Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Термодинамическая система и окружающая среда

Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, являющихся объектом изучения и находящихся во взаимодействии с окружающей средой. Простейшим примером термодинамической системы может служить газ, находящийся в цилиндре с поршнем. Окружающей средой здесь являются цилиндр и поршень, воздух, который их окружает, и т.д. Термодинамическая система называется изолированной, если она не допускает обмена с окружающей средой как теплотой, так и работой. Система называется полуизолированной, если она допускает обмен либо теплотой, либо работой. Система называется неизолированной, если она допускает обмен со средой и теплотой, и работой. Система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства, называется физически однородной. Однородная термодинамическая система, внутри которой нет поверхности раздела, называется гомогенной (лед, вода, пар), в противном случае ? гетерогенной (лед и вода, вода и пар и др.). Рабочее тело ? тело, посредством которого производится взаимное превращение теплоты и работы. Например, в паровых турбинах рабочим телом является водяной пар, в газовых турбинах ? газ, в холодильных установках ? фреоны, аммиак, углекислота и другие [1].

1.1 Основные термодинамические параметры состояния

Каждое равновесное состояние термодинамической системы характеризуется определенными физическими величинами ? равновесными параметрами состояния. Внутренние параметры характеризуют внутреннее состояние системы. К ним относятся давление, температура, объем и др. Внешние параметры характеризуют положение системы (координаты) во внешних силовых полях и ее скорость. Внутренние параметры, в свою очередь, подразделяются на интенсивные и экстенсивные. Интенсивные ? это те параметры, величина которых не зависит от размеров (массы) тела (давление, температура, удельный объем, но не объем, удельная теплоемкость). Экстенсивные параметры зависят от количества вещества в системе (объем, масса и др.). В термодинамике существует также деление параметров на термические (давление, температура, объем) и калорические (удельная энергия, удельная теплоемкость, удельные скрытые теплоты фазовых переходов). Для характеристики конкретных условий, в которых находится данная система, или процесса, идущего в системе, необходимо прежде всего знать такие внутренние параметры состояния, как удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура [2].

Термодинамический процесс. Под термодинамическим процессом понимается совокупность последовательных состояний, через которые проходит термодинамическая система при ее взаимодействии с окружающей средой. Состояние термодинамической системы может быть равновесным и неравновесным. Равновесным называют такое состояние системы, при котором во всех точках ее объема все параметры состояния и физические свойства одинаковы (давление, температура, удельный объем и др.). В термодинамике постулируется, что изолированная система с течением времени всегда приходит в состояние термодинамического равновесия и никогда не может самопроизвольно выйти из него. Неравновесными называются такие процессы, при протекании которых система не находится в состоянии равновесия. Процесс перехода системы из неравновесного состояния в равновесное называется релаксацией, а время перехода в состояние равновесия ? временем релаксации. Классификация химических реакций. Химические реакции обычно протекают с выделением или поглощением теплоты. Реакции, сопровождающиеся выделением теплоты, называются экзотермическими, а реакции, идущие с поглощением теплоты ? эндотермическими. В качестве примера экзотермической реакции можно привести процессы горения углерода и водорода



Примером эндотермической реакции может служить реакция образования метилена

Если при реакции молекула какого ? либо вещества превращается в несколько молекул других веществ, то такие реакции называются мономолекулярными или реакциями первого порядка. К таким реакциям относятся следующие реакции разложения [1, 10]

Первый закон термодинамики в применении к химическим реакциям. Количество теплоты, подведенной к рабочему телу, затрачивается на изменение внутренней энергии и на совершение работы против внешних сил

В данном случае считалось, что в рабочем теле не происходят химические превращения и изменяются лишь его параметры p, v, T. Протекание химических реакций связано с изменением состояния атомов в молекулах реагирующих веществ. При этом происходит изменение внутренней энергии, которое может проявляться в виде теплоты или работы.

С учетом принятых особенностей уравнение первого закона термодинамики в применении к химическим реакциям будет [1, 10]



Тепловой эффект реакции. Теплота реакции при и при отсутствии всех видов работ, кроме работы расширения (сжатия), называется тепловым эффектом реакции. Тепловой эффект реакции при p=const будет

Последнее уравнение устанавливает зависимость между изохорно ? изотермической и изобарно ? изотермической теплотами реакций. Если число молей в реакции остается постоянным (?n = 0), то [1, 10; 3]

Закон Гесса. Закон Гесса устанавливает постоянство тепловых сумм, т.е. теплота реакции не зависит от ее пути, а определяется лишь начальным и конечным состоянием реагирующих веществ. Этот закон выполняется лишь для изохорно ? изотермических и изобарно ? изотермических процессов, так как в этих случаях

и

Где U и I ? функции состояния и их изменения поэтому не зависят от пути процесса.

Закон Гесса позволяет вычислить теплоты большого числа реакций, если известны теплоты образования исходных веществ. К тому же этот закон позволяет вычислить теплоты таких реакций, для которых они не могут быть измерены непосредственно [1, 10].

Закон Кирхгофа. Температурная зависимость теплоты реакции определяется уравнением Кирхгофа.

Последнее соотношение является математическим выражением закон Кирхгофа, где производная называется температурным коэффициентом теплоты реакции. Из уравнения (1.5) можно определить теплоту реакции в случае, если будет известна ее зависимость от температуры [1, 10; 2, 10].

Применение второго закона термодинамики к химическим процессам. Аналитическое выражение второго закона термодинамики для изолированной системы выше записывалось в виде

где знаки равенства и неравенства характеризуют соответственно обратимые и необратимые процессы.

Для адиабатической системы , и поэтому неравенство принимает вид

Отсюда следует, что энтропия изолированной системы остается постоянной при протекании в ней обратимых процессов и возрастает в случае необратимых процессов. При протекании в системе неравновесных необратимых процессов после того, как она приходит в состояние равновесия, энтропия системы принимает максимальное значение . Отсюда и Таким образом, энтропия является функцией, на основе которой можно находить направление процессов и условия их равновесия.

