книги из ГПНТБ / Васильев В.К. Термодинамические основы исследовательского проектирования судовых энергетических установок

В. К. ВАСИЛЬЕВ

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ

ОСНОВЫ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО

ПРОЕКТИРОВАНИЯ

СУДОВЫХ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ

УСТАНОВОК

f

\

5

ii.

ИЗДАТЕЛЬСТВО «СУДОСТРОЕНИЕ»

ЛЕНИНГРАД

1974

УДК 629.12.

В19

Термодинамические основы исследовательского проектирования судовых энергетических установок. Авт. Васильев В. К. Ленинград, «Судостроение», 1974, стр. 424.

В книге рассматриваются термодинамические основы исследова­ тельского проектирования судовых энергетических установок как пер­ вого этапа решения проблемы создания установки с оптимизированными характеристиками. Использованы материалы новейших разработок

вобласти термодинамики, теплоэнергетики, теплофизики, термо­ химии, •имеющие непосредственное отношение к вопросам развития и совершенствования судовых энергетических установок. Проанализиро­ ваны особенности рабочих процессов и циклов энергетических установок

вобобщенном виде. Изложена методика термодинамических расчетов, необходимых для исследовательского проектирования. Рассматриваются отдельные составные части сложных циклов. Дана теория регенератив­ ных циклов и циклов с внешним теплообменом в процессах расширения и сжатия. Приводится расчетная методика регенеративных пароводя­ ных циклов без уточнения деталей регенеративной схемы подогрева питательной воды путем отбора пара в процессе расширения. Дан расчет реального регенеративного цикла новой судовой энергетической установки с заданными параметрами и с одним промежуточным пере­

гревом пара.

Книга предназначена для специалистов энергетиков, занимающихся вопросами совершенствования энергетических установок. Она может быть полезна также студентам технических вузов при курсовом и дип­ ломном проектировании.

Илл. 69, табл. 40 + прилож., литерат. 112 назв.

Р е ц е н з е н т ы :

докт. техн.. наук проф. А. Г. Курзон, канд. техн. наук А. Г. Хорозянц, канд. техн. наук Г. П. Борисов

иинж. Я ■ И. Черняков

На у ч н ы й р е д а к т о р

докт. техн. наук проф. А. И. Ложкин

© Издательство «Судостроение», 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА

Автор книги «Термодинамические основы исследовательского про­ ектирования судовых энергетических установок» проф. В. К. Ва­ сильев является одним из основоположников разработки теории и методов проектирования судовых энергетических установок, в част­ ности обоснования и выбора рациональных тепловых схем, методики их расчетов, оптимизации характеристик и параметров рабочих процессов и т. д.

Труды В. К. Васильева по указанным вопросам хорошо известны многим специалистам-энергетикам и широко используются в практике проектирования и в учебных процессах втузов.

Следует вместе с автором констатировать, что технический про­ гресс в энергетике, в частности судовой, стремительно развивается. Предлагаются новые усложненные термодинамические циклы и схемы (например, комбинированные), разрабатываются оригинальные ра­ бочие процессы, перспективные типы энергетических установок, ме­ тоды усовершенствования их характеристик, параметров и т. д. Решение всех этих вопросов', весьма многообразных и актуальных для развития энергетики, возможно только на базе широкого исполь­ зования в проектной практике новейших теоретических разработок, которые должны быть привлечены, в первую очередь, для исследова­ тельского проектирования судовых энергетических установок, для оптимизации параметров рабочих процессов, характеристик, для со­ вершенствования энергетического оборудования и схем.

Следует вместе с тем отметить, что непосредственное использова­ ние в проектной практике новейших материалов по термодинамике, теплофизике, термохимии и другим смежным отраслям науки сопря­ жено с серьезными затруднениями. Причина кроется в том, что эти материалы недостаточно точно увязаны с конкретными требова­ ниями проектных разработок при исследовательском проектировании судовых энергетических установок.

