2 Технічна термодинаміка вивчає теоретичні основи перетворен-ня теплової енергії в механічну

Вид материала

Документы

Содержание Для відводу відпрацьованих продуктів горіння – димосос, ексгаузер , димова Конвективний теплообмін Теплообмін випромінюванням 3 Паливо та його використання. Горіння палива Вища теплота горіння Q Спалювання і термічна обробка газу Нормальною швидкістю горіння 4 Теплоенергетичне устаткування Нагнітальники й теплові двигуни Тепломасообмінні установки Тепломасообмінні (апарати ) установки 5 Теплоенергетичні системи Вироблення й розподіл енергоносіїв 6 Використання внутрішніх вторинних енергоресурсів Захист навколишнього середовища 8 Управління технологічними процесами Вимірювання тиску Автоматизація теплоенергетичних процесів 9Теплотехнічні дослідження промислових Фізична модель ... Полное содержание

Подобный материал:

• Розділ 1 наукові основи безпеки життєдіяльності глава Теоретичні основи безпеки життєдіяльності, 433.74kb.
• Регіональна державна інспекція з енергетичного нагляду за режимами споживання електричної, 41.43kb.
• Підготовка та використання деревинних відходів для виробництва теплової енергії для, 39.86kb.
• Закон україни, 295.54kb.
• Сучасна колоїдна хімія це велика, самостійна частина хімічної науки, що вивчає дисперсний, 136.55kb.
• Тарифи на теплову енергію основних теплопостачальних підприємств міста Києва, 126kb.
• План Звільнення І перетворення енергії в організмі. Вітаміни та їх біологічне значення, 287.03kb.
• План загальна характеристика змісту рухових якостей І засобів їх розвитку. Основи методики, 684.46kb.
• Програма для вступу на освітньо-кваліфікаційний рівень „магістр" після окр „бакалавр", 63.04kb.
• Теоретичні основи управління збутовою діяльністю підприємств, 1224.03kb.

Вінницький національний технічний університет

Кафедра теплоенергетики





« Вступ до фаху »


Спеціальність 6.090500

Спеціальність 6.000008


Вінниця 2005

2 Теоретичні основи теплотехніки


2.1. Технічна термодинаміка, гідро газодинаміка ,тепломасообмін

2.2. Технічна термодинаміка вивчає теоретичні основи перетворен-ня теплової енергії в механічну. Закони цієї науки лежать в основі роботи парових і

газових турбін , двигунів , парових машин тощо.

2.3. Рух рідин і газів – невід’ємна частина функціонування будь-якого тепло технологічного агрегату або системи (водо- і газопроводи , системи опалення , димові канали печей , насоси , димові труби , тепло технологічне устаткування –ВА , сушарки - тощо ). Рух рідин і газів підпорядкований одним законам , тому гази також називають „рідинами”. Обумовлюють „крапельна рідина” чи „газ”.

Гідро газодинаміка вивчає закони руху „рідин”.

2.4. Наука про тепломасообмін – основа для всіх прикладних теплоенергетичних дисциплін. Тепло- і масообмінні процеси є основними практично в усіх теплоенергетичних системах і тепло технологічних установках , постійно присутніми у повсякденній практиці. Теплообмін, або передача теплоти відбувається завжди , коли є різниця температур між різними тілами або

між частинами одного тіла. ТМО вивчає закономірності ТМО.

2.5. Фізичне тіло, що бере участь у процесі перетворення енергії і називається робочим тілом характеризується параметрами стану: Р , V , Т.

Зміна параметрів стану робочого тіла називається процесом ( наприклад , процес нагрівання або охолодження процес стискання або розширення ). Процеси в РV-

діаграмі , якщо рівноважні.

2.6. Витікання пари і газів високого тиску спостерігається в газових і парових турбінах , пальниках , продувних формах тощо. Відбувається воно через сопло , яким є канал , призначений для зміни кінетичної енергії газу або пари.


Витікання - це процес розширення , тобто процес зменшення тиску і збільшення питомого об’єму . Цей процес звичайно вважають адіабатним , тобто без теплообміну із навколишнім середовищем.

Зміна ентальпії та швидкості зв’язана рівнянням:






Особливістю витікання газів є різний дозвукового М<1 (докритичного) і надзвукового М>1 (надкритичного) витікання

М=W/а.

2.7. Розрахунок втрат енергії під час руху рідин каналом необхідний для вибору тягодувних засобів : вентилятора , водяного насосу, димососу або димової труби. Напір тягодутьового засобу поступово витрачається на подолання опору руху: опір тертям , місцеві , гідростатичні.


∆Р_тр= λ(l/d)(W²ρ/2); ∆Р_м.оп=ζ_м.оп (W²ρ/2); ∆Р_г=±Hg( ρ_п- ρ_г);


∆Р_Σ= Σ ∆Р_тр + Σ ∆Р_м.оп ± Σ ∆Р_г


2.8. Розрахувати розрідження , котре має створити димова труба біля своєї основи , якщо до неї приєднаний димовий тракт. Такі тягодутьові машини , як ексгаустер , вентилятор , димосос випускають серійно. Для вибору їх за каталогом треба знайти витрати газів V₀ та загальний опір ∆Р_Σ. Ці величини беруться з деяким запасом.

Вентилятор – для подачі повітря.

Для відводу відпрацьованих продуктів горіння – димосос, ексгаузер , димова

труба , етектор , витяжний зонт.

2.9. Ламінарний і турбулентний рухи.

2.10. ТЕПЛОПРОВІДНІСТЬ- це процес переносу теплоти в середині тіла (суцільному середовищі), який обумовлений неоднаковістю температур в розглядаємому просторі .Механізм теплопровідності в газах, рідинах, і твердих тілах різний.

В газах-обумовлене переносом кінетичної енергії за молекулярного руху. Внаслідок співударяння „гарячих ” молекул (з більшою кінетичною енергією ) з „холодними” відбувається передача кінетичної енергії.

В рідинах- теплота передається від одного шару рідини іншому шляхом пружних коливань , які тим інтенсивніше , чим вища температура.

У твердих тілах- теплота передається також за рахунок пружних коливань , але в металах теплопровідність в основному обумовлена рухом електронів , потік яких подібний до одноатомного ідеального газу.


