Реферат
здисципліни «Системи сучасних технологій» на тему
«ЕНЕРГОНОСІЇТА ЇХ ХАРАКТЕРИСТИКА»
ПЛАН
1. Паливо
2. Енергія,її види та джерела
3. Раціональневикористання енергії
Паливо
Паливом називають речовини, у процесі згорання (або поділу чи з'єднанняядер) яких виділяється значна кількість теплоти.
Віддавна паливом були дрова, солома, деревне вугілля та ін. Пізнішедо них долучили викопне вугілля, природний газ, мазут, горючі сланці та ін.Тепер слово «паливо» вживають і коли йдеться про речовини, яківикористовуються в ядерних реакторах на атомних електростанціях і в ракетнихдвигунах. Відповідно кажуть ядерне і ракетне паливо.
1. За походженням паливо поділяють на природне і штучне.
До природного палива належать, наприклад, дрова, торф, вугілля, горючісланці тощо.
Штучне паливо отримують, переробленням природного палива. Так,у процесі нагрівання викопного вугілля до високої температури без доступуповітря отримують кокс, з нафти вилучають мазут тощо. З твердих споживчихвідходів, які збираються в очисних спорудах міської каналізації, а також ізсільськогосподарських та інших відходів отримують біогаз. Основними складовимибіогазу є СН4 (92-94%) і СО2(і-7%). Біогаз є паливом длякомунальних потреб і транспорту.
2. За агрегатним станом паливо поділяють на тверде (викопне вугілля,торф, горючі сланці, дрова), рідинне (бензин, мазут, дизельне паливо тощо) та газове(природний газ, водень тощо).
Властивості палива залежать в основному від його хімічного складу.Основним елементом більшості видів палива є вуглець. У різних видах паливавміст вуглецю різний — від ЗО до 95%. До складу палива входять також водень,кисень, азот, сірка, попіл або жужелиця та інші речовини.
Цінність палива визначається кількістю теплоти, яка виділяється вразі повного його згоряння. Так, у процесі спалювання 1 кг дров виділяється 10,2 МДж/кг теплоти, кам'яного вугілля — 22 МДж/кг, бензину — 44 МДж/кг. Чимбільше вуглецю та водню міститься в паливі, тим більше теплоти виділяється впроцесі його згоряння.
Під час спалювання палива утворюються тверді, та газові речовини.Тверді — це попіл, жужелиця, сажа. Газові — оксиди вуглецю, азоту й сірки тощо.Газові і частково тверді продукти згорання палива через димарі викидаються ватмосферу. Щорічно в атмосферу викидаються сотні мільйонів тонн різнихшкідливих речовин. Для захисту довкілля від забруднення речовинами, які утворюютьсяв процесі згорання палива використовують різні фільтри та пристрої, якіочищають або знешкоджують шкідливі викиди. Охорона довкілля від забрудненнястала одним з найважливіших завдань людства. Перспективним видом палива, яке незабруднює довкілля, добре зберігається та транспортується, є водень. В процесізгорання водню виділяється водяна пара.
Енергія, її види та джерела
Усі технологічні процеси пов'язані із затратами або виділенняменергії.
Енергія потрібна для транспортування сировини і готової продукції,для підготовлення сировини до перероблення (подрібнення/висушування, фільтруваннятощо), для виготовлення продукції.
Різні підприємства потребують різних видів енергії.
При виготовленні продукції використовують енергію сонячну, світлову,теплову, хімічну, електричну, механічну, ядерну тощо.
1. Сонячна енергія. Від Сонця на Землю йде тепловий потік, енергіяякого становить 1,57-Ю18 кВт×год. на рік. Цюенергію можна використати для нагрівання повітря, води, приміщення, висушуваннясировини, напівготової та готової продукції, опріснення морської води тощо. Їїможна перетворити на електричну енергію.
2. Енергія світла. Цей вид енергії набуває все більшогозначення у життєдіяльності людини. ЇЇ використовують для створення фотоелементів,фотоелектричних датчиків, автоматів тощо. За допомогою цього виду енергіїреалізується велика кількість фотохімічних процесів хімічній технології.
3. Теплова енергія. її отримують в ході спалювання палива.Воназдавнавикористовується для обігрівання приміщень, отримання металів і сплавів,висушування сировини та продукції тощо. Теплову енергію перетворюють на електричну.Роль теплоносіїв виконують пічні гази, водяна пара, вода та інші речовини.
4. Хімічна енергія. Вона виділяється в процесі екзотермічних акцій.Хімічна енергія є джерелом теплоти для нагрівання сировини, використовують для проведенняендотермічних процесів. Наприклад, процесі виробництва амоніачної селітривиділяється велика кількість плоти, яку використовують для випаровуваннянадвишку води та кристалізації амоніачної селітри. Хімічна енергія в гальванічнихелементах і акумуляторах перетворюється на електричну.
5. Електрична енергія. ЇЇ виробляють на електростанціях. Цейвид енергії використовують для проведення електрохімічних (електроліз розчиніві розплавів) та електротермічних (нагрівання, плавлення тощо) процесів. У промисловостіелектричну енергію використовують в електрофільтрах для очищення газів відпилу, туману тощо. Електричну енергію використовують для освітлення й отриманнямеханічної та теплової енергії.
6.Механічна енергія. Вона потрібна головним чином для подрібнення,розмелювання та перемішування сировини, роботи компресорів, вентиляторів, атакож для транспортування сировини, продукції тощо.
7.Ядерна енергія. Цей вид енергії виділяється при поділі або з'єднанніядер. Вміло зібрану енергію використовують на атомних електростанціях дляотримання електричної енергії.
Для отримання електричної енергії використовують енергію води,вітру, Сонця тощо. Ці види енергії на електростанціях перетворюють на електричнуенергію.
Електростанцією називають підприємство, на якому виробляютьелектричну енергію.
Назва електростанції походить від назви виду енергії, яку перетворюютьна електричну. Наприклад, якщо перетворюють енергію />води, то електростанціюназивають гідро- або водяною електростанцією, якщо вітру, то — вітровою, якщоСонця, то — сонячною, якщо палива, то — тепловою тощо.
1. Гідроелектростанція.Гідроелектростанцією (ГЕС) називають гідротехнічну споруду, призначену дляперетворення енергії потоку води на електричну.
Складовими частинами ГЕС є гребля, яказатримує воду у водосховищі, гідротурбіна та електричний генератор. Енергіяводи, яка падає з висоти понад 200 м на лопаті турбіни в електричному генераторі,перетворюється на електричну енергію.
Крім ГЕС будують гідроакумулюючіелектростанції (ГАЕС), які вночі нагромаджують електроенергію, що виробляютьінші електростанції, а в час «пік» віддають її. Перша ГАЕС побудованана Дніпрі поблизу Києва.
Недоліком великих ГЕС є створенняштучних морів, які забирають великі площі часто родючих земель і порушуютьприродну рівновагу.
2. Вітрова електростанція. Запаси вітровоїенергії безмежні. Першу в Світі вітрову електростанцію (ВЕС) споруджено в ИШ р.в Криму. її потужність — 100 кВт. Дослідження останніх років показали, щовартість виробленої електричної енергії на вітрових електростанціях нижча ніжна інших. Коефіцієнт корисної дії сучасних вітродвигунів досягає 45%.
Складовою частиною ВЕС є вітрове колесо,яке обертається під дією сили вітру. Це колесо розташоване на валу, якийпередає обертання колеса електричному генератору, де виробляється електричнаенергія.
Якщо на ГЕС і ВЕС енергію води та вітрубезпосередньо перетворюють на електричну, то на всіх інших електростанціяхспочатку отримують пару або газ, а вже потім електричну енергію.
3. Теплова електростанція. У нашчас теплові електростанції (ТЕС) є головним джерелом електроенергії. Дія ТЕС ґрунтуєтьсяна перетворенні теплової енергії водяної пари або газу на механічну енергіюобертання парової або газової турбіни, а потім за допомогою електричногогенератора — на електричну. У процесі такого подвійногоперетворення багато енергії втрачається.
Основні частини ТЕС: котельня, пароватурбіна та генератор електричного струму. У котельні отримують водяну пару. Дляотримання водяної пари у печі згоряє паливо. Теплота, що виділяється пригорінні палива, нагріває воду, яка перетворюється на пару. Пару під великимтиском спрямовують в парову турбіну — головну частину ТЕС. У турбіні пара розширюється,тиск падає й енергія пари перетворюється на механічну енергію. Парова турбінаприводить в рух ротор генератора, який виробляє електричну енергію (струм).
Теплоелектроцентраль. У великих містахбудують теплоелектроцентралі (ТЕЦ).
Теплоелектроцентраллю називають тепловуелектростанцію, яка виробляє не лише електричну енергію, а й теплову у виглядігарячої води та пари.
На ТЕЦ відпрацьовану пару, яка ще маєдосить великий запас теплової енергії, з парової турбіни напрямляють доспоживача і на станцію не повертають. Це один шлях використання тепловоїенергії відпрацьованої пари. Існує також інший: пара віддає свою теплоту воді втеплообміннику і вже нагріта вода надходить до споживача, а пару повертають назаду систему. Пару від ТЕЦ передають на кілька кілометрів, а гарячу воду — накілька десятків кілометрів (ЗО км і більше).
Використання теплової енергіївідпрацьованої пари підвищує коефіцієнт корисної дії станції на 50-60%.
Теплоелектроцентралі забезпечують тепломі гарячою водою житлові та громадські будівлі, а також промислові підприємства.
Теплові електростанції потребуютьвеликої кількості палива (кам'яного вугілля тощо), при згорянні якоговиділяються шкідливі речовини, які забруднюють довкілля. Ці електростанціїпотребують очисних споруд — фільтрів.
4. Сонячнаелектростанція. Для отримання водяної пари на сонячнійелектростанції (СЕС) воду нагрівають енергією Сонця. Першу СЕС збудовано вКриму. 1і потужність — 5 МВт. Висота центральної вежі СЕС разом із парогенератором- 89 м. На висоті 78 м поміщено казан, на який подають сонячну енергіюдзеркальні геліостати. Площа всіх дзеркал дорівнює 40000 м2. Пара, утворена в казані в процесі нагріванняводи, має температуру 225°С і тиск 2,6 МПа. Цихпараметрів досить для руху турбіни, а з нею і роторагенератора, який завершує цикл перетворення сонячної енергії на електричну.Кожне дзеркало обертається навколо вертикальної та горизонтальної осей.
Сонячна електростанція не забруднює довкілля, тому за нею майбутнє.
5. Атомна електростанція. Якщо атоми урану бомбардувати нейтронами,то з кожного ядра утвориться по два осколки і кілька нейтронів. Нейтрони,вдаряючись об інші ядра, спричиняють ланцюгову реакцію поділу нових ядер. Підчас поділу ядер енергія зв'язку переходить у кінетичну енергію осколків івиділяється у вигляді теплоти, коли осколки гальмуються в речовинах. Цю вмілозібрану теплоту використовують для нагрівання води й утворення водяної пари,яка приводить в рух турбіну.
Для функціонування електростанції, на якій для нагрівання води йутворення пари використовується ядерна енергія, потрібно мати паливо (уран,плутоній), сповільнювач нейтронів (легка або важка вода, графіт, берилій),теплоносій для відведення теплоти, конструкційні матеріали, органи регулюванняланцюгової реакції (рухомі стрижні з матеріалу, який поглинає нейтрони),систему захисту від випромінювання, систему циркуляції теплоносіїв іперетворення енергії та ін.
