Обмен тепловой энергии между организмом и окружающей средой называется теплообменом . Один из показателей теплообмена - температура тела, которая зависит от двух факторов: образования тепла, то есть от интенсивности обменных процессов в организме, и отдачи тепла в окружающую среду.

Животные, температура тела которых изменяется в зависимости от температуры внешней среды, называются пойкилотермными , или холоднокровными. Животные с постоянной температурой тела называются гомойотермными (теплокровными). Постоянство температуры тела называется изотер мией . О на обеспечивает независимость обменных процессов в тканях и органах от колебаний температуры окружающей среды.

Температура тела человека.

Температура отдельных участков тела человека различна. Наиболее низкая температура кожи отмечается на кистях и стопах, наиболее высокая - в подмышечной впадине, где ее обычно и определяют. У здорового человека температура в этой области равна 36-37° С. В течение суток наблюдаются небольшие подъемы и спады температуры тела человека в соответствии с суточным биоритмом: минимальная температура отмечается в 2 - 4 ч ночи, максимальная - в 16-19 ч.

Т емпература мышечной ткани в состоянии покоя и работы может колебаться в пределах 7° С. Температура внутренних органов зависит от интенсивности обменных процессов. Наиболее интенсивно обменные процессы протекают в печени, которая является самым «горячим» органом тела: температура в тканях печени равна 38-38,5° С. Температура в прямой кишке составляет 37-37,5° С. Однако она может колебаться в пределах 4-5° С в зависимости от наличия в ней каловых масс, кровенаполнения ее слизистой и других причин. У бегунов на большие (марафонские) дистанции в конце состязаний температура в прямой кишке может повышаться до 39-40° С.

Способность поддерживать температуру на постоянном уровне обеспечивается за счет взаимосвязанных процессов – теплообразования и выделения тепла из организма во внешнюю среду. Если теплообразование равно теплоотдаче, то температура тела остается постоянной. Процесс образования тепла в организме получил название химической терморегуляции , процесс, обеспечивающий удаление тепла из организма, - физической терморегуляции .

Химическая терморегуляция. Тепловой обмен в организме тесно связан с энергетическим. При окислении органических веществ выделяется энергия. Часть энергии идет на синтез АТФ. Эта потенциальная энергия может быть использована организмом в дальнейшей его деятельности. Источником тепла в организме являются все ткани. Кровь, протекая через ткани, нагревается.

Повышение температуры окружающей среды вызывает рефлекторное снижение обмена веществ, вследствие этого в организме уменьшается теплообразование. При понижении температуры окружающей среды рефлекторно увеличивается интенсивность метаболических процессов и усиливается теплообразование. В большей степени увеличение теплообразования происходит за счет повышения мышечной активности. Непроизвольные сокращения мышц (дрожь) являются основной формой повышения теплообразования. Увеличение теплообразования может происходить в мышечной ткани и за счет рефлекторного повышения интенсивности обменных процессов - несократительный мышечный термогенез.

Физическая терморегуляция. Этот процесс осуществляется за счет отдачи тепла во внешнюю среду путем конвекции (теплопроведения), радиации (теплоизлучения) и испарения воды.

Конвекция - непосредственная отдача тепла прилегающим к коже предметам или частицам среды. Отдача тепла тем интенсивнее, чем больше разница температур между поверхностью тела и окружающим воздухом.

Теплоотдача увеличивается при движении воздуха, например при ветре. Интенсивность отдачи тепла во многом зависит от теплопроводности окружающей среды. В воде отдача тепла происходит быстрее, чем на воздухе. Одежда уменьшает или даже прекращает теплопроведение.

Радиация - выделение тепла из организма происходит путем инфракрасного излучения с поверхности тела. За счет этого организм теряет основную массу тепла. Интенсивность теплопроведения и теплоизлучения во многом определяется температурой кожи. Теплоотдачу регулирует рефлекторное изменение просвета кожных сосудов. При повышении температуры окружающей среды происходит расширение артериол и капилляров, кожа становится теплой и красной. Это увеличивает процессы теплопроведения и теплоизлучения. При понижении температуры воздуха артериолы и капилляры кожи суживаются. Кожа становится бледной, количество протекающей через ее сосуды крови уменьшается. Это приводит к понижению ее температуры, теплоотдача уменьшается, и организм сохраняет тепло.

Испарение воды с поверхности тела (2 /з влаги), а также в процессе дыхания (1/з влаги). Испарение воды с поверхности тела происходит при выделении пота. Даже при полном отсутствии видимого потоотделения через кожу испаряется в сутки до 0,5 л воды - невидимое потоотделение. Испарение 1 л пота у человека с массой тела 75 кг может понизить температуру тела на 10° С.

