Р. Байтасов.

Основы энергосбережения. Конспект лекций



скачать книгу бесплатно

© Р. Р. Байтасов, 2017


ISBN 978-5-4485-8932-4

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Тема 1. ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ РЕСУРСЫ. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ, ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ

1.1 Цель и задачи изучения курса «Основы энергосбережения»

Возникновение, существование и развитие всех форм жизни на Земле всецело зависит от источников энергии, главным из которых является Солнце. Мощность, излучаемая поверхностью этого космического источника, равна 3,83 х 10??Вт. На Землю попадает только 2 х 10?? Вт солнечной энергии, из которой атмосферой и земной поверхностью поглощается 47%. Остальная энергия отражается и рассеивается в космическое пространство. Несмотря на это, поглощение Землёй энергии в 35 тысяч раз превышает энергопотребление всего человечества.

Все ныне используемые источники энергии, по сути, являются преобразованной энергией Солнца.

Первоначальная энергия системы «биомасса – кислород» возникает в процессе фотосинтеза под действием солнечного излучения, являющегося естественным вариантом преобразования солнечной энергии.

Биомасса является основным исходным веществом для образования ископаемых топлив (торфа, угля, нефти, газа). Накапливавшийся в течение миллионов лет на поверхности Земли растительный материал в результате биохимического разложения перерабатывался в торф. Торфообразование и торфонакопление завершались перекрытием торфяника осадками, образующими породы кровли. Происходившие далее при относительно невысоких температурах и давлении биохимические процессы приводили к превращению торфа в бурый уголь. В результате длительного воздействия повышенных температур и давления бурые угли преобразуются в каменные угли, а последние – в антрацит. Аналогичным образом нефть образовалась из остатков морских животных, низших организмов и растительных остатков, которые также в течение миллионов лет скапливались и подвергались действию давления находящихся над ними пород и тепла.

Таким образом, в конечном итоге биомасса и образовавшиеся из неё ископаемые углеводородные топлива являются не чем иным, как огромными аккумуляторами солнечной энергии. В пересчёте на сухую массу образование биологических материалов в биосфере идёт со скоростью около 2,5 х 10?? в год. Образование биомассы изменяется в зависимости от местных условий, и на единице площади суши её образуется примерно в 2 раза больше, чем на единице поверхности моря.

Из общего количества биомассы только 0,5% употребляется человеком в виде пищи.

Установлено, что с количеством потребляемой энергии непосредственно связаны степень развития техники и уровень жизни в любой стране. Чем больше потребляется энергии на одного жителя, тем выше уровень жизни и шире использование более совершенных технологий в промышленности.

Выявлена и другая дополнительная закономерность. Уровень жизни прямо пропорционален эффективности использования энергии.

При неэффективном использовании энергии он значительно ниже, так как национальный доход страны уменьшается.

Вместе с тем, в Беларуси тратится на выпуск продукции в 3—5 раз больше энергии и сырья, чем в промышленно развитых странах. К тому же энергетика РБ в значительной степени зависит от внешних поставок первичных энергетических ресурсов, импортируемых преимущественно из России. Поэтому повышение эффективности использования ТЭР и создание условий для целенаправленного перевода экономики страны на энергосберегающий путь развития является актуальной задачей.

Расходование энергии в настоящее время стало фактором, влияющим на экологию Земли. Только в XX в. человечество израсходовало больше ресурсов, чем за весь период своего существования. Ввиду ограниченности запасов ископаемых топливно-энергетических ресурсов следует ожидать их опустошения в обозримом будущем. Например, если бы все жители Земли начали потреблять столько же ТЭР, как население США – 11 т.у.т/ (год чел) (или 245 кВт-ч/ (сут. чел.)), то их хватило бы на несколько месяцев. Для стабилизации экологической ситуации каждый житель планеты должен потреблять на свои нужды энергии не более 4,8 кВт-ч в сутки (215 кг у.т/ (год чел.)) из всех источников энергии. Это предел, к которому необходимо стремиться, создавая все условия для комфортного жизнеобеспечения (питание, транспорт, отопление, производственная деятельность, развлечения и т.д.). Если этого условия не соблюдать, то экологические изменения, деградация биосферы и человечества в будущем неизбежны.

Вопросами эффективного использования энергии при её производстве, преобразовании, транспортировке, распределении и потреблении занимается новое направление энергетики – энергосбережение. В образовательные стандарты всех специальностей ВУЗов включён курс «Основы энергосбережения», который является базовой дисциплиной для последующего изучения специальных, в том числе и экономических вопросов эффективного использования энергетических ресурсов в конкретных отраслях народного хозяйства и призван способствовать привитию энергосберегающего образа мышления людям.

Цель дисциплины: формирование у специалистов правильного подхода к постановке и решению проблем эффективного использования ТЭР на основе мирового опыта и государственной политики в области энергосбережения.

Задачи дисциплины – формирование у студентов основных знаний и представлений по следующим направлениям:

– традиционные источники, способы производства, преобразования и потребления энергии;

– важнейшие энергосберегающие технологии на основе использования вторичных и возобновляемых источников энергии;

– основные принципы оценки энергетической эффективности технологий и энергетического менеджмента.

1.2 Понятие энергии. Основные виды энергии

Энергия (греч. – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи, или Энергия является мерой способности объекта совершать работу.

Энергию делят на следующие виды:

Механическая энергия – проявляется при взаимодействии, движении отдельных тел или частиц.

К ней относят энергию движения или вращения тела, энергию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах – транспортных и технологических.

Тепловая энергия – энергия неупорядоченного (хаотического) движения и взаимодействия молекул веществ.

Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопления, проведения технологических процессов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегонки и т.д.).

Электрическая энергия – энергия движущихся по электрической цепи электронов (электрического тока).

Электрическая энергия применяется для получения механической энергии с помощью электродвигателей и осуществления механических процессов обработки материалов: для проведения электрохимических реакций; получения тепловой энергии в электронагревательных устройствах и печах; для непосредственной обработки материалов (электроэрозионная обработка).

Химическая энергия – это энергия, «запасённая» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при химических реакциях между веществами.

Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальванических элементах и аккумуляторах.

Магнитная энергия – энергия постоянных магнитов, обладающих большим запасом энергии, но «отдающих» её весьма неохотно. Однако электрический ток создаёт вокруг себя протяжённые, сильные магнитные поля, поэтому чаще всего говорят об электромагнитной энергии.

Электрическая и магнитная энергия тесно взаимосвязаны друг с другом, каждая из них может рассматриваться как «оборотная» сторона другой.

Электромагнитная энергия – это энергия электромагнитных волн, т.е. движущихся электрического и магнитного полей. Она включает видимый свет, инфракрасные, ультрафиолетовые, рентгеновские лучи и радиоволны.

Таким образом, электромагнитная энергия – это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия – энергия, локализованная в ядрах атомов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобождается при делении тяжёлых ядер (ядерная реакция) или синтезе лёгких ядер (термоядерная реакция).

Гравитационная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием (тяготением) массивных тел, она особенно ощутима в космическом пространстве. В земных условиях, это, например, энергия, «запасённая» телом, поднятым на определённую высоту над поверхностью Земли – энергия силы тяжести.

Современная наука не исключает существование и других видов энергии, пока не зафиксированных, но не нарушающих единую естественнонаучную картину мира и понятие об энергии.

Одним из критериев оценки качества энергии принимается доля энергии источника, которая может быть превращена в механическую работу.

Источники энергии имеют следующие ориентировочные значения этого критерия:

– теплота сжигаемого топлива – 30—45%;

– электроэнергия – 95% и более;

– источники механической энергии: ветровая – 30%, водных потоков рек – 60%, волновая и приливная – 65%;

– тепловые возобновляемые источники – 35%;

– фотоэлектрические преобразователи – 15%.

1.3 Способы получения тепловой и электрической энергии

Человечеству известно 16 видов энергии (табл. 1.1)


Таблица 1.1 Классификация видов энергии, охватывающая все варианты энергетических превращений в природе



Для производственной деятельности и бытовых нужд люди используют в основном только четыре вида энергии (табл. 1.2)


Таблица 1.2 Виды энергии, непосредственно необходимые для жизни и деятельности человечества



Причём наибольшая потребность существует в тепловой энергии – 75% от всех энергозатрат. Доля световой энергии и электрической в чистом виде (в электротехнологии, электротерапии, в информационных системах) составляет не более 1%. В основном электрическая энергия преобразуется в другие виды – механическую, тепловую, световую (электромагнитную).

Электроэнергия является одним из наиболее совершенных видов энергии. Её широкое использование обусловлено следующими преимуществами:

– возможность выработки в местах сосредоточения ТЭР;

– удобство транспортирования на большие расстояния;

– хорошая трансформируемость в другие виды энергии (механическую, тепловую, химическую, световую);

– экологичность;

– делимость;

– возможность применения новых прогрессивных технологических процессов с высокой степенью автоматизации.

К недостаткам, присущим электрической энергии, следует отнести повышенную опасность и сложность аккумулирования.

Механическая энергия получается путём преобразования электрической энергии в электрических машинах (электродвигателях) или в тепловых машинах (двигателях внутреннего сгорания, паровых турбинах), использующих химическую энергию топлива. Для получения механической энергии издавна использовались также машины и механизмы, преобразующие энергию падающей воды или ветра.

Тепловая энергия широко используется на современных производствах и в быту в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива.

Электрическая и тепловая энергия производится:

– на тепловых электрических станциях (ТЭС) и теплоцентралях (ТЭЦ) на углеводородном топливе с использованием в турбинах водяного пара (паротурбинные установки – ПТУ), энергии газов, образующихся в результате горения топлива (газотурбинные установки – ГТУ), а также с комбинированным использованием тепловой и потенциальной энергии газов и пара (парогазовые установки ПГУ);

– на гидравлических электрических станциях (ГЭС), использующих энергию падающего потока воды, течения, прилива (на море);

– на атомных электрических станциях (АЭС), использующих энергию ядерного распада;

– в котельных различной мощности, вырабатывающих только тепловую энергию.

Конденсационные ТЭС производят только электроэнергию (они называются также ГРЭС – государственные районные электростанции). Теплоцентрали (ТЭЦ) – электрические станции с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии.

Упрощенная схема производства электрической энергии на ТЭС, работающей на органическом топливе, приведена на рис. 1.1.


Рис.1.1 Структурная схема ТЭС


При сгорании органического топлива, подаваемого в котёл, химическая энергия топлива преобразуется в тепловую, за счёт которой образуется пар высокого давления (10…14 МПа) с температурой свыше 500?С. Пар поступает на паровую турбину. Турбина, представляющая собой ротационный тепловой двигатель лопаточного типа, преобразует энергию пара в механическую энергию вращения ротора турбины, которая передаётся электрогенератору, вырабатывающему электроэнергию. Отработанный в турбине пар подаётся в конденсатор, где охлаждается и конденсируется, отдавая тепло охлаждающей воде, поступающей из охладителя. В качестве охладителей используют градирни, пруды-охладители или естественные водоёмы – озёра, реки, водохранилища. Образующийся конденсат откачивается из конденсатора и подаётся обратно в котёл, где компенсирует расход воды на парообразование.

Энергетическая эффективность ТЭС, оцениваемая коэффициентом полезного действия (КПД), определяемым как отношение выработанной электроэнергии к энергии затраченного топлива, составляет 35…40%. Основные потери тепловой энергии в ТЭС – это теплота продуктов сгорания, выбрасываемая в атмосферу и теплота, выделяющаяся при конденсации отработанного пара в охладителе.

ТЭЦ вырабатывают и отпускают потребителям электроэнергию и тепловую энергию в виде пара и горячей воды для производственных нужд и коммунально-бытового потребления. При такой комбинированной выработке тепловой и электрической энергии в тепловые сети отдаётся теплота отработавшего в турбинах пара. Это обеспечивает снижение расхода топлива на 25…30% по сравнению с раздельной выработкой электроэнергии на ТЭС и теплоты в районных котельных. Общий КПД ТЭЦ составляет 60…70%. Упрощенная схема ТЭЦ приведена на рис. 1.2


Рис. 1.2 Схема ТЭЦ с производственным отбором пара и теплофикационным отбором горячей воды


Поскольку для производственных и бытовых нужд требуются пар и вода в относительно широком диапазоне температур и давлений, на ТЭЦ применяются теплофикационные турбины различных типов. На рис. Показана схема ТЭЦ с турбинами с отбором пара. В таких турбинах часть пара с достаточно высокими температурой и давлением отбирается из промежуточных ступеней и направляется на производство, откуда в котёл через питательный бак возвращается конденсат. Остальной отработанный пар с выхода турбины направляется в теплообменник, где конденсируется и также возвращается в питательный бак и в котёл. Теплота конденсации применяется для подогрева воды, используемой в системе горячего водоснабжения и отопления. На современных ТЭЦ наиболее распространены турбины с отбором пара.

В последнее время на ТЭЦ устанавливают парогазовые установки (ПГУ) с комбинированным (бинарным) циклом. Образующиеся в результате горения топлива в потоке сжатого воздуха газы направляются сначала на газовую турбину, где, расширяясь, совершают механическую работу, а затем теплота отработанных турбиной газов используется на образование пара в котле. Далее процесс протекает аналогично приведённой схемы на рис. 1.1. Совместная работа газовой и паровой турбин позволяет увеличить производство электрической энергии и повысить КПД ТЭЦ до 80% и более.

Районные котельные предназначены для централизованного теплоснабжения промышленности и жилищно-коммунального хозяйства, а также для покрытия пиковых тепловых нагрузок в теплофикационных системах. Они проще и дешевле, чем ТЭЦ той же тепловой мощности. Поэтому во многих случаях теплофикацию районов начинают со строительства районных котельных. До ввода в работу ТЭЦ эти котельные являются основным источником теплоснабжения района. После ввода ТЭЦ эти котельные используются в качестве пиковых.

Районные котельные сооружают на площадках ТЭЦ или в районах теплоснабжения. В них устанавливают водогрейные котлы (при работе на газе) или паровые котлы низкого давления – до 2,4 МПа (при работе на мазуте или твёрдом топливе).

АЭС по структуре аналогична ТЭС (см. рис.1.1). Основное отличие состоит в использовании ядерного ректора вместо котла на химическом топливе. Ядерное топливо обладает высокой теплотворной способностью – в миллион раз выше, чем органическое. В одном грамме урана содержится 2,6 х 10?? ядер, при делении которых может выделиться 2000 кВт-ч энергии, что эквивалентно сжиганию более 2000кг угля. В этой связи расходы на транспортировку топлива для АЭС сводятся к минимуму.

Ввиду того, что АЭС является потенциальным источником радиационной опасности как для обслуживающего персонала, так и для окружающей территории с населением, её располагают на удалении от крупных населённых пунктов и производственных объектов. По этой причине масштабное использование теплоты конденсации пара для производственных и бытовых нужд невозможно. По этой причине АЭС могут считаться источниками теплового загрязнения окружающей среды.

В Беларуси предприятиями по производству электрической и тепловой энергии являются ТЭЦ, ТЭС и районные котельные. Сведения о количестве электростанций и производимой электрической и тепловой энергии приведены в табл. 1.3 и 1.4.


Таблица 1.3 Электростанции РБ



Таблица 1.4 Производство электрической и тепловой энергии в РБ (1996г.)



В стране наибольшее количество ТЭР потребляется в промышленности и строительстве – 65%. Транспорт потребляет порядка 6,2%. На долю сельского хозяйства приходится 10% этих ресурсов. На коммунально-бытовые нужды расходуется 18,8%. По теплопотреблению наибольшую долю занимают жилищные организации – 47,3%. Промышленность потребляет 34,8% тепловой энергии, теплично-парниковые хозяйства – 1,4%. Остальные 16,5% приходятся на прочих потребителей.

Потребление электроэнергии косвенно свидетельствует об уровне экономического и технологического развития государства. В странах с развитой промышленной экономикой доля электрической энергии в энергетическом балансе страны, как правило, значительна. В тоже время около двух миллиардов людей на планете не имею возможности пользоваться электроэнергией.

1.4. Топливно-энергетические ресурсы и энергосбережение. Основные понятия и определения.

Энергетическим ресурсом называют любой источник энергии, естественный или искусственно активированный. Энергетические ресурсы – носители энергии, которые используются в настоящее время или могут быть полезно использованы в перспективе.

Основу классификации энергоресурсов составляет их деление по источникам получения на первичные, природные (геологические) и вторичные (побочные).

В настоящее время основными потребляемыми энергетическими ресурсами являются природные топлива и энергия потоков воды, которые представляют собой преобразованную энергию Солнца.

Первичный энергоресурс – энергоресурс, который не был подвергнут какой-либо переработке.

По способам использования первичные энергетические ресурсы подразделяют на топливные и нетопливные; по признаку сохранения запасов – на возобновляемые и невозобновляемые; ископаемые (в земной коре) и неископаемые.

Вторичный энергетический ресурс (ВЭР) – энергоресурс, получаемый в ходе любого технологического процесса или процесса жизнедеятельности человека в результате недоиспользования первичного энергоресурса или в виде энергосодержащего побочного продукта основного производства и не применяемый в этом процессе.

Невозобновляемые (истощаемые) источники энергии – это естественно образовавшиеся в недрах планеты запасы веществ, способные при определённых условиях высвобождать энергию. К ним относятся все виды топлива с углеродной основой (нефть, газ, уголь, торф, горючие сланцы) и способные к ядерному расщеплению вещества, находящиеся в земной коре (ядерное топливо).

Нефть, газ, уголь, торф и другие виды топлива с углеродной основой являются продуктом реакции фотосинтеза, которая протекает под действием солнечного излучения.

Несмотря на то, что процесс накопления органики длится уже миллионы лет, пригодные для разработки запасы углеводородного топлива на планете не так велики. Большая часть нефти уже истрачена в XX веке. При сжигании углеводородного топлива расходуется кислород и выделяются продукты сгорания: газообразные (СО?, СО, окислы серы, азота и др.) и твёрдые (зола, шлак и др.). Получаемая при этом тепловая энергия используется прямо или косвенно (после преобразования в другие виды энергии).

Процесс получения энергии из топлива негативно влияет на экологию атмосферы. Увеличение концентрации СО? ведёт к парниковому эффекту. Уменьшение О? в атмосфере – одна из причин образования «озоновых дыр».

Ядерное топливо, на первый взгляд, очень привлекательный источник энергии. В идеале атомная электростанция – экологически чистый источник энергии, поскольку выделение тепловой энергии в ядерном реакторе происходит без вовлечения в этот процесс компонентов атмосферы. Однако экологическая безопасность атомных электростанций относительна и зависит как от безукоснительного соблюдения технологических режимов, так и надёжности элементов оборудования. Срок службы оборудования оказывается практически в 2—3 раза меньше расчётного. Демонтаж и замена элементов этого оборудования более дороги, чем строительство новых станций. Большой проблемой является также захоронение радиоактивных отходов и изношенного оборудования радиоактивной зоны. Однако для Беларуси строительство одной – двух атомных электростанций (с учётом последних достижений науки и техники в этой области), возможно, обеспечило бы решение проблемы снабжения электрической энергией на ближайшие десятилетия. Альтернативным способом использования энергии расщепляющихся материалов является использование тепла земных недр.



скачать книгу бесплатно

страницы: 1 2 3