Баскаков - Теплотехника (1991)

Изложены основы технической термодинамики и теории тепло - и массообмена. Приведены основные сведения по процессам горения, конструкциям топок и котельных агрегатов. Рассмотрены принципы работы тепловых двигателей, паровых и газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания и компрессоров. Описаны компоновки и технологическое оборудование тепловых электрических станций, а также оборудование промышленных теплоэнергетических установок. Первое издание вышло в 1982 г. Второе издание дополнено материалами для самостоятельной работы студентов.

Для студентов вузов нетеплоэнергетических специальностей.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящая книга является учебником для студентов нетеплотехнических специальностей вузов, которым авторы на протяжении многих лет читали и продолжают читать этот курс в Уральском политехническом институте.

Учебник написан в строгом соответствии с программой курса, утвержденной MB и ССО СССР в 1981 г.

В теплотехнике, как и во всякой дисциплине, важно дать прежде всего теоретические основы знаний. Поэтому больше половины всего объема учебника отведено изложению технической термодинамики, основ тепло - и массообмена и теории горения.

В то же время, исходя из задач инженерной подготовки студентов, авторы постарались включить в учебник ряд прикладных вопросов, удовлетворяющих требованиям широкого круга специальностей.

Данное издание существенно переработано по сравнению с первым. Во всех разделах введены вопросы и задачи для самостоятельной работы с ответами в конце книги. Чтобы не увеличивать в связи с этим объем учебника, был опущен ряд второстепенных или не требуемых программой вопросов.

Главы 1—5 написаны О. К. Витт, гл. 7—10, 12—14 и 24 — Н. Ф. Филипповским, гл. 6, 15—17 — А. П.. Баскаковым, гл. 11, 18, 19, 22 — Б. В. Бергом, гл. 20, 21 — Ю. В. Кузнецовым, гл. 23 —Б. В. Бергом и Ю. В. Кузнецовым. В процессе работы над рукописью авторы активно помогали друг другу в написании отдельных разделов.

ВВЕДЕНИЕ

Биолог Н. Реймерс утверждает: «Нас (человечество) сейчас отделяет от тепловой смерти биосферы лишь один порядок величин. Будем использовать в 10 раз больше энергии, чем сейчас, и погибнем». Причина заключается в так называемом «парниковом эффекте»: содержащийся в атмосфере диоксид углерода СО2 пропускает солнечные лучи на Землю, но препятствует охлаждению Земли путем излучения в космос. В последние годы ученые мира со все большим беспокойством говорят о повышении концентрации СО2 в атмосфере. Если эти опасения подтвердятся, человечеству в не таком уж отдаленном будущем придется резко ограничить потребление углеродсодержащих топлив. Кроме выбросов СО2, топливосжигающие и теплоэнергетические установки производят тепловые загрязнения (выбросы нагретой воды и газов), химические (оксиды серы и азота), золу и сажу, которые с увеличением масштаба производства также создают серьезные проблемы. Исключить эти выбросы или хотя бы свести их к минимуму можно только на основе глубокого понимания процессов, протекающих в топливоиспользующих установках. Фактически экология ставит человечество перед необходимостью делать производства безотходными.

Экономические факторы также заставляют резко увеличить степень использования добываемого топлива. Пока еще энергетическая эффективность многих технологических процессов чрезвычайно низка, ибо технологи, разрабатывая соответствующие процессы, зачастую не ставили во главу угла вопросы экономии топлива. В СССР такому подходу объективно способствовали и неоправданно низкие цены на него. Например, нефть стоит 32 рубля за 1 т, в то время как на мировом рынке ее цена в июне 1987 г. составила 110 долларов за м3, а в 1981 г. даже 300 долларов.

