книги из ГПНТБ / Селиверстов В.М. Теплосиловое оборудование подъемно-транспортных машин учебник

Складывая правые и левые части данных уравнений и решая их относительно q, получаем:

д а ч и , который численно равен количеству тепла, переданному через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности темпера­ тур между жидкостями в 1°.

Температуру обеих поверхностей стенки определяют из уравнений

(272):

% T 1 =" Q аі > ^ ст2 — ^2 Ц а2 •

Для многослойной плоской стенки, разделяющей две среды, плот­ ность теплового потока определяют по уравнению, подобному уравне­ нию (273), с той лишь разницей, что коэффициент теплопередачи k находят по формуле

+Л ^

Тепловой поток для стенки поверхностью/*'определяют по формуле

При расчете теплопередачи через цилиндрическую стенку можно использовать формулы для плоской стенки, но с некоторой погреш­

не превышает 0,5%. Если 4 г > 2, то теплопередачу следует рассчи-

тывать по точным формулам, приведенным в специальной литературе.

тепла от одного теплоносителя к другому в с м е с и т е л ь н ы х теплообменниках происходит при непосредственном их смешении.

Рассмотрим только наиболее распространенные рекуперативные теплообменники. В зависимости от взаимного направления потока теплоносителей различают три основные схемы их движения: п р я - м о т о к , п р о т и в о т о к и п е р е к р е с т н ы й т о к (рис. 48).

Целью теплового расчета теплообменного аппарата обычно являет­ ся определение его поверхности нагрева F м2, обеспечивающей переда-

fl) \ t 2 0) \і'г

К

Рис. 48. Схемы движения жидкостей в теплообменниках:

а — прямоток; б — противоток; в — перекрестный ток

чу заданного количества тепла. Одной из основных расчетных формул для теплообменных аппаратов служит уравнение теплового баланса

Индексом «1» обозначают величины, относящиеся к теплоотда­ ющей среде, а индексом «2» — величины, относящиеся к тепловоспри­ нимающей среде.

Другим основным расчетным уравнением для теплообменных ап­ паратов является уравнение теплопередачи (см. § 55)

/ 2 теплоносителей остаются постоянными. В общем же случае в тепло­ обменном аппарате температуры теплоносителей меняются вдоль по-

98

верхнссти нагрева, а следовательно изменяется и температурный на­ пор между ними Аі — і г — t 2.

Изменение температуры теплоносителей вдоль поверхности на­ грева F при прямотоке и противотоке в координатах tF показано на

рис. 49.

Средний температурный напор по всей поверхности нагрева, назы­

большую, а А /м — наименьшую разности граничных температур

Рис. 49. Характер изменения температур теплоносителей в теплообменных аппаратах при прямотоке (а) и про­ тивотоке (б)

теплоносителей. Подставляя в формулу (279) значения At6 и Аtu,

При переменных температурах теплоносителей вдоль поверхности

Определение среднелогарифмического напора при перекрестном и других сложных схемах движения теплоносителей является сравни­ тельно сложной задачей, поэтому в практических расчетах пользуются упрощающими их графиками.

ЧАСТЬ ТРЕТЬЯ

ТОПЛИВО и ЕГО ГОРЕНИЕ

Г л а з а XV

топливо

§ 57. Общие сведения ѳ топливе. Элементарный состав топлива

Во всех теплосиловых установках первичным источником энергии является топливо, при горении которого выделяется тепло. В зависи­

топливу относятся: дрова, торф, бурый и каменный уголь, антрацит, к искусственному — кокс, брикеты и др. Естественным жидким топ­ ливом является нефть, искусственным — бензин, лигроин, керосин, соляровое масло, дизельное и моторное топливо, мазут. К газообраз­ ному естественному топливу относится природный газ, к искусствен­ ному — генераторный газ, доменный газ и др.

В теплосиловом оборудовании подъемно-транспортных машин глав­ ным образом применяется жидкое топливо. Твердое и газообразное топливо используется в береговых котельных установках, производя­ щих тепло для промышленных и бытовых нужд. В связи с тем, что газо­ образное и твердое топливо используется весьма редко, ограничимся рассмотрением в основном свойств и характеристик жидких топлив.

Любое топливо состоит из горючей части и балласта (негорючей части). В горючую часть входят химические соединения, содержащие углерод С, водород Н, серу S, кислород О и азот N. К негорючей части относятся влага W и минеральная примесь (зола) А.

Таким образом, натуральное топливо состоит из семи компонентов. Если содержание их выразить в процентах по весу, то элементарный

Состав горючей массы записывается в виде следующего равенства:

Для жидких топлив элементарный состав изменяется очень мало. В связи с тем что все тепловые расчеты по топливу производятся на рабочую массу, а в ТУ и ГОСТах на топливо указывается обычно

100

Состав горючей массы, возникает необходимость пересчета элементар­ ного состава его с одной массы на другую.

Пересчет элементарного состава с горючей массы топлива на его рабочую массу и обратно производится по формулам:

г__г 100— Лр—Гр

Физические и химические характеристики топлива зависят от процентного содержания в нем отдельных элементов.

Углерод С— основная горючая часть любого топлива. Содержание углерода в горючей массе твердого топлива в зависимости от его вида колеблется от 50 до 95%. В жидком топливе его содержится 85—87%. При сгорании 1 кг углерода выделяется 33 900 кДж тепла.

Водород Н также является основной горючей частью топлива. Содержание его в горючей массе твердого топлива составляет 2—6%. С увеличением химического возраста топлива количество водорода в нем уменьшается. В жидком топливе его содержится 12— 14,5%. При сгора­ нии 1 кг водорода выделяется 142 000 кДж тепла, что в 4,2 раза боль­ ше, чем при сгорании 1 кг углерода.

Сера S как горючий элемент в тепловом отношении мало эффектив­ на, так как при ее сгорании выделяется всего лишь 9200 кДж тепла, что в 3,7 раза меньше, чем при сгорании 1 кг углерода. Содержание серы в твердом топливе колеблется от долей процента до 6%. В жидком топливе сера находится в виде органических соединений и свободной серы, содержание ее в топливе может быть до 4%. Наличие серы в топ­ ливе нежелательно, так как образующийся при ее сгорании сернистый газ корродирует металлы.

Кислород О, входящий в состав топлива, находится в химическом соединении с другими элементами. Количество его в твердых топливах с небольшим химическим возрастом может достигать 30%. В жидком топливе количество кислорода не превышает 1,5%.

Азот N — часть топлива, содержание которой не превышает 1%. Зола А — минеральная негорючая часть топлива. В жидком топли­ ве зола находится в виде различных растворенных солей, количество которых в моторных топливах для двигателей внутреннего сгорания

не превышает 0,1%. Зола твердого топлива — это смесь различных минеральных веществ. В некоторых сортах углей содержание ее может достигать до 40%.

Влага ѴѴ так же, как и зола, является нежелательным элементом топлива. Она, с одной стороны, уменьшает количество горючих элементов в топливе, а с другой — требует затрат тепла на ее испарение при сгорании топлива. В жидком топливе влага или отсутствует, или содержится в очень незначительных количествах. Влажность твердого топлива колеблется в широких пределах, в бурых углях она состав­ ляет до 50%.

10 1

Ее можно определять аналитически, если известен элементарный со­ став топлива, и экспериментально в специальных калориметрических установках. Различают высшую и низшую теплоту сгорания топлива.

топлива без использования теплоты конденсации паров. Она отличает­ ся от высшей теплоты сгорания расходом тепла на испарение влаги, содержащейся в продуктах горения 1 кг топлива. Общее количество влаги в продуктах сгорания складывается из влаги, содержащейся в топливе, Wv, и влаги, образовавшейся при сгорании водорода. При

этом из одной весовой части водорода можно получить девять весовых частей воды.

Если принять теплоту образования паров воды равной 2500 кДж/кг, то получим следующую формулу, связывающую высшую и низшую теп­

ливе, %.