Однако для многих практических процессов оказалось более удобным вместо энтропии пользоваться другими величинами, также характеризующими необратимость процессов и равновесие системы. К числу таких величин относятся рассматриваемые ниже изохорно ? изотермический F и изобарно ? изотермический Z потенциалы [1, 10; 3, 12].

Равновесие в химических реакциях. Всякая химическая реакция обратима и может идти в двух направлениях ? прямом и обратном, что обычно в химических уравнениях обозначается стрелками, т.е.

Если в реакции количество реагирующих между собой молекул СОи Н₂ Обольше количества реагирующих молекул СО₂и Н_2, то реакция идет слева направо, т.е. в сторону образования продуктов реакции. В случае большего количества реагирующих молекул СО₂ и Н₂ реакция идет справа налево ? в сторону образования исходных веществ.

Химические реакции протекают до определенного состояния, называемого химическим равновесием, когда наряду с прямой реакцией образования ее продуктов идет обратная реакция образования исходных веществ. Важной практической задачей является определение параметров химического равновесия, что позволяет определить, в какую сторону оно сдвинуто, каков будет состав продуктов реакции и прочие [1, 10].

Влияние температуры реакции на химическое равновесие. Принцип Ле ? Шателье. Для определения влияния температуры реакции на положение химического равновесия воспользуемся уравнением максимальной работы



и уравнением

Уравнение (1.8) одинаково для изохорной и изобарной реакции. Оно позволяет проследить влияние температуры на химическое равновесие. В частности, для более полного протекания экзотермической реакции необходимы более низкие температуры. И наоборот, для более полного протекания эндотермической реакции необходимо повышение температуры. Все это находится в полном соответствии с принципом Ле ? Шателье, согласно которому изменение внешних условий, определяющих равновесие химической системы, приводит к такой прямой или обратной реакции, развитие которой уменьшает влияние произведенного воздействия.

Кинетика гомогенных химических реакций протекающих в потоке. Режимы вытеснения и перемешивания. Крупнотоннажные химические процессы обычно осуществляют в потоке, т. е. в струе газа, проходящей через реактор с заданной температурой. Последний может быть пустым или со слоем зерненного катализатора. Примерами реакций, осуществляемых в потоке в широких технических масштабах, являются крекинг нефтепродуктов, гидрокрекинг, каталитическое алкилирование, полимеризация, гидро? и дегидрогенизация углеводородов, дегидратация спиртов, и т. п. Проведение реакций в потоке обеспечивает непрерывность процесса, высокую эффективность использования реакторов, создает большие возможности для регулирования и автоматизации процесса. Многие технически важные реакции при изучении их кинетики в лабораторных условиях проводят также в потоке.

Кинетические уравнения процессов в потоке вследствие того, что их обычно проводят при постоянном давлении и они сопровождаются в большинстве случаев изменением объема участвующих в реакции веществ, должны отличаться от обычных кинетических уравнений, приведенных выше и выведенных для условия постоянного объема. Кроме того, метод расчета констант скоростей реакций, идущих в потоке, должен быть иным из ? за трудности определения времени пребывания реагирующих веществ в зоне реакции (так называемого времени контакта) [4].

Общее уравнение динамики и скорости химической реакции, протекающей в потоке в режиме идеального вытеснения. Общим уравнением динамики химической реакции, протекающей в потоке в режиме идеального вытеснения, является уравнение, выражающее закон сохранения вещества. Это уравнение в теоретической физике называют уравнением неразрывности, а в технике -- уравнением материального баланса. Будем рассматривать поток химически реагирующих веществ, проходящий через сечение и , находящиеся на расстоянии . В потоке происходит химическая реакция

1.2 Термодинамические параметры теплоносителей и оценка потери тепла в технологических процессах

Условия работы тепловых машин. Для того чтобы от тепловой машины можно было получить полезную работу, необходимо выполнить следующие условия:

1 Необходимо иметь рабочее тело ? это тело, посредством которого осуществляется взаимное превращение теплоты и работы.

2 Необходимо наличие по меньшей мере двух источников теплоты с разными температурами ? верхний (высший) источник теплоты (ВИТ) или нагреватель и нижний (низший) источник теплоты (НИТ) или холодильник.

3 Работа тепловой машины должна быть цикличной, т.е. рабочее тело, совершая ряд процессов, должно возвращаться в исходное состояние.

Цикл Карно. Анализируя формулу

Можно увидеть, что n₁ возрастает при уменьшении q₂ или увеличении Отсюда можно заключить, что выбирая соответствующим образом процессы расширения и сжатия, протекающие с подводом и отводом теплоты , можно изменять величину КПД. В связи с этим возникает вопрос ? можно ли найти такой цикл, который обладал бы наибольшим кпд.

Рисунок 1 Цикл Карно (изотермический)

Такой цикл был предложен Сади Карно. Он состоит из двух обратимых изотермических и двух обратимых адиабатных процессов (в соответствии с рисунками 1, 2). Изотермический и адиабатный процессы являются самыми выгодными процессами в смысле получения работы, т.к. в изотермическом процессе вся теплота, подводимая к рабочему телу, превращается в работу, а адиабатный процесс протекает без теплообмена. Рассмотрим все процессы цикла Карно. Процесс 1 ? 2 представляет процесс изотермического расширения рабочего тела с подводом теплоты от верхнего источника теплоты с температурой .



Рисунок 2 Цикл Карно (адиабатный)

Количество теплоты равное работе l₁ полученной в процессе 1 ? 2, определяется по формуле:

Коэффициент полезного действия любого цикла тепловой машины (в том числе и цикла Карно) определяется по формуле

Отсюда

Анализируя формулу (1.9), приходим к выводу, что может быть равен единице лишь в случаях, когда , либо . Эти условия невозможно осуществить даже в идеальном цикле, так как температура верхнего источника теплоты равная бесконечности, практически недостижима, а также и недостижима температура нижнего источника теплоты , равная абсолютному нулю температур .

