double arrow

Источники, преобразователи и потребители энергии

2

Основными характеристиками реакция химически реагирующих веществ являются энергия активации реакции, обеспечивающая разрыв межмолекулярных и межатомных связей, и скорость протекания реакции, определяемая видом топлива, условиями протекания реакции, внешними воздействиями и др.

Процесс протекания химической реакции при сжигании топлива называется горением, которое характеризуется выделением теплоты и выделением в качестве конечного продукта газа, соответствующего реагирующим веществам состава.

В современной энергетике используются в основном органическиетопливана основе твёрдых(уголь, торф, древесина), жидких(бензин, керосин, солярка, мазут), газообразных(природные и искусственные) горючих.

Энергетическая эффективность топлив характеризуется их высшей Hu и низшей Hо теплотворной способностью:

Высшая теплотворная способность определяется как:

Но = Нu + Qп1m, ккал/кг = Нu + Qп2m, кДж/кг,

где Qп1 = 600 ккал/кг; Qп2 = 2512 кДж/кг – приближённое значение теплоты парообразования воды;

m = 9Н + W – масса водяных паров в продуктах сгорания при сжигании 1 кг топлива, образующихся при сгорании Н кг водорода, находящегося в топливе, и W кг влаги, содержащейся непосредственно в топливе.




Так как энергетические установки являются открытыми термодинамическими системами, осуществляющими выброс продуктов реакции непосредственно в атмосферу при температуре, превышающей температуру окружающей среды, следовательно исключающей процесс конденсации паров в отводимых продуктах, то при расчётах составляющих энергетических балансов используются значения Нu. Некоторые значения Нu указаны в приведенной ниже таблице 2.2.2.

Табл. 2.2.2

  Горючее Низшая теплотворная способность, ГДж/г, Нu•106   Еа превышает в:
Метастабильные атомы гелия 468.0 2•107(минимально)
Водород(атомарный) 216.0  
Водород(газ) 120.0  
Водород с кислородом 13.3  
Бензин 44.0  
Бензин с кислородом 10.0  
Бензин с воздухом 2.62 3.4•1010(максимально)
Дизельное 42.5  
Мазут 40.0  
Каменный уголь 24.0  
Антрацит 21.0  
Бурый уголь 14.0  
Природный газ 48.0  
Бутан(сжиженный) 49.0  
Пропан(сжиженный) 37.4  

В России для сопоставления различных по свойствам, энергетике и обеспечения суммарного учёта энергетических затрат видов топлив используют так называемый угольный эквивалент топлива в виде условного топлива, теплотворная способность которого принята равной 29.3 МДж/кг(7000 ккал).

За рубежом используют в качестве указанного эквивалента единицу britisc Thermal Units(Btu): 1 Btu = 252 кал = 1055 Дж = 2.93 10-4 кВт ч

Из приведенной таблицы видно, что наибольшее значение Нu = 120 и 216 МДж/кг, в зависимости от состояния, имеет водород, который является самым перспективным для современной термохимической энергетики горючим. Однако практическое применение его пока невозможно по ряду объективных причин, связанных как с его получением и хранением, так проблемами использования при эксплуатации энергетических установок. Поэтому пока водород относят к перспективным горючим.



Электрическая энергия(ЭЭ)наиболее удобный и универсальный для практического применения вид энергии, который, кроме того, легко может быть преобразован в другие виды энергии. Базовыми дисциплинами, изучающими ЭЭ, являются электродинамика и электротехника. Технология получения ЭЭ является дополнительной к технологии получения механической энергии. Это означает, что без наличия источника механической энергии(двигателя, механического устройства, энергетической установки, системы и т.д.), позволяющих вращать электрический генератор, ЭЭ не может быть получена в требуемом количестве для промышленного, бытового и др. назначения.

Практически пригодных способов прямого преобразования химической энергии в электричество пока нет. Теоретически такие возможности существуют и могут быть реализованы, например, на основе плазменных и особенно ядерных и аннигиляционных процессов. Однако все эти направления пока далеки даже от лабораторных испытаний.



Как известно, носителями электричества являются постоянный и переменный электрический ток.

При постоянном электрическом токе направление и сила тока со временем не изменяются. При переменном токе изменяются по времени величина и направление тока.

Постоянный электрический ток характеризуется направлением, силой I(А) и напряжением U(В) при заданном(известном) электрическом сопротивлении R. Работа, совершаемая электрическим током, определяется как Lэ = IUt, Дж. Мощность тока Nэ = IU = I2R = U2/R,Вт(1Вт = 1 А•В), R – сопротивление электрической цепи, измеряется в Ом. Общепринятой, внесистемной единицей измерения работы электрического тока является также кВт•ч.

Переменный электрический ток определяется как I = Imax sin(αt + µ),

где Imax – амплитуда; αt + µ - фаза тока; α = 2πη – частота колебаний; µ- начальная фаза.

На практике используют понятие действующие силы тока, напряжения и мощности. Так действующие напряжения составляют: в быту - 220 В, в линии передач – 110кВ.

Для электрических цепей переменного тока с активными и реактивными элементами определяется средняя мощность тока за период(активная мощность) N = IUcosα, где cosα – коэффициент мощности. Приведенная формула позволяет учитывать потери электрической энергии в цепи. При этом мощность имеет различные размерности в СИ: активная измеряется в ваттах(Вт), полная – в вольт-амперах(ВА), реактивная – реактивных вольт-амперах(вар).

Электрические цепи подразделяются на однофазные и трёхфазные. Преимущества трёхфазных электрических цепей заключаются в том, что они позволяют экономить цветной металл в линиях электропередач, создавать вращающееся магнитное поле в роторах статора асинхронного электродвигателя, обеспечивая уменьшение массы и габаритов этих двигателей, а также уменьшать пульсации постоянного тока, получаемого из тока переменного, обеспечивать два рабочих напряжения- линейное 380 В и фазное 220В.

Являясь универсальной, ЭЭ применяется для получения других видов энергии. Наиболее широко ЭЭ используется для производства механической( с использованием электродвигателей постоянного и переменного тока) и тепловой энергии(с помощью различных водопаронагревателей).

Для получения ЭЭ существует много систем, способов и устройств, однако основным является тепломеханический за счёт принудительного вращения электрических генераторов постоянного и переменного тока.

Ядерная энергия,не смотря на сопутствующие её получению и применению технологические и экологические проблемы, в настоящее время продолжает развиваться и приобретать всё более широкий рынок применения во всём мире. Однако в топливном балансе всех «ядерных» стран, в том числе и в России, ядерная энергетика занимает незначительное место(не более 5 – 7%). Ядерные электростанции строятся в основном в тех местах, где невозможно обеспечить получение других менее опасных видов энергии или из соображений экономической эффективности, обеспечения обороноспособности страны.

ЯЭ получают и преобразуют в используемую для получения механической работы(вращения турбины) теплоту в ядерных реакторах. Из первого(охлаждающего) замкнутого герметичного контура ядерного реактора теплота транспортируется теплоносителем в паронагреватель(парогенератор). Насыщенный пар из паронагревателя поступает во второй энергетический контур высокого давления и приводит в действие паровую турбину, вращающую, в свою очередь, электрический генератор, с клемм которого и снимается электрический ток соответствующего напряжения и мощности.

Первый контур должен быть полностью герметичен, так как циркулирующий в нём теплоноситель радиоактивен, следовательно, опасен при утечках. Второй контур не радиоактивен.

Таким образом, атомный реактор является фактически источником теплоты(аналогичным камере сгорания) для её последующего использования в традиционных системах преобразования теплоты в механическую(вращение турбины) и последующую электрическую(вращение связанного с турбиной электрического генератора) энергию.

Солнечная энергия(СЭ) и водород –являются наиболее перспективными источниками получения экологически безопасной энергии.

В настоящее время СЭ получают с помощью особых фокусирующих солнечные лучи концентраторов для получения теплоты, преобразуют непосредственно в электричество с помощью батарей из термо- и фотоэлементов. Однако стоимость получаемого при этом электричества пока в 100 раз выше электричества, получаемого от тепловых электростанций.

Основная проблема использования СЭ связана с её чрезвычайно низкой плотностью у поверхности Земли(до 3.35МДж/м2 ). В то же время при мощности достигающего поверхности Земли солнечного потока, равной 1.78•108 ГВт, можно удовлетворить потребности всего населения Земли, аккумулируя эту энергию на площади 20 тыс. км2. Так как пока эффективных способов концентрации СЭ нет, а существующие способы дорогие, то возможности широкого практического применения пока невозможны.

В настоящее время человечеством освоены следующие виды энергии:

· Механическая(работа силы и момента силы, кинетическая, потенциальная и полная)

· Электрическая

· Тепловая химическая, солнечная, ядерная

· Солнечная

· Ядерная

Упрощённая схема последовательности и технологии реализации

процессов преобразования энергии в схеме источники – преобразователи - потребители

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ: аннигиляционные, ядерные, химические, механические, электрические, магнитостатические электростатические гравитационностатические, упругостные, электромагнитные

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЭНЕРГИИ:

ядерно: механические(реактивные двигатели), электрические (реакторные, атомные батареи), тепловые(реакторные, атомные батареи);

химико: механические, электрические(аккумуляторные батареи, топливные элементы), тепловые(камеры сгорания); биоэнергетические (механические-мускульные, электрические-топливные элементы); упругостно: механические(пружины), электрические(топливные элементы концентрационные);

гравистатическомеханические (аэрогидростатические, аэрогтдроударные);

электростатическоэлектрические(конденсаторы); магнитостатическомеханические(постоянный магнит с сердечником);

упругостнотепломеханические(реактивный, поршневой, газотурбинный двигатели);

теплоэлектрические(термоэлектрические, термоэмиссионные элементы и преобразователи, магнитогидродинамические генераторы); механоэлектрические(механические электрогенераторы); электромеханические (электродвигатели);

электротепловые(на эффектах Пельтье, Джоуля Ленца), электромагнитоэлектрические(на фотоэффекте).

2.1.3. Освоенные и перспективные ресурсы



2




Сейчас читают про: