Лекция 1 рус. Агрегаты, в которых применяется рабочее тело высокой температуры, входят в состав большинства энергосиловых установок

• Название: Агрегаты, в которых применяется рабочее тело высокой температуры, входят в состав большинства энергосиловых установок
• Дата: 03.02.2022
• Размер: 22.85 Kb.
• Имя файла: Лекция 1 рус.docx
• Тип: Документы; #350084

Агрегаты, в которых применяется рабочее тело высокой температуры, входят в состав большинства энергосиловых установок. От совершенства этих агрегатов в большой мере зависят технические данные, надежность и экономичность изделий. Обычно высокотемпературные рабочие тела представляют собой многокомпонентные реагирующие смеси, которые могут быть как гомогенными, так и гетерогенными. Эти рабочие тела об­разуются, как правило, в результате протекания взаимосвязанных физико­химических процессов, таких, как фазовые переходы, химические реакции в газовой и жидкой фазах, тепло- и массообмен и др.

Высокотемпера­турные процессы характеризуются наличием в рабочем объеме много­фазного рабочего тела с существенным преобладанием газовой фазы; изменением температуры рабочего тела в диапазоне 500 < Т < 4500 К; изменением давления в пределах 0,150 МПа; химическими превра­щениями как в газовой, так и в конденсированной фазах; значительной степенью турбулентности (при наличии высоких скоростей движения рабочего тела); изменением параметров состояния рабочего тела на фоне внутрифазного и межфазного тепло- и массообмена и сложной аэрогидро­динамической картины движения рабочего тела в рабочем объеме агрега­та; неоднородностью (распределенностью) параметров по рабочему объему.

Высокотемпературные процессы объединяют сложный комплекс аэро­термохимических явлений, имеющих место в агрегатах энергосиловых установок и энергоустановок, используемых в различных отраслях народ­ного хозяйства. Это процессы горения в камерах сгорания тепловых дви­гателей: авиационных (АД), двигателей летательных аппаратов (ДЛА), внутреннего сгорания (ДВС) и в топочных устройствах; процессы расшире­ния в соплах, турбинах АД и соплах ДЛА, высокотемпературные процессы в агрегатах химической технологии, агрегатах системы подачи топлива и наддува топливных баков ДЛА; процессы, связанные с получением рабо­чего тела в парогазогенераторах и МГД-генераторах и т.д.

В 1889г. шведский физико-химик Сванте Август Аррениус (1859-1927) открыл закон изменения концентрации в единицу времени одного из продуктов реакции



где [A], [В] - концентрация реагирующих веществ, а константа скорости реакции



Е - энергия активации реакции, Дж/моль; R=8,314 Дж/(моль•К) - молярная газовая постоянная, Т - температура. Количество реагирующих молекул k₀ определяется экспериментально или вычисляется из молекулярно­кинетических представлений о веществе. По физической сути k - это доля прореагировавших молекул. Зависимость скорости химических реакций, определяющих преобразование энергии излучения Солнца в биомассу, от температуры столь значительна, что температура по праву является фундаментальным термодинамическим параметром биосферы.

Высокотемпературные процессы природных источников энергии.

Солнце.

Шар плазмы массой m_с=1,99•10³⁰ кг, составляющей 99,866 % массы солнечной системы, расположенный на расстоянии 1,496•10¹¹ м от Земли. Средняя плотность 1,41-10 кг/м , ускорение силы тяжести §_с=973,98 м/с. Возраст Солнца оценивается в 5•10⁹ лет, период обращения относительно центра галактики 200 млн. лет, а скорость движения 19,7•10^{2 3} м/с. Состав по массе: водород 70 %, гелий 27 %, остальные элементы 3 %. Температура в центре Солнца оценивается в 10-15•10⁶ К, плотность 1,5•10⁵ кг/м³, давление 3,4•10⁶ МПа. Эффективная температура поверхности Солнца по уравнению Стефана-Больцмана 5770 К. Мощность излучения Солнца 3,83•10²⁶ Вт, из которых на Землю попадает 2•10¹⁷ Вт.

Источником энергии, пополняющим потери на излучение и поддерживающим высокую температуру, являются ядерные реакции в недрах Солнца. Количество вырабатываемой энергии 1,92•10^-7 Вт/г. Перенос энергии из внутренних слоев к наружным осуществляется конвекцией со скоростью переноса, которая может достигать (2-2,5)•10³ м/с. В атмосфере Солнца перенос энергии осуществляется излучением.

Земля.

Данные о глубоких недрах получены на основе косвенных методов исследования, из которых наиболее доступные сейсмические, основанные на измерении скорости распространения в Земле упругих колебаний. Ядро Земли имеет средний радиус 3,5 тыс. км. С глубиной изменяется плотность, давление и сила тяжести. Температура, повышаясь с глубиной, достигает в ядре 4000- 5000°С. Масса Земли 5976•10²¹ кг. При этом доля массы в ядре 32,3 %, гидросфере 0,02 %, атмосфере 10^-6, земной коре 0,48 %, остальные 67,2 % - мантия. По современным представлениям Земля образовалась 4,5 млрд, лет назад путем гравитационной конденсации газопылевого облака. Формирование Земли сопровождалось разделением вещества и его разогревом вследствие радиоактивного распада с расположением более легких элементов на поверхности Земли.