Обратный обратимый цикл Карно. Цикл Карно может протекать не только в прямом, но и в обратном направлении (в соответствии с рисунком 3). Машины, работающие по обратному циклу, называются холодильными машинами. Это тепловые машины, которые создают и поддерживают разность температур путем отнятия теплоты у более холодного тела и передачи ее более горячему. А такой процесс, как следует из формулировки второго закона термодинамики Клаузиуса. требует затраты энергии (не может совершаться без компенсации).

Рисунок 3 Обратный обратимый цикл Карно

Рассмотрим обратимый обратный цикл Карно, изображенный в соответствии с рисунком 3. В процессе 1 ? 2 рабочее тело (холодильный агент) расширяется по адиабате с уменьшением температуры от в точке 1 до в точке 2. Затем газ расширяется по изотерме 2 ? 3 с подводом теплоты от источника с температурой в адиабатном процессе сжатия 3 ? 4 происходит увеличение температуры рабочего тела от до . В изотермическом процессе сжатия происходит отвод от рабочего тела теплоты к верхнему источнику теплоты. На осуществление обратного цикла в холодильной машине утрачивается удельная работа При этом от НИТ к ВИТ переносится количество теплоты, равное . Кроме того, к ВИТ перелается теплота, равная затраченной работе . Отсюда, вся теплота, получаемая ВИТ, будет Работа, затраченная на сжатие в процессах 3 ? 4 и 4 ? 1, больше работы расширения в процессах 1 ? 2 и 2 ? 3 на величину площади фигуры 1 - 2 - 3 ? 4. Работа расширения производится сжатым газом и она будет положительной. Работа сжатия производится над газом и она будет отрицательной. Отсюда суммарная работа, утраченная на передачу теплоты от НИТ к ВИТ, будет отрицательной, и она будет равна . Эффективность работы холодильных машин характеризуется холодильным коэффициентом, определяемым в виде отношения теплоты, взятой от НИТ и переданной ВИТ, к затраченной работе [1, 10; 2, 10; 3, 12].

Термодинамическая фазовая рТ? диаграмма. Уравнение Клайперона ? Клаузиуса. Вещество в зависимости от температуры и давления может находиться в твердой, жидкой и газообразной фазе. Фазовым переходом называется процесс, сопровождающийся затратой теплоты и изменением объема, в котором происходит изменение агрегатного состояния вещества. Переход из одного агрегатного состояния в другое удобно рассматривать на pT ? диаграмме (в соответствии с рисунком 4).

.

Рисунок 4 Фазовый переход вещества



Если в качестве независимого параметра взять температуру, то на рТ-диаграмме будут иметь место три характерные линии: p=f₁?(T): p=f₂ (T): p=f₃?(T) Эти линии представляют собой геометрическое место точек, в которых находится в равновесном состоянии любая пара из трех агрегатных состояний вещества. Линия p=f₁?(T) (в соответствии с линией АК на рисунке 4) соответствует равновесному состоянию жидкой и газообразной (парообразной) фаз. Эту линию еще называют линией испарения (или по обратному процессу ? линией конденсации). Линия p=f₂?(T) (линия АС) соответствует равновесному состоянию твердой и газообразной фаз. Это линия сублимации (или по обратному процессу ? десублимации). На линии p=f₃?(T) (линия АВ) находятся в равновесии твердая и жидкая фазы. Эта линия называется линией плавления (или по обратному процесс ? затвердевания) [1, 10].

рV? диаграмма водяного пара. В соответствии с рисунком 5 представлена фазовая рV ? диаграмма, которая представляет собой график зависимости удельного объема воды и водяного пара от давления. Кривая AF представляет зависимость удельного объема воды от давления при температуре t = 0? , т.е. это есть изотерма воды при нулевой температуре. Область, заключенная между этой изотермой и осью ординат, является областью равновесного сосуществования жидкой и твердой фаз. Кривая AF почти параллельна оси ординат, так как вода практически несжимаемая жидкость. Поэтому удельный объем воды в процессе сжатия изменяется незначительно.

При нагреве воды при некотором постоянном давлении р удельный объем будет увеличиваться и при достижении температуры кипения в точке удельный объем жидкости становится максимальным. С увеличением давления температура кипения возрастает и удельный объем в точке будет больше, чем в точке .



Рисунок 5 ? диаграмма водяного пара

Зависимость удельного объема от давления на ? диаграмме изображается кривой , называемой пограничной кривой жидкости. Всюду на этой кривой степень сухости Дальнейший подвод к жидкости теплоты при неизменном давлении приводит к процессу парообразования (линия ), который заканчивается в точке Пар в этой точке будет сухим насыщенным с удельным объемом Процессе является одновременно изобарным и изотермическим.

Зависимость удельного объема от давления представлена кривой которая называется пограничной кривой пара. На этой кривой степень сухости . Если в состоянии, характеризуемом точкой (или при большем давлении), к пару подводить теплоту, то его температура и удельный объем будут увеличиваться. Линия представляет процесс перегрева пара. Таким образом, кривые и делят область диаграммы на три части. Левее кривой АК расположена область жидкости. Между кривыми и расположена область двухфазной системы, включающей пар и жидкость (пароводяная смесь). Правее кривой и выше точки расположена область перегретого пара. Точка К называется критической точкой. Параметры критической точки для воды: Точка А характеризует состояние кипящей жидкости в тройной точке. Температура кипения воды в этой точке t0 = 0,001? ? 0°С. Если в состоянии, характеризуемом тройной точкой, к жидкости подводить теплоту, то процесс кипения будет происходить по изобаре являющейся одновременно нулевой изотермой, которая при выбранном масштабе изображения кривых практически совпадает с осью абсцисс. Между кривыми х = 0 и х = 1 расположены кривые промежуточных степеней сухости. Все они исходят из точки К. Одна из таких кривых со степенью сухости х = x1 приведена в соответствии с рисунком 5 . Удельное количество работы полученной в процессе или цикле на pV ? диаграмме изображается соответствующей площадью под кривой процесса или внутри цикла [1, 10; 2, 10; 5].

