ТЕПЛОТЕХНИКА

ТЕПЛОТЕХНИКА отрасль техники,
занимающаяся получением и использованием теплоты в пром-сти, с. х-ве, на
транспорте и в быту.

Получение теплоты. Осн. 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 нефтеперерабат. предприятиях
из нефти вырабатывают бензин - горючее для автомоб. и поршневых
авиац. двигателей; керосин - для реактивной авиации и для нек-рых
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 сер. 20 в. разрабатываются методы сжигания
пром. и бытовых отходов с целью их уничтожения и одновременного получения
теплоты.

Важнейшая характеристика топлива
-удельная теплота сгорания. Для сравнит, расчётов используется
понятие топлива условного с теплотой сгорания 29308 кдж/кг (7000
ккал/кг).

Для сжигания топлива служат различные
технич. 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 (обогащённый воздух), кислород и т. д.

Теоретически для сгорания топлива
необходимо стехиометрическое количество кислорода. Напр., при горении метана
СН= СО1 кмоль (16 кг) СНкмоля
(64 кг) Ог ОНа практике для полного сгорания нужно неск. большее количество окислителя.
Отношение действит. количества окислителя (воздуха), использованного для
горения, к теоретически необходимому наз. коэфф. избытка окислителя (воздуха)
ос. При сгорании топлива его химич. энергия переходит во внутр. энергию
продуктов сгорания, в результате чего эти продукты нагреваются. Темп-pa,
к-рую приобрели бы продукты сгорания, если бы не отдавали теплоту во вне
(адиабатный
процесс), наз. теоретич. темп-рой горения. Эта темп-pa зависит от вида
топлива и окислителя, их начальной темп-ры и от коэфф. избытка окислителя.
Для большинства природных топлив (окислитель - воздух) теоретич. темп-pa
горения состав ляет 1500-2000 °С; её повышает предварит, подогрев топлива
и окислителя. Макс, теоретич. темп-pa горения наблюдается
при коэфф. избытка окислителя а " 0,98.

В топках происходит отвод теплоты
от горящего топлива, поэтому темп-ра продуктов сгорания оказывается ниже
теоретич. темп-ры.

Уголь обычно сжигают в топках.
При
относительно малых количествах необходимого топлива используют
слоевые
топки, где уголь в виде кусков сжигают на колосниковой решётке, сквозь
к-рую продувается воздух. Для сжигания значит, количеств угля (неск. сот
т
в час) применяют камерные топки. В них уголь, предварительно
превращённый 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 органич. топливом с сер.
20 в. для получения теплоты применяется ядерное топливо, или ядерное
горючее. Осн. видом ядерного горючего является изотоп урана ²³⁵U,
содержание к-рого в естеств. уране ок. 0,7%. При делении 1 кг ^2:>⁵U
выделяется ок. 84 -10⁹ кдж (20-Ю⁹ ккал)
в основном в виде кинетич. 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 реакторыразмножители, в к-рых
в качестве ядерного топлива может использоваться ²³⁸U и торий
²³²Th,
к-рые, кроме теплоты, производят ещё и новое ядерное горючее ²³⁹Ри
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 практич. значение в качестве источника теплоты имеют геотермическая
и солнечная энергия. Геотермич. энергия проявляется в существовании горячих
подземных вод, часто выходящих на поверхность в районах с повышенной вулканич.
активностью, и в общем повышении темп-ры земных недр с глубиной. Это возрастание
темп-ры характеризуется
геотермическим градиентом, численно равным
повышению темп-ры 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, напр. в СССР построена (1966)
Паужетская геотермическая электростанция
мощностью 5 Мет,
то возможность использования теплоты земных недр (1975)
пока
только изучается.

Мощный источник теплоты - Солнце,
посылающее
на Землю поток энергии мощностью в 1,8 -10¹⁷em. Однако
плотность солнечной энергии на поверхности Земли мала и составляет ок.
1 кет/м². Ещё не разработаны приемлемые с технико-экономич.
точки зрения схемы и установки для улавливания солнечного излучения в значит,
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,
напр, нагретых отходящих газов металлургич. печей или двигателей внутр.
сгорания, теплота к-рых обычно утилизируется в котлах утилизаторах.

Использование теплоты. Генерированная
различными способами теплота может либо непосредственно потребляться к.-л.
технологич. процессом (теплоиспользование), либо перерабатываться
в др. виды энергии (теплоэнергетика). Цели и методы отрасли Т.-
теплоиспользования -многообразны. Широко применяется нагрев в металлургии.
Напр., чугун из железной руды получают в доменной печи, в к-рой восстановление
окиси железа углеродом происходит при темп-pax ок. 1500 °С; теплота выделяется
при горении кокса. Сталь из чугуна вырабатывается в мартеновских печах
при
темп-ре ок. 1600 °С, к-рая поддерживается в основном в результате сжигания
жидкого или газообразного органич. топлива. При получении стали в конвертере
в
чугун вдувают кислород; необходимая темп-pa создаётся в результате окисления
углерода, содержащегося в чугуне. В литейном производстве теплота, необходимая
для поддержания требуемой темп-ры в печи, генерируется либо в результате
сжигания в печи топлива (чаще всего газа или мазута), либо за счёт электроэнергии.

