ГлавнаяРазноеПриведите примеры экологически чистых промышленных тепловых установок
Тема 1.2.6. Экологические проблемы, связанные с применением тепловых машин, и проблема энергосбережения. Приведите примеры экологически чистых промышленных тепловых установок
Экологически чистая энергия, теплоэнергетические установки для получения экологически чистой энергии
Огромный интерес в мире проявляется к инновационным системам на топливных элементах с прямым окислением метанола (ПОМТЯ) для мобильного применения. Топливный элемент с прямым окислением метанола является разновидностью топливного элемента с мембраной обмена протонов мембраной (МОПТЯ), в которой топливо, метанол, предварительно не разлагается с выделением водорода, а поступает в элемент напрямую.
Поскольку метанол поступает в топливный элемент напрямую, каталитический риформинг (разложение метанола) не нужен; хранить метанол гораздо проще, чем водород, поскольку нет необходимости поддерживать высокое давление, так как метанол при атмосферном давлении является жидкостью. Энергетическая ёмкость (количество энергии в данном объеме) у метанола выше, чем в таком же объеме сильно сжатого водорода.
Инновационные топливные элементы с прямым окислением метанола идеально подходят в качестве надёжного источника энергии для мобильных и переносных устройств мощностью до 250 Вт. Они получили широкое распространение во всём мире в качестве эффективного источника энергии для использования в транспортных средствах, питания мобильной и стационарной аппаратуры специального назначения.
1.1. Источники энергии мощностью 25-90 Вт
Первая группа источников энергии разработана специально для электропитания устройств с малым потреблением: ноутбуков, мобильных средств связи, переносного освещения и пр. Группа включает пять моделей мощностью 25-90 Вт с зарядной ёмкостью от 600 до 2160 Вт-ч в день.
Это - тихие, надёжные и полностью автоматические устройства.
1.2. Источники энергии мощностью до 250 Вт
Серия инновационных источников энергии предназначена специально для использования профессиональными и государственными службами. Серия включает четыре модели зарядной ёмкостью от 600 до 2160 Вт-ч/день. Большей выходной мощности можно достичь за счёт одновременного использования нескольких источников.
Источники серии предлагаются профессиональным организациям для использования в неэлектрифицированных мобильных и стационарных установках и являются стопроцентно надёжными источниками тока для систем безопасности и наблюдения, дистанционных приборов наблюдения, систем измерения и передачи данных и пр.
Конфигурация источников предлагает мобильное и не требующее технического обслуживания комплексное решение проблемы источника энергии в неэлектрифицированной местности, безотказно вырабатывая энергию в любое время и в любом месте. Источники надёжно функционирует в любую погоду и в любое время года и при необходимости могут использоваться даже под землёй. Они особенно незаменимы на неэлектрифицированных островах, где нет распределительных щитов.
Источник (номинальная мощность 250 Вт) предназначен для использования в качестве мобильного источника энергии в автомобилях МЧС и аварийно-ремонтных служб. Он может служить в качестве мобильного или стационарного зарядного устройства для любых аккумуляторов и подходит для питания систем наблюдения и другого оборудования, установленного в автомобиле. Для переноса источника требуется только один человек. При необходимости источник может использоваться и в полевых условиях.
Источник работает бесшумно. Он экономно расходует топливо и весит как минимум в 30 раз меньше, чем свинцовые батареи.
Переносной источник разработан для использования в полевых условиях. Источник, а также картриджи к нему, легко помещаются в кармане одежды и служат источником энергии для различного оборудования, такого как приборы ночного видения, GPS- и радиосистемы, ноутбуки и т.д. Источник весит всего лишь 1 кг, т.е. на 80% меньше обычных аккумуляторов.
Технология, направленная на создание источников энергии для размещения на автомобилях, использовалась и при разработке источника. Эта особо прочная модель служит источником тока для оборудования, установленных в автомобиле, такого как ноутбуки, коммуникационные, навигационные системы и т.д.
1.3. Источники энергии мощностью 0,25 – 5 кВт
Установка:
Низкая потребность в техническом обслуживании, надежная, тихая работа, низкий уровень выбросов
Топливо:
Метанол / вода
Мощность:
250 Вт
Напряжение:
12 В постоянного тока или 24 В постоянного тока
Сферы применения
Установка на топливных элементах разработана для дополнения батарей
Основные преимущества:
Передовая инновационная технология – использует зарекомендовавшую себя в промышленных масштабах технологию с мембраной обмена протонов (МОПТЯ)
Устойчивость к изменениям условий окружающей среды – надежная работа в широком диапазоне температур
Интеграция без осложнений – автоматический пуск и останов, обеспечивающий резервное электропитание в любое время, если напряжение батареи опускается ниже заданного пользователем порогового значения напряжения.
Экономическая эффективность – экономичная альтернатива ненужным комплектам батарей, дополнительным фотогальваническим панелям и генераторам, требующим постоянного технического обслуживания.
Адаптивная система – простая интеграция с гибридными системами для дополнения батарей.
Масштабируемая система – для более высоких требований к системе электропитания можно параллельно использовать несколько систем.
Низкая потребность в техническом обслуживании – химический процесс в сравнении с внутренним сгоранием.
Предсказуемые эксплуатационные характеристики – система дистанционного мониторинга и контроля для обеспечения хорошей работы системы.
Комплект для интеграции
Цель:
обеспечение топлива для установки на топливных элементах, а также удобного доступа к электрическим соединениям и дистанционного мониторинга.
Сферы применения
Установка на топливных элементах разработана для мобильно-стационарного применения
Комплект для интеграции включает топливный бак в прочном запирающемся корпусе и электрический интерфейс в сборе для быстрой установки и внутреннего соединения системы с батарейными блоками пользователя. Электрический интерфейс обеспечивает легкий доступ к электрическим соединениям и функциям дистанционного мониторинга; он разработан для установки вне помещения, но для удобства пользователя может быть установлен в контейнере с электронными устройствами. Топливный банк в сборе обеспечивает достаточное количество топлива для более 90 часов работы системы iна полной мощности и включает реле уровня топлива, которые можно дистанционно контролировать для эффективного пополнения уровня топлива. Комплект для интеграции разработан для удобного внутреннего соединения установки с оборудованием пользователя, что делает возможной более простую и эффективную установку, соответствующую требованиям сфер применения пользователя.
Эффективная установка – разъемы DIN, прерыватели, выключатели каналов и полный комплект документации обеспечивают эффективную установку и интеграцию с батареями пользователя и установкой
Прочность – стальная конструкция больших размеров с блокируемым доступом для жестких условий использования вне помещения.
Конфигурируемость – электрический интерфейс в сборе можно монтировать вне помещения на топливном баке в сборе, на панели, или в помещении в контейнере для оборудования в соответствии с требованиями пользователя.
Встроенная подача топлива – для совершенной интеграции с установкой в топливный бак в сборе встроены топливный фильтр, насос, индикатор давления, запорный клапан датчики уровня и топливоподкачивающий контур.
Стабильность топлива – воздухообмен надежно минимизирован благодаря конструкции топливного бака и крышки, что обеспечивает стабильность топлива на протяжении многих лет.
Установка:
Надежная, ультратихая, низкий уровень выбросов
Топливо:
метанол/вода
Мощность:
2,5 кВт или 5 кВт
Напряжение:
24 В постоянного тока или 48 В постоянного тока
Сферы применения:
Установка на топливных элементах разработана для мобильно-стационарного применения
Система представляет собой установку на топливных элементах для электропитания с повышенной продолжительностью действия, доступную в вариантах 2,5 кВт и 5 кВт. Установка включает топливный преобразователь, который преобразует жидкое топливо из метанола и воды в газообразный водород для приведения в действие топливных элементов.
Установка разработана для обеспечения высокой надежности, продолжительной работы в автономном режиме, минимального технического обслуживания при сохранении высокого уровня энергосбережения. Работая на жидком топливе из метанола и воды, инновационная установка производит свой собственный водород, в месте использования и по требованию, устраняя, тем самым, необходимость доставки и хранения водорода, обеспечивая электропитание на протяжении продолжительного периода времени.
www.intech-gmbh.ru
Экономические и экологические аспекты внедрения «ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ».
Экономические и экологические аспекты внедрения «ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ».
Экономия первичного топлива.
Одно из важных преимуществ использования тепловых насосов является использование для теплоснабжения потоков низкопотенциальных возобновляемых энергетических ресурсов (ВЭР) и природной теплоты. Это значительно расширяет ресурсную базу теплоснабжения, делает ее менее зависимой от поставок топливных ресурсов, что весьма важно в условиях дефицита и растущей стоимости органического топлива.
