В окружающей нас среде – воздухе, воде, земле содержится громадное количество тепла. Тепловая энергия связана с хаотическим движением молекул среды и равна нулю только при нулевой абсолютной температуре (Т = 0 К). При обычных температурах Т ~ 300 К, она равна W = mCT, где m – масса среды, С – её удельная теплоемкость. Ввиду огромной массы, этой энергии достаточно для удовлетворения всех потребностей человечества. Вот её-то и пытаются использовать в аппаратах, называемых вечными двигателями второго рода.

Вечные двигатели второго рода не нарушают закона сохранения энергии (первого начала термодинамики), так как берут её не из ничего, а из окружающей среды. Они противоречат другому основному закону природы – второму началу термодинамики, согласно которому работу в тепловой машине можно получать только при наличии перепада температур. Наличие энергии является необходимым, но не достаточным условием для её практического использования. Например, если есть высокогорное озеро, наполненное водой, но нет возможности её слива в водоём с более низким уровнем, то гидроэлектростанцию здесь не построишь, так как нельзя получить водного потока, вращающего турбины. Если есть проводник с положительным электрическим потенциалом, то для получения тока, зажигающего лампочку, необходим второй проводник с более низким или отрицательным потенциалом. Аналогично и в теплоте: чтобы тепловая машина заработала от энергии среды, необходим «слив» её тепловой энергии, для чего нужен объект с более низкой температурой, называемый холодильником.

Согласно термодинамике, максимальный коэффициент полезного действия тепловой машины может быть достигнут в цикле Карно, где он составляет

КПД = (Тн – Тх)/Тн. (1)

Здесь Тн и Тх - температуры нагревателя и холодильника. Из (1) следует, что КПД всегда меньше единицы. В равновесных условиях, когда в окружающей среде нет разницы температур, т.е. Тн = Тх, КПД = 0. Поэтому никакая тепловая машина в условиях теплового равновесия работать не может, несмотря на наличие достаточного количества рассеянного вокруг тепла. Турбины электростанций, паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и прочие действующие тепловые источники энергии производят работу за счет нагрева газа до высоких температур Тн и его выброса в окружающую среду с более низкой температурой Тх, но для нагрева мы вынуждены сжигать топливо. Изобретатели же вечных двигателей стремятся получить экологически чистую, бесплатную и безграничную энергию без сжигания топлива, при одинаковых Тн и Тх. На что же они рассчитывают?

Многие убеждены, что второе начало неверно. Председатель Русского физического общества В.Г. Родионов так и назвал свою статью «Крах второго начала термодинамики», а Е.Г. Опарин свою книгу – «Физические основы бестопливной энергетики. Ограниченность второго начала термодинамики». Большинство же стараются концентрировать рассеянную внутреннюю тепловую энергию окружающей среды в одном месте, обходя второе начало. При этом цитируют Ф. Энгельса, который, критикуя выводы из второго начала о неизбежности тепловой смерти Вселенной, утверждал: «Излученная в мировое пространство теплота должна иметь возможность каким-то путем… превратиться в другую форму движения, в которой она может снова сосредоточиться и начать активно функционировать» (Диалектика природы, 1975, с. 22).

Поскольку вечные двигатели второго рода не противоречат диалектике и классику марксизма, то 10 июня 1954 года по постановлению Президиума АН СССР ими стали заниматься официально. Работы поручено возглавить П.К. Ощепкову.

Павел Кондратьевич Ощепков (1908 – 1992) в 1930-х годах занимался радиообнаружением самолётов, в чем ему всячески способствовал маршал М.Н. Тухачевский. Однако выбранный «на основе творческого применения марксистского диалектического метода» (, с. 88) способ обнаружения по замиранию сигнала при пролёте самолёта между радиопередатчиком и приёмником (как в своё время у А.С. Попова) отличался не в лучшую сторону от зарождавшегося тогда импульсного метода радиолокации. Деятельность инженера Ощепкова и маршала Тухачевского наносила вред обороноспособности нашей страны. Поэтому в 1937 году за вредительство Ощепков был осужден на 10 лет, а его шеф приговорён к высшей мере наказания. В тюремной камере, мечтая о тепле, Ощепков, по его словам, открыл закон концентрации энергии, согласно которому «концентрация и деконцентрация энергии в природе должны существовать в диалектическом единстве».

