Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника
Посмотреть оригинал

Общие сведения из теплотехники, материаловедения и чтения чертежей

Общие сведения из теплотехники

Все тела в природе находятся в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном и состоят из мельчайших частиц - молекул, связанных между собой силами взаимного притяжения и находящихся в состоянии беспрерывного, хаотического движения.

Общей мерой различных форм движения материи является энергия. Энергия движения молекул называется внутренней кинетической энергией, а энергия взаимного притяжения молекул - внутренней потенциальной энергией. Сумма внутренних: кинетической и потенциальной энергий составляет внутреннюю энергию тела, которая может передаваться от одного тела к другому в виде тепла и работы.

Передача энергии в виде тепла вызвана энергетическим взаимодействием молекул при отсутствии видимого движения тел. В отличие от тепла передача энергии в виде работы связана с видимым перемещением тела, в частности с изменением его объема.

Молекулы могут быть самостоятельными, сохраняя при этом химические свойства данного вещества. Молекулы состоят из атомов. В переводе с греческого языка слово «атом» означает «неделимый». Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных частиц - электронов, которые двигаются вокруг него. Ядро включает в себя положительно заряженные частицы - протоны и частицы, которые не имеют заряда - нейтроны.

Различают простые и сложные вещества. Вещества, молекулы которых состоят из атомов одного вида, называют простыми. Например: кислород О2, водород Н2, азот N2, медь Си, углерод С, алюминий А1, серебро Ag и др.

Вещества, молекулы которых состоят из атомов разного вида, называют сложными. Например: углекислый газ С02, вода Н20, оксид углерода (или угарный газ) СО, метан СН4 и т.д.

В данное время известно 106 химических элементов, из которых состоят вещества.

Физические тела могут претерпевать различные изменения, которые называются явлениями, разделяющимися на физические и химические.

Явления, при которых изменяется форма или физическое состояние, но не происходит образования новых веществ, называются физическими.

Например, при кипении вода превращается в пар, а при охлаждении из пара снова образуется вода. При этом изменяется только физическое состояние воды, но новые вещества не образуются. То же наблюдается при таянии льда.

Изменения веществ, при которых из одних веществ образуются другие, называются химическими явлениями или химическими реакциями.

Например, при сжигании угля образуются газообразные продукты сгорания. Химические явления происходят при горении, коррозии металлов, при получении металлов из руд и т.д.

Состояние физических тел зависит от сил молекулярного притяжения, расстояния между молекулами вещества (межмолекулярного пространства) и от движения молекул.

Твердые тела имеют большую силу молекулярного притяжения, малое межмолекулярное пространство и малую подвижность молекул. Эти тела имеют определенную форму и сохраняют свой объем. Для того, чтобы сжать твердое тело или разделить его на части, необходимо приложить определенную силу.

В жидких телах сила молекулярного притяжения значительно меньше, чем в твердых, а межмолекулярное пространство и подвижность молекул значительно больше. Благодаря этому жидкости не имеют определенной формы и принимают форму того сосуда, в котором находятся. Жидкости практически не сжимаются. Объем жидкости измеряется размером сосуда, в который жидкость налита.

В газообразных телах, например воздухе, паре, горючих и дымовых газах, сила межмолекулярного притяжения мала, межмолекулярное пространство и подвижность молекул велики. Благодаря этому, газообразные тела имеют большую текучесть и не имеют определенного объема. Как и жидкости, газообразные тела занимают форму сосуда, в котором находятся. По сравнению с твердыми телами и жидкостями газообразные тела легко сжимаются.

В отопительных и производственных котельных подразделений ФСИН России рабочим телом (теплоносителем) является водяной пар или горячая вода.

Теплоноситель характеризуется параметрами, к которым относятся: давление, температура и удельный объем.

Давление - это действие газа (жидкости) на стенки сосуда или сила, которая приходится на единицу поверхности, воспринимающей удары молекул данного газа (жидкости).

Экспериментами и практикой доказано, что жидкости и газы действуют на поверхность твердых тел, с которыми они граничат. Силы действия жидкостей и газов на соприкасаемые с ними поверхности называют силами давления.

