Использование нетрадиционных источников энергии

 

В настоящее время изучаются возможности в качестве альтернативы традиционным источникам теплоты использовать энергию ветра, солнца, геотермальных вод, биоэнергетику, водородную энергетику.

Использование энергии ветра

В России наиболее перспективными областями для использования энергии ветра являются Крайний Север, побережье Охотского моря, Камчатка, Курилы, Приморский край, юг Западной Сибири, Прикаспийской низменности, где постоянно дуют сильные ветры. Ресурсы ветровой энергии страны составляют около 10 млрд кВт.

Преимущества ветровой энергии очевидны: не загрязняется атмосфера, нет необходимости затрачивать средства на транспортировку энергии ветра, доступность ветровой энергии.

В основу расчета ветроагрегата положены три закона:

1. Закон обращения движения, согласно которому результаты расчета будут одинаковы независимо от того, рассматривается взаимодействие твердого тела с движущейся средой или, наоборот, рассматривается движение твердого тела в неподвижной среде.

2. Закон постоянства массы, позволяющий определять скорости в различных сечениях замкнутого пространства.

3. Закон сохранения энергии, который устанавливает постоянство полной энергии по любому сечению элементарной струйки:

, (12.36)

где z₁, z₂ – нивелирная высота в соответствующих сечениях; u₁, u₂ – внутренняя тепловая энергия в соответствующих сечениях; v₁, v₂, p₁, p₂, ρ₁, ρ₂ – скорость, давление и плотность воздуха в соответствующих сечениях.

Мощность, развиваемая ветроколесом, определяется по формуле

N = ρv³Fξ/2, (12.37)

где ξ – коэффициент использования энергии ветра; F – площадь поперечного сечения колеса, м².

Геотермальная энергетика

Недра Земли содержат богатые источники тепловой энергии. Источником тепловой энергии являются радиоактивные процессы. Расчеты показывают, что из слоя глубиной до 3 км можно извлечь 10¹⁸ кДж геотермальной энергии. При глубине скважины 10 км можно получить перепад температур около 300ºС и использовать этот перепад для превращения тепловой энергии в механическую или электрическую. Однако масштабы применения геотермальной энергетики во всем мире незначительны.

Существуют два типа источников геотермальной энергии: пароводяной и теплота сухих пород.

Используя геотермальную энергию, американские инженеры решают проблему обеспечения тихоокеанского острова Сайпан пресной водой и электрической энергией. В России значительным запасом геотермальной энергии обладают Сахалин, Курилы и Камчатка.

Солнечная энергия

Грубые оценки показывают, что поток солнечной энергии на Земле в среднем составляет порядка 100 Вт/м². Работы по использованию этой энергии ведутся в различных странах. Наиболее перспективно солнечную энергию использовать в районах, где имеется большое число солнечных дней в году.

 

 

Рис. 12.2. Принципиальная схема пассивной системы Тромба-Мишеля:

1 – застекление; 2 – слой воздуха; 3 – бетонная стена, аккумулирующая

энергию солнца

 

Солнце излучает энергию в широком диапазоне длин волн. Наибольшая интенсивность солнечного излучения приходится на диапазон частот от 0,2 до 1,2 мкм. Остальной диапазон длин волн характеризуется низкой плотностью излучения и для его использования применяют концентраторы.

Наиболее простым и доступным устройством, позволяющим концентрировать солнечную энергию, является устройство, представленное на рис. 12.2. Это устройство обладает высокими аккумулирующими способностями и может быть использовано для обогрева различных помещений. В верхней и нижней частях стены имеются отверстия для прохода воздуха. В передней части установлены в один или несколько слоев стекла. Стекла поглощают инфракрасные лучи с длиной волны от 0,3 до 3 мкм. Пройдя через стекло, лучи нагревают массивную стенку 3. Нагретая стена нагревает слой воздуха 2. Между воздухом, находящимся в воздушном слое, и воздухом в помещении происходит циркуляция: горячий воздух поступает в помещение, как показано, по стрелке А, а холодный перемещается в воздушный слой по стрелке Б.

Для получения высоких температур используется гелиоустановка, принципиальная схема которой представлена на рис. 12.3. Основу концентратора составляет линза 1.

 

 

Рис. 12.3. Принципиальная схема высокотемпературного

концентратора

 

Падающие на линзу солнечные лучи, отражаясь, сходятся в фокусе линзы 2. При этом тепловое напряжение в фокусе достигает величины 3,5–4 кВт/м², что позволяет получать температуру в фокусе в пределах 2500–4000 К. Если в фокусе линзы поместить нагреваемый предмет (котел, плавильную печь и т.д.), устройство будет использоваться как кипятильник, плавильная печь и т.п.

Использование биотоплива

В результате фотосинтеза ежегодно вырабатывается (150–200) · 10⁹ т биомассы, которая потенциально является сырьем для производства биотоплива. Из биомассы можно получать топливо двух видов – биогаз и этиловый спирт.

Биогаз можно получать тремя способами: анаэробной ферментации, гидрогазификации или пиролиза. Принципиальная схема для получения биогаза методом анаэробной ферментации показана на рис. 12.4. Исходная биомасса после предварительного измельчения поступает в промежуточную емкость 1, в которой проходит термообработку при температуре процесса 40–65ºС. Из емкости 1 насосом 6 подается в ферментатор 2. Образующийся в ферментаторе газ поступает в газгольдер 4, а сброженный навоз удаляется из емкости 2 насосом при открытой задвижке 5.

Рис. 12.4. Принципиальная технологическая схема метанового сбраживания навоза: 1 – промежуточная емкость; 2 – ферментатор;

4 – газгольдер; 6 – насос; 3, 5, 7 – задвижки

 

В этой технологической схеме для производства метана можно использовать как отходы животноводства, так и отходы растениеводства.

 

 

Примеры решения задач

Задача 1. Определить низшую теплотворную способность топлива следующего состава, %: W^p = 11,5; A^p = 12,6; S_к^р = 0,3; N^р = 1,9;
O^p = 9,5; H^p = 4,1; C^p = 60,1.

Решение. По формуле Д.И. Менделеева (12.14) определяем низшую теплотворную способность топлива:

Q_н^р = 340 · 60,1 + 1035 · 4,1 – 109(9,5 – 0,3) = 23721 кДж/кг.

Задача 2. Определить расход топлива для котельной установки, работающей без отбора пара, для следующих условий: КПД котельного агрегата η_к = 0,9, производительность Gп = 3200 кг/ч, низшая теплотворная способность топлива 30000 кДж/кг, энтальпия питательной воды h_пв = 60 кДж/кг, энтальпия перегретого пара h_пп = 2800 кДж/кг.

Решение. Расход топлива определяем по формуле (12.5)

B = 3200 · (2800 – 60)/(30000 · 0,9) = 325 кг/ч.

12.6. Контрольные вопросы

1. Какие топлива используются в котельных установках?

2. По каким признакам классифицируются угли?

3. Напишите формулу для определения теплотворной способности топлива.

4. Напишите уравнения материального баланса горения топлив.

5. Какие газы образуются в результате сгорания топлива?

6. Напишите формулу для определения расхода топлива с отбором насыщенного и перегретого пара

7. Как определяют массы твердого и жидкого топлива?

8. Какие нетрадиционные источники энергии Вы знаете?

9. Предельно допустимые концентрации вредных газов в жилых и животноводческих помещениях.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

Подготовка выпускников, обладающих знаниями в области термодинамики и тепломассообмена, позволит решить многие задачи связанные с предупреждением катастрф техногенного характера.

При подборе материалов пособия автор, прежде всего, учитывал требования ФГОС ВПО Российской Федерации к изучению дисциплины студентами, обучающимися по направлению подготовки «Техносферная безопасность», а также стремился обеспечить ясное понимание основ теплофизики и исключить затруднения с чисто математическим содержанием работы.

В пособие вошли разделы, отражающие основные положения термодинамики, теплообмена, термодинамических процессов энергетических установок.

В теоретических материалах нет сложных математических выкладок, и для их понимания достаточно знаний, полученных при изучении математики и физики. Поэтому студенты, обладающие знаниями математического анализа, не должны встретить затруднений математического характера.

Требования ФГОС ВПО к изучению дисциплины обширны, а объем учебного пособия ограничен, поэтому некоторые разделы не нашли отражения.

Примеры решения задач составляют важную часть овладения дисциплиной «Теплофизика». Изучение материала пособия должно сопровождаться работой над приведенными примерами решения задач.

В настоящее время главным направлением теоретических исследований в области теплофизики является развитие аналитических и численных методов поиска оптимальных параметров теплотехнических устройств.

Для углубления знаний рекомендуется использовать специальную литературу, периодические издания, участие в конференциях различного уровня, проводимых в ФГБОУ ВПО ОмГАУ им. П.А. Столыпина.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Вукалович, М.П. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара / М.П. Вукалович, С.Л. Ривкин, А.А. Александров. – М., 1969. – 408 с.

2. ГОСТ 12.1.005–88 (Взамен ГОСТ 12.1.005–76). Общие санитарно-гигиенические требования [Электронный ресурс]. – Система стандартов безопасности труда. – М.: Изд-во стандартов. – 1988. – Режим доступа: СПС «КонсультантПлюс».

3. Драганов, Б.Х. Теплотехника и применение теплоты в сельском хозяйстве / Б.Х. Драганов, А.В. Кузнецов, С.П. Рудобошта. – М.: Агропромиздат, 1990. – 464 с.

4. Исаченко, В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. – М.: Энергия, 1969. – 488 с.

5. Кутателадзе, С.С. Основы теории теплообмена / С.С. Кутателадзе. – М.: Атомиздат, 1979. – 416 с.

