Экология металлургии - Северо
реклама
А. С. Яржемский ТЕПЛОФИЗИКА, АВТОМАТИЗАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ Учебное пособие Владикавказ 2014 0 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)» А. С. Яржемский ТЕПЛОФИЗИКА, АВТОМАТИЗАЦИЯ, ЭКОЛОГИЯ Учебное пособие для студентов направления подготовки 150400 «Металлургия» (бакалавриат) Допущено редакционно-издательским советом Северо-Кавказского горно-металлургического института (государственного технологического университета). Протокол № 26 от 17.12.2013 г. Владикавказ 2014 1 УДК 621.1:681.5+144.577 ББК 31.3 Я72 Рецензент: Доктор технических наук, профессор СКГМИ (ГТУ) Хадзарагова Е. А. Я72 Яржемский А. С. Теплофизика, автоматизация, экология: Учебное пособие / Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). – Владикавказ: Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Изд-во «Терек», 2014. – 150 с. Учебное пособие предназначено для студентов 1-го курса направления подготовки 150400 – «Металлургия» (бакалавриат) и может быть полезно при изучении дисциплины «Введение в металлургию», в дальнейшем – при выборе профиля подготовки. В пособии рассматриваются основные вопросы теплофизики как научно-технического направления, основы и принципы автоматизации, начала экологических проблем металлургического производства. Рассматриваются вопросы организации учебного процесса и требования, предъявляемые к специалисту с высшим техническим образованием. УДК 621.1:681.5+144.574 ББК 31.3 Редактор: Иванченко Н. К Компьютерная верстка: Куликова М. П. ФГБОУ ВПО «Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)», 2014 Яржемский А. С., 2014 Подписано в печать 4.03.2013. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Таймс». Печать на ризографе. Усл. п.л. 8,72. Тираж 45 экз. Заказ № . Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Издательство «Терек». Отпечатано в отделе оперативной полиграфии СКГМИ (ГТУ). 362021, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44. 2 Что ты должен знать и уметь бакалавр Бакалавр – первая степень, присваемая студенту, изучившему целый ряд гуманитарных и технических наук и защитившему выпускную работу. Бакалавр проходит подготовку по определенному направлению. В данном случае речь идет о направлении «Металлургия», в которое входят несколько профилей, в том числе «Металлургия цветных металлов» и «Теплофизика, автоматизация и экология». После второго семестра каждый студент может выбрать для себя профиль подготовки и получать уже конкретную подготовку по тому или иному профилю. Здесь мы будем рассматривать только один профиль – «Теплофизика, автоматизация и экология». Познакомимся с его особенностями, перечнем дисциплин и перспективами дальнейшей трудовой деятельности. Но прежде чем перейти к их рассмотрению, необходимо познакомиться с требованиями, которые предъявляются к специалисту с высшим техническим образованием. Подготовка бакалавра проходит таким образом, что на основании изучения профильных и специальных дисциплин он может оценить эффективность технологических процессов с точки зрения эффективности используемой энергии и уменьшения ее потерь в окружающую среду. Бакалавр изучает теоретически и на практике способы получения и применения тепловой энергии, методы ее рационального использования. Значительное место в изучении специальных дисциплин принадлежит автоматизации технологических процессов. Здесь рассматриваются приборы и методы контроля, регулирования и управления различными технологическими процессами и агрегатами, возможности применения информационных технологий. Уровень подготовки и объем знаний, полученный за время обучения, позволяет работать непосредственно на производстве, в научных, конструкторских и проектных организациях. Бакалавр должен быть подготовлен к активной творческой профессиональной деятельности, уметь оценивать события общественной жизни, место и роль в ней своей профессиональной деятельности, уметь аргументировано отстаивать свою точку зрения. Он должен иметь навыки коллективной и социальной деятельности, 3 работы с людьми, уметь принимать профессиональные решения с учетом их социальных последствий и требований этики. Бакалавр должен свободно владеть письменным и устным русским языком, знать основы отечественной и мировой культуры, в совершенстве овладеть специальной терминологией общеобразовательных и специальных дисциплин. Объектом профессиональной деятельности бакалавра в области теплофизики, автоматизации и экологии являются различные промышленные тепловые агрегаты и производства. Цель деятельности – изучение и разработка экономичных способов получения и использования тепловой энергии, применение для этой цели средств автоматизации и информационных технологий, определение и создание условий для повышения экологичности производства. Бакалавр должен владеть совокупностью следующих видов деятельности: - системный анализ технологических агрегатов и производств как объектов теплогенерации и теплопотребления; - анализ способов получения тепловой энергии и ее использования в производстве; - определение возможности снижения потерь тепла в атмосферу производственного помещения; - определение методов защиты производственного персонала от воздействия тепла; - определение экономичных способов сжигания топлива или использования электрической энергии; - разработка систем автоматизации для управления тепловыми режимами производственных агрегатов; - использование компьютерных технологий для расчетов тепловых процессов и управления ими; - разработка мероприятий по увеличению экологической безопасности производственных помещений и созданию комфортных условий для производственного персонала. Приведенный перечень показывает, насколько разнообразна работа специалиста по теплофизике, автоматизации и экологии. Невольно возникает вопрос: «А может ли один человек овладеть таким объемом знаний и сколько этому надо учиться?» Ответ прост: может, но учиться этому надо всю жизнь или по крайней мере весь период работы. Ведь университет закладывает фундамент знаний, 4 учит логически мыслить категориями специалиста, работать с книгой и брать оттуда необходимое, критически относиться к прочитанному. А для этого нужны знания, знания и еще раз знания, причем в самых различных областях. Что же должен уметь специалист, какие задачи он должен решать в процессе своей деятельности? Определим их: Анализ промышленных печей по используемой тепловой энергии; Определение способов получения тепловой энергии и закономерностей теплопередачи; Выбор и обоснование методов оптимального использования тепловой энергии; Предложения по рациональному использованию источников тепловой энергии (топливо или электрическая); Выбор и обоснование методов вторичного использования тепловой энергии; Определение и классификация вредных выбросов отходов производства (технологическая пыль, газы, сточные воды); Выбор и обоснование методов утилизации вредных выбросов; Разработка способов утилизации; Использование средств автоматизации для предотвращения несанкционированных вредных выбросов; Расчет тепловых процессов в промышленном производстве с целью оптимизации потерь; Моделирование тепловых процессов и исследование их с помощью информационных технологий; Расчет тепловых агрегатов для условий рационального использования тепловой энергии и энергосбережения; Выбор и обоснование показателей качества газо- и водоочистных сооружений; Выбор и обоснование выбора очистных аппаратов и установок для конкретного технологического процесса; Определение возможности автоматизации процессов очистки газов и сточных вод; Выбор и обоснование методов и средств контроля и автоматизации технологических процессов, агрегатов, аппаратов и установок для очистки газов и сточных вод; 5 Разработка технико-экономического обоснования принятых решений. Посмотрим, как же связаны между собой приведенные выше задачи. Любое металлургическое производство характеризуется целым рядом технологических процессов, каждый из которых имеет свою специфику. Здесь могут быть процессы, которые проходят с использованием высоких температур, значительных давлений и в вакууме, в жидком виде – гидрометаллургические процессы, – в электрическом и магнитном полях и т. д. Характеристики металлургических процессов разнообразны, как разнообразны и агрегаты и установки, в которых они проводятся. Например, производство цинка включает в себя тепловые процессы (обжиг цинкового концентрата) и проходящие в жидкой фазе (выщелачивание и электролиз). Каждый из этих процессов характеризуется целым рядом присущих ему параметров. Эти параметры должны находиться в определенном соотношении для обеспечения нормального течения процесса. Разберем пример подробнее. Концентрат обжигают. Что это значит? А вот что: его нагревают до высокой, порядка 950 С, температуры, и он начинает гореть сам. Почему? Ответ прост. Концентрат содержит серу, которая при высокой температуре начинает гореть, т. е. окисляться. Но при такой температуре окисляется и цинк, причем тоже с образованием оксида. Происходит химическая реакция: 2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2↑ Как видно, основой любого технологического процесса в металлургии является химическая реакция, в данном случае окисления. В результате этой реакции образуются два продукта – оксид цинка и диоксид серы. Оксид цинка идет на дальнейшую переработку, а оксид серы, по сути, является отходом основного производства. Когда-то так и было. Ведь диоксид серы – газ, и его через трубу выбрасывали в атмосферу. Потом его стали утилизировать – производить серную кислоту. Но этим дело не кончается. Печь для обжига цинкового концентрата имеет неплотности, через которые продукты реакции, а именно газ, может поступать в производственное помещение и 6 загрязнять атмосферу цеха. Как избежать этого? Посмотрите на химическую реакцию, приведенную выше. Мы знаем, что для протекания реакции вправо необходимо из реакционного пространства удалять по мере образования продукты реакции. Другими словами, необходимо создать в печи такие условия, чтобы диоксид серы выводился из печи. Для этого в печи обеспечивается так называемый тяговый режим, при котором давление в печи превышает давление в газоходе. Такой режим создается с помощью специальных устройств – дымососов. Надо иметь в виду, что печь вертикальная, т. е. ее высота значительно больше, чем диаметр. Тяговый режим печи характерен тем, что в самом верху печи давление газов несколько ниже давления непосредственно в реакционной зоне, или, как принято говорить, создается разрежение под сводом печи. С другой стороны, если создать большое разрежение, то вместе с газом будет уноситься огарок (твердый продукт реакции ZnO) и необожженный концентрат. Следовательно, величину разрежения под сводом печи необходимо все время контролировать и поддерживать в заданных пределах. Процесс, который мы рассматриваем, является экзотермическим, т. е. реакция идет с выделением тепла. Выделяемого тепла не только достаточно для прохождения реакции, но еще и остается. Лишнее тепло необходимо утилизировать, ибо оно может так «разогреть» печь, что она разрушится. Кроме того, из-за большого излишка тепла может нарушиться ход процесса. А перегрев печи приведет к дополнительному выделению тепла в атмосферу цеха, что отрицательно повлияет на условия работы производственного персонала. Подобные нарушения происходят крайне редко. Процессом научились управлять, но это уже другой разговор. Из приведенного примера видно, что в нем присутствуют три составляющие профиля «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей». Судите сами: теплофизика – способ получения и передачи тепла; автоматизация – контроль и управление процессом с помощью автоматических устройств; экология – контроль за атмосферой цеха и создание условий ее улучшения. Для успешной работы в этом направлении специалист должен хорошо владеть математическим аппаратом, знать законы химических и физических явлений, механику, электротехнику и электронику, 7 целый ряд специальных дисциплин. Главное, что должен уметь специалист – это работать с книгой. Лекция. Конспект. Книга Прежде чем стать специалистом, студент должен овладеть определенным объемом знаний, предусмотренным государственным образовательным стандартом специальности. В учебном плане по каждой дисциплине предполагается проведение лекций, практических занятий и лабораторных работ. Эти виды занятий по конкретной дисциплине могут быть как в полном объеме, так и частично. Например, могут быть только лекции, лекции и практические занятия, или все три вида. Лекции являются основным видом занятий, во время которых студента знакомят с теоретическим материалом изучаемой дисциплины. Естественно, за время, отведенное на чтение лекций, преподаватель не может дать весь объем знаний по данному предмету. Поэтому необходимо самостоятельное изучение предмета с использованием рекомендуемой преподавателем литературы. Часто возникает необходимость в дополнительной литературе по интересующему вопросу. Для этого необходимо уметь пользоваться библиотекой, точнее библиотечным каталогом, позволяющим быстро сориентироваться и найти нужную книгу. Здесь незаменимую помощь всегда окажут работники библиотеки. Часто возникает необходимость составить конспект прочитанного, который должен отражать основные положения книги и содержать необходимые сведения по интересующему вопросу. Гораздо сложнее вести конспект лекций. Здесь требуется постоянное внимание слушателя, чтобы следить за логикой изложения материала, умение выделить наиболее существенное и записать его. При этом запись лекции в своей последовательности должна быть логичной, приводимые графики и схемы должны пояснять материал, органически входить в него. Нет смысла записывать каждое слово – гонка за лектором даст отрицательный результат. Механическая запись не позволит понять логику предмета, не даст возможности разобраться в излагаемом материале. Кроме того, имеется рекомендуемая литература, в которой можно подробно и глубже изучить материал. Поэтому конспект 8 лекции должен содержать основные тезисы (вехи) материала, по которым можно работать с литературой. Обычно в конспект лекции заносят название темы и ее разделов, основные сведения по теме, графики, схемы с пояснениями или описаниями. Обязательно надо записывать уравнения с пояснениями величин, в них входящих. Это важно, т. к. одной и той же буквой могут обозначаться различные величины. Как правило, наиболее важные, узловые места темы лектор выделяет тонально или прямо говорит об этом. Поэтому важно следить за тоном лектора, обращать внимание на темп изложения материала. Это позволяет определить и записать главное, без чего невозможно понимание излагаемого материала. Для более полного понимания и усвоения теоретических положений используются практические и лабораторные занятия. На них студенты знакомятся с основными аспектами применения теоретических положений на практике и опытным путем получают подтверждение теоретических законов. Эти виды занятий очень важны, занимают значительное место в учебном процессе и к ним необходимо относиться самым серьезным образом. Частью освоения теоретического материала и практического его закрепления являются курсовой проект или курсовая работа. Эта часть, как правило, выполняется после завершения теоретического изучения конкретной дисциплины. При выполнении курсового проекта студент под руководством преподавателя выполняет согласно полученного задания необходимые расчеты и графическую часть. Объем и содержание разделов курсового проекта определяются заданием. Курсовая работа отличается отсутствием графической части. Объем и содержание курсовой работы также определяется заданием. При выполнении курсового проекта или работы студент пользуется методическими разработками и рекомендованной литературой. Контрольные мероприятия Весь период обучения разбивается на учебные годы. Учебный год делится на два семестра, каждый из которых заканчивается зачетноэкзаменационной сессией. По действующему положению каждый студент должен сдать все предусмотренные рабочим планом специальности зачеты и экзамены. Эти мероприятия проводятся в 9 специально отведенное время. Зачеты, как правило, сдаются в течение недели, предшествующей первому экзамену. На подготовку к каждому экзамену дается три – четыре дня. Внутри каждого семестра проводятся текущие контрольные мероприятия – рейтинг-контроли. Таких мероприятий в течение семестра бывает два. Условно каждая изучаемая дисциплина делится на два модуля. Внутри модуля осуществляется текущий контроль, который складывается из посещаемости занятий, выполнения лабораторных работ, типовых расчетов и т. п., и рубежный контроль. Все контрольные мероприятия, в том числе и рубежный контроль, проводятся в письменном виде. По каждой изучаемой дисциплине в течение семестра студент может набрать до 100 баллов, т. е. в каждом рейтинге он может заработать по 50 баллов. Запомните эти цифры! Что дает студенту рейтинг-контроль? Многое. Во-первых, появляется стимул для систематических занятий. Во-вторых, всегда легче разобраться с частью материала (половина изучаемой дисциплины), чем со всем материалом изучаемой дисциплины. Втретьих, студент, имеющий по итогам всех рейтингов более 50 баллов, получает право на экзаменационную оценку или зачет без сдачи экзамена или зачета, так называемый «автомат». Если студент набрал за семестр 50–64 балла, то он может рассчитывать на заветную для некоторых «троечку». При попадании в интервал 65–84, четверка гарантирована. Ну, а те студенты, которые набрали 85 и более баллов получат свою пятерку – всем бы так! Но это еще не все. Три балла так мало, на них даже стипендии не заработаешь. То ли дело четыре и пять – вот она, желанная стипендия. Ну, а если все пятерки, то светит повышенная, правда после второго семестра, стипендия. Но все равно приятно. Смотришь, в конце обучения получился «красный» диплом. Все перечисленные мероприятия направлены на одно: способствовать глубокому усвоению материала по конкретной дисциплине и научить применять практически полученные знания. Три в одном, или почему они вместе Теплофизика, автоматизация и экология… Казалось бы, что эти три составляющие не имеют касательства друг к другу. Однако вернемся к рассмотренному выше примеру. Печь: тепло есть, автоматизация необходима для управления, экология должна 10 соблюдаться. Таким образом, нет ничего удивительного, что эти направления составили одно целое. Каждая из составляющих дополняет другую, а в результате оптимизирует процесс. В недалеком прошлом, примерно до середины прошлого столетия, каждая пущенная домна, каждая металлургическая печь вызывала восторг и гордость строителей, монтажников и, конечно, металлургов. Все металлургические предприятия характеризовались высокими трубами и густыми дымами из них. И тогда мало кто считал, что в трубу вылетают значительные средства, складывающиеся из пыли (мелких частиц ценного компонента), тепла и газа (чаще всего вредного для человека). Шло время, и люди все чаще стали задумываться над тем, как не только получить тепло, но как сохранить его и использовать с пользой для себя. Значительная часть металлургических процессов велась почти «на глазок», то есть вести, допустим плавку стали в мартеновской печь мог не каждый сталевар. Нужен был большой опыт. А что делать, если требовалось значительное увеличение выпуска стали, а опытных сталеваров не хватало? Выход один: процесс сталеварения необходимо автоматизировать, т.е. вести его с помощью технических средств автоматизации. Так было во всей металлургии – и в черной, и в цветной. Дымы над городом… В кино или на снимках смотрится впечатляюще. Работают заводы, дают стране металл. А по воздуху стелется дым и попадает на рядом лежащий город. В то время, когда строились металлургические заводы, рядом вырастали поселки металлургов, которые в большинстве своем переросли в города. Другими словами, практически каждое металлургическое предприятие является градообразующим. А в городах люди, жилые дома, школы, детские сады и другие неметаллургические предприятия. А в них люди, взрослые и дети. И все они подвержены воздействию этих самых дымов, которые несут в себе всевозможные беды. Вот и пришла на помощь экология – то есть борьба за чистоту атмосферы как населенного пункта, так и самого завода. Надеюсь, что теперь стало понятно, почему эти три направления стоят вместе. Они дополняют друг друга. Совместное их применение дает большую выгоду. В этом вы убедитесь дальше. Пока верьте на слово. 11 Однако каждая из составляющих имеет свои особенности, которые также необходимо знать, ибо каждая имеет самостоятельное значение в ряду научных и производственных направлений. Ниже мы познакомимся с каждой составляющей данного направления – «Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей». В таком порядке и будем знакомиться с каждой составляющей. Итак Теплофизика. Что это такое?.. По классическому определению «Теплофизика – совокупность дисциплин, представляющих теоретические основы энергетики. Включает термодинамику, тепломассообмен, методы экспериментального и теоретического исследования равновесных и неравновесных свойств веществ и тепловых процессов». Теплофизика включает в себя, исходя из определения, разделы: - теплота, виды теплообмена; - теплопередача; - основы термодинамики; - тепломассообмен; - законы термодинамики и термодинамические параметры систем; - теплообмен излучением; - решение обратных задач теплопроводности для элементов конструкций простой геометрической формы; - тепловые двигатели; - второй закон термодинамики; - термодинамика воды и водяного пара; - теплопроводность через сферическую оболочку. Как видно, в теплофизике рассматривается достаточно большой ряд дисциплин, каждая из которых представляет собой отдельное самостоятельное направление и в то же время дополняют друг друга. В дальнейшем вы детально изучите каждую из них. Здесь же наша задача – познакомиться с ними, чтобы иметь представление о каждой из них. 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 12 способов ее 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). Такими теоретическими разделами являются техническая термодинамика и основы теории теплообмена, в которых исследуются законы превращения и свойства тепловой энергии и процессы распространения теплоты. Термодинамика – наука, изучающая внутреннее состояние макроскопических тел в равновесии. По другому определению, термодинамика – наука, занимающаяся изучением законов взаимопреобразования и передачи энергии. Подчеркнём, что термодинамика – это феноменологическая (описательная) теория макроскопических тел. Термодинамика ничего не знает про атомы и молекулы. Поэтому в рамках термодинамического подхода выражение для энтропии ниоткуда не выводится и сама энтропия никак не истолковывается. Теория, опирающаяся молекулярное строение вещества, называется статистической физикой. Она, действительно, дает более глубокое обоснование термодинамики некоторых систем. Однако термодинамический подход сам по себе есть нечто, совершенно не требующее статистической физики. Техническая термодинамика рассматривает закономерности взаимного превращения теплоты в работу. Она устанавливает взаимосвязь между тепловыми, механическими и химическими процессами, которые совершаются в тепловых и холодильных машинах, изучает процессы, происходящие в газах и парах, а также свойства этих тел при различных физических условиях. 13 Термодинамика базируется на двух основных законах (началах) термодинамики: - I закон термодинамики – закон превращения и сохранения энергии; - II закон термодинамики – устанавливает условия протекания и направленность макроскопических процессов в системах, состоящих из большого количества частиц. Техническая термодинамика, применяя основные законы к процессам превращения теплоты в механическую работу и обратно, дает возможность разрабатывать теории тепловых двигателей, исследовать процессы, протекающие в них и т. п. Объектом исследования является термодинамическая система, которой могут быть группа тел, тело или часть тела. То что находится вне системы называется окружающей средой. Термодинамическая система – это совокупность макроскопических тел, обменивающихся энергией друг с другом и окружающей средой. Изолированная система – термодинамическая система, не взаимодействующая с окружающей средой. Адиабатная (теплоизолированная) система – система имеет адиабатную оболочку, которая исключает обмен теплотой (теплообмен) с окружающей средой. Однородная система – система, имеющая во всех своих частях одинаковый состав и физические свойства. Гомогенная система – однородная система по составу и физическому строению, внутри которой нет поверхностей раздела (лед, вода, газы). Гетерогенная система – система, состоящая из нескольких гомогенных частей (фаз) с различными физическими свойствами, отделенных одна от другой видимыми поверхностями раздела (лед и вода, вода и пар). В тепловых машинах (двигателях) механическая работа совершается с помощью рабочих тел – газ, пар. Величины, которые характеризуют физическое состояние тела, называются термодинамическими параметрами состояния. Такими параметрами являются удельный объем, абсолютное давление, абсолютная температура, внутренняя энергия, энтальпия, энтропия, концентрация, теплоемкость и т. д. При отсутствии внешних силовых полей (гравитационного, электромагнитного и др.) термодинамическое состояние однофазного тела можно однозначно 14 определить 3-мя параметрами – удельным объемом (V), температурой (Т), давлением (Р). Параметры состояния – физические величины, однозначно характеризующие состояние термодинамической системы и не зависящие от предыстории системы. Давление – физическая величина, характеризующая интенсивность нормальных сил, с которыми одно тело действует на поверхность другого. Давление определяют как абсолютное, атмосферное, избыточное и вакуум. Температура пропорциональна кинетической энергии частиц рабочего тела. Чем ниже температура, тем меньше кинетическая энергия. Рабочее тело — газообразное, жидкое или плазменное вещество, с помощью которого осуществляется преобразование какой-либо энергии при получении механической работы, холода, теплоты. Состояние термодинамической системы может быть равновесным и неравновесным. Равновесное состояние изолированной термодинамической системы характеризуется постоянством по всему объему, занимаемому системой, таких параметров, как давление (механическое равновесие) и температура (термическое равновесие). В неизолированной системе равновесное состояние однозначно определяется внешними условиями, т. е. давлением и температурой внешней среды. В равновесных термодинамических системах отсутствуют стационарные потоки, например, теплоты и вещества. Всякая изолированная система с течением времени приходит в равновесное состояние, которое остается затем неизменным, пока система не будет выведена из него внешним воздействием. Параметры системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, связаны между собой, причем число независимых параметров состояния системы всегда равно числу ее термодинамических степеней свободы. Основные термодинамические параметры состояния Р, V, Т однородного тела зависят друг от друга и взаимно связаны между собой определенным математическим уравнением, которое называется уравнением состояния. Равновесным состоянием называется состояние тела, при котором во всех его точках объема Р, V и Т и все другие физические свойства одинаковы. 15 Совокупность изменений состояния термодинамической системы при переходе из одного состояния в другое называется термодинамическим процессом. Термодинамические процессы бывают равновесные и неравновесные. Если процесс проходит через равновесные состояния, то он называется равновесным. В реальных случаях все процессы являются неравновесными. Если при любом термодинамическом процессе изменение параметра состояния не зависит от вида процесса, а определяется начальным и конечным состоянием, то параметры состояния называются функцией состояния. Такими параметрами являются внутренняя энергия, энтальпия, энтропия и т. д. Интенсивные параметры – это параметры, не зависящие от массы системы (давление, температура). Аддитивные (экстенсивные) параметры – параметры, значения которых пропорциональны массе системы (объем, энергия, энтропия и т. д.). Термодинамика опирается на фундаментальные законы, которые являются обобщением наблюдений над процессами, протекающими в природе независимо от конкретных свойств тел. Этим объясняется универсальность закономерностей и соотношений между физическими величинами, получаемых при термодинамических исследованиях. Первым началом термодинамики для изолированной системы является закон сохранения и превращения энергии; второе начало термодинамики характеризует направление процессов обмена энергией, протекающих в природе; и в качестве третьего начала термодинамики принимается принцип недостижимости абсолютного нуля. Прогресс развития отечественной теплоэнергетики, являющейся базой развития всех отраслей народного хозяйства, в том числе металлургии, промышленности строительных материалов и изделий, возможен только на основе широкого развития научной базы теплотехники, теоретическим фундаментом которой служат техническая термодинамика и теория теплообмена. Наука, которая изучает методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты, а также принципы действия и конструктивные особенности тепло- и парогенераторов, тепловых машин, аппаратов и устройств, называется теплотехникой. В развитии теплотехники и ее теоретических основ большая заслуга принадлежит русским ученым, инженерам и изобретателям. Научные 16 представления в области теории теплоты были впервые обоснованы в середине XVIII в. М. В. Ломоносовым, который своими теоретическими исследованиями и экспериментальными работами создал основы молекулярно-кинетической теории вещества и установил взаимосвязь между тепловой и механической энергией как одну из форм проявления открытого им всеобщего закона сохранения и превращения энергии. Д. И. Менделеев провел фундаментальные работы по общей теории теплоемкостей, впервые научно обосновал проблему подземной газификации топлива и установил существование для каждого вещества критической температуры, выше которой газ не может быть превращен в жидкость, какое бы высокое давление к нему ни было приложено. К. Э. Циолковский, К. В. Кирш, А. А. Радциг, В. И. Гриневецкий и другие русские ученые своими научными трудами и инженерными разработками в конце XIX и начале XX столетия создали основы научного проектирования ряда тепловых агрегатов (котлы, тепловые двигатели, ракеты и др.). Однако энергетика дореволюционной России, находившаяся, как и ряд других отраслей промышленности, в кабальной зависимости от иностранного капитала, отставала по уровню своего развития, и многие предложения и изобретения русских ученых не были реализованы. Октябрьская социалистическая революция коренным образом изменила условия развития энергетики в нашей стране. Уже в первые годы Советской власти по указанию В. И. Ленина был разработан Государственный план электрификации России (план ГОЭЛРО), по которому предусматривалось за 10–15 лет построить 30 новых районных электростанций и довести выработку электроэнергии в стране до 8,8 млрд. кВт-ч в год. К 1935 г. план ГОЭЛРО был значительно перевыполнен, в 1961 г. выработка электроэнергии в СССР составила 327 млрд кВт-ч, в 1974 г. – 975, в 1980 г. – 1294 млрд кВт-ч. По энерговооруженности СССР занимал первое место в Европе и второе в мире. Для установления наиболее рациональных способов использования теплоты, анализа экономичности рабочих процессов тепловых установок, умелого комбинирования этих процессов и создания новых, наиболее совершенных типов тепловых агрегатов необходима глубокая разработка теоретических основ теплотехники. Без этого невозможно было бы создавать мощные паро- и газотурбинные установки с высокими начальными параметрами пара 17 и газа, реактивные двигатели, межконтинентальные баллистические ракеты и другие виды сложнейших тепловых установок. Современная энергетика основана главным образом на трансформации теплоты в механическую работу, с помощью которой в генераторах создается электрическая энергия, удобная для передачи на расстояние. Необходимую для этих целей теплоту получают путем сжигания топлива в топках паровых котлов или непосредственно в двигателях внутреннего сгорания. В металлургии при производстве различных металлов и сплавов теплота в основном используется для технических целей. При этом работа плавильных, сушильных, обжиговых и других тепловых установок также полностью определяется законами теплотехники. А теперь подробнее… Термодинамическим процессом (или просто процессом) называют переход системы из одного состояния в другое в результате ее взаимодействия с окружающей средой. Если процесс происходит со скоростью значительно меньшей скорости релаксации (самопроизвольного затухания), то на любом его этапе значения всех интенсивных макропараметров системы будут успевать выравниваться. Полученный процесс представит собой непрерывную последовательность бесконечно близких друг другу равновесных состояний. Такие процессы называют квазистатистическими или равновесными. Равновесные процессы допускают графическое изображение в пространстве и на плоскостях параметров состояния. Равновесный процесс может идти как в направлении возрастания, так и убывания любого из параметров состояния, т. е. как в одном, так и в противоположном направлении. При этом система каждый раз будет проходить через те же состояния, но в обратном порядке. Поэтому равновесные процессы являются обратимыми. Рассмотрим обратимый процесс с закрытой термомеханической системой. Мы уже знаем, что взаимодействие такой системы с окружающей средой состоит в обмене теплотой и работой. Элементарное количество энергетического воздействия dz*, приходящееся на каждую степень свободы, в механике выражают в виде произведения соответствующей обобщенной силы у на элементарное приращение сопряженной с ней обобщенной координаты х 18 dz* = ydx. (1) Под обобщенной силой понимают параметр, который по физическому смыслу является движущей силой рассматриваемого воздействия. Обобщенная координата – параметр, который изменяется только при воздействии данного вида. Если рассматриваемое воздействие отсутствует, то изменение соответствующей обобщенной координаты равно нулю. Таким образом, изменение обобщенной координаты отражает меру воздействия рассматриваемого вида. При обмене энергией в форме теплоты (теплообмен) обобщенной силой является абсолютная температура, а обобщенной координатой – физическая величина, называемая энтропией S. Таким образом, для элементарной удельной теплоты имеем выражение dq = Tds, (2) где s = S/M – удельная энтропия, Дж/кг ∙ К. Положительная работа совершается при расширении системы. При сжатии системы работа отрицательна. Отсутствие каких-либо остаточных изменений в системе и в окружающей среде при возвращении системы в исходное состояние является отличительным свойством обратимого процесса. Процесс, не обладающий этим свойством, называется необратимым. Если система совершила необратимый процесс, то ее возвращение в исходное состояние требует дополнительных энергозатрат со стороны окружающей среды. Все реальные процессы вследствие трения, теплообмена при конечной разности температур и ограниченности времени их протекания необратимы. Понятие обратимого процесса возникло вследствие идеализации реальных необратимых процессов. Фундаментальными процессами, изучаемыми классической равновесной термодинамикой, являются: - изотермный (Т = const), когда система находится в контакте с источником теплоты с постоянной температурой; - изоэнтропный (S = const) или адиабатный, при котором система абсолютно не имеет контакта с окружающей средой. 