Основы энергетики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Определение энергии

Энергия - удивительное явление. Энергия может находиться в людях и животных, в камнях и растениях, в ископаемом топливе, деревьях и воздухе, в реках и озерах. Энергия поднимает в космос ракеты, движет автомобилями, кораблями и самолетами. Энергия дает нам свет, тепло, связь. И чем дальше в своем развитии продвигается человечество, тем больше ему нужно энергии.

Энергия - явление многостороннее и многозначное. Само слово «энергия» заимствовано из греческого языка и означает «действие». Чуть сложнее определение энергии, принятое в мире науки: «это общая количественная мера различных форм движения материи».

Энергия, которая возникает при движении предмета, одушевленного или неодушевленного, называется механической. Но не только движение рождает энергию: она существует во множестве форм. Например, при нагревании чего-либо возникает тепловая энергия. В ходе химической реакции высвобождается химическая энергия, а при распаде атомов - ядерная. Есть и другие виды энергии - электрическая, гравитационная, солнечная.

Энергия не исчезает и не появляется вновь, а только переходит из одной формы в другую. Энергия движения может быть преобразована в тепловую, тепловая - в световую и электрическую энергию, и наоборот. Но общее количество энергии при этом не меняется. Это легко понять на примере воды. Когда вода замерзает, то превращается в лед. Когда закипает - в пар. Воды больше или меньше при переходе из одного состояния не станет. То же самое можно сказать и про энергию: какие бы превращения с ней ни происходили, сумма мировой энергии остается неизменной.

Возможности энергии безграничны. Когда-то ученые называли ее «живой силой». Сегодня энергия сопровождает нас на каждом шагу. Она приводит в действие огромное количество приборов и механизмов, которые делают нашу жизнь такой комфортной.

2. Термодинамические основы

Термодинамика - наука о закономерностях превращения энергии. В термодинамике широко используется понятие термодинамической системы.

Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, взаимодействующих, как между собой, так и с окружающей средой.

Все тела, находящиеся за пределами границ рассматриваемой системы, называются окружающей средой.

Поскольку одно и тоже тело, одно и тоже вещество при разных условиях может находится в разных состояниях, (пример: лед - вода - пар, одно вещество при разной температуре) вводятся, для удобства, характеристики состояния вещества - так называемые параметры состояния.

Термодинамика занимается изучением тепловых свойств макроскопических тел и явлений природы, не интересуясь их микроскопической природой в отличие от молекулярно - кинетической теории. В термодинамике обычно рассматривается некоторая термодинамическая система, иногда называемая просто телом. Состояние термодинамической системы описывается тремя термодинамическими параметрами: давлением, объемом и температурой Т. Состояние системы может быть охарактеризовано и одной физической величиной- энергией. Поэтому термодинамику рассматривают еще как раздел физики, изучающей энергию, ее превращения и способы передачи ее от одной системы к другой.

Первое начало термодинамики. Существует такой опытный факт: все тепло, сообщенное системе, идет на приращение ее внутренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил. Это формулировка первого начала термодинамики.

Математическая запись первого начала в случае бесконечно малых изменений имеет вид:

энергия термодинамический работа полезный



,

где - тепло, сообщенное системе, - изменение внутренней энергии, - работа.

Рассмотрим подробно все величины, входящие в формулу 1.

а) Внутренняя энергия системы - это полная энергия всех микрочастиц (атомов, молекул и электронов), составляющих систему, т.е. сумма кинетической энергии теплового движения (поступательного и вращательного) и потенциальной энергии взаимодействия между частицами.

Внутренняя энергия является функцией состояния, т.е. каждому состоянию соответствует определенное значение внутренней энергии.

б) Работа. При расширении газа элементарная работа, которую он совершает при перемещении поршня на бесконечно малое расстояние , равна

,

где - сила, действующая со стороны газа на поршень. Если - давление газа, а - площадь поршня, то и тогда

.

Произведение равно, очевидно, увеличению объема газа, поэтому

.

Работу, совершаемую газом при расширении его объема от до вычислим, интегрируя последнее выражение

.

в) Теплота, как и работа, существует только в процессе теплопередачи. В термодинамике не может быть и речи о теплоте, когда нет процесса теплопередачи. Теплота - микроскопическая форма передачи энергии. В первом начале термодинамики изменение внутренней энергии будем обозначать через , а теплоту и работу через и , т.к. они не являются полными дифференциалами.

Число степеней свободы - это число независимых координат, которые полностью определяют положение системы в пространстве. Одноатомный газ можно рассматривать как материальную точку, имеющую три степени свободы поступательного движения. Молекула двухатомного газа кроме трех степеней свободы поступательного движения имеет еще две степени свободы вращательного движения, поэтому общее число степеней свободы двухатомного газа . Трехатомная молекула имеет шесть степеней свободы.

Закон равномерного распределения энергии молекул по степеням свободы гласит, что все степени свободы системы, описываемой классической механикой, энергетически равноправны. На одну степень свободы распределяется энергии.

Внутренняя энергия идеального газа. Внутренняя энергия одного моля идеального газа равна

,

внутренняя энергия любой массы газа равна



,

где М - молярная масса, - число молей, - число степеней свободы.

Адиабатический процесс. Адиабатическим процессом называется процесс, происходящий без теплообмена системы с окружающей средой (). Быстропротекающие процессы можно считать адиабатическими процессами. Уравнение адиабаты:

,

или можно записать

,

где г=.

Полученное уравнение адиабатического процесса называется уравнением Пуассона.

Для перехода к переменным или необходимо с помощью уравнения состояния газа () исключить соответственно температуру или объем

или .

Обратимые и необратимые тепловые процессы. Круговой процесс (цикл)

Необратимый процесс - это процесс, который нельзя провести в обратном направлении без тех или иных изменений либо в самой системе, либо во внешних телах. Примером необратимого процесса является передача теплоты от нагретого тела к холодному. Необратим любой процесс, если он сопровождается трением, расширением газа в вакуум.

Чтобы получить непрерывно действующую тепловую машину необходимо иметь нагреватель (тело с более высокой температурой Т₁), и холодильник (тело с более низкой температурой Т₂), причем температура нагревателя и холодильника в процессе работы теплового двигателя остаются постоянными (рис. 1).

Рис. 1

При наличии таких двух тел процесс превращения тепла в работу может быть представлен так: способное расширяться рабочее тело приводится в контакт с нагревателем. Полученная от нагревателя теплота затрачивается на работу расширения А1. Далее рабочее тело приводится в контакт с холодильником, которому оно отдает теплоту за счет работы А2, совершаемой внешними силами над рабочим телом. Не все полученное извне тепло превращается в работу. КПД тепловой машины



Если бы машина работала без холодильника (), то , т.е. все полученное тепло превращалось бы в работу. Но это невозможно согласно началу термодинамики: невозможен такой двигатель, который бы все полученное тепло превращал в работу. Или: невозможны такие процессы, единственным, конечным результатом которых был бы переход тепла от тела, менее нагретого к телу более нагретому. Обе формулировки эквивалентны.

Рис. 2 Цикл Карно

Работа Карно была вызвана необходимостью применения тепловых машин на практике. С помощью цикла Карно (рис 2.) было найдено выражение для максимально возможного кпд тепловой машины, работающей в заданном интервале температур.

Коэффициент полезного действия цикла Карно

Энтропия. начало термодинамики. Энтропия - есть такая однозначная функция состояния системы, элементарное изменение которой при равновесном переходе системы из одного состояния в другое равно полученному или отданному количеству теплоты, деленному на температуру, при которой произошел этот процесс. Для бесконечно малого изменения состояния системы изменение энтропии:

.

Утверждение о том, что энтропия изолированной (т.е. предоставленной самой себе) системы может только возрастать, а при достижении максимального значения оставаться постоянной носит название закона возрастания энтропии или II начала термодинамики.

3. Коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия это характеристика эффективности работы, какого-либо устройства или машины. КПД определяется как отношение полезной энергии на выходе системы к общему числу энергии, подведенной к системе. КПД величина безразмерная и зачастую определяется в процентах.

Коэффициент полезного действия

где - A полезная работа, Q суммарная работа, которая была затрачена.

Любая система, совершающая какую-либо работу, должна из вне получать энергию, с помощью которой и будет совершаться работа.

Например, трансформатор напряжения. На вход подается сетевое напряжение 220 вольт, с выхода снимается 12 вольт для питания, к примеру, лампы накаливания. Так вот трансформатор преобразует энергию на входе до необходимого значения, при котором будет работать лампа.

Но не вся энергия, взятая от сети, попадет к лампе, поскольку в трансформаторе существуют потери.

