ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Производная энергия

Как уже отмечалось, к производной энергии относятся энергоноси­тели в виде пара, горячей воды (тепловой энергии), сжатого воздуха, элек­троэнергии, кислорода и др., которые в настоящее время широко исполь­зуются в самых различных технологических процессах, а также в быту.

Для их производства необходима, как правило, первичная энергия (топли­во), а также соответствующие виды производной (преобразованной) энер­гии. Для производства преобразованной энергии используются различные энергоисточники:

• традиционные (тепловые электрические станции - ТЭС, атомные (ядерные) электрические станции - АЭС, котлы, компрессорные установки и т. д.);

• установки на вторичных ресурсах (котлы-утилизаторы, тепловые насосы, холодильники и т. п.);

• нетрадиционные (альтернативные) - ветроэнергоустановки, биоре­акторы, гелиоподогреватели и др.

Работоспособность, или энтальпию, любого из этих теплоносителей определяет сумма их внутренней энергии и потенциальной энергии источ­ника.

Дадим краткую характеристику основных видов энергоносителей.

Пар водяной. Это вода в газообразном состоянии. Различают насы­щенный пар, находящийся в термодинамическом равновесии с жидкостью (водой), и перегретый пар, имеющий температуру Тп больше температуры насыщения Тн для данного давления. Водяной пар - рабочее тепло паровых турбин и машин. Пар также широко используется как высокотемператур­ный теплоноситель для сушилок, термической обработки и др.

Для равновесной термодинамической системы существует функцио­нальная связь между параметрами состояния, которая называется уравне­нием состояния. Такие параметры простейших систем, которыми являются газы, пары и жидкости, связаны термическим уравнением состояния вида

/(р, и, Т) = 0. (1.21)

На основании теории, разработанной М. П. Вукаловичем и др., было получено численное уравнение состояния водяного пара, на основании ко­торого составлены таблицы и диаграммы свойств водяного пара для раз­личных температур и давлений. Эти диаграммы и таблицы используются для практических расчетов всех теплоэнергетических процессов, в кото­рых используется водяной пар.

Вода. Жидкость без запаха, вкуса, цвета, химическая формула Н2О. Плотность 1000 кг/м3 при температуре 3,98 0С. При 0 0С превращается в лед, при 100 0С - в пар. Вода - обязательный компонент практически всех технологических процессов как промышленных, так и сельскохозяйствен­ных. Особенно широко вода применяется в теплотехнике как энергоноси­тель для производства и переноса тепловой энергии. В нашей стране с ис­пользованием горячей воды разработаны и реализованы многочисленные централизованные системы теплоснабжения для отопления и горячего во­доснабжения жилых, социальных и производственных зданий и техноло­гических потребителей. Распространенный источник теплоснабжения - те­плоэлектроцентрали (ТЭЦ) и отопительные и производственно­отопительные котельные.

Электрическая энергия (электричество). Определяется как сово­купность явлений, в которых проявляется существование, движение и взаимодействие (посредством электромагнитного поля) заряженных час­тиц. Электрическая энергия имеет ряд неоспоримых преимуществ по срав­нению с другими видами производной энергии - возможность получения практически любых количеств энергии как от элемента размером со спи­чечную головку, так и от турбогенераторов мощностью более 1000 МВт, сравнительная простота ее передачи на расстояние и легкость преобразо­вания в энергию других видов. Основная проблема - это ее хранение. Здесь возможности очень ограничены.

В настоящее время трудно представить себе жизнь без электроэнер­гии. Так, в США на долю электроэнергии приходится около 45 % исполь­зуемой энергии. Электроэнергия находит применение и в электромобилях, и в производстве водородного топлива, в том числе и из воды.

Воздух. Это смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли: азот (78,08 %), кислород (20,95 %), инертные газы (0,94 %), углекислый газ

33

(0,03 %). Плотность - 1,293 кг/м, растворимость в воде 29,18 см /л. Благо­даря кислороду, содержащемуся в воздухе, он используется как химиче­ский агент в различных процессах (сжигание топлива, выплавка металлов из руд, получение многих химических веществ). Воздух - важнейшее про­мышленное сырье для получения кислорода, азота, инертных газов. Ис­пользуется как теплоизоляционный и звукоизоляционный материал.

Кроме всего этого, сжатый воздух - рабочее тепло для совершения механической работы (пневматические устройства, струйные и распыли­тельные аппараты и др.).

Кислород. Химический элемент, в свободном виде встречается в двух модификациях - О2 («обычный») и О3 (озон). О2 - газ без цвета и за­паха, плотность - 1,42897 кг/м. В химической практике самый активный неметалл. С большинством других элементов (водородом, многими метал­лами и др.) кислород как окислитель взаимодействует непосредственно и, как правило, с выделением энергии. Процесс окисления по мере повыше­ния температуры и роста скорости реагирования переходит в режим горе­ния. Разновидностью последнего можно назвать взрыв (детонация). Ки­слород (или обогащенный им воздух) применяются в металлургии, хими­ческой промышленности, при космических полетах, подводном плавании, в медицине. Жидкий кислород - окислитель ракетного топлива.

Использование кислорода в качестве окислителя вместо воздуха многократно увеличивает скорости горения (окисления), снижает объем образующихся продуктов горения. При этом резко возрастает интенсив­ность выноса твердой фазы из зоны реакции (на 1 - 2 порядка), что сущест­венно осложняет решение проблем охраны окружающей среды.

Для сравнения приведем некоторые теплофизические характеристи­ки ряда горючих газов (и мазута, для сравнения) при окислении их возду­хом и кислородом (табл. 1.4).