ТЕМА 3. СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
Современная наука и техника основываются на фундаментальных законах сохранения материи и энергии. Понимание этих законов необходимо для решения актуальных задач повышения эффективности преобразования и потребления энергии, разработки новых способов получения электроэнергии и т. д.
Закон сохранения материи. Трудно назвать эпоху, в которую этот закон был открыт. Первые представления о сохранении материи складывались задолго до нашей эры в древней индийской философии, откуда они, видимо, проникли в Древнюю Грецию. Еще за 450 лет до н. э. древнегреческий философ Эмпедокл утверждал, что ничто не возникает из ничего и ничто не может быть уничтожено. Идея о сохраняемости вещества была развита в Древней Греции в связи с учением об атомном строении материи.
Многие выдающиеся ученые, мыслители древности и более позднего времени — средневековья и эпохи Возрождения - в различной форме высказывали идеи о сохранении материи. Были даже попытки опытным путем доказать справедливость закона сохранения массы.
Экспериментальное подтверждение закона сохранения массы получало тем большую доказательную силу, чем выше достигалась точность определения масс.
Закон сохранения энергии. Закон сохранения энергии открыт в середине XIX в. О значении законов сохранения материи и энергии физик Планк во введении к своей книге «Принцип сохранения энергии» писал, что имеются два закона, которые служат фундаментом для современного здания точных естественных наук: принцип сохранения материи и принцип сохранения энергии.
Закон сохранения энергии в учении о тепловых превращениях получил название первого принципа термодинамики. Рассмотрим действие его на примере некоторой системы С, совершающей механическую работу за счет теплоты. Пусть температура системы С во всех точках одинакова. При подведении теплоты к системе ее энергия увеличивается. Если воздействие на систему сводится только к подведению теплоты, то увеличение энергии системы происходит на величину ∆U=Q. Система может совершить работу за счет уменьшения своей энергии и понижения температуры. Если одновременно происходит подведение к системе теплоты и совершение системой работы А, то изменение энергии системы происходит на величину ∆U'=Q-А. Если энергия системы не изменяется, то А = Q.
Это уравнение в количественной форме выражает первый принцип термодинамики, состоящий в том, что для получения работы без изменения энергии к системе необходимо подводить теплоту. Поэтому невозможно создать двигатель, который мог бы совершать работу, не получая теплоты, т. е. невозможно создать вечный двигатель первого рода.
Можно, не нарушая первого принципа термодинамики, умозрительно представить работу двигателя, в котором теплота передается от менее нагретого тела к более нагретому и при этом работа не совершается. Такие двигатели получили название вечных двигателей второго рода. Многовековой опыт человечества показал, что создание вечных двигателей второго рода, так же как и вечных двигателей первого рода, невозможно.
В термодинамике рассматриваются равновесные состояния тел, температура которых в занимаемом объеме, а также давление, приложенное ко всей поверхности тела, одинаковы.
На современных мощных ТЭС превращение теплоты в работу происходит в циклах, где в качестве рабочего тела используется водяной пар.
Термодинамический цикл преобразования теплоты в работу с помощью водяного пара был предложен в середине XIX в. шотландским инж. У. Ренкиным. Принципиальная технологическая схема ТЭС, работающей по циклу Ренкина (рис. 2.1), состоит из парогенератора 1, турбины 2, электрического генератора 3, конденсатора 4
Рис. 2.1. Технологическая схема тепловой электростанции, работающей по циклу Ренкина: 1 — парогенератор; 2 — турбина; 3 — электрический генератор; 4 — конденсатор; 5 — насос; АВС — пар; СDA - конденсат
Рис. 2.2. Схема идеального цикла Ренкина паросиловой установки:
АВ — подвод теплоты рабочему телу в парогенераторе, ВС — преобразование энергии пара в механическую энергию в турбине; СD — охлаждение пара в конденсаторе; DА — подача насосом конденсата в парогенератор
Процесс расширения пара в турбине в идеальном цикле Ренкина (рис. 2.2) происходит по адиабате ВС. Далее отработанный в турбине пар конденсируется и из конденсатора охлаждающей водой отводится теплота. Конденсации пара соответствует участок СD. Конденсат питательным насосом подается в парогенератор, что сопровождается возрастанием давления воды при постоянном объеме, так как вода несжимаема. Этому процессу соответствует участок DА.
КПД идеального цикла Ренкина, как и любой тепловой машины, характеризуется отношением теплоты, затраченной на работу, ко всей полученной от нагревателя теплоте:
K= (Q1-Q2)/Q1
где Q1 — количество теплоты, подведенное к рабочему телу в парогенераторе; Q2 — количество теплоты, отведенного охлаждающей водой в конденсаторе.
При анализе свойств тепловых машин обычно составляют энергетический баланс, иногда называемый тепловым балансом. Например, при рассмотрении тепловых станций приводится баланс теплоты, в котором, как правило, за 100% принимается теплота, получаемая при сжигании органического топлива, и далее указываются составляющие расхода этой теплоты на выработку электроэнергии, потери в различных элементах: паропроводах, конденсаторах, турбинах и т. д. При этом необходимо учитывать качество теплоты, характеризуемое эксергией — максимальной способностью материи к совершению работы в таком процессе, конечное состояние которого определяется условиями термодинамического равновесия с окружающей средой.
Количественно эксергия определяется отношением
Эк=(T1-T2)/T1
где Т1-температура теплоносителя, К; Т2 — температура окружающей среды, К.
Работа А, кГм, которую можно получить за счет некоторого количества теплоты Q, связана с эксергией выражением
A=427QЭк
Следовательно, качество теплоты, определяемое ее работоспособностью, отражается эксергией. Уменьшение потерь теплоты наиболее эффективно там, где эксергия больше. Очевидно, что чем ближе температура рабочего тела к температуре окружающей среды, тем практическая пригодность тепловой энергии ниже. В конденсаторах ТЭС температура рабочего тела близка к температуре окружающей среды, поэтому возникающие в них большие потери энергии отражают потери в других звеньях цепочки преобразований энергии и указывают на несовершенство тепловых процессов.
Качество энергии в конденсаторах низкое, его снижение происходит на предшествующих этапах преобразования энергии. Таким образом, тепловой баланс не позволяет выявить элементы тепловой установки, в которых протекают процессы, снижающие качество энергии.
Окружающая среда содержит, по существу, неограниченное количество теплоты, однако ее качество, определяемое практической пригодностью, в соответствии со вторым законом термодинамики равно нулю. Для оценки практической пригодности энергии, содержащейся в материи, важно знать не только количество эксергии, но и ее концентрацию, т. е. отношение эксергии к объему термодинамического агента. Чем выше концентрация эксергии, тем лучше показатели сооружения и эксплуатации энергетических установок.
Оценка запасов энергоресурсов и показателей их добычи определяется эффективностью их полезного употребления. Усовершенствование технических установок, позволяющее более полно (т. е. с большим КПД) использовать первичные энергоресурсы, означает, что для получения одного и того же количества энергии требуется меньшее количество первичных ресурсов. Определяя КПД, вспомним, что согласно теории относительности, созданной А. Эйнштейном, масса тела зависит от скорости движения его:
где m0 — масса покоя, т. е. масса тела при скорости, равной нулю (v=0); с=3×1010 см/с — скорость света.
Если скорость движения тела равна нулю, то m = m0. При увеличении скорости масса тела увеличивается, и в пределе, когда тело движется со скоростью света (v/с=1), его масса равна бесконечности. При этом никакие конечные силы не в состоянии изменить траекторию движения тела.
А. Эйнштейн показал, что полная энергия тела и его масса связаны соотношением, имеющим универсальное значение:
Е=mс2.
В соответствии с этим соотношением энергия, отвечающая массе в 1 кг, равна 25 ТВ*ч, что значительно превышает полную потребность в электрической энергии всего населения мира в течение суток.
В результате аннигиляции, происходящей при столкновении электрона с позитроном, происходит уничтожение этих частиц и порождение двух у-квантов с энергией 0,51МэВ каждый, что в точности равно энергии покоя электрона и позитрона — mос2.
Если использование первичных ресурсов оценить несколько необычно, а именно учитывая их энергию, содержащуюся в массе вещества, согласно приведенному соотношению, то придется констатировать, что преобразование этих первичных ресурсов в электроэнергию на станциях различных типов (табл. 2.1) происходит с низким КПД. При этом наибольший КПД соответствует АЭС, а наименьший — ГЭС. Значения расхода энергоносителей и КПД, приведенные в табл. 2.1, определены для электростанций одинаковой мощности (1 ГВт), вырабатывающих за сутки 24 ГВт×ч (86,4×1012 Дж) энергии.
Расчет КПД по веществу можно производить следующим образом. Через турбины ГЭС мощностью 1 ГВт для получения энергии 120×1012 Дж необходимо пропустить 700×IО6 т воды. Эта масса воды обладает внутренней энергией 630×1026 Дж. Следовательно, КПД по веществу η = 120×1012/(630×1026) 100% =0,19×10-12. Аналогично находится КПД для ТЭС: η = 0,2×10-5 (см. табл. 2.1). На АЭС для получения этой же энергии необходимо только 1,5—2 кг обогащенного урана, при этом КПД оказывается равным 0,01. Однако следует учитывать, что при обогащении урановой руды из 1000 кг примерно 900 кг составят примеси.
Вопрос об увеличении КПД процессов получения энергии является актуальным. Увеличение КПД очень важно для нашей страны, где происходит быстрый рост энергетики. Большое значение уменьшения потерь и повышения КПД не снижается тем обстоятельством, что Россия является одной из самых богатых стран мира по геологическим запасам топлива, которые по отношению к мировым составляют: по углю — более 50%, по газу — 40%, по торфу —60%.
Дата добавления: 2016-08-06; просмотров: 3551;