![](/user_photo/_userpic.png)
Учебное пособие 800342
.pdf![](/html/70990/27/html_OYEJMOCU20.j42A/htmlconvd-33GdpM111x1.jpg)
а) |
|
б) |
|||
1 |
1 |
|
|
|
|
2 |
2 |
||||
в) |
|
г) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1
2 |
Рис. 60 |
Если в теплообменнике горячая и холодная жидкости протекают параллельно и в одном направлении, то такая схема движения называется прямотоком (рис.60, а). Если жидкости протекают параллельно, но в противоположном направлении - противотоком (рис. 60, б). Когда жидкости протекают в перекрестном направлении, схема носит название перекрестного тока (рис.60, в). Может также иметь место и многократно перекрестный ток (рис.60, г).
При проведении тепловых расчетов используются уравнения теплопередачи и теплового баланса.
Q KF t1 |
t2 |
|
|
|
|
|
|
|
(2.102) |
|
Q G C |
p1 |
t ' |
t " |
G |
2 |
C |
p 2 |
t " |
t ' |
|
1 |
1 |
1 |
|
|
2 |
2 |
(2.103) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где G 1 , G 2 , - массовые расходы горячего и холодного теплоносите- |
||||||||||
лей в единицу времени; |
С p1 , |
C p 2 - изобарные теплоемкости тепло- |
носителей; индексы 1 и 2 при температурах относятся к горячему и холодному теплоносителям; (индексы I и II означают температуры теплоносителей на входе и выходе из теплообменника).
В тепловых расчетах часто используют понятие о так называемом водяном эквиваленте теплоносителя W, численная величина которого определяет собой количество, которое по теплоемкости равняется массовому расходу рассматриваемого теплоносителя в единицу времени:
111
![](/html/70990/27/html_OYEJMOCU20.j42A/htmlconvd-33GdpM112x1.jpg)
|
W = GC p |
(2.104) |
|
где G = |
f - массовый расход теплоносителя; |
- скорость; |
- |
плотность, f - сечение канала.
После подготовки водяного эквивалента в управление теп-
лового баланса (2.103) имеем |
|
|
|
|||||
|
W |
t ' |
t " |
W |
2 |
t " |
t ' |
|
|
1 |
1 |
1 |
|
|
2 |
2 |
|
|
t ' |
t " |
|
W |
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
2 |
|
|
|
|
откуда |
t " |
t ' |
|
W |
|
|
|
|
2 |
2 |
|
1 |
|
|
|
|
(2.105)
Последнее выражение означает, что отношение изменения температур теплоносителей обратно пропорционально отношению их водяных эквивалентов.
Как отмечалось, выше характер изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности нагрева зависит от схемы их движения, а также соотношения значений их водяных эквивалентов
(рис. 61).
Рис. 61 Характер изменения температур теплоносителей при прямотоке (а) и противотоке (б)
112
![](/html/70990/27/html_OYEJMOCU20.j42A/htmlconvd-33GdpM113x1.jpg)
2.5.3. Конструкторский расчет теплообменных аппаратов
При конструкторском расчете теплообменника находится поверхность нагрева. При этом заданными являются часовой расход, теплоемкость горячего или холодного теплоносителя, его начальная и конечная температура. Искомая поверхность нагрева находится из уравнения теплопередачи
F |
Q |
|
K t |
|
|
|
(2.106) |
Входящее в (2.106) количество тепла, передаваемого от горячего к холодному теплоносителю определяется из уравнения теплового баланса
Q G C |
t ' |
t " |
|
1 |
p1 1 |
1 |
(2.107) |
|
|
|
|
когда заданы параметры горячего теплоносителя, и |
|
||
Q G2C p 2 t2" |
t2' |
(2.108) |
|
|
|
|
если заданы параметры холодного теплоносителя.
Коэффициент теплопередачи К определяется по известным формулам для конкретной стенки. Средний температурный напор, входящий в формулу (2.106), определяется согласно выражению
t |
t |
t м |
2,31g |
t |
|
|
|
|
||
t м |
(2.109) |
||
|
|||
|
|
где |
t |
и |
t |
м |
находятся из графика рис. 62. |
|
|
|
113
![](/html/70990/27/html_OYEJMOCU20.j42A/htmlconvd-33GdpM114x1.jpg)
t
t1’
t |
t1’’ |
tм
t2’’
t2’
F
Рис. 62
114
РАЗДЕЛ III. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ
3.1. Энергетические проблемы использования теплоты
Широкое использование тепловой энергии лежит в основе практически большинства современных технологий. Количество производимых и потребляемых человеком энергоресурсов стало соизмеримым с энергией планетарных процессов. По долгосрочным прогнозам будет расти потребление угля и газа, интенсивно будут идти поиски возобновляемых источников энергии и альтернативных топлив.
