Принцип действия и схемы газотурбинных установок

По определению Д. И. Менделеева «топливом называется горючее вещество, умышленно сжигаемое для получения тепла». Топливо представляет из себя смесь (механическую) горючего и окислителя (как правило кислород). В широком смысле понятие топлива более общее, нежели горючее или горючее ископаемое. Например, строго говоря, древесину нельзя назвать топливом, древесина - горючее, так как для её горения нужен окислитель (кислород). В широком смысле - один из видов потенциальной энергии, энергоноситель.

По своему состоянию топлива делятся на твердые, жидкие и газообразные, а по способу получения- на естественные и искусственные.

Топливом называется горючее вещество, используемое в качестве
источника получения теплоты в энергетических, промышленных и отопительных установках. Целесообразность применения тех или иных горючих веществ в качестве топлива должна обосновываться технико-экономическими факторами, которые учитывают имеющиеся запасы, стоимость добычи и
транспортировки к потребителю, тепловую ценность топлива, (т. е.
тепловыделение на единицу массы или объема), реакционную способность (активность соединения с окислителем), отсутствие вредных газов в продуктах сгорания, содержание негорючих примесей (золы, воды), доступность для широкого использования и т, д.Основным источником получения электрической, механической и
тепловой энергии является органическое топливо. В настоящее время
около 70 % энергии, вырабатываемой и потребляемой на земном шаре, получают за счет химической энергии органического топлива и
только 30 % — путем использования энергии воды, ветра и солнца,
а также ядерной энергии.

Наряду с широким использованием органического топлива быстрыми темпами возрастают масштабы промышленного освоения нового источника энергии — ядерного горючего.

В промышленности строительных материалов используют природный газ, мазут и различные виды каменных углей.

Билет 7. 1.

Линия АЕ характеризует процесс сжатия воды с температурой ниже температуры кипения.

V_{0 –} удельный объем жидкости до кипения.

По мере подвода тепла к поверхности контакта с жидкостью при температуре кипения образуются паровые пузырьки с тонкой и толстой ножками. Размер ножки парового пузырька зависит от чистоты поверхности контакта.

По мере образования паровых пузырьков, которые перемещаются к поверхности жидкости, объем кипящей жидкости возрастает и становится равным V^/ (основные и тепловые параметры с 1 штрихом).

Точка A^/ характеризует состояние кипящей жидкости при заданном давлении.

При дальнейшем подводе тепла к кипящей жидкости всё большее количество паровых пузырьков будет покидать поверхность жидкости и над поверхностью жидкости образуется влажный пар – смесь пара и мелкодисперсной капельной жидкости.

При дальнейшем подводе тепла к кипящей жидкости всё большее количество мелкодисперсных капель превращается в пар.

Точка В^// характеризует состояние сухого насыщенного пара когда вся капельная жидкость превращается в пар. Все тепловые параметры в состоянии сухого насыщенного пара обозначаются с 2 штрихами.

Степень сухости Х водяного пара:

Х = масса сухого пара во влажном / масса влажного пара

Х=0 – состояние кипящей жидкости

Х=1 – состояние сухого насыщенного пара

АК – Х = 0

КВ – Х = 0

А^/ – В^// --- характеризует процесс парообразования при постоянной температуре и давлении

При дальнейшем подводе тепла к сухому насыщенному пару при р=const приводят к состоянию перегретого пара.

Точка D – характеризует состояние перегретого пара.

Перегретый пар определяется основными и тепловыми параметрами без штрихов.

Точка А – характеризует тройное состояние воды

Точка В – характеризует состояние близкое к состоянию сухого насыщенного пара.

q' – количество тепла, необходимое для превращения 1 кг жидкости в кипящую жидкость при 0⁰С.

r – скрытая теплота парообразования, характеризующая количество тепла, необходимое для превращения 1 кг кипящей жидкости в сухой насыщенный пар.

q_sur – теплота перегрева, характеризующая количество тепла необходимое для превращения 1 кг сухого пара в перегретый.

Из рисунка видно,что площадь под процес­сом парообразования be (T=const, p=const) при повыше­нии давления делается меньше. В пределе при Т=Т_К (и р=р_к) г=0.

Нижняя пограничная кри­вая в sT— диаграмме слева начинается от температуры тройной точки (Т₀=273,16 К), принятой за начало отсчета энтропии. В расположенной изобары проходят близко к пограничной кривой и друг к другу.

Чем выше давление, тем выше располагается изобара, поэтому при невысоких давлениях в качестве изображения теплоты жидкости q' вместо площади под изобарой можно рассматривать площадь под нижней пограничной кривой. С приближением давления к р_к разли­чие между этими площадями увеличивается.Справа от области влажного пара, т.е. начиная от верхней погра­ничной кривой, изобары представляют собой восходящие кривые, обращенные выпуклостью вниз. По мере удаления от пограничной кривой их вид все больше напоминает свойственный изобарам иде­ального газа.

Линии постоянной сухости (x=const) в sT- и vp — диаграммах строят с использованием отношения: Х = be/bc = s_x – s^//s^// - s^/ = v_x – v^//v^// - v^/

2. Принципиальная схема паросиловой установки

Преобразование энергии органического или ядерного топлива в механическую при помощи водяного пара осуществляется в паровых силовых установках (п. с. у.), которые являются базой современной крупной энергетики. Принципиальная схема простейшей паросиловой установки показана на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Принципиальная тепловая схема паросиловой установки

В паровом котле 1 вода превращается в перегретый пар с параметрами p1, t1, i1, который по паропроводу поступает в турбину 2, где происходит его адиабатное расширение до давления p2 с совершением технической работы, приводящей во вращательное движение ротор электрического генератора 3. Затем пар поступает в конденсатор 4, который представляет собой трубчатый теплообменник. Внутренняя поверхность трубок конденсатора охлаждается циркулирующей водой.

В конденсаторе при помощи охлаждающей воды от пара отнимается теплота парообразования и пар переходит при постоянных давлении р2 и температуре t2 в жидкость, которая с помощью насоса 5 подаётся в паровой котёл 1. В дальнейшем цикл повторяется.

На рис. 8.2 приведена схема паровой турбины. Турбинные установки предназначены для преобразования энергии рабочего тела (пара, газа), имеющего высокое давление и температуру, в механическую энергию вращения ротора турбины. Турбины используют в качестве двигателей электрогенераторов, турбокомпрессоров, воздуходувок, насосов.

Рис. 8.2. Схема одноступенчатой турбины активного типа

Водяной пар с высоким давлением и температурой поступает в сопло 1, при истечении из которого его давление снижается, а кинетическая энергия увеличивается. Струя пара направляется на закреплённые на диске 3 ротора турбины лопатки 2, отдавая им часть своей кинетической энергии, которая через лопатки передаётся вращающемуся ротору.

Обычно турбина имеет несколько сопел, составляющих сопловый аппарат. Рабочие лопатки расположены по всей окружности диска и образуют рабочую решётку. Сопловый аппарат и рабочая решётка составляют ступень турбины, а каналы для прохода газа - проточную часть турбины.

Турбины бывают одноступенчатые и многоступенчатые, активного и реактивного типов.

В активных турбинах процесс расширения пара происходит только в соплах, а в реактивных - в соплах и в каналах рабочих лопаток.

Принцип действия и схемы газотурбинных установок

Существенным недостатком д. в. с. является возвратно-поступательное движение поршня и наличие больших инерционных усилий, что не позволяет создавать поршневые двигатели больших мощностей с малыми размерами и весом. В газотурбинной установке (рис. 7.5), как и в д. в. с., рабочим телом являются продукты сгорания жидкого или газообразного топлива, но возвратно-поступательный принцип заменен вращательным движением рабочего колеса турбины под действием струи газа. Кроме этого, в турбинах осуществимо полное адиабатное расширение продуктов сгорания до давления наружного воздуха, с чем связан дополнительный выигрыш работы.

Рис. 7.5. Схема газотурбинной установки

Как видно из схемы, воздух окружающей среды засасывается нагнетателем 2 через подогреватель воздуха 8. В нагнетателе воздух сжимается адиабатно до требуемого давления и подаётся в камеру сгорания 5.

В неё же топливным насосом 6 из топливного бака 7 подаётся топливо. В камере сгорания в результате воспламенения топлива образуются продукты сгорания, температура которых регулируется количеством подаваемого воздуха. Воздух подаётся с большим избытком, чтобы обеспечить приемлемую температуру горения топлива. Продукты сгорания поступают в сопла газовой турбины 1, где их потенциальная энергия в процессе адиабатного расширения преобразуется в кинетическую. Истекающие из сопел струи попадают на лопатки турбины и их кинетическая энергия расходуется на вращение вала установки и передаётся электрическому генератору 3 и нагнетателю 2. Отходящие из турбины газы направляются в подогреватель воздуха 8, где отдают своё тепло воздуху, засасываемому нагнетателем 2.

Для пуска установки используют пусковой электродвигатель 4.

С целью обеспечения работы компрессора и турбины на внешнюю нагрузку в наивыгоднейших режимах с высоким к. п. д. применяют двухвальные схемы турбоустановок. В одних схемах компрессор приводится в движение турбиной высокого давления, находящейся с ним на одном валу, а в других – турбиной низкого давления. Тогда главная турбина, работающая на другом валу на внешнюю нагрузку, в первом случае будет состоять из ступеней низкого давления, а во втором – из ступеней высокого давления. Выбор частоты вращения ротора главной турбины определяется нагрузкой, частота же вращения компрессорного агрегата может изменяться в широких пределах, обеспечивая изменение расхода воздуха в соответствии с потребностью.

Билет 8. 1. В ряде технических установок применяется смесь воздуха с водяным паром. Эту смесь называют влажным воздухом. Если пар, входящий в состав смеси, находится в перегретом состоянии (т, е. когда его температура выше конденсации при данном парциальном давлении пара), то такая смесь называется ненасыщенным влажным воздухом. Смесь, состоящую из воздуха и насыщенного водяного пара, называют насыщенным влажным воздухом. Смесь влажного пара с воздухом, т. е. когда имеются частицы сконденсированного пара, находящиеся во взвешенном состоянии и выпадающие в виде росы, называют пересыщенным влажным воздухом. воздуха будет равна -ре конденсации находящегося в нем пара.Эту называют температурой т.росы.

Парциальное давление пара будет равным давлению насыщения, соответствующему

Если. парциальное давление окажется,точасть пара сконденсируется и выпадет в виде капель влаги (росы). Если же парциальное давление пара в воздухе р_П р_Н, то пар находится в перегретом состоянии.

Количество водяного пара в смеси в граммах, приходящееся на 1 кг сухого воздуха называется влагосодержанием (d г/кг).

Масса водяного пара, отнесенная к 1 м³ влажного воздуха, называется абс. влажностью.

Отношение абсолютной влажности к максимально возможной абсолютной влажности р_Н при той же температуре воздуха называется относительной влажностью.

j = =,где r_н – плотность сухого насыщенного пара, р_п – парциальное давление пара

Если пар в воздухе влажный насыщенный, то j = 1, если пар в воздухе перегрет, тоj < 1.

Параметры влажного воздуха. Основными показателями, характеризующими состояние влажного воздуха, являются: влагосодержание d, относительная влажность j, энтальпия i (относимая обычно к 1 кг сухого воздуха) и плотность р.

Пусть имеется V м³ влажного воздуха с общим барометрическим давлением В и Т.

Парциальное давление пара обозначим через р_П, а парциальное давление сухого воздуха — через. Тогда р_П + р_В = В.

Запишем уравнение Клапейрона отдельно для пара и сухого воздуха:

р_П V_П = и р_В V_В = где V_П = V_В= V(2). Разделив (1) на (2) и учитывая, что отношение массы пара к массе сухого воздуха равно d, получим:

= d, р_В = В – р_П, получим:. d = 0,622, кг/кг

где В— давление влажного воздуха; р_П — парциальное давление пара.

Плотность влажного воздуха представляет собой сумму плотностей пара исухого воздуха

где - плотность водяного пара при температуре, равной температуре влажного воздуха Т и давлении р_П; – плотность сухого воздуха при давлении р_В и температуре Т.

