Тема 17 Теплообменные аппараты. Горение

 

Теплообменные аппараты. Типы теплообменных аппаратов. Схемы движения теплоносителей. Среднелогарифмический температурный напор. Основные уравнения расчета теплообменных аппаратов. Горение. Основные понятия. Состав и характеристики топлив.

Литература: [2], с. 61-77; [3], с. 208-217; [5], с. 47-50; [6], с. 52-55.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Какие виды теплообменных аппаратов вы знаете?

2. Какие виды теплообмена можно наблюдать в теплообменных аппаратах? Приведите пример.

3. Как составляется тепловой баланс теплообменного аппарата? Приведите пример.

4. В каких случаях рассчитывается среднелогарифмический температурный перепад?

5. В каких случаях среднелогарифмический температурный перепад заменяется среднеарифметическим?

6. Что такое рекуперативные теплообменники? Назовите области их применения.

7. 10.По каким признакам классифицируется топливо?

8. Из каких элементов состоит твердое и жидкое топливо?

9. Что такое теплотворная способность топлива?

10. Как сера влияет на экологию окружающей среды и хвостовые поверхности котлоагрегатов (дымоходы)?

11. Какое топливо называется условным и как производится пересчет расхода топлива на условное?

12. Что называется горением?

13. Как теоретически рассчитывается количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива?

14. Что такое коэффициент избытка воздуха и как он определяется?

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ РГР И КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ

Исходные данные для выполнения выбираются из таблиц, приведенных после каждого условия по двум последним цифрам шифра зачетной книжки.

Контрольную работу необходимо оформлять в соответствии с требованиями «Положения о порядке оформления студенческих работ».

Образец оформления титульного листа контрольной работы в Приложении А.

 

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА 1

(очная форма обучения, 5 семестр)

Контрольная работа 1

(заочная форма обучения)

Задание 1

В первую ступень двухступенчатого компрессора засасывается V м³/с воздуха при температуре всасывания t ₁и давлении р ₁. Давление сжатого воздуха в ступенях р ₂ и р ₃.

Найти температуру и объем воздуха в конце сжатия в каждой ступени и мощность, затрачиваемую на получение сжатого воздуха в трех вариантах: при сжатии по изотерме, адиабате (k = 1,4) и политропе (n = 1,2). Определить степень повышения давления в каждой ступени. Изобразить процессы сжатия воздуха в компрессоре в vp- и sT- диаграммах.

 

Таблица 1 – Исходные данные к заданию 1 контрольной работы 1

Предпоследняя цифра шифра	V, м3/с	t 1, °С	Последняя цифра шифра	р 1, МПа	р 2, МПа	р 3, МПа
	0,20			0,10	0,80	1,6
	0,19			0,11	0,81	1,61
	0,18			0,12	0,82	1,62
	0,17			0,13	0,83	1,63
	0,16			0,14	0,84	1,64
	0,15			0,15	0,85	1,65
	0,21			0,09	0,79	1,59
	0,22			0,08	0,78	1,58
	0,29			0,07	0,77	1,56
	0,24			0,06	0,76	1,57

 

 

Литература: [1], с. 25-37; [2], с. 38-40; [3], с. 14-35; [4], с. 263-285.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какой процесс сжатия является самым выгодным и при каком процессе затрачивается наибольшая работа на привод компрессора?

2. Для чего применяется многоступенчатое сжатие и в чем его преимущество?

Методические указания

 

При решении задач по расчету термодинамических процессов сжатия в поршневых компрессорах полностью используются зависимости параметров при адиабатном, изотермическом и политропном процессах. Вместе с тем необходимо обратить внимание на особенности рабочих процессов в компрессоре по сравнению с круговым процессом.

Определив значения конечных температур, объемов и теоретических мощностей, можно вычислить работу, затрачиваемую на привод компрессора. В общем виде затраченная работа на получение 1 кг сжатого воздуха определяется по формуле:

. (1)

Работа сжатия рабочего тела в компрессоре при сжатии по изотерме:

, (2)

где - степень повышения давления в ступенях и для данной задачи: , - степени повышения давления в І и ІІ ступенях соответственно.

Работа сжатия рабочего тела в компрессоре при сжатии по политропе:

; (3) Работа сжатия рабочего тела в компрессоре при сжатии по адиабате:

 

. (4)

Мощность определяется по формуле:

,

где - массовый расход рабочего тела, кг/с.