Подобная тенденция в энергетической политике наблюдается и в России. Заметными потребителями энергоресурсов являются предприятия лесного комплекса и автомобильный транспорт.
Так, примерно одна треть энергоресурсов расходуется на транспорте.
Нефть, природный газ, уголь и электроэнергия основные составляющие энергетического потребления на транспорте. При этом наблюдается тенденция роста потребления энергии в этой отрасли. Тепловой двигатель как основной источник энергии на транспорте сохранит в ближайшие годы свои позиции.
Технический прогресс в энергетике транспорта будет определяться топливной экономичностью машин и механизмов, затратами топлива при перевозках..
Крупными потребителями топлива, тепловой и электрической энергии являются предприятия лесного комплекса. Особо выделяются как потребитель -энергоресурсов предприятия целлюлоз- но-бумажной промышленности.
Технический прогресс на предприятиях лесного комплекса будет определяться повышением эффективности использования то- пливно-энергетических курсов путем вовлечения в топливный баланс предприятий древесных отходов, использования вторичных тепловых ресурсов, сокращения потребления энергии на единицу выпускаемой продукции.
115
![](/html/70990/27/html_OYEJMOCU20.j42A/htmlconvd-33GdpM116x1.jpg)
3.1.1. Энергетические топлива
Топливом называются горючие вещества органического происхождения. По агрегатному состоянию органические топлива делятся на твердые, жидкие газообразные.
Ктвердым топливам относятся: ископаемые угли (бурый, каменный urn г), дрова, древесные отходы, горючие сланцы, торф.
Кжидким топливам относятся продукты переработки нефти
-мазут, керосин, бензин, дизельное топливо.
Кгазообразным топливам относятся природный газ и искусственные газы, полученные при термической переработке топлив или как отходы технологических процессов: генераторный газ, коксовый, доменный, газ подземной газификации угля.
3.1.2.Элементарный состав топлива. Теплота сгорания
топлива
Химический состав, в частности твердого топлива сложен, поэтому его характеризируют массовым содержанием образующих его элементов в процентах.
Все виды твердого и жидкого топлива в большинстве своем содержат горючие элементы: углерод-С, водород - H, серу —S, а также негорючие: кислород - О, азот - N, влагу -W и золу-A.
Рабочее состояние топлива можно выразить уравнением
C p H p O p N p S p Ap W p 100% (3.1)
Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания. Теплота сгорания топлива есть количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1кг твердого или жидкого топлива,
или 1 м 3 газового топлива при нормальных физических условиях.
Различают высшую Q6p низшую QHp теплоту сгорания. Высшей теплотой сгорания называется количество теплоты, выделяющейся при сгорании топлива с учетом теплоты конденсации водяных паров, образующихся при сгорании водорода, и влаги топли-
116
![](/html/70990/27/html_OYEJMOCU20.j42A/htmlconvd-33GdpM117x1.jpg)
ва. Низшей теплотой сгорания считается теплота сгорания топлива при условии, что вода находится в парообразном состоянии. Если известен элементарный состав жидкого или твердого топлива, то низшую теплоту сгорания топлива можно определить по формуле Д.И. Менделеева
Q p |
340C p 1030H p O p S |
|
26,6W p |
|
H |
|
л |
|
(3.2) |
|
|
|
||
Входящие в (3.2) элементы подставляются в процентах на |
||||
рабочую массу. Для большинства топлив значения QHp |
затабулиро- |
|||
ваны. |
|
|
|
|
3.1.3. Моторные топлива для поршневых ДВС
Основными моторными топливами являются бензины и дизельные топлива, получаемые путем переработки нефти и представляющие собой смеси различных углеводородов. Используются также сжатые и сжиженные газы, синтетические топлива, спирты и эфиры.
Автомобильные бензины представляют собой смеси углево-
дородов, выкипающих в диапазоне температур 35 205 С. В России вырабатываются бензины марок: А- 76, АИ - 93 (АИ - 92), АИ - 95, а также бензины с улучшенными экологическими свойствами (НОРСИ АИ -80, НОРСИ АИ - 92, НОРСИ АИ - 95). С 1999 г. в РФ введен новый ГОСТ на автомобильные бензины неэтилированных марок: нормаль - 80; регуляр - 91; премиум -95; супер – 98.
Цифры в марке бензина показывают октановое число (0Ч), которое характеризует детонационную стойкость бензинов.
Дизельные топлива вырабатывают в основном из гидроочищенных фракций прямой перегонки нефти. В РФ вырабатывают три сорта дизельного топлива: «Л» (летнее) - для эксплуатации при температуре окружающего воздуха 0°С и выше, «3» (зимнее) - для эксплуатации при температуре - 20°С и выше, «а» (арктическое) - для температуры окружающего воздуха - 50°С и выше.
Углеводородные газовые топлива по их агрегатному состоя-
117
нию подразделяются на сжатые (СПГ) и сжиженные (СНГ). В каче-
стве сжатого газа используют природный газ (95 % метана CH 4 ). Сжиженные газы являются продуктами переработки попут-
ных газов и газов газоконденсатных месторождений. Основным преимуществом газовых топлив является их чистота.
Перспективным топливом является водород, обладающий наиболее высокой теплотой и температурой сгорания. Сдерживает использование водорода стоимость получения, сложность хранения
изаправки.
3.2.Экологические проблемы использования теплоты
Источники и потребители теплоты находятся в среде обитания человека и других биологических индивидумов и взаимодействуют с ним. Во многих случаях это взаимодействие приводит к такому изменению свойств и характеристик среды обитания, что становится опасным для самого существования человека как биологического вида.
В сегодняшнем трактовании теплотехники назрела необходимость пемзования экологических взглядов и методов исследования воздействия теплоты на окружающую среду. В этой связи актуальным представляется постановка вопроса об экологической чистоте тепловых процессов и машин. Процессы машины могут считаться экологически чистыми, если они не воздействуют на состояние окружающей среды и не участвуют в естественных природных процессах..
Очевидно, что получить такие процессы и машины в настоящее время проблематично. Однако снизить их негативное воздействие на окружающую среду является первоочередной задачей соответствующих специалистов.
118
![](/html/70990/27/html_OYEJMOCU20.j42A/htmlconvd-33GdpM119x1.jpg)
3.2.1. Токсичность продуктов сгорания
Продукты сгорания оказывают существенное влияние на экологические показатели различных теплотехнических установок. Вместе с тем помимо этих продуктов при сгорании образуется ряд веществ, которые вследствие их малого количества не учитываются в энергетических расчетах, но определяют экологические показатели топок, печей, тепловых двигателей и других теплотехнических устройств. В первую очередь к числу экологически вредных продуктов сгорания следует отнести так называемые токсичные газы.
Токсичными называют вещества, оказывающие негативные воздействия на организм человека и окружающую среду. Токсичными основными веществами являются оксиды азота (NО), оксид углерода (СО), различные углеводороды (СН), сажа и соединения, содержащие свинец и серу. Если температура превышает 1500 К, то азот и кислород воздуха вступают в химическое взаимодействие по цепному механизму:
N2 O NO+N+316 кДж/К моль
N+ O2 NO+O+136 кДж/К моль
Определяющей является первая реакция, скорость, которой зависит от концентрации атомарного кислорода. При сгорании топлив образуется главным образом оксид азота NО, который затем в атмосфере окисляется до NO2.
Образование NО увеличивается с ростом температуры газов
и концентрации кислорода. Находящийся в атмосфере N O2 , представляет собой газ красновато-бурого цвета с удушливым запахом. Он оказывает негативное воздействие на слизистые оболочки глаз и носа, а также на нервную систему человека.
Оксид углерода (СО) образуется во время сгорания при недостатке кислорода, причем чем богаче горючая смесь, тем выше концентрация СО.
Оксид углерода представляет собой бесцветный и не имею-
119
![](/html/70990/27/html_OYEJMOCU20.j42A/htmlconvd-33GdpM120x1.jpg)
щий запаха газ. Вдыхание СО вместе с воздухом ведет к отравлению организма.
Углеводороды (СН) состоят из исходных или распавшихся молекул топлива, которые не принимали участия в сгорании. Их вредное действие на человеческий организм проявляется при протекании специальных реакций под воздействием солнечных лучей.
Особое влияние оказывают выбросы бензола, толуола и, в первую очередь, бенз-а-пирена (С20H!2).
Эта группа высокотоксичных веществ образуется в результате пиролиза легких и средних фракций топлива при температуре
600 700 К.
Сажа представляет собой твердый продукт, состоящий в основном из углерода. Кроме углерода в саже содержится 1-3 % (по массе) водорода. Сажа образуется при температуре выше 1500 К в результате объемного процесса термического разложения (пиролиза) при сильном недостатке кислорода.
В отработанных газах (ОГ) современных тепловых машин и топок присутствует свинец и сера. Примерно 50 70 % свинца, находящегося в бензине, попадает вместе с ОГ в атмосферу в виде частиц свинцовых солей диаметром до 1мкм. Соединения свинца ядовиты и не выводятся из организма. Они негативно воздействуют на центральную нервную систему, вызывая нервные и психические расстройства.
Сера, содержащаяся в дизтопливе, мазуте и каменном угле выбрасывается в атмосферу после сгорания этих топлив в форме диоксида SO2, который очень вреден для растений и способствует возникновению «кислотных» дождей.
При высоком содержании в малоподвижной и влажной ат-
мосфере NO2, O3 и СН возникает туман коричневого цвета, который получил название «смог». Для борьбы с этим явлением в большинстве стран мира приняты соответствующие законы, ограничивающие допустимое содержание токсичных веществ в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу.
120