цикл энергетической газотурбинной установки................................... 80

9.3. Циклы паротурбинных установок............................................................................. 81

9.3.1. Схема паротурбинной установки (ПТУ) и цикл Ренкина................................... 81

9.3.2. Система коэффициентов полезного действия для оценки
эффективности ПТУ. Тепловой баланс ПТУ........................................................ 83

9.3.3. Эксергетический анализ ПТУ................................................................................ 85

9.3.4. Цикл ПТУ с промежуточным перегревом пара.................................................... 87

9.3.5. Регенеративный цикл паротурбинной установки............................................... 88

9.3.6. Теплофикационные паротурбинные установки................................................... 89

9.4. Атомные паротурбинные установки......................................................................... 91

9.5. Методические указания................................................................................................ 93

9.6. Задачи............................................................................................................................... 93

9.7. Ответы:............................................................................................................................ 95

10. ЦИКЛЫ ТЕПЛОТРАНСФОРМАТОРОВ..................................................................... 96

10.1. Идеальные циклы теплотрансформаторов............................................................ 96

10.2.Схема и цикл газовой (воздушной) холодильной установки............................... 98

10.3. Схема и цикл парокомпрессионной холодильной установки........................... 100

10.4. Методические указания............................................................................................ 102

10.5. Задачи........................................................................................................................... 103

10.6 Ответы:......................................................................................................................... 103

11. ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ОТ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК............................................................................. 103

11.1. Тепловые электростанции....................................................................................... 103

11.2. Характеристика вредных выбросов...................................................................... 103

11.3. Тепловые выбросы ТЭС.......................................................................................... 103

11.4. Транспортные двигатели......................................................................................... 103

11.5. Атомная энергетика.................................................................................................. 103

11.6. Холодильная техника............................................................................................... 103

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................................... 103

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................................... 103

Лидия Степановна Коновалова

Юрий Александрович Загромов

ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

Техническая термодинамика

Учебное пособие

Научный редактор канд. техн. наук, доцент В.С. Логинов

Редактор Н.Т. Синельникова

Подписано к печати

Формат 60х84/16. Бумага ксероксная.

Плоская печать. Усл. печ. л. 6,74. Уч.-изд. л. 6,11.

Тираж 200 экз. Заказ . Цена свободная.

ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ №1 от 18.07.94.

Типография ТПУ. 634034, Томск, пр. Ленина, 30

Транспортные двигатели - student2.ru

Наши рекомендации