Теплотехніка

Теплотехніка, галузь техніки, що займається здобуттям і використанням теплоти в промисловості, сільському господарстві, на транспорті і в побуті.

  Здобуття теплоти. Основним джерелом теплоти, використовуваної людством (70-і рр. 20 ст), є природне органічне паливо, що виділяє теплоту при спалюванні. Розрізняють тверде, рідке і газоподібне паливо. Найбільш поширені види твердого палива — вугілля (кам'яні і бурі, антрацити), горючі сланці, торф . Природне рідке паливо — нафта, проте безпосередньо нафта рідко використовується для здобуття теплоти. На нафтопереробних підприємствах з нафти виробляють бензин — пальне для автомобільних і поршневих авіаційних двигунів; гас — для реактивної авіації і для деяких поршневих двигунів; різні типи дизельного палива і мазут, вживані в основному на теплових електростанціях. Газоподібне паливо — природний газ що складається з метану і ін. вуглеводнів (див. Гази пальні ) . Паливом в порівняно невеликих масштабах служить також деревина ( дрова і деревні відходи). В середині 20 ст розробляються методи спалювання промислових і побутових відходів з метою їх знищення і одночасного здобуття теплоти.

  Найважливіша характеристика палива — питома теплота згорання . Для порівняльних розрахунків використовується поняття палива умовного з теплотою згорання 29308 кдж/кг (7000 ккал/кг ) .

  Для спалювання палива служать різні технічні пристрої — топки, печі, камери згорання . В топках і печах паливо спалюється при тиску, близькому до атмосферного, а як окислювач зазвичай використовується повітря. У камерах згорання тиск може бути вище атмосферного, а окислювачем може служити повітря з підвищеним вмістом кисню (збагачене повітря), кисень і т. д.

  Теоретично для згорання палива необхідна стехіометрична кількість кисню. Наприклад, при горінні метану Ch ₄ здійснюється слід.(наступний) реакція: Ch ₄ + 2o ₂ = Co ₂ + 2h ₂ O. З цього рівняння виходить, що на 1 кмоль (16 кг ) Ch ₄ потрібно 2 кмоля (64 кг ) O ₂ , тобто на 1 кг Ch ₄ — 4кг O ₂ . На практиці для повне згорання потрібне декілька більша кількість окислювача. Відношення дійсної кількості окислювача (повітря), використаного для горіння, до теоретично необхідному називається коефіцієнтом надлишку окислювача (повітря) а. При згоранні палива його хімічна енергія переходить у внутрішню енергію продуктів згорання, внаслідок чого ці продукти нагріваються. Температура, яку придбали б продукти згорання, якби не віддавали теплоту в зовні ( адіабатний процес ), називається теоретичною температурою горіння. Ця температура залежить від вигляду палива і окислювача, їх початкової температури і від коефіцієнта надлишку окислювача. Для більшості природних палив (окислювач — повітря) теоретична температура горіння складає 1500—2000 °С; її підвищує попереднє підігрівання палива і окислювача. Максимальна теоретична температура горіння спостерігається при коефіцієнті надлишку окислювача a»0,98.

  В топках відбувається відведення теплоти від палива, що горить, тому температура продуктів згорання виявляється нижчою за теоретичну температуру.

  Вугілля зазвичай спалюють в топках. При відносно малих кількостях необхідного палива використовують шарові топки, де вугілля у вигляді шматків спалюють на колосниковій гратам, крізь які продувається повітря. Для спалювання означає. кількостей вугілля (декількох сотів т в годину) застосовують камерні топки . В них вугілля, заздалегідь перетворене на порошок з розміром часток 50—300 мкм, подається в суміші з повітрям через пилеугольниє пальники. Мазутні топки і газові топки аналогічні пилеугольним і відрізняються конструкцією пальників або форсунок.

