Раздел 1. Энергоресурсосбережение

В ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ И ФАКЕЛЬНЫХ ПЕЧАХ, ТОПКАХ И КАМЕРАХ СГОРАНИЯ

УДК 44.31.03:53.07.00

 

Фундаментальные законы физики

И развитие современной цивилизации

А.Н. Макаров

 

Аннотация. Показано влияние фундаментальных законов физики на развитие современной цивилизации. Открытие фундаментального закона физики является выдающимся событием в истории человечества и проис-ходит в среднем один раз в 50–80 лет. К настоящему времени открыто всего лишь чуть более 30 фундаментальных законов физики, естест-вознания. На основе этих законов в ХХ – начале XXI вв. осуществлены электрификация, механизация, автоматизация, компьютеризация про-мышленности, сельского хозяйства, быта. Показано, что открытых законов недостаточно для математического описания и управления рядом физических явлений, создания новых устройств, способов, материалов. Для управления теплообменом излучением при факельном сжигании топлива и горении электрической дуги в парах металлов автором открыты законы теплового излучения газовых объемов.

Ключевые слова: физика, фундаментальные законы, цивилизация, тепловое излучение.

Из школьного и университетского курсов физики известно, что фундамент физики и всего естествознания составляют около 30 законов, поименнованых фамилиями авторов, которые открыли их [1, 2]. Поскольку с фундаментальными законами физики знакомы все грамотные люди и фундаментальных законов немного (около 30, как было указано выше), перечислим их. За последние три тысячи лет истории человечества открыты следующие основные фундаментальные законы физии, естествознания, указанные в хронологическом порядке: Архимеда, III в. до н.э.; Галилея, 1590–1620 гг.; Кеплера, 1609–1619 гг.; Гюйгенса,                     1650–1680 гг.; Гука, 1660 г.; Бойля – Мариотта, 1662 г.; Паскаля, 1663 г.; Ньютона, 1666–1704 гг.; Авогадро, 1809–1819 гг.; Гей-Люссака,                 1802–1808 гг.; Дальтона, 1801–1808 гг.; Ампера, 1820–1825 гг.; Фурье, 1822 г.; Ома, 1826–1827 гг.; Фарадея, 1831–1834 гг.; Джоуля – Ленца, 1841–1842 гг.; Кирхгофа, 1845–1847 гг.; Максвелла, 1860–1873 гг.; Менделеева – Клапейрона, 1869 г.; Стефана – Больцмана, 1879–1884 гг.; Вина, 1893 г.; Планка, 1900 г.; Эйнштейна, 1905–1915 гг.; постулаты Бора, 1913 г. Все ученые, которые открыли фундаментальные законы физики после учреждения в 1901 г. Нобелевской премии, были удостоены этой награды: Вин В. (1911 г.), Планк М. (1918 г.), Эйнштейн А. (1921 г.), Бор Н. (1922 г.). Вин В., Планк М. получили Нобелевскую премию за разработку квантовой природы теплового излучения абсолютно черного тела, Эйнштейн А. – за открытие закона фотоэлектрического эффекта излучения и за заслуги в области математической физики, Бор Н. – за квантовую теорию атома и излучения из него [3, 4].

До начала ХХ в. в России, в западно-европейских и других странах мира в промышленности, сельском хозяйстве, торговле использовались преимущественно тяжелый физический труд, а транспорт был в основном гужевым (рис. 1). Около 90 % населения в России и западно-европейских странах составляло крестьянство, которое обеспечивало себя всем необходимым, ведя натуральное хозяйство (рис. 2). Из рис. 2 видно, что дети одеты в домотканую одежду, обуты в самодельную обувь, изготовленные дома в натуральном хозяйстве. 

 

Рис. 1. Гужевой транспорт и тяжелый ручной труд,                       существовавший на погрузочно-разгрузочных работах                                              и других видах работ в начале ХХ в.

 

Рис. 2. Н.П. Богданов-Бельский

«Устный счет. В народной школе С.А. Рачинского», 1895 г.

