Общие понятия энергетики и энергии
Первое определение : «Энергетика – топливно-энергетический комплекс страны; охватывает получение, передачу, преобразование и использование различных видов энергии и энергетических ресурсов».
Второе определение : «Энергетика – область хозяйства, охватывающая энергетические ресурсы, выработку, преобразование, передачу, сохранение (в том числе экономию) и использование различных видов энергии. Энергетика — одна из форм природопользования. В перспективе технически возможный объем получаемой энергии практически не ограничен. Однако энергетика имеет существенные ограничения по термодинамическим (тепловым) лимитам биосферы. Размеры этих ограничений, видимо, близки к количеству энергии, усваиваемому живыми организмами биосферы в совокупности с другими энергетическими процессами, идущими на поверхности Земли (удвоение этих количеств энергии, вероятно, катастрофично или, во всяком случае, кризисно отразится на биосфере). Указанный …
лимит близок 140 ¸ 150·10 12 Вт
(фотосинтетические процессы — 104·10 12 Вт
, геотермальная энергия — 32·10 12 Вт
), но следует учитывать охлаждающее антропогенное воздействие, оцениваемое в 150·10 12 Вт
, из которого необходимо вычитать отепляющее воздействие этой же деятельности, приближающееся к 100 ¸ 150·10 12 Вт
».
Еще одно понятие : «Электроэнергетика – отрасль электротехники, занимающаяся проблемами получения больших количеств электрической энергии, передачи этой энергии на расстояние и распределения ее между потребителями. Развитие электроэнергетики идет по пути строительства крупных электрических станций (тепловых, гидравлических, атомных), объединяемых между собой линиями электропередачи высокого напряжения в энергетические системы, улучшения технико-экономических показателей оборудования для производства, преобразования и передачи энергии».
Энергетика по сути зародившись в XX столетии стала жизнеобеспечивающей отраслью деятельности человека. Развитие энергопроизводства тесно связано с потреблением, образуя единую систему «производитель-потребитель». Энергопроизводство не может работать на склад. Оно наращивается вместе с потребностью в ней, а недостаток энергии может тормозить дальнейшее развитие цивилизации. По состоянию на начало XXI века энергетика удовлетворяет только около 80 % общего мирового потребления электроэнергии. Дефицит ее в отдельных регионах сдерживает дальнейшее развитие общества, прогресс отдельных национальностей и стран. Нехватка энергоресурсов в регионах мира влияет не только на материальное благосостояние общества, но и на политический климат, создавая различные варианты так называемого системного кризиса, провоцирующего вооруженные конфликты за обладание и контроль над природными запасами энергоисточников (природный газ, нефть и др.).
Научно-технический прогресс невозможен без существования и развития энергетики и электрификации. Для повышения производительности труда огромное значение имеет механизация и автоматизация производственных процессов, т.е. замена человеческого труда машинным. Однако подавляющее большинство технических средств механизации и автоматизации имеет электрическую основу. Особенно широкое применение электрическая энергия получила для привода в действие электрических моторов различных механизмов.
Понятие «энергетика» тесно связано с ключевым словом «энергия» : «Энергия – общая мера различных форм движения материи, рассматриваемых в физике. Для количественной характеристики качественно различных форм движения и соответствующих им взаимодействий вводят различные виды энергии: механическую, внутреннюю, гравитационную, электромагнитную, ядерную и т.д. В замкнутой системе выполняется закон сохранения энергии. В теории относительности установлена универсальная связь между полной энергией тела и его массой: , где с – скорость света в вакууме».
Наиболее часто человек пользуется двумя видами энергии — электрической и тепловой. Эти виды энергии человечеству необходимы, причем потребности в них возрастают с каждым годом. Вместе с тем запасы традиционных природных топлив (нефти, угля, газов и ядерного) конечны. Поэтому на сегодняшний день важно найти выгодные источники энергии, не только с точки зрения дешевизны топлива, но и с точки зрения простоты конструкции, эксплуатации, надежности материалов, необходимых для существования и долговечности электростанций.
Учитывая все вышесказанное схематически производство и потребление тепло- и электроэнергии можно представить следующим образом (рис.1.1). Существует некоторый источник генерации потенциальной энергии 1 (например, котел на ТЭС, реактор на АЭС, плотина на ГЭС). Генерация потенциальной энергии происходит за счет химических реакций при сжигании топлива; ядерных реакций расщепления атомов урана или естественного кругооборота воды в природе. Потенциальная энергия преобразовывается в механическую энергию вращения ротора паровой или гидравлической турбины 2. В свою очередь, механическая энергия преобразуется в электрическую в электрогенераторе 3. Затем электрическая энергия трансформируется в удобную для передачи на дальние расстояния форму на подстанции 4. Все эти преобразования происходят в едином комплексе, называемом электрической станцией 5. По линиям электрических передач 6 (помните знаменитые «ЛЭП-500 не простая линия») энергия может передаваться на расстояния, измеряемые сотнями километров к месту потребления. Здесь также установлены подстанции 7 для преобразования электрической энергии в форму удобную для потребления и передачи ее потребителю 8. Например, для бытового потребителя необходимо иметь электрический ток на входе с параметрами 220 В и 50 Гц . Тепловая энергия, как правило, производится на тепловых электростанциях 5 и через бойлерные установки 9 по тепловым сетям 10 насосами 11 направляется к потребителю 8.
Именно такое производство тепло- и электроэнергии для человека оказалось наиболее удобным и универсальным при потреблении. Конечно, хотелось бы иметь более индивидуальный и более удобный источник энергии, но его, к сожалению, нет. А как было бы приятно иметь маленький источник энергии в кармане, чтобы он всегда был «при мне», и чтобы его можно было бы по необходимости включать и выключать для обогрева, освещения, приготовления пищи или для просмотра и прослушивания телевизора, приемника и т.д. При этом можно забыть о существовании громадных малоэффективных электростанций, о добыче топлива для них, о строительстве дамб, перекрывающих реки и затапливающих плодородные земли. Однако в настоящее время это всего лишь мечты.
Рис. 1.1. Схема производства и потребления тепло- и электроэнергий
1 – генератор потенциальной энергии; 2 – турбина; 3 – электрогенератор; 4 – трансформаторы электроэнергии; 5 – электростанция; 6 – линии дальних передач; 7 – сетевые подстанции; 8 – потребитель; 9 – котельная – бойлерная тепловых сетей; 10 – тепловые сети; 11 – сетевой насос.
Проблема энергоснабжения прямо или косвенно затрагивает интересы всех жителей планеты, даже тех, кто о ней представления не имеет. Человек стал венцом творения природы лишь с того момента, когда он напрямую стал осваивать энергию; сначала механическую в виде палочного рычага. Однако на собственной мускулатуре далеко не уедешь, хотя Архимед и верил, что можно перевернуть весь мир, лишь бы был рычаг. Тепловая энергия, которая досталась человеку как подарок от Прометея (по легенде), оказалась более благодатной по своим возможностям. Но и она не смогла обеспечить постоянно возрастающие потребности человека. Только электроэнергия оказалась способной передаваться на большие расстояния в больших количествах и трансформироваться легко и быстро в любой другой вид энергии.
Здравомыслящие руководители государств и обществ с момента зарождения электроэнергетики (конца Х1Х — начала ХХ веков) поняли, что для обеспечения экономического роста электроэнергетика должна иметь опережающее развитие. Это позволило странам, вставшим на путь электрификации, совершить прорыв в экономической, научно-технической, социальной и культурной сферах. Однако со временем рост промышленно-энергетического производства вошел в противоречие с экологическими проблемами. Развитие социального и культурного самосознания способствовали возникновению ситуации, когда в обществе стало возникать некоторое противодействие промышленно-энергетическому развитию. Таким образом, возникла обратная связь, влияющая на экономику. Рост уровня потребления, ставший возможным благодаря развитию энергетики, шел на Западе практически параллельно с развитием понимания ценности человеческой жизни. В обществе формировалась идея: богатая жизнь в загрязненной природной среде абсурдна. Борьба за чистоту окружающей среды стала реальным фактором жизни многих стран. Появилось практическое следствие этого в сферах экономики, политики и международных отношений. Например, перенос энергоемких и грязных производств в другие экономически слабо развитые страны путем экспорта капитала.
