Теплотехника

Классификации наиболее типичных и относительно широко распространенных топочных устройств со слоевым сжиганием топлива показана на рис.15.2.

В зависимости от способа организации процесса сжигания топлива слоевые топки можно разделить на три группы:

1) с неподвижной колосниковой решеткой и неподвижным слоем топлива (рис.15.2,а, б);

2) с неподвижной колосниковой решеткой и перемещением топлива по решетке (рис.15.2 в, г, д);

3) с подвижной колосниковой решеткой и движущимся вместе с ней слоем топлива (рис.15.2 е).

В показанную на рис.15.2,а топку топливо загружают вручную и вручную удаляют очаговые остатки через зольник. Из-за большой затраты физического труда топки этого типа используют только для котлов малой паропроизводительности (до 0,5 кг/с).

На рис.15.2,б показана полумеханическая топка с пневмомеханическим забрасывателем (ПМЗ) (рис.15.3) и ручными поворачивающимися колосниками (РПК).

Топливо забрасывается питателем ПМЗ и равномерно распределяется по решетке, Удаляют очаговые остатки путем их сбрасывания в зольный бункер при повороте колосников около своей оси от ручного привода. В топке, показанной на рис. 15.2, в, загрузка осуществляется под воздействием собственного веса топлива. Топки с наклонной решеткой (с углом 40-50, что соответствует углу естественного откоса сжигаемого топлива) используют обычно для сжигания древесных отходов и кускового торфа. Возвратно-поступательное движение колосников на наклонно-переталкивающей решетке (рис. 15.2,г) дает возможность осуществить непрерывную шуровку слоя топлива, В таких топках возможно сжигание горючих сланцев, бурых углей с большой зольностью и повышенной влажностью и каменных углей с большим выходом летучих веществ.

Топки с шурующей планкой (рис. 15.2,д) предназначены для сжигания многозольных бурых и неспекающихся каменных углей. Шурующая планка выполняется в виде трехгранной призмы из литого чугуна или стали. Угол наклона передней плоскости к горизонтальной плоскости составляет 35, а задней - 15. При движении вперед (к задней стенке топки) топливо подрезается задней гранью и осуществляется шуровка горящего слоя топлива.

Камерные топки для сжигания твердого топлива используют в котельных агрегатах средней (10-42 кг/с) и большой ( 42 кг/с) производительности.

Основные преимущества камерных топок заключаются в следующем:

1) возможность экономичного использования практически всех сортов угля, в том числе и низкокачественных, которые трудно сжигать в слое;

2) хорошее перемешивание топлива с воздухом, что позволяет работать с небольшим избытком воздуха (а=1,2-1,25);

3) возможность повышения единичной мощности котельного агрегата:

4) относительная простота регулирования режима работы и, следовательно, возможность полной автоматизации топочного процесса.

15.2 Сжигание топлива

Сжигание твердого топлива в факеле. Большое значение для работы пылеугольных топок имеет конструкция применяемых горелок. Горелки должны обеспечивать хорошее перемешивание топлива с воздухом, надежное зажигание аэросмеси, максимальное заполнение факелом топочной камеры и легко поддаваться регулированию по производительности в заданных пределах.

Сжигание мазута и газов в топках. Жидкое топливо, сжигаемое в топках, подвергается предварительному распылению с помощью форсунки, являющейся элементом горелки. Пол горелкой в общем случае понимается агрегат, включающий помимо форсунки воздухонаправляющий аппарат, запальное устройство и механизм управления.

Качественное сжигание жидкого топлива обуславливается тонкостью его распыления. Для этой цели используют форсунки, которые, кроме того, обеспечивают необходимый диапазон регулирования расхода топлива и устойчивое зажигание смеси.

В зависимости от способа распыления топлива форсунки подразделяются на четыре класса: механические, паровые, воздушные (пневматические) и комбинированные. На рис.15.4 показаны принципиальные схемы применяемых форсунок.

Форсунки с механическим распылением разделяют на прямоструйные, центробежные и ротационные. В прямоструйных форсунках (Рис.15.4,а) дробление струи топлива на мельчайшие капли происходит при его продавливании под значительным давлением (1-2 Мпа) через сопло малого диаметра.

В центробежных форсунках (Рис.15.4,б,в) топливо распыляется под действием центробежных сил, возникающих при закручивании топливного потока.

В ротационных форсунках (Рис.15.4,г) топливо подается внутрь быстро вращающегося распыливающегося стакана, где оно растекается под действием центробежных сил, образуя тонкую пленку. На выходной кромке стакана тонкая пленка подхватывается подводимым первичным воздухом.

Паровые и пневматические форсунки можно объединить в один класс - форсунки с распыливающей средой. В паровых форсунках (Рис.15.4,д) в качестве такой среды используют водяной пар с давлением 0,4-1,6 Мпа., а в пневматических форсунках (Рис.15.4,е) используют воздух низкого (0,002-0,008 Мпа) и высокого (0,2-1 Мпа и выше) давления.

Газовые горелки бывают:

кинетические - полного предварительного смешения (газ с воздухом смешивается до выхода из горелки);

диффузионно-кинетические - частичного предварительного смешения;

диффузионные - внешнего смешения.

По способу подачи воздуха горелки делятся на инжекционные и дутьевые (принудительной подачей воздуха).

На рис.15.5 показаны основные принципиальные схемы газовых горелок.

15.3 Теплотехнические показатели работы топок

Важнейшая теплотехническая характеристика топочных устройств, основываясь на которой решают вопросы их конструкции и оценивают интенсивность работы, - тепловое напряжение объема топочного пространства. Оно выражается отношением Q/V_т и представляет собой количество теплоты, выделившейся при сжигании определенного количества топлива в единицу времени В и приходящейся на 1 куб.м. объема топочного пространства, т.е.:

q_n = Q/V_т = Q^p_н B/V_т. (15.1)

Единицей измерения q для является Вт/м³.

