ЧАСТЬ 3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ

Тема 1.Теплоснабжение предприятий промышленности

Производственное теплопотребление. Расход теплоты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Схемы теплоснабже­ния и их анализ. Теплоснабжение транспортных предприятий.

Методические указания

Теплоснабжение предприятий включает производство тепловой энер­гии, ее транспортирование и экономное распределение теплоты между потребителями. Потребителями теплоты предприятий являются технологическое обо­рудование и технологические процессы, система горячего водоснабже­ния для технологических и хозяйственно-бытовых нужд, системы отопле­ния и вентиляции. Теплоснабжение потребителей обеспечивается, как правило, горячей водой и паром. Горячая вода надежно и экономно обеспечивает теплотой системы отопления, вентиляции, хозяйственно бытовые нужды и некоторые технологические процессы производства. Пар обеспечивает экономное протекание многих технологических процессов. Теплоснабжение предприятий связано со значительными трудо­затратами, которые изменяются в зависимости от схемы теплоснабже­ния. Поэтому необходимо изучить схемы теплоснабжения автотранспортных предприятий при использовании горячей воды и пара в качестве теплоносителей. Обратите внимание на тип установки (паровая котельная, водогрейная котельная или теплоэлектроцентраль) и на параметры теплоснабжения. Нужно уметь определять расход теплоты на технологические нужды, отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение.

Расчетный (макси­мальный) расход теплоты (Вт) на технологические нужды:

где q_i — удельный расход теплоты на выработку продукции, ГДж/т;

Р_i — производительность предприятия, т/ч.

Расчетный (максимальный) расход теплоты (Вт) на отопление:

Q^P_от = q₀ · V_н (t_вн – t_нар) ,

где q_о—удельная отопительная характеристика здания, Вт/(м²·К);

V_н — объем отопительных зданий по наружному обмеру, м³;

t _вн— средняя температура воздуха внутри помещения, °С;

t _нар — расчетная наружная температура воздуха, °С.

Расчетный (максимальный) расход теплоты (Вт) на вентиляцию:

Q^Р_вен = q_в V_н (t_вн – t_нар),

где q_в— удельная вентиляционная характеристика здания, Вт/(м²·К).

Расчетный (максимальный) расход теплоты (Вт) на горячее водо­снабжение

Q^P_г.в. = 2G_вс_в (t^cp_г.в. – t_х..в.)/η_в,

G_в — расход горячей воды на технологические и хозяйственно-бытовые нужды, кг/с;

с_в —теплоемкость воды, Дж/(кг · К);

t^ср_г.в. — средняя температура горячей воды, °С;

t _х.в. — температура холодной воды;

η_в=0,94...0,97 — коэффициент полезного использования теплоты в водоподогревателях.

Литература: [1] с. 637—655, [2] с. 240—248, 252—254.

Вопросы для самопроверки

1. Перечислите виды теплопотребления и источники теплоснабжения предприятий. 2. Как определяют расход теплоты на технологические нужды? 3. Как определяют расход теплоты на отопление? 4. Как определяют расход теплоты на вентиляцию? 5. Как определяют расход теплоты на горячее водоснабжение?

Тема 2. Энергетические и экологические проблемы использования теплоты

Токсичность продуктов сгорания. Воздействие токсичных выбросов на человека и окружающую среду. Парниковый эффект и его последствия. Экономия запасов ископаемых ресурсов. Понятие о возобновляемых источниках энергии (ВИЭ). Роль ВИЭ в топливно- и теплопотреблении страны. Источники ВИЭ и их использование. Перспективы использования ВИЭ. Альтернативные виды топлива. Энергопотребление на автомобильном транспорте.

Методические указания

Развитие теплотехники на ближайшее будущее заключается в решении двух глобально важных проблем: экономии ископаемых источников энергии и защите окружающей среды. ВИЭ находят все большее применение и могут стать лучшим решением этих проблем.

Литература: [1] с. 637—655, [2], с. 255—259.

Вопросы для самопроверки

1. Что называют ВИЭ? 2. Каковы источники ВИЭ и их использование? 3. Преимущества использования ВИЭ? 4. В чем заключаются экологические и энергетические проблемы использования теплоты? 5. Из чего состоят затраты энергии на один автомобиль?

I I Содержание курсовой работы (I части) и исходные данные по ее выполнению

1.1 Задание на курсовую работу

В задании на курсовую работу указан тип цикла. Это один из изученных на лекционных занятиях циклов: цикл Карно, цикл ДВС со смешанным подводом теплоты, цикл ДВС с изобарным подводом теплоты, цикл ДВС с изохорным подводом теплоты, цикл ГТУ с изобарным подводом (без регенерации и с регенерацией теплоты).

Заданы также некоторые из параметров характерных точек цикла и некоторые величины, характеризующие заданный цикл. Состав рабочего тела задан массовыми долями компонентов, составляющих газовую смесь, или массами компонентов газовой смеси.

1.2 Содержание курсовой работы

1. Представить теоретическое описание цикла:

а) из каких процессов состоит цикл; как изменяются основные термодинамические параметры рабочего тела; как осуществляется подвод или отвод теплоты;

б) описать величины, характеризующие данный цикл.

2. Расчет характеристик газовой смеси, являющейся рабочим телом:

а) рассчитать молекулярную массу смеси, газовую постоянную смеси;

б) определить удельные изобарные и изохорные теплоемкости компонентов смеси, на их основе рассчитать удельные изобарные и изохорные теплоемкости всей смеси;

в) определить показатель адиабаты для смеси.

