Теоретические основы теплотехники

Основы технической термодинамики. Назначение, состав и типы судовых энергетических установок. Современное рыбопромысловое судно представляет собой сложное техническое сооружение, оснащенное большим количеством разнообразных механизмов, устройств и аппаратов.

Для обеспечения движения судна и снабжения всех судовых потребителей электрической, механической энергией, сжатым воздухом, паром и горячей водой служит энергетическая установка.

В состав энергетической установки входят:

1. Генераторы рабочего тела (пара, газа), получаемого при сжигании топлива. В пароэнергетических установках генераторами рабочего тела являются паровые котлы, в газоэнергетических установках рабочее тело вырабатывается либо в цилиндре генератора газа, либо в специальном устройстве – камере сгорания.
2. Главные двигатели, преобразующие тепловую энергию рабочего тела (пара, газа) в механическую работу, используемую для приведения в действие гребного винта или другого движителя судна. К ним относятся двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины.
3. Вспомогательные механизмы и аппараты, обеспечивающие нормальную работу судовой энергетической установки и вырабатывающие энергию для производственно-технических и других нужд судна (дизель-генераторы, турбогенераторы, вспомогательные паровые котлы, насосы, компрессоры, опреснительные установки, теплообменные аппараты, вентиляторы и т. д.).
4. Передачи и движители (муфты на линии валопровода, редукторы, промежуточные и гребные валы, гребные винты).

Краткие сведения по эксплуатации систем автоматики и тренажерам автоматизированных СЭУСудовая энергетическая установка размещается в специально отведенной для нее части судна – в машинном или машинно-котельном отделении. Машинное отделение располагается по длине судна чаще всего в корме или в районе миделя.

На рис. 1 представлена одна из возможных принципиальных схем современной энергетической установки с дизелем в качестве главного двигателя.

В главном двигателе (дизеле) 2 вырабатывается рабочее тело (в цилиндрах образуются газы от сгорания топлива) и тепловая энергия превращается в механическую работу (пп. I и II). Вспомогательные механизмы, обслуживающие энергетическую установку (п. III), представлены топливоподающим насосом 1, насосом 7 для подачи воды на охлаждение двигателя, насосом 9, подающим смазочное масло к трущимся деталям, и компрессором 10, который нагнетает воздух в баллоны 11, откуда он во время пуска поступает в цилиндры двигателя для первоначального раскручивания коленчатого вала. Все насосы и компрессоры приводятся в движение электродвигателями. У энергетических установок небольшой мощности эти насосы навешены на двигатель.

Электроэнергия для производственно-технических нужд вырабатывается двумя дизель-генераторами 3 и 8. Пар для технологических нужд (обработка рыбы) и для отопления выдает вспомогательный паровой котел 4. Механическая энергия от главного двигателя через линию валопровода 6, состоящую из нескольких промежуточных и гребного валов, передается на гребной винт 5, в результате вращения которого судно получает движение (п. IV).

Тип энергетической установки и конструкция главного двигателя зависят от:

• мощности установки;
• назначения судна;
• условий его использования и т. д.

Промысловый флот характеризуется большим разнообразием энергетических установок. По различным признакам могут быть выделены следующие установки.

По типу двигателя:

• дизельные;
• пароэнергетические;
• газотурбинные.

По типу передачи мощности на гребной винт:

• с прямой передачей;
• с реверсредукторной;
• с редукторной;
• дизель-электрические.

По схеме производства электроэнергии:

• с автономной электростанцией;
• с отбором мощности от главных двигателей для производства электроэнергии;
• с единой электроэнергетической системой.

В настоящее время в рыбопромысловом флоте наиболее распространены дизельные энергетические установки.

Крупнотоннажные транспортные рефрижераторы, плавучие базы, большинство средних и больших траулеров, большие сейнеры оборудованы дизельными энергетическими установками с непосредственной прямой передачей мощности на гребной винт и с автономной электростанцией. Мощность главных дизелей этих судов составляет 300-10 000 л. с. Главные двигатели мощностью до 300 л. с., устанавливаемые на малотоннажных судах (малые и средние сейнеры, малые траулеры и т. д.), выполняются быстроходными и нереверсивными, т. е. с вращением коленчатого вала только в одну сторону. Поэтому энергетические установки с главными дизелями до 300 л. с. для обеспечения заднего хода судна и для снижения частоты вращения, поступающей на винт, оборудуют реверсредукторными передачами.