Давлением называется отношение нормально направленной силы к площади поверхности, на которую сила действует.

Давление обозначается буквой Р. Для определения давления Р необходимо силу Р разделить на площадь 8, на которую действует эта сила: Р = Р/Б.

За единицу силы и веса принят 1 кгс (килограмм-сила), за еди- ницу массы - 1 кг, а за единицу площади - 1 см , таким образом, давление измеряется в кгс/см2 и его принято называть технической атмосферой (аш).

Различают давление атмосферное, избыточное и абсолютное.

Атмосферным называют давление воздуха (атмосферы) на землю и на предметы, которые находятся на ней. Это давление называется барометрическим давлением, поскольку измеряется барометром, и обозначается Рбар. Давление воздуха на уровне моря при температуре О °С равно 760 мм рт. ст. Его принято называть физической атмосферой (атм). С увеличением высоты над уровнем моря атмосферное давление уменьшается.

Избыточное давление - это излишек над атмосферным давлением. Это давление измеряется манометром и поэтому давление называ- ют манометрическим или рабочим (кгс/см"; мм рт.ст.; мм вод. ст.). Соотношение между этими единицами следующее:

  • 1 ат = 1 кгс/см2 = 735,6 мм рт. ст. = 10 000 мм вод. ст. =
  • 10 м вод. ст. = 10 000 кгс/см .

Абсолютное давление - это давление жидкостей или газов в закрытом сосуде, обозначается Рабс и равно сумме избыточного и атмосферного давлений:

Абсолютное давление может быть больше или меньше атмосферного.

Давление ниже атмосферного называется вакуумом (Рвак). В котельной практике это разрежение (тяга) в топке котла и газоходах.

Если давление Р меньше атмосферного, то

Соотношение между физической и технической атмосферами следующее:

760/735,6 = 1,033.

В международной системе единиц СИ основная единица измере-

2

ния давления - ньютон на квадратный метр (Н/м").

По решению Международного комитета мер и веса, принятому в октябре 1969 г., эта единица названа Паскалем (Па), 1 Па = 1 Н/м . Эта единица давления очень мала и использовать ее на практике неудобно, поэтому используют кратные несистемные единицы:

  • 1кПа = ЮООПа = 103Па
  • 1 МПа = 1000000 Па = 106 Па
  • 1 ГПа = 1000000000 Па = 109 Па.

Между единицами (кгс/см ; мм рт. ст.; мм вод. ст.) и паскалем (или кратными от него) используются следующие соотношения:

Физическая атмосфера

1 атм = 1,033 кгс/см2 = 760 мм рт. ст. ~ 101325 Па ~ 101,3 кПа

~0,1 МПа

Техническая атмосфера

1 ат = 1 кгс/см2 = 735,6 мм рт. ст. ~ 98666,5 Па ~ 98,7 кПа ~ 0,1 МПа 1 мм рт. ст. = 133,322 Па ~ 133 Па 1 мм вод. ст. = 9,8066 Па ~ 10 Па.

Соотношение между единицами давления приводится в Приложении 1 методических рекомендаций.

Для измерения давления газа и воздуха до 500 мм вод. столба (500 кгс/м") используют стеклянный и-образный жидкостный манометр.

Более подробно остановимся на пружинных манометрах. Они используются для измерения давления от 0,6 до 1600 кгс/см".

Рабочим элементом манометра (рис. 1) служит выгнутая трубка эллипсовидного или овального сечения, которая деформируется под действием давления. Один конец трубки запаян, а другой соединен со штуцером, которым подсоединяется к измеряемой среде. Закрытый конец трубки через тягу соединен с зубчатым сектором и центральным зубчатым колесиком, на ось которого насажена стрелка.

Под давлением измеряемой среды трубчатая пружина 5 выпрямляется, вращая при этом зубчатый сектор 6 и зубчатое колесико, а вместе с ними и стрелку 2. По шкале 3 отсчитывают величину измеренного давления. Плавное движение стрелки обеспечивает спиральная пружинка (волосок) 4.

Манометр с трубчатой пружиной

Рисунок 1. Манометр с трубчатой пружиной

  • 1 - штуцер; 2 - стрелка; 3 - шкала; 4 - спиральная пружина;
  • 5 - трубчатая пружинка; 6 - зубчатый сектор; 7 - тяга

Манометр присоединяется к котлу (рис. 2) через сифонную трубку 4, в которой конденсируется пар или охлаждается вода и давление передается через охлажденную воду, чем предотвращается повреждение механизма от теплового действия пара или горячей воды, а также манометр защищается от гидравлических ударов.

Установка манометра с сифонной трубкой

Рис. 2. Установка манометра с сифонной трубкой:

1 - трубопровод (барабан); 2 - бобышка; 3 - гайка; 4 - сифонная трубка; 5 - трехходовой кран; 6 - манометр

Манометры, устанавливаемые на котлах и питательных линиях, должны иметь класс точности не ниже 2,5.

Манометры должны выбираться с такой шкалой, чтобы при рабочем давлении их стрелка находилась в средней трети шкалы.

На шкалу манометра наносят красную черту по делению, соответствующему разрешенному давлению в котле с учетом добавочного давления от веса столба жидкости.

Взамен красной черты разрешается прикреплять или припаивать к корпусу манометра металлическую пластину, окрашенную в красный цвет и плотно прилегающую к стеклу манометра, над соответствующим делением шкалы. Наносить красную черту на стекло краской запрещается.

Манометр устанавливают так, чтобы его показания были видны обслуживающему персоналу, при этом циферблат манометра должен находиться в вертикальной плоскости или с наклоном вперед до 30 град.

Диаметр корпусов манометров, устанавливаемых от уровня площадки наблюдения за манометром на высоте до 2 м., должен быть не менее 100 мм., на высоте 2-5 м. - не менее 160 мм. и на высоте 5 м. - не менее 250 мм.

На каждом паровом котле должен быть установлен манометр, сообщающийся с паровым пространством котла через соединительную сифонную трубку или через другое аналогичное приспособление с гидравлическим затвором.

У котлов, работающих на жидком топливе, на трубопроводе подвода топлива к форсункам (горелкам) устанавливают манометры после последнего по ходу топлива запорного органа.

Манометры не допускаются к применению в случаях, когда:

  • а) на манометре отсутствует пломба или клеймо о проведении поверки;
  • б) просрочен срок поверки манометра;
  • в) стрелка манометра при его включении не возвращается к нулевому показанию шкалы на величину, превышающую половину допустимой погрешности для данного манометра;
  • г) разбито стекло или имеются другие повреждения, могущие отразиться на правильности показаний.

На водогрейных котлах манометры располагают:

  • а) на входе воды в котел после запорного органа;
  • б) на выходе нагретой воды из котла до запорного органа;
  • в) на всасывающих и нагнетательных линиях циркуляционных и подпилочных насосов.

У каждого парового котла манометр устанавливают на питательной линии перед органом, регулирующим питание котла.

При наличии в котельной нескольких котлов паропроизводи- тельностью менее 2 т/ч допускается установка одного манометра на общей питательной линии.

Манометры на питательных линиях паровых и водогрейных котлов должны быть отчетливо видны обслуживающему персоналу.

В случае использования водопроводной сети взамен второго питательного насоса в непосредственной близости от котла на этой водопроводной линии должен быть установлен манометр.

Котлы, работающие на газообразном топливе, должны быть оснащены контрольно-измерительными приборами согласно требованиям Правил безопасности в газовом хозяйстве.

Температура является мерой теплового состояния или степени нагрева тел. Тепловое состояние тела характеризуется скоростью движения его молекул или средней внутренней энергией тела. Чем выше температура, тем больше скорость движения молекул.

Температура тела увеличивается или уменьшается в зависимости от того, получает или отдает это тело тепло. Тела, которые имеют одинаковую температуру, находятся в тепловом равновесии, т. е. не передают тепло одно другому.

При нагревании тела расширяются, т. е. увеличиваются в объеме. Это обстоятельство учитывают при конструировании котлов и обмуровки, а также при проектировании трубопроводов различного назначения.