Выйдя на свободу, Ощепков был обласкан хрущевским руководством, стал доктором технических наук, профессором, заслуженным деятелем науки и техники РСФСР, директором Института интроскопии АН, но продолжил заниматься вредительской деятельностью. Считая слова Ф. Энгельса указанием к действию, он в 1967 году при своём институте создал отдел вечных двигателей второго рода и Общественный институт энергетической инверсии (ЭНИН), в работу которого вовлёк тысячи ученых и инженеров из разных городов. Ощепков поставил конкретную задачу: «Отыскать такие процессы, которые позволили бы осуществить прямое и непосредственное преобразование тепловой энергии окружающего пространства в энергию электрическую… Открытие способов искусственного сосредоточения, концентрации рассеянной энергии с целью придания ей вновь активных форм…» . Соратник Ощепкова М.П. Кривых сформулировал эту задачу в стихах:

Тут способ нужен очень смелый,
Чтоб равновесное тепло
Непринужденно и умело
На концентрацию текло.

Конечно, никакой концентрации энергии институтом достигнуто не было (да и не могло быть). За работы Ощепкова, санкционированные Академией наук и позорящие советскую науку, ведущие академики вынуждены оправдываться перед мировой научной общественностью в газете «Правда» (21 и 22 ноября 1959 г., 22 июня 1987 г.). Пожалуй, единственным действующим вечным двигателем был аппарат, демонстрировавшийся падким до сенсации журналистам самим Ощепковым. Вот как его описывает корреспондент газеты «Московский комсомолец» С. Кашников . «На столе небольшая установка: тоненький, едва различимый глазом проводок одним концом соединён с электроизмерительным прибором, а другим концом – ни с чем. Никаких источников тока... А прибор показывает: ток идёт! Энергия берётся прямо из воздуха. Тепло окружающей среды преобразуется в энергию движения электронов, причем без перепада температуры». На самом деле проводок служил антенной, принимающей сигналы радиостанций, телецентров, промышленные шумы и наводки сети. Вряд ли профессор этого не знал, но неграмотного в физике журналиста ему удалось обмануть.

Про ненавистный ему коэффициент полезного действия Ощепков пишет: «Ниже 100 % значение этого коэффициента принципиально быть не может – это означало бы исчезновение подводимой к аппарату энергии» (, с. 264). На самом деле наряду с полезной работой часть затраченной энергии всегда теряется бесполезно.

Энтузиасты продолжают работы по созданию вечных двигателей второго рода и в XXI веке. Они даже открыли свою академию наук, названную Международной академией энергетических инверсий им. П.К. Ощепкова. Действительный член этой академии Е.Г. Опарин пишет, что «Мир устроен совсем не так, как мы видим его сквозь призму догм термодинамики, что П.К. Ощепковым была правильно поставлена проблема концентрации энергии окружающей среды. Решение этой проблемы не запрещено природой и откроет качественно новую эру бестопливной энергетики» . А теоретик вечных двигателей второго рода кандидат технических наук Н.Е. Заев cчитает: «Энергетическое изобилие… может придти совсем не от изобилия огня, а с другой стороны… Концентраторы энергии окружающей среды (КЭСы, кэссоры) на самых различных принципах – вот основа энергетики изобилия» . В 1991 году он заявил, что «эффективный выход исследования (кэссоров) дадут в 3 – 5 лет». С тех пор прошло более 20 лет, но реально действующих аппаратов почему-то как не было, так и нет.

Природу обмануть нельзя. Второе начало термодинамики обеспечивает её стабильность. Энергия сама собой только рассеивается. Если бы самопроизвольная концентрация космической, вакуумной, воздушной или какой-то другой энергии была возможна, то неожиданно возникающие то тут, то там энергетические сгустки давно бы сожгли всё живое, в том числе и нас.
Тем не менее, изобретатели работают. А как говорится, что ищешь, то всегда найдёшь. Н.Е. Заев создал вечные двигатели второго рода на сегнетоэлектриках и ферритах , причем по его словам действующие, и патентовал их . Увеличение выходной мощности относительно входной у него доходило до 10 раз. Русским физическим обществом «кэссоры» Заева отнесены к числу технических проектов, «имеющих приоритетное народнохозяйственное значение в области энергетики» , а их автор стал лауреатом премии этого общества. Однако объявленного результата ему удалось добиться путем безграмотного измерения выходной мощности несинусоидального тока .