ВВЕДЕНИЕ

Публикуемая книга явилась результатом длительной научноисследовательской работы, которая была поставлена и проведена автором с целью повышения качественного уровня расчетных опе­ раций в области термодинамических и теплофизических исследований, связанных с проектированием, сооружением и наладкой энергетиче­ ских установок вообще и судовых установок в частности. В процессе исследований было выяснено, что более точные результаты дают тер­ модинамические расчеты, выполняемые не с применением тепловых диаграмм, а с помощью таблиц теплофизических свойств паров и газов, используемых в энергетике в качестве энергоносителей и ра­ бочих агентов. Известно, что аналитические расчеты термодинами­ ческих процессов ведутся по формулам классической термодинамики, основными из которых являются уравнение состояния и уравнения процессов. Первая из этих формул — уравнение состояния реаль­ ных газов и паров —■до сих пор не могла быть получена в таком виде, чтобы можно было использовать ее в термодинамических расчетах. Однако таблицы теплофизических свойств газов и паров в настоящее время представляют собой настолько надежный и проверенный экс­ периментально и теоретически материал, что они могут быть названы уравнением состояния в табличной форме, причем уравнением, даю­ щим значения термодинамических параметров с высокой степенью точности (пять-шесть десятичных знаков), и в этом смысле значи­ тельно превосходящим тепловые диаграммы.

В таблицах теплофизических свойств воды и водяного пара [22 ] переменными независимыми приняты температура t и давление р. Эти два параметра определяют и другие термодинамические функции, при помощи которых выполняются расчеты процессов энергетиче­ ского цикла. В работе рассмотрены параметры v, s, а также энерге­ тические функции pv, Ts, i, и, f, g. Все они представлены как слож­ ные зависимости от независимых параметров Т и р . Их изменяемость в процессах определялась приращением А той или иной функции от начальной точки рассматриваемого процесса до его конечной точки.

6

В качестве основной задачи исследования ставилась оценка про­ цесса по коэффициенту т] превращения полученной извне тепловой энергии A (Ts) в механическую энергию изменения объема Ап:

Интеграл в числителе этого выражения, как известно, опреде­ ляется изменением термодинамического потенциала Гельмгольца А/ в и з о т е р м и ч е с к о м процессе расширения (сжатия), причем в этом процессе г) = 1 и

j pdv — — A/ = A(7’s).

V

Здесь А/ есть энергетическая функция состояния рабочего агента, легко определяемая по таблицам труда [22] для воды и водяного пара и труда [72 ] — для газов и паров. Так как в табл. [22 ] и [72 ] из энер­ гетических функций дается только энтальпия г, автором на основе

рые необходимы при расчетах процессов и циклов. Этими таблицами, которые приведены в приложении к книге, можно пользоваться при расчетах взамен таблиц [22] и [72].

Во всех процессах, кроме изотермических, т] < 1, и большая доля приращения А/ идет на увеличение внутренней энергии Аи рабочего агента, расходуя эту тепловую энергию на изменение внутренней структуры вещества. Это — фазовые переходы и другие молеку­ лярно-атомные изменения (см. § 34 и 35).

Естественное стремление активизировать эту тепловую энергию, трансформировав ее в максимальной степени в полезную работу рас­ ширения, заставляет обратить внимание на возможность придания рабочему агенту физических свойств (путем соответствующего под­ бора рабочего агента или с помощью специальных присадок к обыч­ ным рабочим агентам), которые могли бы увеличить работу расшире­ ния в составе Af за счет соответствующего уменьшения доли тепла Аи, остающегося в рабочем агенте в виде внутренней энергии.

Следует обратить внимание на широкое использование термоди­ намических потенциалов / и g составителями таблиц [22] при обра­ ботке экспериментальных данных по теплофизическим свойствам воды и водяного пара (§ 10— 12).

Использование таблиц [22], [23] и [72] для аналитических рас­ четов процессов и циклов позволяет применить уравнение состояния реальных газов и паров (222)

pv = aR T,

7

где а = — ---- определяется с большой точностью из таблиц [22] КI

и может служить новой функцией состояния. Эта функция рассчи­ тана и включена в таблицы, приложенные к тексту монографии.

Функция а (Т , р) интересна тем, что, являясь двухпараметриче­ ской, она может быть приведена (во всяком случае для водяного пара) к однопараметрической функции энтропии:

а — a (s).

Это было отмечено еще В. Траупелем [89], который на основе этой функции развил теорию «идеального пара». Траупель указы­ вает в своем труде, что и для газообразных рабочих агентов можно добиться такого состава, что а будет однопараметрической функцией энтропии.