Единицей измерения температуры является градус. Для измерения температуры чаще всего используются две шкалы: практичекая стоградусная Цельсия и термодинамическая или абсолютная Кельвина.

Практическая стоградусная шкала имеет две постоянные точки: плавление льда, которая принимается за О °С, и кипение воды при нормальном атмосферном давлении (760 мм. рт. ст.), принятая за 100 °С.

Температуру выше 0 0 С обозначают знаком «+» (плюс), ниже 0 0 С - знаком «-» (минус).

В системе СИ используют шкалу с началом отсчета от абсолютного нуля.

Абсолютный нуль характеризуется отсутствием движения молекул и отвечает температуре, которая ниже 0 ° С на 273,15 ° С (примерно 273 ° С).

Единица термодинамической или абсолютной температуры - кельвин (К).

Температуру в стоградусной шкале обозначают С а в абсолютной - Т. Эти температуры связаны между собой соотношением:

У водогрейных котлов для измерения температуры воды устанавливают термометры при входе воды в котел и на выходе из него.

На выходе воды из котла термометр должен быть расположен между котлом и запорным органом.

При наличии в котельной двух и более котлов термометры, кроме того, размещают на общих подающем и обратном трубопроводах. В этом случае установка термометра на обратном трубопроводе каждого котла не обязательна.

На питательных трубопроводах паровых котлов устанавливают термометры для измерения температуры питательной воды.

При работе котлов на жидком топливе, требующем подогрева, топливопровод оборудуют термометром, измеряющим температуру топлива перед форсунками.

В котельных для измерения температуры используются приборы, принцип работы которых основан на свойствах, проявляемых веществами при нагревании:

  • • изменение объема - термометры расширения;
  • • изменение давления - манометрические термометры;
  • • появление термоЭДС - термоэлектрические пирометры;
  • • изменение электрического сопротивления - термометры сопротивления.

Жидкостные стеклянные термометры состоят из стеклянной капиллярной трубки, закрепленной на шкале, градуированной в градусах Цельсия. Трубка соединяется с резервуарчиком, заполненным рабочей жидкостью - ртутью или спиртом, подкрашенным в темно-красный или фиолетовый цвет. Температура кипения ртути 357 ° С, а спирта - 78,3 0 С. Для повышения точки их кипения пространство над ртутью или спиртом заполнено инертным газом под давлением.

При нагревании резервуарчика жидкость, заполняющая его, увеличивается в объеме и поднимается, а при охлаждении опускается по капиллярной трубке.

Ртутным термометром можно измерить температуру от -38 до +600 ° С, спиртовым от -70 до +150 ° С.

На котлах и трубопроводах термометры устанавливают в металлические гильзы и для защиты их от повреждения надевают оправу.

На горизонтальных трубопроводах термометры устанавливают вертикально либо наклонно, а на вертикальных - под углом 30-35°.

Для лучшего восприятия тепла гильзы заполняют машинным маслом при измерении температуры до 150 0 С, при измерении более высоких температур - мелкими опилками оплавленной красной меди.

Манометрические термометры служат для дистанционного измерения температуры. Принцип их действия основан на изменении давления жидкостей, газа или пара в замкнутом объеме в зависимости от температуры.

Род рабочего вещества определяет вид манометрического термометра:

  • • жидкостные заполняются ртутью, ксилолом, толуолом при начальном давлении 15-20 кгс/см2;
  • • газовые - инертным газом (азотом и др.);
  • • парожидкостные - низкокипящей жидкостью (спиртом, эфиром, ацетоном и др.).

Граница измерения температуры от -150 до +660 °С зависит от вида рабочего вещества.

При нагревании термобаллона рабочее вещество увеличивается в объеме. Под действием давления пружина, выпрямляясь, действует на тягу с зубчатым сектором и вращает стрелку или перо самопишущего прибора. Шкала прибора градуируется в градусах Цельсия.

Термоэлектрический пирометр используется для измерения температуры до 1600°С, а также передачи показаний на тепловой щит и состоит из термопары, соединительных проводов и измерительного прибора.

