Теплотехническое обеспечение обитаемости

Министерство сельского хозяйства РФ

федеральное государственное бюджетное образовательное

 учреждение высшего профессионального образования

«Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н.Прянишникова»

 

А.Т. Манташов

 

ТЕПЛОТЕХНИКА

 

 

Часть II

Теплотехническое обеспечение обитаемости

      объектов сельскохозяйственного назначения

  У ч е б н о е п о с о б и е

 

 

Пермь 2011

УДК 631.371 (075.8)

ББК 40.7

  М.23

 

 

Рецензент:

    Доктор технических наук, профессор Пермской государственной сельскохозяйственной академии имени академика Д.Н.Прянишникова       А.Д. Галкин

 

     Манташов А.Т.

М 23 Теплотехника. Часть II.Теплотехническое обеспечение объектов сельскохозяйственного назначения; Учебное пособие. – Пермь: Изд-во ПГCХА, 2011 – 116 с.

     В настоящем учебном пособии изложена часть 1I дисциплины “Теплотехника”, утвержденной Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования, в качестве обязательной при подготовке дипломированного специалиста 660300 Агроинжинерии. В часть 1I дисциплины включены разделы “Источники и преобразователи энергии объектов обитания”, «Теплоснабжение сельскохозяйственных сооружений» и “Вентиляция и кондиционирование обитаемых объектов”.

    Учебное пособие предназначено для студентов очного и заочного обучения по специальностям: 110 301 – “Механизация сельского хозяйства”, 280 101 – “Безопасность жизнедеятельности в техносфере”,. 110 304 – “Технология обслуживания и ремонта машин в АПК” и 190603 – “Сервис транспортных и технологических машин и оборудования (в автомобильном транспорте)”.

 

    Печатается по решению методической комиссии инженерного факультета ПГСХА (протокол № 7    от «15   » июня      2011 года)

 

 

                                                                                       УДК 631.371 (075.8)

                                                                                                ББК 40.7

                                                                © «ФГБОУ ВПО. Пермская ГСХА»                                                                 

О г л а в л е н и е Предисловие ……………………………………………………………….   5 Раздел 1. Источники и преобразователи энергии объектов обитания ….   6 Глава 1.Обитаемость сельскохозяйственных сооружений …………….. 6 1.1. Понятие обитаемости …………………………………………………  6 1.2. Теплотехнические требования к условиям обитаемости ……………   7 Глава 2. Источники энергии ……………………………………………… 11 2.1. Невозобновляемые источники энергии …………………………….      11 2.1.1. Энергия химических топлив ……………………………………….. 11 2.1.2. Ядерная энергия …………………………………………………….. 16 2.2. Возобновляемые источники энергии ………………………………..      19 2.2.1. Солнечная энергия ……………………………………………………. 19 2.2.2. Энергия движения воздуха в атмосфере ………………………….. 19 2.2.3. Энергия движения в реках и морях ………………………………….. 22 Глава 3. Основы горения и воспламенения топлив ……………………… 23 3.1. Кинетика процессов горения ………………………………………… 23 3.2. Воспламенение топлив ……………………………………………….. 25 3.2.1. Тепловое воспламенение …………………………………………… 26 3.2.2. Цепное воспламенение ……………………………………………… 29 3.3. Горение гомогенных топлив …………………………………………. 29 3.4. Горение гетерогенных топлив ……………………………………….. 33 3.4.1. Горение жидкого горючего в среде газообразного окислителя …. 33 3.4.2. Горение твердого горючего в среде газообразного окислителя …. 37 3.5. Понятие о детонационном горении ………………………………….. 38 Глава 4. Преобразователи энергии химических топлив ………………… 39 4.1. Виды преобразователей энергии и их характеристики …………….. 39 4.2. Котельные установки ………………………………………………… 40 4.2.1. Котельный агрегат ………………………………………………….. 40 4.2.2. Системы подачи горючего и окислителя …………………………. 44 4.2.3. Система водоснабжения котельной установки …………………… 44 4.2.4. Система удаления продуктов сгорания топлив …………………… 45 4.3. Паровые и водогрейные котлы ………………………………………. 46 4.3.1. Паровые котлы ……………………………………………………… 46 4.3.2. Водогрейные котлы ………………………………………………… 47 4.4. Воздухонагреватели ………………………………………………………. 49 4.4.1. Воздухонагреватели на химических топливах …………………… 49 4.4.2. Водяные и электрические воздухонагреватели …………………… 51   Раздел II. Теплоснабжение сельскохозяйственных сооружений ………..   54 Глава 5. Тепловые сети и тепловые пункты ……………………………… 55 5.1. Тепловые сети ………………………………………………………… 55 5.3. Тепловые пункты ……………………………………………………… 58 Глава 6. Отопление и горячее водоснабжение ………………………… 60 6.1. Системы отопления ………………………………………………….. 60 6.1.1. Общие сведения о системах отопления …………………………… 60 6.1.2. Потребная тепловая мощность систем отопления ……………….. 60 6.1.3. Системы водяного отопления ………………………………. 64 6.2. Общие сведения о горячем водоснабжении ………………………… 68 Раздел III. Вентиляция и кондиционирование обитаемых объектов ……     75 Глава 7. Вентиляция ………………………………………………………. 75 7.1. Назначение и виды систем вентиляции …………………………….. 75 7.2. Вентиляторы и их характеристики …………………………………… 79 7.3. Расчет систем вентиляции …………………………………………… 84 7.3.1. Определение подачи вентилятора …………………………………. 84 7.3.2. Определение потребного давления на выходе из вентилятора ……. 85 7.4. Подбор вентиляторов ………………………………………………… 87 Глава 8. Кондиционирование …………………………………………….. 89 8.1. Назначение и виды систем кондиционирования …………………… 89 8.2.  Процессы обработки воздуха в кондиционерах ……………………. 91 8.2.1. Очистка воздуха …………………………………………………….. 91 8.2.2. Тепловлажностная обработка воздуха …………………………… 95 8.2.3. Процессы ионизации и озонирования …………………………….. 100 8.3. Кондиционеры ……………………………………………………….. 102 Библиографический список ………………………………………………. 107 Приложение ………………………………………………………………… 108

