2020-06-08
138
Программа.
Назначение и классификация котельных установок. Основные элементы котельного оборудования, их назначение. Назначение и классификация котлоагрегатов, их основные элементы. Основные схемы компоновки современных котлоагрегатов. Тепловой баланс котельной установки, КПД котлоагрегата и расход топлива.
Способы сжигания топлива, их особенности. Типы топок. Конструктивные схемы шаровых топок, особенности их работы. Конструктивные схемы камерных топок для факельного сжигания газового, жидкого и твердого топлива. Конструктивные схемы вихревых топок. Основные характеристики топочных устройств.
Основные схемы паровых котлов: с естественным круговоротом воды, с принудительной циркуляцией, прямоточной. Вспомогательные поверхности нагрева (пароперегреватели, водяные экономайзеры, воздухоподогреватели), их назначение и особенности работы. Водоподготовка. Сепарация пара.
Расчет теплообмена в топке и других теплопередающих поверхностях котлоагрегата.
Методические указания. Котельное оборудование – совокупность устройств и механизмов, предназначенных для производства горячей воды и пара (насыщенной и перегретой). В них происходит преобразование химической энергии топлива в физическую теплоту продуктов сгорания, которая через металлические поверхности передается воде для ее нагрева и кипения и пару для его перегрева. Котельное оборудование состоит из основных элементов – один или несколько котлоагрегатов и вспомогательных устройств. Котельный агрегат включает в себя топку, паровой котел, пароперегреватель, водяной экономайзер, воздухоподогреватель, каркас и обмуровку. Изучение котельного оборудования необходимо начать с принципиальной схемы. С помощью схемы необходимо разобраться во взаимодействии различных элементов и систем, проследить движение воды, топлива, воздуха, дымовых газов, паров.
|
|
|
Обнаружив сущность процессов горения топлива в слое, вихре и факеле, можно изучать конструктивные схемы различных типов топок.
При рассмотрении типов паровых котлов, применяемых в промышленности, особое внимание надо обратить на изучение построения и принципа действия вертикально-водотрубных котлов малой и средней производительности, выполняемых в виде двухбарабанных и однобарабанных агрегатов.
4.3 Ядерное паропроизводящее оборудование (ЯППО)
Программа.
Ядерное топливо. Обогащенный уран. Общие понятия о «горении» ядерного топлива. Воспроизводство ядерного топлива, тепловыделяющие элементы. Ядерный реактор. Типы ядерных реакторов. Принципиальная схема ядерных реакторов. Одно-, двух - и трехконтурная технологические схемы ЯППО; особенности их работы, преимущества и недостатки. Биологическая защита на атомных электростанциях (АЭС).
|
|
|
Контрольные вопросы по тематике смыслового модуля 4.
1. Топливо. Общие сведения и классификация. Основные характеристики. Элементарный состав. Теплота сгорания.
2. Расчет процесса горения топлива.
3. Назначение, классификация и основные элементы котельного оборудования.
4. Тепловой баланс котельного оборудования. Расчет отдельных статей баланса. КПД котла. Расход топлива.
5. Основные схемы современных паровых котлов.
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ
КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
К решению задач контрольной работы следует приступать только после изучения соответствующего модуля (раздела) курса. Только сознательное (не «механические») решение задач приносит пользу и помогает закреплению знаний.
Контрольные задачи составлены по стовариантной (числовой) системе, в которой к каждой задаче исходные данные выбираются из соответствующих таблиц по двум последним цифрам шифра (номера зачетной книжки) студента.
Работа, выполненная не по своему варианту, к защите не допускается.
При выполнении контрольной работы необходимо:
• указать шифр зачетной книжки;
• выписать название модуля и условия соответствующих задач и исходные данные;
• решение каждой задачи сопровождать кратким пояснительным текстом, в котором указывать, какая величина определяется и по какой формуле, какие величины подставляются в формулу и откуда они берутся (из условия задачи, из справочника, со ссылкой на литературный источник, или были определены выше и т.д.);
• вычисления проводить в единицах СИ;
• в конце работы привести список использованной литературы.
При защите контрольной работы студент должен показать знание и понимание соответствующих разделов курса, обосновать используемый метод решения задачи.
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
Смысловоймодуль 1. ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА
Задача 1.1
Смесь идеальных газов имеет начальные параметры p1, t1, нагревается при постоянном объеме до t2, а затем охлаждается при постоянном давлении до начальной температуры t1.
Определить: объемный состав газовой смеси; конечное давление и объем смеси; работу (L), теплоту (Q) и изменение внутренней энергии (DU), энтальпии (D I) и энтропии ( D S) смеси в процессах.
Изобразить процессы в p-v и T-s диаграммах.
Данные для решения задачи выбрать из таблицы 1.1.
Таблица 1.1 – Исходные данные к задаче 1.1
| Предпослед-няяцифра шифра | Масса компонентов газовой смеси, кг | Давление, МПа p1 | Послед-няяцифра шифра | Температура, оС | |||||
| N2 | O2 | CO2 | H2O | H2 | t1 | t2 | |||
| 0 | 2,5 | - | 1,8 | 0,7 | 0,3 | 1 | 0 | 400 | 800 |
| 1 | 3,0 | 1,0 | 4,0 | - | 0,5 | 2 | 1 | 100 | 600 |
| 2 | 4,2 | 0,8 | 4,0 | 0,5 | - | 3 | 2 | 300 | 900 |
| 3 | - | 1,2 | 2,5 | 0,9 | 1,1 | 4 | 3 | 100 | 300 |
| 4 | 3,7 | - | 3,0 | 0,3 | 1,2 | 8 | 4 | 200 | 500 |
| 5 | 2,8 | 1,1 | - | 0,8 | 3,2 | 6 | 5 | 200 | 800 |
| 6 | 2,9 | 1,4 | 2,7 | - | 3,0 | 7 | 6 | 100 | 700 |
| 7 | - | 2,0 | 5,2 | 3,7 | 1,8 | 5 | 7 | 200 | 700 |
| 8 | 4,0 | - | 3,2 | 2,5 | 2,0 | 4 | 8 | 400 | 900 |
| 9 | 3,5 | 0,9 | - | 0,6 | 4,0 | 3 | 9 | 100 | 400 |
Указание: При решении задачи считать, что теплоемкость газов не зависит от температуры; значения принять из таблицы А.1.
Основные расчетные формулы:
Уравнение состояния для газовой смеси: 
; 
;
массовая доля: 
;
объёмная доля: 
;
удельная газовая постоянная смеси: 
; 
(Дж/кмоль∙К);
молекулярная масса смеси: 
; 
;
; 
; 
; 
; 
;
Анализ термодинамических процессов:
; 
; 
;
Работа: 
;
Изменение внутренней энергии в процессе1-2: 
;
Теплота процесса: 
;
Теплоемкость смеси: 
; 
; 
; 
; 
; 
;
Изменение энтропии и энтальпии в процессе 1-2:
; 
;
Работа 
.
Теплота процесса: 
;
Изменение внутренней энергии, энтропии и энтальпия в процессе 2-3: 
; 
; 
. 
Задача 1.2
Для теоретического цикла газового поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с изохорно-изобарным подводом теплоты по заданным значениям начального давления p1 и температуры t1, степени сжатия e, степени повышения давления l и степени предварительного расширения r определить параметры состояния p, v, T в характерных точках цикла, полезную работу и термический КПД.
|
|
|
Изобразить цикл ДВС в p-v и T-s диаграммах.
Данные необходимые для расчета задачи выбрать из таблицы 1.2.
Таблица 1.2 – Исходные данные для задачи 1.2
| Предпос-ледняя цифра шифра | Рабочее тело | p1, кПа | t1, ОС | Последняя цифр шифра | e | l | r |
| 0 | H2O | 96 | 22 | 0 | 17 | 1,6 | 1,3 |
| 1 | N2 | 97 | 24 | 1 | 16 | 1,7 | 1,3 |
| 2 | He | 95 | 18 | 2 | 19 | 1,3 | 1,5 |
| 3 | Воздух | 101 | 15 | 3 | 15 | 1,5 | 1,4 |
| 4 | СН4 | 98 | 32 | 4 | 14 | 1,8 | 1,3 |
| 5 | О2 | 99 | 30 | 5 | 13 | 1,7 | 1,3 |
| 6 | СО2 | 100 | 23 | 6 | 15 | 1,6 | 1,4 |
| 7 | Воздух | 97 | 25 | 7 | 16 | 1,4 | 1,6 |
| 8 | N2 | 96 | 20 | 8 | 17 | 1,5 | 1,7 |
| 9 | СО | 95 | 17 | 9 | 18 | 1,3 | 1,4 |
Указание: При решении задачи считать, что теплоемкость не зависит от температуры. Значение принять из таблицы А.1.
Основные расчетные формулы:
; 
; 
; 
; 
;
; 
; 
; 
; 
;
;
; 
.
