Чем опасен перегрев атмосферы при работе тепловых машин: Проблемы экологии, связанные с использованием тепловых машин

Проблемы экологии, связанные с использованием тепловых машин

Skip to content

Тепловые машины – основа нашей индустриальной цивилизации. Они приводят в движение автомобили и корабли, вырабатывают ток на электростанциях, дают энергию для работы предприятий. Вместе с тем, использование тепловых машин – причина серьезных экологических проблем, которые становятся все острее.

1.
Что такое тепловая машина

2.
Как работает тепловой двигатель

3.
Вредные вещества

4.
Виды загрязнений

4.1.
Тепловое загрязнение

4.2.
Последствия для экологии

4.3.
Влияние на живые организмы

5.
Пути решения проблемы

5.1.
Теплоэнергетика

5.2.
Выбросы автомобилей

5.3.
Альтернативная энергетика

5.4.
Защита атмосферы

Что такое тепловая машина

Тепловая машина (ТМ) – тип двигателя, преобразующий тепло в полезную работу. Он состоит из трех элементов:

• нагревателя;
• холодильника;
• рабочего тела.

К тепловым машинам относятся все бензиновые и дизельные автомобильные моторы, паровые турбины и котлы, реактивные и ракетные двигатели.

Тепловые двигатели (ТД) распространены повсеместно: на транспорте, в энергетике, промышленности. Изобретение паровой машины привело к индустриальной революции XVIII-XIX столетий, радикально изменило облик нашего мира.

Как работает тепловой двигатель

Работа теплового двигателя основана на способности веществ расширяться при повышении температуры. В качестве рабочего тела в ТД используется газ, который нагревается за счет сжигания топлива.

Все ТМ работают циклически. Чтобы запустить подобную систему, температура нагревателя должна быть существенно выше, чем окружающей среды. При обратном ходе поршня температура газа понижается за счет холодильника. Им может служить охлаждающая жидкость или атмосфера.

Работа двигателя равна разности подведенного и отведенного тепла. Коэффициент полезного действия – это отношение работы к теплу, подведенному к системе. Принцип действия тепловых машин основан на 1-м и 2-м законе термодинамики.

Вредные вещества

Для работы тепловых двигателей чаще всего применяется ископаемое топливо или продукты его переработки: уголь, газ, мазут, бензин, керосин и др. Они никогда не сгорает на 100%, и остатки загрязняют окружающую среду.

Не меньший вред наносят продукты сгорания. При работе ТМ выделяются следующие виды вредных веществ:

• сажа;
• углекислый газ;
• угарный газ;
• оксид азота;
• соединения свинца;
• формальдегид;
• бензол.

Атомные электростанции – также тепловые машины, в которых для нагревания рабочего тела используются ядерные реакции. Их эксплуатация связана с опасностью загрязнения окружающей среды радиоактивными материалами.

Виды загрязнений

Выбросы токсичных веществ – главный негативный фактор воздействия тепловых машин на окружающую среду.

В процессе сжигания топлива расходуется много кислорода, что приводит к уменьшению его количества в воздухе. В странах с развитой промышленностью двигатели и турбины потребляют кислорода больше, чем его успевают выделять растения.

Тепловое загрязнение

При работе любого двигателя внешнего или внутреннего сгорания выделяется много тепла, что приводит к «тепловому загрязнению».

За 2008 год все ТМ выработали примерно 125 ПВт/ч энергии. Учитывая их небольшой КПД, примерно столько же энергии рассеялось в виде тепла в атмосфере. Хотя это количество и не кажется слишком большим, но оно способно нарушить хрупкий температурный баланс атмосферы, запустив необратимые изменения.

Последствия для экологии

Тепловые машины – один из главных источников загрязнения окружающей среды. Экологические проблемы при использовании ТД носят комплексный характер – токсичные выбросы отравляют воздух, почву и воду.

Атмосфера принимает на себя первый удар. Тепловые машины ежегодно выбрасывают в окружающую среду около 60 млн тонн оксидов серы и примерно 200 млн тонн сажи. Количество окисей азота, соединений свинца, углеводородов также исчисляется миллионами тонн.

В мире эксплуатируется около 1 млрд автомобилей, на них приходится более половины ядовитых веществ, которые выбрасываются в атмосферу.

В 2018 году в атмосферу было выброшено 33,9 млрд тонн углекислого газа, что на 2% больше, чем годом ранее. Он считается одной из главных причин парникового эффекта и изменения климата.

Выхлопные газы автомобилей – основной источник токсичного смога в крупнейших городах мира. Концентрация вредных веществ в воздухе мегаполисов может превышать норму в десятки раз.

Токсические вещества из атмосферы попадают в почву или воду. Они меняют их химический состав, что самым негативным образом сказывается на живых организмах.

Влияние на живые организмы

Ядовитые выбросы, образующиеся при работе тепловых машин, разрушительно действуют на все живые организмы. Наиболее опасными считаются соединения свинца, азота, фенолы, углеводороды.

Например, свинец, который добавляют в моторное топливо, является сильнейшим канцерогеном. Аналогичными свойствами обладает хром, бром и их соединения.

Выбросы тепловых двигателей угнетают иммунную систему человека, приводят к дыхательным и сердечно-сосудистым заболеваниям.

Соединения азота и серы, вступая в реакции с влагой воздуха, образуют ядовитые кислоты. Именно они – причина кислотных дождей, которые убийственно действуют на почву и растительность.

Пути решения проблемы

Можно утверждать, что ТД породили современное индустриальное общество. При этом необходимость их замены с каждым днем становится все более очевидной.  Тепловые двигатели и охрана окружающей среды плохо сочетаются друг с другом.

Автобус на электрической тяге

Альтернативы для этого уже есть: тепловые электростанции можно заменить солнечными панелями, а автомобили с ДВС – электрокарами.

Такой переход потребует много времени и еще больше ресурсов, но результат оправдает эти затраты.

Теплоэнергетика

Предприятия теплоэнергетики следует вынести за границы населенных пунктов. От этого они не будут выделять в атмосферу меньше вредных веществ, но их концентрация в городах станет меньше.

Следует отказаться от наиболее «грязного» вида ископаемого топлива – каменного угля. Природный газ дает меньше выбросов сажи и других вредных веществ. Хорошей альтернативой является водород, однако технологии его получения и использования пока не отработаны.

Выбросы автомобилей

Вполне реально уменьшить вред, который окружающей среде и здоровью людей наносят автомобили с ДВС. Эффективным методом является жесткий контроль качества моторного топлива. Уже сегодня во многих странах запрещена продажа бензина с добавками свинца.

Существуют стандарты по количеству вредных веществ в выхлопных газах самих автомобилей. Они зависят от конструкции двигателя и системы зажигания, наличия нейтрализаторов.

Хорошим решением является перевод транспорта на различные виды природных газов.

Уменьшить загазованность в населенных пунктах позволяет правильная организация дорожного движения. Установлено, что большая часть выбросов происходит во время нахождения машин в «пробках».

Альтернативная энергетика

«Зеленая» энергетика – мощный тренд последнего десятилетия. К ней обычно относят ветроэнергетику, солнечные панели, биогаз, приливные электростанции. Они известны человечеству давно, но только сейчас становятся экономически выгодными.

Доля «зеленой» энергии в мировой генерации с каждым годом увеличивается.

Защита атмосферы

Для защита атмосферы от вредных выбросов сегодня используется несколько методов. Чтобы уменьшить концентрацию выбросов, трубы делают выше. Куда более эффективно работают различные фильтры, улавливающие отходы. Однако такая очистка достаточно дорого стоит и также не дает полной гарантии.

Понравилась ли Вам статья?

Нажмите на звездочку =)

Средний рейтинг 2 / 5. Голосов: 239

Стань первым! Голосов еще нет.

Нам очень жаль, что статья вам не понравилась!

Помогите нам улучшить контент!

Подскажите, пожалуйста, как мы можем ее улучшить?

Поиск

1.
Что такое тепловая машина

2.
Как работает тепловой двигатель

3.
Вредные вещества

4.
Виды загрязнений

4.1.
Тепловое загрязнение

4. 2.
Последствия для экологии

4.3.
Влияние на живые организмы

5.
Пути решения проблемы

5.1.
Теплоэнергетика

5.2.
Выбросы автомобилей

5.3.
Альтернативная энергетика

5.4.
Защита атмосферы

&nbsp

Свежие записи

• Виды и область использования отстойников для воды
• Особенности ведения журнала движения отходов по Приказу 721
• Что такое ХПК сточных вод и для чего вычисляется этот показатель
• Что такое утилизационный сбор и кто его оплачивает
• Экологический мониторинг, определение, виды, методы проведения

Пожарная безопасность технологических процессов и оборудования.