Конвективний теплообмін між потоком рідини або газу і поверхнею твердого тіла має такий механізм: передача теплоти в рідині (газі) далеко від поверхні йде за рахунок конвекції (тобто переміщення мікро- і макровихорів) , а поблизу поверхні – за рахунок молекулярної передачі або теплопровідності. Конвективний перенос теплоти завжди обумовлений рухом – цей рух – природний або вимушений.


Теплообмін випромінюванням відбувається за квантового переходу атомів і молекул із стаціонарних станів з більшою енергією в стаціонарний стан з меншою енергією. Безперервне випромінювання – один з різновидів електромагнітних коливань з довжиною хвиль від 0,4 до 400 мкм ; 0,4...0,76 мкм

видимі (світлові) промені ; 0,76...400мкм –інфрачервоні теплові промені.

2.11. Нестаціонарне температурне поле t=f (x,y,z,τ )

Стаціонарне температурне поле t=f (x,y,z, )

Градієнт температур – вектор , спрямований по нормалі в бік підвищення температури .

grad t=dt/dn


густина потоку (гіпотеза Фур’є) q=-λ grad t

2.12. Нестаціонарне температурне поле описується диференційним рівнянням, отриманим із балансу теплоти. Для того, щоб розв’язати диференційне рівняння, тобто знайти розподіл температур у будь-який момент часу , необхідно задати умови однозначності: форма тіла і його розміри , теплофізичні властивості матеріалу тощо.

Енергія біомаси – знизити витрати на дублювання.

3 Паливо та його використання.

Горіння палива

3.1. Паливом називають речовину, під час спалювання якої виділяється значна кількість теплоти. Паливо відповідає таким вимогам : велика кількість у природі, відносна легкість видобування і транспортування, легкість і простість спалювання, нешкідливість продуктів горіння, можливість керування процесом

горіння.

3.2. За агрегатним станом паливо поділяють на тверде, рідке і газоподібне; за походженням – на природне і штучне.

Тверде : торф, буре та кам’яне вугілля, антрацит, горючі сланці.

Штучне : кокс, напівкокс, вугільні брикети, порох.

Природне рідке – нафта ; штучне – бензин, гас, мазут, дизельне паливо, гудрон, масла, бензол, спирт.

Штучний вид газу –нафтозаводський, коксовий, домений, генераторний.

3.3 . Вища теплота горіння Q^р_в – відповідає умові, коли всі водяні пари продуктів горіння знаходяться в сконденсованому стані при 0^°С. Нижча теплота горіння Q^р_н – умові, коли водень палива згоряє у водяну пару, а волога палива випаровується.


3.4. Відношення дійсної кількості повітря до теоретично необхідного, називається коефіцієнтом витрати повітря і позначається α :

α = αg/α₀

3.5. Горінням називається хімічний процес з’єднання горючих елемен-тів палива з окислювачем (киснем) і швидким підйомом температури.

Розрізняють кілька температур горіння : паропродуктивну (t_max) , калориметрій ну (t_кал), теоретичну (t_т) і дійсну (t_д)

t_max = Q^в_п / V_п.г. С _п.г. ; t_кал = (Q^в_п+Q_ф.пал.+Q_ф.н. )/ V_п.г. С _п.г.


t_т= (Q^р_н + Q_ф.т.+ Q_ф.в. – Q_дис.) / V_п.г. С _п.г.


t_д= (Q^в_поч+ Q_ф.пал + Q_ф.н. – Q_дис. – Q_втр.) / V_п.г. С _п.г.


3.6. Природній газ складається з газоподібних вуглеводнів(СН₄). Для подачі газу від місць видобування до споживачів будують трубопроводи на велику відстань стисненими під тиском 5…9 МПа. На шляху газопроводу споруджують газопідвищуючі станції.


3.7. Оскільки всі горючі гази не мають кольору і запаху, їх витік із газопроводів важко своєчасно виявити і відвернути вибухи, пожежі й отруєння, то газам штучно надають запаху. У техніці такий процес називають одоризацією газу, речовини застосовані до цього, – од-орантами , а апарати, де відбувається процес одоризації, – одори-заторами. Одоранти : меркантанти, сульфіди й дисульфіди.


3.8. У зв’язку з тим, що з підвищенням температури сприймання запаху збільшується , норми витрати адоранту зимою більші , ніж улітку (2:1). Вміст адоранту в газі мусить бути таким , щоб різкий запах відчувався за концентрацією газу в повітрі приміщень не більше 1/5 нижньої границі вибуховості цього газу.

Витрати адоранту на одоризацію зрідженого газу 12...13см³ на 1000л рідкого газу. Природній газ: табл.3.5 , стор.38.

Спалювання і термічна обробка газу

3.9. Для здійснення процесу горіння разом з горючим газом повинна поступати необхідна кількість повітря , потрібен безпосередній контакт горючого газу й окислювача. Для процесу горіння необхідні такі умови: до горючого газу необхідно підвести в достатній кількості повітря , змішати газ з повітрям , газоповітряна суміш в концентраційних границях спалахнення і має бути підігрітою до температури спалахнення або мати джерело запалення , газоповітряна суміш мусить надходити зі швидкістю , що дорівнює швидкості розповсюдження полум’я.


3.10. У разі браку окислювача паливо повністю не згорить. У разі надлишку окислювача буде понижений пірометричний ефект горіння. Але суміш газу з повітрям спалахне лише в тому випадку, якщо температура суміші досягне певного рівня. З точки зору ланцюгової теорії горіння температура, за якої утворення й обрив ланцюгів знаходиться в рівновазі , називається температурою займання. Якщо температура суміші газу з повітрям більша від температури займання , відбувається самозаймання; у цьому випадку створення ланцюгів переважає над їхнім обривом і горіння протікає без підводу теплоти ззовні. Однак не кожна суміш горючого газу з повітрям спалахне. Газоповітряні суміші можуть спалахувати без притоку теплоти ззовні тільки у тому випадку, якщо вміст горючого газу в суміші знаходиться в певному для кожного газу межах. Існують верхня та нижня границя спалахненості .

Нижня (менше) - газу занадто мало , щоб підігріти суміш до температури спалахнення.