19 Внутренняя энергия системы включает в себя энергию теплового движения составляющих ее молекул и потенциальную энергию их взаимодействия. Энтальпия – тепловая функция, введенная Камерлинг-Оннесом по выражению H = U + pV, (3) где H – энтальпия, Дж; U – внутренняя энергия, Дж; Р – давление, Па; V – объем, м3. Энтропия как функция возникла в ходе теоретического поиска наиболее благоприятных условий превращения теплоты в работу в тепловых процессах (в основном в двигателях), т. е. при решении сугубо прикладных задач. И снова законы… Любая наука зиждется на определенных законах, которые возникли не сами по себе или не были выдуманы в тиши кабинетов, а стали плодом многолетних поисков большого числа ученых. Не избежала этого и термодинамика. Основой термодинамики являются три закона, или, как говорят, начала. Первый закон термодинамики представляет собой закон сохранения и превращения энергии для термодинамических систем. Он устанавливает количественную связь между изменением внутренней энергии системы и внешними воздействиями на нее. Зако́н сохране́ния эне́ргии – фундаментальный закон природы, установленный эмпирически и заключающийся в том, что для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени. Поскольку закон сохранения энергии относится не к конкретным величинам и явлениям, а отражает общую, применимую везде и всегда, закономерность, то его можно именовать не законом, а принципом сохранения энергии. 20 Для каждого вида энергии закон сохранения может иметь свою, отличающуюся от универсальной, формулировку. Например, в классической механике был сформулирован закон сохранения механической энергии, в термодинамике – первое начало термодинамики, а в электродинамике – теорема Пойнтинга. Философские предпосылки к открытию закона были заложены ещё античными философами. Ясную, хотя ещё не количественную, формулировку дал в «Началах философии» (1644) Рене Декарт: «Когда одно тело сталкивается с другим, оно может сообщить ему лишь столько движения, сколько само одновременно потеряет, и отнять у него лишь столько, насколько оно увеличит своё собственное движение». Аналогичную точку зрения выразил в XVIII веке М. В. Ломоносов. В письме к Эйлеру он формулирует свой «всеобщий естественный закон» (5 июля 1748 года), повторяя его в диссертации «Рассуждение о твердости и жидкости тел» (1760): «Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественный закон простирается и в самые правила движения, ибо тело, движущее своею силою другое, столько же оные у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает». Одним из первых экспериментов, подтверждавших закон сохранения энергии, был эксперимент Жозефа Луи Гей-Люссака, проведённый в 1807 году. Пытаясь доказать, что теплоёмкость газа зависит от объёма, он изучал расширение газа в пустоту и обнаружил, что при этом его температура не изменяется. Однако объяснить этот факт ему не удалось. В начале XIX века рядом экспериментов было показано, что электрический ток может оказывать химическое, тепловое, магнитное и электродинамическое действия. Такое многообразие подвигло М. Фарадея выразить мнение, заключающееся в том, что различные формы, в которых проявляются силы материи, имеют общее происхождение, то есть могут превращаться друг в друга. Эта точка зрения, по своей сути, предвосхищает закон сохранения энергии. Первые работы по установлению количественной связи между совершённой работой и выделившейся теплотой были проведены Сади Карно. В 1824 году им была опубликована небольшая брошюра 21 «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (фр. Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres а développer cette puissance), которая вначале не получила большой известности и была случайно обнаружена Клапейроном через 10 лет после издания. Клапейрон придал изложению Карно современную аналитическую и графическую форму и переопубликовал работу под тем же названием в журнале «Journal de l'Ecole Polytechnique». Позднее она была также перепечатана в «Анналах Поггендорфа». После ранней смерти Карно от холеры остались дневники, которые были опубликованы его братом. В них, в частности, Карно пишет: «Тепло не что иное, как движущая сила, или, вернее, движение, изменившее свой вид. Это движение частиц тела. Повсюду, где происходит уничтожение движущей силы, возникает одновременно теплота в количестве, точно пропорциональном количеству исчезнувшей движущей силы. Обратно: при исчезновении теплоты всегда возникает движущая сила». Доподлинно неизвестно, какие именно размышления привели Карно к этому выводу, но по своей сути они являются аналогичными современным представлениям о том, что совершённая над телом работа переходит в его внутреннюю энергию, то есть теплоту. Также в дневниках Карно пишет: «По некоторым представлениям, которые у меня сложились относительно теории тепла, создание единицы движущей силы требует затраты 2,7 единицы тепла». Количественное доказательство закона было дано Джеймсом Джоулем в ряде классических опытов. Он помещал в сосуд с водой соленоид с железным сердечником, вращающийся в поле электромагнита. Джоуль измерял количество теплоты, выделявшееся в результате трения в катушке, в случаях замкнутой и разомкнутой обмотки электромагнита. Сравнивая эти величины он пришёл к выводу, что выделяемое количество теплоты пропорционально квадрату силы тока 22 и создаётся механическими силами. Далее Джоуль усовершенствовал установку, заменив вращение катушки рукой на вращение, производимое падающим грузом. Это позволило связать величину выделяемого тепла с изменением энергии груза: «Количество теплоты, которое в состоянии нагреть 1 фунт воды на 1 градус по Фаренгейту, равно и может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в 1 фут». Эти результаты были изложены на физико-математической секции Британской ассоциации в его работе 1843 года «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом значении тепла». В работах 1847–1850 годов Джоуль даёт ещё более точный механический эквивалент тепла. Им использовался металлический калориметр, установленный на деревянной скамье. Внутри калориметра находилась ось с расположенными на ней лопастями. На боковых стенках калориметра располагались ряды пластинок, препятствовавшие движению воды, но не задевавшие лопасти. На ось снаружи калориметра наматывалась нить с двумя свисающими концами, к которым были прикреплены грузы. В экспериментах измерялось количество теплоты, выделяемое при вращении оси из-за трения. Это количество теплоты сравнивалось с изменением положения грузов и силой, действующей на них. Первым осознал и сформулировал всеобщность закона сохранения энергии немецкий врач Роберт Майер. При исследовании законов функционирования человека у него возник вопрос, не изменится ли количество теплоты, выделяемое организмом при переработке пищи, если он при этом будет совершать работу. Если количество теплоты не изменялось бы, то из того же количества пищи можно было бы получать больше тепла путём перевода работы в тепло (например, через трение). Если же количество теплоты изменяется, то, следовательно, работа и 23 тепло должны быть как-то связаны между собой и с процессом переработки пищи. Подобные рассуждения привели Майера к формулированию закона сохранения энергии в качественной форме: «Движение, теплота, и, как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к единой силе, которые изменяются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам». Ему же принадлежит обобщение закона сохранения энергии на астрономические тела. Майер утверждает, что тепло, которое поступает на Землю от Солнца, должно сопровождаться химическими превращениями или механической работой на Солнце: «Всеобщий закон природы, не допускающий никаких исключений, гласит, что для образования тепла необходима известная затрата. Эту затрату, как бы разнообразна она ни была, всегда можно свести к двум главным категориям, а именно, она сводится либо к химическому материалу, либо к механической работе». Свои мысли Майер изложил в работе 1841 года «О количественном и качественном определении сил», которую послал сначала в ведущий на тот момент журнал «Annalen der Physik und Chemie», где она была отклонена главным редактором журнала Иоганном Поггендорфом, после чего статья была опубликована в «Annalen der Chemie und Pharmacie», где оставалась незамеченной до 1862 года, когда её обнаружил Клаузиус. Рассуждения Майера и опыты Джоуля доказали эквивалентность механической работы и теплоты, показав, что количество выделяемой теплоты равно совершённой работе и наоборот, однако, формулировку в точных терминах закону сохранения энергии первым дал Герман Гельмгольц. В отличие от своих предшественников, Гельмгольц связывал закон сохранения энергии с невозможностью существования вечных двигателей. В своих рассуждениях он шёл от механистической концепции устройства материи, представляя её как совокупность большого количество материальных точек, взаимодействующих между собой посредством центральных сил. Исходя из такой модели, Гельмгольц свёл все виды сил (позднее получивших название видов энергии) к двум большим типам: 24 живым силам движущихся тел (кинетической энергии в современном понимании) и силам напряжения (потенциальной энергии). Закон сохранения этих сил был им сформулирован в следующем виде: «Во всех случаях, когда происходит движение подвижных материальных точек под действием сил притяжения и отталкивания, величина которых зависит только от расстояния между точками, уменьшение силы напряжения всегда равно увеличению живой силы, и, наоборот, увеличение первой приводит к уменьшению второй. Таким образом, всегда сумма живой силы и силы напряжения постоянна».В этой цитате под живой силой Гельмгольц понимает кинетическую энергию материальных точек, а под силой напряжения — потенциальную. Открытие закона сохранения энергии оказало влияние не только на развитие физических наук, но и на философию XIX века. С именем Роберта Майера связано возникновение так называемого естественнонаучного энергетизма – мировоззрения, сводящего всё существующее и происходящее к энергии, её движению и взаимопревращению. В частности, материя и дух в этом представлении являются формами проявления энергии. Главным представителем этого направления энергетизма является немецкий химик Вильгельм Оствальд, высшим императивом философии которого стал лозунг «Не растрачивай понапрасну никакую энергию, используй её!». Итак, мы познакомились с первым законом (началом) термодинамики, и вы теперь представляете, что такое энергия и как она возникает. Но прежде чем идти дальше, познакомимся со схемой получения и использования энергии. Вряд ли к этой схеме требуются особые комментарии. Энергия, полученная от источника, тратится как на полезную работу, так и теряется. Дальнейшим развитием этого является второй закон (начало) термодинамики. 25 Рисунок 1 – Схема получения и расхода энергии. Второе начало термодинамики – физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю. Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения. Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики: 26 Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса). Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона). Если исходить из первого закона термодинамики, то можно допустить протекание любого процесса, который не противоречит закону сохранения энергии. В частности, при теплообмене можно было бы предположить, что теплота может передаваться как от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой, так и наоборот. При этом, согласно первому закону термодинамики, накладывается только одно условие: чтобы количество теплоты, отданной одним телом, равнялось количеству теплоты, принятой другим телом. Между тем, из опыта известно, что теплота всегда самопроизвольно передается только от более нагретых тел к менее нагретым. Самопроизвольный или естественный процесс теплообмена обладает свойством направленности в сторону тел с более низкой температурой. Причём он прекращается при достижении равенства температур участвующих в теплообмене тел. Однако возможен и обратный, не самопроизвольный (или противоестественный) процесс передачи теплоты от менее нагретых тел к более нагретым (например, в холодильных установках), но для осуществления его требуется подвод энергии извне как бы для компенсации протекания процесса. Констатация этой особенности теплоты, проявляющейся в процессе ее передачи, является одной из сторон сущности второго закона термодинамики, который Р. Клаузиус (1850 г.) сформулировал так: теплота не может сама собой переходить от менее нагретого тела к более нагретому, т. е. некомпенсированный переход теплоты от тела с меньшей температурой невозможен. Еще одна особенность теплоты наиболее ярко раскрывается при рассмотрении процесса преобразования ее в работу. Опыт показывает, что работа может быть полностью превращена в теплоту (например, посредством трения) без каких-либо дополнительных условий или компенсации. Обратное же превращение теплоты в работу требует дополнительного самопроизвольного процесса или компенсации. 27 Второй закон термодинамики устанавливает направленность и условия протекания естественных процессов. Так же, как и первый закон термодинамики, он был выведен на основании экспериментальных данных. Опыт показывает, что превращение теплоты в полезную работу в тепловых двигателях может происходить только при переходе теплоты от нагретого тела к холодному, то есть при наличии разности температур между теплоотдатчиком (нагревателем) и теплоприемником (холодильником). При этом вся теплота не может быть превращена в работу. Устройство, которое без компенсации полностью превращало бы в работу теплоту какого-либо источника, называется вечным двигателем второго рода. Таким образом, второй закон термодинамики утверждает, что создание вечного двигателя второго рода невозможно. Открытие второго закона термодинамики связано с анализом работы тепловых машин. Впервые сущность этого закона изложил в 1824 г. французский инженер С. Карно в работе «Размышление о движущей силе огня и машин, способных развивать эти силы». С. Карно впервые указал на возможность превращения теплоты в полезную работу в двигателях лишь при наличии двух источников теплоты: одного с более высокой температурой (нагреватель с температурой T2) и другого с меньшей температурой (холодильник с температурой T1). Позднее Р. Клаузиус и В. Томсон (Кельвин) дали наиболее общие формулировки второго закона термодинамики, из которых следует, что: 1. Невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от холодных тел к телам нагретым. 2. Не вся теплота, полученная от теплоотдатчика, может перейти в работу, а только часть ее. Часть теплоты должна перейти в теплоприемник. Существует два классических определения второго закона термодинамики: Кельвина и Планка Не существует циклического процесса, который извлекает количество теплоты из резервуара при определенной температуре и полностью превращает эту теплоту в работу (Невозможно построить 28 периодически действующую машину, которая не производит ничего другого, кроме поднятия груза и охлаждения резервуара теплоты). Рисунок 2 – Второй закон и тепловой двигатель. Клаузиуса Не существует процесса, единственным результатом которого является передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому (Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара). Оба определения второго закона термодинамики опираются на первый закон термодинамики, утверждающий, что энергия убывает. Второй закон связан с понятием энтропии (S). Энтропия порождается всеми процессами, она связана с потерей системы способности совершать работу. Рост энтропии – стихийный процесс. Если объем и энергия системы постоянны, то любое изменение в системе увеличивает энтропию. Если же объем или энергия системы меняются, энтропия системы уменьшается. Однако энтропия вселенной при этом не уменьшается. 29 Для того, чтобы энергию можно было использовать, в системе должны быть области с высоким и низким уровнями энергии. Полезная работа производится в результате передачи энергии от области с высоким уровнем энергии к области с низким уровнем энергии. Состоялось знакомство со вторым началом термодинамики. Узнали, что мерой энергии системы является энтропия. Однако первый и второй законы термодинамики не позволяют определить значение S0 энтропии системы при абсолютном нуле температуры (T = 0 °К). В связи с этим оказывается невозможным теоретический расчет абсолютных значений энтропии, изохорноизотермного и изобарно-изотермного потенциалов системы, а также константы равновесия. На основании обобщения экспериментальных исследований свойств различных веществ при сверхнизких температурах был установлен закон, устранивший указанную трудность и получивший название принципа Нернста или третьего закона термодинамики. В формулировке Нернста он гласит: в любом изотермическом процессе, проведенном при абсолютном нуле температуры, изменение энтропии системы равно нулю, независимо от изменения любых других параметров состояния (например, объема, давления, напряженности внешнего силового поля и т. д.). Иными словами, при абсолютном нуле температуры изотермический процесс является также и изоэнтропийным. Из третьего закона термодинамики следует, что для всех тел при T = 0 °К обращаются в нуль теплоемкости Сp и СV и термодинамический коэффициент расширяемости a. Из него также вытекает вывод о невозможности осуществления такого процесса, в результате которого тело охладилось бы до температуры T = 0°К (принцип недостижимости абсолютного нуля температуры). Принцип Нернста был развит Планком, предположившим, что S0 = 0: при абсолютном нуле температуры энтропия системы равна нулю. Физическое истолкование принципа Нернста в формулировке Планка дается в статистической физике. Как мы видим, законы термодинамики являются не столько теоретическими, сколько следствием обобщения большого экспериментального материала, сделанного многими выдающимися учеными. Познакомимся с их краткими биографиями и сферами их деятельности. 30 НEPНCT (Nernst), Вальтер 25 июня 1864 г. – 18 ноября 1941 г. Нобелевская премия по химии, 1920 г. Немецкий химик Герман Вальтер Нернст родился в Бризене, городке Восточной Пруссии (теперь ВомБжезьно, Польша). В гимназии в Грауденце он изучал естественные науки, литературу и классические языки и в 1883 г окончил ее первым учеником в классе. Нернст хотел стать поэтом, но его учитель химии пробудил в нем интерес к наукам. С 1883 по 1887 годы изучал физику в университетах Цюриха (у Генриха Вебера), Берлина (у Германа фон Гельмгольца), Граца (у Людвига Больцмана) и Вюрцбурга (у Фридриха В.Г. Кольрауша). Больцман, который придавал большое значение толкованию природных явлений, исходя из теории атомного строения вещества, побудил Нернста заняться изучением смешанного воздействия магнетизма и теплоты на электрический ток. Работа, проделанная под руководством Кольрауша, привела к открытию: металлический проводник, нагретый с одного конца и расположенный перпендикулярно электрическому полю, генерирует электрический ток. За проведенное исследование Нернст в 1887 г получил докторскую степень. Приблизительно в это же время Нернст познакомился с химиками Сванте Аррениусом, Вильгельмом Оствальдом и Якобом ВантГоффом. Оствальд и Вант-Гофф тогда только что начали выпускать «Журнал физической химии» ("Zeitschnft fur physikalische Chemie"), в котором они сообщали о возрастающем использовании физических методов для решения химических проблем. В 1887 г. Нернст стал ассистентом Оствальда в Лейпцигском университете, и вскоре его начали считать одним из основателей новой дисциплины – физической химии, несмотря на то, что он был значительно моложе Оствальда, Вант-Гоффа и Аррениуса. В Лейпциге Нернст работал и над теоретическими, и над практическими проблемами физической химии. В 1888 и 1889 гг. он изучал поведение электролитов (растворов электрически заряженных частиц, или ионов) при пропускании электрического тока и открыл фундаментальный закон, известный как уравнение Нернста. Закон 31 устанавливает зависимость между электродвижущей силой (разностью потенциалов) и ионной концентрацией. Уравнение Нернста позволяет предсказать максимальный рабочий потенциал, который может быть получен в результате электрохимического взаимодействия (например, максимальную разность потенциалов химической батареи), когда известны только простейшие физические показатели: давление и температура. Таким образом, этот закон связывает термодинамику с электрохимической теорией в области решения проблем, касающихся сильно разбавленных растворов. Благодаря этой работе 25-летний Нернст завоевал всемирное признание. В 1890–1891 гг. Нернст занимался изучением веществ, которые при растворении в жидкостях не смешиваются друг с другом. Он развил свой закон распределения и охарактеризовал поведение этих веществ как функцию концентрации. Закон Генри, который описывает растворимость газа в жидкости, стал позднее известен как частный случай более общего закона Нернста. Закон распределения Нернста имеет важное значение для медицины и биологии, поскольку позволяет исследовать распределение веществ в различных частях живого организма. В 1891 г. Нернст был назначен адъюнкт-профессором физики в Геттингенском университете. Считая себя физиком, занимающимся химией, Нернст определил новый предмет физической химии как «пересечение двух наук, до сих пор в определенной степени независимых друг от друга». В основу физической химии Нернст положил гипотезу итальянского химика Амедео Авогадро, считавшего, что в равных объемах любых газов всегда содержится одинаковое число молекул. Нернст назвал ее «рогом изобилия» молекулярной теории. Не меньшее значение имел термодинамический закон сохранения энергии, который лежит в основе всех естественных процессов. Нернст подчеркивал, что основы физической химии заключаются в применении этих двух главных принципов к решению научных проблем. В 1894 г. Нернст стал профессором физической химии в Геттингенском университете и создал Институт физической химии и электрохимии имени кайзера Вильгельма. Вместе с присоединившейся к нему группой ученых из разных стран он 32 занимался там изучением таких проблем, как поляризация, диэлектрические константы и химическое равновесие. В 1905 г. Нернст покинул Геттинген, чтобы стать профессором химии в Берлинском университете. В том же году он сформулировал свою «тепловую теорему», известную теперь как третье начало термодинамики. Эта теорема позволяет воспользоваться тепловыми данными для расчета химического равновесия – иными словами, предсказать, как далеко пойдет данная реакция, прежде чем будет достигнуто равновесие. В 1912 г. Нернст, исходя из выведенного им теплового закона, обосновал недостижимость абсолютного нуля. На основании этого Нернст предположил, что по мере того, как температура приближается к абсолютному нулю, возникает тенденция к исчезновению физической активности веществ. От третьего начала термодинамики зависит физика низких температур и физика твердого тела. В 1921 г. ученому была вручена Нобелевская премия по химии, присужденная в 1920 г. «В признание его работ по термодинамике». В своей Нобелевской лекции Нернст сообщил, что «…более 100 проведенных им экспериментальных исследований позволили собрать вполне достаточно данных, подтверждавших новую теорему с той безошибочностью, какую допускает точность временами очень сложных экспериментов». С 1922 по 1924 г. Нернст был президентом Имперского института прикладной физики в Йене, однако, когда послевоенная инфляция лишила его возможности осуществить в институте те изменения, которые ему хотелось провести, он вернулся в Берлинский университет в качестве профессора физики. Когда в 1933 г. Гитлер пришел к власти, Нернст оказал сопротивление усилиям нацистов поставить под сомнение вклад Альберта Эйнштейна и других ученых-евреев, говоря своим коллегам, что антисемитизм Филиппа фон Ленарда, Йоханнеса Штарка и других будет препятствовать прогрессу в физике и химии. В 1934 г. Нернст вышел в отставку и поселился в своем доме в Лузатии, где в 1941 г. внезапно скончался от сердечною приступа. Нернст был членом Берлинской академии наук и Лондонского королевского общества. 33 ПЛАНК (Planck), Макс 23 апреля 1858 г. – 4 октября 1947 г. Нобелевская премия по физике, 1918 г. Немецкий физик Макс Карл Эрнст Людвиг Планк родился в г. Киле. В 1867 г. семья переехала в Мюнхен, и там Планк поступил в Королевскую Максимилиановскую классическую гимназию, где превосходный преподаватель математики впервые пробудил в нем интерес к естественным и точным наукам. По окончании гимназии в 1874 г. он собирался было изучать классическую филологию, пробовал свои силы в музыкальной композиции, но потом отдал предпочтение физике. В течение трех лет Планк изучал математику и физику в Мюнхенском и год – в Берлинском университетах. В бытность свою в Берлине Планк приобрел более широкий взгляд на физику благодаря публикациям выдающихся физиков Германа фон Гельмгольца и Густава Кирхгофа, а также статьям Рудольфа Клаузиуса. Знакомство с их трудами способствовало тому, что научные интересы Планк надолго сосредоточивались на термодинамике. Ученую степень доктора Планк получил в 1879 г., защитив в Мюнхенском университете диссертацию о втором начале термодинамики, утверждающем, что ни один непрерывный самоподдерживающийся процесс не может переносить тепло от более холодного тела к более теплому. На следующий год Планк написал еще одну работу по термодинамике, которая принесла ему должность младшего ассистента физического факультета Мюнхенского университета. В 1885 г. он стал адъюнкт-профессором Кильского университета, что предоставило больше времени для научных исследований. Работы Планка по термодинамике и ее приложениям к физической химии и электрохимии снискали ему международное признание. В 1888 г. он стал адъюнкт-профессором Берлинского университета и директором Института теоретической физики (пост директора был создан 34 специально для него). Полным (действительным) профессором он стал в 1892 г. С 1896 г. Планк заинтересовался измерениями, производившимися в Государственном физико-техническом институте в Берлине, а также проблемами теплового излучения тел. В качестве идеального эталона для измерения и теоретических исследований физики приняли воображаемое абсолютное черное тело. По определению, абсолютно черным называется тело, которое поглощает все падающее на него излучение и ничего не отражает. Излучение, испускаемое абсолютно черным телом, зависит только от его температуры. В 1900 г., после продолжительных и настойчивых попыток создать теорию, которая удовлетворительно объясняла бы экспериментальные данные, Планку удалось вывести формулу, которая, как обнаружили физики-экспериментаторы из Государственного физико-технического института, согласовывалась с результатами измерений с замечательной точностью. Законы Вина и Стефана – Больцмана также следовали из формулы Планка. Однако для вывода своей формулы ему пришлось ввести радикальное понятие, идущее вразрез со всеми установленными принципами. Энергия планковских осцилляторов изменяется не непрерывно, как следовало бы из традиционной физики, а может принимать только дискретные значения, увеличивающиеся (или уменьшающиеся) конечными шагами. Каждый шаг по энергии равен некоторой постоянной (называемой ныне постоянной Планка), умноженной на частоту. Дискретные порции энергии впоследствии получили название квантов. Введенная Планком гипотеза ознаменовала рождение квантовой теории, совершившей подлинную революцию в физике. Классическая физика в противоположность современной физике ныне означает «физика до Планка». Его новая теория включала в себя помимо постоянной Планка и другие фундаментальные величины, такие как скорость света и число, известное под названием постоянной Больцмана. В 1901 г., опираясь на экспериментальные данные по излучению черного тела, Планк вычислил значение постоянной Больцмана и, используя другую известную информацию, получил число Авогадро (число атомов в одном моле элемента). Исходя из числа Авогадро, Планк сумел с замечательной точностью найти электрический заряд электрона. 