Принцип роботи АЕС. Теплоту з ядерного реактора відводять задопомогою теплоносія, який помпами переганяють через активну зону (простір, деперебуває ядерне паливо). Теплоносієм використовують розплавлений натрій, водутощо. Цю замкнену систему називають першим контуром.
У теплообміннику теплоносій першого контуру віддає теплоту тоді,яку переганяють у другому контурі. Вода, нагрівшись до кипіння, перетворюєтьсяна пару. Утворену пару спрямовують у турбіну або використовують для обігріваннябудівель і промислових підприємств.
Недоліком двоконтурної системи відведення теплоти від зони реакції єблизьке «сусідство» теплоносіїв — натрію і води — у разі руйнуваннядругого контуру. Вода і натрій взаємодіють з виділенням водню та великоїкількості теплоти. Аварійна зупинка реактора неминуча.
У наш час у деяких країнах Світу вже працюють атомніелектростанції з реакторами на швидких нейтронах (РШН). Паливом у цих реакторахвикористовують уран-238. Традиційно теплоту від реактора на швидких нейтронахвідбирають за допомогою трьох циркуляційних систем (трьох контурів) (рис. 9):перша та друга системи наповнені натрієм, третя — водою.
/>
фконтур
/>
Схема триконтурної системи передачі теплоти від реактора нашвидких нейтронах, який використовується на АЕС: 1 — реактор; 2 — помпидля циркуляції теплоносіїв; З — баки-відстійники для теплоносіїв; 4 — теплообмінник другого контуру; 5 — парогенератор третього контуру.
Другий контур упроваджено для підвищення надійності та безпекиреактора, гарантування його роботи навіть у разі неполадок у парогенераторі.Парогенератор складається з 20 тисяч трубок, усередині яких під тиском циркулюєвода (перегріта пара); назустріч воді між трубками тече розплавлений натрій.Натрій через стінки трубок віддає свою теплоту воді. Вода, нагріваючись,перетворюється на пару, яку спрямовують у турбіну. Порушення герметичності хочаб в одній із трубок спричиняє вихід води з контуру та взаємодію її з натрієм, апотім вихід з ладу парогенератора. Має місце аварія.
На сьогодні натрій не має рівної собі заміни в першому контурі.Він є найкращим теплоносієм у реакторах на швидких нейтронах. Щоб уникнути «сусідства»натрію з водою вчені запропонували замінити натрій у другому контурі наінертний відносно води та натрію теплоносій. Таким теплоносієм є евтектичнийсплав літієвих сполук; який скорочено називають евлітом. На відміну від натріюевліт не здатний до самозаймання та вибуху. Впровадження евліту теплоносієм вдругому контурі спрощує конструкцію парогенератора, робить її дешевшою,безпечнішою та полегшує ремонтні роботи.
Раціональне використання енергії
Переробні, обробні та інші галузі промисловості мають потребу вусіх видах енергії. Показником енергомісткості того чи іншого технологічногопроцесу є витрата енергії на одиницю отриманої продукції (наприклад, 1 т, 1 м). Цей показник на різних підприємствах різний, навіть коли це однакова продукція. Дужеенергомісткими є продукція чорної, кольорової металургії та електрохімічнихпідприємств. Незначною енергомісткістю характеризуються біохімічні, деякіфізико-хемічні (наприклад, адсорбція, мембранізація), хімічні (отримання деякихвидів мінеральних. добрив) та інші процеси. Наприклад, виробництво 1 т алюмініюпотребує майже 20000 кВт×год. електроенергії, 1 тмагнію 18000 кВт×год, 1 т фосфору у середньому 15000 кВт×год., 1 тамоніачної селітри — 10 кВт×год.
Чим менше енергії витрачається на виробництво одиниці продукції,тим менша собівартість продукції і, навпаки, у процесі виробництва металів,фосфору, хлору — це одна з головних статей затрат.
Зменшити енергомісткість продукції можна різними шляхами: використаннямвторинних енергоресурсів, удосконаленням технологічного обладнання, заміною енергомісткихтехнологічних процесів процесами незначної енергомісткості, кращимпідготовленням сировини до перероблення тощо.