Верхня (більше) - не вистачить окислювача для такої кількості газу, щоб виділена у цей момент теплота підігріла суміш до температури спалахнення.

За температури суміші , вищої від температури спалахнення, суміші газу з повітрям горять у будь - якому об’ємному співвідношенні.

Вибух: суміш з концентрованими границями спалахнення в закриту посудину , є джерело з температурою спалахнення → миттєво горіння.


3.11. Нормальною швидкістю горіння, або поширенням полум’я, називається швидкість, з якою плоский фронт полум’я в трубі насувається на нерухому газоповітряну суміш.

Якщо трубою подавати газоповітряну суміш зі швидкістю , що дорівнює нормальній швидкості поширення полум’я , фронт полум’я буде нерухомим; якщо швидкість газоповітряної суміші буде більшою від швидкості розповсюдження полум’я , станеться відрив полум’я; якщо швидкість суміші буде меншою від швидкості поширення полум’я , станеться проскок полум’я , тобто фронт горіння буде просуватись назустріч рухові суміші . Трубка ≈<1мм – не спостерігається проскок полум’я за будь-якої швидкості витікання газоповітряної суміші.


3.12 Три способи спалювання газоподібного палива (від способу подачі повітря в зону горіння):дифузійний (в зону горіння газ і повітря нарізно), кінетичний( змішування заздалегідь), змішаний (заздалегідь змішування +повітря).

Пристрої, призначені для подачі до місця горіння потрібної кількості газів і повітря, для створення умов щодо їх перемішування, спалахнення й горіння, називаються газопальниками, або просто пальниками.

Пальники можна класифікувати за такими ознаками:

1. способи передачі газу й повітря – прямоточні, вихорові, тангенціальні;
   
2. спосіб змішування газу з повітрям – з попереднім змішуванням, з частковим змішуванням, без змішування;
   
3. способи спалювання газу – кінетичні, дифузійні, змішані;
   
4. форми факела: щільові, довго факельні, коротко факельні, плоскополуменеві;
   
5. тиск газу й повітря – низький, середній, високий;
   
6. теплота горіння газу;
   
7. цільове призначення – побутові, для котлів, для нагрівальних і плавильних печей;
   
8. конструктивні особливості – труба в трубі, одно - чи двопровідні.
   

Тиск газу : пальники можуть працювати за різного надлишкового тиску: їх називають пальниками низького тиску, якщо тиск газу не перебільшує 5кПа, середнього тиску – якщо тиск газу становить 5...300 кПа і високого тиску - якщо тиск перевищує 300 кПа. Для кожного типу пальника розрізняють три робочих тиски газу: номінальний, максимальний і мінімальний.


3.13. Принцип роботи пальника і його конструкція визначають характер горіння палива. Якщо паливо і повітря змішують перед входом до камери горіння і в зону горіння надходить заздалегідь підготовлена суміш (ά ≥1), відбувається кінетичне горіння , що забезпечується пальниками безполуменевого типу. Нема видимого факела. Якщо ж сумішоутворення відбувається в одному об’ємі з горінням , утворюється добре видимий факел , таке горіння називається дифузійним , або полуменевим , і забезпечується дифузійними або полуменевими пальниками , ά =1.


3.14. Для розпилення й сумішоутворення застосовують спеціальні пристосування – форсунки , точніше , пальники з форсунками . Розпилення палива – це процес подрібнення струменю рідкого палива на дрібні краплі , коли необхідно подолати сили зчеплення й поверхневого на тяжіння. Його можна здійснювати двома способами:

1. Внутрішньо канальний розпад рідкого палива під дією сил тертя й кавітації під час протікання його крізь вузький прохідний отвір зі значною швидкістю . Це – механічне розпилення , здійснюване механічними форсунками. Тиск мазута від 0,8 до 5,0 Мпа.
   
2. Розпад струменя рідкого палива на краплі під дією сил тертя й ударів , викликаних великою швидкістю спеціальних розпилювачів. Форсунки пневматичного типу , розпилювач – пара й повітря. У механічних форсунках діаметр краплі 0,2мм , у пневматичних 0,02мм.
   

Мазутні форсунки бувають механічні й пневматичні , високого й низького тиску.


3.15. Термічній переробці піддаються усі види палива. У техніці застосовують два види термічної переробки газоподібного палива: крекінг (термічний розклад) і конверсія (перетворення) водяною парою, вуглекислим газом, а також повітрям чи киснем (неповне горіння). У процесі конверсії в присутності окислювачів вуглеводні перетворюються або в метан, або в водень та оксид вуглецю.


3.16. Тверде паливо не тільки використовується як енергетичне , але й піддають його термічній переробці для отримання з нього ряду цінних продуктів : коксу , горючого газу , різних смол , рідкого палива . Розрізняють два способи термічної переробки твердого палива : термічне розкладання (суха перегонка чи коксування) і без залишкова газифікація.


3.17. Процес максимально повного перетворення горючої маси твердого палива в горючі гази , здійснюваний за високих температур у присутності кисню , називається газифікацією твердого палива. Пристрої – газогенератори ; а отримані гази – генераторними.


3.18. Чорна металургія – найбільш енергоємна галузь : 10% усього споживаного державного палива ; 30% усього палива промисловості .Найбільшу частину в паливному балансі складає кокс – основний вид палива в доменому виробництві й агломерації руди. У структурі паливного балансу чорної металургії і кокс і коксові відходи -40% , природний газ -25% , коксовий газ – 15% , домений газ – 10% , рідке паливо (мазут ) -5% , енергетичне вугілля – 5%.

Коефіцієнт використання палива не перевищує 30% . Багато палива на отримання теплоти на технологічні потреби , опалення , вентиляцію й гаряче водопостачання , кольорова металургія.


3.21. Вогнетехнічні процеси машинобудування аналогічні процесам чорної металургії й відрізняються від них меншою потужністю . Низьке тепловикористання в машинобудуванні пояснюють малою тепловою потужністю устаткування , розосередженістю їх по цехах і , як правило , одно – чи двозмінною роботою. Енергетична модернізація в машинобудуванні полягає у використанні теплоти відхідних газів , заміна коксу у вагранках газоподібним паливом , примусовому охолодженні чорнової зони вагранок , влаштування методичних зон у нагрівальних печах для попереднього нагрівання виробів , у скорочені втрат теплоти в навколишнє середовище.