Ведутся поиски цикла работы тепловой машины лучшего цикла Карно, в котором бы КПД был не ниже, согласно формуле (1), а выше единицы. Это сделал кандидат физмат наук из Московского центра государственной метеорологической службы Б.В. Карасёв . КПД его цикла тепловой машины должен составлять 3 и даже больше, обеспечивая работу без топлива простейшего аппарата, содержащего цилиндр 1, наполненный обычным воздухом 3, и самодвижущийся в нем поршень 2 (рис. 1). Само собой разумеется, что также имеются кривошипно-шатунный механизм, коленчатый вал и маховик. Положительный результат расчёта достигнут за счет того, что автор допустил элементарную ошибку при расчете КПД, который и здесь на самом деле всегда меньше единицы .

Рис. 1. Мотор Карасёва

Можно, оказывается, и не изобретать новых циклов, а ограничиться старым циклом Карно и создать вечный двигатель на его основе. Для этого достаточно в формуле (1) для КПД подставлять не абсолютную температуру в Кельвинах, а используемую в быту температуру в градусах Цельсия, как это сделал изобретатель из г. Омска В. Федоров . Например, взяв Тн = 20 оС, а Тх = -180 оС, он получил КПД = 10, т.е. 1000 %. Конструкция двигателя аналогична предыдущей (рис. 1), а в качестве рабочего тела используется тот же воздух. Теперь, как отмечает автор, мы можем обойти «всепланетную нефтяную мафию» и спасти цивилизацию от экологической катастрофы. Однако, если температуры нагревателя и холодильника, как и положено, в формуле (1) выразить в Кельвинах: Тн = 293 К, Тх = 93 К, то КПД цикла окажется равным 68 %. Следовательно никакой энергии мы не получим, и для перемещения поршня вынуждены совершать работу или сжигать ту же нефть .

Известный «опровергатель» физики кандидат физмат наук, доцент ЮФУ С.А. Герасимов в своих статьях утверждае, что второе начало термодинамики «отличается капризным характером». «Почти у каждого из нас дома есть и холодильник, и нагреватель, но что-то никто из нас не замечал, чтобы при работе они начинали двигаться. И наоборот, отсутствие холодильника или нагревателя вовсе не означает отсутствие движения» . Исходя из этого, он предлагает гравилёт в виде листа, одна сторона которого гладкая, а другая шероховатая (рис. 2). Этот ковёр-самолёт поднимается не мотором, сжигающим топливо, а за счёт ударов молекул воздуха, сила которых на шероховатую сторону якобы отличается на 10 и более процентов от силы, с которой атмосфера давит на гладкую поверхность.

Рис. 2. Ковёр-самолёт Герасимова

В результате, по расчётам Герасимова, один квадратный метр «ковра» может поднять 10 тонн груза. Хотя автор и не сделал макета гравилёта, но тем не менее утверждает, что «то, что возможно, обязательно проявит себя не только на бумаге, но и в виде соответствующего технического устройства» . К сожалению, доцент забыл (или и не знал) школьного курса физики, согласно которому давление воздуха на обе стороны листа одинаковы.

Не мирятся со вторым началом также учёные из Института общей физики РАН С.И. Яковленко, С.А. Майоров и А.Н. Ткачев . Их компьютерный эксперимент показал, что теплоизолированная кулоновская плазма сама собой нагревается безо всяких внешних воздействий. «Вечный» нагреватель на этом принципе почему-то не сделали, хотя и могли прославиться и заработать.
Второе начало утверждает о невозможности концентрации тепловой энергии, т.е. хаотического механического движения частиц среды, и получения за этот счет работы. А нельзя ли воспользоваться энергией электромагнитного излучения, возникающего в среде при соударениях её молекул друг о друга? Это тепловое электромагнитное излучение занимает широкую область частот и лежит в инфракрасной области спектра при комнатной температуре, смещаясь в видимую область при температурах среды выше 500 - 1000о С. Электромагнитное излучения можно концентрировать используя линзы, зеркала, дифракционные решетки соответствующего диапазона длин волн.