Рыболовные морозильные траулеры типов «Тропик» и «Атлантик» снабжены дизель-редукторными энергетическими установками с отбором мощности на генераторы и с автономной электростанцией. В таких установках два главных реверсивных двигателя через редуктор работают на один винт.

На отдельных типах судов, где требуется гибкое перераспределение энергии на винт и на технологические нужды (например, на производственных рефрижераторах), применяются дизель-электрические установки с единой энергетической системой. В этом случае быстроходные дизели приводят в движение электрогенераторы, которые в зависимости от режима работы судна могут подавать большую часть электроэнергии либо на гребные электродвигатели, либо на электродвигатели технологических установок.

Паровые энергетические установки с паровыми турбинами на флоте рыбной промышленности не нашли применения. Исключение составляют несколько крупнотоннажных судов, в том числе уникальное судно-плавучая база «Восток», построенная в Ленинграде в 1970 г. Эта база водоизмещением 43 400 т, несущая на борту 14 рыбодобывающих судов и два вертолета, имеет двухвальную энергетическую установку, состоящую из двух агрегатов по 13 000 л. с. Каждый агрегат включает в себя паровые турбины и редуктор. Автономная электростанция состоит из турбогенераторов.

Паровые энергетические установки с паровыми машинами на новых судах не устанавливаются и сохранились в основном на рыболовных траулерах постройки прежних лет.

В качестве эксперимента в 1967 г. на среднем рыболовном траулере была применена энергетическая газотурбинная установка.

• якорные;
• швартовные;
• и грузоподъемные механизмы;

размещаемые на палубе, механизмы рулевого устройства, устанавливаемые в румпельном отделении, и насосы общесудового назначения (пожарные, осушительные и т. д.), располагаемые в машинном отделении.

Промысловые суда оборудованы специальными промысловыми механизмами, осуществляющими замет и выборку орудий лова, а также подъем улова на борт судна. К ним относятся:

• траловые и сейнерные лебедки;
• сететрясные, неводовыборочные машины;
• силовые блоки и т. д.

Все эти механизмы устанавливаются на палубе. Кроме того, на борту большинства Положение о технической эксплуатации рыболовных судовпромысловых судов имеется специальное технологическое и холодильное оборудование, предназначенное для обработки улова и для длительного его хранения. Это рыбопосольные и рыборазделочные машины, оборудование консервного и рыбомучного производства, холодильные установки и т. д. Размещение данного вида оборудования зависит от типа и назначения судна.

Основы технической термодинамики

Основные понятия. Газовые законы. Газовые смеси

Термодинамика и ее задачи. Техническая термодинамика – это наука, занимающаяся изучением физических явлений, связанных с превращением механической энергии в тепловую или наоборот – тепловой энергии в механическую в тепловых машинах. Чтобы в тепловом двигателе можно было превратить тепловую энергию в механическую, нужны носители теплоты, которые называются рабочими телами. В качестве рабочих тел используются пары и газы. Состояние рабочих тел определяется значениями некоторых величин, которые называются параметрами состояния. В технической термодинамике рассматриваются три основных параметра состояния рабочего тела, которые поддаются непосредственному измерению:

• давление;
• температура;
• и удельный объем.

Газ состоит из беспорядочно движущихся молекул вещества. Они «бомбардируют» стенки сосуда, в котором находится газ. Сила, с которой рабочее тело (газ или пар) воздействует в результате ударов молекул на единицу площади, называется давлением.

В международной системе единиц измерения СИ (система интернациональная) сила измеряется в ньютонах (Н), площадь – в квадратных метрах (м²). Единицей измерения давления p является паскаль (Па) – давление, вызываемое силой, распределенной равномерно на поверхности площадью 1 м². В связи с тем, что единица давления очень мала, применяют единицы, в тысячу или миллион раз более крупные:

• килопаскаль (кПа)
• и мегапаскаль (МПа).

