10228

10

1.3 Порядок освоения материала

На освоение материала студентам выделяется 16 часов лекционных и 16 часов практических занятий, а также отводится 112 часов на самостоятельное обучение. По окончанию курса сдается экзамен.

11

2. Методические указания по подготовке к лекциям

2.1 Общие рекомендации по работе на лекциях

Лекция – это важнейшее звено дидактического цикла обучения, цель которой - формирование основы для последующего усвоения учебного материала. В ходе лекции преподаватель в устной форме, а также с помощью презентаций передает обучаемым знания по основным, фундаментальным вопросам изучаемой дисциплины.

Назначение лекции состоит в доходчивом изложении основных положений изучаемой дисциплины и ориентации на наиболее ее важные вопросы.

Большие возможности для реализации образовательных и воспитательных целей предоставляет личное общение на лекции преподавателя со студентами.

При подготовке к лекционным занятиям студенты должны ознакомиться с презентаций, предлагаемой преподавателем, отметить непонятные термины и положения, подготовить вопросы с целью уточнения правильности понимания. Рекомендуется приходить на лекцию подготовленным, так как в этом случае лекция может быть проведена в интерактивном режиме, что способствует повышению эффективности лекционных занятий.

2.2Общие рекомендации при работе с конспектом лекций

Входе лекционных занятий необходимо вести конспектирование учебного материала. Он помогает внимательно слушать и лучше запоминать в процессе осмысленного записывания. Также конспект незаменим, как опорный материал при подготовке к семинару, зачету, экзамену.

Вслучае неясности по тем или иным вопросам необходимо задавать преподавателю уточняющие вопросы. Следует ясно понимать, что отсутствие вопросов без обсуждения означает в большинстве случаев неусвоенность материала дисциплины.

2.3Общие рекомендации по изучению материала лекций и их теоретический базис

Предпосылки к использованию возобновляемых источников энергии

Перед тем как обратиться непосредственно к нетрадиционным и возобновляемым источникам энергии необходимо дать ряд определений и пояснений по рассматриваемой тематике.

Под понятием энергетические ресурсы подразумевают материальные объекты, в которых сосредоточена энергия, пригодная для практического использования человеком.

Та энергия, которая непосредственно извлекается в природе, называется первичной, а носители первичной энергии называются первичными энергоресурсами.

Все энергетические ресурсы можно разделить на две большие категории: возобновляемые и невозобновляемые.

Невозобновляемые энергоресурсы – это ранее накопленные в природе ресурсы, которые в новых геологических условиях практически не образуются (уголь, нефть, природный газ), т.е. которые могут быть исчерпаны в ближайшее время при существенных темпах их использования.

Возобновляемые энергоресурсы – это ресурсы, восстановление которых постоянно осуществляется в природе (энергия ветра, биотопливо, энергия морских волн), т.е. их запасы восстанавливаются быстрее, чем они используются.

12

Традиционные и нетрадиционные источники энергии – это понятия, связанные скорее с географией. Они рассматриваются относительно конкретной страны. Например, в России традиционными источниками энергии являются природный газ, каменный уголь, нефть (невозобновляемые источники энергии). С другой стороны установки, в которых происходит УТС (управляемый термоядерный синтез), который относится к возобновляемым источникам энергии, никак не может быть нетрадиционным источником, поскольку сам УТС и первый функциональный аппарат были открыты и созданы в СССР.

С другой стороны в таких солнечных странах как Турция, Греция или Испания солнечные коллекторы распространены повсеместно и вполне могут называться там традиционным источником энергии. Невозможно также представить современную систему энергоснабжения Исландии без геотермальных электростанций.

Таким образом, для более полного раскрытия темы использования альтернативных источников энергии в данном пособии основной упор будет сделан именно на возобновляемые энергетические ресурсы.

Рис. 1. Процесс сгорания четырех групп топлива: газообразного, жидкого, твердого, ядерного.

