Место и роль теплотехники в современном производстве

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание

Введение

1. Место и роль теплотехники в современном производстве

2. Политропный процесс. Частные термодинамические процессы. Теплоемкость. Расчет количества тепла, необходимого для нагрева физических тел

3. Теплообменные процессы и установки в транспортно-технологических комплексах. Конвективный режим работы теплотехнических агрегатов. Сложный теплообмен в теплотехнических устройствах

4. Использование топлива в металлургии, энергетике, транспортно-технологических комплексах. Экологические аспекты горения топлива. Мероприятия, направленные на повышение эффективности сжигания топлива. Транспортно-технологические системы в структуре топливно-энергетического комплекса

Список использованной литературы

Введение

Теплотехника - наука, изучающая методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых механизмов и машин, аппаратов и устройств. Теплота применяетса во всех областях деятельности человека. Для установления наиболее целесообразных способов его применения, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима создание теоретических основ теплотехники.

Разгранияют два различных направления использования теплоты - энергетическое и технологическое. В энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, при помощью которой в генераторах образовываетса электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают при сжигание топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания. При технологическом - теплота применяетса для направленного изменения свойств разных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, химических свойств).

тепло топливо металлургия энергетика

1. Место и роль теплотехники в современном производстве

Теплотехника - это область науки и техники, трудящимся над получением и использованием тепловой энергии в промышленных объемах .

История теплотехники начинается с момента изобретением парового в мире двигателя, в 19 веке. Паровой двигатель изабрел Уайт (1790-1820 гг.). 19 век прошел под эгидой улучшения парового двигателя и исследования свойств пара.

В 1905 Груи-Грумжимайло заложил основы металлургической теплотехники, в которой разработано гидравлическая теория печей. В настоящее время существует горная теплотехника, химическая теплотехника. Теплотехники строительного производства. Теплотехника сельского хозяйства.

Историю энергетики довольно условно делят на следующие пять периодов. Первый период -- его начало прослеживается в глубине тысячелетий, конец V--VII вв. Человек обходился мускульной силой (сначала своей, а потом и животных), теплом Солнца, а позже костра. Источником этой силы служила химическая энергия пищи. Энергетические ресурсы не только восстанавливались, но их запасы еще и возрастали. Второй период -- с V--VII вв. до XVIII в. Помимо вышеперечисленных источников стали использоваться новые, тоже возобновляющиеся: движение воды в реках и ветер. Часть работы стали выполнять водяные колеса и ветряные крылья. Энергетические ресурсы полностью восстанавливались. Третий период -- с XVIII в. до середины XX в. В это время основным источником энергии в развитых странах становится невозобновляемая химическая энергия органического ископаемого топлива: каменного угля, нефти, природного газа и т. п., а основной движущей силой -- «движущая сила огня», получаемая в тепловых двигателях. Развивается электроэнергетика. Расходуемые энергетические ресурсы уже не восстанавливаются. Четвертый период начался в середине XX в. с освоения энергии деления ядер урана. Закончится он полным исчерпанием (или использованием в допустимой, по соображениям глобальной безопасности степени) ядерного и термоядерного топлива. В этот период будут расходоваться последние запасы невозобновляемых энергетических ресурсов Земли. Пятый период начнется после окончания четвертого (в случае, если не будут открыты и технически освоены новые источники энергии). Человечеству придется жить в состоянии «динамического равновесия», довольствуясь непрерывно возобновляющимися ресурсами: солнечным излучением, движением вод в реках и морях, энергией ветра, теплом недр Земли, химической энергией растений и т. п.

Мы живем в начале четвертого периода, основными энергетическими проблемами которого являются: воспроизводство ядерного топлива деления в реакторах на быстрых нейтронах, техническое освоение контролируемого термоядерного синтеза, наиболее широкое использование возобновляемых энергоресурсов, повышение доли потребления каменного угля и повышение энергетической эффективности всех типов энергетических установок и энергопотребляющих устройств. Впервые упоминание об использовании «движущей силы огня» относится к I в. до н. э., когда Герон Александрийский построил множество различных паровых машин-игрушек, итогом которых был прообраз реактивно-турбинного двигателя Эолопил (Эол -- бог ветра; тогда считали, что вода при нагревании превращается в воздух), и попытался теоретически объяснить их рабочий процесс. Эолопил выглядел как полый металлический шар с впаянными в него на противоположных полушариях открытыми трубками, загибавшимися в разные стороны. В шар наливалась вода и доводилась до кипения. Образовавшийся пар выбрасывался из трубок, создавая реактивные силы, под их действием шар вращался в трубчатых опорах. Низкий уровень науки и техники в купе с отсутствием потребности в новом двигателе у общества остановили его разработку почти на 1700 лет. Только в XVII--XVIII вв. -- в период промышленной революции, когда началось бурное развитие горнодобывающей, металлургической, металлообрабатывающей, станкостроительной отраслей, что вызвало острую потребность в значительно более мощных и удобных силах, чем были использованы ранее. В 1681 г. ассистент выдающегося физика X. Гюйгенса - врач и механик Д. Папен изобретает паровой котел, снабженный предохранительным клапаном, дает возможность регулировать давление пара. Познее X. Гюйгенс, развивая идею Г. Галилея о получении , предлагает взрывать для этого порох на дне цилиндра под поршнем. Обратно поршень должен был падать под действием атмосферного давления. С этим устройством родилось сразу два новых принципа -- атмосферной машины и двигателя внтуреннего сгорания.

