Транспортная энергетика (стр. 2 )

Если w1 пренебрежимо мала, то

w = ,

т. е. скорость истечения газа из сопла w тем больше, чем меньше величина отношения давления Р2/Р1.

Расход газа через сопло

Объёмный расход V = Σw, м3/с, где Σ – площадь сопла (выходного сечения), массовый расход

G= .

Из уравнения адиабаты ; G = или

G = Σ.

Это уравнение связывает между собой величину массового расхода идеального газа при обратимом адиабатном течении через сопло с площадью выходного сечения сопла и величинами Р1, v1, Р2. С помощью этого уравнения можно решить и обратную задачу – найти, какой должна быть площадь выходного сечения сопла, чтобы обеспечить заданный расход G газа через сопло при заданных параметрах газа на входе в сопло и на выходе из него.

Характер зависимости расхода G от Ψ = по этой формуле показан на рис. 11 (кривая 1-к-0).

Экспериментальные данные этому противоречат. Правая ветвь кривой (1-к) совпадает с экспериментальной. Но уменьшение давления ниже кр не влияет на расход. Т. е. при сколь угодно низких давлениях среды за соплом, меньшим Р= ΨкрР1 давление газа в выходном сечении суживающего сопла остаётся постоянным и равным Р. Скорость газа на выходе из сопла растёт точно до тех пор пока Р2 уменьшается до Р. Дальнейшее снижение давления за соплом не приводит к росту w.

Ψкр = .

W* = , Gmax =.

Заменим Р1 и v1 из уравнения адиабаты на Рv получим w *= т. е. w* = α. Величина максимальной скорости равна местной скорости звука в выходном сечении.

Любое слабое возмущение, в том числе и изменение давления, распространяется в сжимаемой среде со звуковой скоростью. Когда давление среды, в которую истекает газ Р2 = Р*, скорость истечения равна местной скорости звука. При дальнейшем снижении давления Р2 < Р*, волна разрежения не сможет распространяться вверх по соплу, так как её относительная скорость α – w = 0, вследствие w = α. т. е. поток в сопле «не знает», что давление за соплом снизилось.

Сопло Лаваля

При течении газа (жидкости) в канале для любого сечения канала справедливо уравнение.

G = ,

где G – массовый расход, Σ – площадь сечения канала, w – скорость, v – удельный объём.

При стационарном режиме течения массовый расход одинаков в любом сечении потока

= const= .

Это уравнение называют уравнением неразрывности.

Логарифмируя это уравнение, получим ℓn Σ + ℓnw - ℓn v = const.

Дифференцируя, получим - уравнение неразрывности в дифференциальной форме.

Из него можно вывести уравнение в виде

или (М2 - 1).

Здесь М = число Maxa (отношение скорости течения к местной скорости звука).

При дозвуковых скоростях (М < 1) сужение канала (dΣ < 0) соответствует снижению давления в потоке вдоль канала (dР < 0) т. е. случай рассмотренного выше суживающего сопла. При сужении канала скорость увеличивается

(dw>0).

Если при дозвуковом течении канал расширяется, то скорость потока снижается (dw < 0), а давление в потоке вдоль канала возрастает (dР > 0). Расширяющиеся каналы применяют для торможения потока, то есть для превращения кинетической энергии потока в потенциальную энергию сжатого газа. Устройства, предназначенные для превращения кинетической энергии потока в потенциальную энергию (повышения давления за счет снижения скорости потока) называют диффузорами.

При М > 1 течение в расширяющемся канале (dw > 0) происходит с уменьшением давления вдоль потока (dР < 0) и с увеличением скорости, (dw > 0), в суживающемся канале (dΣ < 0) сверхзвуковой поток замедляется (dw < 0), а его давление возрастает (dР > 0). Т. е. сверхзвуковое сопло представляет собой расширяющийся канал, а сверхзвуковой диффузор – сужающийся канал.