 

Пример выполнения задания 1

Дано: V= 0,2 м³/с; t ₁= 27 ^оС; р ₁= 0,1 МПа; р ₂ = 0,8 Мпа; р ₃ = 1,6 МПа.

 

 

Р

v

T

s

Р1

Р1

Р2

Р2

Р3

Р3

2ад

2а д

2п д

2и д

2пд

2ид

3ид

3и д

3пд

3п д

3ад

3а д

 

 

Решение

Точка 1. Р ₁= 0,1МПа, Т₁= 27+273 = 300 К, м³/кг.

Степень повышения давления в ступенях:

Iступень: IIступень:

Общая:

 

Массовый расход воздуха: кг/с.

Изотермическое сжатие:

300 К

м³/кг. 0,054м³/кг.

287,3∙300 кДж/кг.

 

Мощность:

кВт.

Политропное сжатие:

К.

К

м³/кг. м³/кг кДж/кг.

кВт.

Адиабатное сжатие:

К.

К

м³/кг. м³/кг.

кДж/кг.

кВт

 

Задание 2

Для идеального цикла двигателя внутреннего сгорания с изохорным (изобарным) подводом теплоты определить параметры рабочего тела в характерных точках цикла, количество подведенной и отведенной теплоты, полученную работу и термический КПД, если начальные параметры рабочего тела р ₁, t ₁, степень сжатия e и степень повышения давления l (степень предварительного расширения r), рабочее тело – воздух. Сравнить данный цикл с изохорным (изобарным) процессом подвода теплоты с циклом Дизеля (Отто) при условии равенства отведенной теплоты сравниваемых циклов и степени сжатия циклов (). Изобразить циклы в и - координатах.

Принять с _vm= 0,72 кДж/кг×К, с _рm= 1,01 кДж/кг×К.

 

Таблица 2 – Исходные данные к заданию 2контрольной работы 1

 

Предпоследняя цифра шифра	p 1, МПа	t 1, oC	Последняя цифра шифра	e	l	r	Способ подвода теплоты
	0,10			4,0	3,5	-	Изохорный
	0,11			14,0	-	1,8	Изобарный
	0,12			3,8	3,3	-	Изохорный
	0,13			13,8	-	1,6	Изобарный
	0,14			3,6	3,0	-	Изохорный
	0,15			13,6	-	1,4	Изобарный
	0,16			3,4	2,8	-	Изохорный
	0,17			13,4	-	1,3	Изобарный
	0,18			3,2	2,5	-	Изохорный
	0,19			13,2	-	1,2	Изобарный

Литература: [1],с. 42-44; [2], с. 31-34; [3], с. 84-89; [4], с. 503-509.

Контрольные вопросы

 

1. Изобразите в vp- и sT -диаграммах цикл Тринклера и дайте краткое описание каждого процесса цикла.

2. Чему равен термический КПД двух- и четырехтактных ДВС и каковы пути его повышения?

 

Методические указания

 

Расчет идеального цикла двигателя внутреннего сгорания основан на зависимостях параметров термодинамических процессов цикла.

Расчет цикла теплового двигателя следует начинать с изображения его в vp- и sT -диаграммах. За исходную точку принимают начало сжатия воздуха в цилиндре двигателя. Пронумеровав по часовой стрелке все процессы цикла, необходимо дать краткое описание каждого процесса с указанием начальных и конечных параметров его состояния.

Количество подведенного и отведенного тепла q ₁ и q ₂, работа цикла l и термический КПД цикла определяются по вычисленным параметрам в характерных точках. Следует произвести сравнение циклов ДВС в соответствии с заданием.

Пример выполнения задания 2

Дано: Р ₁= 0,17 Мпа; t ₁= 29 ^оС; e =3,4; = 2,8; подвод теплоты при ;

R=287,3 Дж/кг∙К, с_р=1,01Дж/кг∙К, с_v= 0,72 Дж/кг∙К.

 

Решение

Точка 1. Р ₁= 0,17 МПа, Т₁= 29+273=302 К, м³/кг

Точка 2. м³/кг

= МПа К.

Точка 3. Процесс 2-3 – изохорный. Соотношение параметров в изохорном процессе:

м³/кг

.

К, МПа

Точка 4. =0,51 м³/кг

МПа. К.

Подведенная теплота: кДж/кг

Отведенная теплота: = кДж/кг

Работа цикла: 638- 382 = 256 кДж/кг

Термический КПД цикла: .