В энергетике обсуждается вопрос – возможна ли в электроэнергетике рыночная конкуренция. Рыночная конкуренция возможна только между независимыми, работающими на одном направлении, системами. Система по определению это объективное единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений, а также знаний о природе и обществе. В науке и технике это множество элементов (узлов, агрегатов, приборов и т.д.), понятий, образующих некоторую целостность и подчиненных определенному руководящему принципу. Что можно рассматривать как систему в энергетике? Электроэнергия не может производиться на склад или аккумулироваться. Если где-то включили электродвигатель (аппарат, лампочку…), то на электростанции должно быть увеличено производство электроэнергии ровно на столько же. Поэтому в энергетике производитель закономерно связан с потребителем и, таким образом, системой здесь необходимо рассматривать единство «производитель – потребитель электроэнергии». Как можно организовать конкуренцию в такой системной связи? Это будет либо сговор, либо обман. Конкуренцию можно организовывать только между отдельными системами, обеспечивающими жизнедеятельность какой-то третьей системы. Например, энергомашиностроительные заводы могут конкурировать между собой при создании котлов, турбин и другого оборудования; станкостроительные заводы и др. В единой системе энергетика является основной образующей любого производства. Индивидуальный потребитель (человек) также становится зависимым от производителя энергии. Поэтому отдать энергетику в частные руки это, значит, потерять контроль над страной. Энергетика должна быть под государственным контролем, как это и делается во многих странах. В России со стороны государства в настоящее время контроль над энергетикой несколько ослаблен. Большинство электростанций уже давно выработали свой моторесурс. В связи с этим наша энергетика нуждается в новых идеях (новых планах ГОЭЛРО), в новых разработках, способствующих дальнейшему ее взлету, что даст надежду людям в освоении новых высоких творческих и промышленных успехов.
Введение
ГОСТ 19431-84 (далее – стандарт) устанавливает применяемые в науке, технике и производстве термины и определения основных понятий в области энергетики и электрификации, относящиеся к производству, передаче, распределению и потреблению электрической энергии и тепла.
Термины, установленные стандартом, обязательны для применения в документации всех видов, научно-технической, учебной и справочной литературе.
Для каждого понятия установлен один стандартизованный термин. Применение терминов-синонимов стандартизованного термина запрещается. Недопустимые к применению термины-синонимы приведены в стандарте в качестве справочных и обозначены «Ндп».
Для отдельных стандартизованных терминов в стандарте приведены в качестве справочных краткие формы, которые разрешается применять в случаях, исключающих возможность их различного толкования. Установленные определения можно, при необходимости, изменять по форме изложения, не допуская нарушения границ понятий.
В стандарте в качестве справочных приведены иностранные эквиваленты для ряда стандартизованных терминов на английском (Е), немецком (D) и французском (F) языках.
Общие понятия
Энергетика Область народного хозяйства, науки и техники, охватывающая энергетические ресурсы, производство, передачу, преобразование, аккумулирование, распределение и потребление различных видов энергии. Электроэнергетика Раздел энергетики, обеспечивающий электрификацию страны на основе рационального расширения производства и использования электрической энергии. Теплоэнергетика Раздел энергетики, связанный с получением, использованием и преобразованием тепла в различные виды энергии. Гидроэнергетика Раздел энергетики, связанный с использованием механической энергии водных ресурсов для получения электрической энергии. Ядерная энергетика Раздел энергетики, связанный с использованием ядерной энергии для производства тепла и электрической энергии. Энергоснабжение (электроснабжение) Обеспечение потребителей энергией (электрической энергией). Теплоснабжение D . Fernwärmeversorgung Обеспечение потребителей теплом. Централизованное электроснабжение Электроснабжение потребителей от энергетической системы. Децентрализованное электроснабжение Электроснабжение потребителя от источника, не имеющего связи с энергетической системой. Централизованное теплоснабжение D . Zentrale Wärmeversorgung Теплоснабжение потребителей от источников тепла через общую тепловую сеть. Децентрализованное теплоснабжение D . Dezentrale Wärmeversorgung Теплоснабжение потребителей от источников тепла, не имеющих связи с общей тепловой сетью. Электрификация Введение электрической энергии в народном хозяйстве и быту. Теплофикация Централизованное теплоснабжение при производстве электрической энергии и тепла в едином технологическом цикле. Энергетическая система Совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электрической энергии и тепла при общем управлении этим режимом. Электроэнергетическая система Находящееся в данный момент в работе электрооборудование энергосистемы и приемников электрической энергии, объединенное общим режимом и рассматриваемое как единое целое в отношении протекающих в нем физических процессов. Структура электропотребления Долевое распределение суммарного электропотребления по типам потребителей. Структура установленной мощности электростанций Долевое распределение суммарной установленной мощности электростанций по их типам или по типам агрегатов.Примечание - Распределение может производиться по стране, району и т.д.
Энергетический баланс Количественная характеристика производства, потребления и потерь энергии или мощности за установленный интервал времени для определенной отрасли хозяйства, зоны энергоснабжения, предприятия, установки. Качество электрической энергии D . Versorgungsqualität; Е . Quality of supply; F . Quality du service Степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупности нормированных значений показателей качества электрической энергии. Преобразование электрической энергии Е . Conversion of electricity; F . Conversion d’énergie électrique Изменение рода тока, напряжения, частоты или числа фаз. Потребитель электрической энергии (тепла) D . Verbraucher von Electroenergie; Е . Consumer; F . Usager Предприятие, организация, территориально обособленный цех, строительная площадка, квартира, у которых приемники электрической энергии (тепла) присоединены к электрической (тепловой) сети и используют электрическую энергию (тепло). Потребитель-регулятор нагрузки Е . Controllable load; F . Charge modulable Потребитель электрической энергии или тепла, режим работы которого предусматривает возможность ограничения электропотребления или теплопотребления в часы максимума для выравнивания графика нагрузки энергетической системы или электростанции и увеличения нагрузки в часы минимума. Абонент энергоснабжающей организации D . Abnehmer; Е . Consumer; F . Abonné Потребитель электрической энергии (тепла), энергоустановки которого присоединены к сетям энергоснабжающей организации.
Основные виды энергоустановок
Энергоустановка Комплекс взаимосвязанного оборудования и сооружений, предназначенный для производства или преобразования, передачи, накопления, распределения или потребления энергии. Электроустановка Энергоустановка, предназначенная для производства или преобразования, передачи, распределения или потребления электрической энергии. Система энергоснабжения Совокупность взаимосвязанных энергоустановок, осуществляющих энергоснабжение района, города, предприятия. Система электроснабжения Совокупность взаимосвязанных энергоустановок, осуществляющих электроснабжение района, города, предприятия. Система теплоснабжения Совокупность взаимосвязанных энергоустановок, осуществляющих теплоснабжение района, города, предприятия. Электростанция D . Kraftwerk; Е . Power station; F . Centrale électrique Энергоустановка или группа энергоустановок для производства электрической энергии или электрической энергии и тепла. Тепловая электростанция (ТЭС) D . Wärmekraftwerk; Е . Conventional thermal power station; F . Cenlrale thermique classique Электростанция, преобразующая химическую энергию топлива в электрическую энергию или электрическую энергию и тепло. Атомная электростанция (АЭС) D . Kernkraflwerk; Е . Nuclear thermal station; F . Centrale thermique nucléaire Электростанция, преобразующая энергию деления ядер атомов в электрическую энергию или в электрическую энергию и тепло. Термоядерная электростанция Электростанция, преобразующая энергию синтеза ядер атомов в электрическую энергию или в электрическую энергию и тепло. Гидроэлектростанция (ГЭС) D . Wasserkraftwerk; Е . Hydroelectric power plant; F . Centrale hydro-électrique Электростанция, преобразующая механическую энергию воды в электрическую энергию. Блок-станция Электростанция, работающая в энергетической системе и оперативно управляемая ее диспетчерской службой, но не входящая в число предприятий системы по ведомственной принадлежности. Линия электропередачи (ЛЭП) D . Elektroenergieübertragungsleitung Электрическая линия, выходящая за пределы электростанции или подстанции, и предназначенная для передачи электрической энергии на расстояние. Воздушная линия электропередачи (ВЛ) Е . Overhead line; F . Ligne aérienne Линия электропередачи, провода которой поддерживаются над землей с помощью опор, изоляторов. Кабельная линия электропередачи (КЛ) Линия электропередачи, выполненная одним или несколькими кабелями, уложенными непосредственно в землю, кабельные каналы, трубы, на кабельные конструкции. Электрическая подстанция (ПС) Е . Substation (of a power system); F . Poste (d’unréseau electrique) Электроустановка, предназначенная для преобразования и распределения электрической энергии. Электрическая сеть D . Elektrisches Netz; Е . Electrical network; F . Réseaud’energle électrique Совокупность подстанций, распределительных устройств и соединяющих их электрических линий, размещенных на территории района, населенного пункта, потребителя электрической энергии. Тепловая сеть D . Fernwärmenetz Совокупность устройств, предназначенных для передачи и распределения тепла к потребителям. Приемник электрической энергии D . Elektrocnergieanwendungsanlage Устройство, в котором происходит преобразование электрической энергии в другой вид энергии для ее использования. Энерготехнологическая установка Энергоустановка для комплексного использования топлива.Примечание - При комплексном использовании топлива производятся: электрическая энергия, химические продукты, а также металлургическое, бытовое и искусственное жидкое топливо.
