Теплота и способы ее передачи

Понятие о теплоте. Теплоносители (вода, пар, продукты сгорания, воздух и др), как и все тела, состоят из молекул, которые совершают хаотическое движение. Такое движение называется тепловым движением, а энергия этого движения – внутренней энергией тела. Чем выше темпера-тура тела, тем больше его внутренняя энергия.

Если два тела с разными температурами привести в соприкосновение, то внутренняя энергия более горячего тела будет самопроизвольно передаваться менее горячему телу. Процесс передачи внутренней энергии называется теплообменом, а количество переданной (полученной) внутренней энергии – теплотой. Количество теплоты прямо пропорционально разности температур тел и зависит от характера процесса теплообмена.

Различают следующие виды теплообмена: излучение, теплопроводность и конвекция.

Излучение (лучистый теплообмен) – это передача внутренней энергии горячего тела в виде потока электромагнитной энергии. При облучении холодного тела электромагнитная энергия превращается в тепловую энергию и температура этого тела возрастает. Лучистый теплообмен является основным видом передачи тепловой энергии в топках котлов. От горячих продуктов сгорания (их температура составляет 1400 – 1700 ⁰С) на каждый м² стен топки падает тепловой поток величиной в 100 – 300 кВт. Чтобы создать такой лучистый поток нужно на одном м² поверхности расположить от 1000 до 3000 электроламп мощностью по 100 Вт каждая и включить их одновременно. В других устройствах тепловых энергоустановок роль лучистого теплообмена менее заметна.

Теплопроводность – это распространение теплоты от молекулы к молекуле при их соударении. Сталкиваясь с холодной, горячая молекула передает ей свою энергию и скорость ее движения замедляется, а скорость другой увеличивается. Чем плотнее тело, тем ближе его молекулы расположены друг к другу, тем выше теплопроводность данного тела. Плотность стали, например, составляет 7800 кг на м³, а воздуха при 0⁰ С – 1,29 кг на м³. Плотность пористых материалов занимает промежуточное положение и для красного кирпича она равна 2000 кг на м³, а для минеральной ваты –100 кг на м³. Поэтому теплопроводность стали в 100 и более раз выше теплопроводности кирпича и почти в 2500 раз больше теплопроводности сухого воздуха. Поэтому: чайники для кипячения воды (поверхности нагрева) изготавливают из стали, а для заварки чая – из керамики; дома строятся из кирпича, бетона и дерева, теплоизоляция трубопроводов и оборудования выполняется из минеральной ваты и других теплоизоляционных материалов, а окна имеют две, а то и три рамы. Применяются также окна, выполненные из двух близко расположенных рам, из промежутка которых выкачан воздух. Аналогичную конструкцию имеет и бытовой термос.

Плотность воды составляет 1000 кг/ м³. Ее теплопроводность в 80 раз ниже теплопроводности стал и в 15 раз выше теплопроводности минеральной ваты. Поэтому увлажненные пористые материалы имеют более высокую теплопроводность, чем сухие.

Конвекция (конвективный теплообмен) – это перенос теплоты потоком продуктов сгорания, воды или воздуха из одной области в другую. Если поток горячий то, соприкасаясь с холодной поверхностью, он нагревает ее, а сам охлаждается. Если температура поверхности стенки выше температуры потока, то стенка охлаждается, а поток тела нагревается.

Интенсивность конвективного теплообмена пропорциональна скорости потока: чем быстрее движется поток, тем он больше охлаждается или нагревается. Например, для снижения интенсивности конвективного теплообмена оконные рамы конопатятся и заклеиваются. В неподвижном слое воздуха конвекция отсутствует и теплота через окно передается теплопроводностью.

В тепловых установках в распространении теплоты одновременно участвуют все виды теплообмена. Например, поток горячей воды в радиаторе отопления отдает теплоту внутренней стенке радиатора конвекцией. Лучистый теплообмен в жидкостях отсутствует. Через стенку радиатора теплота распространяется теплопроводностью. К воздуху теплота отдается с наружной поверхности радиатора в основном конвекцией и, значительно меньше, излучением. Если температура воды на входе в чугунный радиатор составляет 95 ⁰С, на выходе 70 ⁰С, а температура воздуха 18 ⁰С, то с 1 м². поверхности радиатора в воздух поступает 435 ккал/ч теплоты. При этом через радиатор должно проходить 17,4 кг/ч воды, чему соответствует определенная скорость движения воды.

