Потери тепла в окружающую среду. Теплообмен организма человека с окружающей средой

Тепловой баланс котельного агрегата устанавливает равенство между поступающим в агрегат количеством теплоты и его расходом. На основании теплового баланса котельного агрегата определяют расход топлива и вычисляют коэффициент полезного действия, который является важнейшей характеристикой энергетической эффективности работы котла.

В котельном агрегате химически связанная энергия топлива в процессе горения преобразуется в физическую теплоту горючих продуктов сгорания. Эта теплота расходуется на выработку и перегрев пара или нагревание воды. Вследствие неизбежных потерь при передаче теплоты и преобразовании энергии вырабатываемый продукт (пар, вода и т.д.) воспринимает только часть теплоты. Другую часть составляют потери, которые зависят от эффективности организации процессов преобразования энергии (сжигания топлива) и передачи теплоты вырабатываемому продукту.

Тепловой баланс котельного агрегата заключается в установлении равенства между поступившим в агрегат количеством теплоты и суммой использованной теплоты и тепловых потерь. Тепловой баланс котельного агрегата составляется на 1 кг твердого или жидкого топлива или для 1 м 3 газа. Уравнение, при котором тепловой баланс котельного агрегата для установившегося теплового состояния агрегата записывают в следующем виде:

Q р / р = Q 1 + ∑Q n

Q p / p = Q 1 + Q 2 + Q 3 + Q 4 + Q 5 + Q 6 (19.3)

Где Q р / р - теплота, которой располагают; Q 1 - использованная теплота; ∑Q n - общие потери; Q 2 - потери теплоты с уходящими газами; Q 3 - потери теплоты от химического недожога; Q 4 - потери теплоты от механической неполноты сгорания; Q 5 - потери теплоты в окружающую среду; Q 6 - потери теплоты с физической теплотой шлаков.

Если каждое слагаемое правой части уравнения (19.3) разделить Q p/ p и умножить на 100%, получим второй вид уравнения, при котором тепловой баланс котельного агрегата:

q 1 + q 2 + q 3 + q 4 + q 5 + q 6 = 100% (19.4)

В уравнении (19.4) величина q 1 представляет собой коэффициент полезного действия установки "брутто". Он не учитывает затраты энергии на обслуживание котельной установки: привод дымососов, вентиляторов, питательных насосов и прочие расходы. Коэффициент полезного действия "нетто" меньше КПД "брутто", так как он учитывает затраты энергии на собственные нужды установки.

Левая приходная часть уравнения теплового баланса (19.3) является суммой следующих величин:

Q p / p = Q p / н + Q в.вн + Q пар + Q физ.т (19.5)

где Q B.BH - теплота, вносимая в котлоагрегат с воздухом на 1 кг топлива. Эта теплота учитывается тогда, когда воздух нагревается вне котельного агрегата (например, в паровых или электрических калориферах, устанавливаемых до воздухоподогревателя); если воздух нагревается только в воздухоподогревателе, то эта теплота не учитывается, так как она возвращается в топку агрегата; Q пap - теплота, вносимая в топку с дутьевым (форсуночным) паром на 1 кг топлива; Q физ.т - физическая теплота 1 кг или 1 м 3 топлива.

Теплоту, вносимую с воздухом, рассчитывают по равенству

Q В.BH = β V 0 С р (Т г.вз - Т х.вз)

где β - отношение количества воздуха на входе в воздухоподогреватель к теоретически необходимому; с р - средняя объемная изобарная теплоемкость воздуха; при температуре воздуха до 600 К можно считать с р = 1,33 кДж/(м 3 К); Т г.вз - температура нагретого воздуха, К; Т х.вз - температура холодного воздуха, принимаемая обычно равной 300 К.

Теплоту, вносимую с паром для распыления мазута (форсуночный пар), находят по формуле:

Q пар = W ф (i ф - r)

где W ф - расход форсуночного пара, равный 0,3 - 0,4 кг/кг; i ф - энтальпия форсуночного пара, кДж/кг; r - теплота парообразования, кДж/кг.

Физическая теплота 1 кг топлива:

Q физ.т - с т (Т т - 273),

где с т - теплоемкость топлива, кДж/(кгК); Т т - температура топлива, К.

Значение величины Q физ. т обычно незначительно и в расчетах учитывается редко. Исключением являются мазут и низкокалорийный горючий газ, для которых значение Q физ.т существенно и должно обязательно учитываться.

Если предварительный подогрев воздуха и топлива отсутствует и пар для распыления топлива не используется, то Q p / р = Q р / н. Слагаемые потерь тепла в уравнении теплового баланса котельного агрегата подсчитывают на основании равенств, приводимых ниже.

1. Потерю теплоты с уходящими газами Q 2 (q 2) определяют как разность между энтальпией газов на выходе из котельного агрегата и воздуха, поступающего в котельный агрегат (двоздухоподогревателя), т.е.

где V r - объем продуктов сгорания 1 кг топлива, определяемый по формуле (18.46), м 3 /кг; c р.r , с р.в - средние объемные изобарные теплоемкости продуктов сгорания топлива и воздуха, определяемые как теплоемкости газовой смеси (§ 1.3) с помощью таблиц (см. прил. 1); Т ух, Т х.вз - температуры уходящих газов и холодного воздуха; а - коэффициент, учитывающий потери от механического недожога топлива.

Котельные агрегаты и промышленные печи работают, как правило, под некоторым разрежением, которое создается дымососами и дымовой трубой . Вследствие этого через не плотности в ограждениях, а также через смотровые лючки и т.д. подсасывается из атмосферы некоторое количество воздуха, объем которого необходимо учитывать при расчете I ух.