Одновременно утилизация низкопотенциальной теплоты в промышленности создает хорошие предпосылки для повышения эффективности использования энергии на предприятиях, снижения себестоимости выпускаемой продукции и роста рентабельности. Например, утилизация низкопотенциальной теплоты в системах оборотного водоснабжения предприятий позволяет существенно снизить расход подпиточной воды и объем отведения сточных вод, более экономно расходовать электроэнергию. Утилизация теплоты городских сточных вод повышает эффективность работы городских очистных сооружений и сокращает тепловое загрязнение водоемов.
Теплонасосные установки позволяют рационально использовать электроэнергию в системах теплоснабжения. До сих пор использование электроэнергии с преобразованием ее в теплоту воспринимается энергетической отраслью как нерациональное и ущербное. При этом, как правило, ссылаются на неэффективность двойной трансформации теплоты первичного топлива в электроэнергию и электроэнергии в теплоту, а также на более высокие затраты на производство электроэнергии по сравнению с тепловой энергией. Следует заметить, что такая позиция энергетической отрасли сложилась в условиях, когда электроэнергия использовалась для производства тепла напрямую, в различных электронагревателях и электрических котлах.
При использовании теплового насоса (ТН) электроэнергия потребляется для переноса теплоты от источника НПТ со сравнительно низкой температурой в теплоту сети теплоснабжения с повышенной температурой, то есть одновременно реализуется как тепловое, так и силовое качество электроэнергии, благодаря чему достигается экономия первичного энергоресурса. По существу, расходуемая в тепловом насосе электроэнергия замещает высококачественное топливо: уголь, природный газ и жидкое топливо.
Основной смысл экономического вопроса в применении теплового насоса (ТН) с электроприводом заключается в правильной и объективной оценке эффективности такого замещения как по расходу первичного энергоресурса, так и по уровню затрат. Расчеты показывают, что пропорции в названном размене складываются в пользу теплового насоса (ТН).
На рисунке 2.1 представлена возможная схема интеграции тепловых насосов в системы энергоснабжения объектов городского хозяйства. Как видно из рисунка, предлагаемая схема обеспечивает экономию 58 % первичного топлива (при коэффициенте преобразования 3).
Применение тепловых насосов с электроприводом не сокращает централизацию теплоснабжения, а переводит ее на более качественный уровень, присущий электроснабжающим системам. При этом упрощается система регулирования подачи теплоты потребителям, от несовершенства которой в настоящее время теряется до 20% потребляемой теплоты.
Существенный дополнительный эффект может быть получен от тепловых насосов, работающих с аккумуляторами теплоты и потребляющих электроэнергию в период ночного провала суточного графика электрической нагрузки в энергосистеме. При этом достигается обоюдная экономическая выгода: для владельца теплонасосных установок – за счет пониженной платы за электроэнергию по ночному тарифу, а для энергосистемы – за счет снижения себестоимости производимой электроэнергии при уплотненном графике электрической нагрузки.
Достаточно эффективно тепловые насосы могут использоваться непосредственно в действующих теплофикационных системах с теплоэлектроцентралями. Здесь они могут применяться для снижения температуры обратной сетевой воды с обеспечением дополнительной выработки электроэнергии по экономичному теплофикационному циклу, а также в системах оборотного водоснабжения для улучшения работы градирен.
Для тепловых насосов характерна свобода выбора привода для его работы. Бесспорно, электропривод является самым распространенным устройством, связывающим тепловой насос с энергосистемой напрямую. Однако в конкретных условиях города в качестве привода могут применяться детандер-генераторные установки, использующие избыточное давление природного газа в газоснабжающей системе, небольшие гидроэнергетические установки, использующие избыточное давление воды в системе городского водоснабжения и водоотведения вследствие разницы геодезических отметок местности, ветроэнергетические установки, а также газотурбинные установки и двигатели внутреннего сгорания. Последние обладают определенным преимуществом перед другими видами привода, поскольку дают возможность догрева теплоносителя после теплового насоса (ТН) отходящими продуктами сгорания до температуры, существующей в местных системах теплоснабжения.
Преимущество тепловых насосов состоит также и в том, что они могут применяться в комбинации с другими нетрадиционными теплоисточниками, такими, как солнечные водонагреватели, биоэнергетические установки, установки по переработке и сжиганию твердых бытовых отходов.
Тепловые насосы имеют существенные отличия от традиционных источников, которые необходимо учитывать при их экономическом выборе. При этом, в настоящее время нет общепризнанной методики экономических обоснований эффективности применения тепловых насосов. Ее разработка во многом осложнена отсутствием единой типовой методики технико-экономических расчетов, утвержденной на государственном уровне. Применяемая сейчас при составлении бизнес-планов методика оперирует критериями чистой дисконтированной прибыли и связывает выбор того или иного технического решения с экономическим интересом инвестора, ставя этот выбор в зависимость от существующей на данный момент налоговой системы, тарифной и ценовой политики и других факторов, которые с течением времени могут меняться.
Надежность и эксплуатационные характеристики истем на базе «ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ».
Помимо весьма высокой эффективности тепловые насосы достигли в настоящее время такого уровня конструктивной прочности, который обеспечивает чрезвычайную долговечность и более чем внушительную надежность. По результатам исследования, проведенного ASHRAE (Американским обществом инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха), отмечены следующие данные:
- бытовые тепловые насосы класса «воздух-воздух» – 15 лет;
- тепловые насосы сферы обслуживания класса «воздух-воздух» – 15 лет;
- тепловые насосы сферы обслуживания класса «вода-воздух» – 20 лет.
Цифры весьма внушительные и лишний раз подтверждают высокое качество этих агрегатов. В их пользу говорит и такой факт: исследование проводилось на машинах, оснащенных большей частью переменными герметичными компрессорами. Если бы проверка проводилась в наши дни, результаты могли бы быть еще более впечатляющими, поскольку ныне почти повсеместно применяются спиральные компрессоры.
Результаты, полученные экспертами ASHRAE (рис.2.2, 2.3), нашли подтверждение в данных других исследований. Институт EPRI еще в 1990 году провел опрос сотрудников трех энергетических компаний об установленных у обслуживаемых ими пользователей тепловых насосах общим количеством 4 557 единиц в различных регионах Соединенных Штатов. По результатам этих исследований спустя 15 лет после ввода в эксплуатацию тепловых насосов больше половины из них продолжали успешно работать. В этом исследовании большей частью фигурировали агрегаты с герметичными компрессорами переменного типа, примерно в половине случаев с момента установки они не менялись. Следует подчеркнуть, что это были реверсивные тепловые насосы, имеющие два рабочих режима – отопления и охлаждения, то есть агрегаты, которые работали на износ практически круглый год. Замены, произведенные на второй половине аппаратов, были обусловлены их моральным старением, а не поломкой (то есть потребитель предпочел установить более современные модели).
Развитие и совершенствование технологии изготовления тепловых насосов последних лет еще более утверждают в преимуществе этих систем перед газовыми котлами.
Преимущества тепловых насосов в сравнении с газовым, дизельным и электрическим отопительным оборудованием приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1. Примерные сравнительные эксплуатационные характеристики различного типа отопительного оборудования (180 м2 отапливаемой площади).
Тепловой насос (к-т 6)
Газовое оборудование
Дизельное оборудование
Электрическое оборудование
Количество рабочих часов за сезон
1700
1700
1700
1700
Потребление топлива
3 кВт/час
4 м3/час
3 кг/час
18 кВт/час
Стоимость единицы топлива
0,55 руб. (ночной тариф)
0,92 руб.
11 руб.
0,55 руб. (ночной тариф)
Годовые затраты на топливо
2805 руб.
6256 руб.
56100 руб.
16830 руб.
Гарантия на оборудование
Свыше 3 лет
1 год
1 год
1 год
Срок эксплуатации теплового насоса не ограничивается даже 30-ю годами, в то время как газовое отопительное оборудование требует постоянной смены горелок с периодичностью в 3-5 лет. Стоимость одной горелки составляет 1000-1500$.
Газовое отопительное оборудование требует постоянного обслуживания, в противном случае оно становится опасным. Печальная статистика пожаров и несчастных случаев, связанных с газовым и дизельным отопительным оборудованием, растет с каждым днем.