Например, потери магнитной энергии в сердечнике трансформатора. Или потери в активном сопротивлении обмоток. Где электрическая энергия будет переходить в тепловую, не доходя до потребителя. Эта тепловая энергия в данной системе является бесполезной.

Поскольку потерь мощности избежать невозможно в любой системе то коэффициент полезного действия всегда ниже единицы.

КПД можно рассматривать как для всей системы целиком, состоящей из множество отдельных частей. Так и определять КПД для каждой части в отдельности тогда суммарный КПД будет равен произведению коэффициентов полезного действия всех его элементов.

КПД определяет уровень совершенства, какого-либо устройства в смысле передачи или преобразования энергии. Также говорит о том, сколько энергии подводимой к системе расходуется на полезную работу.

4. Виды энергии

В настоящее время имеется научно обоснованная классификация видов энергии. Их много - около 20.

Виды энергии, которые в настоящее время наиболее часто используются как в повседневной жизни, так и в научных исследованиях:

1. Ядерная энергия - энергия связи нейтронов и протонов в ядре, освобождающаяся в различных видах при делении тяжелых и синтезе легких ядер; в последнем случае ее называют термоядерной.

2. Химическая (логичнее - атомная) энергия - энергия системы из двух или более реагирующих между собой веществ. Эта энергия высвобождается в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при химических реакциях. Когда мы говорим - АЭС (атомная электро­станция), это вряд ли правильно. Точнее было бы ЯЭС (ядерная электро­станция).

3. Электростатическая энергия - потенциальная энергия взаимодействия электрических зарядов, т. е. запас энергии электрически заряженного тела, накапливаемый в процессе преодоления им сил электрического поля.

4. Магнитостатическая энергия - потенциальная энергия взаимодействия «магнитных зарядов», или запас энергии, накапливаемый телом, способным преодолеть силы магнитного поля в процессе перемещения против направления действия этих сил. Источником магнитного поля может быть постоянный магнит, электрический ток.

5. Упругостная энергия - потенциальная энергия механически упруго измененного тела (сжатая пружина, газ), освобождающаяся при снятии нагрузки чаще всего в виде механической энергии.

6. Тепловая энергия - часть энергии теплового движения частиц тел, которая освобождается при наличии разности температур между данным телом и телами окружающей среды.

7. Механическая энергия - кинетическая энергия свободно движущихся тел и отдельных частиц.

8. Электрическая (электродинамическая) энергия - энергия электрического тока во всех его формах.

9. Электромагнитная (фотонная) энергия - энергия движения фотонов электромагнитного поля.

Часто в особый вид энергии выделяют биологическую. Биологические процессы - это особая группа физико-химических процессов, но в которых участвуют те же виды энергии, что и в других.

Есть еще психическая энергия. Действительно, ни один акт человеческой деятельности не может произойти без мотивационного, а значит, и «психоэнергетического» обеспечения, источником которого служит физико-химическая энергия организма. Но это предмет отдельного разговора.

Из всех известных видов энергии, а также и перечисленных выше в практике непосредственно используются всего четыре вида: тепловая, (около 70 - 75 %), механическая (около 20 - 22 %), электрическая - около 3 - 5 %, электромагнитная - световая (менее 1 %). Причем широко вырабатываемая, подводимая по проводам в дома, к станкам электрическая энергия выполняет в основном роль переносчика энергии.

Главным источником непосредственно используемых видов энергии служит пока химическая энергия минеральных органических горючих (уголь, нефть, природный газ др.), запасы которой, составляющие доли процента всех запасов энергии на Земле, вряд ли могут быть бесконечными (т. е. возобновляемыми).

В декабре 1942 г. был введен в работу первый ядерный реактор и появилось ядерное топливо. В настоящее время в ряде стран все шире используются возобновляемые источники энергии (ветровая, речной воды).

Практически в любом технологическом процессе используется несколько видов энергии. Топливно-энергетические балансы при этом составляются обычно по видам используемых топлив, видам энергии для каждого технологического цикла (передела) отдельно. Это не позволяет провести объективное сравнение различных технологических процессов для производства одного и того же вида продукции.

Для сквозных расчетов энергоемкости какого-либо технологического продукта было предложено все виды энергии классифицировать по трем группам:

1. Первичная энергия Э1 - химическая энергия ископаемого первичного топлива, с учетом энергетических затрат на добычу, подготовку (обогащение), транспортировку.

2. Производная энергия Э2 - энергия преобразованных энергоносителей, например: пар, горячая вода, электроэнергия, сжатый воздух, кисло­род, вода, с учетом затрат на их преобразование.

3. Скрытая энергия Э3 - энергия, израсходованная в предшествующих технологиях и овеществленная в сырьевых исходных материалах процесса, технологическом, энергетическом. оборудовании, капитальных сооружениях, инструменте, к этой же форме энергии относятся энергозатраты по поддержанию оборудования в работоспособном состоянии (ремонты), энергозатраты внутри - и межзаводских перевозок, и других вспомогательных операций.

Для многих массовых видов продукции величина энергетических затрат в виде скрытой энергии, т. е. вносимой оборудованием и капитальными сооружениями, является относительно незначительной по сравнению с другими двумя видами энергии и поэтому в первом приближении может включаться в расчет по примерной оценке.

Суммарные энергозатраты на производство единицы какой-либо продукции в этом случае можно записать в виде:

Э_сум=Э₁+Э₂+Э₃-Э₄ ,

где Э4 - энергия вторичных энергоресурсов, которая вырабатывается в процессе производства данной продукции, но передается для использования в другой технологический процесс.

Суммарные энергозатраты называют также технологическим топливным числом (ТТЧ) конкретного вида продукции (стали, кирпича).

5. Потенциалы энергий

Потенциал возобновляемых источников энергии

К возобновляемым источникам энергии, которые в настоящее время принимают во внимание, относятся:

* геотермальная энергия земли;

* солнечная энергия;

* биомасса в пределах возобновляемости;

* гидроэнергия;

* энергия мирового океана;

* энергия ветра

Возобновляемая энергия не неисчерпаемая, и она имеет свою количественную меру, ограничивающую использование.

В отличие от ископаемых энергоресурсов, количество определяется категориями «ресурсы» и «запасы» (традиционные установленные ресурсы),

Возобновляемые источники энергии измеряются потенциалом.

Потенциал возобновляемых источников энергии - это количество энергии, которое можно использовать от данного источника в единицу времени (обычно принимается в течение года). При этом различают следующие градации потенциала:

* теоретический;

* технически возможный;

* экономически целесообразный;

* экологически приемлемый

Теоретический потенциал - это количество энергии, которое образуется от данного источника в единицу времени.

Технически возможный - часть этой энергии, для использования которой у нас имеются технические средства. Например, наиболее распространенные современные ветротурбины начинают вращаться при скорости ветра 2-3 м/с и выше. Значит, при меньшей скорости мы технически не можем использовать энергию ветра. Аналогичная ситуация и с гидротурбинами: для каждого типа есть определенная минимальная скорость, при которой гидроколесо способно вращаются.

Экономически целесообразный составляет, в свою очередь, часть технически возможного потенциала, использование которого конкурентоспособно с другими источниками энергии. В настоящее время традиционные ветроустановки рентабельны в местах, где средняя скорость ветра составляет 8 м/с и выше.

Экологически приемлемый - это тоже часть технически возможного потенциала, применение которого не существенного ущерба окружающей среде.

Определение реального потенциала возобновляемых источников энергии является важной научной и практической задачей. Следует отметить, что различные данные о потенциале возобновляемой энергетики достаточно сильно отличаются между собой как в масштабе всей планеты, так и по отдельным странам и регионам. Это свидетельствует о недостаточной изученности данной задачи.

Самым масштабным по использованию возобновляемым источником настоящее время является гидроэнергия. Физической основой гидроэнергии являются круговой процесс естественного испарения воды в океанах и крупных водоемах под действием солнечной радиации, перенос влаги облаками, осаждение ее на земную поверхность и возврат водными потоками в океаны и крупные земные водоемы. Исключением из этой схемы по направлению потока воды является река Ангара, которая вытекает из озера Байкал и на которой построена одна из крупнейших в мире гидроэлектростанций.

Зная суммарный расход и сезонные изменения параметров водотоков, а также высоту над уровнем моря, можно определить теоретически потенциал для каждого региона. Необходимо отметить, что из общего объема потоков воды на земном шаре в 47 триллионов кубометров (трлн м3) только 28 - наземные водотоки, остальные - подземные.

Основной проблемой в использовании энергии рек и водотоков является необходимость затопления большой площади земли при сооружении плотин (в настоящее время эта площадь по всему миру составляет более 450 тыс. км3, что более чем в 2 раза превышает территорию Республики Беларусь). В последние годы во многих странах развиваются технологии создания средних, малых и мини-ГЭС, в которых эта проблема до некоторой степени преодолеваются.

Биомасса может считаться возобновляемым источником энергии только в том случае, если она используется в количестве, не превышающем ее воспроизводство. В общем потреблении первичных энергоресурсов в мире доля биомассы составляет в настоящее время около 10%. В Китае, например, эта величина приближается к 20%, в Индии - превышает 40%. Ежегодно на земле произрастает и образуется биомассы в количестве 220 млрд т сухого вещества с теплотворной способностью около 105 млрд т н.

Примерно 65% биомассы теоретический энергетический потенциал биомассы составляет около 70 млрд т н. э./год, что почти в 7 раз выше теоретического потенциала гидроресурсов при пересчете на замещаемое топливо. Считается, что в рамках концепции устойчивого развития можно использовать около 10% теоретического энергопотенциала биомассы, т.е. 7 млрд т н. э. ежегодно.

Биомасса, используемая в качестве энергоносителя, подразделяется на следующие основные категории:

- древесная (деревья, кустарник, лесная подстилка, бамбук);

- недревесная (сахарный тростник, солома, хлопок, стебли и корни табака и других растений, трава, водные растения);

- отходы переработки (шелуха, выжимки, скорлупа орехов, пищевые отходы, опилки, муниципальные отходы, отходы бумажного и гидролизного производства).

- отходы животноводства;

- биотопливо (древесный уголь, топливные брикеты, метанол, этанол и рапсовое масло, биогаз).

Основными причинами недостаточного использования энергопотенциала биомассы являются следующие:

- низкая калорийность по сравнению с традиционными видами топлива;

- большая исходная влажность некоторых категорий биомассы, требующая больших затрат на сушку;

- получение биотоплива (например, биогаза) является энергоемким производством;

- большая доля транспортных расходов для энергоустановок большой мощности.

С другой стороны, биомасса имеет важное экологическое преимущество по сравнению с ископаемым топливом, заключающееся в том, что при ее сжигании не нарушается равновесие концентрации парниковых газов в атмосфере, т.к. количество выделяемого углекислого газа равно поглощенному в процессе фотосинтеза.

Стабильные ветровые потоки на земном шаре обусловлены неравномерностью солнечного нагрева различных участков планеты, вследствие чего в атмосфере создаются градиенты температуры, давления и плотности. Зная среднюю скорость ветра и частоту его появления, можно определить теоретический потенциал энергии ветра.

В настоящее время в коммерческие электрические установки (ВЭУ) в основном, на площадках с потенциалом 5-й категории и выше со скоростью ветра вблизи поверхности земли 6 м/с и более. Однако в недалеком будущем следует ожидать, что новые конструкции ВЭУ позволят осваивать площадки 3-4-й категории. Суммарная площадь таких мест на планете составляет около 30 млн км² (27% ее поверхности), и при 2000 ч. работы ВЭУ в год и плотности размещения 8 МВт/км² теоретический энергопотенциал ветра на Земле составляет около 500 трлн кВт·ч/год.

Считается, что технически возможный потенциал равен примерно 10% теоретического, т.е. 50 трлн. кВт·ч. Так же, как и в случае использования биомассы, более корректно принимать во внимание не столько экономические, сколько экологические и социальные факторы. К факторам, налагающим определенные ограничения на строительство ВЭУ, относятся:

- влияние на перелеты и гнездования птиц;

- шумовые эффекты;

- изменение ландшафта;

- отчуждение территории.

Учитывая эти и другие факторы, различные специалисты пришли к выводу, что целесообразно использовать не более 4% территории, пригодной для размещения ВЭУ.

Таким образом, целесообразный с экономической, экологической и социальной точек зрения потенциал энергии ветра составляет на земле примерно 20 трлн кВт·ч/год.

Известно, что при продвижении на каждые 100 м в глубину температура земли повышается в среднем на 3 єС, хотя эта величина значительно изменяется в различных местах.

В общем случае под геотермальной энергией понимается теплота, содержащаяся в недрах земли. Источником этой теплоты являются расправленная магма и распад естественно радиоактивных элементов. Различают следующие виды геотермальной энергии:

- гидротермальная (горячая вода) или пар на глубине от 100 до 4500 м;

- энергия геологически сжатых водоносных слоев, содержащих растворенный

- метан;

- энергия горячих каменных пород (аномальных геологических образований,

- в которых мало или вовсе нет воды);

- энергия магмы (расплавленной каменной породы температурой от 700 до 1200єС).

