Энергия, от греческого слова energeia – деятельность или действие, - общая мера различных видов движения и взаимодействия.
Энергия – это количественная мера действия и взаимодействия всех видов материи.
Виды энергии: механическая, электрическая, тепловая, магнитная, атомная.
Кинетическая энергия – результат изменения состояния движения материальных тел.
Потенциальная энергия – результат изменения положения частей данной системы.
Механическая энергия - это энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу.
Электроэнергия энергия – одна из совершенных видов энергии.
Ее широкое применение обусловленно следующими факторами:
· Получение в больших количествах вблизи месторождения ресурсов и водных источнков;
· Возможность транспортировки на дальние расстояния с относительно небольшими потерями;
· Способность трансформации в другие виды энергии: механическую, химическую, тепловую, световую;
· Отсутствие загрязнения окружающей среды;
· Внедрением на основе электроэнергии принципиально новых прогрессивных технологических процессов с высокой степенью автоматизации.
В последнее время, в связи с экологическими проблемами, дефицитом ископаемого топлива и его неравномерным географическим распределением, становится целесообразным вырабатывать электроэнергию используя ветроэнергетические установки, солнечные батареи, малые газогенераторы.
Тепловая энергия широко используется на современных производствах и в быту в виде энергии пара, горячей воды, продуктов сгорания топлива.
Преобразование первичной энергии во вторичную осуществляется на станциях:
· На тепловой электрической станции ТЭС – тепловая;
· Гидроэлектростанции ГЭС – механическая (энергия движения воды);
· Гидроаккумулирующая станция ГАЭС – механическая (энергия движения предварительно наполненной в искусственном водоеме воды);
· Атомная электростанция АЭС – атомная (энергия ядерного топлива);
· Приливной электростанции ПЭС – приливов.
В РБ более 95% энергии вырабатывается на ТЭС, которые по назначению делятся на два типа:
1. Конденсационные тепловые электростанции КЭС, преднозначены для выработки только электрической энергии;
2. Теплоэлектроцентрали ТЭЦ, на которых осуществляется комбинированное производство электрической и тепловой энергии.
Способы получения и преобразования энергии.
Механическая энергия преобразуется в тепловую – трением, в химическую – путем разрушения структуры вещества, сжатия, в электрическую – путем изменения электромагнитного поля генератора.
Тепловая энергия преобразуется в химическую, в кинетическую энергию движения, а эта – в механическую (турбина), в электрическую (термо э.д.с.)
Химическая энергия может быть преобразована в механическую (взрыв), в тепловую (тепло реакции), в электрическую (батарейки).
Электрическая энергия может быть преобразована в механическую (электромотор), в химическую (электролиз), в электромагнитную (электромагнит).
Электромагнитная энергия – энергия Солнца – в тепловую (нагрев воды), в электрическую (фотоэффект → гелиоэнергетика), в механическую (звонок телефона).
Ядерная энергия → в химическую, тепловую, механическую (взрыв), регулируемое деление (реактор) → химическая + тепловая.
ТЭС включает комплект оборудования, в котором внутренняя химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию воды и пара, преобразующуюся в ме-ханическую энергию вращения, которая и вырабатывает электрическую энергию.
Поступающие со склада (С) в парогенератор(ПГ) топливо при сжигании выделяет тепловую энергию, которая нагревая подведенную с водозабора(ВЗ)воду, преобразует ее в энергию водяного пара с температурой 550. В турбине энергия водяного пара превращается в механическую энергию вращения, передающуюся на генератор(Г), который превращает ее в электрическую. В конденсаторе пара(К) отработанный пар с температурой 123-125отдает скрытую теплоту парообразования охлаждающей его воде и с помощью циркулярного насоса(Н) в виде конденсатора вновь подается в котел-паронагнетатель.
Схема ТЭЦ отличается от ТЭС тем, что взамен конденсатора устанавливается теплообменник, где пар при значительном давлении нагревает воду подаваемую в главные тепловые магистрали.
АЭС
Схема АЭС зависят от типа реактора; вида теплоносителя; состава оборудования и могут быть одно-, двух-, и трехконтурными.
Одноконтурный АЭС.
Пар отрабатывается непосредственно в реакторе и поступает в паровую турбину. Отработанный пар конденсируются в конденсаторе, и конденсат подается насосом в реактор. Схема проста, экономична. Однако пар на выходе из реактора становится радиоактивным, что предъявляет повышенные требования к биологической защите и затрудняет проведение контроля и ремонта оборудования.
1-атомный реактор;
2-турбина;
3-электрогенератор;
4-конденсатор водяных паров;
5-питательный насос.
Отличие ТЭС от АЭС состоит в том, что источником теплоты на ТЭС является паровой котел, в котором сжигается органическое топливо; на АЭС – ядерный реактор, теплота в котором выделяется делением ядерного топлива, обладающей высокой теплотворной способностью.
Транспортирование тепловой и электрической энергии.
Транспортирование тепловой энергии.
Основными потребителями тепловой энергии являются промышленные предприятиями и жилищно-коммунальное хозяйство.
Системой теплоснабжения называется комплекс устройств по выроботке, транспортировке и использования теплоты.
Снабжение тепловой энергии потребителей(система отопления, вентиляция, горячего водоснабжения и технологических процессов) состоит из 3-х взаимосвязанных процессов: передачи теплоты теплоносителю, транспортировки теплоносителя и использования теплового потенциала теплоносителя. Системы теплоснабжения могут быть децентрализованными(местными) и централизованными.
Децентрализованные системы теплоснабжения – это системы, в которых 3 основных звена объединены и находятся в одном или смежных помещениях. При этом получение теплоты и передача ее воздуха помещения объединены в одном устройстве и расположены в отапливаемых помещениях.
Централизованные системы теплоснабжения – это системы, в которых от одного источника теплоты подается теплота для многих зданий, кварталов, районов.
Транспортирование тепловой энергии производится тепловыми сетями.
Основными элементами тепловых сетей являются трубопровод, изоляционная конструкция, несущая конструкция.
Прокладка трубопроводов производится надземными и подземными способами.
Транспортирование электрической энергии.
Передача электроэнергии от предприятий, вырабатывающих электроэнергию, непосредственным потребителям осуществляется с помощью электрических сетей, представляющих собой совокупность подстанций(повысительных и понизительных), распределительных устройств и соединяющих их электрических линий(воздушных или кабельных), размещенных на территории района, населенного пункта, потребителя электрической энергии.
К основному оборудованию, производящему и распределяющему электроэнергию, относится:
· Синхронные генераторы, вырабатывающие электроэнергию(на ТЭС - турбогенераторы);
· Сборные шины, принимающие электроэнергию от генераторов и распределяющие ее потребителям;
· Коммутационные аппараты-выключатели, включающие и отключающие цепи в нормальных и аварийных условиях, и разъединители, снимающие напряжения с обеспеченных частей электроустановок и создающие видимый разрыв цепи;
· Электроприемники собственных нужд(насосы, вентиляторы, аварийное электрическое освещение и т.д.).
Вспомогательное оборудование предназначено для выполнения функций измерения, сигнализации, защиты и автоматики и т.д.
https://pandia.ru/text/78/077/images/image003_160.gif" width="132" height="60">2010
УДК 621.314(075)
Рецензенты: заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор кафедры «Эксплуатация энергооборудования и электрические машины» Саратовского государственного аграрного университета, д. т. н. ; коллектив кафедры «Электроснабжение» Ульяновского государственного технического университета (декан энергетического факультета, профессор)
Угаров, энергии: учеб. пособие / , . Под ред. д. т. н. ; ВолгГТУ, Волгоград, 2010. – 96 с.
Рассмотрены методы преобразования энергии и технические средства – преобразователи для их реализации. Приведены расчетные соотношения для ряда преобразователей энергии. В издании использованы материалы источников, приведенных в конце пособия, а также материалы лекций авторов, прочитанных для студентов по специальности «Электроснабжение промышленных предприятий» и направлениям «Электроэнергетика», «Электротехника».
Предназначено для студентов энергетических специальностей, обучающихся по специальности «Электроснабжение промышленных предприятий» и направлениям «Электроэнергетика», «Электротехника».
Ил. 32. Табл. 2. Библиогр.: 21 назв.
Печатается по решению редакционно-издательского совета
Волгоградского государственного технического университета
ISBN 0558-9 Ó Волгоградский
государственный
технический
Инновационная деятельность" href="/text/category/innovatcionnaya_deyatelmznostmz/" rel="bookmark">инновационной деятельностью в той или иной стране. Об этом свидетельствует опыт лучших нефтедобывающих фирм, освоивших за последние 25 лет несколько поколений новых технологий , и коренная модернизация заводов по переработке углеводородного сырья.
Основные энергоносители – нефть и газ – будут израсходованы в ближайшие десятилетия. Под разными предлогами их остатки пытаются присвоить себе развитые страны, которые израсходовали свои энергоресурсы и поэтому попали в энергетическую зависимость от стран третьего мира, не относящихся к так называемому “золотому миллиарду”. Сегодня вся энергетика этих стран практически обеспечивается импортными нефтью и газом. Запасы урановой руды, пригодной для обработки и использования в атомных реакторах, тоже могут быть исчерпаны в недалеком будущем, после нефти и газа.
В связи с этим актуальной проблемой является изыскание таких источников энергии, которые принципиально неисчерпаемы и не вносят дестабилизирующих факторов в окружающую среду. Другой актуальной проблемой является разработка и создание установок, способных преобразовывать энергию, содержащуюся в окружающей среде, включая космос, в такие виды, которые были бы пригодны для использования человечеством. Такие попытки уже известны: это энергия потоков воды, воздуха, солнечная энергия, энергия воды, приливов и отливов океана, внутреннего тепла Земли и др.
2. Виды энергий и принципы их преобразования
2.1. Классификация видов энергий
В современном научном представлении под энергией понимается общая мера различных форм движения материи. Для количественной характеристики качественно различных форм движения материи и соответствующих им взаимодействий условно вводят различные виды энергии: тепловую, механическую, ядерную, электромагнитную и др.
Различают первичную и вторичную энергии. Первичной называют энергию, непосредственно запасенную в природе: энергия топлива, ветра, тепло Земли и др. Энергия, получаемая после преобразования первичной энергии в специальных условиях, называемых энергетическими, считается вторичной (например, энергия пара, электрическая, горячей воды и т. д.).
Получение энергии необходимого вида происходит в процессе энергетического производства и осуществляется путем преобразования первичной энергии во вторичную.
Почти вся подлежащая использованию и дальнейшему преобразованию энергия сначала превращается в тепловую энергию в промышленных и отопительных печах, двигателях и механизмах, бытовых приборах (50 %), в котельных (10 %), котлах тепловых электростанций и реакторах атомных станций (40 %). Около полученной тепловой энергии используется без дальнейшего преобразования в другие виды энергии (в промышленных и отопительных печах, а также в виде пара, горячей воды и т. д.). Примерно часть полученной тепловой энергии идет на выработку электрической энергии, претерпев предварительное преобразование в механическую энергию в турбинных установках. Менее Электрический транспорт" href="/text/category/yelektricheskij_transport/" rel="bookmark">электрического транспорта , различного оборудования предприятий. Примечательно, что примерно шестая часть электрической энергии вновь преобразуется в тепловую.
Научно обоснованная классификация видов энергии составлена. В её основе лежит комплексный критерий, включающий виды материи, формы ее движения и виды взаимодействий.
Виды материи: атом, электрон, фотон, нейтрино и т. д.
Формы движения: механическая, электрическая, тепловая и т. д.
Виды взаимодействия: ядерное (сильное), электромагнитное, слабое (с участием нейтрино) и гравитационное (сверхслабое).
На основе комплексного критерия можно выделить следующие виды энергии:
1. Аннигиляционнная энергия – полная энергия системы, «вещество – антивещество», освобождающаяся в процессе их соединения и аннигиляции (взаимоуничтожения) в различных видах.
2. 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 “термооядерной”.
3. Химическая (логичнее – атомная) энергия – энергия системы из двух или более реагирующих между собой веществ. Эта энергия освобождается в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при химических реакциях.
4. Гравистатическая энергия – потенциальная энергия ультраслабого взаимодействия всех тел, пропорциональная их массам. Практическое значение имеет энергия тела, которую она накапливает, преодолевая силу земного притяжения.
5. Электростатическая энергия – потенциальная энергия взаимодействия электрических зарядов, т. е. запас энергии электрически заряженного тела, накапливаемый в процессе преодоления им сил электрического поля.
6. Магнитостатическая энергия – потенциальная энергия взаимодействия “магнитных зарядов” или запас энергии, накапливаемый телом, способным преодолевать силу магнитного поля в процессе перемещения против направления действия этих сил. Источником магнитного поля может быть постоянный магнит, электрический ток.
7. Нейтриностатическая энергия – потенциальная энергия слабого взаимодействия “нейтринных зарядов” или запас энергии, накапливаемый в процессе преодоления сил β-поля – “нейтринного поля.” Вследствие огромной проникающей способности нейтрино накапливать энергию таким образом практически невозможно.
8. Упругостная энергия – потенциальная энергия механически упругого измененного тела (сжатая пружина, газ), освобождающаяся при снятии нагрузки чаще всего в виде механической энергии.
9. Тепловая энергия – часть энергии теплового движения частиц тел, которая освобождается при наличии разности температур между данным телом и телами окружающей среды.
10. Механическая энергия – кинетическая энергия свободно движущихся тел и отдельных частиц.
11. Электрическая (электродинамическая) энергия – энергия электрического тока во всех его формах.
12. Электромагнитная (фотонная) энергия – энергия движения фотонов электромагнитного поля.
13. Мезонная (мезонодинамическая) энергия – энергия движения мезонов (пионов) – квантов ядерного поля, путем обмена которыми взаимодействуют нуклоны (теория Юкавы,1935 г.)
14. Гравидинамическая (гравитационная) энергия – энергия движения гипотетических квантов гравитационного поля – гравитонов.
15. Нейтринодинамическая энергия – энергия движения всепроникающих частиц β-поля – нейтрино.
Из перечисленных 15 видов энергии практическое значение имеют пока только 10: ядерная, химическая, упругостная, гравистатическая, электрическая, электромагнитная, электростатическая, магнитостатическая, тепловая, механическая.
Непосредственно же используются всего четыре вида: тепловая (около 75 %), механическая (около 20–22 %), электрическая (около 3–5 %) и электромагнитная (менее 1 %). Причем так широко вырабатываемая, подводимая по проводам 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 и др.), запасы которой, составляющие доли процента всех запасов энергии на Земле, находятся на грани истощения.
С декабря 1942 г., когда был пущен первый ядерный реактор, в роли нового источника энергии на сцену вышли ядерные и термоядерные топлива.
В будущем возможно появление как новых видов энергии, так и новых источников энергии. Классификация видов энергии позволяет исследовать и оценить все их возможные взаимопревращения.
2.2. Превращение и преобразование видов энергии
Сведем в таблицу-матрицу все виды энергий, имеющих практическое значение, и проанализируем возможности их взаимопревращений (рис. 2.2.1).
Анализ различных энергетических процессов показывает, что для превращения видов энергии необходимо выполнить два условия:
1) обеспечить должный уровень концентрации энергии;
2) подобрать рабочее тело определенных свойств.
При всех превращениях энергии, строго говоря, должна изменяться гравистатическая энергия ее систем – носителей, если их положение по отношению к поверхности Земли меняется.
Из матрицы превращений энергии следует, что возможности эти весьма ограничены. Самые простые, надежные и перспективные пути уже использованы и могут лишь совершенствоваться в направлении повышения экономичности превращений и удельной энергопроизводительности, т. е. мощности преобразователя.
https://pandia.ru/text/78/077/images/image011_30.jpg" width="336 height=105" height="105">Е ИЭ – естественный (природный) источник энергии;
И ИЭ – искусственный ИЭ;
Н Э – накопитель энергии;
ПЕРЭ – переносчик энергии.
Рис. 2.2.1. Матрица возможных превращений и преобразование видов энергии,
имеющих практическое значение
Остались резервы в виде прямого превращения ядерной энергии в электрическую и механическую, химической в механическую, гравистатической в механическую. Перспективны превращения ядерной энергии в химическую и упругостную, гравистатической – в упругостную путем зарядки пружин и баллонов с газом в глубинах морей.
2.3. Преобразование энергии – проблема современной энергетики
Все сферы жизни и деятельности человека: приготовление пищи, промышленность, сельское хозяйство , транспорт, связь, создание комфортных условий в жилищах и производственных помещениях – требуют разнообразных форм энергии. Преобразование энергии первичных источников часто не удовлетворяет потребителей именно в видах получаемых энергий и требует необходимости их преобразований.
Современной науке известно 15 видов энергий, связанных с движением или различным взаимным расположением самых разнообразных материальных тел или частиц.
В зависимости от характера движения и природы сил, действующих между этими частицами, изменение энергии в системах таких частиц может проявляться в форме механической работы, в протекании электрического тока, в передаче теплоты, в изменении внутреннего состояния тел, в распространении электромагнитных колебаний и т. п.
Фундаментальным законом, управляющим преобразованием энергии, является закон сохранения энергии. Согласно этому закону, энергия не может исчезать или возникать из ничего. Она может лишь переходить из одного вида в другой.
А. Эйнштейн установил взаимопревращаемость энергии и массы и тем самым расширил смысл закона сохранения энергии, который теперь в обобщенном виде формулируется как закон сохранения энергии и массы. В соответствии с этим законом всякое изменение энергии тела ∆Е связано с изменением его массы ∆m формулой:
∆Е = ∆mс2 ,
где с – скорость света в вакууме , равная 3·108 м/с.
Из этой формулы следует, что если в результате какого-либо процесса масса всех тел, участвующих в процессе, уменьшится на 1 г, то при этом выделится энергия, равная 9·1013 Дж, что эквивалентно 3000 т условного топлива. Большинство практически наблюдаемых процессов являются макроскопическими и изменением массы можно пренебречь, однако при анализе ядерных превращений необходим закон сохранения энергии и массы.
При преобразовании энергии в каком-либо устройстве какая-то часть ее теряется. Эффективность этого устройства принято характеризовать обычно коэффициентом полезного действия, который можно определить согласно рис. 2.3.1.
Рис. 2.3.1. Схема для определения КПД
Согласно рис. 2.3.1, КПД можно определить как
https://pandia.ru/text/78/077/images/image015_59.gif" width="72 height=41" height="41">.
Потери энергии не нарушают закон сохранения энергии и означают лишь потери для того полезного эффекта, ради которого совершается преобразование энергии.
Последнее выражение показывает, что полезно используется только часть первичной энергии, которая была предназначена для получения полезного эффекта.
Все потери энергии в конечном итоге превращаются в теплоту, которая отдается окружающей среде (атмосферному воздуху, водоемам).
Следует отметить одно важное обстоятельство. Так как в соответствии с законом сохранения энергия не исчезает, то, следовательно, энергия первичных источников энергии, используемых в процессе деятельности человека почти полностью, передается в виде тепловой энергии окружающей среде. Таким образом, вся преобразуемая энергия, включая и потери энергии, в конечном счете, преобразуется в теплоту. Оговорка «почти» означает, что лишь очень небольшая часть производимой энергии на какое-то время сохраняется в виде потенциальной или внутренней энергии в сооружениях, изделиях, продуктах, производимых человеком.
Преобразование тепловой энергии
В связи с тем, что первичные источники энергии (газ, нефть, уголь) мы используем для получения тепловой энергии, с целью дальнейшего ее преобразования, возникает мысль об использовании тепловой энергии, отданной в процессе преобразования окружающей среде.
Второй закон термодинамики, представляющий универсальный закон природы, полагает запрет на такое «повторное» использование тепловой энергии.
Этот закон утверждает, что теплота является особой формой передачи энергии, и формулируется следующим образом: во всех реальных процессах любые формы энергии могут самопроизвольно превращаться в теплоту, но самопроизвольное превращение теплоты в другие формы энергии невозможно.
Это означает, что любая форма энергии может превратиться в теплоту без того, чтобы в этом процессе участвовали какие-нибудь дополнительные тела, состояние которых по окончании процесса как-то бы изменилось. Наоборот, теплота не может превратиться в другие формы энергии без того, чтобы в каких-либо окружающих телах по окончании процесса преобразования не остались бы какие-то изменения.
Таким образом, если закон сохранения энергии (первый закон термодинамики) утверждает взаимную превратимость и эквивалентность всех видов энергии, то второй закон термодинамики отмечает особенность теплоты, ее неравноправность в процессах преобразования энергии.
В термодинамике доказано, что для непрерывного получения работы из теплоты необходимо иметь рабочее тело, которое осуществляло бы последовательность круговых процессов, т. е. таких процессов, при которых оно периодически возвращалось бы в исходное состояние. В каждом таком круговом процессе, иначе называемом циклом, рабочее тело получает некоторое количество теплоты Q1 от первичного источника энергии при достаточно высокой температуре и отдает меньшее количество теплоты Q2 окружающей среде (воде или воздуху). Так как само рабочее тело, вернувшись в результате осуществления цикла в исходное состояние, не изменяет свою внутреннюю энергию, то в соответствии с первым законом термодинамики разность тепла превращается в работу:
L = Q1 - Q2 .
Возможность и эффективность преобразования теплоты в другие формы энергии (механическую, электрическую), в первую очередь, определяется температурой, при которой теплота Q1 может быть передана рабочему телу. На тепловой электростанции рабочим телом является водяной пар, который в паротурбинной установке получает теплоту от продуктов сгорания при наивысшей температуре около 540 оС.
Температура, при которой отдается теплота Q2 , также существенна с точки зрения эффективности преобразования теплоты в работу.
Однако, поскольку теплота Q2 отдается окружающей среде, в реальных условиях эта температура может изменяться лишь в нешироких пределах.
Эффективность преобразования теплоты в работу оценивают термическим КПД η t , под которым понимают отношение работы L , получаемой за цикл, к теплоте Q1 , получаемой рабочим телом от первичного источника энергии:
shortcodes">
1
Непосредственное использование природных источников энергии.
Преобразование с использованием паровой машины
Преобразование с использованием электроэнергии
Преобразование энергии в промышленной энергетике
Как было сказано выше производство электроэнергии является отдельной отраслью промышленности. В настоящее время наибольшую долю электроэнергии производят на трех видах электростанций:
1. ГЭС (гидроэлектростанция)
2. ТЭС (теплоэлектростанция)
3. AЭС (атомная электростанция)
Рассмотрим преобразование энергии на этих видах электростанций:
ГЭС
ТЭЦ
При использование тепловой энергии пара в цепочки преобразования энергии появляется возможность использовать часть тепловой энергии для обогрева (показано пунктиром) или для нужд производства.
АЭС (с одноконтурным реактором)
Тепловой контур.
Основные понятия
Ранее мы рассмотрели виды энергии и возможности её преобразования из одного вида в другой, остановимся подробнее на тепловой энергии, поскольку она играет очень важную роль в процессах происходящих на АЭС.
Как было сказано ранее, тепловая энергия, это энергия хаотического движения молекул или атомов в жидкостях и газах и колебательного движения молекул или атомов в твердом теле. Чем выше скорость этого движения тем большей тепловой энергией обладает тело.
Все мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни с процессами передачи тепловой энергии от одного тела к другому, (горячий чай нагревает стакан, радиатор отопления в квартире нагревает воздух и т. д.) исходя из определения тепловой энергии можно дать определение теплообмену.
Определение:
Процесс передачи энергии в результате обмена хаотическим движением молекул, атомов или микрочастиц называетсятеплообменом
.
Из житейского опыта известно, что тепловая энергия или тепло передается от более горячего тела к более холодному, и кажется вполне логичным принять за меру тепловой энергии температуру, однако это грубейшая ошибка. Температура тела
является мерой способности к теплообмену с окружающими телами.
Зная температуры двух тел мы можем сказать только о направлении теплообмена. Тело с большей температурой будет отдавать тепло и остывать, а тело с меньшей температурой принимать тепло и нагреваться, однако количество передаваемой энергии определить, исходя только из температуры, невозможно. За примером далеко ходить не надо: попробуйте налить равное количество кипятка в алюминиевую кружку и керамическую. Алюминий практически мгновенно нагреется, почти не остудив воду, а керамика будет нагреваться гораздо меньше и значительно дольше, а изначальная температура кипятка и в том и другом случае 100° С. Отсюда следует вывод: для нагрева на одинаковую температуры различных веществ необходимо различное количество тепловой энергии, каждое вещество обладает своей теплоемкостью
Определение:
удельной теплоемкостью вещества называется количество энергии необходимое для нагрева одного килограмма данного вещества на один градус.
где: Q-энергия; С -теплоемкость; m -масса; dT-подогрев;
Способы теплообмена.
Как правило в промышленных энергоустановках процесс преобразования энергии источника в тепловую происходит в одном месте (котел для ТЭС, реактор для АЭС), а процесс преобразования тепловой энергии в механическую и далее в электрическую в другом, следовательно возникает проблема перемещения тепловой энергии в пространстве. Как можно передать тепловую энергию из одной точки пространства в другую?
Теплопроводность
Нагревая один конец металлической проволоки можно заметить, что температура повышается по всей длине, причем чем короче проволока, тем быстрее нагреется противоположная, не нагреваемая напрямую, часть. Нагревая проволоку с одной стороны мы заставляем атомы и электроны в месте нагрева колебаться сильнее, колеблющиеся атомы и электроны вовлекают в колебание соседние атомы и электроны, происходит распространение тепловой энергии в твердом теле, в нашем случае в металлической проволоке. Такой способ передачи тепловой энергии называется теплопроводностью.
Определение
: Теплопроводность
представляет собой процесс передачи теплоты в сплошной среде посредством хаотического движения микро частиц.
Количество теплоты передаваемое за счет теплопроводности зависит от физических свойств среды в которой происходит теплообмен. Каждое вещество обладает своим коэффициентом теплопроводности l (Металлический прут длинной около метра помещенный одним концом в огонь, невозможно будет удержать в голых руках, деревянная палка такой же формы сгорит больше чем на половину, прежде чем сколь нибудь значительно нагреется).
Чем больше разность температур dT между горячей и холодной точкой среды, тем большее количество тепла передается, в единицу времени. Чем больше площадь поперечного сечения тем большее количество тепла передается, в единицу времени.
Наверное каждый знает как вскипятить воду с помощью костра в деревянной посуде. Нужно бросать в воду раскаленные в огне камни. Нагретые камни сразу смачиваются водой и отдают ей свою теплоту. Процесс передачи тепла от камней к окружающей их воде похож на теплопроводность, но распределение тепловой энергии по объему воды носит другой характер.
Конвективный теплообмен
Рассмотрим, что происходит в объеме холодной воды когда горячие камни нагревают ее часть вокруг себя. Из физики известно, что тела нагреваясь расширяются, другими словам увеличивают свой объем, а поскольку масса остается постоянной, плотность снижается. Как гласит закон Архимеда тело с плотностью большей чем плотность жидкости погружается, а с меньшей всплывает. Тоже самое
можно сказать о нагретой жидкости, обладая меньшей плотностью, она начнет подниматься перемешиваясь с холодными слоями в верхней части сосуда, которые, в свою очередь, начнут опускаться, через некоторое время температура по всему объему станет одинаковой.
Определение:
Конвективный теплообмен
- перенос теплоты при перемешивании более нагретых частиц среды с менее нагретыми.
В примере, приведенном выше, движения было вызвано разностью плотностей горячих и холодных частей жидкости такая конвекция называется естественной или свободной. Если движение вызвано работой насоса или вентилятора, то конвекция называется вынужденной.
Конвективный теплообмен происходит в газах так же, как и в жидкостях.
Во многих современных АЭС отвод теплоты из реактора происходит путем принудительной прокачки воды, газа или жидкого металла через активную зону. Вещество, которое нагреваясь забирает теплоту от источника называется теплоносителем.
Теплообмен излучением
Опыты показывают, что теплообмен между телами возможен даже если они находятся в вакууме не соприкасаясь друг с другом. В этом случае виды теплообмена описанные выше не могут осуществляться. Как же происходит передача тепловой энергии в данном случае?
Нагретое тело испускает электромагнитные волны которые как известно могут распространятся в безвоздушном пространстве менее нагретое тело поглощает эти волны и нагревается.
Определение
: Теплообмен излучением
- это передача тепловой энергии с помощью электромагнитных волн.
В современных АЭС при нормальной работе теплообмен излучением пренебрежимо мал по сравнению с конвективным.
Тепловой контур
Рассмотрев способы возможные теплообмена, вернемся к вопросу о передаче тепловой энергии в условиях АЭС или ТЭС. Как известно, на работающих станциях процесс преобразования энергии источника в тепловую происходит непрерывно и в случае прекращения теплоотвода произойдет неизбежный перегрев установки. Следовательно на ряду с источником необходим потребитель тепловой энергии, который будет забирать тепло и либо преобразовывать его в другие формы энергии либо передавать его в другие системы. Передачу тепла от источника к потребителю осуществляется с помощью теплоносителя. На основании выше сказанного можно изобразить простейший тепловой контур, содержащий источник энергии, потребитель энергии, и тракты теплоносителя.
Термодинамическое преобразование энергии, с кпд близким к 100%, реально
В. Михайлюк
В процессе преобразования химической энергии топлива в механическую энергию машин, нагрев рабочего тела (р.т.), иными словами накачка молекул р.т. кинетической энергией, производится с целью увеличения давления р.т. в рабочих цилиндрах, камерах сгорания. Только перепад давления, разделённый поршнем (в других типах двигателей между камерой сгорания и точкой сброса отработанного р.т.) приводит к возникновению результирующей, направленной в сторону низкого давления. Перепад температур, не является необходимым условием для работы двигателя. Вполне реальна работа двигателя в условиях, когда температура окружающей атмосферы будет выше температуры в рабочем цилиндре. Ни какого теплообмена во время совершения рабочего цикла нет. Само понятие тепло является наследием калорической теории и не соответствует молекулярной теории газообразной фазы состояния вещества. Никогда в рабочем цикле не было холодильников. Холодильник самостоятельная машина, служащая для регенерации и подготовки рабочего тела. Подготовьте запас рабочего тела получаемого с его помощью и смело отключайте его, машина будет работать. Но реаниматоры “второго начала” утверждают, роль холодильника играет более холодная атмосфера. Чтобы убедиться в абсурдности этого утверждения направьте выхлоп двигателя (можно своего автомобиля), последовательно, в пламя костра и в сосуд Дьюара, на поверхность жидкого азота. Убедились в том, что нет зависимости от температуры, и необходимости в холодильнике. Но, если перекрыть отводной канал (выхлоп), то в связи с исчезновением перепада давления произойдёт почти мгновенная остановка двигателя, к аналогичным последствиям приводит декомпрессия. Нагрев р.т., это способ съёма энергии получаемой в результате химической (ядерной) реакции топлива, с целью получения высокого давления р.т., и дальнейшим преобразованием в механическую энергию. Мы повышаем температуру р.т., за счёт энергии топлива, с целью повышения его давления до уровня кондиционного. Именно так. При температуре р.т.8000К достигаем давления в рабочих цилиндрах 25Мпа. Температуру р.т.8000К мы можем получить и при давлении 0,1Мпа, только турбины не сдвинутся с места. Где теплообмен, основа рассуждений Карно, в результате которых он сделал заключение о невозможности термодинамических преобразований с к.п.д. близким к 100%? Где холодильники, без которых невозможно преобразование энергии? Карно пошёл по пути средневековых философов, употребляя лишь слово тепло вместо “теплород”. Всё остальное как у них: тепловые резервуары, тепло течёт …. Энергетическое состояние молекул, составляющих физический объект, определяется кинетической энергией поступательного, вращательного и колебательного движений этих молекул. Количественной мерой средней кинетической энергии молекул составляющих объект является его температура. Она однозначно определяет энергетическое состояние объектов, представленных в жидкой и твёрдой фазах вещества, имеющих постоянный объём. В газообразном состоянии, объект занимает объём предоставленного пространства. Поэтому однозначно, одной температурой, энергетическое состояние объекта определяться не может. В этом случае, общая внутренняя энергия объекта, в количественном отношении, в первую очередь определяется плотностью энергии или удельной энергией, т.е. количеством внутренней энергии приходящейся на единичный объём. Температура, в этом случае, приобретает свойства качественной характеристики.
Рассмотрим уравнение Клапейрона-Менделеева:
PV = m/μ R T, запишем в виде: i/2 PV = i/2 m/μ RT;
правая часть этого уравнения, есть внутренняя энергия идеального газа W;
Следовательно W = i/2 PV, или W/V =i/2 P,
но W/V есть ничто иное как плотность внутренней энергии газа, которую обозначим W0, тогда:
W0 = i/2 P, т.е. плотность внутренней энергии газа равна давлению газа умноженному на половину числа степеней свободы газа i, дж/м3 (обратите внимание при сокращении на м мы получаем н/м2 или паскаль). Непосредственному измерению она не подлежит, но легко вычисляется через давление газа. Вот почему решающим, скорее единственным, фактором определяющим энергоёмкость рабочего объёма, является давление газа.
Для всех ныне известных тепловых двигателей от паровозного до ракетного (объединим их под названием термодинамические преобразователи 1го рода), характерно прохождение рабочим телом 3х следующих стадий, во время совершения рабочего цикла:
Накачка р.т. внутренней энергией или его нагрев, с целью увеличения плотности энергии, т.е. повышения давления.
Адиабатическое расширение р.т. с преобразованием внутренней энергии р.т. в механическую энергию машин. Движущийся со стороны преобладающего давления поршень (или другой рабочий орган), наращивающий свою кинетическую энергию от каждого превалирующего столкновения молекул р.т., со стороны рабочего цилиндра, является признаком происходящего преобразования. При таких столкновениях с поршнем, молекулы р.т. отдают ему часть скорости, импульса, энергии, в результате они и всё работающее р.т., естественно, охлаждаются. Снижение температуры р.т. и соответствующее ему уменьшение его внутренней энергии - признак совершения механической работы на такую же величину.
Сброс отработанного р.т., производится в момент, рассчитанный конструктором двигателя, когда, по его мнению, дальнейшее преобразование энергии становится нерентабельным для данной конструкции. До этого момента энергетические потери всех известных двигателей близки к 0, т.е. к.п.д. около 100%. Только в момент сброса отработанного р.т., вместе с ним утилизируется энергия равная разности энергии сбрасываемого р.т. и его энергии перед началом нагрева.
Никаких холодильников. Для повторения циклов берутся новые порции р.т., и с ними совершаются те же действия. И только если мы решили, что более рациональной будет регенерация отработанного р.т., с целью повторного его использования, мы производим сброс отработанного р.т. в холодильник. Холодильник является обособленной машиной прямо не связанной с работой двигателя, его задачей является подготовка р.т. к повторному использованию. Как видим, логика исследований Карно построена на средневековом представлении природы явлений, понятии тепла (теплорода). Потому и результат таков, что он не разобрался даже в том, что нагрев производится для повышения давления. Вывод о невозможности полного преобразования энергии в полезную работу бездоказателен и абсурден, но именно этот запрет является ярлыком “изобретателя вечного двигателя”, хотя и второго рода. Он отбросил технический прогресс человечества на многие годы. Мы с энтузиазмом взялись за решение проблемы управляемого термоядерного синтеза, ведь энергоёмкость термоядерного топлива в 5 раз превосходит ядерное, при одинаковой массе. Но то, что ядерное топливо более чем в миллион раз превосходящее по энергоёмкости лучшее химическое топливо, не выиграло конкуренции, мы проигнорировали, без единой попытки разобраться в причинах этого, далеко неординарного случая. На суперсовременных АЭС утилизируется 60% энергии распада топлива и только 40% преобразуется в электроэнергию, т.е. по назначению. Следуя по указанному Карно ложному пути, оптимисты с надеждой и умилением смотрят на гейзеры и другие горячие источники, как на альтернативу тепловым электростанциям, (как же, есть завещанный Карно перепад температур). Но если бы они измерили температуру пара на выходе из турбин в так называемый холодильник …, думаю, начался бы поиск вредителей. АЭС вызывают чувство потенциальной опасности у граждан, не смотря на то, что на них не возможен ядерный взрыв. Реальная опасность их в том, что в случаях технических аварий возможны утечки радиоактивных веществ, тепловой взрыв, и в случаях выброса в атмосферу продуктов распада, это может привести к радиоактивному заражению местности. Отсюда вывод: АЭС должны находиться глубоко под землёй, в скальных породах. Но помеха этому необходимость в охлаждающих резервуарах, которые принимают 60% энергии сгораемого топлива.
Суть выше изложенного, состоит в отрицании 2го начала термодинамики, неприемлемости его положений и утверждении других закономерностей, происходящих вовремя термодинамического преобразования энергии. Второе начало неприемлемо, т.к. в излагаемых, во 2ом начале, утверждениях употребляется понятие “тепло” идущее в разрез с общепризнанной моделью молекулярного строения веществ. Энергетическое состояние газообразного объекта определяется двумя параметрами температурой и давлением (плотностью энергии). Носителями этой энергии является совокупность молекул составляющих объект.
Восприятие внутренней энергии как самостоятельного объекта, а не как параметров частиц составляющих его, привело к созданию ошибочных теорий с “теплородом” и являющимся ему аналогом “теплом”. В свою очередь, “тепло”, как объект, требовало правило о возможных направлениях перемещения. Для тех, кто видит мир молекулярным, не требуется дополнительных пояснений о том, куда будет стремиться избыток кинетической энергии молекул в случаях неравномерного её распределения в пространстве.
Второе начало неприемлемо, т.к. декларирует невозможность полного превращения “тепла” в работу по причине обязательного наличия холодильника и неизбежных, в связи с этим потерь в нём. Но элементарные опыты отрицают необходимость в них на всех стадиях рабочего цикла. Полнота преобразования энергии топлива(химической, ядерной), в механическую энергию машин, не имеет объективных ограничений и зависит лишь от степени совершенства механизма преобразования..
Cамое парадоксальное противоречие второго начала состоит в том, что Карно, пытаясь обосновать невозможность полного превращения тепла в механическую энергию, представил свою знаменитую формулу η = (Тн – То) / Тн, прямо доказывающую обратное.
Для этого принимаем температуру нагревателя равной Тн = 8000К (5270С),
а температуру холодильника равной Т0 = 40К(температура жидкого гелия).
Тогда получим η = 0,995.
Охлаждая более доступным жидким азотом,
получим η = (800 – 77)/800 = 0,904.
Во втором случае кпд несколько дальше от 100%, но согласитесь, 90,4% стало бы сенсацией. Так что именно Карно является “отцом вечного двигателя второго рода”. Но обольщаться не стоит. Этого результата вы никогда не получите, потому что второе начало это клубок сплошных ошибок. Если быть откровенным, то мной, при том гораздо раньше, была разработана теория, термодинамического преобразователя 2го рода, с к.п.д. преобразования близким к 100%, на основании положений молекулярно кинетической теории газов и современной физики. Но это было незаконное дитя. В течении длительного периода времени я тщетно пытался доказать, что второе начало законно только для “паровозной технологии”, пока не обнаружил причину, которая меня шокировала …. Оказалось, что 2ое начало базируется, на ошибочных предположениях и утверждениях, что и было выше изложено. Даже анализ работы двигателя Карно заменил анализом движения поршня в цилиндре, под действием нагретого пара, а затем вернул его в исходное положение, путем охлаждения пара в цилиндре, что противоречит даже ему самому. Таких двигателей никогда не существовало. Р.т. не может охлаждаться из вне, в рабочем цикле.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://sciteclibrary.ru/
Поступающая по линиям электропередач энергия не всегда используется в чистом виде. Для выполнения специфических задач она преобразуется электротехническими устройствами, изменяющими один или несколько параметров – вид напряжения, частоту и другие.
Преобразователи электроэнергии: классификация
Эти устройства классифицируются по нескольким признакам:
- Виду преобразований.
- Типу конструкции.
- Управляемости.
Параметры, которые изменяются
Преобразованию подвергаются следующие параметры:
- Тип напряжения – из переменного в постоянное и наоборот.
- Амплитудные значения тока и напряжения.
- Частота.
Типы конструкций
Эти устройства подразделяются на электромашинные и полупроводниковые.
Электромашинные (вращательные) состоят из двух машин, одна – привод, а другая – исполнительное устройство. Например, для превращения переменного тока в постоянный используется асинхронный двигатель переменного тока (привод) и генератор постоянного (исполнитель). Их недостаток – большие габариты и масса. Кроме того, суммарный КПД технологической связки ниже, чем у одиночной электрической машины.
Полупроводниковые (статические) преобразователи, строятся на основе электротехнических схем, состоящих из полупроводниковых или ламповых элементов. Их КПД выше, размеры и масса небольшие, но качество электроэнергии на выходе невысокое.
Управляемые и неуправляемые
Если величина изменения параметра электрической энергии фиксированная, то используется неуправляемый преобразователь. Такие устройства применяются в первых каскадах блоков питания. Пример – силовой трансформатор, понижающий сетевое напряжение с 220 до 12 вольт.
Преобразователи с изменяемыми параметрами являются исполнительными устройствами в управляемых электротехнических цепях. Например, изменяя частоту питающего напряжения, регулируют частоту вращения асинхронных двигателей.
Преобразователи электроэнергии: примеры устройств
Преобразователи могут выполнять либо какую-то одну функцию, либо несколько.
Изменение типа напряжения
Те устройства, которые превращают переменный ток в постоянный называются выпрямителями. Действующие наоборот – инверторами.
Если это электромашинное устройство, то выпрямитель состоит из асинхронного двигателя переменного тока, вращающего ротор генератора постоянного. Входные и выходные линии электрического контакта не имеют.
Наиболее распространенных тип схемы статического выпрямителя – диодный мост. В нем четыре элемента (диода) с односторонней проводимостью, включенные встречно. После него обязательно ставят электролитический конденсатор, который сглаживает пульсирующее напряжение.
Существует гибридная конструкция, объединяющая электромашинный и статический выпрямители. Это автомобильный генератор, являющийся машиной переменного тока, статорные обмотки которого подключены к выпрямительному мосту с конденсатором.
Инверторные схемы применяются для запуска генератора незатухающих колебаний (мультивибратор), построенного на тиристорах или транзисторах. Они являются основой преобразователей частоты.
Изменение амплитудных значений
Это все виды трансформаторов – понижающих, повышающих, балластных.
Управляемые трансформаторы называются реостатами. Если они включаются параллельно источнику электроэнергии, то изменяют напряжение. Последовательно – ток.
Для поглощения тепла, выделяющегося при работе мощных высоковольтных сетевых трансформаторов, применяются системы жидкостного (масляного) охлаждения.
Изменение частоты
Частотные преобразователи бывают как электромашинными (вращательными), так и статическими.
Исполнительным механизмом вращательных преобразователей частоты является высокочастотный асинхронный трехфазный генератор. Его ротор вращает электромотор постоянного или переменного тока. Как и у выпрямителя вращательного типа, входные и выходные линии у него не имеют электрического контакта.
Инверторные схемы, используемые в преобразователях частоты статического типа, бывают управляемые и неуправляемые. Повышение частоты позволяет уменьшить габариты устройств. Трансформатор с рабочей частотой в 400 Гц в восемь раз меньше, чем работающий от 50 Гц. Это свойство используется для построения компактных сварочных инверторов.