Перечень каналов для различных режимов течения

Вид потока	Вид канала
Сопло (ускорение потока, падение давления вдоль потока)	Диффузор (торможение потока, увеличение давления вдоль потока)
Дозвуковой М<1 Сверхзвуковой М>1	Суживающееся Расширяющееся	Расширяющийся Суживающийся

Из этого анализа очевидно как осуществить дальнейшее ускорение потока, который при Рс ≤ Р* приобрёл на выходе из суживающегося сопла звуковую скорость.

Сопло должно спрофилировано так, чтобы канал суживался до тех пор, пока давление в канале не станет равным критическому Р*. Затем канал должен расширяться рис. 12. Такое комбинированное сопло впервые было применено для получения сверхзвуковых скоростей шведским инженером Лавалем (1880 годы). Называется соплом Лаваля.

1.11. Дросселирование

Эффект падения давления струи рабочего тела в процессе протекания через сужение в канале называется дросселированием.

Физически падение давления за местным сопротивлением обусловлено диссипацией энергии потока, расходуемой на преодоление этого сопротивления.

Рассмотрим процесс течения газа (жидкости) через трубу, имеющую местное сопротивление, например диафрагму рис.13.

Сечение трубы до и после диаграммы одинаково, вследствие чего можно пренебречь изменением кинетической энергии потока. Рассмотрим адиабатное дросселирование.

Площадь сечения трубы – Σ. Представим, что сечения газа (или невесомые поршни) 1 и 11 перемещаются вдоль трубы. За некоторый промежуток времени поршень 1 переместится на ℓ1, поршень 11 на длину ℓ2 > ℓ1, так как Р2 и ρ2 < Р1, ρ1.

Чтобы переместить поршень 1 на расстояние ℓ1 нужно совершить работу L1 = Р1 ℓ1Σ.

V1 = ℓ1Σ – объём газа, вытесненный поршнем 1 за рассматриваемый промежуток времени через диафрагму.

V1 = ν1 G1 где G – масса газа, прошедшего через дроссель.

L1 = Р1ν1G1 .

Работа, которую производит поршень 11

L2 =  Р2ν2G.

При перемещении рассматриваемой массы газа за определённый промежуток времени совершается работа, равная разности работы L2, которую производит поршень 11 и работы L1, которая производится над поршнем 1 L=L2- L1 или L = (Р2 ν2 –Р1 ν1)G.

Работа в адиабатном процессе может быть произведена только за счёт уменьшения внутренней энергии системы.

Следовательно L = (u1 – u2) G.

Приравнивая два последних уравнения

(Р2 ν2 –Р1 ν1)G = (u1 – u2) G;

u1 +Р2 ν2 = u2 +Р2 ν  т. е.  i1= i2.

В результате адиабатного дросселирования значения энтальпий рабочего тела до и после местного сопротивления одинаковы. На рис. 14 показан процесс дросселирования в координатах i - s.

1 - 21 – уменьшение энтальпии в дросселе, 21 - 2 – процесс торможения потока за дросселем, в результате которого кинетическая энергия потока уменьшается, а энтальпия восстанавливается до постоянной величины. В адиабатном потоке тепло, выделяющиеся при торможении (тепло трения) целиком усваивается рабочим телом.

Таким образом, в рассмотренном необратимом процессе i1 = i2 , но di ≠ 0.

1.12. Обратные тепловые циклы и процессы.

Холодильные установки

Охлаждение тел до температуры, лежащей ниже температуры окружающей среды, осуществляется с помощью холодильных установок, работающих по обратному тепловому циклу.

Обратным называется цикл, в котором работе сжатия превышает работу расширения и за счёт подведённой работы тепло передаётся от холодного источника к горячему рис. 15. Горячему источнику в обратном процессе передается тепло q1 равное сумме тепла q2, отбираемого от холодного источника и тепла, эквивалентного подводимой в цикле работе ℓц, q1 = q2 + ℓц.

Холодильная установка включает в себя устройство для сжатия рабочего тела (рабочее тело холодильных установок называется хладоагентами) – компрессор или насос, и устройство, в котором происходит расширение рабочего тела. Машины, применяемые в холодильных установках для охлаждения хладоагента в процессе его расширения с совершением работы, называются детандерами. Детандеры подразделяют на поршневые и турбинные (турбодетандеры).