Как было показано выше, в процессе эксплуатации систем на базе тепловых насосов, происходит экономия первичного топлива. В результате воздействие таких систем на окружающую среду существенно снижается. Сегодня они считаются более «чистыми» в экологическом плане, нежели самые современные высокоэффективные газовые котлы.
Проведенные исследования помогают провести сравнительный анализ воздействия на среду тепловых насосов и газовых котлов по годовым эксплуатационным показателям сгорания, объемам выбросов в атмосферу СО2
Для примера: тепловой насос с показателем SEER 3,0 по сравнению с котлом, имеющим коэффициент годовой производительности на уровне 90% (уровень чрезвычайно высокий и труднодостижимый), выбрасывает в атмосферу СО2 на 40% меньше, чем котел той же мощности за аналогичный временной отрезок.
Внедрение тепловых насосов приводит также к снижению и других вредных соединений (таблица 2.2)
Таблица 2.1. Сравнительная оценка вредных выбросов за отопительный сезон (5448 ч) от различных тепловых источников тепловой мощностью 1,16 МВт.
Вид вредного выброса, т/год
Котельная на угле
Электрообогрев
Тепловой насос, с среднегодовым коэффициентом 3,6
SOx
21,77
38,02
10,56
NOx
7,62
13,31
3,70
Твёрдые частицы
5,8
8,89
2,46
Фтористые соединения
0,182
0,313
0,087
Всего
34,65
60,53
16,81
Таким образом, применение систем на базе тепловых насосов – это во многих случаях экономически оправданное решение, ведущее как к сбережению невозобновляемых энергоресурсов, так и к защите окружающей среды, в том числе и за счет сокращения выбросов СО2 в атмосферу.
teplovoy-nasos.com
Экологическая проблема использования тепловых машин. Методы решения
Охрана природы – важная задача, ведь продвижение цивилизованного мира вперед ведет к неизбежным трудностям и рискам в вопросе загрязнения окружающей среды. Среди прочих социальных опасностей одно из первых мест занимают экологические проблемы, связанные с применением тепловых машин.
Что для нас теплодвигатели
Ежедневно мы имеем дело с двигателями, приводящими в движение автомобили, корабли, производственную технику, железнодорожные локомотивы и самолеты. Именно появление и широкое использование тепловых машин быстро продвинуло вперед промышленность.
Экологическая проблема использования тепловых машин состоит в том, что выбросы тепловой энергии неизбежно ведут к нагреванию окружающих предметов, в том числе атмосферы. Ученые давно бьются над проблемой таяния ледников и повышения уровня Мирового океана, считая основным фактором влияния деятельность человека. Изменения в природе приведут к перемене условий нашей жизни, но несмотря на это с каждым годом потребление энергии увеличивается.
Где применяются тепловые двигатели
Миллионы автомобилей на двигателях внутреннего сгорания занимаются перевозом пассажиров и грузов. По железным дорогам ходят мощные тепловозы, по водным траекториям – теплоходы. Самолеты и вертолеты снабжены поршневыми, турбореактивными и турбовинтовыми двигателями. Ракетные двигатели «толкают» в космическое пространство станции, корабли и спутники Земли. Двигатели внутреннего сгорания в сельском хозяйстве устанавливают на комбайнах, насосных станциях, тракторах и прочих объектах.
Экологическая проблема использования тепловых машин
Используемые человеком машины, теплодвигатели, производство автомобилей, применение газотурбинных двигательных установок, авиация и ракетоносители, загрязнение водной среды судами – все это катастрофически разрушающе действует на окружающую среду.
Во-первых, при сжигании угля и нефти в атмосферу выделяются азотные и серные соединения, губительные для человека. Во-вторых, в процессах используется атмосферный кислород, содержание которого в воздухе из-за этого падает.
Выбросы вредных веществ в атмосферу – не единственный фактор влияния тепловых двигателей на природу. Производство механической и электрической энергии не может осуществляться без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты, что не может не приводить к увеличению средней температуры на планете.
Тепловое загрязнение отягощается тем, что сжигаемые вещества увеличивают концентрацию углекислого газа в атмосфере. Это, в свою очередь, ведет к возникновению «парникового эффекта». Всемирное потепление становится реальной опасностью.
Экологическая проблема использования тепловых машин заключается и в том, что сгорание топлива не может быть полным, и это ведет к выбросу в воздух, которым мы дышим, золы и хлопьев сажи. По статистике, во всем мире энергоустановки ежегодно сбрасывают в воздух более 200 млн. тонн золы и более 60 млн. тонн оксида серы.
Проблемы экологии, связанные с использованием тепловых машин, пытаются решать все цивилизованные страны. Вводятся новейшие энергосберегающие технологии по усовершенствованию тепловых двигателей. В результате энергопотребление на производство одной и той же продукции значительно снижается, уменьшая вредное действие на экологию.
Тепловые электростанции, двигатели внутреннего сгорания автомобилей и других машин в большом количестве сбрасывают в атмосферу, а затем в почву вредные для всего живого отходы, к примеру, хлор, сернистые соединения (при сгорании каменного угля), угарный газ СО, оксиды азота и др. Автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу около трех тонн свинца.
На атомных электростанциях иная экологическая проблема использования тепловых машин - безопасность и захоронение радиоактивных отходов.
Из-за невероятно большого потребления энергии некоторые регионы утратили способность самоочищения собственного воздушного пространства. Эксплуатация атомных электростанций помогла значительно снизить вредные выбросы, однако для работы паровых турбин требуется огромное количество воды и большое пространство под пруды для охлаждения отработанного пара.
Пути решения
К сожалению, человечество не в силах отказаться от использования тепловых двигателей. Где же выход? Чтобы расходовать на порядок меньше топлива, то есть снизить энергопотребление, следует повысить КПД двигателя для проведения одной и той же работы. Борьба с негативными последствиями использования тепловых машин заключается только в том, чтобы увеличить эффективность применения энергии и переходить на энергосберегающие технологии.
В общем, будет неправильным утверждать, что мировая экологическая проблема использования тепловых машин не решается. Все большее количество электровозов вытесняют обычные поезда; становятся популярными автомобили на аккумуляторных батареях; в промышленность внедряются энергосберегающие технологии. Есть надежда, что появятся экологически чистые авиа- и ракетные двигатели. Правительствами многих стран реализуются международные программы по защите окружающей среды, направленные против загрязнения Земли.
fb.ru
Энергетические установки нетрадиционной энергетики. Тепловой насос, Двигатель Стирлинга
Несомненно, наиболее важным устройством нетрадиционной энергетики и энергоресурсосбережения является тепловой насос, хотя более общим понятием является термотрансформатор, который может работать в различных режимах - теплового насоса, холодильной машины, машины для комбинированного производства тепла и холода.
Тепловой насос
Особенность теплового насоса состоит в том, что произведенное тепло всегда больше подведенной энергии от энергоисточника высокого потенциала. Суть заключается в том, что тепло производится не только за счет энергии энергоисточника (газа, угля, электрической энергии или пара), но и за счет дополнительной тепловой энергии, отбираемой от низкопотенциального источника, то есть источника с более низкой температурой (геотермального источника, жидких промышленных или бытовых стоков, воздуха, грунта, реки). В промышленно выпускаемых установках экономия топлива составляет 20-70%. Возможный диапазон температур низкопотенциального источника очень широкий (от +80°С до -17°С).
Во многих развитых странах тепловые насосы являются основой энергосберегающей политики. Так, в Швеции 22% домов (350 тысяч) обогреваются тепловыми насосами. В мире насчитывается около 40 млн штук тепловых насосов, в то время как в России всего 140 штук.
Планируется, что к 2020 году вклад тепловых насосов в теплоснабжение в развитых странах составит 75%. В России тепловым насосам не уделяется никакого внимания. Основные разработчики и производители отечественного оборудования располагаются в Новосибирске. Научное сопровождение выполняет Институт теплофизики СО РАН. ООО «Теплосибмаш» производит абсорбционные машины. На сегодня выпущено 6 тепловых насосов и 7 холодильных машин общей мощностью 23 МВт. ЗАО «Энергия» и СКБ «ИПИ» выпускают парокомпрессионные тепловые насосы и холодильные машины мощностью до 5 МВт. Именно они обеспечили упомянутый выше выпуск тепловых насосов в России.
