1150

В.Д. Галдин

ГЕНЕРАТОРЫ ТЕПЛОТЫ

Учебно-методическое пособие

Омск - 2013

0

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия»

Кафедра городского строительства и хозяйства

В. Д. Галдин

ГЕНЕРАТОРЫ ТЕПЛОТЫ

Учебно-методическое пособие

Омск

СибАДИ

2013

1

УДК 658.26 ББК 31.3 Г-15

Рецензент д-р техн. наук, проф. И.Л. Чулкова

Работа одобрена научно-методическим советом направления 270800 «Строительство» Инженерно-строительного института.

Галдин В.Д. Генераторы теплоты: учебно-методическое пособие / В.Д. Галдин. Омск: СибАДИ, 2013. 114 с.

Рассмотрены термодинамические свойства воды и водяного пара, термодинамические таблицы, диаграммы и основные процессы для воды и водяного пара. Представлены циклы паросиловой установки Ренкина, с регенерацией, с промежуточным перегревом пара, теплофикационные циклы. Рассмотрены циклы газотурбинных установок с подводом теплоты при постоянном давлении и объеме, с регенерацией теплоты. Приведены схемы парогазовой установки и установки для комплексного производства теплоты и твердого диоксида углерода.

Приведены примеры расчета паросиловых установок и ее элементов. Представлены варианты задач для самостоятельного решения и контрольные вопросы и задачи.

Учебно-методическое пособие предназначено для бакалавров направления 270800 «Строительство» профиля подготовки «Теплогазоснабжение и вентиляция» при выполнении практических занятий, курсового проектирования и самостоятельной работы по дисциплине «Генераторы тепла и системы автономного теплоснабжения».

ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2013

2

1.1.1.Термодинамические свойства паров……………………............. 5

1.1.2.Водяной пар. Парообразование при постоянном давлении ….. 6

1.1.3.Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара……………... 7

1.1.4.Основные термодинамические процессы водяного пара …….. 12

1.2.Определение параметров воды и водяного пара по таблицам …….. 16

1.2.1. Цель и задачи работы …………………………………………… 16

1.2.2.Проведение работы ……………………………………………… 17 Контрольные вопросы …………………………………………... 19

1.3.Паросиловые установки ……………………………………………… 20

1.4.3.Цикл с регенерацией теплоты ………………………………….. 33

1.5.Комбинированные силовые установки …………………………....... 35

1.5.1.Парогазовая установка ………………………………………….. 35

1.5.2.Установка для комплексного производства теплоты и твердо-

2.РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ СХЕМ И ЭЛЕМЕНТОВ ЭНЕРГЕТИЧЕ-

СКИХ УСТАНОВОК …………………………………………………… 40

3

ВВЕДЕНИЕ

Жизнь современного человека на Земле немыслима без использования электрической энергии и теплоты. Для их производства используются природные энергетические ресурсы, большая часть которых связана с солнечной энергией. Сюда относятся химически связанная энергия органических топлив (ископаемых углей, нефти, природного газа, торфа, дров), гидравлическая энергия падающей воды рек, энергия ветра и непосредственно солнечного излучения. Мировые запасы органического топлива оцениваются следующим образом: уголь

220 330 лет; газ 35 60 лет; нефть 25 50 лет.

К энергетическим ресурсам, не связанным с энергией солнечного излучения, относятся энергия распада ядер атомов некоторых тяжелых элементов (урана, тория), геотермальная энергия недр Земли, энергия приливов и отливов в океанах.

Одной из основных тенденций мирового топливно-энергетическо- го баланса является снижение доли нефти, связанное с увеличением глубины ее переработки. В то же время наблюдается снижение темпов роста доли атомной энергетики в мировом балансе.

В целом, в перспективе ближайших 40 50 лет прирост генерирующих мощностей в мире будет обеспечиваться в немалой степени за счет тепловых электрических станций (ТЭС) на органическом топли-

ве, в том числе и за счет более широкого использования низкосортных топлив.

Наибольшее распространения в энергетике в настоящее время получили ТЭС, на которых тепловая энергия, выделяющаяся при сжигании органических топлив, преобразуется в электрическую энергию. На их долю приходится около 75 % вырабатываемой электроэнергии на Земле и около 80 % производимой электроэнергии в России. Основным назначением электрических станций является выработка электроэнергии для освещения, транспорта, коммунального хозяйства и бытовых нужд.

Другим назначением электрических станций (тепловых) является снабжение жилых домов, учреждений и предприятий теплом для отопления зимой и горячей водой для коммунальных и бытовых целей или паром для производства. Тепловые электрические станции для комбинированной выработки электрической и тепловой энергии (для теплофикации) называются теплоэлектроцентралями (ТЭЦ).

4

1.ТЕРМОДИНАМИКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

1.1.Термодинамические свойства воды

иводяного пара

1.1.1. Термодинамические свойства паров

Любое чистое вещество может находиться в твердой, жидкой или газообразной фазе. Переход вещества из одной фазы в другую связан с изменением параметров при передаче теплоты. Промежуточное состояние вещества между газом и жидкостью называется паром. Приближенно соотношение между параметрами пара можно характеризовать уравнением Клапейрона-Менделеева или уравнением Ван-дер-

в жидкость. Процесс перехода пара в жидкость происходит при постоянных температуре и давлении, так как давление насыщенного пара однозначно определяется температурой. На р -диаграмме (рис. 1.1) область двухфазных состояний (пар и жидкость) лежит между кривыми кипящей жидкости и сухого насыщенного пара. При увеличении давления эти кривые сближаются. Сближение происходит потому, что объем пара уменьшается, а объем жидкости увеличивается. При некотором определенном для данной жидкости (пара) давлении кривые кипящей жидкости и пара встречаются в критической точке К, которой соответствуют критические параметры: давление рКР, температура ТКР, удельный объем КР, характеризующие критическое состояние вещества. При критическом состоянии исчезают различия

5

между жидкостью и паром. При температуре более высокой, чем критическая, газ ни при каком давлении не может сконденсироваться, т.е. превратиться в жидкость.

1.1.2. Водяной пар. Парообразование при постоянном давлении

Водяной пар получил широкое распространение как рабочее вещество в тепловых двигателях и как движущая среда, используемая для осуществления процесса теплообмена в теплообменных аппаратах.

Водяной пар есть вода в газообразном состоянии.

Процесс превращения воды в пар называется парообразованием и может осуществляться двумя различными по интенсивности и характеру процессами: испарением и кипением.

Под испарением понимают парообразование, происходящее на свободной поверхности воды при температуре ниже точки кипения при данном давлении.

Кипение – процесс интенсивного испарения не только со свободной поверхности воды, но и со всего объема образующихся внутри пузырьков пара.

Рассмотрим процесс парообразования 1 кг воды, заключенного в цилиндр 1 с подвижным поршнем 2 (рис. 1.2), давление под которым в течение всего процесса остается постоянным. Предположим, что в начальном состоянии (положение поршня 0) вода находится при t0 =

обратно в нее. Происходит процесс превра-

и парообразования сравниваются, в системе наступает динамическое равновесие.

Пар, находящийся в термодинамическом равновесии с водой, из которой он образуется, называется насыщенным.

Влажный насыщенный пар представляет собой смесь пара с жидкостью, причем жидкость может быть сосредоточена в нижней части цилиндра или равномерно распределена в виде мельчайших капель по всему объему.

Процесс парообразования идет при постоянном давлении и температуре (изобарно-изотермический процесс). Вследствие этого свойства насыщенного пара определяются температурой, являющейся функцией давления среды, в которой происходит процесс парообразования. При подводе теплоты в процессе парообразования количество пара будет возрастать с одновременным уменьшением количества кипящей воды. Положение поршня 2 на рис. 1.2 соответствует моменту окончания процесса парообразования.

Количество теплоты, необходимое для превращения 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар, называется теплотой парообразова-

ния.

Во всех промежуточных состояниях между первым и вторым положениями поршня (см. рис. 1.2) под ним находится влажный насыщенный пар, представляющий собой смесь m' кг кипящей жидкости и m" кг сухого насыщенного пара.

Степень сухости изменяется от х = 0 (кипящая вода) до х = 1 (сухой насыщенный пар).

При подводе теплоты сухой насыщенный пар переходит в состояние перегретого пара (положение поршня 3 на рис. 1.2). Под перегретым понимают пар, температура которого выше температуры насыщенного пара того же давления.

1.1.3. Таблицы и диаграммы для воды и водяного пара

Количественные соотношения между различными параметрами и функциями состояния воды, сухого насыщенного и перегретого пара устанавливаются по формулам или по специальным таблицам, со-

7

ставленным на основании теоретических и экспериментальных исследований.

Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара

содержат три таблицы [7]: термодинамические свойства воды и водяного пара в состоянии насыщения по температурам и по давлениям и термодинамические свойства воды и перегретого пара.

Вприложении приведены таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.

Втабл. П.1 и П.2 приводятся значения удельного объема, энтальпии и энтропии воды, нагретой до состояния кипения, и сухого насыщенного пара, температуры кипения, давления, при котором происходит парообразование, теплоты парообразования, параметры критического состояния.

Втабл. П.3 приведены удельный объем, энтальпия и энтропия воды и перегретого пара при различных давлениях и температурах.

Таблицы дают лишь дискретные значения искомых величин. Для изображения непрерывных изменений параметров (процессов) на практике часто используется плоская система координат (диаграмма водяного пара).

Диаграмма р, водяного пара приведена на рис. 1.3. На диа-

грамме нанесены три линии:

АОА' – линия холодной воды. На диаграмме она изображается в виде прямой линии, параллельной оси ординат, так как вода практически несжимаема. Эта линия будет и изотермой 0 ОС;

А'К – линия кипящей воды (левая пограничная кривая); КА" – линия сухого насыщенного пара (правая пограничная кри-

вая).

Графическим изображением процесса нагрева воды, парообразования и перегрева пара при постоянном давлении будет линия аОа'а"а (рис. 1.3) с четырьмя точками: аО – холодная вода при 0 ОС; точка а' – кипящая вода (начало процесса парообразования); точка а" – сухой насыщенный пар (окончание процесса парообразования); точка а – перегретый пар.

Отрезок аОа' на прямой аОа'а"а изображает в р -диаграмме процесс нагрева воды до кипения, отрезок а'а" – парообразование; отрезок а"а – перегрев пара.

По мере увеличения давления расстояние между пограничными кривыми уменьшается и, наконец, кривые сходятся в критической

8