Экологические проблемы, связанные с применением тепловых машин и проблемы энергосбережения

Размещено на http: //www. allbest. ru/

РЕФЕРАТ

На тему: «Экологические проблемы, связанные с применением тепловых машин и проблемы энергосбережения»

Содержание

Введение

1. Виды тепловых двигателей

2. Экологическая проблема использования тепловых машин

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Тепловые двигатели - самые распространенные двигатели в мире.

Тепловые машины широко используют на производстве и в быту. По железнодорожным магистралям водят составы мощные тепловозы, по водным путям - теплоходы. Миллионы автомобилей с двигателями внутреннего сгорания перевозят грузы и пассажиров. Поршневыми, турбовинтовыми и турбореактивными двигателями снабжены самолеты и вертолеты. С помощью ракетных двигателей осуществляются запуски искусственных спутников, космических кораблей и станций. Двигатели внутреннего сгорания являются основой механизации производственных процессов в сельском хозяйстве. Их устанавливают на тракторах, комбайнах, самоходных шасси, насосных станциях.

Существует неразрывная взаимосвязь и взаимозависимость условий обеспечения тепло энергопотребления и загрязнения окружающей среды. Взаимодействие этих двух факторов жизнедеятельности человека и развитие производственных сил привлекает постепенное внимание к проблеме взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды.

На ранней стадии развития теплоэнергетики основным проявлением этого внимания был поиск в окружающей среде ресурсов, необходимых для обеспечения тепло энергопотребления и стабильного тепло энергоснабжения предприятий и жилых зданий. В дальнейшем границы проблемы охватили возможности более полного использования природных ресурсов путём изыскания и рационализации процессов и технологии, добычи и обогащения, переработки и сжигания топлива, а также совершенствования теплоэнергетических установок.

С ростом единичных мощностей блоков, теплоэнергетических станций и теплоэнергетических систем, удельных и суммарных уровней тепло энергопотребления, возникла задача ограничения загрязняющих выбросов в воздушный бассейн, а также более полного использования их естественной рассеивающей способности.

На современном этапе проблема взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды приобрела новые черты, распространяя своё влияние на громадные объемы атмосферы Земли.

Ещё более значительные масштабы развития тепло энергопотребления в обозримом будущем предопределяют дальнейший интенсивный рост разнообразных воздействий на атмосферу.

Принципиально новые стороны проблемы взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды возникли в связи с развитием ядерной теплоэнергетики.

Важнейшей стороной проблемы взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды в новых условиях является всё более возрастающее обратное влияние определяющая роль условий окружающей среды в решении практических задач теплоэнергетики (выбор типа теплоэнергетических установок, дислокация предприятий, выбор единичных мощностей энергетического оборудования и многое другое).

энергопотребление загрязнение экологический двигатель

1. Виды тепловых двигателей

К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твёрдое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.

Паровая машина -- тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина -- любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу. Для привода паровой машины необходим паровой котёл. Расширяющийся пар давит на поршень или на лопатки паровой турбины, движение которых передаётся другим механическим частям. Одно из преимуществ двигателей внешнего сгорания в том, что из-за отделения котла от паровой машины они могут использовать практически любой вид топлива -- от дров до урана. Основным преимуществом паровых машин является то, что они могут использовать практически любые источники тепла для преобразования его в механическую работу. Это отличает их от двигателей внутреннего сгорания, каждый тип которых требует использования определённого вида топлива. Наиболее заметно это преимущество при использовании ядерной энергии, поскольку ядерный реактор не в состоянии генерировать механическую энергию, а производит только тепло, которое используется для выработки пара, приводящего в движение паровые машины (обычно паровые турбины). Кроме того, есть и другие источники тепла, которые не могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания, например, солнечная энергия. Интересным направлением является использование энергии разности температур Мирового Океана на разных глубинах. Подобными свойствами также обладают другие типы двигателей внешнего сгорания, такие как двигатель Стирлинга, которые могут обеспечить весьма высокую эффективность, но имеют существенно большие вес и размеры, чем современные типы паровых двигателей.

Двигатель внутреннего сгорания (сокращённо ДВС) -- это тип двигателя, тепловая машина, в которой химическая энергия топлива (обычно применяется жидкое или газообразное углеводородное топливо), сгорающего в рабочей зоне, преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что ДВС являются относительно несовершенным типом тепловых машин (сильный шум, токсичные выбросы, меньший ресурс), благодаря своей автономности (необходимое топливо содержит гораздо больше энергии, чем лучшие электрические аккумуляторы) ДВС очень широко распространены, например на транспорте.

Газовая турбина -- это тепловой двигатель непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Состоит из компрессора, соединённого напрямую с турбиной, и камерой сгорания между ними. (Термин Газовая турбина может также относится к самому элементу турбина.) Сжатый атмосферный воздух из компрессора поступает в камеру сгорания, где смешивается с топливом и происходит возгорание смеси. В результате сгорания возрастает температура, скорость и объём потока газа. Далее энергия горячего газа преобразуется в работу. При входе в сопловую часть турбины горячие газы расширяются, и их тепловая энергия преобразуется в кинетическую. Затем, в роторной части турбины, кинетическая энергия газов заставляет вращаться ротор турбины. Часть мощности турбины расходуется на работу компрессора, а оставшаяся часть является полезной выходной мощностью. Газотурбинный двигатель приводит во вращение находящийся с ним на одном валу высокоскоростной генератор. Работа, потребляемая этим агрегатом, является полезной работой ГТД. Энергия турбины используется в самолётах, поездах, кораблях и танках.

Преимущества газотурбинных двигателей

* Очень высокое отношение мощности к весу, по сравнению с поршневым двигателем;

* Высокий КПД на максимальных оборотах, чем у поршневых двигателей.

* Перемещение только в одном направлении, с намного меньшей вибрацией, чем у поршневого двигателя.

* Меньшее количество движущихся частей, чем у поршневого двигателя.

* Низкие эксплуатационные нагрузки.

* Высокая скорость вращения.

* Низкая стоимость и потребление смазочного масла.

Недостатки газотурбинных двигателей

* Стоимость намного больше, чем у аналогичных по размерам поршневых двигателей, поскольку материалы должны быть более крепкие и жаропрочные.

* Машинные операции также более сложные;

* Как правило, имеют меньший КПД, чем поршневые двигатели, на холостом ходу.

* Задержка отклика на изменения настроек мощности.

Эти недостатки объясняют, почему дорожные транспортные средства, которые меньше, дешевле и требуют менее регулярного обслуживания, чем танки, вертолеты, крупные катера и так далее, не используют газотурбинные двигатели, несмотря на неоспоримые преимущества в размере и мощности.

Паровая турбина представляет собой серию вращающихся дисков, закрепленных на единой оси, называемых ротором турбины, и серию чередующихся с ними неподвижных дисков, закрепленных на основании, называемых статором. Диски ротора имеют лопатки на внешней стороне, пар подается на эти лопатки и крутит диски. Диски статора имеют аналогичные лопатки, установленные под противоположным углом, которые служат для перенаправления потока пара на следующие за ними диски ротора. Каждый диск ротора и соответствующий ему диск статора называются ступенью турбины. Количество и размер ступеней каждой турбины подбираются таким образом, чтобы максимально использовать полезную энергию пара той скорости и давления, который в нее подается. Выходящий из турбины отработанный пар поступает в конденсатор. Турбины вращаются с очень высокой скоростью, и поэтому при передаче вращения на другое оборудование обычно используются специальные понижающие трансмиссии. Кроме того, турбины не могут изменять направление своего вращения, и часто требуют дополнительных механизмов реверса (иногда используются дополнительные ступени обратного вращения). Турбины превращают энергию пара непосредственно во вращение и не требуют дополнительных механизмов преобразования возвратно-поступательного движения во вращение. Кроме того, турбины компактнее возвратно-поступательных машин и имеют постоянное усилие на выходном валу. Поскольку турбины имеют более простую конструкцию, они, как правило, требуют меньшего обслуживания. Основной сферой применения паровых турбин является выработка электроэнергии (около 86% мирового производства электроэнергии производится паровыми турбинами), кроме того, они часто используются в качестве судовых двигателей (в том числе на атомных кораблях и подводных лодках). Было также построено некоторое количество паротурбовозов, но они не получили широкого распространения и были быстро вытеснены тепловозами и электровозами.

