Теплотехника

Министерство образования Российской Федерации Новосибирский государственный педагогический университет В. В. Крашенинников В. И. Запрягаев В. М. Потапов Теплотехника Утверждено Редакционно-издательским советом НГПУ в качестве учебного пособия Новосибирск ● 2004 УДК 536 (075.8) ББК 31.3 я 73 – 1 К 78 Рецензенты: кафедра машиноведения Новосибирского государственного педагогического университета; доктор физико-математических наук, профессор Новосибирского государственного университета А. М. Оришич Крашенинников В. В., Запрягаев В.И., Потапов В.М. Теплотехника: Учебное пособие. – Новосибирск: НГПУ, 2004. – 100 с. ISBN 5-85921-478-2 В пособии кратко изложены теоретические основы теплотехники, принцип действия тепловых машин и энергетических установок. Предназначается для студентов факультета технологии и предприни­мательства педагогических ВУЗов. УДК 536 (075.8) ББК 31.3 я 73 – 1 Введение Для жизни человеку необходимы тепло и энергия. В 1987 г. население земного шара превысило 5 миллиардов человек, в 2000 г. оно составило около 6, а в 2025 г. ожидается 8,2 мил­лиарда человек. С 1950 г. потребление энергии уве­личилось в 4 раза и в основном за счет сжигания ископаемых энергоносителей. Сжигание энергоноси­телей насыщает атмосферу углекислым газом, в результате чего возникает глобальная проблема энергетической и экологической политики. Правильное использование ресурсов позволяет не только их экономить, но и улучшать экологическую обстановку. Например, в 1950 г. для выработки 1 кВт-часа электроэнергии требовалось 580 г каменного угля, а сегодня – 325 г, то есть произошло повышение КПД на 40%. Другой пример: паровые электростанции производят энергию с КПД 40%, газотурбинные – 33, а парогазотурбинные – 50%. Различают два принципиально различных направления исполь­зования теплоты: энергетическое и технологическое. При энергетическом использовании теплоты рассматриваются задачи преобразования тепловой энергии в механическую работу. Примером могут служить получение энергии электричества от сжигания топлива в топках паровых котлов, преобразования энер­гии пара в механическую работу и в электрическую энергию. При технологическом использовании теплоты рассматривают­ся вопросы воздействия тепла на тела для изменения их свойств: механических, физических, химических и т. д. Примером может служить плавка сталей, термоупрочнение, сушка, обжиг и т. д. Теплотехника – наука, изучающая методы получения, пре­образования и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин. Теплотехника начала развиваться в первой половине XIX века. Первоначально изучались процессы превращения теплоты в рабо­ту, что было связано со строительством паровых машин и двигате­лей. Сформировались теоретические разделы теплотехники: термо­динамика и теория теплообмена. Большую роль в развитии теории сыграли работы М. В. Ломо­носова (XVIII в), который основал молекулярно-кинетическую теорию вещества и установил взаимосвязь между тепловой и ме­ханической энергией как одну из форм проявления открытого им закона сохранения и превращения энергии. Большой вклад внес Д. И. Менделеев работами по общей теории теплоемкостей. Он установил существование для каждого вещества критической тем­пературы, выше которой газ не может быть превращен в жидкость, какое бы высокое давление не было приложено. Теоретические основы теплотехники необходимо знать для того, чтобы уметь анализировать тепловые процессы, создавать эффективные тепловые установки. Без знаний теории теплотехники невозможно создать совершенные двигатели и машины, различные энергетические устройства. 1. Теоретические основы энергетических машин 1.1. Термодинамика Теоретическую базу теплоэнергетики и теплотехники состав­ляют термодинамика и теплопередача. Название научной дисцип­лины «Термодинамика» происходит от двух греческих слов: термо – теплота и динамикос – сила. Термодинамика как наука сформи­ровалась в середине XIX века и первоначально теоретически изучала процессы превращения теплоты в работу в тепловых двигателях. Общая термодинамика формулирует и исследует общие законо­мерности взаимного превращения различных форм движения мате­рии и физические свойства тел, участвующих в этих превращениях. Закономерности же взаимного превращения теплоты и работы в сочетании со свойствами тел, используемых в тепловых машинах, изучает техническая термодинамика, являющаяся самостоятельным разделом общей термодинамики. Основная задача технической термодинамики состоит в изучении эффективных способов преобразования энергии с целью создания экономичных тепловых двигателей и других тепловых машин. Термодинамика – наука феноменологическая, т. е. она изучает физические явления в системах, состоящих из большого числа частиц, в целом на макроскопическом уровне, не вдаваясь подробно в их молекулярный механизм. Но в то же время, там, где это необходимо, термодинамика может привлекать молекулярно-кинетические пред­ставления для более детального объяснения сущности процессов. Практика показала, что взаимное превращение теплоты и меха­нической работы в тепловых машинах можно осуществить с по­мощью таких веществ, которые обладают свойством существенно изменять свой рабочий объем в процессах подвода и отвода теплоты. Такие вещества называются рабочими телами. Физические свойства рабочих тел определяют многие важные свойства тепловых машин: их предназначение, габариты, надежность, экономичность и др. Термодинамическая система. Термодинамика изучает макро­скопические объекты любой природы, которые носят общее наз­вание – термодинамические системы. Следовательно, под термоди­намической системой понимается совокупность материальных тел и полей, взаимодействующих между собой и внешней средой, т. е. обменивающихся энергией и веществом. Под внешней (окружающей) средой понимаются все другие тела или поля, которые расположены за внешней границей рассмат­риваемой термодинамической системы. Система, которая не может обмениваться энергией и веществом с внешней средой, называется изолированной, а в противном случае – неизолированной. Термодинамические системы составляют вещества, которые могут находиться в разных агрегатных состояниях: твердом, жид­ком, газообразном и плазменном. Техническая термодинамика имеет дело преимущественно с газообразными рабочими телами, способ­ными существенно изменять рабочий объем в различных термо­динамических процессах. Такие рабочие тела используются в тепло­вых двигателях. Например, в двигателях внутреннего сгорания и газотурбинных установках рабочим телом служат газообразные про­дукты сгорания топлива, а в паровых турбинах – водяной пар. 1.2. Термические параметры состояния Термодинамическая система в зависимости от внешних условий в каждый момент времени находится в каком-либо физическом состоя­нии. Состояние системы в термодинамике определяется совокупно­стью значений характерных для нее макроскопических величин, которые называются параметрами состояния. Опыт показывает, что состояние газа как рабочего тела однозначно описывается тремя основными, так называемыми, термическими параметрами состояния: удельным объемом – v, абсолютным давлением – p и температурой – t (или Т). Выбор термических параметров состояния в качестве основ­ных объясняется возможностью их непосредственного измерения. Удельный объем и плотность. Удельный объем v, м3/кг, есть объем V единицы массы (m) вещества: v = V/m. Величина, обратная удельному объему, называется плотностью вещества и измеряется в кг/м3:  = m/V. Давление. Давление газа р, заключенного в сосуд, является следствием большого числа ударов хаотически движущихся молекул о стенки сосуда, и поскольку невозможно проследить движение и измерить силу каждого удара всех молекул, то давление газа определяется как усредненная по всем молекулам нормальная сила Рn (Н), приходящаяся на единицу площади поверхности F (м2), воспринимающей эти удары: p=Pn /F. Для идеального газа давление можно представить формулой p = nkT, где n – число молекул газа в единице объема, k – постоянная Больцмана, равная 1,3805 ∙ 10–23 Дж/град, Т – температура газа. В системе СИ давление измеряется в Паскалях (1 Па =1 Н/м2). Прибор, при помощи которого измеряется давление газа в сосуде, называется манометром. Манометром, как правило, измеряется не абсолютное давление газа р, а так называемое избыточное давление рм (манометрическое), т. е. манометр показывает превышение давления газа в емкости над атмосферным давлением. Если абсолютное давление газа в сосуде меньше атмосферного (p < pатм), то говорят о разрежении газа (вакууме). Прибор, изме­ряющий разрежение газа в сосуде, называется вакуумметром. Температура. Важным термодинамическим параметром состо­яния рабочего тела является температура. Она характеризует ин­тенсивность теплового хаотического движения молекул тела, т. е. его тепловое состояние. К понятию температуры можно прийти также в результате рассмотрения самопроизвольного переноса теплоты от более на­гретого тела к менее нагретому, что следует из опыта. Поэтому, если говорить, что температуры тел характеризуют их энерге­тический уровень (температурный потенциал), соотношение их (разность) определяет направление переноса теплоты от тела к телу. Если температуры тел становятся равными, то перенос тепло­ты между ними прекращается – между телами устанавливается тепловое равновесие. Следовательно, можно говорить, что темпе­ратура является также показателем теплового равновесия тел. Температура – величина экстенсивная, т. е. измеряемая кос­венным образом в результате преобразования ее в какую-либо интенсивную (непосредственно измеряемую) величину, например электрический ток. Температура измеряется в градусах. В России приняты две шкалы измерения температуры – эмпирическая шкала Цельсия (°С) и абсолютная (термодинамическая) шкала Кельвина (К). В системе СИ принята термодинамическая шкала температур, отсчитываемая от абсолютного нуля. Связь между температурами Т и t следующая: TK = t°С+273,15К. Отсюда видно, цена градуса по шкале Цельсия и шкале Кельвина одинакова. 1.3. Термодинамические процессы Если с течением времени термические параметры состояния термодинамической системы при постоянных внешних условиях не изменяются, то говорят, что она находится в равновесном со­стоянии. В равновесном состоянии термические параметры одинаковы для всех частей системы и равны соответствующим внешним параметрам. При этом система и внешняя среда будут находиться в тепловом и механическом равновесии. Термодинамическую систему можно вывести из состояния равновесия посредством внешнего энергетического воздействия. Следовательно, при изменении внешних условий состояние системы будет отклоняться от первоначального равновесного, т. е. параметры ее состояния р, v, Т будут претерпевать изменения. Если внешние условия изменяются во времени непрерывно, то совокупность основных параметров термодинамической системы р, v, T будет проходить непрерывный ряд равновесных (одно­родных по всей системе) значений. Возникает, таким образом, равновесный термодинамический процесс. Следовательно, под равновесным термодинамическим процессом понимается после­довательное непрерывное изменение состояния системы. Равно­весные процессы допускают графическую интерпретацию. Термо­динамический процесс в идеальном случае называется равно­весным, если все параметры системы успевают мгновенно вырав­ниваться, т. е. принимать одни и те же значения по всему ее объему для каждого момента времени. Это происходит за счет протекания в системе различных физических явлений, таких, например, как теплообмен или диффузия. Реальные термодинамические процессы сопровождаются явле­ниями, связанными с диссипацией (рассеянием) энергии системы. Рассеяние энергии происходит, например, за счет трения, вихре­образования и др. Поэтому подобные процессы по своей природе являются неравновесными и протекают при неравновесном взаимо­действии внешней среды и системы. В то же время и при доста­точно больших скоростях этих взаимодействий возникающие в системе неоднородности значений параметров р, v, Т не успевают выравниваться, что также приводит к неравновесности процесса. Классическая термодинамика рассматривает такие процессы толь­ко в специальных случаях, существенных для системы неравновес­ностей, с привлечением опытных данных. Неравновесные процес­сы рассматриваются в основном в термодинамике необратимых процессов. Равновесные процессы характеризуются их обратимостью. Это означает, что в термодинамическом процессе, обратном перво­начальному, система проходит через те же состояния, что и в прямом процессе и при этом в системе и во внешней среде не должно наблюдаться никаких остаточных изменений. В технической термодинамике различаются процессы изобар­ные, изохорные, изотермические, адиабатные и политропные. Их, как равновесные процессы, графически изображают в термодина­мическом пространстве. Наиболее употребительными в техни­ческой термодинамике являются плоские системы координат, например (р, v), (р, Т), (v, T). Совокупность точек в плоском пространстве образует непрерывную линию, называемую графи­ком равновесного процесса. Неравновесный термодинамический процесс, строго говоря, нельзя изобразить графически, хотя условно эти процессы для наглядности иногда показывают на диаграммах штриховыми линиями. Особый интерес для технической термодинамики имеют замкнутые (круговые) процессы, когда система через ряд равно­весных состояний возвращается в начальное состояние. Круговой процесс называется также циклическим процессом (циклом). Цик­лические процессы играют большую роль в технике для анализа работы тепловых двигателей и машин. Пример кругового процесса в р, v-координатах показан на рисунке 1.1. 1.4. Уравнение состояния идеального газа Газ, у которого отсутствуют силы взаимодействия между молекулами, а размеры их намного меньше межмолекулярных расстояний, принято называть идеальным газом. В технике часто приходится иметь дело с реальными газами, близкими по своим свойствам к идеальным газам, что является важным фактором, поскольку введение понятия идеальный газ дает возможность связать термические параметры состояния термоди­намической системы простой аналитической зависимостью. В об­щем виде связь между термическими параметрами однородного вещества р, v и Т в равновесном состоянии имеет вид f (p, v, T) = 0. Эта зависимость называется термическим уравнением состояния тела. Из курса физики известно, что термические параметры состояния 1 кг идеального газа для произвольных состояний связаны между собой следующим уравнением состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона (1834 г.): pv = RT. Физическая величина R, Дж/(кгК), называемая газовой постоянной, зависит от природы газа. 1.5. Энергия. Закон сохранения энергии. Теплота и работа Физический термин «энергия» означает в переводе с гречес­кого действие, деятельность и связывается с движением материи. Энергия является фундаментальным понятием не только термо­динамики, но и физики. Понятие энергии означает количественную меру различных форм движения материи. Различают энергию механическую, тепло­вую, электромагнитную, ядерную, гравитационную и т. д. Закон сохранения и превращения энергии был сформулирован в трудах выдающихся ученых: Г. И. Гесса (1840 г.), Д. П. Джоуля (1840 г.), Ю. Р. Майера (1842 г.), Г. Л. Ф. Гельмгольца (1847 г.), явился развитием закона сохранения материи и движения, выдви­нутого М. В. Ломоносовым (1756 г.) и подтвержденного позднее А. Лавуазье (1774 г.). На основании закона сохранения и превра­щения энергии опытным путем были установлены количественные соотношения между различными формами энергии. Внутренняя энергия Опыты Д. П. Джоуля по определению механического эквивалента теплоты выявили наличие у тел новой формы энергии – внутренней энергии. Всякая термодинамическая система в любом состоянии обладает запасом так называемой внутренней энергии U, Дж, заключенным в самой системе. Внутренняя энергия системы в каждом состоянии складывается из всех возможных видов энергий (потенциальной, кинетической, химической, электромаг­нитной и т.д.) взаимодействия частиц рабочего тела и их струк­турных единиц (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.). Так как для термодинамического анализа характерен фено­менологический подход при рассмотрении явлений, то нет необходимости знать микроструктуру внутренней энергии тела, но особенно важно знание макрохарактеристик (параметров), одно­значно определяющих состояние системы: р, v, Т. При этом для термодинамики при изменении состояния системы представ­ляет интерес не абсолютное значение внутренней энергии, а конечное ее изменение U = U2 - U1. Таким образом, можно говорить, что внутренняя энергия системы зависит только от ее состояния и, следовательно, однозначно определяется любой парой взаимо­связанных макроскопических параметров р, v, Т, например U (v, T) или U (р, Т). Удельная внутренняя энергия u = U/m соответствует внутренней энергии единицы массы вещества. Можно также сказать, что внутренняя энергия является энерге­тической характеристикой состояния системы. Если температура является мерой средней кинетической энергии отдельных молекул (частиц), то внутренняя (или тепловая) энергия относится к полной энергии всех молекул газа. Например, для идеального одноатом­ного газа U = 3mRT/2, где m – масса газа, R –газовая постоянная. Как и любая функция состояния, внутренняя энергия не зависит от процесса перехода системы из одного состояния 1 в другое 2. Теплота и работа В природе существуют различные формы энергетического взаимодействия, т. е. передачи энергии от тела к телу. Среди них важное место принадлежит следующим двум спо­собам, которые изучаются технической термодинамикой: • путем совершения механической работы одним телом над другим; • путем непосредственной передачи энергии от горячего тела к холодному, т. е. в процессе теплообмена. В первом случае изменение внутренней энергии тела количественно равно абсолютному значению работы, произве­денной над ним другим телом в каком-либо процессе. Во втором случае переданная самопроизвольно от более нагре­того тела к менее нагретому энергия в каком-либо процессе назы­вается теплотой процесса. Если обозначить через l, Дж/кг удельную работу, т. е. отне­сенную к 1 кг газа, то работа m кг газа L, Дж, составит L = ml. Аналогично, если q, Дж/кг есть удельная теплота процесса, то для m кг газа теплота процесса Q, Дж будет равна: Q = mq. Английским физиком Джоулем (1843 г.) установлена опытным путем эквивалентность между теплотой и работой, тем самым коли­чественно подтвержден закон сохранения и превращения энергии – между количеством затраченной работы L и количеством полученной при этом теплоты Q существует прямая зависимость, т. е. L = Q. Применительно к объектам изучения термодинамики общий закон сохранения и превращения энергии называется также первым законом термодинамики. В дифференциальной форме его можно выразить уравнением: Работа изменения объема Всякое увеличение объема газа со­провождается совершением работы против сил внешнего давления. Рассмотрим процесс расширения газа в цилиндре с подвижным пор­шнем площадью F при подводе к нему теплоты (рис. 1.2). Рассмотрим в качестве рабочего тела (термодинамической системы) 1 кг газа, который, расширяясь, перемещает поршень из положения 1 в положение 2. Каждому положению поршня между 1 и 2 соответствует свое состояние газа. Поэтому линия 1-2 отражает процесс изменения состояния газа на р,v-диаграмме. Примем на бесконечно малом элементе пути ds давление газа р на поршень постоянным, тогда элементарная работа dl будет равна: dl = pFds = pdv, а суммарная работа l1-2 в процессе 1-2 составит (F – площадь поршня) Графически работа представляет собой площадь фигуры под кривой термодинамического процесса (область, заштрихованная на рисунке). Для разных термодинамических процессов р(v) имеет различный вид, и, следовательно, вычисленная работа процесса будет неодинаковой, т. е. l зависит от процесса. Это наглядно можно показать на р,v-диаграмме. Поскольку графически работа l1-2 изображается в р,v-коор­динатах площадью под кривой процесса р(v), а кривые разных процессов не совпадают друг с другом, то и площади под ними будут отличаться (рис. 1.3). В зависимости от направления процесса работа имеет свой алгебраический знак: работа расширения газа считается положи­тельной, так как dv > 0, а работа сжатия газа считается отрица­тельной, поскольку dv < 0. Если рабочее тело совершает круговой процесс, то работа, произведенная при этом за один цикл, будет равна площади цикла (рис. 1.4), причем lц>0, если кривая процесса изменения состояния тела идет по часовой стрелке, и lц<0 — против часовой стрелки. Энтальпия Уравнение первого закона термодинамики: dq = du + pdv, можно привести и к другой форме, удобной для анализа термодинамических процессов. Для этого продифференцируем произведение рv и найдем pdv: d(pv) = pdv + vdp. Откуда pdv = d(pv) – vdp, после преобразований получим: dq = du + d(pv) – vdp = d(u + pv) – vdp. Введем новую функцию h, Дж/кг: h = u + pv, называемую удельной энтальпией системы. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид: dq = dh – vdp. В изобарическом процессе р = const, dq = dh. Следовательно, изменение энтальпии равно подведенной теплоте в изобарном процессе. На этом основании функция h и называется энтальпией, т. е. тепловой функцией. Теплоемкость При исследовании процессов, протекающих в тепловых машинах и аппаратах, важно уметь рассчитывать количество теплоты процесса. Опыт показывает, что количество теплоты какого-либо процесса пропорционально изменению темпе­ратуры рабочего тела t: так как dt = dT, здесь с, кДж/(кг.К) – коэффициент пропорциональности, физическая величина, называемая удельной теплоемкостью вещества. Удельная теплоемкость тела, следовательно, зависит от хими­ческого состава и параметров состояния рабочего тела, а также от вида процесса, в котором телу сообщается теплота, поскольку теплота есть функция процесса. Например, в адиабатном процессе с = 0, а в изотермическом с = ±. Итак, теплоемкость тела есть отношение количества тепло­ты, полученной им при бесконечно малом равновесном изменении своего состояния в каком-либо процессе, к соответствующему изме­нению температуры тела. Уравнение Майера Важную роль в термодинамике играют изохорная – сv и изобарная cp теплоемкости: сv = dqv /dt; cp = dqp /dt. Запишем уравнение первого закона термодинамики для общего случая реального газа, когда u = u(v,T), h = h(p,T): dq = du + pdv = dh – vdp. Тогда для реального газа имеем по определению: dv = 0, сv = dqv /dT = (du/dT)v , а при dp = 0, cp = dqp /dT = (dh/dT)p. Соответственно для идеального газа, для которого u = u(Т) и h = = h(T), для сv и cp получаем полные производные: сv = du/dT и cp = dh/dT, где сv и cp являются, как и внутренняя энергия, и энтальпия идеального газа, функциями только температуры. Следовательно, для расчета внутренней энергии и энтальпии идеального газа имеем следующие уравнения: du = cv dT и dh = cp dt. Установим связь между изохорной и изобарной теплоемкостями: cp = dh/dT = d(u+pv)/dT = d(u+RT)dT = du/dT + R = cv+R. Отсюда cp = cv + R — уравнение Майера. Так как R > 0, то всегда cp > cv. Продифференцировав уравнение состояния идеального газа в форме рv=RT при р = const, увидим что R = pdv/dT — работа 1 кг этого газа при изменении его температуры на один градус в процессе при р = const. Важное значение при дальнейших исследованиях процессов в газах имеет величина k = cp /cv, называемая показателем адиабаты (k > 1). Отсюда можно показать, что cp = kcv = kR/(k–1)/, cv = R/(k–1). 1.6. Формулировка второго закона термодинамики Первый закон термодинамики утверждает, что в природе теплота и работа эквивалентны и превращаемы. Однако из этого закона не следуют условия, при которых взаимопревращение теплоты и работы возможно, так как не все процессы в природе осуществимы. Первый закон термодинамики не определяет направление переноса теплоты и не дает ответа на вопрос, вся ли теплота переходит в работу или только какая-то ее часть. Такая «ограниченность» первого закона термодинамики не позволяет заранее определить характер процесса и его конечные результаты. Из опыта следует, что теплота переходит самопроиз­вольно только от более нагретого тела к менее нагретому и только путем затраты дополнительной работы над системой можно изменить в ней направление переноса теплоты на обратное естест­венному. Опыт также показывает, что работу можно полностью превращать в теплоту, но обратное превращение всей теплоты в работу невозможно. Из сказанного следует, что между преобразованием теплоты в работу и, наоборот, работы в теплоту существует глубокое качест­венное и количественное различие. Второй закон термодинамики и указывает направление передачи теплоты, а также ту ее долю, которую возможно перевести в работу. В 1850 г. Р. Клаузиус дал следующую формулировку второго закона термодинамики в виде постулата: «Теплота не может переходить от холодного тела к более нагретому сама собой даровым процессом, т. е. без компен­сации». Под «компенсацией» здесь понимается подведение к рабо­чему телу работы извне. Следует иметь в виду, что постулат Клаузиуса не является абсолютным законом природы, поскольку определен в земных условиях, т. е. для конечных систем. У. Томсон (1851 г.) дал другую формулировку второго закона термодинамики, суть которой состоит в следующем: «Не вся теплота, полученная от теплоотдатчика, может перейти в работу, а только некоторая ее часть. Другая ее часть неизбежно должна перейти в теплоприемник». Из постулата Томсона следует, что построить вечный двига­тель второго рода (вечным двигателем первого рода называют все двигатели, которые работали бы вопреки первому закону термо­динамики), который создавал бы работу за счет использования только источника теплоты, например внутренней энергии океана, не представляется возможным. Коротко этот вывод В. Оствальд (1892 г.) сформулировал следующим образом: «Осуществление вечного двигателя второго рода невозможно». Обобщая все формулировки второго закона термодинамики, можно сказать, что любой реальный самопроизвольный процесс явля­ется необратимым. Поэтому для существования теплового двига­теля необходимо наличие теплоотдатчика (горячего источника), рабочего тела и теплоприемника (холодного источника). Энтропия Необходимость введения понятия энтропии впервые была показана Р. Клаузиусом (1850 г.) в результате анализа круго­вых процессов при выводе второго закона термодинамики. Так, работа, определяемая интегралом или площадью фигуры под кривой термодинамического процесса, совершается рабочим телом в термодинамической системе только тогда, когда изменя­ется объем. Давление при этом может оставаться постоянным или функционально зависеть от объема. Однако, если р = 0, то и l = 0 при любом изменении объема. Работа является одним из видов обмена энергией термодинамической системы с внешней средой. Обмен энергией может происходить в виде передачи того или иного количества теплоты q, которое, как и l, можно подсчитать в виде интеграла, совпадающего по форме с интегралом для определения работы. И как давление определяет возможность совершения работы, так и температура является очевидным признаком возможности передачи энергии в виде теплоты. Однако, измеряя температуру, не всегда можно определить количество переданной теплоты. Для определения теплоты q необходимо проинтегрировать dq = du + pdv (уравнение первого закона термодинамики), что становится возможным, если умножить каждый член уравнения на 1/Т. Получим dq/Т = du/Т + pdv/Т, где dq/Т = ds или dq = Tds. Интеграл этого выражения дает значение теплоты процесса q. Параметр, который изменяется только в зависимости oт количества переданной теплоты подобно тому, как объем при совершении работы, был назван энтропией S. Энтропия не может быть измерена каким-либо образом, как, например, объем, и определяется только расчетным путем. Удельная энергия s = S/m (m – масса газа). Например, ds = du/Т + pdv/Т, тогда (напомним, что du = cv dT, а p/T = R/v) изменение энтропии Δs = ∫( du/Т + pdv/Т) = cv (lnT2 – lnT1) + R(lnV2 – lnV1). Величина ds = dq/T является полным дифферен­циалом, а функция s есть функция состояния системы. Как функ­ция состо­яния системы энтропия однозначно определяется (так же, как и функции состояния u и h) любой парой термодинамических параметров состояния. Если равновесный процесс изобразить в T-s координатах, как T = f(s), то площадь под кривой процесса (интеграл выражения dq = Tds) покажет теплоту – q (рис. 1.5), подве­денную (ds > 0, dq > 0) или отведенную (ds < 0, dq < 0) в процессе (аналогично тому, как может быть показана работа процесса в системе p-v координат). Введение понятия энтропии оказало большое влияние на раз­витие термодинамики. Параметры u, h, s однозначно описывают любое состояние термодинамической системы и называются кало­рическими параметрами состояния. Между калорическими пара­метрами состояния u, h, s и термическими параметрами состоя­ния p, v, T существует взаимно однозначное соответствие. Подставив dq = Tds в уравнение первого закона термодина­мики, получим выражение Tds = du + pdv, которое называется основным уравнением термодинамики. Круговые процессы Рассмотрим круговой обратимый процесс (цикл) 1-В-2-А-1 на примере расширения идеального газа в цилиндре с поршнем (рис. 1.6). Две адиабаты SA = const и SB = const, касающиеся цикла в точках А и В, делят его на верхний А-1-В и нижний В-2-А участки подвода или отвода тепла. В прямом цикле на верхнем участке А-1-В теплота q подводится к рабочему телу и соответственно на нижнем участке В-2-А теплота q < 0 отводится от него. При любом однократном расширении газа в процессе 12 можно получить лишь ограниченное количество работы (l = площадь фигуры, ограниченной кривой 1234). Следовательно, для последующего получения новой порции работы необходимо, совершив предварительно процесс сжатия, возвратить рабочее тело в начальное состояние 1, т. е. выполнить цикл. Это возможно осуществить тремя путями: по той же кривой 21 (в этом случае суммарная работа цикла равна нулю), по кривой 2В1 (это случай обратного цикла, в котором работа сжатия газа больше работы расширения) и, наконец, по кривой 2А1 (случай прямого цикла, в котором работа сжатия меньше работы расши­рения газа, т.е. циклом совершается положительная работа Lц = пл. 1В2А1). Многократно повторяя цикл 1В2А1, можно получить за счет циклически подводимой теплоты соответствую­щее количество работы. Цикл, в результате которого производится работа, называется прямым циклом или циклом теплового двигателя. Цикл, в результате которого поглощается работа, называется обратным или циклом холодильной машины. Циклы, состоящие только из равновесных обратимых процессов, называются идеальными. В этих циклах рабочее тело не подвергается химическим изменениям. Если один из процессов, составляющих цикл, необратим, то и весь цикл будет необратимым. Исследование любого обратимого цикла показывает, что для его осуществления необходимо на участке возрастания энтропии (кривая А-1-В) в каждой точке, имеющей свою температуру T(s), равновесно подводить к рабочему телу теплоту q1(T) от внешнего горячего источника, а на участке цикла (кривая В-2-А), где энтропия убывает, в каждой точке с температурой T(s) равновесно отводить от рабочего тела теплоту q2(T) к холодному источнику. По определению равновесного процесса равновесный подвод и отвод теплоты предполагают равенство или бесконечно малую разницу температур между горячим и холодным источниками и рабочим телом в каждой точке кривых А-1-В и В-2-А. Следова­тельно, для осуществления равновесного обратимого (идеального) цикла необходимо иметь рабочее тело, совершающее круговой процесс с функцией T(s), и соответствующий этой функции набор горячих и холодных источников теплоты q1(T) и q2(T). Для прямого обратимого цикла теплового двигателя q1 > 0, a q2 < 0, и суммарное количество теплоты, полученное рабочим телом за цикл, составит где q1 и q2 – соответственно подведенная и отведенная теплота. Из уравнения первого закона термодинамики для данного слу­чая следует: qц = u + lц, но для замкнутого процесса u = 0, тогда lц = q1 - q2 , т. е. алгебраическая сумма подведенной и отведенной за цикл теп­лоты перешла в работу цикла. Ясно, что работа равно­весных обра­тимых циклов максимальна, поскольку они являются по опре­делению идеальными. Если же цикл будет необратимым из-за необратимости хотя бы какого-либо одного из составляющих его процессов, то появляются дополнительные внутренние потери теплоты на трение, вихре­образование и др., что приводит к уменьшению работы цикла. Следовательно, работа обратимого цикла больше работы необ­ратимого цикла. КПД цикла Характеристикой эффективности прямого цикла теплового дви­гателя является отношение максимальной работы цикла к коли­честву подведенной к рабочему телу теплоты, называемое терми­ческим коэффициентом полезного действия (КПД) цикла: КПД цикла указывает долю затраченной за цикл теплоты (располагаемой), которая может быть превращена в работу цикла. КПД любого необратимого цикла меньше КПД соответствующего обратимого цикла. Аналогичным образом можно определить коэффициент эффек­тивности обратного цикла (цикла холодильной машины), он назы­вается холодильным коэффициентом цикла и равен: Холодильный коэффициент показывает, какое количество теп­лоты, отводимое от холодного источника, приходится на единицу затраченной для этого работы. 1.7. Цикл Карно В общем случае для осуществления рабочим телом обратимого цикла требуется бесконечное число горячих и холодных источ­ников теплоты. Французский инженер С. Карно (1824 г.) представил предель­ный обратимый цикл только с одним горячим с температурой Т1 и одним холодным с температурой T2 источниками теплоты. Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат (рис. 1.7). На этом рисунке показано, что подвод теплоты q1 в прямом цикле Карно осуществляется при расширении газа по верхней изотерме 12 (Т1 = const). Отвод теплоты q2 к холодному источнику происходит при сжатии газа по нижней изотерме 34 (T2 = const). Используя соотношение для КПД прямого обратимого цикла, получаем для прямого цикла Карно следующее выражение: Из формулы для КПД цикла Карно можно сделать следующие выводы: 1. КПД цикла Карно зависит только от абсолютных значений температур горячего и холодного источника теплоты и тем боль­ше, чем больше разница T = Т1 – Т2. 2. Поскольку условие соотношения Т2/Т1 = 0 является гипо­тетическим и реально не осуществимым, то КПД цикла Карно всегда меньше единицы (к < 1). 3. В условиях теплового равновесия, когда Т1 = Т2, КПД цикла Карно равен нулю (к = 0). 4. КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела, а зависит только от абсолютных температур горячего и холодного источников теплоты (теорема Карно). 5. Цикл Карно имеет максимальный коэффициент полезного действия среди всех возможных обратимых циклов, которые можно осуществить между двумя заданными изотермами. Поэтому цикл Карно может служить эталоном эффективности циклов. Аналогично формуле для прямого цикла, используя те же вы­ражения для q1 и q2, получаем формулу эффективности обратного обратимого цикла Карно (холодильный коэффициент): Следовательно, обратный обратимый цикл Карно имеет макси­мальную эффективность и служит эталоном эффективности обрат­ных циклов, используемых в холодильной технике. 1.8. Математическая формулировка второго закона термодинамики Анализ обратимого и необратимого циклов Карно дает воз­можность оценить поведение энтропии термодинамических систем в различных процессах. Рассмотрим сначала прямой обратимый цикл Карно. Для него Тогда можем записать q2 /q1 = T2 /T1 или q2 /T2 = q1 /T1 . Переобозначим с учетом знака у q, где q1 > 0 и q2 < 0 означают знаки подвода и отвода теплоты в цикле. Тогда q1 /T1 - (-q2 / T2) = 0, и, следовательно, имеем q1/T1 + q2/T2 = (q/T) = 0. Здесь отношение q/T называется приведенной теплотой, а урав­нение означает, что количество теплоты, подведенной к рабочему телу и отведенной от него, пропорционально абсолютной темпера­туре. Произвольный прямой обратимый цикл можно представить суммой бесконечного числа элементарных циклов Карно, для каждого из которых (q/T)=0. Следовательно, для прямого обратимого цикла Карно алгебраи­ческая сумма приведенных теплот равна нулю. Переходя в пределе от суммы к интегралу, получаем . Полученное уравнение носит название первого интеграла Клаузиуса и является математическим выражением второго закона термодинамики. По аналогии с предыдущими рассуждениями следует, что для необратимого цикла Карно (q/T) < 0. Соответственно для произ­вольного необратимого цикла имеем всегда . Интеграл называется вторым интегралом Клаузиуса. Объединяя обратимые и необратимые циклы, получаем для них следующее обобщенное неравенство: . В этом выражении знак равенства относится к обратимым циклам, а знак неравенства – к необратимым циклам. Отметим, что неравенство относится не к рабочему телу в отдельности, а к полной системе «теплоотдатчик – рабочее тело – теплоприемник». Поэтому температура Т относится к источнику, в случае обратимого (равновесного) цикла она равна температуре рабочего тела. Пусть замкнутый цикл состоит из двух процессов: обратимого и необратимого, тогда интеграл Клаузиуса можно представить в виде: Для обратимого процесса тогда для необратимого процесса или то есть Второй закон термодинамики можно представить в следующем виде: или В замкнутой термодинамической системе dq = 0. Это означает, что энтропия необратимых процессов возрастает. В свое время вывод о возрастании энтропии в изолированной системе привел Р. Клау­зиуса к выводу о неизбежности «тепловой смерти» Вселен­ной, которая должна наступить, когда все виды энергии во Вселенной перейдут в энергию теплового движения, равномерно распреде­ленную по всему веществу Вселенной. После этого в ней прекра­тятся все макроскопические процессы. Это утверждение Р. Клаузиуса убедительно опровергается со­временной космологией. Вселенная не является изолированной системой, кроме того, если учесть тяготение как неотъемлемое свойство Вселенной, то оказывается, что изотермное распреде­ление энергии во Вселенной не является наиболее вероятным. Все­ленная непрерывно расширяется, и почти однородное в начале расширения вещество под действием сил тяготения с течением времени распадается, образуя галактики, звезды, планеты. Эти процессы полностью соответствуют законам термодинамики (в результате их протекания энтропия возрастает) и осуществляются постоянно, так как являются свойством Вселенной. Поэтому максимум энтропии, к которому стремится Вселенная, оказывается недостижимым, и «тепловая смерть» Вселенной невозможна. 