Ingineria termică

ramura tehnologiei care se ocupă cu producția și utilizarea căldurii în industrie, agricultură, transporturi și acasă.

articol

Producția de căldură. Principalele surse de căldură de astăzi (anii 1970) sunt combustibilii fosili, care degajă căldură atunci când sunt arși. Acești combustibili pot fi solizi, lichizi sau gazoși. Printre combustibilii solizi mai obișnuiți se află cărbunii (ligniți, antracite), șisturile combustibile și turbă. Petrolul este un combustibil lichid natural, dar rareori este folosit direct pentru a produce căldură. În schimb, este rafinat pentru a produce benzină pentru motoarele de avioane auto și cu piston, kerosen pentru motoarele cu reacție și anumite tipuri de motoare cu piston și diferite tipuri de motorină și păcură, utilizate în principal în centralele termice non-nucleare. Cel mai important combustibil gazos este gazul natural, care constă din metan și alte hidrocarburi (vedeaCOMBUSTIBILI CU GAZ.) La o scară mai mică, lemnul (lemn de foc, fier vechi) servește și ca combustibil. Acum sunt dezvoltate metode de ardere a deșeurilor industriale și menajere atât în ​​scopul eliminării, cât și al generării de căldură.

Cea mai importantă caracteristică a unui combustibil este căldura specifică de ardere. Conceptul de combustibil standard, având o căldură de ardere de 29.308 kilojuli/kg (7.000 kilocalorii/kg) este utilizat pentru calcule comparative.

Diferite tipuri de aparate, cum ar fi cuptoare, sobe și camere de ardere, sunt utilizate pentru combustia combustibilului. Combustibilul este ars în cuptoare și sobe la o presiune apropiată de cea atmosferică, cu aerul ca agent oxidant. În camerele de ardere, presiunea poate fi mai mare decât aerul atmosferic și oxigenul sau aerul îmbogățit cu oxigen poate servi ca oxidant.

Teoretic, este necesară o cantitate stoichiometrică de oxigen pentru arderea unui combustibil. De exemplu, la arderea metanului (CH4) are loc următoarea reacție: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O. Din această ecuație rezultă că 2 kilometri (16 kg) de CH4 necesită 2 kilometri (64 kg) de O2; adică 1 kg de CH4 necesită 4 kg de O2. În practică, totuși, este necesară o cantitate puțin mai mare de oxidant pentru arderea completă. Raportul dintre cantitatea reală de oxidant (aer) utilizat pentru combustie și cantitatea teoretică se numește factorul de exces de oxidant A. Când un combustibil este ars, energia sa chimică este convertită în energia internă a produselor de ardere, în urma căreia produsele devin fierbinți. Temperatura care ar fi dobândită de aceste produse dacă nu s-ar pierde căldură (proces adiabatic) este cunoscută ca temperatura teoretică de ardere; această temperatură este o funcție de tipul și temperatura inițială a combustibilului și oxidantului și a factorului de exces de oxidant. Pentru majoritatea combustibililor naturali (unde aerul este oxidantul), temperatura teoretică de ardere este de 1500 ° –2000 ° C; se mărește prin preîncălzirea combustibilului și a oxidantului. Temperatura teoretică maximă este atinsă atunci când factorul excesiv de oxidant α ≈ 0,98.

Deoarece căldura este extrasă din combustibilul ars în cuptoare, temperatura produselor de ardere este sub valoarea teoretică.

Cărbunele este de obicei ars în cuptoare. Când sunt necesare cantități relativ mici de combustibil, se folosesc cutii de foc cu ardere laminară, unde bulgări de cărbune sunt arși pe un grătar prin care este suflat aerul. Pentru arderea unor cantități mai mari de cărbune (sute de tone pe oră), se folosesc cuptoare de cameră. Aici, cărbunele care a fost pulverizat mai întâi la dimensiuni de particule de 50-300 micrometri este amestecat cu aer și alimentat în arzătoare. Cuptoarele Mazut și cuptoarele cu gaz sunt similare cuptoarelor cu cărbune pulverizat, dar au modele diferite de arzătoare și duze.

De la mijlocul anilor 1900, combustibilul nuclear s-a alăturat combustibilului organic ca sursă de căldură. Izotopul de uraniu 235 U, care reprezintă aproximativ 0,7% din conținutul de uraniu natural, este principalul tip de combustibil nuclear. În timpul fisiunii de 1 kg de 235 U, se eliberează aproximativ 84 × 10 9 kilojoule (20 × 10 9 kilocalorii) de energie, în principal ca energie cinetică a fragmentelor de fisiune și a neutronilor. Această energie este transformată într-un reactor nuclear în căldură, care este apoi îndepărtată de un agent de răcire. În aproape toate reactoarele (anii 1970), reacția în lanț nuclear este menținută de neutroni termici. Cu toate acestea, reactoarele de reproducere, care implică neutroni rapizi, devin din ce în ce mai frecvente. Aici, 238 U și 232 Th pot fi folosiți ca combustibil pentru a produce nu numai căldură, ci și ceilalți combustibili nucleari 239 Pu și 233 U. Agenți de răcire tipici pentru reactoarele care utilizează neutroni termici sunt apa, apa grea și dioxidul de carbon; în reactoarele cu neutroni rapizi, acestea sunt sodiu lichid și gaze inerte.