3.22. Нетрадиційні й поновлювані види енергії – сонячна енергія , енергія вітру , океанічних припливів і морських хвиль; теплота геотермальних вод землі й океанів , біомаса.


3.23. Сонячна енергія – невичерпна й чиста (за рік 1,2*10⁴т.у.н.).Недоліки - розсередженість й перервність .Проблеми : 1)акумулювання енергії, отримання електроенергії (фотоелектроперетворювачі , паросилові установки ); 2)теплоти.

Енергія вітру – давно . Нестійкість вітру – дублюючі системи .Сумісно сонячну й вітрову – акумулювання енергії .

4 Теплоенергетичне устаткування

Котельні установки

4.1. Котельна установка являє собою агрегат для перетворення хімічної енергії палива в теплову енергію гарячої води або пари , головним чином водяної.


4.2. Усі типи котлів поділяються за видом отримуваного теплоносія на дві групи : парові котли й водогрійні .


4.3 Основні елементи котла – це топка , пароперегрівач , економайзер , повітропідігрівач.

Загальна схема котельної установки, П-подібної компоновки . t_{горіння}=1600...1800°С, в пароперегрівач t=900°С (гориз. газ), перед економайзером t=400...600 °С, за економайзером t=300...400°С. В повітря підігрівачі повітря нагрівається до t= 250...350 °С. Після повітря підігрівача t= 120...160 °С продукти горіння димососом витягуються через димову трубу в атмосферу.


4.4. Топки :внутрішні й виносні – це розташування за способом спалювання палива : шарові , камерні , вихорові; за ступенем механізації подачі палива , шурування шару й видалення золи : ручні , напівмеханічні й механічні.


4.5. Для раціонального використання теплоти продуктів горіння в котлах використовують економайзери й повітря підігрівачі. Водяний економайзер (Е) – це трубчатий теплообмінник , в якому живильна вода підігрівається за рахунок теплоти відхідних продуктів горіння. Е – киплячі й не киплячі (t< на 20 ... 30°С від t_кип. ). Не киплячі Е із сталі або чавуну .Киплячі тільки із сталі , оскільки гідравлічні удари – руйнування крихких чавунних труб. Випарювання до 10...15%.


4.6. Повітряпідігрівач – це пристрій для підігріву повітря продуктами горіння перед подачею до топки котла. Температура підігріву повітря залежить від виду палива й способу його спалювання . За шарового спалювання до 150...250°С ; камерні топки – до 300...400°С. Особливо важливим є підігрів повітря запалювання вологого палива. Повітря- підігрівачі - рекуперативні й регенеративні. Обмурівка котла - гідравлічна й теплова ізоляція . Обмурівку – із вогнетривкої цегли , вогнетривких плит , ізоляційних матеріалів , металічних скріплюючи частин , ущільнюючих обмазок. Котли контрольно – вимірювальними приладами. Перед надходженням у котел воду піддають спеціальній обробці.

Нагнітальники й теплові двигуни

4.7. Теплові двигуни – це пристрої , що перетворюють теплову енергію в механічну роботу(парові й газові турбіни , ДВЗ , реактивні двигуни ).


4.8. Паровою турбіною (ПТ) називається тепловий двигун , в якому потенціальна енергія пари перетворюється в кінетичну , а кінетична енергія – в механічну енергію ротору турбіни.

Ротор турбіни зв’язаний через редуктор з валом інших машин і механізмів ( електричний генератор , насос , гребний гвинт , повітродувка тощо).

ПТ- транспортні й стаціонарні.

ПТ- енергетичні (електрогенератор) ; промислові ; допоміжні (привод машин власних потреб).

ПТ- конденсаційні ; ПТ- аксіальні ;

ПТ- з докритичним і надкритичним тиском ;

ПТ- спосіб регулювання з дросельним , сопловим або комбінованим , обвідним;

ПТ- активні і реактивні ( розширення робочого тіла).


4.9. ДВЗ –називаються двигуни , в основі роботи яких лежить робота розширення продуктів спалювання рідкого або газоподібного палива.

Нагнітачами називаються гідравлічні машини для переміщення рідин або газів і надання їм кінетичної енергії . Для рідини-насоси. Машини для подання газів діляться на три групи :

1. вентилятори , підвищують тиск на 0,015 МПа
   
2. газодувки , підвищують тиск на 0,3 МПа , без охолодження
   
3. компресори , підвищують тиск більше ніж на 0,015 МПа з охолодженям .
   

Нагнітачі : лопатеві , об’ємні й струменеві (етектори , інжектори , водоструменеві насоси тощо).

Тепломасообмінні установки

4.10. Тепломасообмінний апарат - це агрегат , призначений для передачі теплоти від гріючого (гарячого) теплоносія до теплоносія , що нагрівається (холодного).


4.11. З огляду на технічну й економічну доцільність їх використання теплоносії (Т) повинні відповідати таким вимогам: низька в’язкість, велика теплоємність, густина, теплопровідність, теплота пароутворення, висока температура за малих тисків , термічна стійкість і не агресивність до матеріалів апарата, пожежо- і вибухонебезпека, дешевизна й достатність у природі. Т – вода, водяна пара, димові гази, мінеральні масла, розплавлені метали, хладони.


4.12. Тепломасообмінні (апарати ) установки звичайно класифікують за призначенням – нагрівальні , охолоджувальні , конденсаційні, випаровуючи , ректифікаційні ; за принципом дії – змішувальні й поверхневі; за режимом роботи – періодичної й безперервної дії .

Поверхневі ТО – рекуперативні й регенеративні. Схема руху теплоносіїв – прямотою , протиток , перехресний ток.


4.13 Ректифікація - це процес розділення компонентів рідких сумішей; полягає у протиточній взаємодії парів , що утворюються під час перегону , з рідиною , що виходить в разі конденсації парів.

Висококиплячі й низькокиплячі рідини.


4.14 Випарювання – термічний процес концентрування (згущення) розчину, який полягає у видалені рідкого розчинника шляхом його випаровування.


4.15. Холодильні установки – другий закон термодинаміки.


