Технические 15.09.2020

Теплотехника – наука о тепловой энергии и способах ее использования

13 мин.

Теплотехника

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств. Теплота используется во всех областях деятельности человека. Для установления наиболее рациональных способов его использования, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима разработка теоретических основ теплотехники. Различают два принципиально различных направления использования теплоты – энергетическое и технологическое.

При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания. При технологическом – теплота используется для направленного изменения свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры, механических, физических, химических свойств).
Количество производимых и потребляемых энергоресурсов огромно. По данным Минтопэнерго РФ и фирмы “Shell”  динамика производства первичных энергоресурсов даны в таблице 1.1.

Таблица 1.1.

Вид энергоресурсов

Годы

1980

1985

1990

1994

1995

Нефть, Мт, в мире

2922

2652

3022

3264

Россия

547

542

518

317,8

306,7

Газ, Гм3, в мире

1620

1981

2413

2250

Россия

252

462

641

607,3

595,4

Уголь, Мт, в мире

3249

3808

3935

4163

Россия

391

395

395

270,9

262,2

Э/энергия,ТДж, в мире

10712

11900

16498

18221

Россия

596,7

886,5

942,7

890,7

862

Итого, Мтут*, в мире

9451

10231

11692

12277

Россия

1430

1690

1430

1391

* тут – тонна условного топлива.
Такими теоретическими разделами являются техническая термодинамика и основы теории теплообмена, в которых исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии и процессы распространения теплоты.
Данный курс является общетехнической дисциплиной при подготовке специалистов технической специальности.

     

Основные понятия и определения теплотехники

Теплотехника – наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепловых машин, аппаратов и устройств.

Теплота широко используется во всех областях хозяйственной деятельности человека и его нормального жизнеобеспечения. Разработка теоретических основ теплотехники необходима для установления наиболее рациональных способов использования тепловой энергии, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых.

Любому техническому специалисту – инженеру, технику, механику необходимы знания основ этой науки, поскольку в настоящее время идет процесс интенсивного и широкого внедрения сложнейших тепловых машин и установок разного назначения практически во всех сферах хозяйственной деятельности человека.

Невозможно представить жизнь современного общества без автомобилей, самолетов, сельскохозяйственной техники, тепловых электростанций и котельных установок и т. п. Все эти сложнейшие технические устройства используют в своей работе тепловые машины различной конструкции. Можно с уверенностью сказать, что научно-технический прогресс в ближайшем будущем позволит человеку использовать тепловую энергию все более эффективно.
Поэтому без знания теоретических основ теплотехники и термодинамики современному техническому специалисту не обойтись.

Различают два принципиально различных направления использования теплоты – энергетическое и технологическое.
При энергетическом использовании, теплота преобразуется в механическую работу, с помощью которой в специальных установках (генераторах) создается электрическая энергия, наиболее удобная для передачи на значительное расстояние. Теплоту при этом получают сжиганием топлива в котельных установках или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания.
При технологическом использовании тепловой энергии она используется для направленного изменения механических, физических или химических свойств различных тел (расплавления, затвердевания, изменения структуры и т. п.).

Термодинамика – наука, изучающая энергию и законы ее превращения из одного вида в другой. Изучение основ термодинамики позволяет понимать принципы работы тепловых двигателей (паровых машин, двигателей внутреннего сгорания), тепловых насосов, холодильной техники, кондиционеров и других устройств.

Техническая термодинамика – раздел термодинамики, в котором рассматриваются взаимопревращения тепловой и механической энергии с помощью материальных тел, называемых рабочими телами.
Техническая термодинамика является основой теории тепловых двигателей и других промышленных установок, связанных с взаимопревращениями указанных видов энергии.

Как отмечалось выше, преобразование теплоты в механическую работу происходит с помощью рабочего тела. Наиболее эффективным с точки зрения технической термодинамики рабочим телом является то, которое обладает выраженными упругими свойствами, позволяющими телу в значительной мере деформироваться (изменять свой объем) под влиянием механической силы (давления), термического воздействия (теплоты) или комбинированного термомеханического воздействия.

