Тепловые двигатели и нагнетатели


                ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ И НАГНЕТАТЕЛИ





Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.1.016
ББК31.31
     Т34
Авторы:
В. В. Черниченко, В. И. Лукьяненко, П. А. Солженикин, А. В. Исанова

Рецензенты: кандидат технических наук, заместитель генерального директора ООО ФПК «Космос-Нефть-Газ» Гриценко В.Д.; доктор технических наук, профессор Мозговой Н. В.





Т34 Тепловые двигатели и нагнетатели : учебное пособие / [В. В. Черниченко и др.]. - Москва; Вологда : ИнфраИнженерия, 2021. - 172с.: ил., табл.
         ISBN 978-5-9729-0589-8

      Рассмотрены теоретические основы, даны расчёты тепловых двигателей и нагнетателей, используемых в энергетическом хозяйстве промышленных предприятий.
      Для студентов электроэнергетических, строительных, нефтегазовых направлений подготовки.

УДК 621.1.016
ББК31.31

ISBN 978-5-9729-0589-8   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
© Оформление.
Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

ВВЕДЕНИЕ


    Дисциплина «Тепловые двигатели и нагнетатели» изучается в цикле специальных дисциплин и является одной из базовых дисциплин для студентов направления подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника». Также в пособии собран материал, который может быть широко использован при изучении таких дисциплин, как «Котельные установки», «Городские инженерные сети», при изучении предметов направления «Нефтегазовое дело», при выполнении выпускных квалификационных работ в энергетических и строительных высших учебных заведениях, а также при проектировании и эксплуатации оборудования нефтегазовой отрасли.
    В учебном пособии рассматриваются теоретические основы и примеры ориентировочных расчётов насосов, компрессоров и турбин, используемых в энергетическом хозяйстве промышленных предприятий.

3

            1. ПРОГРАММА КУРСА



        1.1. Цель и задачи дисциплины

    Изучение курса «Тепловые двигатели и нагнетатели» имеет целью приобретение студентами знаний по устройству, принципу действия и теоретическим основам насосов, вентиляторов, компрессоров и тепловых двигателей для правильного их проектирования и эффективной эксплуатации на практике.
    Для изучения дисциплины необходимы знания прикладной механики, электротехники, технической термодинамики, гидрогазодинамики и тепломассообмена.

        1.2. Требования куровню освоения содержания дисциплины

    В результате изучения дисциплины студенты должны:
    -    знать: место и роль нагнетателей и тепловых двигателей; классификацию нагнетателей и тепловых двигателей; схемы поршневых компрессоров; принцип работы и область применения нагнетателей кинетического действия; классификацию вентиляторов; классификацию насосов; центробежные и осевые компрессоры; область применения различных типов тепловых двигателей; классификацию паровых турбин; классификацию и особенности работы турбодетандеров; характеристику турбодетандеров; принцип работы, классификацию и область применения двигателей внутреннего сгорания, двигателей Стирлинга; основные показатели работы двигателей;
    -    уметь: определять конструктивные размеры нагнетателей по заданным производительности и напору; выполнять расчё


4

ты характеристик нагнетателей, расчёты систем водо- и возду-хоснабжения, расчёты насосных и компрессорных станций и тепловых двигателей.

        1.3. Содержание дисциплины

    Введение
    Место и роль нагнетателей и тепловых двигателей в системах теплоэнергоснабжения промышленных предприятий.
    Типы коммуникаций в системах промтеплоэнергетики.
    Самостоятельное изучение. Усвоить определения тепловых двигателей и нагнетателей, их классификацию.
    Раздел 1. Основы теории турбомашин
    Общие сведения о турбомашинах. Определяющие сведения из аэродинамики, основы кинематики и динамики турбомашин. Основное уравнение турбомашины. Анализ плоской решетки профилей. Вихревые потоки в рабочем колесе турбомашины. Теоретическая производительность турбомашины. Теоретические напорные характеристики турбомашин при постоянной частоте вращения.
    Влияние внешнего угла наклона лопатки на величину и характер теоретического напора. Анализ составляющих напора и области использования турбомашин с различными значениями угла наклона лопатки. Напорные характеристики турбомашин с учетом составляющих потерь напора и подачи. Действительные напорные и эксплуатационные характеристики турбомашин. Совместная работа турбомашин, ее целесообразность и особенности. Области использования и эффективность
    Самостоятельное изучение. При изучении аэродинамики, основ кинематики и динамики турбомашин при использовании формул следует обратить внимание на коэффициенты, которые зависят от используемой размерности величин. Желательно везде пользоваться системой СИ.

