26.(2) Тепловая машина. Цикл карно. Паровая машина. Использование тепловых машин в технике и технологиях.

Тепловая машина — устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник). Преобразование осуществляется за счёт изменения внутренней энергии рабочего тела — на практике обычно пара или газа.

Идеальная тепловая машина — машина, в которой произведённая работа и разница между количеством подведённого и отведённого тепла равны. Работа идеальной машины описывается циклом Карно.

При работе часть тепла Q1 передается от нагревателя к рабочему телу, а затем часть энергии Q2 передается холодильнику, который охлаждает машину КПД тепловой машины считается по формуле (Q1-Q2/Q1)х100

Периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла, называется тепловой машиной.

Цикл Карно — идеальный термодинамический цикл. Тепловая машина Карно, работающая по этому циклу, обладает максимальным КПД из всех машин, у которых максимальная и минимальная температуры осуществляемого цикла совпадают соответственно с максимальной и минимальной температурами цикла Карно. Состоит из 2 адиабатических и 2 изотермических процессов. Одним из важных свойств цикла Карно является его обратимость: он может быть проведён как в прямом, так и в обратном направлении, при этом энтропия адиабатически изолированной (без теплообмена с окружающей средой) системы не меняется.

Паровая машина — тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу.

Тепловые двигатели необходимы для получения электроэнергии, для приведения в движение большинства транспортных машин. Наибольшее значение имеет применение мощных паровых турбин на электростанциях для вращения роторов генераторов. Паровые турбины устанавливают также на атомных электростанциях, где для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер. На современном транспорте используются все виды тепловых двигателей. В автомобилях, тракторах, самоходных комбайнах, тепловозах применяются поршневые двигатели внутреннего сгорания, в авиации — газовые турбины, на космических ракетах — реактивные двигатели.

27.(2) Промышленная переработка топлива (коксование угля, крекинг нефти, переработка нефти методом ректификации).

Коксование угля - широко распространённый технологический процесс, который состоит из стадий: подготовка к коксованию, собственно коксование, улавливание и переработка летучих продуктов.

Подготовка включает обогащение (для удаления минеральных примесей) низкосернистых, малозольных, коксующихся углей, измельчение до зёрен размером около 3 мм, смешение нескольких сортов угля, сушка полученной т. н. «шихты». Для коксования шихту загружают в щелевидную коксовую печь (ширина 400—450 мм, объём 30-40 м³). Каналы боковых простенков печей, выложенных огнеупорным кирпичом, обогреваются продуктами сгорания газов: коксового (чаще всего), доменного, генераторного, их смесей.

Продолжительность нагрева составляет 14-16 часов. Температура процесса — 900—1050 °C. Полученный кокс (75-78 % от массы исходного угля) в виде т. н. «коксового пирога» (спёкшейся в пласт массы) — выталкивается специальными машинами («коксовыталкивателями») в железнодорожные вагоны, в которых охлаждается («тушится») водой или инертным газом (азотом). Парогазовая смесь выделяющихся летучих продуктов (до 25 % от массы угля) отводится через газосборник для улавливания и переработки.

Крекинг нефти — высокотемпературная переработка нефти и её фракций с целью получения, как правило, продуктов меньшей молекулярной массы — моторных топлив, смазочных масел и т. п., а также сырья для химической и нефтехимической промышленности. Крекинг протекает с разрывом связей С—С и образованием свободных радикалов или карбанионов. Одновременно с разрывом связей С—С происходит дегидрирование, изомеризация, полимеризация и конденсация как промежуточных, так и исходных веществ. В результате последних двух процессов образуются т. н. крекинг-остаток (фракция с температурой кипения более 350 °C) и нефтяной кокс. Крекинг проводят нагреванием нефтяного сырья или одновременным воздействием на него высокой температуры и катализаторов.

Переработка нефти методом ректификации. Ректификация - это процесс разделения смеси веществ, которые имеют различные температуры кипения. Компонент, у которого температура кипения самая низкая является более летучим и называется низкокипящим.

Ректификация- это противоточное взаимодействие двух фаз - жидкости и пара. При этом пар непрерывно перемещается снизу вверх, обогащается низкокипящим компонентом (легколетучим), а жидкость, стекая сверху вниз, насыщается высококипящим (труднолетучим) компонентом.

Ректификацией может быть достигнута любая необходимая степень разделения без изменения химического состава веществ, составляющих смесь.

Основной аппарат установки для перегонки нефти, представляющей собой смесь углеводородов – ректификационная колонна – это стальной цилиндрический аппарат высотой 50-60 метров и диаметром около 3-х метров. Внутри аппарата на некотором расстоянии друг от друга располагаются горизонтальные перегородки с большим количеством отверстий - тарелки. Пары нефти подаются в колонну снизу и через отверстия в перегородках поднимаются вверх, при этом они постепенно охлаждаясь, сжижаются.

Менее летучие углеводороды конденсируются уже на первых тарелках, образуя 1-ю фракцию (газойлевую), из которой получают дизельное топливо, выше собирается керосин, а затем лигроин - его используют в качестве тракторного горючего. Наиболее летучие углеводороды выходят из верхней части колонны в виде паров и сжижаются, образуя бензин. Остаток после перегонки нефти - мазут - подвергают дальнейшему разделению и получают соляровые, смазочные масла, вазелин, парафин. После отгонки остается гудрон, который применяется в дорожном строительстве.