Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Техническая теплотехника. Учебное пособие
.pdf
Рис. 19
Через воздушный клапан 7 в камеру сгорания 1 поступает воздух,
сжатый в компрессоре 6. Сюда же топливным насосом 5 через топливный
клапан 8 подается жидкое топливо. Процесс горения происходит при закрытом воздушном клапане 7 и сопловом клапане 2. Воспламенение происходит от электрической искры. После сгорания топлива в результате повышения давления в камере 1 открывается сопловой клапан
2. Продукты
сгорания, проходя через сопловые аппараты 3, поступают на лопатки газовой турбины 4.
1-2 – адиабатное сжатие до давления р
2-3 – изохорный подвод теплоты q
3-4 – адиабатное расширение до первоначального давления р
4-1 – изобарное охлаждение рабочего тела (отвод теплоты q
;
2
, сгорание топлива;
1
2
1
);
;
Характеристики цикла:
р
Степень повышения давления
Степень добавочного повышения давления:
2
.
р
1
р
3
.
р
2
Количество подведенной и отведенной теплоты:
q1 = cv (T3 – T2),
q2 = cр (T4 – T1).
Термический КПД цикла:
q
t
2
q
11
1
k
1
k
)1(
)1(
. (58)
k
1
k
41
Действительный цикл ГТУ отличается от теоретического наличием
потерь на трение и вихреообразование в турбине и компрессоре.
Эффективными методами повышения экономичности ГТУ являют-
ся:
регенерация теплоты, ступенчатое сжатие и расширение рабочего
тела
и пр.
Под
регенерацией в цикле ГТУ понимают использование теплоты
уходящих газов в газовой турбине для предварительного подогрева воздуха, поступающего в камеру сгорания.
1.27. Циклы паротурбинных установок (ПТУ). Цикл Ренкина
Паротурбинная установка основа современных тепловых и атомных
электростанций. Рабочим телом в таких установках является пар какойлибо жидкости (водяной пар). Основным циклом в паротурбинной установке является
цикл Ренкина (рис. 20).
Рис. 20
В паровом котле ПК за счет теплоты сжигаемого топлива происходит процесс превращения воды в пар. В пароперегревателе ПП он доводится до необходимых начальных параметров р1, Т1. На лопатках паровой турбины ПТ происходит преобразование теплоты в работу и затем
в электрическую энергию в электрогенераторе ЭГ. Отработанный пар
42
в конденсаторе К конденсируется с передачей теплоты охлаждающей воде О.В. Полученный конденсат конденсатным (питательным) насосом ПН
подается в водяной экономайзер ВЭ, служащий для подогрева воды, а затем в котел.
Процессы цикла Ренкина на перегретом паре:
1-2
– адиабатное расширение пара на лопатках ПТ;
2-3 – конденсация пара в конденсаторе;
3-4 – сжатие воды в конденсатном насосе;
4-5 – подогрев воды до температуры кипения в водяном экономайзе-
ре и котле;
5-6 – парообразование в котле;
6-1 – перегрев пара в пароперегревателе.
Термический КПД цикла Ренкина:
A
t
ц
, (59)
q
1
где Ац – полезная работа цикла; q1 – затраченная в цикле теплота.
Полезная работа
= А
т
– А
На p-v и T-s диаграммах полезная работа, совершаемая 1кг пара,
н .
будет численно равна площади 1234561.
цикла равна разности работ турбины и насоса: Ац
Для повышения эффективности цикла Ренкина применяется регене-
рация
– предварительный нагрев питательной воды, поступающей в паро-
вой котел, паром, отбираемым из паровой турбины.
1.28. Компрессоры
Компрессоры предназначены для сжатия и перемещения газов.
Рассмотрим работу наиболее простого по конструкции поршневого
компрессора (рис. 21 а). Здесь
клапан;
4 – нагнетательный клапан.
1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – всасывающий
Рабочий процесс совершается за два хода поршня или за один оборот
коленчатого вала. При движении поршня вправо через открытый всасывающий клапан газ поступает в цилиндр. При обратном движении поршня
влево всасывающий клапан закрывается и происходит сжатие газа до
определенного давления, при котором открывается нагнетательный клапан
и производится
нагнетание газа в резервуар.
Если сжатый газ полностью выталкивается поршнем, компрессор
называется
идеальным. Р-v диаграмма такого компрессора изображена
на рис. 21 б. Здесь 4-1 – линия всасывания; 1-2 – изотермический процесс сжатия;
процесс сжатия;
1-2’’ – адиабатный процесс сжатия; 1-2’ – политропный
2-3 – линия нагнетания; 3-4 – условная линия, замыка-
ющая цикл.
43
Рис. 21
Линии всасывания
4-1 и нагнетания 2-3 не изображают термодина-
мические процессы, т.к. меняется количество рабочего тела, а не его состояние.
1.29. Холодильная установка. Обратный цикл Карно
Холодильными называются такие установки, в которых температура
тел поддерживается ниже температуры окружающей среды.