Пожарная сигнализация

на высоте защищаемого сооружения hx представляет со­бой круг радиусом Гх (радиус
защиты) (рис. 7.6).

Радиус зоны защиты и высота молниеотвода могут быть
рассчитаны или определены по номограммам.

Методика расчета молниезащиты, детали конструкции и другие
указания по ее проектированию и устройству приведены в Указаниях по
проектированию и устройству молниезащиты зданий и сооружений (СН 305—69).

7.7. ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОБОРУДОВАНИЯ

7.7.1. Источники воспламенения

Источниками воспламенения могут
быть тепло хими­ческих реакций, пламя печей, открытый огонь при про­ведении
ремонтных работ, тепло нагретого оборудования и нагретых масс металла и шлака,
механический разо­грев, искры электрические, электростатические и механи­ческие.

В результате теплового проявления механической энергии
возникают ударные искры, разогрев и искры тре­ния.

Воспламеняющая способность искры зависит от ее температуры,
теплосодержания и длительности воздей­ствия.

Ударные искры образуются при попадании твердых предметов в
машины со стальным корпусом и движущи­мися механизмами, при ударах подвижных
механизмов о неподвижные части машин, а также при ударах метал­лическими
инструментами.

Для изготовления ударных инструментов применяют материалы,
не дающие искр: бериллиевую и фосфори­стую бронзу, латунь, нержавеющую сталь и
др.; при ис­пользовании искрящих материалов инструмент покрыва­ют консистентной
смазкой (тавотом, солидолом).

Летящие искры трения имеют высокую температуру, но малый
запас энергии, поэтому они могут воспламенить газо (паро-) воздушные смеси с
высокой температурой воспламенения и большим периодом индукции (смеси воздуха с
метаном, аммиаком, природным и генератор­ным газом, парами многих горючих
жидкостей), а также пыле-воздушные смеси. Упавшие искры способны воспла-

2)

менять отложения мелкодисперсной горячей пыли и во­локнистые
материалы.

При трении происходит выделение тепла: большее — при сухом
трении и несколько меньшее—при полусу­хом; при скольжении тепла выделяется
больше, чем при качении. lfl.7=fNl/l,7 МДж.         (7.3)

где
1,7—механический эквивалент теплоты.

Возникновение электростатических зарядов в производственном
устройстве может привести к их накапливанию и искровому разряду.

Величина возникающего электростатического заряда и его по­лярность
определяются разностью значений диэлектричексой прони­цаемости двух
контактирующих веществ:

(7.4)

где    Qi—s—.результирующий электростатический заряд со
знаком, определяемым разностью зарядов на поверхности’ двух контактирующих
веществ;

Ki и /(а—диэлектрическая
проницаемость контактирующих ве­ществ;

К—постоянная
величина (около 4,4).

В целях безопасности необходимо исключить возмож­ность
возникновения электростатических зарядов путем уменьшения скорости перемещения
электризующихся жидкостей, увеличения их проводимости (химической об­работкой
поверхностей, увеличением относительной влажности, добавлением в жидкости
проводящих ве­ществ), замены материала трущихся поверхностей и т. д.

Для устранения возникающих электростатических за­рядов
применяют ионизацию воздуха (индукционными нейтрализаторами, действием поля
высокого напряжения и др.) либо заземляют металлические части агрегатов.

7.7.2. Электрические устройства

Электрические устройства представляют пожарную опасность в
случае перегрузки проводов или короткого — замыкания.

Воспламеняющая
способность искры размыкания электрической цепи зависит от рабочего напряжения,
са­

моиндукции цепи, силы тока в цепи
перед размыканием, рода и частоты тока, размыкаемых контактов (металла, формы и
площади их).

Имеет также значение скорость размыкания. В схе­мах
безреактивных, т. е. с небольшой индуктивностью (0,01 Гн и меньше), более
опасны искры, возникающие при медленном размыкании, а в схемах индуктивных —
искры при быстром размыкании.

