Термодинамический анализ процессов в компрессорах

Поршневой компрессор. Принцип действия. Работа, затрачиваемая на привод компрессора. Индикаторная диаграмма. Изотермическое, адиабатное и политропное сжатие. Термодинамическое обоснование многоступенчатого сжатия. Изображение в pv- и T s -диаграммах термодинамических процессов, протекающих в компрессорах. Необра­тимое сжатие. Относительный внутренний к.п.д. компрессора. Понятие о центробежном компрессоре.

Методические указания.

При изучении поршневых компрессоров студент должен уяснить два важных положения: а) причины применения многоступенчатых компрессоров и б) целесообразность применения промежуточного охлаждения, а также охлаждения самих цилиндров компрессоров.

Вопросы для самопроверки. 1. Как зависит работа привода компрессора от показателя политропы сжатия? Какова связь между работой привода (технической) и работой процесса сжатия? 2. Можно ли в одноступенчатом поршневом компрессоре получить любое конечное давление, и если нельзя, то по каким причинам? 3. Как влияет вредное пространство на производительность компрессора? 4. Как влияет показатель политропы сжатия на конечную темпера­туру газа в одноступенчатом компрессоре? 5. В каком из поршневых компрессоров (быстроходном или тихоходном) показатель политропы сжатия будет больше?

 

Циклы двигателей внутреннего сгорания

И газотурбинных установок

Циклы двигателей внутреннего сгорания. Циклы газотурбинных установок. Цикл газотурбинной установки с использованием теплоты реакций химических процессов. Анализ циклов. Изображение циклов в диаграммах pv и T s. Термический к.п.д. цикла теплового двигателя. Внутренний относительный к.п.д. и внутренний абсолютный к.п.д. цикла. Методы повышения к.п.д. Эксергетический метод анализа циклов.

Методические указания.

При изучении идеальных циклов газовых двигателей нужно обратить внимание на следующее: 1. В связи с тем, что технические процессы, протекающие с большими скоростями, можно в первом приближении считать адиабатными, процессы расширения и сжатия в любых газовых двигателях (поршневых и газотурбинных) можно принимать адиабатными. 2. Принципиальное отличие циклов газотур­бинных установок от циклов поршневых двигателей заключается лишь в процессе отвода теплоты. В газотурбинных установках осуществляется полное расширение газов до давления окружающей среды, поэтому процесс отвода теплоты принимается изобарным. В поршневых двигателях газы выбрасываются из цилиндра с давлением, в 2—4 раза большим атмосферного. Поэтому процесс отвода теплоты принимается изохорным. 3. Процесс подвода теплоты не характеризует принадлежность рассматриваемого теплового двигателя к той или иной группе (как для газотурбинного, так и для поршневого он может быть и изохорным и изобарным). 4. Термический к.п.д. любого цикла растет с увеличением степени сжатия..

Вопросы для самопроверки. 1. Какой цикл называется идеальным? 2. Почему процессы сжатия или расширения во всех идеальных циклах тепловых двигателей принимаются адиабатными? 3. Можно ли по характеру процесса подвода теплоты узнать, какой цикл рассматри­вается (поршневой или газотурбинный двигатель)? 4. Циклы каких двигателей характеризует изохорный отвод теплоты и почему? 5. С ростом какого параметра увеличивается термический к.п.д. любого цикла? 6. Чем ограничивается степень сжатия у различных типов поршневых двигателей? 7. Чем ограничивается и как выбирается степень повышения давления у газотурбинных двигателей?

Циклы паросиловых установок

 

Принципиальная схема паросиловой установки. Цикл Ренкина и его исследование. Влияние начальных и конечных параметров на термический к.п.д. цикла Ренкина. Изображение цикла в pv-, Ts - и hs -диаграммах. Пути повышения экономичности паросиловых установок, теплофикационный цикл. Бинарный и парогазовый циклы. Понятие о циклах атомных силовых установок.

Методические указания.

Рассматривая циклы паросиловых установок, следует обратить внимание на вопросы: а) почему для пара цикл Карно не применяется, хотя изотермические процессы с влажным паром осуществляются достаточно просто? б) каковы преимущества цикла Ренкина перед циклом Карно? в) каковы способы повышения экономичности паро­силовой установки?

Вопросы для самопроверки. 1. Как изображается работа насоса в pv- диаграмме для цикла Ренкина и цикла Карно? 2. От каких параметров и как зависит h_t цикла Ренкина? 3. Как меняется степень сухости пара за турбиной при увеличении давления пара перед турбиной при постоянной начальной температуре? В чем вред работы турбины на паре с большой степенью влажности? 4. Как влияет начальная температура перегретого пара на степень сухости его при выходе из турбины? 5. Для чего применяется вторичный перегрев пара? 6. Что дает и как осуществляется регенеративный подогрев питательной воды? 7. Что дает применение парогазовых циклов? 8. Как влияет на к.п.д. цикла Ренкина и степень сухости пара за турбиной процесс дросселирования перед турбиной?

 

1.1.9. Циклы холодильных машин, теплового насоса

(обратные термодинамические циклы)

 

Циклы холодильных установок. Холодильный коэффициент и холодопроизводительность. Цикл паровой и воздушной компрессорной холодильной установки. Характеристика холодильных агентов, при­меняемых в паровых холодильных установках.

Методические указания.

При изучении циклов различных холодильных установок следует обратить внимание на то, что как для тепловых двигателей, так и для холодильных машин эталоном является цикл Карно. Терми­ческий к.п.д. цикла Карно определяется формулой h_t = 1- Т_мин/Т_макс, где Т_мин  — температура холодильника (онаже – минимальная температура термодинамической системы); Т_макс – температура горячего источника (она же — максимальная температура системы). Термические к.п.д. любых циклов сравниваем с h_t цикла Карно в этих же пределах температур. Для холодильных установок холодильником является внешняя атмосфера или водопроводная вода, у которой температура ниже температуры хладоагента, а источником теплоты — содержимое холодильной камеры, у которого температура выше температуры хладоагента. Поэтому эквивалентным циклом Карно для холо­дильной установки будет цикл, осуществляемый не между Т_мин и Т_макс (в случае холодильных компрессорных установок Т_мин — температура хладоагента после детандера, а Т_макс — температура хладоагента после компрессора), а между температурами холодильника (воздух, вода) и источника (охлаждаемые предметы в холодильной камере).

Кроме того, необходимо уяснить, почему в воздушных компрес­сорных установках не применяется процесс дросселирования, почему паровые компрессорные установки имеют холодильный коэффициент значительно больший, чем воздушные.

Вопросы для самопроверки. 1. Какой параметр характеризует эффективность холодильной установки? 2. Каковы основные недостатки воздушной компрессорной холодильной установки? 3. Изобразите в T s - диаграмме цикл воздушной компрессорной холодильной установки и эквивалентный ей обратный цикл Карно. 4. Почему в паровых холодиль­ных установках целесообразно применять процесс дросселирования, а в воздушных — адиабатное расширение в турбине? 5. Какими свойствами должны обладать хладоагенты?

ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМЕНА

1.2.1. Основные понятия и определения

 

Предмет и задачи теории теплообмена. Значение теплообмена в промышленных процессах. Основные понятия и определения. Виды переноса теплоты. Теплопроводность, конвекция и излучение. Сложный теплообмен.

Теплопроводность

 

1. Основные положения учения о теплопроводности. Закон Фурье. Коэффициент теплопроводности. Механизм передачи теплоты в металлах, диэлектриках, полупроводниках, жидкостях и газах. Дифференциальное уравнение теплопроводности для однородных изотропных тел; условия однозначности. Коэффициент температуропроводности.

2. Теплопроводность при стационарном режиме. Теплопроводность однослойной и многослойной плоской и цилиндрической стенки при граничных условиях I рода. Теплопроводность при стационарном режиме и граничных условиях III рода (теплопередача). Теплопередача через однослойную и много­слойную плоскую и цилиндрическую стенки; коэффициент теплопере­дачи. Пути интенсификации процесса теплопередачи. Критический диаметр тепловой изоляции. Выбор целесообразного материала тепловой изоляции.

Методические указания.

Рассматривая теплопроводность элементарных тел (пластинка, труба), студент должен уметь применить закон Фурье для каждого случая, т. е. вывести уравнения, определяющие закон распределения температур по толщине стенки и количество тепло­ты, передаваемой через стенку. При изучении процесса тепло­передачи через стенку уметь анализировать влияние отдельных термических сопротивлений на общее сопротивление, а также знать способы уменьшения термических сопротивлений.

Вопросы для самопроверки. 1. Как передается теплота в процессе теплопроводности? 2. Сформулируйте основной закон теплопроводности. 3. Каков закон распределения температуры по толщине плоской и цилиндрической стенок? 4. При каком условии расчет цилиндри­ческой стенки можно заменить расчетом плоской стенки? 5. Всегда ли с увеличением толщины изоляции цилиндрической трубы тепловой поток через нее уменьшается? По какому условию выбирается изоляция трубы?

 

Конвективный теплообмен

1.Основные положения учения о конвективном теплообмене. Физическая сущность конвективного теплообмена. Уравнение Ньютона - Рихмана. Дифференциальные уравнения теплообмена; уравнение движения вязкой жидкости, уравнение теплопроводности для потока движущейся жидкости, уравнение теплоотдачи на границе потока и стенки, уравнение закона сохранения массы. Условия однознач­ности к дифференциальным уравнениям конвективного теплообмена.