В книге, выпущенной в 1698 г., П впервые дал правильное термодинамическое описание процессов в цилиндре своей машины, но никому из изобретателей не в голову разделить эти процессы по разным агрегатам, что сразу повысило бы ее эффективность и решило создания универсального двигателя. Наиболее острой была тогда проблема откачки воды из углубляющихся шахт. Впервые применение сила пара нашла в паровытеснительных насосах. Англичанин Сэвери оформил патент на один из них в 1698 г., не имевших ни одной движущей части. Но из-за низкой такие насосы были вытеснены , которые разработал в 1705-1712 гг. англичанин Т. Ньюкомен. В них пар приготавливался в отдельном котле, а поршневой двигатель был отделен от откачивающего воду поршневого насоса. Эти машины широко применялись, и последняя из них была демонтирована в Англии в 1934 г. промышленность стала остро нуждаться в универсальном , не зависящем ни от места ни от погоды. И в 1763 г. русский инженер И. И. Ползунов предлодл, а к 1766 г. построил такую машину. Она работала на угле. Изобретатель умер до пуска машины, которая после небольшой была остановлена и забыта. В итоге слава создания первого универсального паропоршневого двигателя англичанину Д. Уатту. В 1769 г. он получил патент на усовершенствования ньюкоменовской водоподъемной машины: отделение от цилиндра и использование в качестве движущей силы вместо атмосферного давления упругости пара, сверху поршня. В 1782 г. Уатт ввел двойное действие (пар поочередно поступал и снизу поршня), золотниковое парораспределение, преобразование поступательно-возвратного движения во вращательное, а в 1788 г. -- и центробежный оборотов. Схема устаановки стала почти современной. Число изобретений различных типов быстро возрасло, предлагается немало «вечных двигателей», и в 1775 г., за 70 лет до установления закона сохранения и за 90 лет до открытия второго начала термодинамики. Далее изобретательный путь привел к созданию тепловых двигателей на основе газа -- газовых двигателей. В 1801 г. француз Ф. Лебон патентует поршневой двигатель, на горючих газах от сухой перегонки древисины с зажиганием их электрической искрой и сгоранием внутри . В 1805 г. швейцарец И. Риваз предлагает двигатель на водороде. В 1816 г. английский священник Р. Стирлинг патент на универсальную тепловую машину, состоящую из цилиндра с двумя по-разному движущимися поршнями и и способную работать на разных топливах как двигатель внешнего сгорания, как холодильник и как тепловой насос. В 1904 г. в России Г. В. Тринклер создает менее и еще более экономичный дизель.

Поиски новых конструкций возвращают изобретателей к турбинам, которые из-за отсутствия жаростойких , низкой точности обработки деталей и по другим причинам не разрабатывались до конца XIX в. В 1821 г. немецкий физик Т. Зеебек открывает термоэлектричество -- во прямого превращения тепловой энергии в электрическую при нагреве одного из двух спаев цепи, из двух спаянных концами разнородных проводнков. В 1834 г. французский Ж. Пельтье, пропуская через такую же цепь, как и Зеебек, обнаружил противоположный эффект -- в зависимости от направления тока из спаев нагревался, а другой охлаждался. Наконец, в 1896 г. Анри Беккерель открывает естественную ; начинаются интенсивные исследования атомных ядер, приведшие к техническому освоению энергии. В следствии этого в XIX в. закладываются основы теплоэнергетики XX в. - двигатели постепенно вытесняют все прочие в электроэнергетике. Их мощность и экономичность возрастают. В середине XX в. начинается быстрое развитие новой . В декабре 1942 г. в США под руководством итальянца Э. Ферми запущен первый ядерный реактор

Первая в мире электростанция была пущена в 1954 г. в СССР, а в 1959 г. Пущен в производство первый атомный ледокол «Ленин». Так началась эра энергетики. Однако энергоресурсы урана и тория, даже при использовании их в быстрых реакторах (работающих с топлива), и термоядерного топлива, соизмеримы с энергоресурсами природных горючих , которые истощаются.