Двигатель Стирлинга
Незаслуженно мало внимания уделяется двигателю Стирлинга. Он работает с максимально возможным КПД, как и машины на цикле Карно. Это двигатель внешнего сгорания, он имеет простую конструкцию и может работать практически от любого источника энергии. Рабочим телом являются газы типа водорода или гелия, то есть это экологически чистый двигатель.
Сегодня он привлекает очень много внимания в связи с его использованием в системах автономного энергообеспечения. Пока он не получил широкого распространения. Но в качестве примера его применения к возобновляемым источникам энергии можно привести недавно запущенную в эксплуатацию демонстрационную ТЭЦ на древесине в Австрии мощностью 35 МВт (эл) и КПД 20%. Это небольшой КПД, но в этих же условиях КПД паросилового цикла раза в 2 меньше.
Трубка Ранка-Хилша
Очень простым устройством, которое применяется для локального нагрева, охлаждения, кондиционирования, осушения газов является так называемая вихревая трубка или трубка Ранка-Хилша. В этом устройстве происходит разделение воздуха на горячий и холодный с перепадом температур до 100 градусов. Устройство представляет собой участок цилиндрической трубки с тангенциальным вводом воздуха под большим давлением (десятки атмосфер). При этом по центру трубки выводят холодный воздух, а по периферии с другого конца трубки - горячий. Такое устройство имеет низкий КПД и характеризуется очень высоким уровнем шума в связи с высокими скоростями воздуха. Но из-за своей простоты и дешевизны широко применяется в технике и сейчас планируется к использованию в комбинированных энергетических установках.
При сжигании топлив основным устройством являются горелки разного типа. Хотелось обратить бы внимание на новую горелку, разработанную недавно в ИТ СО РАН. Ее особенность состоит в том, что к топливу и воздуху добавляется еще и водяной пар, вследствие чего происходят промежуточные процессы газификации и, как следствие, экологически чистое сжигание топлива. Такая горелка предназначена для сжигания некондиционных жидких топлив, а в перспективе и для экологически чистого сжигания разнообразных горючих отходов. Изготовлены демонстрационные образцы мощностью до 10 кВт. Проявлен интерес к этим горелкам в Томске-7 с целью промышленного производства и применения для энергетических целей.
Методы прямого преобразования энергии
Несомненно, наибольший интерес привлекают методы прямого преобразования энергии. К ним относятся электрохимические, фотоэлектрические, термоэлектрические, термоэмиссионные и магнитогидродинамические (МГД) преобразователи. Из электрохимических преобразователей сегодня наибольший интерес (и даже бум) вызывают топливные элементы. В топливных элементах происходит прямое преобразование химической энергии в электрическую. В отличие от гальванических элементов здесь имеются расходуемые материалы - топливо и окислитель.
Наиболее популярная схема - это применение водорода в качестве топлива, а кислорода в качестве окислителя. При этом единственным продуктом электрохимической реакции является вода, то есть топливный элемент представляет собой совершенно чистый с экологической точки зрения источник энергии.
С энергетической точки зрения привлекательность топливных элементов (ТЭ) состоит в максимальном на сегодня коэффициенте полезного действия (то есть коэффициенте преобразования химической энергии в электрическую) - до 50-70%. Однако для того, чтобы химическая реакция протекала с достаточной скоростью, необходимо использовать катализаторы - металлы платиновой группы. Хотя топливные элементы были предложены более полутора веков назад, пока они не получили промышленного применения в связи с дороговизной устройств и стоимости генерируемой электроэнергии, а также в связи с техническими проблемами, решение которых возможно лишь на новом уровне развития техники.
Сейчас в мире отмечается резкий скачок интереса к этим устройствам. Множество фирм и научных организаций работают над различными схемами и практическими приложениями топливных элементов. Основной интерес проявляется со стороны энергетики, космической техники, транспорта, микроэлектроники.
Одна из технических проблем состоит в том, что для электродов (катода) и мембран необходимо использовать высокоразвитые поверхности. И здесь надежда связывается с достижениями в области нанотехнологий, которые позволяют производить наноструктуры типа нанотрубок, наноконусов, фуллеренов с размерами в несколько нанометров. И именно такие наноструктуры могут быть основой для принципиально новых и высокоэффективных составляющих топливных элементов.
Сегодня уже есть примеры применения топливных элементов в энергетике, но их суммарная мощность пока составляет несколько десятков МВт. Заметим, что топливные элементы на водороде - это многообещающий, но не единственный тип топливных элементов. Проявляется интерес к портативным топливным элементам на жидком топливе (метанол, соединения бора), а также топливным элементам с использованием алюминия в качестве топлива. В отличие от водорода алюминий и соединения бора являются совершенно безопасными и экологически чистыми.
Следующий тип устройства прямого преобразования энергии - это термоэмиссионный преобразователь. Принцип действия основан на эмиссии электронов при сильном нагреве эмиттера. Это устройство типа электронной лампы. В качестве источника энергии можно применять ядерное топливо, органическое топливо, солнечное излучение. Одно из наиболее перспективных направлений в данной области связано с созданием автономных ядерных энергетических установок с термоэмиссионным реактором-преобразователем.
Что касается термоэлектричества, то оно давно используется в технике и основано на эффекте Пелтье. Последний заключается в возникновении термоЭДС в замкнутой цепи из двух разнородных проводников (полупроводников) с разной температурой спаев. Такие системы обладают очень низким КПД (2-3%), но есть и много достоинств - автономность, компактность, безопасность, бесшумность. Ряд проектов по этому направлению ведется в СО РАН применительно к задачам кондиционирования, нагрева, охлаждения в быту и технике.
www.gigavat.com
Ресурсосберегающая технология. Промышленные технологии. Новейшие технологии
Современная промышленность развивается очень динамично. В отличие от прошлых лет, развитие это идет интенсивным путем, с привлечением последних научных разработок. Огромное значение приобретает ресурсосберегающая технология. Под этим термином понимается целая система мероприятий, направленных на значительное снижение потребления ресурсов при условии сохранения высокого уровня качества продукции. В идеальном случае стараются достичь минимально возможного уровня потребления сырья.
Предпосылки к максимально широкому внедрению
Несмотря на усилия природоохранных организаций и законодателей, о каком-то значительном снижении вреда, который наносится окружающей среде промышленными предприятиями, говорить не приходится. Только в России ущерб от промышленных выбросов оценивается в 150 миллиардов рублей ежегодно, а в США этот показатель и вовсе достигает порядка 7% от внутреннего ВВП!
Мировой опыт показывает, что те затраты, которые несет за собой ресурсосберегающая технология на первом этапе своего внедрения, несопоставимы с тратами на нивелирование последствий использования устаревших и грязных методов производства. Сроки же полной окупаемости новых технологий не превышают пяти лет.
Огромную опасность представляет постепенное истощение полезных ископаемых. Так, всего 50 лет назад не разрабатывали месторождения железной руды, если содержание в них железа было меньше 50-60%. Сегодня начинают добычу даже той руды, в которой не более 30 % металла.
Даже зольность используемых на ТЭЦ углей сегодня превышает 30%, тогда как в 60-х годах этот показатель не превышал 20%. Некоторые города вынуждены использовать для отопления сырье, зольность которого превышает 55 %. Более того, в некоторых случаях уже начинается активная добыча сырья даже из отвалов прошлых лет. Все это способствует резкому увеличению количества отходов. Таким образом, ресурсосберегающая технология чрезвычайно важна, так как позволяет промышленности и народному хозяйству потреблять меньше сырья, производя больше продукции.
Как осуществляется сбережение ресурсов?
В большинстве случаев уменьшение количества потребляемых ресурсов осуществляется путем повторного использования отработанных материалов. Так, при выплавке стали в настоящее время применяется не менее 30% сборного металлолома, при производстве бумаги берется до 25% макулатуры. Производство цветных металлов использует не менее 20% вторичного сырья. Следует заметить, что размер капиталовложений для широкого внедрения технологий переработки отработанных материалов ровно в четыре раза ниже, чем при создании производственных комплексов для добычи полезных ископаемых.
Учитывая то обстоятельство, что не нужно вкладываться в выплавку стали, эти технологии позволяют минимум на треть сократить термическое загрязнение внешней среды. Говоря проще, снижается вред парникового эффекта. Словом, вкладываться в эти разработки очень выгодно.
Что позволяют ресурсосберегающие технологии?
Во-первых, любая ресурсосберегающая технология позволяет серьезно сократить количество отходов и выбросов в окружающую среду. К примеру, при вовлечении в переработку хлорсодержащих отходов с металлургических титановых производств уровень выбросов хлора в окружающую среду удалось снизить на 50%!
