Полл. Курс лекций. Общие сведения из теплотехники
 Скачать 4.53 Mb.
|
|
3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕПЛОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ ? ? ? ? ? ? ? ? ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ Понятие о физическом теле и веществе Все тела в природе находятся в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном и состоят из мельчайших частиц молекул связанных между собой силами взаимного притяжения и находящихся в состоянии беспрерывного хаотического движения. Общей мерой различных форм движения материи является энергия Энергия движения молекул называется внутренней кинетической энергией, а энергия взаимного притяжения молекул – внутренней потенциальной энергией. Сумма внутренних кинетической и потенциальной энергий составляет внутреннюю энергию тела, которая может передаваться от одного тела к другому в виде тепла и работы. Передача энергии в виде тепла вызвана энергетическим взаимодействием молекул при отсутствии видимого движения тел. В отличие от тепла передача энергии в виде работы связана с видимым перемещением тела, в частности с изменением его объема. Молекулы могут быть самостоятельными, сохраняя при этом химические свойства данного вещества. Молекулы состоят из атомов В переводе с греческого языка слово атом означает неделимый. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных частиц – электронов которые двигаются вокруг него. Ядро включает в себя положительно заряженные частицы – протоны и частицы, которые не имеют заряда, – нейт- роны. Различают простые и сложные вещества. Вещества, молекулы которых состоят из атомов одного вида, называют простыми Например кислород О водород Н, азот N 2 , медь углерод С, алюминий А, серебро Аи др Вещества, молекулы которых состоят из атомов разного вида, называют сложными Например углекислый газ СО, вода НО, оксид углерода (или угарный газ) СО, метан СН 4 и т. д. В данное время известно 106 химических элементов, из которых состоят вещества. Физические и химические явления. Физические тела могут претерпевать различные изменения, которые называются явлениями, разделяющимися на физические и химические. Явления, при которых изменяется форма или физическое состояние, ноне происходит образования новых веществ, называются физическими. Например, при кипении вода превращается в пара при охлаждении из пара снова образуется вода. При этом изменяется только физическое состояние воды, но новые вещества не образуются. То же наблюдается при таянии льда. Изменения веществ, при которых из одних веществ образуются другие, называются химическими явлениями или химическими реак- циями. Например, при сжигании угля образуются газообразные продукты сгорания. Химические явления происходят при горении, коррозии металлов, при получении металлов из руд и т. д. Физическое состояние вещества. Состояние физических тел зависит от сил молекулярного притяжения, расстояния между молекулами вещества (межмолекулярного пространства) и от движения молекул. Твердые тела имеют большую силу молекулярного притяжения, малое межмолекулярное пространство и малую подвижность молекул. Эти тела имеют определенную форму и сохраняют свой объем. Для того, чтобы сжать твердое тело или разделить его на части, необходимо приложить определенную силу. В жидких телах сила молекулярного притяжения значительно меньше, чем в твердых, а межмолекулярное пространство и подвижность молекул значительно больше. Благодаря этому жидкости не имеют определенной формы и принимают форму того сосуда, в котором находятся. Жидкости практически не сжимаются. Объем жидкости измеряется размером сосуда, в который жидкость налита. В газообразных телах например воздухе, паре, горючих и дымовых газах, сила межмолекулярного притяжения мала, межмолекулярное пространство и подвижность молекул велики. Благодаря этому, газообразные тела имеют большую текучесть и не имеют определенного объема. Как и жидкости, газообразные тела занимают форму сосуда, в котором находятся. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газообразные тела легко сжимаются Понятие о рабочем теле. В отопительных и производственных котельных рабочим телом (теплоносителем) является водяной парили горячая вода. Теплоноситель характеризуется параметрами, к которым относятся давление, температура и удельный объем. Давление и единицы его измерения Давление – это действие газа (жидкости) на стенки сосуда или сила, которая приходится на единицу поверхности, воспринимающей удары молекул данного газа (жидкости). Экспериментами и практикой доказано, что жидкости и газы действуют на поверхность твердых тел, с которыми они граничат. Силы действия жидкостей и газов на соприкасаемые сними поверхности называют силами давления. Давлением называется отношение нормально направленной силы к площади поверхности, на которую сила действует. Давление обозначается буквой Р. Для определения давления Р необходимо силу F разделить на площадь S, на которую действует эта сила = F / За единицу силы и веса принят 1 кгс (килограмм-сила), за единицу массы – 1 кг, аза единицу площади – 1 см 2 ,таким образом, давление измеряется в кгс/см 2 и его принято называть технической атмосферой (ат). Различают давление – атмосферное, избыточное и абсолютное. Атмосферным называют давление воздуха (атмосферы) на Землю и на предметы, которые находятся на ней. Это давление называется барометрическим давлением, поскольку измеряется барометром, и обозначается Р бар .Давление воздуха на уровне моря при температуре С равно 760 мм рт. ст. Его принято называть физической атмосферой (атм С увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление уменьшается. Избыточное давление – это излишек над атмосферным давлением. Это давление измеряется манометром и поэтому давление называют манометрическим или рабочим (кгс/см 2 ; мм рт.ст.; мм вод. ст.). Соотношение между этими единицами следующее ат = 1 кгс/см 2 = 735,6 мм рт. ст. = 10 000 мм вод. ст = м вод. ст. Абсолютное давление – это давление жидкостей или газов в закрытом сосуде, обозначается Р абс и равно сумме избыточного и атмосферного давлений: Р абс = Р изб + Р бар Абсолютное давление может быть больше или меньше атмос- ферного. Давление ниже атмосферного называется вакуумом (Р вак ). В котельной практике это разрежение (тяга) в топке котла и газоходах. Если давление Р меньше атмосферного, то Р абс = Р бар – Р вак Соотношение между физической и технической атмосферами следующее / 735,6 = В международной системе единиц СИ основная единица измерения давления – ньютон на квадратный метр (Н/м 2 ). По решению Международного комитета мер и веса, принятому в октябре 1969 г, эта единица названа паскалем Па, 1 Па = 1 Н/м 2 Эта единица давления очень мала и использовать ее на практике неудобно, поэтому используют кратные несистемные единицы кПа = 1 000 Па = З Па МПа = 1 000 000 Па = 10 6 Па ГПа = 1 000 000 000 Па = 10 9 Па. Между единицами (кгс/см 2 ; мм рт. ст мм вод. ст) и паскалем (или кратными от него) используются следующие соотношения: Физическая атмосфера атм = 1,033 кгс/см 2 = 760 мм рт. ст. » 101 325 Па » 101,3 кПа » » 0,1 МПа Техническая атмосфера 1ат = 1 кгс/см 2 = 735,6 мм рт. ст. » 98 666,5 Па » 98,7 кПа » 0,1 МПа мм рт. ст. = 133,322 Па » 133 Па мм вод. ст. = 9,8066 Па » 10 Па. Температура и теплота, единицы их измерения Температура является мерой теплового состояния или степени нагрева тел. Тепловое состояние тела характеризуется скоростью движения его молекул или средней внутренней энергией тела. Чем выше температура, тем больше скорость движения молекул. Температура тела увеличивается или уменьшается в зависимости оттого, получает или отдает это тело тепло. Тела, которые имеют одинаковую температуру, находятся в тепловом равновесии, те. не передают тепло одно другому. При нагревании тела расширяются, те. увеличиваются в объеме. Это обстоятельство учитывают при конструировании котлов и обмуровки, а также при проектировании трубопроводов различного назначения. Единицей измерения температуры является градус Для измерения температуры чаще всего используются две шкалы практическая стоградусная Цельсия и термодинамическая или абсолютная Кельвина. Практическая стоградусная шкала имеет две постоянные точки плавление льда, которая принимается за 0 Си кипение воды при нормальном атмосферном давлении (760 мм рт. ст принятая за °С. Температуру выше 0 С обозначают знаком «+» (плюс, ниже 0 С – знаком «–» (минус). В системе СИ используют шкалу с началом отсчета от абсолютного нуля. Абсолютный нуль характеризуется отсутствием движения молекул и отвечает температуре, которая ниже 0 Сна С примерно °С). Единица термодинамической или абсолютной температуры – кельвин (К). Температуру в стоградусной шкале обозначают t, а в абсолютной Т Эти температуры связаны между собой соотношением: Т = t + 273 К. Теплота. Энергия, которая может передаваться от более нагретого тела к менее нагретому при непосредственном контакте или излучением, называется теплотой. Теплота – вызывается хаотическим движением частиц (молекул, атомов и т. д. За единицу измерения теплоты принята калория (кал), которая равна количеству тепла, необходимого для нагревания 1 г воды на 1 С (при t от 19,5 до 20,5 С) при нормальном атмосферном давлении 760 мм рт. ст. Если при измерениях основные или производные единицы оказываются чрезмерно малы или велики, то пользуются кратными и дольными единицами (табл. Таблица Кратные и дольные единицы измерения ± ± ± ± ± ± В системе единиц СИ единицей измерения теплоты является джоуль Дж – универсальная единица работы, энергии и количества тепла. Соотношения между единицами измерения тепла следующие кал = 4,187 Дж » 4,2 Дж 1 Дж = 0,239 кал » 0,24 кал. Способы передачи тепла. В котельных установках тепло от продуктов сгорания топлива к поверхностям нагрева передается тремя способами излучением (радиацией, теплопроводностью и конвекцией. Излучение (радиация) – это передача тепла от одного тела к другому на расстояние с помощью электромагнитных волн, например, от горящего факела к поверхностям нагрева котла. Теплопроводность – вид теплопередачи, при которой перенесение тепла имеет атомно-молекулярный характер и происходит без макроскопического движения в теле (в стенке трубы котла от внешней поверхности к внутренней). Вещества имеют различную теплопроводность. Так, теплопроводность накипи более чем враз, а сажи – более чем враз ниже теплопроводности чугуна. Отложения накипи и осадка затрудняют передачу тепла и приводят к перерасходу топлива. Конвекция – передача энергии в виде тепла перемещением и перемешиванием нагретых масс жидкостей или газов. Пример конвекции распространение тепла по всей комнате от горячей батареи отопления. В котле конвективный теплообмен происходит на хвостовых поверхностях нагрева, где горячие дымовые газы обтекают трубы экономайзера и нагревают проходящую по трубам воду, а проходя по трубам воздухоподогревателя нагревают воздух. Удельный объем. Удельный объем газа или пара v – это объем единицы его массы. Удельный объем – величина, обратная плотности веществам v – объем веществам плотность, кг/м 3 ; m – масса вещества, кг. Приборы для измерения давления и температуры, их устройство и работа Измерение давления. Для измерения давления газа и воздуха до 500 мм вод. ст. (500 кгс/м 2 ) используют стеклянный U-образный жидкостный манометр рис. 1). Манометр представляет собой стеклянную образную трубку, прикрепленную к деревянной (металлической) панели, которая имеет шкалу с делениями в миллиметрах. Наиболее распространенные манометры со шкалами 0–100, 0–250 и мм. Трубка заполняется водой до отметки нуля. Величина давления равнa сумме высот уровней жидкости, опущенной ниже и поднятой выше нуля. Для удобства отсчета и упрощения измерения на практике иногда используют манометры с двойной шкалой, в которых изменена цена деления в два раза и цифры от нуля вверх и вниз идут с интервалом 20: 0–20– 40–60 и т. д. При этом отпадает необходимость в указании высот уровней жидкости, достаточно измерить показания манометра по уровню одного колена стеклянной трубки. Измерение небольших давлений или разрежений до 25 мм вод. ст. (250 Па) однотрубными или образными жидкостными манометрами приводит к большим погрешностям при выполнении отсчета результатов измерения. Для увеличения масштаба показаний однотрубного манометра трубку наклоняют. На таком принципе работают жидкостные тягонапоромеры ТНЖ (рис. 2), которые заправляются спиртом плотностью r = 0,85 г/см 3 В них жидкость из стеклянного сосуда вытесняется в наклонную трубку, вдоль которой расположена шкала, градуированная в мм вод. ст. (Па). 1 3 1 2 2 Рис. 1. образный манометра – для определения давления; б – для определения разрежения – конец трубки для подключения к измеряемой среде 2 – открытый конец трубки, сообщающейся с атмосферой 3 – шкала а б Рис. 2. Тягонапоромер жидкостный типа ТНЖ: 1 – стеклянный сосуд 2, 5 – штуцеры 3 – уровень 4 – винт установки прибора по уровню 6 – винт перемещения шкалы для установки нуля – шкала 8 – наклонная трубка При измерении разрежения импульс подсоединяется к штуцеру, который связан с наклонной трубкой, а при измерении давления со штуцером, который связан со стеклянным сосудом. На рис. 3 приведен однотрубный чашечный тягонапоромер типа ТДЖ, упрощающий процесс измерения, – отсчет измерения производится также, как ив тягонапоромере типа ТНЖ, по показаниям столба жидкости водной трубке. Мембранные тягонапоромеры. В котельных с паровыми котлами ДКВР, ДЕ, водогрейными котлами ТВГ, КВ-Г используются, помимо перечисленных выше, мембранные тягонапоромеры (рис. Рис. 3. Жидкостный дифференционный тягонапоромер типа ТДЖ: 1 – винт-фиксатор; 2 – сосуд с жидкостью 3, 7 – кронштейны стеклянная трубка 5 – шкала 6 – зажим 8 – шкала 9 – стекло – упор 11 – рамка 12 – болт Рабочим элементом этого прибора служит спаянная из двух гофрированных мембран коробка 13, внутреннее пространство которой импульсной трубкой и соединено стопкой котла. При измерении разрежения мембранная коробка сжимается или распрямляется. Ее движение через рычажную систему передается на стрелку 7, которая перемещается вдоль шкалы, показывая величину разрежения. На нуль стрелку устанавливают с помощью винта-корректора Спиральная пружина 15 служит для устранения влияния зазоров (люфтов) в сочленениях рычажного механизма. Пружинные манометры. Для измерения давления от 0,6 до 600 кгс/см 2 используются пружинные манометры. Рабочим элементом манометра (рис. 5) служит выгнутая трубка эллипсовидного или овального сечения, которая деформируется под Рис. 4. Схема показывающего мембранного тягонапоромера ТМ-П1: 1 – тяга 2, 8 – рычаги 3, 9 – винты 4 – ось балансирующих грузов – ось стрелки 6 – втулка 7 – стрелка 10 – пружина 11 – поводок – корректор 13 – мембранная коробка 14 – импульсная трубка – спиральная пружина Рис. 5. Манометр с трубчатой пружиной – штуцер стрелка – шкала 4 – спиральная пружина 5 – трубчатая пружинка 6 – зубчатый сектор 7 – тяга действием давления. Один конец трубки запаяна другой соединен со штуцером, которым подсоединяется к измеряемой среде. Закрытый конец трубки через тягу соединен с зубчатым сектором и центральным зубчатым колесиком, на ось которого насажена стрелка. Под давлением измеряемой среды трубчатая пружина 5 выпрямляется, вращая при этом зубчатый сектор 6 и зубчатое колесико, а вместе сними и стрелку 2. По шкале 3 отсчитывают величину измеренного давления. Плавное движение стрелки обеспечивает спиральная пружинка (волосок) Манометр 6 (рис. 6) присоединяется к котлу через сифонную трубку 4, в которой конденсируется парили охлаждается вода и давление передается через охлажденную воду, чем предотвращается повреждение механизма от теплового действия пара или горячей воды, а также манометр защищается от гидравлических ударов. Измерение температуры. В котельных для измерения температуры используются приборы, принцип работы которых основан на свойствах, проявляемых веществами при нагревании: изменение объема – термометры расширения; изменение давления – манометрические термометры; появление термоЭДС – термоэлектрические пирометры; изменение электрического сопротивления – термометры сопротивления. Жидкостные стеклянные термометры (рис. 7, 8 и 9) состоят из стеклянной капиллярной трубки, закрепленной на шкале, градуированной в градусах Цельсия. Трубка соединяется с резервуарчиком, заполненным рабочей жидкостью – ртутью или спиртом, подкрашенным в тем- но-красный или фиолетовый цвет. Температура кипения ртути 357 °С, а спирта – 78,3 С. Для повышения точки их кипения пространство над ртутью или спиртом заполнено инертным газом под давлением. При нагревании резервуарчика жидкость, заполняющая его, увеличивается в объеме и поднимается, а при охлаждении опускается по капиллярной трубке. Ртутным термометром можно измерить температуру от –38 до С, спиртовым от –70 до +150 °С. На котлах и трубопроводах термометры устанавливают в металлические гильзы и для защиты их от повреждения надевают оправу. Рис. 6. Установка манометра с сифонной трубкой – трубопровод (барабан 2 – бобыш ка 3 – гайка – сифонная трубка 5 – трехходовой кран 6 – манометр На горизонтальных трубопроводах термометры устанавливают вертикально либо наклонно, а на вертикальных – под углом Для лучшего восприятия тепла гильзы заполняют машинным маслом при измерении температуры до 150 С, при измерении более высоких температур – мелкими опилками оплавленной красной меди. Манометрические термометры рис. 10, 11) служат для дистанционного измерения температуры. Принцип их действия основан на изменении давления жидкостей, газа или пара в замкнутом объеме в зависимости от температуры. Род рабочего вещества определяет вид манометрического термометра: жидкостные заполняются ртутью, ксилолом, толуолом при начальном давлении 15– 20 кгс/см 2 ; газовые – инертным газом (азотом и др.); парожидкостные – низкокипящей жидкостью (спиртом, эфиром, ацетоном и др.). Граница измерения температуры от до +660 С зависит от вида рабочего вещества. Манометрический термометр (см. рис. состоит из термобаллона 1, манометрической пружины 5 и соединяющей их капиллярной трубки Рис. 7. Термометр ртутный технический типа ТТ: 1 – термобаллон; 2 – капиллярная трубка 3 – шкала Рис.9. Спиртовой термометр Рис. 10. Манометрический термометр – латунный термобаллон; 2 – капиллярная трубка – передаточный механизм 4 – стрелка прибора – манометр с трубчатой пружиной и шкалой 5 4 3 2 1 Рис. 8. Термометр ртутный типа ТТ с изогнутой нижней частью При нагревании термобал- лона рабочее вещество увеличивается в объеме. Под действием давления пружина, выпрямляясь, действует на тягу с зубчатым сектором и вращает стрелку или перо самопишущего прибора. Шкала прибора градуируется в градусах Цельсия. Для измерения и сигнализации температуры в схемах автоматического регулирования и защиты используются электроконтактные устройства ЭКТ (см. рис. 11). Прибор имеет корпус и соединительный капилляр длиной 1,6–10 м. Двухпозиционное сигнальное устройство термометра состоит из двух изолированных друг от друга и от подвижной стрелки 4 предельных контактов и 14, устанавливаемых вручную с помощью поводка на любые деления шкалы прибора. Термоэлектрический пирометр используется для измерения температуры до 1 600 С, а также передачи показаний на тепловой щит и состоит из термопары, соединительных проводов и измерительного прибора. Термопара представляет собой соединение двух проводников (термоэлектродов), изготовленных из различных металлов (платина, медь) или сплавов (платинородия, константана, хромеля, алюмеля, копеля, изолированных друг от друга фарфоровыми бусами или трубочками. Одни концы термоэлектродов спаиваются, образуя горячий спай, а другие остаются свободными (холодный спай). Для удобства при пользовании термопару помещают в стальную, медную или кварцевую трубку (чехол). При нагревании горячего спая образуется термоэлектродвижу- щая сила, величина которой зависит от температуры горячего спая и материала термоэлектродов. Рис. 11. Кинематическая схема контактного манометрического термометра – держатель 2 – трубчатая пружина – трубка 4 – стрелка 5 – шкала стрелки для установки нижней и верхней границ сигнализации 7, 9 – контакты неподвижные 8 – поводок ведущий – волосок 11, 14 – контактные поводки – тяга 15 – термобаллон; 16 – капилляр 12 11 9 16 15 Измерительным прибором может быть милливольтметр или потенциометр. Шкала прибора размечается в градусах Цельсия сука- занием типа и градуировки (например, ТПП – термопара платино- родий – платиновая, градуировка ПП-1). 4. Термометры сопротивления используются для измерения температуры до 750 С (рис. 12 и 13). В них на слюдяную пластинку Рис. 12. Конструкция платинового термометра сопротивления: а – чувствительный элемент термометра; б – термометр в защитном чехле 1 – слюдяная пластинка 2 – платиновая проволока – серебряная лента 4 – серебряный вывод чехол 6 – штуцер головка – капилляр Рис. 13. Термометры сопротивления: а – платиновый 1 – серебряная лента, которая закрепляет слюдяной пакет 2 – платиновый провод 3 – слюдяная пластинка сна- сечкой 4 – серебряные выводы 5 – слюдяные накладки б – медный 1 – медный провод 2 – каркас 1 а б 2 3 4 8 7 6 1 а б 2 1 2 3 5 4 наматывается платиновый провод 2, к концам которого припаяны изолированные фарфоровыми изоляторами выводы из серебряной проволоки 4, которые присоединены к зажимам в головке термометра. Рабочий изолированный элемент вставляют сначала в алюминиевый, аза- тем в стальной чехол 5. 5 Вода, водяной пари воздух, их свойства Вода и водяной пар как рабочие тела и теплоносители получили широкое использование в теплотехнике. Это объясняется тем, что вода является распространенным веществом в природе и кроме того, вода и водяной пар обладают хорошими термодинамическими свойствами. Пар образуется из воды путем испарения и кипения. Испарением называется парообразование, которое происходит только на поверхности жидкости. Этот процесс происходит при любой температуре. При испарении из жидкости вылетают молекулы, которые имеют относительно большие скорости, вследствие чего уменьшается средняя скорость движения молекул, которые остались, и уменьшается температура жидкости. Кипением называется бурное парообразование во всей массе жидкости, происходящее при передаче жидкости через стенки сосуда определенного количества тепла. Температура кипения воды зависит от давления, под которым вода находится. Чем больше давление, тем выше температура, при которой начинается кипение воды. Например, атмосферному давлению 1,033 кгс/см 2 (760 мм рт. ст.) соответствует к = 100 С, а при давлении 14 кгс/см 2 – к = 194 Если кипение жидкости происходит в закрытом сосуде, то над жидкостью образуется пар, в котором имеются капельки влаги. Такой пар называется влажным насыщенным При этом температура влажного пара и кипящей воды одинакова и равна температуре ки- пения. Если постоянно подавать тепло, то вся вода в сосуде, включая мельчайшие капли, превратится в пар. Такой пар называется сухим насыщенным. Температура сухого насыщенного пара также равна температуре кипения к, которая соответствует данному давлению. Количество тепла, необходимого для превращения в пар 1 кг жидкости, нагретой до температуры кипения к, называется скрытой теплотой парообразования (ккал/кг). Скрытая теплота парообразования зависит от давления. Так, при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. скрытая теплота парообразования ккал/кг. При повышении температуры скрытая теплота парообразования увеличивается. Пар может быть насыщенными перегретым. Величина, определяющая количество сухого насыщенного пара в 1 кг влажного пара в процентах называется степенью сухости пара и обозначается буквой Х. Для сухого насыщенного пара Х = 100 Влажность насыщенного пара в паровых котлах должна быть в пределах 1–3 %, те. степень сухости Х = 100 – (1–3) = 99–97 %. Отделение части воды от пара называется сепарацией ау ст- ройство, предназначенное для этого, – сепаратором. Переход воды из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, а из газообразного в жидкое – конденсацией. Пар, температура которого для определенного давления превышает температуру насыщенного пара, называется перегретым. Разность температур между перегретыми сухим насыщенным паром при этом же давлении называется перегревом пара. Состав и свойства воздуха. Сухой атмосферный воздух представляет собой многокомпонентную смесь состава (об. %): азот N 2 – 78 кислород O 2 – 21 %, инертные газы (аргон, неон, криптон и при углекислый газ – 1 %. Кроме того, воздух содержит водяной пар, пыль, микроорганизмы и пр. Газы, которые входят в состав воздуха, распределены в нем равномерно и каждый из них сохраняет свои свойства в смеси. Азот N 2 и кислород О не имеют цвета, вкуса и запаха. Азот не горит и горение не поддерживает. Кислород не горит, но активно поддерживает горение и является окислителем, обеспечивающим горение всех видов топлива. Плотность воздуха при нормальных условиях (0 Си мм рт. ст) равна r = 1,293 кг/м 3 . С повышением температуры плотность воздуха уменьшается. Инертные газы не вступают в химические реакции с другими веществами. В воздухе также находятся водяные пары, количество которых изменяется и зависит от конкретных атмосферных условий. Каждому значению температуры соответствует максимальное количество водяных паров, которые могут находиться в воздухе и определенное парциальное давление этих паров. Различают влажность абсолютную и относительную. Абсолютная влажность – это масса водяных паров, которая находится в 1 м воздуха. Относительная влажность (j) – это отношение абсолютной влажности приданной температуре к максимально возможной абсолютной влажности при той же температуре. Для жилых помещений нормальной влажностью считается j = 60–70 %. Относительную влажность измеряют гигрометром или психрометром. Точкой росы называется температура, до которой необходимо охладить воздух или продукты сгорания топлива, чтобы водяные пары, которые находятся в них, достигли состояния насыщения и выделились в виде росы. Температура точки росы для продуктов сгорания природного газа составляет 53–56 С 18 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Электрический токи его характеристики Простейшая электрическая цепь (рис. 14) состоит из источника электрической энергии (генератора) Г, ее потребителя и двух линейных проводников Ли Л, соединяющих источник энергии с потре- бителем. Источниками электрической энергии служат генераторы (устройства, которые превращают различные виды энергии – механическую, химическую, световую – в электрическую). Источник электрической энергии и соединенный с ним линейными проводами потребитель этой энергии образуют замкнутую электрическую цепь, по которой протекает электрический ток. Электрический ток – это упорядоченное движение электрических зарядов в проводимой среде, которое происходит под действием сил электрического поля. Сила электрического тока определяется как количество электронов, протекающих через поперечное сечение проводника веди- ницу времени 1 с. Единицей измерения силы тока является ампер, в системе СИ обозначается А, в других системах – а. Обозначают силу тока буквами І или і. Энергия, необходимая для беспрерывного протекания тока по электрической цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС). ЭДС источника тока не исчезает и при размыкании цепи. В этом случае ЭДС равна разности потенциалов (напряжению) на зажимах источника тока. Напряжение обозначают буквами U и u, измеряют в вольтах, в системе СИ обозначают В, а в других системах единиц – в. Рис. 14. Схемы электрического тока: а – постоянный ток б – переменный ток I – сила тока, А Г + – К потребителю Л1 Л2 Г + (–) – (К потребителю I I I I а б Для измерения больших напряжений используется единица измерения киловольт 1 кВ = 1 000 В. Малые величины напряжения и ЭДС измеряются в милливольтах 1 мВ = 0,001 В. В рассматриваемых схемах электрический ток протекает под действием разности потенциалов (напряжения) на зажимах источника тока и направлен от точки с более высоким потенциалом (положительный заряд) к точке с более низким потенциалом (отрицательный заряд. За направление электрического тока условно принимают направление перемещения положительного заряда от плюса к минусу. Если сила и направление тока не изменяются на протяжении времени, то такой ток называют постоянным (рис. 15, а). Электрический ток, который периодически изменяется по силе и направлению, называется переменным (рис. 15, б). Для получения переменного тока используются генераторы, в которых на исходных клеммах возникает то положительный заряд (плюс), то отрицательный заряд (минус. Переменный ток, кроме силы и напряжения, характеризуется периодом и частотой. Периодом T называется время, в течение которого переменный ток совершает одно полное изменение по величине и направлению. Частотой называется число полных изменений переменного тока, которые происходят за 1 с. Период измеряется в секундах с, а частота – в герцах (Гц). В различных областях техники используется электрический ток различных частот. На электростанциях нашей страны используются генераторы, которые вырабатывают переменный трехфазный ток частотой 50 Гц. Проводники электрического тока и диэлектрики Материалы, проводящие электрический ток, называются проводниками К ним относятся металлы, растворы кислот, щелочей и солей. В электротехнике в качестве материала для проводников широко используют медь и алюминий. Материалы, которые практически не проводят электрический ток, называются диэлектриками К ним относятся резина, слюда, пластмассы и многие другие материалы, а также воздух и газы. Диэлект- Рис. 15. Токи: а – постоянный; б – переменный б а Т t t I I 20 рики используются в качестве электроизоляционных материалов для электрической изоляции проводников друг от друга и от окружающей среды. Направленному движению электронов в проводнике противодействуют его молекулы и атомы. Это противодействие принято оценивать электрическим сопротивлением. Электрическое сопротивление проводника обозначают буквой R. Единица измерения сопротивления Ом. При измерении больших сопротивлений используется килоом: 1 км = 10 3 Ом или мегаом: 1 МОм = 10 6 Ом. Сопротивление проводника зависит от его материала, длины, поперечного сечения и температуры. Закон Ома для участка и полной цепи: где R – сопротивление внешнего участка цепи Е – электродвижущая сила r – внутреннее сопротивление источника электрической энергии. Трехфазный электрический ток представляет собой совокупность трех цепей переменного тока, в которых одновременно действуют три синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, с равными амплитудами, смещенными одна относительно другой на угол 2p/3 (120°). Совокупность таких ЭДС называется трехфазной системой ЭДС. Эту систему можно получить при вращении в однородном магнитном поле трех одинаковых обмоток, смещенных в пространстве на угол 2p/3 (Для характеристик энергетических условий важно, насколько быстро выполняется работа. Работа, которая выполняется за единицу времени, называется мощностью Р = А/t. Если движение зарядов создавало постоянный ток, то q = i t, где – время, в течение которого был перенесен заряд. Следовательно, работа, выполненная за время t, равна А = U I t. В электрической цепи при постоянном токе и напряжении мощность Р = А = U Заменив в этом выражении на основании закона Ома U = I R или = U q, получим три выражения мощности постоянного тока: Р = V I =I 2 R = U 2 Каждое выражение используется в определенных условиях рас- чета. Единицей измерения мощности служит ватт. Вт = ВЧАЧс = Дж/с или Дж = ВтЧс. 8 , 5 ( , 5 U Ватт – это мощность, при которой за 1 с совершается работа, равная 1 Дж. В электрической цепи это мощность, которая затрачивается в проводнике при напряжении 1 В между его концами и притоке А. Для измерения больших мощностей кВт = 10 3 Вт 1 МВт = 10 6 Вт. Прибор для измерения мощности – ваттметр – имеет две измерительные цепи (две катушки, из которых одна (цепь тока) включается, как амперметр, последовательно с объектом измерения, а другая (цепь напряжения) подключается к объекту параллельно, как вольтметр. Так как основная единица работы и энергии Дж – малая величина, тов электроэнергетических установках