Если значение q будет превышать определенную числовую величину, установленную практически, то за время нахождения в топке топливо не сгорит полностью. Опыт эксплуатации котельных агрегатов показал, что для различных видов топлива, способов сжигания и конструкций топок допустимое значение q_n изменяется в широких пределах. Например, для слоевых топок с неподвижной решеткой и ручным забросом топлива q_n = 290 - 350 кВт/м³, у слоевых механизированных топок q_х =290 - 465 кВт/м³, для камерных топок при сжигании угольной пыли q_n = 145 - 230 кВт/м³, а при сжигании в них газа или мазута q_х = 230 - 460кВт/м³.

В слоевых топках, в которых часть топлива сгорает в слое, а другая часть в топочном пространстве, применяют еще одну характеристику интенсивности тепловой работы топки, называемую тепловым напряжением зеркала горения и имеющую вид:

q_R=Q/R=Q^p_н/R. (15.2)

Единицей измерения для q_R является Вт/м²; В - кг/с; Q^р_н - Дж/кг и для - R м³.

Эта характеристика представляет собой количество теплоты, выделившейся при сжигании определенного количества топлива в единицу времени и приходящейся на 1 м² площади поверхности зеркала горения. Установлено, что чем больше q_R, тем больше потеря теплоты от механического недожога вследствие уноса из пределов топки мелких, не успевших сгореть частиц топлива. Значения теплового напряжения зеркала золы, конструкции топки и т.д. и изменяются в широких пределах - от 350 до 1100 кВ/м². Очевидно, что чем больше значение q_u и q_R для заданных размеров топки и одного и того же вида топлива, тем интенсивней (форсированней) протекает работа топки, т.е. больше сжигается топлива в единицу времени и больше вырабатывается теплоты. Однако форсировать топку можно лишь до определенного предела, ибо в противном случае возрастают потери от химической и механической неполноты сгорания и снижается КПД.

Тема 16. Горение топлива

16.1 Физический процесс горения топлива

Горение топлива - химическая реакция соединения горючих элементов топлива с окислителем при высокой температуре, сопровождающийся интенсивным выделением теплоты. В качестве окислителя используют кислород воздуха.

Процессы горения разделяют на 2 группы:

1). гомогенное горение - горение газообразных горючих (характеризуется системой "газ+газ");

2). гетерогенное горение - горение твердых и жидких горючих (характеризуется системой "твердое тело+газ" или "жидкость+газ").

Процесс горения может протекать с разной скоростью - от медленного до мгновенного. Медленное горение - самовозгорание твердого топлива при его хранении на складах. Мгновенное горение представляет собой взрыв. В теплоэнергетических установках практическое значение имеет такая скорость реакции, при которой происходит устойчивое горение, т.е. при постоянной подаче в зону горения топлива и окислителя. При этом соотношение концентрации топлива и окислителя должен быть определенным. При нарушении этого соотношения (богатая смесь, бедная смесь) скорость реакции снижается и уменьшается тепловыделение на единицу объема.

Горение - это в основном химический процесс, т.к. в результате его протекания происходит качественные изменения состава реагирующих масс. Но в то же время химическая реакция горения сопровождается различными физическими явлениями: перенос теплоты, диффузионный перенос реагирующих масс и др.

Время горения топлива складывается из времени протекания физических (i_физ) и химических процессов (i_хим):

i_гор = i_физ + i_хим . (16.1)

Время протекания физических процессов состоит из времени, необходимого для смешивания топлива с окислителем (i_см) и времени, в течении которого топливо - воздушная смесь подогревается до температуры воспламенения (t_н):

i_физ = i_см + i_н . (16.2)

Время горения (i_гор) определяется скоростью наиболее медленного процесса.

Горение газообразного топлива. Минимальная температура при которой происходит воспламенение смеси, называется температурой воспламенения. Значение этой температуры для различных газов неодинаково и зависит от теплофизических свойств горючих газов, содержания горючего в смеси, условий зажигания, условий отвода теплоты в каждом конкретном устройстве и т.д.

Горючий газ в смеси с окислителем сгорает в факеле. Различают два метода сжигания газа в факеле - кинетический и диффузионный. При кинетическом сжигании до начала горения газ предварительно смешивается с окислителем. Газ и окислитель подаются сначала в смешивающее устройство горелки. Горение смеси осуществляется вне пределов смесителя. При этом скорость горения не должна превышать скорости химических реакций горения i_гор = i_хим.

Диффузионное горение происходит в процессе смешивания горючего газа с воздухом. Газ поступает в рабочий объем отдельно от воздуха. Скорость процесса будет ограничена скоростью смешивания газа с воздухом i_гор = i_физ.

Кроме этого существует смешанное (диффузионно-кинетическое) горение. При этом газ предварительно смешивается с некоторым количеством воздуха, затем полученная смесь поступает в рабочий объем, где отдельно подается остальная часть воздуха.

В топках котельных агрегатов в основном используют кинетический и смешанный способы сжигания топлива.

Горение твердого топлива. Процесс горения состоит из следующих стадий: 1) подсушка топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ; 2) воспламенение летучих веществ и их выгорание; 3) нагревание кокса до воспламенения; 4) выгорание горючих веществ из кокса. Эти стадии иногда частично накладываются одна на другую.

Выход летучих веществ у различных топлив начинается при различных температурах: у торфа при 550-660К, у бурых углей при 690-710К, у тощих углей и антрацита при 1050-1070К.

Горение жидкого топлива. Основным жидким топливом, используемым в теплоэнергетике и промышленной теплотехнике является мазут. В установках небольшой мощности также используют смесь технического керосина со смолами.

Наибольшее применение получило метод сжигания в распыленном состоянии. Этот метод позволяет значительно ускорить его сгорание и получить высокие тепловые напряжения объемов топочных камер вследствие увеличения площади поверхности контакта топлива с окислителем.

Процесс горения жидкого топлива можно разделить на следующие стадии: 1) нагревание и испарение топлива; 2) образование горючей смеси; 3) воспламенение горючей смеси от постороннего источника (искры, раскаленной спирали и т.п.); 4) собственно горение смеси.

16.2 Определение теоретического и действительного расхода воздуха на горение топлива

Горючие вещества топлива взаимодействуют с кислородом воздуха в определенном количественном соотношении. Расход кислорода и количество получающихся продуктов сгорания рассчитывают по стехиометрическим уравнениям горения, которые записывают для 1 кмоля каждой горючей составляющей.

Стехиометрические уравнения горения горючих составляющих твердого и жидкого топлива имеют вид:

углерода С + О₂ = СО₂:

12кг С + 32кг О₂ = 44кг СО₂ ;

1кг С + (32/12)кг О₂ = (44/12)кг СО₂ ; (16.3)

водорода 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О :

4кг Н₂ + 32кг О₂ = 36кг Н₂О ;

1кг Н₂ + 8кг О₂ = 9кг Н₂О . (16.4)

серы S + O₂ = SO₂ :

32кг S + 32кг O₂ = 64кг SO₂ ;

1кг S + 1кг O₂ = 2кг SO₂ ; (16.5)

Для горения 1 кг углерода, водорода и серы необходимо соответственно 8/3, 8 и 1 кг кислорода. В топливе находится С^р/100 кг углерода, Н^р/100 кг водорода, S_л^р/100 кг летучей серы и О^р/100 кг кислорода. Тогда для горения 1 кг топлива суммарный расход кислорода будет равен:

М^о_О2 = (8/3С^р + 8Н^р + S_л^р - О^р ) / 100 . (16.6)

Так как массовая доля кислорода в воздухе равна 0,232, то массовое количество воздуха определяется по формуле:

М^о = (8/3С^р + 8Н^р + S_л^р - О^р ) / 100 · 100/23,2 .

М^о = 0,115 С^р + 0,345 Н^р + 0,043(S_л^р - О^р ) . (16.7)

При нормальных условиях плотность воздуха r_о= 1,293кг/м³. Тогда объемное количество воздуха, необходимого для горения 1кг топлива можно рассчитать по следующей формуле:

V^о = М^о / с_о= М^о / 1,293 м³ /кг.

V^о = 0,0889 (С^р + 0,3755S_л^р ) + 0,265 Н^р - 0,033О^р . (16.8)

Для газообразного топлива расход необходимого воздуха V^о определяют из объемных долей горючих компонентов газа с использованием стехиометрических реакций:

Н₂ + 0,5 О₂ = Н₂О ;

СО + 0,5 О₂ = СО₂ ;

СН₄ + 2 О₂ = СО₂ + 2Н₂О ;

Н₂S+ 1,5О₂ = SО₂ + Н₂О .

Теоретическое количество воздуха (м³/м³), необходимого для сжигания газа, определяют по формуле:

V^о = 0,0476 [0,5СО + 0,5Н₂ + 2СН₄ +

+ 1,5Н₂S + S(m + n/4)C_mH_n - O₂] . (16.9)

Количество воздуха V^о, рассчитываемого по формулам (16.8) и (16.9), называется теоретически необходимым. То есть V^о представляет собой минимальное количество воздуха, необходимое для обеспечения полного сгорания 1 кг (1м³) топлива при условии, что при горении используется весь содержащийся в топливе и подаваемый вместе с воздухом кислород.

В реальных условиях из-за технических трудностей ощущается местный недостаток или избыток окислителя (воздуха), в результате ухудшается полное горение топлива. Поэтому воздух подается в большем количестве по сравнению с его теоретическим количеством V^о. Отношение действительного количества воздуха (V_д), подаваемого в топку, к теоретически необходимому количеству называется коэффициентом избытка воздуха:

a = V_д / V^о . (16.10)

16.3 Количество продуктов сгорания топлива

При полном сгорании топлива продукты сгорания содержат газы: СО₂, S₂O, N₂, О₂ и пары воды Н₂О, т. е.

СО₂ + S₂O + N₂ + О₂ + Н₂О = 100 %.

Полный объем продуктов сгорания V_г (м³/кг) представляет собой сумму объемов сухих газов V_с.г. и водяных паров V_Н2О:

V_г = V_с.г. + V_Н2О , (16.11)

при этом V_с.г. = V_RO2 + V_N2 + V_O2 ,

где V_R2O = V_CO2 + V_SO2 - объем трехатомных газов, м³/кг ;

V_N2 + V_{O2 -} объем двухатомных газов, м³/кг.

1.При a_т = 1

1. Для твердых (кроме сланцев) и жидких топлив теоретические объемы (м³/кг) продуктов полного сгорания определяются по формулам:

а). объем двухатомных газов :

V^o_N2 = 0,79V^o + 0,8N^o/100 ; (16.12)

б). объем трехатомных газов :

V_RO2 = 0,0187(С^р + 0,375 S^р_л) ; (16.13)

в). объем сухих газов :

V^o_с.г. = V_RO2 + V^o_N2 =

= 0,0187 (С^р + 0,3753 S^р_л) + 0,79V^o + 0,8N^o/100; (16.14)

г). объем водяных паров :

V^o_Н2О = 0,0124(9Н^р + W^р) + 0,0161V^o ; (16.15)

д). полный объем продуктов сгорания :

V^o_г = V^o_с.г. + V^o_Н2О = 0,0187 (С^р + 0,3753 S^р_л) + 0,79V^o + 0,8N^o/100 +0,0124(9Н^р + W^р) + 0,0161V^o ; (16.16)

2. Для сланцев объем трехатомных газов определяется по формуле :

V_RO2К = V_RO2 + [0,509(СО₂)^р_к / 100] К = 0,0187(С^р + 0,375 S^р_л) [0,509(СО₂)^р_к / 100] К , (16.17)

где К - коэффициент разложения карбонатов:

при слоевом сжигании К= 0,7 ;

при камерном - 1,0 .

3. Для газообразного топлива теоретические объемы продуктов сгорания (м³/м³) определяются по формулам:

а). объем двухатомных газов

V^o_N2 = 0,79 V^o + N₂ / 100 ; (16.18)

б). объем трехатомных газов

V_RO2 = 0,01[СO₂ + СО + Н₂S + SmC_mH_n] ; (16.19)

в). объем сухих газов :

V^o_с.г. = V_RO2 + V^o_N2 ; (16.20)

г). объем водяных паров

V^o_H2O = 0,01[Н₂S + Н₂ + S(n/2)C_mH_n + 0,124d_г + 0,0161V^o , (16.21)

где d_г - влагосодержание газообразного топлива, отнесенное к 1 м³ сухого газа, г/м³;

д). полный объем продуктов сгорания

V^o_г = V^o_с.г. + V^o_Н2О . (16.22)

Б. При a_т 1

1. Для твердых (кроме сланцев), жидких к газообразных топлив объемы продуктов полного сгорания (мД/кг) определяются по формулам:

а). объем сухих газов :

V_с.г. = V^o_с.г. + (a_т - 1)V^o = V_RO2 + V^o_N2 + (a_т - 1)V^o ; (16.23)

б).объем водяных паров :

V_H2O = V^o_H2O + 0,0161(a_т - 1)V^o ; (16.24)

в). полный объем продуктов сгорания определяется по (3.31).

2. Для сланцев полный объем продуктов сгорания (м³/кг) :

V_г.к. = V_RO2к + V^o_N2 + V_H2O = V_RO2к + V^o_N2 + 0,0124(9Н^р + W^р) + 0,0161a_тV^o _. (16.25)

Содержание СО₂, S₂O и RO₂ в сухих газах при полном сгорании топлива определяется по формулам:

СО₂ = (V_CO2 / V_с.г.) ; (16.26)

S₂O = (V_SO2 / V_с.г.) ; (16.27)

RO₂ = (V_RO2 / V_с.г.) . (16.28)

Максимальное содержание (%) трехатомных газов RO₂^max в сухих газах при полном сгорании топлива:

RO₂^max = 21 / (1 + b), (16.29)

b - характеристика топлива;

для твердого и жидкого :

b = 2,35 (Н^р - 0,126О^р + 0,04N^р) / (С^р + 0,375S^р_л) ; (16.30)

для газообразного :

b = 0,21 (0,01N₂ + 0,79V^o) / V_RO2 - 0,79 . (16.31)

Содержание (%) азота N₂, и кислорода, в сухих газах и полном сгорании топлива:

N₂ = 100 - RO₂ - O₂ ; (16.32)

O₂ = 21 - bRO₂ - RO₂ . (16.33)

Масса продуктов сгорания.

а). Для твердого (кроме сланцев) и жидкого топлива (кг/кг) :

М_г = 1 - 0,01А^р + 1,306a_тV^o ; (16.34)

б). для газообразного топлива (кг/м³) :

М_г = r^с_г.т. + 0,001d _г.т. + 1.306a_тV^o , (16.35)

r^с_г.т. - плотность сухого газа, кг/м³ ; d _г.т. - содержание влаги в топливе, кг/м³ ;

в). для сланцев (кг/кг):

М_г.к. = 1- 0,01А^р_к + 1,306a_тV^o + 0,01(СО₂) ^р_кК , (16.36)

где А^р_к - расчетное содержание золы в топливе с учетом неразложившихся карбонатов, %, К - коэффициент разложения карбонатов: при слоевом сжигании К == 0,7, при камерном - 1,0.

Расчетное содержание (%) золы в топливе с учетом неразложившихся карбонатов:

А^р_к = А^р +(1 - К) (СО₂) ^р_к . (16.37)

Для твердых топлив концентрация золы в продуктах сгорания определяется по формуле:

h_зл = А^р а_ун / (100 М_г) , (16.38)

где а_ун - доля золы топлива, уносимой продуктами сгорания.

Коэффициент избытка воздуха в топке. При полном сгорании топлива коэффициент избытка воздуха в топке определяется по формуле:

a_т = 21 / (21 - 79 O₂ / N₂) , (16.39)

где O₂ и N₂ - содержание кислорода и азота в газах, (%).

Тема 17. Компрессорные установки

17.1 Объемный компрессор

Сжатый воздух получается с помощью различного типа компрессоров. Компрессоры низкого давления называют вентиляторами и применяют для перемещения и подачи воздуха в калориферы сушильных установок, воздухоподогреватели, топки, а также для преодоления сопротивления движению газов, чтобы обеспечить тягодутьевой режим в различных установках.

По принципу устройства и работы компрессоры делятся на две группы - объемные и лопаточные. Объемные компрессоры подразделяются на поршневые и ротационные, а лопаточные - на центробежные и осевые (аксиальные). Несмотря на конструктивные различия термодинамические принципы их работы аналогичны между собой.

Объемный компрессор - это компрессор статического сжатия, которое происходит в нем вследствие уменьшения объема, где заключен газ.

Одноступенчатый поршневой компрессор. На рис.17.1,а показана принципиальная схема одноступенчатого поршневого компрессора. Коленчатый вал компрессора приводится во вращение от электродвигателя или от поршневого двигателя внутреннего сгорания. При движении поршня от ВМТ к НМТ в цилиндр с охлаждаемой рубашкой через автоматически открывающийся клапан А из окружающей среды всасывается газ. Нагнетательный клапан В закрыт под действием давления газов в резервуаре, которое больше атмосферного. При обратном движении поршня от НМТ к ВМТ газ начинает сжиматься, давление его увеличивается, и всасывающий клапан закрывается. Процесс сжатия продолжается до тех пор, пока давление в цилиндре не станет равным (практически несколько больше) давлению в резервуаре. Тогда клапан В открывается, и начинается процесс нагнетания сжатого газа в резервуар до тех пор, пока поршень не придет в ВМТ.