2. Основы теории подобия и моделирования. Основные опре­деления. Условия подобия физических явлений. Теоремы подобия. Критериальные уравнения, определяющие критерии. Метод моделиро­вания. Физический смысл основных критериев подобия. Анализ размерностей. Понятие о математическом моделировании.

3. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости. Тепло­обмен при движении жидкости вдоль плоской поверхности; тепло­отдача при ламинарном и турбулентном пограничном слое; расчетные уравнения. Теплоотдача при вынужденном течении жидкости в трубах. Расчетные уравнения. Теплоотдача при поперечном омывании одиночной круглой трубы. Теплоотдача при поперечном смыва­нии пучков труб коридорно и шахматно расположенных. Расчетные уравнения.

4. Теплоотдача при свободном движении жидкости. Теплоотдача при свободном движении жидкости в неограниченном объеме, ламинарная и турбулентная конвекция у вертикальных поверхностей. Естественная конвекция у горизонтальных труб. Расчетные уравнения.

5. Теплообмен при изменении агрегатного состояния. Теплообмен при конденсации. Пленочная и капельная конденсации.

Теплообмен при кипении; механизм процессов теплообмена при пузырьковом и пленочном режимах кипения.

Расчетные уравнения для определения коэффициента теплоотдачи.

Методические указания.

Наиболее труден для исследования конвективный теплообмен. Действительно, для расчета передачи теплоты конвекцией необходимо знать числовые значения коэффициента теплоотдачи α для каждого конкретного случая, но α не является физической константой, так как этот коэффициент характеризует не отдельное тело, а тепловое взаимодействие двух тел: жидкости (или газа) и твердого тела. Поэтому α зависит от большого количества факторов. Система уравнений, определяющая конвективный теплообмен и, следовательно, позволяющая (в принципе) определить α, может быть решена только для ограниченного числа простейших случаев и то с определенными допущениями. Получение числовых значений α из эксперимента на натуре экономически нецелесообразно: необходимо про­вести громадное количество опытов, чтобы выяснить влияние на α каждого из действующих факторов, причем мы получим ответ лишь для частного случая исследуемого объекта. Дело осложняется еще и тем, что различные величины, от которых зависит α, часто связаны между собой; например, при изменении температуры меняется вяз­кость, теплоемкость, коэффициент теплопроводности и др. Выход из положения дает теория подобия. Она, во-первых, дает возможность проводить эксперименты не на натуре, а на модели, и результаты опытов на модели распространить на все подобные явления; во-вторых, основываясь на системе дифференциальных уравнений конвективного теплообмена, она четко определяет условия подобия физических явлений и процессов. Обработка экспериментальных дан­ных в критериальной форме позволяет выявить главные факторы, влияющие на величину α, и отбросить второстепенные. Рассматривая, например, вынужденное движение жидкости в трубе и считая температуру жидкости и стенки трубы различными, можно опре­делить тепловой поток между ними. Для этого необходимо знать коэффициент теплоотдачи α. Желательно иметь данные по величине α не только для выбранной трубы, рода жидкости и ее скорости, но и для других условий. Это оказывается возможным с помощью теории подобия. Определяемый критерий Нуссельта Nu, в.который входит α(Nu = α l /λ), при вынужденном движении жидкости зависит в основном от двух параметров: критерия Рейнольдса Re == wl / v, определяющего характер движения жидкости, и критерия Прандтля Pr = v / a, определяющего физические свойства жидкости. Следова­тельно, Nu = f (Re, Pr). Замеряя величины, входящие в критерии, в серии опытов, получим таблицы, определяющие величину Nu (а следовательно, и α) в зависимости от значений Re и Pr. Результаты эти обычно представляют приближенно в виде степенной функции Nu = c Re^mPrⁿ

По формулам такого типа обычно и рассчитывают коэффициент теплоотдачи α. Студент должен четко уяснить физический смысл основных критериев (Рейнольдса, Прандтля, Грасгофа, Нуссельта) и применять при расчетах те критериальные зависимости, которые соответствуют конкретному виду задачи. Переходя к изучению отдельных видов теплообмена, а также конкретных задач, необходимо внима­тельно изучить те предположения и допущения, на базе которых строится их решение. Поэтому одной из основных задач студента при изучении этой темы является четкое усвоение ответов на следующие вопросы: 1. Каким образом (с помощью каких исходных анали­тических зависимостей) находятся определяющие критерии? 2. Какой критериальной зависимостью следует воспользоваться для конкретного случая расчета коэффициента теплоотдачи α? (Для этого нужно определить характер движения — ламинарный или турбулентный и природу его возникновения — свободное или вынужденное.) 3. Каковы определяющий размер и определяющая температура? (За определяющую температуру при экспериментах выбирается или температура поверхности стенки, или средняя температура жидкости и стенки. На выбор той или иной температуры указывает соответ­ствующий индекс у критериев.) 4. Находятся ли параметры задачи в интервале значений критериев, для которого справедлива выбранная формула?