În plus față de combustibilii organici și nucleari, energia geotermală și solară s-au dovedit a avea valoare practică în generarea de căldură. Energia geotermală se manifestă în apa subterană fierbinte, care de multe ori iese la suprafață în regiunile de activitate vulcanică și în creșterea generală a temperaturii cu adâncimea în interiorul pământului. Această creștere a temperaturii este exprimată prin gradientul geotermic, egal numeric cu creșterea temperaturii în grade la 100 m de adâncime; pentru adâncimi accesibile măsurării directe, gradientul este în medie de 0,03 ° C/m. În timp ce căldura din izvoarele termale este deja utilizată (centrala electrică geotermală de 5 megawati construită în URSS în valea râului Pauzhetka în 1966), posibilitatea utilizării căldurii din interiorul pământului este încă (1975 ).) fiind doar studiat.

Soarele, care trimite un flux de energie de 1,8 × 10 17 wați pe pământ, este o sursă extraordinară de căldură. Cu toate acestea, densitatea energiei solare la suprafața pământului este scăzută, însumând doar 1 kilowat/m 2. Nu au fost încă dezvoltate sisteme și echipamente pentru colectarea radiațiilor solare pe scară largă care îndeplinesc atât cerințele tehnice, cât și cele economice. Dar, în multe regiuni, energia solară este utilizată pentru distilarea apei și pentru încălzirea apei pentru nevoile agricole (focare, sere) și de uz casnic; în unele cazuri, este utilizat la producerea de energie electrică.

Având o mare importanță, având în vedere necesitatea conservării combustibililor naturali, este utilizarea surselor secundare de căldură. Aceste surse includ gazele de evacuare fierbinți ale cuptoarelor metalurgice sau ale motoarelor cu ardere internă a căror căldură este utilizată în cazanele de căldură uzată.

Utilizarea căldurii. Căldura produsă prin diferite metode poate fi utilizată direct în anumite procese de producție (consum de căldură) sau transformată într-o altă formă de energie (inginerie termică). Obiectivele și metodele ramurii ingineriei termice care se referă la consumul de căldură sunt multiple. Încălzirea este utilizată pe scară largă în metalurgie. De exemplu, fonta brută se obține din minereu de fier într-un furnal în care oxidul de fier este redus de carbon la o temperatură de aproximativ 1500 ° C; căldura este eliberată prin arderea cocsului. Oțelul este produs din fontă brută în cuptoare cu vatră deschisă la o temperatură de aproximativ 1600 ° C, obținut în principal prin arderea combustibilului organic lichid sau gazos. Atunci când oțelul este produs într-un convertor, oxigenul este suflat în fontă și temperatura necesară este creată prin oxidarea carbonului conținut în fontă. În lucrările de turnătorie, căldura necesară pentru menținerea temperaturii necesare într-un cuptor este generată fie prin arderea combustibilului, de obicei gaz sau mazut, în cuptor sau prin energie electrică.

În majoritatea proceselor din tehnologia chimică și procesarea alimentelor este necesară încălzirea la temperaturi specificate. Căldura este furnizată sau eliminată în schimbătoare de căldură, autoclave, uscătoare, evaporatoare, alambicuri, coloane de fracționare și reactoare cu ajutorul agenților de transfer de căldură. Dacă este necesar să se mențină o temperatură destul de ridicată în echipament, produsele de ardere ale unui combustibil organic pot fi ele însele agentul de transfer de căldură. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor, agentul este un intermediar, fie eliminând și transferând căldura din produsele de combustie ale combustibilului către o altă substanță din proces, fie îndepărtând căldura din această substanță și transferând căldura către o altă parte a echipamentului sau către mediul înconjurător. . Agenții tipici de transfer de căldură includ apă și abur, anumite substanțe organice, de exemplu, Dowtherm și compuși organosiliciici, uleiuri minerale, săruri topite, metale lichide, aer și diverse gaze.

O parte substanțială a căldurii produse în partea mai rece a anului este destinată consumului casnic; adică compensează pierderile de căldură prin pereții clădirilor și pierderile implicate în ventilație. Centralele termice și electrice și cazanele centralizate furnizează căldură locuinței în majoritatea orașelor din URSS. Cazanele de la aceste uzine și camere încălzesc apa care este apoi trimisă acasă pentru a furniza căldură. Incalzitoarele de casa pot lua forma radiatoarelor sau a conductelor montate in panouri de perete.