3. Рассчитать характеристики цикла:

а) определить параметры состояния в характерных точках цикла;

б) определить совершаемую или затрачиваемую работы в каждом процессе цикла, а также цикловую работу ;

в) рассчитать термический КПД цикла и среднее давление цикла р_t (для циклов ГТУ – определить оптимальную степень повышения давления ) и дать анализ влияния параметров цикла на величину термического КПД и среднего давления цикла (степени повышения давления);

г) найти изменение в процессах внутренней энергии , энтальпии , энтропии и количество подведенной и отведенной теплоты в процессах и цикле.

4) Изобразить цикл в p-v и T-s координатах.

II. 1 Теоретические основы расчета и анализа циклов

Все реальные процессы – необратимые, поэтому и циклы, по которым работают тепловые машины, также являются необратимыми, и, следовательно, неравновесными.

В реальных тепловых машинах превращение теплоты в работу связано с комплексом сложных физико-химических, газодинамических и термодинамических процессов, поэтому изучение циклов достаточно сложно и основано в большей части на результатах эксперимента.

Для того чтобы упростить исследование таких циклов и изобразить их графически, необходимо, чтобы они были равновесными, т.е. состояли только из равновесных процессов. Такие циклы и будут рассматриваться ниже.

Итак, чтобы рассматривать термодинамические циклы, состоящие из обратимых термодинамических процессов, необходимо работу тепловых машин в определенной степени идеализировать и принять, что:

а) процессы в идеальных ТД-циклах протекают во всех своих стадиях с постоянным количеством рабочего тела;

б) сгорание топлива не происходит, в связи с чем химический состав рабочего тела принимается постоянным на всех стадиях ТД-цикла; процесс сгорания при этом заменяется подводом теплоты к рабочему телу от некоторого фиктивного горячего источника теплоты;

в) процессы сжатия и расширения рабочего тела принимаются адиабатными;

г) удаление отработавшего рабочего тела не учитывается и заменяется отводом теплоты от рабочего тела к так называемому холодному источнику теплоты (холодильнику);

д) теплоемкости рабочих тел не зависят от температуры;

е) рабочим телом является идеальный газ.

ж) кроме того, предполагается отсутствие трения и других необратимых явлений, сопровождающих работу двигателя.

Результаты исследования таких термодинамических циклов можно в принципе применить к реальным циклам введением в расчет различных поправочных коэффициентов.

В зависимости от способа подвода теплоты к рабочему телу рассматривают следующие термодинамические циклы ДВС:

1) цикл со смешанным подводом теплоты (Сабатэ-Тринклера), который является идеальным циклом широко распространенных ДВС – бескомпрессорных дизелей;

2) цикл с изохорным подводом теплоты (Отто). Этот цикл является идеальным циклом для карбюраторных и газовых двигателей;

3) цикл с изобарным подводом теплоты (Дизеля), являющийся идеальным циклом турбинных установок.

Из всех возможных термодинамических циклов самым экономичным с наиболее полным превращением теплоты в работу является цикл Карно теплового двигателя.

2.1 Определение характеристик газовой смеси

а) расчет следует начинать с определения молекулярной массы смеси по формулам

или , (2.1.1.)

где - молекулярная масса смеси, - молекулярная масса i –того компонента смеси, g_i – массовая доля i –того компонента смеси, r_i – объемная доля i –того компонента смеси, n – количество компонентов в газовой смеси.

Далее рассчитывается газовая постоянная смеси R_см:

; ; , (2.1.2.)

где 8314 – универсальная газовая постоянная (постоянная Менделеева).

б) удельную теплоемкость смеси при постоянном давлении с_рсм определить по уравнению

, (2.1.3.)

а удельную теплоемкость при постоянном объеме с_vсм - по уравнению

.

Значения удельных теплоемкостей каждого из компонентов смеси при постоянном давлении с_pi и постоянном объеме с_vi рассчитываются по уравнениям

; , (2.1.4.)

где R_i – газовая постоянная компонента; k – показатель адиабаты.

в) показатель адиабаты для смеси может быть подсчитан по уравнению

. (2.1.5.)

2.2 Определение характеристик цикла

Расчет ТД-параметров состояния в характерных точках цикла проводится по анализу каждого ТД-процесса, приведенного в [1, 2 и др.]. Найденные ТД-параметры состояния характерных точек цикла необходимо внести в таблицу 1.

Таблица 1 - Сводная таблица ТД-параметров

2.2.1 Цикл Карно теплового двигателя

Цикл Карно обеспечивает самый высокий термический КПД ( ) в заданном температурном интервале. Он состоит их двух изотерм и двух адиабат (рис.1).

Рис. 1 Цикл Карно теплового двигателя в p,v-и T,s – диаграммах

Поскольку подвод и отвод теплоты в прямом цикле Карно осуществляется по изотермам 1-2 и 3-4, то имеем следующие уравнения для и (все формулы здесь и далее приведены для 1кг рабочего тела, в случае, если масса рабочего тела отлична от 1кг, ее необходимо учитывать):

;

или

; .

Для адиабат 2-3 и 4-1 можно записать:

; ,

отсюда .

Для любого цикла, совершаемого рабочим телом массой 1 кг, термический КПД определяется по формуле

. (2.2.1)

Для цикла Карно теплового двигателя после подстановки значений и в формулу (2.2.1) и необходимых сокращений получим

.

Среднее давление цикла Карно определяется по уравнению

,

где p_max=p₁.