Ts? диаграмма водяного пара. Процесс нагрева воды от 0,01?= 273,16 К до температуры кипения при давлении р₁ = const характеризуется линией АаА₁. Линия А₁В₁ является процессом парообразования и линия В₁D₁ ? процессом перегрева пара (в соответствии с рисунком 6). Если нанести на Ts ? диаграмме ряд таких изобарных процессов и соединить точки, в которых начинается и заканчивается процесс кипения, то получим две пограничные кривые АК? кривая начала кипения (х = 0) и KB ? кривая окончания кипения (кривая сухого пара х = 1), которые сходятся в критической точке Точка здесь является тройной точкой, которой соответствует изобара Р₀ = 0,611кПа и изотерма t₀ = 0,01? = 273,16 К.Пограничные кривые АК и KB делят область диаграммы на три части. Левее кривой АК расположена область жидкости. Между кривыми АК и ВК ? область влажного пара (пароводяной смеси). Правее кривой KB и выше точки находится область перегретого пара. Кривая АК берет свое начало в тройной точке А расположенной на оси ординат, т.е. считается, что удельная энтропия при температуре 273,16? близка к нулю. Изобары нагрева воды AaA₁, Aa₁A₂ до температуры кипения соответственно при давлениях р1 и р2 даны как для нормальной жидкости, т.е. без учета аномальности воды, имеющей максимальную плотность при температуре t = 4°С.

Рисунок 6 Ts -диаграмма водяного пара

Это допущение незначительно влияет на точность при расчетах. Давлению в тройной точке р = 0,611 кПа соответствует изобара АВ. Между кривыми АК и KB нанесены кривые промежуточных степеней сухости х_1, x_2, x_3, x₄. Все эти кривые сходятся в критической точке К, где исчезает различие между жидкой и паровой фазами, т.е. сухой пар и кипящая вода имеют одинаковую плотность.

Удельное количество теплоты сообщаемое рабочему телу, на ? диаграмме изображается площадью под кривой процесса. Удельная работа обратимого цикла также может быть найдена в виде площади цикла. Таким образом, с помощью ? диаграммы достаточно просто можно найти термический кпд обратимого цикла.

Удобство ? диаграммы в том, что она позволяет проследить изменение температуры рабочего тела и находить количество теплоты, участвующее в процессе. К неудобствам диаграммы следует отнести необходимость измерения соответствующих площадей. ? диаграмма широко применяется при исследовании паросиловых и холодильных установок, обеспечивая наиболее наглядное изображение процессов [1, 10; 5, 20].

is? диаграмма водяного пара. ? диаграмма является наиболее удобной для расчетных целей. Это связано с тем, что удельные количества теплоты и работы изображаются не площадями, как это имеет место в и ? диаграммах, а отрезками линий (в соответствии с рисунком 7). За начало координат в ? диаграмме принято состояние воды в тройной точке, где (допущение) . По оси абсцисс откладывается удельная энтропия, а по оси ординат ? удельная энтальпия. На основе данных таблиц водяного пара на диаграмму наносятся пограничные кривые жидкости и пара (соответственно нулевой и единичной степени сухости), сходящиеся в критической точке .Пограничная кривая жидкости выходит из начала координат.

Рисунок 7 is? диаграмма водяного пара

Изобары в области влажного пара являются прямыми наклонными линиями, берущими начало на пограничной кривой нулевой степени сухости, к которой они касательны. В этой области изобары и изотермы совпадают, т.е. они имеют одинаковый коэффициент наклона к оси абсцисс. Для любой изобары - изотермы



Где ц ? угол наклона изобар к оси s;

T_s ? температура насыщения, неизменная для данного давления всюду между пограничными кривыми АК и КВ.

В области перегретого пара (правее и выше кривой х = 1) изобары имеют вид кривых отклоняющихся вверх с выпуклостью, направленной вниз. Изотермы в этой области отклоняются вправо и их выпуклость направлена вверх. Изобара АВ₁ соответствует давлению в тройной точке р₀=0,000611 МПа. Область диаграммы, расположенная ниже тройной точки, характеризует различные состояния смеси пара и льда. Между кривыми АК и KB наносится сетка линий постоянной степени сухости (x=const) пара, сходящихся в критической точке К. Кроме того, на диаграмму наносится сетка изохор, имеющих вид кривых, поднимающихся вверх (как в области влажного, так и в области перегретого пара) более круто, чем изобары. На is ? диаграмме в соответствии с рисунком 6 изохоры не приведены.

1.3 Области применения аппаратов, в основе которых лежат процессы нагревания и охлаждения

Циклы паросиловых установок. МГД? генератор. Цикл Карно во влажном паре и его недостатки. Паросиловые установки (ПСУ) отличаются от газотурбинных двигателей и двигателей внутреннего сгорания тем, что рабочим телом служит пар какой ? либо жидкости (обычно водяной пар), а продукты сгорания топлива являются лишь промежуточным теплоносителем. Наиболее совершенным идеальным циклом, как известно, является цикл Карно. Паротурбинная установка, работающая по циклу Карно, должна состоять из парового котла, парового двигателя, конденсатора и компрессора. Цикл Карно, где в качестве рабочего тела используется влажный насыщенный пар, в Ts? и pv? координатах представлен в соответствии с рисунками 8, 9.

Рисунок 8 Цикл Карно, в качестве рабочего тела используется влажный насыщенный пар, в Ts? и pv? координатах

Рассмотрим процессы цикла: 1 ? 2 ? адиабатный процесс расширения пара в цилиндре двигателя; 2 ? 3 ? конденсация пара в конденсаторе; 3? 4 ? сжатие пара в компрессоре; 4 ? 1 ? парообразование (кипение) в котле. Термический кпд цикла Карно с насыщенным паром в качестве рабочего тела определяется по формуле

Главный недостаток цикла Карно во влажном паре заключается в необходимости использования громоздкого компрессора и больших затратах работы на сжатие пара в процессе 3 ? 4, которые равны площади 54365.