Т.к. d =, получим: (1 + d)

Энтальпия влажного воздуха определяется как сумма энтальпии 1 кг сухого воздуха и энтальпии d кг водяного пара, т. е. I =, кдж/кг сухого воздуха,

где - энтальпия 1 кг водяного пара при давлении и температуре смеси;

- энтальпия 1 кг сухого воздуха при температуре смеси Т.

В приближенных термодинамических расчетах можно энтальпию влажного воздуха подсчитывать по ф.: Н = t + (2500 + 1,96 t)d (кДж/кг).

Газовая постоянная и плотность влажного воздуха могут быть вычислены по ф.:

R = 8314/(8,96 – 10,94р_Н /р),= (28,96 р – 10,94 р_п)/8314 ∙ Т. Газовая постоянная влажного воздуха всегда газовой постоянной сухого воздуха и плотность влаж. воздуха всегда плотности сухого воздуха.

2. Поршневой двигатель — двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяющихся газов, образовавшаяся в результате сгорания топлива в замкнутом объёме, преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня за счёт расширения рабочего тела (газообразных продуктов сгорания топлива) в цилиндре, в который вставлен поршень.Поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленчатого вала кривошипно-шатунным механизмом.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания сегодня является самым распространённым тепловым двигателем. Он используется для привода средств наземного, воздушного и водного транспорта, боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров, водяных насосов, помп, моторизованного инструмента (бензорезок (бензо-болгарок), газонокосилок, бензопил) и прочих машин, как мобильных, так и стационарных, и производится в мире ежегодно в количестве нескольких десятков миллионов изделий.

Мощность поршневых двигателей внутреннего сгорания колеблется в пределах от нескольких ватт (двигатели авиа-, мото- и судомоделей) до 75 000 кВт(судовые двигатели).

В качестве топлива в поршневых двигателях внутреннего сгорания используются:жидкости бензин, дизельное топливо, спирты, биодизель;газы — сжиженный газ, природный газ, водород, газообразные продукты крекинга нефти, биогаз;монооксид углерода, вырабатываемый в газогенераторе, входящем в состав топливной системы двигателя, из твёрдого топлива (угля, торфа, древесины).

Полный цикл работы двигателя складывается из последовательности тактов — однонаправленных поступательных ходов поршня. Различают двухтактные ичетырёхтактные двигатели.
Число цилиндров в разных поршневых двигателях колеблется от 1-го до 24-х. Объём цилиндра — это произведение площади поперечного сечения цилиндра на ход поршня. Суммарный объём всех цилиндров обычно называют объёмом двигателя. По способу смесеобразования делятся:

Двигатели с внешним смесеобразованием. Воспламенение воздушно-топливной смеси может выполняться электроискровым разрядом, вырабатываемымсистемой зажигания (например, автомобильный Бензиновый двигатель внутреннего сгорания). Двигатели с внешним смесеобразованием могут работать на газообразном топливе (природный газ, био и другие условно-бесплатные газы);

Двигатели с внутренним смесеобразованием (воспламенение от сжатия рабочего тела). Эти двигатели, в свою очередь, подразделяются на:

Дизельные, работающие на дизельном топливе или природном газе (с добавлением 5 % дизельного топлива для обеспечения воспламенения топливной смеси). В этих двигателях сжатию подвергается только воздух, а при достижении поршнем точки максимального сжатия в камеру сгорания впрыскиваеся топливо, которое воспламеняется при контакте с воздухом, нагретым при сжатии до температуры в несколько сотен градусов Цельсия.

Компрессионные двигатели. В них, в отличие от дизельных, топливо подается вместе с воздухом (как в бензиновых двигателях). Такие двигатели требуют особого состава топлива (обычно в его основе — диэтиловый эфир) и точной регулировки степени сжатия, так как от нее зависит момент воспламенения смеси. Компрессионные двигатели используются главным образом в авиа- и автомоделях;

Калильные двигатели. Схожи по принципу действия с компрессионными, но имеют калильную свечу, накал которой поддерживается за счёт сгорания топлива на предыдущем такте.Такие двигатели также требуют особого состава топлива (обычно в его основе — метанол, касторовое масло и нитрометан). Используются главным образом в авиа- и автомоделях;

Воспламенение от горячих частей двигателя (калоризаторные), обычно — днища поршня. Приводные двигатели прокатных станов (топливо-мартеновский газ).

Двигатели с внутренним смесеобразованием имеют (как в теории, так и на практике) более высокий КПД и вращающий момент за счёт более высокой степени сжатия.

В рамках технической термодинамики работа поршневых двигателей внутреннего сгорания в зависимости от особенностей их циклограмм описывается термодинамическими циклами Отто, Дизеля, Тринклера, Аткинсона или Миллера.

Эффективный КПД поршневого ДВС не превышает 60%. Остальная тепловая энергия распределяется, в основном, между теплом выхлопных газов и нагревом конструкции двигателя. Поскольку последняя доля весьма существенна, поршневые ДВС нуждаются в системе интенсивного охлаждения. Различают системы охлаждения:воздушные, отдающие избыточное тепло окружающему воздуху через ребристую внешнюю поверхность цилиндров; используются в двигателях сравнительно небольшой мощности (десятки л.с.), или в более мощных авиационных двигателях, работающих в быстром потоке воздуха; жидкостные, в которых охлаждающая жидкость (вода, масло или антифриз) прокачивается через рубашку охлаждения (каналы, созданные в стенках блока цилиндров), и затем поступает в радиатор охлаждения, в котором теплоноситель охлаждается потоком воздуха, созданным вентилятором. Иногда в жидкостных системах в качестве теплоносителя используется металлический натрий, расплавляемый теплом двигателя при его прогреве.

Билет 9. 1. Влажным воздухом называется смесь сухого воздуха с водяным паром.

Содержание пара во влажном воздухе характеризуется такими параметрами, как абсолютная и относительная влажность, влагосодержание.

· Под абсолютной влажностью ρ_ппонимается масса водяного пара, содержащаяся в 1 м³ влажного воздуха.Абсолютной влажностью также является парциальное давление пара р_п. Численно эти две величины, если они измеряются в г/м³ или мм.рт.ст. почти равны, а при температуре 16,5 ° С равны между собой.

· Относительной влажность φ называется отношение парциального давления пара, содержащегося во влажном воздухе, к давлению насыщения пара при данной температуре, т.е. φ= р_п / р_s, где р_s- давление насыщенного пара, Па. Для сухого воздуха φ=0%, для насыщенного-100%. В диапазоне 0< φ<100% находится влажный ненасыщенный воздух. Относительная влажность воздуха замеряется с помощью гигрометра и психрометра.

· Влагосодержание х равно отношению массы пара к массе газа. Отношение масс можно заменить отношением плотномтей газа и пара: х=m_п/m_г= ρ_п/ ρ_г

2. Компрессор ( от лат. compressio — сжатие) — устройство для сжатия и подачи газов под давлением (воздуха, паров хладагента и т. д.).

Компрессоры называются дожимающими, если давление всасываемого газа существенно превышает атмосферное. Производительность компрессоров обычно выражают в единицах объёма газа, приведённого к нормальным условиям. При этом различают производительность по входу и по выходу. Эти величины практически равны при маленькой разнице давлений между входом и выходом. При большой разнице у, скажем, поршневых компрессоров, выходная производительность может при тех же оборотах падать более чем в два раза по сравнению с входной производительностью, измеренной при нулевом перепаде давления между входом и выходом.

Классификация

Общепринятая классификация механических компрессоров по принципу действия. Под принципом действия понимают основную особенность процесса повышения давления, зависящую от конструкции компрессора. Объёмные компрессоры Это машины, в которых процесс сжатия происходит в рабочих камерах, изменяющих свой объём периодически, попеременно сообщающихся с входом и выходом компрессора. Объёмные машины по геометрической форме рабочих органов и способу изменения объёма рабочих камер можно разделить на поршневые, мембранные и роторные (винтовые, ротационно-пластинчатые, жидкостно-кольцевые, с катящимся ротором, газодувки Рутс (насос Рутса), спиральные) компрессоры.

