Знакомство с вопросами энергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.Теплообмен через однослойную и многослойную стенку

Рассмотрим однослойную плоскую стенку, длина и ширина которой бесконечно велики по сравнению с толщиной д, одинаковой по всей высоте (рис. 1.). Температуры на поверхностях стенки t₁ и t₂ поддерживаются постоянными, т. е. поверхности являются изотермическими. Температура меняется только в направлении, перпендикулярном плоскости стенки, которое мы принимаем за ось Х.

Рис. 1. Однослойная плоская стенка

При стационарном тепловом режиме температура в любой точке тела неизменна и не зависит от времени, т. е. ?t/?ф = 0. Тогда дифференциальное уравнение теплопроводности примет вид

Так как температура изменяется только в направлении оси Х, тогда:



Проинтегрировав дважды уравнение(1.25) по х, получим

(1.26)

(1.27)

где А, В - постоянные.

Зависимость (1.27) является уравнением прямой линии, т. е. при постоянном коэффициенте теплопроводности закон изменения температуры в однослойной плоской стенке будет линейным. Добавим к уравнению (1.27) граничные условия:

1) при х = 0 t = t1, следовательно, подставив в уравнение (1.27), получим В = t1;

2) при х = д t = t2, следовательно, подставив в уравнение (1.27), получим Ад + t1 = t2. Отсюда можно выразить постоянную А:

Подставив значение градиента температуры в уравнение Фурье, найдем плотность теплового потока q, Вт/м²



Уравнение (1.30) является уравнением теплопроводности для однослойной плоской стенки.

Зная удельный тепловой поток, можно вычислить общее количество теплоты Qф, Дж, которое передается через плоскую стенку с площадью поверхности F за время ф

В уравнениях (1.30) и (1.31) отношение л/д называется тепловой проводимостью стенки, а обратная величина д/л = R, (м²·?C)/Вт, называется тепловым, или термическим сопротивлением стенки. Термическое сопротивление показывает величину падения температуры при прохождении через стенку удельного теплового потока, равного единице.

Теплопроводность через многослойную плоскую стенку.

На практике часто встречаются плоские стенки, состоящие из нескольких плоских слоев, выполненных из различных материалов. Для многослойной плоской стенки формулу теплопроводности можно вывести из уравнения теплопроводности для каждого отдельного слоя, считая, что тепловой поток, проходящий через эти слои, один и тот же.



Рис.2

Рассмотрим трехслойную плоскую стенку, толщины слоев которой равны д1, д2, д3, а коэффициенты теплопроводности слоев равны л 1, л 2, л 3 (см. рис. 2).

Для каждого слоя можно записать уравнение Фурье как для однослойной плоской стенки

Решаем эту систему относительно разности температур:



В результате получим уравнение теплопроводности для трехслойной плоской стенки:

Величина, стоящая в знаменателе уравнения (1.35), представляет собой термическое сопротивление многослойной плоской стенки Rл

Тогда уравнение (1.35) можно переписать в виде

Неизвестные температуры t2 и t3 можно определить из условия постоянства теплового потока q = const:



Для плоской стенки, имеющей n слоев, уравнение (1.35) примет вид

где дi и лi - толщина и коэффициент теплопроводности i-го слоя.

Интересно отметить, что уравнение для теплопроводности аналогично закону Ома для электрического проводника.

2.Основные термодинамические процессы идеальных газов

В зависимости от ограничений, накладываемых на процесс, можно выделить следующие термодинамические процессы:

· Изохорный, протекающий при постоянном объеме - .

· Изобарный, протекающий при постоянном давлении - .

· Изотермический, протекающий при постоянной t? - .

· Адиабатный, протекающий без подвода и отвода теплоты или .

· Политропный, включающий все возможные процессы.

Изохорный процесс

Примером изохорного процесса является нагревание или охлаждение газа в закрытом сосуде. Начальное состояние газа будем обозначать цифрой 1, а конечное - 2.

1. Уравнение изохорного процесса:

2. Графическое изображение приведено на рисунке (5.13).

3. Связь между параметрами.



