2.Теплофікаційний цикл

У конденсаційних установках значна кількість теплоти втрачається охолоджуваною водою, що не може використатися для теплопостачання споживачів, тому що температура теплоносія невисока (близько 300 К при тиску в конденсаторі близько 4 кПа). Звичайно для теплопостачання необхідна більше висока температура, що досягається збільшенням тиску в конденсаторі. При цьому підвищується температура відпрацьованої пари і охолоджуючий конденсатор води. Така установка, виробляючи електроенергію, може забезпечити споживачів і теплотою. Цикл, по якому вона працює, одержав назву теплофікаційного, а електростанція, що працює за такою схемою, називається ТЭЦ (теплоелектроцентраль) .

Якщо використати конденсат для опалення, то необхідно, щоб її температура була близько 400К, що відповідає тиску насичення в конденсаторі вище атмосферного. Тому установки, що працюють за такою схемою, називаються установками із протитиском (або погіршеним вакуумом). І оскільки тиск відпрацьованої пари у теплофікаційній установці вище, ніж у конденсаційної, кількість роботи, одержуваної від 1 кг пари в першій установці, менше, ніж у другий. Однак використання теплоти в цілому в теплофікаційній установці поліпшується.

Потужність турбіни, що працює з погіршеним вакуумом, залежить від теплового навантаження, оскільки від її залежить кількість пари, що проходить через турбіну. Тим часом графіки теплового й електричного навантажень можуть не збігатися. Тому турбіни з погіршеним вакуумом мають обмежене застосування. Замість них застосовуються теплофікаційні турбіни (мал. 8.6.) з відбором із проміжних щаблів певної кількості пари високого тиску, що частково відпрацювала в турбіні.

Рис. 2.1. Схема теплофікаційної установки з регульованим проміжним відбором пари з турбіни

Інша пара продовжує розширюватися в частині турбіни низького тиску ЧНТ до кінцевого тиску в конденсаторі, що підтримується досить низьким. Утворений у конденсаторі й у споживачів теплоти конденсат повертається в паровий котел Така схема дозволяє вільно регулювати розподіл пари, для потреб електро й теплопостачання. В цілому коефіцієнт використання теплоти в теплофікаційному циклі вищий за конденсаційний. Однак слід пам'ятати, що ККД паротурбінної установки буде нижчим і на теплову ефективність сильно впливають втрати в тепломережах.

3. Теплообмін

Усі процеси, що протікають в часі і просторі, зв'язані з явищами пере­носу енергії і маси. Відповідно до другого закону термодинаміки під дією різниці температур відбувається процес переносу теплоти в просторі убік менших значень температури. Самовільний необоротний процес переносу теплоти в просторі, обумовлений різницею температур, називається тепло­обміном. Закономірності переносу теплоти і кількісні характеристики цього процесу вивчаються теорією теплообміну.

Теплообмін може здійснюватися трьома способами: теплопровідністю, конвекцією і тепловим випромінюванням. Розрізняють також теплообмін при фазових перетвореннях (випаровуванні, кипінні, конденсації речовини).

Теплопровідність (кондуктивний теплообмін) — це перенос тепла при безпосередньому контакті тіл (або частин одного тіла), що мають різні температури. Теплопровідність обумовлена рухом мікрочасток речовини і можлива у твердих, рідких і газоподібних середовищах.

Конвекція — це процес переносу теплоти при переміщенні макрооб'ємів рідини або газу у просторі з області з одною температурою в область з іншою. При цьому на перенос тепла істотно впливає процес переносу самого середовища.

Тепловим випромінюванням називається процес переносу теплоти в просторі за допомогою електромагнітних хвиль. При цьому має місце подвійне взаємне перетворення: частина внутрішньої енергії випроміню­вача перетворюється в енергію електромагнітних хвиль, що поглина­ються теплосприймаючим тілом, перетворюючись в теплову енергію.

У дійсності в природі і техніці поширення тепла відбувається лише одним способом (теплопровідністю, конвекцією або тепловим випромінюванням) зустрічається рідко. Найчастіше один вид теплообміну супроводжується іншим.

Конвекція завжди супроводжується теплопровідністю, тому що при русі рідин і газів вони контактують з твердою поверхнею. Спільний процес конвекції і теплопровідності називається конвекційним теплообміном. На практиці можуть мати місце більш складні процеси переносу теплоти.

У техніці і побуті проходять процеси теплообміну між різними рідинами (стисливими або нестисливими), розділеними твердою стінкою. Прикладом може служити процес передачі теплоти водою в опалювальному приладі навколишньому повітрю в приміщенні. Процес передачі теплоти від однієї рідини до іншої, що мають різну температуру, через поділяючу їх стінку називається теплопередачею.

Основні визначення

Процес теплообміну може мати місце тільки за умови, що в різних точках системи температура неоднакова. У загальному випадку температура залежить від координат х, у, z розглянутої точки і часу , тобто

. (3.1)

Сукупність значень температури для всіх точок простору в даний момент часу називається температурним полем. Якщо температурне поле в часі не міняється, воно називається стаціонарним, якщо ж змінюється — нестаціонарним. Тепловий режим тіла (або системи тіл), що відповідає стаціонарному температурному полю, називають сталим, а той, що відповідає нестаціонарному температурному полю — несталим.

Якщо температура тіла (системи тіл) змінюється в напрямку однієї координати, то температурне поле називають одномірним (t = t(х)), якщо вздовж двох координат (t = t(х, у)) — двомірним, у напряму трьох координат (t = t(х, у, z)) — тримірним.

Якщо з'єднати всі точки тіла, що мають однакову температуру, одержимо поверхню рівних температур, або ізотермічну поверхню. Ізотермічна поверхня — це геометричне місце точок простору, що мають однакову температуру.

Оскільки в одній і тій же точці простору одночасно не може бути двох різних температур, то ізотермічні поверхні одна з одною не перетинаються. Усі вони або закінчуються на границі тіла, або замикаються на собі. Таким чином, зміна температури в тілі проходить тільки в напрямках, що перетинають ізотермічні поверхні (наприклад, у напрямку х, рис.1). Найбільш різка зміна температури має місце в напрямку нормалі n до ізотермічної поверхні.

Зміна температури в напрямку нормалі до ізотермічної поверхні характеризується градієнтом температури. Градієнтом температури є вектор, спрямований по нормалі до ізотермічної поверхні убік зростання температури і чисельно рівний похідній температури по цьому напрямку (рис.3.1):

Рис.3.1. До визначення температурного градієнта

, (3.2)

де n — одиничний вектор, нормальний до ізотермічної поверхні і спрямований убік зростання температур;

— скалярна величина температурного градієнта, що дорів­нює похідній температури по нормалі n, К/м або ⁰С/м.

У неоднорідному температурному полі виникає перенос теплоти. Кількість теплоти, що проходить за одиницю часу через довільну поверхню F, називають тепловим потоком Q, Вт. Тепловий потік, віднесений до одиниці поверхні, називають щільністю теплового потоку або питомим тепловим потоком q, Вт/м². Розрізняють місцеву (локальну) і середню по поверхні F щільність теплового потоку.

Тепло, що переміщується в середовищі, може виділятися під дією внутрішніх джерел теплоти. Кількість виділення теплоти характеризують щільністю об'ємного тепловиділення q_v, Вт/м³.

Теплопровідність

Теплопровідність – процес переносу теплоти, який відбувається за рахунок обміну енергією між мікрочастинками тіла, які мають різну температуру при нерухомості макрочастинок тіла. В якості посередників в обміні енергій мікрочастинок можуть бути електрони, фотони, кванти енергії – фонони. Швидкість процесу досить велика і наближається до місцевої швидкості звука.

Теплопровідність в чистому вигляді характерна для твердих тіл, в газах і рідинах процес переносу теплопровідністю відбувається лише в окремих випадках при умові відсутності руху макрочастин в напрямку переносу теплоти (в тонких шарах, при відсутності сили тяжіння та інших).

Основний закон теплопровідності ,закон Фур'є, пов'язує температурне поле (просторовий розподіл температур в тілі) та тепловий потік q (кількість теплоти, яка передається за одиницю часу крізь одиницю поверхні, Вт/м² ):

, (3.3)

λ – коефіцієнт теплопровідності, який характеризує здатність тіл проводити тепло, Вт/м ∙К.

3 рівняння (3.1) випливає, що теплопровідність λ дорівнює кількості теплоти, що проходить за одиницю часу через одиницю ізотермічної поверхні при градієнті температури, що дорівнює одиниці.

Коефіцієнт теплопровідності залежить від складу речовини, тобто, в першу чергу, від роду матеріалу та його структури.