Теплоэнергетика

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.

Экологические проблемы тепловой энергетики.

За счет сжигания топлива (включая дрова и другие биоресурсы) в настоящее время производится около 90% энергии. Доля тепловых источников уменьшается до 80-85% в производстве электроэнергии. При этом в промышленно  развитых странах нефть и нефтепродукты используются в основном для обеспечения нужд транспорта. Например, в США (данные на 1995 г.) нефть в общем энергобалансе страны составляла 44%,а в получении электроэнергии -только 3%. Для угля характерна противоположная закономерность: при 22% в общем энергобалансе он является основным в получении электроэнергии |52%). В Китае доля угля в получении электроэнергии близка к 75%, в то же время в России преобладающим источником получения электроэнергии является природный газ (около 40%), а на долю угля приходится только 18% получаемой энергии, доля нефти не превышает 10%.

В мировом масштабе гидроресурсы обеспечивают получение около 5-6% электроэнергии (в России 20,5%), атомная энергетика, дает 17-18% электроэнергии. В России ее доля близка к 12%, а в ряде стран она является преобладающей в энергетическом балансе (Франция - 74%, Бельгия -61%, Швеция - 45%).

Сжигание топлива - не только основной источник энергии, но и важнейший поставщик в среду  загрязняющих веществ. Тепловые электростанции в наибольшей степени «ответственны» за усиливающийся парниковый эффект и выпадение кислотных осадков. Они, вместе с транспортом, поставляют в атмосферу основную долю техногенного углерода (в основном в виде СО2), около 50% двуокиси серы, 35% - окислов азота и около 35% пыли. Имеются данные, что тепловые электростанции в 2-4 раза сильнее загрязняют среду радиоактивными веществами, чем АЭС такой же мощности.

В выбросах ТЭС содержится значительное количество металлов и  их соединений. При пересчете на смертельные дозы в годовых выбросах ТЭС мощностью 1 млн. кВт содержится алюминия и его соединений свыше 100 млн. доз, железа-400 млн. доз, магния -1,5 млн. доз. Летальный эффект этих загрязнителей не проявляется только потому, что они попадают в организмы в незначительных количествах. Это, однако, не исключает их отрицательного влияния через воду, почвы и другие звенья экосистем.

Можно считать, что тепловая энергетика оказывает отрицательное  влияние практически на все элементы среды, а также на человека, другие организмы и их сообщества. В обобщенном виде эти воздействия представлены в таблице.

 

 

 

Технологический процесс	Влияние на элементы среды и биоту				Примеры цепных реакций
	воздух	почвы и грунты	воды	экосистемы и человека
1	2	3	4	5	6
Добыча топлива: -жидкое (нефть) и в виде газа	Углеводо-родное загрязнение при испарении и утечках	Повреждение или уничтожение почв при разведке и добыче топлива,  передвижениях  транспорта и т.п.; загрязнение нефтью, техническими химикатам, Металлолом и др. отходами	Загрязнение нефтью в результате утечек, особенно при авариях и добычах со дна водоемов, загрязнение технологическими химреагентами и другими отходами; разрушение водоносных структур в грунтах, откачка подземных вод  их сброс в водоемы	Разрушение  и повреждение экосистем в местах добычи и при обустройстве месторождений(дороги, линии электропередач, водопроводы и т.п.), загрязнение при утечках и авариях, потеря продуктивности, ухудшение Качества продукции. Воздействие на человека в основном через биопродукцию (особенно гидробионтов).	Загрязнение почв-> загрязнение вод нефтью и химреагентами -> гибель планктона и других групп  организмов -> снижение рыбопродукгивности  -> потеря потребительских или вкусовых свойств воды и продуктов промысла
-твердое:  угли, сланцы торф и т.п.)	Пыль  при взрывных и других работах, продукты горения терриконов и т.п.	Разрушение  почвы и грунтов при добыче открытыми методами (карьеры), просадки рельефа, разрушение грунтов при  шахтных методах добычи	Сильное нарушение водоносных структур, откачка и сброс в водоемы шахтных, часто высокоминера-лизированных, железистых и других вод	Разрушение  экосистем или их элементов, особенно при открытых способах добычи, снижение продуктивности, воздействие на биоту  и человека через загрязненные воздух, воды и пищу. Высокая степень заболеваемости, травматизма и смертности при шахтных способах добычи
Транспор-тировка  топлива	Загрязнение при испарении жидкого топлива, потере газа, нефти, пылью от твердого топлива	Загрязнение при утечках, авариях, особенно нефтью	Загрязнение нефтью в результате потерь и при  авариях	В основном через загрязнение вод  и гидробионтов
Работа  электростанций на твердом топливе	Основные поставщики углекислого  газа, сернистого ангидрида, окислов  азота, продуктов для кислых осадков, аэрозолей, сажи, загрязнение радиоактивными веществам и, тяжелыми металлами	Разрушение и сильное загрязнение  почв вблизи предприятий (техногенные  пустыни), загрязнение тяжелыми металлами, радиоактивными веществами, кислыми  осадками; отчуждение земель под землеотвалы, другие отходы	Тепловое загрязнение в результате сбросов подогретых вод, химическое загрязнение через кислые осадки и сухое осаждение из атмосферы, загрязнение продуктами вымывания  биогенов и ядовитых веществ (алюминий)из почв и грунтов	Основной  агент разрушения и гибели экосистем, особенно озер и хвойных лесов (обеднение видового состава, снижение продуктивности, разрушение хлорофилла, вымывание биогенов, повреждение корней и т.п.). Эвтрофикация вод и их цветение. На человека через загрязнение воздуха, воды, продуктов питания, разрушение природы, строений, памятников и т.п.	Загрязнение воздуха продуктами горения-» кислые осадки-» гибель лесов и экосистем  озер -> нарушение круговоротов вешеств -> антропогенные сукцессии   Тепловое загрязнение вод -> дефицит кислорода -> эвтрофикация и цветение вод -> усиление дефицита кислорода -> превращение водных экосистем в болотные
Работа  электростанций на жидком топливе и  газе	То  же, но в значительно меньших масштабах	То  же, но в значительно меньших масштабах	Тепловое  загрязнение, как для твердого топлива, остальные в значительно меньших  масштабах	То  же, но в значительно меньших масштабах

