423. Теплотехника

Теплотехника далее Т отрасль техники, занимающаяся получением и использованием теплоты в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в быту.

Получение теплоты. Основным источником теплоты, используемой человечеством 70-е гг. 20 в. , является природное органическое топливо, выделяющее теплоту при сжигании. Различают твердое, жидкое и газообразное топливо. Наиболее распространенные виды твердого топлива угли каменные и бурые, антрациты , горючие сланцы . торф . Природное жидкое топливо нефть , однако непосредственно нефть редко используется для получения теплоты. На нефтеперерабатывающих предприятиях из нефти вырабатывают бензин горючее для автомобильных и поршневых авиационных двигателей керосин для реактивной авиации и для некоторых поршневых двигателей различные типы дизельного топлива и мазуты , применяемые в основном на тепловых электростанциях. Газообразное топливо природный газ, состоящий из метана и др. углеводородов см. Газы горючие . Топливом в сравнительно небольших масштабах служит также древесина дрова и древесные отходы . В середине 20 в. разрабатываются методы сжигания промышленных и бытовых отходов с целью их уничтожения и одновременного получения теплоты.

Важнейшая характеристика топлива удельная теплота сгорания . Для сравнительных расчетов используется понятие топлива условного с теплотой сгорания 29308 кдж/кг 7000 ккал/кг .

Для сжигания топлива служат различные технические устройства топки . печи . камеры сгорания . В топках и печах топливо сжигается при давлении, близком к атмосферному, а в качестве окислителя обычно используется воздух. В камерах сгорания давление может быть выше атмосферного, а окислителем может служить воздух с повышенным содержанием обогащенный воздух , и т. д.

Теоретически для сгорания топлива необходимо стехиометрическое количество Например, при горении метана 4 осуществляется след. реакция: 4 + 22 2 + 22. Из этого уравнения следует, что на 1 кмоль 16 кг 4 требуется 2 кмоля 64 кг 2. то есть на 1 кг 4 4кг 2. На практике для полного сгорания нужно несколько большее количество окислителя. Отношение действительного количества окислителя воздуха , использованного для горения, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка окислителя воздуха a. При сгорании топлива его энергия переходит во внутреннюю энергию продуктов сгорания, в результате чего эти продукты нагреваются. Температура, которую приобрели бы продукты сгорания, если бы не отдавали теплоту во вне адиабатный процесс , называется теоретической температурой горения. Эта температура зависит от вида топлива и окислителя, их начальной температуры и от коэффициента избытка окислителя. Для большинства природных топлив окислитель воздух теоретическая температура горения составляет 1500 2000 С ее повышает предварительный подогрев топлива и окислителя. Максимальная теоретическая температура горения наблюдается при коэффициенте избытка окислителя a 0,98.

В топках происходит отвод теплоты от горящего топлива, поэтому температура продуктов сгорания оказывается ниже теоретической температуры.

обычно сжигают в топках. При относительно малых количествах необходимого топлива используют слоевые топки , где в виде кусков сжигают на колосниковой решетке, сквозь которую продувается воздух. Для сжигания значит. количеств угля нескольких сот т в час применяют камерные топки . В них предварительно превращенный в порошок с размером частиц 50 300 мкм, подается в смеси с воздухом через пылеугольные горелки. Мазутные топки и газовые топки аналогичны пылеугольным и отличаются конструкцией горелок или форсунок.

Наряду с органическим топливом с середины 20 в. для получения теплоты применяется ядерное топливо , или ядерное горючее. Основным видом ядерного горючего является изотоп 235. содержание которого в естественном около 0,7%. При делении 1 кг 235 выделяется около 84 10 9 кдж 20 10 9 ккал в основном в виде кинетической энергии осколков деления ядер и нейтронов. В ядерном реакторе эта энергия превращается в теплоту, отбираемую теплоносителем. В подавляющем большинстве реакторов 70-е гг. 20 в. цепная ядерная реакция поддерживается за счет тепловых нейтронов. Получают распространение реакторы на быстрых нейтронах, или реакторы-размножители , в которых в качестве ядерного топлива может использоваться 238 и 232. которые, кроме теплоты, производят еще и новое ядерное горючее 239 и 233. Теплоносителями в реакторах на тепловых нейтронах обычно служат вода, тяжелая вода, углекислота в реакторах на быстрых нейтронах жидкий инертные газы и т. д. Кроме органического и ядерного топлива, некоторое практическое значение в качестве источника теплоты имеют геотермическая и солнечная энергия. Геотермическая энергия проявляется в существовании горячих подземных вод, часто выходящих на поверхность в районах с повышенной вулканической активностью, и в общем повышении температуры земных недр с глубиной. Это возрастание температуры характеризуется геотермическим градиентом , численно равным повышению температуры в градусах на 100 м глубины в среднем для доступных непосредственному измерению глубин он равен 0,03 С/м. Если теплота горячих источников уже утилизируется, например в СССР построена 1966 Паужетская геотермическая электростанция мощностью 5 Мвт, то возможность использования теплоты земных недр 1975 пока только издается.

Мощный источник теплоты Солнце , посылающее на Землю поток энергии мощностью в 1,8 10 17 вт. Однако плотность солнечной энергии на поверхности Земли мала и составляет около 1 квт/м 2 . Еще не разработаны приемлемые с технико-экономической точки зрения схемы и установки для улавливания солнечного излучения в значительных масштабах. Однако в ряде районов солнечная энергия применяется для опреснения воды, нагревания воды для с.-х. парники, теплицы и бытовых нужд, а в ряде случаев для производства электроэнергии.

Важное значение с точки зрения экономии природного топлива придается использованию вторичных тепловых ресурсов, например нагретых отходящих газов металлургических печей или двигателей внутреннего сгорания, теплота которых обычно утилизируется в котлах-утилизаторах .

Использование теплоты. Генерированная различными способами теплота может либо непосредственно потребляться каким-либо технологическим процессом теплоиспользование , либо перерабатываться в др. виды энергии теплоэнергетика . Цели и методы отрасли Т теплоиспользования многообразны. Широко применяется нагрев в металлургии. Например, чугун из руды получают в доменной печи, в которой восстановление окиси происходит при температурах около 1500 С теплота выделяется при горении кокса. Сталь из чугуна вырабатывается в мартеновских печах при температуре около 1600 С, которая поддерживается в основном в результате сжигания жидкого или газообразного органического топлива. При получении стали в конвертере в чугун вдувают необходимая температура создается в результате окисления содержащегося в чугуне. В литейном производстве теплота, необходимая для поддержания требуемой температуры в печи, генерируется либо в результате сжигания в печи топлива чаще всего газа или мазута , либо за счет электроэнергии.

Нагрев до той или иной температуры характерен для большинства процессов технологии, пищевой промышленности и пр. Подвод или отвод теплоты осуществляется в теплообменниках . автоклавах , сушильных установках, выпарных устройствах, дистилляторах, ректификационных колоннах, реакторах и т. п. с помощью теплоносителей. При этом, если в аппарате требуется поддерживать достаточно высокую температуру, теплоносителем могут быть непосредственно продукты сгорания органического топлива. Однако в большинстве случаев применяются промежуточные теплоносители, которые отбирают теплоту от продуктов сгорания топлива и передают ее веществу, участвующему в технологическом процессе, либо отбирают теплоту от этого вещества и передают ее в др. часть установки или в окружающую среду. Наиболее часто применяются следующие теплоносители: вода и водяной пар, некоторые органические вещества, например даутерм см. Дифенил , кремнийорганические соединения , минеральные масла, расплавленные соли, жидкие металлы, воздух и др. газы.

Конструктивные схемы теплообменников весьма разнообразны и зависят от их назначения, уровня температур и типа теплоносителя. По принципу действия различают рекуперативные теплообменники, в которых теплота от одного вещества теплоносителя к другому передается через твердую, обычно металлическую, стенку регенеративные теплообменники, в которых теплота воспринимается и отдается специальной насадкой, поочередно омываемой нагревающим и нагреваемым телами смесительные теплообменники, в которых передача теплоты осуществляется при соприкосновении веществ. Наиболее распространены трубчатые рекуперативные теплообменники, где один из теплоносителей протекает внутри труб, а другой в межтрубном пространстве. Основные характеристики рекуперативных теплообменников: размер поверхности теплообмена и коэффициент теплопередачи, представляющий собой количество теплоты, передаваемой через 1м 2 поверхности теплообмена при разности температур между теплоносителями в 1 С. Этот коэффициент для данного теплообменника зависит от типа теплоносителей, их параметров и скоростей движения.

Значительная доля получаемой теплоты в холодное время года идет на бытовое потребление, то есть компенсацию потерь теплоты через стены зданий, потерь, связанных с вентиляцией помещений и прочее. В большинстве городов СССР используется отопление от ТЭЦ и от центральных котельных. В этом случае на ТЭЦ или в котельной устанавливаются бойлеры, в которых подогревается сетевая вода, направляемая в дома для отопления. В качестве отопительных приборов применяются либо металлические оребренные теплообменники радиаторы , устанавливаемые непосредственно в помещении, либо трубчатые нагреватели, вмонтированные в стеновые панели.