Все виды топлива, как возобновляемые так и невозобновляемые, подразделяют на следующие четыре группы:

–твердое;

–жидкое;

–газообразное;

–ядерное.

Кневозобновляемым энергетическим ресурсам относят: каменный уголь, нефть, природный газ, уран.

Ктвердому виду топлива относят:

-древесину, другие продукты растительного происхождения;

-уголь (с его разновидностями: каменный, бурый);

-торф;

-горючие сланцы.

Ископаемое твердое топливо (за исключением сланцев) является продуктом разложения органической массы растений. Самый молодой из них - торф,

13

представляющий собой плотную массу, образовавшуюся из перегнивших остатков болотных растений.

г)

Рис. 2. Виды твердого топлива: а) каменный уголь; б) антрацит; в) бурый уголь; г) торф. Следующими по «возрасту» являются бурые угли - землистая или черная

однородная масса, которая при длительном хранении на воздухе частично окисляется (выветривается) и рассыпается в порошок. Затем идут каменные угли, обладающие, как правило, повышенной прочностью и меньшей пористостью. Органическая масса наиболее старых из них - антрацитов претерпела наибольшие изменения и на 93% состоит из углерода. Антрацит отличается высокой твердостью.

Горючие сланцы представляют собой полезное ископаемое из группы твердых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы, близкой по составу к нефти.

14

Рис. 3. Горючий сланец и процесс сжигания сланцев.

Жидкие виды топлива получают путем переработки нефти. Сырую нефть нагревают до 300 - 370°С, после чего полученные пары разгоняют на фракции, конденсирующиеся при различной температуре:

-сжиженный газ (выход около 1 %);

-бензиновую (около 15%, tK =30 ... 180°С);

-керосиновую (около 17%, tK= 120 ... 135 °С);

-дизельную (около 18%, tK = 180 ... 350 °С).

Жидкий остаток с температурой начала кипения 330 - 350 °С называется мазутом.

15

непосредственно, так и попутно с добычей нефти, который называемый попутным. Основным компонентом природного газа является метан СН4 и в небольшом количестве азот N2, высшие углеводороды СnНm, двуокись углерода СО2 - попутный газ содержит меньше метана, чем природный, но больше высших углеводородов, и поэтому выделяет при сгорании больше теплоты.

В промышленности и, особенно в быту, находит широкое распространение сжиженный газ, получаемый при первичной переработке нефти.

16

Рис. 5. Транспортировка природного газа (основной компонент метан) и сжиженного газа (основные компоненты пропан-бутан): сверху – газоперекачивающие агрегаты компрессорной станции (природный газ); снизу – цистерна со сжиженным газом.

В последнее время все большее применение находит биогаз – продукт аэробной ферментации (сбраживание) органических отходов (навоза, растительных остатков, мусора, сточных вод и т. д.).

На металлургических заводах в качестве попутных продуктов получают коксовый и доменный газы. Они используются здесь же на заводах для отопления печей и технологических аппаратов. В районах расположения угольных шахт своеобразным «топливом» может служить метан, выделяющийся из пластов при их вентиляции. Газы, получаемые путем газификации (генераторные) или путем сухой перегонки (нагрев без доступа воздуха) твердого топливо, в большинстве стран практически вытеснены природным газом, однако в настоящее время снова возрождается интерес к их производству и использованию.

Ядерным топливом называют материалы, которые используются в ядерных реакторах для осуществления управляемой цепной ядерной реакции деления. Ядерное

17

топливо принципиально отличается от других видов топлива, используемых человечеством, оно чрезвычайно энергоемко, но и весьма опасно для человека, что накладывает множество ограничений на его использование из соображений безопасности. По этой и многим другим причинам ядерное топливо гораздо сложнее в применении, чем любой вид органического топлива, и требует множества специальных технических и организационных мер при его использовании, а также высокую квалификацию персонала, имеющего с ним дело. Ядерное топливо используется в ядерных реакторах в виде таблеток размером в несколько сантиметров, где оно обычно располагается в герметично закрытых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах), которые в свою очередь для удобства использования объединяются по нескольку сотен в тепловыделяющие сборки (ТВС). В качестве природного ядерного топлива используется уран 235, а также сырье уран 238 способные при захвате нейтрона образовывать плутоний 239.

