Прикладная термодинамика – основы и применение в электронагреве

Краткое введение в термодинамику

Термодинамика - это наука о взаимосвязи между теплом, работой, температурой и энергией. В более широком смысле термодинамика - это передача энергии от одной части к другой, а также из одной формы в другую. 

Ключевой концепцией всех явлений термодинамики является то, что тепло - это форма энергии, соответствующая определенному количеству механической работы.

Термодинамика регулируется несколькими основными законами, которые определены как:

Нулевой закон термодинамики 

Когда две системы находятся в тепловом равновесии с третьей системой, первые две системы находятся в тепловом равновесии друг с другом. Это свойство делает целесообразным использование термометров в качестве «третьей системы» и определения шкалы температур.

Первый закон термодинамики 

Закон сохранения энергии. Модификация внутренней энергии системы равна разнице между теплом, добавленным к системе из окружающей среды, и работой, выполняемой системой над окружающей средой.

Второй закон термодинамики

Тепло не перетекает самопроизвольно из более холодной области в более горячую. Или, что то же самое, тепло при данной температуре не может быть полностью преобразовано в работу. Следовательно, энтропия замкнутой системы или тепловая энергия на единицу температуры со временем увеличивается до некоторого максимального значения. Таким образом, все закрытые системы стремятся к состоянию равновесия, в котором энтропия максимальна, а энергия недоступна для выполнения полезной работы.

Третий закон термодинамики 

Энтропия идеального кристалла элемента в его наиболее стабильной форме стремится к нулю, когда температура приближается к абсолютному нулю. Это позволяет установить абсолютную шкалу энтропии. Со статистической точки зрения это определяет степень случайности или беспорядка в системе.

Термодинамика лежит в основе всех процессов нагрева, имеющих прямое применение в промышленности и исследованиях в соответствующих областях. 

В последние столетия термодинамика развивалась чрезвычайно быстро, особенно в связи с острой необходимостью оптимизации характеристик большинства типов нагревательного оборудования. Например, паровые машины и промышленные нагреватели.

Точнее, законы термодинамики дают полное описание всех изменений энергетического состояния любой системы. А также его способность выполнять полезную работу со своим окружением.

Термодинамика - это раздел физики и инженерии.

Размеры и единицы измерения

Размеры могут характеризовать любую физическую величину. Произвольные величины, присвоенные размерам, называются единицами измерения. Существует два типа измерений: первичные или основные и вторичные или производные, например:

• Основные размеры: масса, м; длина, L; время, t; температура, Т

• Вторичные размеры - это те, которые выводятся из первичных величин, таких как: скорость (м / с2), давление (Па = кг / м.с2).

Закрытые и открытые системы

Система представляет собой количество вещества или область в пространстве, которая выбрана для изучения. Масса или область вне системы - это окружение.

«Граница системы» - это реальная или воображаемая поверхность, отделяющая систему от окружающей среды.

Границы системы могут быть фиксированными или подвижными. Математически граница имеет нулевую толщину, массу и объем.

• Замкнутая система или контрольная масса: состоит из фиксированного количества массы, и никакая масса не может пересекать ее границу. Но энергия в виде тепла или работы может пересекать границу, и объем замкнутой системы не должен быть фиксированным.

• Открытая система или контрольный объем: правильно выбранный регион в пространстве. Обычно он включает в себя устройство с массовым расходом, такое как компрессор. И масса, и энергия могут пересекать границу контрольного объема.

• Изолированная система: замкнутая система, никак не связанная с окружающей средой.

• Жесткая система: замкнутая система, сообщающаяся с окружающей средой только за счет тепла.

• Адиабатическая система: закрытая или открытая система, которая не обменивается энергией с окружающей средой за счет тепла.

Процессы и циклы

Любое изменение системы из одного состояния равновесия в другое - это процесс. Серия состояний, через которые проходит система во время процесса, - это путь.

Всесторонняя общность ограничений, налагаемых законами термодинамики, делает количество потенциальных сфер применений настолько большим, что невозможно представить здесь все возможные формулы, которые могут быть использованы. Учитывая это, практикам в области термодинамики требуются навыки математических манипуляций, включая частные производные, и полное понимание их физического смысла.

Одна из самых сильных сторон классической термодинамики состоит в том, что предсказания направления спонтанных изменений полностью не зависят от микроскопической структуры вещества. Это также представляет собой ограничение, поскольку не делается никаких прогнозов относительно скорости, с которой система приближается к равновесию. Фактически, скорость может быть чрезвычайно низкой, например, самопроизвольный переход алмазов в графит. Статистическая термодинамика дает информацию о скорости процессов. А также важные сведения о статистической природе энтропии и втором законе термодинамики.

Прикладная термодинамика в применении к погружным нагревателям резервуаров

Погружной нагреватель резервуаров представляет собой устройство, установленное в резервуаре или емкости для нагрева жидкости. Установка может быть боковой, фланцевой или резьбовой.

Погружные и врезные нагреватели используют погружение металлических труб нагревателей с сухими керамическими ТЭНами внутри в различные жидкости для более быстрого и точного нагрева. Например, вода, масла, вязкие материалы, растворители, технологические растворы, расплавленные материалы и газы. Вырабатывая все тепло в жидкости или технологическом процессе, эти нагреватели почти на 100% энергоэффективны. Доступно множество конструкций и предлагаются различные размеры, номинальные мощности и напряжения, а также различные концевые соединения, материалы оболочки и аксессуары.

Погружные технологические нагреватели приобрели заслуженную репутацию благодаря своей универсальности во всех отраслях промышленности. Они могут выполнять невероятное разнообразие функций во многих промышленных задачах по нагреву. Например: химикаты, продукты питания и сельское хозяйство, плавление, жидкостное отопление . Фактически, нагреватели резервуаров обычно заменяют нагреватели жидкого ископаемого топлива, инфракрасные, микроволновые, резистивные нагреватели, реакторы и другие типы печей.

На рынке доступно множество типов погружных и врезных нагревателей в зависимости от их конкретной сферы применения. Основной процесс нагрева основан на улучшении конвекции в различных жидкостях за счет применения источника тепла внутри жидкости.

Метод прямого погружения энергоэффективен и хорошо подходит для многих задач по нагреву.

Таким образом, термодинамика лежит в основе всех промышленных процессов, особенно в процессах в диапазоне средних и больших температур. Таким образом, основы термодинамики чрезвычайно важны для движения к лучшему миру за счет повышения общей производительности любого завода, оборудования, а также всей их конструкции.

В заключение напишем, что любой современный инженер, помимо того, что является хорошим профессионалом, должен использовать концепцию термодинамики, чтобы исследовать и заново изобретать вещи, которые также предназначены для обеспечения безопасности и комфорта человека.