Нагнетатели, тепловые двигатели и термотрансформаторы в системах энергообеспечения предприятий
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Теплоэнергетика. Теплотехника
Издательство:
НИЦ ИНФРА-М
Автор:
Ляшков Василий Игнатьевич
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 218
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-16-012314-1
ISBN-онлайн: 978-5-16-105218-1
Артикул: 632266.05.01
Доступ онлайн
В корзину
Учебное пособие посвящено отдельным видам нагнетателей, тепловых двигателей и термотрансформаторов, широко используемых на объектах энергообеспечения предприятий и коммунального хозяйства.
В пособии излагается учебный материал, включенный Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования последнего поколения в учебные программы отдельных общепрофессиональных и специальных дисциплин для направления 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника».
Учебное пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения по указанному направлению.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 13.03.01: Теплоэнергетика и теплотехника
- ВО - Магистратура
- 13.04.01: Теплоэнергетика и теплотехника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
НАГНЕТАТЕЛИ, ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ТЕРМОТРАНСФОРМАТОРЫ В СИСТЕМАХ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ПРЕДПРИЯТИЙ В.И. ЛЯШКОВ Москва ИНФРА-М 202УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Рекомендовано в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника» (квалификация (степень) «бакалавр»)
УДК 621.1(075.8) ББК 31.363я73 Л99 Ляшков В.И. Л99 Нагнетатели, тепловые двигатели и термотрансформаторы в системах энергообеспечения предприятий : учебное пособие / В.И. Ляш- ков. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 218 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — DOI 10.12737 /22122. ISBN 978-5-16-012314-1 (print) ISBN 978-5-16-105218-1 (online) Учебное пособие посвящено отдельным видам нагнетателей, тепловых двигателей и термотрансформаторов, широко используемых на объектах энергообес печения предприятий и коммунального хозяйства. В пособии излагается учебный материал, включенный Федеральным государственным образовательным стандартом высшего образования последнего поколения в учебные программы отдельных общепрофессиональных и специальных дисциплин для направления 13.03.01 «Теплоэнергетика и теплотехника». Учебное пособие предназначено для студентов дневной и заочной форм обучения по указанному направлению. УДК 621.1(075.8) ББК 31.363я73 Р е ц е н з е н т ы: Губарев В.Я., канд. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика» Липецкого государственного технического университета; Жуков Н.П., д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Энергообеспечение предприятий и теплотехника» Тамбовского государственного технического университета ISBN 978-5-16-012314-1 (print) ISBN 978-5-16-105218-1 (online) © Ляшков В.И., 2017 А в т о р: Ляшков Василий Игнатьевич, канд. техн. наук, профессор, почетный профессор Тамбовского государственного технического университета
Введение Затяжной мировой экономический кризис, рост напряженности во внешнеполитических отношениях со странами Евросоюза и США, различные ограничительные санкции этих стран вызывают необходимость повышения самодостаточности отечественной экономики путем импортозамещения, увеличения доли экспорта отечественных товаров несырьевого сегмента, ускоренного развития военно-промышленного комплекса, которое потянет за собой развитие многих областей экономики (в первую очередь машино- строения), укрепления обороноспособности нашей Родины. Восстановление и развитие промышленного производства должно основываться на применении новых методов организации производства, новых современных конструкционных материалов, на внедрении новейших энерго- и ресурсосберегающих технологий и современного оборудования. Только это позволит модернизиро- вать промышленность и обеспечить выпуск конкурентоспособной на мировом рынке отечественной продукции. В области энергетики, которая является одной из ключевых от- раслей экономики, обеспечивая энерговооруженность, а значит, производительность труда и ускорение научно-технического про- гресса, создавая тем самым предпосылки для роста экономической мощи страны и высокого благосостояния ее населения, сегодня также масса проблем, связанных в первую очередь с износом и вы- работкой моторесурсов генерирующего оборудования и тепловых сетей. Правительством установлено, что для преодоления проб- лем развития производства ежегодный темп роста потребления (а значит, и производства) энергии должен составлять почти 5%. Таких темпов страна пока не знала. Поэтому, чтобы ликвидиро- вать дефицит энергии (особенно в Крыму и на Дальнем Востоке), запланировано в ближайшие годы для генерации энергии реали- зовать примерно 120 инвестиционных проектов, вкладывая в это по 20–50 млрд руб. в год. Современные энергетические машины и установки, которые придут в отрасль, будут отличаться широким использованием при- емов энергосбережения, в частности регенерации и утилизации теплоты, трансформации различных видов энергии друг в друга в одном энергетическом агрегате при повышенных требованиях к загрязнению окружающей среды и т.п. Достаточно быстро увеличить выработку энергии (электри- ческой и тепловой) позволяют новые технологии с использованием