Основные режимы и параметры работы энергоустановок
Режим работы энергоустановки Характеристика энергетического процесса, протекающего в энергоустановке и определяемого значениями изменяющихся во времени основных параметров этого процесса. Нагрузка энергоустановки потребителя Значение мощности или количества тепла, потребляемых энергоустановкой в установленный момент времени. Мощность электроустановки Суммарная активная мощность, отдаваемая в данный момент времени генерирующей электроустановкой приемникам электрической энергии, включая потери в электрических сетях. Мощность группы электроустановок Суммарная активная мощность, отдаваемая в данный момент времени генерирующей группой электроустановок приемникам электрической энергии, включая потери в электрических сетях. График нагрузки энергоустановки потребителя D . Belastungsfahrplan; F . Courbe de charge Кривая изменений во времени нагрузки энергоустановки потребителя. График продолжительности нагрузки (мощности) энергоустановки потребителя Е . Load duration curve; F . Diagramme des charges classées Кривая, показывающая суммарную длительность данного и большего значения нагрузки (мощности) энергоустановки в течение установленного интервала времени.Примечание - За установленный интервал времени принимают год.
Максимум нагрузки энергоустановки (группы электроустановок) Ндп. Пик нагрузки Наибольшее значение нагрузки энергоустановки потребителя (группы энергоустановок) за установленный интервал времени.
Примечание - За установленный интервал времени принимают сутки, неделю, месяц, год.
Базисный режим электростанции Режим работы электростанции с заданной, практически постоянной, мощностью в течение установленного интервала времени. Маневренный режим электростанции Режим работы электростанции с переменной мощностью в течение установленного интервала времени. Установленная мощность электроустановки Наибольшая активная электрическая мощность, с которой электроустановка может длительно работать без перегрузки в соответствии с техническими условиями или паспортом на оборудование. Ограничение мощности агрегата (электростанции) Ндп. Разрывы мощности Значение вынужденного недоиспользования установленной мощности генерирующего агрегата (электростанции).
Примечание - Снижение мощности из-за ремонтных работ в ограничение мощности не включают.
Располагаемая мощность агрегата (электростанции) Е . Available power station capacity; F . Puissance disponible d’une centrale Установленная мощность генерирующего агрегата (электростанции), за вычетом ограничений его мощности. Рабочая мощность электростанции Располагаемая мощность электростанции, за вычетом мощности оборудования, выведенного в ремонт. Резервная мощность электроустановки Е . Reserve power; F . Puissance de réserve Разность между рабочей мощностью генерирующей электроустановки и мощностью, генерируемой в установленный момент времени. Присоединенная мощность электроустановки Сумма номинальных мощностей трансформаторов и приемников электрической энергии потребителя, непосредственно подключенных к электрической сети. Коэффициент неравномерности графика нагрузки энергоустановки потребителя Отношение минимального значения ординаты графика нагрузки потребителя к максимальному за установленный интервал времени. Коэффициент заполнения графика нагрузки энергоустановки потребителя D . Belastungsfaktor Отношение среднеарифметического значения нагрузки энергоустановки потребителя к максимальному за установленный интервал времени. Коэффициент спроса Отношение совмещенного максимума нагрузки приемников энергии к их суммарной установленной мощности. Коэффициент одновременности D . Gleichzeitigkeitsfaktor Отношение совмещенного максимума нагрузки энергоустановок потребителей к сумме максимумов нагрузки этих же установок за тот же интервал времени. Показатель использования установленной мощности электростанции D . Benutzungsdauer der installierten Leistung; F . Durée d’utilisation de la puissance maximale possible d’un groupe Отношение произведенной электростанцией электрической энергии за установленный интервал времени к установленной мощности электростанции.
Примечание - Показатель использования обычно выражают в часах за год.
Коэффициент использования установленной мощности электроустановки Отношение среднеарифметической мощности к установленной мощности электроустановки за установленный интервал времени. Коэффициент сменности по энергопотреблению Отношение годового количества электроэнергии, потребляемой предприятием, к условному годовому потреблению.
Примечание - Под условным годовым потреблением понижают потребление при работе всех смен и режиме наиболее загруженной смены.
Уровень напряжения в пунктах электрической сети D . Spannungsniveau Значение напряжения в пунктах электрической сети, усредненное по времени или по некоторому числу узлов сети. Замыкающие затраты на топливо (электрическую энергию) Удельные народнохозяйственные затраты на увеличение потребности в различных видах топлива (электрической энергии) в данном районе в установленный интервал времени. Тариф на электрическую энергию (тепло) Е . Tariff; F . Tarif Система ставок, но которым взимают плату за потребленную электрическую энергию (тепло).
Литература
- ГОСТ 19431-84 Энергетика и электрификация. Термины и определения
- ГОСТ 21027-75 Системы энергетические. Термины и определения
- ГОСТ 24291-90 Электрическая часть электростанции и электрической сети. Термины и определения
- ГОСТ Р 54130-2010 Качество электрической энергии. Термины и определения
Общее понятие энергетики. Энергетика - это область де_
ятельности, связанная с производством и потреблением энер_
гии. В системном плане энергетика представляет собой сово_
купность подсистем, служащих для преобразования, распреде_
ления и использования энергетических ресурсов всех видов.
Назначение энергетики состоит в том, чтобы обеспечить про_
изводство энергии путем преобразования первичной энергии
(например, химической, содержащейся в нефти) во вторичную
(допустим, электрическую энергию) и эффективное использо_
вание ее конечным потребителем (к примеру, троллейбусом).
Производство и потребление энергии проходят следующие
Получение и концентрация энергетических ресурсов - не_
фти, угля;
Передача сырья к преобразующим установкам (нефти - на
нефтеперерабатывающий завод (НПЗ), угля - на теплоэлектро_
станцию (ТЭС));
Преобразование первичной энергии сырья во вторичную с
новым носителем (в топливо - на НПЗ, электрическую энер_
гию - на ТЭС);
Передача вторичной энергии потребителям (топлива - ав_
томобилям, электроэнергии - троллейбусам, в отопительные и
осветительные системы);
Потребление доставленной энергии (автомобилем - для со_
вершения транспортной работы, отопительными системами -
для обогрева помещений).
Теоретическую основу энергетики составляет ряд научных
дисциплин: термо_ и газодинамика, тепло_ и электротехника,
гидромеханика и др.
Базовые понятия энергетики включают в себя энергию, ее
виды и формы; энергоносители и топливо; измерители энергии
и системы единиц; основные законы и методы преобразования
энергии, типы преобразователей; способы передачи и аккуму_
лирования энергии. Только при знании всех этих элементов в их
взаимосвязи можно составить системное представление об
энергетике в целом и возможностях эффективного функциони_
рования ее подобласти - транспортной энергетики, связанной
с осуществлением перевозок.
Энергия, работа, единицы измерения. Термин «энергия »
происходит от греческого слова energeia - действие. Энергия
пронизывает и объединяет многие процессы, является универ_
сальной количественной мерой движения и взаимодействия
всех видов материи. Энергия - скалярная характеристика дви_
жения материи и работы, совершаемой материальными телами.
Работа производится под действием силы. Сила возникает при
наличии полей, окружающих тела. Каждой форме движения
материи соответствует свой вид энергии: механическая, тепло_
вая, химическая, электрическая, ядерная (атомная) и др.
Сумма всех видов энергии в объекте составляет полную энер_
гию E , которая связана с его массой m и скоростью света с зако_
ном Эйнштейна: E _ mc 2. Массе 1 г соответствует энергия 1014 Дж.
Превращение внутренней энергии тела в ее внешние формы
называют освобождением энергии . При химических реакциях
освобождается 5 · 10_9% общего запаса энергии тела, при ядер_
ных - 0,09 %, термоядерных - 0,65 %, а при аннигиляции эле_
ментарных частиц - 100% .
Энергия может превращаться из одного вида в другой. При
этом полная энергия изолированной системы в соответствии с
законом сохранения энергии остается неизменной. Из данного
закона вытекает другой общий закон: запас энергии тела (сис_
темы), совершающего работу, уменьшается, а запас энергии тела
при приложении к нему внешней силы, производящей работу,
увеличивается.
Полная энергия тела (системы) состоит из кинетической
энергии движения тела, потенциальной энергии, обусловлен_
ной наличием силовых полей, и внутренней энергии. Механи_
ческая кинетическая энергия присуща движущимся предме_
там, а механическая потенциальная энергия - объектам, рас_
положенным выше уровня базовой поверхности.
Тепловой энергией обладают нагретые предметы. Химиче_
ская энергия содержится в топливе и пище. Электрическая
энергия генерируется в основном на электростанциях. Лучи_
стая энергия (энергия электромагнитного излучения) в форме
солнечной энергии служит для Земли источником теплоты и
света. Ядерная энергия является разновидностью потенциальной
энергии, связанной с наличием внутриядерных силовых полей.
ли (табл. 1.1) .
