Транспортные двигатели

Источниками загрязнения атмосферы являются транспортные средства с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), с газотурбинными двигателями (ГТД), ракетными двигателями (РД).

Автотранспорт непрерывно растет, увеличивается выброс вредных продуктов в жилых районах, в местах отдыха. В отработавших газах ДВС содержится несколько десятков компонентов: N₂, O₂, H₂O, CO₂, H₂, CO, NO_x, C_nH_m, альдегиды, сажа, бензапирен и т. д.

Наибольшей токсичностью обладает выхлоп карбюраторных ДВС за счет большего выброса CO, NO_x, C_nH_m. Дизельные ДВС выбрасывают в больших количествах сажу, которая в чистом виде нетоксична, однако обладает высокой адсорбционной способностью и несет на своей поверхности частицы токсичных веществ, в том числе и концерогенных.

Состав отработавших газов ДВС зависит от технического состояния и режима работы двигателя, от коэффицента избытка воздуха, от вида топлива (этилированный или неэтилированный бензин и т. д.).

Мировым парком автомобилей с ДВС ежегодно в атмосферу выбрасывается: СО – 260 млн. т, NO_x – 20 млн. т., летучих углеводородов (C_nH_m) – 40 млн.т.

К способам уменьшения вредных выбросов автомобильным транспортом можно отнести:

· ужесточение требований к техническому состоянию эксплуатируемого транспорта,

· улучшение характеристик топлива,

· создание экологически чистых двигателей.

Газотурбинные двигатели используются в гражданской и военной авиации, на судах морфлота. Выхлопные газы газотурбинных двигателей содержат токсичные компоненты: CO, NO_x, углеводороды, сажу, альдегиды и др. Выброс вредных веществ зависит от вида и сорта сжигаемого горючего, способа его подачи, от тонкости распыления горючего форсуночным устройством, от коэффициента избытка воздуха на выходе из камеры сгорания.

Продукты сгорания ракетных двигателей космических кораблей содержат компоненты: H₂O, CO₂, HCl, CO, NO, Cl, твердые частицы Al₂O₃. После запуска космического корабля высокотемпературное облако продуктов сгорания может стать причиной кислотных дождей. Ракетные двигатели неблагоприятно воздействуют не только на околоземный слой атмосферы, но и на космическое пространство, разрушая озоновый слой Земли. Ракета-носитель многоразового корабля ШАТТЛ выбрасывает в атмосферу 187 т хлора. Одна молекула хлора способна уничтожить 100 000 молекул озона. По оценкам специалистов, если в год будет 60 запусков ШАТТЛа, то уничтожится 18 % всего стратосферного озона. Необходимо ограничивать число запусков космических кораблей безопасным пределом.

Атомная энергетика

Развитие атомной энергетики предопределено прогнозируемым истощением органического топлива. Только атомная энергетика способна обеспечить возрастающие потребности в электроэнергии.

Очевидные преимущества атомных электростанций, по сравнению с тепловыми, следующие:

· отсутствие вредных выбросов в атмосферу;

· в 3 – 4 раза меньшая площадь отторгаемых земель, необходимая для размещения АЭС;

· независимость от источников энергоресурсов.

Сложными являются проблемы:

· захоронения и хранения радиоактивных отходов;

· риск, связанный с крупными авариями на ядерных реакторах.

Задача снижения риска аварий на АЭС решается путем повышения надежности существующих энергоблоков и разработки реакторов нового поколения, в которых безопасность обеспечивается на основе естественных обратных связей, когда ошибки персонала не приводят к развитию аварий.

Проблема захоронения и хранения радиоактивных отходов существует и решается специалистами всего мира.

С технической точки зрения ядерная энергетика может быть безопасной в любой степени, т. е. это вопрос стоимости, экономичности и конкурентоспособности. Мировой опыт эксплуатации АЭС свидетельствует, что их радиоактивные выбросы при нормальной работе создают дозу облучения, составляющую доли процента от облучения естественным радиоактивным фоном. Это влияние практически не обнаруживается на фоне загрязнения биосферы в результате испытания ядерного оружия.

Более подробные сведения о развитии мировой атомной энергетики, об экономических, экологических, социальных аспектах, связанных с атомной энергетикой, можно получить из [14].

