Теплотехника (стр. 1 )

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Саратовский государственный технический университет

ТЕПЛОТЕХНИКА

Программа, методические указания и контрольные задания

для студентов направления 260900 специальности 260901

заочной формы обучения

Одобрено редакционно-издателъским советом Саратовского государственного технического университета

Саратов 2009

ВВЕДЕНИЕ

Сегодня практически любая область инженерной деятельности во многом связана с проблемами энергосбережения, разработкой, внедрением и эксплуатацией ресурсосберегающих технологий, с вопросами трансформации и передачи энергии. Поэтому теплотехника является общетехнической дисциплиной и занимает важное место в теоретической подготовке специалистов высокой квалификации.

Тепловая энергия в различных отраслях производства расходуется на технологические процессы, отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Теплоемкими отраслями промышленности являются химическая, нефтеперерабатывающая, целлюлозно-бумажная, пищевая, кожевенная, валяльно-войлочная. Расход тепловой энергии на технологические процессы легкой промышленности зависит от отрасли, ее мощности и колеблется в диапазоне от 1,5 до 65% от общего теплопотребления. В технологических процессах легкой промышленности тепловая энергия используется в аппаратах физико-химической обработки материалов, например, в аппаратах для дубления кожи и меха, при крашении, в сушильно-увлажнительных установках, в выпарных аппаратах и т. д. Для нагревания воды, воздуха, технологических растворов до нужной температуры применяют различные теплообменные аппараты, в которые подается горячий теплоноситель – вода или пар.

Обостряющийся дефи­цит топливно-энергетических ресурсов требует осуществления неотложных мер энергосбережения для устойчивого функционирования экономики. К их числу относятся: разработка новых энергосберегающих технологий, модер­низация оборудования, создание энерготехнологических установок и агрега­тов, использование вторичных энергоресурсов.

В этой связи курс «Теплотехника» включа­ет основные разделы, относящиеся к свойствам рабочих тел, расчетам термо­динамических процессов и циклов основных энергетических установок, принципы работы и конструкции теплогенерирующего оборудования.

Для формирования целостного представления о структуре курса и внут­ренней связи его основных разделов рабочая программа составлена по темам, изучение которых рекомендуется осуществлять последовательно. При этом не исключается возможность обращения к отдельным темам вне связи с предшествующим учебным материалом. Контрольные вопросы для самопро­верки должны способствовать более глубокому освоению курса, целью кото­рого является осуществление общей теплотехнической подготовки студентов для грамотной эксплуатации комплекса теплового оборудования предприятий легкой и швейной промышленности в профессиональной деятельности по специальности «Технология швейных изделий».

Учебным планом предусмотрено выполнение одной контрольной работы. Контрольные задания охватывают основные темы курса. При решении задач необходимо провести анализ полученных результатов. Решения задач должны сопровождаться краткими пояснениями. Вы­числения необходимо производить в развернутом виде с указанием способов определения основных величин и единиц их измерения в системе СИ. В тек­стовой части контрольной работы нужно привести ссылки на используемую учебную и справочную литературу, а также список литературных источни­ков.

По окончании курса сдается зачет для проверки знаний теоретического материала и умения решать соответствующие за­дачи.

ПРОГРАММА И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО РАЗДЕЛАМ КУРСА

1. Введение.

Задачи курса «Теплотехника» и общей теп­лотехнической подготовки студентов специальности «Технология швейных изделий».

Литература: [1, с. 3-10], [2, с. 4-7], [3, с. 6-19] .

Проблемы, связанные с рациональным использованием различ­ных видов источников энергии, являются весьма важными.

Решение этих проблем развивается в следующих направлениях:

- разработка способов энергосбережения, которые могли бы дать экономию

до 40 % потребляемой энергий;

- промышленное использование новых возобновляемых источни­ков энергии,

компенсирующих или заменяющих традиционные энергоресурсы;

- разработка новых технологий и технических средств, обеспечи­вающих рост

коэффициента использования существующих энер­гетических ресурсов;

- использование вторичных энергетических ресурсов (ВЭР);

- децентрализация производства энергии, которая сократит пе­редачу энергии

на большие расстояния, связанную с потерями произведенной энергии

до 30 %.