энерго источников малой и средней мощности (1–50 МВт). Прак- тика их внедрения в стране и за рубежом выявила ряд достоинств такого подхода: сокращение сроков ввода; небольшие сроки оку- паемости; лучшие экономические и экологические характеристики новых установок и др. При этом важно учитывать, что более по- ловины территории нашей страны не имеет связи с единой энер- госистемой и там энергообеспечение может быть осуществлено только при местной генерации. В настоящее время преимущественное распространение полу- чает одновременная выработка электрической и тепловой энергии (а иногда и холода) на одной энергетической установке — так на- зываемая когенерация (или тригенерация). Паровые и газовые турбины, как и поршневые ДВС, являются основными тепловыми машинами для преобразования тепловой энергии в механическую работу. В теплоэнергетике и в других отраслях промышленности находят широкое применение раз- личного типа компрессоры, вентиляторы и насосы как вспомога- тельное и даже как основное оборудование. Для теплоснабжения некрупных объектов все шире применяются тепловые насосы, а на предприятиях, требующих получения технологического холода, — различные холодильные установки. Настоящая учебная дисциплина предусмотрена Государствен- ным образовательным стандартом последнего поколения как одна из первых специальных дисциплин, формирующих представления о специальной технике, с которой предстоит встретиться инжене- рам-теплоэнергетикам любого профиля. Она может быть полезна при изучении таких дисциплин, как «Надежность систем энерго- обеспечения», «Монтаж и ремонт энергетического оборудования» и др. Задачей данного курса является изучение устройства и принципа действия основного и вспомогательного энергетического оборудо- вания, знакомство с основными входными и выходными его пара- метрами, влиянием изменения входных параметров на экономич- ность и надежность работы. В его рамках предстоит познакомиться не только с особенностями устройства машин, но и с особенно- стями регулирования и настройки рабочих режимов, особенно при работе в сложных многоагрегатных системах, как это получается в большинстве реальных систем энергообеспечения, изучить ос- новы термодинамического, силового и прочностного расчетов важ- нейших узлов и деталей. Учебный материал, приведенный в настоящем пособии, помо- жет студенту приобрести знания, умения и навыки, составляющие
основу любых компетенций. Тщательно изучив и усвоив его, сту- денты должны: знать: • назначение, области применения, принцип действия, основы устройства и особенности функционирования перечисленных выше машин и агрегатов; • термодинамические процессы и циклы преобразования энергии, протекающие в этих теплотехнических установках; • основные технико-экономические характеристики изучаемого оборудования, оптимальные режимы его эксплуатации и влияние их на загрязнение окружающей среды; уметь: • проводить термодинамический анализ реализуемых циклов с целью оптимизации их рабочих характеристик и максими- зации КПД; • выполнять основные инженерные расчеты как для машины в целом, так и для отдельных, наиболее важных ее деталей и аг- регатов; • читать чертежи и схемы, выполнять технические изображения в соответствии с требованиями стандартов ЕСКД; владеть: • навыками разработки мероприятий по обновлению и модерни- зации производства на основе систематического изучения оте- чественного и зарубежного опыта; • навыками составления и оформления технических отчетов и другой производственно-технологической документации; • навыками экспериментальных исследований, связанных с опре- делением основных технических характеристик используемого оборудования. В качестве основной и вспомогательной учебной литературы можно рекомендовать несколько фундаментальных учебников и учебных пособий по теплотехнике [1, 7, 8], специальную учебную литературу по отдельным направлениям изучаемой дисциплины [2–6, 9, 10, 12–16], а также ряд относительно старых учебных из- даний [11, 17, 19, 20, 22–29] и справочников [18, 21], не потерявших актуальности и в наши дни. Автор надеется, что его работа в какой-то мере поможет студенту понять и освоить основные подходы и особенности конструиро- вания, расчетов и эксплуатации специального оборудования, ис- пользуемого при организации энергообеспечения в коммунальной сфере и на различных производственных предприятиях.