 

Закон Планка характеризует распределение спектральной плотности излучения абсолютно черного тела по длинам волн в спектре излучения в зависимости от температуры тела:

   ,                                       (1)

 

где Е_{о n} – плотность собственного монохроматического излучения абсолютно черного тела, Вт/(м²·с^–1); h = 6,626 · 10^–34 Дж·с – постоянная Планка; с_о = 2,998 · 10⁸ м/с – скорость распространения света в вакууме; k = 1,381 · 10^–23 Дж/К – постоянная Больцмана.

Переходя от частоты к длине волны, выражение (1) можно записать в виде

                                                                ,                                 (2)

где с ₁ = 3,742·10^–16 Вт·м², с ₂ = 1,439·10^–2 м·К – первая и вторая константы излучения Планка соответственно; E_ol измеряется в Вт/(м²·мкм).

Графически выражение (2) имеет вид, изображенный на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость плотности потока излучения

абсолютно черного тела от длины волны

 

Анализируя рис. 3, можно сделать ряд выводов. При умеренных температурах энергия видимой части спектра (0,40–0,76 мкм) мала. Основную часть спектра занимает инфракрасная область. Чем выше температура тела, тем больше смещение максимума излучения в сторону коротких волн. Длина волны, мкм·К, при которой плотность излучения абсолютно черного тела достигает максимального значения, определяется из закона смещения Вина:

Для солнца и электрической дуги Т» 5800 К, длина волны l _м = = 0,5 мкм и максимум плотности излучения солнца и электрической дуги приходится на видимую часть спектра. Спектр солнечного излучения подобен спектру излучения абсолютно черного тела.

Из закона Вина, зная длину волны, соответствующую максимальной плотности излучения тела, можно определить температуру излучателя. Экспериментально найденные спектры излучения реальных тел и газовых объемов отличаются от спектра абсолютно твердого тела при одной температуре (рис. 4).

 

Рис. 4. Спектры излучения абсолютно черного (1), серого (2) тел

и газового объема (3) при температуре Т = 2000 К

Электрон – элементарная частица – был открыт в 1897 г. немецким ученым Вихертом Э. и английским физиком Томсоном Дж.Дж. при изучении поведения электрического тока в вакууме. Вначале открытие не имело практического применения. Далее Бором Н. были построены электронная оболочка атома, совокупность электронов в атоме и в 1913 г. разработана квантовая теория.

Постулаты квантовой теории Бора Н.:

1) в стационарном состоянии атом не излучает;

2) при переходе атома из одного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного, теплового излучения;

3) в стационарном состоянии электрон двигается по определенной орбите;

4) на электрон в атоме действует кулоновская сила;

5) атом водорода состоит из ядра (протона) и обращающегося вокруг него электрона.

В результате возникла квантовая физика, являющаяся продол-жением классической. Основоположник ее – немецкий физик Планк М. Продолжением классической механики стала квантовая механика. Законы классической механики к внутриатомным движениям неприменимы.

Основные положения квантовой механики:

1) чем дальше находится электрон от атома, тем выше энергия атома;

2) при переходе электрона с одной орбиты на другую (нижнюю) испускается квант света (тепла), или элементарная частица – фотон;

3) фотон – это частица и волна, его масса равна нулю.

В 1922 г. за заслуги в изучении атома и излучения из него Бор Н. получает Нобелевскую премию по физике. В 1930-х гг. он занимается ядерной физикой, но только в 1940-х гг. на основе теории атома и атомного ядра в США и России было создано атомное оружие, а в                 1950-х гг. в России были сконструированы первые атомные электростанции и атомные энергетические установки для надводных и подводных судов. Прошло около шестидесяти лет с открытия электрона до практического использования его в атомных энергетических установках.

День, когда Планком М. был сделан доклад (14 декабря 1900 г.), в котором содержалась разработанная им формула, является днем рождения квантовой теории. В 1918 г. М. Планк был награжден Нобелевской премией (со словами: «В признание выдающегося вклада в развитие физики, открытие кванта действия»).

Формула Планка: энергия излучающих частиц, фотонов (квант действия ε) пропорциональна частоте ν (связь энергии и частоты):

                                                                                                               

где h – постоянная Планка.

Уравнения теории относительности Эйнштейна А. при скорости v < c переходят в уравнения классической механики Ньютона И. Суть фотоэффекта: частица (фотон) света опускается на катод, который затем испускает электрон с энергией выхода и кинетической энергией, то есть фотоэффект – это испускание электронов телами под действием света. Теоретическое объяснение фотоэффекта было дано немецким физиком в 1905 г.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта –

 

 

где А_вых – энергия выхода электрона; m – масса электрона; V – скорость электрона.