Термопара представляет собой соединение двух проводников (термоэлектродов), изготовленных из различных металлов (платина, медь) или сплавов (платинородия, константана, хромеля), изолированных друг от друга фарфоровыми бусами или трубочками. Одни концы термоэлектродов спаиваются, образуя горячий спай, а другие остаются свободными (холодный спай).

Для удобства при пользовании термопару помещают в стальную, медную или кварцевую трубку (чехол).

При нагревании горячего спая образуется термоэлектродвижущая сила, величина которой зависит от температуры горячего спая и материала термоэлектродов.

Измерительным прибором может быть милливольтметр или потенциометр. Шкала прибора размечается в градусах Цельсия с указанием типа и градуировки (например, ТПП - термопара платино- родий - платиновая, градуировка ПП-1).

Термометры сопротивления используются, для измерения температуры до 750 0 С. В них на слюдяную пластинку наматывается платиновый провод, к концам которого припаяны изолированные фарфоровыми изоляторами выводы из серебряной проволоки, которые присоединены к зажимам в головке термометра. Рабочий изолированный элемент вставляют сначала в алюминиевый, а затем в стальной чехол.

Принцип действия: при нагревании сопротивление спирали электрическому току увеличивается, при этом стрелка прибора отклоняется и показывает по шкале температуру.

Энергия, которая может передаваться от более нагретого тела к менее нагретому при непосредственном контакте или излучением, называется теплотой.

Теплота вызывается хаотическим движением частиц (молекул, атомов и т.д.). За единицу измерения теплоты принята калория (кал), которая равна количеству тепла, необходимого для нагревания 1 грамма воды на 1 ° С (при I от 19,5 до 20,5 ° С) при нормальном атмосферном давлении 760 мм рт. столба.

Если при измерениях основные или производные единицы оказываются чрезмерно малы или велики, то пользуются кратными и дольными единицами (табл. 1).

Кратные и дольные единицы измерения

Кратные единицы

Дольные единицы

дека (да)

10'

деци (д)

КГ1

гекто (г)

102

санти (с)

КГ2

кило (к)

103

милли (м)

кг5

мега (М)

10*

микро (мк)

КГ*

гига (Г)

10у

нано(и)

1(ГУ

тера (Т)

1012

пико(п)

КГ12

В системе единиц СИ единицей измерения теплоты является джоуль (Дж) - универсальная единица работы, энергии и количества тепла. Соотношения между единицами измерения тепла следующие:

  • 1 кал = 4,187 Дж ~ 4,2 Дж;
  • 1 Дж = 0,239 кал ~ 0,24 кал.

В котельных установках подразделений ФСИН России тепло от продуктов сгорания топлива к поверхностям нагрева передается тремя способами: излучением (радиацией), теплопроводностью и конвекцией.

Излучение (радиация) - это передача тепла от одного тела к другому на расстояние с помощью электромагнитных волн, например, от горящего факела к поверхностям нагрева котла.

Теплопроводность - вид теплопередачи, при которой перенесение тепла имеет атомно-молекулярный характер и происходит без макроскопического движения в теле (в стенке трубы котла от внешней поверхности к внутренней).

Вещества имеют различную теплопроводность. Так, теплопроводность накипи более чем в 40 раз, а сажи более чем в 200 раз ниже теплопроводности чугуна. Отложения накипи и осадка затрудняют передачу тепла и приводят к перерасходу топлива.

Конвекция - передача энергии в виде тепла перемещением и перемешиванием нагретых масс жидкостей или газов. Пример конвекции- распространение тепла по всей комнате от горячей батареи отопления.

В котле конвективный теплообмен происходит на хвостовых поверхностях нагрева, где горячие дымовые газы обтекают трубы экономайзера и нагревают проходящую по трубам воду, а проходя по трубам воздухоподогревателя нагревают воздух.

Удельный объем газа или пара это объем единицы его массы. Удельный объем - величина, обратная плотности вещества, м3/кг.

Вода и водяной пар как рабочие тела и теплоносители получили широкое использование в теплотехнике. Это объясняется тем, что вода является распространенным веществом в природе и кроме того, вода и водяной пар обладают хорошими термодинамическими свойствами. Пар образуется из воды путем испарения и кипения.