В отдельных зданиях используется индивидуальное отопление. В этом случае в подвальном помещении здания размещается водогрейный котел , и нагретая в нем вода в результате естественной циркуляции протекает через отопительные приборы. В сельской местности в жилых домах используется печное отопление. В районах с дешевой электроэнергией иногда применяют электрическое отопление с помощью электрических калориферов , электрокаминов и др. С теоретической точки зрения непосредственное отопление с помощью электроэнергии нецелесообразно, так как, например, с помощью теплового насоса можно получить для целей отопления больше теплоты, чем затрачено электроэнергии. При этом на отопление пойдет как количество теплоты, которое эквивалентно затраченной электроэнергии, так и некоторое количество теплоты, которое будет отобрано от окружающей среды и поднято на более высокий температурный уровень. Однако тепловые насосы не получили распространения в связи с их высокой стоимостью.

Для получения механической работы за счет теплоты применяют тепловые двигатели основные энергетические агрегаты заводских, транспортных и пр. теплосиловых установок в электрическую энергию теплота преобразуется в магнитогидродинамических генераторах и термоэлектрических генераторах и т. д. В середине 70-х гг. 20 в. в мире на производство электроэнергии расходуется около 30% всей получаемой теплоты.

Теоретические основы теплотехники. Процессы генерации и использования теплоты базируются на теоретических основах Т технической термодинамике и теплопередаче .

В термодинамике рассматриваются свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Равновесное состояние полностью характеризуется небольшим числом физических параметров. Например, состояние однородных жидкости или газа определяется заданием двух из трех величин: температуры, объема, давления см. Клапейрона уравнение . Ван-дер-Ваальса уравнение . Энергетическая эквивалентность теплоты и работы устанавливается первым началом термодинамики . Второе начало термодинамики определяет необратимость макроскопических процессов, протекающих с конечной скоростью, и лимитирует максимальное значение кпд при преобразовании теплоты в работу.

Теплопередача изучает теплообмен процессы переноса теплоты между теплоносителями через разделяющие их пространство или твердую стенку, через поверхность раздела между ними. В теплотехнических устройствах теплота может передаваться лучистым теплообменом . конвекцией . теплопроводностью .

Лучистый теплообмен теплообмен излучением характерен для топок и камер сгорания, а также для некоторых печей. Общая энергия, излучаемая каким-либо телом, пропорциональна температуре тела в четвертой степени см. Стефана Больцмана закон излучения . При данной температуре наибольшее количество энергии отдает абсолютно черное тело . Реальные тела характеризуются излучательной способностью интегральной или спектральной , показывающей, какую долю от энергии абсолютно черного тела излучает данное тело во всем диапазоне волн или в узкой полосе, соответствующей определенной длине волны при той же температуре. Интегральная излучательная способность твердых тел обычно лежит в пределах от 0,3 до 0,9. Газы при нормальных температурах имеют очень малую излучательную способность, возрастающую с увеличением толщины излучающего слоя.

Теплообмен конвекцией осуществляется в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. С помощью конвекции ведется нагревание или охлаждение жидкостей или газов в различных теплотехнических устройствах, например, в воздухонагревателях и экономайзерах котлоагрегатов. Теплообмен конвекцией наиболее характерен для случая омывания твердой стенки турбулентным потоком жидкости или газа. При этом теплота к стенке или от нее переносится за счет турбулентного перемешивания потока см. Турбулентное течение . Интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом теплоотдачи. См. также Конвективный теплообмен .

Теплообмен теплопроводностью характерен для твердых тел и для ламинарных потоков жидкости и газа см. Ламинарное течение , омывающих твердую стенку. Теплота при этом переносится в результате микроскопического процесса обмена энергией между молекулами или тела. На практике процесс переноса теплоты часто обусловливается совместным действием перечисленных видов теплообмена.

Лит.: Мелентьев Л. А. Стырикович М. А. Штейнгауз Е. О. Топливно-энергетический баланс СССР, М. Л. 1962 Общая теплотехника, М. Л. 1963 Исаченко В. П. Осипова В. А. Сукомел А. С. Теплопередача, 3 изд. М. 1975 Хазен М. М. Казакевич Ф. П. Грицевский М. Е. Общая теплотехника, М. 1966 Кириллин В. А. Сычев В. В. Шейндлин А. Е. Техническая термодинамика, 2 изд. М. 1974 Стырикович М. А. Мартынова О. И. Миропольский З. Л. Процессы генерации пара на электростанциях, М. 1969.

В. А. Кириллин, Э. Э. Шпильрайн.

Комментарии запрещены.

Реклама