 

Предисловие

 

Учебное пособие включает материал по второй части дисциплины “Теплотехника”, соответствующей ее программе по специальности 660300 Агроинжинерии. По содержанию пособие полезно и для специалистов других отраслей.

В первом разделе введен новый термин «о б и т а е м о с т ь» и показаны связи теплотехники с обеспечением жизнедеятельности организмов в объектах сельскохозяйственного назначения. По - иному трактуется понятие

«т о п л и в о», позволяющее более достоверно определить энергетические характеристики продуктов сгорания. Несколько подробнее, по сравнению с имеющейся по данной специальности учебной литературой, изложен вопрос о воспламенении и горении топлив.

    Второй и третий разделы посвящены рассмотрению прикладных вопросов теплотехники в системах отопления, вентиляции и кондиционирования объектов обитания.

    В приложении приведены данные справочного характера, позволяющие решать конкретные теплотехнические задачи.

    Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность

А.Д. Галкину за ценные пожелания, высказанные при рецензировании пособия.

  Замечания читателей, направленные на совершенствование учебного пособия, будут приняты автором с признательностью.

Автор

 

    Раздел 1

Таблица 1.2 –  Предельно допустимые для человека концентрации веществ

Вещество	ПДК мг/м^3	Вещество	ПДК мг/м^3
Фреон - 22	3000	Поливинилхлорид	6
Керосин	300	Спирт метиловый	5
Бензин	100	Серная кислота	1
Масла минеральные	50	Хлор	1
Аммиак	20	Озон	0,1
Оксид углерода (СО)	20	Фтор	0,5
Сероводород	10	Фосген	0,5
Окислы азота	6	Тетраэтилсвинец	0,005

 

   Наличие в воздухе пыли нежелательно или даже опасно для человека. Пыль образуется в результате измельчения и подъема в воздухе грунта, покрытий дорог, мусора и т.д. Кроме того пыль может выбрасываться промышленными предприятиями, котельными и т.п. Пыль, находящаяся в наружном воздухе, в общем, обладает тонкой дисперсностью и характеризуется размером 5…10 мк. Допустимая концентрация пыли в воздухе установлена ГОСТ 12. 1. 005-76.

   Организм человека можно рассматривать как саморегулирующуюся систему, поддерживающую постоянную температуру внутренней среды путем удаления избытка тепла поверхностью тела. По разным источникам, человек в состоянии относительного покоя отдает в окружающую среду теплоту путем конвективного теплообмена – 14 … 32, путем излучения – 44…59, испарением влаги с поверхности тела – 21…30 %. Любая степень дискомфорта по причине уменьшения или увеличения температуры характеризуется развитием процессов торможения в коре головного мозга, вызывающих снижение работоспособности.

