Теплотехника

Теплотехника, 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 твёрдое, жидкое и газообразное топливо. Наиболее распространённые виды твёрдого 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 расчётов 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. Например, при горении метана CH₄ осуществляется след. реакция: CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O. Из этого уравнения следует, что на 1 кмоль (16 кг)CH₄ требуется 2 кмоля (64 кг) O₂, то есть на 1 кг CH₄ - 4кг O₂. 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 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 ?С; её 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.
Уголь обычно сжигают в топках. При относительно малых количествах необходимого топлива используют слоевые топки, где уголь в виде кусков сжигают на колосниковой решётке, сквозь которую продувается воздух. Для сжигания значит. количеств угля (нескольких сот т в час) применяют камерные топки. В них уголь, предварительно превращенный в порошок с размером частиц 50-300 мкм, подаётся 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 урана ²³⁵U, содержание которого в естественном уране около 0,7%. При делении 1 кг ²³⁵U выделяется около 84×10⁹ кдж (20×10⁹ 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 счёт тепловых нейтронов. Получают распространение реакторы на быстрых нейтронах, или реакторы-размножители, в которых в качестве ядерного топлива может использоваться ²³⁸U и торий ²³²Th, которые, кроме теплоты, производят ещё и новое ядерное горючее ²³⁹Pu и ²³³U. Теплоносителями в реакторах на тепловых нейтронах обычно служат вода, тяжёлая вода, углекислота; в реакторах на быстрых нейтронах - жидкий натрий, 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 1,8×10¹⁷ вт. Однако плотность солнечной энергии на поверхности Земли мала и составляет около 1 квт/м². Ещё 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 придаётся 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 железной руды получают в доменной печи, в которой восстановление окиси железа углеродом 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 кислород; необходимая температура создаётся 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 счёт 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 её веществу, участвующему в технологическом процессе, либо отбирают теплоту от этого вещества и передают её 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 передаётся через твёрдую, обычно металлическую, стенку; регенеративные теплообменники, в которых теплота воспринимается и отдаётся специальной насадкой, поочерёдно 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 1м² 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 идёт 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 оребрённые 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 котёл, и нагретая в нём вода в результате естественной циркуляции протекает через отопительные приборы. В сельской местности в жилых домах используется печное отопление. В районах с дешёвой 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 пойдёт 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 счёт 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 трёх величин: температуры, объёма, 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 твёрдую 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 четвёртой степени (см. Стефана - Больцмана закон излучения). При данной температуре наибольшее количество энергии отдаёт абсолютно чёрное тело. Реальные тела характеризуются излучательной способностью (интегральной или спектральной), показывающей, какую долю от энергии абсолютно чёрного тела излучает данное тело (во всём диапазоне волн или в узкой полосе, соответствующей определённой длине волны) при той же температуре. Интегральная излучательная способность твёрдых 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 ведётся нагревание или охлаждение жидкостей или газов в различных теплотехнических устройствах, например, в воздухонагревателях и экономайзерах котлоагрегатов. Теплообмен конвекцией наиболее характерен для случая омывания твёрдой стенки турбулентным потоком жидкости или газа. При этом теплота к стенке или от неё переносится за счёт турбулентного перемешивания потока (см. Турбулентное течение). Интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом теплоотдачи. См. также Конвективный теплообмен.
Теплообмен теплопроводностью характерен для твёрдых тел и для ламинарных потоков жидкости и газа (см. Ламинарное течение), омывающих твёрдую 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.
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.