Билеты теплофизика. билеты по теплофизике. Техническая термодинамика цели и задачи. Основные понятия и определения рабочее тело, термодинамическая система (тдс), виды тдс
 Скачать 1.23 Mb.
|
|
39. Уравнение теплопередачи через многослойную плоскую стенку Интенсификация теплопередачи В многослойной стенке полное термическое сопротивление увеличивается за счет внутреннего термического сопротивления, которое будет равно сумме термических сопротивлений всех слоев стенки. Следовательно, при передаче теплоты через многослойную плоскую стенку 1 1 2 1 2 1 1 n i i i tж tж q , 1 1 2 1 1 1 n i i i k , ( ) ж1 ж2 q k t t , Q q F При проектировании и эксплуатации тепловых аппаратов нужно создать наилучшие условия передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному, чтобы получить наибольший эффект. Тепловой поток от горячего теплоносителя к холодному через плоскую стенку определяется из уравнения теплопередачи: Q kFt , из которого видно, что при заданных размерах поверхности теплообмена F и заданном температурном напоре t интенсивность теплопередачи зависит от коэффициента теплопередачи k, который для плоской стенки имеет вид 1 2 1 1 1 k . В теплообменных аппаратах толщина стенки мала, а коэффициент теплопроводности материала стенки большой, поэтому термическим сопротивлением можно пренебречь. Следовательно, чтобы увеличить коэффициент теплопередачи k, нужно увеличить один из коэффициентов теплоотдачи 1 или 2. При увеличении какого из получается наибольший эффект? Из выражения 1 2 1 2 2 1 2 1 1 2 1 1 1 k следует, что значение коэффициента теплопередачи k не может быть больше самого маленького значения коэффициента теплоотдачи , поэтому для увеличения k нужно увеличить наименьшее значение . Для этого можно повысить скорость движения жидкости или заменить теплоноситель. При 1 2 увеличение большего значения практически не даст увеличения коэффициента теплопередачи k. При 1 2 увеличение k возможно за счет увеличения любого из них. Интенсивность теплопередачи можно увеличить также увеличением площади одной из поверхностей теплообмена оребрением. При этом нужно оребрять поверхность со стороны меньшего значения коэффициента теплоотдачи. 40. Температурные графики прямоточного и противоточного ТОА. Расчет среднего логарифмического температурного напора.  На рис. изображены примеры графиков изменения температур теплоносителей по длине прямоточного (а) и противоточного (б) теплообменников. Индексами 1 и 2 обозначены параметры соответственно горячего и холодного теплоносителей, одним ( ‘ ) и двумя ( “ ) штрихами – их температуры соответственно на входе и выходе аппарата. Средний логарифмический или арифметический температурный напор для прямотока и противотока определяется из формул  или (при  )  41 .Числа подобия Основная трудность, возникающая при экспериментальном исследовании конвективного теплообмена, заключается в том, что коэффициент теплоотдачи зависит от многих параметром. Чтобы уменьшить число их согласно теории подобия объединяют в меньшее число переменных, называемых числами подобия (они безразмерны). Каждое из безразмерных чисел имеет определенный физический смысл. Их принято обозначать первыми буквами фамилий ученых, внесших существенный вклад в изучение процессов теплопереноса и гидродинамики, и называть в честь этих ученых. Число Нуссельта:  представляет собой безразмерный коэффициент теплоотдачи. Число Рейнольдса Re=wжl/v Выражает отношение сил инерции (скоростного напора) Fи=w2ж/2 к силам вязкого трения Fwж/l. При течении жидкости в трубах ламинарный режим на стабилизированном участке наблюдается до Re=wd/v=2300, а при Re>104 устанавливается развитый турбулентный режим (здесь d – внутренний диаметр трубы). Число Прандтля: Pr=cv/ Состоит из величин характеризующих теплофизические свойства вещества и по существу само является теплофизической константой вещества. Значение число Pr приводится в справочниках. В случае естественной конвекции скорость жидкости в дали от поверхности wж=0 и соответственно Re=0, но на теплоотдачу будет влиять подъемная сила Fп. Это приведет к появлению другого безразмерного параметра – числа Грасгофа: Gr=g(tc-tж)l3/v2 Оно характеризует отношение подъемной силы, возникающей вследствие теплового расширения жидкости, к силам вязкости. 