Теплотехніка

галузь технології, що стосується виробництва та використання тепла в промисловості, сільському господарстві, на транспорті та в побуті.

Виробництво тепла. Основними джерелами тепла сьогодні (1970-ті) є викопне паливо, яке віддає тепло при спалюванні. Ці види палива можуть бути твердими, рідкими або газоподібними. Серед найбільш поширених твердих видів палива - вугілля (лігніти, антрацити), горючі сланці та торф. Нафта - це природне рідке паливо, але воно рідко використовується безпосередньо для виробництва тепла. Натомість переробляється виробництво бензину для автомобільних та поршневих авіаційних двигунів, керозину для реактивних двигунів та певних типів поршневих двигунів, а також різних видів дизельного палива та мазуту, що використовуються переважно на неядерних теплових електростанціях. Найважливішим газоподібним паливом є природний газ, який складається з метану та інших вуглеводнів (побачитиГАЗОВЕ ПАЛИВО.) У менших масштабах деревина (дрова, брухт) також служить паливом. Зараз розробляються методи спалення промислових та побутових відходів як для утилізації, так і для виробництва тепла.

Найважливішою характеристикою палива є питома теплота згоряння. Концепція стандартного палива, що має теплоту згоряння 29 308 кілоджоулей/кг (7000 кілокалорій/кг), використовується для порівняльних розрахунків.

Для спалювання палива використовуються різні типи апаратів, такі як печі, печі та камери згоряння. Паливо спалюється в печах і печах під тиском, близьким до атмосферного, з повітрям як окислювачем. У камерах згоряння тиск може бути вищим за атмосферний, а кисневе повітря або повітря, збагачене киснем, може служити окисником.

Теоретично для згоряння палива потрібна стехіометрична кількість кисню. Наприклад, при спалюванні метану (CH4) відбувається така реакція: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O. З цього рівняння випливає, що для 2 кіломолів (16 кг) CH4 потрібно 2 кіломолі (64 кг) O2; тобто на 1 кг СН4 потрібно 4 кг О2. Однак на практиці для повного згоряння необхідна дещо більша кількість окислювача. Відношення фактичної кількості окислювача (повітря), що використовується для згоряння, до теоретичної кількості називається коефіцієнтом надлишку окислювача a. При спалюванні палива його хімічна енергія перетворюється на внутрішню енергію продуктів згоряння, в результаті чого продукти нагріваються. Температура, яку отримали б ці продукти, якщо б не було втрачено тепло (адіабатичний процес), відома як теоретична температура горіння; ця температура залежить від типу та початкової температури палива та окислювача та від надлишкового фактора окислювача. Для більшості природних видів палива (де повітрям є окисник) теоретична температура горіння становить 1500 ° –2000 ° C; він збільшується за рахунок попереднього нагрівання палива та окислювача. Максимальна теоретична температура досягається, коли коефіцієнт надлишку окислювача α ≈ 0,98.

Оскільки тепло відводиться від спалюваного палива в печах, температура продуктів згоряння нижче теоретичного значення.

Вугілля зазвичай спалюють у печах. Коли потрібна відносно невелика кількість палива, застосовуються ламінарні топки згоряння, де грудки вугілля спалюються на решітці, через яку продувається повітря. Для спалювання більшої кількості вугілля (сотні тонн на годину) використовуються камерні печі. Тут вугілля, яке спочатку подрібнювали до розмірів частинок 50–300 мікрометрів, змішують з повітрям і подають у пальники. Мазутські печі та газові печі схожі на пічі на пиловугільному вугіллі, але мають різну конструкцію пальника та сопел.

З середини 1900-х років ядерне паливо приєднується до органічного палива як джерела тепла. Ізотоп урану 235 U, який складає приблизно 0,7 відсотка вмісту природного урану, є основним видом ядерного палива. Під час поділу 1 кг 235 U виділяється приблизно 84 × 10 9 кілоджоулів (20 × 10 9 кілокалорій) енергії, головним чином як кінетична енергія фрагментів поділу та нейтронів. Ця енергія в ядерному реакторі перетворюється на тепло, яке потім відводиться теплоносієм. Майже у всіх реакторах (1970-ті рр.) Ядерна ланцюгова реакція підтримується тепловими нейтронами. Однак реактори-селекціонери, в яких задіяні швидкі нейтрони, стають все більш поширеними. Тут 238 U та 232 Th можуть бути використані як паливо для виробництва не тільки тепла, але й інших ядерних видів палива 239 Pu та 233 U. Типовими теплоносіями для реакторів, що використовують теплові нейтрони, є вода, важка вода та вуглекислий газ; у реакторах з швидкими нейтронами це рідкий натрій та інертні гази.