Не касаясь теории идеального пара Траупеля, автор настоящей монографии подверг этот вопрос специальному исследованию, которое привело к конкретному заключению о возможности функциональной связи величины а с соответствующим значением энтропии. Такой результат получен для реального водяного пара. Это заключение имеет существенное значение для расчетов изоэнтропийных процес­ сов расширения и сжатия. Их можно рассчитывать по уравнению состояния

pv = aR Т,

давая величине а постоянное значение, соответствующее значению постоянной энтропии процесса. При дифференцировании этого урав­ нения постоянная величина а выносится за знак дифференциала и входит в результаты дифференцирования не в виде производных, а в качестве постоянного множителя. Следовательно, значения произ­ водных всех параметров процесса можно также получать аналити­ чески, как это делается по уравнению состояния идеальных газов. Отсюда следует вывод, что идеализировать водяной пар (по Траупелю) не имеет смысла, а при расчетах изоэнтропийных процессов в нем нужно определять в уравнении (222) постоянное значение а, соот­

химическая энергия органического топлива или энергия ядерных реакций атомных установок. Этот вопрос конкретизируется на при­ мере реакции сжигания органического топлива. Освещается механизм химических реакций и дается краткое описание видов органиче­ ского топлива и обработки, которой подвергается топливо, прежде чем поступает в топливосжигающие устройства энергетических установок, т. е. в парогенераторы паротурбинных установок или камеры сгорания газотурбинных. Эти сведения даны в том объеме, который автор считал обязательным для энергетиков.

Рабочие агенты энергетических установок протекают через ма­ шины, аппараты, устройства и коммуникации тепловой схемы как в жидком, так и в парообразном (газообразном) состоянии. Эти жид­ кие и газовые потоки никогда не бывают чистыми; обычно они пред­

8

ставляют слабые растворы различных веществ в чистом потоке рас­ творителя. Иногда такие слабые растворы приготовляют специ­ ально, обеспечивая безаварийную длительную работу установки. С этим особенно приходится считаться в специальных цехах, зани­ мающихся водоподготовкой. Столь же существенна борьба с окисле­ нием и разъеданием стенок каналов, по которым движутся потоки.

Научной основой этой информации является теория слабых рас­ творов, кратко изложенная в § 15— 17. Ознакомление с ней энерге­ тиков автор считает обязательным.

Ввиду большого значения энтропии в термодинамических рас­ четах § 18 книги посвящен вопросу о начале отсчета этой величины в уточненных термодинамических расчетах. В § 19 освещается воп­ рос термической ионизации газов, которая при высоких температу­ рах рабочего агента может быть значительной и давать заметный специфический термоионный эффект.

Вопросы термодинамического равновесия и фазовых переходов (§ 20) являются существенными, поскольку в этих процессах рас­ ходуется получаемая извне тепловая энергия за счет снижения по­ лезной работы расширения. Это характеризует внутреннее состоя­ ние рабочего агента, которое закономерно меняется в потоке при из­ менении внешних воздействий на него. Закономерность здесь уста­ навливается принципом Ле Шателье и является следствием второго закона термодинамики. Она может, быть сформулирована так:

Если на систему, находящуюся в устойчивом равновесии, воздей­ ствовать извне, изменяя какое-нибудь из условий, определяющих поло­ жение равновесия, то равновесное состояние системы смещается в том направлении, при котором эффект произведенного воздействия умень­ шается.

Важнейшими изменениями такого рода при химических и фазо­ вых превращениях являются изменения температуры и давления, а также концентрации веществ, участвующих в химических реак­ циях.

Термодинамические процессы энергетического цикла также вы­ водят поток рабочего агента из равновесного положения, вызывая в нем соответствующие изменения термодинамических потенциа­ лов Af и Ag, определяющих внутреннее состояние рабочего агента

впотоке.

Вкниге рассмотрены вопросы определения состава и параметров продуктов сгорания органического энергетического топлива при сжи­ гании его как в топках парогенераторов, так и в камерах сгорания газотурбинных установок (§ 21—28). Эти теплоносители первыми воспринимают тепловой эффект химической реакции горения и пере­ дают путем внешнего теплообмена теплоту рабочему агенту энерге­ тических машин.

Вкниге рассматривается трансформация тепловой энергии в ра­ боту расширения в паровых и газовых турбинах, а также в других машинах, аппаратах, устройствах и коммуникациях тепловой схемы,

вобъеме, необходимом для расчетов термодинамических процессов

и цикла в целом.

9