    Понижение температуры воздуха относительно комфортной приведет к интенсификации теплообмена человека со средой путем конвекции, излучения и испарения. Система терморегуляции организма отреагирует на эти изменения: подвод тепла на сохранение температуры тела повысится, а теплопередача вследствие спазмы сосудов, особенно конечностей, снизится. Это состояние неустойчиво и при дальнейшем снижении температуры окружающей среды может привести к нарушению теплового равновесия, при котором понизится температура организма, что влечет к летальному исходу.

       При повышении температуры среды, окружающей человека, теплоотдача конвекцией и излучением снижается. Для поддержания температуры организма неизменной система терморегулирования интенсифицирует потоотделение. Теплообмен испарением превышает 50 % от общего теплоотвода и составляет при температуре 28 ⁰С  в состоянии покоя  64 %, а при 35 ⁰С – более 90 %. Водопотери организма при этом могут достигать 500…2000 г/ч. Часть пота, не успевая испариться, стекает (профузное потоотделение). В таком состоянии система терморегуляции также неустойчива, возможен перегрев организма, при этом возрастает частота сердечных сокращений, появляется слабость и чувство беспокойства.

    Влажность воздуха оказывает существенное влияние на теплообмен: с повышением влажности теплообмен испарением снижается.

    Подвижность воздуха влияет на теплоотдачу человека, а также на испарение влаги с тела.

    В сооружениях для содержания животных и птицы, в складах и овощехранилищах, в теплицах имеют место специфические температурно - влажностные условия. От животных теплота передается внутренним поверхностям ограждений как излучением, так и конвекцией. Конвекцией и излучением осуществляется теплообмен с поверхности почвы в сооружениях защищенного грунта. Биохимические процессы в подстилке, навозе и помете, гниение овощей и фруктов являются источниками дополнительной теплоты и вредных газов. Источником выделения влаги являются животные и птицы, поилки, открытые поверхности жидкости и т.п. На складах и хранилищах влага выделяется в результате жизнедеятельности зерна, овощей, фруктов. В теплицах влажность изменяется за счет испарения с листьев и грунта. Условия обитаемости должны обеспечить для животных и птицы максимальную их продуктивность, а для продуктов сельскохозяйственного производства – максимальную их сохранность.

    Сочетания температуры, относительной влажности и скорости движения воздуха, соответствующие комфортному состоянию человека в рабочей зоне производственных помещений, приведены в табл. 1.3. Требования СНиП к параметрам воздуха внутри помещения для человека и при  содержании животных и птицы показаны в Приложении, таблицы 1, 3 и 4.

 

Таблица 1.3 – Параметры комфортных условий для человека

Сезон года	Категория работ. энергозатраты	t, ^0C	φ,%	с, м/с
Холодный и переходный периоды года	Легкая, до 170 Вт	20…23	60…40	0,2
	Средней тяжести - А, 170…230 Вт	18…20	60…40	0,2
	Средней тяжести - Б, 230…290 Вт	17…19	60…40	0,3
	Тяжелая, свыше 290 Вт	16…18	60…40	0,3
Теплый период года	Легкая, до 170 Вт	22…25	60…40	0,2
	Средней тяжести - А, 170…230 Вт	21…23	60…40	0,3
	Средней тяжести - Б, 230…290 Вт	20…2	60…40	0,4
	Тяжелая, свыше 290 Вт	18…20	60…40	0,5

 

    В процессе эксплуатации сельскохозяйственных сооружений оптимальный, чаще всего рабочий, уровень обитаемости поддерживаются системами теплоснабжения и вентиляции, в отдельных случаях – системами кондиционирования.

Глава 2

Источники энергии

     Под и с т о ч н и к о м э н е р г и и следует понимать материальное тело  (или тела),  доля энергетического потенциала которого может быть передана другим объектам.

     При производстве сельскохозяйственной продукции, ее переработке, хранении, в обеспечении бытовых и технологических процессов используются различные виды энергии. Это химическая энергия топлив, солнечная энергия, электрическая энергия, внутренняя энергия окружающей среды и др.  Формой передачи энергии от её источника к потребителю является в большинстве случаев теплота. Теоретические основы и особенности взаимопреобразование различных видов энергии с участием теплоты подробно рассмотрены в  

     Источники энергии в подавляющем случае природного происхождения. Часть из них извлекают из недр Земли или вод Мирового океана, их запасы постепенно уменьшаются. Это так называемые н е в о з о б н о в л я е м ы е источники энергии. Другая часть природных источников энергии  имеет хотя и непостоянную концентрацию по месту и времени, но постоянно в о –

з о б н о в л я е м у ю энергию: солнечное  излучение, энергия движения вод в морях и океанах, энергия движения воздуха в атмосфере и т.д.

     К источникам энергии искусственного происхождения относят вещества созданные человеком, например, бензин, спирт, кокс и др.

     2.1. Невозобновляемые источники энергии

     2.1.1.  Энергия химических топлив

         Т о п л и в о м, строго говоря, следует называть вещество или сово-

         купность     веществ, энергия связи микрочастиц которых поддается

          освобождению,

      В теплоэнергетике наиболее распространенными являются химические топлива. Горение химических топлив включает окислительно - восстановительные реакции, в результате которых происходит перераспределение энергетических связей между элементами, участвующими в реакции.

Химические элементы, подвергающиеся окислению в процессе сгорания, принято называть горючими.

Химические же элементы, которые в процессе реакции восстанавливаются, называют  окислителями.

К горючим элементам относят углерод (С), водород (Н), алюминий (Al),  литий (Li) и др.

К элементам, способным восстанавливаться, относят кислород (O),

фтор (F), хлор (Cl).

Как те, так и другие элементы могут входить в химические соединения, обладающие либо свойствами горючих, либо свойствами окислителей. Так, этиловый спирт C₂ H₅ OH, включающий углерод, водород и кислород, используется в качестве горючего, а воздух, состоящий из кислорода и инертного азота, применяется как окислитель.

Совокупность горючего и окислителя называют химическим топливом, а его составляющие – компонентами.

Компоненты топлива не всегда можно представить молекулярной формулой. Однако во всех случаях состав горючего, окислителя или топлива в целом можно задать, если воспользоваться у с л о в н о й химической формулой,  Условной ее называют потому, что рассматривается компонент или топливо с условной молярной массой, равной 1000 г/моль. Тогда один моль рассматриваемого вещества будет равен 1кг массы. Так соединение, состоящее из углерода, водорода, кислорода, азота имеет в общем виде условную химическую формулу Сb_c Hb_h Ob_o Nb_n. Здесь индекс у химического элемента означает число грамм-атомов этого элемента в соединении.

Число грамм-атомов   b_i   i -го элемента в условной формуле определяется по соотношению

                                     b_i = 1000,                                                     (2.1)

где q_i  – массовая доля i -го элемента в химическом соединении;

    A_i – атомная масса i -го элемента.

     Массовая доля элемента в компоненте находится опытным путем. Если компонент задан химической формулой, то для определения q_i  исполь- зуется выражение

                                             q_i =  ,                                                   (2.2)

где    z_i  – число атомов i -го элемента в молекуле компонента.

    Для примера химическую формулу воды H₂O переведем в условную формулу. Используя выражение (2.2), вычислим массовые доли водорода и кислорода в воде.

q_н =    и q_o = .

     

 По формуле (2.1) определим число грамм- атомов водорода и кислорода.

b_н =       и     b_o = .

Отсюда условная химическая формула воды будет иметь вид: H₁₁₁ O_55,6.

    Условная  химическая   формула воздуха записывается выражением N_52,91 O_14,48, а бензина – C_72,25 H₁₃₃.

При расчете условной формулы топлива важно знать соотношение между горючими и окислительными элементами. Это соотношение характеризуется  стехиометрическим коэффициентом.

Под массовым стехиометрическим коэффициентом понимают наименьшее теоретически необходимое количество килограммов окислителя, потребное для полного окисления одного килограмма горючего.

Обозначают массовый стехиометрический коэффициент К₀ и измеряют в , где  (ок - окислитель, г - горючее).

При стехиометрическом соотношении предполагается использование полных валентностей химических элементов.

Формула для определения К₀ имеет вид:

                                 К₀ = –  ,                             (2.3)

где  – валентность  i -го  элемента,  которая выбирается из табл. 2.1

с ее знаком;

    b_i – число грамм-атомов i -го элемента в условной химической формуле.

 

Таблица 2.1 – Валентность некоторых химических элементов

Элемент	Валентность	Элемент		Валентность
H	+1	O		-2
Li	+1	F		-1
Be	+2	Na		+1
C	+4	Al		+3
N	0	Cl		-1
Mq	+2		S	+4

 

Если действительное количество окислителя, подаваемое для сгорания 1 кг горючего, отличается от теоретически необходимого, то такая смесь  будет характеризоваться  действительным коэффициентом соотношения компонентов, обозначаемым   К:

                                        K = .                                               (2.4)

Отличие действительного соотношения от стехиометрического оценивается коэффициентом избытка окислителя, который равен

                                   .                                    (2.5)

      При >1 топливо содержит избыток окислителя, а при < 1 –  избыток горючего.

      В настоящее время в теплоэнергетике широко используются химические топлива состава: окислитель – атмосферный воздух; горючее – добываемые из недр вещества органического происхождения, которыми являются уголь, нефть, природный газ. 

     Антрацит, каменный и бурый уголь, торф, сланцы, дрова – относят

к твердым горючим естественного происхождения. Твердые горючие искусственного происхождения это кокс, древесный уголь, брикеты из древесных и растительных отходов.     

      Нефть – жидкое органическое горючее естественного происхождения. Из нефти путем ее переработки (принципиальная схема переработки нефти приведена на рис. 2.1) получают бензин, керосин, мазут и др., см.  Последние являются органическими горючими искусственного происхождения.

     Природные и попутные нефтяные газы (метан, этан, пропан, бутан) прекрасные органические горючие естественного происхождения. К искусственным газообразным горючим относятся генераторные газы (воздушной, водяной, подземной газификации), побочные газы (доменный, крекинговый).

      Обычно энергия химического топлива освобождается в процессе горения в форме теплоты.  Количество теплоты, выделившееся при сгорании

1 кг топлива, называют т е п л о т о й с г о р а н и я т о п л и в а, обозначают Q_в  и измеряют  в Дж/кг.  Если  в качестве окислителя используется воздух, то выделившееся тепло относят только к массе горючего. В большинстве случаев не удается использовать всю теплоту Q_в.  поскольку часть ее уносится с парами воды в продуктах сгорания в виде скрытой теплоты парообразования Q_w. Поэтому теплоту сгорания   Q_в называют в ы с ш е й, а разность

Q_н = Q_в – Q_w – н и з ш е й т е п л о т о й с г о р а н и я.

     В табл. 2.2 приведены значения Q_н при сгорании в воздухе  ряда го-

рючих.

Таблица 2.2 – Низшая теплота сгорания некоторых горючих в воздухе

Горючее	Qн, МДж/кг
Нефть	40 … 46
Бензин	44 … 48
Дизельное горючее	42 … 45
Мазут	39 … 42
Природный газ	33 …40
Генераторный газ	5 …  6,5
Каменный уголь	25 … 27
Дрова	12 … 19
Торф	4 … 12

     Для сравнительной оценки энергоресурсов различных источников введен единый эквивалент – у с л о в н о е т о п л и в о (у. т.). Расчетная теплота сгорания условного топлива равна 29,308 МДж/кг.

     Технология получения искусственного углеводородного горючего из природной нефти объясняется рисунком 2.1.

       

Рис. 2.1. Принципиальная схема переработки нефти

 

       Сырую нефть обезвоживают, удаляют из нее попутные газы, а затем нагревают до 350 ⁰С. Далее смесь паров и горячей нефти в ректификационной колонне при атмосферном давлении разгоняют на фракции: бензиновую (около 15%,   t_к = 30…180 ⁰С); керосиновую   (около 17%,   t_к   = 150 …280 ⁰С); газойлевую и соляровую (около 18%, t_к = 280 … 350 ⁰С). Жидкий осадок с температурой начала кипения 330 … 350 ⁰С называется мазутом.

     2.1.2 Ядерная энергия

     Ядерная энергия – энергия связи нуклонов в ядре, освобождающаяся в различных видах при делении тяжелых и синтезе легких ядер. В последнем случае её принято называть «термоядерной».