2. Техническая термодинамика.

2.1. Основные понятия технической термодинамики.

Предмет и задачи технической термодинамики. Основные понятия и оп­ределения. Термодинамическая система. Термодинамические процессы и признаки их необратимости. Основные параметры термодинамического со­стояния. Свойства термодинамических параметров. Уравнение состояния идеальных газов.

Литература: [1, с. 8-30], [3, с. 20-34], [4, с. 6-12].

При изучении данной темы нужно уяснить качественное различие тепло­ты и работы как источников энергетического воздействия в тер­модинамических процессах. Превращение теплоты в работу осуществляется в термодинамических системах, включающих источники теплоты и рабочие тела, в качестве которых используются газы и пары, изменяющие объем при подводе или отводе теплоты.

Основные параметры состояния систем или тел: давление, удельный объ­ём и температура связаны между собой уравнением состояния. Это позволяет графически представлять состояние тел или систем и его изменение при энергетическом взаимодействии в форме теплоты или работы, например, в р-v-координатах. К калорической группе параметров относят внутреннюю энергию, энтальпию и энтропию.

Вопросы для самопроверки.

1.  В чём общность и различие понятий теплоты и работы?

2.  Что такое термодинамическая система?

3.  Каковы общие свойства термодинамических параметров?

4.  Напишите уравнение состояния идеальных газов.

5.  В чём заключается физический смысл газовой постоянной?

2.2. Способы вычисления теплоты.

Истинная и средняя теплоёмкость. Удельная теплоёмкость массовая, объёмная, мольная. Изобарная и изохорная теплоёмкость и связь между ними. Зависимость теплоёмкости от температуры и давления. Вычисления теплоты с помощью понятий истинной и средней теплоёмкости. Энтальпия и энтро­пия. Общие понятия, определение теплоты.

Литература: [1, с.63-74], [2, с.16-20], [3, с. 54-60].

Нужно систематизировать понятие теплоёмкости в зависимости от сле­дующих признаков:

- по отношению к количеству вещества, к которому относят

удельную тепло­емкость (массовая, объемная, мольная);

- по виду термодинамического процесса (изобарная и изохорная);

- по отношению к интервалу температур (истинная, средняя).

Указанные признаки отражены в индексах стандартных обозначений теп­лоемкости и в единицах измерений, на которые необходимо обращать вни­мание. Не следует путать теплоемкость при постоянном объеме с объемной теплоемкостью.

Так как понятие теплоты не существует вне понятия термодинамического процесса, то теплоемкость зависит от его пути. Необходимо представлять, что теплоемкость зависит от температуры в большей степени, чем от давле­ния. Поэтому в учебниках даются интерполяционные формулы и таблицы за­висимости теплоемкости от температуры. Следует уяснить, что численное соотношение между работой расширения и располагаемой (полезной) рабо­той также зависит от пути процесса.

В технической термодинамике часто используют параметры состояния - энтальпию (i=u+p×v) и энтропию (s). Следует уяснить их физический смысл.

Вопросы для самопроверки

1. Как пересчитываются удельные теплоемкости от одних единиц

измерения к другим?

2. Какова связь изобарной и изохорной теплоемкостей и почему

последняя имеет меньшее численное значение?

3. Почему теплоту не относят к числу термодинамических

параметров?

4. Какими способами можно определить теплоту в каком-либо

процессе?

2.3. Первый закон термодинамики.

Внутренняя энергия. Работа расширения, способы вычисления. Анали­тические выражения первого закона термодинамики.

Литература: [1, с.45-61], [2, с.11-15], [3, с. 48-53].

Первый закон термодинамики является частной формулировкой закона сохранения и превращения энергии применительно к термодинамическим системам. Он утверждает, что изменение полной энергии термодинамической системы осуществляется при энергетическом взаимодействии в форме тепло­ты и работы.

Аналитические дифференциальные выражения первого закона термо­динамики принято записывать в двух формах: для неподвижного рабочего тела и для движущегося потока. Поэтому необходимо понимать различия в понятиях внутренней энергии и энтальпии, работы расширения и распола­гаемой работы.

Вопросы для самопроверки

1.  Какой физический смысл имеют величины, входящие в уравнения

первого закона термодинамики?

2.  Как можно вычислять теплоту или работу по первому закону

термо­динамики?

3.  Работа расширения и располагаемая работа. Способы их

вычисления.

2.4. Термодинамические процессы идеальных газов

Теоретический анализ зависимостей и графическое изображение частных термодинамических процессов: изобарного, изохорного, изотермического, адиа­батного. Обобщенный характер политропного процесса.

Литература: [1, с.80-92], [4, с.32-49].

Анализ термодинамических процессов рекомендуется проводить в сле­дующей последовательности: записать уравнение процесса, связывающее основные термодинамические параметры, записать выражения для энергетиче­ских характеристик - теплоты, работы, внутренней энергии, изменения эн­тропии, изобразить процессы графически в р-v- и Т-s- координатах. Понимание политропного процесса облегчается, если усвоить результаты теоретического и графического анализа по группам политропных процессов, систематизированных в направлении увеличения числового значения показа­теля политропы.

Вопросы для самопроверки

1. Изобразите совместно политропные термодинамические процессы

графи­чески в р-v- и Т-s-координатах по группам в направлении

увеличения пока­зателя политропы.

2.  Почему изменяется температура газа в адиабатном процессе?

3.  В каких термодинамических процессах можно осуществить

сжатие или расширение газа?

4.  Проведите совместное графическое сравнение изобарного и

изохорного процессов в Т-s- координатах.

5.  Как расположена адиабата в сравнении с изотермой в

р-v- координатах?

2.5. Реальные газы и водяной пар

Отличие реального газа от идеального. Связь основных термодинамиче­ских параметров (уравнение состояния реального газа).

Влажный насыщенный, сухой насыщенный и перегретый водяной пар. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара. Диаграммы р-v-, Т-s-, i-s- для водяного пара. Изображение, анализ и расчет процесса парооб­разования при р=const.

Литература: [1, с. 162-172], [2, с. 31-41], [3, с. 108-111].

В современных технологических процессах, тепловых двигателях и холо­дильных установках используются рабочие тела, изменяющие свое агрегат­ное состояние. К ним прежде всего относятся вода и водяной пар, фреоны, аммиак и т. д. Поэтому студенты должны знать поведение веществ при фазовых переходах, уметь рассчитывать параметры рабочих тел, пользуясь таб­лицами и диаграммами.

Необходимо уяснить понятия влажного насыщенного, сухого насы­щенного и перегретого пара. При изучении таблиц и диаграмм воды и водя­ного пара следует ознакомиться с принципами их построения. Студенты должны уметь изображать и рассчитывать изобарный процесс перехода воды в пар и обратный процесс конденсации пара.

Вопросы для самопроверки

1. Что характеризует критическая точка? Чему равны параметры и

теплота парообразования в критической точке?

2.  Изобразите р-v- и Т-s-диаграммы водяного пара и укажите области

влаж­ного, сухого насыщенного, перегретого пара, кипящей воды.

3.  Изобразите процессы парообразования при р=сonst в диаграммах

р-v-, Т-s-, i-s-, дайте их качественный и количественный анализ.

2.6. Парогазовые смеси. Влажный воздух.

Способы задания состава смесей газов. Закон Дальтона. Молекулярная масса, газовая постоянная и теплоемкость смеси газов. Влажный воздух и его параметры. Абсолютная и относительная влажность. Влагосодержание. Тем­пература точки росы и мокрого термометра. Диаграмма Рамзина. Графиче­ский и расчетный анализ нормального сушильного процесса (увлажнение воздуха).

Литература: [1, с.28-32, 210-217], [4, с. 12-16, 90-102].

Необходимо представлять, что состав газовых смесей может быть задан по массе или объему и знать способы пересчета одного состава на другой, уметь определять молекулярную массу, плотность, газовую постоян­ную, а также теплоемкость и энтальпию смеси. Влажный воздух использует­ся в процессах сушки и кондиционирования воздуха. Влажный воздух подчи­няется законам идеальных газов. Нужно различать понятия абсолютной влажности и влагосодержания, относительной влажности, температуры точки росы и мокрого термометра. Следует уметь пользоваться диаграммой для влажного воздуха для определения его параметров и расчетов процессов на­грева, охлаждения и увлажнения воздуха. Должно сложиться представление, что температура точки росы, адиабатного увлажнения и мокрого термометра есть температура насыщенного водяного пара при разных его парциальных давлениях.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое относительная влажность воздуха и каковы пределы её

измене­ния?

