Основы энергосбережения Поспелова ТГ 2000

СОВ нефти на земле). Процессы образования упорядоченных систем происходят при возрастании энтропии окружающей среды и нередко весьма длительны. Ресурсы накопленной негэнтропии имеют большую ценность, так как практически невоспроизводимы, и это должно быть учтено в энергосберегающей политике. Поэтому деятельность человеческого общества направлена на упорядочение, борьбу с энтропией, и рациональное энергопотребление является важным слагаемым этой деятельности.

Категория качества энергии далеко не исчерпывается понятием ее работоспособности. Многообразные виды энергии различаются плотностями энергопотоков, которые характеризуются концентрацией эксергии и другими физико-химическими характеристиками.

Для оценки практической пригодности энергии, содержащейся в материи, важно знать не только количество эксергии, но и ее концентрацию, т.е. отношение эксергии к объему термодинамического агента (энергоносителя). Чем выше концентрация эксергии, т.е. плотность энергопотока, тем лучше показатели сооружения и эксплуатации энергетических установок. Очевидно, что 1 Дж энергии в виде электричества имеет большую ценность для потребителя, чем 1Дж в виде низкотемпературного тепла, например, горячей воды. Атакой энергоноситель, как лазерный поток, имеет еще больший эксергатический показатель.

Немногим более половины всей потребляемой энергии используется в виде тепла для технических нужд, отопления, приготовления пищи, оставшаяся часть - в виде механической, прежде всего в транспортных установках, и электрической энергии. Причем доля электрической энергии с каждым годом растет (рис. 4.1).

Преимущества электрической энергии. Электрическая энергия является наиболее удобным видом энергии и по праву может считаться основой современной цивилизации. Подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации производственных процессов (оборудование, приборы ЭВМ), замена человеческого труда машинным в быту имеют электрическую основу.

Почему же так быстро растет спрос именно на электрическую энергию, в чем ее преимущество?

Потребление

электроэнергии^

. ТВт • ч

20000

15000

10000 -

5000

Электрическая энергия обладает такими свойствами, которые де- :ают ее незаменимой в механизации и автоматизации производства и в овседневной жизни человека;

1.Электрическая энергия универсальна, она может быть использована для самых различных целей. В частности, ее очень просто превратить в тепло. Это делается, например, в электрических источниках света (лампочках накаливания), в технологических печах, используемых в металлургии, в различных нагревательных и отопительных устройствах. Превращение электрической энергии в механическую используется в приводах электрических моторов.

2.При потреблении электрической энергии ее можно бесконечно дробить. Так, мощность электрических машин в зависимости от их назначения различна: от долей ватта в микродвигателях, применяемых во многих отраслях техники и в бытовых изделиях, до огромных величин, превышающих миллион киловатт, в генераторах электростанций.

3.В производстве электрической энергии, наоборот, можно концентрировать ее мощность, увеличивать напряжение и передавать по проводам как на малые, так и на большие расстояния любые количества электроэнергии с электростанций, где она вырабатывается, всем ее потребителям.

4.2. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ТЕПЛОВОЙ В МЕХАНИЧЕСКУЮ

Рассмотрим еще одну формулировку II закона термодинамики, которая указывает на существенное различие двух форм передачи энергии - теплоты и работы. Согласно этой формулировке:

1.Невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение тепла, полученного от нагревателя, в эквивалентную ему работу^ Цроцесс преобразования упорядоченного движения тела как целого в неупорядоченное движение частиц самого тела и внешней среды является необратимым. Упорядоченное движение может переходить в неупорядоченное без каких-либо дополнительных (компенсирующих) процессов, например, механическая энергия движения в тепловую при трении. В то же время, обратный переход неупорядоченного движения в упорядоченное - «переход тепла в работу» не может явдяться единственным результатом термодинамического процесса и всегда сопровождается каким-либо компенсирующим процессом.

2.Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме тепла от холодного тела к горячему. В таком виде закон был установлен гениальным французским ученым С. Карно (1824 г.): тепло может само переходить только от более нагретого тела к менее нагретому. Если же нужно передать тепло от менее нагретого тела к более нагретому, то при этом, не только не может быть получена механическая энергия, но, наоборот, ее необходимо израсходовать. В настоящее время такой процесс используется в холодильных машинах.