При соответствующем подборе указанных парамет­ров может быть
создана искробезопасная система без специальной защиты.

Короткое замыкание происходит при соединении про­водников
через малое сопротивление, причем ток в цепи мгновенно увеличивается, и
выделяется большое коли­чество тепла. Короткое замыкание происходит также при
нарушении изоляции проводников, попадании токо-проводящих предметов на
неизолированные провода и т. д.

Токи коротких замыканий могут достигать десятков и даже
сотен тысяч ампер. Такой ток обладает электроди-‘ намическим и тепловым
действием; недостаточно меха­нически прочное электрическое оборудование может
раз­рушиться; перегрев токоведущих частей, электрические искры и дуги могут
воспламенить изоляцию и окружа­ющую горючую среду.

Для предотвращения короткого замыкания необходи­мы:
правильный выбор, монтаж и эксплуатация сетей, машин и аппаратов; соблюдение
правил эксплуатации, осмотров, ремонта и испытаний электрических уста­новок.

Для локализации последствий короткого замыкания используют
быстродействующую релейную защиту и вы­ключатели, установочные автоматы и
плавкие предохра­нители.

Причинами возникновения перегрузок могут быть не­правильный
расчет сети, включение в сеть дополнитель­ных потребителей (на которые сеть не
рассчитана), ме­ханическая перегрузка на валу электрического двигате­ля и др.

Перегрузку проводников можно обнаружить измере­нием их
нагрева и сравнением с максимально допусти­мыми температурами по ГОСТу или
Правилам устройст­ва электроустановок.

12
Б. М, Злобинский

3)

Для предотвращения перегрузки необходимы: пра­вильный выбор
сечения проводников, недопущение вклю­чения в сеть непредусмотренных
потребителей, исключе­ние нагрева» частей электроустановок выше
допустимого. Для защиты электроустановок от токов перегрузки при­меняют плавкие
предохранители; легкоплавкая вставка предохранителя успевает расплавиться и
разомкнуть цепь прежде, чем произойдет опасный нагрев объекта.

Предохранители выбирают в соответствии с сечением проводов
или мощностью защищаемых электрических устройств. Их устанавливают в
запирающихся ящиках, чтобы устранить контакт людей с токоведущими частями.
Перед предохранителями устанавливают рубильники или выключатели для отключения
напряжения при смене плавких вставок. Для сигнализации о действии предо­хранителей
в сеть включают сигнальные лампы.

С целью защиты от электрической дуги при размыка­нии и
замыкании электрических цепей рубильники распо­лагают в кожухе или за щитом из
огнестойкого материа­ла; металлические кожухи заземляют.

В более ответственных установках для защиты от чрезмерных
токов применяют максимальные автоматы, принцип действия которых основан на
размыкании элек­тромагнитных контактов при появлении в цепи опасного тока. При
перегрузке сети в автомате срабатывает теп­ловая защита — от нагрева
деформируется биметалли­ческая пластинка.

Для защиты электрических двигателей, установок, приборов и
сетей от токов короткого замыкания, пере­грузки и перегрева используют
автоматические тепловые реле, которые обычно встраивают в магнитные пуска­тели.

С целью защиты трансформаторов от перегрева при­меняют
дополнительное охлаждение их искусственным дутьем; для автоматического
включения двигателей дуть­евого охлаждения используют терморегуляторы.

Наличие в трансформаторе минерального масла уве­личивает его
пожарную опасность. Перегрев масла даже до температуры ниже температуры вспышки
паров опа­сен, так как ускоряется процесс старения масла и сни­жаются его
изолирующие качества. Под действием воз­никающих электрической дуги и искр
происходит тер-, мический распад масла с выделением горючих газов

178           ‘

(водорода,
метана и др.), что может вызвать образова­ние взрывчатой смеси.

7.7.3. Приборы автоматики и вычислительные машины

Вероятность воспламенения при
эксплуатации при­боров автоматики зависит от их типа.

Механические, пневматические и
гидравлические приборы (ртутные, пневматические и гидравлические регуляторы без
применения электрической энергии, ма­нометры, самопишущие приборы с
механическим часо­вым приводом и т. п.) в пожарном отношении безо­пасны.