Для характеристики эффективности цикла холодильной установки применяется так называемый холодильный коэффициент

ε = =.

Холодильные установки по виду хладоагентов делятся на две основные группы:

1. Газовые (в частности воздушные) холодильные установки (газ в состоянии далёком от линии насыщения).

2. Паровые холодильные установки, где в качестве хладоагентов пары различных веществ.

Паровые холодильные установки подразделяются на парокомпрессион-

ные, пароэжекторные и абсорбционные.

Цикл воздушной холодильной установки

Схема воздушной холодильной установки представлена на рис. 16. Воздух расширяется в детандере от давления Р1 до Р2 совершая работу, отдаваемую детандером (например электрогенератору).

Воздух, охлаждённый в результате адиабатного расширения до температуры Т2, поступает в охлаждаемую камеру и, где он отбирает тепло в изобарном процессе.

По выходе из охлаждаемой камеры воздух поступает в компрессор, его давление повышается до Р1, температура до Т4. Сжатый воздух поступает в охладитель. Цикл воздушной холодильной установки в Р - v и T - s диаграммах показан на рис.17.

Холодильный коэффициент ε = =;

Холодильный коэффициент обратного цикла Карно при одном и том же значении Т1

εк = , где Т3; εк > ε.

Цикл парокомпрессионной холодильной установки

Осуществить в холодильной установке подвод и отвод тепла по изотермам удаётся в том случае, если в качестве хладоагента используется влажный пар какой либо легкокипящей жидкости, т. е. жидкости, у которой температура кипения при атмосферном давлении

ts ≤ 0 ºС.

Схема холодильной установки с влажным паром показана на рис.18.

Сжатый в компрессоре 3 влажный пар поступает в охладитель 4, где за счёт отдачи тепла охлаждающей воде происходит конденсация пара. Процесс конденсации происходит по изобаре-изотерме 4 - 1, так, что из охладителя выходит жидкость.

Когда процесс отвода тепла происходит по изотерме, разность температур конденсирующегося пара и охлаждающей воды может быть весьма малой.

Создание детандера, в котором расширяется и совершает работу не газ, а жидкость – трудная задача.

Поэтому здесь детандеры, как правило, не применяются. Вместо процесса расширения с отдачей внешней работы используется процесс расширения без отдачи внешней работы, т. е. процесс дросселирования. Дросселирование влажного пара всегда происходит с понижением температуры. Процесс адиабатного дросселирования сопровождается ростом энтропии дросселируемого вещества, энтальпия вещества при этом не меняется. Необратимый процесс дросселирования в редукционном вентиле на диаграмме ТЗ - ср.1- 2.

Изобарно-термический процесс подвода тепла к хладоагенту в испарителе от охлаждаемой камеры изображается линией 2 - 3. Давление Р2 выбирается таким образом, чтобы соответствующая этому давлению температура насыщения была несколько ниже температуры охлаждаемого объёма.

ε = = ; ℓкомп = i4 – i3 = ℓц; q2 = i3 – i2 .

По сравнению с воздушной холодильной установкой парокомпрессионная имеет значительный больший холодильный коэффициент и большую холодопроизводительность. При малых температурных интервалах выгоднее парокомпрессионные холодильные установки. При больших температурных интервалах выгоднее газовые холодильные установки.

Верхняя температура цикла парокомпрессионной установки определяется температурой охлаждающей воды, поступающий в охладитель (конденсатор) 4. Нижняя температура цикла Т2 задаётся в зависимости от назначения холодильной установки.

Выбор хладоагента определяется величиной интервала температур в которой работает установка, т. е. чтобы в этом интервале температур мог существовать влажный пар хладоагента.

Во вторых нужно, чтобы в этом интервале температур давление насыщенных паров хладоагента было с одной стороны не слишком низким (чтобы не иметь дело с глубоким вакуумом), с другой стороны не слишком высоких, что требует высокой плотности и прочности и также усложняет установку. Желательно, чтобы при нижней температуре цикла Т2 давление насыщенных паров хладоагента было близко атмосферному.

Этим условиям хорошо удовлетворяют «фреоны» - фторхлорироизводные простейших углеводородов (в основном метана) фреон 14 (СF4), фреон 13 (ССℓF3), фреон 22 (СРСℓF2), фреон 12 (ССℓ2F2), но экология (озоновые дыры).

2. Основы теплопередачи

2.1. Основные понятия

Теплообмен – сложный процесс, в котором перенос тепла осуществляется одновременно тремя способами: теплопроводностью, конвекцией и лучеиспусканием (тепловым излучением).

Теплопроводность – это передача тепла при непосредственном соприкосновении частиц, имеющих различную температуру тел. Кинетическая энергия микрочастиц, составляющих тело (молекул, атомов, электронов) передаётся от более подвижных частиц к менее подвижным. В чистом виде теплопроводность может наблюдаться только в твёрдых телах.

Конвекция – это перенос тепла достаточно большими (макроскопи-ческими) частицами жидкости или газы при взаимном перемещении этих частиц. Более нагретые частицы сталкиваются с менее нагретыми и отдают им часть своей энергии теплопроводностью. Передача тепла конвекций в сочетании с теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Частным случаем конвективного теплообмена является теплообмен между жидкостью и стенкой.

Тепловое излучение - это процесс распространения энергии в виде электромагнитных волн. Сопровождается двойным превращением энергии – тепловой в лучистую, и, обратно, лучистой в тепловую.

Передача тепла теплопроводностью через стенку - количество тепла, проходящего через стенку, определяется по закону Фурье

Φ = λF1

где Ф – тепловой поток, Вт; λ- коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); t1 и t2 - температура наружных поверхностей стенки; δ – толщина стенки, м (рис. 19); F – площадь поверхности стенки, м2.

Коэффициент теплопроводности – это количество тепла прошедшее единицу длины, в единицу времени через единицу поверхности тела при разности температур равном единице.

Величину  = q – называют плотностью потока, : q = ( t1- t2).

Величину называют тепловой проводимостью, а обратную ей величину δ/λ - термическим сопротивлением, м2 К/Вт.

Передача тепла через многослойную стенку

Рассмотрим стенку из трёх слоёв различных материалов. Плотность теплового потока q для всех слоёв одинакова

q =( t1- t’), q = ( t’- t”), q = ( t”- t2)

Отсюда можно получить

t1- t2 = q ;

q =(t1- t2)

Закон изменения температур в многослойной стенке показан на рис. 20.

2.2. Конвективный теплообмен

Рассмотрим случай, когда плоская стенка омывается потоком жидкости, рис. 21.

Температура стенки меньше температуры жидкости.

Величина теплового потока Ф при конвективном теплообмене прямо пропорциональна площади F и разности температур стенки и жидкости t.

Ф =(t- tст)F,

где – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К).

tст = t - q;

Коэффициент теплоотдачи зависит от многих факторов, поэтому он меняется для одного и того же вещества в больших пределах.

На него влияют:

1. Физические свойства жидкости или газа (вязкость, плотность, теплопроводность, теплоёмкость).

2. Скорость движения жидкости или газа. С увеличением скорости λ возрастает.

3. Форма омываемой поверхности.

4. Шероховатость стенки

5. Характер движения жидкости или газа (турбулентное,  т. е.  завихренное, или ламинарное, т. е. слоистое).

Пример турбулентного движения – горный поток, ламинарного – течение реки на равнине.

При ламинарном движении теплообмен между жидкостью и стенкой осуществляется только теплопроводностью. Теплообмен при ламинарном движении меньше, чем при турбулентном.

2.3. Лучистый теплообмен

Особенностью лучистого теплообмена - отсутствие непосредственного соприкосновения тел. Теплообмен может приходить при большом расстоянии друг от друга.

Носителем лучистой энергии являются электромагнитные колебания с различной длиной волн. В зависимости от длины волны различают рентгеновские, ультрафиолетовые, световые, γ - лучи, инфракрасные и т. п. В теплообмене большое значение имеют тепловые (инфракрасные лучи).