В системе единиц МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда) единицей измерения давления служит 1 кгс/м². В практических условиях вследствие малости этой величины за единицу давления принимают 1 кгс/см². Эта величина называется технической атмосферой и обозначается ат (1 ат = 1 кгс/см²).

Давление окружающего воздуха измеряют в физических атмосферах, причем одна физическая атмосфера равна давлению 1,0332 кгс/см²: с такой силой давит атмосферный воздух на уровне моря на географической широте 45°. Небольшие давления (меньше одной атмосферы) часто измеряют высотой столба жидкости – воды или ртути исходя из следующих соотношений:

• 1 кгс/см² = 10 000 мм вод. ст. = 735,5 мм рт. ст.

Это поясняется рис. 2.

Если выкачать из трубочек воздух и опустить их незакрытыми концами в ртуть и воду, то под действием давления 1 кгс/см² жидкости в трубочках поднимутся соответственно на 735,5 и 10 000 мм.

Между различными единицами измерения давления существуют следующие соотношения:

При измерениях в закрытых сосудах различают давления:

• атмосферное (p_атм, ата);
• избыточное (p_изб, ати);
• абсолютное (p_абс).

Атмосферное – это давление окружающего нас воздуха, оно измеряется приборами – барометрами. Избыточное – это давление, превышающее атмосферное. Абсолютное – давление, отсчитываемое от величины абсолютного вакуума; оно равно сумме атмосферного и избыточного давлений:

Избыточное давление замеряют специальным прибором – манометром. Если, например, манометр показывает давление пара в котле 10 кгс/см², это значит, что избыточное давление в котле 10 ати или абсолютное давление – приблизительно 11 ата.

Читайте также: Основы термодинамики сжиженных газов

Если в закрытом сосуде понизить давление настолько, что оно станет меньше окружающего, в таком сосуде образуется вакуум, или разрежение. Вакуум, как и атмосферное давление, измеряется в паскалях, миллиметрах столба жидкости, килограммах на квадратный сантиметр, а также в процентах.

Глубина вакуума подсчитывается по формуле:

где:

• h_разр – разрежение, мм рт. ст.;
• h_атм – атмосферное давление, мм рт. ст.;
• h_абс – абсолютное давление, мм рт. ст.

Пусть, например, барометр показывает атмосферное давление 760 мм рт. ст., а внутри аппарата, где имеется разрежение, барометр показывает 60 мм рт. ст. Это значит, что в нашем аппарате абсолютное давление равно 60 мм рт. ст., поэтому разрежение (вакуум) в аппарате составит:

Непосредственно вакуум определяется при помощи приборов, называемых вакуумметрами. Если бы к нашему аппарату присоединить вакуумметр, он показал бы 700 мм рт. ст. Таким образом, вакуумметр показывает разницу между атмосферным давлением и абсолютным давлением в аппарате с разрежением.

Как уже говорилось, вакуум можно измерять не только в миллиметрах ртутного столба, но и в процентах. Например, если показания вакуумметра 700 мм рт. ст., а показания барометра 760 мм рт. ст., то вакуум в процентах составляет:

Температура – степень нагретости тела; она характеризует среднюю кинетическую энергию беспорядочного движения молекул тела. Температура измеряется термометрами различного типа:

• ртутными,
• спиртовыми,
• электрическими,
• термометрами сопротивления и др..

В технической термодинамике для измерения температуры используют международную практическую температурную шкалу, принятую в 1968 г. на сессии Международного комитета мер и весов. Единицей измерения температуры служит кельвин (К), представляющий собой 1/273,16 часть температуры тройной точки воды. В этой точке одновременно существуют и находятся в температурном равновесии все три фазы:

• твердая – лед;
• жидкая – вода;
• и газообразная – водяной пар.

