ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА
advertisement
ÂÛÑØÅÅ ÏÐÎÔÅÑÑÈÎÍÀËÜÍÎÅ ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÅ Ю. Г.КОТИКОВ, В.Н. ЛОЖКИН ТРАНСПОРТНАЯ ЭНЕРГЕТИКА Под редакцией дра техн. наук Ю.Г. КОТИКОВА Допущено Учебнометодическим объединением по образованию в области транспортных машин и транспортнотехнологических комплексов в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Организация перевозок и управление на транспорте (автомобильный транспорт)» направления подготовки дипломированных специалистов «Организация перевозок и управление на транспорте» Ìîñêâà 2006 1 УДК 620.9(075.8) ББК 31я73 К732 Р е ц е н з е н т ы: зав. кафедрой логистики и организации перевозок СанктПетербургского государственного инженерноэкономического университета, др техн. наук, профессор В.С. Лукинский; декан энергомашиностроительного факультета, профессор кафедры колесных и гусеничных машин СанктПетербургского государственного политехнического университета, др техн. наук Г. П. Поршнев Котиков Ю. Г. К732 Транспортная энергетика : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Ю. Г. Котиков, В. Н. Ложкин ; под ред. Ю. Г. Котикова. — М. : Издательский центр «Акаде мия», 2006. — 272 с. ISBN 5769522879 Рассмотрены особенности моторного топлива, рабочие процессы транс портных энергоустановок, диссипация энергии при движении автотранс портных средств, энергозатраты в автомобилестроении и транспортнодо рожном комплексе, методика оценки энергоэффективности последнего. Для студентов вузов и специалистов в области автомобильного транс порта. УДК 620.9(075.8) ББК 31я73 Оригиналмакет данного издания является собственностью Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается ISBN 5769522879 2 © Котиков Ю. Г., Ложкин В. Н., 2006 © Образовательноиздательский центр «Академия», 2006 © Оформление. Издательский центр «Академия», 2006 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ..................................................................................................... 3 Принятые сокращения .................................................................................... 5 Введение ........................................................................................................... 7 Глава 1. Энергетика и ее проблемы ............................................................ 9 1.1. Общие понятия энергетики и энергии ...................................................... 9 1.2. Виды и формы энергии ........................................................................... 12 1.3. Источники и ресурсы энергии ................................................................ 19 1.4. Преобразование и аккумулирование энергии ........................................ 24 1.4.1. Преобразование и преобразователи ............................................. 24 1.4.2. Аккумулирование энергии и аккумуляторы ................................ 26 1.5. Энергетика ............................................................................................... 28 1.6. Энергетика и прогресс общества ............................................................ 33 1.6.1. Топливные эры и технологические уклады .................................. 33 1.6.2. Изменение структуры потребления энергии в XX в. ................... 35 1.6.3. Формирование цен на энергоресурсы .......................................... 38 1.7. Энергетика и экология ............................................................................ 41 1.8. Энергетика и транспорт .......................................................................... 45 1.8.1. Энергетическая инфраструктура транспорта ............................... 45 1.8.2. Энергозатраты компонентов транспорта ..................................... 48 1.8.3. Факторы формирования энергозатрат на перевозки .................. 50 1.8.4. Статистика энергетики автомобильного транспорта .................. 51 1.8.5. Логистический и геоинформационный подходы к транспортной энергетике ........................................................... 55 1.9. Научнотехнические проблемы и задачи транспортной энергетики .... 56 Глава 2. Этапы развития теплоэнергетики. Основные теоретические положения термодинамики и теплотехники ............................................................................. 59 2.1. История теплоэнергетики ....................................................................... 59 2.2. Энергия как мера работоспособности физических тел .......................... 66 2.3. Топливо — источник тепловой энергии. Виды, физикохимические и эксплуатационные свойства топлива ................. 68 2.4. Основные термодинамические характеристики и уравнения состояния парогазовых систем ................................................................ 75 2.5. Теплота и работа. Первое начало термодинамики ................................. 82 2.6. Второе начало термодинамики. Цикл Карно ......................................... 87 Глава 3. Теоретические основы рабочих процессов и их организация в транспортных двигателях ......................... 95 3.1. Теоретические основы рабочих процессов тепловых двигателей .......... 95 3.1.1. Классификация основных рабочих процессов ............................. 95 270 3.1.2. Идеальный, теоретический и рабочий (действительный) термодинамические циклы поршневых двигателей .................... 97 3.1.3. Газотурбинный двигатель ........................................................... 109 3.1.4. Паросиловые установки ............................................................... 112 3.1.5. Двигатель внешнего сгорания с возвратнопоступательно движущимися поршнями (двигатель Стирлинга) ....................... 114 3.1.6. Роторный двигатель Ванкеля ....................................................... 116 3.2. Организация рабочих процессов транспортных двигателей внутреннего сгорания .................................. 118 3.2.1. Двигатель с искровым зажиганием (двигатель Отто) ................. 118 3.2.2. Дизель ......................................................................................... 124 3.2.3. Гибридные двигатели .................................................................. 129 3.3. Основные системы обеспечения работы транспортных двигателей внутреннего сгорания .......................................................... 131 3.3.1. Система питания .......................................................................... 131 3.3.2. Цилиндропоршневая группа, кривошипношатунный и газораспределительный механизмы ........................................ 132 3.3.3. Система наддува ......................................................................... 136 3.3.4. Система охлаждения и смазочная система ................................ 139 3.3.5. Система выпуска отработавших газов ....................................... 140 Глава 4. Энергетика автотранспортных средств .................................. 146 4.1. Продвижение и реализация потока энергии в автотранспортных средствах ............................................................... 146 4.2. Качественная картина диссипации энергии движущимся автотранспортным средством ................................................................ 153 4.3. Энергетика колебательных процессов .................................................. 154 4.3.1. Основные понятия колебательных процессов ........................... 154 4.3.2. Свободные колебания диссипативной системы с одной степенью свободы .......................................................... 157 4.3.3. Диссипативные характеристики механических систем ............. 158 4.3.4. Колебания и вязкоупругое поведение материалов ..................... 