Рис. 6. Урановая руда и урановые таблетки.

Анализ оценки обеспеченности топливно-энергетических ресурсов показывает, что наиболее дефицитным видом топлива является нефть. Ее хватит по разным источникам на 30-40 лет. Затем, через 30-70 лет, истощатся запасы горючего газа и урана. Лучше всего обстоит дело с углем, запасы которого в мире достаточно велики, и обеспеченность углем составит 230-330 лет. Поэтому в последние годы широкое распространение наравне с невозобновляемыми получили возобновляемые источники энергии.

Вторичные энергетические ресурсы

Вторичные энергоресурсы, образующиеся в технологических агрегатах (установках, процессах) - энергетический потенциал отходов, побочных и промежуточных продуктов, который не используется в самом агрегате, но может быть частично или полностью использован для энергосбережения в других агрегатах. Под энергетическим потенциалом понимается имеющийся в перечисленных продуктах определенный запас энергии в виде химически связанной теплоты, физической теплоты, потенциальной энергии избыточного давления. В соответствии с этим определением, вторичными энергоресурсами не является, в частности, физическая теплота продуктов или отходов, возвращаемая в агрегат – источник ВЭР – с помощью рекуператоров, экономайзеров и других утилизационных устройств. При использовании ВЭР в других агрегатах расход топлива или другого энергоносителя в технологическом агрегате – источнике ВЭР - практически не меняется, вследствие чего достигается экономия топлива, снижение эксплуатационных затрат в замещаемых энерготехнологических установках.

По виду заключенной в них энергии ВЭР подразделяется на три основные группы:

термохимической переработки, углеродистого и углеводородного сырья: горючие, городские и сельскохозяйственные отходы; углеводородные отходы (отработанные масла и растворители) машиностроительных и других предприятий;

Тепловые – практически любые теплоносители, имеющие температуру выше температуры окружающей среды и способные при определенных условиях выделять определенное количество теплоты для последующего использования;

ВЭР избыточного давления – газы и жидкости, покидающие технологические агрегаты под избыточным давлением и способные передать часть накопленной потенциальной энергии перед их использованием и сбросом в окружающую среду;

В зависимости от вида и параметров различают четыре основные направления использования ВЭР:

1) Топливное – непосредственное использование горючих ВЭР в качестве топлива; 2) Тепловое – использование теплоты, получаемой непосредственно в качестве

ВЭР или вырабатываемой за счет ВЭР в утилизационных установках;

3)Силовое – использование механической и электрической энергии, вырабатываемой за счет ВЭР в утилизационных установках;

4)Комбинированное – использование ВЭР для получения электроэнергии и теплоты в утилизационных установках (утилизационных ТЭЦ) по тепловому циклу;

Вданном пособии рассмотрим самые распространенные из установок и агрегатов по использованию теплоты вторичных энергетических ресурсов. Речь пойдет о турбинах и различных теплоутилизаторах.

Под турбиной понимают ротационный тепловой двигатель, в котором тепловая энергия рабочего тела преобразуется в механическую работу. Несмотря на то, что паровые турбины не являются установками по использованию вторичных энергетических ресурсов, понимание их устройства и принципов работы необходимо, т.к. их разновидности встречаются и в других областях по использованию ВЭР.

Основным элементом паровой турбины (рис. 7) является металлический вал (ротор), на который крепятся рабочие лопатки. Вал помещается внутрь корпуса (кожуха), также к корпусу крепится диафрагма – диск с неподвижными сопловыми лопатками (направляющими соплами). В соплах тепловая энергия пара преобразуется в кинетическую энергию, а затем на рабочих лопатках в механическую работу, передавая вращательное движение ротору турбины. Ротор турбины соединяется с ротором электрогенератора для выработки в последнем электрического тока.