Поршневые компрессоры Могут быть одностороннего или двухстороннего действия, крейцкопфные и бескрейцкопфные, смазываемые и без применения смазки (сухого трения или сухого сжатия), (при высоких давлениях сжатия применяются также плунжерные).

Роторные компрессоры К объёмным машинам с вращающим сжимающим элементом (роторным машинам) относятся: винтовые компрессоры, ротационно-пластинчатые, жидкостно-кольцевые и другие конструкции компрессорных машин.

Лопастные компрессоры Машины динамического действия, в которых сжатие газа происходит в результате взаимодействия потока с вращающейся и неподвижной решётками лопастей. Характерной особенностью лопастных машин является отсутствие пульсации развиваемого ими давления. К лопастным относятся осерадиальные, осевые и вихревые машины, лопастные компрессоры также называюттурбокомпрессорами.

Поршнево́й компре́ссор — тип компрессора, энергетическая машина для сжатия и подачи воздуха или жидкостей (масла, хладагента и др.) под давлением. Компрессоры данного типа широко применяются в машиностроении, текстильном производстве, в химической, холодильной промышленности и криогенной технике. Многообразны по конструктивному выполнению, схемам и компоновкам.

По числу ступеней сжатия компрессоры различаются одно-, двух- и многоступенчатые. Многоступенчатое сжатие вызывается необходимостью ограничить температуру сжимаемого газа. В воздушных компрессорах возникает опасность воспламенения и взрыва масляного нагара, накапливающегося в трубопроводах, на крышках компрессоров и поверхностях клапанов, поэтому температура нагнетаемого воздуха не должна превышать 453К

Билет 10. 1.

В hd – диаграмме (рис.) по оси абсцисс откладывается влагосодержание d, г/кг сухого воздуха, а по оси ординат - удельная энтальпия влажного воздуха h, кДж/кг сухого воздуха. Для более удобного расположения отдельных линий, наносимых на hd - диаграмму, она строится в косоугольных координатах, в которых ось абсцисс проводится под углом 135° к к оси ординат.

При таком расположении осей координат линии h=const, которые должны быть параллельны оси абсцисс, идут наклонно. Для удобства расчетов значения d сносят на горизонтальную ось координат.

Линии d=const идут в виде прямых параллельных оси ординат, т.е. вертикально. Кроме того, на hd.-диаграмме наносят изотермы t_С=const, t_M=const (штриховые линии на диаграмме) в линии постоянных значений относительной влажности. Линии постоянных значений относительной влажности φ =const строят только до изотермы 100°, т. е. до тех пор, пока парциальное давление пара в воздухе Р_П меньше атмосферного давления Р. В тот момент, когда Р_П станет равным Р, эти линии теряют физический смысл, что видно из уравнения (10), в котором при Р_П=Р влагосодержание d=const.

Кривая постоянной относительной влажности φ =100% делит всю диаграмму на две части. Та ее часть, которая расположена выше этой линии –область ненасыщенного влажного воздуха, в котором пар находятся в перегретом состоянии. Часть диаграммы ниже линии φ =100% - область насыщенного влажного воздуха.

Так как при φ =100% показания сухого и мокрого термометров одинаковы, t^C=t_M, то изотермы t_C=t_M=const пересекаются на линии φ =100%..

Чтобы найти на диаграмме точку, соответствующую состоянию данного влажного воздуха, достаточно знать два его параметра из числа изображенных на диаграмме. При проведении эксперимента целесообразно использовать те параметры, которые проще и точнее измеряются в опыте. В нашем случае такими параметрами являются температура сухого и мокрого термометров.

Зная эти температуры, можно найти на диаграмме точку пересечения соответствующих изотерм. Найденная таким образом точка определит состояние влажного воздуха и по hd - диаграмме можно определить все остальные параметры воздуха: влагосодержание - d; относительную влажность - φ, энтальпию воздуха - h; парциальное давление пара – Р_П, температуру точки росы – t_М.