Энтальпию всего поступающего в агрегат воздуха (с учетом присосов) определяют по коэффициенту избытка воздуха на выходе из установки α ух = α т + ∆α.

Общий подсос воздуха в котельных установках не должен превышать ∆α = 0,2 ÷ 0,3.

Из всех потерь теплоты величина Q 2 - самая значительная. Величина Q 2 возрастает с увеличением коэффициента избытка воздуха, температуры уходящих газов, влажности твердого топлива и забалластированности негорючими газами газообразного топлива. Снижение присосов воздуха и улучшение качества горения приводят к некоторому уменьшению потери теплоты Q 2 . Основным определяющим фактором, влияющим на потерю теплоты уходящими газами, является их температура. Для снижения Т ух увеличивают площадь теплоиспользующих поверхностей нагрева - воздухоподогревателей и экономайзеров.

Величина Т ух влияет не только на КПД агрегата, но и на капитальные затраты, необходимые для установки воздухоподогревателей или экономайзеров. С уменьшением Т ух возрастает КПД и снижаются расход топлива и затраты на него. Однако при этом возрастают площади теплоиспользующих поверхностей (при малом температурном напоре площадь поверхности теплообмена необходимо увеличивать; см. § 16.1), в результате чего повышаются стоимость установки и эксплуатационные расходы. Поэтому для вновь проектируемых котельных агрегатов или других теплопотребляющих установок значение Т ух определяют из технико - экономического расчета, в котором учитывается влияние T ух не только на КПД, но и на величину капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

Другой важный фактор, влияющий на выбор Т ух, - содержание серы в топливе. При низкой температуре (меньше, чем температура точки росы дымовых газов) возможна конденсация водяных паров на трубах поверхностей нагрева. При взаимодействии с сернистым и серным ангидридами, которые присутствуют в продуктах сгорания, образуются сернистая и серная кислоты. В результате этого поверхности нагрева подвергаются интенсивной коррозии.

Современные котельные агрегаты и печи для обжига строительных материалов имеют Т ух = 390 - 470 К. При сжигании газа и твердых топлив с небольшой влажностью Т ух - 390 - 400 К, влажных углей

Т ух = 410 - 420 К, мазута Т ух = 440 - 460 К.

Влажность топлива и негорючие газообразные примеси являются газообразующим балластом, который увеличивает количество получающихся при горении топлива продуктов сгорания. При этом повышаются потери Q 2 .

При использовании формулы (19.6) следует иметь в виду, что объемы продуктов сгорания рассчитывают без учета механического недожога топлива. Фактическое количество продуктов сгорания с учетом механической неполноты горения будет меньше. Это обстоятельство учитывают, вводя в формулу (19.6) поправочный коэффициент a = 1 - р 4 /100.

2. Потеря теплоты от химического недожога Q 3 (q 3). Газы на выходе из топки могут содержать продукты неполного горения топлива СО, Н 2 , СН 4 , теплота сгорания которых не использована в топочном объеме и далее по тракту котлоагрегата. Суммарная теплота сгорания этих газов и обусловливает химический недожог. Причинами появления химического недожога могут быть:

• недостаток окислителя (α <; 1);
• плохое перемешивание топлива с окислителем (α ≥ 1);
• большой избыток воздуха;
• малое или чрезмерно высокое удельное энерговыделение в топочной камере q v , кВт/м 3 .

Недостаток воздуха приводит в тому, что часть горючих элементов газообразных продуктов неполного горения топлива может вообще не сгорать из-за отсутствия окислителя.

Плохое перемешивание топлива с воздухом является причиной или местного недостатка кислорода в зоне горения, или, наоборот, большого его избытка. Большой избыток воздуха вызывает снижение температуры горения, что уменьшает скорости реакций горения и делает процесс сжигания неустойчивым.

Малое удельное тепловыделение в топке (q v = BQ p / н /V т, где В - расход топлива; V T - объем топки) является причиной сильного рас сеяния теплоты в топочном объеме и ведет к снижению температуры. Завышенные значения qv также вызывают появление химического недожога. Объясняется это тем, что для завершения реакции горения требуется определенное время, а при значительно завышенном значении qv время нахождения топливовоздушной смеси в топочном объеме (т.е. в зоне наиболее высоких температур) оказывается недостаточным и ведет к появлению в газообразных продуктах сгорания горючих составляющих. В топках современных котельных агрегатов допустимое значение qv достигает 170 - 350 кВт/м 3 (см. § 19.2).

Для вновь проектируемых котельных агрегатов значения qv выбирают по нормативным данным в зависимости от вида сжигаемого топлива, способа сжигания и конструкции топочного устройства. При балансовых испытаниях эксплуатируемых котельных агрегатов величину Q 3 рассчитывают по данным газового анализа.

При сжигании твердого или жидкого топлива величину Q 3 , кДж/кг, можно определить по формуле(19.7)

3.Потеря теплоты от механической неполноты сгорания топлива Q 4 (g 4). При горении твердого топлива остатки (зола, шлак) могут содержать некоторое количество несгоревших горючих веществ (в основном углерода). В результате химически связанная энергия топлива частично теряется.

Потеря теплоты от механической неполноты сгорания включает ее потери вследствие:

• провала мелких частиц топлива через зазоры в колосниковой решетке Q пр (q пр);
• удаление некоторой части недогоревшего топлива со шлаком и золой Q шл (q шл);
• уноса мелких частиц топлива дымовыми газами Q ун (q ун)

Q 4 - Q пp + Q ун + Q шл

Потеря теплоты q yн принимает большие значения при факельном сжигании пылевидного топлива, а также при сжигании неспекающихся углей в слое на неподвижных или подвижных колосниковых решетках. Значение q ун для слоевых топок зависит от видимого удельного энерговыделения (теплонапряжения) зеркала горения q R , кВт/м 2 , т.е. от количества выделяющейся тепловой энергии, отнесенного к 1 м 2 горящего слоя топлива.