Выбор тройной точки воды для определения единицы измерения температуры вызван тем, что она легко может быть воспроизведена в лабораторных условиях. Температура Кельвина выражается только положительными числами. Кипящая при нормальном атмосферном давлении (101,3 кПа) вода, например, имеет температуру 373 К, замерзшая вода имеет температуру ниже 273 К. Международной практической температурной шкалой допускается также применение температуры Цельсия, в которой единицей измерения служит градус Цельсия (°C), равный Кельвину. Нуль температуры Цельсия близок к тройной точке воды; кипящая вода имеет температуру +100 °С. Температура Цельсия ниже нуля выражается отрицательными числами. Разности температур Цельсия и Кельвина численно равны:

Перевод температур Кельвина в температуры Цельсия и обратно может быть выполнен по формулам:

На приборах судов иностранной постройки встречается шкала Фаренгейта. Для пересчета пользуются зависимостями:

Объем, занимаемый единицей массы рабочего тела, называется удельным объемом. Он обозначается v и измеряется в кубических метрах на килограмм (м³/кг). Масса единицы объема называется плотностью, обозначается ρ и измеряется в килограммах на квадратный метр. Удельный объем и плотность – величины взаимообратные, т. е:

Газообразные тела при изменении давления и температуры изменяют свой объем, а следовательно, плотность и удельный объем. Поэтому когда говорят об удельном объеме и плотности, указывают температуру и давление, при которых эти величины были замерены.

В справочной литературе ρ и v даются для нормальных физических условий [ρ – 101,3 кПа (760 мм рт. ст.); t = 0 °С)].

Понятие об идеальных и реальных газах. Для упрощения расчетов в теплотехнике пользуются понятием идеальные газы. Идеальных газов в природе не существует. Считается, что в этих газах совершенно отсутствуют молекулярные силы, а сами молекулы принимаются за материальные точки, объемом которых можно пренебречь. Такие допущения в практических расчетах дают мало заметные погрешности, но вместе с тем позволяют значительно упростить расчеты.

В отличие от идеальных газов все действительно существующие газы называются реальными.

Закон Авогадро. В термодинамике в качестве единицы массового количества вещества часто принимается не универсальная единица массы – килограмм (кг), а индивидуальная для каждого вещества масса – киломоль (кмоль).

Киломолем называется количество вещества, масса которого в килограммах численно равна молекулярной массе. Например:

• для кислорода О₂, молекула которого состоит из двух атомов с атомной массой 16,1 кмоль = 16·2 = 32 кг;
• для углекислого газа CО₂ 1 кмоль = 12 + (16·2) = 44 кг.

Введение понятия «киломоль» в расчеты оказалось очень удобным, в частности потому, что объемы киломоля любого идеального газа при одинаковых температурах и давлениях одинаковы. Это является следствием закона Авогадро, который можно сформулировать так: количества газов, занимающих одинаковые объемы при одинаковых давлениях и температуре, относятся прямо пропорционально их молекулярным массам и обратно пропорционально их удельным объемам. Отсюда следует, что объемы молей разных газов, взятых при одинаковых условиях, равны между собой и при нормальных физических условиях составляют величину, равную 22,4 м³/кмоль.

Это значит, что, например, 32 кг кислорода (1 кмоль О₂) и 44 кг углекислого газа (1 кмоль CО₂) при p = 101,3 кПа (760 мм рт. ст.) и t = 0 °С имеют одинаковый объем, равный 22,4 м³.

Уравнения состояния идеальных газов. Зависимость между тремя основными параметрами идеального газа (давлением, удельным объемом и температурой) устанавливается уравнением состояния:

где:

• $R = \frac{pv}{T}$

  есть постоянная для каждого газа величина, называемая удельной газовой постоянной.

Удельная газовая постоянная R есть работа расширения 1 кг идеального газа при нагревании на 1 К при постоянном давлении. В системе СИ работа, как и энергия, выражается в джоулях (Дж). Джоуль – это работа силы 1 H на расстоянии 1 м. Поэтому удельная газовая постоянная выражается в джоулях на килограмм-Кельвин.