Основной цикл ПСУ ? цикл Ренкина. Ввиду перечисленных выше недостатков парового цикла Карно за идеальный цикл паросиловой установки принят другой специальный цикл, называемый циклом Ренкина. Этот цикл может быть осуществлен в паросиловой установке, приведенной в соответствии с рисунком 9, 10.



Рисунок 9 Цикл Ренкина

В паровом котле ПК за счет теплоты сжигаемого топлива происходи процесс превращения воды в пар. В пароперегревателе ПП он доводится до необходимых начальных параметров р₁, Т₁. На лопатках паровой турбины ПТ происходит преобразование теплоты в работу и затем в электрическую энергию в электрогенераторе ЭГ. Отработавший пар в конденсаторе К конденсируется с передачей теплоты охлаждающей воде О. В. Полученный конденсат конденсатным (питательным) насосом ПН подается в водяной экономайзер ВЭ, служащий для подогрева воды, а затем в котел.

Рисунок 10 Цикл Ренкина в Ts? , pv? и is ? диаграммах

Цифрами обозначены характерные точки процессов цикла Ренкина. представленного на диаграммах в pv? , Ts? и is - координатах (в соответствии с рисунком 10) [1, 10].

Полезная работа цикла Ренкина. Работа питательного насоса. Из уравнения энергии газового потока

в предположении адиабатного процесса и при пренебрежении измерением внешней энергии ( и gdz=0) получим .Тогда для работы питательного насоса найдем и

Аналогично для работы турбины найдем

Теоретическая работа цикла при этом будет

Термический кпд цикла Ренкина. Термический кпд цикла Ренкина определяется в виде отношения полезной работы цикла ко всей затраченной в цикле теплоте q₁.

Подведенная в цикле теплота определяется по формуле



С учетом выражений для и формула для термического кпд примет вид

Кроме работы цикла и термического кпд , к показателям, характеризующим экономичность цикла Ренкина, относят также удельные расходы пара и теплоты . Удельный расход определяется в виде отношения часового расхода пара к выработанной электроэнергии Так как электроэнергия ? это стопроцентная эксергия (полностью превращается в полезную работу), то один кг пара в теоретическом цикле совершает полезную работу

Учитывая, что 1 кВт?ч = 3600 кДж, запишем уравнение теплового баланса установки

Отсюда теоретический удельный расход пара будет



где

? энтальпия, кДж/кг.

Учитывая формулы для и , получим

Для учета потерь от необратимости процесса расширения пара в турбине вводится относительный внутренний кпд турбины

Потери от необратимости уменьшают полезную работу и увеличивают удельный расход пара [1, 10]

Регенеративный цикл паросиловой установки. Регенерация тепла в ПСУ позволяет уменьшить необратимость процессов теплообмена в цикле на участке подогрева питательной воды. Регенеративный цикл, широко применяемый в ПСУ, осуществляется путем последовательного отвода из турбины части пара для регенеративного подогрева питательной воды. При таком способе состояние оставшегося основного потока пара в турбине остается таким же, как и в цикле без регенерации.

Различают две основные схемы регенеративного подогрева:

1.Смешивающая (содержит в качестве регенераторов подогреватели смешивающего типа).

2. Каскадная (содержит поверхностные подогреватели).

Увеличение кпд цикла Ренкина с регенерацией происходит за счет увеличения средней температуры подвода теплоты при одинаковой конечной температуре отвода теплоты. Таким образом, применение регенеративного подогрева питательной воды приводит к следующему:

1.Увеличивается кпд ПСУ на 10 ? 12 % и тем в большей степени, чем выше давление пара.

2.Уменьшается количество пара, проходящего через последние ступени турбины, а, следовательно, уменьшаются и их габариты.

3.Уменьшается поверхность нагрева водяных экономайзеров. При этом, чтобы не снизить кпд котельной установки, теплоту уходящих газов стремятся максимально использовать для подогрева воздуха, поступающего в парогенератор, в воздушных подогревателях.

В заключение следует отметить, что введение регенерации может быть выгодным лишь до определенной температуры подогреваемой в регенераторах питательной воды, превышение которой приводит к необходимости отбирать для этих целей из турбины пар более высоких параметров. В этом случае может возникнуть ситуация, когда уменьшение полезной работы на лопатках турбины окажется большим, чем уменьшение количества теплоты, затрачиваемой на выработку 1 кг пара, а удельный расход теплоты на единицу работы из ? за увеличения удельного расхода пара будет возрастать. В связи с чем выгода, получаемая от применения регенерации, будет уменьшаться и при определенных условиях может оказаться равной нулю. Поэтому для каждой тепловой электрической станции существует определенная температура питательной воды, подогреваемой в регенераторах, которая дает максимальную прибавку кпд [1, 10; 2, 10; 5, 20].

Циклы холодильных машин. Холодильными машинами или термокомпрессорами называются машины, непрерывно поддерживающие температуры тел ниже температуры окружающей среды. Холодильные машины подразделяются на воздушные (газовые), паровые, пароэжекторные, абсорбционные, а также машины, принцип действия которых основан на эффектах Пельтье и Ранка ? Хильша. В воздушной холодильной машине в качестве холодильного агента исполняется атмосферный воздух. Эти установки не получили широкого распространения ввиду малого холодильного коэффициента и сложности конструкции.

В паровых (парокомпрессорных) холодильных установках рабочим телом являются пары различных веществ - аммиака NH₃, углекислоты СO₂. сернистого ангидрида SO₂, фреонов фторохлорпроизводых углеводородов. Ввиду простоты конструкции (по сравнению с воздушными), высокой холодопроизводительности и большой надежности работы, эти установки получили самое широкое распространение в технике.

В пароэжекторных и абсорбционных холодильных установках для получения низких температур затрачивается не механическая работа (как в паровых или газовых), а теплота какого либо рабочего тела с высокой температурой. В пароэжекторной установке для сжатия холодильного агента используется кинетическая энергия струи пара некоторого вещества. Эти установки отличаются невысоким холодильным эффектом и в промышленности применяются редко. Более широкое распространение получили абсорбционные холодильные машины, в которых для получения низких температур используется (как и в пароэжекторных) энергия в виде теплоты. Термодинамически эти установки менее совершенны, чем паровые, однако они значительно проще по конструкции (ввиду отсутствия компрессора), дешевле, более надежны в работе и поэтому получили достаточно широкое распространение. Холодильные установки, принцип действия которых основан на использовании эффектов Пельтье и Ранка ? Хилыпа, максимально просты по конструкции, т.к. не имеют движущихся деталей. Однако они пока не получили широкого распространения из ? за низких значений холодильного коэффициента. Холодильные машины работают по обратному циклу, то есть циклу, изображенному в тепловых диаграммах (pv, Ts, is) в направлении против направления часовой стрелки. Самым выгодным циклом холодильной машины, осуществляемым между двумя источниками тепла с температурами T₁ и T₂, будет обратимый обратный цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат (в соответствии с рисунком 11).

Рисунок 11 Обратимый обратный цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабат

Рассмотрим процессы цикла: 1 ? 2 ? адиабатное сжатие рабочего тела (хладоагента); 2 ? 3 ? изотермическое сжатие с отводом теплоты q₁ в окружающую среду; 3 ? 4 ? адиабатное расширение; 4 ? 1 ? изотермическое расширение с подводом теплоты q₂ к хладоагенту от охлаждаемого в холодильнике тела.

В качестве характеристики термодинамической эффективности холодильного цикла принята величина

? затрачиваемая механическая работа, равная площади 12341.

Величина е называется холодильным коэффициентом или коэффициентом холодопроизводигельности. Для обратного цикла Карно



Холодильный коэффициент обратного цикла Карно имеет наибольшее значение по сравнению с другими циклами холодильных машин, осуществляемыми в том же интервале температур теплоисточников.

Из формулы для е_k видно, что с увеличением температуры T₁ и с уменьшением температуры Т₂ коэффициент холодопроизводигельности уменьшается и при. Работа L и мощность N необходимые для осуществления обратного цикла, определяются по формулам

Q ? холодопроизводительность (количество теплоты, которое отводится от охлаждаемого тела в единицу времени) [1, 10; 2, 10].

1.4 Технологические реакторы и их классификация

Химический реактор ? устройство, аппарат для проведения химических превращений (химических реакций). Общие схемы некоторых из них приведены в соответствии с рисунком 12. Классификация реакторов. Критериями, по которым классифицируют реакционную аппаратуру является периодичность или непрерывность процесса, его гидродинамический и тепловой режимы, физические свойства взаимодействующих веществ. По принципу организации процесса химическая реакционная аппаратура может быть разделена на три группы:1 непрерывного действия; 2 периодического действия; 3 полунепрерывного действия; по гидродинамическому режиму различают следующие типы реакторов:1 полного вытеснения; 2 полного смешения; по тепловому режиму работы реакторы делят на следующие типы: 1 изотермический реактор; 2 адиабатический реактор; 3.политермический реактор; по фазовому состоянию:1 гомогенные; 2 гетерогенные [7].



Рисунок 12 Схемы химических реакторов: Г ? газ, Ж ? жидкость, Т ? теплоноситель, Н ? насадка, Тв ? твердый реагент, К ? катализатор, Хг ? холодный газ

Реакторы периодические. Реакторы периодические характеризуются единовременной загрузкой реагентов. При этом процесс состоит из трех стадий: загрузки сырья, его обработки (химическое превращение) и выгрузки готового продукта. После завершения последовательности этих стадий они повторяются вновь, т.е. работа реактора осуществляется циклически. Реактор идеального смешения периодический, называемый сокращенно РИС ? П, представляет собой аппарат с мешалкой, в который периодически загружают исходные реагенты. В таком реакторе создается весьма интенсивное перемешивание, поэтому в любой момент времени концентрация реагентов одинакова во всем объеме реактора и изменяется лишь во времени, по мере протекания химической реакции. Такое перемешивание можно считать идеальным.

Реакторы периодического действия просты по конструкции, требуют небольшого числа вспомогательного оборудования, поэтому они особенно удобны для проведения опытных работ по изучению химической кинетики. В промышленности они обычно используются в малотоннажных производствах и для переработки относительно дорогостоящих химических продуктов. Большинство же промышленных процессов оформляется с использованием реакторов непрерывного действия [7, 29].

Реакторы непрерывного действия. В реакторах непрерывного действия (или проточных реакторах) питание реагентами и отвод продуктов реакции осуществляется непрерывно. Если в периодическом реакторе можно непосредственно, по часам, измерить продолжительность реакции, то в реакторе непрерывного действия этого сделать нельзя, так как при установившемся режиме в этих реакторах параметры не меняются со временем. Реакторы идеального вытеснения. Реактор идеального вытеснения (РИВ) представляет собой трубчатый аппарат, в котором отношение длины трубы L к ее диаметру d достаточно велико. В реактор непрерывно подаются исходные реагенты, которые превращаются в продукты реакции по мере перемещения их по длине реактора. Гидродинамический режим в РИВ характеризуется тем, что любая частица потока движется только в одном направлении по длине реактора, обратное (продольное) перемешивание отсутствует; отсутствует также перемешивание по сечению реактора. Предполагается, что распределение вещества по этому сечению равномерное, т.е. значения параметров реакционной смеси одинаковые.