При сжигании топлива в промышленных установках и тепловых двигателях температура уходящих газов обычно выше 100° С, поэтому в них может быть реализована только низшая теплота сгорания топли­ ва.

Экспериментально теплоту сгорания топлива определяют в калори­ метрической установке (рис. 50). Точно взвешенную навеску испыту­ емого топлива сжигают в среде сжатого кислорода в калориметри­ ческой бомбе и определяют количество выделившегося тепла. Зная мас­ су М испытуемого образца топлива, максимальное повышение темпе­ ратуры воды в калориметрическом сосуде At и водяной эквивалент калориметрической системы К, находят теплоту сгорания по формуле

При проведении опытов дополнительно учитывают отдачу тепла в окружающую среду, теплоту горения проволочки запала и т. д.

В калориметрической установке определяют высшую теплоту сго­ рания топлива, поскольку в калориметрической бомбе происходит конденсация водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Рассмотренный метод получил широкое распространение на практике. Он обеспечивает достаточно высокую точность определения теплоты сгорания топлива.

102

Теплоту сгорания также можно определить и по элементарному со­ ставу с помощью полузмпирических формул.

Д. И. Менделеевым была предложена полуэмпирическая формула

для нахождения теплоты сгорания топлива по его элементарному со­ ставу:

Рис. 50. Схема калориметрической установки:

1 — мешалка; 2 — трубочка для подачи кислорода; 3 — чашечка для топлива; 4 — градусник; 5 — калориметр с водой; б — кожух калориметра; 7 — калориметрическая бомба

Разные виды топлива обладают различной теплотой сгорания (от

20 000 до 44 000 кДж/кг).

Для сопоставления расхода различных топлив и нормирования его вводится понятие «условное топливо». Теплота сгорания такого топли­ ва принимается равной 29 300 кДж/кг.

При переводе натурального топлива в условное и условного в на­ туральное пользуются топливным эквивалентом, определяемым по фор­ муле

(288)

29300

103

§59. Ж и д ко е топливо и его характеристики

Основным сырьем для получения жидких топлив является нефть, представляющая смесь различных углеводородов с незначительной примесью кислорода, азота, серы и минеральных веществ.

В состав нефти входят предельные, нафтеновые и ароматические

Сырую нефть не используют в качестве топлива. Ее подвергают переработке, в результате чего получают различные сорта жидких топ­ лив и смазочных масел.

Рис. 51. Схема прямой перегонки нефти в атмосферно­ вакуумной установке:

/ и 3 — трубчатые печи; 2 и 4 — ректификационные колонны

В нефтеперерабатывающей промышленности для получения топлива

изводят в одноили двухступенчатых атмосферно-вакуумных установ­ ках. Схема двухступенчатой атмосферно-вакуумной установки изобра­ жена на рис. 51.

В первой ступени установки, работающей под атмосферным давле­ нием, в трубчатом теплообменнике происходит совместный отгон паров нагреваемой обезвоженной нефти, а в ректификационной колонке — разделение паров на фракции по их температурам кипения. Легкие фракции — бензин (20—30%), лигроин, керосин, газойль (30—45%) отгоняются в первой ступени. Остаток указанных дистиллятов в ко­

ционный бензин, бензин первого и второго сортов и т. д. При темпера­ туре до 300°С в этой же ступени получают различные сорта керосина.

Во время перегонки мазута во второй ступени установки при темпе­ ратурах от 300 до 370° С получают соляровое масло.

Крекинг-процесс применяют для увеличения выхода из нефти лег­ ких фракций. Сущность его заключается в расщеплении тяжелых мо-

104

температуре 450—550° С и давлении 3—5 МН/м2. Нефтепродукты, по­ лученные при этом, обладают недостаточной стабильностью и склонны к образованию смол. При каталитическом крекинге распад тяжелых молекул происходит при давлении, близком к атмосферному, и темпе­ ратуре 450—480° С в присутствии катализатора, ускоряющего реак­ цию и придающего бензину большую стабильность.

