Файл: Васильев В.К. Термодинамические основы исследовательского проектирования судовых энергетических установок.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 11.04.2024
Просмотров: 161
Скачиваний: 0
В. К. ВАСИЛЬЕВ
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО
ПРОЕКТИРОВАНИЯ
СУДОВЫХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК
f
\
5
ii.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «СУДОСТРОЕНИЕ»
ЛЕНИНГРАД
1974
УДК 629.12.
В19
Термодинамические основы исследовательского проектирования судовых энергетических установок. Авт. Васильев В. К. Ленинград, «Судостроение», 1974, стр. 424.
В книге рассматриваются термодинамические основы исследова тельского проектирования судовых энергетических установок как пер вого этапа решения проблемы создания установки с оптимизированными характеристиками. Использованы материалы новейших разработок
вобласти термодинамики, теплоэнергетики, теплофизики, термо химии, •имеющие непосредственное отношение к вопросам развития и совершенствования судовых энергетических установок. Проанализиро ваны особенности рабочих процессов и циклов энергетических установок
вобобщенном виде. Изложена методика термодинамических расчетов, необходимых для исследовательского проектирования. Рассматриваются отдельные составные части сложных циклов. Дана теория регенератив ных циклов и циклов с внешним теплообменом в процессах расширения и сжатия. Приводится расчетная методика регенеративных пароводя ных циклов без уточнения деталей регенеративной схемы подогрева питательной воды путем отбора пара в процессе расширения. Дан расчет реального регенеративного цикла новой судовой энергетической установки с заданными параметрами и с одним промежуточным пере
гревом пара.
Книга предназначена для специалистов энергетиков, занимающихся вопросами совершенствования энергетических установок. Она может быть полезна также студентам технических вузов при курсовом и дип ломном проектировании.
Илл. 69, табл. 40 + прилож., литерат. 112 назв.
Р е ц е н з е н т ы :
докт. техн.. наук проф. А. Г. Курзон, канд. техн. наук А. Г. Хорозянц, канд. техн. наук Г. П. Борисов
иинж. Я ■ И. Черняков
На у ч н ы й р е д а к т о р
докт. техн. наук проф. А. И. Ложкин
© Издательство «Судостроение», 1974 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ НАУЧНОГО РЕДАКТОРА
Автор книги «Термодинамические основы исследовательского про ектирования судовых энергетических установок» проф. В. К. Ва сильев является одним из основоположников разработки теории и методов проектирования судовых энергетических установок, в част ности обоснования и выбора рациональных тепловых схем, методики их расчетов, оптимизации характеристик и параметров рабочих процессов и т. д.
Труды В. К. Васильева по указанным вопросам хорошо известны многим специалистам-энергетикам и широко используются в практике проектирования и в учебных процессах втузов.
Следует вместе с автором констатировать, что технический про гресс в энергетике, в частности судовой, стремительно развивается. Предлагаются новые усложненные термодинамические циклы и схемы (например, комбинированные), разрабатываются оригинальные ра бочие процессы, перспективные типы энергетических установок, ме тоды усовершенствования их характеристик, параметров и т. д. Решение всех этих вопросов', весьма многообразных и актуальных для развития энергетики, возможно только на базе широкого исполь зования в проектной практике новейших теоретических разработок, которые должны быть привлечены, в первую очередь, для исследова тельского проектирования судовых энергетических установок, для оптимизации параметров рабочих процессов, характеристик, для со вершенствования энергетического оборудования и схем.
Следует вместе с тем отметить, что непосредственное использова ние в проектной практике новейших материалов по термодинамике, теплофизике, термохимии и другим смежным отраслям науки сопря жено с серьезными затруднениями. Причина кроется в том, что эти материалы недостаточно точно увязаны с конкретными требова ниями проектных разработок при исследовательском проектировании судовых энергетических установок.
Представляется, что этот |
разрыв, создавшийся между теорией |
и практикой проектирования, |
может серьезно повлиять на состояние |
1 |
3 |
и развитие проектных решений и разработок в области энергетиче ских установок.
Новый труд В. К. Васильева «Термодинамические основы иссле довательского проектирования судовых энергетических установок» может способствовать преодолению указанных трудностей. Книга базируется на материалах новейших разработок в области термоди намики, теплофизики, термохимии, теплоэнергетики и т. д., перера ботанных автором таким образом, что они могут быть эффективно использованы на стадии исследовательского проектирования судо вых установок и помогут увязать проектирование с достижениями современной науки.