Допустимое значение q R BQ р / н /R (В - расход топлива; R - площадь зеркала горения) зависит от вида сжигаемого твердого топлива, конструкции топки, коэффициента избытка воздуха и т.д. В слоевых топках современных котельных агрегатов величина q R имеет значения в пределах 800 - 1100 кВт/м 2 . При расчете котельных агрегатов величины q R, q 4 = q np + q шл + q ун принимают по нормативным материалам. При балансовых испытаниях потерю теплоты от механического недожога рассчитывают по результатам лабораторного технического анализа сухих твердых остатков на содержание в них углерода. Обычно для топок с ручной загрузкой топлива q 4 = 5 ÷ 10%, а для механических и полумеханических топок q 4 = 1 ÷ 10%. При сжигании пылевидного топлива в факеле в котельных агрегатах средней и большой мощности q 4 = 0,5 ÷ 5%.

4. Потеря теплоты в окружающую среду Q 5 (q 5) зависит от большого числа факторов и главным образом от размеров и конструкции котла и топки , теплопроводности материала и талщины стенок обмуровки, тепловой производительности котлоагрегата, температуры наружного слоя обмуровки и окружающего воздуха и т. д.

Потери теплоты в окружающую среду при номинальной производительности определяют по нормативным данным в зависимости от мощности котлоагрегата и наличия дополнительных поверхностей нагрева (экономайзера). Для паровых котлов производительностью до 2,78 кг/с пара q 5 - 2 - 4%, до 16,7 кг/с - q 5 - 1 - 2%, более 16,7 кг/с - q 5 = 1 - 0,5%.

Потери теплоты в окружающую среду распределяются по различным газоходам котлоагрегата (топка, пароперегреватель, экономайзер и т.д.) пропорционально теплоте, отдаваемой газами в этих газоходах. Эти потери учитывают, вводя коэффициент сохранения теплоты φ = 1 q 5 /(q 5 + ȵ к.а) где ȵ к.а - КПД котельного агрегата.

5. Потеря теплоты с физической теплотой удаляемых из топок золы и шлаков Q 6 (q 6) незначительна, и ее следует учитывать только при слоевом и камерном сжигание многозольных видов топлива (типа бурых углей, сланцев), для которых она составляет 1 - 1,5%.

Потери теплоты с горячей золой и шлаком q 6 , %, рассчитывают по формуле

где а шл - доля золы топлива в шлаке; С шл - теплоемкость шлака; Т шл - температура шлака.

При факельном сжигании пылевидного топлива а шл = 1 - а ун (а ун - доля золы топлива, уносимой из топки с газами).

Для слоевых топок а сл шл = а шл + а пр (а пр - доля золы топлива в "провале"). При сухом шлакоудалении температура шлака принимается Т ш = 870 К.

При жидком шлакоудалении , которое наблюдается иногда при факельном сжигании пылевидного топлива Т шл = Т зол + 100 К (Т зол - температура золы в жидкоплавком состоянии). При слоевом сжигании горючих сланцев к зольности Aр вводится поправка на содержание углекислоты карбонатов, равная 0,3 (СО 2), т.е. зольность принимается равной А Р + 0,3 (СО 2) р / к. Если удаляемый шлак находится в жидком состоянии, то значение величины q 6 достигает 3%.

В печах и сушилках, применяемых в промышленности строительных материалов, помимо рассмотренных потерь теплоты приходится учитывать также потери на прогрев транспортных устройств (например, вагонеток), на которых материал подвергается тепловой обработке. Эти потери могут доходить до 4% и более.

Таким образом, КПД "брутто" может быть определен как

ȵ к.а = g 1 - 100 - ∑q потерь(19.9)

Теплоту, воспринятую вырабатываемым продуктом (пар, вода), обозначим Qк.a, кВт, тогда имеем:

для паровых котлов

Q 1 = Q к.а = D (i n.n - i п.н) + pD/100 (i - i п.в) (19.10)

для водогрейных котлоагрегатов

Q 1 = Q к.а = М в с р.в (Т вых - Т вх) (19.11)

Где D - производительность котла, кг/с; i п.п - энтальпия перегретого пара (если котел вырабатывает насыщенный пар, то вместо i п.в следует поставить (i пн) кДж/кг; i п.в - энтальпия питательной воды, кДж/кг; р - количество воды, удаляемой из котлоагрегата с целью сохранения допустимого содержания солей в котловой воде (так называемая непрерывная продувка котла), %; i - энтальпия котловой воды, кДж/кг; М в - расход воды через котлоагрегат,кг/с; с р.в - теплоемкость воды, кДж/(кгК); T вых - температура горячей воды на выходе из котла; Т вх - температура воды на входе в котел.

Расход топлива В, кг/с или м 3 /с, определяют по формуле

B = Q к.a /(Q р / н ȵ к.a) (19.12)

Объем продуктов сгорания (см. § 18.5) определяют без учета потери от механического недожога. Поэтому дальнейший расчет котельного агрегата (теплообмен в топке, определение площади поверхностей нагрева в газоходах, воздухоподогревателя и экономайзера) осуществляется по расчетному количеству топлива В р:

(19.13)

При сжигании газа и мазута В р = В.

Для уменьшения расхода теплоты необходим строгий учет тепловых потерь в технологическом оборудовании и тепловых сетях . Тепловые потери зависят от типа оборудования и трубопроводов, правильной их эксплуатации и вида изоляции.

