Основы термодинамики (стр. 12 )

стальные теплообменники (рис. 11.8); чугунные теплообменники (рис. 11.15) – более устойчивы про­тив коррозии и относительно дешевы, но по прочности и технологичности чугун уступает стали;

графитовые теплообменники применяются в случаях, когда среда химически агрессивна. Прочность графита

невелика. Химически относи­тельно стойки стеклянные и керамические, свинцовые теплообменники. Для изго­товления теплообменников применяют медь, бронзу, латунь, пластмассы. Иногда применяют двухслойные трубы: например, покрывают металлическую трубу эмалью для защиты от сернистой коррозии хвостовых по­верхностей котлов.

Рис. 11.6. Кожухотрубный паро­водяной двухходовой теплообмен­ник низкого давления.

1 – корпус подогревателя (кожух); 2 – трубки U-образные (теплообмениые по­верхности}; 3 – вход и выход воды; 4 – вход пара; 5 – дренаж (выход кон­денсата отработавшего пэра); 6 – трубная доска (решетка); 7 – входная и выходная водяные камеры; 8 — пере­городка между камерами (герметич­ная); 9 – перегородки в паровом про­странстве (направляюще кипящие); 10 – штуцер для отвода воздуха из водяно­го пространства подогревателя; 11 – то же из парового пространства подо­гревателя; 12 – водомерное стекло; 13 – поплавок конденсатоотводника (регулятора уровня конденсата); 14 – ось вращения; 15 – уплотнение штока.

Рис. 11.7. Типы кожухотрубных теплообменников.

а – одноходовой; б – многоходовой; в – пленочный; г – с линзовым конденса­тором; д – с плавающей головкой закрытого типа; е – с плавающей голоикоз открытого типа; ж – с сальниковым компенсатором; з – с U-образными тру­бами; 1 – кожух; 2 – трубная решетка; 3 – трубы; 4 – входная камера; 5 – выходная камера; 6 – продольная перегородка; 7 – камера; 8 –перегородки в камерах; 9 – линзовый компрессор; 10 – плавающая головка; 11 – сальник; 12 – U-образные трубы.

6. По роду теплообменных поверхностей:

гладкотрубные. Эти теплообменники наиболее рас­пространены. В свою очередь, гладкие трубы могут быть прямыми (рис. 11.5), U-образными (рис. 11.6), спиральными (рис. 11.8), змеевиковой формы (рис. 11.12), (11.13) и других форм (рис. 11.14).

ребристые или ошипованные теплообменники (рис. 11.15, 11.16). Оребрение применяют, когда коэффициент теплоотдачи одного из теплоносителей значительно меньше, чем второго;

Рис. 11.9. Парогенератор Белоярской АЭС.

1 – змеевик насыщенного пара; 2 – корпус парорегенератора; 3 – ввод питательной воды второго контура; 4 – пароотводяшие трубы; 5 –паросепарационные устройства; 6 – погруженный дырчатый лист; ВУ – высший уровень воды; НУ– низ­ший уровень воды.

пластинчатые теплообменники применяют, когда ко­эффициенты теплоотдачи с обеих сторон поверхностей нагрева приблизительно одинаковы. Здесь возможно ис­пользование штампованных металлических листов (рис. 11.17), однако они не могут применяться при вы­соких давлениях и неудобны при чистке;

спиральные теплообменники (рис. 11.18) компакт­ны, но имеют те же недостатки.

Рис. 11.10. Регенеративный воздухоподогреватель.

а – общий вид; б – отдельные пластины различной формы; в – секция с пла­стинами; 1 – вал ротора; 2 – верхний и нижний подшипники; 3 – электродви­гатель: 4 – набивка; 5 – неподвижный наружный кожух; 6, 7 – радиальное и периферийное уплотнения; 8 – утечка воздуха через периферийное уплотнение; 9 – газовые патрубки.

Рис. 11.11. Схема воздухоподогре­вателя с перекрестным движением компонентов.

1, 3, 7 – зернистый теплоноситель; 2 – уплотнительные перепускные течи; 4, 5 – жалюзийные решетки соответственно газо­вой и воздушной камер; 6 – питатель.

Рис. 11.12. Схемы движения теплоносителей в теплообменниках.

