- •Курс лекций «Энергоснабжение»
- •1. Системы энергетического обеспечения промышленных предприятий и поселений.
- •2. Энергоносители. Виды, классификация и характеристика.
- •3. Графики нагрузок по энергоносителям.
- •4.Системы теплоснабжения и вентиляции
- •4.2. Расчеты систем теплоснабжения Проектирование систем отопления и теплоснабжения
- •Процесс создания проекта отопления имеет несколько этапов:
- •4.2.Определение по упрощенной методике затрат тепловой энергии на отопление, вентиляцию и гвс.
- •СНиП 2.04.07-86 Тепловые сети
- •3. Система воздухоснабжения промышленных предприятий.
- •3.1. Применение сжатого воздуха.
- •3.2. Требования к качеству сжатого воздуха.
- •3.3. Очистка сжатого воздуха
- •3.4. Технология производства сжатого воздуха.
- •3.4.1. Получение и распределение сжатого воздуха.
- •3.4.2. Поршневые компрессорные установки.
- •3.4.3. Технология получения сжатого воздуха с помощью центробежных компрессоров
- •3.5. Обслуживание компрессорной установки
- •3.6. Потребление сжатого воздуха на промышленных предприятиях. Тип, характер и разветвленность воздушных сетей предприятия.
- •3.7. Гидравлический расчет воздухопроводов
- •Гидравлический расчет:
- •Температура и давление газа при нормальных условиях:
- •3.8. Анализ систем воздухоснабжения предприятий
- •3.8. Комплекс необходимых мероприятий по модернизации системы снабжения сжатым воздухом.
- •Тема 4.
- •4. Системы технического водоснабжения промышленных предприятий
- •4.1. Назначение ствпп
- •4.2. Выбор источника водоснабжения.
- •4.3. Водопроводные системы предприятий
- •4.4. Классификация систем водоснабжения
- •4.5. Схемы систем производственного водоснабжения
- •4.6. Загрязнение технологической воды.
- •4.7. Гигиенические критерии качества восстановленной воды при ее использовании в системах технического водоснабжения
- •4.8. Состав систем технического водоснабжения промышленного предприятия.
- •4.9. Прямоточные системы водоснабжения и их характеристики.
- •4.10. Характеристики и особенности ствс пп с повторным использованием воды.
- •4.11. Оборотная схема технического водоснабжения
- •4.12. Бессточные системы технического водоснабжения.
- •4.13. Характеристики основных сооружений ствспп.
- •4.13.1. Водозаборные сооружения.
- •4.13.2. Насосные станции.
- •4.13.3. Очистные сооружения.
- •4.13.4. Охлаждающие устройства, трубопроводы и арматура
- •4.13.5. Расчет систем водоснабжения.
- •Основные расчетные зависимости Расчетные расходы воды
- •Определение сопротивлений участков водопроводной сети
- •Основные формулы для определения местных потерь напора
- •Потери напора при внезапном (резком) изменении сечения трубопровода
- •Потери напора при повороте трубы
- •Потери напора в запорных устройствах трубопроводов
- •Гидравлический удар в трубах системы водоснабжения
- •Тема 5.
- •5. Газоснабжение промышленных предприятий
- •5.1. Назначение газоснабжения
- •5.2. Горючие газы, их назначение и классификация.
- •5.3. Режимы потребления газа
- •5.4. Расчетные часовые расходы газа
- •5.5. Типы газопроводов
- •5.6. Получение промышленного газа из твердого и жидкого топлива
- •5.7. Транспортировка газа потребителю. Устройство газопроводов низкого и среднего давления
4.Системы теплоснабжения и вентиляции
4.1. Теплоснабжение
Передача тепловой энергии осуществляется тремя видами теплообмена:
теплопроводностью;
конвекцией;
излучением.
Теплопроводность можно представить как обусловленный градиентом температур обмен внутренней энергией, который происходит при идеальном контакте двух тел или разных частей одного тела.
С физической точки зрения, теплопроводность осуществляется благодаря беспорядочному движению атомов или молекул. Энергия передается от частиц вещества с большим количеством энергии (высокотемпературная область) к частицам с меньшим количеством энергии (низкотемпературная область). Однако конечно-элементный подход к теплопередаче предполагает макроскопический характер описания процесса.
Процесс теплопередачи в сплошной среде можно описать уравнением для скорости переноса тепла, которое еще называют законом Фурье. Дифференциальная форма этого закона, выражающая плотность теплового потока в положительном направлении оси х, имеет вид
q = – k dT/dx (1)
Для теплового потока через поверхность А
QА = – k A dT/dx (2)
q’’x = – kx dT/dx, (3)
q’’ y= – ky dT/dx, (4)
q’’ z= – kz dT/dx. (5)
Под конвекцией понимается передача тепла, которая происходит между поверхностью объекта и окружающей его средой, когда они имеют различные температуры.
Рассматриваются два вида конвекции: свободная и вынужденная.
Свободная (или естественная) конвекция происходит при движении среды вследствие разности плотностей нагретых и холодных слоев среды в поле тяжести. Примером является теплопередача от горячего тротуара к атмосферному воздуху в спокойный, безветренный день.
Вынужденная конвекция обусловлена движением среды, которое вызвано некоторыми внешними причинами, такими как действие вентилятора, насоса или атмосферных ветров.