2.  В чем отличие абсолютной влажности и влагосодержания?

3.  Как определить энтальпию влажного воздуха?

4.  Изобразите процессы нагрева воздуха и сушки в 1-е-диаграмме.

5.  Какими способами можно перевести воздух в состояние

насыщения?

2.7. Второй закон термодинамики. Теория циклов.

Основные положения второго закона термодинамики. Понятия круго­вых процессов (циклов). Показатели совершенства циклов - прямого (терми­ческий КПД) и обратного (холодильный коэффициент). Прямой и обратный обратимые циклы Карно. Математическое выражение второго закона термо­динамики. Эксергия.

Литература: [1, с.96-120], [2, с. 52-54, 59-67].

Второй закон термодинамики исключает возможность создания ма­шины, которая работала бы только в результате подвода теплоты из окру­жающей среды (вечный двигатель второго рода), и возможность самопроиз­вольного перехода теплоты от системы с меньшей температурой к системе с большей температурой. Направление процесса теплообмена системы с окру­жающей средой, а также направление любых самопроизвольных процессов в изолированной системе характеризуется параметром состояния - энтропией. Второй закон говорит о том, что в любом реальном процессе изменение эн­тропии системы должно быть больше нуля. При получении механической работы в тепловых двигателях и холода в холодильных машинах происходят не одиночные процессы, а круговые процессы или циклы. Прямой обрати­мый цикл Карно, совершаемый в заданном интервале температур, характери­зуется наибольшим термическим коэффициентом полезного действия. Об­ратный обратимый цикл Карно характеризуется наибольшим значением хо­лодильного коэффициента для двух заданных температур источников.

2.8. Паросиловые установки.

Схема паросиловой установки и её теоретический цикл (цикл Ренкина), термодинамический анализ, выражения для работы и термического КПД цикла. Влияние начальных и конечных параметров пара на термический КПД цикла. Реальный цикл. Работа и КПД реального цикла. Методы повышения тер­модинамической эффективности цикла.

Литература: [1, с.259-277], [2, с. 92-100], [3, с. 161-178], [5, с. 52-60].

Низкая температура отвода теплоты в цикле паросиловой установки, ма­лые удельные объемы воды позволяют получать большую мощность при срав­нительно небольших габаритах установки.

Для повышения термодинамической эффективности применяют реге­неративный подогрев питательной воды, промежуточный перегрев пара, что увеличивает среднюю температуру подвода теплоты в цикле и, следователь­но, термический КПД цикла.

Следует понимать, что, несмотря на снижение термического КПД, в теп­лофикационных циклах вследствие увеличения температуры отвода теплоты, общее использование подведенной в цикле теплоты увеличивается при со­вместной выработке и отпуске тепловой и электрической энергии. Термиче­ский КПД цикла увеличивается в бинарных циклах, которые комбинируются на общих термодинамических принципах.

Вопросы для самопроверки

1. Изобразите цикл Ренкина в основных диаграммах.

2.  Каковы способы повышения эффективности теплофикационных

циклов?

3.  Какие термодинамические принципы используются в бинарных

циклах?

2.9. Газотурбинные установки.

Схемы и циклы газотурбинных установок с подводом теплоты при посто­янном давлении и объеме. Сравнение циклов. Способы повышения эффек­тивности циклов газотурбинных установок.

Литература: [1, с. 244-254, 284-287], [2, с.90-92, 98-100].

Нужно представлять принцип работы газовых турбин, их достоинства и недостатки, различия способов подвода теплоты в цикле. Изучение и сравнение циклов необходимо проводить при сопоставимых условиях, например, при одинаковой начальной температуре перед турбиной или одинаковой сте­пени повышения давления в компрессоре.

Должно сложиться представление, что регенерация теплоты, ступенчатый подвод теплоты в цикле и многоступенчатое сжатие в компрессорах с проме­жуточным охлаждением приводят к повышению термического КПД цикла.