35 Позиции квантовой теории укрепились в 1905 г., когда Альберт Эйнштейн воспользовался понятием фотона – кванта электромагнитного излучения – для объяснения фотоэлектрического эффекта (испускание электронов поверхностью металла, освещаемой ультрафиолетовым излучением). Эйнштейн предположил, что свет обладает двойственной природой: он может вести себя и как волна (в чем нас убеждает вся предыдущая физика), и как частица (о чем свидетельствует фотоэлектрический эффект). Еще одно подтверждение введенной Планком новации поступило в 1913 г. от Нильса Бора, применившего квантовую теорию к строению атома. В 1919 г. Планк был удостоен Нобелевской премии по физике за 1918 г. «в знак признания его заслуг в деле развития физики благодаря открытию квантов энергии». Как заявил А. Г. Экстранд, член Шведской королевской академии наук, на церемонии вручения премии, «теория излучения Планка – самая яркая из путеводных звезд современного физического исследования, и пройдет, насколько можно судить, еще немало времени, прежде чем иссякнут сокровища, которые были добыты его гением». В Нобелевской лекции, прочитанной в 1920 г., Планк подвел итог своей работы и признал, что «введение кванта еще не привело к созданию подлинной квантовой теории». Вклад Планка в современную физику не исчерпывается открытием кванта и постоянной, носящей ныне его имя. Сильное впечатление на него произвела специальная теория относительности Эйнштейна, опубликованная в 1905 г. Полная поддержка, оказанная Планком новой теории, в немалой мере способствовала принятию специальной теории относительности физиками. К числу других его достижений относится предложенный им вывод уравнения Фоккера – Планка, описывающего поведение системы частиц под действием небольших случайных импульсов. В 1928 г. в возрасте семидесяти лет Планк вышел в обязательную формальную отставку, но не порвал связей с Обществом фундаментальных наук кайзера Вильгельма, президентом которого он стал в 1930 г. И на пороге восьмого десятилетия он продолжал исследовательскую деятельность. Как человек сложившихся взглядов и религиозных убеждений, да и просто как справедливый человек, Планк после прихода в 1933 г. Гитлера к власти публично выступал в защиту еврейских ученых, изгнанных со своих постов и вынужденных эмигрировать. 36 Как патриот, любящий родину, он мог только молиться о том, чтобы германская нация вновь обрела нормальную жизнь. Он продолжал служить в различных германских ученых обществах в надежде сохранить хоть какую-то малость немецкой науки и просвещения от полного уничтожения. Скончался Планк в Геттингене 4 октября 1947 г., за шесть месяцев до своего 90-летия. На его могильной плите выбиты только имя и фамилия и численное значение постоянной Планка. Кроме Нобелевской премии, Планк был удостоен медали Копли Лондонского королевского общества (1928) и премии Гете г. Франкфурта-на-Майне (1946). Германское физическое общество назвал в честь него свою высшую награду медалью Планка, и сам Планк был первым обладателем этой почетной награды. В честь его 80-летия одна из малых планет была названа Планкианой, а после окончания второй мировой войны Общество фундаментальных наук кайзера Вильгельма было переименовано в Общество Макса Планка. Планк состоял членом Германской и Австрийской академий наук, а также научных обществ и академий Англии, Дании, Ирландии, Финляндии, Греции, Нидерландов, Венгрии, Италии, Советского Союза, Швеции, Украины и Соединенных Штатов. ТОМСОН (Thomson) лорд КЕЛЬВИН, Уильям 26 июня 1824 г. – 17 декабря 1907 г. Уильям Томсон родился в Белфасте в семье преподавателя математики. Когда Уильяму было восемь лет, семья переехала в Глазго, который стал впоследствии местом жизни и труда знаменитого физика. Одарённый мальчик уже в десятилетнем возрасте стал студентом университета Глазго. Окончив университет Глазго, Томсон поступил в Кембриджский университет, в Париже стажировался в лаборатории известного французского физика-экспериментатора А. Реньо. Вскоре юный студент опубликовал свою первую работу по теории теплопроводности. Двадцати двух лет Томсон становится профессором в Глазго и возглавляет кафедру до 1899 г., в течение пятидесяти трех лет. 37 У. Томсон обладал большим педагогическим талантом и прекрасно сочетал теоретическое обучение с практическим. Его лекции по физике сопровождались демонстрациями, к проведению которых Томсон широко привлекал студентов, что стимулировало интерес слушателей. В университете Глазго У. Томсон создал физическую лабораторию, в которой было сделано много оригинальных научных исследований, и которая сыграла большую роль в развитии физической науки. В 1870 г. университет переехал в новое великолепное здание, в котором были предусмотрены просторные помещения для лаборатории. Кафедра и дом Томсона первыми в Британии осветились электричеством. Между университетом и мастерскими Уайта, в которых изготавливались физические приборы, действовала первая в стране телефонная линия. Мастерские разрослись в фабрику в несколько этажей, по существу, ставшую филиалом лаборатории. В круг научных интересов Томсона входили термодинамика, гидродинамика, электромагнетизм, теория упругости, теплота, математика, техника. Студентом Томсон опубликовал несколько статей по применению рядов Фурье к различным разделам физики. Стажируясь в Париже, разработал метод решения задач электростатики, получивший название метода «зеркальных изображений» (1846). Познакомившись с теоремой Карно, высказал идею абсолютной термодинамической шкалы (1848). В 1851 г. У. Томсон сформулировал (независимо от Р. Клаузиуса) 2-е начало термодинамики. В его работе «О динамической теории теплоты» излагалась новая точка зрения на теплоту, согласно которой «теплота представляет собой не вещество, а динамическую форму механического эффекта». Поэтому «должна существовать некоторая эквивалентность между механической работой и теплотой». Томсон указывает, что этот принцип, «по-видимому, впервые... был открыто провозглашен в работе Ю. Майера «Замечания о силах неживой природы». Далее он упоминает работу Дж. Джоуля, исследовавшего численное соотношение, «связывающее теплоту и механическую силу». Второе положение Томсон формулирует так: «Если какая-либо машина устроена таким образом, что при работе её в противоположном направлении все механические и физические процессы в любой части её движения превращаются в 38 противоположные, то она производит ровно столько механической работы, сколько могла бы произвести за счёт заданного количества тепла любая термодинамическая машина с теми же самыми температурными источниками тепла и холодильника». Это положение Томсон возводит к С. Карно и Р. Клаузиусу и обосновывает следующей аксиомой: «Невозможно при помощи неодушевленного материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическую работу путём охлаждения ее ниже температуры самого холодного из окружающих предметов». К этой формулировке, которую называют томсоновской формулировкой второго начала, Томсон делает следующее примечание: «Если бы мы не признали эту аксиому действительной при всех температурах, нам пришлось бы допустить, что можно ввести в действие автоматическую машину и получать путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания всей теплоты суши и моря или в конце концов всего материального мира». Описанную в этом примечании «автоматическую машину» стали называть perpetuum mobile 2-го рода. Кроме работ по термодинамике, Томсон заложил основы теории электромагнитных колебаний и в 1853 г. вывел формулу зависимости периода собственных колебаний контура от его ёмкости и индуктивности (формула Томсона). В 1856 г. открыл третий термоэлектрический эффект – эффект Томсона (первые два – возникновение термо-ЭДС и выделение теплоты Пельтье), состоявший в выделении т. н. «теплоты Томсона» при протекании тока по проводнику при наличии градиента температуры. Большое значение в формировании атомистических представлений имел проведённый Томсоном расчёт размеров молекул на основе измерений поверхностной энергии плёнки жидкости. В 1870 г. он установил зависимость упругости насыщенного пара от формы поверхности жидкости. Томсон внёс большой вклад в развитие практических применений разных разделов науки. Он был главным научным консультантом при прокладке первых трансатлантических кабелей. Сконструировал целый ряд точных электрометрических приборов: «кабельный» гальванометр, квадрантный и абсолютный электрометры, сифонотметчик для приема телеграфных сигналов. Предложил использовать многожильные провода из медной проволоки. 39 Работы по прокладке трансатлантического кабеля пробудили в Томсоне интерес к навигации. Учёный создал усовершенствованный морской компас с компенсацией магнетизма железного корпуса судна, изобрёл эхолот непрерывного действия, мареограф (прибор для регистрации уровня воды в море или реке). Известны исследования Томсона по теплопроводности, работы по теории приливов, распространению волн по поверхности, по теории вихревого движения. В 1892 г. У. Томсону за его большие научные заслуги был присвоен титул барона Кельвина (по имени речки Кельвин, протекающей вблизи университета в г. Глазго). Томсон написал огромное количество работ по экспериментальной и теоретической физике. Пятидесятилетний юбилей его научной деятельности в 1896 г. отмечали физики всего мира. В чествовании Томсона участвовали представители разных стран, в том числе русский физик Н. А. Умов; в 1896 г. Томсон был избран почётным членом Санкт-Петербургской Академии наук. В честь Уильяма Томсона названа единица измерения абсолютной температуры – кельвин. Состоялось знакомство с выдающимися учеными, внесшими неизмеримый вклад в науку, развившими ее и создавшими новые направления, ставшие самостоятельными отраслями. Из приведенного материала видно, что основные положения выведены из опытов, экспериментально, т. е. на основании проводимых процессов. В термодинамике изучают самые разнообразные процессы. Однако из них выделяют четыре основных процесса, рассматриваемых как обратимые: - изохорный, протекающий при постоянном удельном объеме; - изобарный, протекающий при постоянном давлении; - изотермический, протекающий при постоянной температуре; - адиабатный, протекающий без подвода и отвода теплоты. Кроме перечисленных процессов в термодинамике рассматривают также политропные процессы, в которых одновременно могут изменяться все параметры рабочего тела и происходить подвод или отвод теплоты. Четыре основных процесса являются частными случаями политропного процесса. Изохорным процессом называется такое изменение состояния рабочего тела, при котором удельный объем его остается постоянным. 40 Этот процесс может происходить только в замкнутом пространстве постоянного объема при подводе теплоты к рабочему телу или отводе теплоты от него. В математической форме условие протекания изохорного процесса выражается уравнением v = const (4) P2 Графически на pv-диаграмме изохорный процесс изображается изохорой – прямой линией 1 – 2, параллельной оси давлений (рис. 3). Все точки линии 1 – 2 одинаково удалены от оси давлений и, следовательно, удельные объемы газа равны между собой. Р Изобарным процессом называется такое 2 изменение состояния рабочего тела, при котором давление его остается постоянным. Этот процесс может осуществляться в цилиндре с подвижным поршнем. Математическое условие протекания изобарного процесса выражается уравнением p = const (5) P1 1 Изобара – линия этого процесса – представляет собой на pv-диаграмме прямую, Рисунок 3 – Изохора. параллельную оси удельных объемов (рис. 4). В изобарном процессе идеального газа соотношения между параметрами v и Т устанавливаются в соответствии с законом Гей-Люссака V V v1/v2 = T1/T2 P 1 2 P Изотермическим процессом называется такое изменение состояния рабочего тела, при котором температура его остается постоянной. Условие протекания этого процесса выражается уравнением (6) V V1 T = const (7) V2 Рисунок 4 –Изобара. 41 В изотермическом процессе идеального газа используется соотношение между параметрами p и v в соответствии с законом Бойля – Мариотта v2/v1=p1/p2 или p1v1 = p2v2 (8) Р Рисунок 5 – Изотермы. Изотерму идеального газа строят на pvдиаграмме графическим определением нескольких точек, принадлежащих данной кривой, через которые затем проводят плавную линию. Для построения изотермы достаточно иметь пять точек. Адиабатным называется процесс изменения состояния рабочего тела без подвода и отвода теплоты. Графически такой процесс изображается линией, которая называется адиабатой (рис. 6, линия 1–2). На pvдиаграмме адиабата представляет собой гиперболу с более крутым падением в сравнении с изотермой. Уравнение адиабаты имеет вид Рисунок 6 – Адиабата. pvk = const (9) В уравнении (9) k – показатель адиабаты. Рассматривая основные термодинамические процессы, мы говорили об идеальных газах. Что такое – идеальный газ? Идеальными называются газы, строго подчиняющиеся законам Бойля – Мариотта и Гей-Люссака. Идеальный газ рассматривается как вещество, у которого отсутствуют силы взаимодействия между его частицами, а сами частицы не имеют объема, хотя они и материальны. Когда во второй половине XVII в. англичанин Бойль (1662 г.) и француз Мариотт (1676 г.) производили свои опыты с газами, приведшие к открытию закона независимо друг от друга, названного их именами, они считали, что этому закону подчиняются реально существующие газы. Французы Шарль (1737 г.) и Гей-Люссак (1802 г.), открывшие еще два очень важных закона для газов, 42 названные их именами, также считали, что этим законам подчиняются реальные газы. Впоследствии, когда в распоряжении ученых оказались более совершенные приборы, было установлено, что реальные газы не совсем точно следуют указанным законам. В термодинамике законы идеальных газов применяют для реальных газов при относительно невысоких давлениях и относительно высоких температурах. Следующая – теплотехника… Теплотехника как наука сформировалась в XIX веке, в эпоху промышленно-технической революции, которая была обусловлена массовым использованием качественно нового источника энергии – тепловых двигателей. Тепловая энергия была поставлена на службу человеку. Согласно законам термодинамики, работа, выполняемая машиной, возможна при условии обмена или передачи энергии или тепла. Теплообменом называется любой процесс переноса теплоты. При теплообмене между двумя телами (более нагретом и менее нагретом) внутренняя энергия первого уменьшается, а второго настолько же увеличивается. Процесс теплообмена проходит тем интенсивнее, чем больше разность температур тел, обменивающихся теплотой. При отсутствии разности температур процесс теплообмена прекращается и наступает тепловое равновесие. Различают три способа переноса теплоты в природе: теплопроводностью, конвекцией и излучением (радиацией). Перенос теплоты теплопроводностью происходит главным образом в твердых телах, так как теплопроводность жидкостей очень невелика. Можно наблюдать, как при нагревании одного конца металлического стержня теплота постепенно распространяется по всему стержню. Это объясняется тем, что в нагреваемом конце стержня тепловое движение молекул, атомов и свободных электронов постепенно ускоряется, т. е. внутренняя кинетическая энергия их передается дальше по стержню, что приводит к распространению теплоты по всему стержню. Рассмотрим процесс передачи теплоты теплопроводностью в твердой стенке. 43 Представьте себе, что в холодный зимний вечер вы пришли домой, затопили печь и чтобы согреться, прислонились к стенке печи. Постепенно стенка печи нагрелась, и вам стало тепло. Что произошло? Ведь топка находится с другой стороны, а тепло передалось через стенку к вам? Дело в том, что мы имеем дело с процессом теплопередачи, т. е. передачей тепла от нагретой топки через стенку к вам. Поток теплоты направлен от поверхности с большей температурой к поверхности стенки с меньшей температурой (рис. 7). Если тепловой поток не изменяется по времени и если при этом остаются постоянными температуры поверхностей стенки, то такой процесс называется установившемся. В этом процессе тепловой поток прямо пропорционален площади поверхности стенки, разности температур на обеих ее поверхностях и обратно пропорционален толщине стенки (закон Фурье). Теплопроводность (коэффициент теплопроводности) характеризует способность Рисунок 7 – Передача тел проводить теплоту и зависит главным тепла теплопроводностью через однослойную стенку. образом от природы тела, а также и от его относительной влажности и пористости. Влага, заполняя поры тела, увеличивает теплопроводность, а пористость тела уменьшает ее, так как чем пористее тело, тем больше в нем содержится воздуха, который, как и все газы, плохо проводит теплоту. На теплопроводность также влияет температура тела: чем она выше, тем, как правило, и теплопроводность выше. В металлургии, да и в других производственных сферах, стенки тепловых агрегатов чаще всего бывают многослойными. В зависимости от назначения теплового агрегата, возможен вариант, когда необходимо максимально изолировать окружающую среду от теплового воздействия или же максимально использовать все полученное тепло в самом агрегате, где проводится технологический процесс. Например, все металлургические печи строятся таким образом, чтобы полностью или практически полностью использовать теплоту на сам процесс. Стенки таких печей толстые и многослойные, чтобы сохранить тепло и уменьшить расход топлива. 44 На рис. 8 показано, как происходит передача тепла через трехслойную стенку. Обратите внимание, что наружная температура первого слоя tст1 выше, чем температура внутренней стенки первого слоя («наружной» стенки второго t слоя) tст2. Температура граничного слоя между вторым и третьим tст1 слоями tст3 еще ниже. Самая низкая t ст2 температура tст4 внешней границе q t ст3 q третьего слоя. Следовательно, зная количество слоев в стенке, их t ст4 толщину и материал, из которого они изготовлены, можно рассчитать тепловые потери, т. е. потерянную d2 d d1 d3 энергию. Распространение теплоты конРис. 8 Передача теплоты Рисунок 8 – Передача теплоты векцией может происходить только в теплопроводностью через теплопроводностью через жидкостях и газах. трехслойную стенку. трехслойную стенку Иллюстрацией способа распространения теплоты конвекцией служит распространение теплоты в колбе (рис. 9). Правая часть колбы А нагревается сильнее левой, чем А вызывается циркуляция воды в направлении против хода часовой стрелки, приводящая к нагреванию всей массы воды. Если воду нагревать сверху, то циркуляции частиц воды не будет. Вся масса воды подогревается только за счет ее теплопроводности, а так как теплопроводность воды очень мала (меньше теплопроводности стали пример Рис. 99Распространение Рисунок – Распространение теплопроводности стали примерно в 100 раз), то и нагревание будет происходить теплоты в жидкости теплоты в жидкости путем пуочень медленно. конвекции. тем конвекции Этот пример относится к свободной конвекции, когда перемещение частиц жидкости или газа происходит под влиянием разности плотностей отдельных частиц жидкостей или газа при нагревании. Если движение жидкости или газа вызывается искусственно вентилятором, насосом, мешалкой и т. д., то такой 45 конвективный теплообмен называется вынужденным. При этом распространение теплоты, т. е. прогревание всей массы воды, происходит значительно быстрее, чем при свободной конвекции. Перенос теплоты излучением (радиацией) основан на превращении части внутренней энергии тела в энергию излучения электромагнитных волн, которые распространяются в пространстве. На своем пути они могут встретить другое тело, в котором произойдет обратный процесс: превращение энергии электромагнитных волн во внутреннюю энергию этого тела. В результате рассмотренного процесса произойдет Рисунок 10 – Перенос тепла теплообмен между двумя телами, при Рис. 10 Перенос тепла излу-котором одно тело излучало энергию, а излучением (радиацией). чением (радиацией) другое ее поглощало. На рис. 10 приведен пример, где в качестве излучателя, т. е. источника радиации, используется лампа с отражателем, а в качестве тела поглощения – ухо человека. Вполне бытовой случай полностью характеризует процесс передачи теплоты излучением. В технических устройствах из таких процессов часто используют следующие: 1. Конвективный перенос теплоты, в котором совместно участвуют конвекция и теплопроводность (теплообмен между стенкой и омывающей ее жидкостью); 2. Радиационно-конвективный (передача теплоты от горячих газов к стенке); 3. Теплопередача (от жидкости к жидкости через стенку). O Печи. Металлургические. Общие сведения Рассмотренные нами в предыдущем разделе способы теплопередачи наряду с положениями термодинамики широко применяются в различного рода оборудовании. Оборудование промышленного производства можно разделить на два класса: энергетическое и технологическое. Назначение энергетического оборудования – преобразование одного вида энергии в другой, изменение энергоносителя, а также параметров энергии (табл. 1). 46 Таблица 1 – Классификация энергооборудования Энергогенераторы тип Энергопреобразователи разновидность тип Теплогенераторы Слой горящего топлива Факел пламени Плазматрон Резистор Электрогенераторы Динамомашина Фотоэлемент Термоэлемент Аккумулятор (разрядка) Механические Электромотор генераторы Двигатель внутреннего сгорания Гидравлическая турбина Генераторы Аккумуляторы (зарядка) химической энергии разновидность Теплопреобразо- Регенератор ватели Рекуператор Экономайзер Элементы охлаждения Электропреобра- Трансформатор зователи Выпрямитель Преобразовател ь частоты Механические Горелки для преобразователи смешения Редуктор Трансмиссия Преобразователи Газификатор химической энергии В энергогенераторах нужный вид энергии получается из другого вида. Например, факел пламени и слой топлива выполняют функции генератора тепла из химической энергии топлива, электрическая дуга генерирует тепло из электроэнергии и т. д. В энергопреобразователях вид энергии остается неизменным, но ее параметры меняются в нужном направлении, а в некоторых случаях изменяется энергоноситель. Энергопреобразователи не совершают полезной работы. Например, в регенераторах и рекуператорах продукты сгорания как теплоносители заменяются воздухом или горючим газом. Назначением технологического оборудования является использование с максимально возможным коэффициентом полезного действия рабочего вида энергии для осуществления данного технологического процесса. Многообразие технологических процессов, используемых в промышленности, определяет и многообразие видов технологического оборудования. К технологическому оборудованию относятся обрабатывающие станки, прокатное и кузнечное оборудование, тепловое оборудование. Тепловым технологическим оборудованием называется такое, в 47 котором рабочим видом энергии является тепло. К этому виду оборудования относятся печи различных конструкций и назначения. Печь есть огражденное от окружающего пространства технологическое оборудование (тепловое устройство), в котором происходит получение тепла из того или иного вида энергии и передача тепла материалу, подвергаемому тепловой обработке в тех или иных технологических целях. Печи представляют собой сложное оборудование (агрегат), в котором процесс генерации тепла из другого вида энергии органически сочетается с процессами передачи тепла в зону технологического процесса. В конструктивном отношении это означает объединение теплогенератора и теплообменника. Главная сложность печей заключается не в их конструктивном оформлении, а в комплексе явлений, сопровождающих получение тепла, его преобразование и использование для осуществления технологического процесса. Комплекс этих явлений получил название тепловой работы печей. Предметом общей теории печей являются общие вопросы тепловой работы печей различного назначения и конструкций. Общая теория печей изучает энергетическую сущность работы печей, а многообразие технологических процессов, совершающихся в печах, отражается в этой теории в той мере, в какой различается энергетика этих процессов. С позиций общей теории печей два различных технологических процесса выглядят одинаково, если их энергетика адекватна. Режимы тепловой работы печей Возникновение тепла в зоне технологического процесса печи может быть следствием различных физических и химических процессов. В рамках общей теории печей можно ограничиться рассмотрением только физических процессов, поскольку химические процессы лимитируются в физическом звене процесса. Практическое значение имеют четыре типа режимов, обеспечивающих возникновение тепла в зоне технологического процесса и таким образом определяющих работу печей: радиационный, конвективный, массообменный и электрический. Радиационный и конвективный режимы передачи тепла, характерные для печей – теплообменников, обеспечивают 48 теплоотдачу из зоны генерации тепла к границам зоны технологического процесса. Массообменный режим, характерный для печей– теплогенераторов, обеспечивается внесением реагента в зону технологического процесса, следствием чего является протекание в этой зоне химических реакций с соответствующим тепловым эффектом. Электрический режим, также характерный для печей– теплогенераторов, обеспечивает возникновение тепла в зоне технологического процесса за счет электрической энергии, введенной непосредственно в эту зону. На рис. 11 приведена схема классификации типовых тепловых режимов работы печей. Можно дать характеристику множеству смешанных режимов тепловой работы печей, когда возникновение тепла в зоне технологического процесса определяется совокупностью в различной пропорции двух, трех или всех четырех названных выше режимов. Печи-теплообменники. Зона генерации тепла, всегда представленная в печах-теплообменниках или печах со смешанным режимом, предназначена для получения тепла из другого вида энергии и для создания определенных условий теплообмена на границе зоны технологического процесса. Печи С массообменным режимом С конвективным режимом С радиационным режимом С электрическим режимом Печи-теплогенераторы Печи-теплообменники Рисунок 11 – Схема классификации тепловых режимов. 49 Печи-теплогенераторы. В печах-теплогенераторах зоны технологического процесса и теплогенерации совмещены, и необходимая энергия поступает в зону технологического процесса не в виде тепла через границы этой зоны, а путем подачи в зону технологического процесса других видов энергии, превращаемых в тепло. Радиационный режим тепловой работы печей. Особенностью природы лучистого теплообмена является то, что в создании энергетических условий на границе зоны технологического процесса участвует не только сам теплогенератор (пламя, дуга, резистор и т. д.), но и все окружающее пространство и, в частности, футеровка. В зависимости от расположения теплогенератора в указанном пространстве меняются граничные условия для зоны технологического процесса и, таким образом, условия возникновения тепла в этой зоне. Конвективный режим работы печей. Под конвекцией понимаются массообменные процессы, происходящие в жидкой или газообразной среде под действием тех или иных сил, действующих в этих средах. Массообмен может носить естественный характер, когда конвекция происходит под действием возникающих разностей плотностей в различных местах жидкой или газообразной сред, или вынужденный характер под влиянием сил, приложенных извне. Теплоотдача конвекцией – сложное явление, в котором молекулярная теплопроводность и диффузия сочетаются с конвективным переносом массы. Массообменный режим работы печей. Рассматриваемый режим работы печей характеризуется так называемым разуплотненным слоем. Состояние разуплотненного, плавящегося слоя характерно для работы многих шахтных плавильных печей (доменных), печей цветной металлургии для производства штейна, вагранок и др. Во всех этих печах по высоте слоя можно наблюдать зону, в которой генерация тепла сочетается с протеканием технологического процесса, т. е. условия тепловой работы этой зоны отвечают режиму работы печей-теплогенераторов. Электрический режим тепловой работы печей. Под электрическим режимом работы печей понимается такой режим, при котором тепло в зоне технологического процесса возникает в результате преобразования электрической энергии, вводимой непосредственно в эту зону. Технологическое оборудование, в 50 котором происходит это преобразование, называется электротермическим. Если в энергетическом оборудовании, служащем для получения электрической энергии и ее преобразования, теплогенерация практически неизбежное, но вредное явление, то в электротермическом оборудовании теплогенерация является основным его назначением. Топливо и его виды Мы установили, что для получения теплоты необходимо иметь источник, энергия которого позволила бы создать необходимые энергетические условия для ведения технологического процесса. С издавна человек для получения теплоты использовал различные виды топлив. Рассмотрим их виды и дадим краткую характеристику. Но прежде отметим, что топлива подразделяются на несколько видов. Твердое топливо. Естественное (природное) твердое топливо представлено следующими его видами: дрова, торф, бурый уголь, каменный уголь, антрацит, горючие сланцы. Искусственное твердое топливо – древесный уголь, кокс, брикеты, угольная пыль. Для металлургических печей наиболее важным видом твердого топлива является каменный уголь и продукты его переработки – кокс и угольная пыль. Остальные разновидности твердого топлива используются в металлургии ограниченно. Дрова представляют собой растительное топливо, возобновляемое ежегодным приростом. В качестве топлива используется обычно тот лес, который не может быть направлен на строительство или переработку. Торф является ископаемым, самым молодым по возрасту топливом. Его состав ближе всего к составу исходной растительной массы. Чем старше по возрасту твердое топливо, тем выше содержание в нем углерода и ниже содержание кислорода, летучих веществ и влаги. Бурый уголь представляет собой продукт дальнейших более глубоких, по сравнению с торфом, преобразований исходных растительных веществ, когда клетчатка подвергается окончательному разложению. По сравнению с торфом бурый уголь имеет более высокое содержание углерода, меньше кислорода и летучих и обладает большей плотностью и пониженной влажностью. Бурые угли 51 образовались из торфа, покрытого сверху кровлей из осадочных пород в результате воздействия высоких температур и давлений. Каменный уголь – продукт еще более полного разложения и карбонизации исходного вещества, в результате чего содержание углерода достигает 70 – 80 %, а содержание кислорода снижено до 6–10 %. Каменный уголь более плотен, менее гигроскопичен и содержит меньше летучих веществ. Антрацит занимает последнее место в возрастном ряду естественно твердого топлива. В нем наиболее полно прошли процессы минерализации, и поэтому содержание углерода достигает 84–90 %, а выход летучих всего лишь 3–7 %. Антрацит характерен блеском, черным цветом, большой плотностью и малой гигроскопичностью. Горючие сланцы – одна из разновидностей бурых углей. Характеризуются высоким содержанием золы (до 40–70 %), низким содержанием углерода (19–30 %). Органическая масса сланцев содержит до 89 % летучих по отношению к горючей массе. Древесный уголь получают сухой перегонкой дерева (углежжение). Сухая перегонка осуществляется нагреванием древесины до 400–500 С с весьма ограниченным доступом воздуха. В результате получают выход основных продуктов, % от массы сухой древесины: 35 – древесного угля, 7 – древесной смолы, 43 – подсмольной воды, 15 – горючего газа. Все получающиеся продукты имеют ценность и используются в промышленности. Подсмольную воду перерабатывают на уксусную кислоту, соли, скипидар, деготь и т. п. Кокс получают сухой перегонкой коксующихся каменных углей. Для коксования уголь нагревают до 1000–1100 С без доступа воздуха. При коксовании получается 78 % кокса, 15 % коксовального газа, 3,5 % каменноугольной смолы, 0,3 % аммиака, 0,7 % сырого бензола, 2,5 % подсмольной воды. Получающиеся «побочные» продукты имеют весьма важное промышленное значение и служат для производства анилиновых красителей, лаков, пластмасс, синтетического каучука, медикаментов, взрывчатки и др. Угольная пыль приготовляется размалыванием каменных или бурых углей. Для отопления металлургических печей предпочтительнее каменные угли с повышенным содержанием летучих и ограниченным содержанием золы. Угли при пылеприготовлении измельчают до размера частиц 0,05–0,07 мм. 52 Готовая угольная пыль должна иметь влажность не более 0,5 %. Тонкоразмолотая и подсушенная угольная пыль при сжигании по сравнению с каменным углем имеет ряд преимуществ: более интенсивное горение с минимальным избытком воздуха и высокой температурой; возможность сжигания топлива прямо в рабочем пространстве печей, чем достигается более высокая температура в печах; значительная степень черноты продуктов горения; легкость регулирования и обслуживания процесса сжигания; полнота сжигания топлива. Недостатки: склонность к самовозгоранию и взрывоопасность; попадание золы топлива в продукты работы печи и на футеровку, что вызывает загрязнение металлов и повышенный износ футеровки печей. Жидкое топливо представлено единственной его разновидностью – нефтью. Искусственное жидкое топливо имеет много разновидностей, наиболее важные из которых – продукты переработки нефти – бензин, керосин, моторное топливо, мазут; продукты переработки твердого топлива – смолы и моторное топливо; коллоидальное топливо; синтетическое жидкое топливо. Жидкое топливо имеет ряд преимуществ перед твердым: высокую теплотворность, низкую зольность, простоту сжигания, возможность транспортировки перекачкой по трубам; пригодность для сжигания в двигателях внутреннего сгорания. Нефть состоит из природной жидкой смеси углеводородов трех групп: парафиновых СnH2n+2; нафтеновых CnH2n и бензольных CnH2n-6. В зависимости от месторождений содержание этих составляющих различно. Употребление сырой нефти нецелесообразно, так как из нее могут быть получены весьма ценные продукты. Нефть перерабатывают прямой фракционной перегонкой и крекингом. При прямой перегонке нефть нагревают при атмосферном давлении до различных температур, при которых вначале отгоняются светлые продукты. При температуре 40 – 200 С отгоняют бензины; при температуре 100–240 С – лигроин; при температуре 200–320 С – керосин. Последний продукт перегонки – газойль, удаляющийся при температуре 230–360 С. Остаток при перегонке – мазут. Его используют как топливо или подвергают дальнейшей переработке с целью получения смазочных масел и остатка в виде гудрона. Газойль, или дизельное топливо, соляровое масло, моторное топливо являются тяжелым моторным топливом и используется в дизельных двигателях. 53 Мазуты в зависимости от содержания в них серы делятся на малосернистые (до 0,5 % S) и сернистые (до 3,5 % S). Мазут – хорошее топливо, его применяют для отопления тех металлургических печей, которые требуют для своей работы высококачественного топлива. К этим печам относятся высокотемпературные плавильные рафинировочные печи. Коллоидальное топливо изготавливают смешиванием порошка твердого топлива с мазутом или смолой. Может применяться как заменитель мазута. Естественным газообразным топливом является естественный или природный газ. Искусственное газообразное топливо получается из твердого или жидкого топлива и имеет большое число разновидностей. К важнейшим из них относятся газы: коксовый, полукоксовый, светильный, нефтяной, генераторный, доменный, подземной газификации и др. Горючие газы делятся на высококалорийные и низкокалорийные. К первой категории относятся природный, коксовый и полукоксовый, светильный, нефтяной. Ко второй – генераторный, доменный, подземной газификации. Для отопления металлургических печей наибольшее значение имеют природный, коксовый, генераторный и доменный газы. Остальные используются чаще всего для бытовых и энергетических нужд, в качестве сырья для химической промышленности. Газообразное топливо обладает по сравнению с другими видами рядом преимуществ: простота и отличная регулируемость процесса сжигания при малом избытке воздуха и полном сгорании; возможность высокотемпературного подогрева топлива и воздуха перед сжиганием; возможность транспортировки на большое расстояние по трубам; малое содержание минеральной пыли; возможность получения из низкосортного твердого топлива. Природный газ представляет газообразную смесь углеводородов с преимущественным содержанием метана СН4. Природный газ имеет две разновидности – добываемый из чисто газовых месторождений и попутный газ нефтяных месторождений. Коксовый (коксовальный) газ получается как продукт при коксовании каменных углей и представляет собой отличное топливо для металлургических печей. Полукоксовый и светильный газы представляют собой продукты полукоксования бурых или каменных углей и в основном используются для бытовых нужд. 54 Нефтяной газ получается из нефти или продуктов ее переработки и имеет две разновидности: пиролизный нефтяной газ и крекинг-газ. Газ пиролиза нефти – основной продукт термохимической переработки нефтепродуктов при их нагреве до температуры 650–750 С при атмосферном давлении. Крекинг-газ получается при всех способах крекинга нефтепродуктов. Обе разновидности нефтяного газа представляют высококачественное газообразное топливо, пригодное как для отопления высокотемпературных печей, так и для восстановления различных материалов и сплавов. Генераторный газ получают при газификации различных твердых топлив продувкой разогретого слоя топлива воздухом, водяным паром или паровоздушной смесью. При газификации топлива вся его горючая масса полностью превращается в газообразное топливо, а остаток представляет только золу. Газ подземной газификации получается при проведении процесса газификации без добычи угля, прямо в угольных месторождениях. Доменный и колошниковый газы являются побочными продуктами доменных печей и печей цветной металлургии, ведущих восстановительную плавку рудного сырья и полупродуктов. Сжигание топлива Топливо есть. Что проще – сжечь его. Спичку поднес и готово, горит. Оказывается, не так все просто. Жечь топливо можно поразному: без пользы, с малой пользой и полностью. Как же это делает разному: без пользы, с малой пользой и полностью. Как это делается? Давайте познакомимся. Горением называется быстрое окисление топлива, при котором в единицу времени выделяется значительное количество тепла, обеспечивающее высокую температуру процесса. Горение представляет весьма сложное явление, слагающееся из совокупности одновременно протекающих физических и химических процессов. К ним, в первую очередь, относятся: измельчение топлива; нагрев топлива до температуры воспламенения; термическое разложение и частичная газификация составляющих топлива; смешение топлива с воздухом; окисление горючих составляющих топлива; удаление продуктов горения; теплообмен внутри зоны горения и с окружающей средой. 55 В зависимости от типа металлургических печей горение топлива осуществляется по трем основным разновидностям процесса сжигания, различаемым по характеру смесеобразовательных процессов и аэродинамической структуре потоков: факельное горение, вихревое горение, слоевое горение. Факельное горение осуществляется вдуванием смеси газообразного, жидкого или пылевидного топлива с воздухом в рабочее пространство печей, где эта смесь сгорает в ограниченной зоне, имеющего форму растянутого по длине факела. Этот процесс наиболее часто применяется в пламенных печах. Вихревое горение применяют для смеси измельченного твердого топлива и воздуха, которая совершает вихреобразное движение по спирали в камере горения. Этот вид горения характерен для печей, обрабатывающих материалы во взвешенном состоянии, и для циклонных топок. Слоевое горение получило распространение при сжигании кускового топлива в слое при продувании его воздухом, что характерно для шахтных печей, газогенераторов и топок для кускового топлива. Учитывая, что большинство печей цветной металлургии использует факельное сжигание топлива, рассмотрим его подробнее. Факельное горение – основной процесс для сжигания газообразного, жидкого и пылевидного топлива. Наиболее простое – горение газообразного топлива, которое складывается из следующих процессов: - смешение газа и воздуха; - нагрев газо-воздушной смеси и ее воспламенение; - собственно горение (окисление) составляющих топлива. Струя газообразного топлива, истекающая из горелки, по мере ее продвижения в печи превращается в зоне 1 в смесь газа и воздуха (рис. 12). Полученная смесь нагревается от прилежащей зоны горения 3 до температуры воспламенения и воспламеняется в зоне 2. В зоне 3 протекает активное горение, распространение пламени которого охватывает контуры и длину факела l. Зона активного горения обычно несколько оторвана от устья горелки на величину а, на которой смесь прогревается до температуры воспламенения. Конфигурация и длина факела в основном зависят от скорости истечения газа и воздуха и условий их перемешивания. Чем интенсивнее перемешиваются газ и воздух, тем короче и горячее получается факел. 56 Рисунок 12 – Схема факела горения газообразного топлива. Более сложно горение частичек жидкого и пылевидного топлива, который состоит из следующих процессов: - измельчение и смешение топлива и воздуха; - нагрев и частичная газификация топлива; - воспламенение и горение газообразных продуктов газификации; - нагрев и воспламенение жидких твердых остатков от газификации; - горение жидких и твердых остатков. Упрощенная схема факела горения для жидкого и пылевидного топлива приведена на рис. 13. Капельки жидкого топлива или частицы пылевидного угля размером 0,5–0,7 мм вначале перемешиваются с воздухом в зоне 1. Для жидкого топлива перемешивание обычно совмещают с раздроблением сплошной струи жидкого топлива на мельчайшие капельки благодаря кинетической энергии сжатого воздуха, пара или давления самого топлива. Образовавшаяся топливная аэросмесь нагревается теплом прилежащих более горячих слоев факела, а также теплом печного пространства до температуры 300–600 С. Рисунок 13 – Схема факела горения жидкого и пылевидного топлива. 57 При этой температуре проходят процессы сухой перегонки и газификации топлива, в результате чего в зоне 2 образуется смесь горючих газов и воздуха. Газовоздушная смесь воспламеняется в зоне 3. Под влиянием горения газовоздушной смеси твердые и жидкие частицы нагреваются до температуры 600–800 С и воспламеняются в зоне 4. В дальнейшем в зоне 5 протекает преимущественно процесс горения жидких и твердых остатков топлива. Электронагрев Печи, в которых тепловая энергия, необходимая для их работы, получается за счет электрической энергии, называются электротермическими. Главные преимущества электрических печей: - возможность концентрации большой мощности в малом объеме и получение высоких, до 3000 С и более, температур при размещении зон высоких температур в определенных ограниченных участках рабочего пространства печей; - легкость и плавность регулирования величины и распределения температуры в рабочем пространстве; - чистота рабочего пространства и отсутствие его загрязнения золой, серой, газами и различными примесями; - возможность герметизации рабочего пространства, создание в нем вакуума или защитной атмосферы; - низкая потеря металлов со шлаками, пылью, газами и угаром; - высокий термический КПД (до 70–85 %); - малое количество газов и пыли; - большая возможность комплексной механизации и автоматизации; - чистота рабочих мест. Электрические печи имеют также и недостатки: - высокое потребление электроэнергии; - конструктивное ограничение производительности и мощности для некоторых видов печей. Применение электронагрева в металлургических печах целесообразно при следующих условиях: - отсутствие в прилежащих к заводу районах месторождений высококачественного углеродистого топлива, особенно нефти или природного газа; 58 - наличие в районе завода дешевой электроэнергии; - возможность удовлетворения потребностей электропечей без ущерба для других отраслей промышленности; - потребности технологического процесса в электронагреве. Электрическая энергия преобразуется в тепловую различными способами, в зависимости от которых классифицируют электрические печи. Электрические печи делятся по способу превращения электрической энергии (рис. 14). I. Электрические печи сопротивления, в которых электрическая энергия превращается в тепло в твердых или жидких телах, непосредственно включенных в электрическую цепь; - печи косвенного действия (нагрева), в которых тепло выделяется в специальных нагревательных элементах и передается нагреваемому материалу теплоотдачей; - печи прямого действия (нагрева), в которых нагреваемый материал сам включается в питающую электрическую сеть и нагревается проходящим через него током. II. Электрические дуговые печи, в которых электрическая энергия превращается в тепло в дуге, горящей в газовой среде: - печи прямого действия, в которых дуга горит между электродами и нагреваемым материалом; - печи косвенного действия, в которых дуга горит между электродами и тепло передается нагреваемому материалу в основном излучением. III. Электрические печи смешанного нагрева (дуга + сопротивление), так называемые рудно-термические печи. IV. Индукционные печи, в которых электрическая энергия превращается в тепло в твердых или жидких телах, находящихся в среднечастотном магнитном поле: - низкочастотные печи с железным сердечником (с магнитной цепью); - высокочастотные печи без магнитного сердечника. V. Электротермические установки для диэлектрического нагрева, в которых нагреваемый материал (диэлектрик или полупроводник) помещается в переменное электрическое поле и нагревается в нем за счет диэлектрических потерь. VI. Печи с электронным нагревом: - печи с электронно-лучевым нагревом; - печи с плазменными горелками. 59 Немного подробностей о перечисленных электрических печах. Электрические печи сопротивления имеют несколько разновидностей. Наибольшее распространение получили печи с косвенным нагревом. По температуре рабочего пространства печи делятся на три вида: - низкотемпературные, 100–700 С; - среднетемпературные, 700–1200 С; - высокотемпературные, 1200–2000 С. Электрические печи сопротивления применяются для сушки и обжига материалов, для нагрева и термической обработки металлов и сплавов, для плавки легкоплавких металлов. При косвенном нагреве вся электрическая энергия преобразуется в тепловую в нагревательных элементах. Рисунок 14 – Схемы промышленных электропечей I – печь сопротивления; II – дуговая печь; III – печь со смешанным нагревом; IV – индукционная печь; V – диэлектрический нагрев; VI – электронно– лучевой нагрев; VII – плазменная горелка. 1 – резистор (сопротивление); 2 – дуга; 3 – индуктор; 4 – конденсатор; 5 – катод; 6 – анод; 7 – магнитная линза; 8 – поток электронов; 9 - высокотемпературная плазма. Нагревательные элементы работают в весьма тяжелых условиях: значительная температура, корродирующее воздействие атмосферы печи. Для устойчивой работы нагревательные элементы должны отвечать требованиям: 60 - большое удельное сопротивление, позволяющее иметь достаточное поперечное сечение и ограниченную длину; - малый электрический температурный коэффициент; - постоянство электрических свойств во времени; - жаростойкость и неокисляемость; - жаропрочность (достаточной механической прочностью при высоких температурах); - постоянство линейных размеров; - хорошая обрабатываемость материала. В качестве нагревательных элементов применяют проволоку и ленту. Материалом для них служат чаще всего нихром, специальные марки сталей, вольфрам, графит и ряд других. На рис. 15 приведены некоторые виды нагревательных элементов. На рис. 15а показан проволочный зигзагообразный нагреватель на металлических крючках на боковой стенке печи. Рис. 15б изображает такой же нагреватель, установленный в поду печи. Рис. 15в – то же в своде печи. Рис. 15г – то же на керамических полочках. На рис. 15д – проволочная спираль на выступающих кирпичах на боковой стенке с привязкой к крючкам. На рис. 15е и 15ж – то же на керамических полочках. На рис. 15з – проволочная спираль на керана на керамической трубке. На рис. 15и показан вывод проволочного нагревателя. Размеры спирали показаны на рис. 15к. Рисунок 15 – Металлические проволочные нагреватели. 61 Аналогично изготавливаются и устанавливаются ленточные нагреватели. Помимо приведенных элементов, на практике, в зависимости от конструкции печей, могут применяться и другие виды нагревателей. Большое распространение, в силу указанных выше причин, получили электрические печи сопротивления с косвенным нагревом, которые применяются при производстве тугоплавких металлов и твердых сплавов. Ниже приведены некоторые виды печей. На рис. 16 приведена схема муфельной двухзонной печи для спекания твердых сплавов. Нагревательные элементы печи выполнены в виде проволочной обмотки с наружной стороны муфеля 4. Муфель с нагревателями устанавливается внутри печи, ограниченной кожухом 2. Пространство между муфелем и кожухом заполняется термоэлектроизолирующей засыпкой 3 и накрывается теплоизолирующим слоем 5. Загрузка материала производится через патрубок 6. Вдоль муфеля материал продвигается толкателем 7. Нагревательные элементы чаще всего выполняются из вольфрамовой или молибденовой проволоки. Для предотвращения окисления нагревателей внутреннее пространство печи заполняется водородом. Спекание твердых сплавов также происходит в среде водорода. Рисунок 16 – Муфельная печь для спекания твердых сплавов 1 – разгрузочный патрубок; 2 – кожух; 3 – засыпка; 4 – муфели с нагревателями; 5 – теплоизоляция; 6 – загрузочный патрубок; 7 – толкатель; 8 – термопары. Для получения порошков тугоплавких металлов (вольфрам, молибден) и некоторых других металлов также применяются электропечи с косвенным нагревом. На рис. 17 представлена электропечь с вращающейся трубой. 62 Рисунок 17 – Электропечь с вращающейся трубой. Основными элементами печи являются: 1 – разгрузочный шнек; 2 – бункер готового продукта; 3 – корпус печи; 4 – продольные ребра; 5 – стальная вращающаяся труба; 6 – фасонная керамика; 7 – кладка; 8 – диафрагма; 9 – загрузочный бункер; 10 – рыхлитель; 11 – шнековый питатель; 12 – цепь; 13 – редуктор; 14 – шкив; 15 – электродвигатель. На рис. 18 показана электропечь для получения тонкодисперсного порошка тугоплавких металлов Рисунок 18 – Многотрубная электропечь 1 – рабочие трубы; 2 – толкатель; 3 – патрубок вывода очищенного водорода; 4 – патрубок подачи водорода; 5 – нагревательные элементы. 63 Дуговой электронагрев применяется в высокотемпературных печах большой мощности – преимущественно для плавки различных материалов. Наибольшим термическим к.п.д. обладают дуговые печи прямого действия, особенно с закрытой дугой, так как в них имеются наилучшие условия теплообмена между дугой и материалом, что позволяет быстро нагреть материал до высоких температур. Дуговые печи прямого действия наиболее распространены в металлургии. Работа с закрытой дугой возможна при условии, что перерабатываемые материалы имеют ограниченную электророводность. В этом случае печи работают по смешанному режиму, т. е. в них электрическая энергия преобразуется в тепловую не только в дуге, но и через сопротивление шихты или расплава. При плавке чистых металлов можно работать только с открытой дугой, горящей на поверхности материала, ибо погружение электродов в слой материалов приведет к короткому замыканию. Дуговые печи непрямого действия применяют в тех случаях, когда от соприкосновения материала с дугой может ухудшиться качество продукта или увеличаться потери металлов. Дуговой нагрев, в отличие от нагрева сопротивлением, не имеет ограничений по мощности. На рис. 19 показаны типы дуговых печей. Рисунок 19 – Типы дуговых печей а – прямого действия с открытой зависимой дугой; б – прямого действия с закрытой зависимой дугой; в – косвенного действия с независимой дугой. Сущность работы, общая картина развития и взаимосвязь основных процессов в электрических плавильных печах с электродами, погруженными в шлак, описываются следующим 64 образом. Исходная шихта, состоящая из руды, концентратов, оборотов и флюсов, плавает в шлаковом слое ванны, толщина которого колеблется от 0,8 до 1,6 м. В печах, перерабатывающих жидкие шлаки, исходным материалом служит также расплавленный шлак, сливаемый прямо в ванну печи (рис. 20). Электропечь представляет собой тепловую ванну с токоподводящими электродами, опущенными в своеобразный электролит – расплавленный шлак со слоем штейна внизу ванны, обладающим электрической проводимостью. В этих условиях работы ванны электрическое поле ее характеризуется сильным сгущением изопотенциальных поверхностей чашеобразной формы около осей электродов. Электрическая энергия, служащая в электропечах основным источником тепла, подводится в ванну с помощью угольных электродов, погруженных в шлак на глубину 0,2–0,8 м. Рисунок 20 – Схема плавки в рудоплавильной электропечи. Электрическая энергия преобразуется в тепловую в шлаковом слое ванны, при этом от 40 до 80 % мощности выделяется около электродов в переходном контакте электрод – расплавленный шлак. При малом заглублении электродов доля мощности в месте контакта достигает 80 %, а при увеличении посадки электродов эта доля снижается до 40–50 %. Остальная часть мощности преобразуется в 65 тепловую энергию в самом шлаке в результате его электросопротивления. Дуговые электрические печи для плавки руд и концентратов на штейн и металл называются рудотермическими. Рудотермические печи являются печами смешанного действия. Они имеют электроды, погруженные в шихту и шлак. Поэтому в них, помимо нагрева дугой, основная часть тепла выделяется при прохождении тока между электродами через шихту, содержащую углерод и расплавленный шлак. В зависимости от условий плавки доля дугового нагрева и нагрева сопротивлением могут изменяться. Отличительной особенностью рудотермических печей является работа при высоком (до 1 кВ) напряжении и большая мощность, достигающая 48 МВ∙А и более. На рис. 21 приведен продольный разрез шестиэлектродной руднотермической печи для плавки сульфидных медно-никелевых концентратов. Печь имеет в плане прямоугольную форму. Ширина печи достигает 8,7 м. Шесть электродов 1 расположены вдоль продольной оси печи. Фундамент выполнен в виде отдельных железобетонных столбов 3. Загрузка печи боковая через свод. Рисунок 21 – Дуговая шестиэлектродная печь руднотермической плавки. Штейн выпускают через летку 4 в торцевой части печи, шлак – через летку 2 в противоположном торце печи. Печь работает в непрерывном режиме с периодическим выпуском шлака и штейна. 66 Индукционный электронагрев осуществляется по принципу работы трансформатора, у которого вторичная обмотка замкнута на себя. В результате индуктированный в ней электрический ток преобразуется в тепловую энергию. Роль вторичной обмотки при индукционном нагреве играет обычно сам нагреваемый материал. При этом способе нагрева электрическая энергия, подводимая в первичную обмотку (индуктор), переходит в энергию переменного магнитного поля, которая в свою очередь вновь преобразуется в электрическую энергию во вторичной цепи и в конечном итоге – в тепловую энергию вследствие сопротивления цепи. В технике наиболее распространены индукционные печи с железным сердечником и без железного сердечника (высокочастотные). Принципиальная схема печей с железным сердечником (рис. 22а) похожа на схему обычного трансформатора, у которого первичная обмотка имеет сердечник, а вторичная обмотка совмещена с нагрузкой и представлена замкнутым кольцом расплавленного металла. Рисунок 22 – Принципиальная схема индукционного нагрева: а – схема печи с железным сердечником; б – схема печи без сердечника; 1 –первичная обмотка (индуктор); 2 – канал, заполненный металлом; 3 – железный сердечник; 4 – металлическая шихта; 5 – футеровка печи (тигель). Индукционные печи нашли широкое применение в литейных цехах, где их используют для получения различных сплавов и металлов. Это обусловлено высоким качеством и полной однородностью сплавов, малыми потерями металлов, большой производительностью, небольшим расходом электроэнергии. 67 На рис. 23 показана индукционная канальная печь промышленной частоты со стальным сердечником для производства отливок из меди. Емкость печи по меди 5–6 т, общая мощность 1600 ква при активной мощности 1400 ква. Суточная производительность печи 80–120 т. Печь состоит из стального сварного кожуха с двумя опорными ободами для поворота, футерованного изнутри огнеупорным кирпичом и набивкой; четырех съемных однофазных индукционных единиц; механизма поворота печи; вентиляторов для охлаждения футеровки канальной части индукционных единиц; трех крышек, одна их которых снабжена механизмом подъема. Рисунок 23 – Индукционная плавильная печь. В металлургии цинка для переплавки катодов применяют индукционные печи с железным сердечником емкостью 20 т и 40 т (рис. 24). Они оборудованы шестью индукционными нагревательными единицами 3 с горизонтальным расположением нагревательных каналов и вертикальными магнитопроводами. Печь питается от двух трехфазных трансформаторов по 1000 ква каждый с вторичным напряжением 450–550 В. Печь состоит из двух камер: 68 большой плавильной 1 и малой раздаточной 2. Катодный цинк загружают в плавильную камеру с помощью рольганга 4 через загрузочную шахту, прямо в ванну с расплавленным металлом. Расплавленный цинк выпускают из печи через выпускное отверстие раздаточной камеры в ковш или на разливочную машину. Рисунок 24 – Индукционная плавильная печь для плавки цинка. Электронно-лучевой нагрев. Сущность электронно-лучевого нагрева заключается в том, что в вакуумной камере располагаются два электрода, на которые подается высокое напряжение постоянного тока (несколько десятков кВ). Мощный поток электронов, выбрасываемых с нагретого катода, фокусируется специальной системой и направляется на нагреваемую поверхность, где кинетическая энергия электронов превращается в тепловую. Основные преимущества электронно-лучевого нагрева: - возможность осуществлять значительный контролируемый перегрев поверхности жидких металлов; - сильная дегазация жидкой ванны вследствие открытой ее поверхности и значительного вакуума, достигающего 1∙10-5 мм рт ст; 69 - возможность поддерживать металлы в жидком состоянии в течение длительного времени. Это позволяет получать при электронно-лучевом нагреве тугоплавкие металлы и сплавы очень высокого качества практически без примесей и улучшенной структурой слитков. На рис. 25 приведена схема устройства для плавки с аксиальной электронной пушкой. Рисунок 25 – Схема установки для электронно-лучевой плавки 1 – катод; 2 – анод; 3 – линия высоковакуумной откачки; 4 – магнитная линза; 5 – разделительная диафрагма; 6 – разделительный шибер; 7 – плавильная камера печи; 8 – электронный пучок; 9 – линия высоковакуумной откачки; 10 – выплавляемый слиток; 11 – механизм вытягивания слитка; 12 – водоохлаждаемый кристаллизатор; 13 – механизм подачи металла в зону плавления. Печи этого типа, несмотря на сложное устройство, получили широкое распространение при производстве чистых металлов и монокристаллов из них. Плазменные горелки. Этот тип горелок позволяет достичь температур порядка 15∙103 – 18∙103 С. Высокотемпературная плазма 70 получается с помощью специального плазмогенератора – плазменной горелки (рис. 26), в которой создается в потоке газа сжатая электрическая дуга большой мощности. Атомы нейтрального газа (азот, аргон и др.), попадающего с большой скоростью в зону электрической дуги, распадаются на электроны и ионы и образуют плазму. Под действием газового потока образующая плазма вытесняется через сопло головки в виде ярко светящегося длинного пламени. Воздействием внешнего магнитного поля полученную в виде луча плазму можно сфокусировать, ослабить, усилить и даже прервать. Благодаря высокой температуре Рисунок 26 – Плазменная плазмы и огромной концентрации горелка косвенного действия: энергии возможно смешение в 1 – катод; 2 – сопло; парообразном состоянии различных 3 – дуговой разряд; 4 – поток плазмы. элементов и получение материалов с новыми свойствами. Устройства для сжигания топлива Для рационального сжигания топлива устройства, предназначенные для этого процесса, должны удовлетворять следующим требованиям: - всесторонняя подготовка топлива для сжигания; - тщательное смешение топлива и воздуха на всем протяжении зоны горения; - устойчивое и полное горение топлива в необходимом объеме и форме камеры горения; - плавное и легкое регулирование процесса горения и расхода топлива; - простота и надежность горения; - минимальные эксплуатационные расходы. Кусковое топливо сжигается в слое на колосниковой решетке, в самостоятельной топочной камере, за пределами рабочего пространства печей, которое получает тепло только от отходящих из топки газов. Исключение составляет сжигание кокса в шахтных печах. 71 Отопление металлургических печей кусковым топливом теперь применяют очень редко, за исключением некоторых низкотемпературных печей, по следующим причинам: - ограниченность температуры печей вследствие выноса зоны горения за пределы рабочего пространства и большого избытка воздуха, необходимого для горения; - химическая и механическая неполнота горения топлива, составляющая суммарно 3–15 %; - трудность регулирования температуры; - громоздкость конструкции топочного устройства. Для сжигания кускового топлива применяют простые топки с ручным обслуживанием и механические топки. Простые топки подразделяются на топки с горизонтальной и ступенчатой решеткой, шахтные и полугазовые. Механические топки имеют большое число разновидностей по способу загрузки и движения топлива на решетке. Механические топки в металлургии практически не применяются, в основном используются для паровых котлов, поэтому рассмотрим конструкцию простых топок, схемы которых представлены на рис. 27. Топка с горизонтальной колосниковой решеткой состоит из камеры горения, колосниковой решетки и зольника. Топливо загружают на решетку через окно. Толщина слоя обычно 10 – 30 см. Воздух для горения подается через зольник и решетку к топливу. Рисунок 27 – Схемы простых топок для твердого кускового топлива а – топка с горизонтальной колосниковой решеткой; б – то же со ступенчатой колосниковой решеткой; в – шахтная топка; г – полугазовая топка. Топка со ступенчатой колосниковой решеткой имеет решетку, состоящую из наклонной и горизонтальной частей, угол наклона обычно 35–45о. Ступенчатая часть позволяет сжигать мелкое и высокозольное топливо. 72 Шахтная топка имеет довольно высокую шахту, расположенную над передней частью ступенчатой или горизонтальной колосниковой решетки. Топливо на решетку подается из шахты, что способствует созданию равномерного слоя и предварительному удалению влаги. Рисунок 28 – Схема установки для сжигания угольной пыли: 1 – пылепровод; 2 – циклон; 3 – воздухопровод запыленного воздуха; 4 – фильтр; 5 – трубы для пыли; 6 – расходный бункер угольной пыли; 7 – шнековый питатель; 8 – пылепровод; 9 – пылеугольная горелка; 10 – печь. Полугазовая топка отличается увеличенной толщиной слоя на решетке (0,4–1,0 м), поэтому процесс горения на решетке идет не до конца и продукты горения содержат горючие составляющие СО, Н2, СН4. В топке частично проходит газогенераторный процесс, и получающаяся газовая смесь дожигается в рабочем пространстве печи. Сжигание пылевидного топлива. Готовая угольная пыль в смеси с воздухом поступает со скоростью 15–20 м/сек по тубам к печам, где сжигается. Схема установки представлена на рис. 28. 73 Угольная пыль в циклоне и на фильтре отделяется от воздуха и накапливается в расходных бункерах, находящихся около печей. Из расходного бункера угольная пыль в виде аэросмеси с первичным воздухом подается шнековым питателем в горелку. Пыль и первичный воздух смешиваются в конце шнекового питателя. Вторичный воздух, необходимый для полного сжигания, подается прямо в горелку. Расход угольной пыли регулируется оборотами шнека. Пылеугольные горелки окончательно подготавливают топливовоздушную смесь для горения и подают ее в печь с определенными аэродинамическими характеристиками. Конструктивно горелка представляет собой комбинацию двух концентрических труб, по одной из которых подается смесь пыли и первичного воздуха, а по другой – вторичный воздух (рис. 29). Для улучшения смешения и завихрения топливо-воздушной смеси применяют повышенное давление воздуха, тангенциальный подвод воздуха и пыле-воздушной смеси, подачу третичного воздуха высокого давления, устройство завихряющих лопастей, раздающих конусов и насадок и т. п. Пылеугольные горелки бывают круглые и щелевые. Рисунок 29 – Турбулентная горелка для сжигания угольной пыли 1 – подвижная насадка; 2 – конус-рассекатель; 3 – диффузор с эллиптическим выходом; 4 – центральная труба для подачи пылевоздушной смеси; 5 – тангенциальный подвод вторичного воздуха. Различают вихревые и прямоточные пылевые горелки. Вихревые горелки выполняют следующих видов: – двухулиточные с закручиванием аэропыли и вторичного воздуха в улиточном аппарате (рис. 30а); 74 – улиточно-лопаточные с улиточным закручиванием потока аэропыли и аксиальным лопаточным закручивателем вторичного воздуха (рис. 306); – прямоточно-улиточные, в которых аэропыль подается по прямоточному каналу и раздается в стороны за счет рассекателя, а вторичный воздух закручивается в улиточном аппарате (рис. 30в); – двухлопаточные, в которых закручивание потоков вторичного воздуха и аэропыли обеспечивается аксиальным и тангенциальным лопаточным аппаратом (рис. 30г). Горелки этого типа имеют производительность от 1 до 3,8 кг у.т./с, что определяет их тепловую мощность от 25 до 100 МВт. Наиболее распространены двухулиточные и улиточно-лопаточные горелки, последние применяют для горелок большой тепловой мощности (75–100 МВт). Вихревые горелки отличаются повышенной эжекцией горячих топочных газов в поступающую пылевоздушую смесь, что обеспечивает ее быстрый прогрев до температуры воспламенения. Лопаточный завихривающий аппарат может быть выполнен поворотным, что позволяет производить оптимальную настройку аэродинамики горелки. На полноту сгорания топлива сильное влияние оказывают скорости вдувания в топку аэропыли и вторичного воздуха. Повышение скорости усиливает турбулентное перемешивание потоков, однако при слишком большой скорости произойдет отрыв факела от горелки. Вихревые горелки универсальны и применимы для любого твердого топлива, но наибольшее распространение они получили при сжигании топлив с малым выходом летучих веществ. Горелки повышенной тепловой мощности выполняют с двумя регулируемыми коаксиальными каналами по вторичному воздуху (рис. 31б), что обеспечивает сохранение необходимых скоростей воздуха при работе на пониженных нагрузках. При нагрузке ниже 70 % номинальной периферийный канал воздуха перекрывают и тем обеспечивают поддержание высокой его скорости. Вихревые горелки создают более короткий факел по длине и широкий угол его раскрытия. Они обеспечивают интенсивное перемешивание потоков и глубокое выгорание. Сжигание жидкого топлива. Основной вид жидкого топлива – мазут. Мазут перед сжиганием подготавливают на специальных 75 установках, где его обезвоживают, фильтруют и подогревают до 70–90 С. Подготовленный таким образом мазут поступает в расходные баки, откуда подается в форсунки. Рисунок 30 – Виды вихревых пылеугольных горелок: а – двухулиточная горелка; б – улиточно-лопаточная горелка; в – прямоточно-улиточная горелка; г – двухлопаточная горелка; 1 – улитка пылевоздушной смеси; Ґ – ввод аэропыли в горелку; 2 – улитка вторичного воздуха; 2′ – короб ввода вторичного воздуха; 3 – кольцевой канал для выхода пылевоздушной смеси в топку; 4 – то же вторичного воздуха; 5 – основная мазутная форсунка; 5′ – растопочная мазутная форсунка; 6 – рассекатель на выходе пылевоздушной смеси; 7 – завихривающие лопатки для вторичного воздуха; 8 – подвод центрального (третичного) воздуха; 9 – управление положением рассекателя; 10 – завихритель осевого потока воздуха; 11 – обмуровка топки; П – подсос сопочных газов к корню факела; В – подвод горячего воздуха. Форсунка для сжигания мазута является устройством, которое должно размельчить сплошную струю мазута до мельчайших капелек, хорошо смешать их с воздухом и подать эту смесь в рабочее пространство печи с определенными аэродинамическими характе76 ристиками. По способу распыления мазута форсунки бывают с механическим, паровым, воздушным, комбинированным распылением. Форсунки с воздушным распылением разделяют на форсунки высокого, не ниже 0,5 кгс/см2, и форсунки низкого давления до 0,1 кгс/см2. В механических форсунках мазут проходит под давлением 10 – 20 кгс/см2 через небольшие отверстия, приобретает значительную скорость и дробится без дополнительного распылителя. В форсунках высокого давления мазут может распыляться сжатым воздухом с избыточным давлением 0,5 – 8 кгс/см2 или паром с давлением 3–12 кгс/см2. На рис. 31 приведена форсунка высокого давления, работающая с паровым или воздушным распылением. Рисунок 31 – Форсунка высокого давления: 1 – мазутная трубка; 2 – воздушная трубка; 3 – кольцевое сечение; 4 – проходное сечение для мазута. Форсунка низкого давления для сжигания мазута приведена на рис. 32. Форсунка работает при избыточном давлении воздуха до 0,1 кгс/см2, производительностью от 3 до 200 кг/ч. Мазут в этой форсунке подается по внутренней трубке, первичный воздух поступает по наружной трубе с регулируемым выходным отверстием. Расход мазута регулируется штоком, расположенным внутри мазутной трубки. 77 Рисунок 32 – Форсунка низкого давления. Рисунок 33 – Горелка для сжигания жидкого топлива. Сжигание газообразного топлива. Применение газа в качестве топлива для металлургических печей имеет ряд преимуществ: - возможность применения трубного транспорта для подачи топлива к месту потребления; - легкость и простота сжигания; - беззольность и высокая калорийность (для природного газа); - возможность достижения высокой температуры горения и регенерации тепла отходящих газов; 78 - хорошая регулируемость процесса горения; - высокие экономические показатели. Для организации рационального сжигания газа применяют газовые горелки. С их помощью газ смешивается с воздухом и подается в рабочее пространство печи с определенными аэродинамическими характеристиками. Существует множество различных типов и конструкций газовых горелок. Их классифицируют по давлению газа, по системе смешения газа и воздуха и по форме выходных отверстий. По давлению различают горелки высокого давления (выше 500 мм вод. ст.) и горелки низкого давления (80–300 мм вод. ст.). По системе смешения газа и воздуха различают горелки с предварительным смешением в самой горелке и со смешением после выхода из горелки в печи. По форме выходных отверстий горелки бывают круглые и щелевые. На рис. 34 приведена схема газо-мазутной горелки с внутренним смешением для сжигания природного газа и мазута, применявшаяся для отопления отражательных печей. Рисунок 34 – Газомазутная горелка для природного газа. Турбулентная газовая горелка низкого давления для сжигания генераторного газа со смешением газ и воздуха внутри горелки приведена на рис. 35. Газ по кольцевой щели аксиально поступает в горелку, а воздух подводится тангенциально и в виде завихренных струй смешивается с газом. Закрученная газо-воздушная смесь истекает из горелки через расширяющуюся коническую насадку. 79 На рис. 36 приведена инжекционная горелка высокого давления для сжигания природного газа со смешением газа и воздуха в горелке. Природный газ под давлением в несколько кПа поступает по центральному соплу в горелку. Через щелевое регулируемое отверстие в горелку подсасывается воздух, который перемешивается с газом внутри горелки и при выходе из горелки в ее головке. Рисунок 35 – Турбулентная газовая горелка низкого давления: 1 – щель; 2 – вставка. Сегодня существует два основных вида газовых горелок, их разделение ведется в зависимости от используемого метода образования горючей смеси (состоящей из топлива и воздуха). Различают атмосферные (инжекторные) и наддувные (вентиляционные) устройства. В большинстве случаев первый вид является частью котла и входит в его стоимость, второй же вид чаще всего приобретается отдельно. Наддувная горелка газовая в качестве инструмента горения более эффективна, поскольку в них подача воздуха осуществляется специальным вентилятором (встроенным в горелку). 80 Рисунок 36 – Инжекционная горелка высокого давления: 1 – соединение; 2 – головка; 3 – смесительная труба; 4 – подвод газа. Печи цветной металлургии Наверное ни одна из отраслей промышленности не имеет такого разнообразия печей, как цветная металлургия. Здесь практически для каждого передела, для каждого процесса используется своя печь. Это обусловлено тем, что цветная металлургия перерабатывает и получает практически все элементы таблицы Д. И. Менделеева. Конечно, некоторые типы печей имеют многоцелевое назначение, но при этом каждая печь имеет свои особенности. Например, печи барабанного типа применяются при получении алюминия, цинка, вольфрама, молибдена и ряда других металлов. Они разнятся размерами, способами загрузки, теплоизоляцией, но принцип остается единым. Барабанные печи. Печь состоит из горизонтального цилиндрического железного кожуха, футерованного изнутри огнеупорным кирпичом, опорных устройств и привода, головок – топочной и газоотводящей и холодильника (рис. 37). На наружной поверхности кожуха закреплены опорные стальные бандажи, опирающиеся на ролики. Для вращения печи используется привод, состоящий из электродвигателя и редуктора, связанного с венцовой шестерней, закрепленной на кожухе печи. Топочная головка печи состоит из топочной камеры, устройств подачи топлива, приспособления для выгрузки готового продукта и уплотнительного устройства, прикрывающего щель между барабаном и неподвижной топочной камерой. Газоотводящая головка состоит их газоотводящей камеры, питающего шихтой устройства и уплотнения. В качестве холодильника также используется барабан. 81 Во время работы барабанной печи сырье двигается от газоотводной головки к топочной, а печные газы – наоборот. Такой способ работы называют противоточным. В ряде случаев направление движения материала и печных газов совпадает, и такой способ называют прямоточным. Готовый материал выгружают через течку в холодильник, где материал, охлаждаясь, нагревает охлаждающий воздух. Нагретый воздух подается в топочную головку печи для смешения с топливом. Рисунок 37 – Барабанная вращающаяся печь для окислительного обжига. Рисунок 38 – Барабанная печь для мокрого спекания бокситов. 82 Движение материала происходит благодаря небольшому наклону трубы в сторону выгрузки и вращению печи. При вращении материал поднимается на некоторую высоту и пересыпается вниз. При этом происходит хороший теплообмен с горячими газами все время обновляющейся поверхности материала. Теплообмену способствует попадание материала при пересыпании на нагретую поверхность кладки. Все это определило высокую интенсивность теплообмена в рабочем пространстве печи. Рисунок 39 – Трубчатая вращающаяся печь: 1 – топливная (разгрузочная) головка; 2 – горячий конец печи; 3 – железный барабан; 4 – бандаж; 5 – венцовая шестерня; 6 – холодный конец печи; 7 – загрузочная коробка; 8 – дымоход; 9 – отбойное приспособления для удаления настылей; 10 – электродвигатель; 11 – опорные ролики; 12 – упорные ролики; 13 – дисковое уплотнение. Трубчатые вращающиеся печи используются для сушки различных материалов, обжига и спекания материала с образованием новых соединений. Печи применяются при производстве глинозема в алюминиевой промышленности, переработке отходов, содержащих цинк и свинец, производстве цемента. На рис. 40 представлена печь, используемая в алюминиевой промышленности. Печи кипящего слоя. Большим успехом в интенсификации процессов обжига измельченного материала явилось использование печей кипящего слоя. В этих печах через слой измельченного материала продувается воздух снизу вверх с определенной скоростью. Объем слоя при этом возрастает. Наступает момент, когда связь между частицами будет ослаблена настолько, что они станут свободно перемещаться в слое. Такой слой внешне напоминает кипящую жидкость. 83 Широкое использование печи кипящего слоя (КС) получили при обжиге сульфидных концентратов цинка, меди, молибдена, а также при сушке и кальцинации глинозема. Удельная производительность пода печи возросла примерно в 20 раз по сравнению с шахтными и многоподовыми перегребными печами. На рис. 40 показана печь КС для обжига цинковых концентратов с площадью пода 34 м2. Рабочая камера печи в горизонтальном сечении может быть круглой или прямоугольной. Печь изолируется огнеупорным огнеупорным кирпичом. Тепла, выделяющегося за счет окисления сульфидов, достаточно для поддержания необходимой температуры (930–1000 С). Рисунок 40 – Печь кипящего слоя для обжига цинковых концентратов: 1 – патрубок для отвода газов; 2 – шахта печи; 3 – разгрузочный порог; 4 – подина; 5 – воздушная коробка; 6 – кессон; 7 – форкамера; 8 – загрузочная течка. Наиболее ответственной деталью печи является под рабочей камеры, через который подается воздух, необходимый для процесса. 84 Воздух подается через грибкообразные сопла. Излишнее тепло отводится из рабочего пространства с помощью кессонного холодильника. Материал загружают через течку в форкамеру. Выгрузка материала происходит самотеком через разгрузочный порог в стене на верхнем уровне кипящего слоя. Газы, содержащие значительное количество пыли, отводятся сверху камеры в пылеулавливающие устройства. Впервые в мире печи кипящего слоя были опробованы и внедрены в производство на заводе «Электроцинк» в 1957 году. Показав свое преимущество по сравнению с многоподовыми перегребными печами, эти печи сразу получили широкое распространение в цветной металлургии. Отражательные плавильные печи. Отражательные печи используются для плавки мелкоизмельченных материалов (концентратов), а также металлов при производстве меди, олова, цинка, алюминия, вторичных металлов и сплавов. По принципу нагрева отражательные печи относятся к типу пламенных печей, где тепло нагреваемому металлу передается от пламени при сжигании топлива. На рис. 41 дан продольный разрез печи для плавки медных концентратов на штейн. Площадь пода печи 240–280 м2, длина 31– 35 м, ширина 7–10 м, высота от пода до свода 3–4 м. Печи отапливаются угольной пылью, мазутом или газом. Горелки или форсунки 1 вводятся через отверстия в торцевой стене печи. В противоположном конце печи газы по борову отводятся в дымовую трубу. Печь располагается на фундаменте из бутового камня, бетона, красного кирпича или расплавленного шлака. Под (лещадь) печи делается набивкой из кварцевого песка с добавкой 5–10 % глины, спекаемого на месте перед пуском печи. Между лещадью и фундаментом проложены слои огнеупорного кирпича. Свод печи распорно-подвесной из огнеупорного кирпича. Мелкую шихту в печь загружают через свод, для чего в нем у продольных делают отверстия на расстоянии 0,9–1,1 м друг от друга. Штейн выпускается через одно из шпуровых отверстий 2 в конце печи, расположенных на уровне лещади. Шлак выпускают через окно 3 в боковой стене в конце печи. 85 Рисунок 41– Отражательная печь для плавки медных концентратов. На рис. 42 показан поперечный разрез этой же печи. Здесь отчетливо видны загрузочные отверстия 7, расположенные в своде печи. Рисунок 42 – Поперечный разрез отражательной печи. 86 Шахтные печи. Шахтные печи применяют в металлургии свинца, меди и никеля. Работа шахтных печей основана на ряде сложных химических и физических процессов, протекающих в шихте при прохождении встречных потоков газа. Шихту, состоящую из руды, флюсов, оборотов и кокса, периодически загружают в шахтную печь отдельными порциями – колошами в определенном соотношении составляющей шихты. Шихту загружают слоями: кокс, обороты, флюсы, руда. Шихта располагается в печи в виде столба, опирающегося на ванну расплавленных продуктов и частично на боковые стены. Значительная доля веса шихтового столба уравновешивается встречным потоком газов. Столб шихты движется, постепенно оседая вследствие образования в нижних слоях пустот из-за выгорания топлива и выплавления штейна и шлака. Печь состоит из фундамента, лещади, внутреннего горна, шахты, надколошникового устройства, крепления, воздухо- и водопроводной системы, устройств для загрузки шихты и выпуска продуктов, переднего горна (рис. 43). Рисунок 43 – Шахтная печь для медно-серной плавки. 87 Интенсификация производства, в том числе цветной металлургии, потребовала создания таких технологий и оборудования, которые позволили бы значительно ускорить, а по возможности и совместить переделы получения металлов. Такой процесс был создан и получил название КИВЦЭТ (кислородно-взвешенная циклонная электротермическая плавка) (рис. 44). Агрегат предназначен на комплексную переработку мелкой шихты крупностью до 5 мм сульфидных и окисленных концентратов цветных металлов. Шихта вместе с кислородом подается тангенциально в циклон 1. Скорость дутья достигает 100 м/с, что обеспечивает поддержание частиц во взвешенном состоянии. При плавке сульфидных концентратов, содержащих более 20 % серы, тепла, выделяемого при их окислении, достаточно для достижения необходимой температуры. Плавка окисленных или малосульфидных концентратов ведется с добавлением топлива. Рисунок 44 – Схема КИВЦЭТ-агрегата: 1 – циклон; 2 – электроды; 3 – электротермическая печь; 5 – разбрызгиватель цинка: 6 – разделительная камера. В циклоне газы движутся по спирали. Твердые частицы центробежными силами отбрасываются на стенки циклона, а кислород с большой скоростью омывает их. В результате скорость 88 протекания реакции значительно возрастает и выделяется большое количества тепла. Образовавшийся расплав по стенкам кессонированной циклонной камеры стекает вниз в разделительную камеру 6 и под охлаждаемой разделительной стенкой поступает в электрическую отстойную печь 3. Здесь с помощью электродов 2, опущенных в шлак, происходит нагрев расплава и отстаивание с разделением на шлак и штейн. Если в сырье содержатся легколетучие металлы (цинк, кадмий и др.), то в электропечи происходит отгонка с выводом паров в конденсатор 4. Применение специального разбрызгивателя металла 5 позволяет улучшить условия конденсации паров. Газы, содержащие возгоны металлов и диоксид серы, из разделительной камеры направляются на охлаждение и очистку. В КИВЦЭТе перерабатываются медно-цинковые, медно-оловянные, никелевые, медные, свинцовые, свинцово-цинковые концентраты. Автоматизация Современный технологический процесс немыслим без автоматизации. Конечно, уровень ее может быть различным, но средства автоматики всегда имеют место. Не верите? Напрасно. Зайдите на свою кухню и посмотрите на печь. Она всегда имеет устройство для поддержания необходимой температуры. Это автоматика. Вы можете включить печь на определенное время – это тоже автоматика. Одним словом, автоматика всегда вокруг нас. Множество бытовой техники, и не только бытовой, окружает нас. Часто мы не задумываемся, как они работают, каким образом лифт поднимается на нужный этаж, как утюг нагревается до определенной температуры, а холодильник наоборот, охлаждает. А ведь есть устройства, которые выполняют работу в десятки и даже в сотни раз сложнее без участия человека. Умные машины, снабженные устройствами автоматики, могут многое. Как ты думаешь, сколько лет автоматике? Сто? Двести? Нет, значительно больше. В храме египетского города Александрии стояли две бронзовые фигуры. Между ними – алтарь для жертвоприношений. Сожгут на нем ягненка, он вместе с дымом улетает на небо – и боги сыты. А если боги захотят пить, то в этом случае в огонь лили вино. Но в храме, где стояли фигуры, вино вручную лить не нужно было. Их труд был 89 автоматизирован. Стоило разжечь на алтаре огонь – и жертвенное вино само лилось из кубков, которые статуи держали в руках. Верующие считали это чудом, а священнослужители помалкивали: знали как устроено «чудо». Внутри алтаря находился сосуд с воздухом. Когда разводили «священный огонь», воздух в сосуде расширялся от нагревания. При этом он проходил по трубкам в бачки с вином, спрятанные внутри фигур. Давление воздуха вытесняло вино, которое поднималось по каналам и выливалось в огонь. Фигуры были построены более двух тысяч лет назад выдающимся механиком древности Героном Александрийским. Герон устроил в храме и другие «чудеса». Сама лилась из трубки «святая вода». Нужно было только опустить в щель монету. Сами собой распахивались двери храма. Автомат от греческого слова automatos – самодействующий, движущийся сам. После Герона многие изобретатели строили различные автоматы. Была механическая утка, механический писец, который писал целые фразы. Механический художник рисовал так, как нарисует не каждый из вас. Знаменитый русский механик И. П. Кулибин 200 лет назад создал целый механический театр. Если послушать разговор двух автоматчиков, то непосвященный может с трудом, а то и вовсе не понять, о чем идет разговор. Какой-то объект, датчик, кривая разгона и прочие словечки, смысл которых зачастую непонятен. О чем же идет речь? Оказывается, в автоматике, а точнее, в теории автоматического управления есть специальные слова, имеющие определенный смысл. Слушая разговор специалистов между собой, мы не всегда можем понять смысл разговора. Все время мы слышим слова, которые понятны только им и для посторонних кажутся абракадаброй. Эти слова называют терминами. Они могут означать определенные понятия, предметы, действия и т. д. Есть такие слова и в автоматике. Рассмотрим некоторые из них и дадим им определения. Объект управления – это технологический процесс или аппарат (оборудование, агрегат), в котором проходит технологический процесс, или совокупность технологического процесса и оборудования (агрегата), который управляется с помощью устройств автоматики или предназначен для автоматизации. Совокупность устройств, с помощью которых происходит регулирование, с объектом управления образуют систему управления. 90 А как устроена система управления? Как только что установили, в систему управления входит объект управления и устройства, которые этим объектом управляют. Мы задаем нужную температуру, поворачивая ручку указателя температуры на панели управления. Одновременно с этим внутри панели срабатывает специальное устройство, которое устанавливает значение заданной температуры. Это устройство называют задатчиком. Задатчик связан с другим устройством, которое поддерживает заданное значение температуры. Это устройство называют регулятором. Но как регулятор узнает, какая в данный момент температура? Для этого тоже есть специальное устройство, которое измеряет температуру и передает ее значение регулятору. Это устройство называют датчиком. Регулятор, получив сигналы от задатчика и датчика, сравнивает их и выполняет одно действий: если сигнал от датчика больше, чем от задатчика, то регулятор отключает источник энергии; если сигнал от датчика меньше, чем от задатчика, то регулятор включает источник энергии. Если оба сигнала равны, то регулятор бездействует. Сигнал, вырабатываемый регулятором, называют командным сигналом или регулирующим воздействием. Мы рассмотрели пример, из которого видно, что система управления самым простым объектом на самом деле не так уж и проста. А что говорить тогда о промышленных объектах, где параметры исчисляются десятками или даже сотнями. Кстати, появился новый термин – параметр. Под параметром понимают физическую величину (температура, расход вещества, давление и т. д.), характеризующую объект управления. На таких объектах, как правило, технологам необходимо знать величину параметров, т. е. значение физической величины. Эта задача решается с помощью вторичного прибора, который с помощью шкалы и стрелки (отсчетное устройство) или табло сообщает технологу о величине параметра. Промышленные объекты управления мало похожи на духовой шкаф нашей кухни и по размерам, и по затратам энергии. Следовательно, чтобы командный сигнал регулятора воздействовал на объект, необходимо дополнительное устройство большей мощности. Такое устройство называют исполнительным механизмом. Исполнительный механизм воздействует на объект не непосредственно, а через регулирующий орган, который регулирует поток энергии или вещества, поступающий на объект. 91 Итак, мы познакомились с основными элементами системы автоматического управления. Но чтобы система работала, необходимо все элементы связать между собой. И они связаны каналами связи, по которым передается необходимая информация от одного элемента к другому. Различают проводные и беспроводные каналы связи. Информация по ним может передаваться в различном виде. Но прежде чем говорить о видах информации, используемой в системах управления, определим, что такое «информация». Слово «информация» латинское – informatio. Первоначально это слово означало сведения, передаваемые людьми в устном или письменном виде. С середины 20-х годов прошлого столетия понятие «информация» расширилось, приобрело новое значение. Теперь под информацией стали понимать также обмен сведениями между человеком и автоматом, между автоматом и автоматом; обмен сигналами в животном и растительным миром. Обилие информации в мире вызвало создание теории информации, которая позволила дать количественную оценку информации, разработать методы скоростной передачи информации за счет специальных приемов. Мы не будем здесь останавливать на всех аспектах информации, ограничимся только тем, что необходимо для понимания устройства и работы систем автоматического управления. В нашем случае информация – это сигнал о значении физической величины, передаваемый по каналам связи от датчика к вторичному прибору и далее. Сигнал может быть нескольких видов. Различают аналоговый сигнал, который можно представить в виде постоянного тока с меняющейся во времени величиной. Дискретный сигнал, который состоит из отдельных импульсов. Частным случаем дискретного сигнала является импульсный сигнал, отличающийся амплитудой и шириной каждого следующего импульса от предыдущего. Мы уже знаем, что любая система автоматического управления состоит из отдельных элементов. А теперь посмотрим, как эти элементы соединяются в систему, и начнем рассмотрение с самого начала – с датчиков. Датчики автоматических систем Давая определение датчику, мы говорили о температуре. На самом деле это понятие значительно шире. Любой объект, с точки зрения управления им, характеризуется не только температурой. Его 92 поведение может определяться расходом, давлением, количеством готового продукта, концентрацией или содержанием каких-либо компонентов в исходных материалах или в конечном продукте. Познакомимся с некоторыми датчиками, наиболее часто используемыми при автоматизации технологических процессов. Датчики для измерения температуры называют термометрами. В общем термометрами измеряют температуру от –273 С до 6000 С и более. Конечно, одним и тем же термометром такой диапазон температур не измеришь. На практике используются различные термометры, которые работают на разнообразных принципах. Например, широко применяются термометры, работа которых основана на зависимости объема газа, жидкости или твердого тела от температуры. Еще более широкое применение нашли термоэлектрические преобразователи или термопары, принцип действия которых заключается в следующем: если концы двух разнородных проводников соединить между собой и один поместить в тающий лед, а другой нагреть, то в таком контуре возникает электрический ток, получивший название термоЭДС (рис. 45). Величина термоЭДС, возникающая в контуре, зависит от разности температур нагреваемого и холодного концов термометра. 2 Если в точке 2 контур рассоединить и в t• 0 полученный разрыв подключить измерительный прибор, например, измеряющий милливольты (милливольтметр), то по показаниям прибора и пользуясь специальными таблицами, мы можем определить температуру тела или вещества. A B Таблицы, о которых идет речь, составлены на основании зависимости возникающей в контуре термоЭДС от температуры t горячего спая t термопары. Эти устройства очень широко •1 используются практически во всех отраслях, когда необходимо измерить температуру процесса. Рисунок 45– Схема Для измерения температур используется контура. также зависимость электрического сопротивления проводника от температуры. Такие термометры называют термопреобразователями сопротивления. Любое тело, нагретое более 50 С, излучает тепловую энергию. Величина излучаемой энергии пропорциональна степени нагретости 93 тела или его температуре. Датчики, измеряющие температуру по интенсивности излучения, называют пирометрами. В настоящее время семейство пирометров насчитывает большое число устройств, принцип действия которых основан на различных физических явлениях. Широкое применение нашли пирометры спектрального отношения, квазимонохроматические, радиационные (полного излучения) и ряд других. Эти приборы нашли широкое применение в промышленности. Рисунок 46 – Внешний вид промышленных термопары (вверху) и термопреобразователя сопротивления (внизу). Любой технологический процесс представляет собой хорошо организованную химическую реакцию или совокупность нескольких реакций. Для проведения реакций (читай – технологического процесса) необходимы реактивы, т. е. вещества, участвующие в технологическом процессе. Эти вещества должны подаваться в определенных количествах. Вещества могут быть газообразные, жидкие и твердые. Чтобы обеспечить необходимое количество веществ для проведения процесса, нужно измерять их поступление в технологический аппарат. Это делается с помощью специальных устройств для измерения расхода – расходомеров. Выпускаемые промышленностью расходомеры могут измерять различные вещества в большом диапазоне. Принципы действия расходомеров разнообразны и основаны на различных физических законах. Здесь мы не будем подробно останавливаться на этом. Отметим только, что чаще всего используется зависимость расхода от скорости потока вещества. В зависимости от принятого метода измерения наиболее распространены расходомеры: 94 - переменного перепада давлений, основанные на зависимости от расхода перепада давлений в сужающем устройстве вследствие частичного перехода потенциальной энергии потока в кинетическую; - скоростного напора для измерения расхода по динамическому напору потока с помощью пневмометрических трубок; - постоянного перепада давлений, основанные на зависимости от расхода вещества вертикального перемещения тела (поплавка), изменяющего при этом площадь сечения проходного отверстия прибора таким образом, что перепад давлений по обе стороны поплавка остается постоянным; - вихреакустические, основанные на зависимости от расхода частоты образования вихрей за телом обтекания, установленного в потоке, и измерении этой частоты. Для измерения количества и расхода твердых сыпучих материалов используются рычажные и пружинные весоизмерители, автоматические ленточные весоизмерители непрерывного взвешивания и подсчета количества материала в единицу времени. Различают расходы массовый и объемный. Массовый расход, как правило, определяет расход твердых сыпучих материалов в кг/с, кг/мин, т/час. Объемный расход определяет количество жидкости или газа в единицу времени и измеряется в дм3/с, м3/час, л/мин. Создание условий для проведения технологического процесса в аппаратах необходимо поддерживать требуемый аэродинамический или гидродинамический режим. Другими словами, требуется определенное давление или разрежение. Контроль этого параметра осуществляется манометрами. Область применения манометров весьма широка, поэтому существует множество принципиальных и конструктивных решений манометров. Манометры бывают жидкостные, поплавковые, сильфонные, с трубчатой пружиной, мембранные и целый ряд других. Манометрами измеряют давление, разрежение, вакуум. В зависимости от измеряемого давления манометры имеют Рисунок 47– Внешний свое имя. Например, манометры для вид манометра измерения атмосферного давления сигнализирующего. называют барометрами. Если необходимо 95 измерить вакуум, используют вакуумметры. Для измерения разрежения используют тягомеры. Практически все современные манометры снабжены устройствами, позволяющими преобразовать сигнал давления в электрический или пневматический сигналы. Это позволяет не только увидеть величину давления по шкале прибора, но и передать сигнал на расстояние, например, на ЭВМ. Когда мы готовим чай, добавляем в него сахар. Если чай нам кажется несладким, мы еще докладываем сахар. Но чаще всего мы не задумываемся, что добавляя сахар, мы изменяем его концентрацию в растворе. Подобным образом происходит и с технологическим процессом. Для его правильного ведения нам необходимо знать концентрацию (или содержание) полезного вещества в исходном сырье. Почти всегда необходимо измерить содержание примесей в готовом продукте, контролировать состав газовой смеси и определять в ней содержание, например, вредного газа. Приборы, с помощью которых производят определение содержания компонентов в веществе, называют концентратомерами или анализаторами. Этим приборам уделяется особое внимание. Анализаторы бывают лабораторными и автоматическими. Лабораторные анализаторы находятся в цеховых или заводских лабораториях. Проводимые на них анализы требуют времени, что не всегда удобно для ведения процесса. Автоматические анализаторы устанавливаются как правило непосредственно вблизи технологического аппарата и работают в режиме реального времени. Свойства веществ характеризуются численными значениями физических или физико-химических величин, например, плотности, вязкости, электрической проводимости и т. п., поддающихся измерению. Практическое выполнение аналитических измерений основано на использовании взаимосвязи между составом анализируемого вещества (концентрациями его компонентов) и величинами, характеризующими его физические и физикохимические параметры. Многообразие принципиальных и конструктивных решений позволяет использовать анализаторы для анализа любых сред: жидких, газообразных и твердых. Итак, мы познакомились с датчиками или приборами, позволяющими измерить величину того или иного параметра. Но 96 этого мало. Нам необходимо знать их величину. Для этого применяются так называемые вторичные приборы, которые преобразуют измеренную датчиками величину в измерительную информацию. Вторичные приборы. Способы представления информации Измерительная информация в нашем случае представляет собой численное значение измеряемого параметра или физической величины, выраженное в определенных единицах. Например, это могут быть градусы Цельсия или Кельвина, если определяем температуру; килограммы или тонны, если речь идет о весе; проценты, если говорим о содержании или концентрации и т. д. Выше мы установили, что датчики преобразуют измеряемую величину в электрический или пневматический сигнал, пропорциональный измеренной величине. Следовательно, этот сигнал необходимо еще раз преобразовать, чтобы перевести его в форму, необходимую для восприятия. Другими словами, сигнал необходимо представить в виде единиц физических величин. Эти действия выполняют вторичные приборы или вторичные преобразователи. По этой причине они и называются вторичными, т. е. приборы, стоящие на втором месте по направлению сигнала измерительной информации. Изначально датчики были способны осуществлять только первичное преобразование без представления измеряемой величины в виде, удобном для обслуживающего персонала. Вторичный прибор преобразовывал полученный сигнал в вид, удобный для визуального наблюдения и (или) его записи на круглую или ленточную диаграмму. В настоящее время многие виды датчиков конструктивно выполнены так, что помимо первичного преобразования могут представлять измерительную информацию на встроенном электронном табло, имеют выход для связи с регулятором или управляющей вычислительной машиной. Поэтому вторичные приборы им не нужны. Однако это название, как и сами приборы, сохранилось и достаточно широко используется в системах автоматизации. Как правило, вторичные приборы позволяют узнать числовое значение измеренной величины с помощью отсчетного устройства, т. е. шкалы и стрелки или цифрового табло (рис. 48, 49, 50, 51). Кроме 97 того, вторичные приборы могут иметь выходные устройства, позволяющие или передать преобразованную информацию дальше, или использовать ее для регулирования. В последнем случае в качестве выходного устройства применяются простейшие регулирующие устройства для управления технологическим процессом. Большинство вторичных приборов снабжены регистрирующим узлом, представляющим собой перьевое или печатающее устройство. Запись величины параметра ведется на диаграммной бумаге. В зависимости от конструкции прибора диаграммная бумага бывает круглая или в виде ленты. Диаграмма вращается или движется с определенной скоростью. Поскольку на ней нанесены отметки времени, то по ней всегда можно определить значение измеряемого параметра в нужное нам время. Скорость движения диаграммы регулируется в зависимости от требований технологического процесса или желания обслуживающего персонала. Как правило, скорость вращения круглых диаграмм устанавливается из расчета 1 оборот за 24 часа, а для ленточной диаграммы скорость движения – 24 или 48 см за 24 часа. При необходимости скорость движения диаграммной бумаги может увеличиваться с помощью переключателя скоростей, имеющегося в приборе. Значительная часть выпускаемых в настоящее время вторичных приборов представляет измерительную информацию на цифровых электронных табло, выполненных на светодиодах. Такой способ представление информации является более приемлемым и надежным, т. к. нет необходимости подходить к прибору, определять цену деления шкалы и результат измерения в соответствие положения стрелки. Пожалуй, единственным недостатком приборов с цифровым табло является отсутствие устройства регистрации. Но этот недостаток компенсируется, как правило, наличием интерфейсной связи или портом для подключения печатающего устройства (принтера). Помимо этого, такие приборы имеют выходные устройства с унифицированными сигналами для связи с другими устройствами автоматики. Мы уже говорили, что датчик преобразует измеряемую величину в пропорциональный сигнал, который можно передать на вторичный прибор. Для этого необходимо знать, какой это сигнал, и соответственно подобрать нужный прибор, который сможет воспринять сигнал датчика. 98 100 50 0 0,5 гр. ХК Рисунок 49 – Вторичный прибор с прямоугольной шкалой (показывающий). Рисунок 48. – Вторичный прибор с круглой шкалой и дисковой диаграммой. Т-424 Кон тр А вт 3 4 5 .7 • SP • HL SP • АВТ • РУ Ч Рисунок 50 – Внешний вид прибора ДИСК-250М с диаграммой и цифровым табло. •LL •ТЕСТ •СТОП ВВОД Рисунок 51 – Вторичный прибор с цифровым индикатором и регулирующим устройством. Для примера рассмотрим, как происходит передача сигнала от датчика, измеряющего температуру. Температура может измеряться несколькими способами. В диапазоне от 350 С до 2000 С для измерения температур используются уже знакомые нам термоэлектрические преобразователи. Температуры ниже 350 С измеряются с помощью термопреобразователей сопротивления, а выше 2000 С – пирометрами. Помимо всего прочего (принципа действия, конструкции и т. д.) эти датчики имеют различные выходные сигналы. Так, термоэлектрические преобразователи вырабатывают сигнал в виде напряжения (термоЭДС) постоянного тока, термопреобразователи сопротивления – токовый сигнал, пирометры – унифицированный сигнал. 99 Для каждого вида сигнала используется вторичный прибор с определенной измерительной схемой. Например, для работы с термопарой используется вторичный прибор с так называемой потенциометрической (или компенсационной) схемой измерения. ТермоЭДС возможно измерять милливольтметром, но тогда для определения температуры потребуются специальные таблицы перевода термоЭДС в градусы. Такие таблицы называют градуировочными, а графики, построенные на их основе, нормальными статическими характеристиками (НСХ). Есть еще одна особенность. Необходимо знать тип материалов, их которых изготовлены термопары. В зависимости от этого применяют соединительные провода определенной марки. Провода называют соединительными потому, что они соединяют термопару, установленную на объекте, со вторичным прибором, расположенным в операторском пункте, иногда за десятки метров от объекта. Марка соединительных проводов зависит от типа термопары и выбирается так, чтобы потери термоЭДС практически отсутствовали. Соответствие термопар и соединительных проводов можно также определить по специальным таблицам. Для работы с термопреобразователями сопротивления применяют другие типы вторичных приборов – с мостовой измерительной схемой и логометры. Принцип работы этих приборов отличен от рассмотренного выше, но назначение идентично. Таким образом, можно сказать, основное назначение вторичных приборов заключается в преобразовании измерительной информации и представлении ее в виде, удобном для потребителя. Теперь можно говорить о создании системы контроля, которая позволит нам вести непрерывный контроль за определенным параметром. Такая система состоит из объекта измерения, датчика и вторичного прибора (рис. 52). Только что мы говорили о системе, а на рисунке изображены прямоугольник, линии, кружки. Где же система? Дело в том, что на чертеже все элементы системы изображаются в виде условных знаков. Прямоугольник – объект контроля или управления (регулирования), линия со стрелками – поток вещества, линии без стрелок – соединительные элементы (например, провода), кружки – датчики или приборы. Есть и другие условные обозначения. Вы с ними познакомитесь дальше. Здесь в кружки вписаны буквы и цифры. Каждая буква и цифра имеют свое значение. Буква «Т» означает, что 100 мы измеряем температуру, а 1а – номер системы и прибора. Если кружок не имеет внутри горизонтальной линии, то это датчик. Кружок с горизонтальной линией внутри обозначает вторичный прибор. Сочетание букв «TIR» означает, что это вторичный прибор для измерения температуры, показывающий и регистрирующий, т. е. имеющий отсчетное устройство и устройство для записи измеряемой величины на диаграмме. Итак, мы уже знаем, что для организации автоматического контроля необходимы датчик и вторичный прибор. А дальше? Ведь мы хотим, чтобы нужный нам параметр во время проведения технологического процесса имел постоянное значение, т. е. находился на заданном уровне. Х Объект Y ТЕ 1а ТIR 1б Рисунок 52 – Функциональная схема системы контроля. Следовательно, следя за значением параметра по прибору, мы должны постоянно его регулировать, поддерживать нужное его значение. В подавляющем большинстве случаев человек может с этим не справляться. Хорошо, если процесс имеет небольшое количество параметров, скажем 3–4, а если больше? Становится затруднительно следить сразу за многими параметрами и регулировать их. Поэтому эту работу поручили автоматическим регуляторам. Автоматические регуляторы. Виды схем автоматического регулирования Познакомимся сначала с простейшими регуляторами, изобретенными более 200 лет тому назад. Регуляторы этого типа широко применяются и сейчас. Их преимуществом является простота конструкции. Но зато они в принципе не могут быть абсолютно точными. 101 О регуляторах, которые мы будем рассматривать, вы наверное слышали. В 1765 году И. И. Ползунов изобрел регулятор уровня воды, в 1784 году Дж. Уатт создал центробежный регулятор скорости вращения. Регуляторы уровня применяются сейчас в автомобильных карбюраторах. Центробежные регуляторы скорости вращения имеются в дизельных двигателях, паровых турбинах, двигателях реактивных самолетов. Они предназначены для стабилизации режима работы. В любом случае регулятор реагирует на изменение регулируемого параметра и возвращает его к заданному значению. Но возникает вопрос, а как определяется заданное значение параметра, каким образом регулятор узнает о нем? Оказывается, все очень просто. В системах регулирования есть специальное устройство – задатчик, с помощью которого в регулятор вводится заданное значение параметра. С помощью задатчика на вход регулятора подается сигнал, пропорциональный заданному значению параметра. В регуляторе этот сигнал сравнивается с сигналом, поступающим от датчика или вторичного прибора. Если сигналы одинаковые по величине, то они компенсируют друг друга, и на выходе регулятора сигнал равен нулю. В случае неравенства сигналов в регуляторе появляется сигнал рассогласования, т. е. отличного от нуля, и регулятор вырабатывает командный сигнал. Следует отметить, что отклонение регулируемого параметра может быть различным, т. е. он может стать или больше, или меньше заданного значения, установленного задатчиком. В любом случае командный сигнал имеет знак, противоположный отклонению. Например, если регулируемый параметр стал больше заданного значения, то командный сигнал направлен на его уменьшение, и наоборот. На схеме рис. 53 представлена схема автоматического регулирования. Мы видим, что на этой схеме, помимо уже знакомых объекта и регулятора, имеются еще ряд устройств. Каждое из них выполняет определенную операцию в системе. Рассмотрим подробнее. Значение параметра, который необходимо регулировать, определяется с помощью датчика и измерительного устройства. В конкретном случае измерительным устройством ИУ может быть вторичный прибор, который не только представляет нам информацию о значении параметра, но и в виде сигнала определенной величины передает это значение автоматическому регулятору АР. Как видно из 102 схемы, на регулятор поступает еще один сигнал от устройства ЗУ. Это устройство называют задатчиком. С его помощью регулятор «узнает», какова должна быть величина регулируемого параметра. Если оба сигнала равны, то регулятор не работает, значит все в порядке. Но стоит сигналу от ИУ измениться в большую или в меньшую сторону, как на выходе регулятора появляется сигнал, пропорциональный алгебраической разности двух сигналов. Этот сигнал поступает на исполнительный механизм ИМ, который через регулирующий орган РО изменяет значение входного параметра х, влияющий на выходной параметр у. Z Объект регулирования Х Y РО ИУ ИМ Хр АР Yзад ЗУ Рисунок 53 – Схема системы автоматического регулирования. О таких системах говорят, что они поддерживают регулируемый параметр на заданном уровне, т.е. стабилизируют его. Отсюда произошло название «система стабилизации». Эти системы применяют в случаях, когда объект регулирования достаточно прост, и не требуется регулировать большое число параметров. В реальных условиях объекты гораздо сложнее, т.е. характеризуются большим числом параметров – 20, 30 и более. Как правило, параметры таких объектов связаны между собой, и изменение одного из них влечет за собой изменение целого ряда других. Для управления такими объектами используют системы автоматического управления, которые в своем составе могут содержать вычислительные устройства (рис. 54). В отличие от предыдущей схемы здесь применяется вычислительное устройство, позволяющее не только стабилизировать параметр, но и управлять им по определенному закону в соответствии 103 с выбранным критерием. Эти законы называют законами регулирования. Рассмотрим эти два понятия: закон регулировании и критерий управления. Представим, что произошло отклонение параметра, например, температуры, от заданного значения на какую-то величину Δt. Регулятор, сравнивая измеренное значение параметра с заданным, определяет сигнал рассогласования и вырабатывает регулирующее воздействие (или командный сигнал) ΔS. Это воздействие направлено на ликвидацию сигнала рассогласования и, как правило, равно ему, но имеет противоположный знак. Другими словами, если температура повысилась, то регулирующее воздействие направлено на ее снижение и наоборот. В этом случае регулятор вырабатывает сигнал пропорциональный величине отклонения. Такое регулирование называют пропорциональным, а закон регулирования – пропорциональным (П-закон регулирования). Практически всегда изменение параметра происходит с определенной скоростью, которая может быть относительно большой или малой. С точки зрения математики, мы получаем первую производную от отклонения. В зависимости от этого должна меняться и скорость регулирующего воздействия, чтобы возможно быстро устранит отклонение параметра от заданной величины. Для этого регулирование ведут с учетом скорости отклонения, вводя в закон интегральную составляющую, а закон регулирования называют пропорционально-интегральным (ПИ-закон регулирования). Z Х Объкт управления Y ро им КП Д ОПУ ВП ВУ НП Сигн ализаци, мн емосхем а Д - датчик ВП - вторичный прибор НП - нормирующий преобразователь ВУ - вычислительное устройство КП - кодирующий преобразователь ИМ - исполнительный механизм РО - регулирующий орган ОПУ - операторский пункт управления Рисунок 54 – Система автоматического управления. 104 Довольно часто нам приходится иметь дело с объектами, на которых изменение регулируемой величины происходит с возрастающей скоростью, т. е. с ускорением. Следовательно, необходимо компенсировать и эту составляющую отклонения. Для этого в закон регулирования вводят дифференциал по скорости отклонения, а сам закон называют пропорционально-интегральнодифференциальным (ПИД-закон регулирования). Мы установили, что нежелательное изменение параметра во времени возможно компенсировать регулирующим воздействием, имеющим противоположный знак. Другими словами, если регулируемый параметр увеличивается, то регулятор вырабатывает воздействие, направленное на уменьшение значения параметра. При этом регулирующее воздействие может осуществляться по одному из рассмотренных выше законов. Устройства, реализующие рассмотренные законы регулирования, имеют одноименные названия, например, пропорциональноинтегральный или ПИ-регулятор. На практике часто приходится с помощью одного и того же регулятора поддерживать различные режимы работы, или, как принято говорить, регулировать параметры объекта с различными характеристиками. В таких случаях требуется перенастройка закона регулирования, а следовательно, и регулятора, т. е. использование его составляющих в различных сочетаниях. Для этого в регуляторах имеются органы настройки: коэффициент пропорциональности, время интегрирования (изодрома) и время дифференцирования (предварения). Изменяя доли составляющих можно получить из ПИДрегулятора любой другой: П-, ПИ-, ПД-регулятор. Такое построение позволяет осуществлять настройку регулятора и выбор закона регулирования в широком диапазоне исходя из характера объекта регулирования. Во многих случаях управление объектом необходимо вести одновременно по нескольким параметрам, от величины которых зависит ход технологического процесса. Например, одновременно необходимо учитывать изменение температуры, давления, расхода сырья, его влажности и т. д. В таких случаях возникает необходимость создания нескольких систем для регулирования каждого параметра. Но, как правило, параметры объекта связаны между собой. Расход сырья может влиять на температуру, давление в печи может влиять на распределение температуры внутри агрегата и т. д. Эти связи в 105 значительной степени могут сказываться на качестве процесса и, в конечном итоге, на качестве готового продукта. Где же выход, как исключить эти «паразитные» связи между параметрами? Решение этой задачи кроется изначально в различных видах систем автоматического регулирования. В общем случае системы разделяют на системы регулирования, системы программного управления и системы зависимого управления. В первом случае работа системы направлена на поддержание параметра на заданном уровне, например, система стабилизации температуры. Такие системы независимо ни от чего будут поддерживать заданное значение температуры. Ко вторым относятся такие системы, в которых все операции управления производятся по заранее заданной программе. Третьи – это системы, в которых в ходе управления величины, характеризующие состояние объекта управления, изменяются более сложным образом в зависимости от других величин, например, внешних или управляющих воздействий. Системы автоматического управления различают и по другим признакам. К различным классам относят непрерывные и дискретные системы. В первых из них формирование и передача управляющих воздействий производятся непрерывно, во вторых – в дискретные моменты времени, т. е. периодически. Существуют и гибридные системы. Относят к различным классам системы управления в зависимости от характера изменения параметров объекта управления. Изменение одних параметров может зависеть от одной переменной, т. е. являются функцией одной переменной. На другие параметры могут влиять несколько переменных, т. е. являются функцией нескольких переменных. В первом случае параметры системы обычно изменяются лишь с течением времени. Изображая такие системы, как мы это делали, можно считать, что каждая из величин относится к определенному месту. Можно считать, что указанные величины относятся к определенным точкам системы – сосредоточены в них. Такие системы называют системами с сосредоточенными параметрами. Системы, в которых параметры распределены в пространстве, называют системами с распределенными параметрами. Надо заметить, что большинство объектов управления имеют распределенные параметры и, следовательно, системы управления ими являются системами с распределенными параметрами. 106 Различают также простые и сложные системы автоматического управления. Простые мы уже рассматривали. Сложные – это такие, которые выполняют более сложные функции управления. Одним из элементов таких систем может быть ЭВМ, обрабатывающая информацию, необходимую для формирования командного воздействия. Сложная система может иметь в своем составе много различных средств автоматики. Для многих сложных систем характерно их построение по иерархическому принципу (рис. 55). уровень уровень уровень I II III II I I II I I Объект управления Рисунок 55 – Иерархическая структура системы управления. На уровне I находятся устройства, выполняющие функции автоматического управления. Их называют локальными системами. Как правило, они управляют одним определенным параметром. Их работа корректируется устройствами второго уровня. К ним поступает информация о выполнении переданных команд. На этом уровне могут располагаться небольшие вычислительные устройства, позволяющие вести логическое управление. Аналогично связаны второй и третий уровни. Здесь расположено центральное устройство, как правило ЭВМ средней или большой мощности. Оно может корректировать и работу первого уровня. Уровней может быть два, три и более. По разному могут располагаться и каналы связи. На верхний уровень подается только важная информация, в основном технико-экономическая, необходимая для решения производственных и экономических задач. Но об этом особый разговор. 107 Из сказанного следует, что существует много различных типов систем автоматического управления. Классификация их по соответствующим признакам, конечно, полезна и дает возможность определить ее назначение и сложность. Однако отнесение данной конкретной системы к тому или иному классу иногда является условным. Вернемся к иерархической структуре системы управления (рис. 55). Каждый из трех уровней имеет свое назначение. Первый уровень или нижний, представляет собой системы автоматического регулирования отдельных параметров процесса (объекта). Они, как правило, не связаны между собой и работают относительно друг друга автономно. Их также называют локальными и решают они чаще всего стабилизационные задачи. При этом задание регулятору каждой из систем устанавливается оператором. А как быть, если число параметров велико и они оказывают значительное влияние друг на друга? В таких случаях используют второй уровень. Его задача заключается в том, чтобы определить степень взаимного влияния параметров и выработать необходимые задания регуляторам локальных систем. Второй уровень, как правило, оснащен управляющими вычислительными машинами. Они производят обработку информации от локальных систем и выдают решения, которые в виде заданий поступают на вход регуляторов первого уровня. Ниже мы рассмотрим принципы выработки управлений УВМ. Здесь только скажем, что совокупность систем первого и второго уровней называют автоматизированными системами управления технологическим процессом – АСУТП. В отличие от автоматических систем управления в АСУТП ведущую роль играет оператор, контролирующий работу УВМ и определяющий возможность участия ее в процессе управления. Такие системы создаются тогда, когда необходимо управлять технологическим процессом, распределенным территориально и во времени. Например, в производстве цинка есть несколько переделов: обжиг концентрата, выщелачивание огарка, электролиз, получение чушкового цинка. Эти переделы последовательны во времени и распределены по разным цехам. Создание АСУТП цинкового производства позволило связать параметры всех переделов и вести управление исходя из конечной цели производства – получение металлического цинка требуемого качества. 108 Третий уровень стоит несколько особняком. Дело в том, что здесь решаются не только технические и технологические задачи, но в большей степени экономические. И это правильно. Ведь совершенно необходимо знать и предвидеть затраты на производство продукции, расходы на эксплуатацию оборудования, стоимость сырья, материалов и энергоносителей, расходы на зарплату персоналу и т. п. В зависимости от решения этих задач могут меняться задания нижним уровням, в т. ч. и первому. Каждая из перечисленных составляющих является неотъемлемой частью производственной деятельности и подвержена частому изменению. Такое положение вынуждает в процессе решения задач управления иметь дело с большим числом переменных величин. Каждая из них характеризует определенный параметр и изменяется закономерно или случайным образом. Устройствам третьего уровня приходится иметь дело с большим объемом информации, причем самой разнообразной. Путь вверх Итак, мы установили, что в основе любого решения, принимаемого системой, лежит информация. Какая она и откуда берется? Попробуем ответить на этот вопрос. Мы уже знакомы с понятием «информация» и знаем, как ее получают и для чего она необходима. Но прежде использование информации мы ограничивали в пределах одной системы. В иерархических системах информация играет практически главную роль. Как и в любой жизненной ситуации, информация является основой для принятия решений. Конечно, необходимо еще правильно распорядится полученной информацией, т. е. сделать правильные выводы и принять соответствующие решения. Применительно к автоматизированным системам управления информация собирается несколькими путями. Путь первый. Информация о ходе технологического процесса (или состоянии объекта управления) собирается с помощью датчиков, установленных на объекте, в непрерывном режиме или с определенной периодичностью. Эта информации непрерывно поступает на устройства преобразования, с помощью которых мы можем знать ее числовое значение. Путь второй. Не все параметры объекта возможно измерить с помощью автоматических датчиков. Всегда найдется какой-то 109 параметр, значение которого возможно определить только лабораторным методом. Так определяют чаще всего концентрацию какого-либо компонента в контролируемом веществе. Результат анализа вводится в систему ручным способом, с помощью клавиатуры. Путь третий. Документальный. Он используется довольно редко, но знать его нужно. Осуществляется с помощью сканера, подключенного к порту компьютера. В последнее время для ввода документальной информации все чаще стали применять CD-диски и флэш-память. Этот способ позволяет значительно ускорить получение и использование информации в работе. Информация получена, и что же дальше? А дальше она проходит обработку, которая тоже бывает различной. Под понятием «обработка» скрывается несколько аспектов. Представим себе, нам необходимо узнать температуру технологического процесса с помощью термопары. Мы знаем, что термопара генерирует термоЭДС в милливольтах – мВ. Следовательно, чтобы узнать значение температуры, необходимо взять специальные таблицы соответствия милливольт температуре и определить последнюю. Но, во-первых, нужно всегда иметь таблицу при себе, а во-вторых, таблицей надо уметь пользоваться. Появилась необходимость преобразовать полученную от термопары информацию в мВ в градусы. Это преобразование является первичной обработкой информации. Следствием ее становится представление полученной информации в виде, удобном для потребителя. Потребителем может быть оператор технологической установки, которому вполне достаточно увидеть на приборе значение температуры, чтобы принять соответствующее решение. А если информация нужна для целей управления? В этом случае с помощью выходного устройства вторичного прибора информация еще раз преобразуется, т. е. обрабатывается и передается следующему потребителю, например, регулятору. В регуляторе информация вновь обрабатывается, но уже в ином плане. Здесь над ней совершаются математические операции, например, ее значение сравнивают со значением информации от задатчика. В результате на выходе регулятора появляется сигнал рассогласования, т. е. информация о разности значений текущего и заданного сигналов. В результате возникает процесс регулирования параметра, в данном примере температуры. 110 Мы познакомились с одним из видов обработки информации. В этом примере информация представлена в виде непрерывного электрического сигнала. Такой вид сигнала называют аналоговым. Большинство современных регуляторов, а тем более компьютеры, работают с дискретными или цифровыми сигналами. Такие сигналы носят импульсный характер, т. е. превращаются в последовательность импульсов. Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой также является обработкой информации. Она осуществляется специальными устройствами – аналого-цифровыми преобразователями. Есть устройства, осуществляющие обратное преобразование – цифроаналоговые преобразователи. Но есть значительно более сложная обработка информации. Она проводится вычислительными устройствами с различными целями. Такая обработка связана с проведение большого числа вычислительных операций, необходимых для выработки управляющих команд регуляторам. Обработка ведется по программам, либо стандартным, либо созданным специально для конкретных целей. Этот вид обработки используется, как правило, на высших уровнях автоматизированных систем управления производством или отраслью. Как видим, на своем пути информация, полученная датчиками или введенная ручным способом (клавиатурой, сканированием), претерпевает многократные простые или сложные преобразования, прежде чем превратится в команду управления. Заметим также, что путь вверх сопряжен с выполнением целого ряда операций и имеет определенное целевое назначение. В первую очередь, речь идет о таком управлении, чтобы можно было вести его наилучшим образом с точки зрения производительности, качества или себестоимости. Управление по такому принципу является оптимальным относительно поставленной цели (критерия). В этом случае создаются такие условия работы объекта, при которых выходная величина, изменяющаяся в функции от входных, достигает оптимального значения. Оптимальное управление Термины «оптимальный», «оптимизация» используются многими и достаточно часто. Но если спросить, что этот термин означает, вряд ли все ответят правильно. А ведь этот термин имеет вполне определенное толкование. Рассмотрим это на примере. 111 Допустим, из дома на работу вам можно добраться тремя видами транспорта: трамваем, маршруткой и такси. Живем мы в современном городе, который находится под воздействием транспортных пробок, погодных условий и т. д., учтем также, что наша работа находится на равном расстоянии от трамвайной остановки и пути следования маршрутного такси. Наша задача: за наименьшее время приехать на работу. Оценим каждый вид транспорта с этой точки зрения. Трамвай. Стоит дешевле, движется по графику, время в пути нас устраивает. Но мы знаем, что график движения часто нарушается изза поломок, отсутствия электроэнергии и т. п. Следовательно, трамвай не удовлетворяет нашей цели. Маршрутное такси. Стоит дороже, однако движется быстрее трамвая. Но в нем может не быть свободного места и маршрутка проедет мимо. Такси. Стоит дорого, но его можно вызвать в любой момент и, если по дороге не будет пробок, вы вовремя успеете на работу. Мы рассмотрели три варианта, их преимущества и недостатки, относительно одной цели – времени. Ради достижения этой цели должны поступиться затратами, т. е. стоимость оптимального времени на дорогу до работы резко возрастает. Рассматривая приведенный пример относительно стоимости поездки, оптимальным становится трамвай. Следовательно, оптимизация предполагает, что в результате каких-либо действий будет получен наилучший результат. Для этого также необходимо определить конечную цель или, как принято говорить, целевую функцию процесса. Если мы, например, выпекаем хлеб, то он должен обладать целым рядом характеристик, которые в совокупности складываются в понятие «качество». Ограничимся пока этим совокупным понятием и рассмотрим, что необходимо для его обеспечения. Очевидно, что здесь необходимо иметь в виду приготовление теста, формовку, расстой, температуру и время выпечки. Анализ влияния каждого из этих процессов на качество готового хлеба показал весьма жесткую зависимость. Ограничимся рассмотрением влияния температуры. Высокая температура сократит время выпечки, но хлеб может оказаться непропеченным, сырым. Низкая температура приведет к «затвердеванию» теста, плотному мякишу. Следовательно, температуру необходимо поддерживать в каких-то пределах, чтобы 112 обеспечить выпечку хлеба заданного качества, т. е. выпечь хлеб высокого качества. Для рассмотренного примера целевую функцию (критерий управления) можно записать: К → max (10) Однако такая запись критерия не отображает всю полноту рассуждений: здесь отсутствует рассмотренный параметр – температура. С учетом последней уравнение (10) примет вид: К → max (11) Т max Tзад Т min Нижняя строка в уравнении (11) отображает ограничение на температуру процесса, которое необходимо выдерживать, чтобы обеспечить выполнение целевой функции К. Ограничение, приведенное в уравнении (11), относится только к одному параметру. Но в реальном производстве таких параметров может быть десятки и даже сотни. Если на один критерий вводить ограничения по каждому параметру, то выполнение его станет практически невозможным. Поэтому в теории оптимального управления часто используют обобщающие ограничения, когда речь заходит об оптимальном управлении технологическим процессом в целом или производством, состоящим из значительного числа последовательных технологических процессов. Для таких случаев целевые функции могут иметь вид: К → max П ≥ ПЗ; С ≤ СЗ; (12) П → max К ≥ КЗ; С ≤ СЗ; (13) С → min К ≥ КЗ; П ≥ ПЗ; (14) В уравнениях (12)…(14) К – показатель качества; П – производительность процесса или производства; С – себестоимость производимой продукции. 113 Из приведенных уравнений видно, что качество, производительность и себестоимость могут быть как критериями, так и ограничениями. Следовательно, все зависит от выбора критерия и конечной цели производства. Иными словами, для определения критерия и ограничений необходим тщательный анализ производства как объекта управления. Проведение такого анализа позволит определить не только параметры и диапазон их изменений, но и связь между ними, степень их взаимного влияния. Последнее особенно важно, ибо дает возможность говорить о синтезе систем управления и методах и средствах построения оптимальных систем. Рассмотрим некоторые аспекты оптимального управления техническими системами. В химическом реакторе взаимодействуют два вещества. Наибольшая скорость реакции достигается при определенном соотношении компонентов. Если один из компонентов подавать за единицу времени в неизменном количестве, а подачу второго постепенно увеличивать, то скорость реакции сначала будет расти, достигнет максимума при наивыгоднейшем соотношении компонентов, а при еще большем относительном поступлении второго компонента начнет уменьшаться. Выходная величина (скорость реакции) W изменяется в зависимости от входной величины (количество второго компонента) U (рис. 56а, кривая 1). Казалось бы, достаточно поддерживать U на постоянном уровне, при котором скорость реакции W максимальна, используя для этого систему стабилизации режима. W 1 2 3 W 2 1 U б) а) U Рисунок 56 – Графики зависимости W=f(U) (a) и схема оптимизатора (б). 114 Однако зачастую это не представляется возможным, т. к. значение U с течением времени, в силу ряда причин, может меняться. Такими причинами могут быть изменение степени активности катализатора, произвольное изменение первого компонента и т. д. Поэтому выходная величина U может меняться как показано на рис. 56а, кривые 2 и 3. Для объектов управления, имеющих такие характеристики W=f(U), поддержание с помощью регулятора-стабилизатора постоянного значения U неприемлемо. Поэтому применяют автоматические оптимизаторы или экстремальные регуляторы. Схема системы приведена на рис. 56б. Здесь 1 – объект управления, 2 – автоматический оптимизатор. Системы такого типа называют самонастраивающимися, т. к. они сами настраиваются на поддержание оптимального режима. Их называют также поисковыми, т. к. ими производится автоматический поиск точки экстремума характеристики W=f(U). ЭВМ в автоматике. Микропроцессоры При решении многих задач управления приходится производить большое количество математических операций: складывать, вычитать, умножать, делить, извлекать корень, возводить в степень. Если внимательно посмотреть на этот перечень операций, то видно, что мы имеем дело с тремя парами противоположных операций. Одна операция условно положительная, другая – условно отрицательная. К выполнению таких операций сводится решение дифференциальных уравнений. При этом производные приближенно замещаются приращениями переменных за заданный, условно промежуточный промежуток времени, и заменяются значения каждой величины полусуммой ее значений в начале и конце данного промежутка времени. С помощью ЭВМ можно обрабатывать смысловую информацию, решать логические задачи. Все цифровые операции выполняются вычислительными устройствами (ВУ), при работе которых используется двоичная система счисления, уже знакомая из курса информатики. С помощью ЭВМ воспроизводится и обрабатывается информация об управляемом процессе (объекте), вырабатываются управляющие воздействия, соответствующие сигналы передаются на исполнительные механизмы и связанные с ними регулирующие 115 органы. Различают два типа ЭВМ: универсальные и специализированные. К последним относятся управляющие ЭВМ, например, входящие в состав автоматизированных систем управления технологическими процессами. Таким же образом могут использоваться универсальные ЭВМ, служащие для решения более широкого круга задач. ЭВМ различных типов используют в АСУ, в которых им отведена роль помощника человека. Сама ЭВМ является сложной автоматической системой с программным управлением и переменной структурой: связи между ее отдельными частями устанавливаются так, чтобы обработка информации шла с максимальной скоростью. В ЭВМ имеются арифметически-логическое устройство (АЛУ), производящее обработку информации, устройство ввода-вывода ее (УВВ) и запоминающие устройства (ЗУ). В оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) хранится та информация, которая используется в данное время при решении конкретной задачи. Для длительного хранения информации используются внешние запоминающие устройства, запоминающие устройства (ВЗУ) большой емкости. Современные ЭВМ строятся на базе микроэлектронных интегральных схем и больших интегральных схем (БИС). На базе БИС с программируемой логикой строятся микропроцессоры (МП). Программа работы МП хранится в имеющемся в микропроцессорной системе запоминающем устройстве. С созданием микропроцессорной техники появилась возможность массового применения микропроцессорных контроллеров (МПК). Они намного выгоднее как технически, так и экономически, в АСУТП, чем большие ЭВМ. Это особенно заметно при автоматизации сравнительно небольших производств. Их можно использовать в качестве регуляторов, реализующих как основные законы регулирования, так и логические операции. Теория автоматических систем Рассматривая совместную работу объекта и регулятора, мы установили, что при несогласованности их характеристик вся система оказывается неработоспособной. То, что было рассмотрено, относится и к другим системам регулирования. Нужно не только обеспечить 116 работоспособность системы, но и получить достаточно удовлетворительное качество процессов управления. Для этого необходимо иметь ясное представление о самой сущности процессов управления. Необходимы и методы согласованного выбора параметров элементов системы, при котором достигается нужное качество ее работы. Изучением процессов автоматического управления и методами рационального построения систем управления и занимается теория автоматического управления. Благодаря созданию науки автоматического управления и использованию ее методов на практике, оказались возможным использовать все достижения техники автоматического управления. Основой основ здесь является общая теория автоматического управления, занимающаяся изучением динамики систем автоматического управления. Теория автоматического управления дает методы решения задач двух видов. Первые из них – это задачи анализа работы систем автоматического регулирования: по известным характеристикам отдельных элементов определяются общие характеристики системы и проводится анализ ее работы с целью определения качества регулирования. Вторым видом задач является синтез систем: если система автоматического управления еще не построена, а только имеются требования к ней, то решается вопрос о структуре системы и какими должны быть отдельные элементы, чтобы удовлетворить поставленным требованиям. Теория автоматического управления является многогранной, разветвленной. В дальнейшем вы познакомитесь с основными методами исследования непрерывных и дискретных систем. Вы рассмотрите детерминированные системы, они расскажут о характеристиках случайных процессов, с которыми часто приходится иметь дело при разработке автоматических систем. И все-таки остается неясно, а как реально используется теория автоматического управления. Для ответа рассмотрим пример. Управляя автомобилем, вы постоянно меняете скорость движения, т. е. его динамику. Изменение скорости зависит от многих факторов: наличие других транспортных средств, состояние дороги, время суток, сигналов светофоров, дорожные знаки и т. д. Скорость изменяется вследствие количества подаваемого горючего в двигатель, которое регулируется вами через соответствующую педаль. Если к 117 этому процессу подойти с точки зрения теории автоматического управления, то движение автомобиля – это процесс, а водитель – регулятор. Казалось бы, что проще – крути «баранку», дави на «газ», – и вперед. А как часто бывает, что такой подход приводит к аварии. Причина одна: не каждый водитель учитывает все факторы (параметры), сопутствующие движению, да и времени на это часто не хватает, тем более, что надо учитывать действия других водителей, т. е в доли секунды просчитать возможные варианты. Здесь и опыт не всегда поможет. Рассмотренный пример легко переносится на любой технологический процесс, проходящий во времени, т. е. в динамике. Он также зависит от большого числа параметров, которые необходимо учитывать, чтобы правильно управлять процессом. А что значит – правильно? В общем случае цель процесса – получить продукцию больше, качественнее и дешевле. Вот как раз это и можно осуществить с помощью теории автоматического управления, о чем сказано выше. В наше время, когда интенсивно разрабатываются новые технологии, немыслимо отделение технологии и оборудования от автоматизации. Сдавая технологию «под ключ», разработчик обязательно предусматривает наличие систем автоматизации для контроля и управления процессом. В большинстве своем предлагаемая автоматика не только управляет технологией, но и следит за экологией процесса, что очень важно для создания нормальной экологической обстановки и сохранения окружающей среды. В чем суть экологической защиты и почему ей уделяется такое большое внимание, рассмотрим ниже. Экология Экология (от греческого οικος – дом, обиталище и λόγος – учение) – наука о взаимоотношениях растительных и животных организмов и образуемых ими сообществ между собой и окружающей их неорганической средой (средой обитания), о связи в надорганизменных системах, о структуре и функционировании этих систем, условиях развития и равновесия этих систем. Инструментами этого познания являются наблюдение, проведение 118 опытов, выдвижение теорий, объясняющих явления. Отношения между человеком и природой также являются предметом изучения экологии. Первоначально же предложенный Эрнестом Геккелем в 1866 году данный термин звучал так: экология – это познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами среды… Одним словом, экология – это наука, изучающая все сложные взаимосвязи в природе, рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование. Это определение Э. Геккеля написано в те времена, когда экология была ещё исключительно биологической наукой. Нынешнее понимание экологии значительно шире. Экология обычно рассматривается как подотрасль биологии, общей науки о живых организмах. Живые организмы могут изучаться на различных уровнях, начиная от отдельных атомов и молекул и кончая популяциями, биоценозами и биосферой в целом. Экология связана со многими другими науками именно потому, что она изучает организацию живых организмов на очень высоком уровне, исследует связи между организмами и их средой обитания. Экология тесно связана с такими науками, как биология, химия, математика, география, физика, философия. Эрнст Генрих Филиипп Август Гееккель (нем. Ernst Heinrich Philipp August Haeckel; 1834–1919) – немецкий естествоиспытатель и философ. Автор терминов–питекантроп, филогенез и экология. На стыке экологии и других научных дисциплин (медицины, педагогики, юриспруденции, химии, технологии, агрономии и так далее) рождаются новые научные направления. В широком смысле слова экология выходит за рамки чисто биологической Эрнест Геккель отрасли знаний. В экологии выделяют экологию различных систематических групп (экология грибов, экология растений, экология млекопитающий 119 и т. д.), сред жизни (суши, почвы, моря и т. п.), эволюционную экологию (связь эволюции видов и сопутствующих экологических условий), ряд прикладных направлений (медицинская, сельскохозяйственная, лесохозяйственная, водохозяйственная, эколого-экономические науки) и многие другие направления. Особо следует отметить такой раздел как социальная экология то есть экология человеческого сообщества, изучающая взаимоотношение социума и Природы. После того как мы дали определение экологии, наверное, будет полезным развести экологию и некоторые другие науки и понятия, которые часто смешиваются, и все это создает невообразимую путаницу. К экологии иногда неверно относят ряд дисциплин. Так, природопользование и охрана природы не являются разделами экологии. Другое дело, что в последнее время стало ясно, что нельзя организовывать природопользование и охрану природу, не применяя экологических методов и не используя экологическое знание. Только знание о взаимосвязи природных объектов, об устойчивости природных систем может определить возможные механизмы взаимодействия с ними. Этим и объясняется справедливый всеобщий интерес к экологии как науке о взаимосвязях живых организмов и окружающей их среды. Классическое определение экологии: наука, изучающая взаимоотношения живой и неживой природы. Второе определение дано на 5-м Международном экологическом конгрессе (1990) с целью противодействия размыванию понятия экологии, наблюдаемому в настоящее время. Однако это определение полностью исключает из компетенции экологии как науки аутэкологию, что в корне неверно. Вот некоторые возможные определения науки «экология»: Экология – познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами окружающей среды… Одним словом, экология – это наука, изучающая все сложные взаимосвязи в природе, рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование. Экология – биологическая наука, которая исследует структуру и функционирование систем надорганизменного уровня (популяции, сообщества, экосистемы) в пространстве и времени, в естественных и изменённых человеком условиях. Экология – наука об окружающей среде и происходящих в ней процессах. 120 История экологии Уже с давних времён люди стали замечать различные закономерности во взаимодействии животных друг с другом и с окружающей средой. Однако в те времена даже биология не была отдельной наукой, являясь частью философии. Первые описания экологии животных можно отнести к индийским и древнегреческим трактатам: Индийские трактаты «Рамаяна», «Махабхарата» (VI–I века до н. э.) – Образ жизни зверей (более 50 видов), места обитания, питание, размножение, суточная активность, поведение при изменениях природной обстановки. Аристотель – «История животных» – экологическая классификация животных, среда обитания, тип движения, места обитания, сезонная активность, общественная жизнь, наличие убежищ, использование голоса. Теофраст – даны основы геоботаники, а также описано приспособительное значение изменений в окраске животных. Плиний Старший – «Естественная история» – представлен экономический характер зооэкологических представлений. Рисунок 57 – Связь экологии с другими науками. 121 Древние греки в целом представляли себе жизнь как нечто, не требующее понимания и адаптации, что близко к современным экологическим представлениям. Экология металлургии К середине 20 века и особенно в последние десятилетия в результате быстрого развития промышленности, транспорта, энергетики резко усилилась антропогенная нагрузка на природу; стала очевидной опасность истощения естественных ресурсов, необратимого загрязнения и изменения окружающей среды. Статистические данные свидетельствуют о том, что на планете ежегодно сжигается около 1 млрд тонн условного топлива, выбрасывается в атмосферу десятки млн тонн окислов азота и серы (часть из них возвращается в виде т. н. кислотных дождей), более 400 млн тонн золы, сажи и пыли. Загрязнение атмосферного воздуха, пресной воды, плодородной почвы приняло глобальный характер. При этом масштабы загрязнений столь велики, что естественные способности биосферы к нейтрализации вредных веществ и самоочищению практически исчерпаны. В России источником интенсивного загрязнения окружающей среды являются предприятия металлургической отрасли отечественной тяжелой промышленности. Строительство большинства из них пришлось на первую половину прошлого века, когда вопросы природоохранной деятельности предприятий в лучшем случае были второстепенными. Об экологии задумались несколько позже, лишь в последние десятилетия прошлого столетия (например, история «Норильского никеля» свидетельствует о том, что металлургическое производство в Норильске было основано в 1935г., однако первые сероутилизирующие объекты появились только в начале 1980-х годов). Сложившаяся ситуация требует поиска новых путей и подходов к решению экологических проблем, связанных с промышленным производством. Очевидно, что это должен быть целый комплекс организационных и технических мероприятий, направленных на предотвращение или существенное снижение неблагоприятного воздействия производственной деятельности на окружающую среду и, как следствие, на здоровье человека. 122 Особенностью отечественного металлургического производства является негативное воздействие на все составляющие окружающей среды. Это загрязнение почв по причине массового складирования отходов, сброс недостаточно обработанных производственных вод в естественные водоемы, а также выбросы в атмосферу большого количества вредных веществ. На металлургию приходится распространение в атмосфере почти 50 % неутилизируемых промышленностью окислов серы (только предприятиями Заполярного филиала «Норильского никеля» выбрасывается в атмосферу 979 тыс. тонн серы в год). Кроме того, технологический цикл подразумевает выбросы в атмосферу целого спектра токсичных для человеческого организма веществ, включая бензопирен, фториды, соединения марганца, ванадия и хрома. Подобное загрязнение воздуха крайне негативно сказывается на здоровье населения, проживающего в непосредственной близости от металлургических предприятий, многие из которых имеют статус градообразующих. Так, г. Норильск с численностью жителей 214 тыс. человек находится, по сути, в треугольнике заводов, что является непосредственной причиной роста числа патологий у проживающих здесь людей. В Мурманской области, где расположены несколько крупных металлургических заводов, в том числе дочернее предприятие ГМК «Норильский никель» – Кольская ГМК, регистрируется повышенная частота пороков развития у детей. Статистика, приведенная на сайте областной администрации, свидетельствует о том, что показатель детской смертности от онкологических заболеваний в этом регионе в 1,9 раза превышает общероссийский. Важнейшим документом в области природоохранной деятельности металлургических предприятий в РФ является экологический стандарт ГОСТ Р ИСО 14001, разработанный на базе международной системы стандартов ISO 14000, которой, в свою очередь, руководствуются страны Европейского Союза, Японии, США и многих др. Особенностью данной системы стандартов является ее ориентирование не на конкретные технологии или количественно – качественные показатели (объем выбросов, концентрации веществ и т. п.), а на систему экологического менеджмента (СЭМ) (или СУОС – система управления охраной окружающей среды – в редакции ГОСТ Р ИСО 14001). 123 Кроме того, системой стандартов ISO 14000 предусматривается создание производств, которым должны быть присущи: безотходность, экологически благоприятные технологии производства продукции и высокая культура персонала. Для отечественных металлургических предприятий такая сертификация является непременным условием маркетинга продукции на международных рынках, поскольку ЕЭС объявило о своем намерении допускать на рынок стран Содружества только ISO –сертифицированные компании. Предмет и задачи инженерной экологии Предмет инженерной экологии – инженерное творчество, оно может быть признано полезным, если проекты и конструкции технических устройств предусматривают сохранение экологического равновесия и обеспечивают безопасность жизнедеятельности экологических систем. Однако многие годы технические средства разрабатывались сами по себе, без научного анализа и учета экологических стрессов и деформаций в экосистемах биосферы. И сегодня мы часто можем видеть технику, совершенно неоправданно загрязняющую, если не говорить отравляющую окружающую природу из-за того, что при разработке этих технических средств не учитывались современные научные знания о взаимосвязи инженерных разработок с лимитирующими факторами природной среды и естественными возможностями саморегуляции экосистем биосферы. В результате тесной взаимосвязи производственных и природных процессов происходит слияние объектов хозяйственной деятельности и окружающей среды обитания человека в единые системы. Развитие этих систем происходит по сложным, во многом еще не изученным законам. Для изучения состояния окружающей среды, причин ее ухудшения и прогнозирования изменений, а также управления процессами оптимального развития таких систем сформировалась новая научная дисциплина – промышленная экология. Эта наука изучает единство материального промышленного производства, человека, живых организмов и среды их обитания. Задачи экологии в деятельности инженера-эколога промышленного производства или проектно-конструкторской организации можно сформулировать следующим образом: 124 1. Мониторинг, прогнозирование и оценка возможных негативных последствий действующих, вновь строящихся и реконструируемых предприятий для здоровья человека, среды обитания, всех живых организмов и растений. 2. Оптимизация технологических, инженерных и проектноконструкторских разработок, исходящих из минимального ущерба окружающей среде и здоровью человека. 3. Выявление и корректировка технологических процессов, наносящих ущерб человеку и природе. В последнее время получили распространение такие понятия, как "инженерная экология", "инженерная защита окружающей среды", "промышленная экология", "техническая экология", которые объединяет общая цель – решение проблем сохранения качества окружающей среды. Инженерная экология – научная дисциплина, изучающая объективные закономерности процессов и средств системного взаимодействия человека, технических средств и природной среды с целью создания безопасных для человека и природы систем «человек – техника – среда». Существуют и другие определения, как например, под инженерной экологией понимается система инженернотехнических мероприятий, направленных на сохранение качества среды в условиях растущего промышленного производства. Таким образом, экологические задачи решаются с помощью инженерных задач, поэтому речь идет не о дифференциации экологии на новые отрасли, а об инженерной защите окружающей среды. Решение экологических проблем с помощью инженерных методов возможно только тогда, когда специалист владеет методологией и достаточными знаниями в экологии, иначе говоря, обладает экологическим мышлением. Инженерная экология возникла на стыке технических и экологических наук, поэтому для нее являются характерными черты обеих. Актуальнейшей проблемой этой новой прикладной науки является преодоление узости взглядов на принципы как инженерных, так и экологических явлений. Как экологическая наука инженерная экология исследует экологические процессы, на которые оказывают влияние современные технические устройства и производственные комплексы, изучает требования к конкретным техническим средствам и построению системы ЧТС, которые вытекают из особенностей жизнедеятельности 125 человека и биосферы. Иначе говоря, решает задачу приспособления техники, сложных производств к естественным условиям жизни и деятельности человеческого общества и экосистем планеты. Как техническая наука инженерная экология изучает принципы построения сложных систем, технологические процессы для изучения и выполнения требований, обеспечивающих безопасность жизнедеятельности человека и биосферы. Сложные системы следует понимать как эргатические системы «человек – техника – среда» (ЧТС). Сложность и технических средств. Сложность и многообразие развития технических средств и техносферы в целом порождает много проблем, в решении которых принимает участие инженер. Многие из этих проблем, вырастающие до уровня чрезвычайных экологических ситуаций, появляются в результате частных позиций, одной из которых является ориентация предпринимателя на достижение прибыли. В ходе технического прогресса мы все лучше понимаем необходимость целостного охвата решения разных технических задач. Технические науки подошли сегодня к рубежу необходимости решения различных задач не только с позиции удовлетворения потребностей человека в общественной жизни, но и обеспечения естественных, чистых экологических условий для окружающей нас природы и всего живого. Проблематика инженерной экологии может быть разделена на несколько направлений. Основные из них: методологическое, экологическое, системотехническое, эргономическое, эксплуатационное и мониторинговое. Методологические проблемы позволяют выделить предметы в объект исследований, определить методы их изучения, установить принципы раскрытия закономерностей в исследуемой области, определить место инженерной экологии в системе наук, а также ее значение для обыкновенной практики. Методология инженерной экологии – это ее идейные позиции. Экологическое направление связано с изучением тех свойств биосферы и отдельных экосистем, а также лимитирующих факторов, которые имеют большое значение в процессе эксплуатации технических средств и производственных комплексов. Частные задачи экосистемы, лимитирующие факторы и примеры подробно будут рассмотрены ниже. Системотехническое направление инженерной экологии связано с изучением инженерно-экологических вопросов разработки эргатических систем ЧТС. В это направление входят следующие основные группы задач: 126 1. Разработка инженерно-экологических принципов построения технических элементов системы ЧТС, включая разработку принципов конструирования средств защиты окружающей среды и обеспечения безопасности жизнедеятельности человека. 2. Инженерно-экологическое проектирование, анализ и оценка проектируемой эргатической системы. Сюда относится распределение инженерно-экологических задач по стадиям проектирования системы. 3. Проектирование и разработка принципов и методов инженерной эргономики, оценка условий труда оператора эргатической системы, рабочего места и всего комплекса управления, анализ и проектирование деятельности оператора (группы людей), управляющего системой на разных уровнях решения задач. Термин системотехника появился в 60-е годы XX века в связи с развитием автоматизированных систем управления предприятием и отраслями народного хозяйства. Системотехника в настоящее время находит применение в автоматизации проектирования, автоматизации сложных научно-научно-экспериментальных работ, автоматизации управления производством, отраслями промышленности и систем и т. д. Системотехника является прикладной научной отраслью, теоретическую основу которой составляет общая теория. 4. Определение экономической эффективности и оценка социальных характеристик, а также разработка методов и критериев оценки надежности и эффективности системы ЧТС в целом. Прогрессивное эргономическое направление инженерной экологии характеризуется изучением и учетом человеческого фактора при проектировании и эксплуатации технических систем. В настоящее время развивается инженерная эргономика – научная дисциплина, исследующая объективные закономерности процессов и средств взаимодействия человека, техники и среды с целью приложения их к проектированию и конструированию сложных технических средств, предусматривающих повышение эффективности и качества труда, всестороннее развитие личности, защиту здоровья человека в техносфере. Эксплуатационное направление инженерной экологии связано с обеспечением эффективности и безопасности функционирования эргатической системы. Дело в том, что чрезвычайные ситуации, аварии и катастрофы, приносящие огромный ущерб окружающей среде и ставящие под угрозу здоровье и жизнь человека, обусловлены эксплуатационными причинами. Среди этих причин большую роль 127 играют ошибки человека, связанные с недостатками в подготовке оператора, слабыми знаниями и навыками в управлении и безопасности обслуживания техники, плохой организацией его труда. В задачи эксплуатационного направления входят: профессиональная подготовка операторов для работы в системе ЧТС, инженерно-экологическое обеспечение научной организации труда операторов, вопросы групповой деятельности операторов, инженерноэкологические и технологические методы повышения экологической чистоты в процессе эксплуатации технических средств. Новейшим направлением в проблематике инженерной экологии является мониторинг, который позволяет выявлять факторы воздействия данной эргатической системы, в частности технических средств системы, на окружающую среду, производить оценку экологичности эксплуатируемых систем и влияния объектов техносферы на среду. К этим функциям мониторингового направления относится, в частности, и моделирование антропогенных загрязнений среды, связанных с работой технических средств. Изложенная классификация задач инженерной экологии в какойто мере условна, но она в методическом отношении удобна, так как позволяет раскрыть направления, по которым эти задачи решаются. Средства защиты человека Для цветной металлургии характерны три основные источника загрязнения окружающей среды – твердые отходы, отходящие газы и сточные воды. Твердые отходы в основном в виде шлаков, шламов и т. п., как правило, складируются на специальных площадках – полигонах, и хранятся там достаточно длительное время. При этом под воздействием атмосферных осадков отходы постепенно выщелачиваются и многие содержащиеся в них химические элементы переходят в почву, загрязняя ее. В лучшем случае какая-то часть твердых отходах используется в производстве строительных материалов в качестве наполнителей. Но, как показала практика, это направление утилизации отходов весьма ограничено в силу элементного состава отходов. Количество отходящих газов, образующихся при работе металлургических печей, весьма велико и значительно превосходит по весу количество твердых и жидких отходов. Например, одна обжиговая печь, перерабатывая в сутки 250 т шихты, выдает 500 т (или 300 тыс. м3) отходящих газов. 