С энергией связана способность совершать работу; она обес_
печивает функционирование промышленности, транспорта и
других отраслей хозяйства.
Наиболее широко используется электрическая энергия, вы_
рабатываемая в основном ТЭС, атомными (АЭС) и гидроэлек_
тростанциями (ГЭС), а также получаемая из других источников.
На транспорте значительна доля тепловой энергии.
Энергия, обеспечивающая конечные производственные про_
цессы - электрофизические, механические, тепловые, освеще_
ние, передачу информации, представляет собой конечную энер_
Энергия, которая содержится в энергоносителях и обеспечи_
вает работу конечных энергетических установок, называется
подведенной .
Коэффициент полезного действия _ характеризует степень
совершенства устройства, осуществляющего передачу или пре_
образование энергии. Он равен отношению полезной энергии
E пол или мощности N пол соответственно к подводимой энергии
E или мощности N :
_ _ E пол/E _ N пол/N.
Чем выше КПД устройства, тем больше подводимой энергии
используется им или преобразуется. Смена поколений машин и
преобразователей энергии всегда сопровождалась повышением
КПД. Паровые машины в первой половине XIX в. имели КПД
5…7 %. КПД энергоустановки паровоза был повышен до 10 %,
а тепловоза - до 28 %. У современных поршневых паровых ма_
шин и двигателей внутреннего сгорания (ДВС) КПД не превы_
шает 35 %, а у паровых и газовых турбин - 40 % .
Та б л и ц а 1.1
Виды энергии и ее физические носители
___ _______ _________ _____ _
___________ __________ _ _______ _____ _ __ __
___ ____ ____ _ __ __ __ ___________ _ _________
!________ $ _____ ___#___ __"_
$ ________ $ _____ _ _____ ___ ______ __ _________
_ ______ _______ _ _ ______
__ ______ $ ___________ __ _
Единицей измерения энергии в Международной системе еди_
ниц СИ является джоуль (1 Дж _ 1 Н · м).
В тепловых расчетах применяют калорию (1 кал _ 4,1868 Дж).
В производстве и быту пользуются единицей, называемой
киловатт_часом (1кВт · ч _ 3,6 · 106Дж _ 860 076 кал).
Для оценки запасов источников энергии в качестве ее едини_
цы часто применяется тонна условного топлива - угля (т у. т.).
При полном сгорании 1 т у. т. выделяется энергия 7 · 103 ккал.
Виды и формы энергии
Механическая энергия. Механическая энергия характери_
зует движение и взаимодействие тел в пространстве и времени.
Этот вид энергии, лежащий в основе действия механических
устройств, изучается теоретической и технической механикой.
Поскольку механическая энергия является конечным видом
энергии для транспорта, вспомним основные положения меха_
Р а б о т а с и л ы и м о м е н т а с и л ы. Механическая энер_
гия вводится с использованием понятий работы силы и работы
момента силы. Элементарной работой силы dL на элементар_
ной длине пути ds называется скалярное произведение вектора
силы _P и вектора элементарного перемещения _ dr
dL Pdr_ P cos ds,
где _ r - радиус_вектор, _ - угол между векторами _P и _ dr .
Работой на участке пути является интеграл по пути:
При вращательном движении работу производит момент
силы M. Заменяя в выражении (1.1) силу P моментом M , а путь
ds - углом поворота d _ и полагая, что cos_ _ 1, для работы мо_
мента сил получим
где М _ Ph ; h - плечо силы, равное кратчайшему расстоянию
между направлением ее действия и осью вращения.
Единицей измерения момента силы в СИ является Н · м.
По форме энергию подразделяют на кинетическую и потен_
циальную.
К и н е т и ч е с к а я э н е р г и я. При действии на тело силы
его кинетическая энергия E к возрастает на величину dE к _ dL .
Интегрируя dE к для тела , движущегося поступательно (cos_ _
1), получим
E dL Pds mads m vdt mvdv mv
где т - масса; v - линейная скорость; а - линейное ускоре_
ние тела.
При вращательном движении роль массы играет момент
инерции тела I , а роль скорости - угловая скорость _ d _/dt.
Поэтому для вращающегося тела получим
Е к _ I 2/2.
При вращательном движении аналогом линейного ускорения a
является угловое ускорение _ d /dt и момент инерции связан
с моментом силы зависимостью I _ M /.
В СИ момент инерции измеряется в кг · м2.
Если тело одновременно участвует в поступательном и вра_
щательном движениях, его энергия
Е к _ mv 2/2 _ I 2/2.
П о т е н ц и а л ь н а я э н е р г и я. При воздействии потенци_
альной силы , работа которой определяется только начальным и
конечным положениями тела, величина энергии, равная работе
силы на пути между этими положениями, называется потенци_
альной энергией E п.
З а к о н с о х р а н е н и я м е х а н и ч е с к о й э н е р г и и.
Данный закон записывается в виде
Е _ Е к _ Е п _ const.
Он является частным случаем закона сохранения и превра_
щения полной энергии.
Мощнос т ь. Согласно определению мощность - это рабо_
та, совершаемая в единицу времени: N _ dL /dt. При поступа_
тельном движении N _ Pv , а при вращательном - N _ М . Одну и
ту же мощность можно получить различными сочетаниями силы
P и скорости v или момента силы М и угловой скорости.
Мощность в СИ измеряется в ваттах: 1 Вт _ 1 Дж/с. Внесис_
темной единицей мощности является лошадиная сила - работа,
производимая силой 75 кгс на пути 1 м за 1 с: 1 л.с. _ 735,5 Вт.
Тепловая энергия. Теплота представляет собой форму про_
явления внутреннего беспорядочного (хаотического) движения
частиц тела (системы). Мерой теплоты является ее количество,
получаемое или отдаваемое телом при теплообмене. Это коли_
чество теплоты называют тепловой энергией.
Проблемы, связанные с осуществлением тепловых процес_
сов, рассматриваются термодинамикой и теплотехникой. Термо_
динамика изучает процессы в системах путем анализа превра_
щения теплоты в различные виды энергии. Теплотехника охва_
тывает производство, распределение, транспортирование и ути_
лизацию теплоты. Способы извлечения, преобразования и ис_
пользования тепловой энергии в ДВС будут с необходимой глу_
биной рассмотрены в гл. 2 и 3. Здесь упомянем лишь основные
законы термодинамики.
Согласно первому началу (закону ) термодинамики количе_
ство теплоты q , сообщаемое единице массы системы, расходу_
ется на увеличение ее внутренней энергии _u и совершение
системой работы l над внешней средой:
q _ _u _ l .
Внутренняя энергия является функцией состояния системы:
ее значение полностью определяется параметрами состояния и не
зависит от пути, приведшего вещество в данное состояние. Внут_
ренняя энергия включает в себя кинетическую и потенциальную
энергию частиц вещества. Первый закон термодинамики можно
рассматривать как одну из формулировок закона сохранения и
превращения энергии, примененного к тепловым процессам.
Второе начало (закон ) термодинамики устанавливает не_
обратимость реальных процессов и определяет их направление.
Этот закон связан с понятием энтропии. Как и внутренняя энер_
гия, энтропия характеризует состояние системы и является ее
функцией. Энтропия изменяется при сообщении телу или отбо_
ре у него теплоты и является мерой молекулярного хаоса и неупо_
рядоченности физической системы. При необратимых адиабат_
ных процессах энтропия растет, и это является законом приро_
ды при наличии антропогенного воздействия на нее.
В соответствии с третьим началом (законом ) термодинами_
ки при приближении температуры к абсолютному нулю энтро_
пия системы также стремится к нулю, что дает возможность
рассчитывать абсолютное значение энтропии.
Теплообменом называется необратимый самопроизвольный
процесс передачи теплоты. Знание законов теплообмена позво_
ляет эффективно передавать теплоту потребителям и уменьшать
ее потери в линиях теплопередачи. Существуют следующие
виды передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и лучи_
стый теплообмен.
В природе и технике источниками тепловой энергии явля_
ются химические реакции, электрический ток, электромагнит_
ное излучение и ядерные реакции.
Химическая энергия. Этот вид энергии представляет собой
часть внутренней энергии вещества, обусловленную взаимо_
действием атомов в молекуле. Выделяющаяся при сжигании
топлива энергия используется для получения теплоты.
Вещества подразделяются на органические и неорганиче_
ские. К органическим относятся углеродосодержащие веще_
ства - нефть, уголь, спирт и др. Примерами неорганических ве_
ществ могут служить вода, песок и минералы.
Вещества вступают во взаимодействие - реакции , и тогда
образуются новые вещества. Реакцию характеризует энергия
активации , необходимая для разрыва связей реагирующих ве_
ществ и способствующая образованию новых связей и веществ.
Скорость протекания реакции зависит от природы реагирующих
веществ, термодинамических параметров состояния и внешне_
го воздействия.