В состоянии относительного покоя взрослый человек выделяет во внешнюю среду 15% тепла путем теплопроведения, около 66% посредством теплоизлучения и 19% за счет испарения воды.

В среднем человек теряет за сутки около 0,8 л пота, а с ним 500 ккал тепла.

При дыхании человек также выделяет ежесуточно около 0,5 л воды.

При низкой температуре окружающей среды (15° С и ниже ) около 90% суточной теплоотдачи происходит за счет теплопроведения и теплоизлучения. В этих условиях видимого потоотделения не происходит.

При температуре воздуха 18-22° С теплоотдача за счет теплопроводности и теплоизлучения уменьшается, но увеличивается потеря тепла организмом путем испарения влаги с поверхности кожи. При большой влажности воздуха, когда испарение воды затруднено, может возникнуть перегревание тела и развиться тепловой удар .

Малопроницаемая для паров воды одежда препятствует эффективному потоотделению и может служить причиной перегревания организма человека.

В жарких странах, при длительных походах, в горячих цехах человек теряет большое количество жидкости с потом. При этом появляется чувство жажды, которое не утоляется приемом воды. Это связано с тем, что с потом теряется большое количество минеральных солей. Если добавить к питьевой воде соль, то чувство жажды исчезнет и самочувствие людей улучшится.

Центры регуляции теплообмена.

Терморегуляция осуществляется рефлекторно. Колебания температуры окружающей среды воспринимаются терморецепторами . В большом количестве терморецепторы располагаются в коже, в слизистой оболочке полости рта, верхних дыхательных путях. Обнаружены терморецепторы во внутренних органах, венах, а также в некоторых образованиях центральной нервной системы.

Терморецепторы кожи очень чувствительны к колебаниям температуры окружающей среды. Они возбуждаются при повышении температуры среды на 0,007° С и понижении - на 0,012° С.

Нервные импульсы, возникающие в терморецепторах, по афферентным нервным волокнам поступают в спинной мозг. По проводящим путям они достигают зрительных бугров, а от них идут в гипоталамическую область и к коре большого мозга. В результате возникают ощущения тепла или холода.

В спинном мозге находятся центры некоторых терморегуляторных рефлексов. Гипоталамус является основным рефлекторным центром терморегуляции. Передние отделы гипоталамуса контролируют механизмы физической терморегуляции, т. е. они являются центром теплоотдачи . Задние отделы гипоталамуса контролируют химическую терморегуляцию и являются центром теплообразования .

Важная роль в регуляции температуры тела принадлежит коре головного мозга . Эфферентными нервами центра терморегуляции являются главным образом симпатические волокна.

В регуляции теплообмена участвует и гормон альный механизм , в частности гормоны щитовидной железы и надпочечников. Гормон щитовидной железы - тироксин , повышая обмен веществ в организме, увеличивает теплообразование. Поступление тироксина в кровь возрастает при охлаждении организма. Гормон надпочечников - адреналин - усиливает окислительные процессы, увеличивая тем самым теплообразование. Кроме того, под действием адреналина происходит сужение сосудов, в частности сосудов кожи, за счет этого уменьшается теплоотдача.

Приспособление организма к пониженной температуре окружающей среды . При понижении температуры окружающей среды происходит рефлекторное возбуждение гипоталамуса. Повышение его активности стимулирует гипофиз , результатом чего является усиленное выделение тиреотропина и кортикотропина, повышающих активность щитовидной железы и надпочечников. Гормоны данных желез стимулируют теплопродукцию.

Таким образом, при охлаждении включаются защитные механизмы организма, повышающие обмен веществ, теплообразование и уменьшающие теплоотдачу.

Возрастные особенности терморегуляции. У детей первого года жизни наблюдается несовершенство механизмов. Вследствие этого при понижении температуры окружающей среды ниже 15° С возникает переохлаждение детского организма. На первом году жизни происходит уменьшение отдачи тепла посредством теплопроводности и теплоизлучения и увеличение теплопродукции. Однако до 2 лет дети остаются термолабильными (повышается температура тела после еды, при высокой температуре окружающей среды). У детей от 3 до 10 лет совершенствуются механизмы терморегуляции, но их неустойчивость продолжает сохраняться.

В препубертатном возрасте и в период полового созревания (пубертатный период), когда происходят усиленный рост организма и перестройка нейрогуморальной регуляции функций, усиливается неустойчивость терморегуляционных механизмов.

В пожилом возрасте наблюдается снижение образования тепла в организме по сравнению со зрелым возрастом.

