Глава 2. Этапы развития теплоэнергетики. Основные

ТРАНСПОРТНАЯ

ЭНЕРГЕТИКА

Допущено

Учебно_методическим объединением по образованию

в области транспортных машин и транспортно_технологических

комплексов в качестве учебного пособия для студентов

высших учебных заведений, обучающихся по специальности

«Организация перевозок и управление на транспорте

(автомобильный транспорт)» направления подготовки

дипломированных специалистов «Организация перевозок

и управление на транспорте»

_

УДК 620.9(075.8)

ББК 31я73

К732

ISBN 5_7695_2287_9

© Котиков Ю.Г., Ложкин В. Н., 2006

© Образовательно_издательский центр «Академия», 2006

© Оформление. Издательский центр «Академия», 2006

Котиков Ю.Г.

К732 Транспортная энергетика: учеб. пособие для студ.

высш. учеб. заведений / Ю.Г.Котиков, В.Н.Ложкин; под

ред. Ю.Г.Котикова. — М.: Издательский центр «Акаде_

мия», 2006. — 272 с.

ISBN 5_7695_2287_9

Рассмотрены особенности моторного топлива, рабочие процессы транс_

портных энергоустановок, диссипация энергии при движении автотранс_

портных средств, энергозатраты в автомобилестроении и транспортно_до_

рожном комплексе, методика оценки энергоэффективности последнего.

Для студентов вузов и специалистов в области автомобильного транс_

порта.

Р е ц е н з е н т ы:

зав. кафедрой логистики и организации перевозок Санкт_Петербургского

государственного инженерно_экономического университета, д_р техн. наук,

профессор В.С.Лукинский;

декан энергомашиностроительного факультета, профессор кафедры

колесных и гусеничных машин Санкт_Петербургского государственного

политехнического университета, д_р техн. наук Г.П.Поршнев

Оригинал_макет данного издания является собственностью

Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом

без согласия правообладателя запрещается

УДК 620.9(075.8)

ББК 31я73

___

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие..................................................................................................... 3

Принятые сокращения.................................................................................... 5

Введение........................................................................................................... 7

Глава 1. Энергетика и ее проблемы............................................................ 9

1.1. Общие понятия энергетики и энергии...................................................... 9

1.2. Виды и формы энергии........................................................................... 12

1.3. Источники и ресурсы энергии................................................................ 19

1.4. Преобразование и аккумулирование энергии........................................ 24

1.4.1. Преобразование и преобразователи............................................. 24

1.4.2. Аккумулирование энергии и аккумуляторы................................ 26

1.5. Энергетика............................................................................................... 28

1.6. Энергетика и прогресс общества............................................................ 33

1.6.1. Топливные эры и технологические уклады.................................. 33

1.6.2. Изменение структуры потребления энергии в XX в.................... 35

1.6.3. Формирование цен на энергоресурсы.......................................... 38

1.7. Энергетика и экология............................................................................ 41

1.8. Энергетика и транспорт.......................................................................... 45

1.8.1. Энергетическая инфраструктура транспорта............................... 45

1.8.2. Энергозатраты компонентов транспорта..................................... 48

1.8.3. Факторы формирования энергозатрат на перевозки.................. 50

1.8.4. Статистика энергетики автомобильного транспорта.................. 51

1.8.5. Логистический и геоинформационный подходы

к транспортной энергетике........................................................... 55

1.9. Научно_технические проблемы и задачи транспортной энергетики.... 56

Глава 2. Этапы развития теплоэнергетики. Основные

Теоретические положения термодинамики

и теплотехники............................................................................. 59

2.1. История теплоэнергетики....................................................................... 59

2.2. Энергия как мера работоспособности физических тел.......................... 66

2.3. Топливо — источник тепловой энергии. Виды,

физико_химические и эксплуатационные свойства топлива................. 68

2.4. Основные термодинамические характеристики и уравнения

состояния парогазовых систем................................................................ 75

2.5. Теплота и работа. Первое начало термодинамики................................. 82

2.6. Второе начало термодинамики. Цикл Карно......................................... 87

Глава 3. Теоретические основы рабочих процессов

и их организация в транспортных двигателях......................... 95

3.1. Теоретические основы рабочих процессов тепловых двигателей.......... 95

3.1.1. Классификация основных рабочих процессов............................. 95

___

3.1.2. Идеальный, теоретический и рабочий (действительный)

термодинамические циклы поршневых двигателей.................... 97

3.1.3. Газотурбинный двигатель........................................................... 109

3.1.4. Паросиловые установки............................................................... 112

3.1.5. Двигатель внешнего сгорания с возвратно_поступательно

движущимися поршнями (двигатель Стирлинга)....................... 114

3.1.6. Роторный двигатель Ванкеля....................................................... 116

3.2. Организация рабочих процессов

транспортных двигателей внутреннего сгорания.................................. 118

3.2.1. Двигатель с искровым зажиганием (двигатель Отто)................. 118

3.2.2. Дизель......................................................................................... 124

3.2.3. Гибридные двигатели.................................................................. 129

3.3. Основные системы обеспечения работы транспортных

двигателей внутреннего сгорания.......................................................... 131

3.3.1. Система питания.......................................................................... 131

3.3.2. Цилиндропоршневая группа, кривошипно_шатунный

и газораспределительный механизмы........................................ 132

3.3.3. Система наддува......................................................................... 136

3.3.4. Система охлаждения и смазочная система................................ 139

3.3.5. Система выпуска отработавших газов....................................... 140

Глава 4. Энергетика автотранспортных средств.................................. 146

4.1. Продвижение и реализация потока энергии

в автотранспортных средствах............................................................... 146

4.2. Качественная картина диссипации энергии движущимся

автотранспортным средством................................................................ 153

4.3. Энергетика колебательных процессов.................................................. 154

4.3.1. Основные понятия колебательных процессов........................... 154

4.3.2. Свободные колебания диссипативной системы

с одной степенью свободы.......................................................... 157

4.3.3. Диссипативные характеристики механических систем............. 158

4.3.4. Колебания и вязкоупругое поведение материалов.....................161

4.4. Производство механической энергии двигателями

транспортных средств в эксплуатационных условиях.......................... 164

4.4.1. Стендовые однопараметрические характеристики

двигателей внутреннего сгорания............................................... 164

4.4.2. Рабочее поле и многопараметровые характеристики

двигателей внутреннего сгорания............................................... 168

4.4.3. Образование механических потерь в двигателе.......................... 172

4.4.4. Влияние комплектации, атмосферных условий

и технического состояния двигателя

на его эксплуатационные показатели.......................................... 174

4.4.5. Неустановившиеся режимы работы двигателя........................... 176

4.4.6. Совместное влияние нелинейности характеристик

и гистерезиса на показатели движения

автотранспортных средств.......................................................... 182

4.5. Передача энергии трансмиссией.......................................................... 184

4.6. Энергетика колесного движителя......................................................... 188

4.7. Преодоление аэродинамического сопротивления............................... 202

___

4.8. Оптимальное управление автотранспортными средствами................ 204

4.9. Энергообеспечение вспомогательных и специальных

функций автотранспортных средств, сохранности грузов

и жизнедеятельности.............................................................................. 211

Глава 5. Энергетика компонентов и инфраструктуры

транспорта.................................................................................. 214

5.1. Производство автотранспортных средств............................................. 214

5.2. Строительство и содержание автомобильных дорог............................. 217

5.3. Поддержание работоспособности техники

и персонала............................................................................................ 229

5.3.1. Поддержание работоспособности подвижного состава............. 229

5.3.2. Производственно_технологические и коммунально_бытовые

тепло_ и топливопотребители предприятий автомобильного

транспорта................................................................................... 230

5.3.3. Нормирование расхода топлива на автомобильном

транспорте................................................................................... 232

5.4. Погрузочно_разгрузочные и транспортно_складские работы............. 235

5.5. Связь и управление............................................................................... 237

5.6. Утилизация транспортных конструкций как завершение

их жизненного цикла............................................................................. 240

5.7. Парк машин на дорожной сети............................................................. 241

5.7.1. Уровни моделирования транспортного потока.......................... 241

5.7.2. Нестационарные режимы транспортных потоков..................... 242

5.8. Энергетическая эффективность автомобильного транспорта............ 245

5.8.1. Единица измерения эффективности транспорта тран.............. 245

5.8.2. Обобщенный коэффициент энергоэффективности

перевозок..................................................................................... 246