1.9. Термодинамические процессы идеального газа В общем случае при тепловом и механическом взаимодействии рабочего тела с внешней средой изменяются термические (р, v, Т) и калорические (u, h, s) параметры состояния тела. Эти изменения описываются общими законами термодинамики. Отсюда следует основная цель термодинамического анализа: на основе общих закономерностей поведения термодинамических систем выявить частные особенности конкретных процессов. Термодинамический анализ любой системы предполагает: вывод уравнения процесса и связи между термическими параметрами в характерных состояниях; определение работы процесса – l, теплоты процесса – q, изменения калорических параметров состояния в исследуемом процессе – Δu, Δh, Δs. Рассмотрим основные термодинамические процессы, протека­ющие в идеальном газе и имеющие широкое применение в тепло­технике. Изохорный процесс (закон Шарля). По определению урав­нение изохорного процесса (изохора) v = const (dv = 0). Изохорный процесс на рис. 1.8 представлен в р, v-координатах. 1. Найдем связь между параметрами состояния газа в изохорном процессе: уравнение состояния pv = RT будет иметь вид: R/v = = p/T = const. 2. Работа процесса: dl = pdv, dv= 0, l =0. 3. Теплота процесса: q = Δu +Δl = cv(T2-T1) +0 = cv(T2-T1). 4. Изменение внутренней энергии: Δu = cv(T2-T1). 5. Изменение энтальпии: Δh = cp(T2-T1). 6. Изменение энтропии: Изобарный процесс (закон Гей-Люссака). Изобарный процесс и работа процесса представлены на рис. 1.9. Уравнение изобары имеет вид: р=const (dp = 0). 1. Из уравнения состояния получим v/Т = R/р = const. 2. Работа процесса: dl = pdv, l = p(v2-v1) = pΔv. 3. Теплота процесса: q = Δh = cp(T2-T1) - 0 = cp(T2-T1). 4. Изменение внутренней энергии: Δu = cv(T2-T1). 5. Изменение энтальпии: Δh = cp(T2-T1). 6. Изменение энтропии: Изотермический процесс. При изотермическом процессе основное уравнение изотермы записывается следующим образом: T = const (закон Бойля-Мариотта). 1. Из уравнения состояния получим рv = RТ = const и р1v1 = = р2v2. Отсюда следует, что в изотермическом процессе давление и объем газа (рис. 1.10) связаны между собой обратно пропор­циональной зависимостью. 2. Работа процесса: 3. Теплота процесса: q = l = TR ln(v2/v1). 4. Изменение внутренней энергии: Δu = cv(T2-T1) = 0. 5. Изменение энтальпии: Δh = cp(T2-T1) = 0. 6. Изменение энтропии: Δs = q/T = l/T = R ln(v2/v1). Адиабатный процесс – обратимый термодинамический про­цесс, протекающий без теплообмена рабочего тела с внешней средой. Из условия адиабатного процесса dq = 0 или ds =dq/T = 0. Это значит, что обратимый адиабатный процесс является также изоэнтропным процессом (рис. 1.11). 1. Уравнение, связывающее параметры состояния рvk = const (адиабата Пуассона), где k = cp/cv. 2. Работа процесса: l = -Δu = -cv(T2 - T1) = cv(T1 - T2) = (p1v1 - p2v2)/(k - 1). 3. Теплота процесса: q = 0. 4. Изменение внутренней энергии: Δu = cv(T2 - T1). 5. Изменение энтальпии: Δh = cp(T2 - T1) = k Δu. 6. Изменение энтропии: Δs = q/T = 0. Политропные процессы – обратимые термодинамические процессы. Политропный процесс является процессом, обобща­ющим все рассмотренные выше процессы. Политропные процессы используются при анализе процессов в газовых двигателях, так как часто реальные процессы в них не являются ни адиабатными, ни изотермическими, а занимают промежуточное положение. 1. Уравнения связи для любых двух состояний газа в поли­тропном процессе имеют вид: рv n = const, с постоянным и произ­вольным значениями показателя политропы n (–∞ < n < +∞, т. е n = 0 соответствует изобарному процессу, n = 1 – изотермическому про­цессу, n = k – адиабатному и n = ±∞ – изохорному процессам). 2. Работа процесса (по аналогии с адиабатным процессом): l = = (p1v1 - p2v2)/(n - 1) = R(T1 – T2)/(n - 1). 3. Теплота процесса: qn = cnΔT = cv[(n - k )/(n - 1)](T2 - T1). 4. Изменение внутренней энергии: Δu = cv(T2 - T1). 5. Изменение энтальпии: Δh = cp(T2 - T1) = k Δu. 6. Изменение энтропии: ΔS = cv[(n - k )/(n - 1)] ln(T2/T1). 1.10. Основные свойства и термодинамические диаграммы воды и водяного пара Реальный газ в отличие от идеального состоит из молекул конечного объема, связанных между собой силами взаимодействия, имеющими электромагнитную природу. При достаточно больших расстояниях между молекулами силы взаимодействия становятся малыми и реальный газ переходит в идеальный. Все газы являются парами какого-либо вещества, поэтому принципиальной разницы между понятиями газ и пар нет. Неко­торое различие между этими понятиями, которое носит условный харак­тер, заключается в том, что под паром часто имеют в виду газ с температурой, близкой к температуре парообразования (насыще­ния). Другими словами, пар – это газ, находящийся в динами­ческом равновесии со «своим» жидким состоянием. Можно также сказать, что газ – это перегретый пар. Для паров коэффициент сжимаемости отличается от единицы, поэтому они относятся к реальным газам. Это обстоятельство можно также отнести к харак­терному признаку пара. Водяной пар является реальным газом и широко используется в качестве рабочего тела в технике и в особенности в тепло­энергетике. Водяной пар получается в процессе испарения воды при подводе к ней теплоты в теплообменных аппаратах, например в паровых котлах. Разные стадии процесса парообразования при постоянном давлении удобно иллюстрировать в р, v-координатах (рис. 1.12). Проследим процесс перехода воды в водяной пар по изобаре р = const (линия аа'а"d). Отметим три характерных отрезка изобары. Отрезок аа' расположен в области жидкости (воды) и соответствует ее подогреву до температуры кипения (насыщения) tн (точка а'). Отрезок а'а" соответствует процессу парообразования при р = const и tн = const, когда вся подводимая теплота идет только на переход кипящей воды в пар. Это двухфазная область, где жидкость сосуществует, находясь в динамическом равновесии вместе со своим паром до тех пор, пока вся она не превратится в пар. Пар в двухфазной области называется влажным (насыщенным) паром. Влажный пар характеризуется степенью его сухости: x = mп/(mп+mж), где mп и mж – массы пара и кипящей воды во влажном паре при температуре насыщения tн – в точке а', х = 0; далее по всему двухфазному отрезку изобары а'а" степень сухости пара х растет, и в момент (точка а"), когда последняя капля воды испарится, пар становится сухим насыщенным (при t = tн), то  есть х = 1. Сообщаемая в двухфазной области а'а" теплота qп в расчете на 1 кг кипящей воды называется теплотой фазового перехода или теплотой парообразования r, Дж/кг, qп = r, а для всей массы кипящей воды Q = mr (Дж). Правее точки а" по изобаре нагрев сухого пара сопровож­дается повышением его температуры (t > tн), и пар становится перегретым. Если процесс изобарно-изотермного парообразования повторить и при других значениях давления, вплоть до критического давления ркр = 221,29·10 5 Па, то во всех случаях он также пройдет через три стадии – подогрев воды до температуры насыщения tн, испарение ее при tн = const и перегрев пара до температуры tп > tн. Линия а'К (х = 0) – пограничная кривая жидкости – определяет состояние кипящей жидкости. Линия а"К (х = 1) характеризует состояние сухого насыщенного пара и называется пограничной кривой пара. Пограничные кривые сопрягаются в точке К, называемой критической точкой воды и водяного пара. Параметры этой точки: ркр = 221,29·105 Па, tкр=374,15°С, vкр=0,00326 м3/кг. Следовательно, левее линии а'Кf точки плоскости р, v характеризуют состояние воды, а справа от линии а"Кf – состояние перегретого водяного пара. Промежуточная область а'Ка" – двухфазная область влажного пара (0 < х < 1). В области 0 < x < 1 изотермы совпадают с изобарами. Для справки. Точка, в которой одновременно сосуществуют в равновесии три фазы (твердая, жидкая и газообразная), называется тройной точкой. Для воды тройная точка расположена на пересечении изотермы tтр = 0,01°С и пограничной кривой а'К и соответствует давлению ртр = 611 Па. Определение термодинамических параметров пара Уравнения состояния для реальных газов, в том числе и для водяного пара, сложны, поэтому их использование в инженерной практике расчетов термодинамических процессов ограничено. Обычно их заменяют термодинамическими таблицами и диаграммами, состав­ленными на основе теоретических расчетов и экспериментальных ис­следований индивидуальных веществ. В России в основном исполь­зуются таблицы термодинамических свойств воды и водяного пара, составленные М. П. Вукаловичем в широком диапазоне изменения температур и давлений (t =  0800°С, р = 0,01100 МПа). В основу таблиц положены теоретические расчеты по урав­нению состояния М. П. Вукаловича и И. И. Новикова с привлече­нием экспериментальных данных. Поскольку для воды и водяного пара tн = tн(р), то таблицы составлены либо по давлению, либо по температуре. Зная один из этих параметров, можно по таблицам найти другие: удельный объем, энтальпию и энтропию в характерных точках. Обычно удельный объем, энтальпия и энтро­пия для кипящей воды (x = 0) обозначаются штрихом: v', h', S', для сухого насыщенного пара (х = 1) – соответственно двумя штри­хами: v", h", S", а для перегретого пара – без штрихов: v, h, S. За начало отсчета этих параметров условились принимать их нулевые значения в тройной точке. Внутренняя энергия вычисляется по соответствующим таблич­ным данным по формуле: u = h - pv. Теплота процесса при р = const определяется начальным и конечным значениями энтальпии: qp = h2 – h1. T,s-диаграмма водяного пара используется для анализа разомкнутых процессов и циклов благодаря своей наглядности. Диаграмма строится на основе таблиц Вукаловича (рис. 1.13). На диаграмму наносят, кроме сетки изобар и изохор, также и линии х = const. Самая нижняя изобара соответствует тройной точке (Tтр = 273,12 К). Т,s-диаграмма позволяет наглядно оценить изменение температуры водяного пара и теплоту в различных процессах, а также КПД цикла. Неудобство использования T,s-диаграммы состоит в необходимости измерения площадей. В инженерной практике расчетов изменения параметров со­стояния водяного пара в различных термодина­мических процессах наряду с таблицами широко используется h,s-диаграмма, построен­ная на их основе. Обычно для повышения точности расчетов на h, s-диаграмме водяного пара изображается в укрупненном масс­штабе ее верхняя часть, которая больше всего используется на практике. Основное свойство этой диаграммы заключается в том, что она позволяет сразу же без дополнительных расчетов оценить с достаточной для инженерной практики точностью для какого-либо состояния пара числовые значения до шести термодина­мических параметров: h, s, v, р, t и х. Остальные же необходимые термодинамические величины рассчитываются с помощью най­денных по h, s-диаграмме параметров путем несложных вычис­лений. Это – работа и теплота процесса, а также изменение внутренней энергии водяного пара. 2. Тепловые машины 2.1. Двигатели внутреннего сгорания Основные характеристики; индикаторная, эффективная и литровая мощность; идеальные циклы; термический КПД цикла В зависимости от способа подвода теплоты к рабочему телу все существующие тепловые двигатели можно разделить на две группы – двигатели внешнего и внутреннего сгорания. К первой группе относятся такие тепловые двигатели, у ко­торых подвод теплоты к рабочему телу, т. е. процесс сгорания, осуществляется вне самого двигателя. Это, например, паровые двигатели – паровые машины и турбины. Для этих двигателей рабочим телом служит водяной пар, получаемый в котельных установках и подаваемый к соплам рабочих колес турбины или в парораспределительное устройство паровых машин. Ко второй группе относятся такие тепловые двигатели, в которых подвод теплоты к рабочему телу осуществляется при непосредственном сжигании топлива в смеси с необходимым количеством воздуха внутри самого двигателя. В результате химического соединения горючих частей топлива (С, H2, S) и кислорода воздуха образуются продукты сгорания топлива – газовая смесь, которая и является рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания. Этот тип двигателя в широком понимании является газовым двигателем, так как топливом для него принципиально может служить любое горючее: твердое, жидкое, газообразное. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС), работающие на газообразном топливе, называют газовыми в узком смысле. В них горючий газ (генераторный, сжиженный и др.) смешивается в определённой пропорции с воздухом и в виде такой горючей смеси поступает в двигатель, где и воспламеняется электрической искрой. В результате сгорания выделяется теплота, продукты горения расширяются и производят работу. Жидкое топливо – бензин, спирт, керосин, дизельное топливо (смесь газойля и солярового масла), нефть – вводится в двигатель в распыленном состоянии с определённым количеством воздуха, в результате чего образуется горючая смесь. Непосредственное использование в ДВС твердого топлива, вводимого в рабочее пространство в виде пыли, пока не дало удовлетворительных результатов, так как не удается добиться хорошего перемешивания горючего с воздухом и удаления из двигателя золы. Поршневые двигатели внутреннего сгорания Один из самых распространенных двигателей – поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Его устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д., во всем мире насчитываются сотни миллионов таких двигателей. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания – бензиновые и дизели. Бензиновые двигатели внутреннего сгорания работают на жидком горючем (бензине, керосине и т. п.) или на горючем газе (сохраняемом в сжатом виде в стальных баллонах или добываемом сухой перегонкой из дерева). Проектируют двигатели, для которых горючим будет водород. Основная часть ДВС – один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда и название двигателя. Принцип работы поршневого ДВС заключается в том (рисунок 2.1), что под воздействием давления газов движение поршня (г) в цилиндре (а) через шатун передается на коленчатый вал. Рабочий цилиндр и головка его, где размещаются клапаны и свеча зажигания (в), имеют рубашки при жидкостном охлаждении или ребра при воздушном охлаждении во избежание перегрева и разрушения стенок под воздействием высоких температур и давления рабочего тела. Органы впуска и выпуска рабочего тела в поршневых ДВС чаще всего выполняют в виде тарельчатых клапанов, которые открываются в нужные моменты с помощью рычагов, штанг и толкателей, приводимых в движение от кулачков (кулачки нахо­дятся на распределительном валу, имеющем привод от коленчатого вала двигателя). Внутри цилиндра движется поршень – металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами (б – поршневые кольца), вложен­ными в канавки на поршне. Поршневые кольца не пропускают газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутки между поршнем и стенками цилиндра. Поршень снабжен металлическим стержнем – пальцем, он соединяет поршень с шатуном. Шатун передает движения поршня коленчатому валу. Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, закры­тыми клапанами. Через один из каналов – впускной – подается горю­чая смесь, через другой – выпускной – удаляются продукты сгора­ния. В верхней части цилиндра помещается свеча – приспособление для зажигания горючей смеси посредством электрической искры. Наибольшее распространение в технике получил четырехтактный двигатель. Рассмотрим его работу (рис. 2.1). 1-й такт – впуск (всасывание). Открывается впускной клапан. Поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь. 2-й такт – сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, при сжатии она нагревается. 3-й такт – рабочий ход. Поршень достигает верхнего положения. Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов – раскаленных продуктов горения – толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым производится полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного. 4-й такт – выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу. Из 4 тактов двигателя только один, третий, – рабочий. Поэтому двигатель снабжают маховиком, инерционным двигателем, запасающим энергию, за счет которой коленчатый вал вращается в течение остальных тактов. Отметим, что одноцилиндровые двигатели устанавливают главным образом на мотоциклах. На автомобилях, тракторах для более равномерной работы ставят 4, 6, 8 и более цилиндров на общем валу. Двигатели с цилиндрами, установленными в виде звезды вокруг одного вала, получили название звездообразных. Мощность звездообразных двигателей достигает 4 МВт. Используют их главным образом в авиации. Дизель – другой тип двигателя внутреннего сгорания. Воспла­менение в его цилиндрах происходит при впрыскивании топлива в воздух, предварительно сжатый поршнем и, следовательно, нагре­тый до высокой температуры. Этим он отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания, в котором используется особое устройство для воспламенения топлива. Первый дизельный двигатель был построен в 1897 г. немецким инженером Р. Дизелем и получил название от его имени. Рудольф Дизель (1858 – 1913) Рудольф Дизель – выдающийся немецкий инженер-изобретатель. В истории техники известны имена таких изобретателей, как Т. А. Эдисон, Н. Тесла, В. Г. Шухов, которые подарили миру сотни идей и решений. У Р. Дизеля только одно детище, но зато такое, без которого сегодня немыслим мир машин. Это – двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, носящий имя его создателя. Еще студентом Мюнхенской высшей политехнической школы Р. Дизель увлекся идеей повысить КПД паровой машины, который выше 10% поднять не удавалось. Но путь от теории к воплощению мечты оказался труден, потребовал многих лет творческого труда. Наконец в 1892 г. Р. Дизель получил патент на изобретенный им четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. В цилиндре двигателя изобретатель решил сжимать не горючую смесь, а чистый воздух. И только к концу сжатия, когда температура достигала 600-650°С, в цилиндр под сильным давлением впрыскивалось жидкое топливо. Оно немедленно воспламенялось, и газы, расширяясь, двигали поршень. Так, Р. Дизелю удалось значительно повысить КПД двигателя. К тому же здесь не нужна была система зажигания. Двигатель Дизеля очень экономичен, работает на дешевом топливе. Впервые построенный в 1897 г. двигатель Дизеля сразу же нашел применение, был оценен во многих странах. Но у себя на родине Р. Дизель не нашел признания и тяжело это переживал. Сентябрьским днем 1913 г. он сел на пароход, отправлявшийся в Лондон. Там его видели в последний раз. Обстоятельства его гибели остались неизвестными. Созданный Дизелем двигатель продолжает работать и совершенствуется. Конструктивно дизель мало чем отличается от бензинового двигателя внутреннего сгорания. На рисунке 2.2 видно, что у него есть цилиндр, поршень, клапаны. И принцип действия дизеля тот же. Но есть и отличия: в головке цилиндра находится топливный клапан – форсунка. Назначение ее – в определенные фазы враще­ния коленчатого вала впрыскивать топливо в цилиндр. Клапаны, топливный насос, питающий форсунку, получают движение от распределительного вала, который, в свою очередь, приводится в движение от коленчатого вала двигателя. Пусть начальным положением поршня будет верхняя мертвая точка (рис. 2.3). При движении поршня вниз (1-й такт) открывается впускной клапан, через который засасывается воздух. Впускной клапан при обратном ходе поршня закрывается и в продолжение всего 2-го такта остается закрытым. В цилиндре дизеля происходит сжатие воздуха (в бензиновом двигателе внутреннего сгорания на этой фазе сжимается горючая смесь). Степень сжатия в дизелях в 2–2,5 раза больше, вследствие чего температура воздуха в конце сжатия поднимается до темпе­ратуры, достаточной для воспламенения топлива. В момент под­хода поршня в верхнюю мертвую точку начинается подача топлива в цилиндр из форсунки. Попадая в горячий воздух, мелко распы­ленное топливо самовозгорается. Сгорание топлива (в 3-м такте) происходит не сразу, как в бензиновых двигателях внутреннего сгорания, а постепенно, в продолжение некоторой части хода поршня вниз, объем пространства в цилиндре, где топливо сгорает, увеличивается. Поэтому давление газов во время работы форсунки остается постоянным. Когда поршень возвращается в нижнюю мертвую точку, откры­вается выпускной клапан, и давление газов сразу падает, после чего заканчивается 4-й такт, поршень возвращается в верхнюю мертвую точку. Далее цикл повторяется. Дизель относится к наиболее экономичным тепловым двига­телям (КПД достигает 44%), он работает на дешевых видах топлива. Сконструированы и построены двигатели мощностью до 30000 кВт. Дизели используются главным образом на судах, тепловозах, тракторах, грузовиках, передвижных электростанциях, а в последнее время и на легковых автомобилях. Поршневые двигатели внутреннего сгорания широко применя­ются во многих отраслях народного хозяйства. Все современные автомобильные, тракторные, большая часть судовых двигателей малой и средней мощности, а также ряд двигателей стационарных установок являются поршневыми ДВС. Это объясняется рядом их преимуществ: 1) отсутствие громоздкой котельной установки, а следова­тельно, меньшие размеры помещений для размещения силовой установки; 2) постоянная готовность к пуску и немедленному приему нагрузки, а также отсутствие расхода горючего в нерабочий период двигателя; 3) малая потребность в воде, К недостаткам ДВС следует отнести: а) ограниченность запасов жидкого и газообразного топлива по сравнению с твердым топливом, которое применяется преимущест­венно в паросиловых установках; б) трудность использования теплоты отработавших газов; в) невозможность получения высокой мощности в одном агрегате из-за больших инерционных усилий, возникающих от возвратно поступательно движущихся деталей при повышении час­тоты вращения коленчатого вала (предельная мощность современ­ных ДВС, как правило, не более 3,5-4 МВт). Из описания принципа работы поршневых двигателей видно, что в них по существу не происходит круговых процессов. Это обусловлено тем, что газообразные продукты горения после расширения и отдачи с помощью поршня энергии на коленчатый вал удаляются из цилиндра двигателя, а на их место поступает свежая порция горючей смеси, химический состав которой в результате последующего процесса сгорания меняется. Однако условно можно говорить о круговом процессе работы двигателя внутреннего сгорания, если не принимать в расчет химических изменений. Допускаемая при этом неточность мала, так как, несмотря на коренное изменение химического состава рабочего тела при сгорании, газовые постоянные горючей смеси и продуктов горения незначительно отличаются одна от другой. С теоретической точки зрения желательно, чтобы в ДВС, как во всяком тепловом двигателе, осуществлялся цикл Карно. Но в действительности он оказывается неэффективным, так как из-за малой разницы в наклоне изотерм и адиабат для газов при большой разности температур Т2 и Т1 (Т2 = 250 – 300 К; Т1 = 2000 – 2500 К) внутренняя площадь цикла в диаграмме (рис. 1.7.) получается весьма узкой и сильно вытянутой в вертикальном и горизонтальном направлениях, вследствие чего увеличиваются объемы и давления в мертвых точках. При степени расширения больше 20 (в дизельных двигателях) получаются громоздкие цилиндры, что уменьшает вследствие больших потерь на трение фактическое использование теплоты. Поэтому для снижения макси­мальных давлений и получения меньшей степени расширения изотермические процессы заменяют изохорными процессами или изобарным процессом с изохорным. Различие между циклами состо­ит в том, что в первом процессе сгорание осуществляется при посто­янном объеме, а во втором – при постоянном давлении. В соот­ветствии с этим циклы поршневых ДВС по характеру подвода теп­лоты к рабочему телу можно разделить на следующие три группы: 1) циклы с подводом теплоты по изохоре (цикл Отто). Действие двигателя внутреннего сгорания можно приближенно представить как обратимый цикл, называемый циклом Отто, который показан на рисунке 2.4. Участки цикла ab и cd соответствуют постоянному объему, а участки bc и da являются адиабатическими. Участки bc и cd соответствуют стадиям сжатия и сгорания газов, da и ab – рабочего хода и выпуска (на диаграмме стадия впуска не изображена). 2) циклы с подводом теплоты по изобаре (цикл Дизеля). Действие двигателя Дизеля можно приближенно представить в виде идеализированного цикла, изображенного на рисунке 2.5. Воздух засасывается в цилиндр двигателя во время стадии впуска (не изображенной на диаграмме). Затем воздух сжимается адиаба­тически на участке аb. В точке b в цилиндр впрыскивается дизельное топливо, которое сразу воспламеняется благодаря очень высокой температуре в цилиндре. Процесс сгорания идет медленно, так что в течение первой части рабочего хода газ расширяется при (почти) постоянном давлении по пути bc; остальная часть рабочего хода после загорания смеси является адиабатической (участок cd). Участок da соответствует стадии выпуска. 3) смешанные циклы (рис. 2.6), в которых подвод теплоты осуществляется частично по изохоре, а частично по изобаре (цикл Тринклера). Здесь, как в дизельном двигателе, сжимается воздух, затем впрыскивается бензин и воспламеняется искрой свечи. Подвод тепла осуществляется по изохоре и изобаре (b-c-d), далее как у дизеля. Отдача теплоты к холодному источнику во всех этих циклах осуществляется только в изохорном процессе. Эти три вида циклов состоят из обратимых термодинамических процессов. При иссле­довании этих циклов стремятся определить условия для получения максимального КПД. 2.2. Холодильные машины Принцип действия холодильника или теплового насоса (например, используемого для создания теплового потока снаружи внутрь дома или наоборот; в последнем случае устройство называется воздушным кондиционером) состоит в обращении рабочих стадий теплового двигателя. Как показано схематически на рисунке 2.7, совершая работу L, можно отобрать некоторое количество теплоты из области с низкой температурой TL (например, из внутреннего объема холодильника) и затем отдать большее количество теплоты в область с высокой температурой Тн (например, в комнату). Вы можете без труда ощутить эту теплоту, поднося руку к задней стенке холодильника. Работа L совершается обычно мотором компрессора, который сжимает рабочее тело. Как понизить температуру? Оказывается, с помощью кипящей жидкости. И это не парадокс, а законы физики. Чтобы заставить кипеть жидкость, надо нагреть ее, т. е. подвести к ней теплоту. Но передать одному телу теплоту, – значит, отнять ее у другого, охладить его. Это первый важный принцип, который помогает охлаждать теплоноситель. Кроме того, нужно учитывать, что всякая жидкость кипит при определенной темпе­ратуре, например, вода при +100°С. Но только в том случае, если давление равно атмосферному. Если же понизить давление, вода закипит и при меньшей температуре. На этом важном свойстве жидкостей основан второй принцип работы холодильника. Для получения в нем холода берут летучие жидкости, которые кипят при низких температурах, например, жидкий аммиак. Он кипит даже при температурах ниже 0°С. Именно сжиженные газы и применяют в холодильниках, точнее, в парокомпрессионных холо­дильных машинах. Сжиженный газ – его называют еще холодильным агентом – циркулирует в герметичной замкнутой системе, состоящей из четырех основных узлов: испари­теля, компрессора, конденсатора и дроссельного вентиля. Испаритель размещен прямо в холодильной камере, а остальные узлы – снаружи. Благодаря работе компрессора в испарителе создается низкое давле­ние, и жидкость в нем начинает кипеть, отнимая тепло из камеры. Часть жидкости превращается в пар, который непрерывно отсасыва­ется компрессором. Пройдя через компрессор, пар сжимается и нагре­вается при этом до температуры выше окружающей среды, например воздуха в помещении. Это нужно для того, чтобы, поступая в конден­сатор, пар охлаждался и превращался снова в жидкость, конденси­ровался. Затем жидкость пропускается через узкое отверстие в дрос­сельном вентиле. Давление при этом резко падает, и жидкость снова начинает кипеть в испарителе, поглощая тепло из холодильной камеры. Температура кипящей жидкости в испарителе домашнего холо­дильника бывает от – 15° до – 20°С и ниже. Благодаря этому в камере обычного холодильника можно поддерживать температуру от 0° до – 6°С, в камере холодильника длительного хранения до – 18°С. А в больших промышленных холодильниках до – 40°С и ниже. Существуют и другие типы холодильных машин, например, эжек­торные и абсорбционные. От парокомпрессионных они отличаются способами поддержания низкого давление в испарителе. В эжекторных холодильниках для откачки паров из испарителя применен эжектор – аналог струйного насоса. В абсорбционной машине пары из испарителя отводятся путем поглощения их жидкостью в специальном аппарате – абсорбере. (Абсорбцией называют процесс поглощения веществ из газовой смеси жидкостями.) Но главный принцип работы у этих холодильных машин один – температура хладагента понижается при его кипении и расширении в объем большего размера. Этот же принцип используется и для создания более низких температур, т. е. температур ниже 120 К. Техника получения и использования низких температур называется криогенной. Получить сверхнизкие температуры помогают такие сжиженные газы, как кислород, который испаряется при –183°С (90 К), азот – при –196°С (77 К) или водород – при –253°С (20 К). Самый лучший холодильный агент – жидкий гелий, который кипит при атмо­сфер­ном давлении и температуре, равной –269°С (4К). Один из способов глубокого охлаждения – дросселирование, быстрое охлаждение сжатого газа с помощью дроссельного вентиля. Газ сжимают компрессором, потом охлаждают до температуры окру­жающей среды, например в теплообменнике, а затем расширяют, про­пуская через дроссельный вентиль. При резком расширении молеку­лы газа преодолевают силы взаимного сцепления, их тепловое движе­ние замедляется, газ охлаждается и переходит в жидкое состояние. Этот способ годится не для всех газов. Некоторые из них, например, водород или гелий, при расширении через дроссельный вентиль, наоборот, нагреваются. Чтобы не дать газу нагреваться, нужно при расширении заставить его совершать работу, скажем, в поршневом двигателе или турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или лопатки турбины, отдают им свою энергию, движение их замедляется, и газ остывает. Расширительные машины такого типа называют детандерами, с их помощью осуществляется один из важных промышленных способов сжижения газов. Особенно широко применяется турбинный детандер, предложенный в 1939 г. советским физиком академиком П. Л. Капицей. Схема его работы такова. Газ, сжатый в компрессоре примерно до 1 МПа, охлаждается в теплообменнике. Часть его из теплообменника попадает на лопатки вращающегося турбодетандера и совершает работу, вращая турбину. Еще более охладившись, газ поступает в конденсатор, где сам охлаждает и превращает в жидкость другую часть газа из теплообменника. Через дроссельный вентиль сжижен­ный газ направляется в нижнюю часть конденсатора, давление в котором уже 0,1 МПа. Здесь и накапливается жидкость, готовая к употреблению. Хранят и перевозят сжиженный газ в так называемых сосудах Дьюара с двойными стенками, между которыми для лучшей теплоизоляции создается вакуум. 2.3. Турбины и газотурбинные двигатели Паровые турбины (рис. 2.8) являются основным двигателем теплоэлектро­станций (ТЭС) и атомных электростанций (АЭС). Пар, находящийся в паровом котле под высоким давлением, проходит через паровую турбину, состоящую из нескольких рядов направляющих и рабочих лопаток. Каждый такой ряд называется ступенью турбины, а сама турбина – многоступенчатой. Паровые турбины современных тепловых электростанций имеют мощность до 1300 МВт, гидравлические – более 600 МВт в агрегате. Газовая турбина – часть газотурбинных двигателей (ГТД). Нагретый сжатый газ, получаемый сжиганием топлива (керосина) в воздухе, обычно при постоянном объеме камеры сгорания, направляется на лопатки рабочего колеса турбины. Здесь происходит преобразование тепловой энергии в механическую работу. Из-за высокой температуры газа лопатки газовой турбины обычно приходится искусственно охлаждать. Для этого их иногда делают полыми и продувают через них холодный воздух или прокачивают охлаждающие жидкости. Мощность газовых турбин – до 100 МВт, разрабатываются турбины мощностью 150 МВт. На электростанциях газотурбинные установки используются в ка­честве так называемых пиковых устройств, т. е. устройств, работающих в напряженные утренние и вечерние часы суток – в часы пик. Дело в том, что потребление электроэнергии в течение суток очень неравномерно. Изменить режим работы паровой турбины нелегко, так как пар аккумулирует большое количество теплоты и для его охлаждения нужно много времени. Газотурбинные двигатели легко ввести в работу. Их запускают в тот момент, когда потребление энергии резко возрастает. Основы теории паровых и газовых турбин заложил в конце прош­лого века словацкий ученый А. Стóдола. Газовые турбины используют не только для получения работы, но и для глубокого охлаждения и сжижения некоторых газов (воздух, гелий, водород и т. д.). Такие турбины называются турбо­детандерами. Несмотря на то, что при конструировании современных турбин используются все достижения современной науки и техники, их теорию до сих пор нельзя считать завершенной. Математические уравнения, описывающие движение воды, пара или газа по лопаткам турбины, еще не решены. Поэтому при разработке турбин приходится более всего опираться на уже накопленный опыт. Решение этих уравнений считается сейчас одной из важных задач математики. Благодаря хорошей экономичности, компактности, надежности и возможности осуществления большой единичной мощности турбины практически вытеснили поршневые паровые машины из современной мировой энергетики. Газотурбинные двигатели. Такие двигатели, в частности, работают на современных самолетах и в трубопроводных системах для перекачки газов. Воздух в газотурбинных двигателях сжимается компрессором и подается в камеру сгорания, в которую вводится жидкое топливо или горючий газ. Нагретый газ направляется на лопатки турбины и вращает ее. Часть своей работы турбина отдает компрессору, сжимающему воздух, а часть – потребителю – электрогенератору на газотурбинной электростанции, воздушному винту или реактивной струе на самолете, колесу автомобиля, нагнетателю, перекачивающему газ по газопроводу и т. д. Схема газотурбинного двигателя представлена на рисунке 2.9. 2.4. Теплоэлектростанция (ТЭС) Энергию, скрытую в органическом топливе – угле, нефти или природном газе – невозможно сразу получить в виде электричества. Топливо сначала сжигают. Выделившаяся теплота нагревает воду, превращает ее в пар. Пар вращает турбину, а турбина – ротор гене­ратора, который генерирует, т. е. вырабатывает электрический ток. Весь этот сложный, многоступенчатый процесс можно наблюдать на тепловой электрической станции (ТЭС), оборудованной энергети­ческими машинами, преобразующими энергию, скрытую в органичес­ком топливе (горючих сланцах, угле, нефти и продуктах ее перера­ботки, природном газе), в электрическую энергию. Основные части ТЭС – котельная установка, паровая турбина и электрогенератор. Котельная установка – комплекс устройств, предназначенных для получения водя­ного пара под давлением. Она состоит из топки, в которой сжигается органическое топливо; топочного пространства, по которому продук­ты горения проходят в дымовую трубу; и парового котла, в котором кипит вода. Часть котла, во время нагрева соприкасающаяся с пламенем, называется поверхностью нагрева. Котлы бывают 3 типов: дымогарные, водотрубные и прямоточные. Внутри дымогарных котлов помещен ряд трубок, по которым продукты горения проходят в дымовую трубу. Многочисленные дымо­гарные трубки имеют огромную поверхность нагрева, вследствие чего в них хорошо используется энергия топлива. Вода в этих котлах находится между дымогарными трубками. В водотрубных котлах – наоборот: по трубкам пускают воду, а между трубками – горячие газы. Основные части котла – топка, кипя­тильные трубки, паровой котел и пароперегреватель. В кипятильных трубках идет процесс парообразования. Образующийся в них пар поступает в паровой котел, где и собирается в верхней его части, над кипящей водой. Из парового котла пар проходит в пароперегреватель и там дополнительно нагревается. Топливо в этот котел забрасывают через дверцу, а воздух, необходимый для горения топлива, подают через другую дверцу в поддувало. Горячие газы поднимаются вверх и, огибая перегородки, проходят путь, указанный на схеме (рис. 2.10). В прямоточных котлах воду нагревают в длинных трубах-зме­евиках. Вода подается в эти трубы насосом. Проходя через змеевик, она полностью испаряется, а образовавшийся пар перегревается до требуемой температуры и затем выходит из змеевиков. Котельные установки, работающие с промежуточным перегревом пара, являются составной частью установки, называемой энерго­блоком «котел – турбина». Котельная установка вырабатывает пар высокого давления, который идет в паровую турбину – главный двигатель тепловой электростанции. В турбине пар расширяется, давление его падает, а скрытая энергия преобразуется в механическую. Паровая турбина приводит в движение ротор генератора, вырабатывающего электри­ческий ток. В крупных городах чаще всего строят теплоэлектро­централи (ТЭЦ), а в районах с дешевым топливом – конденсационные электростанции (КЭС). ТЭЦ – это тепловая электростанция, вырабатывающая не только электрическую энергию, но и теплоту в виде горячей воды и пара. Пар, покидающий паровую турбину, содержит в себе еще много тепловой энергии. На ТЭЦ эту теплоту используют двояко: либо пар после турбины направляется потребителю и обратно на станцию не возвращается, либо он передает теплоту в теплообмен­нике воде, которая направляется потребителю, а пар возвращается обратно в систему. Поэтому ТЭЦ имеет высокий КПД, дости­гающий 50-60%. Различают ТЭЦ отопительного и промышленного типов. Отопи­тельные ТЭЦ обогревают жилые и общественные здания и снабжают их горячей водой, промышленные – снабжают теплотой промыш­ленные предприятия. Передача пара от ТЭЦ осуществляется на расстояния до нескольких километров, а передача горячей воды – до 30 и более километров. Вследствие этого теплоэлектроцентрали строятся неподалеку от крупных городов. Особенно быстро развивалась теплофикация в СССР в 70-е годы прошлого столетия. Суммарная мощность ТЭЦ в начале 1980-х гг. превысила 50 млн кВт. Но основная доля электроэнергии, которую вырабатывают тепловые электростанции, приходится на конденсационные электростанции (КЭС). У нас их чаще называют государственными районными электрическими станциями (ГРЭС). В отличие от ТЭЦ, где теплота отработанного в турбине пара используется для отопления жилых и производственных зданий, на КЭС отработанный в паровых машинах (турбинах) пар превращается конденсаторами в воду (конденсат), направляемую обратно в котлы для повторного использования. КЭС сооружаются непо­средственно у источников водоснабжения: у озера, реки, моря. Теплота, выводимая из электростанции с охлаждающей водой, безвозвратно теряется. КПД КЭС не превышает 35-42%. На современных станциях может применяться в качестве топлива горючий газ, нефтепродукты или каменный уголь. В случае применения каменного угля мельницы тщательно размалывают его в топливный порошок, и он вместе с воздухом подается в топку парового котла. Продукты сгорания обтекают пучки труб, вода в которых закипает. Образуется водяной пар. По трубам – паропро­водам – пар направляется к турбине и через сопла бьет в лопатки ротора турбины. Отдав энергию ротору, отработанный пар идет в конденсатор, охлаждается и превращается в воду. Насосы подают ее обратно в котел. А энергия продолжает свое движение от ротора турбины к ротору генератора. В генераторе происходит ее последнее превращение: она становится электричеством. На этом заканчивается энергетическая цепочка КЭС. В отличие от ГЭС тепловые электростанции можно построить в любом месте и тем самым приблизить источники получения электро­энергии к потребителю и расположить тепловые электростанции равномерно по территории экономических районов страны. Преиму­щество ТЭС состоит и в том, что они работают практически на всех видах органического топлива – углях, сланцах, жидком топливе, природ­ном газе. К крупнейшим конденсационным ТЭС в России относятся Рефтинская (Свердловская область), Костромская. Мощность каждой из них превышает 3000 МВт. 3. Способы распространения тепла и виды теплообмена 3.1. Основные понятия и законы теплообмена Теплообмен – это самостоятельная область знания и научная дисциплина, которая изучает явления переноса энергии в форме теплоты. Под переносом теплоты понимается самопроизвольный и необратимый процесс обмена внутренней энергией посредством какого-либо физического явления между элементами среды в прос­транстве с неоднородным полем температуры. В природе существуют три элементарных физических явления переноса теплоты, которые различаются своей природой, т. е. меха­низмами переноса. Это теплопроводность, конвективный теплооб­мен (конвекция) и излучение. Перенос теплоты теплопроводностью имеет молекулярную при­роду и определяется хаотическим тепловым движением молекул и других структурных частиц среды, т. е. тепловой диффузией (моле­кулярным перемешиванием). Конвективный перенос теплоты имеет макроскопическую (молярную) природу и вызывается видимым гидродинамическим (организованным внешними силами) движением самой среды (молярным перемешиванием). Конвективным (молярным) путем осуществляется перенос и других субстанций: массы, импульса и т. п. На практике часто перенос теплоты и массы взаимообусловлен, поэтому термины «тепломассоперенос» или «тепломассообмен» являются более общими по отношению к термину «конвективный теплообмен». Природа переноса теплоты излучением имеет корпускулярный (волновой) механизм и состоит в испускании телом во внешнюю среду электромагнитных колебаний. Перенос теплоты, как следует из приведенных определений, происходит в неоднородном поле температуры независимо от способа переноса. Поэтому температурное поле является основополагающим понятием в теории теплообмена. Объектом исследования в теплопередаче являются различные пространственные тела (покоящиеся или движущиеся, находящиеся в различных фазовых состояниях), каждой точке которых соответствует своя температура (рисунок 3.1). Следовательно, в общем случае температура зависит от коор­динат точек тела и времени, т. е. (3.1) где х, у, z – координаты точки в пространстве декартовых коор­динат;  – время. Функция t = t(х,у,z,τ) есть совокупность мгновенных значений температуры во всех точках тела и называется скалярным темпера­турным полем. Температурное поле однородно, если все точки тела имеют одинаковую температуру. Это означает, что все части тела находятся в состоянии термодинамического равновесия. В противном случае поле неоднородно. Температурное поле (3.1) называется нестационарным, так как оно зависит от времени. Не зависящее от времени поле температуры t = t(х,у,z) называется стационарным. Если поле температуры зависит только от одной или двух координат t = t(х,τ) или t = t(х,у,τ), то оно называется одномерным (или двухмерным). Совокупность точек пространства, имеющих в заданный момент времени одинаковую температуру, образует изотермическую поверх­ность, а на плоскости – изолинию, называемую изотермой. Изотермы (изотермические поверхности) неоднородного темпе­ратурного поля не пересекаются между собой. Они либо замыкаются сами на себя, либо выходят на границу исследуемого тела (рис. 3.2). Следовательно, температура в теле может изменяться только в направлении, пересекающем изотермы (изотермические поверхности). Вдоль изотермы (изотермической поверхности) температурное поле всегда однородно. Степень неоднородности поля температуры по любому направ­лению, пересекающему изотермы (изотермические поверхности), характеризуется скоростью изменения температуры в этом направлении (дt/дl), а по нормали n к изотермической поверхности скорость изменения температуры имеет наибольшее значение (рис. 3.3) и называется градиентом температуры (дt/дn). Необходимым условием переноса теплоты с математической точки зрения, как следует из определения теплообмена, является наличие градиента температуры. Градиент температуры есть та «движущая сила», которая определяет перенос теплоты в теле, при этом перенос теплоты в теле происходит в противоположном grad t направлении, нормальном к изотермической поверхности F (рис. 3.3). С количественной стороны процесс теплообмена характеризуется тепловым потоком Q, Вт и плотностью теплового потока q, Вт/м2. Это векторные величины. Связь между ними выражается следую­щими соотношениями: или где Q – это количество теплоты, переносимое в единицу времени через рассматриваемую поверхность F, м2, в нормальном к ней направлении, а плотность теплового потока q есть направ­ленный по нормали к F тепловой поток, приходящийся на единицу площади поверхности теплообмена. Полное количество теплоты Qτ , Дж, переносимое через нор­мальную поверхность F, м2, и за время , с, выразится формулой: . Закон теплопроводности Фурье В общем случае под теплопроводностью следует понимать процесс переноса теплоты через соприкосновение структурных частиц тела (атомов, молекул, электронов и др.). В разных средах механизм передачи теплоты может отличаться. Например, перенос теплоты тепло­проводностью в газах обусловлен так называемыми двойными и тройными столкновениями молекул. В металлах передача теплоты осуществляется в основном вследствие диффузии свободных электронов. Для твердых ди­электриков характерен другой механизм теплопроводности, который связан с переносом тепло­вых колебаний микрочастиц в виде упругих волн (фононов). Аналитическая теория теплопроводности является феномено­логической наукой, и она рассматривает тела как сплошные среды, не вдаваясь глубоко в молекулярный механизм переноса теплоты. Распределение температуры в изотропном теле (изотропное тело – это тело с одинаковыми физическими свойствами по всем направлениям), а следовательно, и температурный градиент опре­деляют величину и направление плотности теплового потока q при переносе теплоты теплопроводностью в соответствии с законом Фурье (рис. 3.3): (3.2) Здесь q, Вт/м2, λ – коэффициент пропорциональности, называ­емый коэффициентом теплопроводности. Закон Фурье коротко можно сформулировать так: плотность теплового потока пропорциональна температурному градиенту. Вектор теплового потока направлен в сторону уменьшения температуры, о чем свидетельствует знак минус в (3.2). Коэффициент теплопроводности λ является физическим пара­метром и характеризует способность вещества переносить теплоту. Он выражает то количество теплоты, которое переносится данным веществом за единицу времени через единицу изотермической поверхности при grad t = 1 К/м в направлении теплового потока. Коэффициент теплопроводности зависит от химической природы вещества и его физического состояния и в основном определяется опытным путем. Его конкретное значение можно найти в таблицах теплофизических свойств индивидуальных веществ. Для многих материалов температурная зависимость коэффициента теплопро­водности носит линейный характер. Анализ показывает, что лучшими проводниками являются ме­таллы, λ = 34-458 Вт/(м·К). Наименьшей теплопроводностью обла­дают газы, λ = 0,005-0,5 Вт/(м·К). Коэффициент теплопроводности воздуха при 0°С равен 0,0244 Вт/(м·К). Воздух является составной частью большинства теплоизоляционных (пористых) материалов, коэффициент теплопроводности которых составляет λ = 0,02  – 0,3 Вт/(м·К). Для жидкостей λ = 0,070,7 Вт/(м·К) и уменьшается с ростом температуры для большинства жидких сред. Коэф­фициент теплопроводности изоляционных материалов зависит также от плотности (пористости) и влажности. Закон конвективного теплообмена Ньютона В жидких и газовых движущихся средах перенос теплоты осуществляется в основном конвекцией конечных масс среды, при этом происходит перемешивание более нагретых и менее нагретых частиц. Конвективный теплообмен сопровождается в той или иной мере теплопроводностью. Ее роль особенно важна в тонком слое жидкой среды, текущей вблизи твердой поверхности — в так называемом пограничном слое толщиной δ (рис. 3.4). Введем понятие теплоносителя. Под теплоносителем будем понимать движущуюся жидкую или газообразную среду, исполь­зуемую в качестве рабочего тела для осуществления процесса теплообмена. В технике важную роль играет теплообмен на границах раздела фаз, особенно на твердых поверхностях, называемых поверхностями теплообмена, обтекаемых теплоносителем. Будем обозначать их буквой F, м2. Работа теплообменных аппаратов не может осуществляться без конвективного теплообмена на поверхностях. Конвективный теплообмен на твердой (или жидкой) поверхности раздела двух фаз называется теплоотдачей. Теплоотдача на твердой поверхности – сложное физическое явление, определяемое большим числом внутренних и внешних факторов. Исторически в инженерной практике сложился эмпирический подход к ее изучению при помощи коэффициента теплоотдачи. Он состоит в том, что, не вдаваясь в механизм теплоотдачи, можно доступными для инженера экспериментальными средствами измерить температуру на поверхности теплообмена tс и темпера­туру теплоносителя вдали от этой поверхности tж, а также величину плотности теплового потока на ней qс (qс = dQc/dF). Если взять простое отношение qс/(tc – tж), то получим количест­венную, основанную на эксперименте характеристику интенсив­ности процесса теплоотдачи (рис. 3.4). Обычно ее обозначают через  и называют коэффициентом теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи есть величина плотности теплового потока на поверхности теплообмена при Δt = (tc – tж) = 1 °С. Измеряется коэффициент теплоотдачи  в Вт/(м2·К). Отсюда следует, что (3.3) где Δt – температурный напор между стенкой и теплоноси­телем. Уравнение (3.3) выражает прямую пропорциональную зависимость плотности теплового потока на стенке от темпера­турного напора и отражает закон Ньютона для конвективного теплообмена. Температура стенки и плотность теплового потока (tc и qс) могут иметь разные значения в каждой точке поверхности F, поэтому различают местный (локальный) и средний коэффициенты тепло­отдачи. В формуле (3.3)  выражает местное значение. В расчетах чаще применяется среднее значение коэффициента теплоотдачи. В инженерной практике конвективная теплоотдача на поверхности тела (конвекция плюс теплопроводность) имеет большее значение, чем чистая конвекция в ядре потока. Поэтому изучение особенностей течения теплоносителя в пристенной области имеет первостепенное значение для понимания механизма переноса теплоты в процессе теплоотдачи. Из гидродинамики известно, что независимо от природы движения теплоносителя – вынужденного (под действием внешних сил) или свободного (под действием массовых сил), различают ламинарный (упорядоченный, слоистый) и турбулентный (неупо­рядоченный, вихревой) режимы течения. Режим течения определяется величиной безразмерного критерия, называемого числом Рейнольдса Re = ud/ . (3.4) Здесь u – скорость теплоносителя, d – гидравлический размер системы и  – вязкость теплоносителя. Напомним, что при малых числах Rе режим течения ламинарный, а при больших – турбулентный. Переход ламинарного течения в турбулентное происходит при некотором зависящем от условий течения критическом числе Рейнольдса (Rекр= 2320). При взаимодействии твердой поверхности с обтекающей его жидкостью на ней за счет вязкого трения образуется пограничный (пристенный) слой заторможенной жидкости толщиной δ (рис. 3.5). В этом слое происходит процесс формирования профиля скорости жидкости (эпюры скоростей). Скорость в пограничном слое изменя­ется от нулевого значения на стенке (условие прилипания частиц жид­кости) до максимального значения вдали от стенки (в ядре потока). Наличие на поверхности гидродинамического пограничного слоя является определяющим фактором для процесса теплоотдачи, поскольку этот слой создает основное термическое сопротивление, препятствующее обмену теплотой между стенкой и ядром потока. Теплота внутри ламинарного слоя переносится теплопроводностью, и, следовательно, его можно условно представить как дополни­тельный изолирующий слой толщиной  между стенкой и ядром потока с термическим сопротивлением теплопроводности R = δ/λ (λ — коэффициент теплопроводности жидкости). Режим течения в пограничном слое зависит от скорости среды, формы и протяженности поверхности тела, начальной турбулент­ности потока, состояния поверхности и других причин. Переход ламинарного течения в пограничном слое в турбулентное приводит к его «расслоению» на тонкий ламинарный подслой на твердой границе и турбулентный слой (рисунок 3.5). То есть, независимо от режима течения среды в непосредственной близи поверхности, всегда сохраняется вязкое ламинарное течение жидкости либо в слое (ламинарный режим), либо в подслое (турбулентный режим). Уменьшение толщины ламинарной части пограничного слоя (подслоя) при турбулентном режиме течения по сравнению с ламинарным происходит за счет турбулизации другой части слоя, что приводит к увеличению конвективной составляющей переноса в процессе теплоотдачи. Однако по-прежнему термическое сопротив­ление теплоотдачи будет определяться термическим сопротив­лением теплопроводности ламинарного подслоя жидкости. Терми­ческое сопротивление пограничного слоя определяет соответствую­щее распределение температуры в жидкости вблизи поверхности теплообмена (рис. 3.5) от температуры на стенке tс до температуры в ядре потока tж . Слой, в котором происходит основное изменение температуры жидкости, называется тепловым пограничным слоем (δж). В общем случае размеры гидродинамического и теплового пограничных слоев могут не совпадать. Обтекание поверхности жидкостью может происходить в неограниченном и ограниченном пространстве. В соответствии с этим течение жидкости около твердой поверхности можно разде­лить на внешнее обтекание (тело движется с некоторой скоростью во внешней среде) и внутреннее обтекание (движение жидкости внутри канала). Поэтому в теории конвективного теплообмена часто говорят либо о «внешней задаче», либо о «внутренней зада­че». Однако независимо от типа задачи общая картина формиро­вания структуры гидродинамического и теплового пограничных слоев мало отличается, а следовательно, и механизм теплоотдачи в пристенных областях остается одним и тем же. Механизм теплоотдачи состоит в следующем: частицы жидкости, прилипшие к стенке и близлежащие к ним (вязкий подслой), переносят теплоту только теплопроводностью, в остальной части пограничного слоя – еще и конвекцией. Поскольку интенсивность конвективного теплопереноса (в особенности турбулентного) существенно выше теплопроводности (кроме жидких металлов), то, следовательно, ламинарный пограничный слой оказывает основное термическое сопротивление переносу теплоты. В результате суммарная интен­сивность теплоотдачи определяется термическим сопротивлением теплопроводности ламинарного пограничного слоя. Интенсивность теплоотдачи определяется толщиной погра­ничного слоя, и чем меньше эта толщина, тем выше будет теплоотдача. Если бы измерение толщины пограничного слоя δ не составляло принципиальных трудностей, то вопрос расчета коэффициента теплоотдачи по (3.2) решался бы сразу. Но пока такие трудности существуют, в инженерной практике расчет  через определение δ не используется. Применение теории подобия для расчета конвективных процессов теплообмена. Коэффициент теплоотдачи определяется из соотношений, полученных экспериментальным путем. Для получения достоверных данных при проведении эксперимента и вычислении коэффициента  пользуются теорией подобия. Основная цель теории подобия – с помощью обобщенных зави­симостей, полученных каким-либо способом на основании частных экспериментов, распространить результаты этих экспериментов на еще не изученные объекты. Физические явления называются подобными, если они про­текают в геометрически подобных системах, а отношения одно­именных параметров, взятые в сходственных точках и в сход­ственные моменты времени, будут постоянными числами (констан­тами подобия). Константы подобия принято обозначать буквой С с буквенным индексом, соответствующим конкретному физическому параметру. Например, процесс теплообмена обусловлен неоднородным полем температуры в системе, скоростью теплоносителя, геометричес­кими размерами поверхности теплообмена, физическими свойст­вами среды и др. Для подобия явлений необходима не только идентичность математического описания, но и их одинаковая природа. Связь между параметрами, описывающая явление, влечет за собой и связь между константами подобия. Анализ этих связей приводит к определенным, имеющим физический смысл безраз­мерным комплексам, состоящим из физических и других пара­метров явления и называемым критериями или числами подобия. Для каждого физического явления имеется определенный набор чисел подобия, которые его характеризуют. Критерии подобия могут быть построены как отношения одноименных величин одинаковой природы, например, отношение длины трубы к ее диаметру (l/d). Комбинации чисел подобия в виде их произведения или отношения порождают новые числа подобия. Итак, подобие явлений можно характеризовать при помощи либо констант подобия, либо чисел подобия. При этом если константы подобия характеризуют подобие только двух рассматриваемых явлений и имеют одно и то же значение для всех сход­ственных точек, числа подобия имеют одинаковое значение в сходственных точках для целого класса подобных систем, но в пределах одной системы числа подобия различаются. В связи с этим при помощи констант подобия моделируются технические устройства. Числа же подобия используются при обобщении и обработке экспериментальных и расчетных данных. Получаемая при этом обобщенная зависимость между числами подобия, характеризующими данное явление, может использоваться для расчета целого класса подобных явлений одинаковой природы. Так как числа подобия выводятся из анализа уравнений связи между физическими величинами, то чем более общий вид имеет система уравнений, описывающая данное явление, тем больше будет выявлено чисел подобия, а следовательно, и более общей будет зависимость между ними. Формулы связи между числами подобия называются уравнениями подобия (или критериальными уравнениями). Анализ дифференциального уравнения конвективного тепло­обмена вместе с условиями однозначности дает следующую систе­му чисел подобия: – число Нуссельта (Nu = αd/λ) – безразмерный коэффициент теплоотдачи; – число Рейнольдса (Re = ud/ – безразмерная скорость потока (режимный параметр); – число Прандтля (Рr =  /а) – характеризует влияние теплофизических свойств теплоносителя на процесс конвективного теплообмена (а – коэффициент температуропроводности); – число Грасгофа (Gr = gβΔtl3/ 2) – характеризует влияние сво­бодной конвекции на теплообмен (здесь g = 9,81 м/с2  ускорение свободного падения, β = 1/Т, К-1 – температурный коэффициент объемного расширения; , м2/с – коэффициент кинематической вязкости); – число Фурье Fо = aτ/l2 – безразмерное время. Данные числа (или критерии) подобия имеют определенную процессом так называемую критериальную связь между собой (уравнение подобия). В общем случае уравнение подобия для процессов теплоотдачи имеет вид: (3.5) Критериальное уравнение теплоотдачи (3.5) показывает, что главными факторами, влияющими на стабилизированную тепло­отдачу, являются режим течения (Rе), природа теплоносителя (Рг), интенсивность свободной конвекции (Gr). Наиболее удобная и распространенная в исследованиях форма представления функции Nu при обобщении опытных данных по теплоотдаче – степенная: , (3.6) где С, n, m и k – постоянные аппроксимации. Величина этих постоянных показывает степень влияния соответствующего числа подобия (показатели степени n, m и k) на теплоотдачу, а также общий уровень теплоотдачи (коэффициент С) при принятых усло­виях конвективного теплообмена. Характерный размер исследуемой системы, входящий в числа подобия (масштаб процесса), называется определяющим (например, для конвективной теплоотдачи в трубе – диаметр трубы d). Физические свойства теплоносителя зависят от его температуры, которая различна как по сечению потока, так и по длине канала, поэтому имеет значение, к какой температуре эти свойства следует относить. Температура, по которой рассчитываются физические пара­метры теплоносителя, называется определяющей. Это может быть температура стенки, температура теплоносителя вдали от стенки, средняя температура теплоносителя и др. Передача тепла излучением Важной особенностью теплопереноса излучением является отсутствие непосредственного соприкосновения тел. Электро­магнитные волны, генерируемые сложными внутриатомными процессами в нагретом теле, могут переносить преобразованную внутреннюю энергию тела на достаточно большие расстояния даже без промежуточной среды (в вакууме). Спектр теплового излу­чения, практически используемый в теплотехнике, составляет диа­пазон длин волн λ = 0,4-800 мкм. Введем некоторые характеристики теплового излучения: Q (Вт) – поток излучения, количество энергии излучения, переносимой в единицу времени через произвольную поверхность. Различают монохроматический и интегральный потоки излучения. Qλ (Вт) – поток монохроматического излучения, соответствует достаточно узкому диапазону длин волн (частот) от λ до (λ + dλ), который можно характеризовать данным значением длины волны. Q (Вт) – поток интегрального излучения охватывает весь спектр длин волн. Излучение энергии нагретым телом осуществляется по всем направлениям прямолинейно со скоростью света и подчиняется законам геометрической оптики. При встрече потока излучения с частицами другого тела, способного поглощать часть энергии излучения, происходит обратный процесс превращения электро­магнитных колебаний во внутреннюю энергию тела, что опре­деляет повышение его температуры. Другая особенность лучистого теплообмена состоит в том, что более нагретое тело одновременно с испусканием энергии поглощает встречные потоки, излучаемые либо отражаемые другими телами. Поэтому о количестве передан­ной телом путем излучения теплоты можно судить по алгебраи­ческой сумме прямого и обратного потоков энергии. Но согласно второму закону термодинамики более нагретое тело всегда будет отдавать теплоту менее нагретым телам, поэтому результирующий поток энергии всегда будет направлен в сторону менее нагретого тела. Для любого тела можно записать баланс лучистой энергии в виде (рис. 3.6) , (3.7) где QA, QR, QD – поглощаемая, отражаемая и пропускаемая части полного теплового потока, падающего на поверхность тела. Если представить, что A = QA /Q, R = QR /Q, D = QD/Q, тогда должно выполняться условие A + R + D = 1. Если A = 1 (R = D = 0), то тело поглощает всю падающую на него энергию и называется абсолютно черным. Это идеализи­рованное понятие, поскольку в природе таких тел не существует. Для примера можно сказать, что тело, покрытое черной краской, имеет А = 0,96 (для длин волн видимого спектра). Аналогично если R = 1 (А = D = 0), то тело полностью отра­жает падающую на него энергию и называется абсолютно белым, а если D = 1 (А=R=0) – абсолютно прозрачным (диатермичным), полностью пропускающим всю падающую на него энергию. Для полированных металлов R = 0,97; двухатомные газы О2, N2, Н2 почти диатермичны (D ~ 1). Таким образом, А, R и D могут изме­няться в интервале от нуля до единицы. Процесс излучения происходит во всем объеме тела. Но в твердых и жидких телах за счет поглощения излучения соседними частицами внутри тела наружу выходит лишь излучение поверх­ностного слоя, газы же излучают всем объемом. Закон Стефана – Больцмана. Поверхностная плотность потока излучения пропорциональна Т 4. Для абсолютно черного тела E0 = σ0Т 4, где σ0 = 5,7·10-8 Вт/(м2К4) – (3.8) постоянная излучения абсолютно черного тела. Поверхностная плотность потока излучения Е, Вт/м2, есть лу­чистый поток с единицы поверхности тела по всем направлениям в пределах полусферического телесного угла: E = dQи /dF. В отличие от переноса теплоты теплопроводностью и конвекцией, где плот­ность теплового потока зависит от температуры в первой степени, перенос энергии излучения определяется четвертой степенью абсолютной температуры, что объясняется квантовой природой излучения. Для расчетов обычно используют формулу (3.9) где С0 = σ0·108 = 5,7 Вт/(м2К4) — коэффициент излучения абсолютно черного тела. Большинство реальных твердых и жидких тел поглощают часть падающего на них потока излучения. Одни тела поглощают в равной степени весь спектр частот, другие же тела – выборочно. Тела, для которых независимо от их температуры поглощательная способность Aλ не зависит от λ, называются серыми телами. К серым телам можно отнести оксиды различных металлов, строительные и теплоизоляционные материалы. В практических расчетах приходится иметь дело в основном с серыми телами, поэтому в закон Стефана – Больцмана (3.9) необходимо ввести поправочный коэффициент  на «серость» реальных тел, тогда (3.10) где ε = Е/E0 = С/С0 – теплофизический параметр, называемый степенью черноты тела (0<ε<1), а С – коэффициент излучения серого тела, Вт/(м2·К4). Степень черноты различных тел опре­деляется экспериментально и приводится в справочных таблицах. Для серых тел кривая распределения спектральной плотности потока излучения при одной и той же температуре тела будет лежать несколько ниже аналогичной кривой для черного тела (рис. 3.7). Расчет теплообмена излучением между отстоящими друг от друга телами в общем случае является задачей сложной, поскольку количество перенесенной между ними теплоты определяется тем­пературами тел, их формой, размерами и состоянием поверхностей, а также их взаимным расположением в пространстве и расстоянием между ними. Рассмотрим случай теплообмена между двумя неограни­ченными параллельными плоскостями с температурами и степе­нями черноты, соответственно равными Т1 и Т2, ε1 и ε2 при Т1 > Т2. Тогда в соответствии с законом Стефана – Больцмана имеем для q12, Вт/м2: (3.11) где εПР – приведенная степень черноты двух тел: εПР = (1/ε1 + + 1/ε2 –1)-1. Для уменьшения потока излучения в технике обычно применяется экранирование тепловоспринимающих тел. Экраны изготавливают часто из тонкостенного материала – фольги, жести и др. Количество переданной теплоты излучением при наличии одного экрана, имеющего ε1Э = ε1 и ε2Э = ε2, уменьшается в 2 раза, при наличии двух экранов – в 3 раза и при наличии n экранов – в (n+1) раз. Эффект снижения теплоотдачи увеличивается, если использовать экраны с малой степенью черноты. 3.2. Теплообменные аппараты Теплообменный аппарат (теплообменник) – устройство, пред­назначенное для передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному. Теплообменные аппараты подразделяются по принципу действия на четыре основных типа: рекуперативные, регенера­тивные, смесительные и с внутренним источником тепла. Рекуперативные теплообменные аппараты – аппараты, в кото­рых теплота пере­дается от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их твердую стенку (паровые котлы, водо­подогреватели, конден­саторы и т. д.). Регенеративные теплообменники – это такие аппараты, в которых поверхность нагрева периодически омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При этом теплота, отнимаемая от греющего теплоносителя, периодически передается нагреваемой среде (регенераторы мартеновских и стеклоплавильных печей, регенеративные воздухоподогреватели доменных печей и котель­ных агрегатов). Режим работы регенераторов в отличие от режима работы рекуператоров нестационарный (периодический). Рекуператоры и регенераторы относятся по способу передачи теплоты к поверхностным теплообменникам. В смесительных (контактных) теплообменниках теплота пере­дается при непосредственном смешении охлаждаемой и нагре­ваемой сред (башенные охладители-градирни, скрубберы, дегаза­торы и т. п.). Движение теплоносителей в теплообменнике по отношению друг к другу может быть различным (рисунок 3.8). Различают три основные схемы течения теплоносителей: прямоток, противоток и перекрестный ток. В случае прямотока горячий и холодный теплоносители движутся параллельно в одном направлении, а в случае противотока – навстречу друг другу. В теплообменниках с перекрестным током движение теплоносителей взаимно перпендикулярное. Здесь могут быть случаи однократно- и многократно-перекрестного тока. Теплообменные аппараты с внутренним источником тепла содержат тепловыделяющий элемент (электрический, химический и т. д.). К ним относят электрические плиты, тепловыделяющие элементы атомных реакторов. Существуют и другие признаки классификации теплообменных аппаратов: по технологическому назначению (воздухоподогреватели, деаэраторы, парогенераторы, пароперегреватели); по схеме движения теплоносителей (прямоточные, противоточные, с перекрестным током, многократным перекрестным током, комбинированные); по роду теплоносителей (водо-водяные, пароводяные, водо-воздушные, газо-воздушные, масло-воздушные); по роду материалов, лежащих в основе изготовления ответственных узлов теплообменника (стальные, чугунные, графитовые, стеклянные, керамические и другие теплообменники); по роду теплопередающих поверхностей (гладкотрубные, ребристые, пластинчатые, спиральные); по числу ходов теплоносителя (одно­ходовые и многоходовые); по компоновке поверхностей нагрева (труба в трубе, кожухотрубные, оросительные без ограничивающего корпуса); по технологии сборки (секционные, несекционные); по периодичности действия (непрерывного действия, периодического действия). Тепловой расчет теплообменных аппаратов Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, все они имеют по определению одно предназначение – передавать теплоту от горячего к холодному теплоносителю, поэтому и основы их теплового расчета общие. В зависимости от конечной цели расчета различают конструктивный и проверочный расчеты. Конструктивный расчет теплообменника состоит в опреде­лении площади теплопередающей поверхности F0, от которой зависят основные габариты проектируемого аппарата, при известных массовых расходах теплоносителей (G1 и G2), их начальных (T1ВХ и T2ВХ) и конечных (T1ВЫХ и T2ВЫХ) температурах, а также тепловом потоке Q через поверхность FQ. Поверочный расчет выполняется для спроектированного теплообменника с известной поверхностью теплообмена FQ. Цель его состоит в расчете температур теплоносителей на выходе из аппарата (T1ВЫХ и T2ВЫХ) и определении количества переносимой в единицу времени через поверхность FQ теплоты Q. Сущностью и конструктивного, и поверочного расчетов тепло­обменника является совместное решение уравнений теплового баланса и теплопередачи. Первое из них позволяет определить количество теплоты, которое нужно передать от греющего тепло­носителя к нагреваемому для достижения поставленной цели, а второе – проверить условия (коэффициент теплопередачи, темпера­турный напор, величину поверхности нагрева), достаточные для передачи этого количества теплоты. Если количество теплоты по уравнению теплового баланса совпадает с приемлемой точностью (в технических расчетах до 2 %) с количеством теплоты по уравнению теплопередачи, цель расчета достигнута. В конструк­тивном расчете указанные два уравнения решаются совместно и непосредственно с получением искомой величины (обычно поверх­ности теплообменника). При поверочном расчете приходится прибегать к методу последовательных приближений, задаваясь неизвестным значением температуры (или энтальпии) одного из теплоносителей до или после теплообменника. Примеры распределения температур горячего (индекс 1) и холодного (индекс 2) теплоносителей для случаев прямоточного и противоточного течений показаны на рисунке 3.9 (штрих и два штриха отмечают параметры теплоносителя на входе и выходе из аппарата). Анализ показывает, что диапазон изменения температуры теплоносителей в пределах аппарата при противоточной схеме больше, чем при прямотоке. Поэтому необходимая поверхность теплообмена меньше для противотока, чем для прямотока. Расчет теплообменного аппарата ведется на основе уравнений теплового баланса. Тепловой поток Q1, полученный в теплообмен­нике при охлаждении горячего теплоносителя (индекс 1) от темпе­ратуры T1ВХ на входе до T1ВЫХ на выходе, равен (3.12) где G1 – массовый расход теплоносителя, Cp1 – теплоемкость теплоносителя. Тепловой поток Q2, получаемый холодным теплоносителем, находится по формуле: (3.13) Удельный тепловой поток через поверхность перегородки толщиной , разделяющей теплоносители, можно представить системой следующих трех уравнений: (3.14) (3.15) (3.16)  – коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к перегородке, λ – коэффициент теплопроводности перегородки, T1, T2, TП – соответственно средние температуры горячего и холодного тепло­носителей и температура поверхности теплообмена со стороны соответствующего теплоносителя. Решение системы уравнений дает уравнение теплопередачи: (3.17) где коэффициент теплопередачи k = [(1/α1)+(δ/λ)+(1/α2)]-1. Величину ΔTС называют среднелогарифмическим температурным напором, (3.18) ΔTБ и ΔТМ – больший и меньший температурные напоры между теплоносителями. В случае прямотока (направления движения теплоносителей совпадают) В случае противотока (направления движения теплоносителей противоположны) может быть большее значение разности температур с любой стороны теплообменника, например: При конструировании теплообменной аппаратуры, помимо увеличения или, наоборот, снижения интенсивности теплообмена, приходится одновременно решать и другие задачи, например, обес­печение надежности и безопасности, простоты и технологичности, оптимальной стоимости и др. При этом необходимо учитывать экономию топлива и вопросы защиты окружающей среды. Можно назвать следующие основные пути интенсификации теплообмена в современных аппаратах энергетических установок: 1. Создание развитых поверхностей теплообмена за счет их оребрения со стороны теплоносителя с малым коэффициентом теплоотдачи. Эту задачу часто приходится решать вместе с задачей минимизации массы ребристой стенки при заданной степени интенсификации теплообмена. 