книги из ГПНТБ / Соловьев Е.М. Судовые энергетические установки, вспомогательные и промысловые механизмы учеб. пособие

от точки 1). При адиабатном расширении температура тела сни­ жается, а так как адиабата в диаграмме Т — S изображается вер­ тикально, то процесс от точки 2 направлен по ординате вниз (2—3). Изотермическое сжатие сопровождается отводом теплоты энтропия при этом уменьшается. Следовательно, процесс сжатия

Т

I

•S

•ч:

s

Рис. 15. Цикл Карно в диаграмме

T—S.

представляет собой отрезок горизонтальной прямой 3—4. Адиабат­ ное сжатие имеет вид прямой 4—1. Площадь диаграммы 1—2—3—4 в масштабе соответствует количеству теплоты, превращенной в работу.

нии. Они как бы «танцуют», и те из них, которые приобретают наи­ большую энергию, вырываются и образуют над поверхностью воды нар.

30 .

зовании в закрытом сосуде одновременно происходят оба процесса. Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, назы­ вается и с п а р е н и е м . Испарение происходит при любой темпе­ ратуре. Для процесса испарения необходима поверхность раздела между жидкостью и паром, которая может быть и внутри жид­ кости; при этом в жидкости образуются пузырьки пара, и испарение

количество пара в нем будет увеличиваться, а количество воды уменьшаться до тех пор, пока последняя капля воды не превратится в пар. В этот момент пар становится с у х и м н а с ы ще н н ы м .

Доля содержания сухого насыщенного пара во влажном на­ зывается степенью сухости пара и обозначается буквой х. Таким образом, если говорят, что степень сухости влажного пара л:—0,96, это значит, что 1 кг пара содержит 0,4 кг воды и 0,96 кг сухого насыщенного пара. Доля содержания воды во влажном паре называется с т е п е н ь ю в л а ж н о с т и . Если к сухому насыщен­ ному пару подводить теплоту при постоянном давлении, то он ста­ новится п е р е г р е т ы м , температура пара при этом повышается, а объем его увеличивается; теплосодержание перегретого пара ста­ новится большим.

Перегретый пар используют в энергетических установках (тур­ бинах, машинах), насыщенный — в технологических установках (рыбообрабатывающих).

31

Получение пара в паровых котлах происходит при постоянном давлении и включает следующие стадии:

—нагрев воды до температуры кипения;

—образование пара из кипящей воды;

—образование перегретого пара из сухого насыщенного.

Весь процесс получения пара в паровых котлах можно изобра­ зить на диаграмме р — ѵ (рис. 16). Предположим, что в действую­ щий котел подали под давлением 1 кг холодной воды при 0°. Удель­ ный объем ѵв очень мал. На диаграмме это состояние представится точкой 1. Затем температура, а следовательно, и удельный объем поданной массы воды быстро начнут повышаться при том же дав­ лении рі. Одно из состояний процесса нагревания воды показано на диаграмме точкой 2, при нем удельный объем подогретой воды равен ѵп.в-

В точке 3 вода уже перейдет в кипящее состояние при тем­ пературе кипения, соответствующей давлению рі и удельному объему цк. Отрезок 1—3 на диаграмме представляет процесс подо­ грева воды от 0° С до температуры кипения.

При дальнейшем подогреве начинается процесс образования пара из кипящей воды при постоянных давлении и температуре кипения; этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не испарится последняя капля воды. На диаграмме процесс парооб­ разования показан отрезком <3—5, причем за точкой 3 кипящая вода постепенно начинает переходить в насыщенный пар и в точке 5 полностью превращается в сухой насыщенный пар. Поэтому про­ межуточные точки (например, точка 4) отрезка 3—5 изображают влажный пар с различными значениями сухости. В точке 3 (со­ стояние кипящей воды) сухость пара х=0, в точке 5 (состояние сухого насыщенного пара) я = 1, т. е. сухость пара составляет 100%.

Если продолжать процесс нагревания сухого насыщенного пара (в пароперегревателе), то получаемая при этом характеристика пара графически изобразится горизонтальной прямой, являющейся продолжением линии 1—5.' В точке 6 удельный объем теперь уже перегретого пара будет рп. п. С удалением точки 6 от точки 5 как температура нагрева, так и удельный объем пара будут повы­ шаться.

Если теперь рассмотреть работу котла при большем давлении (Рі ), равном примерно 10 МПа ( — 100 кгс/см2), то весь процесс образования насыщенного пара из воды при температуре 0° и пере­ гретого пара из сухого насыщенного изобразится штриховой линией 1'—6'. В точке 1' удельный объем воды при 0° С получается такой же, как при ри так как удельный объем воды почти не зависит от давления, он изменяется только с изменением температуры жид­ кости. Однако при давлениях свыше 10 МПа удельный объем воды начинает заметно уменьшаться; это уменьшение для наглядности показано на диаграмме штриховой линией 1' — С.

Если через одноименные точки провести плавные линии, то по­ лучим п о г р а н и ч н ы е к р и в ы е ЕК и КМ, которые делят всю диаграмму на три области: область воды, лежащую левее линии

32

ЕК, область влажного пара, расположенную между линиями ЕК и КМ, и область перегретого пара, находящуюся правее линии КМ. Линия 4—4'—4"—К. есть кривая постоянной сухости. Это значит, что при различных давлениях сухость пара в точках 4, 4', 4" и К будет одинаковой.

Д. И. Менделеев в 1860 г. пришел к выводу, что существует такая температура жидкости, при которой ее поверхностное натя­ жение как результат действия сил сцепления между молекулами будет равно нулю. Выше этой температуры жидкость и пар обла­ дают одинаковыми свойствами; различие между ними исчезает.

Предполагая, что энтропия воды при 0°С (273 К) равна нулю, со­ стояние воды при 0° изображают на диаграмме Т—S точкой А, лежащей на оси ординат. Критическая точка на диаграмме Т—S обозначается точкой К, в которой сходятся нижняя А0К и верхняя

пара изобары круто поднимаются, а в области жидкости сливаются с нижней пограничной кривой.

Так как процесс парообразования в паровом котле происходит при постоянном давлении (по изобаре), то три стадии парообразо­ вания в диаграмме Т — S будут изображены следующим образом:

линия ВС.

Так как в диаграмме Т — 5 площади изображают количество теплоты, участвующей в процессе, то легко установить, что площадь ОА0АаО представляет энтальпию жидкости, которая обозначается буквой і' и является теплотой, идущей на нагревание 1 кг воды от 0°С до температуры кипения. Площадь аАВЬа — теплота паро­ образования; она представляет собой количество теплоты, которое расходуется на превращение 1 кг кипящей воды в сухой насыщен­ ный пар и обозначается буквой г. Площадь ЬВСсЬ — теплота, затра­

ных параметров t, р, v, і, s, определенные опытным путем или вычисленные на основании теоретических исследований. Таблицы составлены для сухого насыщенного пара и воды и для перегре­ того пара. В первой колонке таблицы даются значения давлений р, расположенные в порядке их возрастания, в последующих колон­

10 МПа), которые в области влажного пара представляют собой прямые наклонные линии, а в области перегретого пара — подни-

34

они совпадают с изобарами, так как каждому давлению насыще­ ния соответствует определенная температура); линии одинаковой сухости (х), расположенные в области влажного пара. Кроме этих линий на диаграмму і — s иногда наносят изохоры (ѵ), которые идут в том же направлении, что и изобары, но более круто. Для ясности изохоры изображают штриховыми линиями.

Чтобы по диаграмме найти, например, теплосодержание сухого насыщенного пара при давлении р = 2 МПа, вначале ищем кривую постоянного давления, помеченную этим числом, затем находим

путем отнятия от него тепла при соприкосновении с охлаждающей водой, подаваемой циркуляционным насосом 9. В результате кон­ денсации пара получается конденсат (вода), который специальным конденсатным насосом 6 подается в питательный бак 7, а оттуда питательным насосом 8 — в котел.

Цикл Ренкина. Цикл Ренкина является основным для пароси­ ловых установок.

Рассмотренная ранее паросиловая установка работает по циклу Ренкина, а сам цикл Ренкина в диаграмме Т — 5 изображен на рис. 20. Основные процессы здесь: а—b — нагрев воды в паровом котле до температуры насыщения; b—с — парообразование; с—d — перегрев пара; d—е — адиабатное расширение пара в паровом дви­ гателе; е—а — конденсация пара в конденсаторе.

Термический к. п. д. цикла Ренкина оценивает экономичность паросиловой установки; он показывает, какое количество теплоты в паросиловой установке может быть превращено в механическую

работу. Обозначается этот к. п. д. буквой -ц с индексом t и опре­ деляется по формуле

1 кВт (1 л. с.).

Удельный расход пара паросиловой установки определяется по формуле

d—7——7- кг/(кВт-ч),

іі — г2

где іі и і2в кДж/кг, или

h — h

где іі и г2 в ккал/кг.

Способы повышения экономичности цикла паросиловой уста­ новки. Теоретическими исследованиями установлено, что термиче­ ский к. п. д. цикла паросиловой установки увеличивается:

—с повышением давления пара, поступающего в паровой дви­ гатель;

—с уменьшением давления в конденсаторе;

—с повышением температуры перегретого пара.