Рассмотрим рабочий процесс в рV - координатах для идеального одноступенчатого компрессора (идеального в том смысле, что в нем не учитываются потери на трение, а утечки газа и объем вредного пространства (объем между крышкой цилиндра и днищем поршня при его положении его в ВМТ) принимаются равными нулю, т. е. на рис.17.1,б положение ВМТ будет совпадать с осью ординат). Обозначим: V_h - рабочий (полезный) объем цилиндра; P₁ -- давление окружающей среды; P₂ - давление газа в резервуаре; процессы: D-1 - всасывание; 1-2 - сжатие; 2-C - нагнетание.

С началом нового хода поршня снова открывается всасывающий клапан, давление в цилиндре падает от Р₂ до Р₁ теоретически мгновенно, т. е. по вертикали С-D, и рабочий процесс повторяется, завершаясь, таким образом, за два последовательных хода поршня. Следовательно, компрессор представляет собой двухтактную машину. Площадь теоретической индикаторной диаграммы D-1-2-C, которая графически изображает круговой процесс, измеряет работу, расходуемую компрессором за один оборот его вала. Нужно иметь в виду условность названия кругового процесса (цикла) компрессора, так как всасывание и нагнетание не являются термодинамическими процессами, поскольку они происходят при переменном количестве газа. В этом состоит отличие индикаторной диаграммы от pх-диаграммы, которая строится для постоянного количества рабочего тела. В индикаторной диаграмме D-1-2-C сжатие газа 1-2 - термодинамический процесс, ибо в нем участвует постоянное количество газа. Очевидно, что при одном и том же конечном давлении P₂ конечный объем х₂ будет различен в зависимости от характера кривой процесса сжатия 1-2, а значит, будет различна и работа, затрачиваемая на привод компрессора.

Как следует из рис. 17.1б, наиболее выгодным процессом сжатия по затрате работ извне для привода компрессора является изотермический процесс 1-2'. В этом случае соблюдаются также идеальные условия для сохранения качества смазочных масел (вязкость, температура вспышки и др.). Однако изотермическое сжатие газа в компрессоре практически неосуществимо, и кривая сжатия обычно располагается между изотермой и адиабатой и может быть принята за политропу с показателем n = 1,2--1,25. Чем интенсивнее будет охлаждение газа при сжатии (чаще всего водой, проходящей через рубашку компрессора), тем больше будет политропа сжатия 1-2 отклоняться от адиабаты 1-2" в сторону изотермы 1-2'. С уменьшением теплообмена показатель n увеличивается. Очевидно также, что с увеличением n при одном и том же отношении P₂/P₁ конечная температура сжатого газа Т₂ будет возрастать по закону:

Tⁿ₁P^1-n₁ = Tⁿ₂P^1-n₂

или T₂ = T₁(P₂/P₁)^(n-1)/n . (17.1)

Например, при P₁ = 0,1 МПа, t₁ = 16°С и конечной температуре t₂ = 160°С при адиабатном сжатии давление воздуха можно увеличить в 4 раза, а при политропном (n = 1,2) в 10 раз. То есть конечная температура сжатия Т₂ зависит от характера процесса сжатия. Наиболее невыгодным процессом является адиабатное сжатие.

Абсолютное значение работы, затрачиваемой на сжатие 1 кг газа в одноступенчатом идеальном компрессоре (А₀) может быть подсчитано так:

А₀ = А_сж + А_нагн - А_всас = т Рdv + Р₂ v₂ - Р₁ v₁ . (17.2)

По смыслу работы А₀, А_сж, А_нагн являются отрицательными, а работа процесса всасывания А_всас - положительной, так как на ее совершение энергия не затрачивается (трение отсутствует), и сопротивление воздуха, находящегося справа под поршнем при ходе всасывания, не учитывается, ибо не принимается также во внимание положительная работа этого воздуха при сжатии и нагнетании.

В зависимости от характера процесса сжатия т Рdv имеет значения:

для изотермического процесса:

А^т = Р₁ v₁ln(Р₁/Р₂);

для адиабатного процесса:

А^ад = 1/(b - 1)(P₁ v₁ - Р₂ v₂);

для политропного процесса:

А^пол = 1/(n - 1)(Р₁ v₁ - Р₂ v₂).

Чтобы не иметь дело с отрицательными величинами при подсчете работы сжатия, их умножают на -1. Это дает:

А^т = Р₁ v₁ln(Р₂/Р₁); А^ад = 1/(b - 1)(P₂ v₂ - Р₁ v₁);

А^пол = 1/(n - 1)(Р₂ v₂ - Р₁v₁).

Тогда теоретическая работа компрессора затрачиваемая на сжатие 1 кг газа, при изотермическом процессе сжатия выразится равенством:

А^т₀ = Р₁ v₁ln(Р₂/Р₁); (17.3)

при адиабатическом процессе сжатия:

А^ад₀ = b/(b - 1)P₁ v₁[(Р₂/Р₁) ^{(b - 1)/b} - 1]; (17.4)

при политропном процессе сжатия:

А^пол₀ = n/(n - 1)Р₁ v₁[(Р₂/Р₁) ^{(n - 1)/n} - 1]; (17.5)

При уменьшении производительности компрессора с увеличением давления сжатого воздуха и ухудшении при этом условий смазки из-за повышения температуры Т₂ одноступенчатый компрессор становится непригодным для получения сжатого газа высокого давления. Обычно одноступенчатые компрессоры применяют для получения сжатого газа давлением не выше 0,8--1 МПа. При необходимости иметь сжатый газ более высокого давления используют многоступенчатые компрессоры.

Многоступенчатый поршневой компрессор. В многоступенчатых компрессорах сжатие газов осуществляется последовательно в нескольких цилиндрах (до семи) с промежуточным охлаждением после каждого цилиндра в специальных холодильниках. При таком принципе работы сжатие газа в каждом цилиндре возможно при допустимом температурном режиме, обеспечивающем благоприятные условия смазки. В промежуточных холодильниках после каждого цилиндра газ охлаждают при постоянном давлении, равном давлению конечного сжатия в соответствующей ступени.