Реактор идеального смешения непрерывный. Реактор идеального смешения непрерывный (РИС ? Н) представляет собой аппарат с мешалкой, в который непрерывно подаются реагенты, и также непрерывно выводятся из него продукты реакции. В РИС? Н наблюдается резкое изменение концентрации исходного реагента при входе в реактор в результате мгновенного смешения поступающей смеси с реакционной массой, уже находящейся в реакторе, где концентрация исходного реагента значительно ниже, чем концентрация исходного реагента в поступающей смеси [7, 29].

Реакторы полунепрерывные. В полунепрерывных реакторах одна из вспомогательных операций - загрузка реагентов или выгрузка продуктов реакции - осуществляется периодически, а вторая - непрерывно. Примером такого реактора может служить доменная печь, в которую непрерывно загружают твердую шихту, а готовый продукт (чугун) выпускают периодически. В печи разложения СаСО3 с получением и наоборот, шихта (уголь и ) загружаются периодически, а продукты реакции ( и ) выводятся непрерывно. Так же осуществляется процесс в газогенераторах: уголь (шихта) загружается периодически, а продукт реакции - генераторный газ - выводится непрерывно [7, 29].

Температурный режим реакторов. Температура существенно влияет на результат химического процесса в целом и особенно на химическую реакцию. Поэтому для создания в реакторе оптимальных температурных условий, в частности определенного профиля температур, необходимо учитывать тепловой эффект реакции, подвод или отвод теплоты, теплофизические свойства реагирующих веществ, температуры на входе и выходе из реактора, а также гидродинамическую обстановку в нем.

В зависимости от температурного режима различают три основных типа реакторов: адиабатический, изотермический и политермический. Адиабатическими называют реакторы идеального вытеснения, работающие без подвода и отвода теплоты в окружающую среду через стенки реактора или при помощи теплообменных элементов. Вся теплота, выделяемая (поглощаемая) в реакторе, аккумулируется реакционной смесью. Изотермическими называют реакторы, в которых процесс протекает при постоянной температуре во всем объеме реактора. Изотермичность достигается прежде всего весьма интенсивным перемешиванием реагентов, в результате которого температура во всех точках реактора становится одинаковой. Это происходит в реакторах с сильным перемешиванием реагентов, близким к полному смешению. Изотермический режим приближенно достигается и в реакторах вытеснения при протекании в них процессов с малыми тепловыми эффектами или при весьма низкой концентрации реагентов. Политермическими называют реакторы, которые характеризуются частичным отводом теплоты реакции или подводом теплоты извне в соответствии с заданной программой изменения температуры по высоте реактора вытеснения или неполного смешения. Реакторы такого типа называют также программно ? регулируемыми. Политермичны во времени реакторы полного смешения периодического действия. Реакторы полного смешения, работающие без отвода теплоты в окружающую среду и без применения теплообменных элементов" являются одновременно изотермическими и интегрально ? адиабатическими, так как конечную температуру на выходе из реактора можно определить по уравнению адиабаты. Она равна средней температуре в реакторе. Реакторы смешения с наличием теплообменных элементов, в которых часть теплоты подводится или отводится, также изотермичны. При изучении и количественной оценке процессов, происходящих в реакторе, для вывода расчетных уравнений температурного режима используют тепловые балансы.

Реакторы для гомогенных процессов. Периодические гомогенные процессы проводят в резервуарах, кубах или автоклавах, в которых реакционную смесь перемешивают каким ? либо способом. Примером такого реактора может служить РИС ? П. Для непрерывных процессов используются реакторы РИВ или РИС ? Н, а также комбинации этих реакторов. К наиболее распространенным непрерывным реакторам для гомогенных реакций относится охлаждаемый трубчатый реактор вытеснения (в соответствии с рисунком 13), представляющий собой видоизмененный вариант рассмотренного ранее РИВ. Реактор изготовлен в виде змеевика, охлаждаемого снаружи. Большая поверхность труб обеспечивает интенсивный отвод тепла в тех случаях, когда тепловой эффект реакции очень велик. Каскад реакторов смешения, приведенный в соответствии с рисунком 13д, отличается от рассмотренного ранее К? РИС тем, что реагент В добавляется в аппарат постепенно. Это позволяет поддерживать оптимальный режим процесса.

Реакторы для гетерогенных процессов. При создании реакторов для проведения гетерогенных процессов необходимо принимать во внимание несколько факторов, усложняющих конструкцию. Во ? первых, в гетерогенных системах компоненты находятся в различных фазах, поэтому протекающие в них процессы связаны с переносом вещества через поверхность соприкосновения фаз. В этом случае на скорость процесса значительное влияние оказывают физические факторы: размер и состояние поверхности раздела фаз, диффузия вещества из одной фазы к поверхности раздела фаз и в объем второй фазы, а также обратная диффузия образующихся продуктов и т. д. Поэтому конструкция реактора для гетерогенных процессов должна обеспечивать наилучшие условия для массопередачи и, кроме того, создавать возможно большую поверхность соприкосновения фаз. В ряде случаев в конструкции аппарата должны быть предусмотрены обновления поверхности контакта фаз [10, 31].

Рисунок 13 Основные типы реакторов и некоторые формы реакторных систем для проведения гомогенных реакций: а -- кубовый реактор непрерывного действия с перемешиванием; б -- реактор полупериодического действия с перемешиванием; в -- реактор периодического действия с перемешиванием; г -- каскад кубовых реакторов непрерывного действия; д -- то же, с распределением сырья; е -- трубчатый реактор непрерывного действия; ж -- то же, с предварительным смешиванием сырьевых потоков; з -- трубчатый реактор непрерывного действия с поперечным распределением сырья; и -- охлаждаемый однотрубный реактор; к -- многотрубный реактор с теплообменом



Реакторы для проведения реакций в системах г? т и ж? т. Характеристика промышленных реакторов во многих случаях довольно близка по своим показателям к характеристике реакторов с идеальным режимом движения реакционной смеси, поэтому последние могут служить исходной моделью для расчета и детального исследования промышленных реакторов. При этом реакторы (в соответствии с рисунком 14) для проведения гетерогенных процессов г -- т и ж -- т с достаточной степенью точности можно отнести к одной из двух групп: реакторы, в которых реакционная смесь находится в условиях, близких к режиму вытеснения, и реакторы, в которых условия близки к режиму смешения [10, 31].