Инженер Э. Шу из г. Ногинска в «Технике – молодежи» № 2/2003 предложил использовать в вечном двигателе вертушку типа той, которая применялась П.Н. Лебедевым для измерения давления света. Одна сторона лопаток сделана зеркальной, а другая зачернена. По мнению автора, вертушка должна вращаться, так как давление электромагнитного излучения на зеркальную сторону, от которой фотоны отражаются, вдвое больше, чем на черную сторону, которой они поглощаются. Неработоспособность устройства очевидна, так как зачерненная сторона лопаток сама излучает фотоны и их отдачей уравновешивает давление .

Для развития ума любознательного читателя я сам предложил троечку вечных двигателей, «концентрирующих» электромагнитное излучение окружающей среды . Один из них показан на рис. 3.

Рис. 3.

В теплоизолированном помещении 1 находится турбина 2 с зеркальными лопатками 3. С одной стороны турбины установлен концентратор электромагнитного излучения – вогнутое зеркало 4, а с другой пусть находится стена 5 помещения, выкрашенная в черный цвет. На сторону лопатки 3, обращенную к стене 5, падает излучение стены, а на обратную сторону – излучение, сконцентрированное зеркалом 4. Так как давление электромагнитных волн прямо пропорционально плотности энергии (или числу падающих фотонов), то, в отличие от устройства Шу, давление на разные стороны лопаток у нас будет различным. Так, если диаметр зеркала взять равным 1 м, а лопатки - 1 см, то плотность излучения, а соответственно и давление со стороны зеркала будет в 10000 раз большим, чем с обратной стороны, куда падает несконцентрированный поток. В результате появляется разностная сила, и турбина должна начать вращаться. Для усиления эффекта аналогичные концентраторы можно направить и на другие лопатки. Конечно, результирующая сила очень мала, но у П.Н. Лебедева-то вертушка вращалась! А главное сам факт получения работы без нагревателя и холодильника, за счет внутренней энергии среды!

Во втором варианте подобного двигателя содержится зачерненный паровой котел 1, на который линзами 2 фокусируется тепловое электромагнитное излучение стенок теплоизолированного помещения 3 (окружающей среды) (рис. 4)

Рис. 4.

Трубами котел 1 соединен с паровой машиной 4, холодильником которой служит окружающая среда. Так как плотность сфокусированного потока теплового электромагнитного излучения окружающей среды, падающего на стенки котла, в тысячи раз больше, чем несфокусированного, то температура котла начнет подниматься и станет больше температуры окружающей среды и стенок помещения То. Термодинамическое равновесие наступит при температуре Т, когда мощность излучения стенок котла станет равной падающей. При равновесии котел не потребляет энергии окружающей среды. А теперь заполним котел жидкостью, кипящей при температуре Тк, лежащей где-то посредине между То и Т. Жидкость начнет кипеть, а её пар приведет в действие машину 4. Кипящая жидкость будет поддерживать температуру котла на уровне Тк, меньшем равновесного Т. Следовательно, термодинамического равновесия достигаться не будет, и энергия падающего на котел излучения всегда будет больше излучаемой им энергии. Осуществляемый таким путем непрерывный подвод энергии от окружающей среды к котлу обеспечит вечную работу паровой машины без каких-либо затрат топлива.
А не лучше ли прямое преобразование сконцентрированного электромагнитного излучения среды в электрический ток, например, с использованием фотогальванических элементов (рис. 5)? Здесь сфокусированное зеркалом 4 инфракрасное излучение среды 3 (например, стен помещения) падает на фотоэлемент 1, где преобразуется в электрический ток, идущий на нагрузку 2.

Рис. 5

Фотоприемники улавливают даже фоновое («реликтовое») излучение Вселенной, хотя его уровень много ниже нашего и соответствует излучению черного тела с температурой всего 2,7 К. Поэтому не исключено, что последний вариант будет работать даже в космосе.
Если кому-то понравились эти мои «безумные» идеи и он построит первый в мире действующий макет подобного вечного двигателя, то это, по словам В.К. Ощепкова, «по практическим последствиям… можно сравнить разве только с открытием первобытным человеком способов искусственного добывания огня». К великому сожалению, и мои вечные двигатели неработоспособны, для проверки чего не нужно проводить экспериментов. Дело в том, что электромагнитное излучение окружающей среды изотропно – оно падает со всех сторон с одинаковой интенсивностью, и поэтому сфокусировать его линзой, зеркалом или другим устройством невозможно.