Вместе с тем ценность работы В. К. Васильева состоит в том, что она способствует повышению теоретической подготовки специалистовэнергетиков в области, которая непосредственно связана с их прак тической деятельностью по созданию рациональных и совершенных типов судовых энергетических установок. В книге В. К. Васильева рассматриваются интересные вопросы, решение которых непосред ственно связано с совершенствованием энергетических установок. Несомненно, что ряд новых оригинальных разработок автора может быть непосредственно использован в процессе исследовательскогопроектирования судовых установок.
Нам представляется, что новый труд В. К. Васильева является не только вкладом в теорию проектирования, но и удачным теоре тическим дополнением к ранее выполненному автором комплексу работ и исследований, связанных с разработкой и оптимизацией харак теристик энергетических установок.
С другой стороны, нельзя не отметить, что отдельные мысли, по ложения и предложения автора имеют дискуссионный характер и не являются до конца отработанными. Однако это обстоятельство едва ли можно поставить в упрек автору, поскольку в целом им выполнена большая и полезная работа.
Проф. А. Н. Ложкин
ОТ АВТОРА
Настоящая книга, по мнению автора, должна способствовать внедрению современных научных достижений в практику проектиро вания, строительства и эксплуатации энергетических установок. В ней нашли отражение материалы общедоступных опубликованных трудов, на основе которых, в частности, написана первая глава, самая большая по объему глава этого труда. Автор не предполагал здесь дать исчерпывающего изложения вопросов физики, химии и механики, составляющих теоретическую основу энергетики; это по требовало бы значительно большего объема, чем было предусмотрено планом книги. В книге это сделано в виде постановки вопроса и крат кого изложения его современного решения со ссылками на перво источники, перечисленные в указателе литературы.
Вторая глава посвящена изложению общей теории термодинами ческих процессов, входящих в состав цикла энергетической уста новки.
В третьей главе даны теория произвольного процесса расширения (сжатия), выбор оптимального варианта отдельных процессов цикла и термодинамические расчеты выбранных вариантов процессов и цикла в целом.
Четвертая глава содержит общий подход к теоретическому рас смотрению сложных циклов энергетических установок, освещает со временную теорию регенеративных циклов и циклов с промежуточ ным подогревом и таким же охлаждением в процессах расширения и сжатия. Текст заканчивается расчетным примером исследования сложного цикла судовой паротурбинной установки.
Автор признает обоснованность сделанных замечаний и выражает глубокую признательность рецензентам докт. техн. наук проф. А. Г. Курзону, канд. техн. наук А. Г. Хорозянцу, канд. техн. наук Г. П. Борисову и инж. Я. И. Чернякову, а также научному редак тору докт. техн. наук проф. А. Н. Ложкину, во многом способство вавшим улучшению качества рукописи.
ВВЕДЕНИЕ
Публикуемая книга явилась результатом длительной научноисследовательской работы, которая была поставлена и проведена автором с целью повышения качественного уровня расчетных опе раций в области термодинамических и теплофизических исследований, связанных с проектированием, сооружением и наладкой энергетиче ских установок вообще и судовых установок в частности. В процессе исследований было выяснено, что более точные результаты дают тер модинамические расчеты, выполняемые не с применением тепловых диаграмм, а с помощью таблиц теплофизических свойств паров и газов, используемых в энергетике в качестве энергоносителей и ра бочих агентов. Известно, что аналитические расчеты термодинами ческих процессов ведутся по формулам классической термодинамики, основными из которых являются уравнение состояния и уравнения процессов. Первая из этих формул — уравнение состояния реаль ных газов и паров —■до сих пор не могла быть получена в таком виде, чтобы можно было использовать ее в термодинамических расчетах. Однако таблицы теплофизических свойств газов и паров в настоящее время представляют собой настолько надежный и проверенный экс периментально и теоретически материал, что они могут быть названы уравнением состояния в табличной форме, причем уравнением, даю щим значения термодинамических параметров с высокой степенью точности (пять-шесть десятичных знаков), и в этом смысле значи тельно превосходящим тепловые диаграммы.
В таблицах теплофизических свойств воды и водяного пара [22 ] переменными независимыми приняты температура t и давление р. Эти два параметра определяют и другие термодинамические функции, при помощи которых выполняются расчеты процессов энергетиче ского цикла. В работе рассмотрены параметры v, s, а также энерге тические функции pv, Ts, i, и, f, g. Все они представлены как слож ные зависимости от независимых параметров Т и р . Их изменяемость в процессах определялась приращением А той или иной функции от начальной точки рассматриваемого процесса до его конечной точки.