Anumite clădiri sunt echipate pentru a-și produce propria căldură. Un cazan cu apă caldă instalat în subsol încălzește apa care circulă natural prin încălzitoarele clădirii. În zonele rurale, sobele sunt folosite pentru încălzirea locuințelor, iar în zonele în care energia electrică este ieftină, uneori se folosește încălzirea electrică care implică încălzitoare electrice de spațiu. Din punct de vedere teoretic, încălzirea directă a spațiului cu energie electrică este ineficientă, deoarece, de exemplu, cu pompele de căldură este posibil să se producă mai multă căldură decât ar fi putut fi produsă de energia electrică consumată. În acest caz, încălzirea va include atât cantitatea de căldură care este echivalentă cu consumul de energie electrică, cât și o anumită cantitate de căldură care este extrasă din mediu și „ridicată” la un nivel de temperatură mai ridicat. Cu toate acestea, pompele de căldură nu au devenit obișnuite din cauza costului ridicat.

Lucrările mecanice se obțin din căldură prin utilizarea motoarelor termice - principalele unități de putere ale fabricilor, vehiculelor de transport și alte instalații funcționează pe căldură. Căldura este transformată în energie electrică, de exemplu, de către generatoare magnetohidrodinamice și generatoare termoelectrice. La mijlocul anilor 1970, aproximativ 30% din producția mondială de căldură era utilizată pentru a genera energie electrică.

Principiile teoretice ale ingineriei termice. Procesele de generare și utilizare a căldurii se bazează pe principii teoretice în ingineria termică, adică pe termodinamică tehnică și transfer de căldură.

Termodinamica se preocupă de proprietățile sistemelor macroscopice într-o stare de echilibru termodinamic și de procesele de tranziție între aceste stări. O stare de echilibru este complet descrisă de câțiva parametri fizici. De exemplu, starea unui lichid sau gaz omogen este determinată de oricare dintre cele trei cantități de temperatură, volum și presiune (vedeaECUAȚIA CLAPEYRON, ECUAȚIA VAN DER WAALS). Echivalența energetică a căldurii și a muncii este stabilită de prima lege a termodinamicii. A doua lege a termodinamicii determină ireversibilitatea proceselor macroscopice care se desfășoară cu o rată finită; limitează eficiența maximă posibilă în transformarea căldurii în muncă.

Transferul de căldură se referă la procesele de schimb de căldură între agenții de transfer de căldură printr-un spațiu de separare sau perete și printr-o interfață. În echipamentele de inginerie termică, căldura poate fi transferată prin schimb de căldură radiantă, convecție și conducere de căldură.

Schimbul de căldură radiantă este tipic pentru cuptoare și camere de ardere, precum și pentru anumite sobe. Energia totală radiată de orice corp este proporțională cu a patra putere a temperaturii corpului. La o anumită temperatură, un corp negru emite cea mai mare energie. Corpurile reale sunt caracterizate de emisivitățile lor (totale sau spectrale), care reprezintă porțiunea de energie a unui corp negru ideal pe care un corp dat îl radiază (pe întreaga gamă de lungimi de undă sau într-o bandă îngustă) la aceeași temperatură. Emisivitatea totală a corpurilor solide se situează de obicei în intervalul 0,3-0,9. Gazele la temperaturi normale au o emisivitate foarte scăzută, care însă crește odată cu grosimea stratului radiant.

Schimbul de căldură prin convecție se realizează prin fluxul de materie în lichide, gaze și medii cu curgere liberă. Încălzirea sau răcirea lichidelor și gazelor în diferite aparate de construcție a căldurii are loc prin convecție, la fel ca în sobele cu explozie caldă și economizatoarele din cazanele cu abur. Schimbul de căldură prin convecție este cea mai caracteristică a proceselor în care un perete solid vine în contact cu fluxul turbulent al unui lichid sau gaz. Aici, căldura este transferată fie către sau de la perete prin agitația turbulentă a fluxului. Intensitatea acestui proces este dată de coeficientul de transfer de căldură (Vezi siSCHIMB CONVECTIV DE CALDURĂ).

Schimbul de căldură prin conducție este tipic corpurilor solide și fluxului laminar de lichide și gaze (vedeaDEBIT LAMINAR) în contact cu un perete solid. În acest caz, căldura este transferată printr-un proces microscopic de schimb de energie între moleculele sau atomii unui corp. În practică, procesul de transfer de căldură este adesea cauzat de efectul comun al tipurilor de schimb de căldură menționate mai sus.