Так как в уравнение (форм. 1) входит удельный объем газа, то оно справедливо только для 1 кг газа. Для произвольного же количества его – например для M кг, уравнение состояния будет иметь вид:

Если обе части уравнения (форм. 1) умножить на молекулярную массу μ, получим уравнение состояния для одного киломоля:

где:

• vμ – объем 1 кмоля v₀;

из этого уравнения получаем:

Произведение μR является одинаковым для всех идеальных газов, поэтому оно называется универсальной газовой постоянной и обозначается R₀.

Универсальная газовая постоянная при номинальных физических условиях составляет:

Теплоемкость газов и газовых смесей

Понятие о теплоемкости. Теплоемкостью называется количество тепловой энергии (теплоты), которое нужно подвести к данному количеству вещества (в частном случае газа), чтобы нагреть его на один градус. Это же количество теплоты, но отнесенное к единице количества вещества, называют удельной теплоемкостью.

Так как количество газа может быть измерено в килограммах, кубических метрах и киломолях, то в соответствии с этим в теплотехнике различаются и удельные теплоемкости.

Массовой теплоемкостью газа называется такое количество теплоты, которое нужно подвести к 1 кг газа, чтобы нагреть его на один Кельвин (градус Цельсия). Массовая теплоемкость обозначается буквой C и измеряется в кДж/(кг·К).

Объемной теплоемкостью газа называется такое количество теплоты, которое нужно подвести к одному кубическому метру газа при нормальных условиях, чтобы нагреть его на один градус. Объемная теплоемкость обозначается буквой С′, ее единица кДж/(м³·К).

Мольной теплоемкостью называется такое количество теплоты, которое нужно подвести к одному киломолю газа, чтобы нагреть его на один градус. Мольная теплоемкость обозначается С_μ; единица мольной теплоемкости – кДж/(кмоль·К).

Зависимость между тремя теплоемкостями определяется следующими уравнениями:

• между массовой и мольной:
  $C = \frac{C_{\mu }}{\mu } Дж/(кг·К);$
• между объемной и мольной:
  $C^{\prime } = \frac{C_{\mu }}{22,4} Дж/({м}^3·К);$
• между массовой и объемной:
  $C = \frac{22,4 C^{\prime }}{\mu } Дж/(кг·К).$

Автор статьи

Виктор Свиридов

Судовой механик

Список литературы

1. Абдульманов X. А. Холодильная техника на судах рыбной промышленности. М., «Пищевая промышленность», 1970.
2. Акимов П. П. Силовые установки морских судов. М., «Транспорт», 1965.
3. Алексеев Г. Д., Карпович В. А. Энергетические установки промысловых судов. Л., «Судостроение», 1972.
4. Аристов Ю. К. Судовые вспомогательные механизмы. М., «Речной транспорт», 1959.
5. Богомольный А. Е. Судовые вспомогательные и рыбопромысловые механизмы. Л., «Судостроение», 1971.
6. Грузберг Я. Ю. Судовые паровые котлы. Л., «Судостроение», 1964,
7. Караев А. А. Энергетика судов будущего. Л., «Судостроение», 1967.
8. Карамушко Ф. Д. и др. Судовые вспомогательные механизмы и системы. М., «Транспорт», 1968.
9. Колесников О. Г. Судовые вспомогательные и холодильные установки. М., «Транспорт», 1967.
10. Конфедератов И. Я. Основы энергетики. М., «Просвещение», 1967.
11. Коршунов Л. П. Силовые установки рыбопромысловых судов. М., «Пищевая промышленность», 1967.
12. Кузовлев В. А. Техническая термодинамика. М., «Транспорт», 1964.
13. Петренко Л. Д. и др. Судовые энергетические установки, вспомогательные и рыбопромысловые механизмы. Л., «Судостроение», 1971.
14. Соловьев Е. М. Пособие мотористу рыбопромыслового судна. М., «Пищевая промышленность», 1966.
15. Соловьев Е. М. Пособие мотористу крупнотоннажного судна рыбопромыслового флота. М., «Пищевая промышленность», 1971.
16. Туркин А. А. Вспомогательные механизмы и технологические холодильные установки промысловых судов. Л., «Судостроение», 1966.