2. Паровой котел, страница 82 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

2. Паровой котел

В промышленности паровые котлы используют для передачи большого количества тепловой энергии на расстояние, а также для работы технологического оборудования, например: прессов, молотов. В быту паровые котлы получили применение в паровых системах отопления, которые требуют более тщательной герметизации, чем система с водой. Паровая система отопления имеет преимущество в том, что позволяет в разгар отопительного сезона отключать и вновь подключать к системе отдельные ветви, не рискуя разладить всю систему отопления. Температура пара в системе колеблется от 130 °С до 200 °С. Для парового отопления требуется очень небольшое количество радиаторов, а в малых помещениях достаточно только труб. При этом помещение начинает нагреваться буквально через несколько минут после пуска котла.

Главный недостаток паровых котлов – взрывоопасность, для работы необходима чистая вода, накипь резко уменьшает тепловую эффективность котла и повышает взрывоопасность.

Задания

1. Почему паровое отопление признано опасным и запрещено для обогрева общественных мест и многоквартирных домов?

2. Оцените, во сколько раз эффективность системы парового отопления выше системы отопления с водой при условии, что пар имеет температуру 100 °C и полностью конденсируется в трубах, а в системе отопления с водой вода охлаждается на 50 °С. Расход пара и воды считать одинаковым.

3. Почему на предприятиях с паровым отоплением трубы размещают в цехах ближе к потолку?

1. Почему паровое отопление признано опасным и запрещено для обогрева общественных мест и многоквартирных домов?

Паровое отопление признано опасным и запрещено в жилых и общественных зданиях по нескольким ключевым причинам, главная из которых — высокая взрывоопасность, о которой упоминается в тексте.

Во-первых, в таких системах используется пар под высоким давлением и с очень высокой температурой, которая, согласно тексту, может достигать 130–200 °C. Любая неисправность, износ, коррозия или механическое повреждение котла или труб может привести к разрыву с последующим взрывом. Внезапный выброс перегретого пара представляет смертельную угрозу, вызывая тяжелейшие термические ожоги и значительные разрушения.

Во-вторых, поверхность труб и радиаторов в системе парового отопления раскалена до той же высокой температуры, что создает постоянный риск получения серьезных ожогов при случайном контакте. Это особенно опасно в местах, где могут находиться дети.

В-третьих, система требует идеальной герметичности и сложна в обслуживании. В отличие от водяного отопления, где небольшая утечка обычно приводит лишь к луже на полу, утечка пара высокого давления может быть катастрофической.

Из-за этих высоких рисков для жизни и здоровья людей использование парового отопления в многоквартирных домах и общественных местах было запрещено в пользу более безопасных водяных систем, где теплоноситель имеет более низкую температуру (обычно до 90 °C) и находится под значительно меньшим давлением.

Ответ: Паровое отопление запрещено в общественных местах и многоквартирных домах из-за высокой взрывоопасности, связанной с использованием пара под высоким давлением и с высокой температурой (130-200 °C), а также из-за риска тяжелых ожогов при контакте с раскаленными элементами системы.

2. Оцените, во сколько раз эффективность системы парового отопления выше системы отопления с водой при условии, что пар имеет температуру 100 °С и полностью конденсируется в трубах, а в системе отопления с водой вода охлаждается на 50 °С. Расход пара и воды считать одинаковым.

Дано:

Температура пара $t_{пара} = 100 \text{ °C}$

Изменение температуры воды $Δt_{воды} = 50 \text{ °C}$

Масса пара и воды одинакова: $m_{пара} = m_{воды} = m$

Удельная теплота парообразования воды (константа) $L \approx 2.3 \cdot 10^6 \frac{\text{Дж}}{\text{кг}}$

Удельная теплоемкость воды (константа) $c \approx 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°C}}$

Найти:

Отношение эффективности (количества выделившейся теплоты) парового отопления к водяному: $\frac{Q_{пара}}{Q_{воды}}$.

Решение:

Эффективность системы отопления в данном контексте — это количество теплоты, которое она отдает в окружающее пространство на единицу массы теплоносителя.

1. Количество теплоты $Q_{пара}$, которое выделяется при полной конденсации пара массой $m$ при температуре кипения, рассчитывается по формуле: $Q_{пара} = L \cdot m$

2. Количество теплоты $Q_{воды}$, которое выделяется при охлаждении воды массой $m$ на $Δt_{воды}$, рассчитывается по формуле: $Q_{воды} = c \cdot m \cdot Δt_{воды}$

3. Чтобы оценить, во сколько раз паровая система эффективнее, найдем отношение количеств выделившейся теплоты. Так как по условию расход (а значит и масса $m$, прошедшая через систему за одинаковое время) пара и воды одинаков, мы можем найти отношение $Q_{пара}$ к $Q_{воды}$: $\frac{Q_{пара}}{Q_{воды}} = \frac{L \cdot m}{c \cdot m \cdot Δt_{воды}}$

Масса $m$ в числителе и знаменателе сокращается: $\frac{Q_{пара}}{Q_{воды}} = \frac{L}{c \cdot Δt_{воды}}$

Подставим числовые значения физических констант и данные из условия: $\frac{Q_{пара}}{Q_{воды}} = \frac{2.3 \cdot 10^6}{4200 \cdot 50} = \frac{2300000}{210000} = \frac{230}{21} \approx 10.95$

Таким образом, при заданных условиях система парового отопления почти в 11 раз эффективнее системы водяного отопления с точки зрения теплоотдачи на единицу массы теплоносителя.

Ответ: Эффективность системы парового отопления при данных условиях выше эффективности системы отопления с водой примерно в 11 раз.

3. Почему на предприятиях с паровым отоплением трубы размещают в цехах ближе к потолку?

Размещение труб парового отопления под потолком в производственных цехах обусловлено комплексом причин, связанных с безопасностью, практичностью и физикой теплопередачи.

1. Безопасность. Это главная причина. Как упоминалось ранее, температура поверхности труб с паром чрезвычайно высока (130-200 °C). Размещение их на большой высоте, вне зоны досягаемости людей и техники, исключает случайные контакты, которые могли бы привести к тяжелым ожогам персонала или повреждению самих труб.

2. Экономия рабочего пространства. Производственные цеха требуют максимального использования полезной площади на уровне пола и стен для размещения станков, оборудования, складских зон и транспортных путей. Перенос коммуникаций, включая трубы отопления, под потолок освобождает ценное пространство внизу.

3. Способ теплопередачи. Хотя для наилучшей конвекции (когда теплый воздух поднимается вверх, а холодный опускается) нагреватели обычно ставят внизу, в высоких и просторных цехах это не всегда эффективно. Высоко расположенные горячие трубы обогревают помещение преимущественно за счет теплового излучения. Они, подобно солнцу, испускают инфракрасные лучи во все стороны, в том числе вниз. Это излучение нагревает непосредственно пол, станки, оборудование и людей в цеху, обеспечивая эффективный и достаточно равномерный обогрев большого объема.

Ответ: Трубы парового отопления на предприятиях размещают ближе к потолку в первую очередь из соображений безопасности (для предотвращения ожогов и повреждений) и для экономии рабочего пространства. Обогрев помещений при этом происходит в основном за счет теплового излучения от горячих труб.