для измерения работы используется более крупная величина – киловатт-час (кВтЧч). Это работа, которая совершается зач при постоянной мощности в 1 кВт. Значит, 1 кВтЧч = 3 600 000 Дж. Электрические сети низкого напряжения промышленных предприятий, как правило, выполняются четырехпроводными (три фазы и ноль, что дает возможность получить два различных напряжения. Четырехпроводная система широко используется для электроснабжения смешанных осветительно-силовых нагрузок. Осветительные нагрузки включаются на фазное напряжение, 220 В (между фазой и нулевым проводом, а силовые нагрузки – на линейное напряжение 380 В (между двумя фазными проводами). Трансформаторы переменного тока и электромагниты При прохождении электрического тока по проводнику в окружающем пространстве возникает магнитное поле. При отключении тока магнитное поле исчезает. Магнитное поле возникает не только вокруг прямолинейного проводника, но и вокруг проводника, свитого в кольцо. Проводник, свитый в несколько колец, называется катушкой. Магнитное поле имеет наибольшую интенсивность внутри катушки и зависит от силы тока и числа витков. Если изменять магнитное поле вокруг проводника, тов проводнике наводится ЭДС, под действием которой в замкнутом проводнике возникает электрический ток. Это явление называется взаимной индукцией и положено в основу действия трансформатора. Трансформатор. Электромагнитный аппарат, который превращает переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения (рис. 16), называется трансформатором Обмотка, включенная в сеть источника электрической энергии, называется первичной а обмотка, от которой энергия подается потребителю вторичной. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называется повышающим а если больше – понижающим. Принцип работы трансформатора заключается в следующем: если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику переменного тока, то ток образует в стальном сердечнике (магнитопроводе) трансформатора переменный магнитный поток, который, проникая в витки вторичной обмотки трансформатора, будет индук- тировать в обмотке ЭДС. Если вторичная обмотка подключена к потребителю, то под действием индуктированной ЭДС в этой сети будет протекать переменный электрический ток. Таким образом, электрическая энергия будет передаваться из первичной обмотки трансформатора к вторичной, но при другом напряжении, которое зависит от соотношения числа витков в обмотках трансформатора. Трансформаторы получили широкое применение при передаче электрической энергии на большие расстояния, для распределении энергии между потребителями ив различных устройствах автома- тики. Электромагниты. Если в катушку поместить стальной сердечники пропустить через нее электрический ток, то сердечник намагничивается и приобретает свойства постоянного магнита. Рис. 16. Трехфазный силовой трансформатор мощностью кВт – рукоятка переключения ответвлений обмотки высокого напряжения выводные изоляторы высокого напряжения 3 – выводные изоляторы низкого напряжения – указатель уровня масла 5 – расширитель пробка с фильтром – радиатор 8 – кожух трансформатора магнитопровод с обмотками обмотка высокого напряжения обмотка низкого напряжения ролики 5 6 7 8 9 10 11 12 На использовании явлений электромагнитизма основана работа электромагнитных приводов, где электрическая энергия превращается в механическую энергию перемещения подвижного элемента – якоря. Электромагниты нашли широкое использование в конструкциях реле, магнитных пускателей, переключающих и отключающих газовых клапанов. В конструкциях клапанов-отсекателей, предназначенных для отключения подачи газа к горелкам котла, якорь электромагнита жестко соединен с клапаном и перемещается (втягивается, когда на обмотку подается напряжение, открывая проход газа. При отключении напряжения якорь с клапаном под действием своего веса опускается на седло и перекрывает проход природному газу. На этом явлении основано действие автоматики безопасности котлов. Электрооборудование котельных, его назначение и работа Электрооборудование. Электрическое оснащение современных котельных (рис. 17) включает силовые и осветительные щиты, большое количество электродвигателей различного назначения спусковой и защитной аппаратурой, устройства автоматического регулирования и безопасности, приборы теплотехнического контроля, систему кабелей и проводов. Электродвигатели состоят из двухосновных частей: статора – неподвижной части, которая имеет электрические обмотки, и ротора подвижной части, которая находится внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшой воздушный зазор. Обмотка статора при включении в электрическую сеть образует вращающееся магнитное поле, которое пересекает обмотку ротора и индуцирует в ней ЭДС. В результате взаимодействия протекающего при этом в обмотке ротора тока с вращающимся магнитным Рис. 17. Главный распределительный щит котельной – щит ЩО-20; 2 – щит ЩО-58 1 2 РПСУ А 3124 полем статора ротор приходит во вращательное движение. Если ротор вращается со скоростью вращения магнитного поля, двигатель называется синхронным а если скорости неодинаковы асинхрон- ным. На рис. 18 приведены асинхронные двигатели в защищенном (а), закрытом (б) и взрывозащищенном (в) исполнении. а б в Рис. 18. Асинхронные двигатели: а – защищенный б – закрытый в – взрывозащищенный Для изменения направления движения ротора достаточно