Единицы измерения теплоты. Согласно закону сохранения энергии теплота не исчезает, а переходит в другие виды энергии: механическую, химическую, электрическую, электромагнитную.

Так как в количественном отношении все виды энергии равны, то все они, в том числе и тепловая, измеряются одной и той же физической величиной – джоулем Дж. Данная единица измерения количества энергии входит в состав международной системы единиц измерения физических величин с сокращенным названием СИ. Наряду с указанной системой временно действует старая система единиц МКГСС, в которой теплота измеряется в кал, работа в кгм, мощность в л.с. и Вт, сила в кгс ( килограмм-сила ) и др.

Связь джоуля с калорией следующая:

1 кал = 4,19 Дж

Так как эти единицы очень малы, то применяются кратные им величины (кило-, мега-, гигакалория, гигаджоуль):

1 ккал = 10 ³ кал; 1Мкал = 10 ⁶ кал; 1Гкал = 10 ⁹ кал.

Алогично указанным величинам используются кДж, МДж и ГДж.

Единицей мощности в системе СИ является 1Вт = 1Дж /с. Из кратных величин чаще используются 1кВт и 1МВт.

В современных условиях количество теплоты (теплопроизводительность и теплопотребление установок) часто выражают в к кал/ч и Гкал/ч, а тепловую мощность в к Вт и МВт. Для перехода от количества теплоты к тепловой мощности нужно умножить количество теплоты на коэффициент 1,163. Например:

860 ккал/ч × 1,163 = 1кВт; 1Гкал/ч × 1,163 МВт = 1,163 МВт

Количество теплоты Q, которое нужно подвести, например, к воде или воздуху, чтобы нагреть их от температуры t₁ до t ₂ можно определить по формуле:

Q = СV (t₂ - t₁) ккал/ч, (1)

где С – теплоемкость, равная: для воды – 1,0 ккал/кг· град, для воздуха – 0,3 ккал/м³ град;

V - расход воды в кг/ч или воздуха в м³/ч;

t_1, t₂ - начальная и конечная температуры теплоносителя, ⁰С.

Параметры состояния теплоносителей. При нагревании или охлаждении состояние теплоносителя меняется и для его контроля используются, в основном, такие параметрам, как абсолютная температура и абсолютное давление.

Абсолютная температура. Температура характеризует степень нагрева тела и является показателем средней интенсивности движения молекул. При нагревании тела интенсивность движения молекул увеличивается, а при охлаждении – снижается. Состояние тела при охлаждении, когда его молекулы становятся неподвижными, характеризует ноль градусов международной термодинамической шкалы Кельвина. Температура в шкале Кельвина называется абсолютной.

На практике температура измеряется с помощью термометра, показания которого выражаются в градусах Цельсия. Поэтому абсолютная температура рассчитывается по формуле:

Т = t + 273,15 К (2)

Из формулы следует, что ноль градусов в шкале Кельвина находится на 273,15 ⁰С ниже ноля в шкале Цельсия. При ноле градусов Кельвина молекулы неподвижны и тепловое движение отсутствует. При ноле градусов Цельсия тепловое движение молекул существует, тело обладает внутренней энергией и способно отдавать ее другому телу, если его температура ниже этого ноля. Таким образом, температура, измеренная в шкале Кельвина, соответствуют тепловому состоянию тела и верно его характеризуют.

Задача. Определить, как изменится давление воздуха в баллоне, если его температура увеличилась с 20 до 40 ⁰С, т.е. в 2 раза. Однако абсолютная температура возросла с 293 до 313 К, или в 1,07 раза. Правильный ответ: Давление увеличится прямо пропорционально изменению абсолютной температуре, т.е. в 1,07 раза.

Абсолютное давление. Давлением называется сила F, которая действует на единицу площади поверхности S по нормали к ней:

р = F / S (3)

В международной системе единиц СИ за единицу силы принят 1 Н (ньютон), за единицу площади 1 м ², а за единицу давления 1 Па (паскаль), т.е.