4.16. Високотемпературні теплотехнічні системи , основними ланками яких є промислові паливні печі , реактори , конвертери , за рівнем прямого використання палива конкурують з тепловими електростанціями. Низьке ККД <≈25...30 % і в той час великими потенціальними можливостями економії палива.

Теплотехнологічний процес (теплотехнологія) – отримання продукції через зміну теплового стану – в ВТУ .

В ВТУ – зони генерації теплоти і зони технологічного процесу , або робочий простір ; можуть бути об’єднані (обмурівка : вогнетрив , ізоляція).

В ВТУ – паливоспалюючі пристрої з паливо – й повітряпроводами, пристрої для підігрівання компонентів горіння, димоходи, тягові засоби .


4

1. робочий вогнетрив;
   

2 - низькотемпературний вогнетрив;

3 – теплоізоляція.

.17. Схема обмурівки багатошарової

5 ТЕПЛОЕНЕРГЕТИЧНІ СИСТЕМИ

Джерела і системи теплопостачання промислових підприємств

5.1 Теплопостачання

У розвинених державах світу на вироблення теплоти й електроенергії витрачається значна частина паливноенергетичних ресурсів, що добуваються. Найбільш енергоємкою галуззю народного господарства є промисловість, яка споживає близько 70% електроенергії і понад 50% палива, що видобувається в країні.

Значну частину становить так зване паливне споживання, тобто використання теплоти у вигляді гарячої води й водяної пари для опалення, гарячого водопостачання, вентиляції, кондиціонування повітря й для різних технологічних потреб (парові молоти, автоклави, сушарні, винарні й ректифіка-

ційні установки, парові двигуни та ін.).

5.2. Для організації раціонального теплопостачання велике значення має теплофікація, тобто централізоване теплопостачання на базі комбінованого ви-

вироблення теплоти й електроенергії. ТЕЦ. Когенераційні установки.

5.3. Передача теплоти від джерела до споживачів здійснюють за допомогою робочого тіла, так званого теплоносія: водяна пара й гаряча вода – абонент; теплове навантаження. У системах централізованого теплопостачання осн. споживачами є: санітарно-технічне тепловикористання будівель ( опалення, вентиляція, кондиціонування повітря, гаряче водопостачання ) і технологічне теплоспоживання ( підігрівачі, сушарки, автоклави тощо), силові технологічні агрегати ( парові молоти, преси, насоси тощо).

5.4. За характером споживання за часом теплове навантаження буває сезонним (клімат) і цілорічним (гаряче водопостачання, технологічне навантаження)


5.5. Розрахунок кількості теплоти на опалення будівель зручніше визначити через опалювальну характеристику, Вт


Q = q0υ (tв - tз ),

де q0 – опалювальна характеристика будівлі, Вт/(м³К);

υ – зовнішній об’єм будівлі.

5.6. За розрахункову температуру зовнішнього повітря для опалення беруть середню температуру найхолодніших п’ятиденок з 8 найхолодніших зим за останні 50 років. Москва - 25°С, Донецьк - 24°С, Сочі - 3°С. Температура внутрішнього повітря СНІП: житлові приміщення, готель, гуртожиток +18°С; навчальний заклад, лабораторія, палац культури +16°С.


5.7. Для якісного теплопостачання важливо вірно вибрати строки оптимального періоду, регульовані місцевими радами. За СНіП. Тривалість оптимального періоду визначається сталою середньодобовою температурою зовнішнього повітря, що дорівнює +8°С і нижче. Початок і кінець опалювального періоду промислових будівель визначається зовнішньою температурою, за якою теплові втрати дорівнюють внутрішньому тепловиділенню.


5.8. Сукупність установок і пристроїв для підготовки, транспорту й використання теплоносія складають систему теплопостачання.

Класифікація систем за ознаками:

- джерело теплоти ( ТЕЦ, районне теплопостачання від котелень, установки для використання вторинних енергоресурсів );

- Вид теплоносія ( парові, водяні )

- спосіб під’єднання місцевих установок гарячого водопостачання (відкриті, закриті );

- спосіб під’єднання установок, що використовують теплоту ( залежні, незалежні );

- число паралельно працюючих трубопроводів ( однотрубні, двотрубні, багатотрубні ).


5.9. Існують дві схеми під’єднання тепловживаючих установок до теплових мереж: залежна і незалежна.


5.10. Вибір теплоносія і схеми теплопостачання визначається техніко-економічними міркуваннями залежно від характеру джерела теплоти й виду теплового навантаження.


5.11. Схеми АТЕЦ і одно контурна, двоконтурна. Переваги й недоліки.


5.12. Під час проектування систем теплопостачання необхідно вибирати варіант, найбільш оптимальний для даного району й умов теплопостачання. У разі порівняння різних схем теплопостачання оптимальним варіантом є той, за якого зведені витрати будуть мінімальними.

Теплофікація( Т ) – комбіноване виробництво електроенергії і теплоти.

Для централізованого теплопостачання використовується пара, яка відпрацювала в парових турбінах електростанцій.

Т. включає як виробництво так і розподілення теплоти по тепловим сітям, а також споживання теплоти в технологічних, опалювальних та інших цілях.

Вироблення й розподіл енергоносіїв

5.13. Витрати на економію палива набагато менші, ніж витрати на його видобування.

Принципова схема видобування, транспортування й розподіл природного газу: 1 – газова свердловина; 2 – свічка; 3 – пилоуловлювач; 4 – влаговіддільник; 5 – вимірювальна шайба; 6 – колектор збирання газу з різних свердловин; 7 – вторинне очищення й осушення газу; 8 – компресорна станція; 9 – магістральний газопровід; 10 – масляний фільтр; 11 – двоступінчатий регулятор тиску; 12 – одоризатор; 13 – газгольдер; 14 – газопровід заводський; 15 – заводський газорозподільчий пункт (ГРП); 16…19 – споживачі природного газу.

Глибина залягання газових пластів 5000м і більше. Тиск газу – 7…40МПа. Компресорні станції через 120…160км. ГРС – газ додаткове очищення. На ГРС тиск знижується до необхідного. У кінці магістрального газопроводу тиск газу становить 2,0…2,5МПа. У споживачів ГРП. На ГРП тиск підтримується автоматично, є постійним незалежно від коливань його тиску перед ГРП.