Рис.3

Из уравнения при имеем (5.63)

4. Изменение удельной внутренней энергии для любого процесса

5. Удельная работа в процессе равна 0, так как площадь под линией

Процесса 1-2, на p,v диаграмме равна 0 (a=0).

6. Удельная теплота участвующая, в процессе по первому закону термодинамики, определяется

При газ не совершает работы. Вся подведенная к системе теплота затрачивается только на увеличение его внутренней энергии.

Изобарный процесс

Примером изобарного процесса является процесс, осуществляемый газом в цилиндре с подвижным поршнем.

1. Уравнение изобарного процесса является .

2. Графическое изображение приведено на рис. (5.14)

3. Связь между параметрами. Из уравнения

при имеем

4. Изменение удельной внутренней энергии.

(5.68)

5. Удельная работа a в изобарном процессе равна площади под прямой 1-2 на p,v - диаграмме:

(5.69)

Газовая постоянная R - это работа, которую совершает 1 кг газа при изменении его t? на 1? в процессе при .

Для произвольной массы (5.70)

6. Удельная теплота процесса.

Рис.4

Изотермический процесс

Примером изотермического процесса может служить процесс, проходящий с газом, который находится в цилиндре с подвижным поршнем, когда объем газа увеличивается настолько, чтобы t? его оставалась неизменной.

1. Уравнение изотермического процесса:

2. Графическое изображение процесса приведено на рис. (5.15)

3. Связь между параметрами. Из уравнения при

или , (5.74)

Т.е в изотермическом процессе отношение абсолютных давлений обратно пропорционально отношению удельных объемов.

Рис.5

4. Изменение удельной внутренней энергии в изотермическом процессе равно 0, так как он протекает без изменения t?:

, так как DT=0

5. Удельная работа

(5.75)

Для произвольной массы работа A равна:

(5.76)



6. Удельная теплота процесса.

(5.77)

Для произвольной массы теплота равна:

(5.78)

т.е все подведенное количество теплоты в изотермическом процессе расходуется на совершение внешней механической работы.

Адиабатный процесс

Процесс, протекающий без подвода или отвода теплоты, т. е. без теплообмена с окружающей средой, называется адиабатным. Примером адиабатного процесса является процесс сжатия или расширения газа в цилиндре, покрытом абсолютно теплонепроницаемой изоляцией. Если процесс протекает быстро, то теплообмен между рабочим телом и окружающей средой незначителен, и такой процесс можно считать адиабатным.

1. Уравнение адиабатного процесса: . Поскольку то

2. Графическое изображение процесса приведено на рис. 5.16



Рис.6

3. Связь между параметрами определяется выражением:

, где - показатель адиабаты

Поскольку , то , следовательно (5.80)

4. Изменение удельной внутренней энергии, как и для других процессов равно:

- для 1го кг газа (5.83)

- для M кг газа (5.84)

5. При адиабатном процессе , так как площадь на T,s диаграмме под прямой процесса равна 0.

6. Работа, совершаемая в адиабатном процессе,

Удельная работа совершается газом за счет его внутренней энергии ( понижаются p и T).

Политропный процесс

В действительных процессах происходит изменение сразу всех параметров. Кривые описывающие данные процессы называют политропами.

Уравнение политропного процесса: (5.86), где - показатель политропы.



Рис.7

При n=0 имеет место изобарный процесс, при n=1 - изотермический, при n=- изохорный, при n=k процесс адиабатный.

3.Конденсатные насосы

термодинамический газ конденсат

Конденсатный насос (Кс) представляет собой электронасосный агрегат, предназначенный для подачи конденсата отработанного пара стационарных паровых турбин, конденсата греющего пара теплообменных аппаратов, перекачивания конденсата в паровых сетях тепловых электростанций, работающих на органическом топливе.

Оборудование предназначенное для перекачивания конденсата имеет ряд отличительных особенностей. Конденсатный насос обладает хорошей всасывающей способностью, которая достигается за счет ряда оригинальных конструктивных решений. В процессе работы насоса сальники находятся под давлением перекачиваемой жидкости и в гидравлическом затворе не нуждаются. Высокие показатели были достигнуты благодаря установке предвключенного шнекового колеса и спирального подвода жидкости к рабочему колесу. При агрегатировании конденсатных насосов устанавливаются асинхронные электродвигатели как общепромышленного, так и взрывозащищенного исполнения, в зависимости от требования заказчика и области применения насоса.

Конденсатные насосы по конструкции можно разделить на следующие группы и типы:

· Конденсатный насос горизонтальный однокорпусный спирального типа, одностороннего входа.

· Насос конденсатный горизонтальный секционный однокорпусный с рабочим колесом одностороннего входа.

· Насос конденсатный вертикальный однокорпусный спирального типа с рабочим колесом двухстороннего входа.

· Конденсатный насос вертикальный секционный двухкорпусный.

· Конденсатный насос горизонтальный консольного типа (насосы КО) с одним, двумя и тремя колесами на валу.

По своим конструктивным особенностям конденсатный насос относится к спиральным, многоступенчатым, с горизонтальным разъемом корпуса центробежным насосам. Конденсатный насос способен перекачивать среду представляющую из себя: жидкость, конденсат, сходные с конденсатом по вязкости и химической активности жидкости. Температура перекачиваемой среды не должна превышать 125 градусов Цельсия, с водородным показателем pH от 6,8 до 9,2. Размер содержащихся в перекачиваемой среде твердых частиц допускается не более 0,1 мм и с концентрацией не более 5 мг/л. Материал исполнения конденсатных насосов: проточная сталь - серый чугун СЧ 20, уплотнение вала насоса - сальниковое или торцевое.

Насос КС можно отнести к узкоспециализированным насосным агрегатам, однако вместе с тем благодаря своим характеристикам получил широкое распространение. Насосы КС наиболее распространены на тепловых электростанциях. Также такое оборудование широко используется в химической промышленности. Конденсатный насос КС предназначен для перекачивания конденсата, образующегося из отработанного пара, а также жидкостей имеющих аналогичные с паром характеристики, с pH = 6,8…9,2 и содержащихся твердых включений с концентрацией не более 5 мг/л с максимальным размером 0,1 мм. Герметичность конструкции достигается при помощи применения специальных колец, изготовленных из специальной резины, обладающей теплостойкими свойствами. В процессе работы насоса происходит процесс преобразования механической энергии приводного механизма (электродвигателя) в энергию гидравлическую.

Насос 1КС и электронасосные агрегаты на их основе разработаны и предназначены для применения в пароводяных сетях электростанций, использующих в качестве источника энергии органическое топливо.

Насосы центробежные конденсатные типа 1КС предназначены для перекачивания конденсата или пресной воды с pH = 6,8…9,2 с содержанием твердых включений с концентрацией не более 5 мг/л с максимальным размером 0,1 мм.

Насос конденсатный по своей конструкции является центробежным, горизонтальным секционным насосом, с односторонним расположением колес. Принцип действия насоса основан на преобразовании механической энергии привода (в стандартном исполнении асинхронный двигатель) в гидравлическую энергию жидкости, создавая необходимое давление перекачиваемой среды. Всасывающий патрубок насоса находится в корпусе всасывания и направлен вправо от горизонтальной оси, если рассматривать конструкцию со стороны приводного механизма. Нагнетательный патрубок агрегата находится в корпусе нагнетания и направлен вертикально вверх. Опорные лапы отлиты внизу корпуса всасывания и нагнетания. Фиксированное положение оси вала обеспечивается жесткой штифтовкой лап корпуса нагнетания и подвижной штифтовкой лап корпуса всасывания.

Герметичность стыков секций, корпуса всасывания, корпуса шнека и корпуса нагнетания обеспечивается кольцами из специальной теплостойкой резины.

Насос 4КС относится к электронасосным, центробежным, горизонтальным, многоступенчатым агрегатам, секционного типа. Предназначен для перекачивания конденсата в пароводяных сетях, тепловых электростанций, работающих на органическом топливе, а также жидкостей сходных с конденсатом по вязкости, химической активности и содержанием твердых частиц. Конденсат должен иметь водородный показатель pH 6.8-9.2 и не должен содержать твердых частиц размером более 0,1 мм и концентрации не более 5мг/л. Насос 4КС разработан в замен насоса типа КС , аналогичен ему по назначению, но отличается по конструкции и присоединительным размерам. Уплотнение вала насоса - двойное сальниковое. Направление вращения ротора - против часовой стрелки, если смотреть со стороны двигателя. Материал деталей проточной части - серый чугун. Температура перекачиваемой жидкости - 398 К (1250 C).

Материал деталей проточной части насосов: чугун СЧ18 или СЧ20, сталь 20X13Л.

Рис. 8 Разрез насоса типа КС: 1 -- подшипник; 2 -- вал, 3 -- сальник; 4 -- входная крышка; 5 -- пред включенное колесо; 6 -- кожух; 7 -- рабочее колесо; 8 -- направляющий аппарат; 9 -- напорная крышка; 10 -- барабан; 11 -- втулка; 12 -- подшипник.

4.Энергия воздушного потока и мощность ветроустановок

Мощность ВЭУ зависит от эффективности использования энергии воздушного потока. Мощность ветрового потока, действующего на ветроколесо, определяется по формуле:



· A-площадь ометаемая ветроколесом, м² ,

· - скорость ветрового потока,

· Ср-коэффициент отбора мощности, зависит от конструкции ветроколеса и скорости ветра (0,35-0,5);

· с -плотность набегающего потока (воздуха), на уровне моря 1,2 кг/м3.

Теоретически с в зависимости от скорости ветра и типа ветроколеса может быть использовано около 57% ветровой энергии, практически--не более 33%. Долю мощности ветрового потока, которую может использовать ветроколесо и показывает коэффициент отбора мощности Ср Из этой формулы видно, что мощность Р пропорциональна ометаемой площади А и кубу скорости ветрового потока.

Дляпрактическихрасчетов,еслиизвестнасреднегодоваяскоростьветраVCP, рекомендуется следующая формула, в которой учтен соответствующий повышающий коэффициент (около1,91).

Современные ВЭУ в соответствие с физическими представлениями о преобразовании энергии ветрового потока в энергию вращения ВК изначально могут использовать только часть ветровой энергии (критерий Бетца, около 0,59 от общей энергии). Кроме этого, надо учитывать и конструктивное исполнение ВЭУ, что сказывается, например, на величине начальной (стартовой) скорости ветра (обычно 3-4м/с), при которой ветроколесо начинает вращаться и соответственно ВЭУ начинает вырабатывать электроэнергию.

Поэтому в формулу для расчета средней развиваемой мощности ВЭУ вводится некий понижающий коэффициент , с помощью которого учитываются главные факторы, определяющие фактическую мощность ВЭУ.

В общем случае количество электроэнергии, вырабатываемой ВА, зависит от КПД генератора и редуктора, а при определении количества электроэнергии, подаваемой потребителю от ВЭУ, следует учитывать также потери энергии в подводящем кабеле, инверторе и аккумуляторной батарее(АБ). С учетом названных факторов в практических расчетах может снизиться до 0,25.

Таким образом, среднюю развиваемую мощность ВЭУ, отвечающую запросам потребителя, рекомендуется рассчитывать по формуле

· Где - площадь ветрового потока, «ометаемая» ВК;

· - средняя скорость ветра за расчетный период, м/с (определяется географическим положением места установки ВЭУ).

· Мощность () обычно существенно отличается от так называемой установленной мощности ВЭУ (). Под установленной мощностью обычно понимается номинальная мощность, обеспечиваемая генератором ВА при некоторой расчетной скорости ветра (для современных ВЭУ). Поэтому в соответствии с формулами (1) и (3) для вычисления установленной мощности ВЭУ ( ) (номинальной мощности генератора) следует использовать зависимость:



5.Сложный теплообмен в энергетических установках

Различают три элементарных способа передачи теплоты:

1. теплопроводность (кондукция);

2. конвекция;

3. тепловое излучение (радиационный теплообмен).

Теплопроводность (кондукция) - способ передачи теплоты за счет взаимодействия микрочастиц тела (атомов, молекул, ионов в электролитах и электронов в металлах) в переменном поле температур.

Теплопроводность имеет место в твердых, жидких и газообразных телах. В твердых телах теплопроводность является единственным способом передачи теплоты. В вакууме теплопроводность отсутствует.

Конвекция - способ передачи теплоты за счет перемещения макро объемов среды из области с одной температурой в область с другой температурой. При этом текучая среда (флюид) с более высокой температурой перемещается в область более низких температур, а холодный флюид - в область с высокой температурой. В вакууме конвекция теплоты невозможна.

Тепловое излучение (радиационный теплообмен) - способ передачи теплоты за счет распространения электромагнитных волн в определенном диапазоне частот.

Замечания:

-- все тела выше 0 К обладают собственным тепловым излучением, то есть энергию излучают все тела;

-- для передачи теплоты излучением не требуется тело-посредник, т.е. лучистая энергия может передаваться и в вакууме.

В природе и в технических устройствах, как правило, все три способа передачи теплоты происходят одновременно. Такой теплообмен называется сложным теплообменом.

Например, конвекция теплоты всегда протекает совместно с теплопроводностью, так как макро объемы текучей среды состоят из микрообъемов, и есть неравномерное по пространству температурное поле. Передача теплоты совместно теплопроводностью и конвекцией называется конвективным теплообменом.

Совместная передача теплоты излучением и теплопроводностью называется радиационно-кондуктивным теплообменом.

Совместная передача теплоты излучением и конвекцией называется радиационно-конвективным теплообменом.

В природе и технике наиболее часто встречаются следующие два варианта сложного теплообмена:

-- теплоотдача - процесс теплообмена между непроницаемой твёрдой стенкой и окружающей текучей средой;

-- теплопередача - передача теплоты от одной текучей среды к другой текучей среде через непроницаемую твёрдую стенку.

Теплоотдача. График температурного поля при теплоотдаче показан на рис. 9. Температура текучей среды изменяется в очень узкой области, которая называется тепловым пограничным слоем.

Рис. 9 Схема процесса теплоотдачи: T_w - температура стенки; T_f - температура текучей среды; д_q - толщина теплового пограничного слоя



Заметим, что в зависимости от соотношения температур стенки T_w и флюида T_f тепловой поток Q может нагревать стенку при условии или охлаждать ее, если .

Процесс теплоотдачи может быть осуществлен сочетанием следующих элементарных процессов теплообмена:

-- конвективная теплоотдача (конвекция + теплопроводность = конвективный теплообмен) - имеет место при омывании твердых поверхностей различной формы текучей средой (лученепрозрачной капельной жидкостью);

-- лучистая или радиационная теплоотдача (тепловое излучение)- имеет место при радиационном теплообмене в вакууме или между стенкой и излучающим и поглощающим неподвижным газом;

-- радиационно-конвективная теплоотдача (тепловое излучение + конвективный теплообмен) - наиболее часто встречающийся в практике расчетов случай сложного теплообмена;

-- конвективная теплоотдача при фазовых превращениях теплоносителя (конвекция + теплопроводность + возможно излучение) - теплоотдача при конденсации и кипении, протекающая с выделением или поглощением теплоты фазового перехода.

Используя теорию подобия из системы дифференциальных уравнений, можно получить уравнение теплоотдачи для теплообмена в критериальной форме

где X₀; Y₀; Z₀- безразмерные координаты;

- критерий Нуссельта, характеризует теплообмен между поверхностью стенки и жидкостью (газом).

-критерий Рейнольдса, характеризует соотношение сил инерции и вязкости и определяет характер течения жидкости.

- критерий Грасгофа, характеризует подъёмную силу, возникающую в жидкости вследствие разности плотностей.

- критерий Прандтля, характеризует физические свойства жидкости.



Список использованных источников

термодинамический газ конденсат

1. Орлов М.Е. Теоретические основы теплотехники. Тепломассообмен. Учебное пособие Ульяновск УлГТУ 2013г.

2. Пантелеев В.П. Ветроэнергетические установки тренинг центр развития ВИЭ и энергоэффективности Бишкек 27 апреля 2013 г.

3. Филин В.М. Гидравлика, пневматика и термодинамика. Москва ИД «Форум» - Инфра-М 2013г.

4. http://www.artr.ru/Pompa/ArmaTrade_pompa_water/ArmaTrade_pompa_water_KS/ArmaTrade_pompa_water_KS.htm

Размещено на Allbest.ru

...