Рис. 11.13. Схема движения пара в пароперегревателе современно­го котельного агрегата с естественной циркуляцией (показано по одной панели и по одному змеевику каждого элемента пароперегре­вателя).

1 – барабан; 2 – опускные трубы панели радиационной части пароперегрева­теля; 3 – подъемные радиационные трубы панелей; 4 – проем для горелки; 5 –потолочные трубы панели; 6 – не обогреваемые перепускные трубы; 7 – пароохладитель; 8 – ширмы; 9, 10 – змеевики вертикального и горизонтально­го пакетов конвективной части пароперегревателя; 11 – коллектор перегретого пара; 12 и 13 – входной и выходной коллекторы подвесных труб; 14 – подвесные трубы.

Рис. 11.14. Силовой трехфазный трех обмоточный трансформатор ТДТГ-110 с масляным и форсированным воздушным охлаждением.

1 – тележка; 2 – навесные радиаторы с вентилятором; 3 – бак; 4 – крышка; 5– выводы нейтрали обмотки высшего напряжения; 6 – выводы обмотки выс­шего напряжения; 7 – выводы обмотки среднего напряжения; 8 – выводы об­мотки низшего напряжения; 9 – расширитель; 10 – предохранительная труба; 11– маслоуказатель; 12 – газовое реле.

7. По числу ходов теплоносителя:

одноходовые и многоходовые (рис. 11.7).

8. По компоновке поверхностей нагрева:

труба в трубе (рис. 11.5), кожухотрубные (рис. 11.6), без ограничивающего корпуса ороситель­ные (рис. 11.19).

9. По возможностям монтажной сборки:

несекционные (рис. 11.6) и секционные (рис. 11.5).

10. По периодичности действия:

непрерывного действия и периодического действия.

Теплообменники непрерывного действия в большин­стве случаев более предпочтительны в связи с удобст­вами осуществления основного технологического про­цесса.

Рис. 11.15. Чугунный экономайзер.

а – компоновка в газоходе котла; б – элемент экономай­зера; 1 – сребристые трубы; 2 – регулирующая и за­порная арматуры; 7 – соединительные калачи; 8 – водоохлаждаемая труба-балка.

Рис. 11.16. Ребристые теплообменники.

г – труба с оребрением прямоугольными шайбами; е – труба со спиральным оребрением; а – плавниковое оребрение труб; б – проволочное (биспиралъное) оребрепие труб; в – чугунная труба с двусторонним игольчатым оребрением; д –многоребристая труба; ж – чугунная труба с круглыми ребрами.

Рис. 11.19. Оросительный теплообменник.

1 – желоб для подачи виды; 2 – калач; 3 – трубка; 4 – поддон.

Рис. 11.18. Типы спиральных теплообменников.

а – горизонтальный; б – вертикальный; 1, 2 – листы; 3 – разделительная пе­регородка; 4 – крышки

12. Компрессорные машины

12.1. Компрессорные установки. Основные понятия

Компрессорами называются машины, предназначенные для сжа­тия и перемещения газов.

По назначению компрессо­ры подразделяются на воздушные и газовые (кислородные) машины. Наибольшее распространение полу­чили воздушные компрессоры, или компрессоры общего назначе­ния. Эти машины вырабатывают сжатый воздух давлением до 5,0 МПа, который широко применя­ется в промышленности. Например, в металлургии сжатый воздух ис­пользуется в качестве дутья для доменных и мартеновских печей, ва­гранок, нагревательных и термиче­ских печей, в энергетике – для на­гнетания в топки котлов и камеры сгорания ГТУ и ДВС.

Сжатый воздух как энерго­носитель используется для при­вода различных пневмомеханизмов, молотов, трамбовок, вибраторов, об­рубных молотов, патронов для за­жима деталей в станках, пневмоподъемников и т. д. В настоящее время в России находится в эксплуа­тации свыше 100 млн. единиц таких пневмомеханизмов.

Рис. 12.1. Одноступенчатый поршневой компрессор

Воздух широко используется для транспортировки сыпучих сред, для перемешивания материа­лов, для сепарации пыли и для мно­гих других процессов.

Развитие сети газопроводов при­родного газа и увеличение их про­тяженности способствовали разви­тию газовых компрессоров на высокие давления – до 40 МПа и выше. Для доставки природного га­за в пункт потребления через каж­дые 100 – 150 км газопроводов необ­ходимо устанавливать компрессор­ные станции, перекачивающие до нескольких миллионов кубометров газа в сутки.

Особую группу составляют кис­лородные компрессоры, которые имеют специальную смазку рабочих органов, особую конструкцию уплот­нений для предотвращения утечки кислорода и другие особенности.

12.2. Поршневой компрессор

По принципу действия различают поршневые (объемные) компрессоры и турбокомпрессоры.

В поршневых машинах по­вышение давления происходит вследствие уменьшения объема замкнутого пространства, в котором находится газ, за счет перемещения стенки (например, поршня в ци­линдре). При сжатии газ практиче­ски неподвижен, силы инерции в нем не проявляются (статическое сжа­тие). Характерная особенность этих машин - периодичность рабочего процесса.

В турбокомпрессорах сжатие происходит вследствие использования сил инерции потока газа. Преобразование энергии в та­ких машинах можно условно рас­членить на два этапа: на первом этапе газу сообщается кинетическая энергия (например, вращающимся лопаточным аппаратом), на втором поток газа тормозится и его кинети­ческая энергия преобразуется в по­тенциальную. Оба этапа могут со­вершаться и одновременно. Харак­терная особенность этих машин – непрерывность рабочего процесса.

12.3. Центробежный компрессор

По направлению движения пото­ка различают центробежные и осе­вые турбокомпрессоры. В центро­бежных машинах поток движется радиально (от центра к периферии вращающегося рабочего колеса), а в осевых машинах поток па­раллелен оси вращения рабочего колеса.

По степени повышения давления газа турбокомпрессоры подразделяются на вентиляторы, нагнетатели или газодувки при отсутствии охлаждения и собственно компрес­соры при наличии охлаж­дения. Получение сжатых газов является весьма энергоемким произ­водством. Например, на многих ма­шиностроительных заводах для при­вода компрессоров расходуется око­ло 30% общих затрат энергии, а на предприятиях горнорудной промыш­ленности еще больше.

12.4. Вентиляторы

Центробежные вентиляторы.

Конструкционные особен­ности центробежного вентилятора определяются его аэродинамиче­ской схемой, под которой понимает­ся схематический чертеж его про­точной части с указанием основных размеров в долях наружного диа­метра колеса. Вентиля­торы разных размеров и конструк­ций, выполненные по одной аэроди­намической схеме, относят к одному типу.

Объемная подача самых круп­ных центробежных вентиляторов, используемых для проветривания шахт, достигает в настоящее время 500 м3/с, в станционной теплоэнер­гетике – 250 м3/с. Теоретический напор вентилятора определяется по уравнению Эйлера

Мощность на валу (эффективная мощность) Nе обычно определяется при испытании вентилятора.

Статический КПД дополняет оценку эффективности вентилятора, так как в полной энергии, сообщае­мой потоку газа, существенную до­лю составляет кинетическая энер­гия. Ориентировочно

Мощность привода вентилятора, Вт, выбирается с запасом на воз­можные отклонения от расчетного режима.

Характеристики вентиля­торов, как и центробежных компрес­соров, получают непосредственным их испытанием при постоянной час­тоте вращения и строят для воздуха при так называемых стандартных условиях, когда Рн=0,1 МПа, Тн =293 К, относительная влажность воздуха фн=50%. При пересчете характеристик со стандартных условий на реальные необходимо учитывать, что давление и мощность на валу изменяются пропорционально плотности газа, подаваемого вентилятором, а ос­тальные параметры вентилятора остаются неизменными.

Классификация вентиляторов. По ГОСТ 1016-73 вентиляторы под­разделяют на вентиляторы общего назначения, тягодутьевые установки станционной теплоэнергетики (вен­тиляторы дутьевые ВД, дымососы Д, вентиляторы горячего дутья ВГД и мельничные ВМ) и вентиляторы специальные (шахтные ВШ, пневмо­транспорта и др.).

В соответствии с ГОСТ 5976-73 вентиляторы обозначаются буквой Ц (центробежный), далее пишется округленное число, обозначающее пятикратное значение коэффициента полного давления на режиме макси­мального КПД, и через черточку - быстроходность, тоже округленная до целого числа. Обозначение вен­тилятора включает в себя и его но­мер — диаметр колеса в дециметрах. Например, центробежный венти­лятор с диаметром рабочего колеса 1000 мм, имеющий на максималь­ном КПД = 0,86 и nS = 70, обозна­чается Ц4-70-10.

13. Принцип работы тепловых машин

13.1. Цикл паротурбинных установок

Современная стационарная теп­лоэнергетика базируется в основном на паровых теплосиловых установ­ках. Продукты сгорания топлива в этих установках являются лишь промежуточным теплоносителем, а рабо­чим телом служит чаще всего водя­ной пар.

Теплота от горячего источника подводится при постоянной температуре T1 по ли­нии 41, в результате чего вода с па­раметрами точки 4 превращается в сухой насыщенный пар с параме­трами точки 1. Пар адиабатно рас­ширяется в турбине до температу­ры Т2, совершая техническую рабо­ту lтех и превращаясь во влажный пар с параметрами точки 2. Этот пар поступает в конденсатор, где отдает тепло холодному источнику (циркулирующей по трубкам охлаж­дающей воде), в результате чего его степень сухости уменьшается от х2 до хз. Изотермы в области влажно­го пара являются одновременно и изобарами, поэтому процессы 41 и 23 протекают при постоянных дав­лениях р1 и р2. Влажный пар с па­раметрами точки 3 сжимается в компрессоре по линии 34, превра­щаясь в воду с температурой ки­пения.

На практике этот цикл не осу­ществляется, и главная причина это­го заключается в том, что действи­тельная работа, затрачиваемая на привод компрессора (вследствие по­терь, связанных с необратимостью протекающих в нем процессов), сравнима с полезной работой тур­бины.

Рис. 13.1. Схема паросиловой установки.

ПК – паровой котел; Т – паровая турбина;

ЭГ – электрогенератор; К — конденсатор;

Н – насос.

Поскольку вода несжимаема, точки 5 и 6 почти совпадают, и затрачи­ваемая на привод насоса мощ­ность оказывается ничтожной по сравнению с мощностью турбины (несколько процентов), так что практически вся мощность турбины используется в качестве полезной. Такой цикл был предложен в 50-х годах прошлого века шотландским инженером и физиком У. Дж. Ренкиным. Схема теплосиловой уста­новки, в которой осуществляется этот цикл, представлена на рис. 13.2. Теплота в этом цикле подводится по линии 641 в паровом котле. Терми­ческий КПД цикла Ренкина, естест­венно, меньше, чем ηt цикла Карно при тех же температурах Т1 и Т2, поскольку средняя температура под­вода теплоты уменьшается при не­изменной температуре отвода. Одна­ко реальный цикл (с учетом необра­тимости расширения пара в турби­не) оказывается экономичнее.

Рис. 13.2. Идеальная регенерация тепла в цикле насыщенного пара.

Регенеративный цикл насыщенного пара нашел в последнее время широкое применение в атомной энергетике, где перегрев пара выше температуры насыщения связан с определенными трудностями, хотя и применяется на некоторых атомных станциях, например Белоярской.

13.2. Цикл газотурбинных установок

Принципиальная схема ГТУ представлена на рисунке 13.3. Воздушный компрессор К сжимает атмосферный воздух, повышая его давление от р1 до р2, и непрерывно подает его в камеру сгорания С. Туда же специальным насосом Н непрерывно подается необходимое количество жидкого топлива. Образующиеся в камере продукты сгорания выходят из нее с температурой Т3 и практически с тем же давлением, что и на выходе компрессора. Следовательно, горение топлива происходит при постоянном давлении. В газовой турбине Т продукты сгорания адиабатно расширяются, в результате чего их температура снижается до Т4, а давление уменьшается до атмосферного.

Заменив сгорание топлива изобарным подводом теплоты, а охлаждение выброшенных в атмосферу продуктов сгорания – изобарным отводом теплоты, получим цикл газотурбинной установки.

Одной из основных характеристик цикла ГТУ является степень повышения давления в компрессоре.

Рис. 13.3. Схема газотурбинной установки.

Рабочий процесс ГТУ. Большин­ство современных ГТУ выполняется по открытой схеме со сгоранием при р = const.

В состав ГТУ обычно входят ка­мера сгорания, газовая турбина, воздушный компрессор, теплообменные аппараты различного назначе­ния (воздухоохладители, маслоох­ладители системы смазки, регенера­тивные теплообменники) и вспомо­гательные устройства (маслонасосы, элементы водоснабжения и др.).

Рабочим телом ГТУ служат про­дукты сгорания топлива, в качестве которого используются природный газ, хорошо очищенные искусствен­ные газы (доменный, коксовый, ге­нераторный) и специальное газо­турбинное жидкое топливо (прошед­шее обработку дизельное моторное и соляровое масло).

Рис. 13.4. Схема камеры сгорания ГТУ.

1 – воздухонаправляющее устройство; 2 – запальное устройство; 3 – форсунка; 4 – пламенная (жаровая) труба; 5 – корпус; 6 – смеситель

Принцип работы газовой и паро­вой турбин одинаков, но конструк­ция проточной части газовых турбин значительно проще. Они работают на относительно небольшом распо­лагаемом теплоперепаде и поэтому имеют небольшое число ступеней.

В связи с высокой температурой продуктов сгорания (750 – 1150°С) детали проточной части турбин (сопла, рабочие лопатки, диски, ва­лы) изготавливают из легированных высококачественных сталей. Для надежной работы у большинства турбин предусмотрено интенсивное воздушное охлаждение наиболее нагруженных деталей корпуса и ро­тора.

13.3. Парогазовый цикл

Из рассмотрения цикла ГТУ видно, что вся теплота горячего источника q1 не превра­щенная в работу lц, отдается холод­ному источнику q2, т. е. выбрасыва­ется вместе с продуктами сгорания

Рис. 13.5. Схема простейшей парогазовой установки.

ГТ – газовая турбина; ЭГ – электрогенератор; ПК – паровой котел; ПП – пароперегреватель; ПН – питательный насос; К – конденсатор; ПТ – паровая турбина; ПК – воздушный компрессор; КС – камера сгорания; ТН – топливный насос; П – подогреватель.

Рассмотрим один из вариантов использования этой теп­лоты в так называемых парогазо­вых циклах.

Комбинированные установки, в которых одновременно использу­ются два рабочих тела: газ и пар, называются парогазовыми. Про­стейшая схема парогазовой уста­новки показана на рис. 13.5, а цикл ее – на рис. 13.6. Горячие газы, уходящие из газовой турбины после совершения в ней работы, охлаж­даются в подогревателе П, нагре­вая питательную воду, поступаю­щую в паровой котел. В результате уменьшается расход теплоты (топ­лива) на получение пара в котле, что приводит к повышению эффек­тивности комбинированного цикла по сравнению с этими же циклами, осуществляемыми раздельно.

Мощности и параметры газотур­бинной и паротурбинной установок выбираются таким образом, чтобы количество теплоты, отданной в по­догревателе П газами, равнялось количеству теплоты, воспринятой питательной водой. Это определяет соотношение между расходами газа и воды через подогреватель П.

Цикл комбинированной установки строится для 1 кг водя­ного пара и соответствующего количества газа, приходящегося на 1 кг воды.

Рис. 13.6. Цикл парогазовой установки.

В цикле газотурбинной установ­ки подводится теплота, равная пло­щади 1бд5, и получается полезная работа lц. г, равная площади 12345. В цикле паротурбинной установки при его раздельном осуществлении количество подведенной теплоты, равно площади 6ев8910, а полезная работа lц. п – площади 678910. Теп­лота отработавших в турбине газов, равная площади 2бд4, при раздель­ном осуществлении обоих циклов выбрасывается в атмосферу. В па­рогазовом цикле теплота, выделяю­щаяся при охлаждении газов по ли­нии 23 и равная площади 2баЗ, не выбрасывается в атмосферу, а ис­пользуется на подогрев питательной воды по линии 89 в подогревате­ле П. Количество теплоты, затрачи­ваемой на образование пара в кот­ле, уменьшается на величину, изо­браженную заштрихованной пло­щадкой 9гв8, а эффективность комбинированного цикла увеличи­вается, поскольку суммарная полез­ная работа обоих циклов lц. г+lц. п одинакова при совместном и раз­дельном их осуществлении.