Теплоэнергетика

| Категория реферата: Рефераты по физике
| Теги реферата: шпоры по математике, рефераты без регистрации
| Добавил(а) на сайт: Бабанов.

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.

|Первый закон термодинамики |
| |
|1. Из закона сохранения и превращения энергии следует, что изменение ?W |
|энергии системы равно сумме работы А', совершенной над ней внешними |
|телами, и сообщенного eй тепла Q: |
|?W = Q + A' |
|Q = ?W + A |
| |
|где A - работа, совершаемая системой над внешними телами. При этом |
|предполагается, что Q, ?W, А и А' измерены в единицах одной системы. |
|2. В термодинамике обычно рассматриваются макроскопически неподвижные |
|системы, для которых изменение полной энергии равно изменению внутренней |
|энергии, так что |
|Q = ?U + A. |
| |
|Тепло, сообщенное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии|
|и на совершение системой работы против внешних сил (первый закон |
|термодинамики). |
|Если система представляет собой периодически действующую машину, в которой|
|газ, пар или другое рабочее тело в результате совершения кругового |
|процесса возвращается в исходное состояние, то ?U = 0 и A = Q. |
|Следовательно, нельзя построить периодически действующий двигатель, |
|который совершал бы работу, большую подводимой к нему извне энергии |
|(вечный двигатель первого рода невозможен). |

|Второй закон термодинамики |
| |
|1. Первый закон термодинамики, выражающий всеобщий закон сохранения и |
|превращения энергии, не позволяет определить направление протекания |
|термодинамических процессов. Например, основываясь на этом законе, можно |
|было бы пытаться построить вечный двигатель второго рода, т. е. двигатель,|
|рабочее тело которого, совершая круговой процесс, получало бы энергию в |
|форме тепла от одного внешнего тела и целиком передавало бы ее в форме |
|работы другому внешнему телу. |
|2. Обобщение результатов многочисленных экспериментов привело к выводу о |
|невозможности построения вечного двигателя второго рода. Этот вывод |
|называется вторым законом термодинамики и имеет ряд формулировок, |
|различных по форме, но эквивалентных по существу, в частности: |
|а) невозможен процесс, единственным результатом которого является |
|превращение тепла, полученного от нагревателя, в эквивалентную ему работу;|
| |
|б) невозможен процесс, единственным результатом которого является передача|
|энергии в форме тепла от холодного тела к горячему. |
|3. Второй закон термодинамики указывает на существенное различие двух форм|
|передачи энергии - теплоты и работы. Он утверждает, что процесс |
|преобразования упорядоченного движения тела как целого в неупорядоченное |
|движение частиц самого тела и внешней среды является необратимым. |
|Упорядоченное движение может переходить в неупорядоченное без каких-либо |
|дополнительных (компенсирующих) процессов, например при трении. В то же |
|время обратный переход неупорядоченного движения в упорядоченное, или, как|
|часто неточно говорят, «переход тепла в работу», не может являться |
|единственным результатом термодинамического процесса, т. с. всегда должен |
|сопровождаться каким-либо компенсирующим процессом. Например, при |
|равновесном, изотермическом расширении идеальный газ совершает работу, |
|которая полностью эквивалентна теплу, переданному газу нагревателем. |
|Однако плотность газа при этом уменьшается, т. е. «превращение тепла в |
|работу» не является единственным результатом рассматриваемого процесса. |
|Тепловой двигатель, работающий по прямому циклу Карно, совершает работу, |
|эквивалентную лишь части полученного от нагреватели тепла, так как |
|остальная часть последнего отдается холодильнику, состояние которого |
|вследствие этого изменяется. В холодильной машине тепло передается от |
|холодного тела к горячему. Однако дли осуществления этого процесса |
|необходим компенсирующий процесс совершения работы внешними телами. |

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.

[pic]

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.