 

 

 

Вместе с тем влияние  энергетики на среду и ее обитателей в большей мере зависит от вида используемых энергоносителей (топлива). Наиболее чистым топливом является природный газ, далее следует нефть (мазут), каменные угли, бурые угли, сланцы, торф.

Хотя в настоящее  время значительная доля электроэнергии производится за счет относительно чистых видов топлива (газ, нефть), однако закономерной является тенденция уменьшения их доли. По имеющимся прогнозам, эти энергоносители потеряют свое ведущее значение уже в первой четверти XXI столетия. Здесь уместно вспомнить высказывание Д. И. Менделеева о недопустимости использования нефти как топлива: «нефть не топливо - топить можно и ассигнациями».

Не исключена вероятность  существенного увеличения в мировом  энергобалансе использования угля. По имеющимся расчетам, запасы углей  таковы, что они могут обеспечивать мировые потребности в энергии в течение 200-300 лет. Возможная добыча углей, с учетом разведанных и прогнозных запасов, оценивается более чем в 7 триллионов тони. При этом более 1/3 мировых запасов углей находится на территории России. Поэтому закономерно ожидать увеличения доли углей или продуктов их переработки (например, газа) в получении энергии, а следовательно, и в загрязнении среды. Угли содержат от 0,2 до десятков процентов серы в основном в виде пирита, сульфата, закисного железа и гипса. Имеющиеся способы улавливания серы при сжигании топлива далеко не всегда используются из-за сложности и дороговизны. Поэтому значительное количество ее поступает и, по-видимому, будет поступать в ближайшей перспективе в окружающую среду. Серьезные экологические проблемы связаны с твердыми отходами ТЭС - золой и шлаками. Хотя зола в основной массе улавливается различными фильтрами, все же в атмосферу в виде выбросов ТЭС ежегодно поступает около 250 млн. т мелкодисперсных аэрозолей. Последние способны заметно изменять баланс солнечной радиации у земной поверхности. Они же являются ядрами конденсации для паров воды и формирования осадков; а попадая в органы дыхания человека и других организмов, вызывают различные респираторные заболевания.

Выбросы ТЭС являются существенным источником такого сильного канцерогенного вещества, как бензопирен. С его действием связано увеличение онкологических заболеваний. В выбросах угольных ТЭС содержатся также окислы кремния и алюминия. Эти абразивные материалы способны разрушать легочную ткань и вызывать такое заболевание, как силикоз, которым раньше болели шахтеры. Сейчас случаи заболевания силикозом регистрируются у детей, проживающих вблизи угольных ТЭС.

Серьезную проблему вблизи ТЭС представляет складирование  золы и ишаков. Для этого требуются значительные территории, которые долгое время не используются, а также являются очагами накопления тяжелых металлов и повышенной радиоактивности.

Имеются данные, что если бы вся сегодняшняя энергетика базировалась на угле, то выбросы СО, составляли бы 20 млрд. тонн в год (сейчас они близки к 6 млрд. т/год). Это тот предел, за которым прогнозируются такие изменения климата, которые обусловят катастрофические последствия для биосферы.

ТЭС - существенный источник подогретых вод, которые используются здесь как охлаждающий агент. Эти воды нередко попадают в реки и другие водоемы, обусловливая их тепловое загрязнение и сопутствующие ему цепные природные реакции (размножение водорослей, потерю кислорода, гибель гидробионтов, превращение типично водных экосистем в болотные и т. п.).

 

 

Ресурсы окружающей среды.

В современном понимании  под ресурсами, поддающимся качественному  и количественному описанию, подразумеваются  все природные источники, на которые  осуществляется воздействие человека, причём знак

этого воздействия бывает как положительным, так и отрицательным.

Обеспеченность ресурсами  является основой функционирования теплоэнергетики и всей энергетики в целом в конкретных условиях. До настоящего времени обычно рассматривалась  в различных аспектах обеспеченность теплоэнергетики только первичными топливными ресурса-

ми. Но влияние на энергетику оказывают и многие другие компоненты

атмосферы, гидросферы, литосферы, которые тоже необходимо принимать  во внимание.

Развитие теплоэнергетики, как общей системы использования природных ресурсов началось в начале текущего столетия. Долгое время основным источником тепловой энергии во всём мире были дрова, мускульная энергия людей и скота. Коренное изменение структуры теплопотребления произошло в 20 веке.

Применение двигателей внутреннего сгорания в промышленной тепло-

энергетике, в морском  и автомобильном транспорте, в  сельском хозяйстве, а затем и  в авиации вызвали развитие добычи и переработки нефти. Для бытовых  и промышленных целей стало использоваться газовое топливо, как более дешевое, удобное в эксплуатации и удешевляющее ко-

тельное оборудование. С  середины текущего столетия прирост  тело-

энергопотребления происходит преимущественно за счёт этих двух видов ресурсов (1990 год: Нефть-0,03 млрд.т.ут.; Уголь- 0,73 млрд.т.ут.;

1975 год: Нефть-4,04, Природный  газ-1,69, Уголь-2,63 млрд.т.ут.).

Важнейшим событием явилось  открытие путей использования ядер-

ной энергии. Наряду с  органическим топливом, ядерное топливо  относится к категории невозобновляемых энергетических ресурсов, в отли-

чии от возобновляемых, к  которым относятся: лучистая энергия Солнца, механическая энергия речных стоков, приливов, волн и ветров, тепловая энергия земных недр (геотермальная энергия) и тепловая энергия,

основанная на температурном градиенте разных слоёв воды мирового океана.

Органическое топливо- 70-90% приходится на угли (извлекаемость 30-60%). Геологические ресурсы каменного угля- 7,5-14,0 трлн.т., (извлекаемость 1,0-2,4 трлн.т.).

Наиболее динамично  изменяются представления о ресурсах нефти и

природного газа- (извлекаемость 80-110 млрд.т.) и (700-1100 млрд.т.-

геологические ресурсы  нефти, природного газа- 800 трлн.м³.

 Ядерное топливо:  суммарные запасы урана, доступные  извлечению из

недр, оцениваются в 66,16 млн.т., ресурсы дейтерия сосредоточенные в

атмосфере практически  неисчерпаемы. Потенциальные ресурсы ядерного топлива по тепловому эквиваленту значительно превосходят суммарные ресурсы всех видов органического топлива.

    Возобновляемые  ресурсы: энергия недр Земли, космического излучения

и излучения Солнца, а также их производные в виде преобразованной или

аккумулированной энергии. Из наиболее перспективных источников энергии этой группы могут быть названы: энергия Солнца, гидроэнергия

(энергия стока рек-  наиболее освоена и широко применяется), энергия

ветра. 

 

 

 

Влияние вредных  выбросов ТЭС и ТЭЦ на атмосферу.

  Атмосфера- воздушная  среда. Является наиболее уязвимой  составляю-   

щей окружающей среды. Без  нее невозможна жизнедеятельность  чело-

века, существование и развитие животного и растительного мира,

так как в ней содержится основная часть кислорода воздуха, имеющегося на планете. Атмосфере человеческой деятельностью причиняется

огромный и невосполнимый  ущерб. Вследствие тесной и неразрывной 

взаимосвязи всех природных составляющих окружающей среды, загрязнение атмосферы неизбежно отражается на других средах: гидросфере, литосфере, биосфере. Выбросы вредных веществ в атмосферу постоянно растут с ростом урбанизации, строительством новых заводов

и фабрик.

  Наибольшее загрязнение атмосферного воздуха происходит вследствие выбросов в атмосферу вредных веществ при работе энергетических

установок, работающих на углеводородном топливе (бензин, керосин,