1. Використання вторинних енергоресурсів. Продукція, що виходить зреактора, у більшості випадків, нагріта до високої температури. Теплоту продукціїможна використати для попереднього нагрівання сировини, яка надійде в той самийреактор. Теплообмін між нагрітою продукцією і холодною сировиною відбувається вагрегатах, які називають рекуператорами, регенераторами, теплообмінниками.Рекуператором (від лат. «recuperator» — той, що отримує назад) називають теплообмінний апарат, в якомуобмінюються теплотою продукція та сировина.
Обмінювання теплотою відбувається через стінки апарата (рекуператора),в якому сировина і продукція рухаються назустріч. Наприклад, у процесі виробництвасірчаної кислоти: газ SО2, нагрівають теплотою, якувіддає йому у рекуператорі газ SО3, що виходить із контактногоапарата.
Регенератором (від лат. «regenero» — відновлюю) називають теплообмінний апарат, який складається з одної або кількохкамер, викладених вогнетривкою цеглою, для вловлювання та використання теплотивихідних газів.
Регенератори використовують для вловлювання і використання теплотигазів. Наприклад, у мартенівських печах регенератори служать для нагріваннягазового палива та повітря теплотою пічних газів, які прямують до димаря.Спочатку пічні гази нагрівають камеру викладену вогнетривкою цеглою дотемператури 1100-1200°С, а потім холодне повітря та газове паливо нагріваютьсятеплотою, яку вони забирають у вогнетривів, і так почергово. Щоб наблизитиперіодичний процес до безперервного, потрібно мати два-три регенератори.
Теплоту отриманої продукції використовують також для висушування,випаровування, дистиляції, опалювання та інших потреб підприємства.
2.Удосконалення обладнання. Через недосконалість обладнання велика кількістьенергетичних ресурсів втрачається або використовується нераціонально. У кожномутехнологічному процесі існують різні шляхи вдосконалення технологічного обладнаннята раціонального використання вторинних енергоресурсів. Так, у ході електрохімічнихпроцесів витрати електроенергії зменшаться, якщо вдосконалити
3.апарати, контакти підведення електричної енергії та зменшити відстаньміж електродами. У дугових печах зменшення витрат електроенергії досягаєтьсязбільшенням кількості електродів і поліпшенням конструкції електричних печей. Раціональнішевикористовується теплота газів у мартенівських двованних печах, ніж воднованних.
4.Заміна енергомістких технологічних процесів ощадливими процесами. Зменшитиенергомісткість технологічних процесів можна заміною їх на каталізні чи іншіпроцеси, для виконання яких потрібні менші витрати енергії або застосуванням ультразвуку,магнітного поля, вакууму тощо. Наприклад, високотемпературний крекінгнафтопродуктів замінили на каталізний.
СПИСОКВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ
1. ДубровськаГ. М., Ткаченко А. П. Системи сучасних технологій: Навч. посібник/За ред.к.т.н., доцента, члена-кореспондента Академії будівництва України А. П. Ткаченка.– К.: Центр навчальної літератури, 2004. – 352 с.
2. Желібо Є.П., Анопко Д. В., Буслик В. М., Овраменко М. А., Петрик Л. С., Пирч В. П.Основи технологій виробництва в галузях народного господарства: Навч. посібник.– К.: Кондор, 2005.
3. Збожна О.М. Основи технології: Навчальний посібник. – Вид. 2-ге, змін. і доп. – Тернопіль:Карт-бланш, 2002.
4. ОстапчукМ. В., Рибак А. І. Система технологій (за видами діяльності): Навчальнийпосібник. – К: ЦУЛ, 2003. – 888 с.
5. СавіновБ. Г., Кудрицька С. Ю. Хімічна технологія. – К.: Вища школа, 1973.
6. Хубка В. Теория технических систем. – М.: Мир,1987.