Теплоэнергетика

   Одним из основных и  самых крупномасштабных источников загрязнения атмосферы являются ТЭС и ТЭЦ. Основные компоненты, выбрасываемые в атмосферу при сжигании различных видов топлива- нетоксичные углекислый газ (СО2) и водяной пар (Н2О). Кроме этого в воздушную среду выбрасываются такие вредные вещества, как оксиды серы,

азота, углерода, в частности угарный газ (СО), соединения тяжёлых

металлов, таких как свинец (Рв), сажа, углеводороды, несгоревшие частицы твёрдого топлива, канцерогенный бензопирен (С20Н12). 

   При сжигании твёрдого топлива в котлоагрегатах ТЭС и ТЭЦ образуется большое количество золы, диоксида серы (SO2), оксидов азота.

Перевод установок на жидкое топливо уменьшает золообразование, но

практически не влияет на выбросы SO2, так как в мазуте содержится

менее 2% серы.

     Современные ТЭС и  ТЭЦ мощностью 2,4 млн. кВт. расходуют  до 20 тысяч тонн угля в сутки  и выбрасывают в атмосферу: 680 тонн SO2 и         SO3, 200 тонн оксидов азота, 120-240 тонн золы, пыли, сажи, (данные числовые значения приведены для процентного содержания серы в исходном топливе 1,7% и при эффективности системы пылеулавливания

94-98 %.

     Исследования показали, что вблизи мощных станций  и централей, в

атмосферу выбрасывается 280-360 тонн SO2 в сутки. Максимальная

концентрация диоксида серы с подветренной стороны на расстояниях:

200-500, 500-1000, 1000-2000 метров соответственно  составляет: 0,3-

4,9; 0,7-5,5; 0,22-2,8; мГ/м3. Из этого следует, что диоксид серы очень хорошо разносится на расстояние и естественно наблюдается пропорциональное уменьшение его концентрации при удалении от очага загрязнений.

При сжигании каменного угля остаётся очень большое количество

зольных отходов, которые вывозятся за город на золоотвалы. Золоотвалы, в большинстве своём, очень плохо оборудованы и зола разносится на значительные расстояния. Кроме того, что зола загрязняет атмосферу, оседая на землю она скапливается, покрывая поверхность почвы плотным слоем. Это способствует образованию техногенных пустынь.

     Учёными подсчитано, что ТЭС и ТЭЦ выделяют 46% всего  сернистого ангидрида и 25% угольной пыли выбрасываемой в атмосферу промышленными предприятиями. Причиной загрязнений такого масштаба является развитие экологически несостоятельных технологических процессов, то есть таких, которые создают удовлетворение потребностей человека в тепловой и электрической энергии, но одновременно с

этим и недопустимое загрязнение окружающей среды. Эти процессы

развиваются без принятия эффективных мер, предупреждающих загрязнение атмосферы.

    Особенно опасны сернистый  ангидрид, диоксид серы и оксиды азота, выделяемые в атмосферу ТЭС и ТЭЦ, поскольку они переносятся на большие расстояния и осаждаются, в частности, с осадками на поверхность земли, загрязняя гидросферу и литосферу. Одним из особенно ярких проявлений этой картины являются кислотные дожди. Эти дожди образуются вследствие поступлений от сгорающего топлива и уходящих в атмосферу на большую высоту дымовых газами в, основном двуокиси серы и окислов азота. Получающиеся при этом в атмосфере слабые растворы серной и азотной кислоты могут выпадать в виде осад- ков иногда через несколько дней в сотнях километров от источника вы-     деления.

  Кроме того, загрязнение атмосферы ТЭС и ТЭЦ привело, как полагают учёные, к новому явлению- поражению некоторых видов мягких по-

род деревьев, а также к быстрому и одновременному падению скорости роста по меньшей мере шести видов хвойных деревьев.

   ТЭС и ТЭЦ являются  причиной возникающего в крупных промышленных городах смога: недопустимого загрязнения обитаемой человеком

наружной воздушной среды, вследствие выделения в неё указанными источниками вредных веществ при неблагоприятных погодных условиях.

 

                                                        

Способы снижения загрязняющих выбросов.

    При сжигании  выбросов соединений серы, при сжигании органического топлива, принципиально существуют два подхода: сероочистка дымовых газов и удаление серы из топлива до его сжигания. Существуют

следующие методы: известняковый, известковый, двухцикличный щелочной, каталитического окисления, газификации топлив, пиролиз.

  Снижение выбросов твёрдых  частиц с продуктами сгорания  ведётся с

помощью следующих способов: использование золоулавителей (энерционные или мокрые), тканевых и электрофильтров.

  Снижение загрязняющих выбросов  АЭС: создание специализированных

систем по обезвреживанию и удалению радиоактивных отходов (коагуляция, выпарка, сорбция на ионообменных смолах).