Поэтому отечественные процессы зачастую оказываются более энергоемкими, чем зарубежные. Высокие цены на топливо (прежде всего нефть) на мировом рынке стимулировали разработку энергосберегающих технологий. В результате удельные расходы условного топлива на производство 1 т цемента в Японии снизились до 110 кг, в США — до 150, в то время как в СССР — 210 кг/т. Расход дизельного топлива на 1 га сельскохозяйственных угодий в США составляет 94 кг, а в СССР 185 кг/га. В передовых странах мира прирост валового продукта в год составил в 70-е годы 2,8 %, в то время как потребление энергоресурсов не выросло. Это, кстати, стало одной из причин снижения цен на нефть (в 2— 3 раза с начала 80-х годов). Тем не менее уровень потребления топливо - энергетических ресурсов (ТЭР) в разных странах еще сильнее различается. По оценкам, в 1990 г. в среднем количество ежесуточно потребляемых энергоресурсов в расчете на одного жителя Земли эквивалентно примерно 7 кг условного топлива. В наиболее развитых странах это число превышает 30, в СССР оно составляет более 20 кг/сут (без учета экспорта). В соответствии с Энергетической программой СССР 80 % прироста промышленной продукции должно быть обеспечено за счет экономии ТЭР, и прежде всего в технологических процессах и на транспорте, где тратится до 80 % добываемого топлива (остальное— в энергетике). Главная роль в разработке менее энергоемких технологий принадлежит технологам — неэнергетикам.

Ее невозможно решить без глубоких знаний основных законов теплотехники. Сегодня выгоднее вкладывать средства не в увеличение добычи топлива, чтобы продолжать расходовать его с низкой эффективностью, а в разработку технологических процессов, обеспечивающих более экономное его использование.

Дело в том, что большая часть населения и промышленных предприятий страны расположены в западной ее части, а основные запасы топлив — в восточной (Сибирь, Казахстан). Начиная с 1980 г. здесь добывается больше половины топлива, зачастую в сложнейших геологических условиях (болота, вечная мерзлота) при отсутствии местных трудовых ресурсов. В перспективе — освоение еще более труднодоступных месторождений. Это увеличивает как себестоимость топлив, так и расходы по их доставке. Растут и капиталовложения на строительство новых топливодобывающих предприятий и на поддержание добычи на прежнем уровне на старых месторождениях (освоение более глубоких пластов в Донбассе и Печорском бассейне, закачивание горячей воды в нефтяные пласты и т. д.). В топливно-энергетический комплекс сейчас вкладывается около 23 % всех капиталовложений страны.

Транспорт не справляется с возрастающими перевозками топлива, поэтому принято решение не строить в европейской части страны новых конденсационных тепловых электростанций. До 1985 г. в топливном балансе страны неуклонно возрастала доля нефти и природного газа, что видно из таблицы.

После 1985 года добыча нефти фактически стабилизировалась, а выход получаемого из нее котельно-печного топлива — мазута — будет неуклонно уменьшаться в связи с более глубокой переработкой нефти на моторные топлива. Потребление мазута в энергетике резко ограничивается. Крупная энергетика ориентируется в основном на твердое топливо (на нем вырабатывается около половины всей электроэнергии страны) и природный газ, добыча которого будет по-прежнему возрастать.

В целом более 90 % всей используемой человечеством энергии приходится на ископаемые органические топлива. Это определяет роль теплотехники — общеинженерной дисциплины, изучающей методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты и связанных с этим аппаратов и устройств.

Часть первая

ТЕХНИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА

Глава первая

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ИСХОДНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

1.1. ПРЕДМЕТ И МЕТОД ТЕРМОДИНАМИКИ

Термодинамика изучает законы превращения энергии в различных процессах, происходящих в макроскопических системах и сопровождающихся тепловыми эффектами. Макроскопической системой называется любой материальный объект, состоящий из большого числа частиц. Размеры макроскопических систем несоизмеримо больше размеров молекул и атомов.

В зависимости от задач исследования рассматривают техническую или химическую термодинамику, термодинамику биологических систем и т. д. Техническая термодинамика изучает закономерности взаимного превращения тепловой и механической энергии и свойства тел, участвующих в этих превращениях. Вместе с теорией теплообмена она является теоретическим фундаментом теплотехники. На ее основе осуществляют расчет и проектирование всех тепловых двигателей, а также всевозможного технологического оборудования.

Рассматривая только макроскопические системы, термодинамика изучает закономерности тепловой формы движения материи, обусловленные наличием огромного числа непрерывно движущихся и взаимодействующих между собой микроструктурных частиц (молекул, атомов, ионов).

Физические свойства макроскопических систем изучаются статистическим и термодинамическим методами. Статистический метод основан на использовании теории вероятностей и определенных моделей строения этих систем и представляет собой содержание статистической физики. Термодинамический метод не требует привлечения модельных представлений о структуре вещества и является феноменологическим (т. е. рассматривает «феномены» — явления в целом). При этом все основные выводы термодинамики можно получить методом дедукции, используя только два основных эмпирических закона (начала) термодинамики.

В дальнейшем исходя из термодинамического метода мы будем для наглядности использовать молекулярно-кинетические представления о структуре вещества.

1.2. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

Термодинамическая система представляет собой совокупность материальных тел, находящихся в механическом и тепловом взаимодействиях друг с другом и с окружающими систему внешними телами («внешней средой»).

Выбор системы произволен и диктуется условиями решаемой задачи. Тела, не входящие в систему, называют окружающей средой. Систему отделяют от окружающей среды контрольной поверхностью (оболочкой).

Так, например, для простейшей системы — газа, заключенного в цилиндре под поршнем, внешней средой является окружающий воздух, а контрольными поверхностями служат стенки цилиндра и поршень.

Механическое и тепловое взаимодействия термодинамической системы осуществляются через контрольные поверхности. При механическом взаимодействии самой системой или над системой совершается работа. В общем случае на систему могут действовать также электрические, магнитные и другие силы, под воздействием которых система будет совершать работу. Эти виды работ также могут быть учтены в рамках термодинамики, но нами в дальнейшем рассматриваться не будут. В нашем примере механическая работа производится при перемещении поршня и сопровождается изменением объема. Тепловое взаимодействие заключается в переходе теплоты между отдельными телами системы и между системой и окружающей средой. В рассматриваемом примере теплота может подводиться к газу через стенки цилиндра.

В самом общем случае система может обмениваться со средой и веществом (массообменное взаимодействие). Такая система называется открытой. Потоки газа или пара в турбинах и трубопроводах — примеры открытых систем. Если вещество не проходит через границы системы, то она называется закрытой. В дальнейшем, если это специально не оговаривается, мы будем рассматривать закрытые системы.

Термодинамическую систему, которая не может обмениваться теплотой с окружающей средой, называют тепло изолированной или адиабатной. Примером адиабатной системы является газ, находящийся в сосуде, стенки которого покрыты идеальной тепловой изоляцией, исключающей теплообмен между заключенным в сосуде газом и окружающими телами. Такую изоляционную оболочку называют адиабатной.

Система, не обменивающаяся с внешней средой ни энергией, ни веществом, называется изолированной (или замкнутой).

Простейшей термодинамической системой является рабочее тело, осуществляющее взаимное превращение теплоты и работы. В двигателе внутреннего сгорания, например, рабочим телом является приготовленная в карбюраторе горючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина.

1.3. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СОСТОЯНИЯ

Свойства каждой системы характеризуются рядом величин, которые принято называть термодинамическими параметрами. Рассмотрим некоторые из них, используя при этом известные из курса физики молекулярно-кинетические представления об идеальном газе как о совокупности молекул, которые имеют исчезающе малые размеры, находятся в беспорядочном тепловом движении и взаимодействуют друг с другом лишь при соударениях. Давление обусловлено взаимодействием молекул рабочего тела с поверхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела по нормали к последней.

Следует отметить, что параметром состояния является абсолютное давление. Именно оно входит в термодинамические уравнения. Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Понятие о температуре вытекает из следующего утверждения: если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их температур они будут обмениваться теплотой друг с другом, если же их температуры равны, то теплообмена не будет. С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул.