Эффективность преобразования различных видов энергии

Вид преобразования энергии	КПД, %	Система преобразования
Тепловая в кинетическую Тепловая в электрическую Излучение в электрическую Электрическая в химическую Химическая в электрическую Электрическая в механическую Механическая в электрическую Химическая в тепловую	30–45 5–8 10–15 70–75 60–90 60–95 До 98 10–88	Турбина теплоэлектростанции, ракетный двигатель Термопара Солнечная батарея Аккумуляторная батарея Топливный элемент, электрохимические источники тока Электромотор Электрогенератор Печи, котлы, горелки

Существуют ограничения на преобразование теплоты в работу. Они обусловлены следствием из второго закона термодинамики, показывающим, что часть теплоты безвозвратно теряется.

В результате термодинамических ограничений в природе существует тепловая ловушка; избежать ее невозможно при любой схеме преобразования теплоты в работу. Поясним этот процесс, пользуясь методом термодинамических потенциалов. Для этого запишем уравнения максимальной работы системы:

- – изохорно-изотермический процесс;

- – изобарно-изотермический процесс,

где – максимальная работа, совершаемая системой, Дж/кмоль;

F – изохорно-изотермический потенциал, Дж/кмоль; G – изобарно-изотермический потенциал, Дж/кмоль; ΔS – энтропия, Дж/кмоль∙град.

Рис.1.2. Схема получения электрической энергии на ТЭС

Количество теплоты, теряемое безвозвратно, равно произведению температуры на изменение энтропии – это связанная теплота. Применение термодинамических методов анализа позволяет оценивать эффективность преобразования различных форм энергии в тепловых процессах.

В качестве примера рассмотрим получение электрической энергии на тепловой электростанции (ТЭС). На ТЭС реализуется цепь превращенной энергии, изображенная на рис. 1.2. Химическая энергия, запасенная в топливе, в результате горения переходит в тепловую энергию. Тепловая энергия переходит в механическую энергию движения турбины, а механическая энергия переходит в электрическую.

Рассмотренная цепь превращения приводит к суммарному коэффициенту использования энергии, запасенной в топливе, равному 32%:

На тепловой электростанции около 68% энергии теряется в окружающей среде, нарушая сложившийся тепловой баланс.

Источники энергии требуют энергетических затрат на переработку и добычу топлива. Эти затраты необходимо учитывать в коэффициенте полезного действия процесса. Рассмотрим процесс газификации угля и выработку электроэнергии из синтез-газа. Для расчета КПД процесса составим баланс теплоты по сгоранию продуктов газификации при постоянном давлении. В этих условиях теплота обладает свойством аддитивности:

где Н – энтальпия процесса, кДж/кг.

Тепловой баланс газификации угля показан на рис. 1.3. Основные продукты газификации: синтез-газ, смолы, фенолы, аммиак, соединения серы.

Рис. 1.3. Тепловой баланс газификации угля

Коэффициент полезного действия электоростанции, работающей на синтез-газе из газифицированного угля, равен 24%:

где 0,75 – КПД газификации угля с учетом сгорания смол, фенолов, масел, аммиака, серы.

Электростанция, работающая на синтез-газе, имеет еще более низкий КПД:

где 0,6 – КПД газификации угля без учета теплоты сгорания смол, фенолов, масел, аммиака, серы.

Составив тепловые балансы различных вариантов использования топлива, выбирают наиболее рациональный путь применения.

При работе атомной электростанции потребитель получает примерно 27% от общей энергии, выделяющейся при расщеплении ядерных материалов. Происходит это вследствие значительных затрат энергии на утилизацию и обезвреживание отходов, достигающих 30%, обогащение руды и компенсацию затрат на строительство – 15%.

Вопросы рационального использования энергии рассматривает энергетика. Энергетику относят к одной из форм природопользования. В перспективе количество получаемой энергии неограниченно, но энергетика имеет ограничения по тепловым потокам биосферы. Они зависят от баланса получения энергии, ее потерь, усвоения живыми организмами и неживой природой. В настоящее время суммарный баланс приходной и расходной частей энергии оценивается величиной порядка Вт. В процессе фотосинтеза из этого количества энергии усваивается Вт. Предполагаемое увеличение доли выделяемой энергии в биосфере свыше Вт кризисно отразится на ее развитии вследствие нарушения тепловых потоков и загрязнения окружающей среды.

Рис.1.4. Доля различных видов энергетических ресурсов в

выработке первичной энергии

Из всей энергии, полученной в 80–90 гг. XX в. (рис.1.4), примерно четвертая часть расходовалась на транспортные нужды. Наиболее расточительный потребитель энергии – автомобиль. Автомобильный транспорт потребляет более половины всей энергии, расходуемой на транспортные нужды.

Принципы рационального использования энергии в промышленности и на транспорте осуществляют различными методами.

В промышленности главная задача – применение вторичных энергетических ресурсов, на транспорте – повышение коэффициента полезного действия по преобразованию тепловой энергии в механическую, но общие проблемы, характерные для энергетических устройств, можно сформулировать следующим образом:

– учет экономических последствий применения энергетических устройств;

– экономное расходование энергетических ресурсов;

– выбор наиболее рационального пути преобразования одного вида энергии в другой.

Решение перечисленных выше проблем сохраняет устойчивое развитие биосферы и не приводит к глобальным катастрофическим изменениям природы.

Рациональное применение энергии непосредственно связано с эффективностью источников энергии, используемых в различных процессах. Все источники энергии разделим на три большие группы:

– традиционные источники энергии;

– альтернативные источники энергии;

– смешанные источники энергии.

К традиционным источникам энергии относят гидроэлектростанции (ГЭС), ТЭС всех видов – угольные, нефтяные, газовые, торфяные, атомные электростанции всех типов, двигатели внутреннего сгорания, теплоустановки.

Основные виды альтернативной энергетики включают гелиоэнергетику, биоэнергетику, ветроэнергетику, альтернативную гидроэнергетику, геотермальную энергетику.

В гелиоэнергетике энергия излучения солнца непосредственно превращается в другие формы энергии.

Основа биоэнергетики – производство биомассы, биосинтеза водорода, жидкого и газообразного топлива – биогаза. К биоэнергетическим установкам следует отнести мусоросжигающие станции.

В альтернативной гидроэнергетике используют энергию морских течений, приливов, волн.

Геотермальная энергетика развивается в направлении создания градиентных установок геотермальной энергии – разности температур глубин и поверхности моря, тепловых насосов.

Смешанные источники энергии – это атомно-водородные установки, солнечно-водородные устройства, использующие энергию солнца для получения водорода.

Альтернативные и смешанные источники энергии, несмотря на высокие эколого-экономические показатели, составляют незначительную долю от традиционных энергетических установок, но в перспективе роль альтернативных источников энергии будет возрастать, так как они более совместимы с экологическими системами.

Материальный баланс

С целью выяснения причин загрязнения окружающей среды составляют материальные балансы источников выбросов и сбросов вредных веществ. В большинстве случаев проще и надежнее составить материальный баланс технологического процесса, чем использовать прямые методы измерения количества вредных веществ, которые не всегда доступны и эффективны вследствие больших затрат времени и материальных средств.

Уравнения материального баланса основаны на законе сохранения веществ, позволяют решать следующие задачи:

– определить массу токсичных веществ, попадающих в атмосферу, воду, почву;

– рассчитать концентрации вредных веществ в выбросах и сбросах;

– рассчитать эксплуатационные характеристики очистных сооружений, технологических процессов, промышленных предприятий;

– выдать рекомендации и принять решения по вводу в действие природоохранных мероприятий.

Основные уравнения материального баланса следующие:

где , , – соответственно масса, мольная доля, скорость накопления вещества в системе; , – соответственно масса, мольная доля, скорость поступления вещества в систему; – соответственно масса, мольная доля, скорость выхода вещества из системы.

Пример 1. Определение расхода сточной воды с помощью метода индикатора. Задача формулируется следующим образом. Определить расход сточной воды с помощью введения индикатора в сток. В качестве индикатора используют краситель или любое вещество, которое достаточно просто анализируется в сточной воде. Для решения задачи составим материальный баланс сточной воды:

где – расход сточной воды, м³/с; – расход индикатора, постоянно вводимого в сток, м³/с; – фоновая концентрация индикатора в сточной воде, кг/м³; – концентрация индикатора в растворе, кг/м³; C – концентрация индикатора в сточной воде после добавления раствора и его равномерного перемешивания со стоком, кг/м³.

Из уравнения материального баланса находим расход сточной воды:

Обычно применяют такой индикатор, которого нет в сточной воде (С _ф = 0):

Пример 2. Работа биологических очистных сооружений (рис.1.5).

За работой очистных сооружений следит химическая лаборатория. Из лабораторных анализов известно, что на очистку (А) поступило 100 кг загрязненной воды. Вода содержит 4 мас.% твердых веществ, из них 70% – органические вещества, 30% – неорганические. Из отстойника (D) удаляют суспензию, содержащую 6% твердых веществ, в том числе 50% органических. Составить баланс работы очистных сооружений.

Рис.1.5. Схема работы биологических очистных сооружений

Для составления материального баланса входящие компонен-

ты – воду, органические, неорганические вещества – обозначим X ₁, Y ₁, Z ₁. Входящие компоненты – Z ₁, Y ₁, X ₂, X ₃, Y ₃. Составляем материальный баланс для точки А:

Материальный баланс для точки D:

Неорганические твердые вещества в биологических очистных сооружениях не разлагаются и выводятся с осадком. Такие вещества называются сквозными компонентами.

Материальный баланс для точки В означает, что биогаз образуется только из органических веществ: