Производная энергия.

Как уже отмечалось, к производной энергии относятся энергоно­сители в виде пара, горячей воды (тепловой энергии), сжатого возду­ха, электроэнергии, кислорода и др., которые широко используются в самых различных технологических процессах, а также в быту. Для их производства применяются, как правило, первичная энергия (топ­ливо), а также соответствующие виды производной (преобразован­ной) энергии. Для производства преобразованной энергии служат различные энергоисточники:

• традиционные (тепловые электрические станции — ТЭС, атом­ные (ядерные) электрические станции — АЭС, котлы, компрессор­ные установки и т.д.);

• установки на вторичных ресурсах (котлы-утилизаторы, тепло­вые насосы, холодильники и т.п.);

• нетрадиционные (альтернативные) — ветроэнергоустановки, биореакторы, гелиоподогреватели и др.

Работоспособность (или, иначе говоря, энтальпию, т.е. теплосо­держание) любого из этих теплоносителей определяет сумма их внут­ренней энергии и потенциальной энергии источника.

Дадим краткую характеристику основных видов энергоносителей.

Пар водяной.Это вода в газообразном состоянии. Различают на­сыщенный пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью (водой), и перегретый пар, имеющий температуру Т_П боль­ше температуры насыщения Т_И для данного давления. Водяной пар — рабочее тепло паровых турбин и машин. Пар также широко исполь­зуется как высокотемпературный теплоноситель для сушилок, тер­мической обработки и др.

Для равновесной термодинамической системы существует функ­циональная связь между параметрами состояния, которая называет­ся уравнением состояния. Такие параметры простейших систем, ко­торыми являются газы, пары и жидкости, связаны термическим уравнением состояния вида:

f(p,u,T) = 0.

На основании теории, разработанной М.П. Вукаловичем и др., было получено численное уравнение состояния водяного пара, на основании которого составлены таблицы и диаграммы свойств во­дяного пара для различных температур и давлений. Эти диаграммы и таблицы нужны для практических расчетов всех теплоэнергетиче­ских процессов, в которых используется водяной пар.

Вода.Жидкость без запаха, вкуса, цвета, химическая формула Н₂О.Плотность 1000 кг/м³ при температуре 3,98°С. При 0°С пре­вращается в лед, при 100°С — в пар. Вода — обязательный компо­нент практически всех технологических процессов, как промышлен­ных, так и сельскохозяйственных. Особенно широко вода применяется в теплотехнике как энергоноситель для производства и переноса тепловой энергии.

В нашей стране с использованием го­рячей воды разработаны и реализованы многочисленные центра­лизованные системы теплоснабжения для отопления и горячего во­доснабжения жилых, социальных и производственных зданий и технологических потребителей. Распространенный источник тепло­снабжения теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) и отопительные и про­изводственно-отопительные котельные.

Электрическая энергия (электричество).Определяют как совокуп­ность явлений, в которых проявляется существование, движение и взаимодействие (посредством электромагнитного поля) заряженных частиц. Электрическая энергия имеет ряд неоспоримых преимуществ по сравнению с другими видами производной энергии — возможность получения практически любых количеств энергии как от элемента размером со спичечную головку, так и от турбогенераторов мощнос­тью более 1000 МВт, сравнительная простота ее передачи на рассто­яние и легкость преобразования в энергию других видов. Основная проблема — это ее хранение. Здесь возможности ограничены.

В настоящее время трудно представить себе жизнь без электроэнер­гии. Так, в США на долю электроэнергии приходится около 45% про­изводимой энергии. Электроэнергия находит применение и в электро­мобилях, и в производстве водородного топлива, в том числе и из воды.

Воздух.Это смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли: азот (78,08%), кислород (20,95%), инертные газы (0,94%), углекислый газ (0,03%). Плотность 1,293 кг/м³, растворимость в воде 29,18 см³/л. Благодаря кислороду, содержащемуся в воздухе, он используется как химический агент в различных процессах (сжигание топлива, вып­лавка металлов из руд, получение многих химических веществ). Воздух важнейшее промышленное сырье для получения кислорода, азота, инертных газов. Используется как теплоизоляционный и зву­коизоляционный материал.

Кроме этого сжатый воздух рабочее тепло для совершения ме­ханической работы (пневматические устройства, струйные и распы­лительные аппараты и др.).

Кислород. Химический элемент, в свободном виде встречается в двух модификациях — О₂ («обычный») и О₃(озон). О₂— газ без цвета и запаха, плотность — 1,42897 кг/м³. В химической практике самый активный неметалл. С большинством других элементов (водородом, многими металлами и др.) кислород как окислитель взаимодейству­ет непосредственно и с выделением энергии. Процесс окисления по мере повышения температуры и роста скорости реагирования пере­ходит в режим горения. Разновидностью последнего можно назвать взрыв (детонация). Кислород (или обогащенный им воздух) приме­няется в металлургии, химической промышленности, при космичес­ких полетах, подводном плавании, в медицине. Жидкий кислород — окислитель ракетного топлива.

Использование кислорода в качестве окислителя вместо воздуха многократно увеличивает скорость горения (окисления), снижает объем образующихся продуктов горения.