42. Виды ТОА по принципу действия. Теплообменным аппаратом (теплообменником) называется устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями. По принципу действия теплообменники подразделяются на поверхностные, контактные и с внутренним источником теплоты (например, реакторы атомных электростанций). Поверхностные теплообменники делятся на рекуперативные и регенеративные, а контактные – на смесительные и барботажные. В рекуперативных теплообменниках теплоносители непрерывно омывают разделяющую стенку (поверхность теплообмена) с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. В рекуперативном трубчатом теплообменнике один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности. В рекуперативных теплообменниках движение жидкости осуществляется по трем основным схемам или их сочетаниям. Конструктивно рекуперативные теплообменные аппараты могут выполняться с пластинчатой и трубчатой (рис. 1 и 2) поверхностями теплообмена. В регенеративных теплообменниках (регенераторах) одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячего теплоносителя поверхность регенератора, воспринимая теплоту от этой жидкости, нагревается, а при протекании холодного теплоносителя поверхность регенератора, отдавая аккумулированную теплоту холодному теплоносителю, охлаждается. В смесительных теплообменниках передача теплоты от горячего к холодному теплоносителю происходит при непосредственном контакте и смешении обоих теплоносителей. Смесительный теплообменник целесообразно использовать для теплоносителей, которые либо легко разделить после смешения (например, вода и воздух), либо перемешать (например, пар и вода). 43. Уравнение теплового баланса ТОА. Уравнение теплового баланса [1]  , (2.1)или  , (2.2)где Q – полезный тепловой поток, Вт; G1, G2 – массовый расход соответственно горячего и холодного теплоносителей, кг/с,  ; - средние массовые теплоемкости теплоносителей в интервале температур от t’ до t”, Дж/(кг∙К);η – коэффициент использования теплоты; w – скорость теплоносителя, м/с; f – сечение, м2; ρ – плотность, кг/ м2;  - изменение температуры горячего и холодного теплоносителя по длине аппарата.44. Цикл Ренкина Цикл Ренкина — термодинамический цикл преобразования тепла в работу с помощью водяного пара. Цикл Ренкина был предложен в середине XIX века инженером и физиком У. Ренкином КПД Термодинамические исследования цикла Ренкина показывают, что его эффективность в большей степени зависит от величин начальных и конечных параметров (давления и температуры) пара.  .Цикл Ренкина состоит из следующих процессов: изобара . Происходит нагрев и испарение воды, а затем перегрев пара. В процессе затрачивается теплота  .адиабата . Процесс расширения пара в турбине, то есть её вращение паром (  ).изобара . Конденсация отработанного пара с отводом теплоты  охлаждающей водой.адиабата . Сжатие сконденсировавшейся воды до первоначального давления в парогенераторе с затратой работы . Цикл Ренкина нашёл применение в современных тепловых электростанциях большой мощности использующих в качестве рабочего тела водяной пар. При прохождении цикла Ренкина в обратном направлении он описывает рабочий процесс холодильной машины с двухфазным рабочим телом (то есть претерпевающим в ходе процесса фазовые переходы от газа к жидкости и наоборот). Холодильные машины, работающие по этому циклу, с фреоном в качестве рабочего тела широко используются на практике в качестве бытовых холодильников, кондиционеров и промышленных рефрижераторов с температурой морозильника до −40 °C. Цикл Ренкина Теоретическим циклом современной паросиловой установки является цикл Ренкина. Пароводяная смесь образовавшаяся в результате передачи тепловой энергии воде в активной зоне поступает в Барабан – сепаратор где происходит разделение пара и воды. Пар направляется в паровую турбину, где расширяясь адиабатно, совершает работу. Из турбины отработавший пар направляется в конденсатор. Там происходит отдача теплоты охлаждающей воде, проходящей через конденсатор. Вследствие этого пар полностью конденсируется. Полученный конденсат непрерывно засасывается насосом из конденсатора, сжимается и направляется вновь в барабан сепаратор. Конденсатор играет двоякую роль в установке: Во-первых, он имеет паровое и водяное пространство, разделенные поверхностью, через которую происходит теплообмен между отработавшим паром и охлаждающей водой. Поэтому конденсат пара может быть использован в качестве идеальной воды, не содержащей растворенных солей. Во-вторых, в конденсаторе вследствие резкого уменьшения удельного объема пара при его превращении в капельножидкое состояние наступает вакуум, который будучи поддерживаемым в течение всего времени работы установки, позволяет пару расширяться в турбине еще на одну атмосферу (Рк около 0,04 - 0,06 бар) и совершать за счет этого дополнительную работу. Рисунок 6. Цикл Ренкина в T-S диаграмме.  (обратно к содержанию)Синяя линия в Т-S диаграмме воды является разделительной, при энтропии и температуре соответствующим точкам лежащим на диаграмме выше этой линии существует только пар, ниже паро–водяная смесь. Влажный пар в конденсаторе полностью конденсируется по изобаре p2=const (линия 2 - 3). Затем вода сжимается насосом от давления P2 до давления P1, этот адиабатный процесс изображен в T-S-диаграмме вертикальным отрезком 3-5. Длина отрезка 3-5 в T-S-диаграмме весьма мала, так как в области жидкости, изобары (линии постоянного давления) в T-S-диаграмме проходят очень близко друг от друга. Благодаря этому при изоэптропном (при постоянной энтропии) сжатии воды, температура воды возрастает менее чем на 2 - 3 °С, и можно с хорошей степенью приближения считать, что в области жидкости изобары воды практически совпадают с левой пограничной кривой (синяя линия); поэтому зачастую при изображении цикла Ренкина в Т-S-диаграмме изобары в области жидкости изображают сливающимися с левой пограничной кривой. Малая величина отрезка адиабаты 3-5 свидетельствует о малой работе, затрачиваемой насосом на сжатие воды. Малая величина работы сжатия по сравнению с величиной работы, производимой водяным паром в процессе расширения 1-2, является важным преимуществом цикла Ренкина. Из насоса вода под давлением P2 поступает в барабан сепаратор, а затем в реактор, где к ней в изобарно (процессе 5-4 P1=const) подводится тепло. Вначале вода в реакторе нагревается до кипения (участок 5-4 изобары P1=const) а затем, по достижении температуры кипения, происходит процесс парообразования (участок 4-1 изобары P1=const). Пароводяная смесь поступает в барабан сепаратор где происходит разделение воды и пара. Насыщенный пар, из барабана сепаратора поступает в турбину. Процесс расширения в турбине изображается адиабатой 1-2 (Этот процесс относится к классическому циклу Ренкина в реальной установке процесс расширения пара в турбине несколько отличается от классического). Отработанный влажный пар поступает в конденсатор, и цикл замыкается. С точки зрения термического к. п. д. цикл Ренкина представляете менее выгодным, чем цикл Карно, изображенный выше (рисунок 5) поскольку степень заполнения цикла (равно как и средняя температур подвода тепла) для цикла Ренкина оказывается меньше, чем в случае цикла Карно. Однако с учетом реальных условий осуществления экономичность цикла Ренкина выше экономичности соответствующего цикла Карно во влажном паре. 45. Тепловая схема ТЭС Тепловая (пароводяная) схема ТЭС. Принципиальная тепловая схема. Структурные схемы отдельных узлов и участков. Методы анализа принципиальных тепловых схем. Полная тепловая схема пароводяного тракта ТЭС. Внешние и внутренние потери рабочего тела на ТЭС. Методика расчета тепловых схем. Вспомогательное оборудование тепловой схемы. Принципиальная тепловая схема станции разрабатывается в соответствии с термодинамическими циклами энергетических установок и служит для выбора и оптимизации основных параметров и расходов рабочих тел устанавливаемого оборудования. Примером сложной технической системы, которой является современная тепловая электростанция, может служить хотя бы перечень основного оборудования только одного блока: генератор рабочего тела (паровой котел или ядерный реактор с парогенератором); паровая турбина; конденсационное устройство; система регенеративного подогрева питательной воды; система вторичного охлаждения; бойлерные установки, предназначенные для отпуска теплоты потребителям; система топливо приготовления; питательные, сетевые, циркуляционные и конденсатные насосы; дымососы; воздуходувные машины и пр. На одной ТЭС размещается, как правило, 4-6 таких блоков. На принципиальной тепловой схеме показываются только основные элементы, без дублирующих и резервных агрегатов. На рис. 1 приведена принципиальная тепловая схема паротурбинного энергетичекого блока на органическом топливе.  