2522
.pdf
а) |
|
б) |
|||
1 |
1 |
|
|
|
|
2 |
2 |
||||
в) |
|
г) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
2 |
Рис. 60 |
Если в теплообменнике горячая и холодная жидкости протекают параллельно и в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком (рис.60, а). Если жидкости протекают параллельно, но в противоположном направлении - противотоком (рис. 60, б). Когда жидкости протекают в перекрестном направлении, схема носит название перекрестного тока (рис.60, в). Может также иметь место и многократно перекрестный ток (рис.60, г).
При проведении тепловых расчетов используются уравнения теплопередачи и теплового баланса.
Q KF t1 |
t2 |
|
|
|
|
|
|
|
(2.102) |
|
Q G C |
p1 |
t ' |
t " |
G |
2 |
C |
p 2 |
t " |
t ' |
|
1 |
1 |
1 |
|
|
2 |
2 |
(2.103) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где G 1 , G 2 , - массовые расходы горячего и холодного теплоносите- |
||||||||||
лей в единицу времени; |
С p1 , |
C p 2 - изобарные теплоемкости тепло- |
||||||||
носителей; индексы 1 и 2 при температурах относятся к горячему и холодному теплоносителям; (индексы I и II означают температуры теплоносителей на входе и выходе из теплообменника).
В тепловых расчетах часто используют понятие о так называемом водяном эквиваленте теплоносителя W, численная величина которого определяет собой количество, которое по теплоемкости равняется массовому расходу рассматриваемого теплоносителя в единицу времени:
111
|
W = GC p |
(2.104) |
|
где G = |
f - массовый расход теплоносителя; |
- скорость; |
- |
плотность, f - сечение канала.
После подготовки водяного эквивалента в управление теп-
лового баланса (2.103) имеем |
|
|
|
|||||
|
W |
t ' |
t " |
W |
2 |
t " |
t ' |
|
|
1 |
1 |
1 |
|
|
2 |
2 |
|
|
t ' |
t " |
|
W |
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
2 |
|
|
|
|
откуда |
t " |
t ' |
|
W |
|
|
|
|
2 |
2 |
|
1 |
|
|
|
|
|
(2.105)
Последнее выражение означает, что отношение изменения температур теплоносителей обратно пропорционально отношению их водяных эквивалентов.
Как отмечалось, выше характер изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности нагрева зависит от схемы их движения, а также соотношения значений их водяных эквивалентов
(рис. 61).
Рис. 61 Характер изменения температур теплоносителей при прямотоке (а) и противотоке (б)
112
2.5.3. Конструкторский расчет теплообменных аппаратов
При конструкторском расчете теплообменника находится поверхность нагрева. При этом заданными являются часовой расход, теплоемкость горячего или холодного теплоносителя, его начальная и конечная температура. Искомая поверхность нагрева находится из уравнения теплопередачи
F |
Q |
|
K t |
|
|
|
(2.106) |
Входящее в (2.106) количество тепла, передаваемого от горячего к холодному теплоносителю определяется из уравнения теплового баланса
Q G C |
t ' |
t " |
|
1 |
p1 1 |
1 |
(2.107) |
|
|
|
|
когда заданы параметры горячего теплоносителя, и |
|
||
Q G2C p 2 t2" |
t2' |
(2.108) |
|
|
|
|
|
если заданы параметры холодного теплоносителя.
Коэффициент теплопередачи К определяется по известным формулам для конкретной стенки. Средний температурный напор, входящий в формулу (2.106), определяется согласно выражению
t |
t |
t м |
2,31g |
t |
|
|
|
|
||
t м |
(2.109) |
||
|
|||
|
|
где |
t |
и |
t |
м |
находятся из графика рис. 62. |
|
|
|
113
t
t1’
t |
t1’’ |
tм
t2’’
t2’
F
Рис. 62
114
РАЗДЕЛ III. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ
3.1. Энергетические проблемы использования теплоты
Широкое использование тепловой энергии лежит в основе практически большинства современных технологий. Количество производимых и потребляемых человеком энергоресурсов стало соизмеримым с энергией планетарных процессов. По долгосрочным прогнозам будет расти потребление угля и газа, интенсивно будут идти поиски возобновляемых источников энергии и альтернативных топлив.
Подобная тенденция в энергетической политике наблюдается и в России. Заметными потребителями энергоресурсов являются предприятия лесного комплекса и автомобильный транспорт.
Так, примерно одна треть энергоресурсов расходуется на транспорте.
Нефть, природный газ, уголь и электроэнергия основные составляющие энергетического потребления на транспорте. При этом наблюдается тенденция роста потребления энергии в этой отрасли. Тепловой двигатель как основной источник энергии на транспорте сохранит в ближайшие годы свои позиции.
Технический прогресс в энергетике транспорта будет определяться топливной экономичностью машин и механизмов, затратами топлива при перевозках..
Крупными потребителями топлива, тепловой и электрической энергии являются предприятия лесного комплекса. Особо выделяются как потребитель -энергоресурсов предприятия целлюлоз- но-бумажной промышленности.
Технический прогресс на предприятиях лесного комплекса будет определяться повышением эффективности использования то- пливно-энергетических курсов путем вовлечения в топливный баланс предприятий древесных отходов, использования вторичных тепловых ресурсов, сокращения потребления энергии на единицу выпускаемой продукции.
115
3.1.1. Энергетические топлива
Топливом называются горючие вещества органического происхождения. По агрегатному состоянию органические топлива делятся на твердые, жидкие газообразные.
Ктвердым топливам относятся: ископаемые угли (бурый, каменный urn г), дрова, древесные отходы, горючие сланцы, торф.
Кжидким топливам относятся продукты переработки нефти
-мазут, керосин, бензин, дизельное топливо.
Кгазообразным топливам относятся природный газ и искусственные газы, полученные при термической переработке топлив или как отходы технологических процессов: генераторный газ, коксовый, доменный, газ подземной газификации угля.
3.1.2.Элементарный состав топлива. Теплота сгорания
топлива
Химический состав, в частности твердого топлива сложен, поэтому его характеризируют массовым содержанием образующих его элементов в процентах.
Все виды твердого и жидкого топлива в большинстве своем содержат горючие элементы: углерод-С, водород - H, серу —S, а также негорючие: кислород - О, азот - N, влагу -W и золу-A.
Рабочее состояние топлива можно выразить уравнением
C p H p O p N p S p Ap W p 100% (3.1)
Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания. Теплота сгорания топлива есть количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1кг твердого или жидкого топлива,
или 1 м 3 газового топлива при нормальных физических условиях.
Различают высшую Q6p низшую QHp теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания называется количество теплоты, выделяющейся при сгорании топлива с учетом теплоты конденсации водяных паров, образующихся при сгорании водорода, и влаги топли-
116
ва. Низшей теплотой сгорания считается теплота сгорания топлива при условии, что вода находится в парообразном состоянии. Если известен элементарный состав жидкого или твердого топлива, то низшую теплоту сгорания топлива можно определить по формуле Д.И. Менделеева
Q p |
340C p 1030H p O p S |
|
26,6W p |
|
H |
|
л |
|
(3.2) |
|
|
|
||
Входящие в (3.2) элементы подставляются в процентах на |
||||
рабочую массу. Для большинства топлив значения QHp |
затабулиро- |
|||
ваны. |
|
|
|
|
3.1.3. Моторные топлива для поршневых ДВС
Основными моторными топливами являются бензины и дизельные топлива, получаемые путем переработки нефти и представляющие собой смеси различных углеводородов. Используются также сжатые и сжиженные газы, синтетические топлива, спирты и эфиры.
Автомобильные бензины представляют собой смеси углево-
дородов, выкипающих в диапазоне температур 35 
205 С. В России вырабатываются бензины марок: А- 76, АИ - 93 (АИ - 92), АИ - 95, а также бензины с улучшенными экологическими свойствами (НОРСИ АИ -80, НОРСИ АИ - 92, НОРСИ АИ - 95). С 1999 г. в РФ введен новый ГОСТ на автомобильные бензины неэтилированных марок: нормаль - 80; регуляр - 91; премиум -95; супер – 98.
Цифры в марке бензина показывают октановое число (0Ч), которое характеризует детонационную стойкость бензинов.
Дизельные топлива вырабатывают в основном из гидроочищенных фракций прямой перегонки нефти. В РФ вырабатывают три сорта дизельного топлива: «Л» (летнее) - для эксплуатации при температуре окружающего воздуха 0°С и выше, «3» (зимнее) - для эксплуатации при температуре - 20°С и выше, «а» (арктическое) - для температуры окружающего воздуха - 50°С и выше.
Углеводородные газовые топлива по их агрегатному состоя-
117
нию подразделяются на сжатые (СПГ) и сжиженные (СНГ). В каче-
стве сжатого газа используют природный газ (95 % метана CH 4 ). Сжиженные газы являются продуктами переработки попут-
ных газов и газов газоконденсатных месторождений. Основным преимуществом газовых топлив является их чистота.
Перспективным топливом является водород, обладающий наиболее высокой теплотой и температурой сгорания. Сдерживает использование водорода стоимость получения, сложность хранения
изаправки.
3.2.Экологические проблемы использования теплоты
Источники и потребители теплоты находятся в среде обитания человека и других биологических индивидумов и взаимодействуют с ним. Во многих случаях это взаимодействие приводит к такому изменению свойств и характеристик среды обитания, что становится опасным для самого существования человека как биологического вида.
В сегодняшнем трактовании теплотехники назрела необходимость пемзования экологических взглядов и методов исследования воздействия теплоты на окружающую среду. В этой связи актуальным представляется постановка вопроса об экологической чистоте тепловых процессов и машин. Процессы машины могут считаться экологически чистыми, если они не воздействуют на состояние окружающей среды и не участвуют в естественных природных процессах..
Очевидно, что получить такие процессы и машины в настоящее время проблематично. Однако снизить их негативное воздействие на окружающую среду является первоочередной задачей соответствующих специалистов.
118
3.2.1. Токсичность продуктов сгорания
Продукты сгорания оказывают существенное влияние на экологические показатели различных теплотехнических установок. Вместе с тем помимо этих продуктов при сгорании образуется ряд веществ, которые вследствие их малого количества не учитываются в энергетических расчетах, но определяют экологические показатели топок, печей, тепловых двигателей и других теплотехнических устройств. В первую очередь к числу экологически вредных продуктов сгорания следует отнести так называемые токсичные газы.
Токсичными называют вещества, оказывающие негативные воздействия на организм человека и окружающую среду. Токсичными основными веществами являются оксиды азота (NО), оксид углерода (СО), различные углеводороды (СН), сажа и соединения, содержащие свинец и серу. Если температура превышает 1500 К, то азот и кислород воздуха вступают в химическое взаимодействие по цепному механизму:
N2 O NO+N+316 кДж/К моль
N+ O2 NO+O+136 кДж/К моль
Определяющей является первая реакция, скорость, которой зависит от концентрации атомарного кислорода. При сгорании топлив образуется главным образом оксид азота NО, который затем в атмосфере окисляется до NO2.
Образование NО увеличивается с ростом температуры газов
и концентрации кислорода. Находящийся в атмосфере N O2 , представляет собой газ красновато-бурого цвета с удушливым запахом. Он оказывает негативное воздействие на слизистые оболочки глаз и носа, а также на нервную систему человека.
Оксид углерода (СО) образуется во время сгорания при недостатке кислорода, причем чем богаче горючая смесь, тем выше концентрация СО.
Оксид углерода представляет собой бесцветный и не имею-
119
щий запаха газ. Вдыхание СО вместе с воздухом ведет к отравлению организма.
Углеводороды (СН) состоят из исходных или распавшихся молекул топлива, которые не принимали участия в сгорании. Их вредное действие на человеческий организм проявляется при протекании специальных реакций под воздействием солнечных лучей.
Особое влияние оказывают выбросы бензола, толуола и, в первую очередь, бенз-а-пирена (С20H!2).
Эта группа высокотоксичных веществ образуется в результате пиролиза легких и средних фракций топлива при температуре
600 700 К.
Сажа представляет собой твердый продукт, состоящий в основном из углерода. Кроме углерода в саже содержится 1-3 % (по массе) водорода. Сажа образуется при температуре выше 1500 К в результате объемного процесса термического разложения (пиролиза) при сильном недостатке кислорода.
В отработанных газах (ОГ) современных тепловых машин и топок присутствует свинец и сера. Примерно 50 70 % свинца, находящегося в бензине, попадает вместе с ОГ в атмосферу в виде частиц свинцовых солей диаметром до 1мкм. Соединения свинца ядовиты и не выводятся из организма. Они негативно воздействуют на центральную нервную систему, вызывая нервные и психические расстройства.
Сера, содержащаяся в дизтопливе, мазуте и каменном угле выбрасывается в атмосферу после сгорания этих топлив в форме диоксида SO2, который очень вреден для растений и способствует возникновению «кислотных» дождей.
При высоком содержании в малоподвижной и влажной ат-
мосфере NO2, O3 и СН возникает туман коричневого цвета, который получил название «смог». Для борьбы с этим явлением в большинстве стран мира приняты соответствующие законы, ограничивающие допустимое содержание токсичных веществ в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу.
120