Реакции бывают экзотермическими и эндотермическими.
Первые протекают с выделением энергии, вторые - с ее погло_
щением. К экзотермическим реакциям, в частности, относятся
реакции сжигания топлива.
Процесс сжигания топлива называется горением. Для горе_
ния характерно интенсивное выделение энергии, значитель_
ный нагрев, образование пламени, свечение, превращение твер_
дого и жидкого топлива в газ. При горении образуется дым -
аэрозоль, состоящий из твердых частиц размером 0,1…10 мкм,
взвешенных в газовой среде. После горения остается зола -
минеральный остаток, содержащий SiO2, Fe2О3 и другие соеди_
Ор г а н и ч е с к о е т о п л и в о. В состав этого вида топлива
входят углерод, водород, кислород, азот, сера, вода и другие эле_
менты и вещества. В зависимости от агрегатного состояния оно
бывает твердым (уголь, древесина, торф), жидким (керосин,
бензин, солярка, мазут) и газообразным (природные и искусст_
венные газы).
Природным топливом являются древесина, природный газ,
полезные ископаемые растительного происхождения (каменный
и бурый уголь, антрацит, торф, горючие сланцы); искусствен_
ным - бензин, керосин, солярка, мазут, водород, кокс, коксо_
вые и генераторные газы и др.
Энергетическая эффективность топлива определяется удель_
ной теплотой сгорания , равной теплоте, выделяющейся при
сгорании 1 кг топлива. Различают высшую удельную теплоту
сгорания Н 0 - без учета потерь на испарение влаги, содержащей_
ся в топливе, и низшую удельную теплоту сгорания Нu - с уче_
том этих потерь. Из природного топлива наибольшей теплотой
сгорания обладает природный газ (Н 0 _ 50 МДж/кг). Значитель_
ную теплоту сгорания имеет водород (Н 0 _ 116 МДж/кг).
Для сопоставления разных ви_
дов топлива и его суммарного
учета используют понятие вооб_
ражаемого условного топлива с
низшей удельной теплотой сгора_
ния, равной 29,3 МДж/кг. Масса
условного топлива m у выражает_
ся через массу натурального топ_
лива т 1082 кн с помощью соотношения
m у _ Нu т н/29,3.
В табл. 1.2 приведены усред_
ненные значения удельной теп_
лоты сгорания некоторых видов
органического топлива .
П е р с п е к т и в н ы е в и д ы
т о п л и в а. Приведем краткое описание некоторых из них.
Водород имеет удельную теплоту сгорания втрое более высо_
кую, чем у нефти, а при его сгорании образуется экологически
безопасная вода. При его использовании в двигателях в воздух не
выбрасывались бы несгоревшие углеводороды, соединения свин_
ца и оксид углерода. Однако бензин, залитый в бак вместимос_
тью 80 л, имеет массу 56 кг; эквивалентное по энергосодержанию
количество водорода имеет массу 20 кг, но стальные резервуары
для этого количества газа должны иметь массу несколько тонн.
Получение водорода пока дорогостоящий процесс.
Недостатком этого вида топлива является также то, что во_
дород более взрывоопасен, чем компоненты природного газа.
В качестве топлива могут быть использованы спирты - ме_
танол СН3ОН и этанол С2Н5ОН. Применение спирта требует
доработки ДВС, но 20%_ная добавка этанола к бензину делает
эту смесь (газохол) приемлемой для обычных двигателей. Дви_
гатель, работающий на спирте, выделяет гораздо меньше про_
дуктов сгорания, чем бензиновый двигатель.
Городские отходы на 40…60 % состоят из веществ, не ус_
тупающих по теплоте сгорания низкосортным маркам угля
Решая проблему утилизации отходов, необходимо пред_
усмотреть возможность использования этой теплоты. Наибо_
лее разработанные технологии биоэнергетики - биохимичес_
кая или термохимическая конверсия отходов в биогаз и эта_
нол. Электрическая энергия. Это единственный вид энергии,
который удается производить в больших количествах, переда_
вать на значительные расстояния и сравнительно просто рас_
пределять. Электроэнергия легко преобразуется в другие виды
Та б л и ц а 1.2
Удельная теплота сгорания
Органического топлива,
МДж /кг
Топливо Hu H0
Бурый уголь 14 27
Антрацит 21 34
Каменный уголь 24 35
Мазут 40 42
Природный газ 48 50
Электрическая энергия обусловлена наличием заряженных
тел, электрического тока, электрических и магнитных полей.
Природу электрических явлений изучает электродинамика , а
методы получения, передачи, распределения и использования
электрической энергии - электротехника . Вспомним основ_
ные понятия, связанные с электромагнитными явлениями, по_
лучением и применением электрического тока.
Электрический ток - это упорядоченное движение свобод_
ных электрических зарядов. Ток характеризуется направлением,
силой и напряжением. В СИ сила тока I измеряется в амперах
(А), а напряжение U - в вольтах (В).
Магнитное поле создается электрическим током. Характери_
стики поля таковы: напряженность - измеряется в СИ в ампе_
рах на метр (A/м); магнитная индукция - в теслах (Тл), 1 Тл _
1 Н/(А · м).
Электромагнитная индукция - явление возникновения
электродвижущей силы в проводнике, если он движется в по_
стоянном или покоится в меняющемся магнитном поле. Это яв_
ление используется для получения электрического тока генера_
торами и преобразования переменного тока трансформаторами.
Магнитный поток измеряется в веберах (Вб), 1 Вб _ 1 Тл · м2.
Одновременное существование в области пространства пере_
менных электрического и магнитного полей обусловливает
электромагнитное поле . Переменные во времени электромаг_
нитные поля называются электромагнитными колебаниями.
Постоянный электрический ток характеризуется тем, что
его сила и направление не меняются со временем. В СИ едини_
цей электрического сопротивления R является ом (Ом). Ток,
проходя через потребитель, совершает работу L _ IUt . Мощ_
ность тока определяется работой, совершаемой им в единицу
N _ dL /dt _ IU _ I 2R _ U 2/R.
Работа и мощность тока в СИ измеряются соответственно в
джоулях (Дж) и ваттах (Вт), 1 Вт _ 1 А · В. Внесистемной едини_
цей работы тока является киловатт_час (кВт · ч).
Переменный электрический ток - это ток, изменяющий_
ся во времени по величине и направлению. Мгновенное значе_
ние силы тока
I _ I max sin(t _),
где I max - амплитуда; (t _) - фаза тока; - циклическая
частота (_ 2__); _ - частота колебаний; - начальная фаза.
Закон Ома для переменного тока принимает вид
I max _ U max /Z ,
где U max - амплитуда напряжения; Z - полное сопротивление
цепи, включающее в себя активное и реактивное сопротивления.
Важными для практики являются понятия действующих
силы тока, напряжения и мощности:
I _ I max 2, U _Umax 2,
2 _ 2 _ 2 _ 2 _ _
N U R I R I maxR 2 Umax 2R .
Напряжения 220 В (в быту) и 110 кВ (в линии передачи) яв_
ляются действующими напряжениями переменного тока.
Для цепи с активными и реактивными элементами, в кото_
рой ток и напряжение изменяются с разностью фаз _, средняя
мощность тока за период
учитывающая потери электрической энергии, носит название
активной мощности , а величина cos _ - коэффициента мощ_
ности . Активная мощность в СИ измеряется в ваттах (Вт), пол_
ная - в вольт_амперах (В · А), реактивная - в реактивных вольт_
амперах (вар).
Трехфазная электрическая цепь по сравнению с однофаз_
ной позволяет экономить цветной металл в линиях электропе_
редачи (до 25 %), создавать вращающееся магнитное поле ста_
тора асинхронного электродвигателя, снижать пульсации тока
при получении постоянного тока из переменного, а также ис_
пользовать два рабочих напряжения - линейное (380 В) и фаз_
ное (220 В).
Механическое действие тока реализуется в работе электро_
двигателей. В электродвигателях постоянного тока возможно
плавное регулирование скорости вращения ротора. Они приме_
няются для привода колесных пар электротранспорта.
На транспорте используются также асинхронные электродви_
гатели трехфазного переменного тока. В статоре такого двига_
теля при помощи трехфазного тока создается вращающееся маг_
нитное поле. Частота вращения ротора меньше, чем у магнит_
ного поля, причем со снижением нагрузки она возрастает, с уве_
личением - уменьшается.
Асинхронные электродвигатели находят применение в при_
водах станков, кранов, лебедок, лифтов, эскалаторов, насосов и
других механизмов.
Тепловое действие тока проявляется в проводниках, через
которые проходит ток. Количество выделяющейся теплоты Q в
неподвижном проводнике равно работе электрического тока.