Интенсивно ведутся по теплофикационному использованию солнечной энергии. Такова очередность истории теплоэнергетики, получившей развитие только в 150 лет. С 1958-1960 гг. на современном уровне и техники началось создание энергоустановок на основе давно известных явлений, позволяющих непосредственно генерировать электроэнергию: топливных элементов, термоэлектрогенераторов, магнитогазодинамических электрогенераторов, солнечных электрогенераторов.

2. Политропный процесс. Частные термодинамические процессы. Теплоемкость. Расчет количества тепла, необходимого для нагрева физических тел

Политропный процесс, политропический процесс -- термодинамический процесс, во время которого удельная темплоемкость газа остаётся .

Из определения политропного процесса следует, что основные термодинамические процессы -- изохорный, изобарный, изотермический и адиабатный,-- если они протекают при постоянной удельной теплоемкости, являются частными случаями политропного процесса. Итак, политропный процесс проходит при постоянной теплоемкости.

Если теплоемкость зависит от температуры, то нужно найти среднюю теплоемкость, чтобы процесс стал политропным.

В соответствии с сущностью теплоёмкости , предельным частными явлениями политропного процесса являются процесс()и адиабатный процесс ().

В случае идеального газа, изобарный процесс и изохорный процесс являются политропными ( теплоёмкости идеального газа при постоянном объеме и постоянном давлении равны и и не меняются при термодинамических параметров).

Показатель политропы - Кривая на термодинамических диаграммах, политропный процесс, называется «политропа». Для идеального газа уравнение политропы может быть в виде:

,

где р -- давление, V -- газа, n -- «показатель политропы».

Здесь -- теплоемкость газа в данном ,и -- теплоемкости того же газа, соответственно, при давлении и объеме.

В зависимости от вида процесса, определить значение n:

*Изотермический процесс: , так как , ,позакону Бойля -- Мариотта , и уравнение политропы выглядеть так: .

*Изобарный процесс: , так как , и уравнение политропы вынуждено выглядеть так: .

*Адиабатный процесс: (здесь -- адиабаты), это следует из уравнения Пуассона.

*Изохорный процесс: , так как , и в процессе , а из уравненияполитропы следует, что , то , что , то есть , а это возможно, если является бесконечным.

Теплоёмкость -- физическая величина, определяемая как количество , которое необходимо подвести к телу в данном процессе, чтобы его температура возросла на один : Во многих важных случаях приращение температуры тела прямо пропорционально сообщённому ему количеству и теплоёмкостьтела является константой. В общем случае теплоёмкость тела может зависеть от состояния этого тела, например его температуры или объёма.

На практике неоднократно используют тепловые расчеты. Например, при строительстве необходимо принимать во внимание, какое количество теплоты должна отдавать зданию вся система отопления. Следует также знать, какое количество теплоты будет уходить в окружающее пространство через , стены, двери.

Приведем пояснение, как вести простейшие расчеты.

К примеру, необходимо , какое количество теплоты получила при нагревания медная деталь. Её масса 2 кг, а температура увеличивалась от 20 до 280 °С. Изначально по таблице 1 определим удельную теплоёмкость см = 400 Дж / кг * °С ). Это означает, что на нагревание детали из меди массой 1 кг на 1 °С 400 Дж. Для нагревания медной детали массой 2 кг на 1 °С необходимо в 2 раза большее количество теплоты -- 800 Дж. Температуру детали необходимо увеличить не на 1 °С, а на 260 °С, значит, потребуется в 260 раз большее количество теплоты, т. е. 800 Дж * 260 = 208 000 Дж.

При расчете количества теплоты, необходимого для нагревания тела или выделяемого им при охлаждении, следует удельную теплоёмкость умножить на массу тела и на разность между конечной и начальной температурами.

Если обозначить массу m, разность между конечной (t2) и начальной (t1) температурами -- t2 - t1 получим формулу для расчёта количества теплоты: Q = cm(t2 - t1).

Теплообмен это необратимый самопроизвольный процесс переноса теплоты от более нагретых тел (участков тел) к менее нагретым.

Под теплотой (количеством теплоты) понимают энергетическую характеристику, которая определяется количеством энергии, отдаваемой или получаемой телом в данном теплообменном процессе.