Холодильная техника

Используемые в холодильной технике фреоны вносят определенный вклад в разрушение озонового слоя Земли. Чтобы отказаться от фреонов, необходимо изменить технологию производства искусственного холода. Однако, несмотря на эти меры, решить проблему разрушения озонового слоя (а это экологическая катастрофа) не удастся, т. к. вещества, разрушающие озоновый слой (окислы азота, хлор, фреоны), образуются:

· при ядерных взрывах;

· в камерах сгорания турбореактивных двигателей (гражданская и военная авиация);

· при производстве электроэнергии на ТЭС;

· при производстве сельскохозяйственной продукции (минеральные удобрения при разложении выделяют окислы азота, которые попадают в атмосферу);

· при запусках космической техники;

· при использовании фреонов в холодильной технике, при производстве пенопласта, при изготовлении бытовых аэрозолей и аэрозольных упаковок и т. д.

Вклад в разрушение озонового слоя по всем перечисленным позициям, механизм разрушения и возможности уменьшения наносимого вреда обстоятельно и доступно изложены в [12].

ЛИТЕРАТУРА

1. Теплотехника /Под ред. А.П. Баскакова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224 с.

2. Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 416 с.

3. Андрющенко А.А. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. – М.: Высш. шк., 1985. - 319 с.

4. Бродянский В. М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. – М.: Энергоатомиздат, 1988. -286 с.

5. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: Машиностроение, 1973. - 344 с.

6. Сборник задач по технической термодинамике: Учеб. пособие для вузов/ Т.Н. Андрианова, Б.В. Дзампов, В.Н. Зубарев, С.А. Ремизов. - М.: Энергоиздат, 1981. -240 с.

7. Ривкин С.Л. Термодинамические свойства газов: Справочник. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 288 с.

8. Ривкин С.Л., Александров А.А. Теплофизические свойства воды и водяного пара. – М.: Энергия, 1980. - 424 с.

9. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент: Справочник. Кн. 2. – М.: Энергоатомиздат, 1988. - 559 с.

10. Носков Н.С., Пай З.П. Технологические методы защиты атмосферы от вредных выбросов на предприятиях энергетики. - Новосибирск: Наука, 1996.-156 с.

11. Ребане К. К. Энергия, энтропия, среда обитания. – Таллин: Валгус, 1984. -159 с.

12. Мизун Ю. Г. Озонные дыры: мифы и реальность. – М.: Мысль, 1993. -287 с.

13. Охрана окружающей среды /Под ред. С. В. Белова. – М.: Высш. шк., 1991. -319 с.

14. Маленченко А. Ф. и др. Ядерная энергетика. Общество и природа. – М.: Наука и техника, 1990. -223 с.

 

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1

Теплоемкость воздуха [5]

T, 0C	Истинные теплоемкости	Средние теплоемкости для интервала температур 0 – t
mсp	mсv	mсpm	mсvm	сpm	сvm
кДж/(кмоль.град)	кДж/(кг.град)	кДж/(м3.град)
	29,07	20,76	29,07	20,76	1,004	0,716	1,297	0,926
	29,27	20,95	29,15	20,84	1,006	0,719	1,300	0,929
	29,68	21,36	29,30	20,98	1,011	0,724	1,307	0,936
	30,27	21,95	29,52	21,21	1,019	0,732	1,317	0,946
	30,95	22,63	29,79	21,47	1,028	0,741	1,329	0,958
	31,64	23,32	30,09	21,78	1,039	0,752	1,343	0,972
	32,30	23,99	30,40	22,09	1,050	0,762	1,356	0,986
	32,90	24,58	30,72	22,41	1,060	0,773	1,371	1,000
	33,43	25,12	31,03	22,71	1,071	0,784	1,384	1,031
	33,90	25,59	31,32	23,01	1,081	0,794	1,398	1,026
	34,31	26,00	31,60	23,28	1,091	0,804	1,410	1,039
	34,68	26,39	31,86	23,55	1,100	0,813	1,421	1,050
	35,00	26,69	32,11	23,79	1,108	0,821	1,433	1,062
	35,29	26,98	32,34	24,03	1,117	0,829	1,443	1,072
	35,55	27,23	32,56	24,25	1,124	0,837	1,453	1,082
	35,77	27,46	32,77	24,46	1,131	0,844	1,462	1,091
	35,98	27,66	32,97	24,65	1,138	0,851	1,471	1,100
	36,17	27,85	33,15	24,84	1,144	0,857	1,479	1,108
	36,35	28,03	33,32	25,00	1,150	0,863	1,487	1,116
	36,51	28,19	33,48	25,17	1,156	0,869	1,494	1,123
	36,65	28,34	33,64	25,33	1,161	0,874	1,501	1,130
	36,80	28,46	33,79	25,47	1,166	0,879	1,507	1,136
	36,93	28,61	33,93	25,61	1,171	0,884	1,513	1,143
	37,05	28,74	34,06	25,74	1,176	0,889	1,519	1,148
	37,17	28,85	34,18	25,87	1,180	0,893	1,525	1,154
	37,28	28,96	34,31	26,99	1,184	0,897	1,530	1,159