Закон кинетической энергии классической механики имеет вид

 

где m – масса тела; V – скорость движения тела.

Таким образом, современная механика с начала XX в. состоит из двух разделов – классической и квантовой механики. За работы по квантовой теории и объяснение фотоэффекта Эйнштейн А. получил в 1921 г. Нобелевскую премию.

Циолковский К.Э. (1857–1935 гг.) разработал схемы космических ракет, создал основы теории жидкостных ракетных двигателей, высказал идею околоземных станций и межпланетных путешествий. Первые ракеты сконструировали в 1930–1940-х гг., а первый полет в космос был совершен только в 1956 г. (искусственный спутник), первым человеком, полетевшим в космос в 1961 г., был россиянин Гагарин Ю.А.

В XX–XXI вв., в 1923–2017 гг., сделаны в хронологическом порядке следующие основные открытия и изобретения, авторы которых получили Нобелевскую премию: открытие волновой природы электронов, создание квантовой механики в матричной форме, разработка новой формы атомной теории, открытие нейтрона, позитрона, космических лучей, искусственной радиоактивности, изобретение циклотрона, открытие ионосферы, открытие мезонов, изобретение фазоконтрастного микроскопа, открытие транзисторного эффекта, эффекта Вавилова – Черенкова, антипротона, нуклонов, создание мазеров и лазеров, голографии, разработка теории сверхпроводимости, открытие пульсаров, пси-частиц, открытия в области физики низких температур, реликтового излучения, лазерной спектроскопии, электронной спектроскопии, создание теории образования химических элементов Вселенной, открытие квантового эффекта Холла, создание электронного микроскопа, туннельного микроскопа, открытие высокотемпературной сверхпроводимости, нейтрино, пульсаров, создание нейтронной спектроскопии, дифракции, открытие тау-лептона, сверхтекучести гелия, способа улавливания нейтральных атомов, полупроводниковых гетероструктур, интегральных схем, космических источников рентгеновского излучения, разработка теорий сверх-проводимости, сверхтекучести, лазерной спектроскопии, светодиодов, разработка оптических систем передачи данных, открытие расширения Вселенной, нейтринных осцилляций, топологических фаз материи, гравитационных волн.

Анализ изобретений и открытий за 1923–2017 гг., авторы которых получили Нобелевскую премию, показывает, что среди этих выдающихся изобретений и открытий нет фундаментальных законов, которые носят имя автора и вошли бы в учебники по физике для учащихся средних школ и студентов инженерно-технических специальностей университетов. Анализ трехтысячелетней истории развития естествознания, физики выявил, что открытие фундаментального закона физики происходит в среднем один раз в 50–100 лет и является выдающимся событием в истории человечества. Фундаментальные законы физики являются основой получения новых знаний, разработки теорий и расчетных процедур для создания новых устройств, способов, веществ во всех областях техники: энергетике, всех отраслях машиностроения, системах управления и других.

В ХХ в. были созданы десятки тысяч расчетных методик, тысячи теорий, основанных на фундаментальных законах физики, защищены тысячи диссертаций, посвященных разработке методик, теорий, новых видов технологий, техники, узлов техники. Ряд ученых – разработчиков новых теорий и научно-технических направлений – избраны в национальные академии наук. С открытием законов электричества Омом Г., Джоулем Дж. и Ленцем Э.Х., Кирхгофом Г. появилась возможность электрификации промышленности, транспорта, быта. Были созданы электрические генераторы, электрические двигатели, трансформаторы, электрическое освещение, провода, кабели, линии электропередач. В основе разработанных множеством ученых электроэнергетиков расчетных процедур и теорий создания устройств электрификации лежат фундаментальные законы Ома, Джоуля – Ленца, Кирхгофа.

С открытием законов Гей-Люссака, Дальтона, Менделеева – Клапейрона стало возможным создание двигателей внутреннего сгорания и автомобилей, которые вытеснили гужевой транспорт (см. рис. 1), существовавший на протяжении нескольких тысячелетий. Двигатели внутреннего сгорания (рис. 5) позволили создать автомобильный пассажирский, грузовой транспорт, явились основой создания транспортной авиации (рис. 6).

Рис. 5. Газотурбинный двигатель Д-30КП-2 с тягой 12000 кг

Рис. 6. Самолет ИЛ-76 грузоподъемностью 50 т с двигателем Д-30КП-2, конец ХХ в.

                             

Каждый из фундаментальных законов физики является уникальным явлением в истории естествознания, человечества, так как вносит выдающийся вклад в развитие науки и техники. На основании фундаментальных законов физики в ХХ в. были осуществлены электрификация, механизация, автоматизация, компьютеризация промышленности, сельского хозяйства и быта.

Законы, постулаты Бора являются последними открытыми в ХХ в. фундаментальными законами физики. На открытых фундаментальных законах физики в этом веке были сделаны выдающиеся изобретения техники и технологий, преобразивших мир. ХХ в. характеризуется взрывным характером создания новой техники и технологий, выходом в небо, в космос, на другую планету, компьютеризацией промышленности и быта. Все виды техники и технологий были созданы на основе открытых в XVII–XIX вв. фундаментальных законов физики. Однако в конце ХХ в. стало ясно, что открытых законов недостаточно для объяснения и управления рядом физических явлений, происходящих в технических устройствах, создания более совершенных, экономичных, менее энергоемких устройств. К настоящему времени нет объяснений и законов, описывающих турбулентные явления газо- и гидродинамики и тепло-обмена, процессы горения, газодинамики, электродинамики. До конца ХХ в., а именно до открытия, сделанного автором, не было законов теплового излучения газовых объемов факелов (рис. 7, 8) и электрических дуг энергетических установок и металлургических печей.

До настоящего времени не открыты законы, описывающие явления, происходящие в шаровой молнии, законы, объясняющие землетрясения, циклоны, смерчи, вихри. Не сформулированы законы, описывающие явления, происходящие при взаимодействии концентрированных магнитных полей и теплового излучения в световом диапазоне. Статьи автора в данном сборнике посвящены открытию фундаментальных законов физики, законов теплового излучения газовых объемов факелов и электрических дуг и их практическому использованию в металлургии, энергетике, промышленности.

 

Рис. 7. Роликовая факельная печь с 40 горелками мощностью по 200 кВт и 8 зонами регулирования температуры

Рис. 8. Туннельная факельная печь с плоскофакельными горелками для упрочнения, закалки, отпуска или нагрева изделий

 

Факельное сжигание топлива используется:

в факельных нагревательных печах в металлургии и во всех отраслях машиностроения (при нагреве перед ковкой, штамповкой, прессованием, прокаткой, закалкой, отжиге, отпуске, химико-термической обработке);

топках паровых котлов электростанций в энергетике (рис. 9);

камерах сгорания газотурбинных установок электростанций (рис. 9) и газотурбинных двигателей в авиации (см. рис. 6);

в камерах сгорания двигателей летательных аппаратов с факельным сжиганием топлива (в оборонной и космической промышленности) (рис. 10).

За последние 100 лет Россия прошла путь от аграрной страны с преимущественно натуральным хозяйством (см. рис. 1, 2) до современной передовой ракетно-космической сверхдержавы с лучшей в мире авиацией (см. рис. 6), космическими кораблями (рис. 11), ракетно-космическими войсками.

В топке парового котла сжигают от 20 до 200 т топлива в час, в тепловом излучении участвует 10×10³⁰–10⁶⁰ атомов. В расчетах теплообмена в топках необходимо учесть излучение всех атомов на любую расчетную площадку, что представляет собой сверхсложную задачу. На протяжении ХХ в. факел в печах, топках, камерах сгорания являлся «черным ящиком», неисследованным объемом излучения.