Теоретический потенциал геотермальной энергии огромен: около 3500 трлн т н. э.

Именно поэтому геотермальную энергию считают возобновляемым источником. Однако к технически возможным ресурсам можно отнести только очень малую часть этого потенциала - не более 0,15 трлн т н. э. И, наконец, доступная в ближайшие 10-15 лет для освоения геотермальная энергия составляет около 13 млрд т н. э. настоящее время применение геотермальной энергии установками малой мощности. Так же, как и геотермальная в наименьшей степени на земле освоена энергия мирового океана. В общем случае можно использовать следующие виды энергии океана:

- приливов и отливов;

- волновую;

- тепловую, обусловленную разностью температуры по глубине;

- диффузионную, связанную с разностью концентраций соли во впадающих в океан реках и в основной массе океанической воды.

Подавляющая часть этого потенциала приходится на тепловую энергию. Однако в настоящее время можно говорить только об использовании энергии приливов и отливов.

В мире работает несколько приливных электростанций. Для извлечения из океана других видов энергии не имеется пока соответствующих технических средств.

Строго говоря, почти все рассмотренные выше виды возобновляемых источников энергии так или иначе связаны с энергией солнца. Именно поэтому программа по освоению возобновляемых источников энергии, одобренная Генеральной Ассамблеей ООН в 1998 г., была названа Всемирной солнечной программой. Излучение солнца, достигающее поверхности земли, приносит огромное количество энергии, которая обычно рассматривается как отдельный специфический вид.

Максимум плотности потока энергии излучения солнца на поверхности земного шара составляет 1 кВт/м², средняя плотность - 0.2 кВт/м². Величина этого потока зависит от географической широты, времени суток, высоты над уровнем моря, облачности и степени рассеяния в атмосфере.

В разное время суток меняется угол наклона солнечных лучей к поверхности Земли.

Теоретически только благодаря энергии солнца иметь возобновляемый источник в сотню раз превышающий теперешний уровень потребления энергоресурсов, не говоря уже о геотермальной энергии земли (еще в сотни раз больше). Когда принимаем во внимание технические возможности, то суммарный потенциал возобновляемых источников уже в десятки раз превышает наши теперешние потребности, но все равно от представляется очень и очень большим. Однако, с другой стороны, за счет возобновляемых источников в ближайшем обозримом будущем реально мы можем только удвоить наше энергопотребление.

6. Эксэргия

Как известно, топливо - это источник теплоты и энергии. Всякое топливо можно сжечь, но не всегда можно получить одинаковое количество полезных теплоты и работы. Возможность получить как можно больше работы из того же количества теплоты - основной вопрос технической термодинамики. Поэтому в термодинамике появился термин - работоспособность.

Термодинамические исследования и оценку энергетической эффективности процессов преобразования теплоты в работу удобно производить, пользуясь понятием эксэргии. Термин «эксэргия» введён З. Рантом в 1957 г. и состоит из двух частей: «ex» - внешний (лат.) и «erg» - энергия (греч.).

Эксэргией называют то максимальное количество работы, которое можно получить от заданного количества теплоты или вещества, если параметры этой теплоты или вещества привести (путём обратимых процессов) в равновесие с окружающей средой.

Получить работу можно только в неравновесной системе. Для этого требуется отличие ее параметров от параметров окружающей среды. Если не уходить очень далеко от практически важных задач, то окружающая среда - это воздух с неизменными параметрами: температурой T o, давлением p o.

Понятие эксэргии E выступает как мера ценности в термодинамике. Эксэргия механической или электрической энергии численно равна этой энергии, так как она может быть полностью превращена в работу: E=L. Иначе обстоит дело с внутренней энергией некоего тела.

Второй закон термодинамики утверждает, что всякое тело, не находящееся в равновесии с окружающей средой, обладает определённой эксэргией.

Рис. 3 Диаграммы потоков теплоты и эксэргии для теплосиловой паротурбинной установки

Если в системе есть только источник теплоты с температурой Т и окружающая среда с температурой Т, то единственная возможность получить максимальную работу, отобрав от источника теплоту Q, состоит в том, чтобы между источником теплоты и окружающей средой осуществить с помощью какого-либо рабочего тела прямой цикл Карно. При этом в работу будет превращена часть тепла, равная КПД этого цикла Карно, то есть эксэргия теплоты будет равна:

E = Q(1-- T o / T).