Тепловые потери (Вт) рассчитывают по формуле

В зависимости от типа оборудования и трубопровода суммарное термическое сопротивление составляет:

для изолированного трубопровода с одним слоем изоляции:

для изолированного трубопровода с двумя слоями изоляции:

для технологических аппаратов с многослойными плоскими или цилиндрическими стенками диаметром более 2 м:

для технологических аппаратов с многослойными плоскими или цилиндрическими стенками диаметром менее 2 м:

сителя к внутренней стенке трубопровода или аппарата и от наружной поверхности стенки в окружающую среду, Вт/(м 2 - К); Х тр, ?. ст, Xj — теплопроводность соответственно материала трубопровода, изоляции, стенок аппарата, /-го слоя стенки, Вт/(м. К); 5 СТ. — толщина стенки аппарата, м.

Коэффициент теплоотдачи определяют по формуле

или по эмпирическому уравнению

Перенос теплоты от стенок трубопровода или аппарата в окружающую среду характеризуется коэффициентом а н [Вт/(м 2 К)], который определяют по критериальным или эмпирическим уравнениям:

по критериальным уравнениям:

Коэффициенты теплоотдачи а в и а н рассчитывают по критериальным или эмпирическим уравнениям. Если горячим теплоносителем является горячая вода или конденсирующийся пар, то а в > а н, т. е. R B < R H , и величиной R B можно пренебречь. Если горячим теплоносителем является воздух или перегретый пар, то а в [Вт/(м 2 - К)] рассчитывают по критериальным уравнениям:

по эмпирическим уравнениям:

Тепловая изоляция аппаратов и трубопроводов изготовлена из материалов с малой теплопроводностью. Хорошо подобранная тепловая изоляция позволяет снизить потери теплоты в окружающее пространство на 70 % и более. Кроме того, она повышает производительность тепловых установок, улучшает условия труда.

Тепловая изоляция трубопровода состоит в основном из одного слоя, покрытого сверху для прочности слоем листового металла (кровельная сталь, алюминий и др.), сухой штукатурки из цементных растворов и пр. В случае использования покровного слоя из металла его термическим сопротивлением можно пренебречь. Если покровным слоем является штукатурка, то ее теплопроводность незначительно отличается от теплопроводности теплоизоляции. В этом случае толщина покровного слоя составляет, мм: для труб с диаметром менее 100 мм — 10; для труб с диаметром 100—1000 мм — 15; для труб с большим диаметром — 20.

Толщина тепловой изоляции и покровного слоя не должна превышать предельной толщины, зависящей от массовых нагрузок на трубопровод и его габаритных размеров. В табл. 23 приведены значения предельной толщины изоляции паропроводов, рекомендуемые нормами проектирования тепловой изоляции.

Тепловая изоляция технологических аппаратов может быть однослойной или многослойной. Потери теплоты через тепловую

изоляцию зависят от вида материала. Теплопотери в трубопроводах рассчитывают на 1 и 100 м длины трубопроводов, в технологическом оборудовании — на 1 м 2 поверхности аппарата.

Слой загрязнений на внутренних стенках трубопроводов создает дополнительное термическое сопротивление переносу теплоты в окружающее пространство. Термические сопротивления R (м. К/Вт) при движении некоторых теплоносителей имеют следующие значения:

В трубопроводах, подающих технологические растворы к аппаратам и горячие теплоносители к теплообменным установкам, имеются фасонные части, в которых теряется часть теплоты потока. Местные потери теплоты (Вт/м) определяют по формуле

Коэффициенты местных сопротивлений фасонных частей трубопроводов имеют следующие значения:

При составлении табл. 24 расчет удельных тепловых потерь проводился для стальных бесшовных трубопроводов (давление < 3,93 МПа). При расчете тепловых потерь исходили из следующих данных: тем-

пература воздуха в помещении была принята равной 20 °С; скорость его при свободной конвекции — 0,2 м/с; давление пара — 1x10 5 Па; температура воды — 50 и 70 °С; теплоизоляция выполнена в один слой из асбестового шнура, = 0,15 Вт/(м. К); коэффициент теплоотдачи а„ = 15 Вт/(м 2 - К).

Пример 1. Расчет удельных тепловых потерь в паропроводе.

Пример 2. Расчет удельных тепловых потерь в неизолированном трубопроводе.

Заданные условия

Трубопровод стальной диаметром 108 мм. Диаметр условного прохода d y = 100 мм. Температура пара 110°С, окружающей среды 18 °С. Теплопроводность стали X = 45 Вт/(м. К).

Полученные данные свидетельствуют о том, что использование тепловой изоляции сокращает тепловые потери на 1 м длины трубопровода в 2,2 раза.

Удельные тепловые потери, Вт/м 2 , в технологических аппаратах кожевенного и валяльно-войлочного производства составляют:

Пример 3. Расчет удельных тепловых потерь в технологических аппаратах.

1. Барабан «Гигант» изготовлен из лиственницы.

2. Сушилка фирмы «Хирако Кинзоку».

3. Баркас для крашения беретов. Изготовлен из нержавеющей стали [к = 17,5 Вт/(м-К)]; теплоизоляции нет. Габаритные размеры баркаса 1,5 х 1,4 х 1,4 м. Толщина стенки 8 СТ = 4 мм. Температура процесса t = = 90 °С; воздуха в цехе / ср = 20 °С. Скорость воздуха в цехе v = 0,2 м/с.

Коэффициент теплоотдачи а может бьггь рассчитан следующим образом: а = 9,74 + 0,07 At. При / ср = 20 °С а составляет 10—17 Вт/(м 2 . К).

Если поверхность теплоносителя аппарата открыта, удельные тепловые потери от этой поверхности (Вт/м 2) рассчитывают по формуле

Индустриальная служба «Каприкорн» (Великобритания) предлагает использовать систему «Алплас» для уменьшения тепловых потерь с открытых поверхностей теплоносителей. Система основана на применении полых полипропиленовых плавающих шариков, почти полностью покрывающих поверхность жидкости. Опыты показали, что при температуре воды в открытом резервуаре 90 °С тепловые потери при использовании слоя шариков снижаются на 69,5 %, двух слоев — на 75,5 %.

Пример 4. Расчет удельных тепловых потерь через стенки сушильной установки.

Стенки сушильной установки могут быть изготовлены из различных материалов. Рассмотрим следующие конструкции стенок:

1. Два слоя стали толщиной 5 СТ = 3 мм с расположенной между ними изоляцией в виде асбестовой плиты толщиной 5 И = 3 см и теплопроводностью Х и = 0,08 Вт/(м. К).

Тепловое загрязнение относится к явлениям, при которых происходит выделение тепла в водоемы или в атмосферный воздух. При этом повышается температура намного выше средней нормы. Тепловое загрязнение природы связано с деятельностью человека и выбросами парниковых газов, которые являются основной причиной глобального потепления.

Источники теплового загрязнения атмосферы

Выделяются две группы источников:

• естественные - это лесные пожары, вулканы, суховеи, процессы разложения живых и растительных организмов;
• антропогенные - это нефтегазопереработка, промышленная деятельность, теплоэнергетика, атомная энергетика, транспорт.

Ежегодно в атмосферу Земли в результате деятельности человека поступает около 25 млрд. тонн оксида углерода, 190 млн. тонн оксида серы, 60 млн. тонн оксида азота. Половина всех этих отходов добавляется в результате деятельности энергетической отрасли, промышленности и металлургии.

За последние годы увеличилось количество выхлопных газов от автомобилей.

Последствия

В городах-мегаполисах с крупными промышленными предприятиями атмосферный воздух испытывает сильнейшее тепловое загрязнение. В него поступают вещества, которые имеют более высокую температуру, чем воздушный слой окружающей поверхности. Температура промышленных выбросов всегда выше средней приземного слоя воздуха. Например, при лесных пожарах, из выхлопных труб автомобилей, из труб промышленных предприятий, при отоплении домов выделяются потоки теплого воздуха с различными примесями. Температура такого потока примерно 50-60 ºС. Этот пласт повышает среднегодовую температуру в городе на шесть-семь градусов. В городах и над ними формируются «острова теплоты», что приводит к увеличению облачности, при этом повышается количество осадков и увеличивается влажность воздуха. При присоединении к влажному воздуху продуктов сгорания образуется влажный смог (тип лондонского). Экологи утверждают, что за последние 20 лет средняя температура тропосферы повысилась на 0,7º С.

Источники теплового загрязнения почв

Источниками теплового загрязнения почв на территории крупных городов и промышленных центров являются:

• газовые трубы металлургических предприятий, температура достигает 140-150ºС;
• теплотрассы, температура около 60-160ºС;
• коммуникационные отводы, температура 40-50º С.

Последствия теплового влияния на почвенный покров

Газовые трубы, теплотрассы и коммуникационные отводы повышают температуру почвы на несколько градусов, что негативно сказывается на почвогрунте. Зимой это ведет к таянию снега и, как следствие, вымораживанию поверхностных слоев почвы, а летом обратный процесс, происходит нагревание верхнего слоя почвы и его высыхание. тесно связан с растительностью и живыми микроорганизмами, которые обитают в нем. Изменение в его составе негативно сказывается на их жизнедеятельности.

Источники теплового загрязнения гидрологических объектов

Тепловое загрязнение водоемов и прибрежных морских территорий происходит в результате сброса в водоемы сточных вод атомными и тепловыми электростанциями, промышленными предприятиями.

Последствия сбросов сточных вод

Сброс сточных вод приводит к повышению температуры воды в водоемах на 6-7 ºС, площадь таких теплых пятен может достигать до 30-40 км 2 .

Теплые пласты воды образуют своеобразную пленку на поверхности водной массы, что препятствует естественному водообмену не перемешиваются с донными), уменьшается количество кислорода, а потребность организмов в нем возрастает, при этом увеличивается видовое количество водорослей.

Наибольшая степень теплового загрязнения вод осуществляется электростанциями. Вода используется для охлаждения турбин АЭС и газового конденсата в ТЭС. Вода, используемая электростанциями, нагревается примерно на 7-8 ºС, после этого она сбрасывается в близлежащие водоемы.

Увеличение температуры воды в водоемах негативно сказывается на живых организмах. Для каждого из них есть температурный оптимум, при котором популяция чувствует себя превосходно. В естественной среде при медленном повышении или понижении температуры живые организмы постепенно приспосабливаются к изменениям, но если температура повышается резко (например, при большом объеме стоковых сбросов промышленными предприятиями), то времени для акклиматизации у организмов нет. Они получают тепловой шок, в результате которого могут погибнуть. Это является одним из самых негативных последствие теплового загрязнения для водных организмов.

Но могут быть и иные, более пагубные последствия. Например, влияние теплового загрязнения воды на обмен веществ. С увеличением температуры у организмов увеличивается скорость обмена веществ, растет потребность в кислороде. Но с повышением температуры воды содержание кислорода в ней падает. Его нехватка приводит к гибели многих видов водных живых организмов. Почти стопроцентное уничтожение рыб и беспозвоночных вызывает повышение температуры воды на несколько градусов в летнее время. При изменении температурного режима меняется и поведение рыб, нарушается естественная миграция, происходит несвоевременный нерест.

Таким образом, увеличение температуры воды может изменить видовую структуру водоемов. Многие виды рыб или уходят с этих территорий, или погибают. Характерные для этих мест водоросли сменяются на теплолюбивые виды.

