Теплотехніка Стаття про теплотехніку від The Free Dictionary
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.