Часть 1 НАГНЕТАТЕЛИ Глава 1 КомпрЕссорНыЕ мАшИНы 1.1. НАзНАЧЕНИЕ, прИНцИп дЕйсТВИя И КЛАссИфИКАцИя Компрессоры, или компримирующие машины (от фр. komprime — сжимать) — машины, предназначенные для сжатия и перемещения газов. Машины противоположного назначения, призванные отса- сывать газ и создавать разрежение в некотором объеме, называют вакуум-насосами. Сжимать и переталкивать газ можно разными приемами. По принципу действия компрессоры делят на две большие группы: объемные и динамические (рис. 1.1). В группе компрессоров дина- мического типа к газу подводится механическая энергия, заставляя его перемещаться по специально спрофилированным каналам, где в силу известных термодинамических особенностей течения возни- кает повышение его давления. Наибольшее распространение среди компрессоров такого типа получили машины лопаточного типа, где на вращающемся роторе под некоторым углом к оси вращения установлены рабочие лопатки, проталкивающие газ по каналу, об- разованному этими лопатками. В компрессорах центробежного типа рабочие лопатки уста- новлены на поверхности рабочего колеса, насаженного на вал ро- тора. В осевых компрессорах лопатки посажены непосредственно на ротор и проталкивают газ вдоль оси вращения. В обоих случаях образовавшийся поток газа направляется или в неподвижный ло- паточный диффузор, или в расширяющиеся каналы между непо- движными лопатками направляющего аппарата. В струйных компрессорах движение организуется в результате проталкивания сжатого газа с давлением рвх через суживающееся сопло в специальную камеру смешивания. При этом на выходе из сопла температура и давление подаваемого газа уменьшаются настолько, что обеспечивается подсос в зону смешивания другого газа с невысоким давлением рвс. Образующаяся смесь по инерции продолжает движение через диффузор, на выходе из которого по-
лучаем смесь с давлением рсм, превышающим рвс. Для таких компрессоров имеет место следующее соотношение между давлениями: рвх > рсм > рвс. Гораздо более разнообразна группа компрессоров объемного типа, где сжатие газа происходит в результате уменьшения его объема. Эту группу делят на две подгруппы: поршневые и ротационные. Конструктивной особенностью поршневых компрессоров является наличие рабочего цилиндра, поршня и кривошипно-шатунного механизма. При этом имеются различные варианты компоновки и расположения цилиндров, включая цилиндры двойного действия и компрессоры с дифференциальными поршнями. рис. 1.1. Классификация компрессоров
В компрессорах ротационного типа уменьшение объема сжимаемого газа обеспечивается в результате механического вращения ротора и особых конструкций, обеспечивающих требуемое уменьшение объема. Эти компрессоры можно разделить на одно- и двух- роторные. К однороторным относятся пластинчатые, жидкостно- кольцевые и спиральные компрессоры. У пластинчатых компрессоров в роторе, установленном концентрично внутри цилиндрического корпуса, выполнены специальные радиальные пазы, в которые вставляются подпружиненные пластины. При вращении ротора с одной стороны компрессора возникают зоны с увеличивающимся по мере поворота ротора объемом, обеспечивающие всасывание сжимаемого газа, а с противоположной стороны — зоны с уменьшающимся объемом, где и происходит сжатие газа и его выталкивание из компрессора. В отдельных случаях, особенно в холодильных установках, в последние годы стали все шире применяться спиральные компрессоры и компрессоры жидкостно-кольцевые, которые, так же как и пластинчатые, имеют цилиндрический корпус и эксцентрично расположенный ротор с жесткими плоскими или фигурными лопастями. Пространство между корпусом и ротором частично заполняется жидкостью (обычно водой). При вращении ротора под действием центробежных сил на внутренней поверхности корпуса жидкость образует кольцо, в котором осесимметрично расположенные лопатки погружаются не на всю высоту. В результате между лопатками и этим кольцом возникают объемы, которые по мере поворота ротора увеличиваются, обеспечивая подсос газа. С противоположной стороны аналогично возникают зоны, уменьшающие свой объем и обеспечивающие сжатие газа. Каналы, по которым происходит подсасывание и выброс сжатого газа, обычно устраиваются или по торцовым поверхностям ротора, или внутри его вала. Количество жидкости в компрессоре должно быть таким, чтобы исключить появление зазора между вершинами лопаток ротора и жидкостным кольцом. Толщина жидкостного кольца определяется степенью первоначального заполнения корпуса. От толщины кольца зависит и развиваемое компрессором давление. Поэтому такие компрессоры имеют непрерывную регулируемую подачу жидкости, особенно учитывая, что некоторая часть жидкости выбрасывается из компрессора вместе со сжатым газом. Эта часть отделяется от газа и направляется снова в компрессор. Лопатки ротора не касаются корпуса компрессора, поэтому значительно уменьшаются потери на механическое трение и износ