Если вместе с теплой водой в водоемы попадают органические и минеральные вещества (бытовые стоки, смытые с полей минеральные удобрения), происходит резкое размножение водорослей, они начинают образовывать плотную массу, закрывая друг друга. В результате этого происходит их гибель и гниение, что приводит к мору всех живых организмов водоема.

Представляет опасность тепловое загрязнение водоемов Они генерируют энергию при помощи турбин, отработанный газ необходимо время от времени охлаждать. Используемую воду сбрасывают в водоемы. На крупных количество доходит до 90 м 3 . Это означает, что в водоем поступает непрерывный теплый поток.

Ущерб от загрязнения водных экосистем

Все последствия теплового загрязнения водоемов наносят катастрофический вред живым организмам и изменяют среду обитания самого человека. В результате загрязнения наносится ущерб:

• эстетический (нарушается внешний вид ландшафтов);
• экономический (ликвидация последствий загрязнения, исчезновение многих видов рыб);
• экологический (уничтожаются виды водной растительности и живых организмов).

Объемы теплых вод, сбрасываемых электростанциями, постоянно растут, следовательно, будет расти и температура водоемов. Во многих реках, по мнению экологов, она увеличится на 3-4 °С. Этот процесс уже идет. Например, в некоторых реках Америки перегрев воды составляет около 10-15 °С, Англии - 7-10°С, Франции - 5°С.

Тепловое загрязнение окружающей среды

Тепловое загрязнение (тепловое физическое загрязнение) - это форма, которая возникает в результате повышения температуры окружающей среды. Его причинами являются промышленные и военные выбросы нагретого воздуха, крупные пожары.

Тепловое загрязнение окружающей среды связано с работой предприятий химической, целлюлозно-бумажной, металлургической, деревообрабатывающей промышленности, ТЭС и АЭС, которые требуют большие объемы воды для охлаждения оборудования.

Мощным загрязнителем среды является транспорт. Около 80 % всех ежегодных выбросов приходится на автомобили. Многие вредные вещества рассеиваются на значительные расстояния от источника загрязнения.

При сжигании газа на ТЭС помимо химического воздействия на атмосферу, происходит и тепловое загрязнение. Кроме того, примерно в радиусе 4 км от факела многие растения находятся в угнетенном состоянии, а в радиусе 100 метров - гибнет растительный покров.

Ежегодно на территории России образуется около 80 млн. тонн разнообразных промышленных и бытовых отходов, которые являются источником загрязнения почвенного покрова, растительности, подземных и поверхностных вод, атмосферного воздуха. Кроме того, они являются источником радиационного и теплового загрязнения природных объектов.

Воды суши загрязнены разнообразными химическими отходами, которые попадают туда при смыве минеральных удобрений, пестицидов с почв, с канализационными и промышленными стоками. В водоемах происходит тепловое и бактериальное загрязнение, погибают многие виды растений и животных.

Любой сброс тепла в природную среду приводит к изменению температуры ее компонентов, особо сильное влияние испытывают нижние слои атмосферы, почва и объекты гидросферы.

По оценкам экологов, тепловые выбросы в окружающую среду не способны пока повлиять на баланс планеты, но на конкретную территорию они оказывают существенное влияние. Например, температура воздуха в крупных городах обычно несколько выше, чем вне города, изменяется тепловой режим рек или озер при сбросе в них сточных вод тепловых электростанций. Меняется видовой состав обитателей этих пространств. Для каждых видов существует свой температурный интервал, при котором вид способен приспособится. Например, форель способна выжить в теплой воде, но не способна размножаться.

Таким образом, тепловые сбросы оказывают влияние и на биосферу, хотя это и не в масштабе планеты, но тоже ощутимо для человека.

Температурное загрязнение почвенного покрова чревато тем, что происходит тесное взаимодействие с животными, растительностью и микробными организмами. При повышении температуры почвогрунта, происходит изменение растительного покрова на более теплолюбивые виды, многие микроорганизмы погибают, не имея возможности приспособится к новым условиям.

Тепловое загрязнение подземных вод происходит вследствие попадания стоков в водоносные горизонты. Это негативно сказывается на качестве воды, ее химическом составе, тепловом режиме.

Тепловое загрязнение окружающей среды ухудшает условия жизни и деятельности человека. В городах при повышенной температуре в сочетании с высокой влажностью у людей возникают частые головные боли, общее недомогание, скачки артериального давления. Повышенная влажность приводит к коррозии металлов, повреждению канализационных отводов, теплопроводов, газовых труб и так многого другого.

Последствия загрязнения природной среды

Можно конкретизировать все последствия теплового загрязнения окружающей среды и выделить основные проблемы, которые требуют решения:

1.Образуются тепловые острова в крупных городах.

2. Образуется смог, увеличивается влажность воздуха и формируется постоянная облачность в мегаполисах.

3. Возникают проблемы в реках, озерах и прибрежных акваториях морей и океанов. Из-за повышения температурного режима нарушается экологический баланс, гибнут многие виды рыб, водных растений.

4. Изменяются химические и физические свойства воды. Она становится непригодной к употреблению даже после очистки.

5. Гибнут или находятся в угнетенном состоянии живые организмы водоемов.

6. Увеличивается температуры подземных вод.

7. Нарушается структура почвы и ее состав, происходит угнетение или уничтожение растительности и микроорганизмов, обитающих в ней.

Тепловое загрязнение. Профилактика и меры его предотвращения

Основной мерой предотвращения теплового загрязнения окружающей среды является постепенный отказ от использования топлива, полный переход на альтернативную возобновляемую энергию: солнечная, ветровая и энергия гидроресурсов.

Для защиты акваторий от теплового загрязнения в системе охлаждения турбин, необходимо сооружать водоемы - охладители, из которых вода после остывания снова может быть использована в системе охлаждения.

В последние десятилетия инженеры стремятся исключить паровую турбину в ТЭС, используя магнитогидродинамический способ превращения тепловой энергии в электрическую. Это значительно уменьшает тепловое загрязнение прилегающей территории и водоемов.

Биологи стремятся выявить пределы устойчивости биосферы в целом и отдельных видов живых организмов, а также пределы равновесия биологических систем.

Экологи в свою очередь изучают степень влияния хозяйственной деятельности людей на естественные процессы в окружающей среде и стремятся найти способы предотвратить негативное влияние.

Защита окружающей среды от теплового загрязнения

Принято разделять тепловое загрязнение на планетарное и локальное. В планетарном масштабе загрязнение не очень большое и составляет лишь 0,018 % от поступающей на планету солнечной радиации, то есть в пределах одного процента. Но, сильное влияние тепловое загрязнение оказывает на природу на локальном уровне. Для регулирования этого влияния в большинстве промышленно-развитых стран введены пределы (лимиты) теплового загрязнения.

Как правило, лимит установлен для режима водоёмов, так как именно моря, озёра и реки страдают в значительной степени от теплового загрязнения и принимают его основную часть.

В странах Европы водоёмы не должны прогреваться больше, чем на 3 °С от естественной их температуры.

В США в реках нагрев воды не должен быть белее чем на 3 °С, в озёрах - 1,6 °С, в акваториях морей и океанов - 0,8 °С.

В России температура воды в водоёмах не должна повышаться более чем на 3 °С по сравнению со средней температурой самого жаркого месяца. В водоёмах, в которых обитают лососевые и другие холодолюбивые виды рыб, температура не может быть повышена более чем на 5 °С, летом не выше 20 °С, зимой - 5 °С.

Масштабы теплового загрязнения возле крупных промышленных центров достаточно значительные. Так, например, от промышленного центра с количеством населения в 2 млн. человек, с АЭС и нефтеперерабатывающим заводом тепловое загрязнение распространяется вдаль на 120 км и на 1 км в высоту.

Экологи предлагают использовать тепловые отходы в хозяйственных нуждах, например:

• на орошение сельхоз земель;
• в тепличном хозяйстве;
• на поддержание северных акваторий в свободном ото льда состоянии;
• на перегонку тяжелых продуктов нефтяной промышленности и мазута;
• для разведения теплолюбивых видов рыб;
• для устройства искусственных прудов, подогреваемых зимой, для диких водоплавающих птиц.

В планетарном масштабе тепловое загрязнение природной среды косвенно влияет на глобальное потепление климата. Выбросы промышленными предприятиями не влияют на повышение температуры напрямую, но приводят к ее увеличению в результате парникового эффекта.

Для решения экологических проблем и предотвращения их в будущем, человечество должно решить ряд глобальных задач и направить все усилия на уменьшение загрязнения воздуха, теплового загрязнения планеты.

Существуют следующие пути отдачи тепла организмом в окружающую среду: излучение , теплопроведение , конвекция и испарение .

Излучение - это способ отдачи тепла в окружающую среду поверхностью тела человека в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона (а = 5-20 мкм). Количество тепла, рассеиваемого организмом в окружающую среду излучением, пропорционально площади поверхности излучения и разности средних значений температур кожи и окружающей среды. Площадь поверхности излучения - это суммарная площадь поверхности тех частей тела, которые соприкасаются с воздухом. При температуре окружающей среды 20 °С и относительной влажности воздуха 40-60 % организм взрослого человека рассеивает путем излучения около 40-50 % всего отдаваемого тепла. Теплоотдача путем излучения возрастает при понижении температуры окружающей среды и уменьшается при ее повышении. В условиях постоянной температуры окружающей среды излучение с поверхности тела возрастает при повышении температуры кожи и уменьшается при ее понижении. Если средние температуры поверхности кожи и окружающей среды выравниваются (разность температур становится равной нулю), отдача тепла излучением становится невозможной. Снизить теплоотдачу организма излучением можно за счет уменьшения площади поверхности излучения («сворачивания тела в клубок»). Если температура окружающей среды превышает среднюю температуру кожи, тело человека, поглощая инфракрасные лучи, излучаемые окружающими предметами, согревается.

Теплопроведение - способ отдачи тепла, имеющий место при контакте, соприкосновении тела человека с другими физическими телами. Количество тепла, отдаваемого организмом в окружающую среду этим способом, пропорционально разнице средних температур контактирующих тел, площади контактирующих поверхностей, времени теплового контакта и теплопроводности контактирующего тела. Сухой воздух, жировая ткань характеризуются низкой теплопроводностью и являются теплоизоляторами. Использование одежды из тканей, содержащих большое число маленьких неподвижных «пузырьков» воздуха между волокнами (например, шерстяные ткани), дает возможность организму человека уменьшить рассеяние тепла путем теплопроводности. Влажный, насыщенный водяными парами воздух, вода характеризуются высокой теплопроводностью. Поэтому пребывание человека в среде с высокой влажностью при низкой температуре сопровождается усилением теплопотерь организма. Влажная одежда также теряет свои теплоизолирующие свойства.

Конвекция - способ теплоотдачи организма, осуществляемый путем переноса тепла движущимися частицами воздуха (воды). Для рассеяния тепла конвекцией требуется обтекание поверхности тела потоком воздуха с более низкой температурой, чем температура кожи. При этом контактирующий с кожей слой воздуха нагревается, снижает свою плотность, поднимается и замещается более холодным и более плотным воздухом. В условиях, когда температура воздуха равна 20 °С, а относительная влажность - 40-60 %, тело взрослого человека рассеивает в окружающую среду путем теплопро-ведения и конвекции около 25-30 % тепла (базисная конвекция). При увеличении скорости движения воздушных потоков (ветер, вентиляция) значительно возрастает и интенсивность теплоотдачи (форсированная конвекция).