В цикле с изобарным подводом теплоты: МПа

К

кДж/кг

<

Задание 3

 

Для идеального цикла газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты и полной регенерацией определить параметры рабочего тела в характерных точках, количество подведенной и отведенной теплоты, полезную работу, термический КПД, если начальные параметры рабочего тела р ₁ и t ₁, степень повышения давления в компрессоре b и температура рабочего тела в конце подвода теплоты t ₃.

Рабочее тело – воздух. Теплоемкость принять постоянной.

 

Таблица 3 – Исходные данные к заданию 3контрольной работы 1

 

Предпоследняя цифра шифра	p 1,МПа	t 1, oC	Последняя цифра шифра	t 3, °С	b
	0,1				6,0
	0,11				6,1
	0,12				6,2
	0,13				6,3
	0,14				6,4
	0,15				6,5
	0,16				5,9
	0,17				5,8
	0,18				5,7
	0,19				5,6

Литература: [1],с. 49-51; [2], с. 31-34; [3], с. 89-92; [4], с. 509-518.

Контрольные вопросы

 

1. Что такое полная регенерация?

2. Чему равен термический КПД современной ГТУ и каковы пути его повышения?

 

Методические указания

 

Расчет идеального цикла газотурбинной установки с изобарным подводом теплоты следует начать с определения основных параметров состояния рабочего тела в характерных точках цикла. В циклах ГТУ отвод теплоты от рабочего тела производят не по изохоре, как это имеет место в ДВС, а по изобаре, т.е. продукты сгорания топлива расширяются до атмосферного давления.

При расчете цикла необходимо графически изобразить цикл ГТУ без регенерации и с регенерацией в pv- и sT -диаграммах.

Одним из путей повышения КПД ГТУ является использование регенерации теплоты путем подогрева воздуха в регенераторе отработанными в турбине газами. Если предположить, что охлаждение газов в регенераторе происходит до температуры нагреваемого воздуха, то регенерация будет полной. Степень регенерации зависит от конструкции теплообменника и величины рабочих поверхностей.

Анализ полученных результатов сводится к сравнению термических КПД циклов и оценке его повышения за счет регенерации теплоты.

Пример выполнения задания 3

Дано: р ₁= 0,1 МПа; t ₁= 15 ^оС; b = 6,0; t ₃ = 600 ^оС; R=287,3 Дж/кг∙К; с_р=1,01Дж/кг∙К

 

Решение

Р v T s q1 q2 q1 q2

Точка 1. Р ₁= 0,1 МПа, Т₁= 15+273=288К, м³/кг.

Точка 2. МПа.

= м³/кг. К.

Точка 3. Т₃ = 600+273 = 873К; 0,6 МПа;

м³/кг.

 

Точка 4. = 0,1МПа;

К; м³/кг.

 

В цикле без регенерации:

 

Подведенная теплота:

=1,01(873-480) = 396,93 кДж/кг.

Отведенная теплота:

= кДж/кг.

Работа цикла:

396,93–237,35= 159,58 кДж/кг.

Термический КПД цикла:

В цикле с регенерацией: ;

Подведенная теплота:

=1,01(873-523) = 353,5кДж/кг.

Отведенная теплота:

= 1,01(480-288)=193,92кДж/кг.

Работа цикла:

353,5 –193,92= 159,58 кДж/кг.

Термический КПД цикла:

Задание 4

 

В котельной установке при сжигании топлива при температуре t ₁выделяется q ₁количества теплоты, необходимой для получения перегретого пара с температурой t ₁¢. Температура окружающей среды t ₂.

Определить изменение энтропии, потерю эксергии, и эксергетический КПД в процессе теплообмена между продуктами сгорания и паром, оценить степень термодинамического совершенства котельной установки.

 

Таблица 4 – Исходные данные к заданию 4контрольной работы 1

 

Предпоследняя цифра шифра	q 1, кДж/кг	t 1, °С	Последняя цифра шифра	t 1¢, °С	t 2, °С

Литература: [1],с. 37-41; [2], с. 7-9; [3], с. 41-48; [4], с. 144-149.

 

Контрольные вопросы

 

1. Назовите виды необратимости в реальных циклах тепловых двигателей. Чем обусловлен каждый из них?

2. Как определяется максимальная работоспособность теплоты и потеря работоспособности в необратимых циклах?

 

Методические указания

 

В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов, поэтому анализ циклов теплосиловых установок осуществляется в два этапа: сначала анализируется теоретический (обратимый) цикл, затем реальный (необратимый) цикл с учетом основных источников необратимости.

Прежде чем приступить к решению задачи необходимо изучить виды необратимостей реальных тепловых двигателей. как известно, возрастание энтропии изолированной системы, в которой протекают необратимые процессы, неразрывно связано с потерей работоспособности. При этом следует определить максимальную работоспособность за счет теплоты (эксергию теплоты) термодинамической системы:

, (5)

затем найти работоспособность системы с учетом необратимости:

. (6)

Потерю эксергии (работоспособности) определить по разности эксергий:

. (7)

Возрастание энтропии определяется из уранения Гюи-Стодолы:

. (8)

В заключение определяют эксергетический КПД котельной установки:

. (9)

Пример выполнения задания 4

Дано: t ₁ = 1900 ^оС; q ₁ = 32000 кДж/кг; t ₁¢= 500 ^оС; t ₂= 20 ^оС..

Решение

1900+273=2173 К; 500+273=773 К; 20+273 = 293 К. Максимальная работоспособность (эксергия) обратимого цикла Карно в интервале температур от до :

кДж/кг.

Работоспособность необратимого цикла Карно в интервале температур от до :

кДж/кг.

Потеря работоспособности:

кДж/кг.

Возрастание энтропии:

кДж/кг∙К.

эксергетический КПД: .

Задание 5

Определить параметры рабочего тела в характерных точках цикла Ренкина, количество подведенной и отведенной теплоты, работу цикла, теоретическую мощность турбины, термический КПД, если давление в котле р ₁, температура пара перед турбиной и t ₁, давление конденсации пара р ₂, расход пара М.

 

Таблица 5 – Исходные данные к заданию 5контрольной работы 1

 

Предпоследняя цифра шифра	p 1, МПа	р 2, МПа	Последняя цифра шифра	t 1, oC	М, т/ч
	10,0	0,0060
	11,0	0,0080
	12,0	0,0095
	13,0	0,010
	14,0	0,012
	9,5	0,0055
	9,0	0,0050
	8,5	0,0045
	8,0	0,0040
	8,5	0,0070

Литература: [1], с. 56-60; [2], с. 34-36; [3], с. 92-95; [4], с. 518-525.

 

 

Контрольные вопросы

 

1. Чем отличается цикл Ренкина от цикла Карно?

2. Чему равен термический КПД действующих паросиловыхустановок (ПСУ) и каковы пути его повышения?

 

Методические указания

 

В отличие от газовых циклов (ДВС, ГТУ) в паровых циклах паросиловых установок в качестве рабочего тела используется водяной пар, агрегатное состояние которого изменяется в зависимости от параметров рабочего тела (вода, влажный пар, перегретый пар). Теоретическим циклом ПСУ является цикл Ренкина.

Параметры в характерных точках цикла необходимо определять с помощью таблиц водяного пара (Приложение Б) и si -диаграммы (Приложение В).

При расчете подведенной теплоты следует помнить, что подвод теплоты осуществляется при постоянном давлении в процессе подогрева воды до кипения, при парообразовании и перегреве пара, т.е. по теплоперепаду в конце перегрева пара и в начале подогрева воды.

Работу цикла можно принять равной работе турбины ввиду малости работы, затрачиваемой на привод питательного насоса, поэтому работа турбины тоже будет оцениваться по теплоперепаду пара на входе и на выходе из турбины.

При вычислении теоретической мощности турбины расход пара следует брать в килограммах в секунду. Расчет цикла сопровождается графическим изображением цикла в vp- и sT -диаграммах с показом на графике нижней и верхней пограничных кривых и соответствующих степеней сухости.

Также следует нанести видимую часть цикла на si -диаграмму.

Пример выполнения задания 5

Дано: р ₁ = 10 МПа; t ₁= 500 ^оС; р ₂ = 0,0060 МПа; М = 1200 т/ч.

 

Решение

Точка 1. Пар перегретый (по si-диаграмме)

Р ₁= 10 МПа, t₁= 500 ^оС, i₁ = 3375 кДж/кг, s₁= 6,6кДж/кг∙К.

Точка 2. Пар влажный (по si-диаграмме)s₂=s₁=6,6кДж/кг∙К, р ₂ = 0,006МПа,

i₂ = 2030кДж/кг, v₂ = 18,5м³/кг, t ₂= 36,16^оС.

Точка 3. Конденсат (по таблице водяного пара) Р₃ = р ₂ = 0,006МПа, s₃=0,52кДж/кг∙К,

i₃ = 151,5 кДж/кг, v₂ = 0,001м³/кг, t ₃= t ₂=36,16^оС.

i'₃≈i₃= 151,5 кДж/кг.