Проблема закаливания организма. Во все периоды жизни необходимо закаливать организм. Под закаливанием понимают повышение устойчивости организма к неблагоприятным воздействиям внешней среды и в первую очередь к охлаждению. Закаливание достигается путем использования естественных факторов природы - солнца, воздуха и воды. Они действуют на нервные окончания и сосуды кожи человека, повышают активность нервной системы и способствуют усилению обменных процессов. При постоянном воздействии природных факторов происходит привыкание к ним организма. Закаливание организма эффективно при соблюдении следующих основных условий: а) систематическое и постоянное применение естественных факторов; б) постепенное и систематическое увеличение длительности и силы их воздействия (закаливание начинать с использования теплой воды, постепенно снижать ее температуру и увеличивать время проведения водных процедур); в) закаливание с применением контрастных по температуре раздражителей (теплая - холодная вода); г) индивидуальный подход к закаливанию.

Применение природных факторов закаливания необходимо сочетать с занятиями физической культурой и спортом. Хорошо способствует закаливанию утренняя гимнастика на свежем воздухе или в комнате при открытой форточке с обязательным обнажением значительной части тела и последующими водными процедурами (обливание, душ). Закаливание является наиболее доступным средством оздоровления людей.

Теплообмен организма человека с окружающей средой.

Из анализа выражения (1) следует, что в процессе распада сложных углеводородов (пищи) образуется определенное количество биологической энергии. Часть этой энергии, в результате необратимости протекающих в организме человека процессов, переходит в тепло, которое необходимо отводить в окружающую среду.

Отвод тепла от организма человека в общем случае происходит за счет конвекции, теплового (радиационного) излучения и испарения.

Конвекция – (от латинского перенос, доставка) – возникает вследствие перемещения микроскопических частиц среды (газа, жидкости) и сопровождается переносом тепла от более нагретого тела к менее нагретому телу. Различают естественную (свободную) конвекцию, вызванную неоднородностью среды (например, температурное изменение плотности газа) и вынужденную. В результате конвективного теплообмена происходит передача тепла открытыми поверхностями тела человека в воздух окружающей среды. Передача тепла конвекцией для человеческого организма обычно мала и составляет примерно 15% от общего количества выделившего тепла. При понижении температуры воздуха окружающей среды и увеличении скорости его движения этот процесс в значительной мере интенсифицируется и может достигать до 30%.

Тепловое излучение (радиационное) - это рассеивание тепла в окружающую среду с нагретой поверхности тела человека, оно имеет электромагнитную природу. Доля этого излучения, как правило, не превышает 10%.

Испарение - это основной путь отвода тепла от организма человека при повышенной температуре окружающей среды. Это обусловлено тем, что в процессе нагрева тела человека происходит расширение периферийных кровеносных сосудов, что в свою очередь способствует увеличению скорости циркуляция крови в организме и, следовательно, к увеличению количества тепла переносимого на его поверхность. Одновременно с этим открываются потовые железы кожного покрова (площадь кожного покрова человека в зависимости от его антропологических размеров может изменяться в пределах от 1,5 до 2,5м 2), что приводит к интенсивному испарению влаги (потоотделению). Совокупность этих факторов и способствует эффективному охлаждению тела человека.

При понижении температуры воздуха на поверхности тела человека происходит утолщение кожного покрова (гусиная кожа) и сужение периферийных кровеносных сосудов и потовых желез. Вследствие этого уменьшается теплопроводность кожного покрова, значительно снижается скорость циркуляции крови в периферийных участках. В результате количества тепла отводимого от организма человека за счет испарения значительно уменьшается.

Установлено, что человек может высокопроизводительно работать и чувствовать себя комфортно только при определенных сочетаниях температуры, влажности и скорости движения воздуха.

Русский ученый И. Флавицкий в 1844 году показал, что самочувствие человека зависит от изменения температуры, влажности и скорости движения воздуха. Им было установлено, что для заданного сочетания параметров микроклимата (температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха) можно найти такое значение температуры неподвижного и полностью насыщенного воздуха, которые создают аналогичное тепловое ощущение. В практике для поиска этого соотношения широко используется, так, называемый метод эффективных температур (ЭТ) и эффективно-эквивалентных температур (ЭЭТ). Оценка степени влияние различных сочетаний температуры, влажности и скорости перемещения воздуха на организм человека ведется по номограмме, приведенной на рисунке 3.

По левой оси ординат отложены значения температур по сухому термометру, а по правой - по влажному термометру. Семейство кривых пересекающихся в одной точке соответствует линиям постоянной скорости движения воздуха. Наклонные линии определяют значения эффективно–эквивалентных температур. При нулевой скорости движения воздуха значение эквивалентно-эффективных температур совпадает со значением эффективной температуры.

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.

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.

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.