Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2010

Вид материала

Курс лекций

Содержание 1.2. Виды энергии и развитие человеческого общества 1.3. Количественные показатели энергетики 1.4. Естественные ресурсы Вопросы для самопроверки

Подобный материал:

• Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва, 877kb.
• Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011, 1206.2kb.
• Курс лекций для специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика» москва 2011, 2337.25kb.
• Курс лекций для студентов специальности 140104 «Промышленная теплоэнергетика», 1246.47kb.
• Рабочая программа для студентов Vкурса по специальности 140104 промышленная теплоэнергетика, 69.12kb.
• Рабочая программа для студентов IV курса специальности 100700 промышленная теплоэнергетика, 243.31kb.
• Рабочая программа для студентов Vкурса специальности 290800. Промышленная теплоэнергетика, 63.46kb.
• Учебно-методический комплекс по дисциплине «экономика» Для студентов специальностей:, 1055.87kb.
• Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 329.37kb.
• Нисаев Игорь Петрович, д т. н., профессор учебно-методический комплекс, 356.38kb.

ТЕМА 1

Введение

1.1 Энергия и энергетика

В процессе своего становления энергетика претерпела много изменений, но из покон веков основной ее элемент- энергия был неизменен. Слово "энергеа" при переводе с греческого означает "деятельность".

Ученые первоначально называли энергией способность различных предметов совершать работу: например, молот, падая, плющит металл.

После того как было непреложно доказано, что движение материи может превращать один вид энергии в другой (движение поднятого молота превращается при ударе о металл в тепло, при этом сам молот и обрабатываемый металл претерпевают механические изменения), можно сказать - энергия выражает общую меру различных форм движения материи: и крупных тел, и атомов, и электромагнитных волн, и всякого рода физических полей.

Стало возможным измерять различные по внешним признакам движения - одним общим "масштабом". Нашли точные соотношения, по которым одни виды движения (виды энергии, как говорят для удобства) переходят в другие - закон сохранения и превращения энергии.

Иначе говоря, окружающий нас мир есть "вечно" движущаяся и развивающаяся материя. Всеобщей мерой движения материи во всех ее формах является энергия, а неуничтожимость движения материи выражается в науке законом сохранения энергии.

Наиболее общие формы движения материи называются физическими. К ним относятся: механическая, тепловая, электромагнитная, внутриатомная и внутриядерная формы движения материи [1]. Современная физика изучает различные формы движения материи, их взаимные превращения, а также свойства вещества и поля. Подобно тому, как из семи нот образуется все многообразие музыки, так из различных форм энергии движения образуется все многообразие процессов во Вселенной.

Однако, чтобы эта энергия стала нужной человеку, он должен был научиться "обращаться" с ней - преобразовать одни виды энергии в другие.

Преобразование любых энергий (тепловой, механической, молекулярной, ядерной и т.д.) в электрическую энергию и обратно -называется энергетикой.

Овладеть энергией можно только с помощью каких-либо устройств и машин. Поэтому вся история технического прогресса - это история изобретения и создания этих устройств и машин. Слово "техника" с греческого переводится как "мастерство", можно сказать, что это умение создавать (мастерить) машины (устройства). Достижения техники являются результатом использования для нужд людей фундаментальных открытий науки во все времена.

Под энергетической техникой понимают совокупность средств производства, преобразования, передачи и распределения между потребителями различных форм энергии.

Фундаментальной теоретической основой энергетической техники является закон сохранения и преобразования энергии.

1.2. Виды энергии и развитие человеческого общества

В период первобытно-общинного строя единственным источником энергии являлись мускульные усилия человека, биоэнергетика энергетика мускульных усилий, господствовала многие тысячелетия. Она сохранила свои позиции и в эпоху рабовладельческого общества, где труд раба ценился не выше, чем работа животных.

Применение в рабовладельческом обществе (I век до н.э.) водяных колес для орршения и энергии ветра в ветряных мельницах не вызывало еще сколько-нибудь серьезных изменений в общем уровне энергетической техники. Уровень общественного сознания также был далек от восприятия технических новшеств, поскольку они не сулили каких - либо существенных изменений и благ в каждодневной деятельности людей. Отдельные технические достижения, сделанные до новой эры, не нашли широкого применения в обыденной жизни. Появление приспособлений и технических устройств (механизмов) находили быстрое применение лишь в военных целях (защиты или нападения). Многие открытия были попросту забыты, а затем открывались заново в эпоху средневековья.

Только в X - XI веке новой эры (н.э.), в эпоху феодального средневековья, начинают распространяться водяные и ветряные мельницы. К тому времени история развития человечества уже имеет богатейший запас научных и технических решений в вопросах преобразования энергии на уровне достаточно сложных передаточных механизмов. Несколько позднее, в XIII веке, появляются такие сложные механизмы, как часы (первыми были башенные часы с одной стрелкой).

Водяное колесо дало мощный толчок развитию металлургии, поскольку удалось:

- повысить температуру в печах, меха которых приводились в движение от водяного колеса;

- расширить возможность откачки воды из шахт с помощью насосов, приводимых в движение водяным колесом.

Начиная с XIII века н.э. водяное колесо (гидроэнергетика) становится устройством, характеризующим технический уровень энергетической техники, вплоть до промышленного переворота в конце XVIII века н.э [2].

Капиталистический способ производства вызвал к жизни новую энергетическую технику, основой которой стала паровая машина. Возникновение машинного производства в конце XVIII века требовало создания мощного и универсального по использованию двигателя. Этот двигатель должен был избавить промышленность от привязанности к природным источникам энергии - к воде, в первую очередь. Таким двигателем явилась паровая машина.

Изобретение универсального парового (теплового) двигателя явилось вторым этапом промышленного переворота в XVIII веке - на смену гидроэнергетики пришла теплоэнергетика.

Развитие энергетической техники протекало во взаимосвязи с развитием машин и характеризовалось непрерывным возрастанием единичных мощностей энергетических установок [1].

Но, пожалуй, самое главное достижение человека и важнейшая часть энергетики - освоение электрического тока. Этот вид энергии обладает чрезвычайно важным свойством : его относительно легко получать из других видов энергии, передавать на дальние расстояния, дробить на различные "порции", "складывать" или превращать в иные разновидности энергии: механическую, тепловую, световую и так далее. Электрическая энергия помогла человеку освоить другие виды энергии, например ядерную.

Таким образом, качественные ступени развития энергетики можно представить в следующем виде [2]:

- биоэнергетика - использует в качестве источника механической энергии

биологическую (мускульную) энергию человека и животных;

- механическая энергетика (преимущественно гидро- и ветро-) использует

в качестве механической энергии потоки воды или воздуха;

- теплоэнергетика - использует в качестве источника механической работы

теплоту, выделяемую при сжигании топлива;

- современная комплексная энергетика - преимущественно использует в качестве первичной энергии тепловую и гидравлическую, а в качестве вторичной электрическую энергию;

- атомная энергетика - использование энергии ядерных реакций.


1.3. Количественные показатели энергетики

Каждая ступень развития энергетики характеризовалась некоторыми количественными показателями.

Для большинства ступеней таким показателем являлась удельная энергоемкость носителя энергии, выражаемая количеством механической работы (Дж) к единице массы энергоносителя (кг). Единица работы в СИ называется джоулем (Дж). Джоуль равен работе, совершаемой силой 1 Н при перемещении точки ее приложения на 1 м в направлении действия силы: 1 Дж = 1 Н*м. Тут следует дать определение мощности. Мощность - физическая величина, равная отношению работы к промежутку времени, в течение которого она совершена. Единица мощности в СИ называется ваттом (Вт). Ватт равен мощности, при которой совершается работа в 1 Дж за время 1с: 1 Вт = 1 Дж/с.

Закон сохранения энергии раскрывает физический смысл понятия работы. Работа сил тяготения и сил упругости, с одной стороны, равна увеличению кинетической энергии, а с другой стороны, - уменьшению потенциальной энергии тел. Следовательно, работа равна энергии, превратившейся из одного вида в другой. Закон сохранения полной механической энергии в процессах с участием сил упругости и гравитационных сил является одним из основных законов механики.

Для живых "двигателей" измерить удельную энергоемкость достаточно сложно вследствие особых форм восполняемости живого энергоносителя за счет биологической энергии. Тем не менее в отдельных случаях в косвенной форме энергоемкость живых двигателей может быть успешно привлечена для оценки исторических ступеней развития энергетики.

Так, например, если для современного судна водоизмещением 80000 тонн использовать вместо двигателя мускульное усилие людей, как это делалось в античном мире, то для мощности в 70000 л.с. потребовалось бы свыше 2 миллионов гребцов (при трехсменной работе), вес которых без багажа и запасов продовольствия в несколько раз превысил бы вес судна и его водоизмещение [1].

Что касается природных энергоносителей, то здесь показатель удельной энергоемкости выражается достаточно точно цифрами, что позволяет не только объяснить исторические факты, но и сделать прогнозы на будущее.

Носитель гидроэнергии - вода - располагает запасом энергии в зависимости от возможной высоты ее падения в 10, 100, 1000 или 10000 Дж/кг. Рассмотрим такой пример. Для получения электроэнергии широко используется энергия рек. С этой целью строят плотины, перегораживающие реки. Под действием силы тяжести вода из водохранилища за плотиной движется вниз по колодцу ускоренно и приобретает некоторую кинетическую энергию. При столкновении быстро движущегося потока воды с лопатками гидравлической турбины происходит преобразование кинетической энергии поступательного движения воды в кинетическую энергию вращения ротора турбины, а затем с помощью электрического генератора в электрическую энергию [3].

Для расчетов производства электрической энергии гидроэлектростанцией прежде всего необходимо уметь определять кинетическую энергию потока воды, направляющегося на лопатки турбины. Так как вода не падает на лопатки турбины вертикально сверху вниз, а движется по колодцам сложной формы, то расчеты изменения скорости воды на каждом участке ее движения с учетом действия силы тяжести и сил упругости были бы очень сложными. Однако в таких расчетах нет необходимости. Так как на воду действуют только силы тяжести и упругости, изменение ее кинетической энергии при любой траектории движения равно изменению ее потенциальной энергии, взятой с противоположным знаком. Изменение потенциальной энергии воды массой при изменении ее высоты h над поверхностью Земли можно связать соотношением m*g*h (здесь g ускорение свободного падения, равное 9,8 м/с²). Силы упругости при движении воды в колодцах работы не совершают, так как их направление в любой точке перпендикулярно вектору перемещения. Поэтому изменение кинетической энергии воды равно изменению ее потенциальной энергии в поле силы тяжести. Иначе говоря, на какую высоту можно поднять воду, такую удельную энергоемкость и получим в соответствии с m*g*h.

Меньшей энергоемкостью обладает носитель ветровой энергии -воздух, энергоемкость которого зависит от высоты над уровнем моря (атмосферного давления) и силы ветра, к тому же погодные условия постоянством не отличаются. "Бесплатно" получаемая таким образом электроэнергия сильно зависит от погодных условий (силы ветра).

Удельная энергоемкость топлива лежит в пределах 8000 - 46000 кДж/кг. Даже если учесть, что КПД тепловых установок в 3 раза ниже гидравлических, высокая энергоемкость горючего даст вам КПД в десятки тысяч раз больший, чем энергоемкость воды.

Энергоемкость электрической энергии понятие несколько условное, поскольку эта энергия вторична. Во всех случаях получения электрической энергии ее количество, отнесенное к весу генерирующего устройства, незначительно.

Использование ядерной энергетики знаменует громадный скачок к новой качественной ступени развития энергетики. Высокая энергоемкость ядерного "топлива" (горючего) выражается в среднем 83·10¹² Дж/кг по ядрами тяжелых изотопов и 630 · 10¹² по термоядерным реакциям. Это в миллионы раз превышает среднюю энергоемкость обычного горючего. Даже если принять, что в результате возможно использовать только 10% энергии ядерного "горючего", энергоемкость ядерной энергии более чем в 10⁶ раз превосходит энергоемкость обычных видов топлива.

Практическое применение ядерного "горючего" означало бы начало новой эры энергетики, совершенно независимой от "местных" условий [1].


1.4. Естественные ресурсы

Человечество для жизни стремилось и стремится использовать всю окружающую природу: энергию Солнца и недр Земли, воду и воздух, растительность и животный мир, уже известные их запасы и то, что еще предстоит открыть. На практике же люди используют не все многообразие богатств природы, а только то, что соответствует их потребностям и возможностям на данном уровне развития общества [4].

Первобытных людей было сравнительно мало на Земле, да и жили они среди нетронутой природы. Но, несмотря на это, доступных им ресурсов было немного: примитивными орудиями труда и охотой они могли добывать для себя лишь готовую пищу. Съедая ее, люди поддерживали мускульную энергию, которую они могли использовать. А каменный уголь, например, был для них бесполезным блестящим камнем, менее ценным, чем твердый кремень, пригодный для изготовления примитивных орудий.

Как распределяется и изменяется набор естественных ресурсов наглядно видно на примере "топлива".

Тысячелетиями человек сжигал лишь растения. За счет их тепла он обогревал жилье, готовил пищу, а потом стал плавить и закаливать металл. До начала XIX века вся металлургия работала на древесном угле.

Развитие металлургии и появление паровых машин потребовало новых источников топлива. Люди научились использовать каменный уголь, что спасло леса от полного истребления [4]. Да и каменный уголь стремятся все меньше использовать как топливо - тепловые электростанции переводят на низкие сорта мазута.

Еще в начале нашей эры люди были знакомы с маслянистой жидкостью - нефтью, использовали ее в лечебных целях, а также жгли в светильниках. Резко вырос спрос на нефть в связи с изобретением двигателя внутреннего сгорания, и сейчас нефть и нефте - продукты стали главным топливом человечества.

Во многих странах природные и попутные нефти газы не использовались, а сжигались в "факелах" (грели воздух) - технологически не умели ни собрать газ, ни транспортировать его на большие расстояния. Но уже сейчас нефть и газ в больших количествах используется в промышленности химического синтеза. Попутные газы при добычи нефти на современном этапе могут собирать и транспортировать на любые расстояния.

На смену бензину, дизельному топливу и другим источникам энергии как "топливо" для ядерных реакторов идет атомная энергия.

В историческом расширении круга ресурсов, в случае неправильного их использования, кроме потребностей человечества и его технических возможностей, есть еще и другая логика: люди стремились заменить более дефицитные ресурсы менее дефицитными, более рационально, с большей пользой использовать сырьё и энергию.

С этой точки зрения естественные ресурсы можно разделить:

- на возобновляемые (восполнимые);

- невозобновляемые (невосполнимые);

- неисчерпаемые.

Многие ресурсы природы возобновляются естественным путем, в ходе сложившегося на Земле круговорота веществ и энергии: пополняются источники пресных вод и почвенной влаги, восстанавливаются леса и т.п. При использовании возобновляемых ресурсов нужно учитывать скорость их возобновления [1].

К невозобновляемым ресурсам относятся богатства недр. Месторождения полезных ископаемых образовались давно - в прошлые геологические эпохи, при других природных условиях. На их создание ушло несколько миллиардов лет. Главные кладовые полезных ископаемых находятся в Земной коре, и по мере их раскрытия и разработки богатых месторождений становится меньше.

И все-таки с полезными ископаемыми положение человечества не представляется угрожающим. Трудности с отдельными видами их носят скорее местный характер. В целом открытые геологами запасы все время значительно опережают потребности. Более того, многие очень крупные месторождения еще ждут своей очереди: разрабатывать их в современных условиях менее выгодно, чем другие более доступные.

Кроме того, чтобы бережливо использовать существующие месторождения полезных ископаемых, требуется разработка новых технологий. Например, при обычной откачке нефти свыше 50% ее остаётся в пластах.

Для сбережения дефицитных невозобновляемых ресурсов важно вовремя подобрать их более распространенный заменитель. А перспектива здесь безгранична: ведь месторождения - это сгустки полезных веществ. В качестве потенциальных ресурсов можно назвать все воды мирового океана и природу Земли - в них в огромном количестве содержится вся таблица Менделеева. На современном этапе не существует достаточно дешевых технологий, позволяющих добывать полезные в энергетическом отношении вещества непосредственно из воды, воздуха, почвы.

Неисчерпаемые ресурсы. Эту группу образуют самые различные ресурсы: энергия Солнца, ветра, морских приливов, подземного тепла, круговорот воды и т.д. При использовании этих "вечных" ресурсов природы перед человечеством стоят чисто технические трудности.

Вполне вероятно, что ресурсы атомной энергии неисчерпаемы: уже сейчас запасы урановых руд на сотни лет обеспечивают потребности человечества. Не исключено, что люди научатся расщеплять природные вещества.


Вопросы для самопроверки

1) Дайте современное определение энергии.

2) Носителями какого вида энергии являются люди и животные?

3) Назовите природные носители механической энергии?

4) Что понимают под энергоресурсами?

5) Какие энергоресурсы называются возобновляющимися? Перечислите их в порядке значимости в современном энергобалансе.

6) Какие энергоресурсы называются не возобновляющимися? Перечислите их в порядке значимости в современном энергобалансе.

7) Какую первичную энергию традиционно получают при преобразовании не возобновляющихся энергоресурсов?

8) Какой закон лежит в основе преобразования одного вида энергии в другой?

9) Что понимают под энергетикой?

10) Что такое энергетическая техника?