6
В качестве основной задачи исследования ставилась оценка про цесса по коэффициенту т] превращения полученной извне тепловой энергии A (Ts) в механическую энергию изменения объема Ап:
Интеграл в числителе этого выражения, как известно, опреде ляется изменением термодинамического потенциала Гельмгольца А/ в и з о т е р м и ч е с к о м процессе расширения (сжатия), причем в этом процессе г) = 1 и
j pdv — — A/ = A(7’s).
V
Здесь А/ есть энергетическая функция состояния рабочего агента, легко определяемая по таблицам труда [22] для воды и водяного пара и труда [72 ] — для газов и паров. Так как в табл. [22 ] и [72 ] из энер гетических функций дается только энтальпия г, автором на основе
опубликованных таблиц составлена серия расчетных |
таблиц, где |
в зависимости от Т и р даны значения функций pv, Ts, |
и, f, g, кото |
рые необходимы при расчетах процессов и циклов. Этими таблицами, которые приведены в приложении к книге, можно пользоваться при расчетах взамен таблиц [22] и [72].
Во всех процессах, кроме изотермических, т] < 1, и большая доля приращения А/ идет на увеличение внутренней энергии Аи рабочего агента, расходуя эту тепловую энергию на изменение внутренней структуры вещества. Это — фазовые переходы и другие молеку лярно-атомные изменения (см. § 34 и 35).
Естественное стремление активизировать эту тепловую энергию, трансформировав ее в максимальной степени в полезную работу рас ширения, заставляет обратить внимание на возможность придания рабочему агенту физических свойств (путем соответствующего под бора рабочего агента или с помощью специальных присадок к обыч ным рабочим агентам), которые могли бы увеличить работу расшире ния в составе Af за счет соответствующего уменьшения доли тепла Аи, остающегося в рабочем агенте в виде внутренней энергии.
Следует обратить внимание на широкое использование термоди намических потенциалов / и g составителями таблиц [22] при обра ботке экспериментальных данных по теплофизическим свойствам воды и водяного пара (§ 10— 12).
Использование таблиц [22], [23] и [72] для аналитических рас четов процессов и циклов позволяет применить уравнение состояния реальных газов и паров (222)
pv = aR T,
7
где а = — ---- определяется с большой точностью из таблиц [22] КI
и может служить новой функцией состояния. Эта функция рассчи тана и включена в таблицы, приложенные к тексту монографии.
Функция а (Т , р) интересна тем, что, являясь двухпараметриче ской, она может быть приведена (во всяком случае для водяного пара) к однопараметрической функции энтропии:
а — a (s).
Это было отмечено еще В. Траупелем [89], который на основе этой функции развил теорию «идеального пара». Траупель указы вает в своем труде, что и для газообразных рабочих агентов можно добиться такого состава, что а будет однопараметрической функцией энтропии.
Не касаясь теории идеального пара Траупеля, автор настоящей монографии подверг этот вопрос специальному исследованию, которое привело к конкретному заключению о возможности функциональной связи величины а с соответствующим значением энтропии. Такой результат получен для реального водяного пара. Это заключение имеет существенное значение для расчетов изоэнтропийных процес сов расширения и сжатия. Их можно рассчитывать по уравнению состояния
pv = aR Т,
давая величине а постоянное значение, соответствующее значению постоянной энтропии процесса. При дифференцировании этого урав нения постоянная величина а выносится за знак дифференциала и входит в результаты дифференцирования не в виде производных, а в качестве постоянного множителя. Следовательно, значения произ водных всех параметров процесса можно также получать аналити чески, как это делается по уравнению состояния идеальных газов. Отсюда следует вывод, что идеализировать водяной пар (по Траупелю) не имеет смысла, а при расчетах изоэнтропийных процессов в нем нужно определять в уравнении (222) постоянное значение а, соот
ветствующее значению энтропии |
(s = const) |
в процессе. |
||
В книге |
уделено |
внимание |
первичной |
энергии, используемой |
в качестве |
источника |
внешнего |
теплообмена в цикле. Обычно это |
химическая энергия органического топлива или энергия ядерных реакций атомных установок. Этот вопрос конкретизируется на при мере реакции сжигания органического топлива. Освещается механизм химических реакций и дается краткое описание видов органиче ского топлива и обработки, которой подвергается топливо, прежде чем поступает в топливосжигающие устройства энергетических установок, т. е. в парогенераторы паротурбинных установок или камеры сгорания газотурбинных. Эти сведения даны в том объеме, который автор считал обязательным для энергетиков.
Рабочие агенты энергетических установок протекают через ма шины, аппараты, устройства и коммуникации тепловой схемы как в жидком, так и в парообразном (газообразном) состоянии. Эти жид кие и газовые потоки никогда не бывают чистыми; обычно они пред
8