Окрім органічного та ядерного палива, було встановлено, що геотермальна та сонячна енергія мають практичне значення у виробництві тепла. Геотермальна енергія проявляється в гарячих підземних водах, які часто виходять на поверхню в районах вулканічної активності, і в загальному зростанні температури з глибиною всередині землі. Це підвищення температури виражається геотермальним градієнтом, чисельно рівним підвищенню температури в градусах на 100 м глибини; для глибин, доступних для безпосереднього вимірювання, градієнт становить в середньому 0,03 ° C/м. Хоча тепло від гарячих джерел вже використовується (5-мегаватна геотермальна електростанція, побудована в СРСР в долині р. Паужетка в 1966 р.), Можливість використання тепла з надр Землі поки що (1975 р.) ) лише вивчається.

Сонце, яке посилає на землю потік енергії 1,8 × 10 17 Вт, є надзвичайним джерелом тепла. Однак щільність сонячної енергії на земній поверхні низька і становить лише 1 кіловат/м 2. Системи та обладнання для масового збору сонячного випромінювання, які відповідають як технічним, так і економічним вимогам, ще не розроблені. Але в багатьох регіонах сонячна енергія використовується для перегонки води та нагрівання води для сільського господарства (парники, теплиці) та побутових потреб; в деяких випадках він використовується при виробництві електроенергії.

Велике значення з огляду на необхідність збереження природного палива має використання вторинних джерел тепла. Ці джерела включають гарячі вихлопні гази металургійних печей або двигунів внутрішнього згоряння, тепло яких використовується у котлах-утилізаторах.

Використання тепла. Тепло, отримане різними методами, може бути використано безпосередньо в певних виробничих процесах (споживання тепла) або перетворено в іншу форму енергії (теплоенергетика). Цілі та методи галузі теплотехніки, що стосується споживання тепла, різноманітні. Нагрівання широко використовується в металургії. Наприклад, чавун отримують із залізної руди в доменній печі, де оксид заліза відновлюється вуглецем при температурі приблизно 1500 ° C; тепло виділяється спалюванням коксу. Сталь отримують із чавуну в мартенівських печах при температурі приблизно 1600 ° C, одержуваній головним чином при спалюванні рідкого або газоподібного органічного палива. Коли сталь виробляється в конвертері, кисень вдувається в чавун, і необхідна температура створюється окисленням вуглецю, що міститься в чавуні. Під час ливарних робіт тепло, необхідне для підтримки необхідної температури в печі, виробляється або спалюванням палива, як правило, газу або мазуту, в печі або за допомогою електроенергії.

Нагрівання до заданих температур потрібно у більшості процесів хімічної технології та харчової промисловості. Тепло подається або відводиться в теплообмінниках, автоклавах, сушарках, випарниках, фотоапаратах, фракціонуючих колонах та реакторах за допомогою теплоносіїв. Якщо необхідно підтримувати досить високу температуру в обладнанні, продукти згоряння органічного палива можуть самі бути агентом теплопередачі. Однак у більшості випадків агент є посередником, або виводячи та передаючи тепло від продуктів згоряння палива до іншої речовини в процесі, або відводячи тепло від цієї речовини та передаючи тепло до іншої частини обладнання або до навколишнього середовища . Типові агенти теплопередачі включають воду і пару, деякі органічні речовини, наприклад, Dowtherm та кремнійорганічні сполуки, мінеральні масла, плавлені солі, рідкі метали, повітря та різні гази.

Значна частина тепла, виробленого протягом холодної частини року, призначена для споживання в домашніх умовах; тобто компенсує втрати тепла через стіни будівель та втрати, пов’язані з вентиляцією. Теплоелектростанції та централізовані котельні забезпечують теплом житло в більшості міст СРСР. Котли на цих установках і в приміщеннях нагрівають воду, яка потім надходить до будинку для подачі тепла. Домашні обігрівачі можуть мати форму радіаторів або труб, вмонтованих у стінові панелі.

