книги из ГПНТБ / Лукьянов Н.Н. Основные понятия технической термодинамики учеб. пособие

- н о -

Ш. ПРИКЛАДНОЕ ЗНАЧЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ

3-1. Экономия топлива тепловыми двигателями и

_________________ установками_______________

При изучении теоретических разделов весьма полезно

знать их прикладное значение, отчего изучение теории только выигрывает. Ниже приводятся некоторые сведения,

позволяющие понять прикладное значение технической тер­ модинамики.

Рост производства и потребление энергии неразрывно связаны с прогрессом человеческого общества, которое на

протяжении всей своей истории непрерывно ведет упорную борьбу за увеличение своего энергетического богатства. По меткому выражению К.Э.Циолковского, изобилие энергии

го использования способствовало тому, что энергіи сдела­ лась ВЕЛИКИМ И ВЕРНЫМ ГЮМ01ДОЖ*! ЧЕЛОВЕКА.

По статистическим данным, в СССР в шестидесятые го­ ды на душу населеніи производилось окло семи киловаттча-

сов электрической энергии в сутки, а это значит, что около пятнадцати невидимых работников круглосуточно обслуживают

каждого советского гражданина, участвуя в снабжении его

продуктами питания, светом, теплом, одеждой, транспортом*, связью, лекарствами, строя для него жилища, производствен­ но-учебные помещения, театры, возделывая для него почву,

- I l l -

создавая искусственный климат, помогая успешной борьбе с многими болезнями, сохранению от преждевременной старости.

Для характеристики ДИНАМИКИ роста потребления электри­

ческой энергии можно привести следующие цифры: с начала своего разумного существования человечество израсходовало около 700000 млрд.квт.ч. До 1900 г . была израсходована од­

мировое потребление в 2050 год составит не менее 800000 млрд,

квт.ч. Б СССР уделяется огромное внимание развитию энергети­

ки. Уже в первые годы Советской власти по указанию В.И.Ленина был разработан Государственный план электрификации Рос­ сии (план Г0ЭЛР0), приведший в итоге к тому, что по своей энерговооруженности СССР занимает сейчас второе место в ми­ ре.

Ваш?««®* ШМ®sas®» ШЕ0: производств® эявжпдигевшой энергии в СССР’ noгодам девятой пятилетки наметая® в ©го­ дующих количествах: в 1971 г . - 790 млрд.квт.ч,* в- Д9Ш! пѵ850 млрд.квт.ч., в 1973 г . - 913 млдд.квт.ч., в 1974 гѵ - 985 млрд.квт.ч. и в 1975 г . - 1065, т.е . один триллион 65; миллиардов киловаттчасов.

Бурный рост энергетики и других отраслей промышленно­ сти происходит пока в основном за счет топливных ресурсов.

Так, например, только одного угля во всех странах мира ежегодно сжигается около 1,7 млрд.т. В некоторых странах начинает ощущаться топливный голод, в связи с чем вопросы ЭКОНОМИИ ТОПЛИВНЫХ РЕСУРСОВ приобретают искдючи- Т'.льнов значение. Проследим на примере тёплотехники за современным использованием теплоты как одной из форм энер­ гии в промышленности, транспорте, быту и пр. В использова­ нии тепла различают ДВА основных направления.

ПЕРВОЕ НАПРАВЛЕНИЕ теплоисдользования исключает преоб­ разование теплоты в какие-нибудь другие формы (см.3-8).

ВТОРОЕ НАПРАВЛЕНИЕ - теплоэнергетическое, заключающее­ ся в преобразовании тепла в работу в тепловых двигателях.