Солнечная энергия. Свет представляет собой электромаг_
нитные волны - поток фотонов. Ежесекундно Солнце излуча_
ет энергию 3,9 · 1026 Дж. Поверхности Земли достигает 4,5 · 10_8%
этой энергии. Мощность такого потока равна 1,78 · 1017 Вт. Энер_
гией, поступающей на поверхность площадью 20 тыс. км2, мож_
но обеспечить потребность в ней всего населения земного шара.
Энергетическая освещенность атмосферы составляет 1,4 кВт/м2,
а поверхности Земли - 0,8…1,0 кВт/м2. Затруднения в исполь_
зовании солнечной энергии вызваны ее низкой поверхностной
плотностью вблизи Земли (800 ккал/м2) .
Преобразование солнечной энергии в теплоту осуществля_
ется в сооружениях типа теплиц посредством нагревания теп_
лоносителей в теплоизолированных приемниках излучения, а
также на солнечных тепловых электростанциях.
Прямое преобразование солнечной энергии в электричес_
кую осуществляется двумя методами - термо_ и фотоэлектри_
ческим. Электроэнергия от солнечных батарей пока в 100 раз
дороже вырабатываемой тепловыми электростанциями.
Преобразование солнечной энергии в механическую прин_
ципиально возможно при использовании эффекта солнечного
паруса . Поток фотонов оказывает давление на поверхность Зем_
ли, равное 5 мкПа. Эффект солнечного паруса обусловлен раз_
ницей давлений света на идеально отражающую и полностью
поглощающую поверхности.
Ядерная энергия. По прогнозам, для обеспечения челове_
чества энергией природных запасов органического топлива хва_
тит на полстолетия. В будущем основным энергоресурсом мо_
жет стать солнечная энергия. На переходный же период требу_
ется источник энергии, практически неисчерпаемый, дешевый,
возобновляемый и не загрязняющий окружающую среду. И хотя
ядерная энергия не отвечает полностью этим требованиям, эта
область энергетики интенсивно развивается.
Ядерными реакторами называются устройства, в которых
осуществляются управляемые ядерные цепные реакции, сопро_
вождающиеся выделением теплоты. Основными элементами
ядерного реактора являются активная зона, где находится ядер_
ное топливо и протекает цепная реакция, замедлитель и отра_
жатель нейтронов, теплоноситель для отвода теплоты, образу_
ющейся в реакторе, регуляторы скорости развития цепной ре_
акции и радиационная защита.
Источники и ресурсы энергии
Существующие источники и ресурсы. Ресурсы - это сред_
ства, ценности, источники ценностей, запасы, возможности.
сурсы. Энергоресурсы - это средства, сутью которых является
преобразование и потребление содержащейся в них энергии для
реализации производственных процессов и удовлетворения раз_
личных потребностей.
Субстанция, содержащая энергию, называется энергоноси_
телем , важной характеристикой которого является плотность
рания). Энергоресурсы и энергоносители характеризуются об_
щей величиной запаса (энергоемкостью, массой) и темпом ис_
черпания (скоростью выемки из хранилища, интенсивностью
процесса потребления).
В понятие энергоресурсов входят также источники, их до_
ступность и степень освоения. От этих характеристик зависит
объем энергоресурсов, предназначенный для практического
применения.
Место энергоресурсов во множестве ресурсов, используемых
обществом, рассмотрим с помощью диаграммы классов UML1
Cтруктура системы характеризуется диаграммами классов с
множеством типов отношений. Обобщение, например, позволя_
ет реализовать принцип наследования: общие свойства и пове_
дение размещаются в верхних по иерархии (родительских) клас_
сах, а нижние классы (потомки) обращаются за информацией
к родительским классам. Наследование может быть множе_
ственным, когда потомок приобретает черты многих родителей
(например, класс ВоднРесурс («Водные ресурсы») на рис. 1.1 на_
следует свойства классов Энергоресурс и НеЭнергоресурс ).
На одной диаграмме также можно отображать наследование
свойств по нескольким признакам (как, например, класс При_
родныйРесурс подразделяется на подклассы по признакам
наследование позволяет отобразить сетевой характер классифи_
кации сложной системы (например, класс МинералРесурс мож_
но определить по признаку «Энергосодержание», а также как
Невозобновляемый и Исчерпаемый ).
Обобщение отображается стрелкой со светлым треугольни_
ком, направленной в сторону родительского класса. В качестве
имени класса используют акроним - написанное слитно соче_
тание морфем ключевых слов (или самих слов), начинающихся
1UML - язык визуального моделирования - возник и получил широ_
кое распространение в последнее десятилетие как инструмент объектно_ори_
ентированного моделирования сложных систем, существенно упрощающего
их анализ и проектирование. К основным понятиям UML относятся класс,
объект, атрибут, операция и наследование. Система представляет собой сово_
купность диаграмм классов, активностей и др.
Рис. 1.1. Иерархия ресурсов (диаграмма классов UML):
отношение наследования (треугольник примыкает к классу_родителю)
с заглавной буквы. Имена абстрактных классов пишутся курси_
вом, а конкретных (состоящих из одного определенного объек_
та) либо конечных в иерархии - прямым шрифтом.
Ресурсы в целом подразделяются на природные и экономи_
Природные (первичные ) ресурсы - компоненты окружаю_
щей среды (ОС), используемые в процессе общественного про_
изводства для удовлетворения материальных и культурных по_
требностей. Совокупность природных ресурсов можно разде_
лить на энергоресурсы и неэнергетические ресурсы.
Основные виды природных ресурсов - солнечная энергия
(СолнЭнергия ), энергия приливов (ПриливЭнергия ), геотер_
мальная энергия (ГеотермЭнергия ), водные (ВоднРесурс ), воз_
душные (ВоздРесурс ), минеральные (МинералРесурс ), земель_
ные (ЗемРесурс ) и растительные ресурсы (ФлорРесурс ), а так_
же ресурсы животного мира (ФаунРесурс ). Среди них солнеч_
ная энергия, энергия приливов и геотермальная энергия явля_
ются чисто э н е р г е т и ч е с к и м и р е с у р сами . Земельные,
растительные ресурсы и ресурсы животного мира отнесем к
н еэ н е р г е т и ч е с к и м р е с у р сам . И наконец, водные, воз_
ными: они используются как в процессах, осуществляемых в
энергетике, так и по другому назначению (воздух дает кислород
для топливной энергетики, но также является основой всей
аэробной жизнедеятельности).
Запасы первичных источников энергии, Дж, на Земле тако_
вы : ядерная энергия деления - 1,97 · 1024; химическая энер_
гия горючих веществ - 1,98 · 1023; внутренняя теплота Земли -
4,82 · 1020; энергия приливов - 2,52 · 1023; энергия ветра -
6,12 · 1021; энергия рек - 6,5 · 1019.
Минеральные ресурсы (МинералРесурс ) - это полезные
ископаемые, заключенные в недрах. В зависимости от области
их применения выделяют следующие группы ресурсов:
а) топливно_энергетические - нефть, природный газ, уголь,
урановые руды (ТоплЭнергоресурс );
б) рудные, являющиеся сырьевой основой для черной и цвет_
ной металлургии;
в) горно_химическое сырье - поваренная и другие соли, сера
и ее соединения и др.;
г) природные строительные материалы;
д) гидроминеральные (группы б -д на схеме условно объе_
динены в класс НеТоплЭнергоресурс ).
Природные ресурсы классифицируют и по другому признаку -
практической неисчерпаемости: н е и с ч е р п а е м ы е и и с _
ч е р п а емые . Класс последних, в свою очередь, подразделяет_
ся на возобновляемые и невозобновляемые. Восстановление
запаса возобновляемых ресурсов (гидроресурсы, ветер) обеспе_
чивает природа. Запас невозобновляемых ресурсов (минераль_
ное топливо, уран) ограничен (на схеме показано для минераль_
ных ресурсов в целом). Невозобновляемость обусловлена раз_
личием темпов потребления и создания ресурсов природой.
Например, за сутки сжигается столько топлива, сколько его за_
пасала природа в минералах в течение тысячи лет.
Экономические ресурсы являются составляющими обще_
ственного производства, в том числе энергетики.
Тр у д о в ы е р е су р с ы кроме экстенсивного показателя -
численности обладают такими важными характеристиками, как
интеллектуальный потенциал и технологическая подготовлен_
Матер и а л ь н ы е р е с у р с ы носят вторичный характер
и представляют собой промежуточные или конечные продук_
ты цепи процессов переработки природного сырья (топливо,
получаемое из нефти, товарный уголь и газ), а также тепловые
отходы производственных процессов (отработанный пар, горя_
чие газы).
Энергоресурсы подразделяют также на топливные и нетоп_
ливные. Разнообразные энергоресурсы обладают взаимозаменя_
емостью (вместо жидкого топлива может быть использован газ).
При принятии решений о наилучшем использовании энергоре_
сурсов их сопоставляют количественно. Удобно проводить срав_
нение их удельной теплоты сгорания, Дж/кг.
Теплота сгорания может также измеряться в англо_американ_
ских единицах British Thermal Units (Вtu):
1 Btu _ 252 кал _ 1055 Дж _ 2,93 · 10_4 кВт · ч.
Применение понятия условного топлива позволяет соизме_
рять различные виды топлива. В отечественной практике в ка_
честве основы используется так называемый угольный эквива_
лент - 7000 ккал (29,3 МДж) - теплота, которая выделяется при
сжигании 1 т высококачественного угля (обозначается 1 т у. т.).
Тонна нефти при сгорании выделяет примерно 10 000 ккал
(42 МДж). Это означает, что для перевода массы нефти в уголь_
ный эквивалент следует эту массу умножить на коэффициент
1,43; 1 кВт · ч (3,6 МДж) электроэнергии эквивалентен 0,123 кг
Из всех первичных видов топлива наибольшей удельной теп_
лотой сгорания обладает нефть. К высококачественным энерго_
ресурсам относится природный газ с коэффициентом перевода
объема 1000 м3 на уровне 1,15…1,2.
Источники энергии разделяют на коммерческие и некоммер_
ческие. Коммерческие источники энергии включают в себя
твердые (уголь, торф, сланцы), жидкие (нефть, газовый конден_
сат), газообразные (природный газ) виды топлива и электро_
энергию, произведенную на электростанциях всех типов. Не_
коммерческие источники энергии - древесное топливо, сель_
скохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила
человека и рабочего скота .
Перспективные источники энергии для транспорта. Ра_
бота современного транспорта зависит от невозобновляемых
источников. В будущем человечество перейдет к преобладающе_
му использованию возобновляемых источников энергии. К чис_
лу перспективных источников энергии для транспорта относят_
ся: в ближайшем будущем - уголь и горючие сланцы; в отдален_
ном - внутренняя теплота Земли, движение вод в реках и мо_
рях, ядерная энергия. Из этих источников можно получить
энергию в форме, пригодной для непосредственного использо_
вания, например жидкое топливо, электричество и водород.
1.4. Преобразование и аккумулирование энергии
1.4.1. Преобразование и преобразователи
Тепловые двигатели. На автомобильные ДВС приходится
около 25 % общего количества потребляемой энергии и около
60 % общего количества всех видов загрязнений воздуха. Отра_
ботавшие газы автомобилей содержат СО2, Н2О, СО и другие
вещества. Максимальный теоретический КПД бензиновых ДВС
составляет около 58 %, дизелей - 64 %. КПД реальных ДВС
вдвое меньше.
Двигатели внешнего сгорания. В этих двигателях топливо
сгорает вне цилиндра. Горение происходит непрерывно. Вибра_
При проектировании дуговой сталеплавильной печи выбор мощности печного трансформатора производится на основании энергетического баланса печи в период расплавления и по результатом этого баланса определяется кроме необходимой мощности печного трансформатора и длительность расплавления и удельный расход электроэнергии в период расплавления, т.е. важнейшие параметры печи, определяющие ее производительность и технико-экономическую эффективность.
Определение полезной энергии для нагрева и расплавления металла и шлака.
К концу периода плавления за счет угара и физических потерь с удаленным из печи шлаком происходит потеря некоторой части загруженного в печь металла. По уточненным данным эти потери Кп составляют до 3 % массы лома.
1. Для получения заданного количества жидкого металла в печь необходимо загрузить увеличенное количество скрапа, исходя из соотношения:
где Gзагр - масса загружаемого в печь скрапа;
Gж - масса жидкого металла в конце периода плавления;
Kп - потери металла по отношению к массе загружаемого в печь скрапа,%;
2. Энергия, необходимая для нагрева и расплавления скрапа:
W1 = Gзагр · С1 · (tпл - t0) + 0,278· лж= 87,63 · 179 · (1600-50) + 750 · 0,278= 24313152 Вт · ч
где С1 - средняя удельная теплоемкость материала в интервале от начальной
температуры до температуры плавления, Вт · ч/(кг · 0С)
tпл - температура плавления, ос;
tпер - заданная температура перегрева, 0С;
лж - скрытая теплота плавления жидкого металла, кДж/кг;
3. Энергия, необходимая для перегрева расплавленного металла (Вт · ч):
W2 = Gж · С2 · tпер =87,63· 181 · 50 = 793051,5 Вт · ч
где С2 - средняя удельная теплоемкость жидкого материала в интервале от температуры плавления до заданной температуры перегрева, Вт · ч / (кг ·0С).
4. Энергия, необходимая для нагрева и расплавления шлакообразующих материалов, а также для перегрева расплавленного шлака, равна (Вт · ч):
W3 = Gш · (Сш · (tпер - tпл) + лш·0,278)= 5,26 · (34 · (1600-50) + 752·0,278) = 278301,66 Вт · ч.
где Gш - масса шлака (кг) принимается по отношению к массе загружаемого в печь скрапа и зависит от условий проводимой технологии.
Gш =87,63 · 0,06=5,26т.
5. Суммарная энергия периода расплавления:
Wпол = W1 + W2 + W3 = 24313152+793051,5+278301,66 =25384505,2 Вт · ч
Определение тепловых потерь через футеровку:
При работе ДСП огнеупорная кладка стен и свода с каждой плавкой изнашивается и утончается. Принимая, что к концу компании кладка может износиться на 50 % первоначальной ее толщины, вводить в расчет 0,75 толщины огнеупорной кладки. К футеровке подины эта рекомендация не относится.
1. Определим удельный тепловой поток нижнего участка стены при толщине равной:
0,75· 0,46=0,345м.
2. Коэффициент теплопроводности магнезитохромитового кирпича:
Температуру внутренней поверхности огнеупорной кладки принимаем равной єС, температуру окружающего воздуха єС. Температурой внешней поверхности кладки задаемся в первом приближении (для определения tср) єС.
3. При этих условиях определяем коэффициент теплопроводности:
где = 31,35 Вт/(м2К) - коэффициент теплоотдачи с поверхности кожуха.
- 4. Толщина верхнего участка стены:
- 5. Задаемся температурой кожуха єС и определяем коэффициент теплопроводности:
- 6. Расчетная внешняя поверхность каждого участка стен равна:
7. Суммарные тепловые потери через стены печи:
Для определения удельных потерь принимаем температуру внутренней поверхности футеровки подины t1=1600єС и задаемся в первом приближении температурой внешней футеровки, а также температурой на границе огнеупорного и теплоизоляционного слоев футеровки
- 8. Тепловые потери через футеровку падины:
- 9. Суммарные тепловые потери:
- 10. Тепловые потери через футеровку свода:
t1=tпл=1600"C; t2=20"C
11. Суммарные тепловые потери через футеровку:
Qф=Qст+Qсв+ Qпад=189082+227957,23+961652,7=1378691,93Вт=1378,69кВт
12. Тепловые потери излучением Qизл(кВт) через рабочее окно печи определяется по уравнению:
Qизл = qизл · ц · Fизл
где qизл - удельные тепловые потери излучением с поверхности, имеющей температуру tизл, в окружающую среду с температурой 200
qизл = 572 Вт/м2
ц - коэффициент дифрагмирования оконного проема
Fизл - тепловоспринимающая поверхность дверцы рабочего окна, м2.
Fизл= b· h=1.374 ·1.031=1.417м2
Qизл = 572 · 1,417 · 1 = 810,524Вт=0,811 кВт.
13. Тепловые потери межплавочного простоя Qпр можно определить следующим образом:
Qпр = (Qф + Qизл + 0,5 Qг) · Kн.п.=(1378,69+0,811+0,5·3298) ·1,1=3331,35кВт
где Qф- потери через футеровку в период расплавления, кВт;
Qизл- потери излучением через рабочее окно в период расплавления, кВт;
Qг - потери печи с газами в период расплавления, кВт=3298кВт
Кн.п. - коэффициент неучтенных потерь, принимаемый обычно в пределах 1,1 - 1,2
Энергия - это то, благодаря чему существует жизнь не только на нашей планете, но и во Вселенной. При этом она может быть очень разной. Так, тепло, звук, свет, электричество, микроволны, калории представляют собой различные виды энергии. Для всех процессов, происходящих вокруг нас, необходима эта субстанция. Большую часть энергии все сущее на Земле получает от Солнца, но имеются и другие ее источники. Солнце передает ее нашей планете столько, сколько бы выработали одновременно 100 млн самых мощных электростанций.
Что такое энергия?
В теории, выдвинутой Альбертом Эйнштейном, изучается взаимосвязь материи и энергии. Этот великий ученый смог доказать способность одной субстанции превращаться в другую. При этом выяснилось, что энергия является самым важным фактором существования тел, а материя вторична.
Энергия - это, по большому счету, способность выполнять какую-то работу. Именно она стоит за понятием силы, способной двигать тело или придавать ему новые свойства. Что же означает термин «энергия»? Физика - это фундаментальная наука, которой посвятили свою жизнь многие ученые разных эпох и стран. Еще Аристотель использовал слово «энергия» для обозначения деятельности человека. В переводе с греческого языка «энергия» - это «деятельность», «сила», «действие», «мощь». Первый раз это слово появилось в трактате ученого-грека под названием «Физика».
В общепринятом сейчас смысле данный термин был введен в обиход английским ученым-физиком Это знаменательное событие произошло в далеком 1807 году. В 50-х годах XIX в. английский механик Уильям Томсон впервые использовал понятие «кинетическая энгергия», а в 1853 г. шотландский физик Уильям Ренкин ввел термин «потенциальная энергия».
Сегодня эта скалярная величина присутствует во всех разделах физики. Она является единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи. Другими словами, она представляет собой меру преобразования одних форм в другие.
Единицы измерения и обозначения
Количество энергии измеряется Эта специальная единица в зависимости от вида энергии может иметь разные обозначения, например:
- W - полная энергия системы.
- Q - тепловая.
- U - потенциальная.
Виды энергии
В природе существует множество самых разных видов энергии. Основными из них считаются:
- механическая;
- электромагнитная;
- электрическая;
- химическая;
- тепловая;
- ядерная (атомная).
Есть и другие виды энергии: световая, звука, магнитная. В последние годы все большее число ученых-физиков склоняются к гипотезе о существовании так называемой «темной» энергии. Каждый из перечисленных ранее видов данной субстанции имеет свои особенности. Например, энергия звука способна передаваться при помощи волн. Они способствуют возникновению вибрации барабанных перепонок в ухе людей и животных, благодаря которой можно слышать звуки. В ходе различных химических реакций высвобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности всех организмов. Любое топливо, продукты питания, аккумуляторы, батарейки являются хранилищем этой энергии.
Наше светило дает Земле энергию в виде электромагнитных волн. Только так она может преодолеть просторы Космоса. Благодаря современным технологиям, таким как солнечные батареи, мы можем использовать ее с наибольшим эффектом. Излишки неиспользованной энергии аккумулируются в особых энергохранилищах. Наряду с вышеперечисленными видами энергии часто используются термальные источники, реки, океана, биотопливо.
Механическая энергия
Этот вид энергии изучается в разделе физики, называемом «Механикой». Она обозначается буквой Е. Ее измерение осуществляется в джоулях (Дж). Что собой представляет эта энергия? Физика механики изучает движение тел и взаимодействие их друг с другом либо с внешними полями. При этом энергия, обусловленная движением тел, называется кинетической (обозначается Ек), а энергию, обусловленную или внешних полей, именуют потенциальной (Еп). Сумма движения и взаимодействия представляет собой полную механическую энергию системы.
Для расчета обоих видов существует общее правило. Для определения величины энергии следует вычислить работу, необходимую для перевода тела из нулевого состояния в данное состояние. При этом чем больше работа, тем большей энергией будет обладать тело в данном состоянии.
Разделение видов по разным признакам
Существует несколько видов разделения энергии. По разным признакам ее делят на: внешнюю (кинетическую и потенциальную) и внутреннюю (механическую, термическую, электромагнитную, ядерную, гравитационную). Электромагнитная энергия в свою очередь подразделяется на магнитную и электрическую, а ядерная - на энергию слабого и сильного взаимодействия.
Кинетическая
Любые движущиеся тела отличаются наличием кинетической энергии. Она часто так и называется - движущей. Энергия тела, которое движется, теряется при его замедлении. Таким образом, чем быстрее скорость, тем больше кинетическая энергия.
При соприкосновении движущегося тела с неподвижным объектом последнему передается часть кинетической, приводящая и его в движение. Формула энергии кинетической следующая:
- Е к = mv 2: 2,
где m — масса тела, v - скорость движения тела.
В словах эту формулу можно выразить следующим образом: кинетическая энергия объекта равна половине произведения его массы на квадрат его скорости.
Потенциальная
Этим видом энергии обладают тела, которые находятся в каком-либо силовом поле. Так, магнитная возникает, когда объект находится под действием магнитного поля. Все тела, находящиеся на земле, обладают потенциальной гравитационной энергией.
В зависимости от свойств объектов изучения они могут иметь различные виды потенциальной энергии. Так, упругие и эластичные тела, которые способны вытягиваться, имеют потенциальную энергию упругости либо натяжения. Любое падающее тело, которое было ранее неподвижно, теряет потенциальную и приобретает кинетическую. При этом величина этих двух видов будет равнозначна. В поле тяготения нашей планеты формула энергии потенциальной будет иметь следующий вид:
- Е п =
mhg,
где m — масса тела; h - высота центра массы тела над нулевым уровнем; g - ускорение свободного падения.
В словах эту формулу можно выразить так: потенциальная энергия объекта, взаимодействующего с Землей, равна произведению его массы, ускорению свободного падения и высоты, на которой оно находится.
Эта скалярная величина является характеристикой запаса энергии материальной точки (тела), находящейся в потенциальном силовом поле и идущей на приобретение кинетической энергии за счет работы сил поля. Иногда ее называют функцией координат, являющейся слагаемым в лангранжиане системы (функция Лагранжа динамической системы). Эта система описывает их взаимодействие.
Потенциальную энергию приравнивают к нулю для некой конфигурации тел, расположенных в пространстве. Выбор конфигурации определяется удобством дальнейших вычислений и называется «нормировкой потенциальной энергии».
Закон сохранения энергии
Одним из самых основных постулатов физики является Закон сохранения энергии. В соответствии с ним, энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает. Она постоянно переходит из одной формы в другую. Иными словами, происходит только изменение энергии. Так, например, химическая энергия аккумулятора фонарика преобразуется в электрическую, а из нее - в световую и тепловую. Различные бытовые приборы превращают электрическую в свет, тепло или звук. Чаще всего конечным результатом изменения являются тепло и свет. После этого энергия уходит в окружающее пространство.
Закон энергии способен объяснить многие Ученые утверждают, что общий объем ее во Вселенной постоянно остается неизменным. Никто не может создать энергию заново или уничтожить. Вырабатывая один из ее видов, люди используют энергию топлива, падающей воды, атома. При этом один ее вид превращается в другой.
В 1918 г. ученые смогли доказать, что закон сохранения энергии представляет собой математическое следствие трансляционной симметрии времени - величины сопряженной энергии. Другими словами, энергия сохраняется вследствие того, что законы физики не отличаются в различные моменты времени.
Особенности энергии
Энергия - это способность тела совершать работу. В замкнутых физических системах она сохраняется на протяжении всего времени (пока система будет замкнутой) и представляет собой один из трех аддитивных интегралов движения, сохраняющих величину при движении. К ним относятся: энергия, момент Введение понятия «энергия» целесообразно тогда, когда физическая система однородна во времени.
Внутрення энергия тел
Она представляет собой сумму энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекул, составляющих его. Ее нельзя измерить напрямую, поскольку она является однозначной функцией состояния системы. Всегда, когда система оказывается в данном состоянии, ее внутренняя энергия имеет присущее ему значение, независимо от истории существования системы. Изменение внутренней энергии в процессе перехода из одного физического состояния в другое всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях.
Внутренняя энергия газа
Помимо твердых тел, энергию имеют и газы. Она представляет собой кинетическую энергию теплового (хаотического) движения частиц системы, к которым относятся атомы, молекулы, электроны, ядра. Внутренней энергией идеального газа (математической модели газа) является сумма кинетических энергий его частиц. При этом учитывается число степеней свободы, представляющее собой число независимых переменных, определяющих положение молекулы в пространстве.
С каждым годом человечество потребляет все большее количество энергоресурсов. Чаще всего для получения энергии, необходимой для освещения и отопления наших жилищ, работы автотранспорта и различных механизмов, используются такие ископаемые углеводороды, как уголь, нефть и газ. Они относятся к невозобновимым ресурсам.
К сожалению, только незначительная часть энергии добывается на нашей планете с помощью возобновимых ресурсов, таких как вода, ветер и Солнце. На сегодняшний день их удельный вес в энергетике составляет всего 5 %. Еще 3 % люди получают в виде ядерной энергии, производимой на атомных электростанциях.
Имеют следующие запасы (в джоулях):
- ядерная энергия - 2 х 10 24 ;
- энергия газа и нефти - 2 х 10 23 ;
- внутренне тепло планеты - 5 х 10 20 .
Годовая величина возобновляемых ресурсов Земли:
- энергия Солнца - 2 х 10 24 ;
- ветер - 6 х 10 21 ;
- реки - 6,5 х 10 19 ;
- морские приливы - 2,5 х 10 23 .
Только при своевременном переходе от использования невозобновляемых запасов энергии Земли к возобновляемым человечество имеет шанс на долгое и счастливое существование на нашей планете. Для воплощения передовых разработок ученые всего мира продолжают тщательно изучать разнообразные свойства энергии.