  Поряд з органічним паливом з середини 20 ст для здобуття теплоти застосовується ядерне паливо, або ядерне пальне. Основним виглядом ядерного пального є ізотоп урану ²³⁵ U, вміст якого в природному урані близько 0,7%. При діленні 1 кг ²³⁵ U виділяється біля 84×10 ⁹ кдж (20×10 ⁹ ккал ) в основному у вигляді кінетичної енергії уламків ділення ядер і нейтронів. У ядерному реакторі ця енергія перетворюється на теплоту, що відбирається теплоносієм. У переважній більшості реакторів (70-і рр. 20 ст) ланцюгова ядерна реакція підтримується за рахунок теплових нейтронів. Отримують поширення реактори на швидких нейтронах, або реактори-розмножувачі, в яких як ядерне паливо може використовуватися ²³⁸ U і торій ²³² Th, які, окрім теплоти, виробляють ще і нове ядерне пальне ²³⁹ Pu і ²³³ U. Теплоносіями в реакторах на теплових нейтронах зазвичай служать вода, важка вода, вуглекислота; у реакторах на швидких нейтронах — рідкий натрій, інертні гази і т. д. Окрім органічного і ядерного палива, деяке практичне значення як джерело теплоти мають геотермічна і сонячна енергія. Геотермічна енергія виявляється в існуванні гарячих підземних вод, що часто виходять на поверхню в районах з підвищеною вулканічною активністю, і в загальному підвищенні температури земних надр з глибиною. Це зростання температури характеризується геотермічним градієнтом, чисельно рівним підвищенню температури в градусах на 100 м-коду глибини; в середньому для доступних безпосередньому виміру глибин він дорівнює 0,03 °С /м. Якщо теплота гарячих джерел вже утилізувалася, наприклад в СРСР побудована (1966) Паужетськая геотермічна електростанція потужністю 5 Мвт, то можливість використання теплоти земних надр (1975) доки лише видається.

  Потужне джерело теплоти — Сонце, що посилає на Землю потік енергії потужністю в 1,8×10 ¹⁷ Вт. Проте щільність сонячної енергії на поверхні Землі мала і складає близько 1 квт/м ² . Ще не розроблені прийнятний з техніко-економічної крапки зір схеми і установки для уловлювання сонячного випромінювання в значних масштабах. Проте у ряді районів сонячна енергія застосовується для опріснення води, нагрівання води для з.-х.(сільськогосподарський) (парники, теплиці) і побутових потреб, а у ряді випадків — для виробництва електроенергії.

  Важливе значення з точки зору економії природного палива надається використанню вторинних теплових ресурсів, наприклад нагрітих газів, що відходять металургійних печей або двигунів внутрішнього згорання, теплота яких зазвичай утилізувалася в казанах-утилізаторах .

  Використання теплоти. Що генерується різними способами теплота може або безпосередньо споживатися яким-небудь технологічним процесом (теплоїспользованіє), або перероблятися в ін. види енергії ( теплоенергетика ) . Цілі і методи галузі Т. — теплоїспользованія — багатообразні. Широко застосовується нагрів в металургії. Наприклад, чавун із залізняку отримують в доменній печі, в якій відновлення окислу заліза вуглецем відбувається при температурах близько 1500 °С; теплота виділяється при горінні коксу. Сталь з чавуну виробляється в мартенівських печах при температурі близько 1600 °С, яка підтримується в основному в результаті спалювання рідкого або газоподібного органічного палива. При здобутті стали в конвертері в чавун вдувають кисень; необхідна температура створюється в результаті окислення вуглецю, що міститься в чавуні. У ливарному виробництві теплота, необхідна для підтримки необхідної температури в печі, генерується або в результаті спалювання в печі палива (частіше за весь газ або мазут), або за рахунок електроенергії.

  Нагріваючи до тієї або іншої температури характерний для більшості процесів хімічної технології, харчової промисловості і пр. Підведення або відведення теплоти здійснюється в теплообмінниках, автоклавах, сушильних установках, випарних пристроях дистиляторах, колонах ректифікацій, реакторах і т. п. за допомогою теплоносіїв. При цьому, якщо в апараті потрібно підтримувати досить високу температуру, теплоносієм можуть бути безпосередньо продукти згорання органічного палива. Проте в більшості випадків застосовуються проміжні теплоносії, які відбирають теплоту від продуктів згорання палива і передають її речовині, що бере участь в технологічному процесі, або відбирають теплоту від цього речовини і передають її в ін. частина установки або в довкілля. Найчастіше застосовуються наступні теплоносії: вода і водяна пара, деякі органічні речовини, наприклад даутерм (див. Дифеніл ) , кремнійорганічні з'єднання, мінеральні масла, розплавлені солі, рідкі метали, повітря і ін. гази.

  Конструктивні схеми теплообмінників вельми всілякі і залежать від їх призначення, рівня температур і типа теплоносія. За принципом дії розрізняють рекуперативні теплообмінники, в яких теплота від однієї речовини (теплоносія) до іншого передається через тверду, зазвичай металеву, стінку; регенеративні теплообмінники, в яких теплота сприймається і віддається спеціальною насадкою, по черзі омиваною нагріваючими тілами, що нагріваються; змішувачі теплообмінники, в яких передача теплоти здійснюється при зіткненні речовин. Найбільш поширені трубчасті рекуперативні теплообмінники, де один з теплоносіїв протікає усередині труб, а інший — в міжтрубному просторі. Основні характеристики рекуперативних теплообмінників: розмір поверхні теплообміну і коефіцієнт теплопередачі, що є кількістю теплоти, передаваної через 1 м-код ² поверхні теплообміну при різниці температур між теплоносіями в 1 °С. Цей коефіцієнт для даного теплообмінника залежить від типа теплоносіїв, їх параметрів і швидкостей руху.

  Значна доля отримуваної теплоти в холодну пору року йде на побутовий вжиток, тобто компенсацію втрат теплоти через стіни будівель, втрат, пов'язаних з вентиляцією приміщень і інше. У більшості міст СРСР використовується опалювання від ТЕЦ(теплоелектроцентраль) і від центральних котельних. В цьому випадку на ТЕЦ(теплоелектроцентраль) або в котельній встановлюються бойлери, в яких підігрівається мережева вода, що направляється в будинки для опалювання. Як опалювальних приладів застосовуються або металеві обребрені теплообмінники ( радіатори ), встановлювані безпосередньо в приміщенні, або трубчасті нагрівачі, вмонтовані в стінні панелі.

  В окремих будівлях використовується індивідуальне опалювання. В цьому випадку в підвальному приміщенні будівлі розміщується водогрейний казан, і нагріта в нім вода в результаті природної циркуляції протікає через опалювальні прилади. У сільській місцевості в житлових будинках використовується пічне опалювання. У районах з дешевою електроенергією інколи застосовують електричне опалювання за допомогою електричних калориферів, електрокамінів і ін. З теоретичної точки зору безпосереднє опалювання за допомогою електроенергії недоцільно, оскільки, наприклад, за допомогою теплового насоса можна отримати для цілей опалювання більше теплоти, чим витрачено електроенергії. При цьому на опалювання піде як кількість теплоти, яка еквівалентно витраченій електроенергії, так і деяка кількість теплоти, яка буде відібрана від довкілля і «піднята» на вищий температурний рівень. Проте теплові насоси не отримали поширення у зв'язку з їх високою вартістю.

  Для здобуття механічної роботи за рахунок теплоти застосовують теплові двигуни — основні енергетичні агрегати заводських, транспортних і пр. теплосилових установок; у електричну енергію теплота перетвориться в магнітогідродинамічних генераторах і термоелектричних генераторах і т. д. В середині 70-х рр. 20 ст в світі на виробництво електроенергії витрачається близько 30% всієї отримуваної теплоти.

