Теплотехника

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

Основным источником теплоты, используемой человечеством в настоящее время, 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 автомобилей 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. Топливом в сравнительно небольших масштабах служит также древесина (дрова и древесные отходы). 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 кислорода (обогащенный воздух), кислород и т. д.

Теоретически для сгорания топлива необходимо стехиометрическое количество кислорода (рассчитывается исходя по химическим формулам). 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). При сгорании топлива его химическая 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 град. С; ее повышает предварительный подогрев топлива и окислителя. Максимальная теоретическая температура горения наблюдается при коэффициента избытка окислителя равном 0,98.

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

Уголь обычно сжигают в топках. При относительно малых количествах необходимого топлива используют слоевые топки, где уголь в виде кусков сжигают на колосниковой решетке, сквозь которую продувается воздух. Для сжигания значительных количеств угля (несколько сот тонн в час) применяют камерные топки. В них уголь, 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 для получения теплоты применяется ядерное топливо, или ядерное горючее. 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 град. С/м. Если теплота горячих источников уже утилизируется, то возможность использования теплоты земных недр пока только изучается.

Мощный источник теплоты - Солнце, посылающее на Землю поток энергии значительной мощности. Однако плотность солнечной энергии на поверхности Земли мала. 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 сельского хозяйства (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.

Генерированная различными способами теплота может либо непосредственно потребляться каким-либо технологическим процессом (теплоиспользование), либо перерабатываться в др. виды энергии (теплоэнергетика). Цели и методы отрасли теплотехника - теплоиспользования - многообразны. Широко применяется нагрев в металлургии. Например, чугун из железной руды получают в доменной печи, в которой восстановление окиси железа углеродом происходит при температурах около 1500 град. С; теплота выделяется при горении кокса. Сталь из чугуна вырабатывается в мартеновских печах при температуре около 1600 град. С, которая поддерживается в основном в результате сжигания жидкого или газообразного органического топлива. При получении стали в конвертере в чугун вдувают кислород; необходимая температура создается в результате окисления углерода, 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 химической 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 другую часть установки или в окружающую среду. Наиболее часто применяются следующие теплоносители: вода и водяной пар, некоторые органические вещества, например даутерм, кремнийорганические соединения, минеральные масла, расплавленные соли, жидкие металлы, воздух и другие 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 1 кв. м поверхности теплообмена при разности температур между теплоносителями в 1 град. 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, т. е. компенсацию потерь теплоты через стены зданий, потерь, связанных с вентиляцией помещений и пр. В большинстве городов 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, т. к., 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.

Процессы генерации и использования, теплоты базируются на теоретических основах теплотехники - 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. 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 разделяющих 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. 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. Интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом теплоотдачи.

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

БСЭ т 25, с. 459 ст. «Теплотехника»