Виды холодильных установок:
– воздушная – в качестве хладогента используется атмосферный
воздух;
–
параовая (парокомпрессорная) – рабочим телом являются пары
различных веществ – аммиака, углекислоты, фреонов;
–
пароэжекторгые и абсорбционные – для поучения низких темпе-
ратур затрачивается не механическая работа, как в паровых или вооздушных, а теплота какого-либо рабочего тела с высокой температурой;
–
холодильные установки, основанные на использовании эффек-
тов Пельтье и Ранка-Хильша.
Холодильные установки работают по обратному циклу.
Обратный цикл – такой цикл, в котором подвод теплоты к ТС про-
исходит при более низкой температуре, чем отвод теплоты. В таких циклах
рабочее тело отдает свою теплоту горячему, а не холодному источнику.
Цикл холодильной установки протекает в направлении против часовой стрелки. Как и в случае прямого цикла, наиболее выгодным циклом
будет
ратимый
хладогента (рабочее тело);
холодильный цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат – об-
обратный цикл Карно (рис. 22). Здесь 1-2 – адиабатное сжатие
2-1 – изотермическое сжатие с отводом теплоты
44
q1 в окружающую среду; 3-4 – адиабатное расширение; 4-1– изотермиче-
A
ское расширение с подводом теплоты q2 к хладогенту от охлаждаемого в
холодильнике тела.
Рис. 22
Характеристика эффективности обратного цикла – коэффици-
ент холодопроизводительности ε.
А – затрачиваемая механическая работа (равная площади 1234).
где
, (60)
q
2
Для обратного цикла Карно:
q
к
A
q
22
qq
21
sT
2
21
sTsT
T
1
.
TT
21
45
РАЗДЕЛ 2. ТЕПЛОМАССООБМЕН
2.1. Основные понятия. Способы передачи тепла
Теория теплообмена – наука о процессах переноса тепла. С ней связаны многие явления, наблюдаемые в природе и технике. Ряд вопросов
проектирования и строительства зданий и сооружений решается на основе
теории теплообмена или некоторых ее положений. Знание законов теплообмена позволяет указать толщину и материал ограждающих конструкций
с отопительными устройствами, разработать новые
строительные материалы, способные надежно защищать от холода, а также
многие другие задачи.
В теории теплообмена можно выделить две основные задачи.
1.
Определение количества теплоты, которое при заданных усло-
виях переходит из одной части тела в другую или передается от одного тела к другому. Эта задача является главной при расчете теплообменных аппаратов, при расчете потерь тепла через изоляцию и т. п.
2. Определение
ющего в процессе теплообмена. Эта задача имеет важное значение для
расчета температурных режимов различных конструкций, т.к. прочность
материалов сильно зависит от температуры, а неравномерное распределение температуры вызывает термические напряжения.
Три основных вида теплообмена:
1. Теплопроводность.
Если внутри тела имеется разность температур, то тепловая энергия
переходит от более горячей его части к более холодной. Такой вид
теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями
молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких
температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально, например,
свечение стального стержня в процессе его нагревания.
2. Конвекция.
При подводе тепла к жидкости или газу увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается давление. Если
жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются; локальная
плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно
поэтому теплый воздух в комнате
называется
ной температурой в область с другой температурой, сопровождающийся
переносом самой среды, называется
встречается только в жидкостях и газах.
конвекцией. Иными словами, перенос теплоты из области с од-
температуры в различных участках тела, участву-
поднимается к потолку). Данное явление
конвекцией. Конвекция в основном
, более экономные
46
3. Лучистый теплообмен.
Третий вид теплопередачи – лучистый теплообмен – отличается от
теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи
тепла в том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение – это один из видов электромагнитного излучения (происходит за
счет распространения электромагнитных
волн).
В природе и в технических устройствах, как правило, все три способа передачи теплоты происходят одновременно. Такой теплообмен называется
сложным теплообменом.
Необходимым и достаточным условием теплообмена является
разность температур между частями тела или телами, участвующими в теплообмене
2.2. Температурное поле
В общем случае процессы передачи теплоты сопровождаются изменением температуры в пространстве и во времени.
Совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемого
пространства называется
температурным полем этого пространства.
Произвольное поле температуры в каждый момент времени математически может быть представлено в виде функции:
t = f (x, y, z, τ),
x, y, z – координаты; τ – время.
где
Значения температур измеряются в градусах Цельсия (°C) или Кельвина
(К).
Вдоль изотермической поверхности тепло распространяться не
может
, т.к. нет разности температур.
Поле называется однородным, если во всех точках пространства значения температуры одинаковы. Если температуры в различных точках неодинаковы, то поле называется
неоднородным.
Поверхности, на которых расположены точки с одинаковыми температурами, называются
верхностей –
изотермами.
Если в выражение температурного поля
изотермическими, а сечение изотермических по-
t = f(x, у, z) не входит время
(), то температурное поле называется стационарным (установившееся
поле),
поле называют
распределение температуры в пространстве не зависит от времени.
Если значения температуры меняются во времени
t = f{x, у, z, ), то
неустановившимся, или нестационарным.
Свойства изотермических поверхностей:
– в стационарных процессах изотермические поверхности не пересе-
каются;
47
– в нестационарных процессах изотермические поверхности пересе-
каются в пространстве.
2.3. Температурный градиент
Как было сказано ранее, при соединении различных точек тела, име-
ющих одинаковую температуру, получим т.н.
изотермическую поверх-
ность.
Поскольку одна и та же точка не может иметь разные температуры,
то
изотермические поверхности не пересекаются, они оканчиваются или
внутри тела, или на его поверхности.
Изотермы (рис. 23) образуются в результате пересечения изотермических поверхностей какой-либо плоскостью. Изотермы обладают теми же
свойствами, что и изотермические поверхности.
Рис. 23
Температура изменяется в направлении от одной изотермической
поверхности к другой. Наибольшая скорость наблюдается в направлении
нормали к изотермической поверхности и характеризуется температурным
градиентом.
Градиент температуры – вектор, направленный по нормали к изо-
термической поверхности в сторону возрастания температуры и численно
равный производной от температуры по этому направлению:
t
ntgradt
0
n
n
0
где
– единичный вектор, являющийся нормалью к изотермической по-
верхности.
Из уравнения следует, что градиент температуры положителен при
возрастании температуры, и тем больше, чем меньше расстояние между
изотермическими поверхностями.
, (61)
48
2.4. Количество теплоты. Тепловой поток.
Удельные тепловые потоки
Количество теплоты
– количество тепловой энергии, полученное
или отданное телом (твердым, жидким или газообразным) или проходящее
через это тело за некоторое время
теплоты
q
измеряется в Дж или кал.
τ
τ в результате теплообмена. Количество
Тепловой поток (обозначают Q) – количество теплоты, проходя-
щее через заданную и нормальную к направлению распространения теплоты поверхность в единицу времени
dQ
nQ ,
0
d
Дж
Вт
с
. (62)
При стационарном режиме теплообмена тепловой поток не изменя-
ется во времени и рассчитывается по формуле:
ВтQQ ,/
В расчетах используют
три вида удельных тепловых потоков:
а) поверхностную плотность теплового потока (обозначают
q, Вт/м
2
) – тепловой поток, отнесенный к площади поверхности тела;
б) л
инейную плотность теплового потока (обозначают: q
, Вт/м) –
l
тепловой поток, отнесенный к длине протяженного тела;
в) о
бъемную плотность теплового потока (обозначают: qv ,Вт/м
3
) –
тепловой поток, отнесенный к объему тела.
2.5. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности
Теплота в теле самопроизвольно переходит через изотермическую
поверхность в направлении более низкой температуры. Интенсивность
теплообмена количественно характеризуется плотностью теплового потока
q.
Плотностью теплового потока q называется количество теплоты,
проходящей через единицу поверхности в единицу времени:
q = Q/(F
), Дж\м
2
сек (вт\м2) (63)
Французский ученый Ж.Б. Фурье в 1807 г. установил, что
плотность
теплового потока пропорциональна градиенту температуры.
Так как теплота распространяется в сторону понижения температуры, а градиент направлен в сторону ее возрастания, то в формуле, выражающей закон Фурье, стоит знак минус:
q
)(
t
n
Коэффициент пропорциональности
теплопроводности
и имеет размерность Вт/(м
gradt
. (64)
λ называется коэффициентом
2
°С). Коэффициент тепло-
49
проводности зависит от физических свойств вещества: структуры тела, его
объемного веса, влажности, химического состава, давления, температуры.
В технических расчетах величину
λ берут из справочных таблиц, причем
необходимо; чтобы условия, для которых приведено в таблице значение
коэффициента теплопроводности, соответствовали условиям рассчитываемой задачи.
Физический смысл
коэффициента теплопроводности (λ) заключает-
ся в том, что он характеризует способность данного вещества проводить
теплоту.
2.6. Граничные условия
В расчетах теплообмена применяют четыре типа ГУ, которые назы-
вают родами.
Граничные условия первого рода
При граничных условиях первого рода известными являются значе-
ния температуры
на границе расчетной области:
),(
xfТ
,1ww
, (65)
где индекс
w означает «граница»;
wx,1
– координаты границы заданной рас-
четной области.
Граничные условия второго рода
При граничных условиях второго рода известными являются значе-
ния плотности
теплового потока на границе расчетной области:
),(
xqq
,1www
, (66)
Граничные условия третьего рода
При граничных условиях третьего рода задают температуру внеш-
ней среды, окружающей тело, и закон теплообмена между средой и поверхностью тела.
В качестве закона теплообмена между окружающей тело средой
и поверхностью тела наиболее часто в инженерных расчетах используют
закон теплоотдачи – закон Ньютона:
)(
TTq
где
– коэффициент теплоотдачи (вспомним, что в общем случае тепло-
отдача происходит конвекцией и излучением); T
T
– температура поверхности тела.
w
wfw
, (67)
– температура среды;
f
Граничные условия четвертого рода
Граничные условия четвертого рода задают условия теплообмена на
границе идеального контакта двух тел
, состоящих из разного вещества
с разными физическими свойствами. В этом случае в зоне идеального контакта у обоих тел равны температуры и тепловые потоки:
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]