  Теоретичні основи теплотехніки. Процеси генерації і використання теплоти базуються на теоретичних основах Т. — технічною термодинаміці і теплопередачі .

  В термодинаміці розглядаються властивості макроскопічних систем, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги, і процеси переходу між цими станами. Рівноважний стан повністю характеризується невеликим числом фізичних параметрів. Наприклад, стан однорідної рідини або газу визначається завданням два з трьох величин: температури, об'єму тиск (див. Клапейрона рівняння, Ван-дер-Ваальса рівняння ) . Енергетична еквівалентність теплоти і роботи встановлюється першим початком термодинаміки . Другий початок термодинаміки визначає безповоротність макроскопічних процесів, що протікають з кінцевою швидкістю, і лімітує максимальне значення ккд(коефіцієнт корисної дії) при перетворенні теплоти в роботу.

  Теплопередача вивчає теплообмін (процеси перенесення теплоти) між теплоносіями через тих, що розділяють їх простір або тверду стінку, через поверхню розділу між ними. У теплотехнічних пристроях теплота може передаватися променистим теплообміном, конвекцією, теплопровідністю .

  Променистий теплообмін (теплообмін випромінюванням) характерний для топок і камер згорання, а також для деяких печей. Загальна енергія, що випромінюється яким-небудь тілом, пропорційна температурі тіла в четвертій міри (див. Стефана — Больцмана закон випромінювання ) . При даній температурі найбільша кількість енергії віддає абсолютно чорне тіло . Реальні тіла характеризуються випромінювальною здатністю (інтегральною або спектральною), що показує, яку долю від енергії абсолютно чорного тіла випромінює дане тіло (у всьому діапазоні хвиль або у вузькій смузі, відповідній певній довжині хвилі) при тій же температурі. Інтегральна випромінювальна здатність твердих тіл зазвичай лежить в межах від 0,3 до 0,9. Гази при нормальних температурах мають дуже малу випромінювальну здатність, що зростає із збільшенням товщини випромінюючого шару.

  Теплообмін конвекцією здійснюється в рідинах, газах або сипких середовищах потоками речовини. За допомогою конвекції ведеться нагрівання або охолоджування рідин або газів в різних теплотехнічних пристроях, наприклад, у воздухонагревателях і економайзерах котлоагрегатов. Теплообмін конвекцією найбільш характерний для випадку обмивання твердої стінки турбулентним потоком рідини або газу. При цьому теплота до стінки або від неї переноситься за рахунок турбулентного перемішування потоку (див. Турбулентний перебіг ) . Інтенсивність цього процесу характеризується коефіцієнтом тепловіддачі. Див. також Конвективний теплообмін .

  Теплообмін теплопровідністю характерний для твердих тіл і для ламінарних потоків рідини і газу (див. Ламінарноє перебіг ) , що омивають тверду стінку. Теплота при цьому переноситься в результаті мікроскопічного процесу обміну енергією між молекулами або атомами тіла. На практиці процес перенесення теплоти часто обумовлюється спільною дією перерахованих видів теплообміну.

  Літ.: Мелентьев Л. А., Стиріковіч М. А., Штейнгауз Е. О., Паливно-енергетичний баланс СРСР, М-код.—Л., 1962; Загальна теплотехніка, М.— Л., 1963; Ісаченко Ст П., Осипова Ст А., Сукомел А. С., Теплопередача, 3 видавництва, М., 1975; Хазен М. М. Казакевіч Ф. П., Гріцевський М. Е., Загальна теплотехніка, М., 1966; Киріллін Ст А., Сичев Ст Ст, Шейндлін А. Е., Технічна термодинаміка, 2 видавництва, М., 1974; Стиріковіч М. А., Мартинова О. І., Міропольський З. Л., Процеси генерації пари на електростанціях, М., 1969.

  Ст А. Киріллін, Е. Е. Шпільрайн.