Основы технической термодинамики

 

Интенсивность горения в значительной степени зависит от концентрации веществ и их температуры. Чтобы обеспечить непрерывность горения, необходимо поддерживать температуру горения не ниже температуры воспламенения.

Различают полное и неполное горение. При полном горении горючие компоненты топлива окисляются кислородом до тех пор, пока все составляющие продуктов горения не способны гореть дальше. Например, полное горение углерода и водорода может быть представлено следующими реакциями:

 

    C + O₂ = CO₂ + 33 900 кДж/кг углерода;

(186)

        2H₂ + O₂ = 2H₂O + 125 500 кДж/кг водорода.

 

Конечные продукты сгорания углерода и водорода – углекислый газ и  вода.

При неполном горении остаются продукты способные при наличии кислорода  и далее гореть с выделением теплоты.

Например, неполное горение углерода может быть представлено по реакции:

 

   2C + O₂ = 2CO + 9900 кДж/кг углерода.  (187)

 

Однако на практике в этом случае не удается достигнуть полного сгорания топлива. Поэтому процесс горения  ведется с некоторым избытком воздуха.

Отношения действительного количества воздуха (J_д), расходуемого для сжигания топлива, к теоретически необходимому (Jт) называется коэффициентом избытка воздуха (a).

На практике принимают ориентировочно следующие значения a для различных топлив: для пылевидного и газообразного топлива – 1,03…1,16, для жидкого топлива (мазут) – 1,2…1,25, для твердого топлива – 1,3…1,65.

 

 

§ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОГО

       КОЛИЧЕСТВА  ВОЗДУХА

       ДЛЯ  ПОЛНОГО СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

 

Если состав топлива известен, то количество воздуха, необходимого для  полного сгорания любого из его компонентов, можно определить из выражения С + О₂ = СО₂. Эта формула показывает, что на каждые 12 кг углерода (С) расходуется 32 кг кислорода (О₂). Следовательно, на 1 кг С расходуется 32 : 12 = 2,67 кг, аналогично – для водорода. Согласно реакции его горения, имеем 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О. Следовательно, на каждые 4 кг Н₂ требуется 32 кг кислорода, то есть на 1 кг Н₂ надо 8 кг кислорода.

Для процесса горения серы получаем: S + O₂ = SO₂, для полного сгорания 32 кг серы требуется 32 кг кислорода. Следовательно, на 1 кг серы нужно 1 кг кислорода.

Учитывая, что в топочную камеру котельного агрегата подается не кислород, а воздух, в котором содержится 23% кислорода по массе, а плотность  воздуха при нормальных условиях равна 1,293 кг/м³, можно найти теоретический объем воздуха для полного сгорания 1 кг топлива:

 

   (188)

 

Для газообразного топлива теоретическое  количество воздуха, необходимого для  полного сгорания 1 м³ газа при нормальных условиях, можно определить по справочной литературе.

В действительности в топочную камеру подается воздуха больше, чем требуется  по приведенным выше реакциям, так  как не весь кислород, содержащийся в воздухе, участвует в горении:

 

      J^д_в = a ^. J^т_в,

 

где  a – коэффициент избытка воздуха.

 

 

 

§ 3. ОБЪЕМ И СОСТАВ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

 

Для правильного расчета и выбора теплотехнических агрегатов необходимо знать количество образующихся продуктов  сгорания. Как правило, количество продуктов  сгорания относят к 1 кг твердого или  жидкого топлива или к 1 м³ газообразного топлива при нормальных условиях. Как отмечалось выше, при полном сгорании углерод образует углекислоту (CO₂), сера – сернистый ангидрид (SO₂), влага топлива и водород в составе топлива – водяные пары (H₂O). Кроме того, в состав продуктов сгорания входят азот (N₂) вносимый в составе топлива с воздухом, и кислород (О₂), не использованный в процессе горения.

Объемы продуктов сгорания характеристики твердого и жидкого топлива приведены  в приложениях 8 и 9.

 

 

§ 4. ЭНТАЛЬПИЯ И ТЕПЛОЕМКОСТЬ

       ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

 

Знание энтальпии продуктов  сгорания (табл. 4) необходимо для расчета  и выбора топливоиспользующих устройств. Энтальпию продуктов сгорания рассчитывают на 1 кг или 1 м³ топлива, при сжигании которого они получены.