Повышение температуры с глубиной обуславливает появление расплавленного вещества. Нижний предел температур в ядре можно принять соответствующим кривой плавления. Если ядро состоит из железа, то согласно лабораторным данным температура плавления железа при давлении 1,4•10⁶ бар, соответствующем давлению на границе оболочки ядра, не более 4600 К.

ПРИМЕРЫ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

-лазерная и электронная технологии (сварка, резка, термическая обработка);
-дуговая сварка; диффузионная пайка; термитная и СВС-сварка;
-плазменные технологии нанесения покрытий и поверхностной обработки;
-ионные технологии;
-кислородная резка;
-совмещенные технологии резки, сварки, наплавки;
-процессы получения тонких пленок и выращивание монокристаллов;
-многие процессы химической и диффузионной обработки поверхностей материалов и др.
-многие технологии получения новых материалов в химической промышленности;
-технологии переработки и сжигания природного топлива;
-различные металлургические процессы.

Во всех высокотемпературных технологиях происходит преобразование различных видов энергии в тепловую энергию и (или) ее непосредственное использование для получения, переработки и модификации материалов и их поверхностей
Особенности высокотемпературных технологий:
-существенная неравновесность процессов, связанная с неоднородным распределением температуры и ее изменением во времени;
-высокие скорости нагрева и охлаждения различных элементов системы;
-наличие сложного теплообмена;
-существование нескольких различных фаз; соотношение между которыми изменяется;
-разнообразные физико-химические явления, сопутствующие нагреву и охлаждению или лежащие в основе технологии.

Высокотемпературные теплотехнические установки классифицируют по целому ряду признаков.

По отраслевой принадлежности различают: металлургические (например: печи цветной металлургии, высоко температурные теплотехнические установки химической промышленности, высоко температурные теплотехнические установки промышленности строительных материалов и т.п.). В зависимости от содержания технических процессов выделяют следующие группы высокотемпературных теплотехнических установок: нагревательные, печи термообработки, обжиговые (печи обжига минерального сырья), линейные, плавильные установки. Отдельные виды высокотемпературных теплотехнических установок объединяют по общности целевого технологического продукта: сталеплавильные, медеплавильные, хранение нефтепродуктов, стекловареные, газогенераторные и т.п. По форме рабочего пространства различают: шахтные, туннельные, трубчатые, кольцевые и другие установки.

По принципу работы высокотемпературные теплотехнические установки подразделяют на установки непрерывного и периодического действия. В непрерывно действующих высокотемпературных теплотехнических установках ввод технологического сырья в реактор и вывод из него продуктов осушествляються непрерывно, в едином технологическом ритме. К непрерывно действующим установкам принято относить и те установки, в которых загрузка сырья и выдача продуктов осуществляется периодически, но небольшими порциями, масса которых несоизмеримо меньше массы материалов, присутствующих в реакторе. В установках непрерывного действия превращение исходного сырья в продукты реализуются в процессе перемещения от входного и выходного сечения рабочего пространства с помощью специальных транспортных устройств (вращающийся под, ролики и т.д.).

Большое разнообразие конструктивных схем ТР в значительной мере обусловлено различием источников теплоты и условий ее генерации в рабочем пространстве ВТУ. В зависимости от источника теплоты различают тепловые, электрические топливно-электрические, солнечные. В зависимости от вида топлива – газовые, мазутные, высоко температурные теплотехнические установки с пылеугольным отоплением.

В рабочем пространстве каждой высокотемпературной теплотехнической установки имеются зона генерации теплоты (ЗГТ) (часть реактора, где происходит преобразование энергии в теплоту) и зона технологического процесса (ЗТП), где происходит преобразование исходных материалов в технологические продукты. В зависимости от пространственной ориентации названных зон различают высокотемпературных теплотехнических установок с несовмещенными, совмещенными и частично совмещенными ЗГТ и ЗТП.

К первой группе относятся все топливные установки, а также часть электрических и топливно-электрических высокотемпературных теплотехнических установок, в которых преобразование энергии в теплоту реализуется вне массы технологических материалов.

Ко второй группе относятся электрические ВТУ, в которых генерация теплоты осуществляется в массе технологического сырья и технологических продуктов.

К третьей группе относятся топливно-электрические высокотемпературные теплотехнические установки, в которых электрическая энергия преобразуется в технологические материалы.

Высокотемпературные теплотехнические установки разделяют на установки с неизолированной, изолированной и частично изолированной ЗТП. В первых - продукты горения соприкасаются с технологическими материалами, во вторых - такой контакт отсутствует, последнее достигается с газонепроницаемой стенкой между ЗГТ и ЗТП. В установках с частично изолированной технологической зоной технологические материалы соприкасаются с продуктами неполного горения (полученными при сжигании топлива с α<1 и не соприкасаются с продуктами полного горения.

По теплотехническим признакам различают высокотемпературные теплотехнические установки: по способу теплообмена: высокотемпературные с радиационным теплообменом и скоростного конвективного нагрева, низкотемпературные конвективного теплообмена с теплообменом в плотном слое материала, в кипящем слое, во возвещенном слое; по способу утилизации тепла уходящих газов на регенеративные и рекуперативные.