2.1.3. Основные виды теплообмена, теплоемкость и энтальпия

Теплообмен, т.е. процесс переноса тепла, осуществляется тремя спосо­бами: теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводность, примером теплопроводности является распростране­ние тепла Q через плоскую разделительную стенку толщиной δ (рис. 1).

Распределение температур в плоской стенке

Рис. 1

Количество тепла, проходящего через стенку будет равно

,

где Q - количество тепла, проходящего через стенку, ккал/час; λ - ко­эффициент теплопроводности, ккал/м • ч • град; δ - толщина разделительной стенки, м; - разность температур между противоположными поверхно­стями разделительной стенки, °С; F - поверхность разделительной стенки, м².

Конвекция - процесс переноса тепла благодаря перемещению нагретых частиц.

Излучение - процесс передачи тепла в виде лучистой энергии.

Нагретое тело излучает энергию в виде электромагнитных колебаний, другое тело поглощает энергию и нагревается.

В котельном агрегате тепло от продуктов сгорания к воде или пару пе­редается при сложном теплообмене, то есть всеми тремя способами.

В топке большая часть тепла передается излучением, а в хвостовых по­верхностях нагрева - конвекцией.

В обоих случаях тепло от продуктов сгорания к воде или пару передает­ся через стенку трубы посредством теплопроводности. Внутренние или на­ружные отложения (загрязнения) поверхностей нагрева в виде накипи или от­ложений сажи снижают теплопроводность и вызывают перегрев металла труб.

Теплоемкость. Под удельной теплоемкостью (С) понимают количество тепла в ккал, которое необходимо затратить, чтобы нагреть 1 кг вещества на 1 °С. Удельная теплоемкость имеет размерность ккал/кг•град.

Теплоемкость газов зависит газов зависит от их природы, температуры и условий, в которых происходит нагревание или охлаждение.

Если процесс подвода тепла происходит при постоянном давлении, то тепло расходуется на нагревание газа и его расширение, то есть совершение работы.

При нагревании газа при постоянном объеме все тепло затрачивается на увеличение его внутренней энергии, то есть на повышение температуры газов.

В связи с этим теплоемкость газа при постоянном давлении С_р всегда больше теплоемкости при постоянном объеме С_υ.

В котельных установках чаще пользуются теплоемкостью при постоян­ном давлении, которую находят для определенных условий по таблицам и гра­фикам.

Энтальпия (i) определяет работоспособность рабочего тела и для про­цессов, протекающих при постоянном давлении (С_ρ), численно равна количе­ству тепла, передаваемого рабочему телу в процессе его нагревания

i = C_ρt,

где г - энтальпия, ккал/кг; С_р - удельная теплоемкость газа при посто­янном давлении, ккал/кг град; t - температура, °С

Из формулы видно, что с повышением температуры физического тела его энтальпия, а следовательно, и работоспособность увеличиваются.

2.1.4. Свойства водяного пара

Известно, что на поверхности воды непрерывно происходит процесс ис­парения, заключающейся в том, что отдельные молекулы покидают массу во­ды и переходят в воздух. Испарение - это естественный процесс, зависящей только от атмосферных условий.

Кипение, или преобразование, - процесс с образованием пара внутри жидкости, происходящей при непрерывном подводе тепла к массе жидкости. При этом каждому значению давления соответствует своя температура кипе­ния (t_s или t_k , ).

Например, атмосферному давлению соответствует t_k = 99,1 °С, при большем давлении температура кипения повышается, при меньшем - понижа­ется.

Если кипение жидкости происходит в закрытом сосуде, то под жидко­стью образуется пар, содержащий капельки влаги. Такой пар называется влажным насыщенным.

При этом температура влажного пара t_H и кипящей жидкости одинакова и равна температура кипения t_k .

Если продолжать непрерывно подводить тепло, то вся вода, включая распыленные капельки, превратятся в пар. Такой пар называют сухим насы­щенным.

Температура сухого насыщенного пара также равна температуре кипе­ния t_k, соответствующей данному давлению.

Количество тепла, необходимое для полного превращения в пар 1 кг жидкости, нагретой до температуры кипения t_k, называется скрытой теплотой парообразования. Величина скрытой теплоты парообразования зависит от дав­ления, при котором происходит процесс парообразования. Так при атмосфер­ном давлении скрытая теплота парообразования равна примерно 540 ккал/кг. Более высоким значениям давления насыщенного пара соответствует меньшая теплота парообразования, а более низким давлениям - большая теплота паро­образования.

Однако энтальпия насыщенного пар с повышением давления до 40 кгс/см² возрастает. Это объясняется, что с увеличением давления повышается температура кипения жидкости и, следовательно, ее энтальпия.

Таким образом, энтальпия 1 кг сухого насыщенного газа превышает эн­тальпию 1 кг кипящей воды при данном давлении на величину скрытой тепло­ты парообразования.

Для давления 14 кгс/см² энтальпия сухого насыщенного пара в 3,4 раза превышает теплосодержание воды. Поэтому пар является более ценным теп­лоносителем, чем вода.

Энтальпия влажного насыщенного пара в отличие от сухого насыщенно­го пар не определяется однозначно для данного давления, а зависит от коли­чества содержащейся в паре влаги. Величина, определяющая количество сухо­го пара в 1 кг влажного пара в процентах, называется степенью сухости пара, или паросодержанием (х).

При паросодержании равном х = 80%, количество сухого пара в 1 кг влажного насыщенного пара составляет 0,8 кг, остальное 0,2 кг приходятся на долю воды.

Очевидно, что паросодержание х = 100% отвечает состоянию сухого на­сыщенного пар, а х = 0 - состоянию кипящей жидкости.

Дальнейший нагрев сухого насыщенного пара при неизменном давлении приведет к повышению его температуры. Пар, температура /_п которого для определенного давления превышает температуру насыщенного пара t_H, назы­вается перегретым.

Разность температур между перегретым и насыщенным паром (t_n - t_H) называется перегревом пара.

Перегретый пар не содержит капелек влаги и имеет более высокую по сравнению с насыщенным паром температуру, поэтому его энтальпия, а сле­довательно, и работоспособность выше. Таким образом, при использовании перегретого пара в качестве рабочего тела стремятся повысить его температу­ру.