Видно, что эксэргия теплоты тем выше, чем выше температура источника теплоты. При температуре окружающей среды эксэргия теплоты равна нулю. Это обстоятельство не принимается во внимание многочисленными изобретателями предлагаемых тепловых двигателей, способных работать, по их мнению, с использованием теплоты изотермической окружающей среды.

Помимо эксэргии теплоты, существуют и эксэргия потока вещества, химическая и другие виды эксэргии и методики их определения (рис. 1).

Как следует из диаграммы потоков теплоты, основная потеря (55%) - потеря теплоты, отданной в конденсаторе. Это заставляет, на первый взгляд, искать возможности снижения таких больших потерь именно в этом узле теплосиловой установки. На самом же деле - это низкотемпературная (низкопотенциальная) теплота, эксэргия её незначительна и использовать её непросто.

Эксэргетическая же диаграмма показывает, что потери работоспособности в конденсаторе-всего 4%, а основные потери-в котле вследствие необратимых потерь передачи тепла от горячего источника с температурой Т г ? 1800 К (топка котла) к рабочему телу с температурой Т 1 ? 800 К (пар на турбину).

Эксэргетический анализ позволяет изыскивать пути повышения эффективности работы теплосиловой установки, анализируя причины потери эксэргии по узлам и обосновывая рекомендации по совершенствованию циклов теплоэнергетических установок.

Однако к эксэргетическому анализу необходимо относиться с определённой осторожностью, помня, что эксэргия теплоты может иметь практическую ценность, равную нулю (при температуре теплоты, близкой к температуре окружающей среды). Надо одновременно оценивать и расходы, которые придётся понести, чтобы использовать эксэргию теплоты. То есть следует проводить техникоэкономический (термоэкономический) анализ при рассмотрении процессов и циклов теплосиловых установок.

7. Критерии энергоэффективности

Назначение критериев энергоэффективности:

· охарактеризовать с энергетической точки зрения производство, передачу или потребление энергии на создание и использование продукции;

· оценить потенциал энергосбережения на различных объектах (установка, цех, предприятие, жилой район, регион, государство);

· обосновать правильность выбора энергосберегающих мероприятий.

Поскольку наибольшие нерациональные потери энергии наблюдаются при ее потреблении (в промышленности, сельском хозяйстве, в быту и в общественной деятельности), то наибольший интерес представляют критерии энергетической эффективности, связанные с потреблением энергоресурсов.

Существующие критерии энергетической эффективности можно разделить на:

· термодинамические;

· технические(натуральные);

· финансово-экономические.

Термодинамические:

- энергетический Э и Е эксергетический коэффициенты полезного действия;

- коэффициент полезного использования тепла Пи.

Технические.

Данная группа показателей наиболее разнообразна. Ее можно в свою очередь разделить на три подгруппы:

- нормируемые показатели энергетической эффективности продукции, которые вносятся в государственные стандарты, технические паспорта продукции, техническую и конструкторскую документацию и используются при сертификации продукции, энергетической экспертизе и энергетических обследованиях;

- показатели энергетической эффективности производственных процессов, которые вносятся в стандарты и энергопаспорта предприятий и используются в ходе осуществления государственного надзора за эффективным использованием топливно-энергетических ресурсов и проведении энергообследований органами государственного надзора;

- показатели (индикаторы) реализации энергосбережения (отражаются в статотчетности, нормативных правовых и программно-методических документах, контролируются структурами государственного управления и надзора).

Финансово-экономические:

- простые критерии (движение потоков наличности, чистая прибыль, рентабельность инвестиций, срок окупаемости капитальных вложений, срок предельного возврата кредитов и процентов по ним)

- интегральные критерии (чистый дисконтированный доход, внутренняя норма рентабельности, срок возврата капитала, суммарные затраты, удельные затраты).



Список использованной литературы

1. http://energetika.in.ua/ru/books/book-2/part-2/section-2/2-5

2. Кирвель, И. И. «Экологические проблемы использование энергоресурсов».

3. Михалевич А. А. Энергетическая безопасность и возобновляемая энергетика.

Размещено на Allbest.ru

...