К ним относятся следующие основные четыре типа тепловых двигателей: паровая машина, паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и газовая турбина (ГТУ). Изучаю­ щий техническую термодинамику знакомится в ней с большой группой теоретических циклов и их термических к.п .д. К ним, например,относятся циклы паросиловых установок (цикл Ренкияа,

е теійщ иім икдадазм 'теняа за др.))» Шдш изучении циклов ©давйЕрбиешю указываются и .пунш [шшыдашя их термического

вышается фра аарімнввтии пара шыслкида давления и высокой твемле.раггури а «июню в случае его конденсации при наиболее тшких давлен®®« Жиедсдаашвльно, гЕшническую термодинамику

тевэе ІШЖЩЩѲМ іНШІШШІІ, с ібоиьшим правом можно назвать

ршцдшшм пауки со 'твѳрешшгшх циклах и. их термических коэф-

фвдишнтах '.полезного действияТермический коэффициент 'полезного .дайтвия- -

участвует? также в оценке степени 'сѳвершш'стша треальных теплоі л?дшшаиелей и установок, что .усшатдаитавт оозяаь, между теоретичшпшши положениями техдачегонл® трңриодинтшгг-

тывается через так называвшій ^эффективный (резулщизрувдий?) коэффициент полезного дейотвиш тцурбины, предотавяаищйй

затраченной теплоты в работу;

£- термический к.п .д. теоретического цикла для паровой турбины;

Р. - относительный внутренний к.п .д. учитывающий внутренние потери в паровой турбине;

£^ - механический к.п .д. учитывающий в основ­

ном потери на преодоление сил трения в паровой турбине.

Для уяснения широты современного применения тепловых двигателей рассмотрим их применение в некоторых отраслях народного хозяйства.

3-2. Теплоэнергетика

Использование теплоты для получения различных других видов энергии (электрической,механической и др.) называется

- 115 -

теплоэнергетикой. Более 70 %всей потребляемой человеком

электрической энергии на земном шаре вырабатывается на

тепловых электростанциях - предприятиях для производства электрической энергии с помощью тепловых двигателей. Про­

цесс выработки электроэнергии заключается в последователь-

в

ном преобразовании химической энергии топлива (или других

источников) в тепловых аппаратах - котлах (парогенераторах)

в теплоту, которая передается рабочему телу. Далее теплота преобразуется в механическую энергию в тепловом двкгателеобычно паровой турбине и затем механическая энергия в электрическую - в электрогенераторе. Для повышения эффек­ тивного к .я .д . псовых турбин и уменьшения удельных затрат металла при их изготовлении, единичная мощность последних непрерывно увели ивается. В СССР изготовлена сейчас паро­ вая турбина единичной мощностью в 800 тысяч киловатт, про­ ектируются на миллион и более киловатт.

В технической термодинамике изучается большая группа циклов паротурбинных установок.

3-3. Т р а н с п о р т

В различных видах транспортных установок почти без­ раздельно ГОСПОДСТВУЕТ ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ - главным обра­ зом - ДВС, ГТУ и реже паровая турбина. При своей работе вышеуказанные тепловые двигатели затрачивают около 25 %о? всего мирового потребления топлива. Транспортные тепловые двигатели, отличаясь большим конструктивным ^разнообразием обслуживают многочисленные области народного хозяйства

(железкодаршвн®, водный, шоссейный, воздушный и др„ транспорт), ііа жшшегшдаарокнси зграгаяорш-е применяется локо­ мотив. По роду устаадшешото на нем двиразгеля различаю* локомотивы: тепловоз (Й®5), турбовоз (варева® турбина), газотурбовоз (ГТУ) и вше ре*е применяемый! паровоз (вароввя машина). В них единичная мощность теплового двигателя составляет от 1000 до 8CW Л.С.

Для передвижения речных,' морских, океанских судов на них применяются тепловые двигатели единичной модностью

от десятка до десятков тысяч л .с . в одном агрегате: на па­ роходах (паровая машина), на теплоходах (ДБС), на турбохо­ дах (паровая турбина).

На шоссейном (безрельсовом) транспорте применяется в основном ДБС, мощность» от единиц до сотен л .о . устанавли­ ваемый на автомобилях, мотоциклах и г.п . Для приведения в движение летательных аппаратов в воздушной среде применяются авиационные тепловые двигатели: самолеты с поршневыми дви­ гателями (ДБС), самолеты турбовинтовые (ГТУ), самолеты турборакетные (ГТУ, о реактивным соплом) и др. Единичная мощность авиационных двигателей составляет от сотен до де­ сятков тысяч л .с . в одном агрегате.