Нагрев до той или иной темп-ры характерен
для большинства процессов химич. технологии, пищ. пром-сти 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 темп-ру, теплоносителем могут быть непосредственно
продукты сгорания органич. топлива. Однако в большинстве случаев применяются
промежуточные теплоносители, к-рые отбирают теплоту от продуктов сгорания
топлива и передают её веществу, участвующему в технологич. процессе, либо
отбирают теплоту от этого вещества и передают её в др. часть установки
или в окружающую среду. Наиболее часто применяются след, теплоносители:
вода и водяной пар, нек-рые органич. вещества, напр, 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 темп-р и типа теплоносителя.
По принципу действия различают рекуперативные теплообменники, в которых
теплота от одного вещества (теплоносителя) к другому передаётся через твёрдую,
обычно металлическую, стенку; р егенеративныс теплообменники, в к-рых теплота
воспринимается и отдаётся спец. насадкой, поочерёдно омываемой нагревающим
и нагреваемым телами; смесительные теплообменники, в к-рых передача теплоты
осуществляется при соприкосновении веществ. Наиболее распространены
трубчатые рекуперативные теплообменники, где один из теплоносителей протекает
внутри труб, а другой - в межтрубном пространстве. Осн. характеристики
рекуперативных теплообменников: размер поверхности теплообмена и коэфф.
теплопередачи, представляющий собой количество теплоты, передаваемой через
1 м² поверхности теплообмена при разности темп-р между
теплоносителями в 1 °С. Этот коэфф. для данного теплообменника зависит
от типа теплоносителей, их параметров и скоростей движения.

Значит, доля получаемой теплоты в
холодное время года идёт на бытовое потребление, т. е. компенсацию потерь
теплоты через стены зданий, потерь, связанных с вентиляцией помещений и
пр. В большинстве городов СССР используется отопление от ТЭЦ и от
центр, котельных. В этом случае на ТЭЦ или в котельной устанавливаются
бойлеры, в к-рых подогревается сетевая вода, направляемая в дома для отопления.
В качестве отопительных приборов применяются либо металлич. оребрённые
теплообменники (радиаторы), устанавливаемые непосредственно в помещении,
либо трубчатые нагреватели, вмонтированные в стеновые панели.

В отд. зданиях используется индивидуальное
отопление. В этом случае в подвальном помещении здания размещается водогрейный
котёл, и нагретая в нём вода в результате естеств. циркуляции
протекает через отопит, приборы. В сел. местности в жилых домах используется
печное отопление. В районах с дешёвой электроэнергией иногда применяют
электрическое
отопление с помощью электрич. калориферов, электрокаминов и
др. С теоретич. точки зрения непосредственное отопление с помощью электроэнергии
нецелесообразно, т. к., напр., с помощью теплового насоса можно
получить для целей отопления больше теплоты, чем затрачено электроэнергии.
При этом на отопление пойдёт как количество теплоты, к-рое эквивалентно
затраченной электроэнергии, так и нек-рое количество теплоты, к-рое 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 механич. работы за
счёт теплоты применяют тепловые двигатели - основные энергетические
агрегаты заводских, транспортных и пр. теплосиловых установок; в электрич.
энергию
теплота преобразуется в магнитогидродинамических генераторах
и термоэлектрических
генераторах и т. д. В сер. 70-х гг. 20 в. в мире на производство электроэнергии
расходуется ок. 30% всей получаемой теплоты.

Теоретические основы теплотехники.
Процессы генерации и использования теплоты базируются на теоретич. основах
Т.- технич. термодинамике и теплопередаче.

В термодинамике рассматриваются свойства
макроскопич. систем, находящихся в состоянии термодинамич. равновесия,
и процессы перехода между этими состояниями. Равновесное состояние
полностью характеризуется небольшим числом физич. параметров.
Напр.,
состояние однородных жидкости или газа определяется заданием двух из трёх
величин: темп-ры, объёма, давления (см. Клапейрона уравнение, Ван-дер-Ваалъса
уравнение). Энергетич. эквивалентность теплоты и работы устанавливается
первым
началом термодинамики. Второе начало термодинамики
определяет необратимость
макроскопич. 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 теплотехнич. устройствах теплота может передаваться лучистым теплообменом,
конвекцией, теплопроводностью.

Лучистый теплообмен (теплообмен излучением)
характерен для топок и камер сгорания, а также для нек-рых печей. Общая
энергия, излучаемая к.-л. телом, пропорциональна темп-ре тела в четвёртой
степени (см. Стефана - Болъцмана закон излучения). При данной темп-ре
наибольшее количество энергии отдаёт абсолютно чёрное тело. Реальные
тела характеризуются излучат, 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 темп-ре. Интегральная излучат, способность
твёрдых тел обычно лежит в пределах от 0,3 до 0,9. Газы при нормальных
темп-pax 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
теплотехнич. устройствах, напр, в воздухонагревателях и экономайзерах котлоагрегатов.
Теплообмен конвекцией наиболее характерен для случая смывания 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 коэфф. 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 микроскопич. процесса обмена энергией между молекулами или атомами
тела. На практике процесс переноса теплоты часто обусловливается совместным
действием перечисленных видов теплообмена.

Лит.: Мелентьев Л. А., Стыриков
и ч М. А., Штейнгауз Е. О., Топливно-энергетический баланс СССР, М.-Л.,
1962; Общая теплотехника, М.-Л.,1963; И с ач е н к о В. П., Осипова В.
А., С' у к ом е л А. С., Теплопередача, 3 изд., М.. 1975; Хазен М. М.,
Казакевич Ф. П., Грицевский М. Е., Общая теплотехника, М., 1966; К и р
и л л и н В. А., С ыч е в В. В., Шейндлин А. Е., Техническая термодинамика,
2 изд., М., 1974; С т ыр и к о в и ч М. А., Мартынова О. И., Миропольский
3. Л., Процессы генерации пара на электростанциях, М., 1969. В. А. Кириллин,
Э. Э. Шпилърайн.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я