Таким образом, все попытки осчастливить нас бесплатной энергией, взятой у равновесной окружающей среды, бесполезны и останутся мечтой изобретателей, зря отнимающей у них рабочее время. Для получения из тепла работы или электроэнергии необходима разность температур, которая достигается нагревом или имеется в природе, например, у геотермальных источников.

ЛИТЕРАТУРА

1. В.Г. Родионов. Крах второго начала термодинамики. ЖРФМ, 1996, № 1 – 12, с. 5 – 16
2. Е.Г. Опарин. Физические основы бестопливной энергетики. Ограниченность второго начала термодинамики. М., Едиториал УРСС, 2004
3. П.К. Ощепков. Жизнь и мечта. М., Московский рабочий, 1977, 1984
4. С. Кашников. Обыкновенный вечный двигатель. Моск. комсомолец, 5.09.1980
5. Н.Е. Заев. Близкая даль энергетики. ЖРФМ, 1991, № 1, с. 12 - 21
6. Н.Е. Заев. Условие генерации энергии нелинейными диэлектриками и ферритами. ЖРФМ, 1991, № 1, с. 49 – 52; Новые граны физики. М., Общественная польза, 1996, с. 73 – 77; Русская мысль, 1992, № 2, с. 7 – 28
7. Заявки на изобретения №№ 3601725, 3601726
8. ЖРФМ, 1997, № 1 – 12, с. 97 – 98
9. В. Петров. Вечные двигатели XXI века. Эфир как источник энергии. Инженер, 2010, № 8, с. 24 – 25
10. Б.В. Карасёв. Способы извлечения работы из среды с постоянной температурой (сообщение второе). В сб. «К.Э. Циолковский: исследование научн. наследия». Калуга, 2008, с. 264 – 265
11. В. Петров. Вечные двигатели XXI века. Воздух и песок как топливо. Инженер, 2010, № 5, с. 22 - 23
12. В. Федоров. Водяные двигатели. Инженер, 2003, № 7, с. 12 – 14
13. В. Петров. По поводу статьи В. Федорова «Водяные двигатели». Инженер, 2003, № 12, с. 5
14. С. Герасимов. Левитация: миф, реальность или парадокс? Инженер, 2009, № 12, с. 6 – 9
15. С. Герасимов. Диффузное рассеяние, подъемная сила и второе начало термодинамики. Инженер, 2010, № 10, с. 2 – 5
16. С.А. Герасимов. О левитации и экранировании в газовой динамике. Вопросы прикладной физики, 2005, № 12
17. С.А. Герасимов. Диффузное рассеяние и газодинамическая левитация. Современные наукоёмкие технологии, 2010, № 1
18. О. Лебедев. Можно ли нарушить второй закон термодинамики? Изобретатель и рационализатор, 1995, № 1, с. 18
19. В. Петров. О черном теле и зеркале. Техника – молодежи, 2004, № 2, с. 15
20. В. Петров. Использование тепла окружающей среды. Инженер, 2011, № 4, с. 24 - 26

В . А . Виноградов - Салтыков , Национальный университет пищевых технологий (г . Киев ), В . Г . Федоров , Открытый международный университет развития человека «Украина» (г . Киев ), В . П . Марценко , Филиал Киевэнерго «Жилтеплоэнерго» (г . Киев )

В показано, что фактические потери тепла от наружных поверхностей водогрейных котлов q 5 существенно меньше нормативных потерь, которые определялись по графикам или таблицам, составленным для паровых котлов большой производительности экстраполяцией в область малой тепловой производительности котлов. Такое снижение q 5 объясняется меньшими температурами наружных поверхностей обмуровки. Так, при переводе парового котла ДКВр на водогрейный режим происходит изменение температурных режимов всех элементов котла, что приводит к снижению потерь теплоты в окружающую среду .

Для определения q 5 производили прямые измерения плотности теплового потока q от наружных поверхностей котла с помощью малогабаритных малоинерционных тепломеров. Распределение потерь теплоты по отдельным поверхностям паровых и водогрейных котлов оказалось неравномерным , поэтому для расчета q 5 измеряли локальные значения q в пределах каждой поверхности, комбинируя градиентный метод поиска максимума тепловых потерь и метод сканирования, а также используя статистические методы усреднения опытных данных по поверхности и во времени .