Площади, которые до того были заняты технологическими отвалами или свалками, новейшие технологии позволяют полностью освободить от мусора и использовать в рекреационных целях. Кстати, отправка на переработку отходов, которые во множестве содержат диоксид серы (в той же металлургии, к примеру), не только значительно уменьшает загрязнение окружающей среды, но и позволяет значительно сократить количество первично добываемой серы.
Чрезвычайно важно то, что новые технологии развивают базу для переработки полимерных отходов: так, удельная теплоемкость двух тонн пластиковых бутылок равна аналогичному значению для тонны сырой нефти! Таким образом, создав фильтры нового поколения, мы можем годами отапливать крупные мегаполисы, используя только пластиковый хлам со свалок...
Сравним…
Чрезвычайно высоко значение, которое имеют новые промышленные технологии в черной металлургии. Если переплавить тонну металлолома, то загрязнение окружающей среды (в сравнении с выплавкой стали из руды) сокращается сразу на 86%, воды нужно на 76% меньше, а общее количество отходов сокращается сразу на 57%! Приблизительно та же картина получается, если сравнивать выработку бумаги из макулатуры и первичной целлюлозы.
Не забываем об экологии!
В свете того, что современная ситуация в экологической сфере оставляет желать много лучшего, все современные технологии обязательно должны способствовать сокращению объемов выброса вредных веществ в атмосферу. Учитывая, в каком состоянии находится сегодня тот же Норильск и прочие металлургические города не только в нашей стране, но и во всем мире, новейшие промышленные технологии должны не только давать работу тысячам людей на предприятиях тяжелой промышленности, но и защищать их здоровье.
На чем основываются новые методы производства?
Во-первых, осуществляется массовая замена низкокачественного сырья на более современные аналоги, которые позволяют производить то же количество продукции с лучшим качеством. К примеру, в лакокрасочном производстве такой подход привел к замене стандартных красок на органических растворителях на водорастворимую продукцию.
Для конечных потребителей важна также сохранившаяся функциональность продукции без ухудшения ее реальных технических характеристик. Отличным примером служит замена полимерной пленки на бумагу в случае с липкой лентой. Ее качество осталось прежним, а вот количество отходов и выбросов в атмосферу резко снизилось. Это и есть ресурсосберегающие технологии, примеры которых мы приводим в нашей статье.
Разумеется, чрезвычайно важно изменять сам технологический процесс, дабы он соответствовал современным реалиям. Так, сегодня все большее значение придается переводу производств на непрерывный цикл выработки продукции. Такое решение куда более перспективно, нежели периодическая остановка и запуск оборудования, что сопровождается резким увеличением выброса вредных веществ.
С этим тесно связано также требование по переоборудованию производства на новое оборудование, которое потребляет меньше расходных материалов, топлива и запасных частей. Такие ресурсосберегающие технологии в промышленности значительно повышают технологичность производства. Это не только способствует снижению количества отходов, но и способствует значительному удешевлению конечной продукции.
Компьютеры - в массы!
К примеру, к таковым относятся станки с ЧПУ и полностью компьютеризированные производственные линии, которые с максимальной точностью и экономичностью могут вырезать из цельных кусков металла требуемые детали. Такие станки (в сравнении с обычными) обеспечивают сокращение количества отходов на 50-80%. Кроме того, не приходится беспокоиться об уровне подготовки рабочих.
Заметим, что использование современных технологий обязательно должно предполагать не только максимальное сокращение количества отходов, но и их безопасное хранение. К последнему пункту относятся следующие требования:
Место образования опасных отработанных материалов никоим образом не должно контактировать с окружающей средой.
Все отходы должны быть упакованы так, чтобы впоследствии их было проще отправлять на переработку.
Если переработка отходов на существующем технико-технологическом уровне невозможна, их следует переводить в такое состояние, в котором бы они оказывали как можно меньшее негативное действие (переплавка в стеклообразное состояние отработанного ядерного топлива).
Соответственно, контейнеры для долговременного их хранения должны быть минимально подвержены коррозии и прочим негативным факторам окружающей среды.
Основные примеры использования ресурсосберегающих технологий
Классическим примером можно считать пиролизное обогащение угля, химические методы обогащения руд, методы щелочной обработки торфа, посредством которых получается не только топливо, но и гуминовые удобрения, стимуляторы роста растений. Все эти технологические «изыски» не только резко сокращают количество требуемого для выработки продукции сырья, но и дают массу побочных полезных продуктов. Особенно это касается переработки торфа, когда при использовании химических реагентов из обыденного сырья для ТЭЦ получают даже лекарства!
Примеры биолого-химической переработки сырья
Если вы думаете, что внедрение ресурсосберегающих технологий в биологическом производстве исчерпывается только новыми методами получения биологически активных добавок и лекарств, то вы глубоко заблуждаетесь. Современный уровень развития технологий предполагает их использование даже в металлургии.
Так, сегодня все чаще применяют бактериальное выщелачивание металлов, когда из руд с минимальным содержанием вещества (старых отвалов) удается добыть немало высококачественного сырья, не загрязняя отвалами от разработок всю округу. Еще привлекательнее бактериальное же извлечение ценных металлов… из сточных вод! Причем речь идет не только о металлургических производствах, но и о стоках крупных мегаполисов.
Таким образом, внедрение ресурсосберегающих технологий характеризует степень развития не только промышленности, но и общества в целом. Сохраняя окружающую среду вокруг нас, мы передаем ее своим потомкам.
Кроме того, при помощи выщелачивания можно получать огромное количество серы из высокозольного угля низкого качества, который ни на что другое особенно не пригоден. Кстати, в нашей стране в последние годы активно внедряется технология биологической обработки низкокачественного бурого угля, из которого получается неплохая искусственная почва.
Строительство
Самыми распространенными материалами для строительства в наше время являются бетон и железобетон. Только в нашей стране за год их производится более 250 миллионов тонн. А потому современные строительные технологии в немалой степени акцентируются на экономии ресурсов при их выпуске.
Сбережение ресурсов при производстве железобетона
Проблема в том, что железобетон – весьма энергоемкий материал, на производство которого затрачивается гигантское количество электричества. На выработку всего только одного кубометра тратится 470 тыс. ккал! Если технологические процессы несовершенны, или в случае когда требуется заливать бетонные конструкции где-то на полигоне, то затраты и вовсе могут превысить 1 млн ккал!
Учитывая, что народному хозяйству в год требуется не менее 12 миллионов тонн бетона, энерго- и ресурсосберегающие технологии дают возможность сэкономить огромное количество денег.
Наиболее существенной проблемой является большой перерасход цемента строителями. Существует несколько реальных путей исправить это упущение. Во-первых, наибольший перерасход материала наблюдается в том случае, когда строители используют некачественные заполнители, не соответствующие конкретной цели. Так, наиболее часто это проявляется, когда вместо нормального песка используется ПГС.
В значительной степени можно снизить затраты, используя добавки-пластификаторы, которые сегодня широко представлены на международной строительной сцене. Качественный пластификатор позволяет уменьшить расход цемента сразу на 20%, причем прочностные характеристики возводимого строения не пострадают. Учитывая, что новейшие технологии в промышленности позволяют производить сотни их наименований, пластифицирующие присадки нужно применять в любом подходящем случае.
Прочие энергетические затраты
При изотермическом выдерживании в стальной форме один кубометр бетона «съедает» не менее 60 тыс. ккал. Если оборудование неисправно, то потери тепла возрастают в геометрической прогрессии. Так, на некоторых заводах этот показатель превышает 200 тыс. ккал на один кубометр бетона. Таким образом, можно более чем в три раза сократить избыточное потребление ресурсов, попросту вовремя ремонтируя оборудование, используемое на производстве бетона.
Очень перспективным методом является прогрев пластифицируемой смеси электричеством (в зимнее время). В этом случае можно значительно снизить количество не только цемента, но и пластификатора в смеси.
Другие способы экономии цемента
Нельзя не отметить, что крайне негативную роль играют огромные потери цемента при его транспортировке. Этот материал ни в коем случае нельзя грузить открытым способом, не допускается перевозка с частыми перегрузками. Потери цемента становятся просто гигантскими, если его сперва везти морским транспортом, потом перегружать на ЖД-платформы, с которых развозить его автомобилями.
Этих потерь можно избежать, если в дальние районы везти цементный клинкер. Его можно разгружать неограниченное количество раз. Когда материал будет доставлен к месту работ, клинкер попросту размалывают, получая высококачественный цемент в необходимом количестве.
Чрезвычайно важен также правильный подбор марок бетона, который бы реально соответствовал какой-то конкретной задаче. Практика показывает, что более 30% от общих потерь цемента приходится на случаи, когда строители используют неправильные марки бетона. В результате нередки случаи, когда работу приходится переделывать полностью.
Таким образом, развитие современных технологий должно помочь сохранять ресурсы, используемые во всех отраслях науки и промышленности. Внедряя новые методы производства, мы можем сократить количество вредных выбросов в воздух и воду, сохранить окружающую среду для всех последующих поколений.
fb.ru
Экологические аспекты теплоэнергетики
Тепловые электрические станции – основной компонент генерирующих
мощностей, их воздействие на окружающую среду наиболее значительно и
многообразно. Основные виды воздействия:
- загрязнение воздушной среды (с последующим воздействием на растительный
и животный мир, почву, воду, человека) дымовыми выбросами и вредными газами
(оксиды серы и азота, монооксид углерода и др.) и твердыми аэрозолями (зола,
сажа), включающими, в свою очередь, токсичные и канцерогенные компоненты, в том
числе соединения тяжелых металлов;
- тепловое «загрязнение» водоемов и туманообразование в результате сброса
нагретой в конденсаторах турбин воды в водохранилища или непосредственно в
природные водотоки;
- выброс значительного количества диоксида углерода и других «тепличных»
газов, создающих «парниковый эффект», который по довольно распространенным,
хотя и не бесспорным, представлениям способен привести к неблагоприятному
катастрофическому потеплению на Земле;
- загрязнение атмосферы, гидросферы и почвы пылью и токсичными веществами
из золоотвалов ТЭС на твердом топливе, а также отчуждение земли под эти
золоотвалы;
- загрязнение гидросферы сточными водами водоподготовительных химических
установок, продувочной и промывочной водой котлов и другими отходами.
Наиболее опасным является загрязнение воздушной среды. В глобальном
загрязнении атмосферы Земли выбросы ТЭС составляют: по пыли – 35%, двуокиси
серы – до 50%, оксидам азота – 30 –35%. Ситуацию осложняет и тот факт, что в
радиусе 5 – 25 км (в зависимости от мощности станции и сорта топлива) тепловые
электростанции, без учета других источников вредных выбросов, обеспечивают
предельно допустимую по санитарным нормам концентрацию указанных вредных
веществ, а при сжигании высокозольных или высокосернистых углей, а также
высокосернистого мазута – значительное превышение указанных ПДК. Тепловые электрические
станции – основной поставщик серы для кислотных дождей (Михайленко и др.,
2003).
Защита атмосферного воздуха от загрязнения является одной из наиболее
острых проблем современности (Попелышева, 2001).
Уже во второй половине 20 века проблема защиты окружающей человека среды
от загрязнения приобрела огромное значение для всех высокоразвитых государств
(Никитин, 1986).
Поступление в атмосферный воздух огромных объемов продуктов сгорания
топлива от котлов, промышленных печей, а также отработанных газов автомобилей
изменяет состав атмосферного воздуха. Часто приближая концентрации токсичных
веществ к опасным, по биологическому действию на человека, животных, растения,
приводит к быстрой коррозии металлов.
Увеличение потребления топлива и количества обрабатываемых материалов, а
также формирование технологических процессов приводят к увеличению количества
токсичных веществ, поступающих в атмосферу (Сигл,1990).
Основными объектами теплоэнергетики являются тепловые электростанции на
органическом топливе. Максимальная эффективность преобразования энергии
достигается для теплофикационного типа (ТЭЦ) и составляет 70% по электричеству
и свыше 80% по теплу (Носков, 1996).
Органические топлива, используемые на ТЭЦ и котельных для получения
электрической и тепловой энергии, наряду с углеродом и водородом часто имеют в
своем составе серу и азот. При сжигании топлива в топках котлов или камер
сгорания образуются различные продукты сгорания такие, как оксиды углерода CO2,
водяные пары h3O, оксиды серы SO2, оксиды азота NO, полициклические
ароматические углеводороды, мазутная зола, зола твердого топлива и другие.
Затем они выбрасываются в атмосферу и рассеиваются в ней с помощью дымовых
труб.
В атмосферном воздухе происходит дальнейшее преобразование газообразных
выбросов ТЭЦ, которое длится до нескольких месяцев. Наличие вредных газообразных
продуктов сгорания органических топлив в атмосфере приводит к разрушению
озонового слоя, образованию фитохимических туманов (смогов), коррозии
металлоконструкций, эрозии почвы, уничтожению флоры, возникновению различных
заболеваний у человека.
Следует отметить, что степень воздействия вредных выбросов на окружающую
среду существенно повышается из-за сосредоточенности источников выбросов в
крупных промышленных регионах (Росляков и др., 2000).
Россия располагает уникальными запасами органического топлива, но стратегия
его использования пока мало учитывает природоохранные аспекты. Стоимость
топлива не связана с потребительской эффективностью и как правило, определяется
затратами на добычу и транспортировку, не отражая экологических качеств топлива
(Протасов, 2000).
Большинство энергетических углей и мазутов имеют невысокое качество.
Практически все жидкое топливо- это мазут с высоким содержанием серы. Твердое
топливо разнообразно по составу. На европейской территории страны преобладают
высокосернистые угли Подмосковного и Печорского месторождений, в Сибири и на
Дальнем Востоке – высоко влажные и низко сернистые бурые угли Канско-Ачинского
бассейна и каменный уголь Кузнецкого (Воробьев, 1993).
biofile.ru
Тема 1.2.6. Экологические проблемы, связанные с применением тепловых машин, и проблема энергосбережения.
В своей жизни мы постоянно встречаемся с разнообразными двигателями. Они приводят в движение автомобили и самолеты , трактора, корабли и железнодорожные локомотивы. Электрический ток вырабатывается преимущественно с помощью тепловых машин. Именно появление и развитие тепловых машин создало возможность для быстрого развития промышленности в 18-19 вв.
Работа тепловых машин связана с использованием ископаемого топлива. Современное мировое сообщество использует энергетические ресурсы в громадных масштабах. Например, за 1979 г. энергопотребление составило примерно 3*10.17 кДж.
Все тепловые потери в различных тепловых двигателях приводят к повышению внутренней энергии окружающих тел и в конечном счете атмосферы. Казалось бы, что выработка 3*10.17 кДж энергии в год, отнесенная к площади освоенной человеком суши(8,5 млрд га) даст ничтожную величину 0,11 Вт/м2 по сравнению с поступлением лучистой энергии Солнца на земную поверхность: 1,36 кВт/м2.
Однако при повышении ежегодного использования первичных энергоресурсов всего в 100 раз средняя температура на Земле повысится примерно на 1 градус. Дальнейшее повышение температуры может привести к интенсивному таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, к изменению природных комплексов, что существенно изменит условия жизни человека на планете. Но темпы роста энергопотребления увеличиваются, и сейчас создалось такое положение , что до увеличения температуры атмосферы потребуется всего несколько десятков лет.
Однако человечество не может отказаться от использования машин в своей деятельности. Чтобы произвести одну и ту же необходимую работу , следует повысить КПД двигателя, что позволит расходовать меньше топлива, т.е. позволит не увеличивать энергопотребление. Бороться с негативными последствиями применения тепловых машин можно только путем увеличения эффективности использования энергии, путем ее экономии.
Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей, самолетов и других машин выбрасывают в атмосферу вредные для человека, животных и растений вещества, например, сернистые соединения (при сгорании каменного угля), оксиды азота, углеводороды, оксид углерода(угарный газ СО), хлор и т.д. Эти вещества попадают в атмосферу (в атмосфере Северной Америки и Западной Европы сформировались два гигантских зонта загрязнения. В большей степени этому способствовали высокие трубы котелен (300 м и выше), которые рассеивают загрязняющие вещества над очень большими территориями. Оксиды серы и азота, образующиеся при сгорании топлива , соединяются с атмосферной влагой, образуя серную и азотную кислоты. Это стало причиной устойчивого выпадения кислотных осадков на ландшафты востока Северной Америки и почти всей Европы.
Огромный ущерб от кислотных осадков проявился в первую очередь в Канаде и Скандинавии, затем в Средней Европе в форме уничтожения хвойных лесов, уменьшения численности или вымирания ценных популяций рыб, снижения урожайности зерновых культур и сахарной свеклы. Загрязнение воздуха и водоемов, гибель хвойных лесов и некоторые другие факты отмечены в ряде регионов не только европейской, но и азиатской части России, а из нее- различные части ландшафта.
Особую опасность в увеличении вредных выбросов в атмосферу представляют двигатели внутреннего сгорания, ( Число машин угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена. Проводится регулировка двигателей для более полного сгорания топлива и уменьшения содержания угарного газа Сов выбрасываемых продуктах сгорания. Разрабатываются двигатели, не выбрасывающие вредные вещества с отработанными газами, например, работающие на смеси водорода и кислорода.) установленные на автомобилях ,самолетах и ракетах.
Применение паровых трубин на электростанциях требует много воды и больших площадей, занимаемых под пруды для охлаждения отработанного пара. ( Например, в 1980 г. в нашей стране для этих целей потребовалось около 200 км*3 воды, что составило 35% промышленного водоснабжения. С увеличением мощности электростанций потребность в воде и новых площадях резко возрастает. Для экономии площади и водных ресурсов целесообразно сооружать комплексы электростанций, но обязательно с замкнутым циклом водоснабжения.)
Из-за большого электропотребления в ряде регионов планеты возможность самоочищения их воздушных бассейнов оказалась уже исчерпанной. Необходимость значительно снизить выброс загрязняющих веществ привела к использованию новых видов топлива, в частности к строительству атомных электростанций ( АЭС).
Но на атомных электростанциях встают другие проблемы: захоронение опасных радиоактивных отходов, а также проблема безопасности. Это показала катастрофа на Чернобыльской АЭС. При решении экологических проблем, связанных с использованием тепловых машин, важнейшую роль должны играть постоянная экономия всез видов энергии, переход на энергосберегающие технологии.
Раздел 1.3 Электромагнитные явления
Тема 1.3.1 Электрические заряды и их взаимодействие. Электрическое поле. Проводники и изоляторы в электрическом поле.
План:
1.Общее сведение.
2.Электронизация тел при их контакте.
3.Электрические заряды.
4.Электрическое поле.
5.Проводники и изоляторы в электрическом поле.
1.Еще в древности было замечено, что два потертых тряпочкой кусочка янтаря начинают отталкиваться друг от друга. Такое взаимодействие в отличии от механического назвали электрическим (от греч. «электрон» - янтарь).
Ознакомимся с этим явлением на примере следующего эксперимента. Пусть два стержня из пластмассы установлены на иглах, на которых они могут свободно поворачиваться (рис. 8.1).
На одном стержне укреплена хорошо отшлифованная металлическая пластинка, на другом - пластинка из плексигласа, также хорошо отшлифованная. Снимем стержни с игл и приведем пластинки в соприкосновение. Если вновь поставить стержни на иглы и отпустить, то пластинки притянутся друг к другу. Эта сила не является гравитационной, ибо масса тел до и после контакта остается неизменной, а гравитационные силы зависят только от масс тел и расстояния между ними. Следовательно, в данном эксперименте мы встречаемся с другим классом сил, которые называют электрическими.
Если между телами действует
электрическая сила, то говорят,
что тела имеют электрический
заряд. Явление перераспределения
зарядов на телах называют
электризацией. Примерами
электризации служат описанные выше опыты с янтарем, а также с плексигласовой и металлической пластинами.
2.Если проделать опыты с двумя металлическими и двумя плексигласовыми пластинами, то окажется, что при контакте электризуются пластины только из разных веществ, причем разнородные пластины притягиваются, из одинаковых веществ - отталкиваются. Это свидетельствует о том, что, во-первых, при контакте электризуются оба тела и, во-вторых, что существуют электрические заряды двух разных родов.
•Далее, опыт показывает, что если две наэлектризованные пластины из разных веществ вновь соединить вместе, то их электризация исчезает.
3.Известно, что две величины в сумме дают нуль, если они имеют одинаковые модули и противоположные знаки. На основании этого алгебраического правила условились обозначать электрические заряды с противоположными свойствами приписывать разные знаки: плюс и минус. Тела или частицы с электрическими зарядами одинакового знака отталкиваются друг от друга, а с зарядами противоположного знака притягиваются.
Условились в том случае, когда стеклянная палочка контактирует с шелком, заряд палочки считать положительным, а заряд шелка - отрицательным. Таким образом, если наэлектризованные тела или частицы притягиваются к стеклянной палочке, потертой о шелк, то они заражены отрицательно, а если отталкиваются - положительно.
Обычно при контакте металлов с неметаллами первые заряжаются положительно, а вторые - отрицательно.
4.Наэлектризовать можно все тела: не только твердые, но и жидкости и газы. Так, если подвешенный к динамометру твердый металлический шарик опустить в керосин, а затем вынуть и удерживать над поверхностью жидкости, то показание динамометра будет несколько большим, чем до контакта шарика с жидкостью. При контакте шарика с жидкостью происходит их электризация, вследствие чего возникает дополнительная к силе тяжести электрическая сила.
Электризацию газа можно наблюдать на следующем опыте: если в колбу насыпать медные опилки, а затем налить азотную кислоту, то выделяющийся из колбы через узкую трубку газообразный диоксид азота, имеющий бурый цвет, отклоняется в присутствие наэлектризованного тела.
5.Явление отталкивания одноименно заряженных тел можно наблюдать с помощью электроскопа (рис.8.2, а). Металлический стержень, к которому прикреплены два свободно висящих металлических листка, вставлен через пластмассовую пробку в металлический -корпус.
Если коснуться заряженным телом стержня, то листки, зарядившись одноименно, отталкиваются друг от друга и отклоняются на некоторый угол, тем больший, чем сильней.
При другой конструкции электроскопа (рис.8.2,6) наблюдают поворот легкой стрелки, которая, зарядившись одноименно со стержнем, отталкивается от него. И здесь угол отклонения стрелки зависит от степени электризации стержня и стрелки, т.е. зависит от величины заряда на стержне и стрелке. Такой электроскоп с заземленным корпусом называют электрометром.
6.Изучение явления электризации наряду с рядом других фундаментальных экспериментов, рассмотренных в начальном курсе физики, позволило сформировать основные представления о строении вещества. Оказалось, что в природе существует ряд микрочастиц с зарядами противоположных знаков. Наиболее известные из этих частиц - это электрон массой 9,1*10~31 кг и протон, масса которого в 1845 раз больше массы электрона. Электрон заряжен отрицательно, а протон - положительно, причем модули зарядов протона и электрона в точности равны.
Так как из электронов и протонов построены атомы вещества, то электрические заряды органически входят в состав всех тел. Электроны и протоны входят в состав атома в таких количествах, что их заряды компенсируют друг друга и атом оказывается электронейтральным. Точно так же электронейтральными оказываются макроскопические тела, состоящие из огромного числа атомов и молекул.
7.Опыт показал, что заряд электрона е представляет собой наименьший известный в настоящее время в природе заряд, который может нести на себе тело или отдельная свободная частица. Поэтому его назвали элементарным зарядом. Таким образом, макроскопический заряд тела кратен заряду электрона и может принимать значения 0, +е, +2е, +3е,... В этом случае говорят, что заряд квантуется (иными словами, принимает дискретные значения).
В макроскопических явлениях число электронов на заряженных телах велико, а заряд каждого электрона настолько мал по сравнению с макроскопическими изменениями заряда, что дискретностью электронного заряда можно пренебречь и считать изменение заряда непрерывным.
8.Современная теория строения вещества дает возможность объяснить целый ряд наблюдаемых на опыте явлений. Так, электризация контактирующих тел различной природы объясняется на основе электронных представлений. Как известно, атом состоит из продолжительного заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов. Оказывается, атомы некоторых веществ (например, водорода или металлов) легко отдают электрон другим атомам, а атомы таких веществ, как фтор, хлор и другие неметаллы, легко присоединяют к себе лишний электрон. Поэтому при контакте двух тел обычно одно из них теряет электроны и тем самым заряжается положительно; втрое тело присоединяет к себе лишние электроны и заряжается отрицательно. Чем больше площадь контакта между этими телами, тем больше электронов сможет перейти от одного тела к другому, и тем больший электрический заряд мы обнаружим на них.
Следствием действия электрических сил является сила упругости, о которой шла речь в 2.3.
9.По электрическим свойствам все тела можно разбить на три обширные группы
-проводники, к которым относят металлы, расплавы и растворы электролитов, графит; все эти вещества содержат много свободных электронов или ионов и потому хорошо проводят электрический ток;
- полупроводники, к которым относят германий, кремний, селен и ряд
других веществ;
-диэлектрики или изоляторы, например, стекло, фарфор, кварц, плексиглас, резина, дистиллированная вода, керосин, масло растительное, а так же все газы.
Указанное разделение веществ весьма условно, ибо в зависимости от внешних условий свойства вещества могут существенно изменяться. Например, если разогреть такой хороший диэлектрик, как стекло, то он превращается в проводник. При очень высоких температурах или при радиоактивном облучении газы также становятся хорошими проводниками.
Электрические поля.
По современным физическим представлениям, начало которым было положено работами М. Фарадея и Дж. Максвелла, электрическое взаимодействие осуществляется по схеме «заряд - поле - заряд»: с каждым зарядом связано электрическое поле, которое действует на все остальные заряженные частицы.
Электрическое поле материально. Оно существует независимо от нашего сознания и может быть обнаружено по его воздействию на физические объекты, например на измерительные приборы, что является одним из его основных свойств.
Электрические поля неподвижных зарядов называют электростатическими. Силовой количественной характеристикой электрического поля является векторная величина, называемая напряженностью электрического поля:
E=F/q
Напряженность поля - физическая величина, численно равная отношению силы F, действующей в данной точке поля на пробный положительный
заряд q, к этому заряду .Пробный заряд должен быть столь малым, чтобы его собственное поле не искажало исследуемого поля, созданного не пробным, а другими зарядами. В качестве пробного заряда можно использовать подвешенный на шелковой нити маленький заряженный шарик. Сила, действующая на него, может определяться по углу отклонения нити от вертикального направления.
Направление вектора напряженности, как это видно из определения E=f/q, совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.
Согласно определению, единицей напряженности электрического поля является ньютон на кулон (Н/Кл).
Если известна напряженность поля заряженного тела, то всегда можно найти силу, действующую на заряд, находящийся в данном поле. 10.Электрическое поле представляет с собой особый вид материи, отличающиеся от вещества и существующий вокруг любых заряженных тел.
Ни увидеть его, ни потрогать невозможно. О существовании электрического поля можно судить лишь по его действиям.
Простые опыты позволяют установить основные свойства электрического поля.
1.Электрическое поле заряженного тела действует с некоторой силой на всякое другое заряженное тело, оказавшееся в этом поле.
Об этом свидетельствуют все опыты по взаимодействию заряженных тел. Так, например, заряженная гильза, оказавшаяся в электрическом поле наэлектризованной палочки, подвергалось действию силы притяжения к ней.
2.Вблизи заряженных тел создаваемое ими поле сильнее, а в дали слабее.
Силу, с которой электрическое поле действует на заряженное тело (или частицу), называют электрической силой:
Fэл- электрическая сила.
Под действием этой силы частица, оказавшаяся в электрическом поле,
приобретает ускорение α,которая можно определить с помощью второго
закона Ньютона: α=F/m
где т- масса данной частицы.
Со времен Фарадея для графического изображения электрического поля принято использовать силовые линии.
Контрольные вопросы
1. Что называют электризацией?
2.Одно или оба тела электризуются при трении?
3. Какие два рода электрических зарядов существует в природе? Привести примеры.
Тема 1.3.2: Постоянный электрический ток. Сила тока, напряжение, электрическое сопротивление.
План.
1.Постоянный электрический ток.
2.Сила тока.
3.Электрическое напряжение.
4.Электрическое сопротивление.
1.Электрическим током называют упорядоченное движение электрических зарядов. Электрический ток, характеристики которого не изменяются со временем, называют постоянным током. Направлением электрического тока условились считать направление положительных зарядов.
Для существования электрического тока в веществе необходимо выполнение следующих двух условий:
1) в веществе должны иметься свободные заряженные частицы, т.е. такие частицы, которые могут свободно перемещаться по всему объему тела (иначе их называют носителями тока).
2) на эти частицы должна действовать некоторая сила, заставляющая их двигаться в определенном направлении.
Оба эти условия будут выполнены, если, например, взять металлический проводник и создать в нем электрическое поле. Носителям тока в металлах являются свободные электроны. Под действием электрического поля движение свободных электронов в металле примет упорядоченный характер, что и будет означать появление в проводнике электрического тока.
2.Сила тока. Времена, когда ток обнаруживался с помощью личных ощущений ученых, пропускавших его через себя, давно миновали. 'Теперь для этого применяют специальные приборы, называемые амперметрами.
Амперметр-это прибор, служащий для измерения силы тока. Что понимают под силой тока? Обратимся к рисунку 21, б.
На нем выделено поперечное сечение проводника, через которое проходят
заряженные частицы при наличии в проводнике электрического тока. В металлическом проводнике этими частицами являются свободные электроны. В процессе своего движения вдоль проводника электроны переносят некоторый заряд. Чем больше электронов и чем быстрее они движутся, тем больший заряд будет им перенесен за одно и тоже время.
Силой тока называется физическая величина, показывающая какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за 1 с.
Количественной характеристикой электрического тока является сила тока - величина, равная отношению заряда, который переноситься через поперечное сечение проводника за промежуток времени t, к этому промежутку:
Чтобы найти силу тока I, надо электрический заряд q, прошедшее через поперечное сечение проводника за время t, разделить на это время:
I=q/t
Единица силы тока называется ампером (А). Если сила тока I известна, то можно найти заряд q, проходящий через сечение проводника за время t. Для этого надо силу тока умножить на время:
q=It.
Полученное выражение позволяет определить единицу электрического заряда - кулон (Кл):
1 Кл = 1 А.1с=1 А . с
1 Кл - это заряд, который проходит за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.
Величину, равную отношению полной работы, совершаемой при перемещении заряда на неоднородном участке цепи , называют напряжением да данном участке:
U= A/q.
Единица электрического напряжения называют вольтом (В). 1В=1Дж/1Кл. Электрическое сопротивление. Основная электрическая характеристика проводника - сопротивление. От этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении. Сопротивление проводника представляете собой как бы меру противодействия проводника направленному движению электрических зарядов. С помощью закона Ома можно определить сопротивление проводника:
R=U/I.
Для этого нужно измерить напряжение на концах проводника и силу тока через него.
Сопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров. Сопротивление проводника длиной Lс постоянной площадью поперечного сечения Sравно:
R=p(l/s)
где р - величина, зависящая от рода вещества и его состояния (от температуры в первую очередь). Величину р называют удельным сопротивлениемпроводника. Удельное сопротивление материала численно равно сопротивлению проводника из этого материала длиной 1м и площадь поперечного сечения 1м2.
Единицу сопротивления проводника устанавливают на основе закона Ома и называют ее Омом. Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при разности потенциалов 1В сила тока в нем 1 А.
Единицей удельного сопротивления является 1 Ом * м. Удельное сопротивление металлов мало. А вот диэлектрики обладают очень большим удельным сопротивлением.
Контрольные вопросы.
1.Дайте понятие об постоянном электрическом токе?
2.Что такое сила тока?
З.Дайте определение напряженности электрического поля.
4.Что такое удельное сопротивление проводника. В каких единицах измеряется.
Учитывая то обстоятельство, что не нужно вкладываться в выплавку стали, эти технологии позволяют минимум на треть сократить термическое загрязнение внешней среды. Говоря проще, снижается вред парникового эффекта. Словом, вкладываться в эти разработки очень выгодно.
Заметим, что использование современных технологий обязательно должно предполагать не только максимальное сокращение количества отходов, но и их безопасное хранение. К последнему пункту относятся следующие требования:
Если вы думаете, что внедрение ресурсосберегающих технологий в биологическом производстве исчерпывается только новыми методами получения биологически активных добавок и лекарств, то вы глубоко заблуждаетесь. Современный уровень развития технологий предполагает их использование даже в металлургии.
Учитывая, что народному хозяйству в год требуется не менее 12 миллионов тонн бетона, энерго- и ресурсосберегающие технологии дают возможность сэкономить огромное количество денег.
Этих потерь можно избежать, если в дальние районы везти цементный клинкер. Его можно разгружать неограниченное количество раз. Когда материал будет доставлен к месту работ, клинкер попросту размалывают, получая высококачественный цемент в необходимом количестве.
Если коснуться заряженным телом стержня, то листки, зарядившись одноименно, отталкиваются друг от друга и отклоняются на некоторый угол, тем больший, чем сильней.