 

 

Таблица 2

Термодинамические свойства воздуха [7]

t, 0C	h	u	p0	Q0	s0
кДж/кг	-	-	кДж/(кг.К)
-50	223,1	159,1	0,4930		6,405
-40	233,1	166,2	0,5745		6,449
-30	243,1	173,4	0,6653		6,491
-20	253,1	180,5	0,7658		6,532
-10	263,2	187,6	0,8768		6,571
	273,2	194.8	0,9985		6,608
	283,2	202,0	1,133		6,644
	293,3	209,1	1,279		6,679
	303,3	216,3	1.438		6,713
	313,4	223,5	1,611		6,745
	323,4	230,7	1,798		6,777
	333,5	237,8	2,001		6,807
	343,6	245,0	2,220		6,837
	353,6	252,8	2,455		6,866
	363,7	259,4	2,708		6,894
	373,8	266,7	2,980		6,922
	383,9	273,9	3,270		6,948
	394.0	281,2	3,581		6,974
	404,1	288,4	3,913		7,000
	414,3	295,7	4,267		7,025
	424,4	303,0	4,644		7,049
	434,6	310,3	5,044		7,073
	444,8	317,6	5,470		7,096
	455,0	324,9	5,922		7,119
	465,2	332,3	6,400		7,141
	475,4	339,6	6,906		7,163
	485,7	347,0	7,442	1900,3	7,184
	495,9	354,4	8,008	1802,5	7,205
	506,2	361,8	8,606	1711,4	7,226
	516,5	369,3	9,236	1626,3	7,246
	526,9	376,7	9,900	1546,8	7,266
	537,2	384,2	10,60	1472,2	7,286
	547,6	391,7	11,34	1402,5	7,305
	558,0	399,2	12,11	1337,0	7,324
	568,4	406,7	12,92	1275,5	7,343
	578,8	414,3	13,78	1217,6	7,361
	589,3	421,9	14,67	1163,2	7,379
	599,8	429,5	15,61	1111,9	7,397
	610,3	437,1	16,60	1063,6	7,415
	620,8	444,8	17,63	1017,9	7,432
	631,3	452,5	18,71	974,8	7,449

Продолжение таблицы 2

	641,9	460,2	19,84	934,0	7,466
	652,5	467,9	21,02	895,4	7,482
	663,1	475,7	22,26	858,9	7,499
	573,8	483,4	23,55	824,3	7,515
	684,5	491,2	24,90	791,4	7,531
	695,1	499,1	26,30	760,3	7,547
	705,8	506,9	27,77	730,6	7,562
	705,8	506,9	27,77	730,6	7,562
	727,3	522,7	30,89	675,8	7,593
	738,1	530,6	32,55	650,3	7,608
	748,9	538,5	34,28	626,0	7,623
	759,8	546,5	36,08	602,9	7,537
	771,7	554,5	37,95	581,0	7,682
	781,5	562,5	39,89	559,9	7,696
	792,4	570,5	41,92	539,9	7,681

 

Таблица 3

Свойства насыщенного пара аммиака ( NH₃ )

t	p	v¢	v¢¢	s¢	s¢¢	h¢	h¢¢
0С	бар	м3/кг	кДж/кг×К	кДж/кг
-45	0,546	0,001437	2,007	3,377	9,529	215,6	1616,5
-40	0,718	0,001449	1,550	3,473	9,425	237,8	1624,9
-35	0,933	0,001462	1,215	3,567	9,334	260,0	1632,9
-30	1,195	0,001476	0,963	3,66	9,249	282,0	1640,8
-25	1,516	0,001490	0,771	3,751	9,167	304,4	1648,3
-20	1,903	0,001504	0,624	3,841	9,090	327,4	1655,9
-15	2,364	0,001519	0,509	3,929	9,015		1662,6
-10	2,909	0,001534	0,418	4,016	8,944	372,6	1669,3
-5	3,549	0,001550	0,347	4,102	8,976	395,7	1675,1
	4,294	0,001566	0,290	4,187	8,809	418,7	1631,0
	5,157	0,001583	0,244	4,271	8,746	441,7	1686,4
	6,150	0,001601	0,206	4,353	8,684	465,2	1691,1
	7,283	0,001619	0,175	4,435	8,624	488,6	1695,7
	8,572	0,001693	0,149	4,516	8,655	512,5	1699,4
	10,027	0,001759	0,128	4,595	8,509	536,3	1703,2