161 4.4. Производство механической энергии двигателями транспортных средств в эксплуатационных условиях .......................... 164 4.4.1. Стендовые однопараметрические характеристики двигателей внутреннего сгорания ............................................... 164 4.4.2. Рабочее поле и многопараметровые характеристики двигателей внутреннего сгорания ............................................... 168 4.4.3. Образование механических потерь в двигателе .......................... 172 4.4.4. Влияние комплектации, атмосферных условий и технического состояния двигателя на его эксплуатационные показатели .......................................... 174 4.4.5. Неустановившиеся режимы работы двигателя ........................... 176 4.4.6. Совместное влияние нелинейности характеристик и гистерезиса на показатели движения автотранспортных средств .......................................................... 182 4.5. Передача энергии трансмиссией .......................................................... 184 4.6. Энергетика колесного движителя ......................................................... 188 4.7. Преодоление аэродинамического сопротивления ............................... 202 271 4.8. Оптимальное управление автотранспортными средствами ................ 204 4.9. Энергообеспечение вспомогательных и специальных функций автотранспортных средств, сохранности грузов и жизнедеятельности .............................................................................. 211 Глава 5. Энергетика компонентов и инфраструктуры транспорта .................................................................................. 214 5.1. Производство автотранспортных средств ............................................. 214 5.2. Строительство и содержание автомобильных дорог ............................. 217 5.3. Поддержание работоспособности техники и персонала ............................................................................................ 229 5.3.1. Поддержание работоспособности подвижного состава ............. 229 5.3.2. Производственнотехнологические и коммунальнобытовые тепло и топливопотребители предприятий автомобильного транспорта ................................................................................... 230 5.3.3. Нормирование расхода топлива на автомобильном транспорте ................................................................................... 232 5.4. Погрузочноразгрузочные и транспортноскладские работы ............. 235 5.5. Связь и управление ............................................................................... 237 5.6. Утилизация транспортных конструкций как завершение их жизненного цикла ............................................................................. 240 5.7. Парк машин на дорожной сети ............................................................. 241 5.7.1. Уровни моделирования транспортного потока .......................... 241 5.7.2. Нестационарные режимы транспортных потоков ..................... 242 5.8. Энергетическая эффективность автомобильного транспорта ............ 245 5.8.1. Единица измерения эффективности транспорта тран .............. 245 5.8.2. Обобщенный коэффициент энергоэффективности перевозок ..................................................................................... 246 Глава 6. Применение энергосберегающих и природоохранных технологий на транспорте как способ защиты окружающей среды и общества ............................................... 249 6.1. Взаимодействие транспортнодорожного комплекса с окружающей природной средой ......................................................... 249 6.2. Системы, обеспечивающие топливную экономичность, снижение дымности и токсичности транспортных двигателей внутреннего сгорания ................................................................................................. 254 6.3. Обеспечение экологической безопасности моторного топлива, контроль его качества при испытаниях и реализации .......................... 260 Заключение .................................................................................................. 266 Список литературы ...................................................................................... 268 272 ПРЕДИСЛОВИЕ Дисциплина «Транспортная энергетика» занимает особое место в процессе формирования специалистов в области авто мобильного транспорта. С одной стороны, для успешного осво ения этой инженерной дисциплины требуется хорошая подго товка студентов по предшествующим предметам: высшей мате матике, прикладной информатике, физике, теоретической и прикладной механике, теории эксплуатационных свойств авто мобиля, экологии. С другой стороны, для ряда последующих предметов, связанных с изучением транспортной логистики, технологии транспортного производства, взаимодействия видов транспорта, грузовых и пассажирских перевозок, а также эко номики транспорта, транспортная энергетика — одна из базо вых дисциплин. Несмотря на то что энергетика является физической основой транспорта, а специалисттранспортник должен иметь соот ветствующую подготовку, учебника по этой дисциплине до сих пор не было. Более того, авторам не удалось найти ни одной книги с таким названием, хотя имеется много литературы по вопросам, которые могут быть отнесены к транспортной энер гетике. Объяснить это можно тем, что данная дисциплина долж на органично и вместе с тем концентрированно соединить в себе множество разнородных знаний в связи с выходом транспорт ной науки и практики на логистический уровень. Проникнуть в существо процессов общей энергетики, понять и оценить роль транспорта, изучить энергетику процессов, в которых участвуют физические и организационные объекты транспорта (двигательные установки, автотранспортные сред ства, парк машин), приобрести соответствующие знания, спо собствующие выработке и принятию оптимальных, всесторон не взвешенных решений в области предстоящей профессио нальной деятельности, — вот цель, которую ставит перед вами этот курс. Вам предстоит большая работа, требующая трудолю бия и интеллектуальных усилий. Настоящий курс формировался в течение многих лет в про цессе подготовки специалистов в области автомобильного транспорта в Автомобильнодорожном институте СанктПетер бургского государственного архитектурностроительного уни верситета (АДИ СПбГАСУ). Использован опыт авторов, накоп ленный в процессе многолетних исследований эксплуатацион 3 ных свойств автомобилей и их энергосиловых элементов на Камском автозаводе, в Центральном научноисследовательском институте топливной аппаратуры, на предприятиях Главлен автотранса. Авторы выражают особую признательность специ алистам этих предприятий, оказавшим в свое время весомое влияние на становление идей и решение задач будущего учеб ного курса, В. Н. Баруну, Р. А. Азаматову, Д. Х. Валееву, Б. В. Ма мину, Ю. И. Будыко. Предисловие, введение, гл. 1, 4, 5 и заключение написаны Ю.Г. Котиковым; гл. 2, 3, 6 — В. Н. Ложкиным. Замечания и пожелания, возникшие при прочтении книги, просьба присылать по адресу: 198103, СанктПетербург, ул. Кур ляндская, д. 2/5, АДИ СПбГАСУ, кафедра ОПУБАТ либо по од ному из адресов электронной почты: cotikov@mail.r u, vnlojkin@yandex.ru. 4 ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ АБ АБЗ АБС АД АП АРЗ АТ АТП АТпоток АТС АЭС ВВП ВМТ ВСХ ГИС ГРМ ГТД ГТУ ГЭС ДВС ДУ ЖДТ ЖЦ ИТ КА КВ КП КС КШМ ЛЭП МПХ МТ НМТ НПЗ НУР НЧ ОГ ОС ПГУ — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — асфальтобетон асфальтобетонный завод асфальтобетонная смесь автомобильная дорога автопоезд авторемонтный завод автомобильный транспорт автотранспортное предприятие автотранспортный поток автотранспортное средство атомная электростанция валовой внутренний продукт верхняя мертвая точка внешняя скоростная характеристика геоинформационная система газораспределительный механизм газотурбинный двигатель газотурбинная установка гидроэлектростанция двигатель внутреннего сгорания дифференциальное уравнение железнодорожный транспорт жизненный цикл информационные технологии космический аппарат коленчатый вал коробка передач камера сгорания кривошипношатунный механизм линия электропередачи многопараметровая характеристика моторный тормоз нижняя мертвая точка нефтеперерабатывающий завод неустановившийся режим несущая часть (конструкции АТС) отработавшие газы окружающая среда парогазовая установка 5 ПДК — предельно допустимая концентрация ПРиТСР — погрузочноразгрузочные и транспортно складские работы ПРР — погрузочноразгрузочные работы ПРХ — предельная регуляторная характеристика ПХХ — принудительный холостой ход ПТМ — подъемнотранспортные машины ПТХ — предельная тормозная характеристика ПЭС — приливная электростанция СНГ — сжиженный нефтяной газ СПГ — сжатый природный газ СТО — станция технического обслуживания СУ — силовая установка СУПБ — система улавливания паров бензина СУР — стиль управления разгоном ТА — топливная аппаратура ТД — торможение двигателем ТДК — транспортнодорожный комплекс ТНВД — топливный насос высокого давления ТО — техническое обслуживание ТР — текущий ремонт ТС — транспортное средство ТСР — транспортноскладские работы ТЭ — топливный элемент ТЭБ — топливноэнергетический баланс ТЭК — топливноэнергетический комплекс ТЭС — теплоэлектростанция ТЭЦ — теплоэлектроцентраль ТЭХ — топливноэкономическая характеристика УДД — управление дорожным движением УДС — уличнодорожная сеть у. т. — условное топливо ХХ — холостой ход ХЧ — ходовая часть ЦБЗ — цементобетонный завод ЦПГ — цилиндропоршневая группа ЭК — энергетический комплекс ЭС — электростанция ЭСЭ — энергосиловой элемент ЭУ — энергетическая установка 6 ВВЕДЕНИЕ Источником жизни на Земле, а также источником энергии для всей техноструктуры и жизнеобеспечения человечества яв ляется Солнце. Транспорт, будучи одним из основных элементов экономики и жизнедеятельности, требует для своей работы до четверти всех используемых энергоресурсов. Продвижение энергии от пер вичных источников через множество различных преобразовате лей до парка транспортных машин, а затем превращение ее в транспортную работу по сути представляют собой логистичес кий процесс. Потребление энергии — необходимое условие существования человечества. История цивилизации — это история освоения новых источников энергии, изобретения методов ее преобразо вания, увеличения ее потребления. На первом этапе энергопо требления человек научился добывать огонь и использовать его для приготовления пищи и обогрева. Следующий этап связан с созданием орудий труда. В XV в. человек потреблял энергии в десять, а к концу XX в. — в сто раз больше, чем первобытный предок. Темпы развития энергетики опережали темпы развития других отраслей. В то же время энергетика — источник вредного воздействия на среду обитания. Она влияет на атмосферу (потребление кис лорода, выбросы вредных веществ), гидросферу (потребление воды, сбросы загрязнений) и литосферу (потребление ископае мых, изменение ландшафта). Энергия — это общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. В физическом смысле энер гия есть способность совершать работу. Тысячелетия человек для выполнения работы довольствовал ся своей мускульной силой, расходуя около 2 тыс. ккал в сутки. Затем на помощь пришли животные. Но потребность в энер гии росла. Начали создаваться устройства, способные исполь 7 зовать естественные источники механической энергии, осва ивалась теплота природного топлива. Изобретение двигателя внутреннего сгорания позволило создать транспортные маши ны. Энерговооруженность человека значительно увеличилась благодаря применению электрической энергии, а затем энергии атомного ядра. Современному человеку для обеспечения ком фортных условий жизни требуется в среднем 250 тыс. ккал в сутки. Поиск новых форм энергии остается одной из основ ных задач человечества. Цель настоящего учебного издания — преподать будущим специалистам автотранспортной отрасли структурированную совокупность знаний, называемую транспортной энергетикой. Эта совокупность обладает многоаспектностью: взаимосвязь транспортной и общей (интегрированной) энергетики, оценка и методы снижения энергозатрат, разработка новых видов топ лива и создание соответствующих конструкций двигателей, эко логические ограничения, логистические аспекты обеспечения парка машин энергией, организация эффективной работы это го парка и многое другое. 8 Гл а в а 1 ЭНЕРГЕТИКА И ЕЕ ПРОБЛЕМЫ 1.1. Общие понятия энергетики и энергии Общее понятие энергетики. Энергетика — это область де ятельности, связанная с производством и потреблением энер гии. В системном плане энергетика представляет собой сово купность подсистем, служащих для преобразования, распреде ления и использования энергетических ресурсов всех видов. Назначение энергетики состоит в том, чтобы обеспечить про изводство энергии путем преобразования первичной энергии (например, химической, содержащейся в нефти) во вторичную (допустим, электрическую энергию) и эффективное использо вание ее конечным потребителем (к примеру, троллейбусом). Производство и потребление энергии проходят следующие стадии: · получение и концентрация энергетических ресурсов — не фти, угля; · передача сырья к преобразующим установкам (нефти — на нефтеперерабатывающий завод (НПЗ), угля — на теплоэлектро станцию (ТЭС)); · преобразование первичной энергии сырья во вторичную с новым носителем (в топливо — на НПЗ, электрическую энер гию — на ТЭС); · передача вторичной энергии потребителям (топлива — ав томобилям, электроэнергии — троллейбусам, в отопительные и осветительные системы); · потребление доставленной энергии (автомобилем — для со вершения транспортной работы, отопительными системами — для обогрева помещений). Теоретическую основу энергетики составляет ряд научных дисциплин: термо и газодинамика, тепло и электротехника, гидромеханика и др. Базовые понятия энергетики включают в себя энергию, ее виды и формы; энергоносители и топливо; измерители энергии и системы единиц; основные законы и методы преобразования 9 энергии, типы преобразователей; способы передачи и аккуму лирования энергии. Только при знании всех этих элементов в их взаимосвязи можно составить системное представление об энергетике в целом и возможностях эффективного функциони рования ее подобласти — транспортной энергетики, связанной с осуществлением перевозок. Энергия, работа, единицы измерения. Термин «энергия» происходит от греческого слова energeia — действие. Энергия пронизывает и объединяет многие процессы, является универ сальной количественной мерой движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия — скалярная характеристика дви жения материи и работы, совершаемой материальными телами. Работа производится под действием силы. Сила возникает при наличии полей, окружающих тела. Каждой форме движения материи соответствует свой вид энергии: механическая, тепло вая, химическая, электрическая, ядерная (атомная) и др. Сумма всех видов энергии в объекте составляет полную энер гию E, которая связана с его массой m и скоростью света с зако ном Эйнштейна: E = mc2. Массе 1 г соответствует энергия 1014 Дж. Превращение внутренней энергии тела в ее внешние формы называют освобождением энергии. При химических реакциях освобождается 5 · 10-9 % общего запаса энергии тела, при ядер ных — 0,09 %, термоядерных — 0,65 %, а при аннигиляции эле ментарных частиц — 100 % [13]. Энергия может превращаться из одного вида в другой. При этом полная энергия изолированной системы в соответствии с законом сохранения энергии остается неизменной. Из данного закона вытекает другой общий закон: запас энергии тела (сис темы), совершающего работу, уменьшается, а запас энергии тела при приложении к нему внешней силы, производящей работу, увеличивается. Полная энергия тела (системы) состоит из кинетической энергии движения тела, потенциальной энергии, обусловлен ной наличием силовых полей, и внутренней энергии. Механи ческая кинетическая энергия присуща движущимся предме там, а механическая потенциальная энергия — объектам, рас положенным выше уровня базовой поверхности. Тепловой энергией обладают нагретые предметы. Химиче ская энергия содержится в топливе и пище. Электрическая энергия генерируется в основном на электростанциях. Лучи стая энергия (энергия электромагнитного излучения) в форме солнечной энергии служит для Земли источником теплоты и света. Ядерная энергия является разновидностью потенциальной энергии, связанной с наличием внутриядерных силовых полей. Энергию содержат в себе и переносят ее физические носите ли (табл. 1.1) [13]. 10 Т а б л и ц а 1.1 Виды энергии и ее физические носители Âèä ýí åðãèè Ì åõàí è÷åñêàÿ Ò åïëîâàÿ Õèì è÷åñêàÿ Ý ëåêòðè÷åñêàÿ Ñ îëí å÷í àÿ ßäåðí àÿ Ô è çè ÷ å ñ ê è å í î ñ è ò å ë è Ñ îâîêóïí îñòü ýëåêòðîí îâ, àòîì îâ è ì îëåêóë â ì àññèâí îì òåëå À òîì û è ì îëåêóëû , í àõîäÿù èåñÿ â õàîòè÷åñêîì äâèæ åí èè Ý ëåêòðîí û âí åø í èõ îðáèò Ý ëåêòðîí û è èîí û , äâèæ óù èåñÿ ïî ïðîâîäàì , â âîäí îì ðàñòâîðå èëè âàêóóì å Ý ëåêòðîì àãí èòí îå ïîëå Í óêëîí û С энергией связана способность совершать работу; она обес печивает функционирование промышленности, транспорта и других отраслей хозяйства. Наиболее широко используется электрическая энергия, вы рабатываемая в основном ТЭС, атомными (АЭС) и гидроэлек тростанциями (ГЭС), а также получаемая из других источников. На транспорте значительна доля тепловой энергии. Энергия, обеспечивающая конечные производственные про цессы — электрофизические, механические, тепловые, освеще ние, передачу информации, представляет собой конечную энер гию. Энергия, которая содержится в энергоносителях и обеспечи вает работу конечных энергетических установок, называется подведенной. Коэффициент полезного действия h характеризует степень совершенства устройства, осуществляющего передачу или пре образование энергии. Он равен отношению полезной энергии Eпол или мощности Nпол соответственно к подводимой энергии E или мощности N: h = Eпол/E = Nпол/N. Чем выше КПД устройства, тем больше подводимой энергии используется им или преобразуется. Смена поколений машин и преобразователей энергии всегда сопровождалась повышением КПД. Паровые машины в первой половине XIX в. имели КПД 5 … 7 %. КПД энергоустановки паровоза был повышен до 10 %, а тепловоза — до 28 %. У современных поршневых паровых ма шин и двигателей внутреннего сгорания (ДВС) КПД не превы шает 35 %, а у паровых и газовых турбин — 40 % [12, 13]. 11 Единицей измерения энергии в Международной системе еди ниц СИ является джоуль (1 Дж = 1 Н · м). В тепловых расчетах применяют калорию (1 кал = 4,1868 Дж). В производстве и быту пользуются единицей, называемой киловаттчасом (1кВт · ч = 3,6 · 106Дж = 860 076 кал). Для оценки запасов источников энергии в качестве ее едини цы часто применяется тонна условного топлива — угля (т у. т.). При полном сгорании 1 т у. т. выделяется энергия 7 · 103 ккал. 1.2. Виды и формы энергии Механическая энергия. Механическая энергия характери зует движение и взаимодействие тел в пространстве и времени. Этот вид энергии, лежащий в основе действия механических устройств, изучается теоретической и технической механикой. Поскольку механическая энергия является конечным видом энергии для транспорта, вспомним основные положения меха ники [12]. Р а б о т а с и л ы и м о м е н т а с и л ы. Механическая энер гия вводится с использованием понятий работы силы и работы момента силы. Элементарной работой силы dL на элементар ной длине пути ds называется скалярное произведение вектора H H силы P и вектора элементарного перемещения dr H H dL = Pdr = P cos ads, H H H где r — радиусвектор, a — угол между векторами P и dr . Работой на участке пути является интеграл по пути: L= s2 ò P cos ads. (1.1) s1 При вращательном движении работу производит момент силы M. Заменяя в выражении (1.1) силу P моментом M, а путь ds — углом поворота dj и полагая, что cos a = 1, для работы мо мента сил получим L= j2 ò Md j, j1 где М = Ph; h — плечо силы, равное кратчайшему расстоянию между направлением ее действия и осью вращения. Единицей измерения момента силы в СИ является Н · м. По форме энергию подразделяют на кинетическую и потен циальную. 12 К и н е т и ч е с к а я э н е р г и я. При действии на тело силы его кинетическая энергия Eк возрастает на величину dEк = dL. Интегрируя dEк для тела, движущегося поступательно (cos a = = 1), получим L s s t 0 0 0 0 E ê = ò dL = ò Pds = ò mads = ò m v dv vdt = ò mvdv = mv 2 2, dt 0 где т — масса; v — линейная скорость; а — линейное ускоре ние тела. При вращательном движении роль массы играет момент инерции тела I, а роль скорости — угловая скорость w = dj/dt. Поэтому для вращающегося тела получим Ек = Iw2/2. При вращательном движении аналогом линейного ускорения a является угловое ускорение e = dw/dt и момент инерции связан с моментом силы зависимостью I = M/e. В СИ момент инерции измеряется в кг · м2. Если тело одновременно участвует в поступательном и вра щательном движениях, его энергия Ек = mv2/2 + Iw2/2. П о т е н ц и а л ь н а я э н е р г и я. При воздействии потенци альной силы, работа которой определяется только начальным и конечным положениями тела, величина энергии, равная работе силы на пути между этими положениями, называется потенци альной энергией Eп. З а к о н с о х р а н е н и я м е х а н и ч е с к о й э н е р г и и. Данный закон записывается в виде Е = Ек + Еп = const. Он является частным случаем закона сохранения и превра щения полной энергии. М о щ н о с т ь. Согласно определению мощность — это рабо та, совершаемая в единицу времени: N = dL/dt. При поступа тельном движении N = Pv, а при вращательном — N = Мw. Одну и ту же мощность можно получить различными сочетаниями силы P и скорости v или момента силы М и угловой скорости w. Мощность в СИ измеряется в ваттах: 1 Вт = 1 Дж/с. Внесис темной единицей мощности является лошадиная сила — работа, производимая силой 75 кгс на пути 1 м за 1 с: 1 л.с. = 735,5 Вт. Тепловая энергия. Теплота представляет собой форму про явления внутреннего беспорядочного (хаотического) движения частиц тела (системы). Мерой теплоты является ее количество, 13 получаемое или отдаваемое телом при теплообмене. Это коли чество теплоты называют тепловой энергией. Проблемы, связанные с осуществлением тепловых процес сов, рассматриваются термодинамикой и теплотехникой. Термо динамика изучает процессы в системах путем анализа превра щения теплоты в различные виды энергии. Теплотехника охва тывает производство, распределение, транспортирование и ути лизацию теплоты. Способы извлечения, преобразования и ис пользования тепловой энергии в ДВС будут с необходимой глу биной рассмотрены в гл. 2 и 3. Здесь упомянем лишь основные законы термодинамики. Согласно первому началу (закону) термодинамики количе ство теплоты q, сообщаемое единице массы системы, расходу ется на увеличение ее внутренней энергии Du и совершение системой работы l над внешней средой: q = Du + l. Внутренняя энергия является функцией состояния системы: ее значение полностью определяется параметрами состояния и не зависит от пути, приведшего вещество в данное состояние. Внут ренняя энергия включает в себя кинетическую и потенциальную энергию частиц вещества. Первый закон термодинамики можно рассматривать как одну из формулировок закона сохранения и превращения энергии, примененного к тепловым процессам. Второе начало (закон) термодинамики устанавливает не обратимость реальных процессов и определяет их направление. Этот закон связан с понятием энтропии. Как и внутренняя энер гия, энтропия характеризует состояние системы и является ее функцией. Энтропия изменяется при сообщении телу или отбо ре у него теплоты и является мерой молекулярного хаоса и неупо рядоченности физической системы. При необратимых адиабат ных процессах энтропия растет, и это является законом приро ды при наличии антропогенного воздействия на нее. В соответствии с третьим началом (законом) термодинами ки при приближении температуры к абсолютному нулю энтро пия системы также стремится к нулю, что дает возможность рассчитывать абсолютное значение энтропии. Теплообменом называется необратимый самопроизвольный процесс передачи теплоты. Знание законов теплообмена позво ляет эффективно передавать теплоту потребителям и уменьшать ее потери в линиях теплопередачи. Существуют следующие виды передачи теплоты: теплопроводность, конвекция и лучи стый теплообмен. В природе и технике источниками тепловой энергии явля ются химические реакции, электрический ток, электромагнит ное излучение и ядерные реакции. 14 Химическая энергия. Этот вид энергии представляет собой часть внутренней энергии вещества, обусловленную взаимо действием атомов в молекуле. Выделяющаяся при сжигании топлива энергия используется для получения теплоты. Вещества подразделяются на органические и неорганиче ские. К органическим относятся углеродосодержащие веще ства — нефть, уголь, спирт и др. Примерами неорганических ве ществ могут служить вода, песок и минералы. Вещества вступают во взаимодействие — реакции, и тогда образуются новые вещества. Реакцию характеризует энергия активации, необходимая для разрыва связей реагирующих ве ществ и способствующая образованию новых связей и веществ. Скорость протекания реакции зависит от природы реагирующих веществ, термодинамических параметров состояния и внешне го воздействия. Реакции бывают экзотермическими и эндотермическими. Первые протекают с выделением энергии, вторые — с ее погло щением. К экзотермическим реакциям, в частности, относятся реакции сжигания топлива. Процесс сжигания топлива называется горением. Для горе ния характерно интенсивное выделение энергии, значитель ный нагрев, образование пламени, свечение, превращение твер дого и жидкого топлива в газ. При горении образуется дым — аэрозоль, состоящий из твердых частиц размером 0,1 … 10 мкм, взвешенных в газовой среде. После горения остается зола — минеральный остаток, содержащий SiO2, Fe2О3 и другие соеди нения. О р г а н и ч е с к о е т о п л и в о. В состав этого вида топлива входят углерод, водород, кислород, азот, сера, вода и другие эле менты и вещества. В зависимости от агрегатного состояния оно бывает твердым (уголь, древесина, торф), жидким (керосин, бензин, солярка, мазут) и газообразным (природные и искусст венные газы). Природным топливом являются древесина, природный газ, полезные ископаемые растительного происхождения (каменный и бурый уголь, антрацит, торф, горючие сланцы); искусствен ным — бензин, керосин, солярка, мазут, водород, кокс, коксо вые и генераторные газы и др. Энергетическая эффективность топлива определяется удель ной теплотой сгорания, равной теплоте, выделяющейся при сгорании 1 кг топлива. Различают высшую удельную теплоту сгорания Н0 — без учета потерь на испарение влаги, содержащей ся в топливе, и низшую удельную теплоту сгорания Нu — с уче том этих потерь. Из природного топлива наибольшей теплотой сгорания обладает природный газ (Н0 = 50 МДж/кг). Значитель ную теплоту сгорания имеет водород (Н0 = 116 МДж/кг). 15 Т а б л и ц а 1.2 Удельная теплота сгорания органического топлива, МДж/кг Топливо Hu H0 Бурый уголь 14 27 Антрацит 21 34 Каменный уголь 24 35 Для сопоставления разных ви дов топлива и его суммарного учета используют понятие вооб ражаемого условного топлива с низшей удельной теплотой сгора ния, равной 29,3 МДж/кг. Масса условного топлива mу выражает ся через массу натурального топ лива тн с помощью соотношения mу = Нu тн/29,3. В табл. 1.2 приведены усред ненные значения удельной теп лоты сгорания некоторых видов Природный газ 48 50 органического топлива [12]. Перспективные виды т о п л и в а. Приведем краткое описание некоторых из них. Водород имеет удельную теплоту сгорания втрое более высо кую, чем у нефти, а при его сгорании образуется экологически безопасная вода. При его использовании в двигателях в воздух не выбрасывались бы несгоревшие углеводороды, соединения свин ца и оксид углерода. Однако бензин, залитый в бак вместимос тью 80 л, имеет массу 56 кг; эквивалентное по энергосодержанию количество водорода имеет массу 20 кг, но стальные резервуары для этого количества газа должны иметь массу несколько тонн. Получение водорода пока дорогостоящий процесс. Недостатком этого вида топлива является также то, что во дород более взрывоопасен, чем компоненты природного газа. В качестве топлива могут быть использованы спирты — ме танол СН3ОН и этанол С2Н 5ОН. Применение спирта требует доработки ДВС, но 20%ная добавка этанола к бензину делает эту смесь (газохол) приемлемой для обычных двигателей. Дви гатель, работающий на спирте, выделяет гораздо меньше про дуктов сгорания, чем бензиновый двигатель. Городские отходы на 40 … 60 % состоят из веществ, не ус тупающих по теплоте сгорания низкосортным маркам угля [13]. Решая проблему утилизации отходов, необходимо пред усмотреть возможность использования этой теплоты. Наибо лее разработанные технологии биоэнергетики — биохимичес кая или термохимическая конверсия отходов в биогаз и эта нол. Электрическая энергия. Это единственный вид энергии, который удается производить в больших количествах, переда вать на значительные расстояния и сравнительно просто рас пределять. Электроэнергия легко преобразуется в другие виды энергии. Мазут 16 40 42 Электрическая энергия обусловлена наличием заряженных тел, электрического тока, электрических и магнитных полей. Природу электрических явлений изучает электродинамика, а методы получения, передачи, распределения и использования электрической энергии — электротехника. Вспомним основ ные понятия, связанные с электромагнитными явлениями, по лучением и применением электрического тока. Электрический ток — это упорядоченное движение свобод ных электрических зарядов. Ток характеризуется направлением, силой и напряжением. В СИ сила тока I измеряется в амперах (А), а напряжение U — в вольтах (В). Магнитное поле создается электрическим током. Характери стики поля таковы: напряженность — измеряется в СИ в ампе рах на метр (A/м); магнитная индукция — в теслах (Тл), 1 Тл = = 1 Н/(А · м). Электромагнитная индукция — явление возникновения электродвижущей силы в проводнике, если он движется в по стоянном или покоится в меняющемся магнитном поле. Это яв ление используется для получения электрического тока генера торами и преобразования переменного тока трансформаторами. Магнитный поток измеряется в веберах (Вб), 1 Вб = 1 Тл · м2. Одновременное существование в области пространства пере менных электрического и магнитного полей обусловливает электромагнитное поле. Переменные во времени электромаг нитные поля называются электромагнитными колебаниями. Постоянный электрический ток характеризуется тем, что его сила и направление не меняются со временем. В СИ едини цей электрического сопротивления R является ом (Ом). Ток, проходя через потребитель, совершает работу L = IUt. Мощ ность тока определяется работой, совершаемой им в единицу времени: N = dL/dt = IU = I 2R = U 2/R. Работа и мощность тока в СИ измеряются соответственно в джоулях (Дж) и ваттах (Вт), 1 Вт = 1 А · В. Внесистемной едини цей работы тока является киловаттчас (кВт · ч). Переменный электрический ток — это ток, изменяющий ся во времени по величине и направлению. Мгновенное значе ние силы тока I = Imax sin(wt + y), где Imax — амплитуда; (wt + y) — фаза тока; w — циклическая частота (w = 2pn); n — частота колебаний; y — начальная фаза. Закон Ома для переменного тока принимает вид Imax = Umax /Z, 17 где Umax — амплитуда напряжения; Z — полное сопротивление цепи, включающее в себя активное и реактивное сопротивления. Важными для практики являются понятия действующих силы тока, напряжения и мощности: I = I max 2, U = Umax 2, 2 2 N = U 2 R = I 2 R = I max R 2 = Umax 2R . Напряжения 220 В (в быту) и 110 кВ (в линии передачи) яв ляются действующими напряжениями переменного тока. Для цепи с активными и реактивными элементами, в кото рой ток и напряжение изменяются с разностью фаз j, средняя мощность тока за период N = IUcosj, учитывающая потери электрической энергии, носит название активной мощности, а величина cos j — коэффициента мощ ности. Активная мощность в СИ измеряется в ваттах (Вт), пол ная — в вольтамперах (В · А), реактивная — в реактивных вольт амперах (вар). Трехфазная электрическая цепь по сравнению с однофаз ной позволяет экономить цветной металл в линиях электропе редачи (до 25 %), создавать вращающееся магнитное поле ста тора асинхронного электродвигателя, снижать пульсации тока при получении постоянного тока из переменного, а также ис пользовать два рабочих напряжения — линейное (380 В) и фаз ное (220 В). Механическое действие тока реализуется в работе электро двигателей. В электродвигателях постоянного тока возможно плавное регулирование скорости вращения ротора. Они приме няются для привода колесных пар электротранспорта. На транспорте используются также асинхронные электродви гатели трехфазного переменного тока. В статоре такого двига теля при помощи трехфазного тока создается вращающееся маг нитное поле. Частота вращения ротора меньше, чем у магнит ного поля, причем со снижением нагрузки она возрастает, с уве личением — уменьшается. Асинхронные электродвигатели находят применение в при водах станков, кранов, лебедок, лифтов, эскалаторов, насосов и других механизмов. Тепловое действие тока проявляется в проводниках, через которые проходит ток. Количество выделяющейся теплоты Q в неподвижном проводнике равно работе электрического тока. Солнечная энергия. Свет представляет собой электромаг нитные волны — поток фотонов. Ежесекундно Солнце излуча 18 ет энергию 3,9 · 1026 Дж. Поверхности Земли достигает 4,5 · 10-8 % этой энергии. Мощность такого потока равна 1,78 · 1017 Вт. Энер гией, поступающей на поверхность площадью 20 тыс. км2, мож но обеспечить потребность в ней всего населения земного шара. Энергетическая освещенность атмосферы составляет 1,4 кВт/м2, а поверхности Земли — 0,8 … 1,0 кВт/м2. Затруднения в исполь зовании солнечной энергии вызваны ее низкой поверхностной плотностью вблизи Земли (800 ккал/м2) [13]. Преобразование солнечной энергии в теплоту осуществля ется в сооружениях типа теплиц посредством нагревания теп лоносителей в теплоизолированных приемниках излучения, а также на солнечных тепловых электростанциях. Прямое преобразование солнечной энергии в электричес кую осуществляется двумя методами — термо и фотоэлектри ческим. Электроэнергия от солнечных батарей пока в 100 раз дороже вырабатываемой тепловыми электростанциями. Преобразование солнечной энергии в механическую прин ципиально возможно при использовании эффекта солнечного паруса. Поток фотонов оказывает давление на поверхность Зем ли, равное 5 мкПа. Эффект солнечного паруса обусловлен раз ницей давлений света на идеально отражающую и полностью поглощающую поверхности. Ядерная энергия. По прогнозам, для обеспечения челове чества энергией природных запасов органического топлива хва тит на полстолетия. В будущем основным энергоресурсом мо жет стать солнечная энергия. На переходный же период требу ется источник энергии, практически неисчерпаемый, дешевый, возобновляемый и не загрязняющий окружающую среду. И хотя ядерная энергия не отвечает полностью этим требованиям, эта область энергетики интенсивно развивается. Ядерными реакторами называются устройства, в которых осуществляются управляемые ядерные цепные реакции, сопро вождающиеся выделением теплоты. Основными элементами ядерного реактора являются активная зона, где находится ядер ное топливо и протекает цепная реакция, замедлитель и отра жатель нейтронов, теплоноситель для отвода теплоты, образу ющейся в реакторе, регуляторы скорости развития цепной ре акции и радиационная защита. 1.3. Источники и ресурсы энергии Существующие источники и ресурсы. Ресурсы — это сред ства, ценности, источники ценностей, запасы, возможности. Подмножеством этой категории являются энергетические ре сурсы. Энергоресурсы — это средства, сутью которых является 19 их энергосодержание, а целью использования — извлечение, преобразование и потребление содержащейся в них энергии для реализации производственных процессов и удовлетворения раз личных потребностей. Субстанция, содержащая энергию, называется энергоноси телем, важной характеристикой которого является плотность содержащейся в нем энергии (например, удельная теплота сго рания). Энергоресурсы и энергоносители характеризуются об щей величиной запаса (энергоемкостью, массой) и темпом ис черпания (скоростью выемки из хранилища, интенсивностью процесса потребления). В понятие энергоресурсов входят также источники, их до ступность и степень освоения. От этих характеристик зависит объем энергоресурсов, предназначенный для практического применения. Место энергоресурсов во множестве ресурсов, используемых обществом, рассмотрим с помощью диаграммы классов UML1 (рис. 1.1). Cтруктура системы характеризуется диаграммами классов с множеством типов отношений. Обобщение, например, позволя ет реализовать принцип наследования: общие свойства и пове дение размещаются в верхних по иерархии (родительских) клас сах, а нижние классы (потомки) обращаются за информацией к родительским классам. Наследование может быть множе ственным, когда потомок приобретает черты многих родителей (например, класс ВоднРесурс («Водные ресурсы») на рис. 1.1 на следует свойства классов Энергоресурс и НеЭнергоресурс). На одной диаграмме также можно отображать наследование свойств по нескольким признакам (как, например, класс При родныйРесурс подразделяется на подклассы по признакам «Энергосодержание» и «Неисчерпаемость»). Множественное наследование позволяет отобразить сетевой характер классифи кации сложной системы (например, класс МинералРесурс мож но определить по признаку «Энергосодержание», а также как Невозобновляемый и Исчерпаемый). Обобщение отображается стрелкой со светлым треугольни ком, направленной в сторону родительского класса. В качестве имени класса используют акроним — написанное слитно соче тание морфем ключевых слов (или самих слов), начинающихся 1 UML — язык визуального моделирования [5] — возник и получил широ кое распространение в последнее десятилетие как инструмент объектноори ентированного моделирования сложных систем, существенно упрощающего их анализ и проектирование. К основным понятиям UML относятся класс, объект, атрибут, операция и наследование. Система представляет собой сово купность диаграмм классов, активностей и др. 20 Рис. 1.1. Иерархия ресурсов (диаграмма классов UML): 21 отношение наследования (треугольник примыкает к классуродителю) с заглавной буквы. Имена абстрактных классов пишутся курси вом, а конкретных (состоящих из одного определенного объек та) либо конечных в иерархии — прямым шрифтом. Ресурсы в целом подразделяются на природные и экономи ческие. Природные (первичные) ресурсы — компоненты окружаю щей среды (ОС), используемые в процессе общественного про изводства для удовлетворения материальных и культурных по требностей. Совокупность природных ресурсов можно разде лить на энергоресурсы и неэнергетические ресурсы. Основные виды природных ресурсов — солнечная энергия (СолнЭнергия), энергия приливов (ПриливЭнергия), геотер мальная энергия (ГеотермЭнергия), водные (ВоднРесурс), воз душные (ВоздРесурс), минеральные (МинералРесурс), земель ные (ЗемРесурс) и растительные ресурсы (ФлорРесурс), а так же ресурсы животного мира (ФаунРесурс). Среди них солнеч ная энергия, энергия приливов и геотермальная энергия явля ются чисто э н е р г е т и ч е с к и м и р е с у р с а м и. Земельные, растительные ресурсы и ресурсы животного мира отнесем к н е э н е р г е т и ч е с к и м р е с у р с а м. И наконец, водные, воз душные и минеральные ресурсы можно считать комбинирован ными: они используются как в процессах, осуществляемых в энергетике, так и по другому назначению (воздух дает кислород для топливной энергетики, но также является основой всей аэробной жизнедеятельности). Запасы первичных источников энергии, Дж, на Земле тако вы [13]: ядерная энергия деления — 1,97 · 1024; химическая энер гия горючих веществ — 1,98 · 1023; внутренняя теплота Земли — 4,82 · 10 20 ; энергия приливов — 2,52 · 10 23 ; энергия ветра — 6,12 · 1021; энергия рек — 6,5 · 1019. Минеральные ресурсы (МинералРесурс) — это полезные ископаемые, заключенные в недрах. В зависимости от области их применения выделяют следующие группы ресурсов: а) топливноэнергетические — нефть, природный газ, уголь, урановые руды (ТоплЭнергоресурс); б) рудные, являющиеся сырьевой основой для черной и цвет ной металлургии; в) горнохимическое сырье — поваренная и другие соли, сера и ее соединения и др.; г) природные строительные материалы; д) гидроминеральные (группы б — д на схеме условно объе динены в класс НеТоплЭнергоресурс). Природные ресурсы классифицируют и по другому признаку — практической неисчерпаемости: н е и с ч е р п а е м ы е и и с ч е р п а е м ы е. Класс последних, в свою очередь, подразделяет ся на возобновляемые и невозобновляемые. Восстановление 22 запаса возобновляемых ресурсов (гидроресурсы, ветер) обеспе чивает природа. Запас невозобновляемых ресурсов (минераль ное топливо, уран) ограничен (на схеме показано для минераль ных ресурсов в целом). Невозобновляемость обусловлена раз личием темпов потребления и создания ресурсов природой. Например, за сутки сжигается столько топлива, сколько его за пасала природа в минералах в течение тысячи лет. Экономические ресурсы являются составляющими обще ственного производства, в том числе энергетики. Т р у д о в ы е р е с у р с ы кроме экстенсивного показателя — численности обладают такими важными характеристиками, как интеллектуальный потенциал и технологическая подготовлен ность. М а т е р и а л ь н ы е р е с у р с ы носят вторичный характер и представляют собой промежуточные или конечные продук ты цепи процессов переработки природного сырья (топливо, получаемое из нефти, товарный уголь и газ), а также тепловые отходы производственных процессов (отработанный пар, горя чие газы). Энергоресурсы подразделяют также на топливные и нетоп ливные. Разнообразные энергоресурсы обладают взаимозаменя емостью (вместо жидкого топлива может быть использован газ). При принятии решений о наилучшем использовании энергоре сурсов их сопоставляют количественно. Удобно проводить срав нение их удельной теплоты сгорания, Дж/кг. Теплота сгорания может также измеряться в англоамерикан ских единицах British Thermal Units (Вtu): 1 Btu = 252 кал = 1055 Дж = 2,93 · 10-4 кВт · ч. Применение понятия условного топлива позволяет соизме рять различные виды топлива. В отечественной практике в ка честве основы используется так называемый угольный эквива лент — 7000 ккал (29,3 МДж) — теплота, которая выделяется при сжигании 1 т высококачественного угля (обозначается 1 т у. т.). Тонна нефти при сгорании выделяет примерно 10 000 ккал (42 МДж). Это означает, что для перевода массы нефти в уголь ный эквивалент следует эту массу умножить на коэффициент 1,43; 1 кВт · ч (3,6 МДж) электроэнергии эквивалентен 0,123 кг у. т. [21]. Из всех первичных видов топлива наибольшей удельной теп лотой сгорания обладает нефть. К высококачественным энерго ресурсам относится природный газ с коэффициентом перевода объема 1000 м3 на уровне 1,15 … 1,2. Источники энергии разделяют на коммерческие и некоммер ческие. Коммерческие источники энергии включают в себя твердые (уголь, торф, сланцы), жидкие (нефть, газовый конден 23 сат), газообразные (природный газ) виды топлива и электро энергию, произведенную на электростанциях всех типов. Не коммерческие источники энергии — древесное топливо, сель скохозяйственные и промышленные отходы, мускульная сила человека и рабочего скота [26]. Перспективные источники энергии для транспорта. Ра бота современного транспорта зависит от невозобновляемых источников. В будущем человечество перейдет к преобладающе му использованию возобновляемых источников энергии. К чис лу перспективных источников энергии для транспорта относят ся: в ближайшем будущем — уголь и горючие сланцы; в отдален ном — внутренняя теплота Земли, движение вод в реках и мо рях, ядерная энергия. Из этих источников можно получить энергию в форме, пригодной для непосредственного использо вания, например жидкое топливо, электричество и водород. 1.4. Преобразование и аккумулирование энергии 1.4.1. Преобразование и преобразователи Тепловые двигатели. На автомобильные ДВС приходится около 25 % общего количества потребляемой энергии и около 60 % общего количества всех видов загрязнений воздуха. Отра ботавшие газы автомобилей содержат СО2, Н2О, СО и другие вещества. Максимальный теоретический КПД бензиновых ДВС составляет около 58 %, дизелей — 64 %. КПД реальных ДВС вдвое меньше. Двигатели внешнего сгорания. В этих двигателях топливо сгорает вне цилиндра. Горение происходит непрерывно. Вибра ция и шум практически отсутствуют. Вредные выбросы продук тов сгорания незначительны. Недостаток этих двигателей — не долговечность теплонапряженной стенки цилиндра вследствие отсутствия соответствующих конструкционных материалов. Газотурбинные установки. Воздух сжимается в компрессо ре, смешивается с топливом, и смесь воспламеняется. Отрабо тавшие газы проходят через турбину. Ее первая ступень приво дит в действие компрессор. Последующие ступени вырабатыва ют механическую энергию, используемую потребителем. В тур бореактивном двигателе разница между количеством движения воздуха на входе в компрессор и газов на выходе из турбины создает реактивную тягу. Холодильные машины. В этих машинах некоторое количе ство теплоты отбирается от холодного источника, а ее большее количество отдается горячему приемнику. Разность этих коли честв теплоты представляет собой работу, совершаемую вне 24 шними силами над рабочим телом (хладагентом). Работа холо дильной машины связана с изменением агрегативного состоя ния хладагента: плавлением твердого вещества либо испарени ем жидкости вблизи холодного источника и обратным процес сом вблизи горячего приемника. Термоэлектрические генераторы. Если в замкнутой цепи, состоящей из двух разных металлов или полупроводников, на гревать один из контактов, то в цепи появится ЭДС и потечет ток. В настоящее время КПД теплоэлектрических генераторов составляет 10 … 12 % [13]. Магнитогидродинамические генераторы (МГДгенера торы). Их действие основано на явлении электромагнитной ин дукции при движении ионизированного рабочего тела (газ, плазма) в магнитном поле. В одной из возможных схем генера тора воздух, сжатый в компрессоре, подается в камеру сгорания. Т а б л и ц а 1.3 КПД энергетических установок, тепловых машин и преобразователей энергии Наименование Тепловые электростанции: ппппаротурбинные пппс МГДгенераторами пппс термоэмиссионными модулями пппс газотурбинными установками пппс парогазовыми установками Теплоэлектроцентрали Атомные электростанции Двигатели внутреннего сгорания: ппптихоходные дизели пппбыстроходные дизели пппдизели с наддувом пппкарбюраторные двигатели Газотурбинные установки Установки прямого преобразования энергии: пппМГДгенераторы ппптопливные элементы ппптермоэлектрические генераторы ппптермоэмиссионные преобразователи пппфотоэлектрические преобразователи КПД, % достигнутый возможный 40 … 42 36 … 40 41 … 45 24 … 30 42 … 46 66 … 70 30 … 36 43 … 45 55 … 60 48 … 52 32 … 36 45 … 50 72 … 77 40 … 41 32 … 39 32 … 41 42 … 45 25 … 30 31 … 37 35 … 41 36 … 43 48 … 50 28 … 32 38 … 40 32 … 38 60 … 70 20 … 25 17 … 20 10 … 15 50 … 55 80 … 85 30 … 35 30 … 35 20 … 25 25 Продукты сгорания из камеры попадают в разгонное сопло. По выходе из него газ попадает в МГДканал, в котором происхо дит отвод генерируемой электрической энергии. КПД преобра зования энергии пока составляет несколько процентов [13]. Электрохимические генераторы. Это устройства, преобра зующие химическую энергию непосредственно в электричес кую. Первые электрохимические генераторы назывались галь ваническими элементами [13]. Топливные элементы (ТЭ). В ТЭ электрический ток гене рируется за счет регулируемого «электрохимического сжигания» топлива. Реакция происходит в системе топливо — электролит — окислитель. ТЭ — электрохимический элемент, отличающийся тем, что активные вещества подаются извне, а материал элект родов в электрохимических превращениях не расходуется. Достоинствами ТЭ являются высокий КПД (около 60 %), от сутствие подвижных частей, бесшумность, отсутствие выделе ния теплоты с отработавшими продуктами (H2О и CO2), способ ность работать при комнатных температурах. К недостаткам ТЭ относятся их ограниченный срок службы, относительно высокая стоимость газообразного топлива и по лучаемой электроэнергии (2000 долл./(кВт · ч)) [12]. Заключим обзор преобразователей энергии сводными данны ми [7] об их КПД (табл. 1.3). 1.4.2. Аккумулирование энергии и аккумуляторы Аккумулирование энергии. Значение аккумулирования энергии для электроэнергетики постоянно возрастает. Суще ствующие проблемы, например связанные с неравномерностью потребления электроэнергии в течение суток, удалось бы разре шить при наличии недорогого электрического аккумулятора большой емкости с достаточно высоким КПД. Предоставление автомобильному транспорту малогабаритно го и легкого электрического аккумулятора большой емкости с высоким КПД способствовало бы применению электромоби лей, значительному снижению загрязнения воздуха и потребно сти в нефтяном топливе. Рассмотрим некоторые способы аккумулирования энергии. Аккумулирование энергии на гидроаккумулирующих электростанциях (ГАЭС). Это емкие аккумуляторы энергии. Когда снижается потребность в электроэнергии, ее излишек ис пользуется для перекачки воды из нижнего резервуара в верх ний, т. е. избыточная электрическая энергия превращается в по тенциальную механическую. При повышенном спросе на элек троэнергию осуществляется перепуск воды из верхнего резерву ара в нижний, и гидротурбогенераторы направляют энергию в 26 сеть. Самая мощная (1872 МВт) ГАЭС возведена в США. ГАЭС вырабатывают там 2 % всей электроэнергии страны [13]. Аккумулирование энергии в сжатых газах. Излишняя электроэнергия применяется для нагнетания воздуха под давле нием в подземную полостьхранилище. Когда запасенную энер гию нужно использовать, сжатый воздух направляется в газотур бинную установку, вырабатывающую электроэнергию. Общий КПД такого способа аккумулирования энергии 70 % [13]. Аккумулирование энергии с помощью маховиков. Акку мулятор представляет собой маховик, раскручиваемый до высо кой частоты вращения. Этот способ аккумулирования имеет ряд достоинств: высокий КПД (до 90 %), бесшумность, отсутствие загрязнений и быстрота зарядки, однако с ростом частоты вра щения маховика возможен его разрыв. Данный принцип аккумулирования энергии удобен для реа лизации на автомобильном транспорте. Применение маховико вых накопителей способствует повышению экономичности ав тотранспортных средств (АТС) благодаря возможности исполь зования аккумулированной энергии в нужный момент, особен но при движении АТС с частыми остановками и разгоном, ког да необходимо выводить двигатель из зон его работы с низким КПД. Маховиковой накопитель позволяет осуществлять рекупе ративное торможение, повышая КПД автомобиля. Этот накопи тель энергии наиболее эффективен в сочетании с бесступенча той трансмиссией. Электрические системы аккумулирования энергии. Про стейшим аккумулятором является конденсатор, обеспечиваю щий значительную нагрузку в течение нескольких микросекунд, например, в системе зажигания ДВС. Что касается электрохимических аккумуляторов, то при их зарядке электрическая энергия преобразуется в химическую, а при разрядке происходит обратный процесс. Основным недостатком существующих электрохимических аккумуляторов является низкое значение удельной (на 1 кг мас сы аккумулятора) запасаемой энергии. Если попытаться создать из современных материалов мощный аккумулятор для приведе ния в движение автомобиля с запасом хода в сотни километров, то масса аккумулятора будет соизмерима с массой перевозимо го груза. Свинцовокислотный аккумулятор обладает удельной энер гией немногим более 100 кДж/кг, дорогостоящий серебряно кадмиевый — около 400 кДж/кг. Поэтому АТС с электрохими ческими аккумуляторами находят пока ограниченное примене ние. Из перспективных разработок, направленных на обеспече ние большой удельной энергоемкости, быстрой зарядки и воз можности глубокой разрядки, известны железоникелевые, хлор 27 ноцинковые, натрийсерные, алюминийвоздушные варианты аккумуляторов. Тепловые аккумуляторы используют энергию Солнца: днем запасают теплоту, а ночью отдают ее. Они подразделяются на две группы: · накапливающие теплоту путем нагревания рабочего тела (вода, щебень); · запасающие теплоту в результате перехода рабочего тела (соли) из одного агрегатного состояния в другое (при этом тем пература тела изменяется незначительно). Передача теплоты потребителю от аккумуляторов первой группы происходит при охлаждении рабочего тела, а от акку муляторов второй группы — при возвращении тела в исходное агрегатное состояние. 1.5. Энергетика Процесс энергообеспечения экономики и общества. Энергоресурсы, энергоносители, энергия являются сырьем, продуктами энергетического комплекса. Процессы воспроиз водства, доставки, преобразования, распределения, передачи и конечного потребления энергоресурсов представляют собой стадии единого процесса энергообеспечения общества. Воспроизводство первичных энергоресур с о в. Эта стадия начинается с разведки запасов. Результатом разведки является прирост запасов энергоресурсов, которые подразделяются на категории в зависимости от их изученности и подготовленности к эксплуатации: А — детально разведанные и подготовленные; В — геологически обоснованные и относи тельно подготовленные; С — предполагаемые и слабо разведан ные; D — предполагаемые исходя из геологической изученно сти местности. Эти категории, вместе взятые, составляют дос товерные запасы. Выделяют также прогнозные запасы. Сумма достоверных и прогнозных запасов представляет собой общегеологические за пасы. Та их часть, которая может быть использована для разра ботки в настоящее время, называется балансовыми запасами [21]. Стадия воспроизводства включает в себя добычу минераль ного топлива и привлечение нетопливных энергоресурсов: гид ро, ветроэнергии и др. Д о с т а в к а э н е р г о р е с у р с о в к у с т а н о в к а м, п р е о б р а з у ю щ и м э н е р г и ю. Доставка осуществляется с помо щью транспортных магистралей: железных дорог, трубопроводов, водных путей и др. 28