     Промышленное использование ядерной (атомной) энергии стало возможным благодаря осуществлению искусственно регулируемого процесса расщепления ядер, которое происходит в результате бомбардировки нейтронами атомов делящегося вещества – я д е р н о г о т о п л и в а. Устройства, в которых протекает управляемая самоподдерживающаяся ядерная реакция называют  я д е р н ы м и (атомными) р е а к т о р а м и.

     В качестве ядерного топлива применяют в основном природный уран. Природный уран – это смесь трех изотопов с атомными массами 238, 235 и 234. Основная часть массы в количестве 99,28% приходится на долю U²³⁸ и только 0,714% – U²³⁵; 0,006% – U²³⁴. Из этих изотопов непосредственно используется  U²³⁵, так как его ядра расщепляются под воздействием нейтронов любой энергии. Практическое использование U²³⁸ возможно при его обогащении ураном U²³⁵.  С целью воспроизводства ядерного топлива на специальных заводах осуществляется сложнейший процесс  разделения изотопов.

В реакторах на быстрых нейтронах из U²³⁸ получают новый делящийся материал – плутоний  Pu²³⁹, а из тория Th²³² – уран U²³³. Таким образом, количество ядерного топлива существенно увеличивается. По расчетам специалистов ядерные энергоресурсы можно увеличить в 15–25 раз.

    При делении ядра U²³⁵ освобождающаяся энергия распределяется между различными продуктами деления следующим образом, МэВ:

    – кинетическая энергия осколков деления...... ……. 168;

    – энергия нейтронов деления................. ……….   5;

    – энергия мгновенного - излучения........... …….. 5;

    – энергия - распада....................... ……….   7;

    – энергия фотонов - распада осколков деления.. …… 6;

    – энергия нейтрино.......................... ……. 11.

                                                 В с е г о............... …   220

     Энергия, уносимая нейтрино, не может быть уловлена.

     Кинетическая энергия осколков деления в теплоносителе преобразуется в теплоту. Так  1 кг ядерного топлива обеспечивает получение мощности

2000 кВт в течение года.

     Ядерное топливо применяется в реакторах в виде металлических стержней, которые обладают высокой эффективностью использования нейтронов, хорошей теплопроводностью, значительным сопротивлением термическим ударам (внезапным изменениям теплового режима при выключении и включении реактора). Но твердое металлическое ядерное топливо имеет и ряд недостатков: низкую температуру плавления (t_пл = 1133 ⁰С), малую прочность и др. Эти недостатки в меньшей мере присущи различным видам керамического ядерного топлива – двуокиси урана UO₂ (t_пл = 2800 ⁰С), карбиду урана UC  (t_пл = 2700 ⁰С) и др.

    По мимо твердых, на базе указанных выше делящихся материалов, готовят жидкие и газообразные ядерные топлива.

  Принципиальная схема ядерного реактора, работающего на медленных нейтронах, приведена на рис. 2.2.                                                                                                                                                                                                                                      

Тепловыделяющие элементы (твелы) 1 устанавливаются в активной зоне реактора между замедлителями нейтронов 2.С целью защиты от коррозии и предотвращения разлетания осколков деленияядерное топливоразмещается в оболочке из стали, либо алюминия или циркония. Используемые оболочки, как правило цилиндрической формы. В качестве замедлителя нейтронов используют графит, бериллий, воду и др. Количество поглощаемых нейтронов, а следовательно и мощность реактора регулируется изменением глубины погружения в активную зону регулирующих стержней 3 (материал стержней – бор и кадмий). Большая часть кинетической энергии осколков делящегося ядерного топлива поглощается теплоносителем и нагревает его. Роль теплоносителя могут выполнять жидкие вещества (вода, расплавленный металл) или газы (гелий, воздух). Для защиты от радиоактивных излучений активная зона ядерного реактора ограждена   толстыми (1,5 – 2 м) бетонными стенами 4. Отражатель 5 предотвращает утечку нейтронов из реактора. В настоящее время в мире создано большое количество типов ядерных реакторов, как для стационарных атомных станций, так и для различных транспортных средств. На рис. 2.3 приведена принципиальная схема водоводяной атомной электростанции.

  К достоинствам ядерного топлива относят:

 - высокую удельную энергию;

 - сравнительную простоту доставки к энергоустановкам;

 - отсутствие выбросов в атмосферу вредных газов.

Ограничения в использовании ядерной энергии обусловлены проблемами, возникающими при эксплуатации реакторов, а также относительной дороговизной ядерного топлива и сложностью утилизации его отходов.

 

 

 

     2.2. Возобновляемые источники энергии    

    2.2.1. Солнечная энергия

     Самыми мощными источниками энергии являются  Солнце  и  звезды.

 С поверхности Солнца ежесекундно излучается энергии 3,8·10²⁶ джоулей. Примерно половина этой энергии приходится на видимый спектр излучения, остальная часть –  на инфракрасные и тепловые лучи.

Количество солнечной энергии, падающей на единицу нормальной к лучам поверхности, находящейся за пределами атмосферы, в единицу времени, называется  с о л н е ч н о й  п о с т о я н н о й. Солнечная постоянная зависит от расстояния до Солнца и на верхний слой земной атмосферы приходится в среднем 1353 Вт/м². До поверхности Земли доходит значительно меньше энергии, так как она поглощается атмосферой, отражается облаками, преломляется в воздухе. Несмотря на это, лучистый поток от Солнца в безоблачный день внушителен. Так, например, солнечная батарея (фотоэлектрический генератор) площадью в  1 м²  с  коэффициентом  полезного   действия

15 % выдает в безоблачный день 0,25 кВт электроэнергии.

Значительная часть солнечной энергии, достигающей Земли, без вмешательства человека участвует в образовании биомассы растений

 (ф и т о м а с с ы). Фитомасса, являясь своеобразным аккумулятором, обладает энергетическим потенциалом, превышающим приблизительно в 20 раз энергию полезных ископаемых земной коры. С участием человека солнечная энергия используется при производстве сельскохозяйственной продукции растительного происхождения. В меньшей степени пока нашло прямое преобразование солнечной энергии в теплоту (тепловые гелиоустановки) и электроэнергию (термоэлектрогенераторы). Эти и другие преобразователи солнечной энергии достаточно подробно изложены в работах [1] и [2].

Важнейшим достоинством солнечной энергии являются ее возобновляемость, безвредность для окружающей среды и отсутствие необходимости в средствах ее доставки. Недостаточное использование солнечной энергии на территории России связано с малой плотностью лучистого потока, его неравномерности из-за смены дня и ночи и перемен погоды. Однако, решение проблем, связанных с концентрацией солнечной энергии и ее аккумуляцией, открывает широкую перспективу для этого вида неисчерпаемой энергии.

 

2.2.2. Энергия движения воздуха в атмосфере

Движение воздуха в атмосфере возникает вследствие неравномерного горизонтального распределения давления, которое, в свою очередь, обусловлено неоднородностью температурного поля у земной поверхности. Горизонтальную составляющую этого движения называют в е т р о м. Ветер характеризуется скоростью и направлением. При скорости 5…8 м/с ветер считается умеренным, свыше 14 м/с – сильным. При шторме скорость ветра порядка 20…25 м/с, а при урагане – 60…80 м/с.

Потенциал энергии ветра колоссален: 96·10²¹ Дж, что составляет почти 2% солнечной энергии, падающей на землю. Практическое применение имеет энергия умеренного и сильного ветра. В зонах с умеренным ветровым режимом на 1км² можно получить годовую выработку электроэнергии около 3,6 МДж. 

Использовать энергию ветра человечество научилось давно (парусные суда, ветряные мельницы). В настоящее время ветровые силовые установки в основном применяются для выработки электроэнергии. По данным Всемирной ветроэнергетической ассоциации  WWEA за 2006 г. в мире функционирует более 40 000 ветроэлектрических агрегатов, суммарная мощность которых превышает 73 900 МВт. В ближайшее десятилетие ожидается увеличение мирового объема инвестиций в ветроэнергетику почти в девять раз.

Блок – схема преобразователя кинетической энергии ветра в какие-либо другие виды энергии представлена на рис. 2.4.

 

 

5

 

 

 

1

4

2

                          

К потре -бителю

3

 

 

2. 4. Блок – схема ветроэнергетической установки:

Глава 3

Глава 4

Нижний коллектор; 2 – топка; 3 – горелка; 4 – опускные трубы; 5 – каркас; 6 – пароотделитель; 7 – барабан; 8 – паровое пространство; 9 – экранные трубы; 10 – финкстонные трубы; 11 – задвижка; 12 – пароперегреватель; 13 – коллектор пароперегревателя; 14 – водяной экономайзер; 15 – воздухоподогреватель; 16 – обмуровка; 17 – газоходный канал