Тепловая машина. Термодинамикой установлено, что для непрерывного получения механической энергии из тепловой необходимо

иметь три основных элемента, в совокупности образующих тепловую машину (рис. 4.2):

-резервуар тепла с относительно высокой температурой (горячий источник, или нагреватель);

-резервуар тепла с более низкой температурой (холодный источник, или холодильник);

-рабочее тело (воздух, водяной пар, газы и т. п.), непрерывно

совершающее цикл, с помощью которого тепловая энергия превращается в механическую.

Т > Т*; Q > Q*

Рис. 4.2. Принцип работы тепловой машины.

КПД тепловой машины. Экономичность процесса преобразования энергии теоретически не зависит от выбора рабочего тела. Практически же свойства рабочего тела весьма существенно влияют на КПД цикла. Наибольшее применение в качестве рабочего тела имеют продукты сгорания топлива - в двигателях внутреннего сгорания (автомобиле, самолете, тепловозе и др.) и водяной пар - в энергетических теплосиловых установках. Реже используются углекислота и гелий (АЭС), фреон и аммиак (холодильные установки). Однако главным производителем механической энергии из тепловой является не рабочее тело, а резервуары тепла, или, как их обычно называют в термодинамике, источники тепла.

Из второго закона термодинамики следует, что источники тепла обязательно должны иметь различную температуру: один из них - более высокую (горячий источник), а второй - более низкую (холодный источник).

Вкаждом цикле от горячего источника передается рабочему телу определенное количество тепла Q, а от рабочего тела переходит в холодный источник определенное, но всегда меньшее количество тепла Q*. Так как рабочее тело после завершения цикла возвращается в исходное состояние, то произведенная за один цикл механическая энергия обязательно должна быть равна разности двух количеств тепла: полученного от горячего источника и переданного холодному источнику. Так было бы, если бы отсутствовали потери на трение и др. Но на самом деле потери всегда имеются. Поэтому реально получаемая механическая энергия меньше разности двух количеств тепла на величину потерь.

Вэтом заключается существо непрерывного производства механической энергии из тепловой в тепловой машине, определяемое выражением:

КПД описанного процесса - цикла Карно зависит в первую очередь от температур источников тепла. Его максимальное значение независимо от конструкции тепловой машины и выбора рабочего тела определяется выражением:

Т-Т*

(4.3)

Для повышения КПД температура горячего источника Т должна быть как можно выше, а холодного Т* - как можно ниже. Что касается холодного источника тепла, то здесь выбирать не приходится. Этим источником всегда является окружающая среда - вода и воздух. Иначе обстоит дело с горячим источником. Он может быть избран из числа созданных природой: энергии Солнца или тепла глубинных слоев Земли. Но в настоящее время в подавляющем большинстве случаев используются искусственные источники тепла, создаваемые в результате сжигания органического топлива или проведения экзотермической управляемой ядерной реакции в атомном реакторе. В первом случае может быть достигнута температура около 3000 °С, а во втором - практически неограниченно высокая.

Следовательно, КПД конденсационной тепловой электростанции теоретически равен:

КПД^^ = 0,9 • 0,63 • 0,9 = 0,5.

Практически с учетом потерь КПД КЭС имеет меньшее значение и находится в пределах 36-39%.

Теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), где осуществляется комплексная выработка электрической и тепловой энергии, обладают КПД в 1,5-1,7 раз выше, достигающим 60-65%. Комплексная выработка электроэнергии и тепла очень выгодна. На рис. 4.4 а, б показаны энергетические диаграммы для КЭС и ТЭЦ. На них наглядно отражается соотношение затраченной, полезно отпущенной энергии и потерь.

Рис.4.4. Энергетические диаграммы: а) КЭС; б) ТЭЦ.

В табл. 4.1 представлены в процентном выражении потери энергии в элементах электрических станций. Очевидно, коэффициенты полезного действия КЭС и ТЭЦ определяются соответственно выражениями: