Элементы теории термодинамики

2.1. Общие определения в технической термодинамике и теплопередаче

Термодинамика является наукой, в которой изучаются энергия и законы превращения её из одних видов в другие. Раздел этой науки, в котором рассматриваются взаимопревращения тепловой и механической энергии, называется технической термодинамикой.

Техническая термодинамика - часть общей термодинамики, которая изучает основные принципы работы тепловых машин и теплообменных аппаратов как в идеальных, так и реальных условиях. Наиболее подробно в технической термодинамике изучается превращение тепла в механическую работу.

Тепловое движение — это особая форма движения материи, качественно отличная от обычного механического движения, при котором все части тела движутся упорядоченно, а теплота — форма теплового движения.

Основой термодинамики как науки являются два закона: первый и второй законы термодинамики.

Первый устанавливает количественную меру при переходе одного вида энергии в другой и является частным случаем всеобщего закона сохранения и превращения энергии.

Второй имеет более ограниченный характер и применим к телам, которые имеют конечные размеры, но состоят из большого числа атомов и молекул. Второй закон термодинамики устанавливает направление тепловых процессов, протекающих в природе, и условия преобразования теплоты в работу.

 

6. Термодинамическая система - совокупность тел, находящихся во взаимодействии как между собой, так и с окружающей средой.

Простым примером термодинамической системы может служить газ, расширяющийся или сжимающийся в цилиндре с движущимся поршнем.

Взаимодействие термодинамической системы с окружающей средой может быть различного рода: механическим, тепловым, химическим, электрическим и т.д.

В результате взаимодействия термодинамической системы с окружающей средой состояние системы изменяется.

Непрерывно протекающее состояния системы, происходящее в результате её механического, теплового или в общем случае тепломеханического взаимодействия с окружающей средой, называют термодинамическим процессом.

Когда вследствие взаимодействия с окружающей средой объём термодинамической системы уменьшается, то происходит процесс сжатия системы, и наоборот, при увеличении её объёма происходит процесс расширения системы. Основным признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния.

 

7. Теплопередача — это учение о процессах распространения тепла.

Распространение тепла осуществляется различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводность представляет собой процесс распространения тепловой энергии при непосредственном соприкосновении отдельных частей тела, имеющих различные температуры. Теплопроводность обусловлена движением микрочастиц тела.

Конвекция тепла - процесс переноса тепловой энергии при перемещении объёмов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой. При этом перенос тепла неразрывно связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение — это процесс распространения тепловой энергии с помощью электромагнитных волн. При тепловом излучении происходит двойное превращение энергии: тепловая энергия излучающего тела переходит в лучистую и обратно — лучистая энергия, поглощаясь телом, переходит в тепловую.

В природе и технике элементарные процессы распространения тепла — теплопроводность, конвекция и тепловое излучение — очень часто происходят совместно.

Теплопроводность в чистом виде большей частью имеет место лишь в твёрдых телах.

Конвекция тепла всегда сопровождается теплопроводностью, так как при движении жидкости или газа неизбежно соприкосновение отдельных частиц, имеющих различные температуры.

Совместный процесс конвекции и теплопроводности называется конвективным теплообменом.

Конвективный теплообмен между потоком жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела - этот процесс конвективного теплообмена называется конвективной теплоотдачей. Конвективная теплоотдача часто сопровождается теплоотдачей излучения.

В технике и быту часто происходят процессы теплообмена между различными жидкостями, разделёнными твёрдой стенкой.

Процесс передачи тепла от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку называется теплопередачей.

В качестве стенки может быть труба: внутри её протекает вода, а пар снаружи греет эту воду. Процесс теплопередачи осуществляется различными элементарными процессами теплопереноса, происходящими одновременно.

Процессы теплообмена могут происходить в различных средах: чистых веществах и разных смесях, при изменении и без изменения фазового состояния рабочих сред и тому подобное. В зависимости от этого теплообмен протекает по-особому и описывается различными уравнениями.

В природе и технике многие процессы переноса тепловой энергии сопровождается переносом вещества. Например, при испарении воды в воздух, кроме теплообмена, имеет место и перенос образовавшегося пара в паровоздушной смеси. В общем случае перенос пара осуществляется как молекулярным, так и конвективным путём.

Совместный молекулярный и конвективный перенос массы называется конвективным массообменном. При наличии массообмена процесс теплообмена усложняется. Теплота дополнительно может переноситься вместе с массой диффундирующих веществ.

                                                                                       

Водяной пар

К реальным газам в технической термодинамике принято относить перегретые пары некоторых жидкостей. В отличие от воображаемого идеального газа реальный газ пи соответствующих условиях может быть сжижен, то есть сконденсирован, или же переведён в твёрдое состояние. В технике широко применяют пары различных веществ: воды, аммиака, хлористого метила, сернистого ангидрида и другие.

Водяной пар применяется в различных состояниях в весьма широком диапазоне давлений и температур и часто переходит в жидкое состояние (в конденсат). В этих условиях нельзя пренебрегать в расчётах силами сцепления и объёмом молекул, так как это привело бы к значительным погрешностям. Поэтому к водяному пару нельзя применять законы идеальных газов и соответственно, нельзя применять к нему характеристическое уравнение идеального газа рv=RT. В этих состояниях водяной пар рассматривают как реальный газ.

При различных расчётах и изучении процессов, протекающих в водяном паре, используются таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара.

Разделение вещества на газ и пар условно, так как между ними не существует какой-либо границы. Паром называется всякий реальный газ, который в условиях его применения способен переходить в жидкость.

Пар можно получать двумя способами: при испарении и при кипении.

Пар, образующийся из кипящей жидкости, называется насыщенным. Это значит, что в закрытом сосуде число молекул пара, поступающих в пространство над кипящей жидкостью, равно числу молекул, возвращающихся обратно в жидкость.

Смесь пара и жидкости (двухфазовая система) называется влажным насыщенным паром.

Состояние влажного насыщенного пара определяется давлением р и степенью сухости х или температурой кипения 1;_н и степенью сухости х.

Степенью сухости называется массовая доля сухого пара, содержащегося во влажном паре. Для сухого пара х=1, для кипящей жидкости х=0.

Массовая доля жидкости, содержащейся во влажном паре, называется степенью влажности и обозначается 1-х.

Если при постоянном давлении к кипящей жидкости подвести необходимое количество теплоты для испарения всей жидкости, то в момент исчезновения последних капель жидкости (воды) получим сухой насыщенный пар при температуре кипения (насыщения) 1;_н. Состояние сухого насыщенного пара определяется одним параметром: давлением или температурой насыщения 1;_н. Все параметры сухого насыщенного пара обозначаются соответствующими буквами с двумя штрихами, например, удельный объём v^//, энтальпии h^// и т.д.

Если к сухому насыщенному пару подводить теплоту, то он становится перегретым. Перегрев является третьей стадией процесса парообразования, сопровождающейся повышением температуры пара и увеличением его удельного объёма.

Таким образом, перегретым называется пар, имеющий температуру выше температуры кипения жидкости, из которой он получился

Фазовый переход вещества из жидкого состояния в состояние пара называется парообразованием, а из парового состояния в жидкое — конденсацией.

Парообразование, происходящее только на свободной поверхности жидкости, называется испарением, а парообразование, происходящее не только на поверхности жидкости, но и внутри, во всей её толще, — кипением.

Состояние сухого насыщенного пара крайне неустойчиво, так как даже при самом незначительном подводе или отводе теплоты он превращается либо в перегретый, либо во влажный насыщенный пар. В присутствии жидкости пар может быть только влажным насыщенным. При подводе к нему теплоты без присутствия жидкости он подсушивается и, только после того как степень сухости становится равной единице, начинается его перегрев.

 

ГЭС

Гидроэлектростанции на реках имеют различные размеры и обычно подпадают под один из следующих видов:

• плотинные ГЭС;

• русловые ГЭС; или

• гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС).

Все они используют турбины для выработки электроэнергии при движении воды. На вид выбираемого объекта обычно влияют вопросы технической пригодности (например, особенности рельефа и водообеспеченность) и вида вырабатываемого электричества (базовая или пиковая нагрузка).

Русловые ГЭС вырабатывают гидроэлектроэнергию для немедленной передачи и/или потребления с ограниченной возможностью или без возможности хранения. Хранение, которое доступно в ограниченном виде, называется «водохранилищем». Станции без водохранилища обычно служат в качестве пиковых электростанций, а станции с водохранилищем могут служить либо базовыми, либо пиковыми генераторами.

Русловые ГЭС идеально подходят для рек с минимальным стоком в сухую погоду или регулируемых большими по размеру плотинами при наличии водохранилища, расположенного вверх по течению.

Принцип рработы плотинных ГЭС основан на хранении воды в водохранилищах, которая может быть спущена для выборочного электроснабжения. Когда затворы плотины открываются, сила притяжения тянет воду через «напорный водовод» (канал между резервуаром и турбиной). Плотины увеличивают давление потока посредством наращивания хранимого объема воды. Спущенная вода проходит через «напорный водовод». Как только вода проходит через турбину, она возвращается в реку вниз по течению.

Рис 6.1- Схема плотины гидроэлектростанции

в верхний бассейн; при наличии спроса вода спускается обратно в нижний бассейн, вращая турбину.

Гидроаккумулирующие электростанции используются в основном для выработки электроэнергии в периоды максимального спроса. Такие схемы в настоящее время обеспечивают наиболее коммерчески важную крупномасштабную систему накопления энергии и улучшение суточного коэффициента нагрузки энергосистемы.

Рис\ 6.2. Схема гидроаккумулирующей электростанции

 

Таблица! - Виды ГЭС в зависимости от размера и использования энергии Размер «пико» «микро» Малые большие Мощность <5 кВт <100 кВт <10МВт 10МВт-10ГВт или более Вид Русловые С небольшим бассейном С небольшим водохранилищем Плотинные Использовани е Электроэнергия для одного или нескольких хозяйств (лампочки, телевизоры, радиоприемники)без подключения к сети Электроэнергия для хозяйственных нужд с возможностью использования в сельской местности, без подключения к сети (Часто подключена к сети). Электроэнергия для небольшого жилого комплекса или маломасштабного промышленного использования Выработка энергии на уровне коммунального предприятия

 

Гидроэлектроэнергия образуется, когда вода проходит через турбину, приводя в движение генератор. Во время этого процесса энергия воды передается турбине, так как она вызывает крутящий момент через вращательное движение воды вокруг турбины. Гидравлические турбины имеют ряд лопастей, установленных на вращающемся валу или на вращающейся пластине. Водяная струя бьет в лопасть турбины, которая присоединена к генератору с помощью вала, и поворачивает их. Этот импульс переносится непосредственно или через редуктор на вал генератора. Как и в любых других электростанциях, электроэнергия распределяется в места спроса посредством линий электропередач.

10. Классификация гидравлических турбин для ГЭС

 

Турбины классифицируются в зависимости от направления потока воды или изменения давления.

В зависимости от направления потока, гидравлические турбины можно разделить на:

^ Осевой поток (например, турбина Каплана): направление потока в основном параллельно оси вращения;

^    Радиальный поток: направление потока относительно плоскости в основном

перпендикулярно оси вращения; и

> Смешанный поток (например, поток Френсиса): важный компонент как осевых, так и радиальных потоков.

^ Однако, турбины всегда сочетают в себе элементы осевых и радиальных потоков.

В зависимости от изменения давления воды различают турбины реакции и турбины импульса.

> Большинство гидравлических турбин являются реактивными турбинами и подходят для низкой (<25-30м) и средней (30-300м) высоты напора.

> Импульсные турбины обычно используются в случае большой (>300м) высоты напора.

Выбор наиболее подходящей турбины в определенных случаях зависит от высоты напора и расхода воды, а также от размеров установки.

График применения турбины

						График применения турбины
	lOOO -
		1 оо - |1 do | 10 -
			1                                      10 Расход воды (г^/с) 100                                   10ОО

 

 

В практике принято гидротурбины подразделять на классы, системы, типы и серии. Существует два класса гидротурбин: активные и реактивные.

Класс реактивных турбин объединяет следующие системы: осевые-пропеллерные, диагональные, поворотно-лопастные ^турбина Каплана^ и радиально-осевые турбины (турбина Френсиса).

В класс активных турбин входят системы: ковшовых ^турбина ПелтонаА наклонно­струйных турбин и турбин двойного действия.

Каждая система турбин содержит несколько типов, имеющих геометрически подобные части и одинаковую быстроходность, но различающихся по размерам. Геометрически подобные турбины различных размеров образуют серию.

Кроме того, все турбины условно делятся на: низко-, средне- и высоконапорные. Низконапорными принято считать турбины, работающие при Н<25 м, средненапорными при 25< =Н< =80 м и высоконапорными при Н>80 м.

Турбины подразделяются на: малые, средние и крупные.

К малым турбинам относятся те, у которых диаметр рабочего колеса Dj<=1,2 м при низких напорах и Dj<=0,5 м при высоких, а мощность составляет не более 1000 кВт.

К средним — те турбины, у которых 1,2<=D₁<=2,5 м при низких напорах и 0,5<=D₁<=1,6м при высоких, а мощность 1000 <N<=15000 кВт.

К крупным турбинам относятся те, которые имеют D₁ и N₁ больше, чем у средних. Подчеркнем, однако, условность и историчность такого деления гидротурбин.

Таблица 3. Применение гидротурбин в соответствия с напорами   Диапазон т т Единичная Диаметр турбины Типы гидротурбин максимальная максимальный напоров Н, м мощность N, Мет di, М Реактивные гидротурбины       Осевые капсульные, трубчатые 2—20 До 50 8 и другие гидроагрегаты     Вертикальные поворотно- 6-80 250 10,5 лопастные турбины Пропеллерные 6—80 150 9 Двухперовые 30—100 250 8 Диагональные 30—200 300 8 Радиально осевые 30—700 800 10 Обратимые       Осевые 2-15 30 8 Диагональные 20—100 300 7,5 Радиально-осевые 30—600 450 9,5 одноступенчатые     Активные гидротурбины       Ковшовые 300—2000 350 7, 5 Наклонно- струйные 50—400 50 4 Двукратные 10—100     «Сфиндекс» 200-1500

 

Оборудование ГЭС

 

Гидросиловое оборудование - это гидротурбины и гидрогенераторы (на ГАЭС - обратимые гидромашины и двигатель-генераторы).

Вспомогательное оборудование необходимо для обеспечения работы гидросилового оборудования. К нему относятся системы технического водоснабжения, пневматического хозяйства, масляного хозяйства, осушения и т.п.

Механическое оборудование включает в себя затворы, сороудерживающие решетки, грузоподъемные механизмы, краны для обслуживания гидротурбин и гидрогенераторов.

Электротехническое оборудование - электрическая часть генераторов, повышающие трансформаторы, коммутационная аппаратура: шинные, воздушные и кабельные токопроводы, система релейной защиты, автоматики, телеуправления, связи.

Кроме этих главных видов оборудования для нормального функционирования ГЭС необходимо санитарно-техническое оборудование, обеспечивающее отопление, вентиляцию, пожаротушение, водоснабжение и канализацию.

Гидравлическая турбина (гидротурбина) - это двигатель, преобразующий энергию движущейся воды в механическую энергию вращения. Турбина служит приводом для электрического генератора (гидрогенератора). Роторы гидротурбины и гидрогенератора, как правило, посажены на единый вал, имеющий общую систему опор вращающихся частей. Такое объединение образует сложную машину, называемую гидроагрегатом.

Гидрогенератор - это электрическая машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую.

На ГЭС применяются в качестве генераторов синхронные машины трехфазного переменного тока.

Ремонтные затворы устанавливают при выравненных уровнях воды перед затвором и за ним для перекрытия отверстий с последующим осушением водоводов при плановых ремонтах.

Для перекрытия высоких отверстий используют секционные затворы, состоящие из отдельных секций, соединяемых сцепами при опускании затвора.

Электрическое оборудование ГЭС

На состав и размещение электрического оборудования большое влияние оказывает главная схема электрических соединений, которая выбирается в зависимости от числа и мощности гидроагрегатов и должна обеспечивать надежность энергоснабжения, а также возможность вывода в ремонт части оборудования ГЭС.

На крупных многоагрегатных ГЭС применяют блочные схемы, при которых генератор работает на отдельный повышающий трансформатор. На ГЭС с гидроагрегатами небольшой мощности применяют групповые схемы, при которых два или несколько генераторов выдают мощность на один трансформатор, образуя вместе с ним укрупненный электрический блок. От трансформатора ток повышенного напряжения подается на открытое распределительное устройство (ОРУ), от которого отходят линии электропередачи. К системе генераторного напряжения подключаются понижающие трансформаторы собственных нужд, от которого питаются потребители вспомогательных систем самой ГЭС.

Таким образом, электрооборудование можно условно разделить на три группы по рабочему напряжению:

S оборудование генераторного напряжения (6,3 - 15,7 кВ),

S повышенного напряжения (35 - 750 кВ)

S пониженного напряжения (0,38 - 6,3 кВ).

Для выполнения переключений, а также отключения части схемы в случае аварии применяется коммутационная аппаратура - выключатели и разъединители. Выключатели способны разрывать цепи при протекании по ним не только рабочего тока, но и во много раз превосходящего его тока короткого замыкания, возникающего при аварии. При разрыве мощной электрической цепи образуется сильная дуга, которую необходимо гасить принудительно. Это делается или в среде трансформаторного масла (масляные выключатели), или мощной струей сжатого воздуха (воздушные выключатели). Разъединители отключают цепи под напряжением, но лишь после снятия с них токовой нагрузки. Выключатели и разъединители генераторного напряжения объединяются в комплектные распределительные устройства (КРУ), размещаемые в помещениях ГЭС.

Генераторы, трансформаторы и коммутационные аппараты соединяются токопроводами. На генераторном напряжении применяют алюминиевые или медные шины, прокладываемые на изоляторах в шинных коридорах. Такой способ прокладки в последнее время почти полностью вытеснен в связи с появлением экранированных шинопроводов, в которых шины размещаются на изоляторах внутри защитного корпуса из дюралюминиевых труб диаметром 700 - 800 мм (для каждой фазы отдельная труба). Трубы заземляются, и поэтому шинопроводы не представляют опасности для людей, что позволяет располагать их без ограждений в помещениях ГЭС.

Высоковольтные выводы от повышающих трансформаторов на ОРУ могут быть воздушными. Они выполняются из сталеалюминиевых проводов, натянутых между металлическими опорами, расположенными на ГЭС и на берегу. Провода подвешиваются к опорам с помощью гирлянд изоляторов. На напряжение 500 кВ и выше каждая фаза во избежание больших потерь на коронный разряд выполняется из трех проводов. Пролеты воздушных переходов достигают 1000 м, натяжения в проводах измеряются десятками тонн. Безопасные расстояния от токоведущих частей выводов до заземленных конструкций зданий составляет 0,9 м при напряжении 110 кВ, 1,8 м при напряжении 220 кВ и 3,75 м при напряжении 500 кВ; до габаритов кранов - соответственно 1,65; 2,5; 4,5; до крыш и до земли 3,6; 4,5; 6,45 м.

В тех случаях, когда по условиям компоновки затруднено устройство воздушных выводов, применяют кабельные высоковольтные выводы. Высоковольтный кабель 500 кВ состоит из стальной трубы диаметром 273 мм, заполненной специальным кабельным маслом под давлением до 1,4 МПа. В трубе проложены в специальной изоляции токоведущие жилы трех фаз. Кабельные выводы дороже воздушных и сложнее в эксплуатации. Применяются также газонаполненные (элегазовые) высоковольтные линии, в которых в качестве изоляционного материала, заполняющего трубу каждой фазы, применен специальный газ - шестифтористая сера.

Высоковольтные выводы от повышающих трансформаторов на ОРУ могут быть воздушными. Они выполняются из сталеалюминиевых проводов, натянутых между металлическими опорами, расположенными на ГЭС и на берегу. Провода подвешиваются к опорам с помощью гирлянд изоляторов. На напряжение 500 кВ и выше каждая фаза во избежание больших потерь на коронный разряд выполняется из трех проводов. Пролеты воздушных переходов достигают 1000 м, натяжения в проводах измеряются десятками тонн. Безопасные расстояния от токоведущих частей выводов до заземленных конструкций зданий составляет 0,9 м при напряжении 110 кВ, 1,8 м при напряжении 220 кВ и 3,75 м при напряжении 500 кВ; до габаритов кранов - соответственно 1,65; 2,5; 4,5; до крыш и до земли 3,6; 4,5; 6,45 м.