К теплообменным процессам относятся технологические процессы, скорость протекания которых определяется скоростью подвода или отвода тепловой энергии. К ним относятся нагревание, испарение (в том числе выпаривание), охлаждение и конденсация.

Главной функцией теплопередачи является определение кинетических характеристик теплового процесса -- средней разности температур и коэффициента теплопередач. Тепло при этом может распространяться различными способами: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

Теплопроводностью (кондукцией) называют процесс распространения тепла между частицами тела, находящимися в соприкосновении; тепловая энергия передается внутри тела от одних частичек к другим вследствие их колебательного движения. Процесс теплопроводности происходит в твердых телах и в тонких слоях жидкостей или газов.

Конвективным теплообменом (конвекцией) называют процесс переноса тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объемов газа или жидкости.

Д.У. Гиббс внес немалый вклад и в классическую термодинамику, разработав метод , установив правило фаз и др. Так был заложен фундамент термодинамичекого метода и началась разработка его приложений, прежде к теории тепловых машин.В конце XIX в. Ж.. Гюи и А. Стодола ввели понятие работоспособности, или максимальной технической , которую может совершить система, имеющая температуру, отличающуюся от атмосферной при обратимом переходе в сос равновесия с атмосферой.

В 1956 г. Р. Рант дал величине название «эксергия». В отличие от энтропии, в реальных, необратимых процессах всегда возрастает сама по себе не определяет работоспособности системы, в от энергии, которая, строго говоря, не «расходоваться» и «теряться» (по закону сохранения ее), эксергия -- работоспособности системы -- по мере совершения ею работы уменьшается, т. е. расходуется. Это сделало эксергетические расчеты очень популярными.

Другая ветвь теории теплотехники -- теория тепломассобмена -- уходит своими в труды Г. Галилея и И. Ньютона. Последний еще в 1701 г. установил закон конвективного теплообмена. В 1822 г. Ж- Б. издает «Аналитическую теорию теплопроводности», считая, что он привел теорию теплообмена в такое же состояние, в была приведена механика трудами И. Ньютона.

Однако для этого потребовалось еще более 100 лет. И только ученые развили теорию теплообмена до законченной системы. Быстрый и мощный скачок в разработке поменял ее местами с практикой -- теория стала освещать путь практике, служить указателем и пределов совершенствования энерготехники.

На выработку в развитых странах расходуется порядка 30-35 % энергоресурсов, к 2000 г. эта цифра выросла до 40--50%. часть энергоресурсов идет на транспортные двигатели и на получение тепла для промышленности и отопления. При этом используются тепловая (около 75%), механическая (около 24%), электрическая и световая (в сумме 1%) энергии.

В нашей стране до революции энергетика была развита слабо. В 1913 г. мощность электростанций составляла порядка 1 млн. кВт, а выработка электроэнергии -- до 2 млрд. кВт/ч. Интересно отметить, что 70% своей в энергии Россия удовлетворяла за счет ветряных мельниц, перемалывая на них почти все свое зерно.

Роль энергетики в России впервые была должным образом оценена В. И. Лениным в «Наброске плана работ» и в разработанном по его инициативе плане электрофикации России (ГОЭЛРО). Этим планом намечалось за 15 лет 20 тепловых и 10 гидравлических электростанций, доведя их мощность до 1,75 млн. кВт, а выработку электроэнергии -- до 8,8 млрд.кВт-ч. План был выполнен за 10 лет, а уже в 1940 г. выработке электроэнергии превысила дореволюционную в 25 раз. СССР вышел по этому показателю на место в мире после США. Энергетическое хозяйство СССР достигло уровня, для которого характерны: возрастающая концентрация производства энергоресурсов и электроэнергии со все большей централизацией их распределения; широкие технические и экономическая целесообразность взаимозаменяемости полезных видов энергии, энергетических установок и энергоресурсов. На этой образовались большие системы энергетики, управляемые автоматически и включающие электроэенергетические (и входящие в них теплоснабжающие), , газоснабжающие и углеснабжающиесистемы, среди которых формируется и система ядерной энергетики. В связи с необходимостью экономить нефть и газ, запасы которых быстро истощаются, а новые месторождения требуют больших для их разработок, центр тяжести переносится на использование низкокалорийных углей, ядерных топлив и гидроэнергии, при лишь для электростанций.