 

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................. 3

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕРМОДИНАМИКИ.............................................................. 4

1.1. Предмет термодинамики................................................................................................ 4

1.2. Термодинамическая система......................................................................................... 4

1.3. Термические параметры состояния............................................................................ 4

1.4. Уравнение состояния...................................................................................................... 5

1.5. Расчет термических параметров газовых смесей..................................................... 6

1.6. Термодинамический процесс......................................................................................... 8

1.7. Методические указания. Вопросы и задачи............................................................... 9

1.8. Ответы............................................................................................................................. 10

2. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ.......................................................................... 10

2.1. Внутренняя энергия...................................................................................................... 10

2.2. Работа изменения объема............................................................................................. 11

2.3. Внешняя работа............................................................................................................. 11

2.4. Математическое выражение первого закона термодинамики............................. 12

2.5. Теплоемкость газов....................................................................................................... 13

2.6. Методические указания. Вопросы и задачи............................................................. 15

2.7. Ответы............................................................................................................................. 17

3. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ........................................................................... 17

3.1. Формулировки и математическое выражение второго закона
термодинамики.............................................................................................................. 17

3.2. T-s-диаграмма................................................................................................................ 19

3.3. Круговые процессы (циклы)....................................................................................... 19

3.4. Понятия средних термодинамических температур подвода и отвода тепла..... 21

3.5. Эксергия теплоты.......................................................................................................... 21

3.6. Эксергия потока рабочего тела................................................................................... 23

3.7. Связь работы обратимого процесса с эксергией. Потеря эксергии
реальных процессов...................................................................................................... 23

3.8. Эксергетический КПД.................................................................................................. 24

3.9. Методические указания................................................................................................ 24

3.10. Вопросы и задачи......................................................................................................... 25

3.11. Ответы........................................................................................................................... 25

4. ПАРАМЕТРЫ И ПРОЦЕССЫ ИДЕАЛЬНЫХ ГАЗОВ И ИХ СМЕСЕЙ.................. 26

4.1. Расчет калорических параметров.............................................................................. 26

4.2. Расчет процессов идеального газа.............................................................................. 28

4.2.2. Изохорный процесс................................................................................................. 30

4.2.3. Изотермический процесс........................................................................................ 31

4.2.4. Адиабатный процесс............................................................................................... 32

4.2.5. Политропные процессы.......................................................................................... 35

4.3. Методические указания................................................................................................ 37

4.4. Задачи............................................................................................................................... 37

4.5. Ответы............................................................................................................................. 39

5. РЕАЛЬНЫЕ ГАЗЫ И ПАРЫ............................................................................................. 40

5.1. Фазовая p-v-T-диаграмма воды и водяного пара.................................................... 40

5.2. Таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара............................. 41

5.3. Расчет параметров мокрого пара............................................................................... 42

5.4. Диаграммы p-v, T-s, h-s воды и водяного пара........................................................ 43

5.5. Процессы воды и водяного пара................................................................................ 44

5.5.1. Изохорный процесс................................................................................................. 45

5.5.2. Изобарный процесс................................................................................................. 46

5.5.3. Изотермический процесс........................................................................................ 47

5.5.4. Адиабатный процесс............................................................................................... 48

5.6. Методические указания................................................................................................ 48

5.7. Вопросы и задачи........................................................................................................... 49

5.8. Ответы............................................................................................................................. 49

6. ТЕРМОДИНАМИКА ПОТОКА......................................................................................... 50

6.1. Первый закон термодинамики для потока............................................................... 50

6.2. Связь изменения скорости и параметров состояния в потоке............................. 51

6.3. Параметры торможения.............................................................................................. 51

6.4. Скорость звука............................................................................................................... 52

6.5. Закон изменения сечения адиабатного потока......................................................... 52

6.6. Расчет сопел.................................................................................................................... 54

6.7. Выбор формы сопла...................................................................................................... 55

6.8. Необратимое истечение................................................................................................ 56

6.9. Дросселирование газов и паров.................................................................................. 57