Усреднение таким образом значения q (Вт/м 2) по каждому элементу F (м 2) наружной поверхности котла использовали для расчета q 5:

где QhР - низшая теплота сгорания газа на рабочую массу, Дж/м 3 ; В - расход газа, м 3 /с.

Опыты проводили, как правило, в условиях производственной эксплуатации котлов, т.е. их производительность отличалась от номинальной. Поэтому подвергли проверке принятую для паровых котлов обратную зависимость тепловых потерь от фактической теплопроизводительности котла:

где D и q 5 - фактическая производительность котла и потери тепла от наружных поверхностей, D H и q 5 H - то же для номинальных условий.

Для проверки (2) проводили опыты на котле КВГ-6,5, передняя и боковые стенки которого после разборки кирпичной обмуровки были заменены шамотно-волокнистыми плитами ШПГТ-450. Для изменения тепловой производительности котла изменяли расход газа и соответственно прирост температуры воды в котле, поддерживая расход воды постоянным. В диапазоне изменения D, максимально возможном для условий эксплуатации котла, формула (2) оказалась справедливой: пересчет по ней для всех фактических D дал практически одинаковую величину q 5 H = 0,185%. Для котла КВГ-6,5 с традиционной обмуровкой испытания показали потери теплоты q 5 H = 0,252%. При полной замене обмуровки на плиты ШПГТ-450 и тщательном уплотнении стыков между ними можно рассчитывать на снижение q 5 и расхода газа на 0,10-0,15%. При массовой замене обмуровки во время ремонтов это может внести существенный вклад в энерго- и ресурсосбережение, поскольку снижение расхода газа на 0,1% в системе филиала Киевэнерго «Жилтеплоэнерго» приводит к экономии газа 1300 м З /сут. .

Были подтверждены выводы из о том, что фактические потери тепла от наружных поверхностей водогрейных котлов в несколько раз ниже нормативных. Так, разработчики компактных котлов ТВГ, сотрудники Института газа НАН Украины, при проведении приемо-сдаточных испытаний измеряли поверхностными термометрами среднюю температуру наружных поверхностей стенок котлов и по известным формулам рассчитывали q 5 . Для котлов ТВГ-4 и ТВГ-8 нормативные потери составляют 2%, а расчетные повышались при снижении нагрузки от номинальной до минимально целесообразной для ТВГ-4 от 0,54 до 1 %, для ТВГ-8 от 0,33 до 0,94%. Поэтому Институт рекомендовал в 2000 г. организациям, эксплуатирующим котлы этого типа, принимать среднее значение q 5 = 0,75%.

К подобным выводам пришли в при исследовании котлов КВГ, разработанных в Институте газа НАН Украины. Для определения q 5 здесь также использовали формулу (1), Но вместо 2(cjF) подставляли qF K , где F K - суммарная наружная площадь термоизоляции котла. Среднюю величину q рассчитывали по формуле:

Здесь плотность теплового потока от наружной поверхности изоляции к воздуху q o и от внутренней поверхности к воздуху q T определяется из формул:

где а - суммарный коэффициент теплоотдачи в окружающую среду; t 0 , t T , t B - температуры наружной, внутренней поверхности и воздуха; R - суммарное термическое сопротивление слоев обмуровки; R 0 = 1/а 0 .

Значения t T и t 0 рекомендуется определять прямыми измерениями или расчетным методом , R - рассчитывать в зависимости от толщины и теплопроводности слоев изоляции, а а 0 - по известным формулам Каммерера для плоских и цилиндрических поверхностей.

При расчетах q 0 и q T их значения существенно различались, хотя при стационарной работе котла они почти одинаковы. Причину того, что в получалось q T >q 0 , можно объяснить тем, что вследствие неизбежной вынужденной циркуляции воздуха в помещении котельной фактические значения а 0 на 12-15% больше расчетных, как это было показано прямыми измерениями q 0 и (t 0 -t B на паровом котле ТГМП-314А . Из-за этой разницы в q 0 и q T в (3) введен К К - коэффициент коррекции погрешности измерений и расчетов q 0 и q T , который рекомендуют брать в пределах 0,3-0,7. Видимо, при одинаковом доверии к обеим величинам нужно брать их полусумму.