Наблюдая за агрегатным состоянием различных тел, можно заметить, что наиболее целесообразными рабочими телами для применения в различных тепловых устройствах являются газы или пары. Именно они наиболее полно могут быть использованы в процессах преобразования теплоты в механическую работу, так как газы и пары, с одной стороны, легко деформируемы (легко сжимаются, расширяются) под влиянием внешних сил, а с другой стороны, им свойственны значительные (по сравнению с другими агрегатными состояниями тел) коэффициенты объемного расширения. Газы упруги – сжатый, т. е. деформированный объем газа стремится восстановить и даже увеличить свой первоначальный объем при снятии внешней нагрузки.

Одним из основных в технической термодинамике является понятие о термодинамической системе, представляющей собой совокупность тел, находящихся во взаимодействии, как между собой, так и с окружающей средой. Простым примером термодинамической системы может служить газ, расширяющийся или сжимающийся в цилиндре с движущимся поршнем.

Материальные тела, входящие в термодинамическую систему, разделяют на источники тепла и рабочие тела, которые под воздействием источника теплоты совершают механическую работу.

Для определения конкретных физических условий, в которых находится термодинамическая система, используют ряд показателей, называемых параметрами состояния. В число основных параметров входят: абсолютная температура Т, абсолютное давление р и удельный объем v(или величина, обратная удельному объему, – плотность ρ).

Последовательность изменения состояния рабочего тела в термодинамической системе называют термодинамическим процессом. Основным признаком процесса является изменение хотя бы одного из параметров состояния.

Рассмотрим физический смысл каждого из параметров рабочего тела с точки зрения науки теплотехники.

Давление

Давление (р) в термодинамике определяется как сила, действующая по нормали на единицу площади поверхности тела.
Давление газа – результат воздействия молекул газа на стенки сосуда, в котором он заключен. Известно, что молекулы любого газа находятся в постоянном движении, перемещаясь спонтанно в произвольном направлении. В результате хаотического движения молекул газа они систематически ударяются о стенки сосуда, оказывая на них силовое воздействие. Суммарное действие всех ударяющихся молекул определяет давление газа на стенки сосуда.

Именно это свойство газов (оказывать давление на стенки сосуда) позволяет использовать его в качестве рабочего тела в термодинамических процессах.
Давление измеряется в Паскалях(Па). Один Паскаль равен силе величиной 1 ньютон, действующей на площадь размером 1 квадратный метр:

Па = Н/м2.

В теплотехнических установках шкалы приборов для измерения давления часто градуируют в единицах системы МКГСС, в которой за единицу давления принята техническая атмосфера, (ат или at):

1 ат = 1 кг/см2≈ 9,814 Н/м2≈ 0,0981 МПа.

При этом не следует путать единицы измерения техническая атмосфера (ат) с единицей измерения физическая атмосфера (атм или atm), характеризующей нормальное (физическое) атмосферное давление p0, которое принято выражать, также, в миллиметрах ртутного столба:

p0 = 760 мм рт. ст. ≈ 101325 Па ≈ 0,101325 МПа.

В соответствии с определением между этими единицами существует зависимость:

1 атм ≈ 101 325 Па ≈ 1,033233 ат.

В настоящее время международными и российскими органами стандартизации и метрологии приняты меры по исключению этих единиц измерения давления из применения.

В технической термодинамике различают абсолютное и избыточное давление.
Под абсолютным понимают действительное давление рабочего тела внутри сосуда.
Под избыточным давлением понимают разность между абсолютным давлением в сосуде и давлением окружающей (внешней) среды.
Приборы, служащие для замера разности между абсолютным и избыточным давлением, называют манометрами.
Из приведенных выше определений следует, что для случая, когда давление в сосуде превышает давление окружающей среды,

рабс = ризб + рб,

где:
рабс – абсолютное давление в сосуде;
ризб – манометрическое или избыточное давление (измеренное прибором);
рб – давление окружающей среды (атмосферное или барометрическое давление).