128 Отходящие газы печей цветной металлургии характеризуются: – высокой запыленностью от 1 до 400 г/м3, что соответствует уносу в виде пыли от 0,5 до 50 % шихты; – повышенным содержанием оксида и диоксида серы, составляющих от 0,5 до 10 %; – высокой температурой (300–1300 С), что соответствует уносу тепла от 20 до 70 % от общего его расхода в печах. Такая характеристика отходящих газов требует, чтобы они были очищены от пыли и сернистых составляющих, а тепло, содержащееся в них, полезно использовалось. Все эти требования выполняются в газоходной системе металлургических печей. Газоходная система имеет задачу – собрать отходящие газы от всех работающих печей, утилизировать тепло газов, очистить их от пыли и вредных газовых составляющих и выбросить охлажденные и очищенные газы на возможно большую высоту от земли. Для выполнения этой задачи в газоходные системы включен большой комплекс различных сооружений и устройств: – собственно газоходы; – дымовые трубы и дымососные установки; – устройства для очистки газов; – устройства для утилизации тепла. Газоходы металлургических печей обычно круглые или прямоугольные (рис. 58). а) б) Рисунок 58 – Газоходы металлургических печей. Круглые газоходы (рис. 58а) состоят из железного кожуха толщиной 3–7 мм, футерованного огнеупорным кирпичом. Диаметр круглых газоходов от 1 до 6 м. По длине газохода устраивают бункера 129 с воронками для выпуска пыли. Круглые газоходы обычно подвешивают на консольные крепления к колонам цеха. Прямоугольные газоходы (борова) по своей конструкции и устройству напоминают пламенные печи. Их выкладывают из огнеупорного кирпича с наружным слоем строительного кирпича (рис. 58б). Размеры прямоугольных газоходов представлены в широких пределах: ширина от 0,5 до 8 м, высота от 1 до 4 м. Прямоугольные газоходы устанавливают на железобетонные или металлические эстакады или укладывают в землю. Прямоугольные газоходы применяют для газов с температурой выше 1000 С. Для регулирования движения газов в газоходах устанавливают дымовые шиберы, рассчитанные на устойчивую работу при высоких температурах. Шиберы изготавливают металлические водоохлаждаемые для зон высоких температур и без охлаждения в холодной части газохода. Дымовые трубы бывают кирпичные, железобетонные и железные (рис. 59). Высота дымовых труб в цветной металлургии составляет от 50 до 150 м при внутреннем диаметре от 1 до 10 м. Кирпичные трубы имеют ярко выраженную коническую форму и сооружаются из строительного кирпича с внутренним слоем огнеупорного кирпича. Железобетонные трубы также имеют коническую форму и футерованы изнутри шамотом или огнеупорным бетоном. Железные трубы имеют цилиндрическую форму и футерованы внутри шамотным кирпичом. Дымососные установки оборудуют по схеме прямого и Рисунок 59 – Трубы печей цветной непрямого действия. При прямом металлургии. действии дымовые газы проходят непосредственно через внутреннюю полость дымососов. При непрямом действии дымовые газы поступают в диффузор, разрежение в котором создается струей сжатого воздуха, подаваемого дымососом. Схема прямого действия применяется для газов с температурой 300–400 С и без агрессивных составляющих. Эта схема предпочтительнее, т. к. имеет более высокий к. п. д. и меньший расход энергии. 130 Устройства для очистки газов Пыль, уносимая из печей, имеет большую ценность. В ней содержится большое количество ценных компонентов. По химическому составу пыль походит на исходную шихту, но в ней больше легколетучих металлов и их соединений. Пыль может содержать частицы различной крупности – от 1–3 мм до 100–0,5 мкм и меньше. Для улавливания пыли в цветной металлургии применяются следующие разновидности газоочистных сооружений: – пылеуловительные камеры; – инерционные; – фильтрующие; – мокрые; – электрические; – комбинированные. Пылеуловительные камеры используют для осаждения пыли силу тяжести. На пылинку, находящуюся в потоке газов, действует ряд сил: горизонтальная (сила инерции), вертикальная (сила тяжести) и гидростатического давления среды (рис. 60). В результате действия этих сил пылинка приобретает две составляющие скорости: горизонтальную и вертикальную. В результате сложения сил пылинка движется под углом к горизонту. Пылинка будет уловлена, если горизонтальная скорость станет значительно меньше вертикальной. Следовательно, основным фактором уменьшения горизонтальной скорости – увеличение поперечного сечения камеры. Время пребывания газов в пылеуловительных камерах составляет от 10 до 50 сек. Эффективность работы камер можно повысить за счет устройства подвесных поперечных сеток, ударяясь о которые пылинки теряют скорость и падают на дно Рисунок 60 – Схема камеры. Камеры имеют круглое или пылеуловительной камеры. прямоугольное сечение, высоту и ширину от 2 до 12 м и длину 10–80 м. Выполняют их из строительного кирпича или бетона и футеруют огнеупорным кирпичом. В нижней части камеры устанавливают бункера и выпускные отверстия с герметизированными затворами. Камеры 131 применяются для грубой очистки газов от крупной пыли размером более 10–20 мкм, их к.п.д. составляет 50–60 %. Инерционные пылеуловители используют для осаждения пыли силу инерции. Основные типы инерционных пылеуловителей: циклоны, батарейные циклоны, жалюзийные пылеуловители. В циклонах основная действующая сила – сила центробежной инерции, возникающая в результате закручивания газов (рис. 61). Запыленные газы входят в циклон касательно к его внутренней цилиндрической поверхности со скоростью 20–25 м/сек и образуют крутящийся вихрь, постепенно спускающийся вниз. Пыль, находящаяся в вихре, выбрасывается из него центробежной силой к стенкам циклона и по стенкам перемещается вниз, накапливается в нижней части циклона, откуда удаляется через герметический затвор. Газы, опустившиеся до низа циклона во внешнем вихре, переходят во внутренний вихрь, поднимаются вверх и удаляются из циклона через центральную трубу. В циклоне, кроме вращательного движения, имеется энергичное поступательное движение вдоль оси, Рисунок 61 – Схема циклона: под влиянием которого в основном и 1 – цилиндрическая часть; перемещается пыль по стенкам вниз, 2 – входной патрубок; циклон одинаково хорошо может 3 – крышка; работать в любом положении – верти4 – выхлопная труба; кальном, наклонном и горизонтальном. 5 – коническая часть; Циклоны обычно изготавливают 6 – пылеотводящий патрубок. из листовой стали толщиной 4–8 мм. Различие конструкции циклонов определяется их относительными размерами, конфигурацией основных элементов и дополнительными устройствами на входе и выходе газов и пыли. На рис. 62, 63 приведены схемы и внешний вид различных видов промышленных циклонов. 132 а) б) Рисунок 62 – Схемы движения газов и пыли в циклоне (а) и работы циклона (б) (красная стрелка – движение запыленных газов; синяя – движение очищенных газов; точки – частицы пыли). Рисунок 63 – Внешний вид промышленных циклонов. Батарейные циклоны состоят из маленьких циклонов – так называемых циклонных элементов диаметром 0,1–0,4 м, собранных в батарею (рис. 64). Циклонные элементы в отличие от обычных циклонов не имеют входных патрубков, и газы в них закручиваются с помощью винтовых направляющих, находящихся в верхней открытой части элемента. Типовые секции батарейных циклонов содержат по ходу газов пять рядов элементов. Запыленные газы по входному 133 патрубку вводятся в общую распределительную камеру, откуда они расходятся по отдельным элементам. После прохода их очищенные газы выбрасываются в сборную верхнюю камеру. Батарейные циклоны по сравнению с обычными дают более высокую степень очистки, достигающую для пыли 5–15 мкм 80–95 %. Рисунок 64 – Схема батарейного циклона (слева) и центробежного пылеуловителя (справа). Жалюзийные пылеуловители используют силу прямолинейной инерции для отделения пыли от газа. Движущийся с повышенной скоростью 12–15 м/сек запыленный поток газов встречается на своем пути с жалюзийной решеткой, состоящей из ряда наклонно установленных пластин (рис. 65, 66). Частицы пыли по инерции перескакивают с пластины на пластину и не могут проникнуть в щели между ними, в то же время газы огибают пластины и уходят в щели между ними. В результате Рисунок 65 – Схема прохождения запыленного газа через вертикального жалюзийного жалюзийный пылеуловитель он разделяется пылеуловителя. на две части: основную массу газа, прошедшего через решетку (до 90 %), содержащую остатки пыли (не более 10 %), и массу газа, не прошедшего сквозь решетку и 134 обогащенного пылью (до 90 % всей массы пыли). Эта часть газов отправляется на доочистку в циклон. Жалюзийные пылеуловители устанавливают прямо в газоходах и они могут работать при температуре газов до 400 С. Их применяют для улавливания только крупной пыли с частицами более 20 мкм. Степень улавливания таких частиц 60–80 %. Конические жалюзийные пылеуловители (рис. 66) изготавливаются из металлических колец в виде усеченных конусов, входящих один в другой. Рисунок 66 – Схемы батарейного циклона (слева) и конического жалюзийного пылеуловителя. Фильтрующие пылеуловители работают по принципу фильтрации запыленного газа через фильтровальную ткань или пористые среды. В промышленности наиболее распространенный тип фильтрующих пылеуловителей – тканевые рукавные фильтры, основной рабочий элемент которых мешок или рукав, сшитый из фильтровальной ткани. Запыленный газ поступает во внутреннюю полость рукава и фильтруется через ткань. Пыль, содержащаяся в газе, задерживается тканью и при встряхивании отделяется от их поверхности и собирается в бункерах. 135 Рукавные фильтры разнообразны по конструкции, отличаются по способу подготовки и подачи запыленных газов, по размерам и числу рукавов в секциях, по способу периодической очистки рукавов от пыли. В цветной металлургии наибольшее распространение получили многосекционные рукавные фильтры с автоматическим механическим встряхиванием рукавов и обратной продувкой фильтровальной ткани, работающие как под давлением, так и под разрежением (рис. 67). Запыленные газы по газоходу 1 подводятся в расположенный снизу бункер 2, из которого они поступают во внутреннюю полость вертикально подвешенных рукавов 3. Отфильтрованные газы удаляются через расположенные сверху газоотводы 4. Сверху на фильтрах расположены механизмы встряхивания 5, подвески мешков и отверстия для подачи воздуха для обратной продувки рукавов. Комплект из нескольких рукавов представляет собой одну секцию фильтра, отделяемую от других сплошной перегородкой, разделяющей и нижний бункер на отдельные секции. Рукавные фильтры используют для полного осаждения тонкодисперсной пыли. Степень очистки запыленного воздуха рукавными фильтрами составляет 98…99,6 %. Аэродинамическое сопротивление фильтров находится в пределах 0,6…1,2 кПа. Эффективными являются рукавные фильтры с импульсной продувкой. Эти аппараты имеют низкий удельный расход сжатого воздуха на очистку рукавов в период их продувки, надежны в эксплуатации и удобны при обслуживании. Рукавный фильтр (рис. 68) состоит из металлического корпуса 2, снабженного входным 13 и выходным 4 патрубками, Рисунок 67 – Общий вид рукавного смотровыми люками 15, фильтра. 136 бункером 1 для сбора пыли и крышками 5, фильтровальных рукавов 12 и устройства для импульсной продувки рукавов в период их очистки от слоя пыли. Рукава снабжены жесткими каркасами, закрыты снизу, а сверху соединены с диффузорами 11. Устройство для импульсной продувки рукавов включает воздухораспределительные трубы 6 с соплами 3, клапанные секции 8 с мембранными электромагнитными клапанами 9 и программатор электрических импульсов, управляющий клапанами 9. Рукавный фильтр работает следующим образом. Запыленный воздух через патрубок 13 поступает в камеру 14 под действием разрежения, создаваемого вентилятором. Пройдя фильтровальные рукава 12, воздух очищается от пыли и через отверстия (диффузоры) в верхней части рукавов поступает в камеру 7. Очищенный воздух удаляется из рукавного фильтра через патрубок 4 и выбрасывается вентилятором в атмосферу. По мере накопления пыли на поверхности рукавов увеличивается аэродинамическое сопротивление фильтра. Очистка (регенерация) рукавов от пыли осуществляется без отключения аппарата раздельно для каждого ряда рукавов и длится в течение 0,2 … 0,3 с путем подачи импульса сжатого воздуха через сопла 3 в диффузорную часть 11 каждого рукава. Поступая в рукав через диффузор 11, струя воздуха засасывает (инжектирует) из камеры 7 очищенный воздух и создает в рукаве повышенное давление. При этом рукав раздувается, разрушая пылевой слой, который отделяется от ткани обратным импульсным потоком воздуха и ссыпается в бункер 1. Из бункера пыль периодически выгружается через шлюзовой Рисунок 68 – Рукавный затвор винтовым конвейером. фильтр. 137 Рисунок 69 – Рукавные фильтры с вибровстряхиванием. Подача импульсов сжатого воздуха осуществляется путем кратковременного открытия мембранного электромагнитного клапана 9, разделяющего трубопровод 10 с воздухом, находящимся под давлением 0,3… 0,4 МПа, и воздухораспределительные трубки 6. Клапан 9 открывается при поступлении электрических импульсов от программатора. Программатор снабжен ручками настройки, с помощью которых можно изменять как продолжительность импульсов, так и время между импульсами. Это позволяет выбрать необходимый режим регенерации рукавов фильтра в зависимости от свойств пыли и тина применяемого фильтровального материала. 138 Рисунок 70 – Рукавные фильтры с импульсной продувкой. Техническая характеристика рукавного фильтра типа ФРКИ – 60: количество рукавов 72 шт.; размеры рукавов: диаметр 135 мм, длина 2 м; фильтрующая поверхность 60 м2; максимальная температура воздуха 130 °С; максимальная запыленность воздуха 50 г/м3; расход сжатого воздуха на 1000 м3 запыленного воздуха 1…2 м3. В качестве материала рукавов используется лавсан, войлок и др. Различаются они по способу регенерации: механическое встряхивание (рукавные фильтры с вибровстряхиванием), обратная продувка, импульсная продувка (рукавные фильтры с импульсной продувкой), или сочетание нескольких способов. В качестве фильтрующего материала используют ткани, но в последнее время используют все чаще нетканые материалы, которые, 139 в отличие от тканых материалов, по поверхности и глубине имеют однородную волокнистую мелкопористую структуру, при которой значительно эффективнее реализуются механизмы сепарации частиц. Для достижения высокой прочности и стабильности размеров нетканый материал может иметь внутренний тканый каркас, или добавляется некоторое количество более толстых и прочных волокон. Разнообразие технологических процессов, получение нетканых материалов позволяют создать высокоэффективные фильтровальные материалы с нужными свойствами. При очистке газов от пылей с высоким электрическим сопротивлением, фильтровальные материалы из синтетических и стеклянных волокон заряжаются, а это создает опасность возникновения пожара в фильтре в результате электрического пробоя воздушного промежутка между рукавом и корпусом фильтра. Для защиты от электролизации в Рисунок 71 – Рукава. материалы вплетают тонкие электропроводящие волокна или пропитывают их антистатическими электропроводящими состаэлектропроводящими составами. Для предотвращения трудноудаляемых отложений материалам придают водоотталкивающие свойства. Для этого их обрабатывают метил- или фенилсиликонами. Такие покрытия сохраняют свои свойства длительное время при температуре до 200 С. Производительность может составлять от нескольких сотен, до сотен тысяч м3/час. Размеры рукавов обуславливаются конструктивными особенностями и экономическими соображениями. Обычно диаметр составляет 127, 220, 300 мм, а длина от 1,5 до 12 м. Мокрые пылеуловители – устройства, в которых улавливание пыли происходит в результате контакта запыленного газового потока с жидкостью, которая захватывает взвешенные частицы пыли и уносит их из пылеуловителя в виде шлама. Поверхности контакта: капли, пленка, газовая струя, пузырьки и пленка, капли и пленка. Улавливание частиц пыли на названных поверхностях контакта происходит за счет действия практически всех эффектов осаждения. Достоинство мокрых пылеулавливателей: простота, небольшая 140 стоимость, высокая эффективность, возможность использования при высоких температуре и влажности газа, а также в случае опасности самовозгорания и взрыва газов или пыли; возможность одновременной очистки газов от пыли, извлечения вредных газообразных примесей и охлаждения газов. Недостатки: улавливаемая пыль выделяется в виде шлама, в результате чего требуется очистка сточных вод и удорожается система газоочистки; в случае очистки агрессивных газов происходит коррозия пылеуловителей и коммуникаций. В качестве жидкости в мокрых пылеулавливателях используют воду. При одновременных улавливании пыли и очистке газов от вредных газообразных составляющих в качестве жидкости применяют абсорбенты. Жидкость в мокрых пылеулавливателях подводится механическими и пневматическими форсунками. Классификация мокрых пылеулавливателей основана на способе их действия и включает следующие основные группы скрубберов: полые, насадочные; тарельчатые (пенные пылеулавливатели); с подвижной насадкой; ударно-инерционного действия (ротоклоны); центробежные, механические (динамические), скоростные (скрубберы Вентури). Аппараты мокрой очистки газов имеют широкое распространение, так как характеризуются высокой эффективностью очистки от очистки от мелкодисперсных пылей с dч ≥ (0,3–1,0) мкм, а также возможностью очистки oт пыли горячих и взрывоопасных газов. Однако мокрые пылеуловители обладают рядом недостатков, что ограничивает область их применения: образование в процессе очистки шлама, что требует специальных систем для его переработки; вынос влаги в атмосферу и образование отложений в отводящих газоходах при охлаждении газов до точки росы; необходимость создания оборотных систем подачи воды в пылеуловитель. Аппараты мокрой очистки работают по принципу осаждения частиц пыли либо на поверхность капель жидкости, либо на поверхность пленки жидкости. Осаждение частиц пыли на жидкость происходит под действием сил инерции и броуновского движения. Конструктивно мокрые пылеуловители разделяют на скрубберы Вентури, форсуночные и центробежные скрубберы, аппараты ударноинерционного типа, барботажно-пенные аппараты и др. Среди аппаратов мокрой очистки с осаждением частиц пыли на поверхность капель наибольшее практическое применение нашли скрубберы Вентури (рис. 72). 141 Основная часть скруббера – сопло Вентури 2, в конфузорную часть которого подводится запыленный поток газа и через центробежные форсунки 1 жидкость на орошение. В конфузорной части сопла происходит разгон газа от входной скорости (ω = 15…20 м/с) до скорости в узком сечении сопла 60…150 м/с и более. Процесс осаждения частиц пыли на капли жидкости обусловлен массой жидкости, развитой поверхностью Рисунок 72 – Скруббер Вентури. капель и высокой относительной скоростью частиц жидкости и пыли в конфузорной части сопла. Эффективность очистки в значительной степени зависит от равномерности распределения жидкости по сечению конфузорной части сопла. В диффузорной части сопла поток тормозится до скорости 15…20 м/с и подается в каплеуловитель 3. Каплеуловитель обычно выполняют в виде прямоточного циклона или скруббера ВТИ. Скрубберы Вентури обеспечивают эффективность очистки 96…98 % аэрозолей и более со средним размером частиц 1…2 мкм при начальной концентрации примесей до 100 г/м3. Одним из удачных конструктивных решений совместной компоновки скруббера Вентури и каплеуловителя может служить конструкция (рис. 73) коагуляционно-центробежного мокрого пылеуловителя (КЦМП). Сопло Вентури 1 установлено в корпусе циклона 2, а для закручивания воздуха используется специальный закручиватель 3. Промышленные КЦМП работают при скоростях в узком течении трубы Вентури 40–70 м/с, удельных расходах воды на орошение 0,1–0,5 л/м3 и имеют габариты на 30 % меньше, чем обычные скрубберы Вентури. Скрубберы Вентури широко используются в системах очистки газов от туманов. Эффективность очистки воздуха от тумана со средним размером частиц около 0,3 мкм достигает 0,999, что вполне сравнимо с высокоэффективными фильтрами. 142 Разновидностью аппаратов для улавливания пыли осаждением частиц на каплях жидкости являются форсуночные скрубберы (рис. 74а). Запыленный газовый поток поступает в скруббер по патрубку 3 и направляется на зеркало воды, где осаждаются наиболее крупные частицы пыли. Газовый поток и мелкодисперсная пыль, распределяясь по всему сечению корпуса 1, поднимаются вверх навстречу потоку капель, подаваемых в скруббер через форсуночные пояса 2. Удельный расход воды в форсуночных Рисунок 73 – Коагуляционноскрубберах составляет 3,0…6,0 л/м3, центробежный мокрый гидравлическое сопротивление пылеуловитель. аппарата до 250 Па при скоростях движения потока газа в корпусе скруббера 0,7–1,5 м/с. Общая эффективность очистки, получаемая на форсуночных скрубберах, невысока и составляет, например, 0,6–0,7 при очистке доменного газа. Рисунок 74 – Форсуночный (а) и центробежный (б) скрубберы. 143 В форсуночных скрубберах эффективно улавливаются частицы размером более 10 мкм. Одновременно с очисткой газ, проходящий через форсуночный скруббер, охлаждается и увлажняется до состояния насыщения. В тех случаях, когда требуется очистка небольших масс горячих газов от загрязнений с размером частиц более 15…20 мкм, можно применять простейшие оросительные устройства, которые выполняются в виде ряда форсунок, встроенных в газоход. Удельный расход воды в таких системах выбирается равным от 0,1 до 0,3 л/м3. Скорость газового потока в газоходе в целях исключения интенсивного каплеуноса не должна превышать 3 м/с. В аппаратах центробежного типа (рис. 74б) частицы пыли отбрасываются на пленку жидкости 2 центробежными силами, возникающими при вращении газового потока в аппарате за счет тангенциального расположения входного патрубка 5 в корпусе аппарата. Пленка жидкости толщиной не менее 0,3 мм создается подачей воды через сопла и непрерывно стекает вниз, увлекая в бункер 4 частицы пыли. Эффективность очистки газа от пыли в аппаратах такого типа зависит главным образом от диаметра корпуса аппарата 3, скорости газа во входном патрубке и дисперсности пыли. Рисунок 75 – Барботажно-пенный пылеуловитель с провальной (а) и переливной (б) решетками. К мокрым пылеуловителям относятся барботажно-пенные пылеуловители с провальной (рис. 75а) и переливной решетками (рис. 144 75б). В таких аппаратах газ на очистку поступает под решетку 3, проходит через отверстия в решетке и, барботируя через слой жидкости и пены 2, очищается от частиц пыли за счет осаждения частиц на внутренние поверхности газовых пузырей. Режим работы аппаратов зависит от скорости подачи воздуха под решетку. При скорости до 1 м/с наблюдается барботажный режим работы аппарата. Дальнейший рост скорости газа в корпусе аппарата до 2…2,5 м/с сопровождается возникновением пенного слоя над жидкостью, что приводит к повышению эффективности очистки газа и брызгоуноса из аппарата. Современные барботажно-пенные аппараты обеспечивают эффективность очистки газа от мелкодисперсной пыли около 0,95…0,96 при удельных расходах воды 0,4…0,5 л/м3. Практика эксплуатации барботажно-пенных аппаратов показывает, что они весьма чувствительны к неравномерности подачи газа под провальные решетки. Неравномерная подача газа приводит к местному сдуву пленки жидкости с решетки. Кроме того, решетки аппаратов склонны к засорению. Электрофильтр – это аппарат или установка, в которых используются электрические силы для отделения взвешенных частиц от газов. Сущность процесса электрической очистки газов состоит в следующем. Газ, содержащий взвешенные частицы, проходит через систему, состоящую из заземленных осадительных электродов и размещенных на некотором расстоянии (называемом межэлектродным промежутком) коронирующих электродов, к которым подводиться выпрямленный ток высокого напряжения. При достаточно большом напряжении, приложенном к межэлектродному промежутку, у поверхности коронирующего электрода происходит интенсивная ударная ионизация газа, сопровождающаяся возникновением коронного разряда (короны), который на весь межэлектродный промежуток не распространяется и затухает по мере уменьшения напряженности электрического поля в направлении осадительного электрода. Газовые ионы различной полярности, образующиеся в зоне короны, под действием сил электрического поля движутся к разноименным электродам, вследствие чего в межэлектродном промежутке возникает электрический ток, называемым током короны. Улавливаемые частицы из-за адсорбции на их поверхности ионов приобретают в межэлектродном промежутке электрический заряд и 145 под влиянием сил электрического поля движутся к электродам, осаждаясь на них. Основное количество частиц осаждается на развитой поверхности осадительных электродов, меньшая их часть попадает на коронирующие электроды. По мере накопления на электродах осажденные частицы удаляются встряхиванием или промывкой электродов. Используемые электрофильтры имеют различную конструкцию. Они бывают трубчатые (рис.77 а) и пластинчатые (рис. 77б). Трубчатые электрофильтры – аппараты с вертикальным потоком газа. Подлежащие очистке газы проходят внутри трубчатых осадительных электродов, по оси которых располагаются коронирующие провода. Слой пыли периодическим встряхиванием электродов удаляется в пылесборник, находящийся в нижней Рисунок 76 Схема части электрофильтра. электрофильтра. Рисунок 77 – Конструкции электрофильтров: а – трубчатый; б – пластинчатый многопольный. Пластинчатые электрофильтры – аппараты с осадительными электродами в виде пластин, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Между пластинами расположены 146 коронирующие электроды, укрепленные на рамах. В одном корпусе электрофильтра может быть расположено несколько независимых последовательно расположенных систем электродов, или, как принято их называть в практике газоочистки, электрических полей. Огромную роль в достижении максимальной эффективности пылеулавливания играет конструктивное исполнение коронирующих и осадительных электродов. Коронирующие электроды можно разделить на две группы (рис. 78). К первой группе относятся электроды, которые не имеют фиксированных коронирующих точек. При отрицательной короне – отрицательной полярности коронирующих электродов – светящиеся точки располагаются вдоль электрода на разных расстояниях друг от друга в зависимости от состояния поверхности электрода. Типичные виды электродов этой группы: круглый диаметром 2÷4 мм, квадратный со стороной 3÷4 мм и штыкового сечения, вписывающийся в квадрат со стороной 4÷5 мм (рис. 78 а). Рисунок 78 – Электроды электрофильтров: а – гладкие коронирующие электроды; б – коронирующие электроды с фиксированными точками разряда; в – осадительные электроды. Ко второй группе относятся электроды с фиксированными точками разряда по их длине. Типичными видами этих электродов являются колючая проволока, пилообразные и игольчатые электроды (рис. 78б). Электроды второй группы при равных напряжении и межэлектродном расстоянии обеспечивают значительно больший ток короны, чем электроды первой группы. Легче обеспечивается необходимая механическая прочность. В настоящее время получили широкое распространение коронирующие электроды ленточноигольчатого типа. Они легко изготавливаются путем штамповки и при 147 наличии достаточной механической прочности обладают хорошими электрическими характеристиками. Осадительные электроды электрофильтров также имеют разнообразную форму: они имеют гладкую поверхность без острых углов, необходимую для обеспечения высокой напряженности электрического поля, и полости, позволяющие стряхивать пыль с минимальным вторичным уносом (рис. 78в). Рисунок 79 – Внешний вид электрофильтров. Рисунок 80 – Схема очистки воздуха в электрофильтре. 148 Заключение В технике все чаще появляются попытки использования принципа эффективного построения системы с определенными ограничениями на надежность. Надежное функционирование системы "человек – техника – среда" немыслимо на основе жестких, неизменных или слабо регулируемых связей между ее элементами. В примерах организмов природа демонстрирует нам эффективные принципы построения систем с высокой приспособляемостью. Некоторые решения, найденные природой, могут быть применены в инженерной экологии путем использования их технических аналогов. Между тем, создание систем с высокой взаимоприспособляемостью их составных частей требует глубокого изучения механизмов адаптации и разработки теоретических принципов сложных систем с применением новейших математических методов, с использованием имитации живого организма, а при необходимости и экологической ситуации. Таковы некоторые творческие перспективы инженерной экологии. Развитие инженерной экологии направлено на комплексное решение проблем повышения производительности труда, всестороннего и гармоничного развития личности человека и окружающей природной среды, улучшения условий и гуманизации труда человека, управляющего современной сложной техникой. Современная самая сложная техника создается для человека, для социально-экономического развития общества. Создание наиболее благоприятных условий жизнедеятельности человека и всего живого на нашей планете сегодня является важнейшей задачей человечества. 149 Литература 1. Теплотехника: учеб. для вузов / Под ред. В. Н. Луканина: Мин. обр. и науки РФ М.: Высш. школа., 2008. 671 с. 2. Ерофеев В. Л. Теплотехника: [Учеб. для вузов. Допущено МО РФ] /В. Л. Ерофеев, П. Д. Семенов, А. С. Пряхин. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 488 с. 3. Металлургические печи: [Учеб. для вузов] / Под общей ред. В. И. Тимошпольского, В. И. Губинского. Минск: Белорус. наука, 2007. 831 с. 4. Экология металлургического производства. Материальные и топливные ресурсы металлургии: уч. пособие /[Ю. С. Юсфин, Н. Ф. Пашков, П. И. Черноусов и др.]. М.: из-во «УЧЕБА», 2003. 74 с. 5. Экология: уч. пособие для бакалавров / Под общей ред. А. В. Тотая: Мин-во обр. и науки РФ. М.: Юрайт, 2012. 411 с. 6. Автоматическое управление металлургическими процессами: уч. пособие / [А. М. Беленький, В. Ф. Бердышев, О. М. Блинов, В. Ю. Коганов] Изд-е 2-е. М.: Металлургия, 1989. 379 с. 7. Бородин И. Ф. Автоматизация технологических процессов и системы автоматического управления: [учебник для студентов ССУЗ] / И. Ф. Бородин, С. А. Андреев. М.: КолосС, 2006. 350 с. 8. Карпов Ю. А. Аналитический контроль в металлургическом производстве: [Учеб. пособие для вузов. Допущено МО РФ] /Ю. А. Карпов, А. П. Савостин, В. Д. Сальников. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006. 351 с. 150