В тех случаях, когда по условиям компоновки затруднено устройство воздушных выводов, применяют кабельные высоковольтные выводы. Высоковольтный кабель 500 кВ состоит из стальной трубы диаметром 273 мм, заполненной специальным кабельным маслом под давлением до 1,4 МПа. В трубе проложены в специальной изоляции токоведущие жилы трех фаз. Кабельные выводы дороже воздушных и сложнее в эксплуатации. Применяются также газонаполненные (элегазовые) высоковольтные линии, в которых в качестве изоляционного материала, заполняющего трубу каждой фазы, применен специальный газ - шестифтористая сера.

Оборудование технического водоснабжения состоит из водоприемников, устраиваемых в бычках, устоях, стенках спиральных камер; фильтров, насосов или эжекторов, трубопроводов, подводящих воду к кольцевым коллекторам гидроагрегатов и другим потребителям. Отработанная подогретая вода сбрасывается в нижний бьеф. Применяются централизованные схемы (от одной насосной установки вода магистральными трубопроводами разводится по зданию ГЭС), а также индивидуальные или групповые схемы (один или группа гидроагрегатов имеют обособленную систему со своими водоприемниками и насосами).

При ремонтах проточная часть гидроагрегата, отделенная от бьефов ремонтными затворами, должна быть осушена. Для этого на ГЭС предусматриваются насосные установки, позволяющие осушить проточную часть гидроагрегата не более чем за 4 ч.

На многоагрегатных ГЭС (особенно возведенных на нескальном основании), имеющих развитый массив фундаментальной плиты, часто применяют схему осушения с использованием сборной потерны, проходящей через все здание ГЭС, к которой подведены трубопроводы от всех отсасывающих труб. Вода из спиральных камер сливается либо в отсасывающие трубы, либо в потерну. Трубопроводы перекрываются клапанами с гидроприводом или задвижками, устанавливаемыми в сухой потерне. При необходимости осушения какого-либо гидроагрегата открывают клапаны, и вода устремляется в потерну, что обеспечивает быстрое снижение уровня воды в проточной части гидроагрегата и прижатие уплотнений затворов. После заполнения потерны включаются насосы, расположенные в устое здания ГЭС, и вода откачивается в нижний бьеф.

При осушении проточной части гидроагрегата вместо воды поступает воздух по аэрационным трубам. Такими же трубами оборудуется потерна. Аэрационные трубы выводятся выше уровней бьефов и рассчитываются исходя из максимальной скорости воздуха в них 40 -

50 м/с.

Для работы оборудования ГЭС требуется сжатый воздух различного давления. Источником высокого давления (7 МПа) служат компрессоры, создающие запас воздуха в воздухосборниках (ресиверах). Рабочее давление для МНУ (4 МПа) и для воздушных выключателей (2 МПа), а также низкое давление для торможения гидроагрегата и технических нужд (0,8 МПа) создается редуцированием воздуха через электромагнитные перепускные клапаны, включающиеся от электроконтактных манометров при снижении давления в воздухосборниках (до 4 и 0,8 МПа) и в сети (до 2 МПа). Редуцирование в результате термодинамического процесса воздуха сопровождается его осушением, что необходимо для нормальной работы аппаратуры. Системы высокого и низкого давления могут разделяться и обслуживаться также разными компрессорами. Отдельную воздушную систему устраивают для отжима воды из камеры рабочего колеса при переводе гидроагрегата в режим синхронного компенсатора. Принцип работы системы состоит в том, что воздух, сжатый до некоторого давления в воздухосборнике, быстро выпускается в камеру рабочего колеса, вращающегося на холостом ходу при закрытом направляющем аппарате. Образующаяся воздушная подушка понижает уровень воды в камере и обеспечивает вращение рабочего колеса гидроагрегата, переведенного в двигательный режим, без потерь на трение об воду.

В качестве воздухосборников кроме обычных конструкций могут использоваться полости в бетоне, облицованные металлом, или длинные трубы диаметром 1,5 - 3 м.