Рис. 9. Энергоблок мощностью 660 МВт тепловой электрической станции

 

Рис. 10. Ракетные двигатели производства ОАО «Кузнецов» для пилотируемых космических кораблей

Рис. 11. Космический корабль на стартовой площадке

Топки паровых котлов тепловых электростанций потребляют                         80–85 % всех мировых топливно-энергетических ресурсов: нефти (мазута), газа, угля. Около 67 % электроэнергии в мире вырабатывается на тепловых электростанциях при сжигании жидкого, пылевидного, газообразного топлива. Важно так организовать факельное сжигание топлива в топках паровых котлов, чтобы повысить КПД топок, снизить расход топлива, выбросы парниковых газов, повысить равномерность парообразования в трубах, снизить эксплуатационные затраты на промывку и ремонт труб. Правильно организовать факельное сжигание топлива, расположение горелок позволяют расчеты теплообмена в топках паровых котлов, основанные на открытых автором законах теплового излучения газовых объемов факелов.

Данные о теплообмене в камерах сгорания газотурбинных установок (рис. 12) и жидкостных реактивных двигателей (см. рис. 10) получают в ходе длительных экспериментальных исследований, так как ни один из существующих методов расчета не дает полной картины теплообмена факела с поверхностями нагрева камер сгорания. В отсутствии надежной методики расчета теплообмена в факельных печах, топках, камерах сгорания нет вины российских и зарубежных ученых, конструкторов, так как законы излучения газовых объемов факелов были открыты только в конце ХХ в. в России. С открытием законов теплового излучения газовых объемов факелов появилась возможность рассчитать полную картину теплообмена в камерах сгорания, печах, топках [5–10].

 

Рис. 12. Газотурбинная электростанция

 

Статьи автора в данном сборнике посвящены решению проблемы расчета теплообмена в факельных печах, топках, камерах сгорания и практическому использованию решения в практике проектирования и эксплуатации факельных печей, топок, камер сгорания.

Библиографический список

1. Тимофеева, Т.Н. Курс физики / Т.Н. Тимофеева. М.: Высшая школа, 2001. 460 с.

2. Андреева, О.Н. Физика: справочник / О.Н. Андреева. М.: Мартин, 2006. 586 с.

3. Макаров, А.Н. Оптимальные тепловые режимы дуговых сталеплавильных печей / А.Н. Макаров, А.Д. Свенчанский. М.: Энерго-атомиздат, 1992. 96 с.

4. Макаров, А.Н. Теплообмен в электродуговых и факельных металлургических печах и энергетических установках / А.Н. Макаров. СПб.: Лань, 2014. 384 с.

5. Макаров, А.Н. Кризис методов расчета теплообмена в электро-дуговых и факельных печах, топках, камерах сгорания в ХХ веке и выход из кризиса в ХХI веке / А.Н. Макаров, А.В. Кузнецов, Д.Н. Ва-                    сильев // Энергоресурсосбережение в промышленности: сборник научно-практических трудов. Тверь: ТвГТУ, 2018. С. 4–15.

6. Макаров, А.Н. Законы теплового излучения поверхностей и газовых объемов – фундаментальные законы физики и электротер-              мии / А.Н. Макаров, Ю.М. Павлова, Д.Н. Васильев // Энергоресурсо-сбережение в промышленности: сборник научно-практических трудов. Тверь: ТвГТУ, 2018. С. 15–25.

7. Макаров, А.Н. Расчеты теплового излучения факела в печах и топках по законам излучения газовых объемов / А.Н. Макаров // Энерго-ресурсосбережение в промышленности: сборник научно-практических трудов. Тверь: ТвГТУ, 2018. С. 25–32.

8. Макаров, А.Н. Математическое моделирование теплового излучения газовых объемов электродуговых и факельных печей, топок, камер сгорания / А.Н. Макаров, Ю.М. Павлова, В.В. Окунева // Энерго-ресурсосбережение в промышленности: сборник научно-практических трудов. Тверь: ТвГТУ, 2018. С. 32–40.

9. Макаров, А.Н. Математическое моделирование теплового излучения объема в форме прямоугольного параллелепипеда излучением сферических газовых объемов / А.Н. Макаров // Энергоресурсосбережение в промышленности: сборник научно-практических трудов. Тверь: ТвГТУ, 2018. С. 40–44.

10. Макаров, А.Н. Расчет КПД дуг в дуговых сталеплавильных печах обычной конструкции и Consteel / А.Н. Макаров, Ю.М. Павлова, А.В. Кузнецов // Энергоресурсосбережение в промышленности: сборник научно-практических трудов. Тверь: ТвГТУ, 2018. С. 44–51.