'5-К. Сельское хозяйство, строительство, военная техника

Современное оельскоѳ хозяйство, строительство бази­ руются на принципах максимальной механизации работ с широким применением теплового двигателя (ЛВС) на іракторах,

- 117 -

комбайнах, бульдозерах, экскаваторах и др. технологиче­ ских установках единичной мощностью от десятков до со­ тен л .с . в каждом тепловом агрегате.

Мощь вооруженных сил современных армий не мыслима без применения теплового двигателя (танки, военная авиа­ ция, военный флот и д р .). Б военной технике в качестве теплового двигателя находят широкое применение ДВС, ГТУ и паровые турбины.

3-5. Освоение космического пространства В космических кораблях, преодолевающих силу-земного

тяготения, применяются весьма мощные многоступенчатые ра­ кеты - носители. В них встраиваются реактивные двигатели,

носящие название ракетных, в которых запас топлива и его

окислителя перемещается вместе с двигателями. В 1957 г . в

СССР были запущены впервые в мире двухступенчатые пятидви­ гательные, затем более мощные трехступенчатые шестидвига­ тельные ракеты под общим названием системы - "Восток".

Они развивают полезную мощность в полете, равную 20 мил­ лионов л .с . После 1965 г . были запущены еще более мощные ракеты-носители системы "Протон”, в которых суммарная

максимальная мощность двигательных установок превышает 60 миллионов л .с . Для работы реактивных двигателей при­

меняются кислород - керосиновое, кислород-деметил-гидрази- новое топливо. В специальных курсах термодинамики реактив­ ных двигателей изучаются жидкостно-реактивные циклы.

- II8 -

3-6. Холодильная техника

Машины, непрерывно поддерживающие температуры тел ниже температуры окружающей среды, называются холодильными.

Они находят широкое применение, например, в быту при кон­ сервации продуктов, при создании искусственного климата,

в медицине, научных исследованиях и т.д. Процессы, связан­

ные с производством холода, осуществляются комплексом ма­ шин и теплообмепных аппаратов, называемых холодильной ус­ тановкой. Экономичность работы этих установок с точки зре­ ния затраты энергии при охлаждении также изучается термо­ динамикой в ряде циклов (например, цикл паро-компрессион­ ной машины, абсорбционной машины и д р .).

3-7. Сжатие (компсемирование) газов

В современной технике значительное распространение" получили процессы сжатия газов и паров. Выполнение процес­ сов сжатия осуществляется разнообразным классом машин-ком­ прессоров, анализ работы которые с точки зрения затраты энергии при сжатии газов, в технической термодинамике осу­ ществляется при изучении теоретических рабочих процессов поршневых компрессоров, турбокомпрессоров и др.

3-8. Тешюиспользование без преобразования теплоты

Более крупным потребителем топлива на нашей планете, по сравнению с тепловыми двигателями,являются тепловые уста­ новки, в которых отсутствует преобразование теплоты в какиелибо другие формы. К ним относятся различные промышленные

- II 9 -

печи (огневое теплоиспользование) - нагревательные, пла­ вильные, пламенные и др. находящие применение в металлур­ гии (при получении чугуна, стали, цветы*« металлов), про­ мышленности строительных материалов (производство кирпича, извести и пр.). К тепловым установкам относятся также раз­ нообразные теплообменные аппараты (парогенераторы, паро­ перегреватели, бойлеры и др.) и сушильные устройства для испарения влаги из различных материалов (древесина, хло­ пок и пр.) при температуре обычно ниже точки кипения ис­ паряемой жидкости. При их проектировании, эксплуатации применяется весь теоретический комплекс теплотехнических дисциплин - термодинамика, теплопередача, теория горения топлива, знание которых обязательно для инженеров широко­ го профиля любой специальности.

3-9. Энергетика ближайшего будущего

При изыскании методов повышения к.п .д. любой тепло­ вой установки необходимо найти новые пути получения энергии, так как старые способы получения ее за счет интенсивного потребления топливных запасов могут при­ вести человечество к катастрофе.

В энергетике ближайшего будущего главные новые спо­ собы выработки энергии заключены в применении ядерного горючего и установок с магнитогидродинамическими генератораш (МГД). Перспективность развития атомных электро­ станций (АЭС) объясняется большими запа іми на напей планете ядерного горючего, превышающими в несколько раз запасы органического топлива.