Точка 4. Кипящая жидкость (по таблице водяного пара) Р₄ = Р₁ =10МПа, s₄=3,4кДж/кг∙К,

i₃ = 1408кДж/кг, v₃ = 0,00145м³/кг, t ₄= 311 ^оС.

Точка 5. Сухой насыщенный пар (по таблице водяного пара) Р₅ = Р₁ =10МПа,

s₅=5,6кДж/кг∙К, i₅ = 2725 кДж/кг, v₂ = 0,018м³/кг, t ₅= t ₄= 311 ^оС.

Подведенная теплота:

3375-151,5=3223,5 кДж/кг.

Отведенная теплота: 2030-151,5= 1878,5кДж/кг.

Работа цикла: 3223,5–1878,5= 1345кДж/кг.

Термический КПД цикла:

Теоретическая мощность турбины:

МВт.

Задание 6

 

Воздушная холодильная установка работает при давлениях р ₁ и р ₂ и при холодопроизводительности Q₂ поддерживает температуру в охлаждаемом помещении t ₁. Температура окружающей среды t ₃.

Определить мощность двигателя и детандера, расход воздуха, холодильный коэффициент цикла, полагая, что воздух перед компрессором нагревается до температуры охлаждаемого помещения, перед детандером охлаждается до температуры окружающей среды.

Рабочее тело – воздух. Принять с _рm= 1,01 кДж/кг×К.

 

Таблица 6– Исходные данные к заданию 6 контрольной работы 1
Предпоследняя цифра шифра	р 1, МПа	р 2, МПа	Последняя цифра шифра	t 1, °С	t 3, °С	Q 2, кВт
	0,10	0,40
	0,11	0,39		0,5
	0,12	0,38		1,0
	0,13	0,37		1,5
	0,14	0,36		2,0
	0,15	0,35		-0,5
	0,16	0,34		-1,0
	0,17	0,33		-1,5
	0,18	0,32		-2,0
	0,19	0,31		-2,5

Литература: [1], с. 60-61; [2], с. 36-38; [3], с. 103-105; [4], с. 531-540.

 

Контрольные вопросы

 

1. Назовите способы получения “машинного” холода в судовых условиях.

2. В чем различие между влажным и сухим процессом в компрессорной холодильной установке?

 

Методические указания

 

В отличие от тепловых двигателей холодильные установки работают не по прямому, а по обратному циклу, в котором работа расширения рабочего тела меньше работы сжатия, поэтому для осуществления обратного цикла требуется затрата работы внешнего источника.

В воздушной холодильной установке используется охлаждающий эффект расширения сжатого воздуха. В процессе его расширения в детандере температура воздуха опускается значительно ниже температуры окружающей среды. Работа компрессора и детандера соответственно:

; (10)

. (11)

Работа, затраченная на совершение цикла, равна разности работ компрессора и детандера.

Цикл воздушной холодильной установки состоит из адиабатного сжатия воздуха в компрессоре, изобарного охлаждения сжатого воздуха в охладителе, адиабатного расширения воздуха в детандере и изобарного подвода теплоты к воздуху тел, подлежащих охлаждению. Определение параметров цикла в характерных точках в указанных процессах аналогично определению параметров газовых циклов.

Пример выполнения задания 6

Дано: р ₁= 0,1 МПа; р ₂ = 0,4 МПа; Q₂ = 200 кВт; t ₁ = 0 ^оС; t ₃ = 17 ^оС; с _рm= 1,01 кДж/кг×К.

Решение

Р

v

T

s

q1

q2

q1

q2

Точка 1. Р ₁= 0,1 МПа К

Точка 2. 0,4МПа

К.

Точка 3. 0,4МПа К.

Точка 4. 0,1МПа.

К.

Теплота, отданная воздухом в окружающую среду:

117,16 кДж/кг.

Теплота, полученная воздухом от охлаждаемых тел:

78,78 кДж/кг.

Затраченная в цикле работа:

117,16-78,78 =38,38 кДж/кг.

Холодильный коэффициент:

Массовый расход воздуха:

Работа компрессора:

134,33 кДж/кг.

Работа детандера:

95,95 кДж/кг.

Работа двигателя:

- =134,33 –95,95 = 38,38 кДж/кг.

Мощность двигателя:

кВт.

Мощность детандера:

кВт.