Согласно закону Ньютона, теплопередача конвекцией описывается следующей формулой:
q’ = q / A = h(TS – TB), (6)
где Ts - температура поверхности;
Tв - средняя температура окружающей среды.
Конвективная теплопередача фактически является граничной, или поверхностной нагрузкой.
Излучением называется процесс распространения теплоты в форме электромагнитных волн, испускаемых объектами. Более горячий объект испускает в единицу времени большее количество лучевой энергии.
Распространение тепла теплопроводностью или конвекцией требует присутствия передающей среды, в то время как излучение может осуществляться без нее. В действительности, теплопередача излучением наиболее эффективно происходит в вакууме.
Если в системе присутствуют два тела или более, что является обычным случаем в технике, излучение энергии происходит в двух направлениях. Каждое тело излучает теплоту, но каждое также поглощает некоторое количество теплоты, испускаемое другим телом. В таком случае представляет интерес количество тепла, которое передается излучением.
Причиной обмена лучистой энергией является различие в температурах тел. Уравнение, описывающее теплопередачу излучением между двумя телами (или поверхностями), основано на законе Стефана-Больцмана и имеет вид:
q = A1 F12 (T14 - T24 ), (7)
где
q - радиационный тепловой поток; - степень черноты; - константа Стефана-Больцмана;
|
A1 - площадь поверхности с индексом 1; F12 - угловой коэффициент (от поверхности 1 к поверхности 2); T1 - абсолютная температура поверхности 1; T2 - абсолютная температура поверхности 2. |
Теплообмен излучением, является нелинейным, так как в уравнение теплопередачи температура входит в четвертой степени. Теплопередача излучением, подобно конвекции, рассматривается как граничное условие. Способы моделирования излучения состоят в следующем:
задание элементов излучения (от узла к узлу);
задание двумерных и трехмерных элементов с поверхностным эффектом(от поверхности к узлу);
использование дополнительной программы, которая генерирует тепловую матрицу излучения (суперэлемент), отображающую эффекты излучения между двумя или более поверхностями.
Если поток теплоты остается неизменным во времени, то проводится анализ стационарного (установившегося) состояния. Соответственно температуры и нагрузки будут также постоянными во времени. Центральным понятием при рассмотрении теплопроводности является первый закон термодинамики или закон сохранения энергии. Для элементарного объема материала, находящегося в стационарном состоянии, первый закон может быть записан как уравнение баланса энергии:
подводимая энергия - отводимая энергия = 0 (8)
Тепловой баланс для стационарного (установившегося) состояния в алгебраической форме может быть записан следующим образом:
Qподводимая + Qгенерируемая – Qотводимая = 0. (9)
Целью конечно-элементного подхода к рассмотрению проблемы теплопроводности является получение системы уравнений, которые позволяют рассчитать температурные поля и соответствующие тепловые потоки. Дифференциальная форма закона сохранения энергии для элементарного объема, т.е.
• q’’= q’’’, (10)
с учетом закона теплопроводности Фурье это уравнение принимает следующий вид:
– (kT) = q’’’ (11)
В линейных системах, в которых k=const, получим уравнение для прямоугольных координат (x,y,z)
(12)
При получении системы разрешающих уравнений задачи используются следующие стандартные приемы.
1. Предполагается, что дифференциальное уравнение, составленное для элементарного объема, выполняется для каждого конечного элемента.
2. Применяются стандартные вариационные методы, в которых дифференциальное уравнение умножается на допустимую функцию температуры и интегрируется по объему элемента.
3. В пределах каждого элемента температуры аппроксимируются зависимостью
T(x,y,z) = Ni(x,y,z) .Ti, (13)
где величины Ti являются узловыми температурами, а функции Ni представляют собой соответствующие функции формы для рассматриваемых элементов.
4. Такая процедура приводит к системе уравнений для конечных элементов, которые образуют глобальную систему уравнений для анализа стационарного теплового состояния, а именно
[K]{T}={Q}, (14)
где
[ K ] = матрица теплопроводности;
{ T } = вектор узловых температур;
{ Q } = вектор узловых тепловых потоков.
Система описывает стационарное состояние, причем решается линейная задача. Как будет показано, разрешающие уравнения для описания переходных процессов и полностью нелинейных систем могут быть получены подобным образом.
При рассмотрении этого уравнения оказывается, что матрица [K] описывает не только условия теплопроводности, но также и конвекцию, и граничные условия радиационного излучения:
[K] = [Kкондукции] + [Kконвекции] + [Kизлучения] (15)
При этом вектор теплового потока в узлах [Q] может включать не только заданный тепловой поток, но также составляющие конвекции и излучения:
{Q} = {Qзаданный} + {Qконвекции} + {Qизлучения} (16)
Нестационарной тепловой анализ рассматривает меняющийся во времени отклик системы, сопровождающийся процессами нагревания или охлаждения. В противоположность стационарному анализу можно видеть, что в этом случае происходит следующее:
температуры изменяются со временем,
тепловой поток изменяется со временем,
тепловые нагрузки могут изменяться со временем,
изменения внутренней энергии очевидны.
Для некоторой сосредоточенной массы или элементарного объема количество подводимой энергии минус количество отводимой энергии равно изменению внутренней энергии, или в алгебраической форме:
Qподводимая + Qгенерируемая – Qотводимая = Qнакопленная . (17)
Для элементарного объема это соотношение в дифференциальной форме имеет вид:
(18)
Используя закон Фурье, уравнение можно записать в таком развернутом виде:
(19)