Рис.1. Принципиальная тепловая схема паротурбинного энергетичекого блока на органическом топливе 1 – котел; 2, 3 – цилиндры высокого и низкого давления турбины; 4 – конденсатор; 5 – конденсатный насос; 6 – регенеративный подогреватель низкого давления; 7 – деаэратор; 8 – питательный насос; 9 – регенеративный подогреватель высокого давления. В отличие от принципиальной тепловой схемы функциональная (полная или развернутая) схема ТЭС и АЭС содержит все основное и вспомогательное оборудование, все агрегаты и системы – рабочие, резервные и вспомогательные, а также трубопроводы с арматурой и устройствами, обеспечивающими превращение тепловой энергии в электрическую. Здесь в соответствии с технологическим процессом и функциональным назначением указываются все возможные подключения и переключения однотипного (основного, вспомогательного и резервного) оборудования. Функциональная схема определяет количество основного и вспомогательного оборудования, арматуры, байпасных линий, пусковых и аварийных систем, их типоразмеры и сопровождается соответствующей спецификацией. Полная схема и ее спецификация характеризуют надежность и уровень технического совершенства ТЭС и АЭС и предусматривают возможность работы на всех режимах, включая операции пуска, останова и перехода с одного режима на другой. Для обеспечения надежности ТЭС и АЭС отдельные виды оборудования, включая паропроводы, насосы и т.п. дублируются. Например, при установке одного питательного насоса с турбоприводом, рассчитанного на номинальный расход питательной воды, устанавливается резервный электроприводный питательный насос 50-% подачи. По функциональному назначению и влиянию на надежность работы энергоблока или электростанции в целом все элементы и системы функциональной схемы можно разделить на четыре группы. К 1-ой группе относятся элементы и системы, отказ которых приводит к полному останову основного блока. Такими элементами являются: реактор, котел, турбина, главные паропроводы с их арматурой, конденсационное устройство и др. Во 2-ю группу включают элементы и системы, отказ которых приводит к частичному отказу энергоблока, т.е. пропорциональному уменьшению электрической мощности и отпускаемой теплоты. К таким элементам относятся тягодутьевые машины, питательные и конденсатные насосы, котлы в дубль-блочных схемах и др. В 3-ю группу включают элементы, отказ которых приводит к понижению экономичности энергоблока или электростанции без ущерба выработки электрической и тепловой энергии, например, регенеративные воздухоподогреватели. К 4-ой группе относятся элементы и системы, обеспечивающие предотвращение и локализацию аварий и радиационную безопасность на АЭС. Сюда относится оборудование системы циркуляции теплоносителя для отвода остаточного тепловыделения в реакторе после его остановки, оборудование систем управления и аварийной защиты. Надежность работы всех указанных групп оказывается взаимосвязанной. Расчет количественных показателей надежности сложных технических систем, таких как ТЭС и АЭС, требует составления структурных (логических) схем, которые, в отличие от функциональных, отражают не физические, а логические связи.  Рис.2. Функциональная схема паротурбинного блока Структурные схемы позволяют определить такое количество или такую комбинацию отказавших элементов схемы, которые приводят к отказу всей системы. Для функциональной схемы паротурбинного блока: 1–котел; 2–паровая турбина; 3 – электрогенератор; 4 – конденсатные насосы; 5 – деаэратор; 6 – питательные насосы Структурная схема выглядит следующим образом:  Рис.3. Структурная схема паротурбинного блока Отказ котла, турбины, электрогенератора и деаэратора приводит к останову всего энергоблока, отказ же питательного насоса приводит к уменьшению мощности блока на 50%, а аварийный останов конденсатного насоса приводит к уменьшению мощности на 30%. Степень детализации структурной схемы определяется характером решаемых задач. В качестве элементов структурной схемы необходимо выбирать такое оборудование или систему, которые имеют определенное функциональное назначение и рассматриваются как неразложимое целое, имеющее данные по надежности. Например, такой элемент структурной схемы как паровая турбина или паровой котел может быть представлен в качестве системы. |