   Одним из способов снижения  вредных воздействий энергоустановки  на окружающую среду является  совершенствование её тепловых  схем,

развитие теплофикации (одновременная выработка тепла и энергии),

укрупнение установок теплоэнергетики, использование вторичных энергетических ресурсов, внедрение новых термодинамических циклов, развитие систем аккумуляции энергии, использование возобновляемых источников энергии (солнечная, электростанции, геотермальная энергия).

 

 

 

  

 

 

 

Цикл Карно.

К 1824, когда Карно опубликовал свой трактат Размышления о движущей силе огня, было уже хорошо известно, что за счет теплоты можно получать механическую энергию, но ни у кого не было ни малейшего представления о том, каким может быть КПД тепловой машины, и были не совсем ясны термодинамические основы ее действия. Прошло десять лет, прежде чем Б.Клапейрон, который первым по достоинству оценил трактат Карно, повторно опубликовал его, снабдив важными дополнениями. Карно представлял тепловую машину в виде идеально теплоизолированного цилиндра, наполненного фиксированным количеством рабочего тела (газа) и снабженного движущимся без трения поршнем. Машину можно без энергетических потерь переносить с одной подставки на другую. Одна подставка, поддерживаемая при температуре T1, служит нагревателем. Другую, поддерживаемую при более низкой температуре T2, назовем холодильником. Сначала цилиндр стоит на нагревателе, и газообразное рабочее тело изотермически (т.е. поглощая теплоту так, что его температура не изменяется) расширяется от точки 1 до точки 2 на графике зависимости объем – давление (рис. 3,а). Затем машину переносят на теплоизолированную подставку и газ адиабатически расширяется от точки 2 до точки 3, совершая работу – поднимая поршень. В результате он охлаждается до температуры T2. После этого машину переставляют на холодильник, и газ изотермически сжимается от точки 3 до точки 4, отдавая теплоту холодильнику. Переставив затем машину снова на теплоизолированную подставку, можно теперь адиабатически сжать газ от точки 4 до точки 1 и вернуть его в исходное состояние (к прежним значениям температуры, объема и давления), так что цикл может начаться снова.

Мерой полезной работы, совершенной машиной, является разность площадей (рис. 3,а и б), показанная на рис. 3,в. Нетрудно сообразить, что при заданном изменении объема эту разность площадей можно увеличить либо повысив T1, либо понизив T2. Если же температура T1 фиксирована (а это значит, что фиксировано полное количество подводимой теплоты), то работу, производимую машиной, можно увеличить, только понизив T2. Таким образом, какова бы ни была температура T1, отличная от абсолютного нуля, какая-то часть подводимой теплоты не может быть превращена в

работу.

 

 

Рис. 3. ЦИКЛ КАРНО на диаграмме объем – давление. Площади, выделенные ретушью: а – работа, совершаемая газом; б – работа, совершаемая над газом; в – разность площадей а и б, равная полезной работе, совершаемой машиной.

На изложенных соображениях основан вывод формулы Карно, которая дает максимально возможный КПД идеальной тепловой машины, работающей при заданной разности температур нагревателя и холодильника:

Реальная машина не может работать с таким КПД, поскольку в ней неизбежны трение и утечки тепла. Для паровой машины, работающей, например, при температуре котла 130° C (403 К) и температуре конденсатора 30° C (303 К), термодинамический КПД равен 100/403, т.е. меньше 25%.

 

 

ЦИКЛ КАРНО для воображаемой машины, идеально теплоизолированной, с фиксированным количеством рабочего газа и с поршнем, движущимся в рабочем цилиндре без трения. Цикл состоит в переносе машины с нагревателя на теплоизолированную подставку, затем на холодильник и снова на теплоизолированную подставку. При расширении и сжатии газа поршень перемещается.

 

 

 

 

 

 
 Цикл Карно

 

 

 
Теорема Карно: термический к. и. д. обратимого цикла Карно не зависит от природы рабочего тела и является функцией только абсолютных температур нагревателя (T1) и холодильника (T2):

h = (T1 - T2)/T1

 

Список литературы.

 
1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика 10. 
2. Шахмаев Н.М. Физика 10. 
3. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике - 1986 г.  
4. Физика 10 под редакцией Пипского ( для школ и классов с углубл.изуч.)  
5. Кабардин О.Ф. и др. Факультативный курс физики 9 1986 г.  
6. Свитков Л.П. Термодинамика и молекулярная физика 1970 г.  
7. Кабардин О.Ф. и др. Задания для итогового контроля уч-ся по физике.  
8. Мартынов И.М.  
9. Хозяикова Э.Н. Дидактический материал по физике 9 кл. 1978 г. 
10. Билимович Б.Ф. Тепловые явления в технике 1981 г.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рецензия.

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________