5

    Раздел 2. Компрессорные установки
    Понятие о теоретическом процессе в поршневом компрессоре. Индикаторная диаграмма. Вредное пространство и его влияние на производительность компрессора. Пределы сжатия в одноступенчатом компрессоре. Работа компрессора за цикл при изотермическом, адиабатном и политропном способах сжатия. Графическое сравнение изотермического, адиабатного и политропного сжатия. Действительная индикаторная диаграмма поршневого компрессора. Объём засасываемого воздуха. Влияние сопротивления клапанов, всасывающих и нагнетательных трактов.
    Определение производительности поршневого компрессора по его размерам. Многоступенчатое сжатие, его необходимость и целесообразность. Индикаторная диаграмма двухступенчатого сжатия, конечная температура, влияние вредного пространства, промежуточное давление. Определение конечной температуры и полной работы в многоступенчатом компрессоре. Основные принципы регулирования поршневых компрессоров. Устройство и принцип действия центробежных компрессоров. Особенности характеристики. Изображение процесса сжатия центробежного компрессора в диаграммах P-V и Т-S. Мощность на валу и КПД. Регулирование центробежных компрессоров при обеспечении постоянного давления у потребителя. Зоны неустойчивости и неэкономичной работы. Области использования центробежных компрессоров. Винтовые компрессоры. Конструкция, режимы работы. Индикаторные диаграммы. Достоинства, недостатки, области применения. Ротационные компрессоры, общая характеристика, принципы действия, области применения. Конструкция осевых компрессоров. Характеристики, обеспечение устойчивой работы, избегание «помпажа». Области использования осевых компрессоров.
    Самостоятельное изучение. Необходимо усвоить отличия параметров компрессоров. Обратить внимание на процессы


6

сжатия, применяемые внутренние КПД в зависимости от наличия или отсутствия охлаждения в процессе сжатия, формулы для расчёта машин. Очень важным является вопрос о ступенчатом сжатии. Обратить внимание на различные виды регулирования (при постоянном давлении и постоянной подаче), а также на особенности регулирования поршневых машин.

    Раздел 3. Насосы
    Общие сведения. Классификация насосов. Лопастные насосы. Максимальная высота всасывания и кавитация. Осевое усилие. Способы уравновешивания осевого усилия. Выбор основных размеров рабочего колеса. Подводы и отводы. Мощность и КПД машины. Способы повышения напора и подачи насосов. Влияние вязкости на параметры насоса. Формы рабочих колес насосов в зависимости от быстроходности. Влияние условий эксплуатации на выбираемую конструкцию насоса. Испытание насосов. Насосные агрегаты и установки. Выбор насосов. Эксплуатация насосов. Насосные станции. Объёмные насосы. Схемы, принципы действия, индикаторная диаграмма. Формулы определения подачи. Характеристика. Допустимая высота всасывания. Особенности эксплуатации. Ротационные насосы: шестеренчатые, пластинчатые, поршневые, винтовые. Схемы, конструкции, подача, мощность и КПД. Эксплуатация, области применения.
    Самостоятельное изучение. Для усвоения теоретических вопросов полезно будет повторить основные уравнения сплошной среды и кинематические соотношения для относительного движения. Очень важно четкое понимание назначения отдельных элементов насоса в связи с происходящими процессами преобразования энергии, смысла отдельных составляющих КПД машины. Студент должен хорошо освоить вопрос о характеристиках насосов и различных способах регулирования подачи. При изучении вопроса о допустимой высоте всасывания следует особо рассмотреть случай горячих жидкостей.

7

   Раздел 4. Вентиляторы
   Общие сведения о вентиляторах. Устройство и принципы действия центробежного и осевого вентиляторов. Характеристика вентиляторов. Зоны устойчивости работы. Влияние са-мотяги на требуемый напор вентилятора. Регулирование вентиляторов, их выбор. Области использования. Дымососы. Эксплуатационная надежность вентиляторов.
   Самостоятельное изучение. Студент должен хорошо освоить вопрос о характеристиках вентиляторов и различных способах регулирования подачи. Здесь необходимо обратить внимание на отличия некоторых способов регулирования в применении к насосам и вентиляторам.