Тепловое излучение свойственно всем телам. Лучистая энергия, падающая на тело Qo, частично им поглощается QA, частично отражается от него QR, частично пропускается телом QD рис. 22.

Qo = QA+ QR + QD

Тело, полностью поглощающее лучистую энергию, называется абсолютно чёрным (сажа, чистый углерод, чёрный бархат поглощают 97 % энергии).

Тело, полностью отражающее всю падающую на тело лучистую энергию, называется абсолютно белым или зеркальным.

Тело, полностью пропускающее лучистую энергию, называется прозрачным.

Абсолютно чёрных, белых и прозрачных тел в природе нет: близки к абсолютно белым полированные металлы (97 %), к абсолютно прозрачным одноатомные и двухатомные газы.

Ф = Спр F ,

где Спр = приведённый коэффициент лучеиспускания,

Со = 5,67 константа излучения абсолютно чёрного тела.

2.4. Сложный теплообмен

Теплопередача через плоскую стенку

Сложный теплообмен, или теплопередача – это процесс передачи тепла от одного теплоносителя к другому через разделительную стенку, рис. 23. Весь процесс передачи тепла можно расчленить на простейшие виды теплообмена:

1. Конвективный теплообмен между греющей средой и поверхностью стенки;

2. Передача тепла теплопроводностью через стенку;

3. Конвективный теплообмен между внутренней поверхностью стенки и нагреваемой средой.

В сложном теплообмене наряду с конвективным может осуществляться и лучистый теплообмен.

Величина теплового потока, переданного от греющей среды к стенке, определяется уравнением Ньютона - Рихмана

Ф = α1 (t1 - t)F, Вт.

Величина теплового потока, переданного теплопроводностью через стенку, определяется законом Фурье:

Ф = ( t- t)F

Величина теплового потока, переданного от внутренней поверхности стенки к нагреваемой среде

Ф = α2(t- t2)F.

При установившемся режиме эти величины одинаковы. Разделив эти уравнения на F, и почлено сложив, получим

t1 - t2 = q, откуда

q = (t1- t2); q = К (t1- t2); Ф = К (t1- t2)F;

где К = - коэффициент теплопередачи, .

Коэффициент теплопередачи численно равен величине теплового потока, передаваемого через стенку площадью 1 м2, при разности температур между греющей и нагреваемой средами, равной 1 ºС.

При наличии в теплопередаче, кроме конвекции, лучистого теплообмена необходимо определять общий коэффициент теплоотдачи

α = αк+ α л,

где αк – конвективный коэффициент теплоотдачи; αл - условный коэффициент теплоотдачи излучением.

αл = , .

3. Судовые энергетические установки

3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СЭУ

Судовая энергетическая установка – это комплекс взаимосвязанных элементов энергетического оборудования предназначенный для выработки всех необходимых на судне видов энергии. Элементами СЭУ являются: генераторы рабочих тел, первичные и вторичные двигатели, передачи и валопроводы к движителям, механизмы, аппараты, устройства, ёмкости и трубопроводы, средства регулирования, контроля и управления установкой. В состав СЭУ включается также оборудование, облегчающее эксплуатацию установки, подъёмно-транспортные средства, оборудование судовой мастерской, трапы, площадки в помещениях энергетической установки.

Основное назначение энергетической установки на судах и кораблях – обеспечение движения судов и кораблей с заданными скоростями хода. Поэтому часть СЭУ предназначенная в основном для выработки механической энергии и передачи её движителям, называется главной или пропульсивной установкой, а её элементы – главными (например, главный двигатель, главный котёл). Остальная часть СЭУ, обеспечивающая многочисленные другие судовые потребители энергии называется вспомогательной энергетической установкой, а её элементы – вспомогательными.

Важнейшими потребителями механической энергии, кроме судовых движителей являются насосы, компрессоры, вентиляторы, палубные механизмы и др. Их привод зачастую более удобен от электродвигателей, а не от тепловых. Поэтому в составе вспомогательной энергетической установки всегда имеется достаточно мощная электростанция, оборудованная дизель – или турбогенераторами.