ГРП промислових підприємств поділяють на

• центральні( для постачання групи цехів )
  
• цехові ( один цех );
  

залежно від отримуваного тиску газу – на:

• високого ( 300…600кПа),
  
• середнього ( 5…300кПа),
  
• низького ( до 5 кПа).
  

5.14. Для вирівнювання добової нерівномірності споживання природного газу за ГРС іноді споруджують газольдерні станції, де встановлюють декілька циліндричних посудин зі сферичними днищами (газгольдерів), які правлять за сховище газу. Тиск газу в газгольдерах – до 0,6 МПа.

Сезонна нерівномірність споживання газу може вирівнюватись за допомогою підземного збереження газу. Надлишок газу закачують потужними компресорами в підземні виробки.

Інтерес являє резервування палива його зрідженням. Осушення, очищення – холодильна установка. t = -150°, атмосферний тиск – у сховище. Знову в газоподібний стан – тепло охолодної води з конденсатора енергоустановки.


5.15. Кисень в основному отримують із повітря способом глибокого охолодження з наступним розділенням на азот і кисень. Спочатку повітря перетворюють у рідину, а потім використовуючи різну температуру кипіння азоту

(-195,8°С) і кисню(-182,9°С),їх розділяють. Спочатку випаровується азот. Рідина збагачується киснем. Процес повторюють багаторазово – отримують кисень необхідної частоти.

6 ВИКОРИСТАННЯ ВНУТРІШНІХ ВТОРИННИХ ЕНЕРГОРЕСУРСІВ

6.1. ККД вогнетехнічних установок 10…40%, решта теплоти губиться з відхідними газами, з охолодженням, в навколишнє середовище тощо. Це і є ВЕР. До ВЕР – енергія стиснених газів.

6.2. Технічна й економічна доцільність використання відходу ВЕР визначається комбінацією його температурного рівня, величиною теплової потужності й безперервністю видачі: відхідні виробничі гази


Qвідх = ∑Vв.гС tв.г


6.3. Відхідні виробничі гази відрізняються в них технологічного уносу, тобто вмістом твердих і рідких частинок технологічного матеріалу. Унос осідає на теплообмінних поверхнях, чим погіршує умови теплообміну, а також збільшує гідравлічний опір димовідвідного тракту, що знижує продуктивність теплотехнічного агрегату.


6.4. Теплоту відхідних газів можна використати за двома схемами:

а) за замкненою, або регенеративною (підігрів палива, повітря, вхідного матеріалу );

б) розімкненою, або енергетичною (за межами – гаряча вода, пара тощо).


6.5. Регенеративне використання теплоти відхідних газів ефективніше, тому що теплота в такому випадку повертається назад до робочої камери, підвищує її температурний рівень і продуктивність агрегату.


6.6. Вживання теплоти відхідних газів для отримання гарячої води і пари низького тиску виправдане тільки для теплових агрегатів малої потужності і за наявності протягом року постійних споживачів. Для агрегатів великої потужності оптимальним варіантом є електроенергетичне застосування теплоти відхідних газів, тобто отримання пари високих параметрів, придатної для вироблення електроенергії. Котли-утилізатори.


6.7. Теплоту кінцевого продукту найдоцільніше використовувати за регенеративною схемою ( підігрівання повітря без спеціальних поверхонь – сам технологічний продукт поверхня ). Виробництво цементного клінкеру, вапна та інших матеріалів в обертових, шахтних печах і печах киплячого шару.


6.8. Процес випарного охолодження: Q = Gв С ∆t + Gв r.

Менша витрата води – у 40..60 разів. – Хімічно очищена вода. Пара використовується. Основна перевага – різке покращення умов роботи охолоджувальних елементів – збільшується строк служби.

6.9. Енергія стиснених газів – в спеціальних газових утилізаційних без компресорних турбінах.


6.10. Розрахунок економічної ефективності використання ВЕР роблять зіставленням зведених витрат ( З = В + ЕК ) варіантів енергопостачання без ВЕР і з ВЕР.

7. ЗАХИСТ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА
   

7.1. Під час спалювання твердого палива в атмосферу потрапляє зола й частинки насиченого палива з сірчаним і сірчистим ангідридом, оксидами азоту та іншими сполуками. У золі деякого вугілля міститься миш’як, двоокис кремнію та оксид кальцію.

Рідке паливо – оксиди сірки, азоту, продукти неповного горіння, сполуки ванадію та інші речовини

Газоподібне паливо – в основному оксиди азоту й продукти неповного спалювання ( СО ).

У продуктах горіння – можуть бути токсогенні речовини, які отруюючи діють на людей, тварин і рослинний світ як безпосередньо так і побічно, поглинаючи короткохвильове сонячне випромінювання ( важливе для життєдіяльності ).

Шкідливими для людини є бензин, оксиди азоту, оксид вуглецю, сірководень, формальдегід тощо. Вражають перш за все органи дихання – енфізема, туберкульоз, рак.


7.2. Урядові органи.

Під час спалювання твердого, рідкого, газоподібного палива основними джерелами забруднення повітряного басейну є промислові установки ( особливо чорної та кольорової металургії, хімії ), теплові електростанції, транспорт, побутові й комунальні установки.


7.3. Критерієм санітарної оцінки середовища служать гранично допустимі концентрації ( ГДК ) шкідливої речовини у повітрі і воді. ГДК за щоденної дії протягом тривалого часу на організм людини не викликає патологічних змін або захворювань, які виявляються сучасними методами досліджень.


7.4. Основні напрямки захисту навколишнього середовища:

- мінімізація утворення шкідливих речовин

- максимальне вловлення шкідливих речовин

- розсіювання шкідливих викидів – це шлях найнераціональніший

- розроблення нової чистої технології відносно викидів в атмосферу – найбільш раціональне вирішення проблеми.

8 УПРАВЛІННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИМИ ПРОЦЕСАМИ

Теплообмін і теплові режими в промислових печах

8.1. Промислова піч – це теплотехнічний агрегат, в якому отримана в той чи інший спосіб теплова енергія ( теплота – робочий вид енергії ) використовується для теплової обробки матеріалів.

