Вода ― однородное химическое соединение, молекула которой состоит из трех атомов, принадлежащих двум химическим элементам ― водороду и кислороду. Вода является прекрасным растворителем, поэтому все природ- ные воды представляют собой растворы, содержащие разнообразные вещества ― соли, газы.

Вода и водяной пар как рабочее тело и теплоноситель получили наибольшее распространение в промышленности. Это объясняется широким распространением воды в природе, а также тем что вода и водяной пар обладают относительно хорошими термодинамическими характеристиками.

Теплоемкость воды выше теплоемкости многих других жидкостей и твердых тел и в пределах от 0 до 100 °С при атмосферном давлении она равна 4,19 кДж/(кг∙К), или 4,19 кДж/(кг∙°С). Теплопроводность воды λ_в, Вт/(м∙К), в отличие от теплопроводности других жидких и твердых тел с повышением температуры до 120…140 °С увеличивается, а при дальнейшем повышении температуры ― уменьшается. Плотность воды изменяется с тем-пературой. Наибольшей плотностью вода обладает при 4 °С.

Процесс перехода воды из жидкого состояния в газообразное (пар) называется испарением, а из газообразного в жидкое ― конденсацией. Превращение воды в пар может протекать как при испарении, так и при кипе- нии. Испарение ― процесс образования пара, происходящий с поверхности жидкости при любой температуре. При испарении молекулы воды отры- ваются от поверхности жидкости, имея относительно большие скорости. Вследствие этого средняя скорость движения молекул в массе воды умень- шается и температура жидкости понижается.

При подводе теплоты в процессе нагревания температура жидкости и интенсивность ее испарения увеличиваются, и при определенных темпера- туре и давлении жидкость закипает.

Кипение ― это процесс интенсивного парообразования во всей массе жидкости, который получает развитие при ее нагревании, т.е. подводе к си- теме определенного количества теплоты. При атмосферном давлении темпе- ратура кипения составляет приблизительно 100 °С. С повышением давления температура кипения возрастает и, наоборот, в условиях пониженного дав- ления температура кипения снижается.

Количество теплоты, которое необходимо сообщить воде для превра- щения ее из жидкого состояния в парообразное при температуре кипения, называется скрытой теплотой парообразования r . С повышением давления скрытая теплота парообразования уменьшается.

Количество теплоты, выделяющееся при конденсации 1 кг пара и численно равное  r , называется теплотой конденсации пара.

Пар, имеющий максимальную плотность при конкретном давлении, называется насыщенным. Насыщенный водяной пар может быть влажным и сухим. Насыщенным является пар, полученный при кипении воды и имею- щий с ней одинаковую температуру при том же давлении. В объеме влаж –ного насыщенного пара в виде мельчайших капелек находится вода, которая образуется при разрыве оболочек паровых пузырьков. Сухой насыщенный пар, имея температуру насыщения, влаги не содержит.

Пар, температура которого для определенного давления превышает температуру насыщенного пара, называется перегретым. Разность темпера- тур перегретого и сухого насыщенного пара при том же давлении называется перегревом пара.

Важной характеристикой влажного насыщенного водяного пара является степень его сухости X , которая определяет долю пара в пароводя- ной смеси. Соответственно Y  ― доля жидкости, т.е.

X = 1 – Y .

Отделение капель воды от пара называется сепарацией, а устройства, предназначенные для этой цели ― сепараторами.

Энтальпия влажного насыщенного пара  ∆h_X , кДж/кг, выражается через степень сухости следующим образом:

∆h_X = ∆h^′ + r ∙ X ,

где ∆h^′ ― энтальпия воды при температуре кипения, кДж/кг;

  r ― скрытая теплота парообразования, кДж/кг.

Энтальпия перегретого пара ∆h_П.П , кДж/кг, равна

∆h_П.П = ∆h^″ + c_П ∙( t_П.П – t_Н.П ),

где ∆h^″ ― энтальпия сухого насыщенного пара, кДж/кг;

c_П ― удельная теплоемкость пара, кДж/(кг∙ °С);

t_П.П , t_Н.П ― температура перегретого и насыщенного пара, °С.

Способы передачи теплоты.

Работа котельных установок определяется теплообменными процесса- ми. Теория теплообмена рассматривает процессы переноса теплоты из одной части пространства в другую или от одного тела к другому.

Поток энергии в джоулях, передаваемый более нагретым телом менее нагретому, называют тепловым потоком. Он направлен всегда в сторону меньших температур и является поэтому величиной векторной, определяе- мой не только абсолютным значением, но и направлением. Тепловой поток Q обычно относят к 1 с и измеряют в ваттах. Если тепловой поток относят к единице поверхности, то эту величину называют плотностью теплового потока q и измеряют в Вт/м², т.е. Q = q∙F.

Движущей силой переноса теплоты является наличие в системе тел или одного тела разности температур. Температура – величина скалярная. Она определяет степень нагретости тела и измеряется в Кельвинах (К) или граду- сах стоградусной международной шкалы (°С).

Сложную группу процессов переносов теплоты называют теплообме- ном.

В котельных установках теплота продуктов сгорания топлива пере- дается нагреваемой воде, пароводяной смеси, пару, воздуху за счет теплового излучения (радиации), конвекции и теплопроводности.

Тепловое излучение (радиационный теплообмен) ― это процесс распространения внутренней энергии излучающего тела электромагнитными волнами. Эти волны в однородной изотропной среде или вакууме распрост- раняются прямолинейно со скоростью света и подчиняются оптическим зако- нам преломления, поглощения и отражения. Помимо волновых свойств излу- чение обладает также и корпускулярными свойствами, т.е. лучистая энергия испускается и поглощается материальными телами не неприрывно, а отдель- ными дискретными порциями – квантами или фотонами.

Все виды электромагнитного излучения (космическое, рентгеновское, ультрафиолетовое, видимое, инфракрасное, радиоволны) различаются дли- ной волны (спектром). Передача теплоты излучением может происходить как в видимой части спектра, так и в невидимой – инфракрасной. Большинство твердых и жидких тел имеет неприрывный спектр излучений, т.е. излучает энергию всех длин волн в интервале от 0 до λ. Некоторые тела (обычно газы) излучают энергию только в определенных интервалах длин волн, и такое излучение называют селективным.

Тепловое излучение эффективно лишь при достаточно высоких темпе- ратурах, например, при температурах в факеле происходит нагрев поверхнос- тей котельного агрегата.

Конвекция ― процесс переноса тепловой энергии в результате движе- ния теплоносителя (дымовых газов, воздуха, жидкости или расплава).

Конвекция всегда связана с движением теплоносителя, которое может быть вызвано либо внешними силами, например напором, создаваемым вен- тилятором, компрессором или насосом, либо наличием подъемной силы, воз- никающей вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц.

Теплопроводность ― процесс передачи теплоты от одной более нагре- той части тела к другой менее нагретой в результате тепловых колебаний микрочастиц тела (атомов, молекул, свободных электронов вещества) или от одного тела к другому, находящемуся в соприкосновении с первым. Так осу- ществляется, например, передача теплоты от наружной стенки обогреваемой трубы к внутренней ее поверхности, омываемой более холодным теплоноси- телем. В результате происходит выравнивание температуры тела, значения которой от одной точки к другой меняются неприрывно. Совокупность тем- ператур всех частей тела как системы называется температурным полем. Ме- ханизм переноса теплоты в различных телах различен. В газах теплота пере- носится в результате хаотического движения молекул. В диэлектриках она переносится упругими волнами, в металлах – в результате движения свобод- ных электронов.

При передаче теплоты путем теплопроводности количество переданной теплоты зависит от вида материала и разности температур на границах тела. Способность вещества проводить теплоту характеризуется коэффициентом теплопроводности, значения которого зависят от структуры, плотности ве- щества, влажности, давления и температуры.

Передача теплоты конвекцией

Различают естественную и вынужденную конвекцию. Конвекция является естественной (свободной), если движение масс вызвано разностью плотностей жидкости или газа. Примером естественной конвекции является распространение теплоты в помещении от горячей батареи. По мере нагрева- ния воздуха, находящегося в соприкосновении с горячей батареей, его плот- ность уменьшается и объемы более легкого воздуха вытесняются вверх, их место занимают порции холодного воздуха.

При движении жидкости или газа под давлением, создаваемым насосом или вентилятором, конвекцию называют вынужденной.

Часто перенос теплоты осуществляется одновременно вынужденной и свободной конвекцией. Влияние первой будет тем больше, чем больше ско- рость вынужденного движения. Конвективный теплообмен подразделяют также и по режимам движения потоков (на ламинарный и турбулентный). При малых скоростях перемещения масс характер движения плавный, струй- чатый ― ламинарный режим, а при больших ― неупорядоченно-вихревой ― турбулентный режим. Переход из ламинарного режима в турбулентный зави- сит от скорости движения, вязкости жидкости (или газа), диаметра трубопро- вода (или канала).

Аналогично понятию динамического пограничного слоя Г.Н. Кружи- линым введено понятие теплового пограничного слоя, в пределах которого температура изменяется от значения, равного температуре стенки, до значе- ния, равного температуре вдали от стенки. Следовательно, на стенках канала существуют два пограничных слоя: динамический и тепловой. Толщины этих слоев зависят от свойств теплоносителя: вязкости, теплопроводности, плот- ности, теплоемкости и др. Для газов толщины этих слоев практически Одина- ковы и равны долям миллиметра.

Расчет конвективного теплообмена проводят по уравнению, Вт:

Q = α ∙( t _СТ  – t _Ж )= q∙F ,

где α – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициен- том теплоотдачи, Вт/(м² ∙°С); t _СТ  – температура стенки, °С; t _Ж – температура жидкости, °С; F – площадь поверхности, м².

Коэффициент теплоотдачи определяет плотность теплового потока при разности температур между стенкой и жидкостью, равной 1 °С. Он характе- ризует интенсивность теплообмена и приближенно определяется соотноше- нием: α ≈ λ/δ (здесь λ – теплопроводность теплоносителя; δ – толщина пог- раничного слоя). Увеличение скорости теплоносителя приводит к увеличе- нию турбулентности и, следовательно, уменьшению толщины пограничного теплового слоя, что увеличивает α.

Коэффициент теплоотдачи при вынужденной конвекции увеличивается и при уменьшении диаметра труб. Коэффициент теплоотдачи зависит также от направления движения теплоносителя по отношению к омываемой поверх ности нагрева (продольное или поперечное движение). При прочих равных условиях (скорость движения и температура теплоносителя, диаметр труб и т.д.) коэффициент теплоотдачи конвекцией при поперечном омывании шах- матного пучка труб выше, чем при коридорном их расположении.

Лучистый теплообмен.

Тепловая энергия нагретого тела всегда частично превращается в лу- чистую. Лучеиспускание свойственно всем телам, и каждое из них излучает энергию в окружающее пространство. При попадании на другие тела эта энергия частично поглощается, частично отражается и частично проходит сквозь тело. Часть тепловой энергии, которая поглощается телом, снова прев- ращается в тепловую энергию. Часть энергии, которая отражается, снова по- падает на другие (окружающие) тела и поглощается ими. То же самое проис- ходит и с той частью энергии, которая проходит сквозь тело. Таким образом, после ряда превращений излучаемая энергия полностью распределяется между окружающими телами. Следовательно, каждое тело не только непри- рывно излучает, но и неприрывно поглощает лучистую энергию. В результа- те этих процессов, связанных с двойным превращением энергии (тепловая – лучистая – тепловая), и осуществляется процесс лучистого теплообмена. Количество отдаваемой или воспринимаемой теплоты определяется раз- ностью между количествами излучаемой и поглощаемой телом лучистой энергии. Такая разность отлична от нуля, если температура тел, участвующих во взаимном обмене лучистой энергией, различна. При одинаковой темпера- туре этих тел вся система находится в подвижном термодинамическом рав- новесии. При этом все тела системы также излучают и поглощают лучистые потоки, только для каждого из них приход лучистой энергии равен ее расхо- ду.

Из всего количества падающей на тело энергии (потока) Q часть ее Q _А – поглощается, часть Q_R – отражается и часть Q_D  проходит сквозь тело. На основании закона сохранения энергии:

Q _А + Q_R + Q_D = Q.

Поделив равенство на Q получим:

Q _А / Q + Q_R / Q + Q_D / Q = 1,

или

A + R + D = 1.

Если А=1, то R=D=0: вся падающая лучистая энергия поглощается телом. Такие тела называют абсолютно черными.

При R=1 и A=D=0 вся попадающая лучистая энергия отражается. Если поверхность диффузно отражает (по всевозможным направлениям) все па- дающие на нее лучи, ее называют абсолютно белой.

Если D=1, то A=R=0: вся падающая энергия полностью проходит через тело. Такие тела называют абсолютно проницаемыми (прозрачными), или диатермичными.

В природе тел с абсолютными свойствами нет; для реальных тел значе- ния A, R и D всегда больше нуля и меньше единицы, и, кроме того, они зави- сят от длины волны излучения. Тела, поглощательная способность которых (коэффициент поглощения) A < 1, называют серыми.

Для поглощения и отражения тепловых лучей большое значение имеет состояние поверхности. Поглощательная способность шероховатых поверх- ностей значительно выше, чем гладких и полированных.

Количество лучистой энергии (в Вт), проходящей через поверхность тела в 1 с, называют лучистым тепловым потоком, или мощностью излучения Q . Лучистый поток, отнесенный к единице поверхности, называют плот- ностью излучения или излучательной способностью E, т.е. E = Q /F. Плот- ность излучения учитывает всю энергию, излучаемую единицей поверхности тела по всем направлениям в пределах полусферы во всем диапазоне длин волн. Поэтому ее иногда называют плотностью полусферического излучения.

Для излучения абсолютно черного тела она может быть вычислена по закону Стефана - Больцмана, Вт/м² :

E _о=σ_о∙Т⁴ ;

где σ_о ― универсальная постоянная Стефана – Больцмана, равная 5,67∙ 10^-8 Вт/(м²∙К⁴); Т ― температура тела, К.

Чаще применяют иную форму этого закона:

E _о=С_о∙( Т/ 100)⁴ ,

где С_о ― излучательная способность (коэффициент излучения) абсо- лютно черного тела, С_о = σ_о∙10⁸ =5,67 Вт/(м²∙К⁴).

 В применении к серым телам, для которых падающая на них лучистая энергия частично поглощается, а частично отражается и проходит сквозь тело, закон излучения записывают в следующем виде:

E = ε ∙ E _о = ε ∙ С_о∙( Т/ 100)⁴ ,

где ε ― степень черноты, которая характеризует собой отношение излучательной способности С серого тела к излучательной способности С_о абсолютно черного тела:

ε = E / E _о = С / С_о .