   Раздел 5. Газотурбинные установки
   Общие сведения о ГТУ. Схемы ГТУ, работающие по замкнутому циклу. КПД теоретического цикла ГТУ, абсолютный внутренний КПД цикла ГТУ, мощность ГТУ, удельный расход газа в ГТУ, цикл ГТУ с регенерацией, цикл ГТУ с промежуточным охлаждением сжимаемого воздуха и ступенчатым подводом тепла. Замкнутые схемы ГТУ. Полузамкнутые, вакуумные и бескомпрессорные ГТУ Особенности работы высокотемпературных ступеней газовой турбины, работа газовой турбины в составе энергетических и приводных газотурбинных установок.
   Самостоятельное изучение. Рассмотреть схемы турбоустановок, осмыслить связь турбин с остальным оборудованием. Для ГТУ рассмотреть: регенерацию теплоты, ступенчатое сжатие и сгорание, многовальные установки, замкнутые схемы.
   Классификация паровых турбин. Баланс энергии и структура КПД турбинной ступени. Анализ потерь в характерных сечениях турбины. Работа турбинной ступени в переменном режиме. Диаграмма режимов паровой турбины. Стандартные параметры пара. Работа и мощность турбинной ступени. Типы потерь в проточной части турбины. Принципиальные схемы па

8

ротурбинных установок, принцип работы и схемы паротурбинных установок. Конструкции паровых турбин большой мощности. Конденсационные устройства паровых турбин.
    Самостоятельное изучение. Необходимо рассмотреть такие средства повышения экономичности ПТУ, как повышение начальных параметров, углубление вакуума, регенеративный подогрев питательной воды, промежуточный перегрев пара, комбинированная выработка теплоты и электроэнергии. Следует провести сопоставление ПГУ и ГТУ.

    Раздел 6. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС)
    Схемы двигателей, основные показатели работы двигателей. Назначение, достоинства и недостатки ДВС. Классификация и область применения ДВС. Устройство и принцип действия ДВС. Четырехтактный и двухтактный двигатели. Смесеобразование и воспламенение. Режимные характеристики и тепловая экономичность ДВС. Режимы работы, тепловой баланс, КПД и показатели экономичности. Основы техники безопасности и экологии при эксплуатации ГТУ, ПТУ, ДВС.
    Самостоятельное изучение. Следует четко уяснить преимущества и недостатки ДВС, сравнить их с турбинами. Рассмотреть комбинированные двигатели. Требуется вспомнить основные характеристики жидких и газообразных топлив, применяемых в ДВС.

    Раздел 7. Заключение
    Перспективы и направления создания конструкций тепловых двигателей и нагнетателей.
    Самостоятельное изучение. Рассмотрение возможных принципов создания новых циклов нагнетателей и двигателей. Возможные конструктивные решения.

9

        1.4. Методическиерекомендации по изучению дисциплины

    Для изучения дисциплины учебным планом предусмотрены часы самостоятельной работы студентов. За это время необходимо изучить все разделы программы, выполнить одну расчётно-графическую (контрольную) работу, подготовиться к практическим и лабораторным занятиям.
    Для лучшего изучения и усвоения материала используются такие средства, как диафильмы, диапозитивы, плакаты, элементы конструкций по всем разделам дисциплины курса.
    Методы обучения: лекции, закрепление теоретического материала на практических занятиях, проведение лабораторных занятий, расчётно-графические задания, самостоятельная работа студентов.
    Способы учебной деятельности: индивидуальный раздаточный материал на практических занятиях для освоения методик расчёта процессов в машинах, определения их размеров, показателей и характеристик, решение профессионально-проблемных задач, отчеты и обсуждения результатов проведенных расчётов.

1.4.1. Рекомендации при изучении разделов дисциплины
    Введение. Запомнить определение тепловых двигателей и нагнетателей, их классификацию.
    Основы теории турбомашин. При использовании формул следует обратить внимание на коэффициенты, которые зависят от используемой размерности величин. Желательно везде пользоваться системой СИ.
    Компрессорные установки. Необходимо усвоить отличия параметров компрессоров. Обратить внимание на различные виды регулирования (на постоянное давление и постоянную подачу), а также на особенности регулирования поршневых машин.

10