Рисунок 14 Принципиальные схемы аппаратов для проведения некаталитических реакций между газом и твердым веществом или жидкостью и твердым веществом: а -- противоточный аппарат, работающий в режиме вытеснения; б -- аппарат с параллельным током, работающий в режиме вытеснения; в-- аппарат с перекрестным током, работающий в режиме вытеснения; г -- аппарат со смешанной организацией потока, работающий в режиме вытеснения (с механической мешалкой); д -- полупернодический реактор, газ--в режиме вытеснения; е -- реактор для превращения твердого вещества в потоке газа, твердая фаза -- в режиме смещения, газ -- в промежуточном режиме между смешением и вытеснением; ж --аппарат с псевдоожиженным слоем, твердая фаза -- в режиме смешения, газ -- в промежуточном режиме



Реакторы для проведения реакций в системах г -- ж и ж -- ж. Такие реакторы чаще всего конструируются по принципу абсорбционных аппаратов обычно непрерывного действия, реже применяются реакторы полупериодические с непрерывным питанием газом, еще реже периодические реакторы. Рассмотрим наиболее распространенные конструкции. Насадочная скрубберная и полая башни, показанные в соответствии с рисунком 15 а и г, широко применяются при оформлении самых разнообразных гетерогенных процессов в системе г -- ж. В таких башнях газообразный реагент движется снизу вверх навстречу орошающей жидкости. В насадочной башне жидкость смачивает насадку башни, при этом создается большая поверхность соприкосновения фаз. В полой башне соприкосновение фаз осуществляется через поверхность образующихся капель жидкости. Существенные достоинства этих реакторов состоят в том, что они имеют несложную конструкцию, обладают малым гидравлическим сопротивлением, доступны и просты в обслуживании. Недостатки башен заключаются в том, что они громоздки и малоинтенсивны. В этих башнях создают как противоток, так и параллельный ток [10, 31].

Рисунок 15 Принципиальные схемы аппаратов для проведения реакций между газом и жидкостью и между двумя труднорастворимыми жидкостями: а -- насадочная колонна; б -- барботажная колонна с колпачковыми тарелками; в -- барботажная колонна с сетчатыми тарелками; г -- распределительная колонна; д -- реактор идеального смешения одностадийный контакт фаз;



1.5 Загрязнение окружающей среды промышленными предприятиями

Экологическая проблема - проблема взаимоотношений общества и природы, сохранения окружающей среды. На протяжении тысячелетий человек постоянно увеличивал свои технические возможности, усиливал вмешательство в природу, забывая о необходимости поддержания в ней биологического равновесия. Экологическая проблема современного мира не только остра, но и многогранна. Она появляется практически во всех отраслях материального производства, имеет отношение ко всем регионам планеты [11].

Тепловое загрязнение ? один из видов физического загрязнения, происходящего в результате повышения температуры среды за счет использования человеком энергии, главным образом при сжигании ископаемого топлива (90%).

В промышленных центрах и крупных городах атмосфера подвергается тепловому загрязнению в связи с тем, что в атмосферу поступают вещества с более высокой температурой, чем окружающий воздух. Температура выбросов обычно выше средней многолетней температуры приземного слоя воздуха. Из труб промышленных предприятий, выхлопных труб двигателей внутреннего сгорания, при отоплении домов, лесных пожарах выделяются вещества, нагретые до 60 градусов Цельсия и более. Среднегодовая температура атмосферного воздуха над крупными городами и промышленными центрами на 6? 7 градусов выше температуры воздуха прилегающих территорий. Специалисты отмечают, что в последние 25 лет средняя температура тропосферы поднялась на 0,7 градусов Цельсия [12; 13].

Тепловое загрязнение атмосферы. В основном существуют три основных источника загрязнения атмосферы: промышленность, бытовые котельные, транспорт. Доля каждого из этих источников в общем загрязнении воздуха сильно различается в зависимости от места. Сейчас общепризнанно, что наиболее сильно загрязняет воздух промышленное производство. Источники загрязнений ? теплоэлектростанции, которые вместе с дымом выбрасывают в воздух сернистый и углекислый газ; металлургические предприятия, особенно цветной металлургии, которые выбрасывают в воздух окислы азота, сероводород, хлор, фтор, аммиак, соединения фосфора, частицы и соединения ртути и мышьяка; химические и цементные заводы. Вредные газы попадают в воздух в результате сжигания топлива для нужд промышленности, отопления жилищ, работы транспорта, сжигания и переработки бытовых и промышленных отходов. Атмосферные загрязнители разделяют на первичные, поступающие непосредственно в атмосферу, и вторичные, являющиеся результатом превращения последних. Так, поступающий в атмосферу сернистый газ окисляется до серного ангидрида, который взаимодействует с парами воды и образует капельки серной кислоты. При взаимодействии серного ангидрида с аммиаком образуются кристаллы сульфата аммония. Подобным образом, в результате химических, фотохимических, физико ? химических реакций между загрязняющими веществами и компонентами атмосферы, образуются другие вторичные признаки. Основным источником пирогенного загрязнения на планете являются тепловые электростанции, металлургические и химические предприятия, котельные установки, потребляющие более 70% ежегодно добываемого твердого и жидкого топлива. Основными вредными примесями пирогенного происхождения являются следующие:

а) Оксид углерода. Получается при неполном сгорании углеродистых веществ. В воздух он попадает в результате сжигания твердых отходов, с выхлопными газами и выбросами промышленных предприятий. Ежегодно этого газа поступает в атмосферу не менее 250 млн. т. Оксид углерода является соединением, активно реагирующим с составными частями атмосферы и способствует повышению температуры на планете, и созданию парникового эффекта.

...