Смысловой модуль 2. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ
Задача 2.1
Паросиловая установка работает по циклу Ренкина. Давление пара перед турбиной р1, его температура t 1. Адиабатное расширение пара в турбине происходит до атмосферного давления р2. Определить КПД паросиловой установки. Как изменится КПД, если давление и температуру увеличить соответственно до р'1 и t'1, а на выходе пара из турбины установить конденсатор, в котором давление р'2?
Изобразить процессы в і-s – диаграмме водяного пара.
Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы 2.1.
Таблица 2.1 – Исходные данные к задаче 2.1
| Предпос-ледняя цифра шифра | Давление пара перед турбиной, МПа
| Темпе-ратура пара, оС t 1 | Давление пара после турбины, МПа
| Послед-няя цифра шифра | Давление пара перед турбиной, МПа
| Темпе-ратура пара, оС
| Давление пара после турбины, МПа
|
| 0 | 4 | 310 | 0,1 | 0 | 15 | 550 | 0,05 |
| 1 | 8 | 350 | 0,13 | 1 | 17 | 580 | 0,04 |
| 2 | 6 | 330 | 0,12 | 2 | 14 | 570 | 0,03 |
| 3 | 10 | 420 | 0,11 | 3 | 18 | 550 | 0,02 |
| 4 | 9 | 360 | 0,1 | 4 | 20 | 610 | 0,01 |
| 5 | 13 | 310 | 0,11 | 5 | 18,5 | 630 | 0,009 |
| 6 | 12 | 440 | 0,1 | 6 | 16 | 550 | 0,007 |
| 7 | 3 | 340 | 0,13 | 7 | 17,5 | 640 | 0,005 |
| 8 | 11 | 320 | 0,1 | 8 | 15,5 | 530 | 0,01 |
| 9 | 5 | 430 | 0,12 | 9 | 17 | 600 | 0,05 |
|
|
|
Указание: Правильность определения параметров в точках можно проверить с помощью таблиц А.3 и А.4.Рекомендовано расчет выполнить в компьютерной программе «Диаграмма HS для воды и водяного пара».
Основные расчетные формулы:
Термический КПД: 
,
где 
– энтальпия жидкости с давлением р2, кДж/кг.
Задача 2.2
Используя і-s –диаграмму, определить начальные термические параметры и количество теплоты, необходимое для перехода m кг сухого насыщенного пара в перегретый пар с параметрами р, t, если этот процесс проходит при: 1) постоянной температуре; 2) постоянном объеме; 3) постоянном давлении.
Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы 2.2
Таблица 2.2– Исходные данные к задаче 2.2
| Предпоследняя цифра шифра | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| Давление пара р, МПа | 2,0 | 3,0 | 1,8 | 1,0 | 0,55 | 2,5 | 1,0 | 3,0 | 1,4 | 1,5 | |
| Температура пара t, оС | 400 | 530 | 420 | 200 | 160 | 210 | 380 | 180 | 240 | 470 | |
| Последняя цифра шифра | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | |
| Масса пара, кг | m | 20 | 15 | 30 | 45 | 17 | 22 | 16 | 23 | 21 | 25 |
Указание:Рекомендовано расчет выполнить в компьютерной программе «Диаграмма HS для воды и водяного пара».
Смысловоймодуль 3. ТЕОРИЯ ТЕПЛО- И МАССООБМЕНА
Задача 3.1
Трубопровод диаметром d´d1 и длиной L с коэффициентом теплопроводности λ1 =45,4 Вт/(м∙К), в котором течет теплоноситель с температурой t1, покрыт двухслойной изоляцией: слой стекловаты (d2, λ2= 0,038Вт/(м∙К))и слой мипоры (d3, λ3 =0,041 Вт/(м∙К)). Учитывая то, что α1 и α2 – коэффициенты теплоотдачи, tср. – температура окружающей среды, определить линейные коэффициенты термического сопротивления, линейную плотность теплового потока с изоляцией и без нее, температуру на границе соприкосновения слоев изоляции. Сравнить тепловые потоки до и после нанесения изоляции.
Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы 3.1.
