Теплоэнергетика

Министерство просвещения и образования РФ

Заозерно-архитектурно художественного лицея №16.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

на тему:

Теплоэнергетика.

 

 

 

 

 

                                       

 

Выполнили ученики 10А класса: Куваркин А.

Булдаков Д.

                                         Проверил преподаватель: Завьялова Г.М.

 

 

                                                                          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Томск 2002.

Содержание.

Введение…………………………………………………………2

1.Законы термодинамики…………………….....................4

2.Виды тепловых двигателей…………………………………7

3.Перспективные разработки………………………………...8

4.Термодинамика теплового двигателя…………………….9

5.Работа двигателя……………………………………………..12

6.Схема двигателя………………………………………………14

        7.Экологические проблемы тепловой энергетики………..15

        8.Ресурсы  окружающей среды………………………………..21

        9.Влияние  вредных выбросов ТЭС и ТЭЦ  на атмосферу.23

        10.Способы  снижения загрязняющих выбросов………….26   

12. Цикл Карно……………………………………………………….......27

          

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 Существует неразрывная взаимосвязь  и взаимозависимость условий  обеспечения теплоэнергопотребления  и загрязнения окружающей среды. Взаимодействие этих двух факторов  жизнедеятельности человека и  развитие производственных сил  привлекает постепенное внимание к проблеме взаимодействия теплоэнергетики и окружающей среды.

 На ранней стадии развития  теплоэнергетики основным проявлением  этого внимания был поиск в  окружающей среде ресурсов, необходимых  для обеспечения теплоэнергопотребления  и стабильного теплоэнергоснабжения предприятий и жилых зданий. В дальнейшем границы проблемы охватили возможности более полного использования природных ресурсов путём изыскания и рационализации процессов и технологии, добычи и обогащения, переработки и сжигания топлива, а также совершенствования теплоэнергетических установок.

 С ростом единичных мощностей  блоков, теплоэнергетических станций  и теплоэнергетических систем, удельных  и суммарных уровней теплоэнергопотребления, возникла задача ограничения  загрязняющих выбросов в воздушный и водный бассейны, а также более полного использования их естественной рассеивающей способности.

 На современном этапе проблема  взаимодействия теплоэнергетики  и окружающей среды приобрела  новые черты, распространяя своё  влияние на огромные территории, большинство рек и озёр, громадные объемы атмосферы и гидросферы Земли.

 Ещё более значительные масштабы  развития теплоэнергопотребления  в обозримом будущем предопределяют  дальнейший интенсивный рост  разнообразных воздействий на  все компоненты окружающей среды в глобальных масштабах.

 Принципиально новые стороны  проблемы взаимодействия теплоэнергетики  и окружающей среды возникли  в связи с развитием ядерной  теплоэнергетики.

 Важнейшей стороной проблемы  взаимодействия теплоэнергетики  и окружающей среды в новых условиях является всё более возрастающее обратное влияние определяющая роль условий окружающей среды в решении практических задач теплоэнергетики (выбор типа теплоэнергетических установок, дислокация предприятий, выбор единичных мощностей энергетического оборудования и многое другое).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Законы термодинамики.

 

Первый закон термодинамики

1. Из закона сохранения и превращения  энергии следует, что изменение DW энергии системы равно сумме работы А', совершенной над ней внешними телами, и сообщенного eй тепла Q: DW = Q + A' Q = DW + A   где A - работа, совершаемая системой над внешними телами. При этом предполагается, что Q, DW, А и А' измерены в единицах одной системы.   2. В термодинамике обычно рассматриваются макроскопически неподвижные системы, для которых изменение полной энергии равно изменению внутренней энергии, так что Q = DU + A.   Тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение системой работы против внешних сил (первый закон термодинамики).  Если система представляет собой периодически действующую машину, в которой газ, пар или другое рабочее тело в результате совершения кругового процесса возвращается в исходное состояние, то DU = 0 и A = Q. Следовательно, нельзя построить периодически действующий двигатель, который совершал бы работу, большую подводимой к нему извне энергии (вечный двигатель первого рода невозможен).

 

 

 

 

Второй закон термодинамики

1. Первый закон термодинамики, выражающий  всеобщий закон сохранения и  превращения энергии, не позволяет определить направление протекания термодинамических процессов. Например, основываясь на этом законе, можно было бы пытаться построить вечный двигатель второго рода, т. е. двигатель, рабочее тело которого, совершая круговой процесс, получало бы энергию в форме тепла от одного внешнего тела и целиком передавало бы ее в форме работы другому внешнему телу.  2. Обобщение результатов многочисленных экспериментов привело к выводу о невозможности построения вечного двигателя второго рода. Этот вывод называется вторым законом термодинамики и имеет ряд формулировок, различных по форме, но эквивалентных по существу, в частности:  а) невозможен процесс, единственным результатом которого является превращение тепла, полученного от нагревателя, в эквивалентную ему работу;  б) невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме тепла от холодного тела к горячему.  3. Второй закон термодинамики указывает на существенное различие двух форм передачи энергии - теплоты и работы. Он утверждает, что процесс преобразования упорядоченного движения тела как целого в неупорядоченное движение частиц самого тела и внешней среды является необратимым. Упорядоченное движение может переходить в неупорядоченное без каких-либо дополнительных (компенсирующих) процессов, например при трении. В то же время обратный переход неупорядоченного движения в упорядоченное, или, как часто неточно говорят, «переход тепла в работу», не может являться единственным результатом термодинамического процесса, т. с. всегда должен сопровождаться каким-либо компенсирующим процессом. Например, при равновесном, изотермическом расширении идеальный газ совершает работу, которая полностью эквивалентна теплу, переданному газу нагревателем. Однако плотность газа при этом уменьшается, т. е. «превращение тепла в работу» не является единственным результатом рассматриваемого процесса. Тепловой двигатель, работающий по прямому циклу Карно, совершает работу, эквивалентную лишь части полученного от нагреватели тепла, так как остальная часть последнего отдается холодильнику, состояние которого вследствие этого изменяется. В холодильной машине тепло передается от холодного тела к горячему. Однако дли осуществления этого процесса необходим компенсирующий процесс совершения работы внешними телами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Виды тепловых двигателей.