Вопросы для самопроверки. 1. Сформулируйте основной закон теплоотдачи конвекцией. 2. Какой критерий характеризует вынужден­ную конвекцию? 3. Из каких уравнений выводятся критерии Re, Gr, Pr и Nu? 4. Какой критерий характеризует свободную конвекцию? 5. Что характеризует критерий Нуссельта? 6. Что такое определяющая температура и определяющий размер? 7. Почему при обтекании стенки жидкостью в непосредственной близости от по­верхности стенки температурный градиент резко увеличивается? 8. В чем особенности теплоотдачи при кипении воды и конденсации водяного пара? Какие режимы кипения вам известны?

 

Теплообмен излучением

 

Общие понятия и определения. Частоты теплового излучения, баланс лучистого теплообмена. Основные законы лучистого тепло­обмена. Теплообмен излучением между телами, разделенными прозрач­ной средой; коэффициент облученности: теплообмен излучением между телами, произвольно расположенными в пространстве. Защита от излучения. Излучение газов; лучистый теплообмен в топках и камерах сгорания.

Методические указания.

При изучении этой темы студент должен прежде всего уяснить принципиальное отличие теплообмена излучением от теплообмена теплопроводностью и конвекцией. В процессе теплообмена излучением осуществляется двойное превращение энергии — сначала тепловой энергии в энергию электромагнитного излучения, а затем энергии электромагнитного излучения в тепловую энергию. Поскольку тела поглощают лишь часть энергии электромагнитного излучения (частично отражая или пропуская ее через себя), основным вопросом при исследовании теплообмена излучением является вопрос о количествен­ном соотношении между отраженной, поглощенной и пропущенной через тело энергиями. Действительно, при защите объектов от лучистой энергии на пути распространения ее нужно ставить экраны, максимально отражающие лучистую энергию. Наоборот, при необходи­мости получения максимального количества тепловой энергии за счет лучистой телу, воспринимающему лучистую энергию, нужно придать такие свойства, чтобы оно поглощало максимум ее (покрытие поверхности тела краской, шероховатость поверхности тела). И наконец, если требуется, чтобы максимум лучистой энергии пропускался через твердую стенку (например, свет), то выбирается стенка с соответ­ствующими свойствами. Основные законы излучения и эксперимен­тальные данные свойств отдельных тел позволяют решать конкрет­ные задачи, связанные с лучистым теплообменом. Поэтому студенту необходимо четко усвоить законы Планка, Вина, Кирхгофа, Стефана — Больцмана, методику и границы их применения. Так как в практике, как правило, участвуют все виды теплообмена (теплопроводность, конвекция и излучение) совместно, то студент при решении тех или иных задач должен достаточно четко представлять себе: а) все ли виды теплообмена имеются в рассматриваемом случае? б) какой из видов теплообмена является преобладающим по сравнению с другими? в) можно ли пренебречь каким-либо видом теплообмена с целью упрощения решения задачи (без больших погрешностей)?

Вопросы для самопроверки. 1. Какие длины волн ограничивают видимые и какие — тепловые лучи? 2. Что происходит с лучистой энергией, падающей на поверхность твердого тела? Что такое абсолютно черное, абсолютно белое и диатермическое тело? 3. Что графически изображает закон Планка? Можно ли и как на этом графике показать излучательную способность тела? 4. Сформулируйте закон смещения Вина и объясните его связь с законом Планка. 5. О чем говорит закон Кирхгофа и каково его практическое применение? 6. Сформулируйте закон Стефана — Больцмана и объясни­те его связь с законом Планка. 7. Дайте определение абсолютно черного и серого тел, поглощательной способности и степени черноты. 8. Докажите, что коэффициент поглощения серого тела равен его степени (коэффициенту) черноты. 9. Что такое «эффективное излу­чение»? Чем оно отличается от собственного излучения? 10. Для чего нужны экраны и какими свойствами они должны обладать? 11. Как определяется лучистый поток между параллельными плоскими стенками и для тела, находящегося внутри другого полого тела? 12. Что такое сплошной и селективный спектры излучения? У каких тел они наблюдаются? 13. Каковы особенности излучения газов? 14. Какие газы можно считать прозрачными для тепловых лучей? 15. Как определяется степень (коэффициент) черноты газовой среды?