 

 

4. Численные значения энтальпий составляющих продуктов сгорания и воздуха при различных температурах

 

Температура, К	НСО2, кДж/м3	НN2, кДж/м3	НО2, кДж/м3	НН2О, кДж/м3	Нвозд., кДж/м3
373	170,1	130,0	132,0	150,8	132,4
473	357,8	260,2	267,3	304,6	266,5
573	559,4	392,2	407,3	463,0	403,1
673	772,6	527,1	551,4	626,8	542,2
773	997,2	664,5	699,7	795,3	684,6
873	1223,0	804,5	850,6	967,9	830,5
973	1462,0	946,9	1006,0	1148,0	980,5
1073	1705,0	1094,0	1160,0	1337,0	1131,0
1173	1953,0	1244,0	1320,0	1525,0	1282,0
1273	2204,0	1395,0	1479,0	1726,0	1437,0
1473	2719,0	1697,0	1802,0	2133,0	1756,0
1673	3243,0	2011,0	2464,0	3004,0	2405,0
1873	3771,0	2325,0	2799,0	3461,0	2732,0
2073	4307,0	2644,0	2129,0	2560,0	2978,0
2273	4748,0	2967,0	3143,0	3930,0	3067,0

Для того чтобы отличить от принятой ранее удельной энтальпии, отнесенной к 1 кг рабочего тела h, энтальпию продуктов сгорания обозначим условно буквой Н:

 

H_г = J_г ^. c_г ^. t,   (189)

 

где  t – температура продуктов сгорания, 0С; cг – средняя теплоемкость продуктов сгорания в интервале температур от 0 ⁰С до  t 0C, Дж/(м^{3 .} К).

 

Теплоемкость продуктов сгорания можно рассчитать как теплоемкость смеси газов:

 

    (190)

 

где c_i, r_i – удельные (на единицу объема) теплоемкости кДж/(м3 . К) и объемные доли компонентов.

 

П р и м е р.  Определить низшую теплоту сгорания твердого рабочего топлива следующего состава: C^p = 70,4%, H^p = 5,1, O^p = 11,6,            S^p = 2, N^p = 0,9, A^p = 5, W^p = 5%.

Р е ш е н и е.

 

         Q^p_н = 339 O^p + 1030 H^p – 109 (O^p – S^p) – 25 W^p = 339.

 

     70,4 + 1030 ^. 5,1 – 109 (11,6 – 2) – 25 . 5 » 27 900 кДж/кг.

 

Контрольные вопросы и задания. 1. Что называется топливом, как оно классифицируется? 2. Что называется теплотой сгорания топлива? Как она определяется? 3. Что такое условное топливо? Как перевести любое реальное топливо в условное? 4. Дайте характеристику основным компонентам топлива. 5. Дайте краткую характеристику основных видов топлива. 6. В чем состоит сущность процесса горения? 7. Что такое теоретическое и действительное количество воздуха и как оно определяется? 8. Что называется коэффициентом избытка воздуха и каковы его приближенные значения для разных топлив?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УКАЗАТЕЛЬ  ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Алексеев Г. Н. Общая теплотехника.– М.: Высшая школа, 1980.
2. Андрющенко А. И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок.– М., Высшая школа.
3. Арнольд Л. В. и др. Техническая термодинамика и теплопередача.– М., Высшая школа.
4. Вукалович М. П., Ривкин С. А., Александров А. А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара.– М.: Изд-во стандартов, 1969.
5. Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С. Теплопередача.– М.: Энергия, 1978.
6. Кирилин В. А. и др. Техническая термодинамика.– М: Наука, 1979.
7. Костерев Ф. М., Кушнырев В. И. Теоретические основы теплотехники.– М.: Энергия, 1978.
8. Красощеков Е. А., Сукомел А. С. Задачник по теплопередаче.– М.: Энергия, 1975.
9. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи.– М.: Энергия, 1977.
10. Тепловой расчет котельных агрегатов (нормативный метод).– М.: Энергия, 1973.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

 

РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ          ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОЙ ТЕРМОДИНАМИКИ
Практическое занятие 1. Основные положения	5
§ 1. Предмет технической термодинамики  и ее задачи ……….	5
§ 2. Термодинамическая система. Рабочее  тело.        Основные параметры  состояния рабочего тела …………..	6
Практическое занятие 2. Идеальные газы и их основные законы	9
§ 1. Уравнения состояния идеальных  и реальных газов ………	9
§ 2. Газовые смеси ……………………………………………….	11
Практическое занятие 3. Теплоемкость газов	14
§ 1. Истинная и средняя теплоемкости ………………………...	14
§ 2 Изобарная и изохорная теплоемкости идеального газа …..	15
§ 3. Теплоемкость газовых смесей ……………………………..	17
Практическое занятие 4. Первый закон термодинамики	18
§ 1. Термодинамический процесс ………………………………	18
§ 2. Работа расширения газа и внутренняя энергия …………...	19
§ 3. Теплота ………………………………………………………	22
§ 4. Первый закон термодинамики ……………………………..	22
Практическое занятие 5. Термодинамические процессы в газах	25
§ 1. Метод исследования термодинамических  процессов.         Энтропия газов ……………………………………………...	26
§ 2. Изохорный процесс …………………………………………	27
§ 3. Изобарный процесс …………………………………………	29
§ 4. Энтальпия газа ………………………………………………	31
§ 5. Изотермически процесс …………………………………….	32
§ 6. Адиабатный процесс ……………………………………….	34
§ 7. Политропный процесс ……………………………………...	36
§ 8. Анализ политропных процессов …………………...............	37
Практическое занятие 6. Второй закон термодинамики	40
§ 1. Круговые процессы …………………………………………	40
§ 2. Прямой обратимый цикл Карно ……………………………	43
§ 3. Обратный обратимый цикл Карно …………………………	45
§ 4. Сущность и формулировки второго  закона         термодинамики …………………………………………….	47
Практическое занятие 7. Идеальные циклы поршневых двигателей                  внутреннего сгорания, газотурбинных                   двигателей и процессы поршневых                  компрессоров	48
§ 1. Общие понятия об идеальных  циклах двигателей         внутреннего  сгорания ……………………………………...	48
§ 2. Циклы газотурбинных установок ………………………….	55
§ 3. Термодинамические основы работы поршневых         компрессоров ……………………………………………….	58
Практическое занятие 8. Водяной пар	64
§ 1. Основные понятия и определения rJ- и Ts-диаграммы         водяного пара ………………………………………………	65
§ 2. hs-диаграмма водяного пара ……………………………….	69
§ 3. Основные термодинамические параметры  воды и         водяного пара ……………………………………………….	71
Практическое занятие 9. Циклы паросиловых установок	73
§ 1. Цикл Карно для водяного пара …………………………….	73
§ 2. Цикл Ренкина ……………………………………………….	75
§ 3. Влияние основных параметров пара на величину        термического  КПД цикла Ренкина ………………………...	77
Практическое занятие 10. Влажный воздух	79
§ 1. Физические свойства влажного воздуха ………………….	80
§ 2. Hd-диаграмма влажного воздуха ………………………….	82
РАЗДЕЛ ВТОРОЙ ОСНОВЫ ТЕПЛООБМЕНА
Практическое занятие 11. Теплопроводность	86
§ 1. Основные понятия и определения …………………………	86
§ 2. Закон Фурье …………………………………………………	86
§ 3. Частные случаи теплопроводности при стационарном         режиме ………………………………………………………	89
Практическое занятие 12. Конвективный теплообмен. Теплообмен                    излучением …………………………………………	92
§ 1. Общие понятия конвективного  теплообмена …………….	93
§ 2. Особенности теплоотдачи при  кипении жидкости ……….	94
§ 3. Основные понятия и законы излучения …………………...	96
§ 4. Некоторые задачи теплообмена  излучением ……………..	98
Практическое занятие 13. Теплопередача. Основы расчета теплообменных                    аппаратов …………………………………………..	100
§ 1. Теплопередача через плоскую стенку …………………….	101
§ 2. Теплопередача через цилиндрическую стенку ……………	103
§ 3. Интенсификация теплопередачи. Тепловая изоляция ……	104
§ 4. Теплообменные аппараты ………………………………….	106
РАЗДЕЛ ТРЕТИЙ ТОПЛИВО И ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
Практическое занятие 14. Энергетическое топливо	111
§ 1. Классификация топлива …………………………………….	111
§ 2. Состав топлива	111
§ 3. Теплота сгорания топлива. Понятие  условного топлива ...	113
§ 4. Теплотехническая характеристика основных         компонентов топлива ………………………………………	115
§ 5. Характеристика отдельных видов  топлива ……………….	117
Практическое занятие 15. Основы процесса горения топлива	119
§ 1. Сущность процесса горения топлива ……………………..	119
§ 2. Определение необходимого количества воздуха для         полного сгорания  топлива …………………………………	120
§ 3. Объем и состав продуктов  сгорания ………………………	121
§ 4. Энтальпия и теплоемкость продуктов  сгорания ………….	122
Приложения ……………………………………………………...	124
Указатель литературы …………………………………………...	141