2. Изменение гидродинамических условий на поверхностях теплообмена за счет искусственной турбулизации. В настоящее время существует много способов увеличения степени турбулен­тности теплоносителя: это создание различных видов шерохо­ватостей на обтекаемых поверхностях, использование всевозможных турбулизирующих вставок, применение различных физических эффектов, таких, как пульсирующее поле давлений, электромаг­нитное поле и т. д. Но, с другой стороны, турбулизация потока увеличивает его гидравлическое сопротивление, что требует допол­нительных затрат на прокачивание жидкости через систему. 3. Оптимизация определяющих геометрических размеров по­верхностей теплообмена в теплообменниках. Например, оптималь­ное уменьшение диаметра труб в трубчатых теплообменниках позволяет увеличить их число, а следовательно, общую поверх­ность теплообмена при уменьшении габаритов теплообменника. 4. Для уменьшения термического сопротивления теплопе­редачи стенки используются материалы с большим коэффициентом теплопроводности. Для снижения теплопередачи (например, в целях теплозащиты) в общем случае необходимо увеличить термическое сопротивление теплопередачи. Этого можно добиться изменением одной из составляющих коэффициента теплопередачи К. Часто это достигается путем нанесения на поверхность теплообмена дополнительного теплозащитного слоя, называемого тепловой изоляцией. К тепло­изоляционным материалам относят обычно такие материалы, коэффициент теплопроводности которых меньше 0,2 Вт/(м·К). Как правило, это пористые материалы. Экраны, снижающие лучистые потоки теплоты, воздушные прослойки, также относятся к теплоизоляторам. Не всегда увеличение толщины изоляционного слоя приводит к увеличению термического сопротивления. Знание механизма теплопередачи выгодно экономически, поскольку позво­ляет избегать многих ошибок в теплоизоляционных работах. 4. Источники энергии и топливные ресурсы В настоящее время основным источником энергии (теплоты) для промышленного использования и основным источником энергии для транспортных двигателей являются органическое (твердое, жидкое, газообразное) и ядерное топлива. Топливом называется горючее вещество, которое экономически целесообразно использовать для получения тепловой энергии. Топлива по происхождению делят на природные (антрацит, каменные и бурые угли, торф, горючие сланцы, древесина, нефть, природный газ, U235) и искусственные (кокс, древесный уголь, продукты переработки нефти: бензин, керосин, дизельное топливо, мазут, генераторные газы, продукты сухой перегонки, U233, Pu239). К горючим элементам топлива относятся углерод С, водород Н, сера S (последняя в виде органических соединений). Смесь минеральных негорючих компонентов (зола) вместе с влагой представляют негорючую часть топлива. Кислород и азот топлива называют внутренним балластом. Важнейшей характеристикой топлива является теплота сгорания. Теплота сгорания топлива есть количество теплоты, выделяющейся при полном сгорании 1 кг твердого или жидкого топлива или 1 м3 газового топлива при нормальных физических условиях. Для сравнения энергетической ценности различных видов топлива вводится понятие условного топлива (у.т.), теплота сгорания которого принята равной Н = 29,33 МДж/кг. В 1993г. мировое потребление твердого топлива составило 3,21 млрд. т у.т.(условного топлива), жидкого - 4,29 млрд. т у.т., газообразного - 2,66 млрд. т у.т. В России в 1993 г. по данным ООН [1] было потреблено (в млн. т у.т.): твердого топлива - 226, жидкого - 232, газа - 503; всего на душу населения - 7,1 кг у.т. В настоящее время рост мирового потребления энергии существенно замедлился и составляет ~ 0,7% в год. В 2030 г. по прогнозам в структуре потребления энергии уголь составит ~ 35%, нефть и газ ~ по 15%. Если в первой половине XX века основным источником энергии был уголь (около 60%), то во второй половине потребление нефти стало опережать потребление угля. После кризисов 1973 г. и 1979 г. мировое потребление нефти стабилизировалось и составляет - 202 млрд. т у.т. Потребление природного газа постепенно возрастает и в 1995г. составило -2,7млрд. т у.т. Природный газ является наиболее экологически чистым видом ископаемого топлива. 4.1. Твердые топлива К твердым топливам относятся уголь, торф, сланцы, битуминоз­ные пески. Важными характеристиками твердых топлив наряду с те­плотой сгорания являются выход летучих веществ и свойства кокса. При нагреве без доступа воздуха твердое топливо делится на две части: кокс и летучие вещества. Содержание летучих веществ в топливе оказывает большое влияние на полноту сгорания топлива и учитывается при конструировании топочных устройств. По мере уве­личения геологического возраста топлива содержание летучих ве­ществ в нем уменьшается. В состав коксового остатка входят часть углерода топлива и зола. По своему химическому составу кокс представляет почти чистый уг­лерод (~97%). Выход летучих веществ и характеристика коксового остатка положены в основу классификации каменных углей. Уголь – топливо с плотностью =1150...1500 кг/м3, теплотворной способностью Н = 16,0...29,0 МДж/кг (каменные угли) и Н = 9,0...16,0 МДж/кг (бурые угли), отношение С/Н=11,0...23,5 (каменные угли) и 9,6... 19,0 (бурые угли). Содержание серы может доходить до 7%. Торф – ископаемое топливо с большим выходом летучих веществ V=70%, высокой влажностью g = 40...50% и низкой теплотой сгорания Н = 8,38... 10,48 МДж/кг. Сланцы – топливо с большой зольностью (50...60%), повышен­ной влажностью g = 15...20%, низкой теплотой сгорания Нн = 5,87...10 МДж/кг при высокой Нв=27,2...33,5 МДж/кг. Сланцы относятся к легко воспламеняемым топливам вследствие высокого содержания водорода 7,5...9,5% и летучих веществ V=80... 90%. В основном их используют как местные топлива. Древесина отличается очень малой зольностью и большим выходом летучих веществ (85%), высокой влажностью (до 60%) и низкой теплотой сгорания (10-12 МДж/кг). 4.2. Жидкие топлива Основным видом жидких энергетических топлив являются продукты, получаемые в процессе переработки нефти, и газовый конденсат. Нефтяной мазут. В мазутах прямой перегонки обычно преобладают углеводороды ароматического и нафтенового ряда, а также полициклические и па­рафиновые углеводороды. Крекинг - мазут содержит в основном по­лициклические углеводороды, а также углеводороды непредельного ряда (олефины) и продукты их полимеризации или конденсации. В мазуте содержатся асфальто-смолистые вещества, представляющие сложные комплексы полициклических, гетероциклических и металлоорганических соединений. Содержание серы в зависимости от марки мазута составляет от 0,5 до 3,5 %. Теплоемкость мазутов при t=50°C меняется в диапазоне С = 1,82... 2,0 кДж/(кг·К) и растет с ростом температуры. Теплопро­водность при t = 20°C лежит в диапазоне =0,12...0,16 Вт/(м·К) и уменьшается с ростом температуры. Нефтяные мазуты в зависимости от области применения подраз­деляют на флотский мазут, котельное и печное топливо. Мазут, предназначенный для электростанций, транспортных и стационарных котлов и технологи­ческих установок, разделяют на следующие марки: флотский Ф5 и Ф12; топочный 40В и 40; топочный 100В и 100. Флотский мазут предназначен для судовых котлов, газовых турбин и двигателей. То­почный мазут состоит в основном из тяжелых крекинг- остатков с прямогонным мазутом. Топочные мазуты подразделяют на малосер­нистые (S<0,5%), сернистые (S=0,5-2,0%) и высокосернистые (S>2,0%). Моторные топлива. Основными моторными топливами являются бензины, керосины и дизельные топлива, получаемые путем переработки нефти и представляющие собой смеси различных углеводородов. Используются также сжатые и сжи­женные газы; синтетические топлива, получаемые переработкой угля, сланцев, битуминозных песков; спирты; эфиры (являющиеся изомерами спиртов). Бензины. Автомобильные бензины представляют собой смеси углеводородов, выкипающих в диапазоне температур 35...205°С. Получают крекингом или перегонкой нефти, переработкой сланцев и каменных углей, природных и попутных газов. В России вырабатываются бензины марок А-76 (АИ-80), АИ-93 (АИ-92), АИ-95, а также бензины с улучшенными экологическими свойствами (НОРСИ АИ-80, НОРСИ АИ-92, НОРСИ АИ-95). С 1.01.1999г. в РФ введен новый ГОСТ на автомобильные бензины неэтили­рованных марок: нормаль-80; роуляр-91; премиум-95; супер-98. Цифры в марке бензина показывают октановое число (ОЧ), которое характеризует детонационную стойкость бензинов. Наименьшей детонационной стойкостью обладают парафины, наибольшей - ароматические углеводороды. С увеличением количества атомов углеводорода в молекуле ОЧ уменьшается. Испаряемость бензинов определяется в основном кривой фракционной разгонки (фракционным составом) и давлением насыщенных паров. Важными эксплуатационными свойствами бензинов являются также прокачиваемость, склонность к образованию отложений, коррозионная активность и др. В последние годы в ряде стран начато производство экологически чистых модифицированных бензинов с обязательным добавлением кислородсодержащих компонентов. Керосины. Керосины представляют собой смеси углево­дородов, выкипающих в диапазоне температур 200-300°С. Получа­ют перегонкой нефти или каталитической переработкой газойлей. Керосин применяют в качестве топлива в газотурбинных авиа­ционных двигателях. Дизельные топлива. Топлива для дизелей вырабатывают в основном из гидроочищенных фракций прямой перегонки нефти. Дизельные топлива включают следующие группы уг­леводородов: нормальные парафиновые — 5...30%, изопарафиновые — 18…40%, нафтеновые — 23...60%, ароматические — 14...35%. В России вырабатывают три сорта дизельного топлива: А — арктическое для двигателей, работающих при тем­пературе окружающей среды 223К и выше; 3 — зимнее для двигателей, работающих при температуре окружающей среды 243К и выше; Л — летнее для двигателей, работающих при темпера­туре окружающей среды 273К и выше; С — специальное. Основным показателем, характеризующим дизельное топливо, является цетановое число. Цетановое число характеризует способность топлива к воспламенению в камере сгорания двигателя и равно объемному содержанию цетана в смеси с метилнафталином, которая в стандартных условиях имеет одинаковую воспламеняемость с исследуемым топливом. Наибольшие ЦЧ имеют алканы, наименьшие - бициклические ароматические углеводороды. Углеводороды, имеющие высокие ЦЧ, обладают низкой детонационной стойкостью (малые ОЧ): ЦЧ=60-ОЧ/2. Повышение ЦЧ дизельного топлива, как правило, улучшает пусковые свойства двигателя. Наиболее важными эксплуатационными свойствами дизельных топлив являются испаряемость, воспламеняемость, низкотемпера­турные свойства, прокачиваемость. Испаряемость определяется фракционным составом, плотностью и вязкостью топлива. Для улучшения экологических свойств топлив необходимо ограни­чивать содержание в топливе ароматических углеводов (не более 15%) и серы (0,05-0,15%). Для надежной работы топливных систем дизелей важными являются низкотемпературные свойства, оцени­ваемые температурами помутнения (из топлива начинают выпадать твердые углеводороды), застывания (топливо теряет подвижность) и предельной температурой фильтруемости (топливо после охлаждения способно проходить через фильтр с установленной скоростью). Улучшение низкотемпературных свойств возможно как изменением состава и удалением непарафиновых углево­дородов (это сопровождается снижением ЦЧ), так и добавлением специальных (депрессорных) присадок. Для дизельных топлив желательно иметь возможно меньшую склонность к нагарообразованию и образованию отложений, мень­шую коррозионную активность. Эти свойства оцениваются такими показателями топлив, как кислотность, содержание серы, коксуе­мость, зольность и др. Кислородсодержащие соединения. К числу кислородсодер­жа­щих соединений относятся низшие и высшие спирты: метанол, этанол, пропанол и др.; эфиры: метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ), диметилэфир (ДМЭ) и др. К настоящему времени наибольшее приме­нение нашли низшие спирты, в частности метанол, который можно производить из угля, сланцев, древесины, биомассы и др. Спирты имеют высокие ОЧ и целесообразны для применения в ДВС с искро­вым зажиганием. Таких недостатков спиртов, как низкая теплота сго­рания, коррозионность, высокая теплота испарения, гигроскопич­ность и др., можно избежать, используя их производные – эфиры. Наибольшее применение как компонент автомобильных бензинов на­ходит МТБЭ и как перспективное дизельное топливо диметилэфир (ДМЭ), имеющий высокое ЦЧ и практически не образующий при сгорании сажи. Водотопливные эмульсии (ВТЭ). Водотопливные эмульсии позволяют существенно снизить содержание сажи и оксидов азота в отработавших газах (ОГ) и повысить эффективность исполь­зования утяжеленных дизельных топлив. ВТЭ можно разделить на два типа: "вода в топливе" и "топливо в воде". На практике обычно используют эмульсии типа "вода в топливе", когда вода, являющаяся внутренней фазой, состав­ляет 10...40% по объему. Капли воды в таких эмульсиях представля­ют собой правильные сферы размером 2...5 мкм. Отличительными особенностями сгорания водотопливных эмуль­сий являются снижение температуры пламени и повышение полноты сгорания, в основе чего лежит улучшение смесеобразования топлива с воздухом при возникновении "микровзрывов" капель воды. Недо­статками ВТЭ являются невозможность их использования при низких температурах и склонность к расслоению. Синтетические топлива. Такие топлива применяют как в чистом виде, так и в качестве добавок к углеводородным топливам. Наиболее дешевым источником их получения является каменный уголь, из которого производят синтетические бензины и дизельные топлива, метанол и др. Эти топлива отличают меньшее (по отношению к дизельному) содержание водорода (9...12%), большее содержание серы и соединений азота, повышенные температуры застывания, меньшая теплота сгорания. 4.3. Газовые топлива В энергетике в качестве топлива используют преимущественно природный горючий газ. Основной горючей составляющей природ­но­го газа является метан СН (80... 90%). Значительно меньшее применение находят различные виды искусственных горючих газов. Искус­ственное газовое топливо в зависимости от способа его получения может содержать такие горючие компоненты, как оксид углерода, водород, различные углеводороды. Углеводородные газовые топлива по их агрегатному состоянию при нормальных условиях подразделяют на сжатые и сжиженные. В качестве сжатого газа обычно используют природный газ (95% метана СН4). Метан, критическая температура которого t = –82°C при всех более высоких температурах находится в газовой фазе. Сжиженные газы являются главным образом продуктами переработки попутных газов и газов газоконденсатных место­рождений и в основном содержат бутанпропановые и бутилен­пропиленовые смеси, находящиеся при нормальной температуре в жидком состоянии. Основным преимуществом газовых топлив является их чистота (отсутствие свинца, оксидов металлов, ароматических углево­дородов, очень низкое содержание серы и др.), более легкий запуск двигателей в холодное время, высокие экологические качества. Перспективным топливом является водород, обладающий наиболее высокой теплотой и температурой сгорания и образу­ющий "чистые" (не считая оксидов азота) продукты сгорания. Недостатками водорода являются высокая стоимость получения, сложность хранения и заправки, низкая плотность, взрывоопасность. 