Основными потребителями жидкого топлива являются двигатели внутреннего сгорания. Различные типы этих двигателей, в связи с осо­ бенностями протекающего в них процесса горения, предъявляют к жидкому топливу ряд требований, зависящих от конструкции дви­ гателя, способа ввода топлива в цилиндр и т. д. Этим требованиям, как правило, не удовлетворяют топлива, получаемые как при прямой перегонке, так и при крекинг-процессе.

Поэтому большинство высококачественных топлив получают сме­ шением отдельных продуктов перегонки и крекинга.

Кроме элементарного состава и теплоты сгорания топлива, к фи­ зико-химическим характеристикам жидкого топлива относятся:

1) фракционный состав, характеризующий испаряемость топлива данного сорта. Определяют его по разгонке в стандартных условиях (ГОСТ 2177—59). При этом определяют температуру начала кипения и температуру, при которой испаряется соответственно 10, 50, 90 и 97—98% испытуемого топлива.

количество тяжелых фракций, отрицательно влияющих на полноту сгорания топлива;

2) плотность, измеряемая массой вещества единицы объема. Она обозначается р г/см3 и определяется как отношение плотности нефтепро­

где у — средняя температурная поправка на плотность; 3) вязкость — сила сопротивления, оказываемая жидкостью взаим­

ному перемещению ее частиц под влиянием действующих на них сил. Величина вязкости зависит ог химической природы сырья, технологи­ ческого процесса получения нефтепродукта, давления и температуры. Она существенно влияет на распыливание, фильтрацию и движение по трубам топлива и масла. Вязкость нефтепродукта уменьшается с по­ вышением температуры.

Различают вязкость динамическую, кинематическую и условную.

105

Д и н а м и ч е с к о й в я з к о с т ь ю называется сила, проти­ водействующая взаимному перемещению двух слоев жидкости пло­

намической вязкости жидкости к ее плотности при температуре опре­

температуре ко времени истечения такого же количества дистиллиро­ ванной воды при 20° С. Число градусов условной вязкости при темпе­ ратуре f С обозначается ВУ°/;

4) температура вспышки — температура, при которой пары неф­ тепродукта, нагреваемого в установленных стандартом условиях, обра­ зуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесе­ нии к ней пламени. По температуре вспышки определяют степень ог­ неопасности топлива.

Нефтепродукты с температурой вспышки ниже 21° С (все сорта бен­ зина) относятся к первому разряду огнеопасности, с температурой вспышки 21—65° С (лигроин, керосин)— ко второму, с температурой вспышки выше 65° С (все сорта тяжелого топлива) — к третьему раз­ ряду;

5) температура воспламенения — температура, при которой нефте­ продукт, нагреваемый в установленных стандартных условиях, заго­ рается при поднесении к нему пламени и продолжает гореть не менее 5 с. Эта температура обычно на 20—25° С выше температуры вспышки;

6)температура самовоспламенения — температура, при которой происходит самовозгорание нефтепродукта без воздействия на него открытого пламени;

7)температура застывания—температура, при которой прекраща­ ется текучесть нефтепродукта;

8)коксуемость — свойство жидкого топлива образовывать угле­ родистый остаток при нагревании его без доступа воздуха. По ве­ личине коксуемости судят о способности топлива создавать нагар в цилиндрах двигателя. Образование нагара приводит к неполному сгоранию топлива, повышенному износу деталей, ухудшению распыливания топлива и т. д. Для уменьшения нагара в топливо вводят специальные антинагарные присадки;

9)коррозионность топлива, зависящая от содержания в нем кислот, щелочей и серы. Во всех топливах, предназначенных для двигателей, должны отсутствовать водорастворимые кислоты и щелочи, являющи­

еся наиболее активными коррозионными агентами.

Втопливе также ограничивается содержание органических кислот

идругих кислых примесей. Их содержание характеризуется кислотно­ стью топлива, определяемой количеством мг КОН, расходуемых на ней­ трализацию 100 мл испытуемого топлива. Кислотность топлива не должна превышать 10 мг КОН на 100 мл.

106