Універсальною слід вважати класифікацію паливних печей за теплообмінною ознакою: поверхні нагріву визначені, Fн; поверхні нагріву не визначені, Fн = ?

2. Теплові режими теплової обробки матеріалів
   

Під тепловим режимом розуміється зміна в часі поля температур матеріалу t(x,y,z,τ), температур джерела теплоти tг, tпеч, t кл, теплових потоків q і теплової потужності М:


t(x,y,z,), tг, tпеч, t кл, q, М = f(τ).

2. Радіаційний режим:
   

• прямий напрямлений
  
• непрямий напрямлений
  

Конвективний:

• низькотемпературний ( до 600…700°С)
  
• високотемпературний ( до 1100…1200°С)
  

Шаровий ( обробка сипних матеріалів ):

• щільний шар
  
• киплячий шар
  
• завислий шар
  
• пересипний шар.
  

8.4. Режим плавлення матеріалів: поглинання прихованої теплоти плавлення, необхідної для зміни агрегатного стану.

Чиста речовина – точка плавління.

Сплави – плавління в інтервалі між температурою солідус і ліквідус. У розрахунках часто беруть tпл ≈ tлікв.

Режими: плавлення прогрітого тіла за миттєвого видалення розплаву і сталої температури середовища; плавлення тіла, не прогрітого до температури плавлення, з миттєвим видаленням розплаву.

5. Напрямки інтенсифікації й удосконалення теплових режимів промислових печей.
   

Теплова робота промислових печей характеризується такими показниками: продуктивністю P = G/τ, кг/с, питомою продуктивністю, коефіцієнтом використання теплоти палива,



термічним ККД, питомою витратою теплоти, питомою витратою умовного палива




Інтенсифікація – покращувати показники.


Теплотехнічні вимірювання й прилади


8.6. Точність і надійність засобів вимірювання й інформаційно-вимірювальних систем визначають надійність і високу ефективність теплоенергетичного агрегату.

Вимірювання являє собою процес пошуку значення фізичної величини експериментальним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів.

Розглядається як єдиний процес спільної роботи чутливих елементів, перетворювачів і вимірювання приладів.


8.7. Вимірювання t, °C ; T = 273 + t, K ; термічне розширення, термопари, термометри опору, пірометри

Вимірювання тиску: барометри, манометри надлишкового тиску (манометри), вакуумметри.

Рідинні манометри, деформаційні манометри.

Вимірювання витрати і кількості речовини: витратомір (кг/с, кг/год, т/год), лічильники (кг, т, л, м³).

Витратомір – вимірювання витрат:

Змінного перепаду тиску зі звужуючим пристроєм (діафрагма), сталого перепаду тиску з елементами обтікання (ротаметр), тахометричні (тахометр), електромагнітні, ультразвукові.

Вимірювання складу й властивостей речовин – деаератор.

теплопровідність, електропровідність, густина, хімічний склад палива.

Для визначення вологості газових середовищ – методи: психометричний, точки роси, гідрометричний (електричні гігрометри), лабораторні й промислові газоаналізатори; за принципом дії: теплові, магнітні, електричні, мас спектрометричні типи газоаналізаторів. Найпростішим механічним газоаналізатором є об’ємний хімічний газоаналізатор ГПХ-2 (газоаналізатор хімічного поглинання) для визначення СО2 і О2 .

Автоматизація теплоенергетичних процесів

8.8. Автоматична система керування технологічними процесами (АСКТП) виконує інформаційні й керуючі функції. АСКТП: без обчислювальної техніки; з обчислювальною технікою (з «порадами»); склад АСКТП: організаційне, технічне, математичне, програмне забезпечення, а також оперативний персонал.

8.9. У теплоенергетиці ЕОМ застосовують на всіх стадіях: дослідження, проектування та експлуатації ЕОМ.

Цифрова обчислювальна машина (ЦОМ) – технічний пристрій має: пам’ять, процесор (процесори) і пристрої вводу-виводу.

9ТЕПЛОТЕХНІЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОМИСЛОВИХ

УСТАНОВОК


Моделювання й оптимізація теплоенергетичних і теплотехнологічних установок


9.1. Математичний опис або отримання адекватної (тобто повністю відповідної) моделі є кінцевої метою будь-якого дослідження, однак ця мета повною мірою часто лишається недосягнутою.

Модель призначена для відтворення процесів, які відбуваються у зразку (у теорії моделювання під поняттям «зразок» розуміють модельований об’єкт); на ній можна перевірити різні варіанти конструкції чи режимів роботи й обрати найкращий.


9.2. Для моделювання теплових установок і систем застосовують моделі трьох типів: фізичні, аналогові й ідеальні (математичні).

Фізична модель – це зменшена копія зразка: теоретичні події (АОМ).

Аналогове моделювання – сьогодні на електричних моделях. АОМ на другий план. Цифрові ЕОМ на перший план.

Математична модель – математичний опис, табличні дані властивостей матеріалу.


9.3. Оптимізація, тобто процес пошуку найкращого рішення, складається з таких станів: постановка задачі, побудова математичної моделі, перевірка адекватності (відповідності моделі об’єкту), пошук оптимального розв’язку моделі, перевірка й уточнення оптимального розв’язку на об’єкті. Постановка задачі містить у собі перш за все, вибір критерію оптимальності, або мети, яка мусить бути досягнута.

Планування експерименту й організація промислових випробувань

9.4. Обробка експериментальних даних ведеться із застосуванням теорії вірогідності й математичної статистики.

Так, для відповіді на запитання, чи є суттєва відміна між двома варіантами або чому дорівнює дійсне значення багаторазово вимірюваної величини, використовується дисперсійний аналіз. ( Дисперсія – відхилення )

Для відповіді на запитання, чи є зв’язок між окремими величинами, що характеризують даний процес, і яка форма цього зв’язку, використовується кореляційний й регресійний аналіз.

5. У техніці розрізняють пасивний і активний експеримент.
   

Активний експеримент – методи перебору (класичний план, частковий класичний, обмежений класичний) – дуже багато експериментів.

Економнішим є план експерименту, який ґрунтується на ідеї крутого сходження (чи крутого стиску). Експерименти із застосуванням матриці – можна проводити або послідовно, або випадковим шляхом.