6. Лариков, Н.Н. Общая теплотехника: учеб. для вузов. – 3-е изд.
/ Н.Н. Лариков. – М.: Стройиздат, 1975. – 559 с.

7. Микроклиматические основы тепличного овощеводства. – Пер. с болг. Е.С. Сигаева / предисл. Н.С. Гончарука. – М.: Колос, 1982. –175 с.

8. Михеев, М.А. Основы теплопередачи / М.А. Михеев, И.М. Михеев. – М.: Энергия, 1977. – 344 с.

9. Нащокин, В.В. Техническая термодинамика и теплопередача / В.В. Нащокин. – М.: Высшая школа, 1980. – 469 с.

10. Нормы технологического проектирования овцеводческих предприятий: НТП-АПК 1.10.03.001-00. – М.: Колос, 2000. – 115 с.

11. НТП 1-99. Нормы технологического проектирования предприятий крупного рогатого скота. – М.: Мин-во с. х. и продовольствия Росс. Федерации, 1999. – 46 с.

12. НТП – АПК 1.10.05.001-01. Нормы технологии проектирования птицеводческих ферм и птицефабрик ВНТП 4-96. – М.: Мин-во с. х. Росс. Федерации, 2001. – 195 с.

13. Организация нормируемого микроклимата и контроль за его состоянием в животноводческих помещениях. – М.: Госагропром, 1989. – 64 с.

14. Ривкин, С.Л. Термодинамические свойства воды и водяного пара
/ С.Л. Ривкин, А.А. Александров. – М., 1984. – 80 с.

15. СНиП 2-3-79. Строительные нормы и правила. Строительная теплотехника [Электронный ресурс]. – М.: Минстрой России. – Режим доступа: СПС «КонсультантПлюс».

16. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник / под общ. ред. В.А. Григорьева, В.М. Зорина. – Кн. 2. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 557 с.

17. Теория тепломассообмена / С.И. Исаев [и др.]; под ред. А.И. Леонтьева. – М.: Высшая школа, 1979. – 495 с.

18. Теплотехника / В.Н. Луканин [и др.]; под ред. В.Н. Луканина. –
3-е изд., испр. – М.: Высшая школа, 2003. – 671 с.

19. Фокин, К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий
/ К.Ф. Фокин. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1973. – 287 с.

 

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ

 

Абсолютная влажность 64 Абсолютная температура 11 Абсолютное давление 11 Альтернативные источники теплоты 138 Биогаз 141 Биотопливо 141 Влагосодержание 65 Влажность относительная 64 Внутренняя энергия 20 Воздухоподогреватель 128, 129, 130 Газовая постоянная 13, 16 Гелиоустановка 141 Горение 131 Градиент температур 80 Диффузор 71 Дросселирование 75 Дроссельный эффект 76 hs-диаграмма водяного пара 56 Закон – Вина 100 – Дальтона 15 – Кирхгофа 101 – Ламберта 101 – Майера (уравнение) 23 – Ньютона – Рихмана 90 – Планка 99 – Стефана – Больцмана 100 – Фурье 80 Конвекция 79 Кондукция 79 Конфузор 74 Котельные установки 128 – водогрейные 128 – паровые 128 Коэффициент адиабатного дросселирования 76, 77 – избытка воздуха 134 – излучения абсолютно черного тела 101 – температуропроводности 89 Критерий подобия – Био 91

– Грасгофа 91 – Нуссельта 90 – Пекле 91 – Прандтля 91 – Рейнольдса 91 Материалы – изоляционные 122 – строительные 121, 122 Ограждающие поверхности 121 Окружающая среда 17 Параметры состояния 10 Перегреватель 128 Плотность теплового потока 79 Пограничный слой 83, 84 Пористые заполнители 122 Постоянная Больцмана 12 Процесс адиабатный 30 – изобарный 28 – изотермический 29 – изохорный 27 – политропный 31 – равновесный 16 Работа, располагаемая 71 – расширения 21 – сжатия 21 Скорость – истечения 72 – критическая 72 Солнечная энергия 140 Сопротивление теплопередаче 85 Степень черноты 101 Температура инверсии 77 Температурное поле 79 Теория подобия 90 Тепловая изоляция 87 Тепловой баланс 130 Тепловой поток 79 Теплоемкость 23 Теплоноситель 85 Теплообмен излучением 98 Теплопоглощение помещения 126 Теплопроводность 80, 81, 82 Термодинамическая система 9

Топка 178 Топливо 131 Удельная теплоемкость 23 Удельный объем 12 Уравнение – Ван дер Ваальса 14 – неразрывности 90 – состояния газовой смеси 15 1-го закона термодинамики 20 Условие граничное 89 Холодильный коэффициент 35 Экология 136 Экономайзер 128, 130 Эксергия 40

 

План 2014 г.

 

Учебное издание

 

Керученко Леонид Степанович

 

ТЕПЛОФИЗИКА

 

Учебное пособие

 

 

Редактор Г.А. Диль