3 Последствия перегрева двигателя

Большинство автомобильных двигателей имеют нормальную рабочую температуру от 195 до 220 градусов по Фаренгейту. Двигатели, которые постоянно превышают предписанный диапазон температур, имеют гораздо больше шансов на возникновение проблем. Плохие выбросы, снижение расхода топлива и снижение производительности могут быть результатом перегрева.

Конечно, последствия перегрева на этом не заканчиваются. Чем дольше сохраняется проблема, тем больше шансов, что она приведет и к механическим формам повреждения. Если у вас есть автомобиль и вы хотите расширить свои знания о перегреве и проблемах, которые он может вызвать, продолжайте читать. В этой статье описаны три серьезных последствия перегрева двигателя.

1. Детонация в двигателе

Детонация, также известная как детонация в двигателе, связана с преждевременным и/или неравномерным сгоранием топлива внутри цилиндров. В идеально работающем двигателе топливо не должно сгорать до тех пор, пока поршень не достигнет конца такта сжатия. В этот момент при сгорании высвобождается максимальное количество энергии топлива.

Детонация происходит, когда топливо сгорает до достижения максимального состояния сгорания. Это уменьшает количество энергии, высвобождаемой из бензина, что снижает общую экономию топлива. Детонация также создает большую нагрузку на двигатель, поскольку взрыв создает силу, толкающую его в направлении, противоположном направлению такта сжатия поршня.

Хотя к детонации может привести множество различных факторов, частой причиной является перегрев. По мере того, как ваш двигатель нагревается, бензин становится все более нестабильным. Перегрев часто вызывает самопроизвольную детонацию топлива, особенно в сочетании с другими факторами, такими как неисправные датчики детонации, неработающие клапаны EGR и чрезмерное накопление углерода.

2. Поршни с задирами

Металл расширяется при нагревании. Производители учитывают эту тенденцию при проектировании двигателя. Пока температура остается в безопасном диапазоне, существует достаточный зазор, чтобы расширение не создавало механических проблем. Однако перегрев двигателя часто приводит к неприемлемому уровню расширения металлических деталей.

В первую очередь проблемы возникают с поршнями. Когда поршни нагреваются, они расширяются до такой степени, что при движении начинают соприкасаться со стенками цилиндра. Этот контакт вызывает проблему, известную как задиры — царапины, истирание или изношенные участки, которые особенно влияют на посадочные поверхности поршневых колец и поршневые пальцы.

Задиры могут в конечном итоге привести к поломке поршня, если они сохраняются достаточно долго. По мере того как края поршня изнашиваются, бензин также может начать двигаться вверх мимо поршня во время его цикла сжатия. Это движение приводит к падению эффективности, а также увеличивает риск еще более серьезных форм повреждения двигателя.

3. Прокладка головки блока цилиндров

Автомобильный двигатель состоит из двух основных частей: головок цилиндров и блока цилиндров. Между этими двумя частями двигателя находится компонент, известный как прокладка головки блока цилиндров. Прокладка головки создает герметичное уплотнение, гарантируя, что воздух, масло и охлаждающая жидкость остаются там, где они должны быть. Кроме того, прокладка головки блока цилиндров гарантирует, что полезное давление, возникающее при сгорании, не улетучивается из системы.

Прокладки головки блока цилиндров часто серьезно повреждаются в результате перегрева, особенно если они изготовлены из алюминия. Алюминий поглощает тепло и расширяется гораздо быстрее, чем сталь и другие металлы, из которых состоит двигатель. Поскольку прокладка головки расширяется в своей узкой области, возникающие напряжения часто приводят к заворачиванию и разрыву прокладки.

Прогоревшая прокладка ГБЦ создает серьезные проблемы для двигателя. К сожалению, ремонт этой проблемы также имеет тенденцию стоить довольно много. Лучший способ избежать этого нежелательного сценария — предотвратить перегрев двигателя. Регулярная проверка и техническое обслуживание вашей системы охлаждения остается лучшим способом предотвращения перегрева.

Для получения дополнительной информации о том, что нужно для предотвращения перегрева автомобиля, обратитесь к специалистам по обслуживанию автомобилей в Walnut Creek Import Service and Sales.

Атмосферный тепловой двигатель – страница исследования Оливье Паулюи

Почему движется атмосфера?

На этот, казалось бы, наивный вопрос не так просто ответить, как может показаться. Во-первых, не очевидно, что он вообще должен двигаться. Большинство физических систем, оставленных на собственном устройстве, через некоторое время достигают состояния покоя. Возьмите стакан воды. После перемешивания вода какое-то время может двигаться, но позже она осядет. Физический принцип здесь — второй закон термодинамики (извините за заглавные буквы, но это один из самых больших законов в физике…). Полная формулировка второго закона немного сложна, но одно из ее следствий заключается в том, что изолированная физическая система — здесь имеется в виду система, которая не обменивается массой или энергией с окружающей средой — изолированная система достигнет состояния термодинамического равновесия, в котором, по сути, не происходит ничего интересного.

Атмосфера Земли, однако, не изолирована, а постоянно получает энергию в виде коротковолнового излучения Солнца и теряет энергию за счет излучения инфракрасного излучения в космос. Важно отметить, что энергия Солнца в основном поглощается у поверхности и в тропиках – при достаточно теплой температуре. Напротив, испускание инфракрасного излучения происходит в верхней тропосфере при довольно низкой температуре. Это создает ситуацию, когда атмосфера действует как тепловой двигатель, который может генерировать кинетическую энергию, перенося энергию от теплого источника к холодному стоку. В результате теплый воздух поднимается вверх, холодный опускается вниз и образуется ветер.

Цикл Карно, пожалуй, самая известная тепловая машина. Он был введен блестящим французским инженером и ученым Сади Карно в его основополагающем труде Reflexions sur la puissance motrice du feu (который положил начало всему бизнесу второго закона). Это теоретическая машина — насколько мне известно, никто никогда не создавал цикл Карно. Работа, выполняемая циклом Карно, определяется как  $$ W = Q \frac{T_{in}-T_{out}}{T_{in}},$$, где $Q$ – нагрев, а $T_{in} $ и $T_{out}$ — температура источника и стока энергии. Цикл Карно также является оптимальным случаем: никакая тепловая машина не может произвести больше работы, чем цикл Карно, при заданной скорости нагрева и температуре источников и поглотителей энергии.

Атмосфера принципиально не действует как цикл Карно. Например, средний поверхностный нагрев составляет около 100 Вт на квадратный метр. При средней температуре поверхности 288 К и температуре излучения 255 К работа, совершаемая циклом Карно, составит около 11 Вт на квадратный метр. Напротив, типичные оценки рассеивания кинетической энергии в атмосфере составляют от 2 до 5 Вт на квадратный метр. Разницу между верхним пределом Карно и генерацией кинетической энергии можно объяснить гидрологическим циклом и, в частности, двумя ключевыми аспектами атмосферы Земли: (1) идут дожди и (2) атмосфера в основном сухая.

Начнем с роли дождя. Типичная капля дождя образуется на высоте нескольких километров в атмосфере, прежде чем упасть на поверхность Земли. Если бы эта капля находилась в свободном падении, ее скорость достигла бы более 100 миль в час, что сделало бы Бельгию непригодной для жизни. Вместо этого капли дождя замедляются за счет аэродинамического сопротивления окружающего воздуха и достигают конечной скорости всего в несколько миль в час. Это сопротивление является диссипативным процессом. Мы использовали спутниковые данные для ее оценки и получили число около 1,2 Вт на квадратный метр, что примерно того же порядка, что и рассеяние ветром (Pauluis and Dias, 2013).

Во-вторых, атмосфера Земли довольно сухая, прежде всего из-за активного гидрологического цикла. Учтите, что, несмотря на то, что две трети Земли покрыты океанами, ее средняя относительная влажность составляет около 70%. Эта атмосферная циркуляция действует как осушитель, который непрерывно удаляет водяной пар: влажный воздух поднимается вверх и образует облака, теряет воду из-за осадков и затем возвращается на поверхность с гораздо меньшим содержанием воды. С термодинамической точки зрения это осушение можно рассматривать как химическую реакцию, в которой один реагент (водяной пар) превращается в продукт (воду в жидком состоянии) против своей естественной склонности (т.