Цикли ПСУ (паросилових установок)

Паросилові установки встановлюються на теплових електростанціях (ТЕС). Якщо на станції одночасно виробляється електроенергія та теплота у вигляді гарячої води і пари (комбінований спосіб вироблення), то таку станцію називають ТЕЦ - теплоелектроцентраль. Якщо на станції виробляють тільки електроенергію, а теплота виробляється на районної або промислової котельні (роздільний спосіб вироблення), то такі станції називають конденсаційними (КЕС). ТЕС працюють по циклу Ренкіна.

Принципова схема паросилової установки

Процеси циклу Ренкіна: 1-2 - адіабатне розширення пари в паровій турбіні 3. При цьому пара виконує роботу з обертання ротора турбіни, а разом з ним і ротора електрогенератора 4, у якому виробляється електроенергія. Механічна енергія перетворюється в електричну. 2-3 – конденсація пари в конденсаторі 5, відвід теплоти q 2 у навколишнє середовище охолоджувальною водою. 3-4 - адіабатний стиск конденсату в насосі 6. 4-5 - ізобарний підігрів води до температури кипіння в паровому котлі 1.

Цикл Ренкіна в р - v і Т-s координатах

5-6 - ізобарно-ізотермічний процес паротворення в котлі 1.

6-1 - ізобарний підігрів пари в пароперегрівнику 2.

Теплота q ₁ підводиться у процесах 4-5, 5-6, 6-1 площа а-3-4-5-6-1-2-b-a; теплота q ₂ відводиться в процесі 2-3 – площа а-3-2-b-а. Робота циклу l _ц і теплота q _ц обмежуються 1-2-3-4-5-6-1. Термічний к.к.д.

Зі збільшення параметрів пари перед турбіною (Р ₁ і t ₁) і зниженням параметрів пари після турбіни (Р ₂) термічний к.к.д. підвищується.

Шляхи підвищення ефективності циклів:

1. Регенеративний - конденсат після конденсатора 5 підігрівається у встановлюваних підігрівниках.

2. Із вторинним перегрівом пари - після первинного пароперегрівника, пара адіабатно розширюється в частині високого тиску турбіни (ЧВТ), потім знову перегрівається у вторинному пароперегрівнику й розширюється в частині низького тиску турбіни (ЧНТ).

3. Парогазовий цикл - комбінується ГТУ і ПСУ.

4. Бінарний цикл - ртуть і вода здійснюють цикл Ренкіна - ртуть при більш високих параметрах, вода - при більш низьких.

У всіх циклах величина збільшується.

Регенеративний цикл	Цикл зі вторинним перегрівом пари
2-2 ' – ступінчастий підігрів конденсату	1-2 – розширення в ЧВТ 1 ' -2 ' – розширення в ЧНТ
Схема установки парогазового циклу: 1 -котел; 2 -пароперегрівник; 3 -газова турбіна; 4-газоводяний теплообмінник; 5 -парова турбіна; 6 -конденсатор; 7-відцентровий компресор.	Бінарний цикл

11. Холодильні установки

Призначені для охолодження температури тіл нижче навколишнього середовища. Вони складаються з пристроїв для стискування та розширення робочого тіла. Робочі тіла називають холодоагентами. Якщо робоче тіло розширюється зі здійсненням роботи, то такий пристрій називається детандером. Розширення холодоагентів без здійснення роботи відбувається в дросельних пристроях. Розрізняють холодильні установки: повітряні – робоче тіло – повітря; парові – робочі тіла – пари речовин – парокомпресійні, абсорбційні, пароежекторні; установки, що не містять робочих тіл (ефект Зеебека й Пельтье). Кількість теплоти, відібраної охолоджуваним середовищем в одиницю часу, називається холодопродуктивністю (Q ₀, кДж/год.). Ефективність установки – холодильний коефіцієнт, і 0< ε <1.

1. Парокомпресійна установка: 1-2 – необоротний процес дроселювання рідкого холодоагенту та утворення вологої насиченої пари у вентилі 1; 2-3 – відбір теплоти q ₂ за рахунок різниці температур у камері охолодження 2 і всередині випарника 3. Теплота витрачається на випаровування крапель холодоагенту; 3-4 – стискування пари в компресорі 4; 4-5 – охолодження перегрітої пари в конденсаторі 5; 5-1 – конденсація пари в конденсаторі, відведення теплоти q ₁.

Принципова схема парокомпресійної установки	Цикл парокомпресійної холодильної установки в Т-s координатах

2. Абсорбційна установка: холодоагент дроселюється у вентилі 1 і в стані вологої насиченої пари надходить у випарні камери охолодження 2, де відбирається теплота q ₂.

Принципова схема абсорбційної холодильної установки

Пара потім поглинається ненасиченим розчином агента в абсорбері 4 і насосом 6 подається в парогенератор 5 і випаровується за рахунок підведення теплоти. Пара з парогенератора надходить у конденсатор 8, переходить у рідину, а слабонасичений розчин надходить в абсорбер через вентиль 7.

3. Пароежекторна установка: 1-2 – необоротне дроселювання у вентилі 1; 2-3 – випаровування крапель у випарнику 3; відведення теплоти q ₂ з камери 2; 1-6 – підігрів холодоагенту в парогенераторі 4; 6-7 – випаровування в парогенераторі 4; 7-8 – розширення пари в соплі 6; 8-3 – змішування пари у камерах 5 і 7; 4-5 – стискування змішаної пари у дифузорі 8; 5-9-1 – охолодження перегрітої пари й наступна його конденсація в конденсаторі 9.

Принципова схема паро ежекторної установки	Цикл пароежекторної установки в Т-s координатах

II. ТЕОРИЯ ТЕПЛООБМІНУ

12. Теплопровідність

12.1. Види теплообміну. Основні положення теплопровідності

Теплота переноситься трьома видами:

1. Теплопровідність - молекулярний перенос теплоти в просторі за рахунок перепаду температур.

2. Конвекція - перенос теплоти об’ємами рідини, що переміщаються.

3. Теплове випромінювання - перенос теплоти електромагнітними хвилями.

Перенос теплоти одночасно теплопровідністю та конвекцією називається конвективним теплообміном (КТ). КТ між поверхнею твердого тіла й рідиною (газом) називається тепловіддачею. Перенос теплоти одночасно тепловим випромінюванням і конвекцією називається радіаційно-конвективним теплообміном. Якщо теплота одночасно переноситься трьома видами, то такий теплообмін називають складним.

Сукупність значень температури в різних точках тіла називається температурним полем. Якщо температура не змінюється в часі, то таке поле називається стаціонарним, його рівняння t = f (x,y,z), якщо змінюється в часі, то - нестаціонарним, t = f (x,y,z,τ), де τ – час. Температурне поле характеризується градієнтом температури – це є вектор, що направлений по нормалі до ізотермічної поверхні та чисельно дорівнює похідної від температури по даному напрямку , n – нормаль до поверхні. Позитивний напрямок градієнта убік зростання температури.

12.2. Закон Фур'є

Закон Фур'є: Кількість теплоти, що переноситься через елемент ізотермічної поверхні dF, за проміжок часу dτ, пропорційна температурному градієнту.

;

де λ - коефіцієнт теплопровідності.

Кількість теплоти, що проходить в одиницю часу через площу будь-якої величини поверхні, називається тепловим потоком Q, Вт, кВт, Мвт,..., Вт = Дж/с. Кількість теплоти, що проходить в одиницю часу через одиницю площі, називається густиною теплового потоку.

; ; ,

тоді ,

Коефіцієнт теплопровідності чисельно дорівнює кількості теплоти, що проходить в одиницю часу через одиницю ізотермічної поверхні при gradt = 1. Він визначає здатність речовини проводити теплоту і для більшості тіл λ = a+bt, тобто λ = f (t), a і b – постійні коефіцієнти, t – температура.

Для газів λ = 0,006÷0,06 Вт/(м·К); для рідин λ = 0,07÷0,7 Вт/(м·К); для металів λ =20÷418 Вт/(м·К). Матеріали с λ<0,25 Вт/(м·К) використовуються як теплоізоляційні.

12.3. Диференціальне рівняння теплопровідності

Рівняння Фур'є

.

У скороченому виді без внутрішніх джерел q _υ.

; - оператор Лапласа; - коефіцієнт температуропровідності.

Умови однозначності (крайові умови):

1. Геометричні - задаються форма та розміри тіла.

2. Фізичні - задаються теплофізичні константи речовини (λ, с, ρ, v).

3. Тимчасові - задається температура в початковий момент часу.

4. Граничні: першого роду - задається розподіл температури по поверхні у функції часу; другого роду - задається розподіл густини теплового потоку по поверхні у функції часу; третього роду - задається температура рідини вдалині від поверхні та закон тепловіддачі на границі стінка-рідина. Закон тепловіддачі є рівняння Ньютона-Ріхтера:

, Вт;

, Вт/м²

де α – коефіцієнт тепловіддачі; t _с, t _р – температури стінки та рідини; F – площа поверхні.

12.4. Теплопровідність через стінку при стаціонарному режимі

Плоска стінка

Розглянемо процес теплопровідності через одно- і багатошарову стінку, у яких товщина шарів – δ, коефіцієнт теплопровідності матеріалу шару – λ, температура на границі шарів t _с1, t _с2, t _с3, t _с4. Режим теплообміну - стаціонарний, температурне поле одномірне по осі х.

Для таких умов диференційне рівняння:

Граничні умови: х = 0, t = t _с1; х = δ, t = t _с2.

Подвійне інтегрування дає:

; ; ; ; ; ; ; ;

тоді .

У рівнянні прямої густина теплового потоку або , , а за час t ; - теплова провідність; - термічний опір теплопровідності плоскої стінки.

Через опори

Одношарова стінка: ;

Багатошарова стінка (тришарова): ; - загальний термічний опір

Зі збільшенням товщини шару температура змінюється по прямої лінії.

Циліндрична стінка

де d – діаметр, l - довжина, l - коефіцієнт теплопровідності, t_c - температура стінки на границях шарів, r - радіус.

Закон Фур'є: .

Граничні умови: , , ,

Рішення рівняння приводить до результату ;

, - лінійний термічний опір теплопровідності шару.

Величина поверхні в напрямку поширення теплоти q_l безперервно збільшується, тому теплоту відносять не до одиниці площі, а до одиниці довжини, тоді лінійна густина теплового потоку:

Одношарова стінка:

,

Багатошарова (тришарова) стінка:

.

Загальний термічний опір . Температура зі збільшенням товщини шару змінюється по логарифму. Температура на границях шарів .

12.5. Теплопровідність при нестаціонарному режимі

Нестаціонарні процеси відбуваються при нагріванні й охолодженні тіл і описуються диференціальним рівнянням . Рішення цього рівняння отримано для тіл простої геометричної форми: пластини й циліндра. Тіла більше складної форми розглядаються як перетинання цих тел. Для плоскої необмеженої пластини товщиною 2d, з початковою температурою t₀, яка охолоджується або нагрівається у середовищі з постійною температурою t_ж і постійним коефіцієнтом тепловіддачі a, безрозмірна температура q визначається зі співвідношення:

, де - число Фур'є; - число Біо. Аналітична залежність

; m_n – корінь рівняння

; t – поточна температура на відстані x від середини пластини.

Процес нагрівання (охолодження) поділяють на три режими: перший – має різну швидкість зміни температури в точках тіла, а температурне поле залежить від початкової температури – називається неупорядкований режим; другий – швидкість зміни температури в точках тіла постійна, початкова температура не впливає на поле –, називається регулярний; третій режим стаціонарний . Для регулярного режиму . m – позитивне число, що не залежить ні від координати, ні від часу. Величину m називають темпом охолодження.

, для двох довільних моментів часу .

13. КОНВЕКТИВНЫЙ ТЕПЛООБМІН (КТ)

13.1. Основні поняття й визначення

При конвективном теплообміні теплота одночасно переноситься конвекцією й теплопровідністю. Розрізняють вимушену й вільну конвекцію. Вільна виникає під дією різниці густин нагрітих і холодних об'ємів рідини. Вимушена виникає під дією сил, що спричиняють напрямлений рух рідини або газу (робота насоса, вентилятора й ін.). КТ підкоряється закону Ньютона-Ріхмана: – диференціальна форма, ,

де t_с, t_р – температура стінки й рідини, ^оС; F – площа поверхні теплообміну, м²; a - коефіцієнт тепловіддачі . Коефіцієнт тепловіддачі чисельно дорівнює кількості теплоти, що проходить в одиницю часу через одиницю площі поверхні при різниці температур між стінкою й рідиною в один градус. Якщо a визначається для елемента поверхні, то його називають місцевим або локальним, . Якщо a визначається для всієї поверхні, то його називають середнім .

При русі рідини уздовж поверхні поблизу неї утворюється шар загальмованої рідини. Шар, у якому швидкість v змінюється від значення на стінці до швидкості незбуреного потоку, називається гідродинамічним прикордонним шаром. Він є основним термічним опором при переносі теплоти. Рух у шарі може бути ламінарним і турбулентним. У ламінарному шарі (товщина його d_л, див. рис.) теплота переноситься теплопровідністю, тому зі збільшенням d_л, a зменшується. У перехідному шарі a зростає й зі збільшенням товщини турбулентного шару d_т дещо знижується і в області розвиненого турбулентного плину стабілізується. Турбулентний гідродинамічний шар складається з в’язкого підшару, товщиною d_в.п., у якому вихри гасяться силами в'язкості. У турбулентному шарі теплота переноситься і конвекцією, й теплопровідністю. Шар рідини, у якому температура змінюється від значення на стінці до температури незбуреного потоку, називається тепловим прикордонним шаром.

13.2. Фізичний зміст критеріїв подібності

КТ описується системою диференціальних рівнянь:

1. Рівняння руху Нав’є-Стокса показує, що прискорення маси на одиницю об'єму дорівнює сумі усіх сил, діючих на об'єм: .

2. Рівняння енергії описує поле температур рідини, що рухається: .

3. Рівняння суцільності описує зміну густини рідини, що рухається: .

4. Рівняння тепловіддачі зв'язує a з полем температур «прилиплої» рідини

До рівнянь додають умови однозначності: геометричні, тимчасові, фізичні й граничні. Рішення складне, тому дослідження проводять експериментальним шляхом, а результати представляються у вигляді критеріальних рівнянь. У рівняння входять критерії (числа) подібності, складені з величин, що входять у рівняння, і крайові умови. Критерії безрозмірні.

Основні критерії:

1. Нуссельта - характеризує теплообмін на границі стінка-рідина, l – визначальний розмір (d, d, H та ін.);

2. Рейнольдса – визначає режим руху середовища, n - динамічний коефіцієнт в'язкості;

3. Пеклє – характеризує вплив на теплообмін співвідношення між теплотою, перенесеною конвекцією й теплопровідністю, a – коефіцієнт температуропровідності;

4. Грасгофа – враховує вплив співвідношення між підомною силою й силою в'язкості;

5. Прандтля – враховує вплив теплофізичних властивостей;

6. Эйлера - характеризує відношення перепаду тиску до швидкісного напору.

Рівняння виду

називається критеріальным рівнянням,
с – постійний коефіцієнт, n, m, k – показники степені, враховує гістерезис при зміні в'язкості в процесах нагрівання й охолодження.

Температура, при якій вибираються теплофізичні константи, називається визначальною.

13.3. Основні види КТ

1. Тепловіддача при русі уздовж пластини.

Тепловіддача визначається: швидкістю руху рідини; теплофізичними властивостями; гідродинамічним режимом; довжиною. Розрахунок середніх коефіцієнтів тепловіддачі проводиться за рівняннями:

1) Ламінарний прикордонний шар, .

2) Турбулентний прикордонний шар: .

Визначальний розмір – довжина пластини уздовж потоку; визначальна температура – температура рідини вдалині від пластини. Такий вид теплообміну має місце при обтіканні плоских поверхонь.

2. Тепловіддача при природній конвекції має місце, коли теплообмінна поверхня занурена в рідину. Тепловіддача визначається: швидкістю руху уздовж поверхні; режимом і видом плину уздовж поверхні (див. рис.); теплофізичними властивостями; розташуванням поверхні в просторі (вертикальна, горизонтальна).

Різниця температур визначає висоту переходу від ламінарного до турбулентного плину.

Критеріальні рівняння для розрахунку середніх коефіцієнтів тепловіддачі:

1) Горизонтальні труби: - ламінарний режим,

2) Вертикальні труби й плити:

при - ламінарний режим, ,

при - турбулентний режим, .

Перехідний режим має місце при . Визначальний розмір для труб – діаметр, для вертикальних поверхонь – висота. Визначальна температура – температура навколишнього середовища. Для горизонтальних плит: якщо нагріта поверхня звернена нагору, те розрахований a збільшую на 30%, якщо долілиць, a зменшують на 30%. У вузьких каналах і щілинах мають місце нисхідні й висхідні потоки, тому розрахунок теплообміну ведуть за формулами: ; еквівалентний коефіцієнт теплопровідності ; виправлення на конвективні струми . Визначальний розмір – ширина щілини d, визначальна температура .

3. Тепловіддача при русі рідини в трубах каналу.

Тепловіддача визначається: швидкістю руху, режимом руху, теплофізичними властивостями, станом поверхні (гладка, шорстка), впливом вільної конвекції. Розрізняють такі режими теплообміну:

1) В’язкісний – характеризується відсутністю впливу на теплообмін вільної конвекції, має місце при Re<2300 – ламінарний режим і .

Критеріальне рівняння: ;

d – діаметр, l – довжина. Визначальний розмір – діаметр труби, визначальна температура , при , - середньологарифмічний температурний напір, e_l – виправлення на ділянку гідродинамічної стабілізації.

2) В’зкісно-гравітаційний – вільна конвекція впливає на теплообмін, має місце при Re<2300 і . Критеріальне рівняння для середніх a:

.

3) Турбулентний режим (Re>1×10⁴)– вплив вільної конвекції відсутній,

.

Для п.п. 2 і 3 визначальним розміром є внутрішній діаметр, визначальною температурою - середня температура рідини.

4) Перехідний режим – для розрахунку використовується рівняння:

,

де h =¦(Re) визначається за графіком.

При русі рідини в трубах некруглого поперечного перерізу, розрахунок a ведеться за такими ж рівняннями, тільки як визначальний розмір використовують еквівалентний діаметр труби , де ¦ - поперечний переріз, R - периметр каналу. При русі у вигнутих каналах тепловіддача збільшується за рахунок вторинної циркуляції, що виникає під дією відцентрових сил. Розрахунок a ведуть по рівняннях для прямих труб із множенням на виправлення e_виг.

4. Тепловіддача при поперечному обтіканні труб має місце в міжтрубному просторі теплообмінних апаратів. Тепловіддача визначається: швидкістю, режимом, властивостями рідини, видом пучка, кутом атаки, кроком розташування труб, номером ряду. З 1 по 3 ряд тепловіддача збільшується через турбулізацію потоку. Середній коефіцієнт ряду розраховується за рівнянням:

.

а) б)

Розташування труб у пучку:

а – коридорний; б – шаховий; S ₁ – поперечний крок, S ₂ – повздовжній крок.

Шаховий пучок: c = 0,41; n = 0,6;

виправлення на крок труб:

при ; при ;

Коридорний пучок: c = 0,26; n = 0,65;

виправлення на крок труб:

Виправлення на номер ряду e _i: для першого ряду e _i = 0,6; другого - e _i = 0,7; третього і наступних e _i = 1.

Середній коефіцієнт пучка: ,

a_i – коефіцієнт тепловіддачі ряду, F_i – поверхня ряду, n – число рядів.

13.4. Теплообмін при кипінні

Кипіння – процес паротворення з паровими міхурами. Міхури утворюються при перегріванні рідини в точках, які називаються центрами пароутворення (мікрозападини й мікротріщини поверхні). Міхур, що утворився, росте, відривається й спливає при якійсь температура рідини t_н, якщо температура менша, те міхур схлопується – це процес недогрітого кипіння. Режим утворення й спливання міхурів називається бульбашковим кипінням. Зі збільшенням перегріву вся поверхня нагрівання в якийсь момент вкривається суцільною паровою плівкою – режим плівкового кипіння. Перехід від бульбашкового режиму до плівкового кипіння називається кризою кипіння I роду. Механізм теплообміну: 1) міхури виштовхують перегріту рідину; 2) частина теплоти переноситься паровими міхурами; 3) міхури турбулізують пристінний шар.

Області кипіння: 1 – конвективний підігрів; 2 – недогріте кипіння; 3 – бульбашкове; 4 – перехід від бульбашкового кипіння до плівкового; 5 – плівкове кипіння; 6 – плівкове з випромінюванням; АБ – перегрів без кипіння; ВГ – плівковий режим рідин, які не змочують поверхню.

1. Кипіння у великому об'ємі. Тепловіддача визначається щільністю теплового потоку, властивостями рідини, тиском насичення, станом поверхні. Критериальное рівняння для розрахунку a: рівняння Толубінського ; критерій кипіння ; визначальний розмір , що визначає температура насичення, v - швидкість росту бульбашок.

2. Кипіння в трубах. Тепловіддача визначається: щільністю теплового потоку, властивостями рідини, тиском насичення, швидкістю руху парорідинної суміші; режимом тиску парорідинної суміші – бульбашковий, снарядний, дисперсний. Розрахунок a:

1) при приймають a=a_v;

2) при приймають a=a_q;

3) при ; a_v - коефіцієнт теплопередачі при змушеній конвекції; a_q – коефіцієнт тепловіддачі при кипінні у великому об'ємі; a - шуканий коефіцієнт тепловіддачі.

13.5. Теплообмін при конденсації

При зіткненні пари з охолоджуваною поверхнею з відбувається конденсація пари. Якщо рідина змочує поверхню, то відбувається плівкова конденсація (поверхня вкрита плівкою рідини), якщо не змочує – на поверхні утворяться краплі конденсату з мікроплівкою конденсату, наступає краплинна конденсація. Тепловіддача визначається: швидкістю руху плівки по поверхні; режимом її плину – ламінарний, ламінарно-хвильовий, турбулентний; властивостями рідини; різницею температур ; розташуванням поверхні в просторі:

1. Вертикальна поверхня:

ламінарний режим, , приведена висота

,

де ; , H – висота;

турбулентний режим

.

3. Горизонтальна поверхня (труби):

,

де ; , R – радіус труби, визначальна температура – температура насичення t_н.

Дата добавления: 2014-11-08