Отдача тепла организмом путем теплопроведения , конвекции и излу чения, называемых вместе «сухой» теплоотдачей , становится неэффективной при выравнивании средних температур поверхности тела и окружающей среды.

Теплоотдача путем испарения - это способ рассеяния организмом тепла в окружающую среду за счет его затраты на испарение пота или влаги с поверхности кожи и влаги со слизистых оболочек дыхательных путей («влажная» теплоотдача). У человека постоянно осуществляется выделение пота потовыми железами кожи («ощутимая», или железистая, потеря воды), увлажняются слизистые оболочки дыхательных путей («неощутимая» потеря воды) (рис. 13.4). При этом «ощутимая» потеря воды организмом оказывает более существенное влияние на общее количество отдаваемого путем испарения тепла, чем «неощутимая».

При температуре внешней среды около 20 "С испарение влаги составляет около 36 г/ч. Поскольку на испарение 1 г воды у человека затрачивается 0,58 ккал тепловой энергии, нетрудно подсчитать, что путем испарения организм взрослого человека отдает в этих условиях в окружающую среду около 20 % всего рассеиваемого тепла. Повышение внешней температуры, выполнение физической работы, длительное пребывание в теплоизолирующей одежде усиливают потоотделение и оно может возрасти до 500- 2000 г/ч. Если внешняя температура превышает среднее значение температуры кожи, то организм не может отдавать во внешнюю среду тепло излучением, конвекцией и теплопроведением. Организм в этих условиях начинает поглощать тепло извне, и единственным способом рассеяния тепла становится усиление испарения влаги с поверхности тела. Такое испарение возможно до тех пор, пока влажность воздуха окружающей среды остается меньше 100 %. При интенсивном потоотделении, высокой влажности и малой скорости движения воздуха, когда капли пота, не успевая испариться, сливаются и стекают с поверхности тела, теплоотдача путем испарения становится менее эффективной.

Тепловой поток Q п через поверхность S ст стенок сушилки вычисляют по уравнению теплопередачи:

Q п = к*Δt ср *S ст,

Коэффициент теплопередачи к рассчитывается по формуле для многослойной стенки:

где δ и λ – соответственно толщина и коэффициент теплопроводности различных слоев футеровки и теплоизоляции.

Найдем значение критерия Re:

Re=v*l/υ=2,5 м/с*1,65 м/29*10 -6 м 2 /с=142241

Nu=0,66*Re 0,5 *Pr 0,33 =0,66*142241 0,5 *1,17 0,33 =262,2.

Коэффициент теплоотдачи α от сушильного агента к внутренней поверхности стенок:

α 1 =Nu* λ/l=262,2*3,53*10 -2 Вт/(м*К)/1,65 м=5,61 Вт/м 2 *К.

Суммарный коэффициент теплопередачи конвекций и излучением от наружной стенки к окружающему воздуху:

α 2 =9,74+0,07*(t ст -t в),

где t ср – температура наружной стенки, t ст =40 0 С,

t в – температура окружающего воздуха, t в =20 0 С,

α 2 =9,74+0,07*(40 0 С-20 0 С)=11,14 Вт/ м 2 *К.

По температуре газов выбираем толщину футеровки (таб. 3.1)

футеровки –

шамота – 125 мм

стали – 20 мм

шамота – 1,05 Вт/м*К

стали - 46,5 Вт/м*К

Находим коэффициент теплопередачи:

Определяем поверхность стенки S ст:

S ст =π*d*l=3,14*1,6 м*8 м=40,2 м 2 ,

Q п =2,581 Вт/(м 2 *К)*89 0 С*40,2 м 2 =9234 Вт.

Удельную потерю теплоты в окружающую среду определяют по формуле:

где W – масса влаги, удаляемая из высушенного материала за 1 с.

q п =9234 Вт/0,061 кг/с=151377,05 Вт*с/кг.

2.3. Расчет калорифера при сушке воздухом

Общее количество теплоты Q 0 рассчитывают по формуле:

Q 0 =L*(I 1 -I 0)

Q 0 =2,46 кг/с *(159 кДж/кг +3,35 кДж/кг)=399,381кВт

Вычислим средний температурный напор по формуле логарифмического уравнения:

где Δt м =t 1 -t 2н

Δt б =t 1 -t 2к

t 1 - температура греющего пара (равное температуре насыщения пара при заданном давлении).

При давлении 5,5 атм. t 1 =154,6 0 С (ст 550)

t 2н, t 2к - температура воздуха на входе в калориметр и выходе из него, t 2к =150 0 С; t 2н =-7,7 0 С.

Δt б =154,6 0 С+7,7 0 С=162,3 0 С,

Δt м =154,6 0 С-150 0 С=4,6 0 С,

Поверхность теплообмена S т калориметра определяют по уравнению теплоотдачи:

S т =Q 0 /к Δt ср.,

где к- коэффициент теплоотдачи, который для оребренных калориферов применяется в зависимости от массовой скорости воздуха ρ*v. Пусть ρ*v =3 кг/м 2 *с; тогда к=30 Вт/ м 2 *к.

Находим необходимое число n к. секций калорифера:

n к. =S т / S с,

где S с – поверхность теплообмена секции.

Примем оребренный калорифер:

Т. к. фактическое число секций выбирают с 15-20 %-ним запасом, то n к. =6,23+6,23*0,15=7,2≈8 секции.

Массовую скорость воздуха в калорифере рассчитывают:

где L-расход абсолютно сухого воздуха,