Если абсолютное давление меньше давления окружающей среды, то разность между ними называется разряжением, или вакуумом.
Для измерения разрежений служит вакуумметр – прибор, показывающий разность давления окружающей среды и абсолютного давления в сосуде.
В этом случае:

рабс = рб – ризб,

где: ризб – показание величины разрежения на шкале вакуумметра.

Под удельным объемом рабочего тела понимают объем, занимаемый массой в 1 кг этого тела.
Удельный объем обозначается буквой v и измеряется в кубических метрах на килограмм (м3/кг).

Под плотностью рабочего тела понимают величину, обратную удельному объему, т.е. массу вещества, заключенную в объеме 1 м3. Плотность обозначается буквой ρ и измеряют в килограммах на кубический метр (кг/м3). Из приведенных определений следует:

v = V/m;     ρ = m/V,

поэтому произведение удельного объема на плотность будет равно единице:

vρ = 1,

здесь: V – объем рабочего тела, м3;     m – масса рабочего тела, кг.

***

Температура

Абсолютная температура – это один из основных параметров, характеризующих тепловое состояние тела, мера степени нагретости тела. Величина этого параметра определяется средней кинетической энергией движения молекул газа.
Знак разности температур двух неодинаково нагретых тел определяет направлении передачи тепла.

Температуру измеряют либо по абсолютной (термодинамической) шкале в градусах Кельвина (К) и обозначают буквой Т, либо по Международной практической шкале в градусах Цельсия (˚С) и обозначают буквой t.

За ноль абсолютной температуры абсолютной по шкале Кельвина принята температура вещества, когда полностью отсутствует тепловое движение его молекул и атомов. По этой шкале температура может быть только положительной (либо равной нулю, хотя, доказано, что абсолютный ноль – температура недостижимая, также, как и скорость света).

Ноль температуры в международной практической шкале соответствует температуре плавления льда при нормальном давлении (760 мм рт. ст.). Эту температуру называют, также, тройной точкой воды, поскольку все три фазы воды (твердая, жидкая и газообразная) при такой температуре находятся в состоянии равновесия. Сотому делению этой шкалы соответствует температура кипения воды (100˚С) при нормальном давлении.

Цена деления шкалы Кельвина одинакова с ценой деления шкалы Цельсия, т. е. равна 1 градусу, а соотношение между абсолютной температурой Т и практической температурой t определяется формулой:

Т = t + 273,15.

В США, Канаде и некоторых других странах для измерения температуры применяется шкала Фаренгейта, в которой за ноль принята температура смеси равных частей льда и нашатыря. В этой шкале температура таяния льда равна 32˚ F, а температура кипения химически чистой воды равна 212˚ F.
Соотношение между значениями температуры, измеренной по шкалам Цельсия и Фаренгейта:

T(˚F) = 9/5t(˚ C) + 32.

Считается, что рабочее тело находится при нормальных физических условиях, если давление его равно
р0= 760 мм рт. ст. ≈ 101325 Па ≈ 0,101325 МПа, а температура t0= 0˚ C.

***

Киломоль

В технической термодинамике часто используют понятие киломоль (кмоль), который характеризует количество вещества в килограммах, численно равное его молекулярной массе μ. Например, киломоль кислорода О2, имеющего молекулярную массу μ= 32, равен 32 кг, киломоль углерода C(молекулярная масса μ = 12) равен 12 кг, киломоль углекислого газа СО2(молекулярная масса μ = 44) равен 44 кг и т. д.
Единицей измерения киломоля является килограмм деленный на киломоль: кг/кмоль.

Особенности профессии Инженер- теплотехник

Инженер-теплотехник незаменим при возведении зданий и сооружений всех типов и предназначений. Именно на этого специалиста возлагается ответственность за обеспечение теплового и топливного снабжения помещений. От его компетенции в большой степени зависит комфорт пребывания в здании и безопасность эксплуатируемых систем. Так как именно теплотехник обеспечивает нужные для поддержания комфортной жизнедеятельности условия, то к его профессиональным качествам предъявляются самые серьезные требования, которые автоматически делают данную позицию недоступной для многих категорий людей.

В некоторых компаниях он может дополнительно выполнять функции по разработке систем канализации, а также кондиционирования. В зависимости от того, где будет трудоустроен специалист по теплоснабжению, он может заниматься научно-технологическими исследованиями и составлением проектов или непосредственно монтажом, наладкой, а также эксплуатацией и ремонтом инженерных установок.

В большинстве случаев инженер-теплотехник занимает руководящую позицию и имеет в своем подчинении команду от 2-3 до десятка работников — это зависит от размера компании, в которой он трудится.

Теплотехника - наука о тепловой энергии и способах ее использования

Обязанности

В соответствии с ЕТКС, устанавливающим профстандарт специальности, должностные инструкции инженера по теплотехнике включают следующие трудовые обязанности:

  • проектирование наружных и внутренних санитарно-технических систем;
  • сборка, монтаж, обслуживание и при необходимости ремонт существующих тепловых машин и теплового оборудования;
  • составление технического задания и планов по ремонту оборудования, в случае необходимости — реконструкция тепловых систем на предприятии;
  • внедрение передовых технологических решений в части теплового оборудования на производстве, а также расчет их экономической эффективности;
  • поддержание оборудования в исправном состоянии;
  • контроль за правильностью эксплуатации тепловых систем работниками предприятия;
  • сбор данных, получаемых с приборов учета, их систематизация и анализ;
  • осуществление исследовательской деятельности в сфере теплоэнергетики и тепловых процессов.

Теплотехника - наука о тепловой энергии и способах ее использования

Знания и навыки

Для инженера по теплотехнике принципиальным является наличие следующих знаний и навыков:

  • умение работать с программным обеспечением с целью проектирования тепловых систем и анализа их эффективности;
  • способность разрабатывать план-схему отопления в помещениях;
  • умение составлять функциональные схемы обвязки оборудования;
  • знание действующих нормативов в области безопасности производственных процессов;
  • знание положений, распоряжений, а также методических рекомендаций, контролирующих теплоэнергетическую сферу на производстве.

Работа инженера, занимающегося теплоэнергетикой, в первую очередь требует повышенной ответственности — все работы, так или иначе связанные с введением, наладкой и эксплуатацией теплового оборудования, должны выполняться точно в срок и в самом высоком качестве. Чтобы исполнять свои трудовые обязанности, специалистам должны помогать такие личные характеристики:

  • целеустремленность;
  • активная жизненная позиция;
  • работоспособность и трудолюбие;
  • способности к аналитике;
  • технический склад ума;
  • внимательность к деталям;
  • хорошая память.

Теплотехника - наука о тепловой энергии и способах ее использования

Чтобы максимально эффективно управлять командой специалистов-теплотехников, которые подчиняются инженеру, он должен обладать всеми необходимыми для руководителя качествами, при этом важно, чтобы он мог работать как в составе трудового коллектива, так и самостоятельно. Принципиальную роль играет физическая выносливость. Дело в том, что обслуживание тепловых систем, их установка требуют от инженера по теплотехнике больших усилий — для ослабленного человека это может оказаться существенной проблемой.

Так как теплотехническое энергетическое оборудование в наши дни постоянно совершенствуется, то для инженеров в этой сфере принципиально стремление к постоянному самообучению и профессиональному самообразованию, нелишним станет и интерес к научным достижениям.

Этот специалист должен знать передовой опыт российских и зарубежных компаний в области теплотехники и теплооборудования. Только в этом случае он сможет идти в ногу со временем и при этом оставаться высококвалифицированным специалистом.