1 Па = 1Н / 1 м ²

В допущенной к временному использованию старой системе единиц МКГС единицами измерения давления являются 1 кгс/ см ², 1 м вод. ст., 1 мм вод. ст., 1 кг/м². Связь между единицами измерения давления в указанных системах следующая:

10 м вод. ст. = 1 кгс / см ² = 10³ Па,1 мм вод. ст. = 1 кг/ м ² = 10 Па, 1Па = 0,1 мм вод. ст.

Из-за малой величины паскаля используются кратные паскалю единицы (кило- и мегапаскаль):

1 кПа = 1000 Па; 1 МПа = 10⁶ Па. Тогда 1МПа = 10 кгс / см ², а 1 кгс / см ² = 0,1 МПа.

Рис.1. Измерение избыточного давления и разрежения U-образным жидкостным (водяным) манометром и вакуумметром

Если давление рабочего тела р внутри сосуда больше атмосферного Б, то оно называется избыточным. Величина избыточного давления р_изб измеряется манометрами, а потому часто называется манометрическим. Давление, которое ниже Б, называется вакуумметрическим давлением р_вак или разрежением и измеряется с помощью вакуумметров. На рис. 1 избыточному давлению р_изб и разрежению р_вак соответствуют столбы жидкости высотой h мм.

Манометры и вакуумметры находятся под воздействием давления рабочего тела и давления атмосферного воздуха, т.е. барометрического давления.

На примере U-образного жидкостного манометра (вакуумметра) можно показать, что избыточное давление является разностью давления рабочего тела и барометрического давления:

р _изб = р – Б = h, (4)

а вакууметрическое (разрежение) – разностью барометрического давления и давления рабочего тела:

р_вак = Б – р = h (5)

В первом случае давление рабочего тела р находится как сумма барометрического давления и показаний манометра, а во втором – как их разность:

р =(р _изб + Б) и р = (Б - р_вак ) (6)

Параметром состояния является давление рабочего тела внутри сосуда (трубопровода), которое называется абсолютным давлением. Для его определения используются показания приборов и указанные выше расчетные формулы.

Задача: Определить, во сколько раз возросло давление пара в котле, если в начале процесса растопки котла манометр показывал 0,5 МПа, а в конце процесса – 1 МПа. Барометрическое давление в обоих случаях составляло 0,1 МПа.

Решение. По показаниям манометра давление возросло в 2 раза. Ответ неверный, т.к. не полно учитывает истинное состояние пара. Правильный ответ: абсолютное давление пара менялось от 0,6 = (0,5 + 0,1) до 1,1 = (1 +0,1) МПа и увеличилось в 1,83 раза. Ошибка составляет чуть более 9 %.

Влияние давления на кипение воды. Как известно температура кипения воды зависит от абсолютного давления, при котором находится вода. Например, при атмосферном давлении она равна 100 ⁰С. С увеличением давления вода кипит при большей температуре и, наоборот, с уменьшением давления температура кипения снижается. Так при давлении 1,4 МПа (14кгс/ см ²) температура кипения равна 194 ⁰С, а при давлении 0,03 МПа (0,3 кгс/см²) – 70 ⁰С.

Давление, при котором вода кипит называется давлением насыщения. Во избежание вскипания воды в трубопроводах давление воды в них должно быть выше давления насыщения. При температуре воды 150 ⁰С давление, предотвращающее вскипание воды, должно быть более 0,5 МПа (более 5 кгс/см² или 50 м вод. ст)., а при 115 ⁰С – более 0,17 МПа (более 1,7 кгс/см² или 17 м вод.) Здесь 0,5 МПа и 0,17 МПа величины давления насыщения при температурах 150 и 115 ⁰С, соответственно. При образовании пара в трубопроводах возникают гидравлические удары, перебои в подаче воды, изменяются расходы воды по трубопроводам системы отопления, возможно разрушение трубопроводов и оборудования. Согласно Правил (п.9.3.21) во избежание вскипания воды давление в верхних точках систем отопления при температуре воды выше 100 ⁰С должно быть больше расчетного не менее, чем на 0,05 МПа (0,5 кгс / см² или 5 м вод. ст.).

Низкое давление горячей воды на входе в насосы может вызвать вскипание воды в насосе и, как следствие, перебои в подаче воды, а также подсосы воздуха в систему отопления. Наличие воздуха может выключить систему из работы. Согласно Правил (п.9.3.20) давление в обратном трубопроводе должно превышать статическое давление не менее чем на 0,05 МПа (0,5 кгс / см² или 5 м вод.ст.).