Реактивный двигатель -- двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и в соответствии с законом сохранения импульса образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой температуры (т.н. тепловые реактивные двигатели), так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле (ионный двигатель). Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть, он создаёт тяговое усилие только за счёт взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

Существует два основных класса реактивных двигателей:

* Воздушно-реактивные двигатели -- тепловые двигатели, которые используют энергию окисления горючего кислородом воздуха, забираемого из атмосферы. Рабочее тело этих двигателей представляет собой смесь продуктов горения с остальными компонентами забранного воздуха.

* Ракетные двигатели -- содержат все компоненты рабочего тела на борту и способны работать в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве.

2. Экологическая проблема использования тепловых машин

Используемые человеком машины, теплодвигатели, производство автомобилей, применение газотурбинных двигательных установок, авиация и ракетоносители, загрязнение водной среды судами - все это катастрофически разрушающе действует на окружающую среду.

Загрязнения от тепловых двигателей:

1. Химическое.

2. Радиоактивное.

3. Тепловое.

КПД тепловых двигателей < 40%, в следствии чего больше 60% теплоты двигатель отдаёт холодильнику.

Главная опасность теплоэнергетики для атмосферы заключается в том, что сжигание углеродсодержащих топлив приводит к появлению двуокиси углерода CO2, которая выбрасывается в атмосферу и способствует созданию парникового эффекта.

Наличие в сжигаемом угле добавок серы приводит к появлению окислов серы, они поступают в атмосферу и после реакции с парами воды в облаках создают серную кислоту, которая с осадками падает на землю. Так возникают кислотные осадки с серной кислотой.

Другим источником кислотных осадков являются окислы азота, которые возникают в топках ТЭС при высоких температурах (при обычных температурах азот не взаимодействует с кислородом атмосферы). Далее эти окислы поступают в атмосферу, вступают в реакцию с парами воды в облаках и создают азотную кислоту, которая вместе с осадками попадает на землю. Так возникают кислотные осадки с азотной кислотой.

ТЭС на угле, вырабатывающая электроэнергию мощностью 1 ГВт = 10' Вт, ежегодно потребляет 3 млн. угля, выбрасывая в окружающую среду 7 млн. т СО2, 120 тыс. т двуокиси серы, 20 тыс. т оксидов азота NО2, и 750 тыс. т золы.

В каменном угле и летучей золе содержатся значительные количества радиоактивных примесей. Годовой выброс в атмосферу в районе расположения ТЭС мощностью 1 ГВт приводит к накоплению на почве радиоактивности, в 10-20 раз превышающей радиоактивность годовых выбросов АЭС такой же мощности.

Выбросы вредных веществ в атмосферу - не единственный фактор влияния тепловых двигателей на природу. Производство механической и электрической энергии не может осуществляться без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты, что не может не приводить к увеличению средней температуры на планете. Тепловое загрязнение отягощается тем, что сжигаемые вещества увеличивают концентрацию углекислого газа в атмосфере. Это, в свою очередь, ведет к возникновению «парникового эффекта». Всемирное потепление становится реальной опасностью. Экологическая проблема использования тепловых машин заключается и в том, что сгорание топлива не может быть полным, и это ведет к выбросу в воздух, которым мы дышим, золы и хлопьев сажи. По статистике, во всем мире энергоустановки ежегодно сбрасывают в воздух более 200 млн. тонн золы и более 60 млн. тонн оксида серы. Проблемы экологии, связанные с использованием тепловых машин, пытаются решать все цивилизованные страны. Вводятся новейшие энергосберегающие технологии по усовершенствованию тепловых двигателей. В результате энергопотребление на производство одной и той же продукции значительно снижается, уменьшая вредное действие на экологию.

Тепловые электростанции, двигатели внутреннего сгорания автомобилей и других машин в большом количестве сбрасывают в атмосферу, а затем в почву вредные для всего живого отходы, к примеру, хлор, сернистые соединения (при сгорании каменного угля), угарный газ СО, оксиды азота и др. Автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу около трех тонн свинца. На атомных электростанциях иная экологическая проблема использования тепловых машин - безопасность и захоронение радиоактивных отходов. Из-за невероятно большого потребления энергии некоторые регионы утратили способность самоочищения собственного воздушного пространства. Эксплуатация атомных электростанций помогла значительно снизить вредные выбросы, однако для работы паровых турбин требуется огромное количество воды и большое пространство под пруды для охлаждения отработанного пара.

Заключение

ПУТИ РЕШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧСЕКИХ ПРОБЛЕМ

К сожалению, человечество не в силах отказаться от использования тепловых двигателей. Увеличение масштабов производства электроэнергии на базе органических видов топлива может, по мнению ученых, привести в будущем к ряду неблагоприятных для жителей Земли результатов - изменению средней температуры атмосферы, появлению в ней вредных газов (СО, SO, NO и др.) в количествах, опасных для здоровья человека и всего живого. Борьба с негативными последствиями использования тепловых машин заключается в том, чтобы увеличить эффективность применения энергии и переходить на энергосберегающие технологии. Следовательно, необходимо рационально использовать энергию, получаемую на ТЭС: «отработанное» тепло (конденсат) направлять, например, для бытовых нужд населения (т.е. строить ТЭЦ), экономно расходовать электричество и т.д.

Чтобы уменьшить негативные последствия работы тепловых двигателей, действуют в двух направлениях: с одной стороны, совершенствуют эти двигатели, повышая их КПД и уменьшая выброс вредных веществ, с другой стороны -- используют энергосберегающие технологии.

Меры предотвращения загрязнений:

1. Снижение вредных выбросов.

2. Контроль за выхлопными газами, модификация фильтров.

3. Сравнение эффективности и экологической безвредности различных видов топлива, перевод транспорта на газовое топливо.

Защита атмосферы от основного источника загрязнений ТЭС - диоксида серы - происходит, прежде всего, путём его рассеивания в более высоких слоях воздушного бассейна. Для этого сооружаются дымовые трубы высотой 180, 250 и даже 420 м. Более радикальное средство сокращения выбросов диоксида серы - выделение серы из топлива до его сжигания на ТЭС.

Наиболее эффективный способ снижения выбросов сернистого газа - сооружение на ТЭС известняковых сероулавливающих установок и внедрение на обогатительных фабриках установок по извлечению из угля пиритной серы.

Защита атмосферы от тепловых выбросов должна быть направлена на снижение объёмов газовых выбросов и их очистку и включать следующие мероприятия:

- контроль за состоянием окружающей среды;

- применение методов, способов и средств, ограничивающих объёмы выбросов газа и подачи его в промысловую газосборочную сеть;

- использование в аварийных случаях факельных устройств, обеспечивающих полное сгорание сбрасываемого газа;

- обеспечение соблюдения экологических нормативов проектируемыми объектами и сооружениями;

- применение системы автоматических блокировок технологических потоков в нефтепереработке, позволяющей герметизировать опасные участки в аварийных ситуациях и осуществить разрядку этого звена в факельную систему;

- максимально возможное изменение топливных режимов тепловых энергетических установок в пользу экологически чистых видов топлива и режимов его снижения;

- достижение основного объёма снижения газовых выбросов в нефтепереработке путём строительства установок по подготовке попутного и нефтяного газа и систем газопроводов, обеспечивающих утилизацию.

Снижение объёмов вредных выбросов и нефтепереработке достигается в процессе реконструкции и модернизации нефтеперерабатывающего производства, сопровождаемых строительством природоохранных объектов.

Но главное - вести поиски экологически чистых источников энергии. В общем, будет неправильным утверждать, что мировая экологическая проблема использования тепловых машин не решается. Все большее количество электровозов вытесняют обычные поезда; становятся популярными автомобили на аккумуляторных батареях; в промышленность внедряются энергосберегающие технологии. Есть надежда, что появятся экологически чистые авиа- и ракетные двигатели. Правительствами многих стран реализуются международные программы по защите окружающей среды, направленные против загрязнения Земли.

Список литературы

1. https://www.bestreferat.ru/referat-235510.html

2. https://www.twirpx.com/file/303112/grant/

3. http://www.saveplanet.su/articles_73.html

4. https://tooglik.ru/q6364139

5. http://nashaucheba.ru/v39974

6. http://buk-journal.ru/article/173901/ekologicheskaya-problema-ispolzovaniya-teplovyih-mashin-metodyi-resheniya

7. http://ignorik.ru/docs/index-2340282.html

8. http://fb.ru/article/173901/ekologicheskaya-problema-ispolzovaniya-teplovyih-mashin

9. pandia.ru/text/78/430/18476.php

Размещено на Allbest.ru