3. Теплообменные процессы и установки в транспортно-технологических комплексах. Конвективный режим работы теплотехнических агрегатов. Сложный теплообмен в теплотехнических устройствах

Для транспортной энергетики в будущем предполагается перерабатывать твердые органические горючие в и получать водород. Последний выгоднее, так как сжигается без загрязнения окружающей среды, потери энергии на его ниже, чем для электроэнергии, и т. д., но его широкое применение требует дорогостоящей и длительной подготовки. В резерве остаются аккумуляторы, которые пока не позволяют увеличить однозарядный пробег электромобиля свыше 100 км и тоже немало средств для подготовки к их широкому применению. Для технологических нужд промышленности и отопления помимо предполагается использовать ядерную энергию, что требует налаживания промышленного производства высокотемпературных (900--1100°С) реакторов, которые пока имеются в единичных исследовательских экземплярах. Все сказанное выше подчеркивает экономного расходования не только электрической энергии, но и более 70% энергоресурсов, расходуемых непосредственно на получение и механической работы. Таким образом, знания, приобретаемые в курсе «Общая теплотехника», будут способствовать выполнению задачи повышения эффективности и качества в области теплоэнергетики.

Тепловым излучением называется процесс распространения тепла в виде электромагнитных волн (инфракрасное излучение). В излучающем теле тепло превращается в энергию излучения, которая распространяется в пространстве. Встречая на своем пути какое-либо тело, лучистая энергия частично превращается в тепло, частично отражается от этого тела и частично проходит сквозь него.

Теплообменные процессы происходят в теплообменных аппаратах - устройствах, которые предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

В качестве теплоносителей в промышленности наибольшее распространение имеют насыщенный водяной пар, вода, дымовые газы, а в качестве хладагентов -- аммиак, фреоны, рассол хлорида кальция, воздух, азот. Выбор вида теплоносителя или хладагента определяется их назначением, температурами процесса и стоимостью.

Теплопередача между средами происходит в стационарных и нестационарных условиях. При стационарном (установившемся) процессе поле температур в аппарате не изменяется во времени. При нестационарном (неустановившемся) процессе температуры изменяются во времени. Установившиеся процессы происходят в аппаратах непрерывного действия, а неустановившиеся - в аппаратах периодического, а также при пуске и остановке аппаратов непрерывного действия или изменении режима их работы.

4. Использование топлива в металлургии, энергетике, транспортно-технологических комплексах. Экологические аспекты горения топлива. Мероприятия, направленные на повышение эффективности сжигания топлива. Транспортно-технологические системы в структуре топливно-энергетического комплекса

Экологический аспект

В процессе сгорания топлива образуется много вредных для окружающей среды соединений. Даже образующийся углекислый газ не так безвреден, как может показаться на первый взгляд.

В процессе сжигания бензина, угля, природного газа и других видов топлива в атмосферу выделяется огромное количество углекислого газа СО2, что влечет за собой экологические изменения. Дело в том, что углекислый газ способен поглощать отраженную от поверхности Земли теплоту и в то же время пропускать солнечное излучение. В результате происходит нагревание нижних слоев атмосферы, что приводит к повышению среднегодовой температуры. Можно сравнить происходящий процесс с нагреванием воздуха в парнике. Отсюда и название - «парниковый эффект». Последствия глобального потепления климата могут быть самыми плачевными - это повышение уровня Мирового океана вследствие таяния ледников и затопление части суши.

В промышленных районах в воздух попадают и другие примеси, например, оксид серы(IV), оксиды азота и пыль. Для борьбы с загрязнителями воздуха на дымоходах устанавливают специальные фильтры - поглотители вредных газов, в городах культивируют зеленые насаждения.

Также эффективны мощные сооружения на заводах, в метро и т. д., которые не только очищают воздух от пыли, бактерий и вредных примесей, но и обогащают его кислородом.

Список литературы

1. Кривандии В. А. [и др.] -- Теплотехника металлургического производства; М.: Мисис; 2002.

2. Кривандии В.А. [и др.] -- Металлургическая теплотехника; М.: Металлургия 1986.

3. Гусовский В.Л. [и др.] -- Современные нагревательные и термические печи; М.: Теплотехник; 2001, 2007.

4. Лисиенко В.Г. [и др.] -- Хрестоматия энергосбережения; М.: Теплоэнергетик; 2003.

5. Телегин А.С. [и др.] -- Тепломассоперенос; М.: Академкнига; 2002.

6. Лисиенко В.Г. [и др.] -- Топливо. Рациональное сжигание и технологическое использование; М.: Теплотехник; 2005.

7. Луканин В.В. -- Учебник; М.: Теплотехника; 2003.

8. Павловец В.М. -- Основы промышленной теплогенерации; Новокузнецк, СибГИУ; 2006.

9. Павловец В.М. -- Огнеупорные материалы; Новокузнецк, СибГИУ; 2010.

Размещено на Allbest.ru