 

Тепловые двигатели - машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.  
Виды двигателей: 
-паровая машина,  
-двигатель внутреннего сгорания,  
-паровая и газовая турбины,  
-реактивный двигатель.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Перспективные разработки.

 

По данным агенства экономических новостей, наиболее перспективными разработками в настоящее время являются  термомагнитный двигатель и тепловой двигатель с внешним подводом теплоты.

Термомагнитный двигатель выгодно отличается простой конструкцией, в котором тепловая энергия горячих газов, получаемых от сгорания топлива, переходит в механическую энергию за счет фазового перехода материала ротора из магнитного состояния в немагнитное и обратно. Двигатель может иметь коэффициент полезного действия выше, чем у двигателей внутреннего сгорания и для своей работы может даже использовать низкотемпературные газы (порядка 100 град. С), которые другие двигатели не могут использовать совсем или использовать с меньшей эффективностью.

Используя горячие газы, полученные сжиганием жидкого или газообразного топлива, предложенный двигатель может заменять двигатели внутреннего сгорания. Однако новый двигатель гораздо проще по конструкции и работает без шума, что является его большим достоинством.

Новый двигатель может также работать используя горячие газы, являющиеся отходами при работе различных высокотемпературных агрегатов: металлургических печей, котельных установок и т.п.

Рассматриваемый ниже двигатель с внешним подводом теплоты предназначен для утилизации тепловой энергии горячих газов, являющихся отходами различных производств и процессов. Извлеченное тепло двигатель превращает в механическую работу, которая с помощью электрогенератора может быть превращена в электроэнергию. В современном производстве тепловых отходов в виде газов горячих очень много. Это горячие газы, выходящие из металлургических печей, котельных установок разного рода, газы в трубах систем отопления.

Наиболее перспективным применением двигателя является использование его в частных домах в районах с холодным климатом (Север РФ, Сибирь, Аляска, Канадский Север, Скандинавия). В этом случае тепло отходящих газов системы отопления будет использовано для обеспечения дома электроэнергией. Двигатель также может приводить в движение насос для подачи в дом воды из реки.

Рассматриваемый двигатель разработан в Екатеринбурге Конюховым Дмитрием Леонидовичем  и не имеет зарубежных аналогов.

 

 

 

 

 

Термодинамика теплового двигателя.

 

В настоящий момент для двигателей с внешним подводом теплоты наиболее известен термодинамический цикл Стирлинга, состоящий из двух изотерм и двух изохор. Но возможно применение и других термодинамических циклов в подобных двигателях.

Рассмотрим идеальный термодинамический цикл с изотермическим сжатием и адиабатическим расширением некого гипотетического двигателя. На рис. 1 приведен такой идеальный термодинамический цикл, показанный в pV координатах.

                                 

     

Рис. 1. Идеальный термодинамический цикл

 

 

В цикле принят изохорический процесс подвода теплоты так как, его термический КПД больше изобарического. Для упрощения расчетов, изохорический процесс 2–3 показан прямой линией.

 

 

 

 

 

 

   

    

 

 

 

 

Термический КПД цикла по pV-диаграмме рис. 2 :

где: 
P - степень повышения давления; 
Q – показатель адиабаты; 
T – степень сжатия.

 

Как видно из формулы (1) термический КПД такого цикла зависит от отношения температур холодильника и нагревателя. Например, при T3 = 1173K; T1 = 337K; ? = 6,5; ? = 1,6 и ? = 3,5 термический КПД цикла составит 0,55. Что, при прочих равных условиях, сопоставимо с термическим КПД цикла Стирлинга. Но в реальном двигателе добиться, чтобы он работал по такому циклу конечно трудно, поэтому обобщенный термодинамический цикл реального двигателя будет выглядеть так, как показано на рис. 2.

                                    

Рис. 2. Реальный термодинамический цикл

          

 

 

 

Работа двигателя.

 

Для объяснения принципа работы ДВПТ по циклу с изохорическим сжатием и адиабатическим расширением воспользуемся рис. 3.

 

 

                    Рис. 3. Принцип работы ДВПТ  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Такт впуска (рис. 3а).

В верхней мертвой точке (ВМТ) открывается клапан расположенный в поршне и при движении поршня к нижней мертвой точке (НМТ) рабочее тело, с давлением p1 и температурой T1, поступает в цилиндр. В НМТ клапан в поршне закрывается.

 

Такт сжатия (рис. 3б).

При движении поршня к верхней мертвой точке (ВМТ) происходит сжатие рабочего тела, при этом выделяющаяся в процессе сжатия теплота Q1 (см. рис. 1) рассеивается в окружающей среде, вследствие этого температура стенки цилиндра, а, следовательно, и температура рабочего тела поддерживается постоянной и равной T1. Давление рабочего тела возрастает и достигает значения p2.

 

Такт расширения (рис. 3в).

В процессе нагревания теплота через стенку цилиндра передается рабочему телу. При мгновенном подводе теплоты Q2 к рабочему телу давление и температура в цилиндре возрастают, соответственно до p3 и T3. Рабочее тело воздействует на поршень и перемещает его к НМТ. В процессе адиабатного расширения рабочее тело производит полезную работу, а давление и температура уменьшаются до p1 и T1.