Теплообмен — это фундаментальный процесс переноса энергии в форме тепла между телами, имеющими разную температуру. Разность температур выступает движущей силой этого явления. Существует три основных механизма теплообмена: теплопроводность (перенос тепла между непосредственно контактирующими частицами), конвекция (перенос тепла за счёт движения и перемешивания макрообъёмов жидкости или газа) и тепловое излучение (перенос энергии посредством электромагнитных волн, характерный для тел с температурой от 300–600 °C и выше).
Теплопроводность: способность проводить тепло
Теплопроводность количественно характеризует, насколько быстро тепло распространяется в веществе. Физически она определяется как количество тепла, проходящее за единицу времени через единицу площади при градиенте температуры в один градус на единицу длины в направлении потока.
Значения теплопроводности сильно варьируются:
- Жидкие нефтяные фракции: теплопроводность падает с ростом температуры и плотности, составляя от 0,1 до 0,9 Вт/(м·°C).
- Углеводородные газы и пары: теплопроводность растёт с температурой, но снижается с увеличением молекулярной массы, находясь в диапазоне 0,02–0,08 Вт/(м·°C) при нормальном давлении.
- Теплоизоляционные материалы: обладают низкой теплопроводностью — от 0,006 до 0,18 Вт/(м·°C).
- Металлы: являются отличными проводниками тепла. Например, при 0 °C теплопроводность меди составляет 394 Вт/(м·°C), обычной углеродистой стали — 52 Вт/(м·°C), а нержавеющей хромоникелевой стали — 25 Вт/(м·°C).
В технической литературе часто используется единица ккал/(м·ч·°C), причём 1 ккал/(м·ч·°C) = 1,163 Вт/(м·°C). Для практических расчётов используются опубликованные таблицы, графики и эмпирические формулы, позволяющие определять тепловые свойства веществ и их смесей при различных температурах и давлениях.
Теплоёмкость: способность накапливать тепло
Теплоёмкость — это количество теплоты, необходимое для нагрева единицы массы вещества на один градус в заданном температурном интервале. Она измеряется в кДж/(кг·°C) или ккал/(кг·°C), где 1 ккал = 4,187 кДж.
Ключевые особенности:
- Для жидкостей: теплоёмкость зависит от химического строения, состава и температуры.
- Для газов и паров: теплоёмкость зависит также от давления. Различают теплоёмкость при постоянном давлении (Cp), которая чаще используется в расчётах, и при постоянном объёме (Cv), причём Cp > Cv.
- Сравнение фаз: теплоёмкость паровой фазы вещества, как правило, значительно превышает теплоёмкость его жидкой фазы.
Примеры значений:
- Теплоёмкость углеводородных паров (0–500 °C, давление до 5 МПа): 2,5–3,0 кДж/(кг·°C).
- Теплоёмкость водорода в этом же диапазоне: 3,5–15,0 кДж/(кг·°C).
Теплоёмкость жидких нефтяных фракций при 20 °C:
| Фракция | Относительная плотность | Теплоёмкость, кДж/(кг·°C) |
|---|---|---|
| Бензиновая | 0,74 | 2,4 |
| Дизельная | 0,87 | 2,1 |
| Масляная | 0,94 | 1,8 |
Энтальпия и теплота фазовых переходов
Энтальпия (теплосодержание) — это количество теплоты, необходимое для нагрева единицы массы вещества от базовой температуры (например, 0 °C) до заданной. В практических инженерных расчётах важна не абсолютная величина, а разность энтальпий между двумя состояниями. Энтальпия измеряется в кДж/кг или ккал/кг.
Теплота испарения (конденсации) — это количество теплоты, необходимое для перевода единицы массы вещества из жидкого состояния в парообразное при постоянной температуре. Она численно равна разности энтальпий насыщенного пара и насыщенной жидкости при той же температуре.
Средние значения теплоты испарения нефтяных фракций:
| Фракция | Теплота испарения, кДж/кг |
|---|---|
| Бензиновая | 290–315 |
| Керосиновая | 230–250 |
| Масляная | 170–220 |
Теплота сгорания: энергетический потенциал топлива
Теплота сгорания (теплотворная способность) — это количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании единицы массы топлива. Это ключевая характеристика, определяющая энергоэффективность двигателей и теплоэнергетического оборудования.
Различают:
- Высшую теплоту сгорания (Qв) — полное количество выделившегося тепла, включая теплоту конденсации образовавшихся водяных паров.
- Низшую теплоту сгорания (Qн) — количество тепла за вычетом теплоты конденсации водяного пара. Именно этот показатель чаще всего используется в практических технико-экономических расчётах, так как в реальных условиях водяной пар уносится с дымовыми газами.
Значения низшей теплоты сгорания для различных видов топлив представлены в таблице ниже.
Практические аспекты и погрешности расчётов
В инженерной практике используются значения тепловых свойств, полученные с определённой, допустимой погрешностью. Даже экспериментальные данные, регламентированные стандартами (например, ГОСТ 21261-75 для нефтяных топлив или ГОСТ 10062-75 для газов), имеют погрешность, связанную с методикой измерений.
Поскольку экспериментально определить свойства всех возможных смесей невозможно, широко применяются эмпирические формулы и методы расчёта свойств смесей на основе свойств их компонентов.
При проектировании технологических установок инженеры часто сталкиваются с дилеммой выбора методики расчёта, например, энтальпий потоков. Различия в результатах, полученных разными методами, могут достигать ±20–40%, что в итоге приводит к существенным расхождениям в расчётных количествах тепловых и материальных потоков и влияет на точность проектирования.