Певні будівлі обладнані для виробництва власного тепла. Водогрійний котел, встановлений у підвалі, нагріває воду, яка циркулює природним шляхом через обігрівачі будівлі. У сільській місцевості печі використовуються для обігріву будинків, а в районах, де електрична енергія дешева, іноді використовується електричне опалення за допомогою електричних обігрівачів приміщень. З теоретичної точки зору, безпосереднє опалення приміщення електричною енергією неефективне, оскільки, наприклад, за допомогою теплових насосів можна виробляти більше тепла, ніж могло б бути вироблено за рахунок споживаної електроенергії. У цьому випадку опалення буде включати як кількість тепла, еквівалентну витраті електричної енергії, так і певну кількість тепла, яке витягується з навколишнього середовища і «піднімається» до більш високого температурного рівня. Однак теплові насоси не стали поширеними через їх високу вартість.

Механічна робота отримується від тепла за допомогою теплових двигунів - основних енергоблоків заводів, транспортних засобів та інших установок, що працюють від тепла. Тепло перетворюється в електроенергію, наприклад, магнітогідродинамічними генераторами та термоелектричними генераторами. Станом на середину 1970-х, приблизно 30 відсотків світового виробництва тепла використовувалося для виробництва електроенергії.

Теоретичні принципи теплотехніки. Процеси отримання та використання тепла базуються на теоретичних засадах теплотехніки, тобто на технічній термодинаміці та теплообміні.

Термодинаміка стосується властивостей макроскопічних систем у стані термодинамічної рівноваги та процесів переходу між цими станами. Стан рівноваги повністю описується кількома фізичними параметрами. Наприклад, стан однорідної рідини або газу визначається будь-якими двома з трьох величин температури, об’єму та тиску (побачитиКЛАПЕЙРОНОВЕ РІВНЯННЯ, ВІД РІВНЯННЯ ВІД РІВНЕННЯ ВОАЛСА). Енергетична еквівалентність тепла і роботи встановлюється першим законом термодинаміки. Другий закон термодинаміки визначає незворотність макроскопічних процесів, що протікають з кінцевою швидкістю; це обмежує максимальну ефективність при перетворенні тепла в роботу.

Теплообмін стосується процесів теплообміну між теплообмінними агентами через розділовий простір або стінку та через межу розділу. В теплотехнічному обладнанні тепло може передаватися променевим теплообміном, конвекцією та теплопровідністю.

Променевий теплообмін характерний для печей і камер згоряння, а також для печей. Загальна енергія, яку випромінює будь-яке тіло, пропорційна четвертій потужності температури тіла. При даній температурі чорне тіло виділяє найбільше енергії. Фактичні тіла характеризуються своєю випромінювальною здатністю (сумарною або спектральною), яка представляє частину енергії ідеального чорного тіла, яку дане тіло випромінює (у всьому діапазоні довжин хвиль або у вузькій смузі) при однаковій температурі. Загальна випромінювальна здатність твердих тіл зазвичай лежить у межах 0,3–0,9. Гази при нормальних температурах мають дуже низьку коефіцієнт випромінювання, який, однак, збільшується із збільшенням товщини випромінюючого шару.

Теплообмін конвекцією здійснюється через потік речовини в рідинах, газах і вільно текучих середовищах. Нагрівання або охолодження рідин і газів у різних теплотехнічних апаратах відбувається за допомогою конвекції, як у гарячих духових плитах та економайзерах у парових котлах. Теплообмін конвекцією найбільш характерний для процесів, коли суцільна стінка контактує з турбулентним потоком рідини або газу. Тут тепло передається або до стіни, або від неї через турбулентне перемішування потоку. Інтенсивність цього процесу задається коефіцієнтом тепловіддачі (дивитися такожКОНВЕКТИВНИЙ ТЕПЛОБМІН).

Теплообмін за допомогою провідності характерний для твердих тіл та ламінарного потоку рідин та газів (побачитиЛАМІНАРНИЙ ПОТОК), що контактує із суцільною стіною. У цьому випадку тепло передається мікроскопічним процесом обміну енергією між молекулами або атомами тіла. На практиці процес тепловіддачі часто спричинений спільним впливом вищезазначених видів теплообміну.