Нагрев до той или иной температуры характерен для большинства процессов химической технологии, пищевой промышленности и пр. Подвод или отвод теплоты осуществляется в теплообменниках , автоклавах , сушильных установках, выпарных устройствах, дистилляторах, ректификационных колоннах, реакторах и т. п. с помощью теплоносителей. При этом, если в аппарате требуется поддерживать достаточно высокую температуру, теплоносителем могут быть непосредственно продукты сгорания органического топлива. Однако в большинстве случаев применяются промежуточные теплоносители, которые отбирают теплоту от продуктов сгорания топлива и передают её веществу, участвующему в технологическом процессе, либо отбирают теплоту от этого вещества и передают её в др. часть установки или в окружающую среду. Наиболее часто применяются следующие теплоносители: вода и водяной пар, некоторые органические вещества, например даутерм (см. Дифенил ), кремнийорганические соединения , минеральные масла, расплавленные соли, жидкие металлы, воздух и др. газы.
Конструктивные схемы теплообменников весьма разнообразны и зависят от их назначения, уровня температур и типа теплоносителя. По принципу действия различают рекуперативные теплообменники, в которых теплота от одного вещества (теплоносителя) к другому передаётся через твёрдую, обычно металлическую, стенку; регенеративные теплообменники, в которых теплота воспринимается и отдаётся специальной насадкой, поочерёдно омываемой нагревающим и нагреваемым телами; смесительные теплообменники, в которых передача теплоты осуществляется при соприкосновении веществ. Наиболее распространены трубчатые рекуперативные теплообменники, где один из теплоносителей протекает внутри труб, а другой — в межтрубном пространстве. Основные характеристики рекуперативных теплообменников: размер поверхности теплообмена и коэффициент теплопередачи, представляющий собой количество теплоты, передаваемой через 1м2 поверхности теплообмена при разности температур между теплоносителями в 1 °С. Этот коэффициент для данного теплообменника зависит от типа теплоносителей, их параметров и скоростей движения.
Значительная доля получаемой теплоты в холодное время года идёт на бытовое потребление, то есть компенсацию потерь теплоты через стены зданий, потерь, связанных с вентиляцией помещений и прочее. В большинстве городов СССР используется отопление от ТЭЦ и от центральных котельных. В этом случае на ТЭЦ или в котельной устанавливаются бойлеры, в которых подогревается сетевая вода, направляемая в дома для отопления. В качестве отопительных приборов применяются либо металлические оребрённые теплообменники (радиаторы ), устанавливаемые непосредственно в помещении, либо трубчатые нагреватели, вмонтированные в стеновые панели.
В отдельных зданиях используется индивидуальное отопление. В этом случае в подвальном помещении здания размещается водогрейный котёл , и нагретая в нём вода в результате естественной циркуляции протекает через отопительные приборы. В сельской местности в жилых домах используется печное отопление. В районах с дешёвой электроэнергией иногда применяют электрическое отопление с помощью электрических калориферов , электрокаминов и др. С теоретической точки зрения непосредственное отопление с помощью электроэнергии нецелесообразно, так как, например, с помощью теплового насоса можно получить для целей отопления больше теплоты, чем затрачено электроэнергии. При этом на отопление пойдёт как количество теплоты, которое эквивалентно затраченной электроэнергии, так и некоторое количество теплоты, которое будет отобрано от окружающей среды и «поднято» на более высокий температурный уровень. Однако тепловые насосы не получили распространения в связи с их высокой стоимостью.
Для получения механической работы за счёт теплоты применяют тепловые двигатели — основные энергетические агрегаты заводских, транспортных и пр. теплосиловых установок; в электрическую энергию теплота преобразуется в магнитогидродинамических генераторах и термоэлектрических генераторах и т. д. В середине 70-х гг. 20 в. в мире на производство электроэнергии расходуется около 30% всей получаемой теплоты.
Теоретические основы теплотехники. Процессы генерации и использования теплоты базируются на теоретических основах Т. — технической термодинамике и теплопередаче .
В термодинамике рассматриваются свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Равновесное состояние полностью характеризуется небольшим числом физических параметров. Например, состояние однородных жидкости или газа определяется заданием двух из трёх величин: температуры, объёма, давления (см. Клапейрона уравнение , Ван-дер-Ваальса уравнение ). Энергетическая эквивалентность теплоты и работы устанавливается первым началом термодинамики . Второе начало термодинамики определяет необратимость макроскопических процессов, протекающих с конечной скоростью, и лимитирует максимальное значение кпд при преобразовании теплоты в работу.
Теплопередача изучает теплообмен (процессы переноса теплоты) между теплоносителями через разделяющие их пространство или твёрдую стенку, через поверхность раздела между ними. В теплотехнических устройствах теплота может передаваться лучистым теплообменом , конвекцией , теплопроводностью .
Лучистый теплообмен (теплообмен излучением) характерен для топок и камер сгорания, а также для некоторых печей. Общая энергия, излучаемая каким-либо телом, пропорциональна температуре тела в четвёртой степени (см. Стефана — Больцмана закон излучения ). При данной температуре наибольшее количество энергии отдаёт абсолютно чёрное тело . Реальные тела характеризуются излучательной способностью (интегральной или спектральной), показывающей, какую долю от энергии абсолютно чёрного тела излучает данное тело (во всём диапазоне волн или в узкой полосе, соответствующей определённой длине волны) при той же температуре. Интегральная излучательная способность твёрдых тел обычно лежит в пределах от 0,3 до 0,9. Газы при нормальных температурах имеют очень малую излучательную способность, возрастающую с увеличением толщины излучающего слоя.
Теплообмен конвекцией осуществляется в жидкостях, газах или сыпучих средах потоками вещества. С помощью конвекции ведётся нагревание или охлаждение жидкостей или газов в различных теплотехнических устройствах, например, в воздухонагревателях и экономайзерах котлоагрегатов. Теплообмен конвекцией наиболее характерен для случая омывания твёрдой стенки турбулентным потоком жидкости или газа. При этом теплота к стенке или от неё переносится за счёт турбулентного перемешивания потока (см. Турбулентное течение ). Интенсивность этого процесса характеризуется коэффициентом теплоотдачи. См. также Конвективный теплообмен .
Теплообмен теплопроводностью характерен для твёрдых тел и для ламинарных потоков жидкости и газа (см. Ламинарное течение ), омывающих твёрдую стенку. Теплота при этом переносится в результате микроскопического процесса обмена энергией между молекулами или атомами тела. На практике процесс переноса теплоты часто обусловливается совместным действием перечисленных видов теплообмена.
Лит.: Мелентьев Л. А., Стырикович М. А., Штейнгауз Е. О., Топливно-энергетический баланс СССР, М.—Л., 1962; Общая теплотехника, М.— Л., 1963; Исаченко В. П., Осипова В. А., Сукомел А. С., Теплопередача, 3 изд., М., 1975; Хазен М. М., Казакевич Ф. П., Грицевский М. Е., Общая теплотехника, М., 1966; Кириллин В. А., Сычев В. В., Шейндлин А. Е., Техническая термодинамика, 2 изд., М., 1974; Стырикович М. А., Мартынова О. И., Миропольский З. Л., Процессы генерации пара на электростанциях, М., 1969.