2. Процесс дросселирования протекает без теплообмена с окружающей средой, т. е. адиабатно. В узком отверстии дросселя (например, диафрагмы) скорость пара при постепенном сужении потока достигает максимальной величины. При выходе из узкого сечения скорость его вновь уменьшается и достигает почти первоначального значения. Давление пара, определяемое величиной потенциальной энергии, при прохождении через дроссель падает от pi до Р2 благодаря увеличению кинетической энергии. Давление пара за дросселем вследствие последующего уменьшения кинетической энергии будет возрастать, но пар частично затратит свою энергию на преодоление трения и завихрений потока, а выделившаяся при этом теплота компенсирует падение энтальпии пара в узком сечении дросселя; энтальпия пара до и после дросселя не изменится.

Приведенные рассуждения подтверждаются преобразованием уравнения энергетического баланса.

Конечное состояние пара при дросселировании зависит от его начальных параметров и отношения площади отверстия дросселя к площади сечения трубопровода. Чем меньше отношение этих площадей, тем больше перепад давлений. Пары ведут себя при дросселировании но-разному: влажный пар давлением 4,0— 5,0 МПа при дросселировании может быть превращен в сухой насыщенный или даже перегретый. При дросселировании перегретого пара может произойти снижение его перегрева или переход в насыщенное и вновь перегретое состояние. Все эти превращения легко установить, пользуясь графическим методом расчета с помощью is-диаграммы.

Дросселированием пользуются при регулировании мощности в паровых двигателях, для снижения давления пара в паропроводах в случае использования его движущей силы.

На процессе дросселирования основан принцип работы диафрагм как приборов для измерения расхода газа или пара, проходящих через трубопровод.

Билет 11. 1. Существуют три основных вида теплообмена: теплопроводность, конвекция и тепловое излучение.

Теплопроводность — это молекулярный перенос теплоты между непосредственно соприкасающимися телами или частицами одного тела с различной температурой, при котором происходит обмен энергией движения структурных частиц (молекул, атомов, свободных электронов).

Конвекция осуществляется путем перемещения в пространстве не­равномерно нагретых объемов среды. При этом перенос теплоты не­разрывно связан с переносом самой среды.

Тепловое излучение характеризуется переносом энергии от одного тела к другому электромагнитными волнами.

Часто все способы переноса теплоты осуществляются совместно. Например, конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, так как при этом неизбежно соприкосновение частиц, имеющих различные температуры.

Совместный процесс переноса теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Частным случаем конвективного теплообмена является теплоотдача — конвективный теплообмен между твердой стенкой и движущейся средой. Теплоотдача может сопровождаться тепловым излучением. В этом случае перенос теплоты осуществляется одновременно теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Многие процессы переноса теплоты сопровождаются переносом вещества — массообменном, который проявляется в установлении равновесной концентрации вещества.

Совместное протекание процессов теплообмена и массообменна называется тепломассообменном.

Теплопроводность определяется тепловым движением микрочастиц тела. В чистом виде явление теплопроводности наблюдается в твердых телах, неподвижных газах и жидкостях при условии невозможности возникновения в них конвективных токов.

2.

В том случае, когда β< β кр, полное использование располагаемого перепада давлений и, соответственно, располагаемой работы дости­гается применением сопла Лаваля, в котором происходит полное расширение газа с понижением его давления до давления среды. В узком сечении сопла параметры газового потока равны критическим,

скорость газа равна местной скорости звука (w_Kp=c_Kp). На срезе сопла р₂=ро, скорость газа больше скорости звука (w₂>C2).

Характер изменения параметров газового потока по длине сопла Лаваля показан на рис.

Скорость газа в узком сечении определя­ется по уравнению

а на выходе из сопла по уравнению

В КОТОРОМ Р2=Ро

Максимальная скорость на выходе из сопла Лаваля достигается при истечении газа в абсолютный вакуум, когда р₀/р_i^* =0:

Отношение максимальной скорости на выходе из сопла Лаваля к ритической скорости определяется по выражению

Для двухатомного газа при к=1,4

Параметры газа на выходе из сопла Лаваля определяются по равнениям соотношения параметров в адиабатном процессе:

или по уравнению состояния

Массовый расход газа G через сопло Лаваля определяется по равнениям (3.20) или (3.20а) по параметрам либо в критическом (узком) сечении, либо в выходном сечении сопла. При определнии G

о параметрам узкого сечения принимаются А=Акр, р= р_кр – р₁* β_кр,

по параметрам выходного сечения А=А₂, р=р₂=р_о -Характер зависимости массового расхода газа через сопло Лаваля

г отношения давлений β = р₀ / р₁* такой же, как и через суживающееся сопло.

Билет 12. 1. Теплопередача — физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре, то происходит передача тепловой энергии, или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия. Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики

Теплоотдача в технике, теплообмен между поверхностью твёрдого тела и соприкасающейся с ней средой — теплоносителем (жидкостью, газом и т. д.). Т. происходит конвекцией, теплопроводностью, лучистым теплообменом. Различают Т. при свободном и вынужденном движении теплоносителя, а также при изменении его агрегатного состояния.

2. Атмосферный воздух, в основном состоящий из кислорода, азота, углекислого газа, содержит всегда некоторое количество водяного пара.

Смесь сухого воздуха и водяного пара называется влажным воздухом.

Содержание пара во влажном воздухе характеризуется такими параметрами, как абсолютная и относительная влажность, влагосодержание.

· Под абсолютной влажностью ρ_ппонимается масса водяного пара, содержащаяся в 1 м³ влажного воздуха.Абсолютной влажностью также является парциальное давление пара р_п. Численно эти две величины, если они измеряются в г/м³ или мм.рт.ст. почти равны, а при температуре 16,5 ° С равны между собой.

· Относительной влажность φ называется отношение парциального давления пара, содержащегося во влажном воздухе, к давлению насыщения пара при данной температуре, т.е. φ= р_п / р_s, где р_s- давление насыщенного пара, Па. Для сухого воздуха φ=0%, для насыщенного-100%. В диапазоне 0< φ<100% находится влажный ненасыщенный воздух. Относительная влажность воздуха замеряется с помощью гигрометра и психрометра.

· Влагосодержание х равно отношению массы пара к массе газа. Отношение масс можно заменить отношением плотномтей газа и пара: х=m_п/m_г= ρ_п/ ρ_г

Билет 13. 1.Цикл Ренкина с насыщенным паром показан в vp- и sT - диаграм­мах. Из котла пар, находящийся под давлением, направляется в турбину, в которой адиабатно расширяясь (процесс zb), совершает техническую работу. В процессе Ьа отвода теплоты в конденсато­ре пар полностью конденсируется и образуется вода с давлением и температурой ниже, чем в паровом котле. Образовавшаяся вода пода­ется питательным насосом под давлением в котел (процесс ас). На вы­ходе из насоса температура воды остается практически неизменной, ниже температуры кипения при давлении p_c = p_z. Поэтому в цикле Рен­кина добавляется еще один процесс - изобарный процесс, cz дополнительного подвода теплоты q₁^/ для нагревания питательной воды до температуры кипения T_z. Этот процесс происходит в трубах водяно­го экономайзера, обогреваемого выходящими из топки газами.

Таким образом, в цикле Ренкина увеличивается количество теп­лоты q₁ необходимое для превращения одного килограмма воды в сухой насыщенный пар, оно равно сумме количеств теплоты q₁^/, под­водимой в изобарном процессе для нагревания питательной воды и повышения ее температуры от Т_с до температуры кипения T_z, и теп­лоты q₁^//, подводимой в изобарно-изотермическом процессе парооб­разования для получения сухого насыщенного пара. Одновременно увеличивается и количество теплоты q₂, отводимой от рабочего тела в конденсаторе в изобарно-изотермическом процессе.

Так как теплота q₁ подводится при температурах, меньших мак­симальной, то и средняя температура, при которой подводится вся теплота q₁ = q₁^/ + q₁^//, будет ниже максимальной. Поэтому при оди­наковом диапазоне изменения температур термический КПД цикла Ренкина меньше чем цикла Карно. Однако в реальных процессах за­траты механической энергии на подачу насосом практически несжи­маемой воды значительно меньше затрат на привод компрессора сжимающего влажный пар до состояния воды. В конечном итоге цикл Ренкина оказывается более экономичным. Кроме этого габарит­ные размеры водяного насоса заметно меньше размеров компрессора.