Увеличение давления пара влечет за собой повышение темпе­ ратуры его перегрева. При высокой же температуре перегретого пара детали турбин разрушаются, и их необходимо изготовлять из дорогостоящих жаропрочных сплавов. Поэтому в паросиловых

36

установках, работающих на паре высокого давления, предусмот­ рено следующее. Пар с несколько пониженной температурой по­ ступает в турбину высокого давления, где расширяется и совер­

Экономичность паросиловой установки увеличивают также пу­ тем применения регенеративного и теплофикационного циклов.

В р е г е н е р а т и в н о м ( т е п л о в о з в р а т н о м ) ц и к л е от машины или' турбины отбирается пар для подогрева воды, посту­ пающей в котел, в результате чего уменьшается расход топлива на получение пара, а следовательно, повышается экономичность цикла. При осуществлении т е п л о ф и к а ц и о н н о г о ц и к л а увеличи­ вается давление в конденсаторе, следовательно, повышается конеч­ ная температура пара, который теперь не отдает бесполезно свою теплоту в конденсаторе, а поступает на нагревание отопительных приборов или на технологические нужды. При этих условиях уста­ новка будет давать не только энергию для привода гребного винта или электрогенератора, но и теплоту.

§ 7. Истечение и дросселирование газов и паров

Общие сведения. Истечение — это процесс непрерывного дви­ жения газа или пара по каналу изменяющегося сечения. При исте­ чении газа или пара меняются основные параметры его состояния. Для осуществления процесса истечения в теплотехнике применяют короткие участки трубопроводов — специальные насадки.

Насадки, в которых потенциальная энергия протекающего по ним газа преобразуется в кинетическую, называются с о п л а ми . При проходе через сопла скорость газа увеличивается. Если к на­ садке подводится газ с большой скоростью, может происходить обратный процесс, при котором скорость газа по мере движения по насадке уменьшается, т. е. кинетическая энергия преобразуется

постепенно уменьшается от входа к выходу, (рис. 21). Если к вы­ ходному концу суживающегося сопла прибавить плавно расши­

(рис. 21), во входном сечении которого / — / поддерживаются по­ стоянные параметры газа ри щ, 7\, протекает газ в пространство, где также все время поддерживаются постоянными давление р2, температура Тг и удельный объем ѵ2, причем давление на входе рі больше давления на выходе р2.

37

Так как струя газа, протекающего через сопло, неразрывна, то в единицу времени через любое сечение сопла проходит одинаковое количество газа. Следовательно, при проходе газа через малое се­ чение скорость его увеличивается, а при проходе через большое сечение — уменьшается. Давление же будет изменяться обратно изменению скорости, т. е. чем больше скорость, тем меньше дав­ ление, и наоборот.

Таким образом, по мере протекания газа через суживающееся сопло его давление быстро падает, а скорость увеличивается, т. е. газ расширяется и удельный объем его растет. В узком выходном

До каких пор будет падать давление и увеличиваться скорость? Могут ли эти величины изменяться беспредельно?

Измерения показали, что для большинства газов и паров крити­ ческое давление составляет примерно половину давления на входе

Другими словами, при проходе газа (пара) через суживающееся сопло давление его не может »упасть меньше чем в два раза. На­ пример, если давление пара на входе в суживающееся сопло со­ ставляет 1,0 МПа, то на выходе оно не может быть ниже 0,5 МПа. Из примера видно, что на создание скорости в суживающемся сопле расходуется лишь часть энергии, соответствующая половине располагаемого давления, а вторая часть затрачивается на созда­ ние завихренного потока после сопла. Таким образом, вторая часть энергии расходуется бесполезно; ее нельзя, например, направить на лопатки турбины для совершения работы.

Критическая скорость определяется по формуле

скр —44,8 ]/"гх — і3 м/с,

38

Процесс истечения в расширяющемся сопле. Шведским инжене­ ром Лавалем было предложено сопло, в котором можно получить давление ниже критического. Такое сопло изображено на рис. 22; оно называется расширяющимся или комбинированным. Узкое се­

в которых происходит понижение давления газа и повышение его скорости. Однако процесс может протекать

и в обратном направлении. В этом случае скорость газа умень­ шается, а давление его повышается, т. е. сопло превращается в диффузор.

Допустим, что происходит процесс истечения газа через сопло

от сечения 1 до сечения 3 давление газа повысится, а скорость по­ низится. В выходном же сечении 2 давление газа опять повысится и станет больше давления в сечении 3 (р2>р3), а скорость пони­ зится (с2< с 3).

Такие диффузоры для газа и воздуха широко применяются в центробежных компрессорах.

Дросселирование паров и газов. Если в трубопроводе на пути

39