Науково-технічна творчість. Створення нових технологій

9.6. Відкриттям вважається встановлення невідомих раніше об’єктивно існуючих закономірностей, властивостей і явищ матеріального світу, які вносять корінні зміни в рівень пізнання.

Винахід – це нове, яке має суттєві відміни, технічне рішення задачі в будь-якій галузі національного господарства, соціально-культурного будівництва чи оборони країни, що дає позитивний ефект.

Раціоналізаторська пропозиція називається технічне рішення, що є новим і корисним для тієї організації, якою воно подано. Передбачає зміну конструкції виробів, технології виробництві застосовуваної техніки.


9.7. У патентній справі є поняття про «промислову власність», що означає виключне право на такі нематеріальні цінності, як винахід, а також товарний знак, промисловий зв’язок, ноу-хау.

На об’єкти промислової власності (крім ноу-хау) вихаються охоронні документи – патенти. Щоб одна держава мала право використовувати винахід іншої, на який видано патент, треба дозвіл (ліцензію).


9.8. У процесі розробки нових об’єктів (тепло технологічних процесів, конструкцій теплоенергетичних агрегатів тощо) треба прагнути виконати вимоги патентоздатності і патентної чистоти об’єкту.

ПАТЕНТОЗДАТНИМ називаються об’єкти, які можуть бути визнані винаходами в одній або кількох країнах.

ПАТЕНТНА ЧИСТОТА – це юридичний термін, що означає можливість використання об’єкта техніки, технічного рішення, технології без порушення прав раніше виданих і діючих патентів.


10 ТЕПЛОЕНЕРГЕТИКА МАЙБУТНЬОГО


10.1.(10.3). Енергетичні запаси планети поділяються на дві групи: паливноенергетичні ресурси (це вугілля, торф, нафта, горючі сланці, природний газ) і нетрадиційні, або поновлювані види енергії (енергія Сонця, атмосфери й теплоти Землі, рослинний світ тощо).

Зараз основним джерелом енергії є органічне і ядерне паливо (уран, торій), тобто не поновлювальні. Забруднюють навколишнє середовище.

Все більший інтерес водень – як паливо майбутнього. Виробництво 50 млн.т.рік. Переваги: О = 121 МДж/кг; (2,5 раза природного газу). Легко транспортувати трубопроводи, та зберігати в спеціальних ємностях. Водень – екологічно чистий вид палива: О2 + 2Н2 = 2Н2О.


10.2. Одним із способів використання водню є паливні елементи (можна будь-яке паливо). Паливний елемент – це хімічний генератор електричної енергії, в якому хімічна енергія палива перетворюється безпосередньо в електричну.

У посудині з електролітом знаходяться два електроди. До поверхні анода безпосередньо підводиться водень, а до поверхні катода – кисень. Якщо з’єднати обидва електроди, то в полі виникає електричний струм.

10.4. Опріснювач морської води. Корпус закритий похилим склом, яке добре пропускає сонячні і не пропускає із опріснювача інфрачервоні (теплові) промені.





10.5. Геотермальна теплота (теплота в підземній воді і водяній парі, теплота нагрітих сухих порід) є також поновлюваними видами енергії й чистими в екологічному відношенні. t < 40°C - слаботермальні; t = 40…60°С - термальні; t = 60…100°С - високотермальні; t > 100°С – перегріті.

Для виробництва електроенергії, потреб теплопостачання.

11 ПИТАННЯ ЕКОНОМІКИ ПРОМИСЛОВОЇ ТЕПЛОЕНЕРГЕТИКИ

11.1. Промисловість – основний споживач енергетичних ресурсів.

Промислова теплоенергетика – близько 65% загальних витрат енергетичних ресурсів капітальні витрати на енергетичне господарство – 25…60% загальних капіталовкладень.

До основних виробничих фондів відносяться засоби праці (будівлі, споруди, машини й обладнання, транспортні засоби, інструменти, виробничий і господарчий інвентар).

До оборотних фондів відносяться предмети праці, і все те, з чого виготовляється продукція. Основні виробничі фонди, їх вартість, поступово переносяться на продукцію. Оборотні фонди – зразу цілком.

ОБОРОТНІ КОШТИ - виробничі запаси, незавершене виробництво, витрати майбутніх періодів, виготовлена і та , що знаходиться в процесі реалізації, продукція і наявні в підприємства грошові кошти для придбання оборотних фондів і виплати заробітної плати.


11.2. Використання основних фондів оцінюють показником – фондовіддачею, - під яким розуміють річний випуск продукції у вартісному чи натуральному вираженні, що припадає на 1000грн середньорічної вартості основних фондів.

11.3. ПРОДУКТИВНІСТЬ ПРАЦІ – це обсяг продукції, що припадає на одного середньосписочного робітника за одиницю часу.


11.4. Найважливішим підсумковим показником праці промислового підприємства є собівартість продукції, тобто витрати на одиницю продукції. Собівартість продукції служить для формування ціни, розрахунку прибутку й рентабельності виробництва, використовується для оцінки ефективності запровадження нової техніки тощо.

До калькуляції собівартості звичайно включаються витрати по таких статтях:

– сировина й матеріали, паливо й енергія, заробітна плата, амортизація, інші витрати.

Структура собівартості залежить від виду галузі. Добувна галузь – заробітна плата; обробна – сировина й матеріали; теплоенергетична – паливо й енергія; теплові мережі – амортизація.

Різниця між обсягом реалізованої продукції за централізованими чи договірними цінами й витратами на виробництво цієї продукції становить прибуток підприємства.


11.5. Із залишкового прибутку формуються фонди розвитку виробництва, науки та техніки, соціального розвитку, матеріального заохочення.


11.6. Економічна ефективність розглядається для порівняння варіантів, для вибору найбільш доцільного.

Економічна ефективність розглядається також у випадку оцінки ефективності капітальних робіт і для оцінки результатів прикладних науково-дослідних робіт. Визначення економічної ефективності проводять за формулою


Е = [ (S1 + EнK1) – (S2 + EнK2)]V ,


де S1 і S2 – собівартість одиниці продукції в двох варіантах;

K1 і K2 – питомі витрати у двох варіантах;

V – річний обсяг продукції.