Глава 6. Применение энергосберегающих и природоохранных

Технологий на транспорте как способ защиты

окружающей среды и общества............................................... 249

6.1. Взаимодействие транспортно_дорожного комплекса

с окружающей природной средой......................................................... 249

6.2. Системы, обеспечивающие топливную экономичность, снижение

дымности и токсичности транспортных двигателей внутреннего

сгорания................................................................................................. 254

6.3. Обеспечение экологической безопасности моторного топлива,

контроль его качества при испытаниях и реализации.......................... 260

Заключение.................................................................................................. 266

Список литературы...................................................................................... 268

_

ПРЕДИСЛОВИЕ

Дисциплина «Транспортная энергетика» занимает особое

место в процессе формирования специалистов в области авто_

мобильного транспорта. С одной стороны, для успешного осво_

ения этой инженерной дисциплины требуется хорошая подго_

товка студентов по предшествующим предметам: высшей мате_

матике, прикладной информатике, физике, теоретической и

прикладной механике, теории эксплуатационных свойств авто_

мобиля, экологии. С другой стороны, для ряда последующих

предметов, связанных с изучением транспортной логистики,

технологии транспортного производства, взаимодействия видов

транспорта, грузовых и пассажирских перевозок, а также эко_

номики транспорта, транспортная энергетика — одна из базо_

вых дисциплин.

Несмотря на то что энергетика является физической основой

транспорта, а специалист_транспортник должен иметь соот_

ветствующую подготовку, учебника по этой дисциплине до сих

пор не было. Более того, авторам не удалось найти ни одной

книги с таким названием, хотя имеется много литературы по

вопросам, которые могут быть отнесены к транспортной энер_

гетике. Объяснить это можно тем, что данная дисциплина долж_

на органично и вместе с тем концентрированно соединить в себе

множество разнородных знаний в связи с выходом транспорт_

ной науки и практики на логистический уровень.

Проникнуть в существо процессов общей энергетики, понять

и оценить роль транспорта, изучить энергетику процессов, в

которых участвуют физические и организационные объекты

транспорта (двигательные установки, автотранспортные сред_

ства, парк машин), приобрести соответствующие знания, спо_

собствующие выработке и принятию оптимальных, всесторон_

не взвешенных решений в области предстоящей профессио_

нальной деятельности, — вот цель, которую ставит перед вами

этот курс. Вам предстоит большая работа, требующая трудолю_

бия и интеллектуальных усилий.

Настоящий курс формировался в течение многих лет в про_

цессе подготовки специалистов в области автомобильного

транспорта в Автомобильно_дорожном институте Санкт_Петер_

бургского государственного архитектурно_строительного уни_

верситета (АДИ СПбГАСУ). Использован опыт авторов, накоп_

ленный в процессе многолетних исследований эксплуатацион_

_

ных свойств автомобилей и их энергосиловых элементов на

Камском автозаводе, в Центральном научно_исследовательском

институте топливной аппаратуры, на предприятиях Главлен_

автотранса. Авторы выражают особую признательность специ_

алистам этих предприятий, оказавшим в свое время весомое

влияние на становление идей и решение задач будущего учеб_

ного курса, В.Н.Баруну, Р.А.Азаматову, Д.Х. Валееву, Б. В.Ма_

мину, Ю.И.Будыко.

Предисловие, введение, гл. 1, 4, 5 и заключение написаны

Ю.Г.Котиковым; гл. 2, 3, 6 — В.Н.Ложкиным.

Замечания и пожелания, возникшие при прочтении книги,

просьба присылать по адресу: 198103, Санкт_Петербург, ул. Кур_

ляндская, д. 2/5, АДИ СПбГАСУ, кафедра ОПУБАТ либо по од_

ному из адресов электронной почты: [e-mail],

[e-mail].

_

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

АБ — асфальтобетон

АБЗ — асфальтобетонный завод

АБС — асфальтобетонная смесь

АД — автомобильная дорога

АП — автопоезд

АРЗ — авторемонтный завод

АТ — автомобильный транспорт

АТП — автотранспортное предприятие

АТ_поток — автотранспортный поток

АТС — автотранспортное средство

АЭС — атомная электростанция

ВВП — валовой внутренний продукт

ВМТ — верхняя мертвая точка

ВСХ — внешняя скоростная характеристика

ГИС — геоинформационная система

ГРМ — газораспределительный механизм

ГТД — газотурбинный двигатель

ГТУ — газотурбинная установка

ГЭС — гидроэлектростанция

ДВС — двигатель внутреннего сгорания

ДУ — дифференциальное уравнение

ЖДТ — железнодорожный транспорт

ЖЦ — жизненный цикл

ИТ — информационные технологии

КА — космический аппарат

КВ — коленчатый вал

КП — коробка передач

КС — камера сгорания

КШМ — кривошипно_шатунный механизм

ЛЭП — линия электропередачи

МПХ — многопараметровая характеристика

МТ — моторный тормоз

НМТ — нижняя мертвая точка

НПЗ — нефтеперерабатывающий завод

НУР — неустановившийся режим

НЧ — несущая часть (конструкции АТС)

ОГ — отработавшие газы

ОС — окружающая среда

ПГУ — парогазовая установка

_

ПДК — предельно допустимая концентрация

ПРиТСР — погрузочно_разгрузочные и транспортно_

складские работы

ПРР — погрузочно_разгрузочные работы

ПРХ — предельная регуляторная характеристика

ПХХ — принудительный холостой ход

ПТМ — подъемно_транспортные машины

ПТХ — предельная тормозная характеристика

ПЭС — приливная электростанция

СНГ — сжиженный нефтяной газ

СПГ — сжатый природный газ

СТО — станция технического обслуживания

СУ — силовая установка

СУПБ — система улавливания паров бензина

СУР — стиль управления разгоном

ТА — топливная аппаратура

ТД — торможение двигателем

ТДК — транспортно_дорожный комплекс

ТНВД — топливный насос высокого давления

ТО — техническое обслуживание

ТР — текущий ремонт

ТС — транспортное средство

ТСР — транспортно_складские работы

ТЭ — топливный элемент

ТЭБ — топливно_энергетический баланс

ТЭК — топливно_энергетический комплекс

ТЭС — теплоэлектростанция

ТЭЦ — теплоэлектроцентраль

ТЭХ — топливно_экономическая характеристика

УДД — управление дорожным движением

УДС — улично_дорожная сеть

у. т. — условное топливо

ХХ — холостой ход

ХЧ — ходовая часть

ЦБЗ — цементобетонный завод

ЦПГ — цилиндропоршневая группа

ЭК — энергетический комплекс

ЭС — электростанция

ЭСЭ — энергосиловой элемент

ЭУ — энергетическая установка

_

ВВЕДЕНИЕ

Источником жизни на Земле, а также источником энергии

для всей техноструктуры и жизнеобеспечения человечества яв_

ляется Солнце.

Транспорт, будучи одним из основных элементов экономики

и жизнедеятельности, требует для своей работы до четверти всех

используемых энергоресурсов. Продвижение энергии от пер_

вичных источников через множество различных преобразовате_

лей до парка транспортных машин, а затем превращение ее в

транспортную работу по сути представляют собой логистичес_

кий процесс.

Потребление энергии — необходимое условие существования

человечества. История цивилизации — это история освоения

новых источников энергии, изобретения методов ее преобразо_

вания, увеличения ее потребления. На первом этапе энергопо_

требления человек научился добывать огонь и использовать его

для приготовления пищи и обогрева. Следующий этап связан с

созданием орудий труда. В XV в. человек потреблял энергии в

десять, а к концу XX в. — в сто раз больше, чем первобытный

предок. Темпы развития энергетики опережали темпы развития

других отраслей.

В то же время энергетика — источник вредного воздействия

на среду обитания. Она влияет на атмосферу (потребление кис_

лорода, выбросы вредных веществ), гидросферу (потребление

воды, сбросы загрязнений) и литосферу (потребление ископае_

мых, изменение ландшафта).

Энергия — это общая количественная мера движения и

взаимодействия всех видов материи. В физическом смысле энер_

гия есть способность совершать работу.

Тысячелетия человек для выполнения работы довольствовал_

ся своей мускульной силой, расходуя около 2 тыс. ккал в сутки.

Затем на помощь пришли животные. Но потребность в энер_

гии росла. Начали создаваться устройства, способные исполь_

 

зовать естественные источники механической энергии, осва_

ивалась теплота природного топлива. Изобретение двигателя

внутреннего сгорания позволило создать транспортные маши_

ны. Энерговооруженность человека значительно увеличилась

благодаря применению электрической энергии, а затем энергии

атомного ядра. Современному человеку для обеспечения ком_

фортных условий жизни требуется в среднем 250 тыс. ккал

в сутки. Поиск новых форм энергии остается одной из основ_

ных задач человечества.

Цель настоящего учебного издания — преподать будущим

специалистам автотранспортной отрасли структурированную

совокупность знаний, называемую транспортной энергетикой.

Эта совокупность обладает многоаспектностью: взаимосвязь

транспортной и общей (интегрированной) энергетики, оценка

и методы снижения энергозатрат, разработка новых видов топ_

лива и создание соответствующих конструкций двигателей, эко_

логические ограничения, логистические аспекты обеспечения

парка машин энергией, организация эффективной работы это_

го парка и многое другое.

 

Гл а в а 1

ЭНЕРГЕТИКА И ЕЕ ПРОБЛЕМЫ

Виды и формы энергии

Механическая энергия. Механическая энергия характери_

зует движение и взаимодействие тел в пространстве и времени.

Этот вид энергии, лежащий в основе действия механических

устройств, изучается теоретической и технической механикой.

Поскольку механическая энергия является конечным видом

энергии для транспорта, вспомним основные положения меха_

ники [12].

Р а б о т а с и л ы и м о м е н т а с и л ы. Механическая энер_

гия вводится с использованием понятий работы силы и работы

момента силы. Элементарной работой силы dL на элементар_

ной длине пути ds называется скалярное произведение вектора

силы _P и вектора элементарного перемещения _ dr

_ _ _ _

dL Pdr_ P cos ds,

где _ r — радиус_вектор, _ — угол между векторами _P и _ dr.

Работой на участке пути является интеграл по пути:

_ _ _

_

_

__ _

_

_

_ _ __ (1.1)

При вращательном движении работу производит момент

силы M. Заменяя в выражении (1.1) силу P моментом M, а путь

ds — углом поворота d _ и полагая, что cos_ _ 1, для работы мо_

мента сил получим

_

_

_ _ _

L Md,

где М _ Ph; h — плечо силы, равное кратчайшему расстоянию

между направлением ее действия и осью вращения.

Единицей измерения момента силы в СИ является Н · м.

По форме энергию подразделяют на кинетическую и потен_

циальную.

__

К и н е т и ч е с к а я э н е р г и я. При действии на тело силы

его кинетическая энергия E к возрастает на величину dE к _ dL.

Интегрируя dE к для тела, движущегося поступательно (cos_ _

_ 1), получим

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 2

0 0 0 0 0

2,

L s s t v dv

E dL Pds mads m vdt mvdv mv

dt

где т — масса; v — линейная скорость; а — линейное ускоре_

ние тела.

При вращательном движении роль массы играет момент

инерции тела I, а роль скорости — угловая скорость _ d _/ dt.

Поэтому для вращающегося тела получим

Е к _ I 2/2.

При вращательном движении аналогом линейного ускорения a

является угловое ускорение _ d / dt и момент инерции связан

с моментом силы зависимостью I _ M /.

В СИ момент инерции измеряется в кг · м2.

Если тело одновременно участвует в поступательном и вра_

щательном движениях, его энергия

Е к _ mv 2/2 _ I 2/2.

П о т е н ц и а л ь н а я э н е р г и я. При воздействии потенци_

альной силы, работа которой определяется только начальным и

конечным положениями тела, величина энергии, равная работе

силы на пути между этими положениями, называется потенци_

альной энергией E п.

З а к о н с о х р а н е н и я м е х а н и ч е с к о й э н е р г и и.

Данный закон записывается в виде

Е _ Е к _ Е п _ const.

Он является частным случаем закона сохранения и превра_

щения полной энергии.

Мощнос т ь. Согласно определению мощность — это рабо_

та, совершаемая в единицу времени: N _ dL / dt. При поступа_

тельном движении N _ Pv, а при вращательном — N _ М. Одну и

ту же мощность можно получить различными сочетаниями силы

P и скорости v или момента силы М и угловой скорости.

Мощность в СИ измеряется в ваттах: 1 Вт _ 1 Дж/с. Внесис_

темной единицей мощности является лошадиная сила — работа,

производимая силой 75 кгс на пути 1 м за 1 с: 1 л.с. _ 735,5 Вт.

Тепловая энергия. Теплота представляет собой форму про_

явления внутреннего беспорядочного (хаотического) движения

частиц тела (системы). Мерой теплоты является ее количество,

__

получаемое или отдаваемое телом при теплообмене. Это коли_

чество теплоты называют тепловой энергией.

Проблемы, связанные с осуществлением тепловых процес_

сов, рассматриваются термодинамикой и теплотехникой. Термо_

динамика изучает процессы в системах путем анализа превра_

щения теплоты в различные виды энергии. Теплотехника охва_

тывает производство, распределение, транспортирование и ути_

лизацию теплоты. Способы извлечения, преобразования и ис_

пользования тепловой энергии в ДВС будут с необходимой глу_

биной рассмотрены в гл. 2 и 3. Здесь упомянем лишь основные

законы термодинамики.

Согласно первому началу (закону) термодинамики количе_

ство теплоты q, сообщаемое единице массы системы, расходу_

ется на увеличение ее внутренней энергии _ u и совершение

системой работы l над внешней средой:

q _ _ u _ l.

Внутренняя энергия является функцией состояния системы:

ее значение полностью определяется параметрами состояния и не

зависит от пути, приведшего вещество в данное состояние. Внут_

ренняя энергия включает в себя кинетическую и потенциальную

энергию частиц вещества. Первый закон термодинамики можно

рассматривать как одну из формулировок закона сохранения и

превращения энергии, примененного к тепловым процессам.

Второе начало (закон) термодинамики устанавливает не_

обратимость реальных процессов и определяет их направление.

Этот закон связан с понятием энтропии. Как и внутренняя энер_

гия, энтропия характеризует состояние системы и является ее

функцией. Энтропия изменяется при сообщении телу или отбо_

ре у него теплоты и является мерой молекулярного хаоса и неупо_

рядоченности физической системы. При необратимых адиабат_

ных процессах энтропия растет, и это является законом приро_

ды при наличии антропогенного воздействия на нее.

В соответствии с третьим началом (законом) термодинами_

ки при приближении температуры к абсолютному нулю энтро_

пия системы также стремится к нулю, что дает возможность

рассчитывать абсолютное значение энтропии.

Теплообменом называется необратимый самопроизвольный

процесс передачи теплоты. Знание законов теплообмена позво_

ляет эффективно передавать теплоту потребителям и уменьшать

ее потери в линиях теплопередачи. Существуют следующие

виды передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и лучи_

стый теплообмен.

В природе и технике источниками тепловой энергии явля_

ются химические реакции, электрический ток, электромагнит_

ное излучение и ядерные реакции.

__

Химическая энергия. Этот вид энергии представляет собой

часть внутренней энергии вещества, обусловленную взаимо_

действием атомов в молекуле. Выделяющаяся при сжигании

топлива энергия используется для получения теплоты.

Вещества подразделяются на органические и неорганиче_

ские. К органическим относятся углеродосодержащие веще_

ства — нефть, уголь, спирт и др. Примерами неорганических ве_

ществ могут служить вода, песок и минералы.

Вещества вступают во взаимодействие — реакции, и тогда

образуются новые вещества. Реакцию характеризует энергия

активации, необходимая для разрыва связей реагирующих ве_

ществ и способствующая образованию новых связей и веществ.

Скорость протекания реакции зависит от природы реагирующих

веществ, термодинамических параметров состояния и внешне_

го воздействия.

Реакции бывают экзотермическими и эндотермическими.

Первые протекают с выделением энергии, вторые — с ее погло_

щением. К экзотермическим реакциям, в частности, относятся

реакции сжигания топлива.

Процесс сжигания топлива называется горением. Для горе_

ния характерно интенсивное выделение энергии, значитель_

ный нагрев, образование пламени, свечение, превращение твер_

дого и жидкого топлива в газ. При горении образуется дым —

аэрозоль, состоящий из твердых частиц размером 0,1…10 мкм,

взвешенных в газовой среде. После горения остается зола —

минеральный остаток, содержащий SiO2, Fe2О3 и другие соеди_

нения.

Ор г а н и ч е с к о е т о п л и в о. В состав этого вида топлива

входят углерод, водород, кислород, азот, сера, вода и другие эле_

менты и вещества. В зависимости от агрегатного состояния оно

бывает твердым (уголь, древесина, торф), жидким (керосин,

бензин, солярка, мазут) и газообразным (природные и искусст_

венные газы).

Природным топливом являются древесина, природный газ,

полезные ископаемые растительного происхождения (каменный

и бурый уголь, антрацит, торф, горючие сланцы); искусствен_

ным — бензин, керосин, солярка, мазут, водород, кокс, коксо_

вые и генераторные газы и др.

Энергетическая эффективность топлива определяется удель_

ной теплотой сгорания, равной теплоте, выделяющейся при

сгорании 1 кг топлива. Различают высшую удельную теплоту

сгорания Н 0 — без учета потерь на испарение влаги, содержащей_

ся в топливе, и низшую удельную теплоту сгорания Нu — с уче_

том этих потерь. Из природного топлива наибольшей теплотой

сгорания обладает природный газ (Н 0 _ 50 МДж/кг). Значитель_

ную теплоту сгорания имеет водород (Н 0 _ 116 МДж/кг).

__

Для сопоставления разных ви_

дов топлива и его суммарного

учета используют понятие вооб_

ражаемого условного топлива с

низшей удельной теплотой сгора_

ния, равной 29,3 МДж/кг. Масса

условного топлива m у выражает_

ся через массу натурального топ_

лива т 1082 кн с помощью соотношения

m у _ Нu т н/29,3.

В табл. 1.2 приведены усред_

ненные значения удельной теп_

лоты сгорания некоторых видов

органического топлива [12].

П е р с п е к т и в н ы е в и д ы

т о п л и в а. Приведем краткое описание некоторых из них.

Водород имеет удельную теплоту сгорания втрое более высо_

кую, чем у нефти, а при его сгорании образуется экологически

безопасная вода. При его использовании в двигателях в воздух не

выбрасывались бы несгоревшие углеводороды, соединения свин_

ца и оксид углерода. Однако бензин, залитый в бак вместимос_

тью 80 л, имеет массу 56 кг; эквивалентное по энергосодержанию

количество водорода имеет массу 20 кг, но стальные резервуары

для этого количества газа должны иметь массу несколько тонн.

Получение водорода пока дорогостоящий процесс.

Недостатком этого вида топлива является также то, что во_

дород более взрывоопасен, чем компоненты природного газа.

В качестве топлива могут быть использованы спирты — ме_

танол СН3ОН и этанол С2Н5ОН. Применение спирта требует

доработки ДВС, но 20%_ная добавка этанола к бензину делает

эту смесь (газохол) приемлемой для обычных двигателей. Дви_

гатель, работающий на спирте, выделяет гораздо меньше про_

дуктов сгорания, чем бензиновый двигатель.

Городские отходы на 40…60 % состоят из веществ, не ус_

тупающих по теплоте сгорания низкосортным маркам угля

[13]. Решая проблему утилизации отходов, необходимо пред_

усмотреть возможность использования этой теплоты. Наибо_

лее разработанные технологии биоэнергетики — биохимичес_

кая или термохимическая конверсия отходов в биогаз и эта_

нол. Электрическая энергия. Это единственный вид энергии,

который удается производить в больших количествах, переда_

вать на значительные расстояния и сравнительно просто рас_

пределять. Электроэнергия легко преобразуется в другие виды

энергии.

Та б л и ц а 1.2

Удельная теплота сгорания

Органического топлива,

МДж / кг

Топливо Hu H0

Бурый уголь 14 27

Антрацит 21 34

Каменный уголь 24 35

Мазут 40 42

Природный газ 48 50

__

Электрическая энергия обусловлена наличием заряженных

тел, электрического тока, электрических и магнитных полей.

Природу электрических явлений изучает электродинамика, а

методы получения, передачи, распределения и использования

электрической энергии — электротехника. Вспомним основ_

ные понятия, связанные с электромагнитными явлениями, по_

лучением и применением электрического тока.

Электрический ток — это упорядоченное движение свобод_

ных электрических зарядов. Ток характеризуется направлением,

силой и напряжением. В СИ сила тока I измеряется в амперах

(А), а напряжение U — в вольтах (В).

Магнитное поле создается электрическим током. Характери_

стики поля таковы: напряженность — измеряется в СИ в ампе_

рах на метр (A/м); магнитная индукция — в теслах (Тл), 1 Тл _

_ 1 Н/(А · м).

Электромагнитная индукция — явление возникновения

электродвижущей силы в проводнике, если он движется в по_

стоянном или покоится в меняющемся магнитном поле. Это яв_

ление используется для получения электрического тока генера_

торами и преобразования переменного тока трансформаторами.

Магнитный поток измеряется в веберах (Вб), 1 Вб _ 1 Тл · м2.

Одновременное существование в области пространства пере_

менных электрического и магнитного полей обусловливает

электромагнитное поле. Переменные во времени электромаг_

нитные поля называются электромагнитными колебаниями.

Постоянный электрический ток характеризуется тем, что

его сила и направление не меняются со временем. В СИ едини_

цей электрического сопротивления R является ом (Ом). Ток,

проходя через потребитель, совершает работу L _ IUt. Мощ_

ность тока определяется работой, совершаемой им в единицу

времени:

N _ dL / dt _ IU _ I 2 R _ U 2/ R.

Работа и мощность тока в СИ измеряются соответственно в

джоулях (Дж) и ваттах (Вт), 1 Вт _ 1 А · В. Внесистемной едини_

цей работы тока является киловатт_час (кВт · ч).

Переменный электрический ток — это ток, изменяющий_

ся во времени по величине и направлению. Мгновенное значе_

ние силы тока

I _ I max sin(t _),

где I max — амплитуда; (t _) — фаза тока; — циклическая

частота (_ 2__); _ — частота колебаний; — начальная фаза.

Закон Ома для переменного тока принимает вид

I max _ U max / Z,

_

где U max — амплитуда напряжения; Z — полное сопротивление

цепи, включающее в себя активное и реактивное сопротивления.

Важными для практики являются понятия действующих

силы тока, напряжения и мощности:

I _ I max 2, U _Umax 2,

_ 2 _ 2 _ 2 _ 2 _ _

N U R I R I maxR 2 Umax 2R.

Напряжения 220 В (в быту) и 110 кВ (в линии передачи) яв_

ляются действующими напряжениями переменного тока.

Для цепи с активными и реактивными элементами, в кото_

рой ток и напряжение изменяются с разностью фаз _, средняя

мощность тока за период

N _ IUcos_,

учитывающая потери электрической энергии, носит название

активной мощности, а величина cos _ — коэффициента мощ_

ности. Активная мощность в СИ измеряется в ваттах (Вт), пол_

ная — в вольт_амперах (В · А), реактивная — в реактивных вольт_

амперах (вар).

Трехфазная электрическая цепь по сравнению с однофаз_

ной позволяет экономить цветной металл в линиях электропе_

редачи (до 25 %), создавать вращающееся магнитное поле ста_

тора асинхронного электродвигателя, снижать пульсации тока

при получении постоянного тока из переменного, а также ис_

пользовать два рабочих напряжения — линейное (380 В) и фаз_

ное (220 В).

Механическое действие тока реализуется в работе электро_

двигателей. В электродвигателях постоянного тока возможно

плавное регулирование скорости вращения ротора. Они приме_

няются для привода колесных пар электротранспорта.

На транспорте используются также асинхронные электродви_

гатели трехфазного переменного тока. В статоре такого двига_

теля при помощи трехфазного тока создается вращающееся маг_

нитное поле. Частота вращения ротора меньше, чем у магнит_

ного поля, причем со снижением нагрузки она возрастает, с уве_

личением — уменьшается.

Асин<