Рассмотрим в качестве примера работу трехступенчатого поршневого компрессора, схема которого приведена на рис.17.2, а рабочий процесс в pх- и тs- координатах (для идеального компрессора) -- на рис.17.3.

Газ всасывается в цилиндр низкого давления (процесс D-1 на рис.17.3), сжимается по политропе 1-2 до давления P₂ и нагнетается в промежуточный холодильник x₁, где при постоянном давлении P₂ охлаждается вследствие отдачи теплоты воде, омывающей змеевик. Из промежуточного холодильника сжатый газ при том же давлении P₂ всасывается во вторую ступень. Конечный объем всасывания V₃ < V₂; так как P₂ = Const, а T₃ < T₂. Во второй ступени газ сжимается по политропе до давления P₄ (процесс 3-4), нагнетается при этом давлении во второй промежуточный холодильник х₂ и оттуда поступает в третью ступень, где и сжимается до конечного заданного давления P₆ (процесс 5-6) и нагнетается в резервуар.

Работу многоступенчатого компрессора стремятся организовать так, чтобы обеспечивались следующие три условия:

1) полное охлаждение газа во всех холодильниках, т.е. температуру газа доводят до начальной температуры Т₁, которую он имел при входе в первую ступень (Т₁ = Т₃ = Т₅);

2) одинаковая конечная температура сжатия газа во всех ступенях, обеспечивающая во всех цилиндрах надежные условия смазки (Т₂ = Т₄ = Т₆);

3) одинаковые показатели политроп сжатия во всех цилиндрах, т.е.

n^I = n^II = n^III = n.

При выполнении этих условий перепады давлений (отношение конечного давления к начальному) во всех ступенях одинаковы, т.е. Р₂/Р₁ = Р₄ /Р₃ = Р₆/Р₅.

Для определения общей работы, затрачиваемой на привод многоступенчатого компрессора, необходимо просуммировать работы, затрачиваемые на сжатие газа по отдельным ступеням. Нетрудно показать, что при выполнении трех указанных условий А^I₀, А^II₀, А^III₀ будут одинаковы.

В соответствии с формулой (17.5) имеем:

А^I₀ = n/(n - 1)Р₁ v₁[(Р₂/Р₁) ^{(n - 1)/n} - 1] =

= n/(n - 1)RT₁[(Р₂/Р₁) ^{(n - 1)/n} - 1]; (17.6)

А^II₀ = n/(n - 1)Р₃ v₃[(Р₄/Р₃) ^{(n - 1)/n} - 1] =

= n/(n - 1)RT₃[(Р₄/Р₃) ^{(n - 1)/n} - 1]; (17.7)

А^III₀ = n/(n - 1)Р₅v₅[(Р₆/Р₅) ^{(n - 1)/n} - 1]=

= n/(n - 1)RT₅[(Р₆/Р₅) ^{(n - 1)/n} - 1]; (17.8)

Так как правые части уравнений равны, то А^I₀ = А^II₀ = А^III₀. Тогда теоретическая работа m ступенчатого компрессора, затрачиваемая на сжатие 1 кг газа, будет определяться произведением m*А₀.

Теоретическая мощность N₀ (Вт), затрачиваемая на привод компрессора, может быть определена по равенству:

N₀ = M·m*А₀ , (17.9)

где: M - производительность компрессора, кг/с; А₀ - теоретическая работа на сжатие 1 кг газа в одной ступени, Дж/кг; m - число ступеней компрессора.

Для определения действительной (эффективной) мощности N_е, необходимой для привода компрессора, нужно знать потери работы на преодоление сопротивлений клапанов и трубопроводов и на трение в соприкасающихся частях компрессора, которые учитываются механическим КПД:

N_е = N₀ / з_м = M·m*А₀ / з_м . (17.10)

Для поршневого компрессора з_м = 0,8--0,9.

17.2 Лопаточный компрессор

В отличие от объемного лопаточный компрессор - это компрессор динамического сжатия. Они бывают двух видов: центробежные и осевые (аксиальные).

Центробежный многоступенчатый компрессор (нагнетатель) рассчитан на подачу газов давлением до 0,8-1 МПа. Принцип его работы (рис. 17.4) следующий. Рабочее колесо 1 с радиально направленными каналами укреплено на валу 2 и вращается с помощью двигателя в корпусе 3. Воздух или газ, поступающий в каналы рабочего колеса, отбрасывается центробежной силой к периферии и попадает в лопаточный аппарат 4, лопатки которого образуют расширяющиеся каналы. В этих каналах вследствие уменьшения скорости воздуха (газа) повышается его давление. Далее сжатый воздух через напорный патрубок 5 поступает в нагнетательный трубопровод. По описанному принципу работают и центробежные вентиляторы, приводимые электродвигателями и создающие избыточное давление до 12 кПа.

Обычно в центробежных нагнетателях выходное сечение подбирается так, чтобы скорости газа на входе w₁ и на выходе w₂ были одинаковы. В этом случае теоретическая работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг газа в идеальном центробежном компрессоре, т.е. в таком, где отсутствует теплообмен с окружающей средой (потери теплоты через стенки равны нулю), может быть определена по уравнению (17.4).

На практике необходимо затрачивать большую работу, чем при адиабатном сжатии. Температура газов на выходе из нагнетателя будет всегда больше, чем в адиабатном процессе, за счет перехода работы трения в теплоту, повышающую конечную температуру воздуха.

Показатель политропы сжатия n = 1,5--1,55 в этом случае больше показателя адиабаты. Для центробежных нагнетателей h^ад_к = 0,7--0,8.

Осевой компрессор (рис.17.5,а) рассчитан на подачу сжатого газа давлением до 0,4--0,5 МПа. КПД его выше, чем у центробежного нагнетателя, и может достигать 85--90%. В то же время осевые компрессоры обладают большой производительностью, малыми радиальными размерами и массой. Эти преимущества осевых компрессоров обусловили их широкое применение в газотурбинных установках, и, в частности, в воздушно-реактивных двигателях.

Осевой компрессор состоит из корпуса 1, внутри которого вращается ротор 2. На нем укреплено несколько рядов рабочих лопаток 3. Перед первым рядом рабочих лопаток на корпусе укреплены неподвижные лопатки направляющего аппарата 4, а после каждого ряда рабочих лопаток - неподвижные лопатки спрямляющего аппарата 5.

Каждый ряд рабочих лопаток в совокупности со следующим за ним спрямляющим аппаратом составляет одну ступень повышения давления. Число ступеней может доходить до 15--20. Профиль рабочих и спрямляющих лопаток выбирают так, что при прохождении через межлопаточные каналы рабочих лопаток воздух получает от ротора механическую энергию и скорость его возрастает, а при прохождении через спрямляющий аппарат скорость воздуха уменьшается, вследствие чего возрастает его давление. Это иллюстрируется треугольниками скоростей на рис. 17.5,б.

Поскольку воздух (газ) в таких компрессорах проходит вдоль их оси, то они и получили название осевых или аксиальных компрессоров.

Недостатком осевых компрессоров является сложность их конструкций, обусловленная необходимостью тщательного выполнения профилей лопаток рабочих колес и направляющих аппаратов.

Тема 18. Вопросы экологии при использовании теплоты

18.1 Токсичные газы продуктов сгорания

Продукты сгорания, расчет которых изложен в п/п 16.3 темы 16, оказывают определяющее влияние на энергетические и экологические показатели различных теплотехнических установок.

Однако помимо этих продуктов при сгорании образуется и ряд других веществ, которые вследствие их малого количества не учитываются в энергетических расчетах, но определяют экологические показатели топок, печей, тепловых двигателей и других устройств современной теплотехники.

В первую очередь к числу экологически вредных продуктов сгорания следует отнести так называемые токсичные газы.

Токсичными называют вещества, оказывающие негативные воздействия на организм человека и окружающую среду. Основными токсичными веществами являются оксиды азота (NОх), оксид углерода (СО), различные углеводороды (СН), сажа и соединения, содержащие свинец и серу.

Оксиды азота. При сгорании топлив главным образом образуется оксид азота NO, который затем в атмосфере окисляется до NO₂.

Образование NO увеличивается с ростом температуры газов и концентрации кислорода и не зависит от углеводородного состава топлива.

Находящийся в атмосфере NO₂ представляет собой газ красновато-бурого цвета, обладающий в больших концентрациях удушливым запахом. NO₂ оказывает негативное воздействие на слизистые оболочки глаз и

Оксид углерода (СО) образуется во время сгорания при недостатке кислорода или при диссоциации СO₂. Основное влияние на образование СО оказывает состав смеси: чем она богаче, тем выше концентрация СО.

Оксид углерода - бесцветный и не имеющий запаха газ. При вдыхании вместе с воздухом он интенсивно соединяется с гемоглобином крови, что уменьшает ее способность к снабжению организма кислородом. Симптомы отравления организма газом СО: головная боль, сердцебиение, затруднение дыхания и тошнота.

Углеводороды (СН) состоят из исходных или распавшихся молекул топлива, которые не принимали участия в сгорании. Углеводороды появляются в отработавших газах (ОГ) двигателей внутреннего сгорания вследствие гашения пламени вблизи относительно холодных стенок камеры сгорания, в “защемленных” объемах, находящихся в вытеснителях и в зазоре между поршнем и цилиндром над верхним компрессионным кольцом.

В дизелях углеводороды образуются в переобогащенных зонах смеси, где происходит пиролиз молекул топлива. Если в процессе расширения в эти зоны не поступит достаточное количество кислорода, то СН окажется в составе ОГ.

Количество различных индивидуальных углеводородов, входящих в эту группу токсичных веществ, превышает 200. В тех концентрациях, в которых СН содержится в воздухе, например, в зонах с интенсивным движением автотранспорта, они не приносят непосредственного вреда здоровью человека, однако, могут вызывать реакции, которые ведут к образованию соединений, вредных даже при незначительной концентрации.

Так, углеводороды под действием солнечных лучей могут взаимодействовать с NОх, образуя биологически активные вещества, которые раздражающе действуют на органы дыхательных путей и вызывают появление так называемого смога.

Особое влияние оказывают выбросы бензола, толуола, полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и в первую очередь бензпирена (С₂₀Н₁₂). Эта группа высокотоксичных веществ образуется в результате пиролиза легких и средних фракций топлива при температуре 600...700К. Такие условия возникают вблизи холодных поверхностей цилиндра при наличии там несгоревших углеводородов. Количество ПАУ в ОГ тем больше, чем выше концентрация в топливе бензола. ПАУ относится к так называемым канцерогенным веществам, они не выводятся из организма человека, а со временем накапливаются в нем, способствуя образованию злокачественных опухолей.

Сажа представляет собой твердый продукт, состоящий в основном из углерода. Кроме углерода в саже содержится 1..3 % (по массе) водорода.

Сажа образуется при температуре выше 1500К в результате объемного процесса термического разложения (пиролиза) при сильном недостатке кислорода. Формально реакция пиролиза выражается уравнением:

С_n Н_m « nС + 1/2 mН₂ . (18.1)

Начало образования сажи имеет место при ? меньше 0,3... 0,7 и зависит от температуры и давления газов, а также от вида топлива. При одинаковом количестве атомов углерода по степени увеличения склонности к образованию сажи углеводороды располагаются следующим образом: парафины, олефины, ароматики.

Наличие сажи в ОГ дизелей обуславливает черный дым на выпуске.

Сажа представляет собой механический загрязнитель носоглотки и легких. Большая опасность связана со свойством сажи накапливать на поверхности своих частиц канцерогенные вещества и служить их переносчиком.

Сажа - не единственное твердое вещество, содержащееся в ОГ. Другие твердые вещества образуются из содержащейся в дизельном топливе серы, а также в виде аэрозолей масла и несгоревшего топлива. Все вещества, которые оседают на специальном фильтре при прохождении через него ОГ, получили общее название - частицы.

Содержание в ОГ продуктов неполного сгорания (СО, СН и сажи) нежелательно не только из-за их токсичности, но и потому, что при неполном сгорании топлива недовыделяется часть теплоты, а это обуславливает ухудшение экономических показателей тепловых установок.

Свинец и сера. Примерно 50... 70% свинца, находящегося в бензине, попадает вместе с ОГ в атмосферу в форме свинцовых солей, т.е. в виде частиц диаметром меньше 1 мкм. Эти частицы проникают в организм человека вместе с воздухом и через кожу. Соединения свинца очень ядовиты и не выводятся из организма, накапливаясь в нем. Они негативно воздействуют на центральную нервную систему, вызывая нервные и психические расстройства.

Сера, содержащаяся в дизельном топливе, мазуте и каменном угле выбрасывается в атмосферу после сгорания этих топлив в форме диоксида SO₂, который очень вреден для растений и способствует возникновению “кислотных” дождей.

Присутствие в ОГ соединений свинца и серы делает невозможным использование каталитических нейтрализаторов, предназначенных для снижения токсичности ОГ.

Некоторые токсичные вещества после того, как они попадают в атмосферу в составе продуктов сгорания, претерпевают дальнейшие преобразования. Например, при наличии в атмосфере углеводородов (или их радикалов), оксидов азота и оксида углерода при интенсивном ультрафиолетовом излучении солнца образуется озон Оз, являющийся сильнейшим окислителем и вызывающий при соответствующей концентрации ухудшение самочувствия людей.

При высоком содержании в малоподвижной и влажной атмосфере NO₂, О₃ и СН возникает туман коричневого цвета, который получил название “смог” (от английских слов Smoke - дым и fog -туман). Смог является смесью жидких газообразных компонентов, он раздражает глаза и слизистые оболочки, ухудшает видимость на дорогах.

Основными источниками выброса токсичных продуктов сгорания являются автомобили, промышленность, тепловые и электрические станции. В некоторых городах содержание в атмосфере токсичных продуктов сгорания превышает предельно допустимую концентрацию в несколько десятков раз.

Для борьбы с этим злом в большинстве стран мира приняты соответствующие законы, ограничивающие допустимое содержание токсичных веществ в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу.

18.2 Воздействия токсичных газов

Для оценки концентраций токсичных выбросов принято сравнивать их фактические концентрации с предельно допустимыми (максимально разовыми, среднесуточными или среднегодовыми).

На основании многочисленных эпидемиологических и токсикологических исследований установлено, что воздействие каждого из вредных компонентов может привести к определенным негативным последствиям.

Оксид углерода СО (время жизни в атмосфере 2...42 мес.) воздействует на нервную систему, вызывает обмороки, так как вступает в реакцию с гемоглобином крови, замещая кислород. В зависимости от концентрации СО в воздухе и времени воздействия степень поражения организма может существенно различаться.

Когда вдох прекращается, СО, связанный гемоглобином, постепенно выделяется, и кровь здорового человека очищается от него на 50% каждые 3...4 ч.

Воздействие СО на центральную нервную систему проявляется в изменении цветовой и световой чувствительности глаз - возрастает вероятность аварий. Максимально-разовая ПДК этого вещества в населенных пунктах составляет 3 мг/м³, в США - 10 мг/м³ за 8 ч воздействия.

В атмосфере над автомагистралями и прилегающих территориях из оксидов азота встречаются, в основном NО и NО₂. NО является неустойчивым компонентом, который в течение от 0,5...3 до 100 ч (зависит от концентрации в воздухе) окисляется до NО₂. Токсичность NО₂ в 7 раз выше токсичности NО.

На организм человека NО₂ действует как острый раздражитель при концентрации 15 мг/м³ и может вызвать отек легких при концентрации 200...300 мг/м³. Реагируя с атмосферной влагой, оксиды азота образуют азотную кислоту, вызывающую коррозию металлов, уничтожение растительности и т.д.

Наибольшую опасность оксиды азота представляют как активный компонент при образовании фотохимического смога. Максимально-разовая концентрация оксидов азота в атмосфере населенных пунктов - 0,085 мг/м³.

Газообразные низкомолекулярные углеводороды оказывают наркотическое действие на организм человека, вызывая состояние эйфории, что увеличивает вероятность ДТП. Токсичность их возрастает при наличии в воздухе других загрязнений, которые в совокупности под действием солнечной радиации образуют фотохимические оксиданты смога. ПДК максимально-разовая составляет 5 мг/м³.

Полициклические ароматические углеводороды, содержащиеся в выбросах двигателей, являются канцерогенными, из которых наибольшей активностью обладает бензпирен (С₂₀Н₁₂), содержащийся в отработавших газах дизелей. ПДК составляет 0,1 мкг/100 м³ воздуха.

Сажа, содержащаяся в отработавших газах, обладает большей токсичностью, чем обычная пыль. На поверхности частиц сажи адсорбируются канцерогенные вещества. Видимым автомобильный выхлоп становится при концентрации сажи 130 мг/м³.

Размеры частиц составляют 0,19...0,54 мкм в диаметре и могут достигать альвеол легких или откладываться в носовых пазухах, трахеях или бронхах.

Оксиды серы при малых концентрациях (0,001%) вызывают раздражение дыхательных путей, при концентрации 0,01% происходит отравление людей за несколько минут. Наличие в атмосфере сернистых газов препятствует фотосинтезу растений, неблагоприятно воздействует на дыхательные пути человека. При концентрации SО₂ в воздухе более 0,9 мг/м³ происходит изменение процессов фотосинтеза растений; через 5... 10 дней хвоя сосны, ели начинает рыжеть и преждевременно опадает. Установлено, что смесь SО₂ и СО при длительном воздействии вызывает нарушение генетической функции организма. ПДК в рабочей зоне составляет 10 мг/м³.

...