Соотношение мощностей главных двигателей и двигателей судовой электростанции зависит от назначения и размеров судна. Например, в СЭУ БМРТ типа «Маяковский» это отношение равно 0,6; в установках танкеров типа «Ленинский Комсомол» - 0,125.

Взаимосвязь элементов СЭУ осуществляется её системами. Системы СЭУ предназначены для снабжения СЭУ топливом, маслом, питания парогенераторов водой и т. д. В зависимости от назначения различают: топливную, масляную, охлаждения, воздухоподачи, газоотвода, сжатого воздуха, кондесатно-питательную и др.

СЭУ классифицируют по следующим основным признакам:

- по роду топлива – на использующие органические топливо (продукты перегонки нефти, уголь) и использующие ядерное топливо.

На морских транспортных судах в настоящее время используют в основном продукты перегонки нефти;

- по типу главных двигателей - с поршневыми и турбинными двигателями. На судах имеются установки с поршневыми ДВС, с газо и паротурбинными двигателями. Своё название СЭУ получают по типу главных двигателей: СЭУ с ДВС (теплоходы), ПТУ, ГТУ.

- по способу передачи энергии движителям - с прямой и не прямой передачей. В случае не прямой передачи между двигателем и движителем имеется промежуточное передаточное звено (механическая, электрическая или гидравлическая передача).

- по числу судовых валопроводов - одно и многовальное.

На июнь 1971 г. состав мирового торгового флота:

Пароходы: количество – 7350 = 13 %.

Валовая вместимость, рег. т≈ 35 %.

Теплоходы – количество - 47691

Валовая вместимость, рег. т

Состав танкерного флота на середину 2002 года представлен на рис. 24.

Классификация танкеров показана в таблице 1.

Основные типы транспортных судов показаны на рис.25. На рис. 26 представлено пассажирское судно с дизель-электрической установкой.

Благодаря рациональному использованию химической энергии топлива, без применения какого-либо промежуточного рабочего тела (например, пара) и вследствие большой разности температур между максимальной температурой при сгорании ( К) и минимальной в конце процесса расширения ( К) эффективный коэффициент полезного действия (hе) современных ДВС значительно выше hе других типов тепловых двигателей.

; ,

где gе – удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт×ч);

Вч – часовой расход топлива;

– низшая теплота сгорания топлива;

Nе – эффективная мощность двигателя.

Таблица 1

Характеристика танкеров и каналов

Tanker Type	Dimensions	Ship size (scanting)
Small tankers		up to 10,000 dwt
Handysize Scantling draught up to	approx. 10m	10,000- 29,999 dwt
Handymax Overall ship length	approx. 180 m	30,,000 dwt
Panamax Ship breadth equal to Overall ship length up to (re port facilities) Overall ship length up to (re canal lock chamber) Passing ship draught up to	max.: 32.2/32.3m (106ft) 228.6m (750 ft) 289.6 m (950 ft) 12.04 m (39.5 ft)	60,000-75,000 dwt
Aframax AFRA – American Freight Rate Assessment Ship breadth	approx. 41-44m	0 dwt
Suezmax Ship draught up to Ship breadth up to Draught x breadth up to Overall ship length up to	max.: 21.3m/(70ft) 70m approx.820 m2 500 m	125,000-170,000 dwt
VLCC –Very large Crude Carrier Overall ship length	above 300 m	250,000-320,000 dwt
ULCC – Ultra Large Crude Carrier		more than 350,000 dwt
Panama Canal	The Lock chambers are 305m long and 33,5 m wide, and the largest depth of the canal is 12.5-13.7 m. The canal is about 86 km long, and passage takes eight hours. At present the canal two lanes, but a possible third lane with an increased lock chamber size is under consideration.
Suez Canal	The canal is about 163 km long and 80-135 m wide, and does not have lock chambers. Most of the canal has only a single traffic lane with several passing bays.