Испарением называется парообразование, которое происходит только на поверхности жидкости. Этот процесс происходит при любой температуре. При испарении из жидкости вылетают молекулы, которые имеют относительно большие скорости, вследствие чего уменьшается средняя скорость движения молекул, которые остались, и уменьшается температура жидкости.

Кипением называется бурное парообразование во всей массе жидкости, происходящее при передаче жидкости через стенки сосуда определенного количества тепла.

Температура кипения воды зависит от давления, под которым вода находится. Чем больше давление, тем выше температура, при которой начинается кипение воды.

Например, атмосферному давлению 1,033 кгс/см (760 мм рт. ст.) соответствует 1к = 100 ° С, а при давлении 14 кгс/см2 - 1:к = 194 ° С.

Зависимость температуры кипения воды от давления в закрытом сосуде приводится в Приложении 2.

Если кипение жидкости происходит в закрытом сосуде, то над жидкостью образуется пар, в котором имеются капельки влаги. Такой пар называется влажным насыщенным. При этом температура влажного пара и кипящей воды одинакова и равна температуре кипения.

Если постоянно подавать тепло, то вся вода в сосуде, включая мельчайшие капли, превратится в пар. Такой пар называется сухим насыщенным. Температура сухого насыщенного пара также равна температуре кипения С, которая соответствует данному давлению.

Количество тепла, необходимого для превращения в пар 1 кг жидкости, нагретой до температуры кипения К, называется скрытой теплотой парообразования (ккал/кг).

Скрытая теплота парообразования зависит от давления. Так, при атмосферном давлении 760 мм рт. ст. скрытая теплота парообразования г = 540 ккал/кг. При повышении температуры скрытая теплота парообразования увеличивается.

Пар может быть насыщенным и перегретым. Величина, определяющая количество сухого насыщенного пара в 1 кг влажного пара в процентах называется степенью сухости пара.

Отделение части воды от пара называется сепарацией, а устройство, предназначенное для этого, - сепаратором.

Переход воды из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием, а из газообразного в жидкое - конденсацией.

Пар, температура которого для определенного давления превышает температуру насыщенного пара, называется перегретым. Разность температур между перегретым и сухим насыщенным паром при этом же давлении называется перегревом пара.

Состав и свойства воздуха. Сухой атмосферный воздух представляет собой многокомпонентную смесь состава: азот N2 - 78 %, кислород О2 - 21 %, инертные газы (аргон, неон, криптон и пр.) и углекислый газ - 1 %. Кроме того, воздух содержит водяной пар, пыль, микроорганизмы и пр.

Г азы, которые входят в состав воздуха, распределены в нем равномерно и каждый из них сохраняет свои свойства в смеси.

Азот Ы2 и кислород 02 не имеют цвета, вкуса и запаха. Азот не горит и горение не поддерживает.

Кислород не горит, но активно поддерживает горение и является окислителем, обеспечивающим горение всех видов топлива.

Плотность воздуха при нормальных условиях (О °С и 760 мм рт. ст.) равна 1,293 кг/м3. С повышением температуры плотность воздуха уменьшается.

Инертные газы не вступают в химические реакции с другими веществами.

В воздухе также находятся водяные пары, количество которых изменяется и зависит от конкретных атмосферных условий. Каждому значению температуры соответствует максимальное количество водяных паров, которые могут находиться в воздухе и определенное парциальное давление этих паров.

Различают влажность абсолютную и относительную.

Абсолютная влажность - это масса водяных паров, которая находится в 1 м воздуха.

Относительная влажность (]) - это отношение абсолютной влажности при данной температуре к максимально возможной абсолютной влажности при той же температуре. Для жилых помещений нормальной влажностью считается ') = 60-70 %. Относительную влажность измеряют гигрометром или психрометром.

Точкой росы называется температура, до которой необходимо охладить воздух или продукты сгорания топлива, чтобы водяные пары, которые находятся в них, достигли состояния насыщения и выделились в виде росы. Температура точки росы для продуктов сгорания природного газа составляет 53-56 0 С.

 
Посмотреть оригинал
 

Популярные страницы