Таблица 3.1 – Исходные данные к задаче 3.1
| Предпоследняя цифра шифра | Диаметр, мм | Толщина трубы, мм | Толщина стекловаты, мм | Толщина мипори, мм | Температура теплоносителя, оС | Последняя цифра шифра | Длина трубы, мм | Температура среды,оС | Коэффициент тепло-отдачи, Вт/(м2 К) | Коэффициент тепло-отдачи, Вт/(м2 К) |
| d | d1 | d2 | d3 | t 1 | L | t сер. | α 1 | α2 | ||
| 0 | 40 | 5 | 14 | 12 | 22 | 0 | 2,5 | -3 | 5 | 50 |
| 1 | 57 | 5 | 14 | 10 | 20 | 1 | 3,0 | 0 | 7 | 120 |
| 2 | 38 | 3 | 16 | 15 | 23 | 2 | 2,0 | -5 | 8 | 100 |
| Предпоследняя цифра шифра | Диаметр, мм | Толщина трубы, мм | Толщина стекловаты, мм | Толщина мипори, мм | Температура теплоносителя, оС | Последняя цифра шифра | Длина трубы, мм | Температура среды,оС | Коэффициент тепло-отдачи, Вт/(м2 К) | Коэффициент тепло-отдачи, Вт/(м2 К) |
| 3 | 60 | 5 | 15 | 14 | 25 | 3 | 1,0 | -5 | 16 | 250 |
| 4 | 76 | 5 | 15 | 13 | 18 | 4 | 0,8 | -10 | 9 | 157 |
| 5 | 85 | 5 | 16 | 15 | 16 | 5 | 4,0 | -8 | 7 | 260 |
| 6 | 40 | 4 | 14 | 8 | 15 | 6 | 5,0 | -7 | 10 | 240 |
| 7 | 66 | 4 | 14 | 12 | 14 | 7 | 1,8 | -15 | 17 | 355 |
| 8 | 72 | 5 | 16 | 14 | 18 | 8 | 3,2 | 0 | 8 | 80 |
| 9 | 45 | 3 | 17 | 10 | 20 | 9 | 1,5 | 2 | 15 | 270 |
Основные расчетные формулы:
Внешнее термическое сопротивление: 
, (м2∙К)/Вт.
Внутренний термическое сопротивление: 
, (м∙К)/Вт.
Коэффициент теплопередачи для цилиндрической поверхности:
, Вт/(м∙К). 
, (м∙К)/Вт
Тепловой поток: 
.
Удельный линейный тепловой поток: 
, Вт/м;
Термическое сопротивление: 
(м∙К)/Вт
, оС.
Задача 3.2
В конденсаторе на горизонтальных трубах с внешним диаметром dтр конденсируется влага. Водяной пар со степенью сухости x, давлением pн. Найти средний коэффициент теплоотдачи и количество пара, которое сконденсируется за один час 1 п.м. трубы, температура поверхности которой tст. Сравнить полученные результаты, при вертикальном расположении трубы. В обоих случаях режим течения пленки ламинарный.
Указание: При решении задачи параметры водяного пара и воды принять из таблиц А.3, А.4.
Данные, необходимые для решения задачи, выбрать из таблицы 3.2.
Таблица 3.2– Исходные данные к задаче 3.2
| Предпос-ледняя цифра шифра | Внешний диаметртрубы,мм | Степень сухости | Последняя цифра шифра | Давление пара, МПа | Температура стенки, оС |
| dтр | х | pн | tст | ||
| 0 | 4 | 310 | 0 | 15 | 550 |
| 1 | 8 | 350 | 1 | 17 | 580 |
| 2 | 6 | 330 | 2 | 14 | 570 |
| 3 | 10 | 420 | 3 | 18 | 550 |
| 4 | 9 | 360 | 4 | 20 | 610 |
| 5 | 13 | 310 | 5 | 18,5 | 630 |
| 6 | 12 | 440 | 6 | 16 | 550 |
| 7 | 3 | 340 | 7 | 17,5 | 640 |
| 8 | 11 | 320 | 8 | 15,5 | 530 |
| 9 | 5 | 430 | 9 | 17 | 600 |
Основные расчетные формулы:
Среднее значение коэффициента теплоотдачи конденсации на горизонтальной трубе:
, Вт/(м2К),
где параметры жидкости (mжид, lжид, rжид) определяются по среднему значению температуры пленки конденсата (за исключением парообразования r, которое определяется при температуре насыщения).
.
Температуру водяного пара (tн) определяем по давлению насыщения.
Количество конденсата, образовавшегося на трубе, определяется по уравнению теплового баланса:
Þ 
, кг/с
где 
– площадь поверхности трубы,м2.
Среднее значение коэффициента теплоотдачи конденсации на вертикальной трубе:
, Вт/(м2К).
Смысловой модуль 4. ПРОМЫШЛЕННОЕ