Вопросы для самопроверки

1. Почему циклы газотурбинных установок имеют более высокий

термо­динамический КПД в сравнении с паросиловыми?

2.  Какие преимущества имеют газовые турбины по отношению к

двигателям внутреннего сгорания?

3.  Как и почему влияет степень повышения давления на термический

КПД цикла газовых турбин?

4. Почему газовые турбины с регенерацией теплоты в летний период

имеют термический КПД ниже, чем зимой?

2.10. Холодильные машины.

Термодинамические принципы работы холодильных машин. Схема и цикл газовой холодильной машины. Схемы и циклы паровых компрессион­ных холодильных машин. Сравнение циклов. Построение и расчет цикла парокомпрессионной холодильной машины с использованием

lgp-i-диаграммы. Понятие и цикл теплового насоса. Абсорбционные холодильные машины.

Литература: [1, с.290-302], [2, с. 100-108].

Изучение рекомендуется начать с газовых холодильных машин. Тогда станет понятно, почему циклы паровых компрессорных машин обладают большей эффективностью, чем газовые.

Необходимо усвоить, что потери от необратимости теплообмена в кон­денсаторе и испарителе и при дросселировании увеличивают затраты внеш­ней энергии на привод компрессора.

Следует помнить, что повышение эффективности циклов паровых ком­прессионных холодильных машин основано на тех же термодинамических принципах, что и в прямых циклах: регенерация, ступенчатое дросселирование, ступенчатое сжатие в компрессорах.

Следует разобраться с принципом работы паровых абсорбционных холо­дильных машин.

Вопросы для самопроверки

1. Что характеризует холодильный коэффициент?

2.  В чем отличие холодильной машины от теплового насоса?

3.  Из каких термодинамических процессов состоит цикл

парокомпрессионной холодильной установки.

4.  Изобразите схему абсорбционной холодильной установки.

Какой величиной характеризуется эффективность ее работы?

5.  Каково назначение теплового насоса? Что такое отопительный

коэффициент?

3. Основы теплопередачи.

3.1. Основные понятия и определения.

Основные виды передачи тепла. Теплопроводность, конвекция, тепловое излучение. Сложный теплообмен.

Литература: [1, с. 144-150], [4, с. 20-210].

Как показали исследования, передача теплоты является сложным процессом, который условно можно разделить на три элементарных: теплопроводность, конвекцию и тепловое излучение. В чистом виде элементарные виды передач теплоты встречаются редко, в большинстве случаев один вид передачи теплоты сопровождаемся другим.

В теплообменных аппаратах осуществляется процесс теплопередачи. Обычно под теплопередачей понимают передачу теплоты от одной жидкости к другой через разделяющую их стенку. Поэтому теплопередачу следует рассматривать как теплопроводность при граничных условиях
3-го рода.

Вопросы для самопроверки

1.  Что такое теплопроводность?

2.  Что такое конвекция?

3.  Что такое тепловое излучение?

4.  Что такое теплопередача?

3.2. Теплопроводность

Физический смысл явления теплопроводности. Температурное поле, стационарное и нестационарное. Градиент температур. Закон теплопроводности Фурье. Коэффициент теплопроводности. Теплопроводность металлов, газов, теплоизоляционных материалов. Теплопроводность однослойной плоской и цилиндрической стенок. Теплопроводность многослойной плоской и цилиндрической стенок.

Литература: [1, с. 150-160], [4, с. 210-213].

Изучение темы следует начать с понятий о температурном поле, градиенте температур. Затем ознакомиться с основным законом теплопроводности - законом Фурье. Следует понять физический смысл коэффициента теплопроводности металлов, теплоизоляционных материалов. Необходимо усвоить методику расчета задач теплопроводности для плоской и цилиндрической стенок. Необходимо усвоить понятия: количество теплоты, плотность теплового потока и запись закона Фурье для указанных величин.

Вопросы для самопроверки.

1.  Что такое стационарное и нестационарное температурное поле?

2.  Что такое температурный градиент, его физический смысл?

3.  Дайте формулировку закона Фурье.

4.  Напишите формулу для плотности теплового потока через плоскую многослойную стенку.

5.  Каков механизм процесса передачи теплоты в металлах?

6.  Каков механизм процесса передачи теплоты и теплоизоляционном материале?

7.  Как влияет пористость и влажность на коэффициент теплопроводности теплоизоляционных материалов?

3.3. Конвективный теплообмен.

Физическая сущность конвективного теплообмена. Закон Ньютона-Рихмана. Факторы, влияющие на интенсивность теплообмена. Дифференциальное уравнение теплообмена. Теория подобия. Критерии подобия. Критериальные уравнения. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости в трубах и каналах. Теплообмен при вынужденном поперечном обтекании пучков труб. Теплоотдача при естественной конвекции. Теплообмен при изменении агрегатного состояния среды.

Литература: [1, с. 193-206], [4, с. 223-243].

Изучению конвективного теплообмена должно предшествовать повторение таких понятий, как ламинарный и турбулентный режимы движения жидкости, формирование пограничного слоя при обтекании жидкостью твердых тел.

Коэффициент теплоотдачи при конвективном теплообмене зависит от режима об­текания стенки, физических свойств теплоносителя, геометрической формы и размера поверхности теплообмена и ряда других факторов. Входящий в уравнение Ньютона-Рихмана коэффициент теплоотдачи определяется с помощью критериальных уравнений, которые в свою очередь получены с привлечением теории подобия. Поэтому необходимо хорошо разобраться в сущности теории подобия, запомнить основные критерии - Рейнольдса, Грасгофа, Нуссельта, Прандтля и входящие в них величины. Для конкретных задач конвективного теплообмена следует уметь подобрать соответствующую форму критериального уравнения. При омы­вании пучков труб обратить внимание на преимущества и недостатки коридорных и шахматных пучков.

Вопросы для самопроверки

1.  Какова физическая, сущность коэффициента теплоотдачи?

2.  Как влияет скорость и характер процесса омывания на величину

коэффициента теплоотдачи?

3.  Запишите основные критерии подобия, определяющие конвектив-­

ный теплообмен. Какие величины входят в критерии подобия?

4.  Напишите принципиальный вид критериального уравнения для

вынужденного и свободного движений жидкости в трубах.

5.  Назовите основные способы интенсификации конвективного

теплообмена.

6.  Дайте сравнение интенсивности теплообмена при конденсации

на горизонтальных и вертикальных трубах.

7.  Почему в пузырьковом режиме кипения коэффициент теплоотдачи

имеет большое значение?

8.  В чем сущность кризиса теплообмена при кипении?

3.4. Лучистый теплообмен

Природа теплового излучения. Поглощательная, отражательная и пропускательная способности тел. Серое тело. Законы Планка, Кирхгофа, Стефана-Больцмана. Теплообмен излучением между телами. Экраны. Лучистый теплообмен газовых сред.

Литература: [1, с. 244-246], [4, с. 262-267].

Явление теплового излучения – это распространение энергии в виде электромагнитных волн с двойным преобразованием энергии. Наи­большее значение в тепловой технике имеют волны инфракрасного спектра, называемые тепловыми лучами. При изучении материала следует обратить внимание на отличия в понятиях интенсивности спектрально­го, интегрального излучения и законы Планка, Кирхгофа, Стефана-Больцмана. Затем разобрать излучение между телами. Утонить способы интенсификации лучистого теплообмена и его ослабления.

Касаясь газов, следует уяснить особенности их избирательного
излучения и поглощения электромагнитных волн. Поэтому на интенсивность излучения и поглощения газовых объемов влияет насыщение их
твердыми частицами.

Вопросы для самопроверки

1.  Как выглядит график, иллюстрирующий закон Планка?

2.  Как изменяется излучаемая энергия с увеличением температуры тела?

3.  Напишите закон излучения Стефана-Больцмана.

4.  Напишите формулу лучистого теплообмена между двумя серыми параллельными пластинами.

5.  Как количественно снижает интенсивность лучистого теплообме­на между телами один экран?

6.  Чем отличается тепловое излучение твердых тел от теплового излучения газов?

3.5. Теплопередача и теплообменные аппараты

Передача теплоты через многослойную плоскую стенку. Выражения для теплового потока, коэффициента теплопередачи, термического сопротивления. Методы интенсификации теплопередачи.

Передача теплоты через цилиндрическую стенку. Критический диаметр изоляции. Оребрение как метод интенсификации теплопередачи. Классификация теплообменников. Схемы движения теплоносителей.
Температурный напор. Сравнения схем движения теплоносителей по температурному напору. Основы теплового расчета теплообменников.

Литература: [1, с. 167-175], [4, с. 274-285].

В данной теме необходимо запомнить выражение коэффициента теп­лопередачи, основываясь на котором можно делать выводы о методах интенсификации теплопередачи.

В теплообменных аппаратах следует усвоить особенности теплообмена в прямоточных и противоточных теплообменниках, методику определения температурного напора. Нужно четко представлять основные расчетные формулы, необходи­мые для расчета теплообменников.

Вопросы для самопроверки

1.  Какова физическая сущность коэффициента теплопередачи?

2.  Каковы пути и методы интенсификации теплопередачи?

3.  Напишите формулу для определения температурного напора.

4.  В какой из схем движения теплоносителей температурный напор

выше: в противоточной или прямоточной?

5.  Напишите уравнения, необходимые для теплового расчета

тепло­обменников.

6. В чем проявляются преимущества противоточной схемы по

сравнению с прямоточной?

4. Теплогенерирующие установки.

4.1. Топливо и основы теории горения

4.1.1. Теплотехнические характеристики топлива

Понятие о топливе и его классификация. Технические характеристики топлива (элементарный состав, теплота сгорания, влажность, зольность, вы­ход летучих веществ). Понятие об условном топливе. Проблемы экономии топлива и экологии при выбросе продуктов горения топлива.

Литература: [2, с. 225-230], [3, с. 207-227], [4, с. 315-330].

До 80% мирового потребления энергоресурсов удовлетворяются за счет теплоты, выделяемой при горении органического топлива. Необходимо уметь определять качество каменных и бурых углей, торфа и мазута, природ­ного газа по его характеристикам. Для сравнения различных видов топлива пользуются понятием условного топлива со стандартной теплотой сгорания. Рекомендуется ознакомиться с экологической проблемой сжигания топлива.

4.1.2. Основы теории горения топлива

Понятие о горении. Физико-химические факторы и их влияние на ско­рость горения. Кинетическая и диффузионная области горения. Понятие о скорости распространения фронта пламени. Особенности горения углей, ма­зута, природного газа.

Литература: [2, с. 230-239], [4, с. 330-337].

Понятие гомогенного и гетерогенного горения связано с особенностя­ми образования топливовоздушной смеси при сжигании разных по агрегат­ному состоянию видов топлива. В зависимости от условий смесеобразования горение может развиваться в кинетической или диффузионной областях, от чего и зависит скорость на фронте горения и полнота сгорания топлива. На­пример, горение твердого топлива является диффузионным, так как диффу­зия окислителя на поверхность частицы топлива определяет скорость горе­ния. В этой связи можно понять обоснование путей интенсификации горения.

Вопросы для самопроверки.

1.  Чем отличается гомогенное горение от гетерогенного?

2.  Что понимают под скоростью горения на фронте пламени?

3.  В чем различие между кинетическим и диффузионным горением?

4.  Как влияет качество смеси на скорость горения топлива?

5.  Каковы особенности горения твердого, жидкого и газообразного

топлив?

4.1.3. Расчеты горения топлива.

Определение теоретического и действительного расхода воздуха для сжигания твердого, жидкого и газообразного топлива. Расчет объемов про­дуктов сгорания при стехиометрическом горении и при горении с a>1. Эн­тальпия продуктов сгорания. Теоретическая температура горения. -таблица и -диаграмма продуктов сгорания.

Литература: [2, с.239-243], [4, с. 337-345].

Расчеты объемов воздуха и продуктов сгорания ведутся на основе стехиометрических уравнений окислительных реакций. Итоговые формулы для расчета объемов удобно представить в табличной форме. Следует иметь в виду, что расчет энтальпии продуктов сгорания можно вести по составляю­щим компонентам или, определяя теплоемкость продуктов сгорания, как для смеси газов. Нужно научиться определять теоретическую температуру горе­ния с помощью -таблицы и -диаграммы.

Вопросы для самопроверки.

1. Что называют коэффициентом избытка воздуха?

2.  Как рассчитываются объемы воздуха и продуктов сгорания при

сжигании твердых и жидких топлив при a=1 и a>1?

3.  Как определить энтальпию продуктов сгорания?

4.  Что такое теоретическая температура горения топлива?

5.  Как определить теоретическую температуру горения по

-диаграмме?

4.2. Котельные установки

4.2.1. Топочные устройства

Классификация топок. Характеристики слоевых и камерных топок. Форсунки и горелки. Понятие о расчете теплообмена в топках.

Литература: [2, с. 243-253], [3, с. 232-242], [4, с. 130-145].

Обратить внимание на особенности процессов горения в неподвижном кипящем слое и факеле и их связь с тепловыми характеристиками топок. Ра­зобрать принципы устройства и действия слоевых и камерных топок, а также форсунок и горелок. Усвоить основы расчета теплообмена в топке.

Вопросы для самопроверки

1. Какие существуют способы сжигания топлива и типы горелок?

2.  Назовите основные тепловые характеристики топок?

3.  Какие особенности имеют топки с твердым и жидким

шлакоудалением?

4.  В чем отличие пылеугольных топок от топок для сжигания мазута

или га­за?

5.  Объясните устройство горелок для пылевидного и газообразного

топлива, форсунок для мазута.

4.2.2. Промышленные котлоагрегаты.

Паровые котлы с естественной и принудительной циркуляцией. Водо­грейные котлы и котлы-утилизаторы. Конструкции основных элементов теплообменных поверхностей. Тягодутьевые устройства. Предотвращение вред­ных выбросов в атмосферу. Водоподготовка. Тепловой баланс, КПД и расход топлива котла. Понятие о тепловом расчете конвективных поверхностей. Правила устройства и безопасной эксплуатации котлов. Экологическая безо­пасность.

Литература: [2, с. 276-298], [5, с. 146-165].

Обратить внимание на изучение устройства вертикально-водотрубных котлов малой производительности, уяснить сущность внутрикотловой гидродинамики и причины нарушения естественной циркуляции. Необходимо по­нять, что развитие конвективных поверхностей котлов связано с уменьшени­ем тепловых потерь. Ознакомиться с основными методами очистки пита­тельной воды, а также поддержанием солесодержания котловой воды путем осуществления непрерывной продувки. Необходимо уметь составлять тепло­вой баланс котла, ознакомиться с тепловым расчетом конвективных поверх­ностей нагрева котла.

Вопросы для самопроверки

1. Как протекают процессы парообразования в котле?

2.  Как осуществляется естественная циркуляция, что такое кратность

цирку­ляции?

3.  Назовите основные конструктивные элементы котлов.

4.  Как обеспечивается тяга в газовоздушном тракте котла?

5.  Как предотвратить образование накипи в паровых котлах?

6.  Укажите предназначение периодической и непрерывной продувки.

7.  Назовите основные тепловые потери в котлах.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К КОНТРОЛЬНЫМ ЗАДАНИЯМ

Контрольная работа выполняется в пятом семестре.

При решении задачи 1 применяют уравнение состояния и зависимости, характеризующие соотношение между параметрами идеального газа для политропного процесса.

В задаче 2 необходимо выполнить расчеты процессов для водяного пара. Особенностью этих расчетов является то, что водяной пар, особенно вблизи границ фазовых переходов, является реальным газом. Поэтому в расчетах нельзя пользоваться уравнением состояния для идеальных газов. Для расче­тов рекомендуется пользоваться графической формой представления уравне­ния состояния водяного пара в виде рабочей i-s-диаграммы. Предварительно рекомендуется разобраться с построением i-s-диаграммы и решением приме­ров, приведенных в [6]. Нужно помнить, что для определения теплоты, рабо­ты можно пользоваться первым законом термодинамики. В изобарных про­цессах теплоту можно определить по разности энтальпий, значение которых определяется по i-s-диаграмме. Параметры состояния перегретого пара опре­деляют по i-s-диаграмме по заданным давлению и температуре. Расчет КПД теоретического цикла паросиловой установки производится с учетом значений параметров пара и воды, найденных также по i-s-диаграмме.