поменять местами на клеммах двигателя два из трех подводящих проводов (фазы. При этом изменится чередование фаз обмотки статора, а значит, и направление вращения магнитного поля. Характерными неполадками работы электродвигателей являются вибрация и перегрев. Вибрация вызывает разрушение подшипников, ослабляет крепление электродвигателя на фундаменте и может привести к повреждению обмоток. Причиной вибрации может быть смещение осей валов электродвигателя и приводного механизма, а также оседание фундамента. Вибрация может быть следствием короткого замыкания статорной обмотки, в результате чего образуется неравномерное магнитное поле. Во всех случаях появления вибрации электродвигатель необходимо остановить, а затем выявить и ликвидировать ее причины. Чрезмерный перегрев электродвигателя вызывает обгорание изоляции его обмоток и может привести к аварии. Необходимо помнить, что перегрев не должен превышать 60 °С как для самой обмотки, таки для стальных частей, которые соприкасаются с ней. Например, статор электродвигателя имеет температуру 80 °С при температуре окружающего воздуха 25 С. Превышение будет составлять 80–25 = 55 С, что является допустимой температурой перегрева Пусковая и защитная аппаратура. Современные устройства включения электродвигателей подразделяются на две основные группы ручного и автоматического управления. Конструктивное различие пусковой аппаратуры состоит во включении главных контактов (ручного или нажимного действия) ив защите от окружающей среды (открытая, закрытая, защищенная и взрывобезопасная). Основными аппаратами ручного управления являются рубильники, переключатели и пакетные выключатели. Рубильники и переключатели выпускаются водно, двух- и трех- полюсном исполнении. Пакетные выключатели используются в роли ручных пускателей для электродвигателей небольшой мощности и собираются в виде пакетов из изоляционного материала, внутри которых размещены плоские контакты, которые замыкаются при повороте ручки вык- лючателя. Основной аппаратурой автоматического управления являются кнопки управления, магнитные пускатели и автоматические выключатели (автоматы). Кнопки управления служат для замыкания и размыкания цепи дистанционного управления. Конструкция кнопки предусматривает возврат в исходное положение под действием пружины. Кнопка управления имеет замыкающие, размыкающие или те и другие контакты. Комплект из двух и более кнопок, смонтированных водном корпусе, называется кнопочной станцией. Магнитные пускатели (рис. представляют собой трехфазные контакторы переменного тока с замыкающими контактами, которые помещены в стальной защитный корпус со съемной крышкой. Магнитный пускатель может иметь двухполюсное тепловое реле. Включение и выключение магнитного пускателя осуществляются дистанционно с помощью кнопок Пуски «Стоп». При нажатии на кнопку «Пуск» в катушке магнитного пускателя появляется ток, вокруг нее образуется магнитное поле, Рис. 19. Магнитный пускатель – катушка дугогасительная камера 3 – направляющая камера – якорь электромагнита 5 – держатель якоря сердечник намагничивается и притягивает к себе якорь, который замыкает главные контакты вцепи электродвигателя. Одновременно с главными контактами вцепи управления замыкается контакт са- моблокирования, который разрешает отпустить кнопку «Пуск», не разрывая электрическую цепь катушки пускателя. Тепловые элементы, включенные последовательно с обмотками электродвигателя, имеют вцепи управления размыкающий контакт, который разрывает цепь катушки пускателя при опасных токовых перегрузках электродвигателя, что приводит к размыканию главных контактов и остановке двигателя. Остановка происходит и при нажатии на кнопку «Стоп». Магнитные пускатели защищают электродвигатели от перегрузки и понижения напряжения в сети более чем на 30–40 % номинальной, а также от самозапуска при исчезновении и повторном появлении напряжения в электрической сети, управляются дистанционно и автоматически. Для защиты электрических цепей от токов короткого замыкания и длительных перегрузок последовательно с потребителями электроэнергии включаются плавкие предохранители Их работа основана на использовании теплового действия тока. Автоматические выключатели (автоматы (рис. 20) могут выполнять функцию пусковой и защитной аппаратуры и состоят из рубильника и предохранителя. Отключение при коротких замыканиях и токовых перегрузках происходит автоматически с помощью тепловых и электромагнитных расцепителей. Преимуществом автоматов является значительно большая точность их настройки на заданную силу тока, чем при защите плавкими вставками. Рис. 20. Автоматический выключатель серии АЗЕ 00: 1 – цоколь кожуха 2 – дугогасящая камера 3 – подвижный контакт – неподвижный контакт 5 – гибкое соединение 6 – тепловой расцепитель; 7 – отключающий рельс защиты – корпус механизма свободного расцепления рычаг для изменения вставки потоку спусковой валик с рычагом 11 – упорный рычаг механизма 12 – кнопка включения – приводные рычаги 14 – пружина механизма свободного расцепления кнопка отключения – капсула электромагнитного расцепления сердечник электромагнитного расцепителя; 18 – изолированная траверса 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 1 2 3 4 Заземление служит для защиты обслуживающего персонала от поражения электрическим током при прикосновении к корпусу, который оказался под напряжением. |