Экологические проблемы тепловой энергетики

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. 
 

 
 
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. 
Такт выпуска (рис. 3г). 
 
При движении поршня к ВМТ в цилиндре открывается клапан и через него осуществляется выпуск рабочего тела из цилиндра, с давлением p₁ и температурой T₁. В НМТ клапан в цилиндре закрывается. 
Цикл замыкается. 
 
                
 
 
 
 
 
Схема двигателя 
. 
 
                
                        Рис. 4. Схема работы ДВПТ  
 
 
 
 
В двигателе такты сжатия и расширения осуществляются в разных цилиндрах, соответственно компрессионном 1 и расширительном 2. Цилиндры 1 и 2 связаны между собой через компрессионную 3 и расширительную 4 магистрали. В компрессионной магистрали 3 находится охладитель 5, а в расширительной магистрали 4 находится нагреватель 6. Компрессионная магистраль 3 подключена к компрессионному цилиндру 1 через выпускной клапан 7, а к расширительному цилиндру 2 через впускной клапан 8. Расширительная магистраль 4 подключена к расширительному цилиндру 2 через выпускной клапан 9, а к компрессионному цилиндру 1 через впускной клапан 10. Поршни 11 и 12 цилиндров 1 и 2 связаны с валом двигателя 13 через механизм преобразования движения 14.