1.9. Схема работы и цикл и простейшей паротурбинной установки

Основным циклом паротурбинных установок является цикл Ренкина. Схема работы таких установок и цикл Ренкина показаны на рис. 9, где:

1–2 – адиабатное расширение пара в турбине;

2–3 – конденсация пара в конденсаторе;

3–4 – подача воды в котел (показано условно), т.к. давление конденсата повышается насосом;

4–1 – подогрев воды, ее кипения (парообразование) и перегрев, что происходит при постоянном давлении.

Является очевидным, что для повышения КПД циклов ПТУ необходимо повышать давление в котле, увеличивать температуру перегретого пара (эти два способа повышают среднюю температуру подвода теплоты Т₁) и уменьшать давление в конденсаторе (это уменьшает среднюю температуру отвода теплоты Т₂), что ограничено параметрами окружающей среды. В судовых ПТУ также применяется двойной (вторичный) перегрев пара, когда частично отработавший пар (например после турбины высокого давления) направляется во второй пароперегреватель. Это позволяет увеличить среднюю температуру подвода теплоты, что повышает η цикла.

1.10. Основные понятия теплопередачи

В состав судовой энергетической установки, помимо тепловых двигателей, входит множество устройств и аппаратов, действие которых основано на передаче теплоты от более нагретых тел к менее нагретым. Так, например, в пароэнергетической установке главным теплообменным устройством является паровой котел с подогревателями воды и воздуха (котельный агрегат), конденсатор отработавшего пара, подогреватели питательной воды и топлива, охладители масла, пара и т.д.

Точно также на дизельных судах имеются подогреватели топлива, охладители масла, воды и воздуха.

Процессы теплопередачи пронизывают все области технических и биологических знаний человека. Наиболее сложным и совершенным теплообменным аппаратом является человеческий организм. Расстройство его терморегулирования на десятые доли градуса приводит к ухудшению деятельности всех его органов.

Существует бесчисленное множество теплообменных процессов, которые по своей физической сущности могут быть разбиты на три основные группы:

1. Теплопроводность (кондукция) – молекулярный процесс переноса теплоты в виде переноса импульса движения от молекулы к молекуле данного тела. Осуществляется самопроизвольно от участков тела с большей температурой к участкам с более низкой температурой. Очевидно, что чем меньше расстояние между молекулами, тем проводимость теплоты проявляется лучше. Отсюда она высока в твердых телах и исчезающе мала в газах и парах, например _{серебра}= 458 Вт/м∙град, _возд≈ 0,025 Вт/м∙град, где λ – коэффициент теплопроводности (определяет количество теплоты, которое проводит вещество, и является основной характеристикой теплопроводности).

2. Теплоотдача (конвекция) – молярный процесс переноса теплоты вместе с потоком теплоносителя. Эффект передачи теплоты теплопроводностью становится в этом случае второстепенным. Основной характеристикой теплоотдачи является коэффициент теплоотдачи , определяющий количество теплоты, передаваемой теплоотдачей к или от подвижного теплоносителя теплообменной поверхности. Значение меняется в очень широких пределах.

В описанных выше процессах теплота переносится соприкосновением, т.е. осуществляется при непосредственном контакте физических областей с разными температурами.

3. Лучистый теплообмен (радиация) – процесс распространения тепловой энергии в виде тепловых волн, распространяющихся со скоростью света. Материальным носителем излучения служит электромагнитное поле, а разница между тепловым и световым лучом заключена только в величине их длин волн (свет 0,4 ÷ 0,8 мк, теплота 0,8 ÷ 40 мк и до ).

Как правило, различные теплообменные процессы осуществляются комплексно, т.е. наблюдается совместное протекание процессов радиации, теплопроводности и конвекции. Комбинации могут быть самые различные.

Комплексный теплообменный процесс, включающий несколько частных, в целом называется теплопередачей.

Интенсивность как частных, так и комплексных теплообменных процессов зависит от величины ряда определяющих факторов, к основным из которых относятся следующие:

1. Температурный напор ∆t, представляющий разность температур между различными участками исследуемого пространства, участвующего в теплообмене. Как правило, увеличение ∆t интенсифицирует теплообмен (за исключением пленочного кипения).

2. Физические свойства теплообменивающихся сред.

Теплообменниками называются устройства, в которых теплота передается от одной среды к другой. В простейших теплообменниках не происходит никаких других, кроме температурных, изменений. В ряде теплообменников еще происходят и физические преобразования (например, изменение агрегатного состояния).

Более подробно теплообменные аппараты рассмотрены в главе 5.