лопаток. Использование жидкости обеспечивает охлаждение сжи- маемого газа, поэтому рабочий процесс в этих компрессорах проте- кает очень близко к самому эффективному (изотермическому). Ро- тационные жидкостно-кольцевые компрессоры в одноступенчатом исполнении могут развивать давление от 0,25 до 0,5 МПа и произ- водительность от 0,003 до 2,40 м3 /с. Частота вращения достигает 60 об /с. В последние годы значительно усовершенствованы и полу- чают все большее распространение спиральные компрессоры. Здесь внутри цилиндрического корпуса устанавливаются две пластин- чатые спирали. Одна из них закреплена в корпусе неподвижно, а другая с помощью эксцентрикового привода и специального под- шипника совершает плоскопараллельное движение, в результате которого центр этой спирали описывает окружность вокруг центра неподвижной. При этом линия контакта между спиралями меняет свое положение так, что объем газа, заключенный между внут- ренней поверхностью неподвижной спирали и наружной поверх- ностью подвижной спирали, по мере ее движения уменьшается, что обеспечивает сжатие газа и выталкивание его в зону особой конструкции подвижного верхнего уплотнения. Там же устанав- ливается автоматический выпускной клапан, который приподни- мается и позволяет перетекать сжатому газу к выходному штуцеру компрессора. Более производительными оказываются компрессоры с двумя вращающимися роторами: винтовые, типа Рутс, и в меньшей мере — шестеренчатые. С устройством и принципом действия последних мы подробнее познакомимся ниже в гл. 3 «Насосы». Винтовые компрессоры содержат два ротора, выполненных в форме спирального шнека. На одном из них лопасти шнека де- лаются выпуклыми, а на втором — в виде впадин, повторяющих контур первого ротора. Размеры обоих роторов таковы, что при вращении между ними обеспечивается минимальный зазор и ка- сания их друг с другом исключены. Шаг спирали обоих роторов уменьшается вдоль осей вращения. В результате этого захваченный на входе в компрессор объем газа продавливается к выходу, одно- временно подвергаясь сжатию. Воздуходувки типа Рутс также имеют два ротора, но более простой формы (с постоянным сечением). Разные типы компрессоров имеют разные технико-экономи- ческие характеристики, и этим определяется их использование. На рис. 1.2 показаны области применения разных типов этих машин в зависимости от давления сжатия рвых и объемной подачи G.
рис. 1.2. Области применения компрессоров Основными параметрами компримирующих машин являются: давления газа на входе рвх и выходе рвых, МПа, объемная подача G, м3 /с (по параметрам на всасывании), степень повышения дав- ления λ = рвых / рвх, частота вращения приводного вала n, об /мин, потребляемая номинальная мощность Ne, Вт. Если газ сжимается незначительно (λ < 1,15) и подводимая извне работа затрачивается в основном на проталкивание газа, то такие агрегаты называют вен- тиляторами. При сравнительно невысоких степенях повышения давления (λ ≤ 2–3) и отсутствии принудительного охлаждения компримирующие машины называют обычно газодувками и только при λ ≥ 3 — компрессорами. Из термодинамического анализа циклов компрессоров [8] из- вестно, что самым «экономичным» является процесс изотерми- ческого сжатия, так как работа на привод компрессора lпр при изо- термическом сжатии наименьшая. Это наглядно демонстрирует рис. 1.3, на котором показано графическое сопоставление иде- альных циклов компрессора (выталкиваются все 100% всосанного газа) при различной организации процесса сжатия: адиабатное сжатие (без внешнего теплообмена), политропное и изотерми- ческое сжатие. Из рисунка видно, что площадь цикла, опреде- ляющая работу за цикл, наименьшая при изотермическом сжатии. Поэтому эффективность компрессорных циклов оценивают величиной изотермического КПД, показывающего, насколько близко цикл действительного компрессора приблизился к самому эффективному циклу: ηиз = lиз /lд,
Доступ онлайн
В корзину