4.4. Ядерное топливо К ядерным топливам относятся вещества, которые в результате радиоактивного распада (самопроизвольного превращения ядер, в результате которого испускаются α-частицы, электроны, нуклоны, γ-кванты) выделяют тепловую энергию. Это обусловлено тем, что существует математическая связь между массой и энергией тела, выраженная формулой Эйнштейна, вытекающей из общей теории относительности: E=mc2, где Е — полная энергия тела, состоящая из энергии покоя Е0 и кинетической энергии ЕК; m — масса тела, с — скорость света. Из этой формулы следует, что в телах сосредоточена громадная энергия покоя. Например, для 1 г массы Е0 равно 25.106 кВт·ч. Масса и энергия — это две взаимосвязанные формы существования материи. Поэтому каждому количеству массы соответствует определенное количество энергии. Отсюда следует, что любое изменение массы тела Δm, связанное с превращением ее в другие формы (масса поля, γ-квантов), должно сопровождаться определенным изменением энергии ΔE = Δmc2. (3.19) Ядра радиоактивного элемента содержат избыток нейтронов или протонов по сравнению со стабильными ядрами того же элемента. Самопроизвольно изменяя свой состав, они переходят в область стабильных ядер. Радиоактивный распад подразделяется на следующие виды: α-распад (испускание ядер гелия); β-распад (вылет или захват электронов); вылет нуклонов; деление ядра; γ-излучение (электромагнитные волны). Может происходить одновременно радиоактивный распад по нескольким каналам. Закон радиоактивного распада основан на статистических, вероятностных закономерностях. Для каждого радиоактивного ядра существует постоянная распада λ, которая характеризует вероятность того, что это ядро в единицу времени превратится в другое состояние: N = N0 e–λt, где N0 = N при t = 0. Время, в течение которого распадается половина ядер, называется периодом полураспада Т1/2 = 0,693/λ. Для разных радиоактивных элементов величина Т1/2 изменяется от 10–7 с до 5·1015 лет. Ядерные реакции, вызванные поглощением (радиационным захватом) нейтрона, приводят к возникновению новых ядер. При этом выделяется избыточная энергия в виде γ-квантов. Практическое значение представляет деление ядер урана под действием нейтронов. В этом случае на начальном этапе получается новое возбужденное ядро с массовым числом, на единицу большим, чем исходное ядро, которое затем делится на два осколка и при этом испускаются нейтроны, например: 235U + n → 236U → (A1Z1) + (A2Z2) + Хn. Деление изотопов 233U, 235U и 239Pu возможно нейтронами любых энергий. Процесс деления тяжелого ядра носит вероятностный характер. С одной стороны, захват нейтрона делящимся изотопом 235U с вероятностью 16 % приводит к возникновению радиоактивного изотопа 236U, у которого T1/2 =2·107 лет. С другой стороны, в случае деления ядра (вероятность процесса 84 %) наблюдается более 30 различных способов деления. Наиболее вероятными продуктами деления (6,3 %) являются изотопы лантана и брома, а также два избыточных нейтрона: Важной особенностью продуктов деления является их радиоактивность. Это вызвано тем, что в образующихся осколках наблюдается повышенное отношение числа нейтронов к протонам, по сравнению с устойчивыми ядрами. Основная часть энергии деления (~90 %) передается осколкам деления в виде кинетической энергии (начальная скорость движения ~ 10 тыс. км/с), которая в результате торможения осколков в течение 10-13-10-12 с переходит в теплоту. Остальное количество энергии (~10 %) выделяется в виде радиоактивного излучения (поток нейтронов и -излучение), причем половина этой энергии излучения (5 %) выделяется с запаздыванием из осколков деления, она называется остаточным тепловыделением и постепенно спадает по экспоненциальному закону после прекращения реакции деления (через 5ч — 1 %, 50 суток — 0,1 % полной энергии деления). В процессе одного акта деления выделяются два-три нейтрона, поэтому появляется возможность осуществления цепной реакции деления, когда возникающие вторичные нейтроны вызывают деление новых ядер и т. д. Полное количество нейтронов растет в геометрической прогрессии. Например, в пятидесятом поколении от одного исходного нейтрона возникло бы 350.1024 нейтронов (при отсутствии их потерь). В одном грамме урана содержится 2,6.1021 ядер, поэтому при делении всех этих ядер выделится энергия, равная 2000 кВт-ч. Если учесть, что для получения 1 кВт-часа энергии требуется сжечь примерно 0,5 кг каменного угля, то для получения такого количества энергии нужно сжечь более 1000 кг угля или 1 кг ядерного топлива 235U может заменить 20 вагонов угля. 5. Энергетические и экологические проблемы использования теплоты 5.1. Токсичность продуктов сгорания Продукты сгорания оказывают определяющее влияние на энергетические и экологические показатели различных тепло­технических установок. Однако, помимо этих продуктов, при сгорании образуется и ряд других веществ, которые вследствие их малого количества не учитываются в энергетических расчетах, но определяют экологические показатели топок, печей, тепловых двигателей и других устройств современной теплотехники. В первую очередь к числу экологически вредных продуктов сгорания следует отнести так называемые токсичные газы. Токсичными называют вещества, оказывающие негативные воздействия на организм человека и окружающую среду. Основными токсичными веществами являются оксиды азота (NOx), оксид углерода (СО), различные углеводороды (СН), сажа и соединения, содержащие свинец и серу. Оксиды азота. Если температура превышает 1500 К, то азот и кислород воздуха вступают в химическое взаимодействие. При сгорании топлив образуется главным образом оксид азота NO, который за­тем в атмосфере окисляется до NO2. Образование NO увеличивается с ростом температуры газов и концентрации кислорода и при данной температуре не зависит от углеводо­родного состава топлива. Зависимость образования NO от темпе­ратуры создает опреде­ленные трудности с точки зрения увели­чения термического КПД теплового двигателя. В атмосфере над автомагистралями и прилегающими территориями из оксидов азота встречаются в основном NO и NO2. NO является неустойчивым компонентом, который в тече­ние от 0,5....3 до 100 ч (зависит от концентрации в воздухе) окисляется до NO2. Токсичность NO2 в 7 раз выше токсично­сти NO. Находящийся в атмосфере NO2 представляет собой газ красно­вато-бурого цвета, обладающий в больших концентрациях удуш­ливым запахом. NO2 оказывает негативное воздействие на слизи­стые оболочки глаз и носа, а также нервную систему человека. На организм человека NO2 действует как острый раздражи­тель при концентрации 15 мг/м3 и может вызвать отек легких при концентрации 200...300 мг/м3. Реагируя с атмосферной влагой, оксиды азота образуют азотную кислоту, вызывающую коррозию металлов, уничтожение растительности и т.д. Наибольшую опасность оксиды азота представляют как ак­тивный компонент при образовании фотохимического смога. Максимально-разовая концентрация оксидов азота в атмосфере населенных пунктов - 0,085 мг/м3. Оксид углерода (СО) образуется во время сгорания при недос­татке кислорода или при диссоциации СО2. Основное влияние на образование СО оказывает состав смеси: чем она богаче, тем выше концентрация СО. Оксид углерода (угарный газ) – бесцветный и не имеющий запаха газ. При вдыхании вместе с воздухом он интенсивно соединяется с гемо­глобином крови, что уменьшает ее способность к снабжению ор­ганизма кислородом. Симптомы отравления организма газом СО: головная боль, сердцебиение, затруднение дыхания и тошнота. В зависимости от концентрации СО в воздухе и времени воз­действия степень поражения организма может существенно различаться. Связанный гемоглобином СО постепенно выделяется в кровь, которая у здорового человека очищается от СО на 50% каждые 3...4ч. Воздействие СО на центральную нервную систему проявляет­ся в изменении цветовой и световой чувствительности глаз - воз­растает вероятность аварий. Максимально - разовая ПДК этого вещества в населенных пунктах составляет 3 мг/м3. Углеводороды (СН) состоят из исходных или распавшихся моле­кул топлива, которые не принимали участия в сгорании. Углеводо­роды появляются в отработавших газах (ОГ) двигателей внутрен­него сгорания вследствие гашения пламени вблизи относительно холодных стенок камеры сгорания, в «защемленных» объемах, на­ходящихся в вытеснителях и в зазоре между поршнем и цилиндром над верхним компрессионным кольцом. В дизелях углеводороды образуются в переобогащенных зо­нах смеси, где происходит пиролиз (объемный процесс термического разложения) молекул топлива. Если в про­цессе расширения в эти зоны не поступит достаточное количество кислорода, то СН окажется в составе ОГ. Особое влияние оказывают выбросы бензола, толуола, полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) и в пер­вую очередь бенз-а-пирена (C2ОH2). Эта группа высокотоксичных веществ образуется в результате пиролиза легких и сред­них фракций топлива при температуре 600... 700 К. Такие усло­вия возникают вблизи холодных поверхностей цилиндра при наличии там несгоревших углеводородов. Количество ПАУ в ОГ тем больше, чем выше концентрация в топливе бензола. Количество различных индивидуальных углеводородов, входящих в эту группу токсичных веществ, превышает 200. В тех концентрациях, в которых СН содержится в воздухе, на­пример, в зонах с интенсивным движением автотранспорта, они не приносят непосредственного вреда здоровью человека, однако могут вызывать реакции, которые ведут к образова­нию соединений, вред­ных даже при незначительной концен­трации. Так, углеводороды под действием солнечных лучей могут взаимодействовать с оксидами азота, образуя биологически активные вещества, которые раздражающе действуют на органы ды­хательных путей и вызывают появление так называемого смога. Газообразные низкомолекулярные углеводороды оказывают нар­котическое действие на организм человека, вызывая состояние эйфории, что увеличивает вероятность ДТП. Токсичность их воз­растает при наличии в воздухе других загрязнений, которые в со­вокупности под действием солнечной радиации образуют фото­химические оксиданты смога. Максимально-разовая ПДК со­ставляет 5 мг/м3. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), из которых наибольшей активностью обладает бенз-а-пирен (C2ОH2), содер­жащийся в отработавших газах дизелей, относятся к так называемым канцерогенным веществам, они не выводятся из орга­низма человека, а со временем накап­ливаются в нем, способствуя образованию злокачественных опухолей. ПДК составляет 0,1 мкг/100 м3 воздуха. Сажа представляет собой твердый продукт, состоящий в основном из углерода. Кроме углерода, в саже содержится 1..3 % (по массе) водорода. Сажа образуется при температуре выше 1500 К в результате объемного процесса термического разложения (пиролиза) при сильном недостатке кислорода. При одинаковом количестве атомов углерода по степени увеличения склонности к образованию сажи углеводороды располагаются следующим образом: парафины, олефины, ароматики. Наличие сажи в ОГ дизелей обуславливает черный дым на выпуске. Видимым автомобильный выхлоп становится при концентрации сажи 130 мг/м3. Большая опасность связана со свойством сажи накапливать на поверхности своих частиц канцерогенные вещества и служить их переносчиком. Сажа, содержащаяся в отработавших газах, обладает большей токсичностью, чем обычная пыль. Размеры частиц составляют 0,19...0,54 мкм в диаметре и могут достигать альвеол легких или откладываться в носовых пазухах, трахеях или бронхах. Сажа  не единственное твердое вещество, содержащееся в ОГ. Другие твердые вещества образуются из содержащейся в топливе серы, а также в виде аэрозолей масла и несгоревшего топлива. Все вещества, которые оседают на специальном фильтре при прохо­ждении через него ОГ, получили общее название  частицы. Содержание в ОГ продуктов неполного сгорания (СО, СН и сажи) нежелательно не только из-за их токсичности, но и потому, что при неполном сгорании топлива не довыделяется часть тепло­ты, а это обуславливает ухудшение экономических показателей тепловых установок. Свинец и сера. Примерно 50...70% свинца, находящегося в бензине, попадает вместе с ОГ в атмосферу в форме свинцовых солей, т.е. в виде частиц диаметром меньше 1 мкм. Эти части­цы проникают в организм человека вместе с воздухом и через кожу. Они негативно воздействуют на центральную нервную систему, вызывая психиче­ские расстройства. Соединения свинца приводят к возникновению головной боли, утомлению, нарушению сна, ферментативной активности белков живых организмов. Свинец накапливается в организме и может вызвать тяжелые рас­стройства нервной и кровеносной системы. Среднесуточная ПДК составляет 0,0003 мг/м3. Сера, содержащаяся в дизельном топливе, мазуте и каменном угле, выбрасывается в атмосферу после сгорания этих топлив в форме диоксида SO2, который очень вреден для растений и спо­собствует возникновению «кислотных» дождей. Оксиды серы при малых концентрациях (0,001%) вызывают раздражение дыхатель­ных путей, при концентрации 0,01% про­исходит отравление людей за несколько минут. Наличие в атмо­сфере сернистых газов препятствует фотосинтезу растений, не­благоприятно воздействует на дыхательные пути человека. При концентрации SO2 в воздухе более 0,9 мг/м3 происходит измене­ние процессов фотосинтеза растений; через 5...10 дней хвоя со­сны, ели начинает рыжеть и преждевременно опадает. Установ­лено, что смесь SO2 и СО при длительном воздействии вызывает нарушение генетической функции организма. ПДК в рабочей зоне составляет 10 мг/м3. Присутствие в ОГ соединений свинца и серы делает невоз­можным использование каталитических нейтрализаторов, пред­назначенных для снижения токсичности ОГ. Некоторые токсичные вещества после того, как они попадают в атмосферу в составе продуктов сгорания, претерпевают даль­нейшие преобразования. Например, при наличии в атмосфере углеводородов (или их радикалов), оксидов азота и оксида углерода при интенсивном ультрафиолетовом излучении солнца образуется озон О3, являющийся сильнейшим окислителем и вы­зывающий при соответствующей концентрации ухудшение са­мочувствия людей. При высоком содержании в малоподвижной и влажной атмо­сфере NO2, О3 и СН возникает туман коричневого цвета, который получил название «смог» (от английских слов smoke - дым и fog -туман). Смог является смесью жидких и газообразных компонен­тов, он раздражает глаза и слизистые оболочки, ухудшает види­мость на дорогах. Основными источниками выброса токсичных продуктов сгорания являются автомобили, промышленные предприятия, тепловые и элек­трические станции. В некоторых городах содержание в атмосфере токсичных продуктов сгорания превышает предельно допусти­мую концентрацию в несколько десятков раз. Для борьбы с этим злом в большинстве стран мира приняты соответствующие законы, ограничивающие допустимое содержа­ние токсичных веществ в продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу. Современные представления о допустимых уровнях загрязне­ния атмосферного воздуха, воды или ландшафта основаны на сведениях о негативном воздействии вредных веществ на здоро­вье людей и животных, на растительность и материальные ценно­сти. Для оценки воздействия выбросов принято сравнивать их фактические концентрации с предельно допустимыми (макси­мально-разовыми, среднесуточными или среднегодовыми). Выполнение предписываемых соответствующими закона­ми норм разрешенного максимального выброса стало одной из центральных задач теплотехники. Во многих случаях управление работой автомобильных двигателей или объектов промышленной теплотехники осуществляется таким образом, чтобы обеспечить требуемый компромисс между их энергети­ческими, экономи­ческими и экологическими показателями. Во многих случаях достигаемый таким путем уровень эколо­гических показателей превышает разрешенный современны­ми нормами. Поэтому большое значение приобрела нейтра­лизация и очистка продуктов сгорания перед их выходом в атмосферу. С этой целью используются различные нейтрали­заторы и фильтры. Одновре­менно улучшается состав углево­дородных топлив (уменьшение содержания серы, свинца, ароматических углеводородов), расши­ряется использование газовых топлив. В перспективе применение в качестве топлива водорода полностью исключит содержание в продуктах сго­рания СО, СН и других токсичных углеродсодер­жащих ком­понентов. 5.2. «Парниковый» эффект и его последствия Одним из основных продуктов сгорания углеводородных топлив является диоксид углерода (CO2), который не относится к токсичным газам. Годовая эмиссия CO2 составляет 600...1000 млрд т/год. Основное количество CO2 производится природными источ­никами и только лишь 3...5% связаны с технической деятель­ностью человека (антропогенные выбросы). Однако уже 3...3,5% могут нарушать равновесие в атмосфере и служить при­чиной возник­новения так называемого «парникового» эффекта. В верхних слоях атмосферы всегда располагалась смесь га­зов, состоящая на 60...90 % из водяного пара. Эта смесь газов препятствует отводу теплоты от поверхности нашей планеты, повышая ее среднюю температуру на 33°С (от-18°С до +15°С). Таким образом, «парниковый» эффект обусловил благоприятные условия для возникновения и развития жизни на Зем­ле. Однако в результате деятельности человека в стратосфере и тропосфере стали накапливаться такие вещества, как CO2, CH4, галогени­рованные углеводороды, озон и гемиоксид азота (N2O). Суммарная доля этих газов в «парниковом» слое относительно невелика – всего 0,5...1,5%, однако они вызвали за последние 100 лет повышение средней температуры примерно на 0,45°С, что выразилось в известном потеплении климата. При дальнейшем неконтроли­руемом усилении «парникового» эффекта может произойти интен­сивное таяние ледников, которое может при­вести к глобальной катастрофе. Из всех антропогенных «парниковых» газов основная роль в усилении «парникового» эффекта отводится СО2. Важнейшими источниками антропогенных выбросов CО2 являются: тепловые и электрические станции - 27%, промышленность - 20%, отопление жилых помещений и малая энергетика - 20%, транспорт - 17%. Снижение антропогенных выбросов СО2 стало острой эколо­гической проблемой. В то же время известно, что чем больше CO2 образуется при сгорании углеводородных топлив, тем оно совершеннее. Поэтому решение проблемы уменьше­ния антро­погенных выбросов СО2 возможно за счет а) уменьшения количества сжигаемого углеводородного топли­ва, т.е. повышения топливной экономичности теплоэнергетиче­ских устройств и тепловых двигателей; б) применения топлив с малым содержанием углерода (сжатый и сжиженный газы, спирты и эфиры); в) использования водорода; г) перехода к широкому применению альтернативных источни­ков энергии (энергия солнца и ветра, гидроэнергия, атомная и ядерная энергия). Список литературы 1. Луканин В.Н., Шатров М.Г., Камфер Г.М. и др. Теплотех­ника / Под ред. В.Н. Луканина. – М.: Высшая школа, 2002. – 671 с. 2. Архаров А.М., Исаев С.И., Кожинов И.А. и др. Теплотех­ника / Под общ. ред. В.И. Крутова. – М.: Машиностроение, 1986. – 432 с. 3. Лариков Н.Н. Теплотехника. – М.: Стройиздат, 1985. – 432 с. 4. Фраас А., Оцисик М. Расчет и конструирование теплооб­менников. – М.: Атомиздат, 1971. – 360 с. 5. Арсеньев Г. В., Белоусов В. П., Дранченко А. А. и др. Тепловое оборудование и тепловые сети: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 400 с. Содержание Введение 3 1. Теоретические основы энергетических машин 5 1.1. Термодинамика 5 1.2. Термические параметры состояния 6 1.3. Термодинамические процессы 8 1.4. Уравнение состояния идеального газа 10 1.5. Энергия. Закон сохранения энергии. Теплота и работа 11 1.6. Формулировка второго закона термодинамики 17 1.7. Цикл Карно 24 1.8. Математическая формулировка второго закона термодинамики 25 1.9. Термодинамические процессы идеального газа 28 1.10. Основные свойства и термодинамические диаграммы воды и водяного пара 32 2. Тепловые машины 37 2.1. Двигатели внутреннего сгорания 37 2.2. Холодильные машины 46 2.3. Турбины и газотурбинные двигатели 50 2.4. Теплоэлектростанция (ТЭС) 52 3. Способы распространения тепла и виды теплообмена 56 3.1. Основные понятия и законы теплообмена 56 3.2. Теплообменные аппараты 73 4. Источники энергии и топливные ресурсы 80 4.1. Твердые топлива 81 4.2. Жидкие топлива 82 4.3. Газовые топлива 86 4.4. Ядерное топливо 87 5. Энергетические и экологические проблемы использования теплоты 90 5.1. Токсичность продуктов сгорания 90 5.2. «Парниковый» эффект и его последствия 96 Список литературы 98 Содержание 99 Учебное издание В. В. Крашенинников В.И. Запрягаев В.М. Потапов Теплотехника Учебное пособие Редактор В. В. Козлова Компьютерная верстка Н. А. Бутин Лицензия ЛР № 020059 от 24.03.97. Гигиенический сертификат № 54.НК.05.953.П.000149.12.02 от 27.12.02 Подписано в печать 3.03.2004 г. Формат бумаги 60х84/16. Печать RISO. Уч.-изд. л. 6,25. Усл. печ. л. 5,81. Тираж 500 экз. Заказ № 7 Педуниверситет, 630126, Новосибирск, ул. Вилюйская, 28