Для учета дополнительной потери тепла через тепловые мостики вводится коэффициент К М = 0,2-0,4.

Кроме введения К К и К М, в предлагается увеличивать q 5 на 10-20% для учета потерь тепла через нижнюю (подовую) труднодоступную поверхность котла, а также учитывать долю потерь от наружных поверхностей, которая возвращается в топку и газоходы котла вместе с воздухом из котельной.

Несмотря на значительные различия методики определения q 5 в и , результаты получились схожими, что дает основания к обобщению этих результатов и их использованию при составлении нормативных документов. На рисунке представлена зависимость q 5 от номинальной теплопроизводительности водогрейных котлов НИИСТУ-5, НИИСТУ-5х2, ТВГ-4, ТВГ-8 , КВГ-4, КВГ-6,5 , а также КВГ-4, КВГ-6,5, КВГМ-10 и КВГМ-50 . Данные из и лежат несколько ниже соответствующих данных из , однако такое различие вполне оправдано разными методиками исследований.

Литература

1. Федоров В . Г ., Виноградов - Салтыков В . А ., Марценко В . П . Измерение потерь тепла от наружных поверхностей водогрейных котлов // Экотехнологии и ресурсосбережение . 1997. № 3. С . 66-68.

2. Марценко В . П ., Федоров В . Г . Эффективность изоляционных ограждений водогрейных котлов // Пром . теплотехника . 2000. Т . 22, № 2. С . 78-80.

3. Федор i в В . Г ., Виноградов - Салтиков В . А ., Марценко В . П . Розпод i л тепловтрат по огородженнях водогр i йних тапарових котл i в / УДУХТ . К ., 1998. 16 с . Деп . в ДНТБ Ук - ра i ни 23.03.98, № 142.

4. Федоров В . Г ., Плесконос А . К . Планирование и реализация экспериментов в пищевой промышленности . М .: Пищ . пром - сть , 1980. 240 с .

5. МарчакИ . И ., ГолышевЛ . В ., МысакИ . С . Методика определения потери тепла паровым котлом в окружающуюсреду // Теплоэнергетика . 2001. № 10. С . 67-70.

6. Залкинд Е . М . Материалы обмуровки и расчет ограждений паровых котлов . М .: Энергия , 1972. 184 с .

7. CammererJ.S. Erleuchtungen zu den VDI - Rechtlinien fuerWaerme - und Kalteschutz - Brennstoff - Waerme - Kraft.1958. Bd. 10, № 3. S. 119-121.

8. Федоров В . Г ., Виноградов - Салтыков В . А ., Новик М . И . Теплометрия наружных поверхностей котла ТГМП -314 А // Экотехнологии и ресурсосбережение . 1999. № 4. С . 77-79.

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).

Оглавление темы "Регуляция обмена веществ и энергии. Рациональное питание. Основной обмен. Температура тела и ее регуляция.":
1. Энергетические затраты организма в условиях физической нагрузки. Коэффициент физической активности. Рабочая прибавка.
2. Регуляция обмена веществ и энергии. Центр регуляции обмена веществ. Модуляторы.
3. Концентрация глюкозы в крови. Схема регуляции концентрации глюкозы. Гипогликемия. Гипогликемическая кома. Чувство голода.
4. Питание. Норма питания. Соотношение белков, жиров и углеводов. Энергетической ценность. Калорийность.
5. Рацион беременных и кормящих женщин. Рацион детского питания. Распределение суточного рациона. Пищевые волокна.
6. Рациональное питание как фактор сохранения и укрепления здоровья. Здоровый образ жизни. Режим приема пищи.
7. Температура тела и ее регуляция. Гомойотермные. Пойкилотермные. Изотермия. Гетеротермные организмы.
8. Нормальная температура тела. Гомойотермное ядро. Пойкилотермная оболочка. Температура комфорта. Температура тела человека.
9. Теплопродукция. Первичная теплота. Эндогенная терморегуляция. Вторичная теплота. Сократительный термогенез. Несократительный термогенез.

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.

Рис. 13.4. Виды теплоотдачи . Пути отдачи тепла организмом во внешнюю среду можно условно подразделить на «влажную» теплоотдачу, связанную с испарением пота и влаги с кожи и слизистых оболочек, и на «сухую» теплоотдачу, которая не связана с потерей жидкости.

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.