Теплотехника - наука о тепловой энергии и способах ее использования

Образец должностной инструкции инженера-теплотехника

1. Общие положения

  1. Инженер-теплотехник подчиняется главному инженеру.
  2. Инженер-теплотехник нанимается и увольняется соответствующим приказом главы компании по предложению главного инженера.
  3. Кандидат на данную позицию обязан подходить под следующие требования:
    • высшее профильное техническое образование;
    • опыт работы в сфере теплотехники не менее трех лет.
  4. При временном отсутствии инженера (лечение, прохождение обучения и пр.) его замещает приказом главного инженера другой специалист соответствующей квалификации.
  5. От инженера-теплотехника требуется понимание:
    • законов и нормативных актов, затрагивающих его деятельность;
    • правил технологической и пожарной безопасности;
    • отраслевых нормативов и профессиональных стандартов, в том числе в области нормирования распределения тепловой энергии;
    • параметров использования профильной технической документации;
    • методов обнаружения дефектов в котлах и другом теплотехническом оборудовании, а также в способах профилактики их возникновения;
    • правил проведения необходимых ремонтных мероприятий;
    • параметров использования тепловых станций и сетей;
    • теоретических основ теплотехники и электротехники;
    • специфики разновидностей теплотехнического оборудования;
    • методов проведения профильных технических расчетов;
    • перспективных разработок в сфере теплотехники;
    • методов применения профильных инструментов и измерительных приборов;
    • методов использования оргтехники и программного обеспечения.
  6. Инженер-теплотехник руководствуется:
    • действующей правовой базой;
    • отраслевыми стандартами;
    • документацией компании;
    • данными из этой инструкции.

2. Функции

Инженер-теплотехник выполняет задачи:

  1. Обеспечение корректной работы теплотехнического оборудования компании.
  2. Ремонт теплотехнического оборудования и проведение необходимых профилактических мероприятий, а также проверка качества ремонта, выполненного сторонними исполнителями.
  3. Анализ результатов деятельности теплотехнического оборудования.
  4. Текущее обслуживание теплотехнического оборудования.
  5. Отслеживание деятельности подключенных тепловых сетей.
  6. Тестирование нового теплотехнического оборудования.
  7. Обеспечение работы с необходимой технической документацией.
  8. Проведение необходимых расчетов по своей специальности, а также проверка корректности их выполнения сторонними исполнителями.
  9. Отслеживание потерь тепловой энергии и их сравнение с действующими нормативами.
  10. Участие в разработке нормативов потребления и использования тепловой энергии.
  11. Выявление и анализ факторов, влияющих на эффективность работы теплотехнического оборудования.
  12. Соблюдение норм и правил в части обеспечения технологической и пожарной безопасности.
  13. Информирование главного инженера о вероятных проблемах, обнаруженных при выполнении работ.
  14. Участие в подготовке закупок агрегатов и запчастей для теплотехнического оборудования.
  15. Обеспечение качественного использования рабочей одежды и инструментов, предоставленных работодателем.

3. Ответственность

Инженер-теплотехник отвечает за:

  1. Неисполнение своих должностных обязанностей — в соответствии с разделами трудового законодательства и внутренними правилами компании.
  2. Нарушения законов, которые были совершены им при выполнении своей работы, — в соответствии с параметрами трудового, административного либо уголовного права.
  3. Ущерб, который получен компанией-работодателем по его вине, — в пределах, указанных в действующем законодательстве.

4. Права

Инженер-теплотехник получает от компании следующие возможности:

  1. Вносить для руководства предложения по совершенствованию трудовых процедур.
  2. Получать доступ к внутренней информации, востребованной в своей работе.
  3. Иметь доступ к проектам документов, затрагивающих область его деятельности.
  4. Требовать от руководства создания и поддержания условий, необходимых для эффективного выполнения работы.
  5. Получать от компании-работодателя спецодежду и необходимые для работы инструменты в порядке, закрепленном в соответствующей документации.
  6. Получать доплаты в случае выполнения KPI, оговоренных в документации компании.
  7. Повышать свою профессиональную квалификацию за счет компании на условиях, указанных в соответствующей корпоративной документации.
Источники

  • https://xumuk.ru/teplotehnika/001.html
  • http://k-a-t.ru/teplotexnika/1/index.shtml
  • https://vplate.ru/inzhener/teplotehnik/
  • https://assistentus.ru/forma/dolzhnostnaya-instrukciya-inzhenera-teplotehnika/
[свернуть]
Оцените статью
Понравилась статья?
Комментарии (0)
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Комментарии закрыты.