6.10. Методические указания и вопросы.......................................................................... 58

6.11. Задачи............................................................................................................................. 59

6.12. Ответы........................................................................................................................... 61

7. ВЛАЖНЫЙ ВОЗДУХ........................................................................................................... 61

7.1. Характеристики влажного воздуха............................................................................ 62

7.2. Расчет параметров влажного воздуха....................................................................... 63

7.3. h-d- диаграмма влажного воздуха.............................................................................. 64

7.4. Процессы во влажном воздухе.................................................................................... 64

7.4.1.Нагрев воздуха......................................................................................................... 64

7.4.2. Охлаждение воздуха................................................................................................ 65

7.4.3. Сушка материалов................................................................................................... 66

7.4.4. Смешение потоков влажного воздуха................................................................... 66

7.5. Методические указания................................................................................................ 67

7.6. Задачи............................................................................................................................... 67

8. ПРОЦЕССЫ КОМПРЕССОРОВ...................................................................................... 69

8.1. Одноступенчатое сжатие.............................................................................................. 69

8.2. Многоступенчатое сжатие............................................................................................ 71

8.3. Оценка эффективности работы компрессоров........................................................ 73

8.4. Методические указания................................................................................................ 74

8.5. Задачи............................................................................................................................... 74

8.6. Ответы............................................................................................................................. 76

9. ЦИКЛЫ ГАЗОТУРБИННЫХ И ПАРОТУРБИННЫХ УСТАНОВОК..................... 76

9.1. Методы термодинамического анализа циклов........................................................ 76

9.2. Циклы газотурбинных двигателей и установок...................................................... 77

9.2.1. Схема и цикл ГТД со сгоранием топлива при постоянном давлении............... 77

9.2.2. Действительный цикл газотурбинного двигателя. Метод КПД........................ 78

9.2.3. Схема и цикл энергетической газотурбинной установки................................... 80

9.3. Циклы паротурбинных установок............................................................................. 81

9.3.1. Схема паротурбинной установки (ПТУ) и цикл Ренкина................................... 81

9.3.2. Система коэффициентов полезного действия для оценки
эффективности ПТУ. Тепловой баланс ПТУ........................................................ 83

9.3.3. Эксергетический анализ ПТУ................................................................................ 85

9.3.4. Цикл ПТУ с промежуточным перегревом пара.................................................... 87

9.3.5. Регенеративный цикл паротурбинной установки............................................... 88

9.3.6. Теплофикационные паротурбинные установки................................................... 89

9.4. Атомные паротурбинные установки......................................................................... 91

9.5. Методические указания................................................................................................ 93

9.6. Задачи............................................................................................................................... 93

9.7. Ответы:............................................................................................................................ 95

10. ЦИКЛЫ ТЕПЛОТРАНСФОРМАТОРОВ..................................................................... 96

10.1. Идеальные циклы теплотрансформаторов............................................................ 96

10.2.Схема и цикл газовой (воздушной) холодильной установки............................... 98

10.3. Схема и цикл парокомпрессионной холодильной установки........................... 100

10.4. Методические указания............................................................................................ 102

10.5. Задачи........................................................................................................................... 103

10.6 Ответы:......................................................................................................................... 103

11. ЗАЩИТА АТМОСФЕРЫ ОТ ВРЕДНЫХ ВЫБРОСОВ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК............................................................................. 103

11.1. Тепловые электростанции....................................................................................... 103

11.2. Характеристика вредных выбросов...................................................................... 103

11.3. Тепловые выбросы ТЭС.......................................................................................... 103

11.4. Транспортные двигатели......................................................................................... 103

11.5. Атомная энергетика.................................................................................................. 103

11.6. Холодильная техника............................................................................................... 103

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................................... 103

ПРИЛОЖЕНИЕ....................................................................................................................... 103

 

Лидия Степановна Коновалова

Юрий Александрович Загромов

 

 

ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИ

 

Техническая термодинамика

 

Учебное пособие

 

Научный редактор канд. техн. наук, доцент В.С. Логинов

 

Редактор Н.Т. Синельникова

 

Подписано к печати

Формат 60х84/16. Бумага ксероксная.

Плоская печать. Усл. печ. л. 6,74. Уч.-изд. л. 6,11.

Тираж 200 экз. Заказ . Цена свободная.

ИПФ ТПУ. Лицензия ЛТ №1 от 18.07.94.

Типография ТПУ. 634034, Томск, пр. Ленина, 30